CN100448204C - 一种运作网络的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有冗余性和线状拓扑结构的网络，特别是一种过程自动化现场总线网络(PROFIBUS PA-Netzwerk)。两个线路末端(E1、E2)连接在一个冗余管理器(RM)上，正常情况下，冗余管理器(RM)使两个线路末端(E1、E2)分开，出现故障时则使两个线路末端(E1、E2)相连。冗余管理器(RM)将提供一电压输入一个第一线路末端(E1)，这个电压用于驱动分别通过一个支路单元(T1-T4)而连接在所述网络(11)上的用户移动电话(F1-F4)。在其一个网络接口上接收一电压之后，支路单元(T1-T4)对连接在其他网络接口上的电缆(H1-H5)的状态进行检测，并且只有在正常情况下，才继续传输电压。冗余管理器(RM)至少在电源供应后的一段规定时间内没有检测到另一线路末端(E2)的电压，则所述冗余管理器供应该电压。电缆(H2)具有的故障位置(12)被支路单元(T1-T3)从线路上断开连接。

Description

一种运作网络的方法

技术领域

本发明涉及一种具有冗余性的网络，特别是一种PROFIBUSPA-Netzwerk(过程自动化现场总线网络)，一种用于所述网络中的用户设备的支路单元，一种用于所述网络的冗余管理器，和所述网络的一种运作方法。

背景技术

在具有“传统的”现场用仪表的布线的自动化技术工艺设备，例如测量变换器和/或控制机构中，其现场用仪表通过四线主干电缆和分线盒并借助于一个自身的芯线对而分别和一个可编程控制器连接，由于各现场用仪表是在彼此物理分离的情况下工作，因此，即使其中一个现场用仪表出现故障或通往这个现场用仪表的传输线路出现中断，也不会对其它现场用仪表的功能产生影响。

在通过一根现场总线与可编程控制器进行通讯的现场用仪表中，总线电缆是所有现场用仪表的一个共同部件，它的中断会对所有的现场用仪表造成影响。此外，现场用仪表中出现的故障，例如当传输线短路或有干扰信号发送到传输线上时，会破坏连接在总线电缆上的其余现场用仪表的通讯。由于从而可能会降低系统的可用性，所以现场总线一般不应用在特别关键的地方或必须具有冗余性。

在自动化技术设备中，原则上必须区分两种不同的冗余度方案。其中一种方案为系统冗余，它通过使整个系统结构冗余，即大规模地对由现场用仪表、总线系统和可编程控制器组成的系统进行翻倍来改善系统的可用性。可编程控制器必须具有这样的功能，即在其层面上可以进行配位，也就是确定哪些部件有效运作，哪些部件处于备用运作状态。所有其他部件均为标准部件。另一种方案为介质冗余，它通过传输介质仅使通讯系统这一部分冗余，若这个部分发生故障，将严重影响系统的可用性。例如，从EP0287992B2中已知一种具有高度可用性的总线系统，它具有两根总线电缆，可分别通过这两根总线电缆连续传输相同的信息。通过处于连接状态的用户设备中的逻辑探测器(Detektierlogik)对检验标志的分析，可以对总线进行功能检验。如果检验标志表明有故障，将转换为由另外一根没有故障的总线电缆接收。通过对所述传输介质进行冗余设计，可以提高总线系统的可用性。

从EP 1062787B1中已知一种具有冗余性的以太网。这种以太网具有一种线状拓扑结构。线路末端连接在一个冗余管理器上。冗余管理器通过检验报文来检测网络的状态。当网络出现中断时，冗余管理器就连接线的末端，从而提供一个线状结构并使网络重新处于随时可以运作的状态。其缺点在于，通过冗余管理器传输到两个线路末端的检验报文构成了网络的一个额外负荷，从而降低了网络的传输能力。此外，在某些总线系统中，在数据传输的同时，与总线电缆相连接的用户设备运作所需的能量也通过总线电缆传输，则这种监测原则和转换原则不适用于这种总线系统。

发明内容

本发明目的是，提供一种具有冗余性且可以向用户设备远程馈电的网络，特别是一种PROFIBUS PA-Netzwerk(过程自动化现场总线网络)，一种用于所述网络中的用户设备的支路单元，一种用于所述网络的冗余管理器和所述网络的一种运作方法。借此可以通过简单的方法提高网络的可用性。

根据本发明，这个目的通过如下的技术方案实现：

一种具有冗余性的网络，其中，所述网络的拓扑结构为一条线，两个线路末端连接在一个冗余管理器上，所述冗余管理器的作用是，在正常情况下使两个线路末端分开，出现故障时使两个线路末端相连，

所述冗余管理器采取这样一种设计，其中，将一个馈电电压输入其中一个所述线路末端，所述馈电电压用于驱动分别通过一个支路单元连接在所述网络上的用户设备，

所述支路单元以这样一种方式分别嵌入所述网络，使得所述网络的一个第一电缆末端连接在所述支路单元的一个第一网络接口上，所述网络的一个第二电缆末端连接在所述支路单元的一个第二网络接口上，

