CN101006399A - 用于远距离的as接口网络 - Google Patents

Abstract

一种AS接口网络，作为覆盖大距离的网络并由多个通信用户组成，这些通信用户构成为传感器或执行器，并分别通过接口与总线导线连接，还通过至少一个与总线导线连接的网络部件接收电流。为了保证在不使用转发器的情况下在网络长度超过300米的网络中也能无故障地进行数据传输，为网络部件配备了数据去耦装置，并且从网络部件发送到总线导线上的脉冲分别通过一个匹配电路输入相应的通信用户。

Description

用于远距离的AS接口网络

“用于自动化的执行器-传感器接口”这一概念应理解为由总线导线和与该总线导线连接的通信用户构成的系统。

在Werner Kriesel，Otto W.Madelung(Hrsg.)的书中：ASI-das Aktuator-Sensor-Interface fuer die Automation，Hansa-Verlag，Muenchen，Wien，1994，在6.3节以标题“Repeater und Netzerweiterungen”中描述了将这种ASI网络也扩展到更大距离的可能性。

ASI应理解为“接口”，即用于与微型机算机控制装置连接的传感器和执行器的接口。

因此ASI也不是现场总线，而是专门为传感器和执行器与控制装置之间的信息交换而设计的，并因此而处于现场总线之下，目前称为“现场总线层”。

ASI的核心部件是一个从芯片，用于将传感器/执行器数字地、同时成本低廉地与ASI导线相耦合。在每个查询周期中从主机向每个从机发送6位有效信息，并顺序地返回4位信息。该有效信息可以用作输入数据或输出数据。ASI导线通常是未屏蔽的双导体扁平带电缆或者标准圆形电缆，通过这样的电缆可同时传输信号和能量。

如果不采用转发器，则AS接口网络限于略大于100m的最大伸展幅度。这种限制的原因是由于在导线的未闭合末端上存在反射以及在导线上存在通过发射脉冲触发的振荡而产生了传输信号的失真。即使采用转发器，网络的伸展幅度也只能再延长200m。还存在其它建议(其中有数据光交换机等)，但这些建议都要在接口上使用标准的AS接口模拟电路。

同一申请人提出了一种新型的利用终端阻抗的解决方案(DE-GM202004004637.7)，其允许延长导线而无需转发器。

但在此物理边界条件仍使得网络伸展幅度不可能延长超过200m到300m。原因之一在于，具有数据去耦装置的AS接口网络部件没有与导线的特性阻抗最佳调谐，因此从该导线会发出干扰传输信号的反射。另一个原因在于，对于设置了具有其形成脉冲的数据去耦装置的远离的网络部件的用户，不再能正确地将电流信号转换为电压信号。其原因是用户和网络部件之间的导线的阻抗与数据去耦装置的阻抗相比不再能忽略不计地小。由此信号强烈失真，使得符合规格的AS接口接收器无法再无错地解码。

在很多应用中，例如在运输和传送技术中就希望也能用AS接口跨越直至几千米的更大的距离。一种典型的应用是在碎石中对传送带的监控。在此其任务是借助滑动控制装置监控传送段的各个传送带是否过载。如果是，则必须立即停止单个传送带或全部传送带以防止更大的损坏。此外还应当以规则的间隔安装紧急开关。在过程技术和生产工艺技术以及建筑自动化中也经常需要在总线上跨越各个现场设备之间更大的距离。

另一个任务可能是，将多个空间位置相互远离的设备部件相互连接，并由控制装置进行控制。即AS接口网络应当可以划分为多个子网络，这些子网络物理分离但逻辑上相互隶属。

因此本发明要解决的技术问题是这样扩展公知的AS接口系统，使得可以跨越更大的距离。在此更大的距离应理解为在没有转发器的情况下网络的伸展幅度超过300m。

所提出的技术问题通过权利要求1的技术启示来解决。

本发明的重要特征是，为网络部件在朝向总线导线的方向上配备新型的数据去耦装置，每个通信用户通过匹配电路与总线导线连接。

按照本发明的措施的优点在于，现在即使总线长度明显超过300m，在总线导线上也不再发出反射。这一方面是由于最佳匹配了与总线导线的两端连接的终端电阻，另一方面是由于网络部件在朝向总线导线的方向上的数据去耦装置以及额外的将各个通信用户与总线导线匹配的匹配电路，这些相对于现有技术来说都是新颖的。利用这一概念得出新型解决方案：

