CN115550096A - 用于电流隔离至少一个设备的装置和连接现场设备的开关 - Google Patents

用于电流隔离至少一个设备的装置和连接现场设备的开关 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电流隔离至少一个设备的装置和连接现场设备的开关，即提供上行链路和下行链路PHY接口装置(101，102)，其分别包括发送单元(Tx)和接收单元(Rx)。接收单元分别具有两个输出接口(111‑112，123‑124)，用于提供接收到的三进制编码信号作为差分信号(MLT‑3)。此外，提供了上行链路和下行链路信号分离装置(131‑132，133‑134)，其分别与分配的接收单元的输出接口连接，并且被设计用于将作为差分信号提供的三进制编码信号分解为两个二进制编码信号(BIN‑1，BIN‑2)。此外，还提供了上行链路和下行链路光耦合器装置(141‑142，143‑144)，其分别与分配的信号分离装置连接，并且被设计用于将接收到的两个二进制编码信号传输到分配的PHY接口装置的发送单元处。

Description

用于电流隔离至少一个设备的装置和连接现场设备的开关
技术领域
本发明涉及一种用于对至少一个可连接到2线以太网总线系统的设备，特别是工业自动化系统内的现场设备进行电流隔离的装置，以及用于连接现场设备的开关。在此，该开关包括上述用于电流隔离的装置。
背景技术
工业自动化系统通常包括大量自动化设备，它们经由工业通信网络相互联网，并在制造或过程自动化的环境中用于控制或调节系统、机器或设备。由于工业自动化系统中对时间要求严格的框架条件，诸如PROFINET、过程现场总线(PROFIBUS)、实时以太网或时间敏感网络(TSN)等实时通信协议主要用于自动化设备之间的通信。控制服务或应用程序尤其可以自动化并根据工作负载分布到工业自动化系统的当前可用的服务器或虚拟机上。
工业自动化系统或自动化设备中的计算机单元之间的通信连接的中断可能导致不希望的或不必要的服务请求的传输的重复。此外，未传输或未完整传输的消息可以例如阻止工业自动化系统转换到或保持在安全的运行状态。
在基于以太网的通信网络中，当用于传输具有实时要求的数据流或数据帧的网络资源以竞争的方式被用于具有大量用户数据内容而没有特殊服务质量要求的数据帧的传输时，可能会出现问题。最终，这可能导致未按照请求的或要求的服务质量传输具有实时要求的数据流或数据帧。
从WO 2007/129031A1已知一种具有第一媒体转换器的数据信号隔离装置。第一媒体转换器被设置用于将电输出数据信号转换成光输出数据信号。此外，提供一种光数据信号传输设备，其设计用于传输上述光输出数据信号。此外，数据信号隔离装置包括第二媒体转换器，其被设计为将光输出数据信号转换回电输出数据信号。此外，还提供了一个本质安全的电源。此外，光数据信号传输设备具有电隔离距离。此外，第二媒体转换器由本质安全的电源供电。
EP2784977A1描述了一种耦合器单元，用于在潜在爆炸性的环境中经由以太网线路传输能量和数据。耦合器单元具有用于至少四线以太网线路的电源侧连接，用于组合的能量和数据传输。用于对经由供电侧的以太网线路传输的数据信号和供电电流进行频率选择的解耦的分离滤波单元与供电侧的接口连接。在负载侧提供用于以太网电缆的接口，用于经由两根电线进行组合的能量和数据传输。用于将经由负载侧的以太网线路待传输的数据信号和调节的供电电流进行频率选择的耦合的混频器单元在公共的电线对处与负载侧的接口连接。耦合器单元能够将非本质安全的以太网供电适配为经由两线线路提供的本质安全的以太网供电。
以太网高级物理层(Ethernet APL)是OSI第1层扩展，它特别考虑了过程工业中的要求。在此，远距离高速通信以及用于在潜在爆炸区域内安全操作的2线电缆和保护措施特别有前景。在开关和现场设备的输出和输入处提供电子电路作为实现本质安全的障碍。这种类型的电路防止可燃电能进入接口。特别是，在潜在爆炸性区域中运行的设备必须按照IEC60079系列标准的防护等级被保护。这确保了爆炸性环境本身不可以被热表面或火花产生而点燃，即使在发生多个故障时也是如此。这通过安全地限制设计为本质安全的电路中的电压和/或电流来实现。
设计为本质安全的电路的另一个关键要求是电路的安全的、电流隔离。在纯能源应用的情况下，必须满足这种要求，例如，借助于用于开关电源的变压器。如果除了能量传输之外，还要进行高数据速率的数据传输，特别是从100Mbit/s开始，则借助于变压器的电流隔离是不合适的解决方案。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种装置，该装置用于电流隔离至少一个可以连接到2线以太网总线系统的设备，该设备能够实现其供电和高数据传输速率，并且可以在潜在爆炸性的环境中运行，以及用于实施本发明的合适的解决方案。
