CN107820691B - 包括馈送模块及负载模块的总线系统 - Google Patents

Abstract

总线系统(1)的数据线(4)经由第一信道与第二信道而链结馈送模块与负载模块，该第一信道包括第一导线对(41)，该第二信道包括第二导线对(42)。数据线(4)的第一信道在实体馈送模块接口(231)与实体负载模块接口(331)之间传送第一差分数据信号以及从第一DC电压源(241)到第一负载模块DC电压负载(34)的第一直流电流。数据线(4)的第二信道传送实体馈送模块接口(231)与实体负载模块接口(331)之间的第二差分数据信号，及从第二DC电压源(251)到第二负载模块DC电压负载(35)的第二直流电流。

Description

包括馈送模块及负载模块的总线系统

本发明与一种总线系统有关，特别是用于工业自动化，包括馈送模块和至少一个消耗器模块，所述馈送模块和消耗器模块是通过数据线和直流电流供应源而连接。本发明进一步与一种用于这种类型的总线系统的馈送模块和消耗器模块有关。

目前的工业自动化概念，也就是在软件的辅助下控制和监测技术过程，是基于具有分布式传感器/致动器等级的中央控制器的构想。在这种情况下，用户通过工业数据网络(以下也称为自动化网络)彼此通信并与上级系统通信。

以太网是局域网络(LAN)中最广泛的通信标准，且主要是由IEEE标准802.3所规定。以太网是基于LAN结构，其中多个控制节点(例如计算器或机器)是以有线的方式彼此连接，其中以太网协议将要传输的数据以预定的格式封装在数据分组中(以下也称为信息)。在这种情况下，可以使用在传输速率、使用的缆线类型和线路编码方面都有所不同的不同以太网变体。

用户之间的通信通常是通过在工业上使用的以太网中具有四条导线的数据线来进行，其中这四条导线通常是具有两双扭绞线对的形式；扭绞成对的导线降低串扰。一对导线中的两条导线总是一起使用，其中在每种情况下是通过一对导线来传输差分数据信号。有时，全部四条导线都被扭绞在一起，这样虽然会导致关于电磁兼容性方面的缺点，但却具有更高度线路灵活性的优点。

对自动化网络的经常强制要求是，机器的输出(致动器)可以在不损失监测机器的可能性下随时移动到安全状态。因此，自动化网络中的传感器和控制器必须能够独立于致动器进行操作。为了这个原因，致动器的能量供应源通常是与用于传感器和控制器的能量供应源分开，以便独立于传感器和控制器供应源而断开致动器供应源。

自动化网络中所需的能量供应源线路通常是独立于数据线来布局，这使得必须具有至少两个具有相应接触技术的专用布缆系统。然而，在工业自动化中，期望总是实现在自动化网络中尽可能具有成本效益和简单的布缆。这是重要的，特别是当因考虑环境要求而对布缆需要良好的屏蔽、高保护等级、或高耐温性时。因此，布线通常要负责相关高比例的系统成本。

节省布缆方面成本的一种方式是将电源和数据传输组合在一个布缆系统中。可因此相伴地传输一个单独的电压。专用的以太网转换器即是基于此一目的而用于PoE标准中，该转换器通过中心抽头而将电压所需的两个电位施加到每一对导线上。然而，由于在工业自动化中经常需要两个分离的能量供应源，其中一个用于致动器、另一个用于传感器和控制器，因此在具有四条导线的数据线路的PoE系统中还需要用于第二能量供应源的附加布缆系统。

从美国专利US 2010/277293 A1中可得知一种PoE系统，其中除了两个差分数据信号之外，还可以通过四条导线的数据线来传输单一电压，为电压传输实施介质抽头。在US2010/277293 A1中，提出了一种具有两条导线的数据线的PoE系统，其中电感和电容模块的组合被使用于总线系统的馈送模块中与消耗器模块中。US 2010/277293 A1也描述了一个具体实施例，其中两个两条导线的PoE系统是并行配置的，它们每一个都有一个分离的实体接口，但是设有一个共享的电压传输。四条导线的PoE系统也描述于美国专利US 2010/078992 A1中。两条导线的PoE系统的具体实施例则于DE 10 2011 087828 A1中提出。

本发明的目的在于提供一种特别用于工业自动化的总线系统、用于这种总线系统的馈送模块和消耗器模块，这种总线系统、馈送模块和消耗器模块能够降低布缆复杂性，以传输两个DC隔离供应源电压，在过程中不会对总线系统中的用户之间的数据通信产生不利影响。

