CN1080503C - 带有几个站的通信网及其运行过程 - Google Patents

Abstract

通信网包括被布线成环状的总线(1，2)，它可在任一点处断开且以电阻(5a，5a’，5b，5b’)进行端接。以及由总线连接的几个站(S)。每个站(S)有用于断开到相邻站的连接的两个继电器(3a，3b)，及每个继电器(3a，3b)配置两个电阻(5a，5a’，5b，5b’)，此电阻在继电器处于断开位置时构成端接电阻。

在总线网络运行期间，站(S)发出站识别消息，不存在站识别消息就表示有关站发生故障，并触发使所有站的继电器(3a，3b)切换到开路位置。然而，网站藉交替地切换继电器及发送消息来测试连接情况。要被切换到的继电器的选择和进行测试连接的时间间隔的选择以随机方式实行。对被检测为有故障的连接，藉将两个相邻的继电器切换到断开位置以使其与网络隔开。

Description

带有几个站的通信网 及其运行过程

本发明涉及具有几个站以及连接这些站的总线的通信网。

这些通信网被用来连接，例如，对网络的可靠性有很高要求的控制中心和监测系统终端。例如，EN54标准要求所谓的故障安全能力，这意味着在电缆出现断路或短路时必须显示报警，以及如果在连接电缆中出现短路或开路，通信只在相当短的时间间隔内中断。

本发明的目的在于给出能满足这些要求的通信网，并且其中对上述的这种干扰，一方面可识别出来，以及另一方面可在短时间内自动予以消除。

按照本发明的通信网，其特点为总线被布线成环状，它可在任一点处断开，且在终端接以电阻，每一站分配两个用于断续到相邻站的连接的两个继电器，每个继电器配置两个电阻，此电阻在继电器处在断开位置构成端接电阻。

进一步地，本发明涉及所述通信网的运行过程，网站通过总线不断地互相通信，并且周期性地发出站识别信息。

按照本发明的处理过程，其特点为在一个站出故障时-以不存在站识别信息指示-所有站的两个继电器被切换为开路位置，这样所有连接都断开，为了识别故障线段，网站藉交替地切换继电器及发送消息来测试连接情况，要被切换的继电器的选择和进行测试连接的时间间隔的选择以随机方式实行，而对被检测为有故障的连接，藉将其相邻的继电器切换成断开以使其与网络隔开。

这样，按照本发明的通信网受保护而不被中断(线路上的短路或断开)，且不需要用于对这类故障进行检测的特别的短路或断路检测硬件。运行此通信网的程序是基于所述的这类故障会造成通信失败的基本知识，因而站识别信息不再被从有关站接收到。为了确定故障的位置，允许通过继电器断开连接而使总线瘫痪，以致于各个站不再互相连接。现在逐步地把网站重新连接起来，藉此，由于逐步的过程，可检测出故障的位置，把其相应的连接和网络分开。

按照本发明的处理过程的第一优选实施例，其特点是，为了在一个站发生故障后重建连接，它的一个继电器进行切换，试图建立与有关的相邻站的连接，且在尝试成功后和该相邻站结合在一起构成部分网，以这种方式构成的部分网以相同的方式成对结合在一起，以及一直重复着这些步骤，直到仅仅一个单独的连接所有站的网络实现为止。

按照本发明的处理过程的第二优选实施例，其特点是，为了在出现故障后重建连接，这些站于是检查连接，以确定它们是能提供服务的还是有故障的，在已完成检查的这些站中，将一个站指派为保持一个继电器处在断开位置，而其它站的继电器都为闭合连接，以及故障连接的继电器都被置成为断开位置。

下面将藉助于示例性实施例和附图，进一步详细地解释本发明，其中：

图1显示了一个站的概略表示。

图2显示了当在连接电缆上出现故障时，这些站的动作的概略表示。

图3a-3c显示了各种网络结构图，

图4显示了在故障后为建立网络的第一处理过程的状态图。

图5显示用于在出现故障后建立网络的第二处理过程的状态事件图，

图6，7显示了图5中的图的细节。

图1显示了连接到带有两个输入端并以两条线1，2表示的总线的一个站S。两个总线输入端的每一端分别通过继电器3a和3b被连接到站S的输入/输出变换器4，或者被端接以电阻5a，5a′或5b，5b′。继电器3a和3b可在两个位置，断开位置和闭合位置之间进行切换。在断开位置，使连接被各个继电器(见继电器3a)断开或开路，而在闭合位置，它被连接起来(见继电器3b)。

