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Die Erfindung betrifft eine eigensichere Anschlusseinheit mit Netzwerk-Schnittstelle für eigensichere Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen, insbesondere für den Bergbau wie beispielsweise den Kohlebergbau, mit einem Gehäuse, mit einem Spannungsversorgungsanschluss am Gehäuse, mit wenigstens einem Steckeranschluss am Gehäuse zum Anschließen eines Übertragungskabels, mit dem ein eigensicheres Gerät an der Anschlusseinheit anschließbar ist, und mit einer dem wenigstens einen Steckeranschluss vorgeschalteten, im Gehäuse angeordneten Entkopplungsschaltung. Die Erfindung betrifft ferner ein eigensicheres Steuergerät zum Anschließen an eine Anschlusseinheit mit Netzwerk-Schnittstelle, wobei das Steuergerät mit einem Gerät-Gehäuse, mit einem am Gerät-Gehäuse angeordneten Steckeranschluss für ein Übertragungskabel und mit einer im Gerät-Gehäuse angeordneten, dem Steckeranschluss nachgeschalteten Entkopplungsschaltung versehen ist. Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Netzwerk-Schnittstelle für explosionsgefährdete Bereiche, insbesondere den Bergbau, mit einer elektronikseitigen Schaltungsstufe und mit einer steckerseitigen, über eine Entkopplungsschaltung mit einem Steckeranschluss verbundenen Schaltungsstufe.
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Aus der
DE 10 2007 036 964 A1 ist eine Einrichtung für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen bekannt, bei der zwei Geräte über eine Übertragungsleitung zwecks Datenaustausch dadurch problemlos miteinander verbunden werden können, dass eingangsseitig der Geräte Entkopplungsnetzwerke vorhanden sind, die derart dimensioniert und ausgebildet sind, dass die in dem Entkopplungsnetzwerk speicherbare Energie einen vorgebbaren maximalen Wert nicht überschreiten kann. Hierdurch soll die Entstehung von Zündfunken, die zu einer Explosion eines Gasgemisches in explosionsgefährdeten Bereichen führen könnten, wirksam vermieden werden und es sollen die jeweils geltenden Explosionsschutznormen eingehalten werden. Die Netzwerk-Schnittstelle soll auch der Ethernet-Übertragungsnorm genügen. Das Übertragungsglied in der DE 10 2007 036 964 A1 baut auf einer Standard-Ethernetschaltung auf, wobei die Übertragungsglieder für das Entkopplungsnetzwerk mit Kondensatoren ausgebildet sind, um eine Begrenzung der in den Übertragungsgliedern speicherbaren Energie zu erreichen.
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Aus der
DE 10 2005 042 257 B4 ist bekannt, eine Datenkommunikation im explosionsgefährdeten Bergbaubereich einerseits über Wireless LAN (WLAN) und andererseits mit handelsüblichen Standard-Komponenten zu realisieren, wobei die intern in den Geräten verwendete elektrische Ethernet-Datenkommunikation über Medienwandler in optische Signale umgewandelt wird, um dann dies optischen Signale in der Netzwerkinfrastruktur des Bergwerks einzusetzen. Die Standard-Komponenten werden in der Zentraleinheit eigensicher vergossen verkapselt und in einem eigensicher zugelassenen Gehäuse insbesondere aus Edelstahl untergebracht.
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In explosionsgefährdeten Bereichen wie beispielsweise im Kohlebergbau bestehen mittlerweile ähnlich hohe Automatisierungsbestrebungen wie Übertage. Bei der Maschinensteuerung und Überwachung von mobilen Maschinen, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, kommen meist zentral angeordnete Leitstände zum Einsatz, die in solchen Bereichen positioniert sind, in denen keine Probleme mit Explosionsschutz bestehen. Um von z. B. übertägigen Leitständen aus auch komplexe Automationsabläufe steuern und überwachen zu können, wird eine große Anzahl verschiedener Sensoren und Aktoren einschließlich Mess- und Diagnosesysteme benötigt, die jedoch im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden müssen. Auch in explosionsgefährdeten Bereichen bestehen daher Bestrebungen, ein in normalen Anwendungsbereichen etabliertes Schnittstellen-Netzwerk, insbesondere ein auf dem Ethernet-Protokoll basierendes Netzwerk einsetzen zu können. In Ex-Bereichen wird heute überwiegend glasfaserbasiertes Ethernet eingesetzt. Der Instandhaltungs- und Wartungsaufwand ist hier wesentlich höher. Das Glasfaserkabel bietet keine Möglichkeit, den Kommunikationsteilnehmer elektrisch zu versorgen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, hier Abhilfe zu schaffen und den Anschluss auch einer Vielzahl von Netzwerkteilnehmern mit reduziertem Verkabelungsaufwand im explosionsgefährdeten Bereich zu ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anschlusseinheit vorgeschlagen, bei der mehrere gleichartige, elektrisch leitfähige Steckeranschlüsse als Netzwerk-Schnittstellenanschlüsse am Gehäuse vorgesehen sind, wobei jedem Netzwerk-Schnittstellenanschluss eine separate Entkopplungsschaltung vorgeschaltet ist, wobei der Spannungsversorgungsanschluss am Gehäuse vorzugsweise als zentraler Einspeiseanschluss mit separaten Versorgungsadern für jeden Steckeranschluss ausgebildet ist, und wobei jeder Steckeranschluss wenigstens zwei Steckkontakte für eine Datenkommunikation und wenigstens zwei an die zugehörigen Versorgungsadern angeschlossene Steckkontakte für eine Energieversorgung der über das Übertragungskabel an die Anschlusseinheit anschließbaren Geräte aufweist. Mit der eigensicheren Anschlusseinheit wird mithin ein eigensicherer Netzwerk-Switch geschaffen, bei welchem jeder Steckeranschluss sowohl der Datenkommunikation als auch der Energieversorgung der angeschlossenen Geräte, Sensoren, Aktoren o. dgl. dient. Jeder an die Anschlusseinheit angeschlossene Netzwerkteilnehmer kann mithin zum Einen signaltechnisch über eine elektrisch leitfähige und vorzugsweise kupferbasierte Netzwerk-Schnittstelle angesteuert werden und gleichzeitig kann, sofern der Netzwerkteilnehmer eine Energieversorgung benötigt, auch die Energieversorgung dieses Netzwerkteilnehmers über denselben Steckeranschluss gewährleistet werden. Es versteht sich, dass dann auch hierfür geeignete Übertragungskabel zum Einsatz gelangen sollten.
