DE102007036964A1

DE102007036964A1 - Übertrager für eigensichere Geräte der Datenübertragungstechnik

Info

Publication number: DE102007036964A1
Application number: DE102007036964A
Authority: DE
Inventors: Rolf-Dieter Sommer; Martin Burkhardt; Adalbert Gabrysch; Michael Zeipert
Original assignee: Hans Turck & Co KG GmbH; Hirschmann Automation and Control GmbH
Current assignee: Hans Turck & Co KG GmbH; Hirschmann Automation and Control GmbH
Priority date: 2007-08-04
Filing date: 2007-08-04
Publication date: 2009-02-05
Also published as: US20100283560A1; EP2174425A1; WO2009018891A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, ausgebildet für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, die wenigstens zwei Geräte (1, 2) aufweist, die über Übertragungsmittel (3) zum Datenaustausch miteinander verbunden sind, wobei sich zumindest eines der Geräte (1, 2) in dem explosionsgefährdeten Bereich befindet und eingangsseitig der Geräte (1, 2) jeweils ein Entkopplungsnetzwerk (4 bis 11) vorhanden ist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das Entkopplungsnetzwerk (4 bis 11) derart dimensioniert und ausgebildet ist, dass die in ihm speicherbare Energie einen vorgebbaren maximalen Wert nicht überschreiten kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, ausgebildet für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, die wenigstens zwei Geräte aufweist, die über Übertragungsmittel zum Datenaustausch miteinander verbunden sind, wobei sich zumindest eines der Geräte in dem explosionsgefährdeten Bereich befindet und eingangsseitig der Geräte jeweils ein Entkopplungsnetzwerk vorhanden ist, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Es ist grundsätzlich bekannt, zwei Geräte über Übertragungsmittel, wie z. B. einer Busleitung, zwecks Datenaustauschs miteinander zu verbinden. Darüber hinaus ist es bekannt, dass sich zumindest eines der Geräte, vorzugsweise beide Geräte (oder auch mehr) in einem explosionsgefährdeten Bereich befinden. Beispiele für solche explosionsgefährdeten Bereiche sind der Bergbau oder verfahrenstechnische Anlagen, in denen explosive Gase sich befinden können (wie z. B. bei Raffinerien oder dergleichen). In solchen explosionsgefährdeten Bereichen ist es daher unbedingt zu vermeiden, dass in einem der Geräte, im Bereich der Übertragungsmittel oder deren Umgebung elektrische Funken entstehen können, die das möglicherweise in diesem Bereich vorhandene zündfähige Gas zum Explodieren bringen könnte, was zu einer Gefährdung sowohl von Mensch als auch der verfahrenstechnischen Anlage führen kann.
Daher sind schon Entkopplungsnetzwerke bekannt geworden, die eingangsseitig der Geräte vorgeschaltet sind. Durch diese Entkopplungsnetzwerke wird es zunächst vermieden, dass unzulässig hohe Energien, die in einem der Geräte entstehen können und die zu einem Zündfunken führen würden, auf das Übertragungsmittel übertragen werden. Umgekehrt gilt das Gleiche, dass nämlich unzulässig hohe Energien, die in das Übertragungsmittel eingespeist werden und an das angeschlossene Gerät übertragen werden könnten, von dem Entkopplungsnetzwerk von dem Gerät, dass sich im explosionsgefährdeten Bereich befindet, eingespeist werden könnte. Damit steht zunächst eine erste Möglichkeit zur Verfügung, um zu verhindern, dass im explosionsgefährdeten Bereich Zündfunken entstehen können.
Diese Möglichkeit reicht aber zur Absicherung der explosionsgefährdeten Bereiche und der Verhinderung von Zündfunken noch nicht aus, da nach wie vor die Möglichkeit besteht, im Defektfalle eines Gerätes oder des Entkopplungsnetzwerkes Zündfunken entstehen können.
Als weitere Möglichkeit der Verhinderung der Entstehung von Zündfunken ist schon daran gedacht worden, die maximal zulässige Spannungsversorgung innerhalb eines Gerätes auf einen bestimmten Wert zu begrenzen, der dazu führt, dass innerhalb des Gerätes und ggf. des angeschlossenen Entkopplungsnetzwerkes keine solche Energien entstehen können, die zu einem Zündfunken führen könnten, der das explosive Gasgemisch zur Entzündung bringen könnte. Diese weitere Möglichkeit hat sich zwar als zufrieden stellend herausgestellt, jedoch ist erstens der Aufwand zur Begrenzung der Spannungsversorgung innerhalb des Gerätes hoch und zweitens ist nach wie vor noch nicht ausgeschlossen, dass aufgrund von Defekten innerhalb des Entkopplungsnetzwerkes trotz Begrenzung der Spannungsversorgung innerhalb des Gerätes nicht doch im Entkopplungsnetzwerk solche Energien vorhanden sind, die zu einem Zündfunken für das explosive Gasgemisch führen könnten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine weitere Möglichkeit zu schaffen, wie bei der Datenübertragung zwischen zwei Geräten, die im explosionsgefährdeten Bereichen angeordnet sind, wirksam die Entstehung von Zündfunken, die zu einer Explosion eines Gasgemisches führen könnten, wirksam vermieden werden. Insbesondere soll für die Datenübertragung in explosionsgefährdeten Bereichen ein sicherer Betrieb der Geräte und der beteiligten Bauteile gemäß entsprechender Vorschriften, wie z. B. der Explosionsschutznorm IEC60079-x oder der Ethernet Übertragungsnorm IEEE802.3, sichergestellt werden.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß sind das Entkopplungsnetzwerk bzw. seine darin enthaltenen Bauteile derart dimensioniert und ausgebildet, dass die in ihm speicherbare Energie einen vorgebbaren maximalen Wert nicht überschreiten kann. Die Dimensionierung ist derart, dass das Entkopplungsnetzwerk elektrisch in einem Bereich betrieben wird, der es verhindert, dass die speicherbare Energie den vorgebbaren Maximalwert überschreiten kann, unabhängig davon, wie viel Energie von außerhalb (z. B. über das Übertragungsmittel oder über das angeschlossene Gerät) in das Entkopplungsnetzwerk eingespeist wird. Das bedeutet mit anderen Worten, dass die Bauelemente des Entkopplungsnetzwerkes so dimensioniert sind, dass das Entkopplungsnetzwerk im größtmöglichen Defektfall lediglich derart in einen Sättigungsbereich kommen kann, der die obere Grenze der Energieübertragung bildet, wobei diese obere Grenze so gewählt ist, dass die Energie nicht zu einem wirksamen Zündfunken führen könnte, der in seiner Umgebung das Gasgemisch oder andere explosionsgeeignete Medien zum Zünden bringen könnte.