在优选实施方式中，在网络部件(恒定电压源)之前的数据去耦装置由两个具有超过2000μH的电感的扼流圈组成，取消了并联的电阻。

因此，数据去耦装置的阻抗明显大于导线的终端阻抗。

该网络的拓扑结构局限为具有短分支的线形结构。

在导线的两端存在两个分别约为120欧姆的终端电阻(与电容器串连以封锁约500nF的直流电压)。这样选择这些电阻的大小，使得它们与导线最佳地连接并完全抑制反射。

在网络和通信用户(即主机、从机、安全性监视器、诊断设备等)之间连接按照本发明的匹配电路，或者更改从机的接收器电路。

现在通信按照以下方式进行：通信用户发送如在AS接口规范中描述的电流脉冲序列。该发送电流从发送方的位置出发，流过整个导线和两个终端电阻。

到目前为止在传统的ASI网络部件中，根据电流脉冲序列产生具有比较陡峭的电压峰值的电压脉冲曲线。该陡峭的电压峰值是通过网络部件中的微分而产生的。

网络部件与总线导线之间的数据去耦装置是网络部件在总线导线上的比较差的端子(阻抗太低)，这会导致网络部件中的陡峭电压峰值引起整个总线导线上的反射。

其他缺点在于，设置在总线导线上的通信用户较远时，该通信用户通过比较大的导线阻抗与该网络部件耦合。

因此，在网络部件中进行的电压微分只能以失真的形式馈入设置在远方的通信用户。由此存在这样的缺点：设置在总线导线远方的通信用户向总线导线输入的信号不是对所有通信用户都相同。因此存在位于该导线上的用户如诊断设备或安全性监视器无法被正确控制的危险。由此无法保证网络的运行安全性。

按照本发明，信号在导线总线上，即使来自设置在总线导线远方的通信用户的信号也始终相同，而与发送通信用户和接收通信用户在总线导线上的位置无关。

这通过权利要求1的启示实现，其中一方面为网络部件配备数据去耦装置，以排除先前属于现有技术的电压微分，另一方面由网络部件向总线导线输出的经过更改的脉冲通过一个按照本发明是额外的匹配电路分别输入各通信用户。

因此按照本发明，在总线导线上进行与现有技术不同的数据传输。

该数据传输在导线的各个位置上都产生电压变化的结果，该电压变化可以容易地通过与匹配电路连接的接收器来分析。该脉冲不是对应于AS接口规范中定义的电压脉冲，而是基本上对应于其积分。在AS接口规范中设置的电压脉冲微分不再在网络部件的数据去耦装置中实施。由此可以完全抑制引起干扰的反射或其它振荡。目前所考察的信号的位置依赖性实际上不再存在。

取而代之的是，所接收的电压脉冲首先在匹配电路本身或在与匹配电路连接的AS接口网络部件中成为按照AS接口规范的形式。下面详细描述该匹配电路。

接收器将在匹配电路中检测到的电压脉冲转换为电流脉冲。然后在匹配电路中(或者在连接的子网络的AS接口网络部件中)对这些电流脉冲进行微分，从而又合乎规范地提供给AS接口用户。

匹配电路不仅可以与AS接口用户(主机、从机、安全性监视器、诊断设备等)连接，而且还可以与一组AS接口用户连接。因此，可以在每个连接点建立AS接口子网。当然，由匹配电路提供的DC电流必须足以向所有连接的用户提供电能。替换的，还可以这样修改通信用户的接收器，使得该接收器直接对脉冲解码。从而可以去掉匹配电路。