每个支路单元采取这样一种设计，其中，在所述支路单元的其中一个网络接口上接收一个馈电电压之后，检测连接在另一个网络接口上的电缆的状态，只有在正常情况下，才向这条电缆继续传输馈电电压，

所述冗余管理器还采取这样一种设计，其中，在向其中一个线路末端输入一个馈电电压之后，如果所述冗余管理器在至少一个预先确定的时间之后在另一个线路末端上探测不到馈电电压，就在另一个线路末端上同样输入一个馈电电压。

一种用于一种网络中的用户设备的支路单元，所述网络是一种过程自动化现场总线网络，具有冗余性，其中，所述网络的拓扑结构为一条线，两个线路末端连接在一个冗余管理器上，所述冗余管理器的作用是，在正常情况下使两个线路末端分开，出现故障时使两个线路末端相连，

所述支路单元以下面的方式嵌入所述网络，所述网络的一个第一电缆末端连接在所述支路单元的一个第一网络接口上，所述网络线路的一个第二电缆末端连接在所述支路单元的一个第二网络接口上，

所述支路单元采取这样一种设计，其中，在所述支路单元的其中一个网络接口上接收一个馈电电压之后，检查连接在另一个网络接口上的电缆的状态，只有在正常情况下，才向这条电缆继续传输馈电电压。

一种用于一种网络的冗余管理器，所述网络是一种过程自动化现场总线网络，具有冗余性，其中，所述网络的拓扑结构为一条线，两个线路末端连接在所述冗余管理器上，所述冗余管理器的作用是，在正常情况下使两个线路末端分开，出现故障时使两个线路末端相连，

所述冗余管理器采取这样一种设计，其中，将一个馈电电压输入其中一个所述线路末端，所述馈电电压用于驱动分别通过一个支路单元连接在所述网络上的用户设备，

在向其中一个线路末端输入一个馈电电压之后，如果所述冗余管理器在至少一个预先确定的时间之后在另一个线路末端上探测不到馈电电压，就同样地在另一个线路末端上输入一个馈电电压。

一种网络的运作方法，所述网络是一种过程自动化现场总线网络，具有冗余性，其中，所述网络的拓扑结构为一条线，两个线路末端连接在一个冗余管理器上，所述冗余管理器的作用是，在正常情况下使两个线路末端分开，出现故障时使两个线路末端相连，

通过所述冗余管理器将一个馈电电压输入其中一个所述线路末端，所述馈电电压用于驱动分别通过一个支路单元连接在所述网络上的用户设备，

每个支路单元在其一个网络接口上接收一个馈电电压之后，对连接在另一个网络接口上的电缆的状态进行检测，只有在正常情况下，才向这条电缆继续传输馈电电压，

在向其中一个线路末端输入一个馈电电压之后，如果所述冗余管理器在至少一个预先确定的时间之后在另一个线路末端上探测不到馈电电压，就会在另一个线路末端上同样输入一个馈电电压。

本发明的优点在于，通过冗余管理器可以较快地识别和消除网络中出现的故障。当一段电缆段出现断路或短路时，与之相连的一个用户设备的支路单元将不再向这段电缆段馈电，即中断向这段电缆段的馈电电压传输。反之，在正常情况下，这个支路单元应当通过所述电缆段向连接在所述电缆段之后的用户设备提供其运作所需的能量。这样，馈电电压就无法到达与冗余管理器相连的另一个线路末端。冗余管理器会识别出这种情况，并在确认故障状态后立即向另一个线路末端提供运作所需的能量。故障电缆段被位于其两端的两个支路单元隔离，由此，即使在出现故障的情况下网络也可以继续运作，而不会受到较长时间的干扰。从而，网络通讯在出现故障时仍能保持正常，不会对上级网络(特别是与上述网络相连的控制系统)产生干扰或其他形式的影响。

相对于上文所述的、由EP1062787B1已知的通过检验电报检测网络状态的方法，本发明的优点在于，故障出现后马上就可以被检测到，而不需要等待通过网络发送检验报文的时间。提高检验报文的发送频率，即缩短检验报文馈电的循环时间，就可以改进上述已知方法的反应时间。但其缺点在于，检验报文会成为网络的一个巨大的额外负荷。为此，根据本发明方法的优点，可以避免检验报文给网络造成的额外负荷。

本发明的另一个优点在于，本发明中的冗余管理器和支路单元不需要参与以数据处理为目的的数据通讯。因此，执行所需的器件要求及功率消耗可以有所降低，可用性也由于设备复杂度较低而有所提高。从而可以用更简单的方式扩展一个现有网络以使其具有冗余性。

冗余管理器和支路单元分别配备了一个终端元件(终端电阻)，该终端元件在其各自的网络拓扑结构中位于一个线路末端上并可以被接通，传输线路的信号传输特性可以根据拓扑结构的变化灵活地与每次所采用的拓扑结构匹配，从而使网络可适用于较高的波特率。