对于布线成环路的网络，这样有可能配置带有端接终端的总线，因而在完整的系统中，只有一个站可把其继电器3a或3b中的一个继电器置成断开位置，从而断开了一个连接。由于这两个继电器3a，3b，站S可如它所希望的那样中断到左边或到右边的总线1，2。按照该图，连接A，也就是到左边的连接，被中断。

到总线的接入是按照CSMA/CD方法完成的(CSMA/CD，带有冲撞检测的载波检测多路存取，它大致意味着以监视和冲突检测多路存取载波)。在这种方法中，希望恒定发送的一个站监视载波以确定在其上是否有通信业务。如果不是这种情况，该站假定有发送的权利并开始传输。如果在该站本身传送期间，它检测到线路上的信号与其发送的信号不一致，那么它就认定出现冲撞并放弃传输。在经过由随机事件发生器决定的一段延时以后，才能允许重新存取线路。

如果出现短路或电缆断开形式的故障以及从而使通信中断，那么可以藉开启正确的继电器，以便确保带有故障的线段不被使用。总线可以这种方式处理故障，但困难在于找到一种方法在最短的可能时间内确定继电器的正确位置而不需要特殊的故障探测器或故障指示器。

图2显示了通过线路段L互相连接的两个相邻站S1和S2的两个半部，这就是从一个站S1的继电器3b到连接B和从另一个站S2的继电器3a到连接A。在线路段L上出现故障时，相邻的两站S1和S2分别把相应的继电器3b或3a置成断开位置。这就使连接B和A都断开且故障线路段与总线1，2隔离开。总线1，2在线路段L的区域中的故障点处被断开并在站S1处端接以电阻5b′及在站S2处端接以电阻5a′。由于总线的环形布线，站S1和S2像以前一样被连接，也就是环绕回来。

各种不同的网络结构示于图3a到3c，单独的站S1到S3被示意性地表示。图形说明以这种方式来安排以便带有现存的连接A、B的站只被表示为带有线1和2的盒子以及连接到输入/输出变压器，并且电阻5a或5b只是在环状网络断开的站中才被示出。继电器3a，3b(图1)已被省略。

图3a显示了普通的网络结构，其中一个站，此处表示了站S1，断开环状网，且两个末端以电阻5a和5a′端接。站S1的相应的继电器3a处在断开位置，所有其它继电器都处在闭合位置。由在站S1和S2之间的虚线所表示的线路段L′不被使用。此不用的线段L′周期性地被转换，以使其可能的故障可被注意。在图3b上，不同的线路段位于站S1和S2之间；环状网络的末端现在端接在站S1的电阻5b和5b′。在图3c上，位于站S1和S2之间的故障线路段被站S1和S2藉分别启动继电器3b和3a而从总线上移去(图2)。在出现故障时，两个继电器总是处在断开位置。网络被端接以电阻5b′(站1)和5a′(站2)。

每个站S周期性地，优选地每3秒发送站识别消息给所有其它站。不存在站识别消息意味着一个站已由于故障而退出。由于没有关于故障地点的数据而且这些数据也不能得到，首先尝试着达到明确的状态，它可优选地藉把所有继电器或所有站置成断开位置而实现，其结果是总线被中断。剩下的只是不再互相连接的单独站，然后试图把它们再连接在一起而故障不再包括在内。

用于在出现故障后建立该网络结构的两方法将在下面藉助于图4和图5到7加以说明，在两种情况下都是由于不存在站识别消息而被触发的。网络建立—方法1：

在示于图4的处理过程中，网络被这样建立以使一个站随机地选择其两个继电器3a或3b中的一个，并且在同样的随机时间间隔期间试图和另一个站进行连接。如果成功了，那么相应的连接就处于可用状态，且搜索站将它自己连接到新发现的站上，或如果是能使用的，就联合起来构成带有新发现的站的局部网。如果这些已发现的站突然消失(丢失站识别消息)，那么连接就归于失败。如果什么也没有发生，也就是不能建立联系，连接仍是未知的且在以后再次被测试。然后开启另一个继电器，试图还在随机时间间隔内连接到另一侧的相邻站。

由于要被连接的两个继电器和用于试图连接的时间是被随机选取的，因此相邻站可相当快地互相找看对方。结果，第一步，部分网由两个站构成，其每个站就像单独的站那样运行。如果在接着的步骤中这些部分网试图和相邻的部分网建立联系，那么每个部分网的单独站一致遵循这样的原则，部分网只有一端寻找新站。如果不是这样，那么在发现与新站的连接时，将不知道所做的连接是连到部分网的哪一端。而且也不知道两个可能连接中的哪一个连接是良好的连接。更多的部分网以所述的方式被结合在一起，直到存在只有一个单个网络连接着所有站为止，此单个网络不包含故障线路段，因为站S1(图3c)不能进行连接到相邻站S2，而且站S2也不能进行连接到相邻站S1。