这个目的可通过本发明以下描述的总线系统、馈送模块、以及消耗器模块来实现。

一种总线系统具有馈送模块，馈送模块包括第一DC电压馈送、第二DC电压馈送、实体接口、第一转换器、第二转换器、第一电感组件、第二电感组件、第一电容组件以及第二电容组件。该总线系统还包括消耗器模块，消耗器模块包括第一DC电压消耗器、第二DC电压消耗器、实体接口。

馈送模块进一步具有用于数据线的连接，该连接包括用于带有第一对导线的该第一信道的第一接触点，并且包括用于带有第二对导线的该第二信道的第二接触点。实体馈送模块接口是被设计以通过该第一馈送模块转换器和该第一电容馈送模块组件将第一差分数据信号传输到该数据线的该第一通道的该第一接触点、或传输来自该数据线的该第一通道的该第一接触点的第一差分数据信号，以及通过该第二馈送模块转换器和该第二电容馈送模块组件将该第二差分数据信号传输到该数据线的该第二通道的该第二接触点、或传输来自该数据线的该第二通道的该第二接触点的该第二差分数据信号。该第一DC电压源是被设计以通过该第一电感馈送模块组件对该数据线的该第一通道的该第一接触点施加第一DC电压。该第二DC电压源是被设计以通过该第二电感馈送模块组件对该数据线的该第二通道的该第二接触点施加第二DC电压。

用于该总线系统的消耗器模块进一步具有用于该数据线的连接，该连接包括用于第一通道的第一接触点以及用于第二通道的第二接触点，该第一信道带有第一对导线，该第二信道带有第二对导线。该实体消耗器模块接口是被设计以通过该第一消耗器模块转换器和该第一电容消耗器模块组件传输第一差分数据信号到该数据线的该第一通道的该第一接触点，或来自数据线的第一信道的第一接触点的第一差分信号，并且通过该第二消耗器模块转换器和该第二电容消耗器模块组件传输第二差分数据信号到该数据线的该第二通道的该第二接触点、或来自该数据线的该第二通道的该第二接触点的该第二差分数据信号。该第一消耗器模块DC电压消耗器是被设计以通过该第一电感消耗器模块组件在该数据线的该第一通道的该第一接触点接收第一DC电压。该第二消耗器模块DC电压消耗器是被设计以通过该第二电感消耗器模块组件在该数据线的该第二通道的该第二接触点接收第二DC电压。

在该总线系统的馈送模块中以及在消耗器模块中，电感和电容组件的组合被用于每个情况中，以便对四条导线的数据线施加两个DC隔离的DC电压。在这种方式中，只有一个单一布缆系统(由四条导线的数据线组成)可被用于在两个差分数据信号以外，还将两个DC隔离的直流电流并行传输到数据线的两对导线上。总线系统的功能并未改变，且因此任何所需的总线结构(例如星形、线形或环形)都是可行的。

总线系统特别适用于工业自动化。借助于通过四条导线的数据线所承载、且彼此之间呈DC隔离的两直流电流，即可以确保用于致动器、或用于传感器和控制器的分离能量供应源。因此，可以独立于传感器或控制器供应源而关闭致动器供应源，因此可以符合工业自动化网络中要能够在任何时候、在不中断与机器的通信下，将机器的输出(也就是致动器)移动到安全状态的强制性要求。

第一差分数据信号和第二差分数据信号都各自是差分以太网信号。总线系统、以及馈送模块和消耗器模块都各自地因而特别适合用于以太网中作为自动化网络中的通信标准。

从第一或第二DC电压源传输到第一或第二消耗器模块DC电压消耗器的两直流电流中至少其中一个是可以被切换的，其中该馈送模块进一步具有与可切换直流电流相关联的DC电压源的限流器。

限流器可防止下游消耗器模块的启动电流可能会超过感应组件的饱和电流而使得电感崩溃、且不再能够确保所施加的DC电压和差分数据信号的去耦。差分数据信号接着会非常严重地衰减，使得不再能够进行无故障数据传输。举例而言，当自动化网络中的致动器被移到安全状态、或在该安全状态之外再次被激活时，就可能会发生这种高电流，特别是在开启和关闭能量供应源时。此外，流过电感的最大允许连续电流是由电感组件的非反应电阻和热性质所决定。然而，如果永久超过了这个最大允许连续电流的阈值，电感组件将失去其电感特性，并且在最坏的情况下会被破坏。

为了切换直流电流，在第二直流电压源和馈送模块的限流器之间配置有低反弹开关。在反弹的情况下，开关的操作会导致短时间内重复关闭和打开接触点。然而，接触点的重复打开和关闭会导致增加的接触点侵蚀以及接触点的更快速故障，特别是当同时发生过电流时。使用低反弹开关可防止在操作期间接触点的重复关闭和打开，从而增加触点的使用寿命。

