1.1.3 低壓電器的發(fā)展概況

我國低壓電器行業(yè)經(jīng)歷了70年的發(fā)展，先后經(jīng)歷了三代產(chǎn)品的發(fā)展，低壓電器企業(yè)已經(jīng)掌握了第三代產(chǎn)品的核心技術(shù)，并取得一些自主知識產(chǎn)權(quán)，基本形成了較為完整的生產(chǎn)體系，產(chǎn)品已經(jīng)超過1000個系列，生產(chǎn)企業(yè)已達(dá)到2000余家。截至2018年，低壓電器產(chǎn)品總產(chǎn)值已達(dá)到980.5億元，在國家“一帶一路”倡議的帶動下，各企業(yè)加大開拓國際市場，目前已成為低壓電器進(jìn)出口貿(mào)易大國。據(jù)資料記載，2018年我國低壓電器主要產(chǎn)品進(jìn)出口總額319.03億美元，其中進(jìn)口為158.26億美元，出口近160.77億美元。目前我國生產(chǎn)企業(yè)正步入第四代產(chǎn)品的自主研發(fā)和制造時期，與以施耐德、ABB、西門子為代表的國外企業(yè)品牌齊頭并進(jìn)。

1.1.3.1 第四代低壓電器

目前，普適意義上的第四代低壓電器產(chǎn)品是符合節(jié)能環(huán)保要求的“綠色”智能化電器產(chǎn)品，具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程維護(hù)和自治等五大功能特征，具有功能軟件化、數(shù)字化、電子化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高性能、高可靠性、小型化、模塊化、組合化、零部件通用化等特點，集保護(hù)、監(jiān)測、通信、自診斷、顯示等功能于一體，支持系統(tǒng)集成應(yīng)用，可通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP使用移動設(shè)備進(jìn)行操作。目前我國智能化低壓開關(guān)電器包括智能化萬能式斷路器、智能化塑殼式斷路器、智能化雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、智能化交流接觸器、智能化電動機(jī)保護(hù)器、智能化軟起動器、智能化控制與保護(hù)開關(guān)電器等產(chǎn)品。

智能化了的開關(guān)電器通常簡稱為智能化電器或智能電器，它由開關(guān)電器和內(nèi)嵌式智能控制器或外掛式智能控制器組合而成。智能控制器由數(shù)據(jù)采集、智能識別、調(diào)節(jié)裝置和通信模塊等基本單元構(gòu)成，有的產(chǎn)品根據(jù)需要加裝顯示模塊和檢測模塊等，以擴(kuò)大智能化功能。數(shù)據(jù)采集單元主要由傳感器組成，將被測信號數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的形式提供給智能識別單元，以進(jìn)行處理分析；智能識別單元是智能控制單元的核心，由DSP微處理器構(gòu)成的微機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)傳感器采集到的信息和主令操作信號，自動地識別工作狀態(tài)，對調(diào)節(jié)裝置發(fā)出不同的定量控制信號而自動調(diào)整操動機(jī)構(gòu)的參數(shù)，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出調(diào)節(jié)信息和動作指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到控制信息后，調(diào)整操動機(jī)構(gòu)的參數(shù)，驅(qū)動執(zhí)行器執(zhí)行。通信模塊有RS232/RS485、現(xiàn)場總線、局域網(wǎng)等接口，支持WiFi、GPRS、433MHz、移動4G/5G、藍(lán)牙等多種通信方式，可與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺等聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化控制或云控制。以智能化低壓斷路器為例，它將通信、測量、控制和保護(hù)等功能集成于一體，數(shù)據(jù)可實時向云平臺傳送，對電氣相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，自動識別故障類型，迅速做出處理，并將狀態(tài)信息和處理結(jié)果通過云平臺發(fā)送給管理者，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析，為遠(yuǎn)程運維管理提供依據(jù)。智能云平臺可實現(xiàn)配電設(shè)備云端互聯(lián)、故障快速定位報警、能耗分析優(yōu)化等功能。