In Weiterbildung der Erfindung weist das jeweilige Entkopplungsnetzwerk eines Gerätes zumindest einen Übertrager mit einem Kern und einer darauf angeordneten Wicklung auf, wobei das Kernvolumen so bemessen ist, dass die in ihm speicherbare Energie den vorgebbaren maximalen Wert nicht überschreiten kann. Gemäß dieser Weiterbildung besteht also der Gedanke der Erfindung darin, die in dem Übertrager (Spule oder Transformator) speicherbare Energie dadurch zu begrenzen, dass nicht lineare Spulen oder Transformatoren durch Auswahl von geeignetem Kernmaterial und entsprechendem Kernvolumen erzeugt werden. In dieser Verbindung (Kernmaterial und Begrenzung des Kernvolumens) auf den für die Übertragungsfunktion minimal notwendigen Wert und den Einsatz zusätzlicher, leistungsbegrenzender Elemente wie Zenerbarrieren, Strombegrenzer und Sicherungselemente, kann sichergestellt werden, dass die im Magnetfeld des Übertragers gespeicherte Energie unterhalb des vorgebbaren maximalen Wertes bleibt.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Übertragungsmittel ein Kupferkabel, z. B. ein Twisted-Pair Kabel. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung wird es also ermöglicht, Geräte über dieses genannte Übertragungsmittel in explosionsgefährdeten Bereichen zu installieren und eine eigensichere Datenübertragung von Signalen zwischen diesen Geräten zu ermöglichen.
In Weiterbildung der Erfindung betrifft die Einrichtung eine Geräteschnittstelle zum Anschluss eines Übertragungsmittels, oder ein eigenständiges Modul, das zwischen dem Ende des Übertragungsmittels und dem Eingang des jeweiligen Gerätes geschaltet ist. Dadurch ist es möglich, herkömmliche Übertragungsmittel mit herkömmlichen Steckverbindern und herkömmliche Übertragungsprotokolle in explosionsgefährdeten Bereichen einzusetzen, wenn die Schnittstelle für das Übertragungsmittel (Beispiel: Ethernet-Schnittstelle) mit dem Entkopplungsnetzwerk versehen wird, wozu dessen Bauteile mit in dem Gerät angeordnet werden. Ebenso ist ein eigenständiges Modul denkbar, das zwischen Übertragungsmittel und herkömmlichem Gerät geschaltet wird, um mit dem Übertragungsmittel in den explosionsgefährdeten Bereich hinein zu fahren.
In Weiterbildung der Erfindung können die mit dem Übertragungsmittel verbundenen Geräte, Ethernet Switche oder Endgeräte wie Steuerungen, Aktoren oder Sensoren sein, wobei die Übertragung zwischen den beiden Geräten über das Übertragungsmittel im Ethernet-Format erfolgt. Dadurch schafft die Erfindung die Möglichkeit, bisher bekannte Ethernet-Switche oder Endgeräte, deren Anschlüsse vom Übertragungsmittel für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen nicht geeignet und vor allen Dingen auch nicht zugelassen waren, jetzt in diesen Bereichen betreiben zu können. Damit schafft die Erfindung erstmals die Möglichkeit einer eigensicheren Übertragung von Ethernet-Signalen oder auch von anderen Signalen zwischen zwei oder mehr Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen.
Insgesamt schafft die Erfindung also damit die Möglichkeit, dass der eigensichere Betrieb von Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen mit einfachen Mitteln zuverlässig sichergestellt ist und entsprechende Vorschriften (wie z. B. die eingangs aufgeführten Normen oder auch weitere) einzuhalten.
Ein beispielhafter Aufbau einer Einrichtung ist, soweit im Einzelnen dargestellt, in der 1 gezeigt.
Mit den Bezugsziffern 1 und 2 sind Geräte, insbesondere Geräte mit Ethernet Schnittstelle, bezeichnet, die in explosionsgefährdeten Bereichen (Zone 1 und Zone 2) installiert sind. Die beiden Geräte (1, 2) sind über Übertragungsmittel (3), beispielsweise Kupferkabel, zwecks Datenaustausch miteinander verbunden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass auch mehr als zwei Geräte (1, 2) vorhanden sein können, die dann über weitere Übertragungsmittel (3) zwecks Datenaustausch miteinander verbunden sind und die zuvor beschriebene Konstellation ein Netzwerk aus mehreren Geräten bildet.
Eingangsseitig ist bei dem ersten Gerät (1) ein Entkopplungsnetzwerk (4 bis 7) vorhanden, während auch das zweite Gerät (2) eingangsseitig ein Entkopplungsnetzwerk (8 bis 11) aufweist. Bei dem Entkopplungsnetzwerk handelt es sich um Übertrager (4, 5) beim ersten Gerät (1) bzw. (8, 9) beim zweiten Gerät (2) sowie um Kondensatoren (6, 7) beim ersten Gerät (1) sowie Kondensatoren (10, 11) beim zweiten Gerät (2). Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Aufbau des Entkopplungsnetzwerkes des jeweiligen Gerätes (1, 2) gleich, kann aber auch unterschiedlich sein.
Insbesondere die Übertrager (4, 8) der beiden Geräte (1, 2), die die Ausgangssignale des ersten Gerätes (1) bzw. des zweiten Gerätes (2) von den Übertragungsmitteln (3) entkoppeln, sind als Spulen bzw. Übertrager mit einem Kern und einer darauf angeordneten Wicklung ausgebildet, wobei dieser Übertrager (4, 8) so bemessen ist, dass die in ihm speicherbare Energie einen vorgebbaren maximalen Wert nicht überschreiten kann. Das Kernmaterial, das Kernvolumen und die darauf angeordnete Wicklung sind so bemessen, dass die im Magnetfeld des Übertragers (4, 8) maximal gespeicherte Energie unterhalb des vorgebbaren maximalen Grenzwertes bleibt.

