KLEHR, Stefan (Raiffeisenstrasse 9, Rheinzabern, 76764, DE)
Patentansprüche
1. Kommunikationsgerät (401) mit einem Netzwerkanschluss (420), wobei zur übertragung von Datenausgangssignalen eines Schnittstellenbausteins (320) an den Netzwerkanschluss (420) , der Schnittstellenbaustein (320) mit einer Primärwicklung (14) eines übertragers (10, 360) und der Netzwerkanschluss (420) mit einer Sekundärwicklung (16) des übertragers (10, 360) verbunden ist, wobei die Primär- und die Sekundärwick- lung (14, 16) einen gemeinsamen Kern (12) aufweisen, wobei zur Erhöhung der Sicherheit in einer explosionsgefährdeten Umgebung die Windungen der Primärwicklung (14) zu den Windungen der Sekundärwicklung (16) einen Mindestabstand aufweisen.
2. Kommunikationsgerät (401) nach Anspruch 1, wobei zwischen dem Schnittstellenbaustein (320) und dem übertrager (10, 360) ein Längswiderstand (330) in einer Reihenschaltung angeordnet ist.
3. Kommunikationsgerät (401) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Begrenzung von Strom und Spannung von Dateneingangssignalen für den Schnittstellenbaustein (320) ein Begrenzungsmittel (310) angeordnet ist.
4. Kommunikationsgerät (401) nach einem der Ansprüche 1 bis
3, wobei zur Begrenzung einer Versorgungsspannung (VCC) für den Schnittstellenbaustein (320) ein Spannungsbegrenzer (305) vorhanden ist.
5. Kommunikationsgerät (401) nach einem der Ansprüche 1 bis
4, wobei der übertrager (10, 360) für eine übertragungsbandbreite von 0,1 bis 100 MHz ausgelegt ist.
6. Kommunikationsgerät (401) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der elektrische Leiter der Primärwicklung (14) bzw. der der Sekundärwicklung (16) ein festes Isolationsmaterial aufweist .
7. Netzwerk (410) zum Einsatz in einer explosionsgefährdeten Umgebung mit einem Kommunikationsgerät (401) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Netzwerk (410) nach Anspruch 7, wobei zumindest zwei Kommunikationsgeräte (400, .., 404) über Ethernetleitungen (430) miteinander verbunden sind und ein unabhängiges eigensicheres Segment (440) bilden. |
Beschreibung
Koiraπunikationsgerät und Netzwerk
Die Erfindung betrifft ein Kommunikationsgerät mit einem Netzwerkanschluss, wobei zur übertragung von Datenausgangssignalen eines Schnittstellenbausteins an den Netzwerkanschluss der Schnittstellenbaustein mit einer mehrere Windungen aufweisenden Primärwicklung eines übertragers und der Netzwerkanschluss mit einer mehrere Windungen aufweisende Sekundärwicklung des übertragers mit dem verbunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Netzwerk mit mehreren Kommunikationsgeräten .
Kommunikationsgeräte können zu einem Netzwerk, beispielsweise über Twistet Pair Ethernet-Leitungen, welche über einen Ethernetanschluss angesteckt werden, zusammen gestellt werden. Um ein derartiges Netzwerk für einen Einsatz in explosi- onsgefährdeten Bereichen zu ertüchtigen, müssen alle mögli- chen Stromkreise betrachtet werden, die im gesamten Netzwerk entstehen können, beispielsweise durch überlagerung von möglichen Spannungen und/oder Strömen. Dieses Vorgehen stellt den für den Explosionsschutz zuständigen Betrachter des Netzwerkes aufgrund der Vielzahl von Kombinationen vor eine re- chenintensive und nicht wirtschaftliche Fehlerbetrachtung eines solchen Netzwerkes. Diese gesamtheitliche Betrachtung aller elektrischen Stromkreise und somit aller miteinander verbundenen Geräte mit einer darauf abgestimmten Begrenzung der Gesamtleistung hat sich als sehr aufwändig herausgestellt.