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Bei der erfindungsgemäßen Anschlusseinheit ist es vorzugsweise möglich, an einen Steckeranschluss nur ein bestimmtes Gerät anzuschließen, oder einen Steckeranschluss als Einspeiseanschluss für einen mehrere Teilnehmer umfassenden Versorgungskreis zu verwenden. Bei einem an einen Steckeranschluss angeschlossenen Versorgungskreis können alle angeschlossenen Geräte dann über die zugehörigen Versorgungsadern für diesen Steckeranschluss mit Energie gespeist werden. Durch die Integration von Signal- und Spannungsversorgungsadern in einen einzigen Steckeranschluss lässt sich eine erhebliche Reduzierung der notwendigen Verkabelung im explosionsgefährdeten Bereich erzielen. Alle notwendigen Verbindungen zu einzelnen Netzwerkteilnehmern oder Geräten können in einem Übertragungskabel, bei Bedarf auch geschützt in einem Hydraulikschlauch als Übertragungskabel geführt werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung weist die Anschlusseinheit am Gehäuse eine Anzahl von X Steckeranschlüsse für die kombinierte Daten- und Energieversorgung auf, wobei der vorzugsweise zentrale Einspeiseanschluss 2·X-Versorgungsadern sowie zwei zusätzliche Versorgungsadern aufweist; die zusätzlichen Versorgungsadern dienen vorzugsweise der separaten Energieversorgung der Entkopplungsschaltungen, insbesondere einer den Entkopplungsschaltungen normalerweise vorgeschalteten Elektronik. Die Anschlusseinheit umfasst vorzugsweise einen zentralen Einspeiseanschluss, der für jeden Steckeranschluss zwei Versorgungsadern aufweist. Über zwei zusätzliche Versorgungsadern wird die Elektronik innerhalb der Anschlusseinheit galvanisch getrennt von den Versorgungsadern für die einzelnen Steckeranschlüsse mit Energie versorgt. Bei der insbesondere bevorzugten Ausgestaltung sind X = 6 Steckeranschlüsse am Gehäuse ausgebildet, weswegen der Einspeiseanschluss 14-polig ausgeführt wird. Über diesen Einspeiseanschluss lassen sich dann sieben Spannungskreise versorgen, wobei ein Spannungskreis für die Energieversorgung der Elektronik in der Anschlusseinheit vorgesehen ist.
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Um mit der Anschlusseinheit zugleich auch eine potentialgetrennte Datenübertragung und/oder eine Datenübertragung für besonders lange Verbindungsstrecken von z. B. mehreren Kilometern zu ermöglichen, ist ferner vorteilhaft, wenn am Gehäuse der Anschlusseinheit wenigstens ein Optikanschluss, vorzugsweise zwei Optikanschlüsse für eine optische Datenkommunikation zusätzlich zu den Steckeranschlüssen vorgesehen sind. Optional wäre es auch möglich, am Gehäuse zusätzliche Steckeranschlüsse ohne Steckkontakte für die Energieversorgung und/oder zusätzliche Steckeranschlüsse mit Blindkontakten, die nicht an Versorgungsadern angeschlossen sind, vorzusehen, um ggf. unmittelbar an der Anschlusseinheit Netzwerkteilnehmer anschließen zu können, die reinen Diagnosefunktionen und Überwachungsfunktionen dienen und keine separate Energieversorgung benötigen.