脉冲在导线上的典型运行时间是0.6μs/100m。对于特殊电缆数据的最大可能值是大约1μs/100m。AS接口规范目前规定主机(Master)还容忍61μs的最大暂停时间。由此取消了从机(Slave)最大30μs的反应时间，因此对于总线上的运行时间和中间连接的转发器的可能延迟时间通常还剩31μs。由此，如果主机设置在导线的一端，则网络扩展幅度的限制典型地达到2.5km，如果主机设置在导线的中间则典型地达到5km。在最差的条件下，给定1.5km的限制作为从机和主机之间的最大距离。转发器还会引起额外的延迟时间，因此其应用会导致必须减小最大可实现的距离。

原则上还可以跨越更大的距离，如果主机中的暂停时间相应延长的话。目前描述的传输方法的物理界限仅通过发送脉冲沿着导线的衰减和在向用户供电时的DC电压降确定。

AS接口电文的电压在发送方位置上约为4.6V_ss，其在每千米导线长度上大约衰减10％。在2km之后该电压约为3.7V_ss。必要时在设置匹配电路时必须要考虑该信号衰减。该电压衰减例如可以通过合适的调节电路补偿。

AS接口的重要优点得以保持：

-所有标准部件(除了转发器之外)可以象以前那样继续使用。只需要中间连接一个按照本发明的匹配电路。

-AS接口系统的每个部件都可以与网络的任意点连接。为此不必将电缆分开。

-从机的能量供应和主机与从机之间的通信在相同的两个导线上进行。

AS接口周期时间也保持在特殊的范围内，该周期时间不比在具有两个串连的转发器的标准配置中更长。

整个网络的电压供应通过总线导线进行。网络部件向网络提供例如30V的DC供电电压。在该网络部件之前连接了一个数据去耦装置，其由两个分别约为2000到5000μH的电感组成。为了改善对DC电压的支持，根据需要还可以沿着导线设置多个这种具有数据去耦装置的网络部件。在匹配电路的合适实施中，还可以有其它(更高的)电压，以补偿或减小沿着导线的电压降。

匹配电路由以下部件组成：

-与直至4km长的网络连接的接头，和用于与AS接口用户连接的接头，

-向连接的AS接口用户供电的DC电源(可选)

-AS接口数据去耦装置，由一个50μH的扼流圈与39欧姆的电阻并联而成(可选)，

-将网络上传输的电压脉冲转换为在AS接口用户一方的电流脉冲的电路，以及

-将在AS接口用户一方产生的电流脉冲用电流脉冲1∶1地传输到网络一方的电路。

匹配电路可以在需要时实施为与网络电隔离的。取代连接的AS接口用户的简单DC供电装置，采用具有电隔离的DC/DC转换器。电压/电流转换器例如可以借助变压器或模拟工作的光耦合器同样电隔离地实施。

由于长总线导线通过该新型的通信方法而对电容式负载比较不敏感，因此可以在需要的地方设置市场上常见的过压保护装置，如果该装置具有＜5nF的电容的话。对于更大的电容才会从安装过压保护装置的地方发出不期望的反射。

在本发明的另一实施方式中，还可以通过上述导线和匹配电路将两个或更多的AS接口子网相互连接。该解决方案替代了目前常用的AS接口转发器，并允许设置相隔若干公里远的子网。

该两个变形的区别在于用户的电压供电类型不同。当然还可以实现根据需要在一个网络上运行两个变形的配置。

在本发明的另一实施方式中，可以将主机、从机或其他部件与匹配电路组合在一起并集成在一个外壳中。

在本发明的另一实施方式中，还可以利用其它介质来代替直至4km长的总线导线。这例如可以是汇流排或自由导线。还可以考虑使用光波导体或无线连接。

特别有利的是在有爆炸危险的领域中使用ASI接口网络，在该领域中提出了更高的防止可能的爆炸的要求。正是在过程自动化中，总是存在可能出现由粉尘、气体、蒸汽或雾组成的有爆炸危险的气体的领域。