另一优点在于，可以特别简单地实现一种支路单元，所述支路单元至少配备两个开关和一个控制单元，其中，控制单元这样调节两个开关，即为了获得驱动能量和进行数据传输，通过各自的支路单元与网络相连的用户设备可以与支路单元的其中一个、另一个或两个网络接口相连接。

另一优点在于，可以特别简单的对连接在支路单元上的电缆进行短路或断路检测，即，所述支路单元具有一个包括上述开关在内的电阻网络，控制单元可以对所述开关进行调节，使得通过控制单元可以检测连接在支路单元的其中一个或另一个网络接口上的电缆的电流和/或电压。

由于不能忽略开关的开关动作时间，所以在出现故障时无法将从线路末端供入的驱动能量无间断地提供给用户设备。要解决这个问题，可以给其中一个支路单元，但主要是每个支路单元配备一个蓄能器，这个蓄能器至少在无故障的状态下可以由馈电电压充电。支路单元的功能是，记录连接的用户设备电压，并且在电压不足时将储能器连接到用户设备上。

如上文所述，本发明的一个优点是，冗余管理器和支路单元不需要参与数据通讯。因此，当出现故障，例如一段电缆段出现短路或断路时，可以由位于故障位置两端的两个支路单元(例如)通过发光二极管直接在本地显示，但冗余管理器只能识别故障状况，而无法识别故障位置。为了可以同时查明故障位置，冗余管理器有利地具有如下手段，即在各支路单元传输馈电电压时，记录一个线路末端上的电压和/或电流的时间过程，并从中查明从支路单元数目到故障位置等信息。在此，冗余管理器可以显示有关故障位置的信息，和/或将该信息传达给上级控制系统，从而可以由系统集中确定，需要排除的故障出现在哪里。因此，冗余管理器优选地还具有一个通讯接口，通过这个通讯接口冗余管理器可以与一个所述控制系统所处的上级网络进行连接和数据交换。

通过至少对两个线路末端的一个线路末端的电压和/或电流变化的记录，冗余管理器可以查明网络的状态变化，并从而确定故障是否已被排除。

为了通过冗余管理器将按本发明的网络的冗余扩展到一个(例如)包括一个控制系统的上级网络，冗余管理器优选地通过至少两个分段连接器可以与上级冗余网络的至少两个通讯信道连接；此外，冗余管理器设计为具有下述功能，即对分段连接器的功能进行监控，并据此选出其中一个分段连接器与网络连接。

附图说明

下面借助附图以及附图所示的实施例对本发明及其构型和优点作进一步说明，其中：

图1一个自动化技术设备的一个部分的框图；

图2一个冗余管理器的框图；

图3一个相对于图1的替代实施例图自动化技术设备的一个部分的框图；

图4一个支路单元的框图；

图5一个支路单元的一个控制单元的状态表；

图6与图5所示的状态表相对应的状态图；以及

图7一个扩展支路单元的基本电路图。

具体实施方式

图1显示的是一个自动化技术设备的一个部分。一个控制系统1按照分布式外设现场总线标准连接在总线系统2上。总线系统2可以采取简单设计或采取如图1所示的冗余设计。总线系统2的每个通讯信道3、4上除了其他设备，例如自动化设备(图中未显示)，还分别连接了一个链路5或6。链路5与一个分段连接器7相连，这个分段连接器7通过一个分支电缆8而连接在一个冗余管理器RM的一个端口A1上。另一个链路6与另一个分段连接器9相连，这个分段连接器9通过另一个分支电缆10而连接在所述冗余管理器RM的一个端口A2上。冗余管理器RM的另外两个端口B1和B2与一个网络11相连，这个网络符合过程自动化现场总线标准并具有一种线状拓扑结构。网络11的一个线路末端E1由一条主干电缆H3与端口B1相连的末端构成，这条主干电缆的另一端与一个支路单元T2的一个网络接口相连。所述支路单元T2和其他的支路单元T1、T3、T4具有可以使作为用户设备的现场用仪表F1、F2、F3、F4与网络11相连接的作用。其中，所述现场用仪表F1、F2、F3、F4分别通过分支电缆SK1、SK2、SK3、SK4而连接在各自的支路单元T1、T2、T3、T4上。

支路单元T2的另一个网络接口通过主干电缆H1而与支路单元T1的一个网络接口相连，支路单元T1的另一个网络接口通过主干电缆H2而与支路单元T3的一个网络接口相连，支路单元T3的另一个网络接口通过主干电缆H4而与支路单元T4的一个网络接口相连，从而形成了所述网络11的一个线状结构。支路单元T4的另一个网络接口通过一条主干电缆H5连接在冗余管理器RM的端口B2上。在不出现故障的情况下，主干电缆H5位于端口B2的末端构成了线状网络11的第二个线路末端E2。