消耗器模块具有处理单元、另一个实体接口、第三转换器、第四转换器、第三电感组件和第四电感组件、第三电容组件和第四电容组件。在这个情况下，处理单元将实体消耗器模块接口连接到该另一个实体消耗器模块接口，以便传输第一差分数据信号与第二差分数据信号。此外，第一消耗器模块DC电压消耗器将第一电感消耗器模块组件连接到第三电感消耗器模块组件，以便传输第一直流电流，而第二消耗器模块DC电压消耗器将第二电感消耗器模块组件连接到第四电感消耗器模块组件，以便传输第二直流电流。这种类型的设计允许消耗器模块转发两个差分数据信号与两个DC隔离DC电压，因此可实施更为简单的总线系统的设计，特别是关于布缆方面，例如多个消耗器模块的线性串联。

消耗器模块具有连接到第一消耗器模块和第二消耗器模块的电压监测组件，以便监测第一消耗器模块和第二消耗器模块是否每一个在指定的操作电压范围中操作。由于电压监测组件的整合，可以改善总线系统中的诊断，从而可以简化任何故障搜索。

以下将参照图式来更详细说明本发明。

图1示出了包括馈送模块与消耗器模块的总线系统的示意图，其用于两个差分数据信号和两个DC隔离DC电压在四条导线的数据线路上的结合传输，以及

图2示出了限流电路的电路图。

在总线系统中，单独的组件之间的能量供应源与数据传输一般都是通过缆线连接而进行。在这个情况下的目的是为了要达到成本效益和简单布缆。当总线系统被使用于工业自动化中时，布缆会因有严格要求而为显著比例的系统成本之成因，例如良好的遮蔽、高保护等级、耐高温性等。

在于工业自动化中布缆总线系统以对总线系统用户供应能量时，还应该另外注意，致动器的能量供应源与传感器或控制器的能量供应源是分离的，以便能够独立于传感器及/或控制器而关闭致动器。利用这种设计，自动化网络中的致动器可以通过关闭能量供应源而在任何时间点移动到安全状态，其中在总线系统中的传感器和控制器的能量供应源能同时被维持。因此自动化网络可以继续运作。

以下说明特别是用于工业自动化的一种系统，在该系统中，可利用一条数据线(其必须具有至少四条导线的设计)来传输两个差分数据信号和两个DC隔离电压。在这种情况下，通过数据线的第一对导线，程序是使得第一差分数据信号可在实体馈送模块接口和实体消耗器模块接口之间传输，而且第一直流电流可从第一DC电压源传输到第一消耗器模块DC电压消耗器。数据线的第二对导线接着在实体馈送模块接口和实体消耗器模块接口之间传输第二差分数据信号，并将第二直流电流从第二DC电压源传输到第二消耗器模块DC电压消耗器。在这种情况中，数据线在数据传输方面具有双向设计，以便将第一与第二差分数据信号从馈送模块传输到消耗器模块，且反之亦然。

在这种情况中，数据线的第一对导线通过第一馈送模块转换器、第一电容馈送模块组件、第一电容消耗器模块组件和第一消耗器模块转换器，将实体馈送模块接口连接到实体消耗器模块接口。此外，第一对导线通过第一电感馈送模块组件与第一电感消耗器模块组件，将第一DC电压源连接到第一消耗器模块DC电压消耗器。数据线的第二对导线通过第二馈送模块转换器、第二电容馈送模块组件、第二电容消耗器模块组件和第二消耗器模块转换器，将实体馈送模块接口连接到实体消耗器模块接口。第二对导线进一步通过第二电感馈送模块组件与第二电感消耗器模块组件，将二DC电压源连接到第二消耗器模块DC电压消耗器。

在两个电感与两个电容组件的辅助下，差分数据信号和直流电流都可以在每一对导线上传输，其中每一个电感与电容组件都将总线系统用户耦合到数据线的第一和第二对导线。由于两直流电流是每一个在独立的导线对上传输，相关联的DC电压即可彼此DC隔离，而且因此也可以被分别地切换。因此，由于设有两个分离的能源供应源，总线系统可以被使用于工业自动化中，其中一个能源供应源是供致动器所用，另一个能源供应源是供传感器和控制器所用。关于四条导线的数据电源本身是没有任何超过下方传输系统要求的特别要求的。在这种情况下，总线系统可以用任何所需的总线结构进行操作，例如使用线性、环形、石头形、或树形拓扑。关于使用的总线协议方面也没有限制。