根据本发明，该目的通过具有本发明中所述的特征的装置和具有本发明中所述的特征的开关来实现。
根据本发明的用于电流隔离至少一个可以连接到2线以太网总线系统的设备的装置具有上行链路和下行链路PHY接口装置，PHY接口装置分别包括发送单元和接收单元。接收单元分别具有两个输出接口，用于提供接收到的三进制编码信号作为差分信号。PHY接口装置尤其可以分别是集成电路或电路的功能组，数字系统与物理传播介质之间的数据的编码和解码通过集成电路或电路的功能组进行。优选地，根据本发明的装置被设计用于本质安全电路中的应用，并且根据IEC60079-11具有与待保护的线路元件的安全连接。
根据本发明的装置还包括上行链路和下行链路信号分离装置，它们分别与分配的接收单元的输出接口连接并且被设计用于将作为差分信号提供的三进制编码信号分解为两个二进制编码信号。此外，还提供了上行链路和下行链路光耦合器装置，它们分别与分配的信号分离装置连接，并且用于将接收到的两个二进制编码信号传输到分配的PHY接口装置的发送单元处。优选地，上行链路信号分离装置与上行链路PHY接口装置的接收单元的输出接口连接，而下行链路信号分离装置与下行链路PHY接口装置的接收单元的输出接口连接。
总体而言，本发明能够实现本质安全的电路的安全的电流隔离，以及将功率、电流、电压限制到借助于不会在次级侧引起任何过电压的光学的分离方法不再可点燃的水平。光学的分离方法尤其允许本发明在高数据速率时的使用，因为没有电容负载。优选地，可以连接到2线以太网总线系统的设备根据以太网高级物理层进行设计。此外，根据本发明的装置有利地设计用于连接到2线以太网总线系统的多路复用的供电线路处，该供电线路被设置用于同时传输能量和数据。
上行链路和下行链路信号分离装置例如可以分别由比较器、开关晶体管或逻辑门构成。优选地，上行链路和下行链路信号分离装置分别由2个比较器组成，用于相应的差分信号分量，并且被设计用于将相应的差分信号分量与参考信号电平进行比较。
根据本发明的另一个优选的设计方案，三进制编码信号是MLT-3信号，包括负信号电平、零信号电平和正信号电平。两个二进制编码信号分别包括零信号电平和一信号电平。有利地，信号分离装置相应地被设计用于，
-将MLT-3信号的负信号电平转换为第一二进制编码信号的零信号电平和第二二进制编码信号的一信号电平，
-将MLT-3信号的零信号电平转换为第一和第二二进制编码信号的相同的信号电平，以及
-将MLT-3信号的正信号电平转换为第一二进制编码信号的一信号电平和第二二进制编码信号的零信号电平。
对此可替换地，信号分离装置可以分别被设计为用于，
-将MLT-3信号的负信号电平转换为第一二进制编码信号的一信号电平和第二二进制编码信号的零信号电平，
-将MLT-3信号的零信号电平转换为第一和第二二进制编码信号的相同的信号电平，以及
-将MLT-3信号的正信号电平转换为第一二进制编码信号的零信号电平和第二二进制编码信号的一信号电平。
在上述两种变型中，信号分离装置有利地分别被设计用于，
-将MLT-3信号的零信号电平转换为第一二进制编码信号的零信号电平和第二二进制编码信号的零信号电平或，
-将MLT-3信号的零信号电平转换为第一二进制编码信号的一信号电平和第二二进制编码信号的一信号电平。
优选地，上行链路光耦合器装置与上行链路信号分离装置连接，而下行链路光耦合器装置与下行链路信号分离装置连接。在此，光耦合器装置分别包括2个数字光耦合器，用于分别传输两个二进制编码信号之一。数字光耦合器的使用使本发明能够以低成本实施。
光耦合器装置尤其可以分别包括2个数字光耦合器，数字光耦合器分别具有输入侧的阳极接口、输入侧的阴极接口、电源电压接口、输出信号接口和输出侧的接地接口。在此，阴极接口、电源电压接口和输出信号接口分别与限流电阻互联，用于电压、电流或功率限制。数字光耦合器可以以这种方式在发生故障时得到有效的过载保护。
根据本发明的用于将现场设备连接到2线以太网总线系统处的开关尤其包括根据前述实施方案的用于电流隔离的装置。具体地，除了初级开关和次级开关之外，开关还包括用于与上行链路和下行链路PHY接口装置电流隔离的装置、上行链路和下行链路信号分离装置以及上行链路和下行链路光耦合器装置。初级开关与上行链路PHY接口装置连接，而次级开关与下行链路PHY接口装置连接。上行链路和下行链路PHY接口装置分别包括发送单元和接收单元。在此，接收单元分别具有两个输出接口，用于提供接收到的三进制编码信号作为差分信号。