除了传输数据，通过主干电缆H3、H1、H2和H4还传输现场用仪表F1、F2、F3、F4运作所需的能量。为此，两个分段连接器7、9分别具有一个直流电源并向其各自的联络线8和10中的芯线对供给直流电。冗余管理器RM选择两个分段连接器7和9中的一个(这里以选择分段连接器7为例)，并在系统启动时把相关的端口A1直接连接到端口B1上，这样，端口B1上也有了由分段连接器7提供的馈电电压。正常情况下，支路单元T1、T2、T3、T4将其一个网络接口上接收到的馈电电压分别传输到其另一个网络接口上。这样，馈电电压被逐步传输到位于冗余管理器RM的端口B2上的线路末端E2。冗余管理器RM监测到达其端口B2上的电压。如果这个电压在一个取决于网络配置的延迟时间之后与一个预置的额定值不相符，符合一个根据网络配置而产生的延迟时间而不是一个事先确定的额定值，就可以清楚地确定网络11中出现了故障。这个故障可以是(例如)主干电缆H1、H2、H3、H4、H5中的某一条发生短路或断路。

如图1中一条从中间穿过的虚线12所示，这里以支路单元T1和支路单元T3之间的主干电缆H2断路为例。支路单元T1识别出这次断路后，立即中断馈电电压的继续传输，从而使得馈电电压无法到达支路单元T3、T4以及冗余管理器RM的端口B2。当冗余管理器RM识别出端口B2上馈电电压的缺失时，会立即在其端口B2上施加一个电压，来向连接在故障位置后面(即所述例子中的虚线12之后)的现场用仪表F3和F4提供供电电压。上述方法的原理在于，冗余管理器RM将端口B1和B2连接在一起，从而也将线路末端E1和E2连接在一起。所述供电电压从端口B2出发，经过支路单元T4，一直被传输到支路单元T3，直接位于故障位置旁边的支路单元T3识别出故障12，就不再继续传输供电电压。在网络11中，在为所有现场用仪表F1、F2、F3、F4提供电压的同时，数据传输也在同样进行，因此，即使出现故障12，也可以保障网络11的继续运作。

在涉及网络11启动时所述的工作方法中还可以进一步包括其他步骤，即在所述支路单元与冗余管理器之间通过一种方法(这里不再作进一步说明)进行数据交换，和/或以相反的方向进行。通过这样一种数据交换可以提高网络11的可靠性，此外，网络11的启动过程和故障查找也得以简化。

图2所示的冗余管理器RM具有一个从属于端口A1和A2的第一控制单元RMCA，一个从属于端口B1和B2的第二控制单元RMCB和一个上级控制设备RMC。所述端口A1、A2、B1和B2通过一个开关网络而与开关RMS1、RMS2和RMS3相连接，其中，由第一控制单元RMCA控制的开关RMS1用于从端口A1和A2中选择出一个端口，由第二控制单元RMCB控制的开关RMS2和RMS3将由开关RMS1选择出来的端口A1或A2与端口B1和B2中的一个相连、全部相连或全部不相连。所述端口B1和B2具有以端接电阻形式出现的、可被接通或被断开的终端元件BT1、BT2。

第一控制单元RMCA对端口A1和A2上的电流和/或电压进行监控，并可以通过这种方式来监控分段连接器7、9(参见图1)，出现故障时，可以触发转接，即断开其中一个发生故障的分段连接器，接通另一个分段连接器。第二控制单元RMCB对端口B1和B2上的电流和/或电压进行监控，由此，它可以按上文所述的方法识别网络11中是否存在故障，从而决定是否应该将端口B1和B2中的一个或全部与所选择连接的端口A1或A2连接。除此之外，第二控制单元RMCB还可以识别网络11中的故障是否已排除，并根据识别情况对开关RMS2和RMS3进行相应操作，这一点将在下文中作进一步说明。

所述上级控制设备RMC与两个控制单元RMCA和RMCB相连，并具有一个通讯接口RMI，在本实施例中是一个现场总线子接口(PROFIBUS-Slave-Interface)，这个通讯接口用于连接所选择的端口A1或A2。这样，冗余管理器RM就可以与上级控制系统1进行通讯，例如报告状态信息或接收配置指令，从而在发生故障时可以采取相应的方法来排除故障。

和冗余管理器RM一样，支路单元T1、T2、T3、T4也具有可接通的终端元件，当这些终端元件位于线状拓扑结构的线路末端时，为了避免线路末端上发生信号反射，这些终端元件就会被接通。正常情况下，在根据图1所述的实施例中，冗余管理器RM中的终端元件BT2与端口B2接通，终端元件BT1从其端口B1断开。出现故障时(如虚线12所示)，冗余管理器RM将终端元件BT2与端口B2断开，位于故障位置两端的支路单元T1和T3激活其各自的终端元件。这样，即使在线路末端发生移动时，也能有效地抑制信号反射。

