WO2009124561A1 - Verfahren zur sicherheitstechnischen fehlerbetrachtung für ein netzwerk und netzwerk - Google Patents

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WO2009124561A1
WO2009124561A1 PCT/EP2008/002776 EP2008002776W WO2009124561A1 WO 2009124561 A1 WO2009124561 A1 WO 2009124561A1 EP 2008002776 W EP2008002776 W EP 2008002776W WO 2009124561 A1 WO2009124561 A1 WO 2009124561A1
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transformer
interface module
network
inductance
transmitted
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PCT/EP2008/002776
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Stefan Klehr
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B3/00—Line transmission systems
    • H04B3/02—Details
    • H04B3/28—Reducing interference caused by currents induced in cable sheathing or armouring
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B3/00—Line transmission systems
    • H04B3/02—Details
    • H04B3/32—Reducing cross-talk, e.g. by compensating
    • H04B3/34—Reducing cross-talk, e.g. by compensating by systematic interconnection of lengths of cable during laying; by addition of balancing components to cable during laying

Definitions

  • the invention relates to a method for safety-related error consideration for the operation of a plurality of communication devices having network in a hazardous environment, to be transmitted data signals are transmitted in a communication device by means of an interface module to a network connection associated therewith.
  • the object of the invention to provide a method for safety-technical error consideration for the operation of a network, which is reduced in its effort.
  • the object is achieved for the aforementioned method in that the data signals are transmitted by a transformer galvanically isolated to the network connection, the transformer is taken into account with a countable error, an inductance limit of the inductance of the transformer is used for the assessment of ignitability , the interface module is intrinsically safe.
  • the safety-related error analysis two categories of components are valid according to EN60079-11 for components, which contribute to the intrinsic safety of the network: countable and uncountable errors.
  • the minimum separation distance for the windings of a primary and secondary winding of the transformer required for a voltage range of 10 V, as specified in EN60079-11, is 0.5 mm.
  • the minimum separation distance of at least 0.5 mm would have to be complied with if one wants to regard the component or the transformer as "not susceptible to interference”. If the component or the transformer meets this minimum separation distance but at least one third, then the component or the transformer may and may be considered with a "countable error”.
  • the transformer Since in the transformers the minimum distance can only be achieved by loss of the transmission characteristics of the high-frequency transformer, according to the invention the transformer is assigned to the defect category of the component category "countable errors". The condition for this assignment is that the minimum separation distance must be fulfilled by at least one third.
  • the interface modules are operated intrinsically safe. The solution describes a combination of measures that together make it possible, for example, to set up and operate an intrinsically safe 10 / 100BaseTX network in Ex zone 1 for gas group 2C.
  • the necessary measures are chosen so that they are possible no Exert signal influence in the Ethernet signal path. These measures are implemented for each network connection of each communication device, so that each communication device or the later resulting link segments are intrinsically safe. It is thus possible, for example, to build up a twisted pair Ethernet network without significant signal influencing, without having to carry out a complex overall safety system analysis.
  • two interconnected communication devices each form a link segment, this link segment being operated as a symmetrical transmission link. If the network is operated symmetrically, so-called link-segment symmetry ensures that always two transformers galvanically separate the communication devices from each other.
  • a real inductance is evaluated for a predeterminable current value for the transformer.
  • a four-wire Ethernet cable is arranged as the connection of two communication devices to form a link segment.
  • Each communication device has a network connection, so that the Ethernet signals carry the following transmission path: Interface module - transmitter module - network connection - Ethernet cable - network connection - transmitter module - interface module.
  • Interface module - transmitter module - network connection - Ethernet cable - network connection - transmitter module - interface module.
  • the transformer should have 350 ⁇ H at 8 mA magnetization so as to still produce a sigma bias due to common-mode effects. to ensure transmission. For the consideration of the ignition limit curves this undesired saturation effect is used.
  • the transmitter is preferably premagnetized to a determinable value in order to achieve the real inductance.
  • series resistances which are used between the transformer and the interface module for current limitation, are preferably sufficient with a resistance value in the range of a few ohms.
  • data input signals leading into the interface module are limited in current and voltage via limiting means.
  • limiting means which are also called barriers, limit the currents and voltages entering the interface module to certain maximum values at all device-side terminals of the interface module. This means that an intrinsically safe communication device can be regarded as a unit defined in terms of current and voltage, which is also galvanically isolated from other communication devices by the transmitters.