目前，開關(guān)電器實現(xiàn)智能化主要用非集成化、集成化和混合三種方式實現(xiàn)。非集成化方式是將傳統(tǒng)的開關(guān)電器通過傳感器接口與智能控制器組合為一個整體而構(gòu)成智能電器，并配備智能化軟件，從而實現(xiàn)智能電器功能，如智能接觸器；集成化方式是將功能接口電路和智能控制器集成在一個殼體內(nèi)，利用電力電子技術(shù)代替常規(guī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和輔助繼電器，達(dá)到微型化、結(jié)構(gòu)一體化，從而提高了精度和穩(wěn)定性，如框架式智能斷路器、智能云斷路器、智能漏電微型斷路器、遠(yuǎn)程線控智能斷路器等；混合方式是在集成化方式基礎(chǔ)上再將顯示功能、儀表功能和通信模塊放在一個或兩個殼體內(nèi)，組合成一個智能化電器，再裝在一個框架內(nèi)或?qū)к壥桨惭b，如斷路器本體附加智能網(wǎng)關(guān)模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、以太接口及網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品等。

智能化電器與網(wǎng)絡(luò)的連接，主要有兩種方式：一是在電器內(nèi)部鑲嵌通信模塊和接口，通信規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)化，通過通信接口與現(xiàn)場總線連接，再通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與云管理平臺連接，若支持WiFi、GPRS、藍(lán)牙等通信方式，即可采用移動設(shè)備進(jìn)行操作；二是各種模塊（卡）化通信接口，連接于網(wǎng)絡(luò)和低壓電器元件之間，可構(gòu)成如上類似的通信功能，如施耐德用于斷路器外部的ULP模塊等。

1.1.3.2 未來第四代低壓電器

普適概念下的智能化電器是可通信的智能電器，未來的智能化電器是可互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)電器。普適概念下的智能化電器的通信是在“層級結(jié)構(gòu)”上的封閉型工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡(luò)，各類品牌協(xié)議不一致，所傳送的數(shù)據(jù)“幀”格式不同，不同層級之間的兼容性差，設(shè)備相互之間不能互通數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)只能本地采集，無法遠(yuǎn)程監(jiān)控，不能滿足智能生產(chǎn)控制的實時性和可靠性要求。未來的智能化電器不僅是可通信的智能電器，還是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的物聯(lián)網(wǎng)電器，具有功能軟件化、通信IP化、扁平化、無線化、靈活組網(wǎng)和即插即用等特征，運行在信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical Systems，CPS）中的網(wǎng)狀分布式工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中。5G（IPv6）網(wǎng)絡(luò)將成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入層關(guān)鍵組成部分，網(wǎng)絡(luò)能力（時延、帶寬、資源定制等）大幅提高，每一個物聯(lián)網(wǎng)電器在網(wǎng)絡(luò)中都用IP地址連接，將數(shù)據(jù)融合在IP網(wǎng)絡(luò)中傳輸和控制，使數(shù)據(jù)可在不同網(wǎng)絡(luò)間傳輸和交換，實現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通。每一個物聯(lián)網(wǎng)電器中都鑲嵌智能傳感器/執(zhí)行器等部件，可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息采集和反向控制。通過IP協(xié)議，把各種不同數(shù)據(jù)“幀”統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成“數(shù)據(jù)包”格式，做無連接分組交換傳輸，可大幅提高網(wǎng)絡(luò)的堅固性和安全性，即具有“開放性”的特點。未來第四代低壓電器一定是在第四次工業(yè)革命中伴隨著智能制造而產(chǎn)生的。