以下说明总线系统的一个具体实施例，其作为用于工业自动化中的实时兼容的以太网为基础的现场总线。

图1示出了总线系统1的示意图，总线系统1包括馈送模块2与消耗器模块3，该馈送模块与消耗器模块是通过数据线4而彼此连接。数据线4包括四条导线401、402、403、404，其中在每一个情况中，两条导线是形成扭绞的一对导线41、42。全部四条导线都扭绞在一起也是可行的，然而这会导致关于电磁兼容性的缺点，但具有线路较高弹性的优点。

馈送模块2和消耗器模块3每一个具有接触点21、31，其将数据线4分别连接到馈送模块2和消耗器模块3。馈送模块2的接触点21和消耗器模块3的接触点31分别各自包括四个连接，每一个连接是用于数据线4的每一条导线。在这个情况中，馈送模块2的接触点21和消耗器模块3的接触点31可以被设计为插头接触，它们是经由在数据线4上的对应的匹配件而连接到两对扭绞的导线41、42。此外，设有传感器和控制器供应源24以及致动器供应源25，该传感器和控制器供应源以及致动器供应源25是连接到馈送模块2。

馈送模块2进一步包括耦合器单元22和数据传输单元23。耦合器单元22是由四条线路区段2201、2202、2203、2204所组成，它们每一个连接到接触点21的一个连接，并且具有第一和第二分支。电感225a,225b是配置在每一条线路区段2201、2202、2203、2204的第一分支中，而电容226a,226b是配置在第二分支中。在每一个情况中，耦合器单元22的两条线路区段2201、2202、2203、2204形成了一对线路区段221、222，该对线路区段是与数据线4的对应的一对导线41、42相关联。

两对线路区段221、222中带有电感225a,225b的第一分支形成了第一夹合点，而两对线路区段221、222中带有电容226a,226b的第二分支形成了第二夹合点。第一对线路区段221的第一分支的第一夹合点是连接到传感器和控制器供应源24，其具有电源单元241以施用第一DC电压。第二对线路区段222的第一分支的第一夹合点是通过限流器253而连接到致动器供应源25，该致动器供应源施用第二DC电压，其中该致动器供应源25具有电源单元251和开关252。两对线路区段221、222的两个第二分支的两个第二夹合点是通过电容226a,226b而连接到数据传输单元23，以便传输第一与第二差分数据信号。

数据传输单元23具有所谓的以太网物理层231，其形成了馈送模块2和下游处理单元之间的实体接口，并且编码及译码数据。以太网物理层231提供了第一和第二差分数据信号。第一差分数据信号是通过第一转换器232而传输自、以及传输到第一对线路区段221的第二分支的两个第二夹合点。第二差分数据信号是通过第二转换器233而施加到第二对线路区段22的第二分支的两个第二夹合点，并且从该处被接收。

馈送模块2因此而使得通过耦合器单元22的各自一对线路区段221、222在数据线4的一对相关联导线41、42中传输DC电压和差分数据信号两者变得可能。馈送模块2中的耦合器单元22的第一对线路区段221通过接触点21对数据线4的第一对导线41施加第一DC电压，而且同时传输第一差分数据信号。馈送模块2中的耦合器单元22的第二对线路区段222以并行方式通过耦合点21将第二DC电压注入到数据线4的第二对导线42中，而且同时传输第二差分数据信号。

两个差分数据信号和两个DC电压是通过配置在每一条线路区段2201、2202、2203、2204的第一分支中的电感225a,225b以及配置在每一条线路区段2201、2202、2203、2204的第二分支中的电容226a,226b而彼此隔离的。在这种情况中，电容226a,226b大量阻挡第一分支中的DC电压，而电容226a,226b实质上抑制了第二分支中的差分数据信号。在这种情况中，电感和电容是被设计为使得在第一分支中执行足够强的差分数据信号的衰减、但在该对线路区段的第二分支中也可能同时发生低频的方式，例如，该频率导自自动协商方法的使用或基线漂移效应。

在消耗器模块3中，接触点31后续是接有与馈送模块互补、且是由耦合器单元32、数据传输单元33、传感器和控制器供应源34及致动器供应源35所组成的配置。耦合器单元32是由四条线路区段3201、3202、3203、3204所组成，它们每一个连接到接触点31的连接并且具有第一与第二分支。同样的，在每一条线路区段3201、3202、3203、3204的第一分支中设有电感325，而且在第二分支中设有电容326。在每一种情况中，耦合器单元32的两条线路区段3201、3202、3203、3204形成了一对线路区段321、322，其与数据线4中一对相对应的导线对41、42相关联。

这两对线路区段321、322中带有电感325的第一分支形成了第一夹合点，且这两对线路区段321、322中带有电容326的第二分支形成了第二夹合点。第一对线路区段321的第一分支的第一夹合点是连接到传感器与控制器供应源34，以便被供应从馈送模块2传输到数据线4的第一对导线41上的第一直流电流。第二对线路区段322的第一分支的第一夹合点是连接到致动器供应源35，以便被供应从馈送模块2传输到数据线4的第二对导线42上的第二直流电流。