Eine andere Lösung nach dem Stand der Technik, wie z.B. ein Ethernet auf Lichtwellenleiterbasis, also ein Netzwerk mit fiber optischer galvanischer Trennung, hat den Nachteil, dass die Kommunikationsgeräte und die dafür notwendigen Lichtwel- lenleiter sehr kostenintensiv sind.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Netzwerk bereitzustellen, welches in einer explosionsgefährdeten Umgebung
eingesetzt werden kann und der Aufwand für die Fehlerbetrachtung des Netzwerkes reduziert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass für ein Netzwerk, welches in einer explosionsgefährdeten Umgebung zu betreiben ist, ein Kommunikationsgerät mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1 eingesetzt wird. Bei dem Kommunikationsgerät mit einem Netzwerkanschluss, wobei zur übertragung von Datenausgangssignalen eines Schnittstellenbausteins an den Netz- werkanschluss der Schnittstellenbaustein mit einer Primärwicklung eines übertragers und eine Sekundärwicklung des übertragers mit dem Netzwerkanschluss verbunden ist, wobei die Primär- und die Sekundärwicklung einen gemeinsamen Kern aufweisen, sind zur Erhöhung der Sicherheit in einer explosi- onsgefährdeten Umgebung die Windungen der Primärwicklung zu den Windungen der Sekundärwicklung in einen Mindestabstandan- geordnet. Dieser Mindestabstand kann vorzugsweise 160 μm betragen, vorzugsweise von mehr als 167 μm, insbesondere mehr als 180 μm, insbesondere mehr als 200 μm, insbesondere mehr als 500 μm. Es sollte also ein definierter Mindestabstand zwischen den Zeiten herrschen, dieser ist beispielsweise durch Isolationsmaterial zu bewerkstelligen. Die Windungen der Primärwicklung sollten dabei vorzugsweise ein Isolationsmaterial mit einer Dicke von 180 μm aufweisen. Werden in ei- ner explosionsgefährdeten Umgebung mehrere Kommunikationsgerate über so genannte eigensichere Netzwerkanschlüsse miteinander verbunden, so muss eine sicherheitstechnische Betrachtung durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass alle möglichen Stromkreise, die über Verbindungsleitungen zwischen den Kom- munikationsgeräten entstehen können, auf ihre Zündfähigkeit bewertet werden. Auch wenn bereits jeder Netzwerkanschluss für sich genommen eigensicher in Spannung und Strom begrenzt ist, so kann es doch durch die Zusammenschaltung mehrerer Kommunikationsgeräte zu kritischen Stromkreisüberlagerungen kommen. Derartige Stromkreisüberlagerungen können mit Hilfe einer sicheren galvanischen Trennung, wie sie durch die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des übertragers realisiert ist, vermieden werden. Im Folgenden wird für die Be-
grifflichkeit übertrager der Begriff übertragermodul eingeführt. Ein übertragermodul ist ein Modul mit mehreren übertragern, z.B. einer Schaltungskombination aus einzelnen übertragern für einen Sendeweg und einer Schaltungskombination aus mehreren einzelnen übertragern für einen Empfangsweg. Das übertragermodul kann als austauschbares, komplexes Teil, welches eine geschlossene Funktionseinheit bildet, angesehen werden. Das übertragungsmodul kann auch mehrere übertrager für mehrere Netzwerkanschlüsse in sich vereinen. Die Daten- ausgangssignale des Schnittstellenbausteins werden dabei durch das übertragermodul vom Netzwerkanschluss galvanisch getrennt. Vorzugsweise weist jedes Kommunikationsgerät, welches in dem Netzwerk vorhanden ist, ein übertragermodul für die galvanische Trennung auf. Durch den Einsatz eines über- tragermoduls, bei welchem die Windungen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung den vorgegebenen Mindestabstand nicht unterschreiten, kann der übertrager bzw. das übertragermodul für eine Fehlerbetrachtung als ein Bauteil mit einem zählbaren Fehler betrachtet werden. Mit dem derart ausgestal- teten Kommunikationsgerät kann nun die Fehlerbetrachtung für einzelne Netzwerksegmente durchgeführt werden. Die aufwändige und rechenintensive Gesamtbetrachtung des vollständigen Netzwerkes ist durch die galvanische Trennung und die damit realisierte Abspaltung in einzeln betrachtbare Linksegmente stark vereinfacht. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, dass für die Betrachtung eines solchen Linksegmentes unter "worst- case"-Bedingungen, beispielsweise mit einer maximalen Segmentlänge von 100 m, einem maximalen Induktivitätsbelag von des Kabels von beispielsweise 0,2 μm /100 m, so kann man eine exemplarische sicherheitstechnische Betrachtung durchführen und das Ergebnis auf weitere Linksegmente übertragen. Ein Netzwerk, welches mit derartigen Linksegmenten aufgebaut ist, kann dann als sicher angenommen werden.