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Um einen möglichst geringen elektrischen Widerstand der Versorgungsadern bei ggf. begrenztem Kabelquerschnitt zu erzielen, ist insbesondere vorteilhaft, wenn jeder Steckeranschluss mit je zwei Steckkontakten für jedes Energiepotential und mit vier Steckkontakten für die Datenkommunikation, also insgesamt mit 8 Steckkontakten, versehen ist. Weiter vorzugsweise ist vorgesehen, dass der zentrale Einspeiseanschluss über ein (2·X + 2)-adriges Energieversorgungskabel, insbesondere ein 14-adriges Energieversorgungskabel an eine Netzteileinheit anschließbar ist, die in einem Gehäuse, das vorzugsweise druckfest ausgeführt ist, X + 1 separate Netzteile aufweist, wobei die Ausgangsseite jedes Netzteils über zwei Leitungsadern an eine Speisebuchse für das Energieversorgungskabel angeschlossen ist. Jedem Steckeranschluss innerhalb der Anschlusseinheit wird mithin Energie von einem separaten Netzteil zugeführt; gleichzeitig erfolgt auch die Energieversorgung der Elektronik für die Entkopplungsschaltungen mit einem separaten Netzteil, wobei allerdings dieses Netzteil die Energieversorgung für die Elektronik bzw. sämtliche Entkopplungsschaltungen bereitstellt.
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Die obige Aufgabe wird auch mit einem eigensicheren Steuergerät zum Anschluss an eine entsprechende Anschlusseinheit gelöst, wobei das Steuergerät dadurch gekennzeichnet ist, dass der Steckeranschluss wenigstens zwei, vorzugsweise vier, Steckkontakte für eine Datenkommunikation und wenigstens zwei Steckkontakte für eine Energieversorgung über das Übertragungskabel aufweist, und wobei die Steckkontakte für die Energieversorgung mit einer im Gehäuse angeordneten Elektronik für die Entkopplungsschaltung und/oder mit den im Gerät angeordneten Entkopplungsschaltungen verbunden sind. Ein entsprechendes Steuergerät kann mithin an einen der Steckeranschlüsse an der Anschlusseinheit angeschlossen werden, wobei die Energieversorgung des Steuergerätes über die Steckkontakte für die Energieversorgung an der Anschlusseinheit und die zugehörigen Steckkontakte am Steckeranschluss des Steuergerätes erfolgt. Das Steuergerät kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung mit einem Nebensteckeranschluss versehen sein, der identisch aufgebaut ist wie der Steckeranschluss und der ebenfalls an die Elektronik des Steuergerätes angeschlossen ist, wobei die Steckkontakte für die Energieversorgung am Nebensteckeranschluss elektrisch unmittelbar mit den Steckkontakten am Steckeranschluss verbunden sind. Die Energieversorgung für den Nebensteckeranschluss wird mithin durch das Gerät durchgeschleift. Um die Anforderungen an Eigensicherheit zu gewährleisten, ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Elektronik, die den Entkopplungsschaltungen in der Anschlusseinheit oder dem eigensicheren Steuergerät vorgeschaltet ist, jeweils eingangsseitig eine Leistungsbegrenzungsschaltung zugeordnet ist, mit welcher der mit der Energieversorgung der Elektronik bzw. den Entkopplungsschaltungen zugeführte Strom und die an der Elektronik oder den Entkopplungsschaltungen angelegte Spannung auf einen vorgebbaren Eingangsstrom und eine vorgebbare Eingangsspannung für die Elektronik begrenzt werden. Der Ausgangsstrom bzw. die Ausgangsspannung der Leistungsbegrenzungsschaltung, die zugleich die Eingangsspannung und den Eingangsstrom für die Elektronik und die Entkopplungsschaltungen für die Netzwerk-Schnittstellen bilden, werden durch diese Maßnahme auf maximale Werte begrenzt, bei der definitiv und wirksam eine Funkenbildung oder ein anderer, die Einhaltung des Explosionsschutzes gefährdender Zustand ausgeschlossen werden kann. Mit der Leistungsbegrenzungsschaltung kann beispielsweise eine Leistungsbegrenzung auf unter 3 Watt erfolgen.
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Für die Anschlusseinheit sowie das eigensichere Steuergerät ist insbesondere vorteilhaft, wenn diese mit Netzwerk-Schnittstellen ausgestattet sind, die von sich aus die Anforderungen an Eigensicherheit erfüllt und eine Zulassung für den explosionsgefährdeten Bereich ermöglichen. Um dies zu erreichen ist besonders vorteilhaft, wenn die Entkopplungsschaltung eine steckeranschlussseitige Schaltungsstufe und eine elektronikseitige Schaltungsstufe aufweist und eine Gleichspannungsentkopplung der steckeranschlussseitigen Schaltungsstufe bewirkt, wobei die elektronikseitige Schaltungsstufe ein Widerstandsnetzwerk zur Hochfrequenz-Leistungsbegrenzung und/oder die steckerseitige Schaltungsstufe ein Kondensatorennetzwerk zur Gleichstrom-Leistungsentkopplung gegenüber anderen gleichartigen Steckeranschlüssen aufweist. Im Normalfall kommt sowohl ein Widerstandsnetzwerk als auch ein Kondensatorennetzwerk zum Einsatz. Eine derartige Netzwerk-Schnittstelle kann insbesondere als Ethernet-Schnittstelle zur Übertragung des Ethernet-IP-Protokolls ausgeführt sein, die in an sich bekannter Weise PHY-Halbleiterbauteile für die Datenkommunikation aufweist. Durch ein Kondensatorennetzwerk mit vorzugsweise in Reihe geschalteten Kondensatoren kann die Gleichstrom-Leistung im Signalpfad hinter den PHY-Bauteilen begrenzt werden. Mit vorzugsweise jeweils zwei Widerständen in jedem Signalpfad eines Widerstandsnetzwerkes kann die Leistung der Hochfrequenzschaltung, über die im Prinzip Kommunikationsdaten mit einer Datenrate von 100 Mbit fließen können, begrenzt werden. Durch diese Maßnahmen können beliebig viele Geräte mit entsprechenden Netzwerk-Schnittstellen in eigensicheren Netzwerken zusammengeschaltet werden.