在这些站之间进行通信业务期间，使用了以下类型的消息：

“a”：“我已有控制且正在启动我的继电器”

“b”：“我的继电器为开路，我正放弃控制”

“c”：配置消息

“d”：返显信息：“我见到你并请求立即确认”

“e”：返显应答，对“d”的确认

“f”：“我将结束我的算法并且关机”

相应于图4所示的示意图的算法将在以下的编码表中以伪码描述。在该码中，将列举具有下列意义和时间间隔的不同时间名称：

“Timeout”：等待时间，100ms

“WTimeout”：测试时间到的等待时间＜

              WTimeout＜230ms

“BTimeout”：算法结束，时间间隔约为8到10秒

   用于重新配置网络的伪码

从Remove或接收配置消息开始Init(起始)：分开发送配置消息到两侧

        断开两个继电器，等待4秒

        现在每个站知道网络在重新配置

        把两个连接记为“未知”，随机地选择起始的继电器，

        信号为“a”

        继续转到测试(Test)Test(测试)：设置随机时间间隔，闭合继电器

        等待New(新)，Remove(去除)或WTimeout

        -如果新用户出现(仅仅“a”或“b”发射机)；

           标记连接为“OK”，继续转到Verify(验证)。

        -如果先前用户消失(仅仅“a”或“b”发射机)：

           断开继电器，标记连接为“defective”(故障)

        -如果我的继电器中没有一个是

“unknown”(未知)＝＞End(结束)

[等待一段短时间。等待时间：Timeout]

选取另一个继电器，继续转到Test(测试)

否则：继续转到Unknown(未知)。Verify(验证)：和其它站握手以验证它也看到我(从两个面！等待

          时间：Timeout)

-握手出错：设置连接为“unknown”(未知)，继续

转到Unknown(未知)。

-如果我的继电器没有一个是“unknown”

＝＞End(结束)

-如果我的总线地址比其它的“a”发射机的低，那

么我的信号是“a”，否则是“b”。

继续进到Get Master。(得到主控)Get Master(得到主控)：等待直到没有人发送“a”(可能与我自己

                  无关)

                  -如果最后的外部“a”发射机现在发送

                 “b”：(*第二组*)

                  我的信号是“a”

                  选择“unknown”(未知)继电器(其它继

                  电器优先)，继续转到Test(测试)。

                  -如果没有其它的“b”发射机在那里：

                  我的信号是“a”

                  选择“unknown”继电器(优先于其它继

                  电器)，继续转到Test。

                  -如果我的总线地址比其它的“b”发射

                  机的低；

                  我的信号是“a”。

                  选择“unknown”继电器(其它继电器优

                  先)，继续转到Test。

                  否则：继续转到Slave(从属)。Slave(从属)：我的信号是“b”。我正在等待直到某人发送“a”。继续

         转到Get Master。Unknown(未知)：如果是BTimeout：

           如果任何人发送“b”：断开继电器。

           ＜＝倒数第二个Mohican：断开

           ＝＞结束。＜＝最后一个Mohican：

           继电器保持闭合！只有一个继电器是断开的。

           -如果其它继电器是“unknown”：断开继电器

           我的信号是“a”

           选择“unknown”继电器(其它继电器优先)，

           继续转移到Test。

           -如果其它继电器是“defective”(故障)：继续

           转移到Test。

           -如果另一个站发送“b”：断开继电器，继续转

           移到Slave。

           继续转移到Test(OK/unknown，没有其它的

           “b”发射机)。End(结束)：信号是“f”。

       转换到正常运行：等待直到没有人发送

      “a”或“b”。

       等待时间直到BTimeout＋Timeout过期

       -如果继电器X(右或左)继开和“unknown”：

       断开y，闭合x

       握手(发送回显信息，等待回答，等待时间：Timeout)

OK：标记继电器X为“OK”。

-Timeout：标记继电器为“defective”，

          错误消息，

          继开x，把y设置到以前状态。

信号是正常的站识别消息。

          ————码表结束————

表达式“Opened”或“Open”和“close”和“closed”分别描述了继电器的断开位置或闭合位置。“Master”和“Slave”描述了正在搜寻的站或正在等待的站。正如从图4中看到的那样，两种可能性A和B存在于进一步的Get Master的处理中。在情况A中，程序继续转到Test。这种情况出现在当其它主控站(master)现在为从属(slave)时，或当不再有从属站(slave)时，或当实际总线地址比其它从属站的低时。如果其它主控站丢失以及发送“f”或正常线路消息，以及如果还有另一个从属和实际总线地址比这个从属站的高，那么就出现情况B“继续转到Slave”。网络建立--方法2：

