专利名称：用于在电气安装技术的设备之间进行数据交换的通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在电气安装技术的电气设备之间进行数 据交换的通信系统。
背景技术：
这种通信系统用于询问、显示设备或设备组的开关状态或功能 状态并可能对此产生影响。例如，在中心调度台，经授权的专业人
员可以获取设备的开关状态或功能状态；在此存在这种可能性，即 引入有目的的4晉施，以^更消除故障状态或者还^f吏得电路接通或断 开。还可以建立i殳置在配电器或类似装置中的i殳备之间的功能连 4妄。此处在最简单的情况下将辅助开关4皮此连4妄。
由WO 2004/036784 Al已知一种在使用电的近场情况下的非对 称的信息传输系统，其设置有发射器，该发射器具有至少一个耦合 元件，通过该耦合元件基本上可以漫散(发射)电的近场。信息传 #T系统还包4舌始乡冬存在的架构主体，该架构主体具有与4妄i也电绝續_ 的且导电的导体元件，电场耦合输入到该导体元件中。利用具有至 少一个耦合元件的接收器将在导体元件中传输的场耦合输出。
发明内容
本发明的目的在于，实现一种用于在电气安装技术的电气设备 之间进行数据交换的通信系统，该通信系统的特点是简单的拓4卜结 构和低安装复杂度。
冲艮据本发明，该目的通过权利要求1的特征达到；优选的设计 方案分别是其他权利要求的内容。
通过利用具有高频交流电的电场在电气设备之间进行的数据 传输，这些电场在处于安装布局中的导电的、可能4皮此电流 (galvanisch )分隔的元件上通过设备的发送装置被施加或通过设备 的接收装置从元件量取(接收)，可以一方面免除复杂导线连接的 通信网络，以及另一方面免除复杂的并因此容易产生干扰的无线网 络。由此，与传统的通信系统相反，如例如在欧洲安装总线、局部 4喿作网络或电源线(Powerline)中不需要用于信号传输的控制线或 网络线；而是可以从具有简单布局和低安装复杂度的通信系统中得 到好处，此外其尤其适用于更新或者升级。
在这种近场通信中，数据传输系统具有发射器，利用其耦合元 件基本上可以发出电的近场。这种场将电容性地输入耦合到导电元 件中，随后其中电流、特别是基于载荷改变的脉沖式位移电流在导 电元件中出现。该导电元件电性地与接地电势以及可能与另外的导 电元件电容性地耦合。通过信号的合适的电容性的输入耦合和输出 耦合，利用这种元件以及可能利用另外的元件通过在这些元件与接 地电势之间存在的耦合电容和耦合电阻在包括可通信的设备的情 况下构成电^各。
在导电元件的任意点上现在可以利用合适的接收装置测量在 导电元件与接地之间的电势差并由此接收信号。通常这种信号包括
数据电报并用于例如加载到激励器、电的信号放大器-电路或电机械 的信号放大器-设备(例如继电器)，该信号例如可设置为控制信号、 报警信号或命令信号。在此可以接通或断开用于待连接的显示元 件、控制设备或用电设备的报警电路、控制电路或负载电路。典型 地，在使用通信系统时，在配电器或开关盒中使用可通信的电器， 如例如保护开关设备、线路保护开关、故障电流保护开关、断路器、 电动机保护设备、接触器、继电器、开关和控制设备、辅助开关、 遥控开关、定时开关、显示i殳备以及电子单元。
在此重要的是，信号频率、导电元件和发射器/接收器这样彼此 协调，即确实发生近场通信，其中不存在通过壳体或设备部分的内 部空间与占主要辐射的信号的无线连^妄，而是确实地实现与导电元
件的主要的电容性耦合，但是该耦合必须以这种方式提供，即在指 定的接收位置可以接收具有充足信号电平的信号。
利用根据本发明的系统有时可以避免辐射的系统的损耗，并因 此在发射器和接收器中达到非常低的电流消耗。在发送时不产生广 泛传播的、不期望的散射场，因为发射器电容性地输入耦合到导电 元件中通过具有非常小的范围的电的近场进行。在此主要损耗产生
固有电感。
在准稳电场中的信号传输不需要接收器侧上的脉冲取出(或定
时提取Taktgewinnung ),因为系统脉冲被一致地提供到传输媒介中， 特别是到导电元件中。但是，基本上可以不受限制地使用无线技术 的通常方法，如载波处理、调制、多if各通i礼方法、4妄4文和解调。