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Eine entsprechende Netzwerk-Schnittstelle mit einer elektronikseitigen Schaltungsstufe und mit einer steckerseitigen Schaltungsstufe, bei der die elektronikseitige Schaltungsstufe ein Widerstandsnetzwerk zur Hochfrequenz-Leistungsbegrenzung und/oder die steckerseitige Schaltungsstufe ein Kondensatorennetzwerk zur Gleichstrom-Leistungsentkopplung gegenüber anderen Netzwerk-Schnittstellen aufweist, ist von eigenständiger erfinderischer Bedeutung. Bei einer solchen Netzwerk-Schnittstelle, auch wenn sie Bestandteil einer Anschlusseinheit oder eines Steuergerätes bildet, ist insbesondere vorteilhaft, wenn jede elektronikseitige Schaltungsstufe für die bidirektionale Datenkommunikation einen Transmitterteil, vorzugsweise mit einem geeigneten Tx-PHY-Halbleiterbauteil, und einen Receiverteil, mit einem geeigneten Rx-PHY-Halbleiterbauteil, aufweist, wobei einem 2-poligen Transmitterausgang ein Übertragungsglied der Entkopplungsschaltung nachgeschaltet ist und dem 2-poligen Receivereingang jeweils ein separates Übertragungsglied der Entkopplungsschaltung vorgeschaltet ist, welches die steckerseitige Schaltungsstufe von der elektronikseitigen Schaltungsstufe entkoppelt. Zur Spannungsentkopplung, insbesondere Gleichspannungsentkopplung, kann in der steckerseitigen Schaltungsstufe für jeden Kontaktpol eines Transmitterausgangs oder Receivereingangs ein Kondensator zwischen Übertragungsglied und Steckkontakt für die Datenkommunikation am Steckeranschluss zwischengeschaltet sein, und/oder zur Hochfrequenz-Leistungsbegrenzung sind zwischen jedem Kontaktpol und dem zugehörigen Übertragungsglied Widerstände als Torglieder mit 2-Tor-Charakteristik zwischengeschaltet. Durch Kondensatoren zwischen den Steckkontakten am Steckeranschluss und dem jeweiligen Übertragungsglied kann wirkungsvoll eine Gleichstrom-Leistungsverkopplung selbst dann erreicht werden, falls miteinander verbundene Geräte über unterschiedliche Netzteile gespeist werden. Eine mögliche Zerstörung der Übertragungsglieder durch externe Einflüsse kann daher nicht auftreten. Ein zusätzliches Widerstandsnetzwerk mit Widerständen, die zwischen dem Übertragungsglied und den PHY-Halbleiterbauteilen angeordnet sind, kann zugleich bei minimalen Anpassungsverlusten hinsichtlich der Abschlusswiderstände eine Begrenzung der Hochfrequenz-Leistung erreicht werden. Die Kombination der vorgenannten Merkmale ermöglicht insbesondere eine Zulassung für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn im Kondensatorennetzwerk zwischen jedem Steckkontakt für die Datenkommunikation und der Schaltungsstufe ein Kondensator zwischengeschaltet ist, wobei die Kondensatoren im Kondensatorennetzwerk aus Redundanzgründen vorzugsweise jeweils zwei in Reihe geschaltete Kondensatorenelemente umfassen sollten.
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Die Anschlusseinheit, das Steuergerät bzw. die Netzwerk-Schnittstelle sind vorzugsweise mit einem Steckeranschluss versehen, der acht Steckkontakte aufweist, von denen jeweils zwei Steckkontakte für jedes Energiepotential und vier Steckkontakte für die Datenkommunikation vorgesehen sind.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Anschlusseinheit, eines Steuergerätes bzw. einer vorteilhaften Netzwerk-Schnittstelle ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch gezeigten Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:
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1 schematisch anhand eines Schaltungsbildes eine Anschlusseinheit mit mehreren Steckeranschlüssen, die jeweils Netzwerk-Schnittstellen umfassen, eine Netzteileinheit mit mehreren Netzteilen zur Spannungsversorgung der Anschlusseinheit sowie einen an die Anschlusseinheit angeschlossenen Teilnehmerkreis mit zwei eigensicheren Steuergeräte;
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2 schematisch anhand eines Schaltbildes weitere Details der in 1 gezeigten Anschlusseinheit nebst des angeschlossenen Steuergerätes und der hierin eingesetzten eigensicheren Netzwerk-Schnittstelle;
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3 eine Detailansicht eines Teils der in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Netzwerk-Schnittstelle für die bidirektionale Datenkommunikation; und
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4 einen bevorzugt bei der Anschlusseinheit, dem Steuergerät und/oder der Netzwerk-Schnittstelle zum Einsatz kommenden Steckerkontaktaufbau.