在图5到7所示的方法中，网站也试图进行连接到相邻站。和图4所示的网络建立方法相反，网站并不结合起来构成部分网，而是每个站检验其两个相邻的连接，且在此测试后，一个站被指派为让一个继电器置成断开位置。除了连接以外，继电器也都被检验。

在本地网中，总线站也实行下列任务：-对于总线，打开环路并且终端端接：完整网络中恰好一个站必须断开绕成环状的总线并且在其两个末端加以端接。-隔开出故障的元件：在一条连接电缆上有故障或一个站中的硬件有故障的情况下，把故障元件从总线网络上去掉。-连接：如果相邻的连接和网站都正常且另一个站已具有断开和端接功能，那么两个连接可被交换。

为了确定操作状态，必须定义对连接和继电器进行测试的测试阶段。所有站应当同时被测试且测试相位的起始必须被传送给所有站。

这些要求产生了图5所示的状态事件图，其中在各个方块中显示一种状态。沿着连接线的下划线字的说明文描述一个事件，且在此说明下面的是由事件触发的动作。

除了图5所示的状态，还有业务模式(图上未示出)，它可在设备的安装维修期间被使用，因为在这时的网络自动配置会妨碍工作。

单个动作和事件具有下列意义：-“通过所有其它站”：藉助于消息把重新配置的开始通知给本地总线网的所有站。-“测试连接和继电器”：见图6，图上显示了测试周期的状态事件图。-“端接”：见图7，图上显示该动作的状态图。-“隔开故障元件”：如果故障连接被检测出，那么故障元件必须被隔开，从而使故障不会传到整个网络。有关的故障元件的这种隔开只能由重新配置来取消。-“连接”：继电器3a和3b处于闭合位置，连接A和B通过输入/输出变换器4(图1)被结合在一起。-“重新配置开始”：本地网的重新配置藉在特定站的键盘上的输入或藉接收特别信息而开始。-“一个站的站识别信息丢失”：一个站的站识别信息消失；假定是线上的故障。-“所有站被通知”：其它站已被告知重新配置。由于故障连接不能接收任何信息的站在它们自己的站识别监视的基础上开始重新配置。-“继电器故障”：故障继电器已被检测出。-“一个连接出故障”：在可供使用的测试时间内只有一个连接能被成功地测试；另一个连接必须被假定为出故障。-“连接和继电器正常”：连接和继电器都能被成功地测试。-“两个连接出故障”：两个连接都不能成功地被测试。-“另一个站被接通”：发现一个站正保持一个连接断开。这样特定站可闭合其两个连接。

图6所示的测试周期被用于测试连接到一个站的两条连接电缆。在此测试中，一个连接闭合，另一个连接断开，然后信息被发送。一旦应答消息从远方站到达，就认为相应的连接电缆是经测试过的。在随机建立的测试时间到期时，有效连接被转换，且处理过程被重复。在继电器测试中，两个连接都被断开，且发送一个消息。如果尽管断开连接仍可接收到应答消息，那么一定有一个继电器出故障。在图6和7中，正如在网络建立，方法1的码表中那样，术语“继电器断开”和“继电器闭合”分别描述了继电器的断开和闭合位置。

在网络中保持一个连接断开是很重要的。已成功地测试连接和继电器的每个站对满足此条件负责。然而，它可把保持一个连接断开的任务传给另一个站，也就是传给已成功地测试其连接和继电器的，且具有较低总线地址的站或者传给已检测出有故障连接的站。

这种模式示于图7。断开连接，例如，每三分钟作周期性地改变，这样有故障的线段可被检测出。

所述总线网络具有下列的基本特性：-如果出现电缆短路或电缆断开，也能保证本地总线网络的所有站之间的通信。-每个总线站可通过继电器把它的信号变换器连接到线A或线B。开路端被端接以电阻。-网络被绕成环状，导致了可被用于电缆故障事件中的冗余的连接。断开一个连接产生了一个不同于环的总线。-使得用于故障保护的硬件附加量为最小化，其总量为每个站两个继电器和四个电阻。-藉助于在短时间间隔内发送的站识别消息，监测连接电缆的状态。每个站监视所有其它站的状态。-如果缺少几个站识别信息，那么就在每个站开始隔离处理过程。它可确保对故障元件的隔离以及正确的总线端接。