出于下列原因，必须用电缆将各个端接电阻与主干电缆的两端连接：

1.作为电流信号的总线信号定义为+10mA(毫安)，电流信号通过电阻为50欧姆的电阻产生一个+0.5V(伏)的确定的电压降，这个电阻由两个100欧姆的电阻并联而成。

2.电缆中的最长回波传播时间约为20μs(微秒)，在两公里长的电缆中的半循环时间为约16μs(微秒)，这样，强烈的反射会导致误码的出现。这种交叠在半循环20％的持续时间之后消失，相当于一个小于300m(米)的线路长度。与此相应，根据IEC-Norm(国际电工委员会标准)，支线的最大允许长度为120m(米)，在安全网络中最大长度为30m(米)。

图3显示的是图1所示的自动化技术设备的一种实施变体，其中，冗余管理器RM分成了两部分。其中的一个冗余管理器部分RM1具有端口A1和B1，它通过这两个端口与分段连接器7和网络11的线路末端E1相连。另一个冗余管理器部分RM2具有端口A2和B2，它通过这两个端口与分段连接器9和网络11的线路末端E2相连。如虚线部分所示，第一组件13包括冗余管理器RM1及其分段连接器7(包括位于其中的直流电源)和(视情况)链路5，第二组件14包括另一个冗余管理器RM2及其分段连接器9(包括位于其中的直流电源)和(视情况)链路6。这里所示的实施例具有这样一个优点，即网络11自身不必采用环形结构，因为网络路线不是在线路末端E1和E2上闭合，而是通过所述冗余管理器部分13、14、分段连接器7、9，链路5、6及总线系统2而闭合。

下面借助图4所示的支路单元T1对支路单元的构造原理作进一步说明。支路单元T1用于连接主干电缆H1和H2(又叫做Trunk Cable)的芯线对和分支电缆SK1(又叫做Drop Cable)的芯线对。主干电缆H1和H2连接在支路单元T1的网络接口NW1和NW2上。除数据外，通过主干电缆H1、H2的两个铜芯线H1a和H1b、H2a和H2b，以及分支电缆SK1的两个铜芯线Sa、Sb，还可以传输用于驱动现场用仪表的能量。为此，如上文所述，分段连接器7、9(参见图1和图3)分别具有一个直流电源，其中，由冗余管理器RM选出的分段连接器7将直流电流输送到传输电缆的一对芯线中。现场用仪表F1、F2、F3、F4分别接收一部分直流电流，并在直流电压上叠加一个交流电压，这个交流电压中包含了待传输的信息。支路单元T1具有一个控制单元ST，所述控制单元ST借助在主干电缆H1、H2上所测得的电流I1、I2和/或电压U1、U2对主干电缆H1、H2的状态进行监控，此外还监控通向现场用仪表F1的分支电缆SK1上的电压U3。除此以外，支路单元T1还具有一个电阻元件BT，4个开关S0、S1、S2和S3，一个为测量电压而设置的、由电阻R0、R1和R2组成的电阻网络和一个以一个电容器形式出现的蓄能器C。开关S0、S1、S2和S3的位置由控制单元ST根据记录的电流I1、I2和/或电压U1、U2和U3进行确定。终端元件BT是过程自动化现场总线系统中的标准端接电阻，当支路单元T1处于一个线路末端时，可以通过开关S0接通终端元件BT。为电阻R0、R1和R2所选择的阻值必须能使所连接的电缆H1和H2的状态可以在最佳方式下被定义。所述电阻优选地具有高电阻值，从而使流经它们的电流相对于正常情况下流经电缆H1和H2的电流十分微小。在这种情况下，可以忽略电缆H1和H2的线路电阻。

下面借助图5所示的支路单元T1的控制单元ST的状态表对支路单元T1、T2、T3、T4的作用原理作进一步说明。为简便起见，假设3个电阻R0、R1和R2具有相同的电阻值。表格的栏目中从左开始依次是：控制单元ST的当前状态，有关电压U1和电压比K＝U2/U1的状态改变检验标准，开关S0、S1和S2的位置，“下一个状态”，以及针对各种状况的注释。表格中所示的IDLE状态(空载状态)表示一种基本状态，这种状态是假设主干电缆H1和H2中没有电压，即检测到的电压U1和U2都为0或至少小于一个比较电压U0。所属比较电压U0通过合理的方法根据各馈电电压确定，与此相应的还存在一个可与电流I2和I1进行比较的比较电流I0。在这种状态下，如表格中与表示状态“IDLE”的行相对应的开关S1和S2的所属栏所示，开关S1和S2处于“on”位置。由于一直保持着IDLE状态，因此在这种情况下“下一个状态”栏中的状态仍显示为IDLE。“K＝U2/U1”栏中显示的是电压U2与U1的电压比，这个电压比是否超过或低于比较值，由控制单元ST进行监控。根据各个比较结果，将由当前状态转到下一个状态。例如在当前状态为TEST1时，若“K＝U2/U1”栏中显示电压比K在1/10到2/5之间，则将转入TEST2状态。用当前通过控制单元ST测得的电压比K与比较值进行比较，例如这里的比较值1/10和2/5，该比较值由各种外围条件决定，特别是根据电阻R0、R1和R2所具有的电阻值所确定，这里仅对比较值的确定进行举例。当接通分段连接器7中的一个馈电电压US时(参见图1和图3)，这个电压就通过冗余管理器RM、支路单元T2和主干电缆H1流向支路单元T1的网络接口NW1，状态表中则显示为U1＝US＞U0。控制单元ST因此由IDLE状态转到TEST1状态并测量电压U1和U2。如果连接在控制单元ST之后的主干电缆(这里是指主干电缆H2)发生短路，则电阻R0上的电压降将大大高于在网络接口NW2上，或者电缆H2上可以测得的电压U2，即K＝U2/U1＜1/10。这与表格中TEST1状态栏的第二行所示内容相对应。在这个检测结果的基础上假定下一个状态为SHORT状态。这种情况下开关S2处于“on”位置，发生短路的主干电缆H2与连接在其前面的主干电缆H1断开。这里可以不用考虑通过具有高电阻值的电阻R0进行连接。同时，以这样一种方式生成的线路末端，通过具有合适浪涌阻抗的终端元件BT将开关S0调节到“on”位置，将线路末端终结。将开关S0调节到“on”位置，可将从而形成的线路末端通过终端元件BT与合适的波阻抗相连。

