NÄGELER, Ingo (Ährenweg 16, Lünen, 44534, DE)
WLAN-Zugangsgerät für den Einsatz in gasgefährdeten Grubengebäuden
Patentansprüche
1. WLAN-Zugangsgerät (1) für den Einsatz in gasgefährdeten Grubengebäuden bestehend aus einer Zentraleinheit (10) mit mindestens einem Standard-WLAN-Accesspoint (3) mit entsprechenden Frequenzbereich mit jeweils einem Standard- Etherenet-Switch (4) , mindestens einem Medienwandler
(7,11) mit Transceivermodul (12) zur Umsetzung der intern verwendeten elektrischen Ethernet-Signale in optische, über Lichtwellenleiter (9) transportierte Signale, Schutzbeschaltungen (5) für Stromversorgung und extern angeordnete Antennen (8) sowie weitere optionale elektronische Baugruppen (6) , wobei diese Standard- Komponenten in der Zentraleinheit (10) eigensicher vergossen verkapselt sind und diese Zentraleinheit (10) in einem als eigensicher zugelassenen Gehäuse untergebracht ist, welches zusätzlichen Anschlussraum für die Lichtwellenleiter (9) , eine externe eigensichere Stromversorgung (2) und die Antennenkabel bietet.
2. WLAN-Zugangsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vergossene Zentraleinheit (10) in einer Edelstahlwanne angeordnet ist, deren Boden über eine Stirnwand zur Bildung eines Anschlussbereichs verlängert ist und die Edelstahlwanne in einem Kunststoffgehäuse untergebracht ist.
3. WLAN-Zugangsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentraleinheit (10) als Stapel aufgebaut ist und mit Abstandsbolzen aus Kunststoff in der Edelstahlwanne montiert ist.
4. WLAN- Zugangsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Transceivermodul (12) des mindestens einen Medienwandlers (7,11) eigensicher ausgebildet ist und ausserhalb des Vergussraums (10) über der Oberfläche der Vergussmasse montiert ist.
5. WLAN-Zugangsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als optionale Baugruppen (6) ID-TAG-Leser oder ein RFID-Leser vorgesehen sind.
6. WLAN-Zugangsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (2) mit einer Back-up-Batterie oder einem Akkumolator versehen ist.
7. WLAN-Zugangsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrischer Schutz der Antennen (8) und des Gerätes (1) vor unzulässiger Funkenbildung Schutzbeschaltungen (5) an den Antennenausgängen im inneren Kapslungsraum (10) des Gerätes (1) vorgesehen sind, die durch Kondensatoren oder in Form von übertragern ausgebildet sind, die unter Einhaltung der Kriech- und Luftstrecken direkt auf einer Leiterplatte aufgeätzt sind.
WLAN-Zugangsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Diagnose und Signalisierung des Gerätestatus LED-Anzeigen vorgesehen sind, die auf der Vergussmasse (10) innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. |
WLAN-Zugangsgerät für den Einsatz in gasgefährdeten Grubengebäuden
Zur Kommunikation untertage werden seit längerem drahtlose
Verfahren eingesetzt. In jüngerer Zeit wird dafür auch wireless-LAN (WLAN) eingesetzt. Diese hat den entscheidenden
Vorteil der integrierten Kommunikation von Daten, Sprache und Video über standardisierte Ethernet-Verfahren. Entsprechende
Hartware-Komponenten sind in vielfacher Form zu geringen Preisen am Markt.
Um diese Standard-Kommunikation auch in grubengasgefährdeten Bergwerken preiswert nutzen zu können, wird ein Gerät beschrieben, welches den Aufbau der entsprechenden Infrastruktur aus Standardkomponenten in einem eigensicheren System ermöglicht.
Diese Infrastruktur besteht aus sogenannten WLAN-Accesspoints , welche die stationäre Infrastruktur (Basisstation) für mobile Systeme (eigensichere Pocket-PC's, Maschinen mit WLAN- Kommunikation etc.) untertage darstellen.
Es sind aus verschiedenen Quellen zwar Verfahren bekannt, welche die Untertage-Kommunikation mit WLAN und deren Implementierung generell beschreiben. Derartige Geräte müssen jedoch entweder als „eigensichere" Geräte designed werden oder
zum Schutz gegen Explosionen in einem druckfesten Gehäuse untergebracht werden. Beide Schutzmethoden sind entweder sehr teuer in der Entwicklung (das betrifft die Eigensicherheit) oder die Geräte -sind durch die druckfesten Gehäuse sehr schwer und mit hohen Herstellungskosten verbunden.