除了由传输路径和插入的部件所引起的电压损耗之外，由传感器和能量供应源24施加到馈送模块2中的第一直流电压会因此被施用到消耗器模块3中的传感器和控制器供应源34。相比之下，考虑到传输期间的电压损失以及由插入的部件所引起的电压损失，消耗器模块3中的致动器供应源35会被供以由致动器供应源25施加到馈送模块2的第二DC电压。

如图1所示，消耗器模块3中的传感器与控制器供应源34和致动器供应源35(每一个连接于负载342、352的上游处)可具有阻挡单元341、351。阻挡单元341、351防止直流电流从消耗器模块3中传感器与控制器供应源34中的负载342、或从致动器供应源35中的负载352反馈到馈送模块2中传感器与控制器供应源24中的电源单元241、或到致动器供应源25中的电源单元251。

两对线路区段321、322的两个第二分支的两个第二夹合点是连接到数据传输单元33，以便接收馈送模块2所传输的第一与第二差分数据信号，并将第一与第二差分数据信号传输到馈送模块2。为此目的，以类似于馈送模块2中数据传输单元23的方式，数据传输单元33具有所谓的以太网物理层331，它形成了馈送模块2和下游处理单元36之间的实体接口，并且编码及译码数据。以太网物理层331通过连接到第一对线路区段321的第二分支的两个第二夹合点的第一转换器332来接收及传输第一差分数据信号。第二差分数据信号是通过第二转换器333而传输到以太网物理层331，第二转换器333是连接到、或连接自第二对线路区段322的第二分支的两个第二夹合点。

因此这种结构使得以下为可能：以并行方式，通过在馈送模块2和消耗器模块3之间在每一个情况中数据线4的两个优选地扭绞导线来传输DC电压和差分数据信号，其中两个DC电压是彼此DC隔离的。

为了在工业自动化中使用总线系统1，需要在总线系统中为致动器配置能量供应源，以便可通过数据线4中第二对扭绞导线42进行切换。致动器供应源25因而包括开关252，开关252是配置在电源单元251的下游处，并使得可独立于传感器与控制器供应源24来关闭致动器供应源25。将致动器供应源25关闭使得可在不需要中断通信下将自动化网络中的致动器移动到安全状态。传感器和控制器仍被提供来自馈送模块2中传感器与控制器供应源24的第一直流电流，并且可利用第一与第二差分数据信号来寻址。

致动器供应源25的开关252是配置为低反弹开关，以防止开关在操作期间因机械结构而重复关闭和开启。这种重复的关闭与开启会导致接触腐蚀增加，因而快速故障，特别是当同时发生高过电流时。举例而言，可使用RS触发器作为低反弹开关。

为了防止致动器供应源25的切换操作中断了通过第二对扭绞导线42的数据通信，限流器253被整合到馈送模块2中而且连接到致动器供应源25的开关252。限流器253可用以防止下游消耗器模块的高启动电流(其在开启操作期间短时间发生)超过第二对线路区段222的第一分支中电感225a,225b的允许饱和电流且电感225a,225b几乎完全丧失它们的电感特性。这会接着导致第二对线路区段222的第二分支上的差分数据信号严重被影响，而且通过数据线4的第二对扭绞导线42的通信会崩溃。

图2示出了可用于馈送模块2中的限流器253的一种可能设计。限流器253在每一个情况中具有在输入处和在输出处的两个夹合点，所述夹合点是通过两条引线而彼此连接。限流器253的两个输入夹合点可以通过开关252而被连接到输入模块2的致动器供应源25的电源单元251，其中开关252所传输的DC电压是被施加作为输入电压。限流器253的两个输出夹合点可被连接到耦合器单元22的第二对线路区段224的第一分支，以便供应输出电压到电感225a,225b。由下游负载所引出的直流电流，也就是由消耗器模块3中的致动器供应源35所引出的直流电流是通过限流器253中的引线而流动。

包括晶体管2531(在所示具体实施例中为常关的N-MOSFET)与下游测量电阻器2532的串行电路是安排在进一步从输入夹合点开始的引线路径中。在这个情况中，对晶体管2531的闸极所施加的闸极电压确定了跨晶体管2531所降的电压。连接到晶体管2531的闸极的控制器2533进一步与测量电阻器2532并联连接。控制器2533测量流经测量电阻器2553的电流，并且调整晶体管2531的闸极电压，使得跨晶体管2531可依测量的直流电流而下降所需电压。接着根据跨晶体管2531电压降来设定限流器253的输出电压、以及从而输出直流电流，以避免发生过电流。