当电压比K在1/10到2/5之间时，就会与TEST2状态栏的第一行所示内容相应地由TEST2状态转为OK状态。在OK状态下，开关S0、S1和S2均处于“off”位置，两条连接在支路单元T1上的主干电缆H1和H2均正常工作。由于控制单元ST测得的电压U1和U2各不相同，从而产生的其他区别情况和状态转变将借助图6所示的状态图进行说明。

在上文所述的实施例中，通过主干电缆H1向支路单元T1输送馈电电压。当选择性地通过主干电缆H2进行馈电电压输送时，就可以简单地在相应的状态表中显示为：电压U1和U2的预估值相互替换。

SHORT状态(主干电缆H2短路)和OPEN状态(主干电缆H2断路)是故障状态，这种状态下由冗余管理器RM通过端口B1和B2而输入馈电电压。故障消除后，相关的支路单元T1首先会转换到IDLE状态。由于开关S0此时处于“off”位置，从两端接受馈电的线状网络11就不具有线路终端。这会导致信号幅值的升高；当这一现象被冗余管理器RM的第二控制单元RMCB探测到时，后者会促使开关RMS3断开，从而再次断掉端口B2上的馈电。当网络11恢复正常运作时，会经由TEST1状态转回到最初的运作状态OK。

在所述实施例中，为了测定需要监控的电缆段的状态，使用了支路单元的输出电压和输入电压的比例关系。作为替代方案，也可以通过分析电压和电流的绝对值来进行状态测定。

图4所示的电容器C的作用是，保证对连接在支路单元T1上的用户设备F1进行不间断的供电，包括由于操作延迟而造成的、在故障出现到提供另外一种能量之间的时间间隔。为此，当开关S1、S2中的至少一者处于“off”位置时，电容器C由一个去耦二极管D1和一个充电电阻R3加载馈电电压。控制单元ST监控分支电缆SK1上流向用户设备F1的电压U3，一旦检测到电压U3过低，就通过开关S3将电容器C接到分支电缆SK1上。去耦二极管D1和另一个去耦二极管D2可以阻止能量回流到网络11中。

通过冗余管理器RM短时间切断端口B1、B2上的馈电电压，然后通过IDLE状态重新开始一次从TEST1到TEST2状态的检验循环，可以以人工操作的方式或自动地触发系统复位。

所述的网络设置具有的优点是，支路单元可以从主干电缆中提取其所需的相对较小的驱动能量，支路单元的控制单元可以自给自足，信号信道可以无源传输，这是因为在支路单元的各网络接口之间只存在电阻和开关。但也可以采用积极的解决方案，例如使用中继器更新信号。

在图6中，再次以一个状态图的形式更加清楚地展示了图5表格中的各个状态和状态转变及控制单元ST的状况。下文所述内容适用于所有的状态：当U1＜U0时，通过冗余管理器RM进行复位，并从IDLE状态开始。

在上文所述的实施例中，分支电缆SK1中没有发生短路。这样就可以容易地监控所有与一个支路单元相连的电缆。图7是一个这种扩展支路单元T5的基本电路图，支路单元T5相对于图4所示的支路单元1多了一个开关S4和电阻R4、R5和R6。对三条电缆进行监控的原理与上文所述对两条电缆进行监控的原理相同，在此，专业人士可以参考图7。

在所述实施例中，支路单元是与现场用仪表分离的，并分别只通过一根分支电缆与现场用仪表相连。作为替代方案，也可以将支路单元集成到其各自的现场用仪表的外壳中。

图4所示的配有分支电缆接口的支路单元也可以去除分支电缆接口或不与分支电缆相连，这样就可以将网络线路按照预先确定的线路段进行划分，实现对各段的个别监控。这样可以更容易地确定故障的发生位置以及排除故障。