Da auch die Stromkreise innerhalb des Linksegmentes durch geeignete Maßnahmen zur Eigensicherheit "befähigt" werden müssen, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung zwischen dem Schnittstellenbaustein und dem übertragermodul ein Längswi-
derstand in einer Reihenschaltung angeordnet. Für die Betrachtung von in einem übertragungsweg auftretenden Induktivitäten ist beispielsweise ein vieradriges Ethernet-Kabel als Verbindung zweier Kommunikationsgeräte zu einem Linksegment angeordnet. Jedes Kommunikationsgerät verfügt dabei über einen Netzwerkanschluss, so dass die Ethernet-Signale über folgenden übertragungsweg führen: Schnittstellenbaustein - übertragermodul - Netzwerkanschluss - Ethernet-Kabel - Netzwerkanschluss - übertragermodul - Schnittstellenbaustein. In dem zuvor beschriebenen Signalpfad, welcher einen Stromkreis darstellt, sinkt eine Induktivität des übertragermoduls mit steigendem Strom. Dadurch ist die wirksame Induktivität im sicherheitstechnisch betrachteten Stromkreis gerade dann gering, wenn sicherheitstechnisch relevante Ströme fließen. Dieser Effekt erlaubt die Anwendung von größeren Zündgrenzkurven für induktive Stromkreise. Dank der höheren Zündgrenzkurven reichen vorzugsweise Längswiderstände mit einem Widerstandswert im Bereich von einigen Ohm aus. Diese Längswiderstände sind mit Vorteil an einen TX- bzw. RX-Ausgang des Schnittstellenbausteins geschaltet und verbinden die TX- bzw. RX-Leitung mit dem übertragermodul.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zur Begrenzung von Strom und Spannung von Dateneingangssignalen für den Schnittstellenbaustein ein Begrenzungsmittel angeordnet. Derartige Begrenzungsmittel, welche auch Barrieren genannt werden, begrenzen an allen geräteseitigen Anschlüssen des Schnittstellenbausteins die in den Schnittstellenbaustein eingehenden Ströme und Spannungen auf bestimmte Maximalwerte, wie z.B. auf 240 mA und 4 V. Dadurch kann ein eigensicheres Kommunikationsgerät als eine in Strom und Spannung definiert begrenzte Einheit aufgefasst werden, welche zudem von anderen Kommunikationsgeräten galvanisch getrennt ist. In einem durch mehrere hintereinander geschaltete Kommunikationsgeräte ge- bildeten Linksegment sind beispielsweise im Kurzschlussfall eines übertragermoduls die im Linksegment miteinander verbundenen Geräte dennoch nicht galvanisch miteinander verbunden, da das zu dem kurzgeschlossenen übertragermodul korrespondie-
rende übertragermodul die galvanische Trennung aufrecht erhält. Stromkreisüberlagerungen durch eine fehlerhafte Zusammenschaltung von zwei Kommunikationsgeräten über ein Ether- net-Kabel können also nicht auftreten, da mindestens einer der beiden übertragermodule sicher galvanisch getrennt ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass ein Kommunikationsgerät mit einer Begrenzung einer Versorgungsspannung für den Schnittstellenbaustein ausgestattet ist. Vorteilhaft wird ein Strombegrenzer in einer Versorgungsleitung der Versorgungsspannung für den Schnittstellenbaustein geschaltet. Denkbar ist auch eine elektronische Strom- und Spannungsbegrenzung mit einer Rechteckkennlinie oder einer Trapezkennlinie.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Kommunikationsgerät ein übertragermodul mit einer übertragungsbandbreite von 0,1 bis 100 MHz aufweist. Insbesondere für Netzwerke mit großem Datenaufkommen ist eine große übertragungsbandbreite von Vorteil.