根据本发明的开关的上行链路和下行链路信号分离装置分别与分配的接收单元的输出接口连接，并且被设计用于将作为差分信号提供的三进制编码信号分解为两个二进制编码信号。此外，上行链路和下行链路光耦合器装置分别与分配的信号分离装置连接，并且被设计用于将接收到的两个二进制编码信号传输到分配的PHY接口装置的发送单元处。
下面参考附图借助于实施例更详细地解释本发明。图中示出：
附图说明
图1示出了用于对至少一个可以连接到2线以太网总线系统的设备进行电流隔离的装置，
图2示出了由根据图1的装置所包括的由比较器和具有限流电阻的数字光耦合器构成的布置，
图3示出了包括根据图1的装置的开关。
具体实施方式
图1中所示的用于对至少一个可以连接到2线以太网总线系统的设备进行电流隔离的装置优选地设计用于本质安全的电路中，并且有利地根据IEC60079-11具有与待保护的线路元件的安全连接。在此，可以连接到2线以太网总线系统的至少一个设备例如按照以太网高级物理层来设计。根据一个特别优选的实施方式，该设备被设计用于连接到2线以太网总线系统的多路复用的供电线路，该供电线路被设置用于同时进行电能和数据传输。
根据图1，该装置具有上行链路和下行链路PHY接口装置101、102，它们分别包括发送单元Tx和接收单元Rx。接收单元Rx分别具有两个输出接口111-112、123-124，用于提供接收到的三进制编码信号作为差分信号MLT-3。该装置还具有上行链路和下行链路信号分离装置131-132、133-134，它们分别与分配的接收单元Rx的输出接口111-112、123-124连接，并且被设计用于将作为差分信号提供的三进制编码信号MLT-3分解为两个二进制编码信号BIN-1、BIN-2。
在本实施例中，上行链路和下行链路信号分离装置分别由2个用于相应的差分信号分量的比较器131-132、133-134构成，该差分信号分量被施加在输出接口111-112、123-124之一处，并且被设计用于比较相应的差分信号分量与参考信号电平VREF。作为该设计方案的替代，上行链路和下行链路信号分离装置原则上也可以分别由开关晶体管或逻辑门构成。
上行链路信号分离装置131-132与上行链路PHY接口装置101的接收单元Rx的输出接口111-112连接，而下行链路信号分离装置133-134与下行链路PHY接口装置102的接收单元Rx的输出接口123-124连接。此外，提供了上行链路和下行链路光耦合器装置141-142、143-144，它们分别与分配的信号分离装置131-132连接并且被设计用于将两个接收到的二进制编码信号BIN-1、BIN-2传输到分配的PHY接口装置101、102的发送单元Tx处。在此，上行链路光耦合器装置141-142与上行链路信号分离装置131-132连接，而下行链路光耦合器装置143-144与下行链路信号分离装置133-134连接。光耦合器装置分别包括2个数字光耦合器141-142、143-144，用于传输两个二进制编码信号BIN-1、BIN-2之一。
在下行链路和上行链路侧，光耦合器141-142、143-144各自经由其输出接口提供三进制编码信号作为差分信号MLT-3，其分别被馈送到PHY接口装置102、101的发送单元Tx的两个输入接口121-122、113-114。在本实施例中，三进制编码信号是包括负信号电平、零信号电平和正信号电平的MLT-3信号。相反，两个二进制编码信号BIN-1、BIN-2分别具有零信号电平和一信号电平。
由比较器131-132、133-134构成的信号分离装置分别被设计用于，
-将MLT-3信号的负信号电平转换为第一二进制编码信号BIN-1的零信号电平和第二二进制编码信号BIN-2的一信号电平，
-将MLT-3信号的零信号电平转换为第一和第二二进制编码信号BIN-1、BIN-2，和
-将MLT-3信号的正信号电平转换为第一二进制编码信号BIN-1的一信号电平和第二二进制编码信号BIN-2的零信号电平。在此，MLT-3信号的零信号电平可被转换为：
-第一二进制编码信号BIN-1的零信号电平和第二二进制编码信号BIN-2的零信号电平，或者可替换地，
-第一二进制编码信号BIN-1的一信号电平和第二二进制编码信号BIN-2的一信号电平。
下表说明对于MLT-3信号的零信号电平分别转换为二进制编码信号BIN-1、BIN-2的零信号电平的情况，MLT-3信号与两个二进制编码信号BIN-1、BIN-2之间的上述转换。
MLT-3 BIN-1 BIN-2
负(-1) 0 1
零(0) 0 0
正(1) 1 0
根据可替换的实施方式可以：
-将MLT-3信号的负信号电平转换为第一二进制编码信号BIN-1的一信号电平和第二二进制编码信号BIN-2的零信号电平，
-将MLT-3信号的零信号电平转换为第一和第二二进制编码信号BIN-1、BIN-2的相同信号水平，和