另一种替代性方案是，为支路单元配备若干个用于现场用仪表的分支电缆接口。

在测定了故障位置后需要进行故障排除时，可能会出现如接触不良的不稳定状态，这会影响设备的正常运作。为避免这种情况，建议将支路单元的网络接口的状态固定下来，例如通过一个短路插头，排除故障后将这个插头拔掉。这种状态固定可以在相应的配置中应用于目的明确地切断个别电缆段，从而简化了爆炸隐患区的维护工作。在此过程中，可以用机械的方式封盖住网络接口上的电缆夹，其中，用于封盖电缆夹的封板可以这样设计，即，在移开它时会发生一次上文所述的、可以避免产生具有引爆危险的火花的短路。

Claims (17)

1.一种具有冗余性的网络，其中，所述网络(11)的拓扑结构为一条线(H1-H5)，两个线路末端(E1、E2)连接在一个冗余管理器(RM)上，所述冗余管理器(RM)的作用是，在正常情况下使两个线路末端(E1、E2)分开，出现故障时使两个线路末端(E1、E2)相连，其特征是：

所述冗余管理器(RM)采取这样一种设计，其中，将一个馈电电压输入其中一个所述线路末端(E1，E2)，所述馈电电压用于驱动分别通过一个支路单元(T1-T4)连接在所述网络(11)上的用户设备(F1-F4)，

所述支路单元(T1-T4)以这样一种方式分别嵌入所述网络(11)，使得所述网络(11)的一个第一电缆末端连接在所述支路单元的一个第一网络接口(NW1)上，所述网络(11)的一个第二电缆末端连接在所述支路单元(T1)的一个第二网络接口(NW2)上，

每个支路单元(T1-T4)采取这样一种设计，其中，在所述支路单元的其中一个网络接口(NW1、NW2)上接收一个馈电电压之后，检测连接在另一个网络接口上的电缆的状态，只有在正常情况下，才向这条电缆继续传输馈电电压，

所述冗余管理器(RM)还采取这样一种设计，其中，在向其中一个线路末端输入一个馈电电压之后，如果所述冗余管理器(RM)在至少一个预先确定的时间之后在另一个线路末端上探测不到馈电电压，就在另一个线路末端(E1、E2)上同样输入一个馈电电压。

2.根据权利要求1所述的网络，其特征是：所述冗余管理器(RM)和所述支路单元(T1-T4)分别具有一个终端元件(BT1、BT2、BT)，所述终端元件当其在各自的网络拓扑结构中位于一个线路末端时被接通。

3.根据权利要求1或2所述的网络，其特征是：至少其中一个支路单元(T1)配备两个开关(S1、S2)和一个控制单元(ST)，其中，所述控制单元(ST)这样调节两个所述开关(S1、S2)，即使得通过各自的支路单元(T1)与所述网络(11)相连的用户设备(F1)与所述支路单元(T1)的其中一个、另一个或两个网络接口(NW1、NW2)相连接，以获得驱动能量和进行数据传输。

4.根据权利要求3所述的网络，其特征是：所述支路单元具有一个包括所述开关(S1、S2)在内的电阻网络(R0、R1、R2)，所述控制单元(ST)对所述开关进行调节，使得通过所述控制单元(ST)检测连接在所述支路单元(T1)的其中一个或另一个网络接口(NW1、NW2)上的电缆(H1、H2)的电流(I1、I2)和/或电压(U1、U2)。

5.根据权利要求1所述的网络，其特征是：至少其中一个支路单元配备一个蓄能器(C)，所述蓄能器(C)至少在无故障的状态下由馈电电压充电；所述支路单元(T1)的功能是，记录各个与之相连的用户设备(F1)上的电压，并在电压不足时将所述蓄能器(C)接在所述用户设备(F1)上。

6.根据权利要求1所述的网络，其特征是：所述冗余管理器(RM)具有这样的构件(RMCB)，即在向各支路单元(T1-T4)传输馈电电压时，记录一个线路末端(E1)上的电压和/或电流的时限，并从中查明由该线路末端(E1)到一个故障位置(12)之间的支路单元(T2、T1)的数目。

7.根据权利要求1所述的网络，其特征是：所述冗余管理器(RM)具有这样的构件(RMCB)，即通过记录至少其中一个线路末端(E1、E2)上的电压和/或电流的变化信息，以从该信息中确定所述网络(11)的状态变化。

8.一种用于一种网络(11)中的用户设备(F1-F4)的支路单元，所述网络(11)是一种过程自动化现场总线网络，具有冗余性，其中，所述网络(11)的拓扑结构为一条线(H1-H5)，两个线路末端(E1、E2)连接在一个冗余管理器(RM)上，所述冗余管理器(RM)的作用是，在正常情况下使两个线路末端(E1、E2)分开，出现故障时使两个线路末端(E1、E2)相连，其特征是：