Auch ist es für die übertragungseigenschaften des übertragermoduls von Vorteil, wenn der elektrische Leiter der Primärwicklung bzw. der der Sekundärwicklung ein festes Isolationsmaterial aufweist. Um die notwendigen Abstände zwischen den Windungen der Sekundärwicklung und der Primärwicklung herzustellen, kann es von Vorteil sein, ein Material aus Teflon einzusetzen. Ein Material aus Teflon oder ein teflonähnliches Material begünstigt die hochfrequenten Eigenschaften eines übertragermoduls und hält die Verluste gering. In der Norm EN 60079-11 wird für übertrager ein "festes" Isolationsmaterial verlangt, vorzugsweise lässt sich ein "festes" Isolationsmaterial mit Teflon realisieren.
Ein leistungsstarkes Kommunikationsnetzwerk, welches hohe übertragungsdaten zulässt, wird mit Vorteil in einer explosi- onsgefährdeten Umgebung eingesetzt. Dieses Netzwerk weist Kommunikationsgeräte mit den zuvor genannten Vorteilen auf.
Vorzugsweise sind zumindest zwei Kommunikationsgeräte über Ethernet-Leitungen miteinander verbunden und bilden ein unabhängiges eigensicheres Segment.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Kommunikationsgerätes und des Netzwerkes sind in den Zeichnungen und den dazugehörigen Beschreibungen erläutert. Es zeigen:
FIG 1 ein übertragermodul, FIG 2 Mindestabstände von unterschiedlichen Wicklungen auf das übertragermodul, FIG 3 eine übertragungsstrecke und FIG 4 ein Netzwerk mit Kommunikationsgeräten.
Gemäß FIG 1 ist ein übertrager 10 zur galvanischen Trennung von Ausgangssignalen eines in FIG 3 näher erklärten Schnittstellenbausteins 320 von einem drahtgebundenen Netzwerk dargestellt. Auf einem als Ring ausgestalteten Kern 12 sind eine Primärwicklung 14 und eine Sekundärwicklung 16 aufgebracht. Die Primärwicklung 14 ist als ein etwas dickerer Leiter als der Leiter der Sekundärwicklung 16 dargestellt. Die Primärwicklung 14 und die Sekundärwicklung 16 sind als ein Bündel um den ringförmigen Kern 12 des übertragers 10 gewickelt. Bei der hier dargestellten Wickelgeometrie weisen die Leiter der Primärwicklung 14 und der Sekundärwicklung 16 Kreuzungspunkte auf. An diesen Kreuzungspunkten wird durch eine auf den Leiter der Primärwicklung aufgebrachte Isolierschicht ein Mindestabstand von ca. 0,2 mm zu dem Leiter der Primärwicklung eingehalten. Dieser Mindestabstand wird durch die Isolier- schicht auch zu dem Kern 12 eingehalten, damit erfüllt der
übertrager 10 die Bedingung, dass für eine sicherheitstechnische Betrachtung nach der Norm EN 60079-11, der übertrager als ein Bauteil mit einem "zählbaren" Fehler gewertet werden darf. Der Kern 12 weist ein hochpermeables Kernmaterial auf.
Mit FIG 2 ist zur Verdeutlichung des Mindestabstandes zwischen den beiden Leitern der Primärwicklung 14 und der Sekundärwicklung 16 aus FIG 1 schematisch die Anordnung eines ers-
ten Wicklungsdrahtes 22 zu einem zweiten Wicklungsdraht 24 dargestellt. Der erste Wicklungsdraht 22 entspricht dabei dem Leiter der Primärwicklung 14 und der zweite Wicklungsdraht 24 entspricht dabei dem Leiter der Sekundärwicklung 16, wobei in diesem Ausführungsbeispiel eine Isolierung 26 von gleicher Dicke für beide Wicklungsdrähte 22 und 24 gewählt worden ist. Die Abstände x,y und z stellen hierbei die Schichtdicken des Isolationsmaterials dar. Um die gewünschten übertragungseigenschaften des übertragermoduls einzustellen, können die Schichtdicken x,y und z in verschiedenen Variationen und Kombinationen ausgestaltet sein.