  • a distance of a first winding wire of a primary winding from the second winding wire of a secondary winding of the transformer may not fall below a predeterminable minimum distance.
  • the transformer may be used as a safety-related fault observer for the operation of the network
  • Component of the category susceptible to failure with a countable error.
  • a supply voltage for an interface module is limited.
  • so-called barriers at all device-side connections of the communication device which in the communication device and thus in the Signal component of incoming currents and voltages limited to certain maximum values.
  • the network connection supplied with voltage and currents for the signals can be regarded, with regard to its output voltages and output currents, as a defined limited unit, which favors the error consideration for a network.
  • a transformer 10 for the galvanic isolation of output signals of an interface module 320 explained in greater detail in FIG. 3 is represented by a wired network.
  • a primary winding 14 and a secondary winding 16 are applied on a designed as a ring core 12.
  • the primary winding 14 is shown as a somewhat thicker conductor than the conductor of the secondary winding 16.
  • the primary winding 14 and the secondary winding 16 are wound as a bundle around the annular core 12 of the transformer 10. In the winding geometry shown here, the conductors of the primary winding 14 and the secondary winding 16 on crossing points.
  • the transformer 10 fulfills the condition that, for a safety-related consideration, the transformer 10 may be regarded as a component with a "countable" error.
  • the core 12 has a highly permeable core material.
  • FIG. 2 shows the arrangement of a first winding wire 22 to a second winding wire 24 is shown schematically to illustrate the minimum distance between the two conductors of the primary winding 14 and the secondary därwicklung 16 of FIG.
  • the first winding wire 22 corresponds to the conductor of the primary winding 14 and the second winding wire 24 corresponds to the conductor of the secondary winding 16, in this embodiment, an insulation 26 of the same
  • Thickness for both winding wires 22 and 24 has been selected.
  • the distances x, y and z in this case represent the layer thicknesses of the insulating material.
  • the layer thicknesses x, y and z can be configured in various variations and combinations.
  • a transmission path 300 is shown.
  • the transmission path 300 shows the path of a connection, starting from an interface module 320 of a communication device 400, as shown in detail in FIG. 4, to another communication device 401, wherein only the transmitter module 360 of the further communication device 401 is shown in this illustration.
  • the interface module 320 provides data output signals via its TX + and TX- ports.
  • Data output signals are fed to the transmitter module 360 via series resistors 330.
  • the series resistors 330 have a value of 2.5 ohms.
  • the transformer module 360 is configured in this embodiment of several transformers according to FIG. Usually, so-called multiport transmitter are used, wherein a number of transformers is an integer multiple of 2. At least one transmitter for a transmission direction TX and a transmitter for an catch direction RX.
  • a cable route 370 is connected to the respective network connection sides of the transmitter module 360 or 360 '. This cable route 370 is configured as a four-wire twisted pair Ethernet cable.
  • the interface module 320 receives data input signals via a seven-wire RMII bus 380. These data input signals are limited by a limiting means 310 in current and voltage. Via the interface module 320, the limiting means 310 can not detect any critical currents and voltages in the signal path between two communication devices. A possible ignition by possibly skipping discharge sparks in a hazardous area is thus avoided. A voltage limiter 305 limits the supply voltage VCC necessary for the interface module.
  • the communication devices are galvanically isolated from each other. Due to this galvanic isolation, the transmission path can be considered as a link segment for fail-safe observation.
  • FIG. 4 shows a network 410 with Ethernet cables 430 for operation in a potentially explosive environment.
  • a first communication device 401, a second communication device 402, a third communication device 403 and a fourth communication device 404 are connected in a star shape via the Ethernet cable 430.
  • the fourth communication device 404 has in this example via two network ports 420, which are designed as Ethernet ports. This dual version of the Ethernet ports allows networking as a line structure.
  • the fourth Ko ⁇ utiunikations réelle 404 for each signal path in each case has a transformer module 360. By means of these transformer modules 360, the galvanic separations of the individual link segments 440 are ensured.
  • the internal structure of the communication devices 401 to 404 will be explained using the example of the first communication device 401.
  • the first communication device 401 has the interface module 320 already described with FIG. 3. Via a barrier for the energy supply 310a, the supply voltage applied to the interface module 320 is limited to current and voltage. Another barrier to the data supply 310b limits the currents and voltages associated with the data input signals to the interface device 320 with respect to their maximum currents and voltages.