1: Gerät
2: Gerät
3: Übertragungsmittel
4: Übertrager
5: Übertrager
6: Kondensator
7: Kondensator
8: Übertrager
9: Übertrager
10: Kondensator
11: Kondensator

Claims

Einrichtung, ausgebildet für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, die wenigstens zwei Geräte (1, 2) aufweist, die über Übertragungsmittel (3) zum Datenaustausch miteinander verbunden sind, wobei sich zumindest eines der Geräte (1, 2) in dem explosionsgefährdeten Bereich befindet und eingangsseitig der Geräte (1, 2) jeweils ein Entkopplungsnetzwerk (4 bis 11) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungsnetzwerk (4 bis 11) derart dimensioniert und ausgebildet ist, dass die in ihm speicherbare Energie einen vorgebbaren maximalen Wert nicht überschreiten kann.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Entkopplungsnetzwerk (4 bis 11) eines Gerätes (1, 2) zumindest einen Übertrager (4, 8) mit einem Kern und einer darauf angeordneten Wicklung aufweist, wobei das Kernmaterial und das Kernvolumen so bemessen ist, dass die in ihm speicherbare Energie den vorgebbaren maximalen Wert nicht überschreiten kann.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (3) ein Kupferkabel ist, insbesondere ein Twisted Pair Kabel ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung in die Geräteschnittstelle zum Anschluss des Übertragungsmittels integriert ist, oder ein eigenständiges Modul bildet, das zwischen dem Ende des Übertragungsmittels (3) und dem Eingang des jeweiligen Gerätes (1, 2) geschaltet ist.