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1 zeigt schematisch vereinfacht anhand eines Schaubildes den prinzipiellen Aufbau einer Netzwerkinfrastruktur eines Netzwerkes 100 für explosionsgefährdete Bereiche unter Verwendung einer erfindungsgemäßen, eigensicheren Anschlusseinheit 10 sowie von hier zwei erfindungsgemäßen eigensicheren Steuergeräten 50, die in 1 zu einer Teilnehmerkette am Netzwerk 100 zusammengeschlossen sind. Die Energieversorgung sowohl der Anschlusseinheit 10 als auch der eigensicheren Steuergeräte 50 erfolgt über eine Netzteileinheit 1, die vorzugsweise ein druckfestes, gekapseltes Gehäuse 2 aufweist, in welchem mehrere in ihrer Gesamtheit mit Bezugszeichen 3 bezeichnete separate Netzteile 3A, 3B, 3C angeordnet sind. Die Anzahl der Netzteile 3 in der Netzteileinheit hängt von der Anzahl der Steckeranschlüsse 11, Netzwerk-Schnittstellen 15 und Spannungskreisen ab, die an die Anschlusseinheit 10 anschließbar sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel in 1 sind von den vorzugsweise vorhandenen sechs Steckeranschlüssen 11 nur drei dargestellt, wobei diese Steckeranschlüsse in 1 mit den Bezugszeichen 11A, 11B, 11C bezeichnet sind. In bevorzugter Ausgestaltung kommt eine Netzteileinheit 1 zum Einsatz, die insgesamt sieben separate Netzteile 3 aufweist, wobei jedes dieser Netzteile 3H, 3A, 3B, 3C mittels einer zentrale Stromleitung 4, die an eine Wechselstromeingangsseite 5 der Netzteileinheit 1 angeschlossen ist, mit Energie versorgt wird. Jedes eigensichere Netzteil 3A, 3B etc. wandelt die zugeführte Energie in eine Gleichspannung und einen Gleichstrom um, weswegen auf der Sekundärseite der Netzteileinheit 1 jeweils über die Adern 6' eine Gleichspannungsversorgung für die einzelnen Baugruppen in der Anschlusseinheit 10 bereitgestellt werden kann. Wie noch erläutert werden wird, werden über die Netzteile 3 der Netzteileinheit 1 auch die nachgeschalteten Steuergeräte 50 mit Energie versorgt. Die einzelnen Adern 6' des Energieversorgungskabels 6, bei sieben Netzteilen mithin vierzehn Adern 6', sind vorzugsweise innerhalb eines einzigen Versorgungskabels angeordnet, damit zum Einen das Gehäuse 2 der Netzteileinheit 1 einen vorzugsweise zentralen Spannungsversorgungsausgang 7 für das Energieversorgungskabel 6 erhalten kann und zum anderen an der Anschlusseinheit 10 ein zentraler Einspeiseanschluss 12 vorgesehen werden kann. Am Einspeiseanschluss 12 wiederum ist jeder mit einer der Adern 6' verbundene Einspeisepol über ein separates Versorgungsadernpaar 13A, 13B, 13C mit einem zugehörigen Steckeranschluss 11A, 11B, 11C verbunden.
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Die Anschlusseinheit 10 hat ein Gehäuse 14, welches vorzugsweise aus Metall besteht und mit einem mittels einer Dichtung abgedeckten Metalldeckel abgedichtet verschlossen ist. Innerhalb des Gehäuses 14 ist zumindest für jeden der Steckeranschlüsse 11A, 11B, 11C, eine insgesamt mit Bezugszeichen 15 bezeichnete Netzwerkschnittstellen 15 vorhanden, wobei die zu den einzelnen Steckeranschlüssen 11A, 11B, 11C zugehörigen Netzwerkschnittstellen in 1 entsprechend mit den Bezugszeichen 15A, 15B, 15C bezeichnet sind. Zusätzlich zu den vorzugsweise sechs Steckeranschlüssen 11, die jeweils über getrennte Versorgungsadern 13A, 13B, 13C an den zentralen Einspeiseanschluss 12 angeschlossen sind, weist die Anschlusseinheit 10 noch zwei Optikanschlüsse 16, sowie hier auch einen Blindsteckeranschluss 17 auf, der zwar über eine Netzwerk-Schnittstelle 15' verfügt, der jedoch nicht an eines der Netzteile 3 in der Netzteileinheit 1 angeschlossen ist. Derartige Blindsteckeranschlüsse 17 könnten auch entfallen und sollen hier nur verdeutlichen, dass zusätzliche Komponenten in einer Anschlusseinheit 10 integriert werden können.