  • Interface modules 320 can thus be routed via the transmitter module 360 with intrinsically safe current and voltage values to the network connection 420.
  • FIG. 5 a real measured saturation curve of a commercially available Ethernet transformer is shown.
  • the real inductance L 'of the transformer which is represented by the curve 500, decreases with increasing current I.
  • the curve 501 shows the energy E. stored in the coil of the transformer by means of the inductance L 1.
  • the ignition limit curves for inductive circuits must be used, since there are concentrated inductances with the transformers in the circuits.
  • the real inductance L 'of a transformer depends, inter alia, strongly on the bias. This, in turn, is determined by the core material, the number of windings and the current I flowing through them. As curve 501 shows, the actual inductance L 1 decreases steadily as the current I increases. This effect allows higher currents to be allowed in a circuit than would be the case with the inductance calculation, without taking into account the saturation of the transformer.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicherheitstechnischen Fehlerbetrachtung für den Betrieb eines eine Mehrzahl an Kommunikationsgeräten (400,..., 404) aufweisenden Netzwerkes (410) in einer explosionsgefährdeten Umgebung, wobei zu übertragende Datensignale in einem Kommunikationsgerät (400,..., 404) mittels eines Schnittstellenbausteins (320) an einen diesem zugeordnetem Netzwerkanschluss (420) übertragen werden dadurch dass die Datensignale durch einen Übertrager (10,360) galvanisch getrennt an den Netzwerkanschluss (420) übertragen werden, wobei der Übertrager (10,360) mit einem zählbaren Fehler berücksichtigt wird, eine Induktivitätsbegrenzung der Induktivität (L) des Übertragers (10,360) für die Beurteilung der Zündfähigkeit genutzt wird, der Schnittstellenbaustein (320) eigensicher betrieben wird, kann das Verfahren vereinfacht werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zur sicherheitstechnischen Fehlerbetrachtung für ein Netzwerk und Netzwerk
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicherheitstechnischen Fehlerbetrachtung für den Betrieb eines eine Mehrzahl an Kommunikationsgeräten aufweisenden Netzwerkes in einer explosionsgefährdeten Umgebung, wobei zu übertragende Daten- signale in einem Kommunikationsgerät mittels eines Schnittstellenbausteins an einen diesem zugeordneten Netzwerkan- schluss übertragen werden.
In beispielsweise der Chemie-, der Nahrungs- und Genussmit- telindustrie der Pharmazie oder auf Bohrinseln: Überall, wo durch Gase und Stäube ein erhöhtes Gefahrenpotenzial besteht, müssen für eingesetzte Netzwerke und Kommunikationsgeräte Sicherheitsbestimmungen eingehalten werden.
Zur Einhaltung dieser Sicherheitsbestimmungen und zur Überprüfung einer möglichen Grenzwertüberschreitung müssen alle möglichen 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 rechenintensive und nicht wirtschaftliche Fehlerbetrachtung eines solchen Netzwerkes. Diese gesamtheitliche Betrachtung aller elektrischen Stromkreise und somit aller miteinan- der verbundenen Geräte mit einer darauf abgestimmten Begrenzung der Gesamtleistung hat sich als sehr aufwändig herausgestellt.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur si- cherheitstechnischen Fehlerbetrachtung für den Betrieb eines Netzwerkes bereitzustellen, welches in seinem Aufwand reduziert ist. Die Aufgabe wird für das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, dass die Datensignale durch einen Übertrager galvanisch getrennt an den Netzwerkanschluss übertragen werden, wobei der Übertrager mit einem zählbaren Fehler berücksich- tigt wird, eine Induktivitätsbegrenzung der Induktivität des Übertragers für die Beurteilung der Zündfähigkeit genutzt wird, der Schnittstellenbaustein eigensicher betrieben wird. Bei der sicherheitstechnischen Fehlerbetrachtung gelten gemäß EN60079-11 für Bauteile zwei Kategorien von Fehlern, die zur Eigensicherheit des Netzwerkes beitragen: Zählbare und nicht zählbare Fehler. Der in EN60079-11 geforderte Mindesttrennab- stand für die Wicklungen einer Primär- und Sekundärwicklung des Übertragers für einen Spannungsbereich von 10 V beträgt 0,5 mm. Der Mindesttrennabstand von mindestens 0,5 mm müsste eingehalten werden, wenn man das Bauteil bzw. den Übertrager als "nicht störanfällig" betrachten will. Erfüllt das Bauteil bzw. der Übertrager diesen Mindesttrennabstand aber zumindest zu einem Drittel, so kann und darf das Bauteil bzw. der Übertrager mit einem "zählbaren Fehler" berücksichtigt wer- den.
