1.1.3 低压电器的发展概况

我国低压电器行业经历了70年的发展，先后经历了三代产品的发展，低压电器企业已经掌握了第三代产品的核心技术，并取得一些自主知识产权，基本形成了较为完整的生产体系，产品已经超过1000个系列，生产企业已达到2000余家。截至2018年，低压电器产品总产值已达到980.5亿元，在国家“一带一路”倡议的带动下，各企业加大开拓国际市场，目前已成为低压电器进出口贸易大国。据资料记载，2018年我国低压电器主要产品进出口总额319.03亿美元，其中进口为158.26亿美元，出口近160.77亿美元。目前我国生产企业正步入第四代产品的自主研发和制造时期，与以施耐德、ABB、西门子为代表的国外企业品牌齐头并进。

1.1.3.1 第四代低压电器

目前，普适意义上的第四代低压电器产品是符合节能环保要求的“绿色”智能化电器产品，具有计算、通信、精确控制、远程维护和自治等五大功能特征，具有功能软件化、数字化、电子化、智能化、网络化、高性能、高可靠性、小型化、模块化、组合化、零部件通用化等特点，集保护、监测、通信、自诊断、显示等功能于一体，支持系统集成应用，可通过工业互联网APP使用移动设备进行操作。目前我国智能化低压开关电器包括智能化万能式断路器、智能化塑壳式断路器、智能化双电源自动转换开关、智能化交流接触器、智能化电动机保护器、智能化软起动器、智能化控制与保护开关电器等产品。

智能化了的开关电器通常简称为智能化电器或智能电器，它由开关电器和内嵌式智能控制器或外挂式智能控制器组合而成。智能控制器由数据采集、智能识别、调节装置和通信模块等基本单元构成，有的产品根据需要加装显示模块和检测模块等，以扩大智能化功能。数据采集单元主要由传感器组成，将被测信号数据以数字信号的形式提供给智能识别单元，以进行处理分析；智能识别单元是智能控制单元的核心，由DSP微处理器构成的微机控制系统，根据传感器采集到的信息和主令操作信号，自动地识别工作状态，对调节装置发出不同的定量控制信号而自动调整操动机构的参数，对执行机构发出调节信息和动作指令，执行机构接收到控制信息后，调整操动机构的参数，驱动执行器执行。通信模块有RS232/RS485、现场总线、局域网等接口，支持WiFi、GPRS、433MHz、移动4G/5G、蓝牙等多种通信方式，可与工业网络、物联网、云平台等联网，实现远程网络化控制或云控制。以智能化低压断路器为例，它将通信、测量、控制和保护等功能集成于一体，数据可实时向云平台传送，对电气相关数据进行分析，自动识别故障类型，迅速做出处理，并将状态信息和处理结果通过云平台发送给管理者，实现大数据分析，为远程运维管理提供依据。智能云平台可实现配电设备云端互联、故障快速定位报警、能耗分析优化等功能。

目前，开关电器实现智能化主要用非集成化、集成化和混合三种方式实现。非集成化方式是将传统的开关电器通过传感器接口与智能控制器组合为一个整体而构成智能电器，并配备智能化软件，从而实现智能电器功能，如智能接触器；集成化方式是将功能接口电路和智能控制器集成在一个壳体内，利用电力电子技术代替常规机械结构的辅助开关和辅助继电器，达到微型化、结构一体化，从而提高了精度和稳定性，如框架式智能断路器、智能云断路器、智能漏电微型断路器、远程线控智能断路器等；混合方式是在集成化方式基础上再将显示功能、仪表功能和通信模块放在一个或两个壳体内，组合成一个智能化电器，再装在一个框架内或导轨式安装，如断路器本体附加智能网关模块、远程控制模块、以太接口及网关产品等。

智能化电器与网络的连接，主要有两种方式：一是在电器内部镶嵌通信模块和接口，通信规约标准化，通过通信接口与现场总线连接，再通过数据网关与云管理平台连接，若支持WiFi、GPRS、蓝牙等通信方式，即可采用移动设备进行操作；二是各种模块（卡）化通信接口，连接于网络和低压电器元件之间，可构成如上类似的通信功能，如施耐德用于断路器外部的ULP模块等。