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Sämtlichen Netzwerk-Schnittstellen 15 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Elektronik 18 vorgeschaltet, wobei diese den Netzwerk-Schnittstellen 15A, 15B, 15C, 15' vorgeschaltete Elektronik 18, ggf. zusammen mit weiteren, auf Leiterplatinen u. dgl. in der Anschlusseinheit 10 untergebrachte Schaltungselementen, über die separaten Versorgungsadern 13H mit der Energie des ersten Netzteils 3H aus der Netzteileinheit 1 versorgt wird. Die Energieversorgung der einzelnen Netzwerk-Schnittstellen 15 erfolgt mithin über ein separates Netzteil 3H und jeweils unabhängig von demjenigen Netzteil 3A, 3B, 3C, über welches eine Energieversorgung der nachgeschalteten Steuergeräte 50 am selben Steckeranschluss 11A, 11B bereitgestellt wird. Jeder der Steckeranschlüsse 11 ermöglicht neben einer Energieversorgung auch eine Datenkommunikation über die zugehörige Netzwerk-Schnittstelle 15. Die Energieversorgung der gesamten Datenkommunikation innerhalb des Netzwerks 100 und insbesondere innerhalb der Anschlusseinheit 10 erfolgt mithin getrennt von der Energieversorgung der einzelnen Steuergeräte und Teilnehmerkreise. Wie der Darstellung der Anschlusseinheit 10 in 1 ferner entnommen werden kann, umfasst jede Netzwerkschnittstelle 15, die vorzugsweise nach dem Ethernet-IP-Protokoll eine Datenkommunikation ermöglicht, jeweils zwei Signalpfade 19 für die Datenkommunikation in die eine Richtung, und zwei getrennte Signalpfade 20 für die Datenkommunikation in die andere Richtung. Jeder Steckeranschluss 11, wie auch der Blindsteckeranschluss 17, hat daher im gezeigten Ausführungsbeispiel vier mittels der kleineren Kreise dargestellte Steckkontakte 21 für eine Datenkommunikation. Zusätzlich zu den Steckkontakten 21 für die Datenkommunikation sind wenigstens zwei mittels der großen Kreise angedeutete Steckkontakte 22 an jedem Steckeranschluss 11 vorhanden, um die zugehörigen Versorgungsadern 13B, 13C und die hierüber zugeführte Energie am jeweiligen Steckeranschluss 11A, 11B abgreifen zu können. Um den elektrischen Widerstand der Versorgungsadern bei begrenzten Kabelquerschnitten zu minimieren, ist besonders vorteilhaft, wenn jeder der beiden Steckkontakte 22 für die Energieversorgung doppelt ausgeführt ist, so dass an jedem Steckeranschluss 11A, 11B, wie beispielhaft für einen Steckeranschluss 11A in 4 dargestellt, insgesamt acht Steckkontakte 21, 22 vorhanden sind, nämlich die vier Steckkontakte 21 und die vier Steckkontakte 22 für die Energieversorgung. Zwei der Steckkontakte 22 für die Energieversorgung bilden hierbei den Leiter für das GROUND-Potential, während die beiden weiteren Steckkontakte 22 die Spannungsleitung mit dem Spannungspotential von vorzugsweise 12 Volt bilden. Durch eine fest vorgegebene Positionierung der einzelnen Steckkontakte, z. B. indem einer der GROUND-Steckkontakte 22 zentral in der Mitte angeordnet wird, kann erreicht werden, dass ein Anschluss eines Steckers an einen Steckeranschluss 11 immer nur in gleicher Weise und mit vorgegebener Kontaktierung erfolgen kann, ohne dass Fehler durch unsachgemäße Steckerverbindungen auftreten können. Auch die Geometrie der Verteilung der Steckkontakte 21, 22 am Steckeranschluss 11 sorgt dafür, dass ein Kabel wie ein Übertragungskabel mit seinem achtpoligen Kabelstecker nur in einer bestimmten Positionierung am Steckeranschluss 11 angeschlossen werden kann.
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Es wird nun zuerst kurz der Aufbau der eigensicheren Steuergeräte 50 zur Verwendung in dem Netzwerk 100 unter Bezugnahme auf 1 erläutert. Beide in 1 gezeigten eigensicheren Geräte 50 weisen einen eingansseitigen Steckeranschluss 51 auf, dessen Aufbau identisch ist wie der Steckeranschluss 11 an der Anschlusseinheit 10, so dass auf die dortige Beschreibung Bezug genommen wird. Auch der Steckeranschluss 51 hat mithin acht Steckkontakte 61, 62 mit einer Kontaktbelegung, wie für den Steckeranschluss 11 unter Bezugnahme auf 4 erläutert. Die Steckkontakte 62 für die Spannungsversorgung sind zum Einen mit einer Elektronik 58 verdrahtet, die im Gehäuse 54 der eigensicheren Steuergeräte 50 angeordnet ist, und zum Anderen unmittelbar mit einem Nebensteckeranschluss 71 verbunden, der wiederum denselben Aufbau hat wie die Steckeranschlüsse 11 und 51. Aufgrund des Aufbaus könnte auch der Nebensteckeranschluss 71 die Eingangsseite des Steuergerätes 50 bilden. Anhand des Schaubildes in 1 ist gut zu erkennen, dass die beiden Steckkontakte 62 am Steckeranschluss 51 für die Energieversorgung des Steuergerätes 50 über die beiden Verdrahtungsleitungen 63 mit den Steckkontakten 82 am Nebensteckeranschluss 71 verbunden sind. Hinter den Steckkontakten 61 für die Signalübertragung am Steckeranschluss 51 ist wiederum eine Netzwerk-Schnittstelle 65 angeordnet, die denselben Aufbau hat wie die Netzwerkschnittstelle 15 in der Anschlusseinheit 10. Auch am Nebensteckeranschluss 71 sind Steckkontakte 81 für eine Datenkommunikation vorhanden, wobei diesen Steckkontakten 81 wiederum eine Netzwerk-Schnittstelle 65 innerhalb des Gehäuses 54 vorgeschaltet ist. Alle Netzwerk-Schnittstellen 65 des eigensicheren Steuergerätes 50 werden über die Elektronik 58 angesteuert.