Da bei den Übertragern der Mindestabstand nur durch Verlust der Übertragungseigenschaften des hochfrequenten Übertragers erreicht werden kann, wird erfindungsgemäß der Übertrager für die Fehlerbetrachtung der Bauteilkategorie "zählbare Fehler" zugeordnet. Die Bedingung für diese Zuordnung ist, dass der Mindesttrennabstand wenigstens zu einem Drittel erfüllt sein muss. Als weitere Maßnahme wird mittels einer Induktivitätsbegrenzung der Induktivität des Übertragers die Berechnung für die Beurteilung der Zündfähigkeit mit den Werten für die Induktivität, welche im Betrieb des Netzwerkes herrschen, erneut durchgeführt. Als weitere ergänzende Maßnahme zu diesem Verfahren werden die Schnittstellenbausteine eigensicher betrieben. Die Lösung beschreibt eine Kombination von Maßnah- men, welche es zusammengenommen ermöglichen, beispielsweise ein eigensicheres 10/100BaseTX Netzwerk in einer Ex-Zone 1 für Gasgruppe 2C aufzubauen und zu betreiben. Die hierfür nötigen Maßnahmen sind so gewählt, dass sie möglichst keine Signalbeeinflussung im Ethernetsignalpfad ausüben. Diese Maßnahmen werden für jeden Netzwerkanschluss eines jeden Kommunikationsgerätes realisiert, so dass jedes Kommunikationsgerät bzw. die daraus später entstehenden Link-Segmente eigen- sicher sind. Es ist also möglich, ohne nennenswerte Signalbeeinflussung beispielsweise ein Twisted Pair-Ethernet-Netzwerk aufzubauen, ohne eine aufwändige sicherheitstechnische Gesamtsystembetrachtung durchführen zu müssen.
In einer weiterführenden Ausgestaltung des Verfahrens bilden jeweils zwei miteinander verbundene Kommunikationsgeräte ein Link-Segment, wobei dieses Link-Segment als eine symmetrische Übertragungsstrecke betrieben wird. Wird das Netzwerk symmetrisch betrieben, so ist durch diese so genannte Link-Segment- Symmetrie gewährleistet, dass immer zwei Übertrager die Kommunikationsgeräte voneinander galvanisch trennen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass für eine Energieberechnung eine reale Induktivität bei einem vorgebbaren Stromwert für den Übertrager ausgewertet wird. Für die Betrachtung von in einem Übertragungsweg auftretenden Induktivitäten ist beispielsweise ein vieradriges Ethernet-Kabel als Verbindung zweier Kommunikationsgeräte zu einem Link-Segment angeordnet. Jedes Kommunikationsgerät verfügt dabei über einen Netzwerk- anschluss, so dass die Ethernetsignale über folgenden Übertragungsweg führen: Schnittstellenbaustein - Übertragermodul - Netzwerkanschluss - Ehternet-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, also die reale Induktivität im sicherheitstechnisch betrachteten Stromkreis gerade dann gering, wenn sicherheitstechnisch relevante Ströme fließen. Dieser Effekt erlaubt in dem Verfahren die Anwendung von grö- ßeren Zündgrenzkurven für induktive Stromkreise. Beispielsweise sollte der Übertrager laut der Norm IEEE 802.3 350 μH bei 8 mA Magnetisierung aufweisen, um bei einer parasitären Vormagnetisierung durch Common-Mode Effekte dennoch eine Sig- nalübertragung zu gewährleisten. Für die Betrachtung der Zündgrenzkurven wird dieser unerwünschte Sättigungseffekt genutzt.
Vorzugsweise wird hierzu der Übertrager zum Erreichen der realen Induktivität auf einen bestimmbaren Wert vormagneti- siert. Dank der Verwendung von höheren Zündgrenzkurven reichen vorzugsweise Längswiderstände, welche zwischen dem Übertrager und dem Schnittstellenbaustein zur Strombegrenzung eingesetzt werden, mit einem Widerstandswert im Bereich von einigen Ohm aus. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden in den Schnittstellenbaustein hineinführende Dateneingangssignale über Begrenzungsmittel in Strom und Spannung begrenzt. Derartige Begrenzungsmittel, welche auch Bar- rieren 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 Span- nung definiert begrenzte Einheit aufgefasst werden, welche zudem von anderen Kommunikationsgeräten durch die Übertrager galvanisch getrennt ist.