-将MLT-3信号的正信号电平转换为第一二进制编码信号BIN-1的零信号电平和第二二进制编码信号BIN-2的一信号电平。对于将MLT-3信号的零信号电平分别转换为二进制编码信号BIN-1、BIN-2的零信号电平的情况，这将对应于上表中用于二进制编码信号BIN-1、BIN-2的列的内容的交换。
根据图2示出了包括根据图1的装置的布置，该布置由比较器和数字光耦合器构成，其中，数字光耦合器与限流电阻互联，用于电压、电流或功率限制。比较器131和数字光耦合器141在图2中被视为示例性的。比较器131处的参考信号电平VREF经由具有两个电阻器204、205的分压器从第一电压源V1分接，并与输出接口111处的差分信号分量进行比较。在本实施例中，差分信号分量与参考信号电平VREF之间的差被放大。相应放大的差分信号被馈送到数字光耦合器141的输入侧的阳极接口211。
除了阳极接口211之外，数字光耦合器141还包括输入侧的阴极接口212、电源电压接口213、输出信号接口214和输出侧的接地接口215。阴极接口212、电源电压接口213和输出信号接口215分别与限流电阻201-203互联。在此，第一限流电阻201连接在阴极接口212与地之间。第二限流电阻202连接在电源电压接口213与第二电压源V2之间，而第三限流电阻203连接在下行链路PHY接口装置102的发送单元Tx的输入接口121与输出信号接口215之间。通过这些限流电阻201-203可以在发生故障时保护组件免于过载，而不会不允许地影响信号完整性。
用于将现场设备连接到2线以太网总线系统的开关300可以基于图1所示的用于电流隔离的装置来实现。在此，除了上行链路侧的初级开关301和下行链路侧的次级开关302外，该开关还包括PHY接口装置101、102和用于电流隔离的单元303。在此，用于电流隔离的单元303包括比较器131-134和数字光耦合器141-144，并且一方面与上行链路PHY接口装置101连接，另一方面与下行链路PHY接口装置102连接。上行链路PHY接口装置101再次与初级开关301连接，而下行链路PHY接口装置102与次级开关302连接。

Claims (14)

1.一种用于电流隔离至少一个能连接到2线以太网总线系统的设备的装置，所述装置具有：
上行链路PHY接口装置和下行链路PHY接口装置(101，102)，所述上行链路PHY接口装置和所述下行链路PHY接口装置分别包括发送单元(Tx)和接收单元(Rx)，其中，所述接收单元分别具有两个输出接口(111-112，123-124)，所述输出接口用于提供接收到的三进制编码信号作为差分信号(MLT-3)，
上行链路信号分离装置和下行链路信号分离装置(131-132，133-134)，所述上行链路信号分离装置和所述下行链路信号分离装置分别与分配的接收单元的所述输出接口连接，并且所述上行链路信号分离装置和所述下行链路信号分离装置被设计用于将作为差分信号提供的所述三进制编码信号分解为两个二进制编码信号(BIN-1，BIN-2)，
上行链路光耦合器装置和下行链路光耦合器装置(141-142，143-144)，所述上行链路光耦合器装置和所述下行链路光耦合器装置分别与分配的信号分离装置连接，并且所述上行链路光耦合器装置和所述下行链路光耦合器装置被设计用于将两个接收到的二进制编码信号传输到分配的PHY接口装置的发送单元处。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述上行链路信号分离装置(131-132)与所述上行链路PHY接口装置(101)的所述接收单元的所述输出接口(111-112)连接，并且其中，所述下行链路信号分离装置(133-134)与所述下行链路PHY接口装置(102)的接收单元的输出接口连接。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述上行链路信号分离装置和所述下行链路信号分离装置分别由比较器(131-134)、开关晶体管或逻辑门构成。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述上行链路信号分离装置和所述下行链路信号分离装置分别由用于相应的差分信号分量的2个比较器(131-132，133-134)构成，并且所述上行链路信号分离装置和所述下行链路信号分离装置被设计用于将相应的所述差分信号分量与参考信号电平(VREF)进行比较。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，所述三进制编码信号是包括负信号电平、零信号电平和正信号电平的MLT-3信号，其中，两个所述二进制编码信号分别包括零信号电平和一信号电平。