除了限制启动电流以外，限流器253也确保通过第二对线路区段222的第一分支中的电感225a,225b的最大连续电流受到限制，如果热负荷允许这样。通过电感225a,225b的最大允许连续电流是由它们的非反应电阻及热性质所确定。若最大允许连续电流被永久超过，则电感225a,225b将失去它们的电感特性而且会被破坏。一般只有在馈送模块中需要限流器的使用。

在图1所示的消耗器模块3中，传感器和控制器供应源34以及致动器供应源35具有电压监测单元343、353，这些电压监测单元每一个夹合至传感器与控制器供应源34和致动器供应源35中分别的两条引线。所述两个电压监测单元343、353可被用以监测在消耗器模块中的传感器与控制器供应源、以及致动器供应源两者是否每一个在规定的操作电压范围中操作。

在图1所示结构的情况中，馈送模块2可供应串联连接且与图1所示消耗器模块3相对应的数个消耗器模块。如图1所示，消耗器模块3是建构为实质上对称的方式，以便于数据线42的两对扭绞导线41、42上传输由馈送模块2提供的两直流电流，以及传输两个差分数据信号至另一个消耗器模块(未示)上。在这个情况中，该另一个消耗器模块接着是通过具有四条导线的数据线连接到消耗器模块3的第二接触点37，其中在每一个情况中，两条导线形成一对扭绞导线。

消耗器模块3具有第二耦合器单元38，它是被设计为与第一耦合器单元32互补的形式。第二耦合器单元38是由四条线路区段3801、3802、3803、3804所组成，它们每一个连接到第二接触点37的连接，并且具有第一和第二分支。同样在每一条线路区段3801、3802、3803、3804的第一分支中设有电感385，而在第二分支中设有电容386。在每一个情况中，耦合器单元38的两条线路区段3801、3802、3803、3804形成了与可通过第二接触点37而连接的数据线中一对相应导线相关联的一对线路区段381、382。

两对线路区段381、382中带有电感385的第一分支形成了第一夹合点，而且两对线路区段381、382中带有电容386的第二分支形成了第二夹合点。第一对线路区段221的第一分支的第一夹合点是连接到传感器和控制器供应源34，以便通过该对线路区段381而施加第一DC电压、并从而传输馈送模块2所提供的第一直流电流到下一个消耗器模块(未示)的传感器与控制器供应源。第二对线路区段222的第一分支的第一夹合点是连接到施用第二DC电压的致动器供应源35。馈送模块2所提供的第二直流电流从而通过该对线路区段382而被转发到下一个消耗器模块(未示)的致动器供应源。

两对线路区段381、382的两第二分支的两个第二夹合点是连接到传输第一与第二差分数据信号的第二数据传输单元39。为了这个目的，在与消耗器模块3中第一数据传输单元33类似的方式中，第二数据传输单元39具有所谓的以太网物理层391，它构成了对处理单元36的实体接口，并且编码及译码数据。以太网物理层391通过第一转换器392来传输及接收第一差分数据信号，第一转换器392是连接到第一对线路区段381的第二分支的两个第二夹合点。第二差分数据信号是通过连接到第二对线路区段382的第二分支的两个第二夹合点的第二转换器393而被传输自、及传输至以太网物理层391。

第一传输单元33的以太网物理层331是通过消耗器模块3中插置的处理装置36而连接到第二传输单元39的以太网物理层391。两个差分数据信号可因而从第一以太网物理层331传输到第二以太网物理层391，然后在由插置的处理装置36处理之后送回，并且从而可通过消耗器模块3形成回路，且可传输到、及传输自下一个消耗器模块的数据传输单元(未示)。

具有电感及电容组件组合的耦合器单元是分别被使用于总线系统的馈送模块和消耗器模块中，以便施加两个DC隔离的DC电压到四条导线的数据线。除了两个差分数据信号以外，还可以以并行方式传输两个DC隔离的直流电流到数据线的两对导线上，仅仅需使用由四条导线的数据线所组成的一个单一布线系统。总线系统的功能并没有改变。

在使用以太网传输物理时，在耦合器单元的成对线路区段中的电容设计是由要被传输的差分数据信号的较低截止频率所确定，该较低截止频率接着由自动协商过程预先指定。这个截止频率大约为2MHz。然后必须以这样的方式设计电容：使得它们在该截止频率下尚未达到饱和，结果是需要470nF的电容。在这种情况中，为了补偿波动的供应源电压的任何可能的效果，优选具有1μF电容的实施例。