在通信系统的一个实施例中，该通信系统具有将设备保持于其 中的金属壳体，该金属壳体用作用于数据传输的导电的耦合元件。 与传统的无线系统相反(在传统的无线电系统中这种金属壳体基于
消除信号的反射和屏蔽信号的作用对于传播无线信号是起到阻碍 作用的)可以以令人意外的方式将上述不利的屏蔽作用转换为有利 的耦合作用以有利于有效的通信系统。同样地，金属支柱和/或金属 带罩轨条作为壳体的部分有助于通信信号的传播。
以有利的方式单向地(direktional)或双向地实现在可通信的i殳 备之间的数据传输；根据利用功能模块对设备的装配，为此选择性 地设置发射器、接收器或由发射器和接收器的组合，由此可实施不 同功能。
有利;也利用在5MHz与50MHz之间用于高频交流电的波段， 以致于在设备中使用的电子的发射器-电路和/或接收器-电路可以 以节能的CMOS-技术实施，以及耦合元件，其尺寸相对于交流电 的波长应该较小，而最大具有常规的轨道安装设备 (Reiheneinbaugeraete )的大小。特别有利的是用于高频交流电的 13.56 MHz和/或40.68 MHz的频率的4吏用。这些频率处于所谓的 ISM带，也处于对工业、科学和医学应用7>开的频率范围且具有普 遍的授权，该频率范围不受国家法失见限制且允许无需4受片又地4吏用。 仅仅必须遵守发送功率及相邻频率范围的干扰的规定(Auflagen )。 在该波段工作的设备可以由用户立刻投入使用，无需在首次投产前 寻找特别的授权。
通信系统可以有利地用作通信装置的部分，其中设置在壳体外 的通信单元设置有用于电容性数据传输的装置，其为了近场通信利 用导电架构元件电容性地耦合到用于设备的数据传输的装置上。可 以使用所有具有导电元件的主体作为架构主体，对此包括例如加热 管，在其它方面使用的导线或导电箔，从而可以免除特别是对于通 信网络要安装的线路。在其中现有用于信号传播的架构不够的情况 下，可以以最简单的方式，以低的费用，另外由辊、喷雾器或利用
毛刷将导电涂层涂覆到壁、设备、构件以及类似物上，其改善了系 统的导电性。
下面将参照在附图中示出的实施例进一 步描述本发明和4艮据
其它权利要求的特征的优选设计方案，而其并不是限制本发明；其 中示出了
图1示意性地示出了^^艮据权利要求1的通信系统；
图2、 3是具有根据本发明的通信系统的通信装置的两个变体；
以及
图4是4艮据本发明的通信系统的电性的等效电路图。
具体实施例方式
图1中示出在电气设备2.1至2.n之间，特别是电气安装技术 中的轨道安装设备之间的用于数据交换的通信系统1，这些设备设 置在壳体3内。信号发生器4用作通信装置，其被设置在设备中。 可以使用例如用于载荷改变的频率发生器或脉冲发生器作为信号 发生器4。与传统设备不同，示出的设备2.1相应地具有作为通信 装置一部分的发射器和耦合元件，利用其基本上可以产生或发送准 稳近场N (参照图4)。将准稳近场N理解为这样的一个场，该场 在信号源和与其隔开的耦合元件之间的相互作用中产生并具有主 要的电的近场分量(Nahfeldkomponente )。
这种场非对称地耦合到壳体3的带罩轨条5.1 ( DIN轨条)上。 除了带罩轨条5.1之外，在壳体3中存在其它的导电元件，特别是 带罩轨条5.2至5.n，它们彼此之间以及它们与接地电势E之间主
要电容性地耦合。通过高频交流电I非对称地耦合到带罩轨条5.1 中，现在通过其它导电元件5.2至5.n和在这些导电元件与接地电 势E之间存在的耦合电容和耦合电阻K(如图4中看到的)构成电 路。在本文中非对称的耦合意味着，在各个耦合面与导电元件或媒 介或者在各个耦合面与接地电势E之间的耦合电容是不同的，并由 此产生电势差。
通过高频交流电I的非对称的耦合产生准稳散射场S (参照图 4 )，该散射场由导电元件5.1至5.n发送。准稳散射场S理解为这 样一个场，该场在非限定i殳置的导电元件5.1至5,n和与其隔开的
(Nahfeldkomponente )。随后在元件5.1至5.n其中之一的任意点上， 可以利用合适的接收元件6.1至6.n，特别是利用高欧姆的信号检测 器6或还利用在各个设备中集成的无线电接收器来测量电势差并由 此接收信号。随后作为接收器的部分或连接在接收器上作为模块的 激励器(Aktor )承接开关过程，以便接通例如用于用电i殳备的负载 电^^。系统部件信号发生器、信号^r测器和激励器可以通过电网或 电池来供电驱动。