進(jìn)入21世紀(jì)，中國第一次與發(fā)達(dá)國家站在同一起跑線上，發(fā)動和創(chuàng)新人類歷史上的第四次工業(yè)革命。2020年中國已經(jīng)進(jìn)入一個人、機(jī)、物互聯(lián)、互通、互操作的全聯(lián)網(wǎng)智慧時代。2019年6月6日，中國正式進(jìn)入5G商用元年，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)，5G結(jié)合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、邊緣計算、信息物理系統(tǒng)等技術(shù)，將進(jìn)一步推動工業(yè)智能化、信息化升級，推動智能制造快速發(fā)展。2019年11月19日，工業(yè)和信息化部辦公廳發(fā)布了《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進(jìn)方案》，明確到2022年，要突破一批面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特定需求的5G關(guān)鍵技術(shù)，打造5個產(chǎn)業(yè)公共服務(wù)平臺，內(nèi)網(wǎng)建設(shè)改造覆蓋10個重點行業(yè)，形成至少20個典型工業(yè)應(yīng)用場景，促進(jìn)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化升級，加快工業(yè)級5G芯片和模組、網(wǎng)關(guān)，以及工業(yè)多接入邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）等通信設(shè)備的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)5G技術(shù)與可編程邏輯控制器（PLC）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）等工業(yè)控制系統(tǒng)的融合創(chuàng)新。2020年2月20日，全球首款5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模組在中國四川愛聯(lián)科技公司順利下線。5G模組可廣泛應(yīng)用于5G工業(yè)生產(chǎn)線、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動化控制等工業(yè)智能制造領(lǐng)域，實現(xiàn)智慧工廠全流程的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回傳、控制指令收發(fā)、監(jiān)控、可視化應(yīng)用、設(shè)備信息化及數(shù)據(jù)安全可管可控，這意味著5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將深入發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是構(gòu)建工業(yè)環(huán)境下人、機(jī)、物全面互聯(lián)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)從研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)到銷售、管理、服務(wù)等全要素的泛在互聯(lián)，是連接生產(chǎn)系統(tǒng)和產(chǎn)品各要素的信息網(wǎng)絡(luò)；通過工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)（物聯(lián)網(wǎng)）和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)工廠內(nèi)各類裝備、控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通，以及物料、產(chǎn)品與人的無縫集成，并且IP化、扁平化、無線化、靈活組網(wǎng)。智能化電器在其中將起到連接器和執(zhí)行器的作用，通過智能化電器的互聯(lián)，把各個孤立的“人、機(jī)、物”接入到云端平臺上。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和云端平臺分別位于智能工廠的三層信息技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)的底層和頂層。最上層的工業(yè)云和智能服務(wù)平臺，是高度集成、開放和共享的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。中間層，通過信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線的控制、調(diào)度等相關(guān)功能。在網(wǎng)絡(luò)最底層則通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)傳感、執(zhí)行、控制，實現(xiàn)智能生產(chǎn)，5G（IPv6）網(wǎng)絡(luò)將使智能傳感器在本體內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再實時地發(fā)送有用且可執(zhí)行的數(shù)據(jù)，以滿足智能工廠的需求。

新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，基于信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領(lǐng)制造方式變革。基于信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制系統(tǒng)、工業(yè)應(yīng)用軟件、故障診斷軟件和相關(guān)工具、傳感和通信系統(tǒng)協(xié)議將大力發(fā)展，實現(xiàn)人、設(shè)備與產(chǎn)品的實時聯(lián)通、精確識別、有效交互與智能控制。

信息物理系統(tǒng)是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)通過人機(jī)交互接口實現(xiàn)和物理進(jìn)程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間以遠(yuǎn)程、可靠、實時、安全、協(xié)作的方式操控一個物理實體。信息物理系統(tǒng)包含了將來無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，讓物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等五大功能。信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，在工業(yè)設(shè)備接入技術(shù)上，主要通過現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，以及無線網(wǎng)絡(luò)和基于有線、無線網(wǎng)絡(luò)形成的柔性靈活的工廠網(wǎng)絡(luò)；從網(wǎng)絡(luò)類型來分，既有各種智能設(shè)備組成的專用協(xié)議局域網(wǎng)，也有基于通用TCP/IP協(xié)議的公共互聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)能力、自治能力、控制對象的種類和數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。

基于以上時代背景和技術(shù)背景，本書作者預(yù)言，第四代低壓電器中的智能化電器是一個可通信、可互聯(lián)、無線化的物聯(lián)網(wǎng)智能電器。目前需要攻克的技術(shù)包括專用新型傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、智能控制技術(shù)、在線監(jiān)測技術(shù)、集成技術(shù)、在線編程技術(shù)、虛擬儀表技術(shù)、嵌入式軟件技術(shù)、抗電磁干擾技術(shù)及新工藝制造和安裝技術(shù)等。