在设计耦合器单元的电感时，特别是在消耗器模块中，如图1所示，两个直流电压是否导通是决定性的，结果是消耗器模块中的两个耦合器单元的电感彼此连接。结果是，两个差分数据信号也耦合。接着，耦合器单元的电感必须以防止串扰的方式来选择。此外，数据传输单元中的以太网物理层的属性对于电感的设计也很重要。在一个具体实施例中，使用大于3μH、优选为6.8μH的电感。

Claims (15)

1.一种总线系统，包括：

馈送模块，其连接到第一DC电压源和第二DC电压源，而且具有实体馈送模块接口、第一馈送模块转换器、第二馈送模块转换器、第一电感馈送模块组件、第二电感馈送模块组件、第一电容馈送模块组件以及第二电容馈送模块组件；

消耗器模块，其具有第一消耗器模块DC电压消耗器、第二消耗器模块DC电压消耗器、实体消耗器模块接口、第一消耗器模块转换器、第二消耗器模块转换器、第一电感消耗器模块组件、第二电感消耗器模块组件、第一电容消耗器模块组件以及第二电容消耗器模块组件，

数据线，具有带有第一对导线的第一通道、以及带有第二对导线的第二通道，

其中该数据线的该第一通道通过该第一馈送模块转换器、该第一电容馈送模块组件、该第一电容消耗器模块组件和该第一消耗器模块转换器将该实体馈送模块接口连接到该实体消耗器模块接口，而且通过该第一电感馈送模块组件和该第一电感消耗器模块组件而将该第一DC电压源连接到该第一消耗器模块DC电压消耗器，以于该实体馈送模块接口和该实体消耗器模块接口之间传输第一差分数据信号，并从该第一DC电压源传输第一直流电流到该第一消耗器模块DC电压消耗器，

其中该数据线的该第二通道通过该第二馈送模块转换器、该第二电容馈送模块组件、该第二电容消耗器模块组件和该第二消耗器模块转换器而将该实体馈送模块接口连接到该实体消耗器模块接口，而且通过该第二电感馈送模块组件和该第二电感消耗器模块组件而将该第二DC电压源连接到该第二消耗器模块DC电压消耗器，以于该实体馈送模块接口和该实体消耗器模块接口之间传输第二差分数据信号，并从该第二DC电压源将第二直流电流传输到该第二消耗器模块DC电压消耗器，以及

其中该第一直流电流与该第二直流电流是通过四条导线的该数据线而彼此DC隔离地传载，以便通过该第一DC电流源对该第一消耗器模块DC电压消耗器及通过该第二DC电压源对该第二消耗器模块DC电压消耗器提供分离的能量供应源。

2.根据权利要求1所述的总线系统，其中从该第一DC电压源或从该第二DC电压源传输到该第一消耗器模块DC电压消耗器或到该第二消耗器模块DC电压消耗器的所述两个直流电流中的至少其中一个可以被切换，其中该馈送模块进一步具有用于该第二DC电压源的限流器，其与该可切换的直流电流相关联。

3.根据权利要求2所述的总线系统，其中该限流器具有串行电路，该串行电路包括晶体管和测量电阻器，该第二直流电流流经该测量电阻器，且该限流器具有控制器，其中该控制器是被设计以检测流经该测量电阻器的该直流电流，并驱动该晶体管，使得流经该晶体管的该直流电流不超过预先指定的限制值。

4.根据权利要求2所述的总线系统，其中在该第二DC电压源和该馈送模块的该限流器之间配置有低反弹开关。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的总线系统，其中该消耗器模块具有处理单元、另一个实体消耗器模块接口、第三消耗器模块转换器、第四消耗器模块转换器、第三电感消耗器模块组件和第四电感消耗器模块组件、第三电容消耗器模块组件和第四电容消耗器模块组件，

其中该处理单元将该实体消耗器模块接口连接到该另一个实体消耗器模块接口，以传输该第一差分数据信号和该第二差分数据信号，

其中该第一消耗器模块DC电压消耗器将该第一电感消耗器模块组件连接到该第三电感消耗器模块组件，以传输该第一直流电流，以及

其中该第二消耗器模块DC电压消耗器将该第二电感消耗器模块组件连接到该第四电感消耗器模块组件，以传输该第二直流电流。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的总线系统，其中该消耗器模块具有电压监测组件，该电压监测组件是连接到该第一消耗器模块DC电压消耗器和该第二消耗器模块DC电压消耗器，以监测该第一消耗器模块DC电压消耗器和该第二消耗器模块DC电压消耗器每一个是否在操作电压的规定范围中操作。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的总线系统，其中该第一差分数据信号和该第二差分数据信号每一个是差分以太网信号。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的总线系统，其使用于工业自动化，其中该第一消耗器模块DC电压消耗器是传感器及/或控制器，而且该第二消耗器模块DC电压消耗器是致动器。