在此重要的是高频交流电I的频率，该频率必须这样选择，即 元件5.1至5.n的传输特性达到最佳。具有双向通信能力的设备配 备有发送装置和接收装置。 一种有利的使用情况可以例如存在于， 询问例如存在于开关设备中的断路器的参数或功能状态并将其发 送到可一见系纟充。
在图2和图3中分别示出了通信装置7，其设置有根据图1的 通信系统l。在此，在设备2.1至2.n之间的数据交换并不限于壳体 3内的空间，而是在使用导电壳体3或导电壳体的相应部件的情况 下延伸直至具有自身壳体9的通信单元8，该自身壳体与接地电势
E连接。有利地是，在此可以免除壳体3、 9外设置的接收单元，该 接收单元在常规的用于数据传输的通信系统中可能是必须的。
数据传输在较小距离时，也是在近场范围中可以在两个壳体3 和9之间直接实现，或者在较大距离时可以间接地通过存在的导电 架构元件10实现，这些架构元件可以是导电的或者i殳置有导电元 件，并且在近场范围中彼此电容性地耦合。
在两个实施例中，单元8分别表示DCF-77-接收单元(参照图 2)和另一配电器(Stromverteilung)(参照图3)。利用DCF-77-技术， 通过无线电信号将中欧时间提供给无线电时钟。DCF-77-接收单元 必须安置在金属的或设置有金属元件的壳体3外，由此无线电信号 不会被该壳体屏蔽。然而，为了将时间数据提供给设置在壳体3中 的时钟定时器，在使用屏蔽无线电的、但更可用于数据传输的元件 情况下，使用所述电的近场通信。由此可以进行电容性的数据传输 经过较远距离直至达到对传统无线电系统不利的二次分配 (Unterverteilung)并最终达到存在于其中的功能单元。
存在的元件的传输特性可以通过安装附加的导电元件，如例如 导电箔而改善。这种箔在电的安装设备时有利地以环形带的形式安 置在通常安装的配电器(Stromverteilung)的高度上，由此保证良好的 耦合特性。还可以设想以金属栅代替箔，金属栅在涂覆(安装)之 前加入到灰浆(Putz)中。随后当使用导电涂层时，例如可以由辊、 喷雾器或毛刷将涂层涂覆到壁上时，提供导电架构元件10的特别 简单的涂覆。由此还存在这种可能性，即电的疑难的关系以简单的 方式显著改善。
在图4中示例性地示出了^4居图1至图3具有用于近场通信的 装置的通信系统或通信装置的等效电路图。在此起作用的电的近场 通信基于具有位移电流I的电路，该电路通过信号发生器4和信号
接收器6的电容性耦合K.l至K.n (可能在包括用电气设备的情况 下)接到导电媒介或元件5.1至5.n和接地电势E上。在此，在发 射器4的范围中构成近场N并在接收器6的范围中构成散射场S。 耦合电阻K.n在系统内是不可避免的，但是是已知的并可以由此在 系统^没计时考虑到。耦合电阻K.n越小，信息传输就越可靠。
在当前的实施例中，选择用于高频交流电I的13.56 MHz或 40.68 MHz的频率。这些频率处于对工业、牙牛学和医学应用7>开的 波段(所谓的ISM带)内。
前述的本发明可以如下概括为
为了实现用于在电气安装技术的电气设备2.1至2.n之间进行 数据交换的通信系统1,该通信系统具有简单的布局和低安装复杂 度的特点，乂人而"i殳置了，利用具有高频交流电的准稳、电场N或S， 信号技术地耦合到存在于安装设备中的导电元件5.1至5.n上，以 用于电容性近场通信。
通过通信系统1提供的通信通道使得可以使用存在的(例如安 装壳体3的)金属结构5.1至5.n来用于数据传输。这种金属结构 5.1至5.n在常规无线电技术中在可实施性方面引起技术难题，该金 属结构根据本发明的通信系统1中以令人惊奇的方式是有利用价值 的。通过合适的频率选择，可以最大程度地实现没有分离的导线安 装的与导线相关的系统的抗干扰性。免除通常要安装的用于连接不 同设备的导线，从而显著地大量减少了安装复杂度。
权利要求