在正确布线的网络中，正好一个连接被断开；环圈在这一点断开并作为总线被端接。-在电缆故障的情况下，连接到出故障电缆的继电器被启动。总线的剩余部分被正确地端接；所有站互相连接并可互相通信。

藉助于图5到7(网络建立-方法2)所描述的隔离处理过程具有以下主要特征：-藉发送和接收特别消息测试一个连接。这些测试消息被发送到所有站并由带有隔离继电器的每个站进行应答。-继电器的工作藉在连接断开时，也就是继电器处在断开位置时发送消息而得以测试。如果，不管断开的连接，仍能接收到相邻站的应答消息，一个继电器一定是出故障了。-藉助于在测试期间随机地切换继电器，每个站可被其相邻站以一定的统计确定性进行寻址，不会因闭合两个连接而引入任何故障(继电器从断开被切换到闭合位置)。-当一个站的两个连接已被测试并被确定是正常时，以及当在同时确知另一个站肯定有一个继电器处于断开位置，也就是保持一个连接断开时，那么该站把两个连接置为闭合位置。-故障连接的一个继电器被保持在断开位置，直到人工始发的重新配置。-对于完整的网络，具有最低的(逻辑的)总线地址的站总保持其一个连接断开。

Claims (8)

1.具有几个站以及连接这些站的总线的通信网，其特征在于，总线(1，2)被布线成环状，它可在任一点处被断开，且端接以电阻，在每个站(S1，S2，S3)被配置了用于断开到相邻站的连接的两个继电器(3a，3b)，以及每个继电器配置两个电阻(5a，5a’，5b，5b’)，在完整的网络中，这些站(S1，S2，S3)中的一个站的一个继电器(3a，3b)处在断开位置，这些电阻在继电器处在断开位置时构成端接电阻。

2.按照权利要求1或2的通信网，其特征在于，如果出现电缆故障，那么故障电缆从网络中被去掉及总线的剩余部分藉把连接到故障电缆(L)的继电器(3a，3b)切换到断开位置而被端接。

3.具有几个站以及连接这些站的总线的通信网的运行方法，其中所述总线(1，2)被布线成环状，它可在任一点处被断开，且端接以电阻，在每个站(S1，S2，S3)被配置了用于断开到相邻站的连接的两个继电器(3a，3b)，以及每个继电器配置两个电阻(5a，5a’，5b，5b’)，其网站通过总线不断地互相通信，并且周期性地发出站识别信息，其特征在于，

在一个站(Sl，S2，S3)出现故障的情况下-由不存在站识别消息指示--所有站的两个继电器(3a，3b)被切换到开路位置，这样所有连接都断开，由各个站组成的通信网络不再互连；并且

然后为了识别故障线段，网站藉交替地切换继电器及发送消息来测试连接情况，对要被切换到的继电器的选择和对进行测试连接情况的时间间隔的选择以随机方式实行，对于被检测为有故障的连接，藉将其相邻的两个继电器切换成断开，以使其与网络隔开，由此这些站逐步地再连接在一起。

4.按照权利要求3的处理方法，其特征在于，为了在一个站(S1，S2，S3)发生故障后重建连接，该站的一个继电器(3a，3b)进行切换，并试图与有关的相邻站建立连接，且

在试图连接成功后，和该相邻站结合在一起构成部分网，以这种方式构成的部分网以相同的方式成对结合在一起，并且一直重复着这些步骤，直到仅仅一个单独的连接所有站的网络存在为止。

5.按照权利要求4的处理方法，其特征在于，当试图在单一部分网之间建立连接时，每个部分网的站(S1，S2，S3)对于以部分网的哪一端来试图建立连接达成一致。

6.按照权利要求3的处理方法，其特征在于，为了在出现故障后重建连接，这些站(S1，S2，S3)于是检查连接(A，B)，以确定它们是能提供服务的还是有故障的，

在已完成检查的这些站中，将一个站指派为保持一个继电器处在断开位置，而其它站的继电器都闭合其连接，以及这样故障连接的继电器都被置成断开位置。

7.按照权利要求6的处理方法，其特征在于，只有在每个站的两个连接(A，B)都已被成功地测试以及已确定或者是具有比其它各个站更低的总线地址的站或者已检测到有故障的连接的站肯定保持其一个继电器为断开位置的情况下，每个站(S1，S2，S3)才把它的两个继电器(3a，3b)都置成闭合位置。

8.按照权利要求6的处理方法，其特征在于，除了连接(A，B)以外，继电器(3a，3b)也被测试，藉此，对于有连接断开和继电器处在断开位置的情况，每个站(S1，S2，S3)发送一个测试消息以及对这个测试消息的应答的接收被另一个站译成为继电器故障。

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