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Alle Netzwerk-Schnittstellen 15, 15A, 15B, 15C in der Anschlusseinheit 10 oder 65 in dem eigensicheren Steuergerät 50 sind zueinander identisch aufgebaut und umfassen für beide Übertragungsrichtungen jeweils eine Entkopplungsschaltung mit einem Übertragungsglied 30, wobei der Aufbau der Entkopplungsschaltung nun zuerst unter zusätzlicher Bezugnahme auf 3 erläutert wird.
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In 3 ist von einer Netzwerk-Schnittstelle 15 bzw. 65 nur die Schaltungsanordnung für eine Signalrichtung dargestellt, wobei der in der linken Hälfte dargestellte Schaltungsteil mit dem Tx-PHY-Halbleiterbauelement den Transmitterteil und der rechte Schaltungsteil mit dem Rx-PHY-Halbleiterbauteil den Receiverteil der Netzwerk-Schnittstelle bildet. Zwischen den PHY-Halbleiterbausteinen und den nur partiell angedeuteten Steckeranschlüssen 11 bzw. 51 befindet sich jeweils ein Übertragungsglied 30, das in an sich bekannter Weise aus einem Kern mit darauf angeordneten Wicklungen bestehen kann, wie dies dem Fachmann für den Aufbau entsprechender Netzwerk-Schnittstellen, insbesondere Schnittstellen für das Ethernet-Protokoll, bekannt ist. Gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Netzwerk-Schnittstelle 15, 65 für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ist jeweils zwischen dem Übertragungsglied 30 und jedem PHY, welches auf der zugehörigen Elektronik (18, 58, 1) angeordnet ist, eine elektronikseitige Schaltungsstufe 31 zwischen. Ferner ist zwischen dem Übertragungsglied 30 und dem Steckeranschluss 11 bzw. 51 eine steckeranschlussseitige Schaltungsstufe 32 angeordnet. Jede der elektronikseitigen Schaltungsstufen 31 umfasst, wie dargestellt, ein insgesamt mit Bezugszeichen 35 bezeichnetes Widerstandsnetzwerk, während die steckeranschlussseitige Schaltungsstufe 32 mit einem Kondensatorennetzwerk 36, hier bestehend aus den beiden Kondensatoren C1, C2 im Transmitterteil bzw. den beiden Kondensatoren C3, C4 im Receiverteil, besteht. Zwar ist in den Figuren im Kondensatorennetzwerk 36 in jedem Signalpfad jeweils nur ein Kondensator C1, C2, C3, C4 dargestellt, aus Redundanzgründen sind die Kondensatoren allerdings vorzugsweise doppelt ausgeführt und bestehen jeweils aus zwei in Reihe geschalteten Kapazitäten, damit im Fehlerfall, falls ein Kondensator C1, C2, C3, C4 kurzgeschlossen ist, trotzdem der zweite, in Reihe geschaltete Kondensator noch die Leistungsentkopplung sicherstellen kann. Da in jeder Übertragungsstrecke bzw. Signalpfad mit wenigstens einem Kondensator C1, C2, C3, C4 eine Kapazität angeordnet ist, wird sicher gewährleistet, dass keine DC-Leistung übertragen werden kann. Die Kapazitäten sollten, auch zur Minimierung der Baugröße, möglichst klein gewählt werden, wobei jedoch das zu übertragende HF-Signal möglichst wenig gestört werden soll, damit auch ein 100 Mbit-Signal störungsfrei übertragen bzw. empfangen werden kann. Die Kondensatoren in jedem Übertragungsweg können hierzu beispielsweise zusammen etwa 16 nF, aber auch größere Kapazitäten, aufweisen.
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Eine 100 Mbit-Übertragungsrate ist bei einer Ethernet-Schnittstelle Standard. Vor jedem Übertragungsglied 30 sind in jedem Signalpfad für die Übertragungsstrecke zwei Widerstände R5, R6, R7, R8, R9, R10 sowie R11, R12 als Bestandteile des Widerstandsnetzwerkes 35 angeordnet, welche die Leistung des Hochfrequenz-Signals begrenzen, damit beliebige und beliebig viele Geräte mit dieser Schnittstellenspezifikation (Punkt-zu-Punkt-Verbindung) in eigensicheren Netzen zusammengeschaltet werden können. Die genannten Widerstände R5 bis R16 im Widerstandsnetzwerk 35 sorgen für eine Begrenzung der Leistungsverkopplung bezogen auf die HF-Leistung (hochfrequente Wechselspannungsleistung), insbesondere in Kombination mit einer eigensicheren Spannungsversorgung der Transmitter-Halbleiterbausteine Tx-PHY und der Receiver-Halbleiterbausteine Rx-PHY. Zusätzlich sind im Widerstandsnetzwerk 35 noch die Widerstände R1, R2, R3, R4 vorhanden, wie dies auch für eine ”klassische” Ethernet-Netzwerk-Schnittstelle bekannt ist. Durch die Anordnung der Widerstände ist jedes Widerstandsnetzwerk 35 als 2-Tor-Netzwerk sowohl für den Transmitterteil mit dem zugehörigen Tx-PHY als auch den Receiverteil mit dem zugehörigen Rx-PHY ausgeführt, wobei die Widerstandsnetzwerke 35 derart dimensioniert werden, dass eine Abschlussimpedanz Z0 von jeweils ca. 100 Ω besteht und gleichzeitig eine HF-Leistungsbegrenzung ermöglicht wird. Die Widerstände R5 bis R16 können beispielsweise mit 3 Ω und die Widerstände R1 bis R4 mit z. B. 47 Ω ausgelegt sein. Die Widerstandsdimensionierung sollte derart gewählt werden, dass zum Einen eine ausreichende HF-Leistungsbegrenzung erreicht wird und gleichzeitig die Dämpfungsverluste nicht zu groß werden. Bei einer maximalen Spannung für die einzelnen PHY-Halbleiterbausteine von z. B. etwa 2,7 Volt kann so die Gesamtleistung in den Signalpfaden unterhalb einer oberen Schranke gehalten werden.