9.一种总线系统的馈送模块，该总线系统具有第一DC电压源和第二DC电压源，该馈送模块包括实体馈送模块接口、第一馈送模块转换器、第二馈送模块转换器、第一电感馈送模块组件、第二电感馈送模块组件、第一电容馈送模块组件、第二电容馈送模块组件以及用于数据线的连接，其具有用于第一通道的第一接触点以及用于第二通道的第二接触点，该第一通道带有第一对导线，该第二通道带有第二对导线，

其中该实体馈送模块接口是被设计以通过该第一馈送模块转换器和该第一电容馈送模块组件将第一差分数据信号传输到该数据线的该第一通道的该第一接触点、或传输来自该数据线的该第一通道的该第一接触点的该第一差分数据信号，并通过该第二馈送模块转换器和该第二电容馈送模块组件将第二差分数据信号传输到该数据线的该第二通道的该第二接触点、或传输来自该数据线的该第二通道的该第二接触点的该第二差分数据信号，

其中该第一DC电压源是被设计以通过该第一电感馈送模块组件对该数据线的该第一通道的该第一接触点施加第一DC电压，

其中该第二DC电压源是被设计以通过该第二电感馈送模块组件对该数据线的该第二通道的该第二接触点施加第二DC电压，以及

其中该第一DC电压及该第二DC电压是彼此DC隔离。

10.根据权利要求9所述的馈送模块，其中从该第一或该第二DC电压源传输的所述两个直流电流中的至少其中一个可以被切换，而且其中限流器针对该DC电压源被提供，其与该可切换的直流电流相关联。

11.根据权利要求10所述的馈送模块，其中该限流器具有包括晶体管的串行电路，并且具有测量电阻器，第二直流电流流经该测量电阻器，并且具有控制器，其中该控制器是被设计以检测流经该测量电阻器的直流电流，并驱动该晶体管，使得流经该晶体管的该直流电流不超过预先指定的限制值。

12.根据权利要求10或11所述的馈送模块，其中在该第二DC电压源和该馈送模块的该限流器之间配置有低反弹开关。

13.一种用于总线系统的消耗器模块，包括第一消耗器模块DC电压消耗器、第二消耗器模块DC电压消耗器、实体消耗器模块接口、第一消耗器模块转换器、第二消耗器模块转换器、第一电感消耗器模块组件、第二电感消耗器模块组件、第一电容消耗器模块组件和第二电容消耗器模块组件，以及用于数据线的连接，其具有用于第一通道的第一接触点以及用于第二通道的第二接触点，该第一通道带有第一对导线，该第二通道带有第二对导线，

其中该实体消耗器模块接口是被设计以通过该第一消耗器模块转换器和该第一电容消耗器模块组件接收到该数据线的该第一通道的该第一接触点的第一差分数据信号、或接收来自该数据线的该第一通道的该第一接触点的第一差分数据信号，并通过该第二消耗器模块转换器和该第二电容消耗器模块组件接收到该数据线的该第二通道的该第二接触点的第二差分数据信号、或接收来自该数据线的该第二通道的该第二接触点的该第二差分数据信号，

其中该第一消耗器模块DC电压消耗器是被设计以通过该第一电感消耗器模块组件对该数据线的该第一通道的该第一接触点传输第一DC电压，

其中该第二消耗器模块DC电压消耗器是被设计以通过该第二电感消耗器模块组件在该数据线的该第二通道的该第二接触点接收第二DC电压，以及

其中该第一DC电压及该第二DC电压是彼此DC隔离。

14.根据权利要求13所述的消耗器模块，其进一步具有处理单元、另一个实体消耗器模块接口、第三消耗器模块转换器、第四消耗器模块转换器、第三电感消耗器模块组件和第四电感消耗器模块组件、第三电容消耗器模块组件和第四电容消耗器模块组件，

其中该实体消耗器模块接口是连接到该另一个实体消耗器模块接口，以传输该第一差分数据信号和该第二差分数据信号，

其中该第一消耗器模块DC电压消耗器将该第一电感消耗器模块组件连接到该第三电感消耗器模块组件，以传输第一直流电流，以及

其中该第二消耗器模块DC电压消耗器将该第二电感消耗器模块组件连接到该第四电感消耗器模块组件，以传输第二直流电流。

15.根据权利要求13或14所述的消耗器模块，其中设有电压监测组件，该电压监测组件是连接到该第一消耗器模块DC电压消耗器以及连接到该第二消耗器模块DC电压消耗器，以监测该第一消耗器模块DC电压消耗器和该第二消耗器模块DC电压消耗器每一个是否在操作电压的规定范围中操作。

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