所述支路单元以下面的方式嵌入所述网络(11)，所述网络(11)的一个第一电缆末端连接在所述支路单元(T1)的一个第一网络接口(NW1)上，所述网络线路的一个第二电缆末端连接在所述支路单元(T1)的一个第二网络接口(NW2)上，

所述支路单元(T1)采取这样一种设计，其中，在所述支路单元的其中一个网络接口(NW1)上接收一个馈电电压之后，检查连接在另一个网络接口上的电缆的状态，只有在正常情况下，才向这条电缆(H2)继续传输馈电电压。

9.根据权利要求8所述的支路单元，其特征是：配备两个开关(S1、S2)和一个控制单元(ST)，其中，所述控制单元(ST)这样调节两个所述开关(S1、S2)，即使得通过各自的支路单元(T1)与所述网络(11)相连的用户设备(F1)与所述支路单元(T1)的第一、第二或两个网络接口(NW1、NW2)相连接，以获得驱动能量和进行数据传输。

10.根据权利要求9所述的支路单元，其特征是：具有一个包括所述开关(S1、S2)在内的电阻网络(R0、R1、R2)，所述控制单元(ST)对所述开关进行调节，使得通过所述控制单元检测连接在所述支路单元(T1)的其中一个或另一个网络接口(NW1、NW2)上的电缆(H1、H2)的电流(I1、I2)和/或电压(U1、U2)。

11.根据权利要求8至10中任一权利要求所述的支路单元，其特征是：配备一个蓄能器(C)，所述蓄能器(C)至少在无故障的状态下由馈电电压充电；所述支路单元的功能是，记录各个与之相连的用户设备(F1)上的电压(U3)，并在电压不足时将所述蓄能器(C)接在所述用户设备(F1)上。

12.根据权利要求8所述的支路单元，其特征是：进行维护和/或修复工作时，所述网络接口(NW1、NW2)设定在一个预置的电状态中。

13.一种用于一种网络的冗余管理器，所述网络(11)是一种过程自动化现场总线网络，具有冗余性，其中，所述网络(11)的拓扑结构为一条线(H1-H5)，两个线路末端(E1、E2)连接在所述冗余管理器(RM)上，所述冗余管理器(RM)的作用是，在正常情况下使两个线路末端(E1、E2)分开，出现故障时使两个线路末端(E1、E2)相连，其特征是：

所述冗余管理器(RM)采取这样一种设计，其中，将一个馈电电压输入其中一个所述线路末端(E1，E2)，所述馈电电压用于驱动分别通过一个支路单元(T1-T4)连接在所述网络(11)上的用户设备(F1-F4)，

在向其中一个线路末端输入一个馈电电压之后，如果所述冗余管理器(RM)在至少一个预先确定的时间之后在另一个线路末端上探测不到馈电电压，就同样地在另一个线路末端(E1、E2)上输入一个馈电电压。

14.根据权利要求13所述的冗余管理器，其特征是：具有这样的构件(RMCB)，即在向各支路单元(T1-T4)传输馈电电压时，记录一个线路末端(E1)上的电压和/或电流的时限，并从中查明由该线路末端(E1)到一个故障位置(12)之间的支路单元(T2、T1)的数目。

15.根据权利要求13或14所述的冗余管理器，其特征是：具有一个用于与一个上级网络(2)连接并进行数据交换的通讯接口(RMI)。

16.根据权利要求13所述的冗余管理器，其特征是：

通过至少两个分段连接器(7、9)与一个上级冗余网络(2)的至少两个通讯信道(3、4)连接；

所述冗余管理器设计为具有下述功能，即对所述分段连接器(7、9)的功能进行监控，并据此选出其中一个分段连接器(7、9)与所述线型拓扑结构的网络(11)连接。

17.一种网络的运作方法，所述网络(11)是一种过程自动化现场总线网络，具有冗余性，其中，所述网络(11)的拓扑结构为一条线(H1-H5)，两个线路末端(E1、E2)连接在一个冗余管理器(RM)上，所述冗余管理器(RM)的作用是，在正常情况下使两个线路末端(E1、E2)分开，出现故障时使两个线路末端(E1、E2)相连，其特征是：

通过所述冗余管理器(RM)将一个馈电电压输入其中一个所述线路末端(E1，E2)，所述馈电电压用于驱动分别通过一个支路单元(T1-T4)连接在所述网络(11)上的用户设备(F1-F4)，

每个支路单元(T1-T4)在其一个网络接口(NW1)上接收一个馈电电压之后，对连接在另一个网络接口(NW2)上的电缆的状态进行检测，只有在正常情况下，才向这条电缆(H2)继续传输馈电电压，

在向其中一个线路末端(E1、E2)输入一个馈电电压之后，如果所述冗余管理器(RM)在至少一个预先确定的时间之后在另一个线路末端上探测不到馈电电压，就会在另一个线路末端(E1、E2)上同样输入一个馈电电压。

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