本发明的发明内容不仅由各权利要求的内容给出，还由各个权利要求的组合给出。

在该文献、包括摘要中公开的所有描述和特征，尤其是在附图中示出的空间结构都是对发明重要的，不管是单独地还是组合起来相对于现有技术来说都是新的。

下面借助显示多个实施途径的附图详细解释本发明。在此从附图及其描述中给出本发明的其他重要特征和优点。

其中示出：

图1示出在与网络部件位于相同位置的主机上的脉冲序列的电压-时间图(现有技术)，

图2示出在通过300m的导线长度与网络部件远离的通信用户上的电压脉冲序列(现有技术)，

图3示出按照本发明的AS接口网络的第一实施方式，

图4示出按照图3的匹配电路，

图5示出主机和设置在2000m之外的从机之间的数据通信的电压脉冲-时间图，

图6示出ASI网络与图3相比的第二实施方式，

图7示出匹配电路的第二实施方式，

图8示出用于爆炸危险领域的匹配电路的实施方式。

图1和图2描述按照现有技术的装置，其中图2的下部示意性示出测量结构。

主机10产生电压脉冲1，其中主机直接与网络部件11连接。通过总线导线4，将大约300m远的从机9与总线导线4连接，其中按照现有技术只具有一个终端电阻5。

由主机向从机发送的电压脉冲序列1具有图1所示的形状，并由比较陡峭的电压脉冲组成，因为这些电压脉冲通过网络部件11的微分而形成。

从机9用如图1所示的对应的电压脉冲曲线进行响应。

但是，如果按照图2从机与主机10用总线导线4连接的距离为300m，则由主机发送的电压脉冲在到达从机9时会引发运行时延迟的电压脉冲1，这可以通过比较图1和图2的横坐标得出。

从机接收该运行时延迟的电压脉冲1，并用如图2所示的失真的电压脉冲序列3进行响应。

在从机9将失真的电压脉冲序列3发送到总线导线之后，该从机响应不再能被所有的通信用户理解。因此网络不再能运行可靠地工作。

在此如图3的第一实施方式所示，按照本发明的网络部件11通过数据去耦装置12与总线导线4连接。

各个通信用户6、7、8之间的差异可以非常大。

因此例如通信用户6由主机10构成，而通信用户7由从机9构成，而通信用户8则由两台并联的从机9组成。

同样可以定义其它通信用户，其中例如有安全性监视器15，并且另一个通信用户由诊断设备16构成。

现在按照本发明，重要的是每个通信用户6、7、8都利用匹配电路13连接到总线导线4上。

这意味着在总线导线上进行与借助图1和图2解释的完全不同的数据传输。下面借助图5详细解释该数据传输。

图5的下部示出该测量结构。

在此对应于图3的电路图示意性示出，总线导线4通过两个分别设置在端部的终端电阻5闭合，而且在总线导线4的某个位置上设置网络部件11，其中按照本发明网络部件的位置不再重要，因为该网络部件通过本发明的数据去耦装置12与总线导线4去耦。

因此在主机10和设置在直至2000m距离之外的从机9之间进行完全不同的信号传输。

图5上面的图示出由主机10发射的电压脉冲29以及由位于2000m之外的从机9发出的相对应的电压脉冲响应32。

上图的测量在主机10的位置处进行。

图5的两个中间的电压图示出由主机发射的脉冲序列在600和1200m的距离内只是运行时间发生了延迟，但没有失真。

图5下部的脉冲图示出，即使在2000m之外从机也能返回无失真的信号，从而从机9向主机返回无失真的、无谐波的并且没有过电压峰值的信号。这展示了本发明的重要优点，即从机基本上与总线导线4的导线长度无关地向主机10发送无失真的信号。

这通过导线上的新型数据通信实现，即通过配备给每个通信用户6-8的新型匹配电路13实现。

匹配电路13与总线导线4耦合，并首先在通向通信用户9、10的方向上执行电压-电流转换。

在相反的方向上，当通信用户发送时又执行电压-电流转换，并将这样转换的脉冲耦合到总线导线4上。

因此，通过耦合装置17将每个通信用户6-8与总线导线4连接。

从该耦合装置17分出另一个耦合装置21，其中在该耦合装置21的上部进行所述电压-电流转换19，该转换通过导线对26导向主机10、从机9或其它用户15、16的输入端。

为了象以往那样保证各通信用户的电流供应，还设置附加的、通过匹配电路13发挥作用的供电装置。为此设置DC转换器18，在该转换器之后用电容器23和并联的扼流电路24执行电流脉冲的微分，而按照现有技术该微分事先在网络部件11中进行。