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述信号分离装置分别被设计用于，将所述MLT-3信号的负信号电平转换为第一二进制编码信号的零信号电平和第二二进制编码信号的一信号电平，将所述MLT-3信号的零信号电平转换为所述第一二进制编码信号和第二二进制编码信号的相同的信号电平，以及将所述MLT-3信号的正信号电平转换为所述第一二进制编码信号的一信号电平和所述第二二进制编码信号的零信号电平。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述信号分离装置分别被设计用于，将所述MLT-3信号的负信号电平转换为第一二进制编码信号的一信号电平和第二二进制编码信号的零信号电平，将所述MLT-3信号的零信号电平转换为所述第一二进制编码信号和所述第二二进制编码信号的相同的信号电平，以及将所述MLT-3信号的正信号电平转换为所述第一二进制编码信号的零信号电平和所述第二二进制编码信号的一信号电平。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，所述信号分离装置分别被设计用于，将所述MLT-3信号的零信号电平转换为所述第一二进制编码信号的零信号电平和所述第二二进制编码信号的零信号电平，或将所述MLT-3信号的零信号电平转换为所述第一二进制编码信号的一信号电平和所述第二二进制编码信号的一信号电平。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，所述上行链路光耦合器装置(141-142)与所述上行链路信号分离装置(131-132)连接，其中，所述下行链路光耦合器装置(143-144)与所述下行链路信号分离装置(133-134)连接，并且其中，所述光耦合器装置分别包括2个数字光耦合器(141-142，143-144)，所述数字光耦合器用于分别传输两个所述二进制编码信号(BIN-1，BIN-2)之一。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，所述装置被设计用于在本质安全的电路中使用，并且根据IEC60079-11所述装置具有与待保护的线路元件的安全连接。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其中，所述光耦合器装置分别包括2个数字光耦合器(141-142，143-144)，所述数字光耦合器分别具有输入侧的阳极接口(211)、输入侧的阴极接口(212)、电源电压接口(213)、输出信号接口(214)和输出侧的接地接口(215)，并且其中，所述阴极接口、所述电源电压接口和所述输出信号接口分别与限流电阻(201-203)互联，用于电压、电流和/或功率限制。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其中，所述装置被设计用于连接2线以太网总线系统的多路复用的供电线路，所述供电线路被设置用于同时传输能量和数据。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，其中，根据以太网高级物理层设计能连接到所述2线以太网总线系统的所述设备。
14.一种用于将现场设备连接到2线以太网总线系统的开关，所述开关具有：
初级开关(301)，
次级开关(302)，
用于电流隔离的装置，所述装置具有上行链路PHY接口装置和下行链路PHY接口装置(101，102)、上行链路信号分离装置和下行链路信号分离装置以及上行链路光耦合器装置和下行链路光耦合器装置，
其中，所述初级开关与所述上行链路PHY接口装置(101)连接，并且所述次级开关与所述下行链路PHY接口装置(102)连接，
其中，所述上行链路PHY接口装置和所述下行链路PHY接口装置分别包括发送单元和接收单元，其中，所述接收单元分别具有用于将接收到的三进制编码信号作为差分信号提供的两个输出接口，
其中，所述上行链路信号分离装置和所述下行链路信号分离装置分别与分配的接收单元的输出接口连接，并且所述上行链路信号分离装置和所述下行链路信号分离装置被设计用于将作为差分信号提供的三进制编码信号分解为两个二进制编码信号，
其中，所述上行链路光耦合器装置和所述下行链路光耦合器装置分别与分配的信号分离装置连接，并且所述上行链路光耦合器装置和所述下行链路光耦合器装置被设计为将两个接收到的二进制编码信号传输到分配的PHY接口装置的发送单元处。
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