Diese Geräte müssen jeweils speziell entwickelt und als eigensichere Geräte für den Einsatz nach ATEX zugelassen werden. Ist diese Zulassung erwirkt, bleiben diese Geräte auf dem technologischen Stand vor der Zulassung. Andererseits ändern sich die in den Geräten eingesetzten Halbleiter in so kurzen Zeiträumen, dass diese Spezialverfahren zur Entwicklung und Zulassung sehr schnell ineffizient werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein WLAN- Zugangsgerät zu entwickeln, dass so aufgebaut ist, dass auch bei schnellen änderungen der zugrundeliegenden Technologie des WLAN sich auch Neuerungen zeitnah in einem solchen Gerät wiederspiegeln können, ohne dass eine komplette Neuzulassung des Gerätes erforderlich ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit Hilfe der Merkmale des Anspruchs 1.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch das spezielle Design und den Einsatz von handelsüblichen Standard-Komponenten sowie den Verguss dieser Standard- Komponenten in der Zentraleinheit wird ein Gerät entwickelt, welches als eigensicheres Gerät zugelassen werden kann und gleichzeitig eine hohe Flexibilität in der Auswahl von Standardkomponenten bietet. Dabei sind die Herstellungskosten so gering, dass auch eine großflächige Anwendung untertage
angestrebt werden kann. Der Hauptvorteil liegt in der Nutzung von Standardkomponenten innerhalb eines als eigensicher zugelassenen Access-Point. Dabei können sich die eingesetzten Standardkomponenten (Access-Point, Medienwandler etc.) ändern, ohne dass eine komplette Neuentwicklung der für das Gerät benötigten Elektronik notwendig wird.
Das erfindungsgemäße System besteht aus zwei Gruppen von Funktionskomponenten, nämlich einmal aus den im zentralen Gerät angeordneten Funktionsgruppen und zum anderen aus der eigensicheren Peripherie inklusive Stromversorgung.
Die im zentralen Gerät angeordneten Funktionsbaugruppen bestehen aus einem oder mehreren Standard-WLAN-Access-Points mit einem oder mehreren Frequenzbereichen, einem Standard- Ethernet-Switch (falls dieser nicht bereits in dem Standard- WLAN-Access-Point integriert ist) , einem oder mehreren Medienwandlern zur Umsetzung des intern verwendeten elektrischen Ethernet-Signals in ein optisches Signal zum Einsatz in der stationären Netzwerkinfrastruktur des Bergwerks, Schutzbeschaltungen für Stromversorgung und Antennen sowie weiteren optinalen Baugruppen für Zusatzfunktionen.
Gegebenenfalls kann auch die Stromversorgung entweder als eigenes Modul oder innerhalb der Zentraleinheit im Gerät untergebracht werden.
Die Komponenten innerhalb der Zentraleinheit werden innerhalb eines eigensicheren Systems in einer Sonderschutzart (z.B. Verguss, Sandkapselung) nach ATEX ausgeführt und entsprechend zugelassen. Dabei werden alle nicht ursprünglich als eigensicher eingestuften Baugruppen in den Verguss-oder Kapselungsraum einbezogen, wodurch in vielen Fällen Standardbaugruppen verwendet werden können. Damit entsteht die
bezüglich der technologierelevanten Hardware notwendige Flexibilität bei gleichzeitiger Minimierung der Kosten und des zulassungsrelevanten Aufwandes.
ändern sich diese im Kapselungs- oder Vergussraum angeordneten Standard-Komponenten, so erfolgt keine Neuentwicklung der Elektronik. Es wird nur die betreffende Baugruppe im Design ausgetauscht und die für diese Baugruppe notwendigen Zulassungsschritte werden wiederholt. Alle übrigen Komponenten, Gehäuse etc. werden davon nicht berührt. Dies gilt auch für Schutzbeschaltungen, so lange sich die elektrischen Parameter der ausgetauschten Komponente nicht oder nur unwesentlich verändert haben.
Anzeigen und Indikationen werden von den gekapselten Geräten über elektrisch unkritische Medien nach aussen geführt, so z.B. werden LED-Anzeigen mit Hilfe von Lichtleitblöcken oder -fasern an der Oberfläche der Vergussmasse dargestellt.