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Es wird nun Bezug genommen auf 2, in der im Detail und auszugsweise einige der weiter oben beschriebenen Komponenten für ein eigensicheres, untertägiges Netzwerk 100 nochmals dargestellt sind. 2 zeigt allerdings nur einen Steckeranschluss 11A an der Anschlusseinheit 10 sowie den Steckeranschluss 51 am Steuergerät 50. Auch von der Netzteileinheit 1 ist nur das eigensichere Netzteil 3H für die Elektronik 18 in der Anschlusseinheit und das Netzteil 3A für die Energieeinspeisung am ersten Steckeranschluss 11A und damit die Energieversorgung aller am Steckeranschluss 11A angeschlossener Geräte nebst der Elektronik 58 des Steuergerätes 50 dargestellt. Um die weiter oben beschriebene Leistungsbegrenzung für die Elektronik 18 in der Anschlusseinheit 10 und die Elektronik 58 im Steuergerät 50 zu gewährleisten, ist vorzugsweise der Elektronik 18, 58 jeweils eine eigensichere Leistungsbegrenzungsschaltung 39 in der Anschlusseinheit 10 bzw. Leistungsbegrenzungsschaltung 69 im Steuergerät 50 zugeordnet. Mit der Leistungsbegrenzungsschaltung 39 wird der vom Netzteil 3H der Elektronik 18 in der Anschlusseinheit 10 zugeführte Strom und die angelegte Spannung auf einen vorgebbaren Eingangsstrom von z. B. auf etwa 1 Ampere und näherungsweise 2,7 Volt begrenzt. Mit der Leistungsbegrenzungsschaltung 69 wird entsprechend der vom Netzteil 3A der Elektronik 58 im Steuergerät 50 zugeführte Strom und die an dieser angelegte Spannung auf einen vorgebbaren Eingangsstrom von z. B. auf etwa 1 Ampere und eine Eingangsspannung von näherungsweise 2,7 Volt begrenzt. Der Leistungsbegrenzungsschaltung 39, 69 kann auch noch eine Eingangsschutzbeschaltung mit Dioden zugeordnet sein, wobei vorzugsweise dann sowohl die Eingangsschutzbeschaltung als auch eine Strombegrenzungsschaltung jeweils doppelt ausgeführt werden, um auch bei Fehlfunktion einer der Schaltungen noch die Schutzfunktion zu gewährleisten. Jedes Steuergerät 50 sollte mit einer entsprechenden Leistungsbegrenzungsschaltung 69 versehen sein. 2 verdeutlicht besonders anschaulich, dass die Netzwerkschnittstellen 15 bzw. 65 gleich aufgebaut sind und jeweils einen untereinander gleich aufgebauten Transmitterteil und Receiverteil jeweils mit Kondensatorennetzwerk 36 und Widerstandsnetzwerk 35 haben.
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Die gesamte Übertragung zwischen dem Steckeranschluss 11A an der Anschlusseinheit 10 und dem Steckeranschluss 51 am Steuergerät 90 erfolgt mittels eines schematisch dargestellten Übertragungskabels, welches vorzugsweise aus den weiter oben Gründen achtadrig ausgeführt wird. Ein Netzkabel 6 zur Verbindung der Netzteile mit der Anschlusseinheit wird vorzugsweise 14-adrig ausgeführt, um eine Netzteileinheit 1 mit sieben Netzteilen 3 an eine Anschlusseinheit 10 mit sechs stromführenden Steckeranschlüssen 11 anschließen zu können.
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Für den Fachmann ergeben sich aus der vorhergehenden Beschreibung zahlreiche Modifikationen, die in den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche fallen sollen. In den Figuren ist eine Ethernet-Schnittstelle als bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Das gewählte Schaltungsprinzip könnte jedoch auch auf ähnliche Schnittstellen wie beispielsweise eine Schnittstelle nach dem RS485-Schaltungsprinzip Anwendung finden. In jeder Anschlusseinheit könnten auch mehr oder weniger Steckeranschlüsse vorgesehen werden, und jede Anschlusseinheit könnte auch mehrere Blindstecker o. dgl. neben Lichtwellenleiteranschlüssen als optische Anschlüsse aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007036964 A1 [0002]
- DE 102005042257 B4 [0003]