因此按照本发明，按照现有技术事先在网络部件中进行的功能按照本发明在配备给每个通信用户的匹配电路中进行。

在从通信用户向总线导线的方向上，通过另一个导线对25进行电压-电流转换，其中由通信用户产生的电流脉冲通过电阻28转换为电压脉冲，并通过I/U转换器20转换为电流脉冲。

还要指出，按照本发明匹配电路13也可以直接集成到通信用户本身内。因此不需要匹配电路的分离配置。所述通信用户如从机9、主机10、安全性监视器15或诊断设备16可以直接将本发明的匹配电路13集成于自身内部。这使其减少到接收器的一种替换设置，其中接收器构成为直接对出现在导线上的脉冲进行解码。

图6和图7示出其它复杂总线网络的实施例，其中可以看出，所有通信用户6a、7a还可以构造得更为复杂。

通信用户6a例如由两个受同一个主机10控制的从机9组成，在此对这种情况还必须另外设置一个网络部件31。该网络部件31是属于现有技术的标准AS接口网络部件。

在这些相互之间设置了自己的总线导线4a的复杂通信用户6a、7a中，也需要如图7详细所示的匹配电路14。

图7在此示出，从耦合装置17经过耦合装置21出发，具有两个相反的转换器19、20，但在该实施例中在两个转换器19、20之间设置了电隔离装置27，以便将各通信用户6a-8a与总线导线4之间完全电去耦。

这种措施的原因是，每个通信用户6a-8a使用自己的网络部件31，并因此而可以不再需要如图4所示的由一个中央网络部件11实施的分离的网络部件供电。

本发明不限于在本发明的匹配电路中具有U/I转换器和反向的I/U转换器。在另一实施方式中，本发明的匹配电路13、14直接集成到从机9中。在这种情况下到目前为止在AS接口中常用的解码算法(参见图1、图2)转变为该算法可以根据图5直接识别电压脉冲并对其解码。

因此很清楚，重要的不是匹配电路13、14的构成，而是本发明的精髓在于在总线导线4上进行完全不同的数据通信。因此，不再通过总线导线传输由网络部件微分的脉冲，而是弃用对电压脉冲的微分，并代之以无干扰地传输无变形的电压脉冲。由此使与此相关的匹配电路13、14形式的额外费用可以通过现在能使用明显更长的总线导线来平衡。

最终效果是不需要额外费用，因为匹配电路可以直接集成到主机-从机9、10中，这只需要更改现有的ASIC电路。

因此只需更改从机接收器中的接收算法。

设置在网络部件11上的数据去耦装置12在向总线导线4的方向上不必与网络部件11分开地设置。数据去耦装置12当然可以集成在网络部件11中。在简单的实施方式中，数据去耦装置由两个电感组成，其中一个设置在正路径中，另一个设置在负路径中。

当然还可以对所述两个电感进行电平衡，从而无需使用线圈。

在图8中示出本发明匹配电路的另一实施方式。匹配电路与在该匹配电路之后的从机一起特别适用于有爆炸危险的领域。

正是在过程自动化领域中，ASI接口网络的部分、尤其是其电运行装置如具有传感器、执行器的从机或现场设备通常总是要位于这样的危险区域中。在所谓的有爆炸危险的区域中，通常会出现粉尘、气体或蒸汽，其可能通过位于该区域中的运行装置的无线电而不经意地导致爆炸。

标准EN50014为此包括用于这种有爆炸危险领域的电运行装置的结构类型和检验的通用规定。因此，用于混合安装、即具有爆炸(Ex)区和非爆炸区的领域的ASI接口网络必须设置为例如防爆类型Ex-e。通过标准EN50012确定的防爆类型Ex-e(提高的安全性)，为此需要另外的措施来避免点火火花。对于按照标准EN50018的防爆类型Ex-d(耐压封装)实施的从机，额外设置击穿壁垒，以保护馈电。本发明还可以用于其它防爆类型，如按照EN50020的内部安全应用。