Das Gerät wird eingesetzt als eigensicheres System gegebenenfalls zusammen mit eigensicheren Standard-Netzteilen, wobei die Stromversorgung alternativ auch direkt in das Gerät eingebaut werden kann.
Entscheidend ist auch die mit dieser Art der Gerätearchitektur verbundene Möglichkeit, weitere Zusatzfunktionen (siehe oben) ebenfalls mit Standard-Baugruppen in den Kapselungsraum des Gerätes integrieren zu können. Damit können preiswert z.B. Lokalisierungsfunktionen für Material umgesetzt werden, indem beispielsweise ein ID-TAG-Leser oder ein RFID-Leser direkt in den Access-Point integriert wird. Vorbeifahrendes Material kann dann von der Infrastruktur (dem WLAN-Access-Point) erkannt und an zentrale Rechensysteme weitergemeldet werden.
Optional kann die Stromversorgung mit einer Back-up-Batterie oder einem Akkumulator versehen werden, um den Betrieb auch bei einer Stromabschaltung z.B. aufgrund von Auftreten eines explosionsgefähr-denden Gasgemisches aufrechterhalten zu können („M1 "-Zulassung) .
Was die Peripherie-Baugruppen des Systems anbelangt, können verschiedene extern anschließbare Antennen verwendet werden. Dabei werden ebenfalls Standard-Produkte verwendet, die den rauhen Anforderungen des Einsatzes in untertägigen Umgebungen entsprechen. Der elektrische Schutz der Antennen und des Gerätes vor unzulässiger Funkenbildung erfolgt durch Schutzbeschaltungen an den Antennenausgängen des Access-Points im inneren Kapselungsraums des Gerätes. Diese Schutzbeschaltungen werden entweder durch Kondensatoren ausgeführt oder in Form von übertragern, die unter Einhaltung der Kriech-und Luftstrecken direkt auf einer Leiterplatte aufgeätzt werden. Die Antennen selbst brauchen damit nur noch die entsprechenden Anforderungen hinsichtlich Materialauswahl und Stabilität erfüllen. Sie sind als Standardbauteile allerdings Bestandteil der Zulassung.
Bedingt durch die teilweise Vergusskapselung ergeben sich Probleme bezüglich des Einsatzes von optischen übertragern für die Lichtwellenleiter, da gegebenenfalls die Vergussmasse in die Transceivermodule eindringen und diese unbrauchbar machen könnten.
Daher wird eine besondere Form des Medienwandlers gewählt, indem entweder der gesamte Medienwandler eigensicher ausgeführt oder als Transceivermodul selbst als eigensichere Komponente ausgeführt und zugelassen wird.
Im letzteren Fall wird nur das Transceivermodul ausserhalb des Vergussraums über der Oberfläche der Vergussmasse montiert . Diese eigensichere Baugruppe enthält hauptsächlich den eigentlichen Transceiver, gegebenenfalls zusammen mit anderen eigensicheren Komponenten (z.B. LED 's etc.). Die Baugruppe wird mit der im Vergussraum angeordneten Hauptplatine des Medienwandlers verbunden. Dabei enthält die vergossene Hauptplatine auch die gegebenenfalls notwendigen Schutzbeschaltungen. Der eigentliche Transceiver befindet sich somit im Aussenraum und die optischen Anschlüsse können ohne die Gefahr einer Beschädigung durch die Vergussmasse genutzt werden.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass das hier beschriebene WLAN- Zugangsgerät für den Untertageeinsatz die stationäre Schlüsselkomponente des drahtlosen Kommunikationssystems ist. Es ist eine Kombination aus Ethernet-Switch, WLAN-Access-Point und Medienwandlern für den externen Anschluss an Lichtwellenleiter basiertes Ethernet. Es erfüllt damit kostengünstig eine Doppelfunktion als Infrastrukturkomponente im LWL-Netz und gleichzeitig als stationäres WLAN-Zugangsgerät . Auf zusätzliche Switches kann damit bei entsprechender Netzauslegung im untertägigen LWL-Netz weitgehend verzichtet werden.
Bei einer geplanten Weiterentwicklung des Gerätes ist die Kommunikation nach IEEE802.11A zusätzlich eingeschlossen, womit unterschiedliche Kommunikationsanforderungen auf zwei physikalisch voneinander getrennten Frequenzbändern abgewickelt werden können. Dies ist zusammen mit softwaretechnischen Maßnahmen insbesondere für den gleichzeitigen Einsatz von Intranet-Kommunikation und automatisierten Maschinen wichtig.