1.一种用于在电气安装技术的电气设备(2.1...2.n)之间进行数据交换的通信系统(1)，所述通信系统除了所述设备(2.1...2.n)还具有壳体(3)，所述壳体具有至少一个导电元件(5.1...5.n)，所述设备(2.1...2.n)设置在所述壳体中，所述设备分别具有用于数据传输的装置(4、6)，其中第一设备(2.1...2.n)的用于发送数据的至少一个装置(4)这样非对称地耦合到所述壳体(3)的至少一个导电元件(5.1...5.n)，即对所述导电元件施加具有高频交流电的准稳近场(N)，其中将由此产生的具有高频交流电的准稳散射场(S)在所述壳体(3)的所述至少一个导电元件(5.1...5.n)上提供，以及其中另一设备(2.1...2.n)的用于接收数据的至少一个装置(6.1...6.n)这样非对称地耦合到所述壳体(3)的所述至少一个导电元件(5.1...5.n)上，即从该导电元件上量取所述散射场(S)。
2. 根据权利要求1所述的通信系统(1 )，其中，所述电场电容性 地耦合输入到所述至少一个导电元件(5.1...5.n)中且从所述 至少一个导电元件电容性地耦合输出。
3. 根据权利要求1所述的通信系统(1 )，其中，所述电场电容性 地耦合输入到所述至少一个导电元件(5.1…5.n)中且从所述 至少一个导电元件电流耦合输出。
4. 才艮据4又利要求1所述的通信系统(1 )，其中，所述电场电流耦 合输入到所述至少一个导电元件(5.1…5.n)中且/人所述至少 一个导电元件电容性地耦合输出。
5. 根据权利要求1所述的通信系统(1),其中，将所述设备U.l…2.n)设计为开关设备、保护开关设备，特别是线路保 护开关或故障电流保护开关。
6. 根据权利要求1所述的通信系统(1 )，其中，将所述至少一个 导电元件(5.1...5.n)设计为金属壳体，特别是配电器或开关 盒、金属壳体支柱和/或金属带罩轨条。
7. 根据权利要求1所述的通信系统(1 )，其中，所述用于数据传 输的装置设计为发射器(4)和/或接收器(6)。
8. 根据权利要求1或7所述的通信系统(1 )，其中，所述数据传 输单向或双向地进行。
9. 冲艮据前述片又利要求中任一项所述的通信系统(1 )，其中，所述 高频交流电的频率处于5 MHz至50 MHz的范围内，特别是 13.56 MHz和/或40.68 MHz的范围内。
10. —种具有才艮据权利要求1所述的通信系统(1 )的通信装置(7 ), 所述通信系统具有在所述壳体(3)外设置的通信单元(8), 所述通信单元具有用于数据传输，特别是用于单向或双向的数 据传输的装置(4、 6),所述通信单元为了近场通信利用导电 架构元件(10)耦合到所述设备(2.1…2.n)的用于数据传输 的所述装置(4、 6)上。
11. 根据权利要求IO所述的通信装置(7)，其中，所述通信单元(8)设计为在分开的壳体(9)中，特别是配电器或开关盒中 的其它设备或其它设备布局。
12. 根据权利要求11所述的通信装置(7),其中，所述其它设备(8)设计为无线电时钟信号的接收器，特別是DCF-77-接收器。
13. 根据权利要求IO所述的通信装置(7)，其中，所述导电架构 元件(10)设计为水管、加热管、金属支柱、金属箔或导线。
14. 根据权利要求10或13所述的通信装置(7 )，其中，所述导电 架构元件(10)设计为利用辊、喷雾器、毛刷或类似物涂覆的 导电涂层。
15. 根据权利要求10、 13或14所述的通信装置(7),其中，所述 导电架构元件(10)敷设在灰浆中或灰浆下。
16. 根据权利要求1所述的通信系统(1 )或根据权利要求(10) 所述的通信装置(7)在建筑物中的应用。
全文摘要
为了实现一种用于在电气安装技术的电气设备(2.1至2.n)之间进行数据交换的通信系统(1)，该通信系统具备简单的拓扑结构和低安装复杂度的特点，提供了这样的技术措施，利用具有高频交流电的准稳电场(N或S)信号技术地耦合到存在于安装布局中的导电元件(5.1至5.n)上，以用于电容性近场通信。
文档编号H04B5/00GK101361286SQ200680050986
公开日2009年2月4日 申请日期2006年12月8日 优先权日2006年1月12日
发明者米夏埃尔·恩斯特, 马丁·迪茨 申请人:西门子公司