在由现有技术公知的ASI接口网络中，迄今必须采用额外的措施如用于屏蔽的金属管，以满足防爆类型Ex-e。

在按照本发明构造的ASI接口网络中，通过不再在网络部件中而是在匹配电路中、即在从机的位置处对通过总线传输的通信信号进行微分，无需其它的屏蔽措施就可以满足所要求的防爆类型所需要的条件。

图8示出的实施方式与图4所示的匹配电路13的实施方式基本上相同，除了扼流电路240之外在此还具有二极管180，匹配电路13通过二极管180与安全馈电装置40连接。在位置210与匹配电路连接的、用于可靠馈电的网络40在此优选在空间上象总线导线4那样设置，并向ASI接口网络的不同从机9提供需要的供电电压。实际的“安全馈电装置”(在此未详细示出)在此也象如图3所示的主机6和网络部件11那样位于非Ex区中，而各个从机9则可以位于Ex区中也可以位于非Ex区中。

因此，利用本发明的ASI接口网络可以满足对于过程自动化中的复杂网络的所有要求，其中还要注意防爆类型等，同时必须跨越较大的距离。从而用于在主机和从机之间通信的总线导线以例如低于+/-4.2v的电压运行，如由现场总线如ProfiBus总线所公知的。此外总线导线与供电装置电隔离。从机还通过安全馈电装置用例如低于15v的电压馈电。通过很小的电压和由此引入的更小的能量，在ASI接口网络中不需要设置额外的屏蔽，从而进一步简化了安装。

由此，利用本发明还可以覆盖经常出现Ex区的过程自动化领域。如果整个安装优选实施为防爆类型Ex-i，则可以在Ex条件下进行改建或扩展总线或更换部件，这使得使用非常简单和成本低廉。

Claims (12)

1.一种用于远距离网络的AS接口网络，该网络由多个通信用户(6-8)组成，这些通信用户构成为主机或传感器和/或执行器，并分别通过接口与总线导线(4)连接，还通过至少一个与该总线导线(4)连接的网络部件接收电流，其特征在于，通信用户中的接收器对与发送的电流脉冲直接成正比的电压脉冲进行解码。

2.根据权利要求1所述的AS接口网络，其特征在于，为所述网络部件(11)配备数据去耦装置(12)，并且从发送方发送到总线导线(4)上的脉冲分别通过一个匹配电路(13)输入相应的通信用户(6，7，8)。

3.根据权利要求1所述的AS接口网络，其特征在于，所述数据传输在导线的各个位置上都产生电压变化的结果，该电压变化由与所述匹配电路连接的接收器进行分析，所传输的脉冲与发送电流直接成正比。

4.根据权利要求1或2所述的AS接口网络，其特征在于，所接收的电压脉冲首先在所述匹配电路本身或在与匹配电路连接的AS接口网络部件中成为按照AS接口规范的形式。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的AS接口网络，其特征在于，AS接口用户的接收器将在所述匹配电路中检测到的电压脉冲转换为电流脉冲，然后在匹配电路中(或者在连接的子网络的AS接口网络部件中)对这些电流脉冲进行微分，以合乎规范地提供给该AS接口用户。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的AS接口网络，其特征在于，在所述网络部件之前连接数据去耦装置，该数据去耦装置由两个分别约为2000到5000μH的电感组成。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的AS接口网络，其特征在于，所述匹配电路与网络电隔离。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的AS接口网络，其特征在于，两个或更多的AS接口子网通过所述匹配电路相互连接。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的AS接口网络，其特征在于，所述匹配电路(13)与总线导线(4)耦合，并在通信用户(9，10)的方向上执行电压电流转换，以及在通信用户(9，10)发送并将这样转换的脉冲耦合到总线导线(4)上时执行电压-电流转换。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的AS接口网络，其特征在于，设置通过所述匹配电路(13)传输的电流供应装置，并设置DC转换器(18)，在该DC转换器之后用电容器(23)和并联的扼流电路(24)执行对电流脉冲的微分。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的AS接口网络，其特征在于，所述匹配电路(13)直接集成在通信用户(6-8)中。

12.根据权利要求1至8中任一项所述的AS接口网络在有爆炸危险的领域中的应用，尤其是在过程自动化领域。

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