Je nach Version kann das Gerät an verschiedenen Punkten der Netzwerktopologie eingesetzt werden:
-als Endpunkt in- einem LWL-Anschluss-
-eingeschliffen in einen LWL-Strang mit zwei LWL-Aschlüssen -eingeschliffen in einen LWL-Strang mit zusätzlichen Anschluss einer Stichleitung für weitere Access-Points oder zum Anschluss eines Untertage-PC mit LWL-Anschluss (siehe Skizze 3) .
Für den Anschluss der externen Antennen stehen zwei externe Anschlüsse zur Verfügung (Primärantenne und Sekundärantenne) . Das Gerät wird mit unterschiedlichen Antennen zugelassen, um ein Maximum an Reichweite unter verschiedenen Bedingungen zu erzielen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Skizze dargestellt und näher erläutert :
Es zeigen:
Skizze 1 : prinzipieller Aufbau des eigensicheren Systems „WLAN-Access-Point"
Skizze 2: teilweise eigensicherer Medienwandler im Access- Point-Gehäuse . Skizze 3: Anordungsbeispiel vernetzter WLAN-Zugangsgeräte
In der Skizze 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 die Zentraleinheit des erfindungsgemäßen WLAN-Zugangsgeräts, das allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist, bezeichnet. In dieser Zentraleinheit ist im vorliegenden Fall ein Standard-WLAN- Access-Point mit einem entsprechenden Frequenzbereich angeordnet und mit dem Bezugszeichen 3 versehen. Ihm zugeordnet ist ein Standard-Ethernet-Switch 4. Es können jedoch auch
mehrere Standard-WLAN-Access-Points mit mehreren Frequnezbereichen und integriertem Standard-Ethernet-Switch vorgesehen sein. Weiterhin ist in der Zentraleinheit ein oder mehrere Medienwandler (7) zur Umsetzung des intern verwendeten elektrischen Ethernet-Signals in ein optisches Signal zum Einsatz in der stationären Netzwerkinfrastruktur des Bergwerks vorgesehen.
Externe Antennen 8 sind mit innerhalb der Zentraleinheit angeordneten Schutzbeschaltungen 5 verbunden, die auch der Stromversorung 2 zugeordnet sein können.
Mit dem Bezugszeichen 6 sind weitere optionale Baugruppen bezeichnet. Hiermit können beispielsweise preiswert Lokalisierungsfunktionen für Material umgesetzt werden, indem beispielsweise ein ID-TAG-Leser oder ein RFID-Leser direkt in den Access-Point integriert wird. Vorbeifahrendes Material kann dann von der Infrastruktur erkannt und an zentrale Rechnersysteme weitergemeldet werden.
Mit dem Bezugszeichen 9 sind beispielsweise Lichtwellenleiter bezeichnet, die die von den Medienwandlern über die Transceiver 7 in optische Signale umgewandelten elektrischen Signale transportieren.
Da sich durch die teilweise Vergusskapselung Probleme bezüglich des Einsatzes dieser optischen übertrager für die Lichtwellenleiter ergeben, da gegebenenfalls die Vergussmasse in die Transceivermodule eindringen und diese unbrauchbar machen könnte, ist in der Skizze 2 eine erfindungsgemäße Lösung dieses Problems dargestellt .
Es wird eine besondere Form des Medienwandlers (7) gewählt, indem entweder der gesamte Medienwandler eigensicher ausgeführt
oder nur das Transceivermodul (12) selbst als eigensichere Komponente ausgeführt und zugelassen wird.
In diesem Fall -wird nur das Transceivermodul (12) ausserhalb des Vergussraums über der Oberfläche der Vergussmasse 14 montiert. Diese eigensichere Baugruppe enthält hauptsächlich den eigentlichen Transceiver 13, gegebenenfalls zusammen mit anderen eigensicheren Komponenten (z.B. LED 's etc.). Die Baugruppe wird mit der im Vergussraum (Zentraleinheit) 10 angeordneten Hauptplatine des Medienwandlers 11 verbunden. Dabei enthält die vergossene Hauptplatine 11 auch die gegebenenfalls notwendigen Schutzbeschaltungen. Der eigentliche Transceiver befindet sich somit im Aussenraum, und die optischen Anschlüsse können ohne die Gefahr einer Beschädigung durch die Vergussmasse genutzt werden.
In der Figur 3 ist beispielhaft ein Teil des untertägigen Netzes mit den erfindungsgemäßen Zugangsgeräten dargestellt.
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