Gemäß FIG 3 ist eine übertragungsstrecke 300 dargestellt. Die übertragungsstrecke 300 zeigt den Weg einer Verbindung, aus- gehend von einem Schnittstellenbaustein 320 eines, wie in FIG 4 näher gezeigt, Kommunikationsgerätes 400 zu einem weiteren Kommunikationsgerät 401, wobei in dieser Abbildung nur das übertragermodul 360 des weiteren Kommunikationsgerätes 401 dargestellt ist. Der Schnittstellenbaustein 320 stellt über seine TX+ und TX- Ports Datenausgangssignale bereit. Diese
Datenausgangssignale werden über Längswiderstände 330 an das übertragermodul 360 geführt. Die Längswiderstände 330 weisen einen Wert von 2,5 Ohm auf. Das übertragermodul 360 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus mehreren übertragern nach FIG 1 ausgestaltet. Ein übertrager für eine Senderichtung TX und ein übertrager für eine Empfangsrichtung RX. Zur Verbindung des übertragermoduls 360 des ersten Kommunikationsgerätes 401 mit dem übertragermodul 360' des weiteren Kommunikationsgerätes 400 ist an die jeweiligen Netzanschlussseiten des über- tragermoduls 360 bzw. 360' eine Kabelstrecke 370 angeschlossen. Diese Kabelstrecke 370 ist als ein Twisted Pair Ether- net-Kabel in vieradriger Ausführung ausgestaltet.
Für eine entsprechende Signalkonditionierung an den Datenaus- gangen TX+ bis RX- des Schnittstellenbausteins 320 sorgen zusätzlich Pullupwiderstände 340. Diese Pullupwiderstände 340 sind jeweils an die Versorgungsspannung VCC angeschlossen.
Als Dateneingangssignale erhält der Schnittstellenbaustein 320 über einen siebenadrigen RMII-Bus 380 Dateneingangssignale. Diese Dateneingangssignale werden über ein Begrenzungs- mittel 310 in Strom und Spannung begrenzt. über den Schnitt- Stellenbaustein 320 können durch das Begrenzungsmittel 310 keine kritischen Ströme und Spannungen in den Signalweg zwischen zwei Kommunikationsgeräten gelangen. Ein mögliches Zünden durch eventuell überspringende Entladungsfunken in einem explosionsgefährdeten Bereich wird somit vermieden. Ein Span- nungsbegrenzer 305 begrenzt die für das Kommunikationsgerät notwendige Versorgungsspannung VCC.
Mittels der beiden übertragermodule 360,360', jeweils eines für ein Kommunikationsgerät, sind die Kommunikationsgeräte galvanisch voneinander getrennt. Durch diese galvanische
Trennung kann der übertragungsweg für eine fehlersichere Betrachtung als ein Linksegment betrachtet werden.
Gemäß FIG 4 ist ein Netzwerk 410 mit Ethernet-Kabeln 430 für den Betrieb in einer explosionsgefährdeten Umgebung dargestellt. An einen Switch 400 sind über die Ethernet-Kabel 430 ein erstes Kommunikationsgerät 401, ein zweites Kommunikationsgerät 402, ein drittes Kommunikationsgerät 403 und ein viertes Kommunikationsgerät 404 sternförmig angeschlossen. Das vierte Kommunikationsgerät 404 verfügt in diesem Beispiel über zwei Netzwerkanschlüsse 420, welche als Ethernet-Ports ausgeführt sind. Diese zweifache Ausführung der Ethernet- Ports erlaubt eine Vernetzung als Linienstruktur. Für die Vernetzung als Linienstruktur ist es entscheidend, dass das vierte Kommunikationsgerät 404 für jeden Signalpfad jeweils ein übertragermodul 360 aufweist. Durch diese übertragermodule 360 sind die galvanischen Trennungen der einzelnen Linksegmente 440 gewährleistet.
Der innere Aufbau der Kommunikationsgeräte 401 bis 404 wird am Beispiel des ersten Kommunikationsgeräts 401 erklärt. Das erste Kommunikationsgerät 401 verfügt über den bereits mit FIG 3 beschriebenen Schnittstellenbaustein 320. über eine
Barriere für die Energieversorgung 310a wird die an den Schnittstellenbaustein 320 angelegte Versorgungsspannung in Strom und Spannung begrenzt. über eine weitere Barriere für die Datenversorgung 310b werden die Ströme und Spannungen, welche mit den Dateneingangssignalen für den Schnittstellenbaustein 320 auftreten hinsichtlich ihrer maximalen Ströme und Spannungen begrenzt. Die Datenausgangssignale des Schnittstellenbausteins 320 können somit über das übertragermodul 360 mit eigensicheren Strom- und Spannungswerten an den Netzwerkanschluss 420 geführt werden.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Funktionen in jeweils unterschiedlichen Geräten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.