Vorzugsweise darf bei der durch die Übertrager realisierten galvanischen Trennung ein Abstand eines ersten Wicklungsdrahtes einer Primärwicklung vom zweiten Wicklungsdraht einer Sekundärwicklung des Übertragers einen vorgebbaren Mindestabstand nicht unterschreiten. Durch die Einhaltung des Mindest- abstandes darf für die sicherheitstechnische Fehlerbetrach- tung für den Betrieb des Netzwerkes der Übertrager als ein
Bauteil der störanfälligen Kategorie mit einem zählbaren Fehler eingestuft werden.
Für die Fehlerbetrachtung ist es weiterhin von Vorteil, dass eine Versorgungsspannung für einen Schnittstellenbaustein begrenzt wird. Allgemein kann man sagen, dass so genannte Barrieren an allen geräteseitigen Anschlüssen des Kommunikationsgerätes, die in das Kommunikationsgerät und somit in den Signalbaustein eingehenden Ströme und Spannungen auf bestimmte Maximalwerte begrenzt. Dadurch kann der mit Spannung und Strömen für die Signale versorgte Netzwerkanschluss hinsichtlich seiner Ausgangsspannungen und Ausgangströme als eine de- finiert begrenzte Einheit aufgefasst werden, welche die Fehlerbetrachtung für ein Netzwerk begünstigt.
Weiterhin ist es für die Eigensicherheit und für die damit günstigere Fehlerbetrachtung von Vorteil, wenn eine elektro- nische Strom- und Spannungsbegrenzung mit einer Rechteckkennlinie oder einer Trapezkennlinie eingesetzt wird.
Weitere Erläuterungen und Vorteile der Kombinationserfindung für die Fehlerbetrachtung eines eigensicheren Netzwerkes sind in den Zeichnungen und in den dazugehörigen Beschreibungen erläutert. Es zeigen:
FIG 1 ein Übertragermodul,
FIG 2 Mindestabstände von unterschiedlichen Wicklungen auf das Übertragermodul,
FIG 3 eine Übertragungsstrecke,
FIG 4 ein Netzwerk mit Kommunikationsgeräten und
FIG 5 eine real gemessene Sättigungskurve.
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 Isolierschicht auch zu dem Kern 12 eingehalten. Damit erfüllt der Übertrager 10 die Bedingung, dass für eine sicherheitstechnische Betrachtung der Übertrager 10 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 Sekun- därwicklung 16 aus FIG 1 schematisch die Anordnung eines ersten 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. Üblicherweise werden sogenannte Multiportü- bertrager eingesetzt, wobei eine Anzahl an Übertragern ein ganzzahliges Vielfaches von 2 ist. Zumindest ein Übertrager für eine Senderichtung TX und ein Übertrager für eine Emp- fangsrichtung RX. Zur Verbindung des Übertragermoduls 360 des ersten Kommunikationsgerätes 401 mit dem Übertragermodul 36O1 des weiteren Kommunikationsgerätes 400 ist an die jeweiligen Netzanschlussseiten des Übertragermoduls 360 bzw. 360' eine Kabelstrecke 370 angeschlossen. Diese Kabelstrecke 370 ist als ein Twisted Pair Ethernet-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 Begrenzungsmittel 310 in Strom und Spannung begrenzt. Über den Schnittstellenbaustein 320 können durch das Begrenzungsmittel 310 keine kritischen Ströme und Spannungen in den Signalweg zwi- sehen zwei Kommunikationsgeräten gelangen. Ein mögliches Zünden durch eventuell überspringende Entladungsfunken in einem explosionsgefährdeten Bereich wird somit vermieden. Ein Spannungsbegrenzer 305 begrenzt die für den Schnittstellenbaustein 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 Be- trachtung 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 Koπutiunikationsgerät 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.
Gemäß FIG 5 ist eine real gemessene Sättigungskurve eines handelsüblichen Ethernet-Übertragers dargestellt. Die reale Induktivität L' des Übertragers, welche durch den Kurvenverlauf 500 dargestellt ist, sinkt mit steigendem Strom I. Der Kurvenverlauf 501 zeigt dabei die mittels der Induktivität L1 in der Spule des Übertragers gespeicherte Energie E. Zum Ver- gleich ist mit dem Kurvenverlauf 502 die rein rechnerische
Energie der Spule des Übertragers ohne Sättigung dargestellt. Durch den Sättigungseffekt des Übertragers nimmt die wirksame Induktivität L bei steigendem Strom ab, dadurch dürfen zur Beurteilung der eigensicheren induktiven Stromkreise höhere Zündgrenzkurven herangezogen werden.
