CPS技术发展趋向进行探讨

作者：徐静婷 单位：上海电器科学研究院

科研活动的成果可以以专利技术的形式体现，企业的核心关键技术或代表该领域发展方向、趋势的技术，通常会通过申请专利来保持企业的技术竞争力和市场垄断。通过专利文献则可以了解该领域最新动态和最新科研技术信息。所以，专利在一定程度上反映了某领域的领先技术，并可远观其发展趋势。运用上海电器科学研究院的“低压电器专利数据库平台”，对自2002年以来涉及CPS技术的专利进行了分析。从专利申请的时间来看，主要集中在2006年之后，这是因为国内在90年代前，CPS技术还处于空缺状态。为了跟踪国外技术的发展，国家在“八五”期间正式下达了CPS研发计划，开始研发国内的CPS产品。从2006年之后，国内各企业大力发展CPS技术，专利申请量也随之有较大幅度的增长。从专利申请的专利权情况来看，施耐德电器工业公司、上海电科电器科技有限公司、苏州万龙电气集团股份有限公司、浙江中凯科技股份有限公司、江苏凯隆电器有限公司，这几家企业的专利申请量占到总数的3/4以上。从专利申请的类型来看，近10年来，与CPS技术相关的专利共有113项，其中，发明42项，实用新型43项，外观28项。从近2/3的专利为实用新型和外观的申请中可以看出，现在的企业技术发展战略比较注重新产品专利，希望通过申请尽快获得保护，抢占市场先机。

2CPS专利技术分析通过对近几年专利的技术分析不难看出，CPS的技术正朝着多功能、模块化、高性能、低功耗、智能化、高控制精度的方向发展，不但功能上越来越完善，各种保护方式呈现多样化，而且设计应用也更为人性化，进而可以符合更高要求、更实用的市场需求。

节能节材节能降耗是可持续发展的必然选择。企业推行产品的节能改进，可以降低能耗，节约企业成本。CPS产品的研发趋势也朝着节能、节材的方向发展。CPS在工作状态下，由于其电磁线圈直接外接交流电源而存在的涡流损耗和功率损耗，使电磁系统产生温升，使用寿命缩短。现有技术通过改变CPS电磁线圈两端的控制电压，高压直流起动，并由低压直流控制电磁线圈的正常运行状态，减少电磁系统中的损耗，从而降低温升，实现了长时间、低功耗运行，使用寿命延长。也有通过在CPS基座设置永磁驱动机构及与之相适应的控制电路，使电磁线圈不用长时间通电工作而高效节能，线圈不发热，实现了节能的目的。上海电科电器有限公司提出的“控制与保护开关电器操作机构”专利(专利号为201020299292．0)则是通过减少操作机构的零部件数量、简化加工工艺，达到节能、节材的目的。

模块化市场上现有CPS内部的各个组件通常用传统的导线形成通路，这样的连接会导致各个组件运行的可靠性降低。更重要的是，在这种连接情况下，各个组件属于统一的整体，无法进行单独的组件升级和损坏替换，往往是坏掉其中一个组件，就需要整体替换。为了解决以上不足，现有技术采用了模块化设计，为方便装配的单个模块组合。施耐德电器工业公司申请的“开关装置的控制与保护模块”的发明专利(专利号为02822764．6)，控制与保护装置是可互换地连接到连接件基座的可拆卸模块，并通过在电磁铁控制与脱扣磁铁控制之间安装伺服装置来提高操作安全性，保证了对于同样的基座，可以允许配置不同额定值的保护模块。该专利可使用户更方便地实施控制，使基座与各模块之间的连接也更为可靠。苏州万龙电气集团股份有限公司早在2009年申请的“一种模块化集成式控制与保护开关电器”的实用新型专利(专利号为200920046010．3)，提出一种CPS模块盒体，内外接插有独立式的单个模块，有保护模块、控制模块、电源模块、主电路触头系统模块及其他模块等。各个模块设有即插即用接口，通过不同模块间的组合，实现电动机回路的起动操作控制及短路、过载等故障保护。这种独立的结构设计，即插即用的接口，便于安装卸取，很好地解决了传统的CPS由于为一个整体器件，无法进行单独组件的损坏替换的问题。在模块化的同时，也寻求小型化的突破，通过采用交、直流可互换的模块化结构磁系统、脱扣器、通信模块、辅助触头模块等，根据需要有选择地接入线路，各模块间进行统一的连接锁定，使锁定结构简化，占用体积小，实现CPS产品小型化，且接线线路简单，使其整体结构更为紧凑。

基于嵌入式电子技术的应用随着电子技术的不断发展，许多单纯利用电磁技术实现的功能正逐步被电子技术替代。目前，国内一部分CPS采用双金属片的热磁保护方式，存在保护功能少、动作不稳定、精度差的问题。针对这些缺陷，上海电科电器有限公司的专利号为201010258781．6的发明专利，提出了一种多功能电路，包括微处理器电路、信号采样及处理电路、短路检测电路、脱扣电磁铁驱动电路、控制电器铁驱动电路以及为上述电路提供电源的电源转换电路。该多功能电路能够快速地输出控制和保护信号，且抗干扰能力强。此外，通过增加控制电压反馈电路，对电磁驱动电路实现反馈控制，保证了控制的可靠性。

美观小巧外观专利申请占总申请量的1/3，主要申请保护的为CPS的操作机构外观、隔离器模块以及其他新型辅助模块的外观。整体的CPS体积更为小巧，结构更为人性化，更注重安全性，易于安装及操作，外型也更为美观。

如今，各家电器厂商所研制的CPS，大都通过对产品的结构，特别是操作机构、保护模块和电磁系统的改进，并配以各种功能的辅助模块，来更好地实现对低压配电系统的控制、保护、通信、远程操控监控等功能，不断提升CPS产品的技术和应用水平。作为低压电器产品中较为理想的元器件，CPS并没有像断路器和接触器得到突飞猛进的发展，相关技术还不是很成熟，在智能化和嵌入式现场总线技术方面还有很大的发展空间。