1.1.3.2 未来第四代低压电器

普适概念下的智能化电器是可通信的智能电器，未来的智能化电器是可互联的物联网电器。普适概念下的智能化电器的通信是在“层级结构”上的封闭型工业自动化控制网络，各类品牌协议不一致，所传送的数据“帧”格式不同，不同层级之间的兼容性差，设备相互之间不能互通数据，数据只能本地采集，无法远程监控，不能满足智能生产控制的实时性和可靠性要求。未来的智能化电器不仅是可通信的智能电器，还是数字化、网络化的物联网电器，具有功能软件化、通信IP化、扁平化、无线化、灵活组网和即插即用等特征，运行在信息物理系统（Cyber Physical Systems，CPS）中的网状分布式工业控制网络中。5G（IPv6）网络将成为工业互联网接入层关键组成部分，网络能力（时延、带宽、资源定制等）大幅提高，每一个物联网电器在网络中都用IP地址连接，将数据融合在IP网络中传输和控制，使数据可在不同网络间传输和交换，实现设备间的互联互通。每一个物联网电器中都镶嵌智能传感器/执行器等部件，可通过网络实现信息采集和反向控制。通过IP协议，把各种不同数据“帧”统一转换成“数据包”格式，做无连接分组交换传输，可大幅提高网络的坚固性和安全性，即具有“开放性”的特点。未来第四代低压电器一定是在第四次工业革命中伴随着智能制造而产生的。

进入21世纪，中国第一次与发达国家站在同一起跑线上，发动和创新人类历史上的第四次工业革命。2020年中国已经进入一个人、机、物互联、互通、互操作的全联网智慧时代。2019年6月6日，中国正式进入5G商用元年，为工业互联网发展、产业数字化、网络化、智能化的发展奠定了重要基础，5G结合人工智能、物联网、云计算、大数据、边缘计算、信息物理系统等技术，将进一步推动工业智能化、信息化升级，推动智能制造快速发展。2019年11月19日，工业和信息化部办公厅发布了《“5G+工业互联网”512工程推进方案》，明确到2022年，要突破一批面向工业互联网特定需求的5G关键技术，打造5个产业公共服务平台，内网建设改造覆盖10个重点行业，形成至少20个典型工业应用场景，促进制造业数字化、网络化、智能化升级，加快工业级5G芯片和模组、网关，以及工业多接入边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）等通信设备的研发与产业化，促进5G技术与可编程逻辑控制器（PLC）、分布式控制系统（DCS）等工业控制系统的融合创新。2020年2月20日，全球首款5G工业互联网模组在中国四川爱联科技公司顺利下线。5G模组可广泛应用于5G工业生产线、工业物联网、工业自动化控制等工业智能制造领域，实现智慧工厂全流程的数据采集、数据回传、控制指令收发、监控、可视化应用、设备信息化及数据安全可管可控，这意味着5G工业互联网将深入发展和广泛应用。

5G工业互联网是构建工业环境下人、机、物全面互联的关键基础设施。5G工业互联网可以实现从研发、设计、生产到销售、管理、服务等全要素的泛在互联，是连接生产系统和产品各要素的信息网络；通过工业现场总线、工业以太网、工业无线网络（物联网）和异构网络集成等技术，能够实现工厂内各类装备、控制系统和信息系统的互联互通，以及物料、产品与人的无缝集成，并且IP化、扁平化、无线化、灵活组网。智能化电器在其中将起到连接器和执行器的作用，通过智能化电器的互联，把各个孤立的“人、机、物”接入到云端平台上。工业物联网和云端平台分别位于智能工厂的三层信息技术基础架构的底层和顶层。最上层的工业云和智能服务平台，是高度集成、开放和共享的数据服务平台。中间层，通过信息物理系统实现对生产设备和生产线的控制、调度等相关功能。在网络最底层则通过工业物联网实现传感、执行、控制，实现智能生产，5G（IPv6）网络将使智能传感器在本体内部进行数据处理，再实时地发送有用且可执行的数据，以满足智能工厂的需求。

新一代信息技术与制造业深度融合，基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革。基于信息物理系统网络的智能控制系统、工业应用软件、故障诊断软件和相关工具、传感和通信系统协议将大力发展，实现人、设备与产品的实时联通、精确识别、有效交互与智能控制。

信息物理系统是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。信息物理系统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程、可靠、实时、安全、协作的方式操控一个物理实体。信息物理系统包含了将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。信息物理系统网络的实现，在工业设备接入技术上，主要通过现场总线技术和工业以太网技术，以及无线网络和基于有线、无线网络形成的柔性灵活的工厂网络；从网络类型来分，既有各种智能设备组成的专用协议局域网，也有基于通用TCP/IP协议的公共互联网。网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量、网络规模等远远超过现有的工业控制网络。

基于以上时代背景和技术背景，本书作者预言，第四代低压电器中的智能化电器是一个可通信、可互联、无线化的物联网智能电器。目前需要攻克的技术包括专用新型传感器技术、网络化技术、智能控制技术、在线监测技术、集成技术、在线编程技术、虚拟仪表技术、嵌入式软件技术、抗电磁干扰技术及新工艺制造和安装技术等。