Zur sicherheitstechnischen Fehlerbetrachtung der in den zuvor genannten Link-Segmenten auftretenden Ströme und Spannungen müssen die Zündgrenzkurven für induktive Stromkreise herangezogen werden, da sich mit den Übertragern in den Stromkreisen konzentrierte Induktivitäten befinden.
Die reale Induktivität L' eines Übertragers hängt u.a. stark von der Vormagnetisierung ab. Diese wiederum wird bestimmt durch das Kernmaterial, die Anzahl der Wicklungen und dem durch sie fließenden Strom I. Wie der Kurvenverlauf 501 zeigt, nimmt bei steigendem Strom I die reale Induktivität L1 stetig ab. Durch diesen Effekt können in einem Stromkreis höhere Ströme zugelassen werden, als sich aus der Rechnung mit der Induktivität, ohne Berücksichtigung der Sättigung des Übertragers, ergeben würde.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur sicherheitstechnischen Fehlerbetrachtung für den Betrieb eines eine Mehrzahl an Kommunikationsgeräten (400,..., 404) aufweisenden Netzwerkes (410) in einer explosi- onsgefährdeten Umgebung, wobei zu übertragende Datensignale in einem Kommunikationsgerät (400,..., 404) mittels eines Schnittstellenbausteins (320) an einen diesem zugeordnetem Netzwerkanschluss (420) übertragen werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die Datensignale durch einen Übertrager (10,360) galvanisch getrennt an den Netzwerkanschluss (420) übertragen werden, wobei der Übertrager (10,360) mit einem zählbaren Fehler berücksichtigt wird, - eine Induktivitätsbegrenzung der Induktivität (L) des
Übertragers (10,360) für die Beurteilung der Zündfähigkeit genutzt wird,
- der Schnittstellenbaustein (320) eigensicher betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeweils zwei miteinander verbundene Kommunikationsgeräte (400, ..., 404) ein Linksegment (440) bilden und dieses Linksegment (440) als eine symmetrische Übertragungsstrecke betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für eine Energieberechnung eine reale Induktivität (L>) bei einem vorgebaren Stromwert für den Übertrager (10,360) ausgewertet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Übertrager (10,360) zum Erreichen der realen Induktivität (L1) auf einen bestimmbaren Wert vormagnetisiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen dem Übertrager (10,360) und dem Schnittstellenbaustein (320) Längswiderstände (330) zur Strombegrenzung eingesetzt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in den Schnittstellenbaustein (320) hineinführende Dateneingangssignale über Begrenzungsmittel (310) in Strom und Spannung begrenzt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Abstand eines ersten Wicklungsdrahtes (22) einer Primärwicklung (14) von einem zweiten Wicklungsdraht (24) einer Sekundärwicklung (16) des Übertragers (10,360) einen vorgebbaren Min- destabstand nicht unterschreiten darf.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Versorgungsspannung (VCC) für einen Schnittstellenbaustein
(320) begrenzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine elektronische Strom- und Spannungsbegrenzung mit einer Rechteckkennlinie oder einer Trapezkennlinie eingesetzt wird.
10. Netzwerk (410) mit einer Mehrzahl von Kommunikationsgeräten (400, ..., 404 ) zum sicheren Betrieb in einer explosionsge- fährdeten Umgebung, wobei zu übertragende Datensignale in einem Kommunikationsgerät (400, ..., 404 ) mittels eines Schnittstellenbausteins (320) an einen ihm zugeordnetem Netzwerkan- Schluss (420) übertragen werden, d a d u r c h g e k e k e n n z e i c h n e t, dass - die Datensignale durch einen Übertrager (10,360) galvanisch getrennt an den Netzwerkanschluss (420) übertragen werden, wobei der Übertrager mit einem zählbaren Fehler berücksichtigt wird, eine Induktivitätsbegrenzung der Induktivität (L) des Übertragers (10,360) für die Beurteilung der Zündfähigkeit genutzt wird, der Schnittstellenbaustein (320) eigensicher betrieben wird.
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