用于能够在爆炸危险区域使用的行走机械的网络基础结构

摘要

本发明涉及用于行走机械的网络基础结构，行走机械能够在爆炸区域中使用，该网络基础结构具有本质安全参与部21-23和非本质安全网络参与部31-33，后者安装在耐压壳体7；8中。该机械具有至少一个用于致动至少一个非本质安全参与部31的控制器30。为了提供避免现有技术缺陷的网络基础结构，所述机械在用于第一控制器30的耐压壳体8外部具有至少一个用于致动至少一个本质安全参与部21的第二体质安全控制器20，其中，第一控制器30形成用于多个非本质安全参与部31-33的数据分配器，第二控制器20形成用于多个本质安全参与部21-23的数据分配器，并且其中第一数据分配器30和第二数据分配器20经由电解耦的数据通信链路40链接到一起。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于能够在爆炸区域使用的行走机械的网络基础结 构，具有本质安全网络参与部和设置在耐压壳体中的非本质安全网络参与 部，其中，该机械具有至少一个设置在耐压壳体中的控制器，该控制器用 于致动至少一个非本质安全参与部。

背景技术

在诸如煤矿开采的爆炸危险区域，现在存在类似于地面上的高自动化 要求。在用在爆炸危险区域的行走机械的机械控制和监控的情况中，一般 使用集中设置的控制台，这些控制台位于不存在进行保护以抵御爆炸的问 题的区域。为了能够从地面上的控制台控制和监控即使复杂的自动化序 列，例如不得不需要大量用在爆炸危险区域的不同的传感器和致动器，包 括测试和诊断系统。例如，对产能、可靠性的高要求以及强大的现场总线 协议的更频繁的应用，使各个机械群的控制及互相之间的通信网络基础结 构的结构能力和性能，提出更高的要求。

用在爆炸危险区域的行走机械的控制系统的普通网络基础结构包括 单一的中央控制器。这个单独的控制器控制和监控所有的机械功能并控制 网络中的信息和数据的流动。所有输入和输出信号以及传感器和致动器系 统都通过中央控制器直接捕捉和控制。这需要各个设备到中央单元的复杂 的因而容易出错的布线。如果中央控制器出现故障，则存在网络内的整个 通信或控制功能可能都停止工作的风险。

开采中需要的防爆保护意味着在用于爆炸区域的网络中，该网络被分 成本质安全网络参与部和非本质安全网络参与部，本质安全网络参与部满 足用于对应防爆保护的本质安全的严格要求，非本质安全网络参与部因此 被设置在耐压壳体中，耐压壳体用于确保该没有耐压壳体就不被许可的网 络参与部也可以用在爆炸危险区域。非本质安全网络参与部和本质安全网 络参与部之间的这种分离加上网络的星形定向大大增加了布线复杂度。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于爆炸区域的网络基础结构，该网络基础 结构减少或避免了前述弱点。

这个目的通过机械的优点在根据本发明的网络基础结构中实现，该机 械在用于第一控制器的耐压壳体外部，包括至少一个用于致动至少一个本 质安全参与部的第二本质安全控制器，其中第一控制器形成多个非本质安 全参与部的数据分配器，第二控制器形成多个本质安全网络参与部的数据 分配器，其中第一数据分配器和第二数据分配器之间具有电解耦的数据通 信链路。

根据本发明的网络基础结构或拓扑结构是具有多个数据分配器的分 布式系统的形式，结果布线复杂度大大降低。至少一个用于本质安全参与 部的数据分配器和分开的用于非本质安全参与部的数据分配器的布置允 许耐压壳体设置有最小数量的套管，例如，即使控制器之间的有线数据通 信也是可能的。

采用优选铜基并通过额外的屏障被电解耦的导电数据通信线能实现 数据通信链路。与之相比，在一个优选的改进中，数据通信链路包括玻璃 纤维线或光波导。在一特别有益的改进中，用于第二控制器的数据通信链 路经由单个耐压出口被引导通过耐压壳体，该壳体围绕第一控制器。除电 解耦的数据通信链路外，还可能提供第一控制器和第二控制器之间的电力 供应连接，在这个例子中，所述电力供应连接被尽可能地减少至耐压壳体 上的单个套管。为了增加网络的可用性，至少所述数据通信链路可以是冗 余设计。如果单独的连接路径内发生错误，数据分配器能方便地改变到可 运行的通信链路。

在一个优选的改进中，第一控制器优选连接有专门的非本质安全网络 参与部，这些网络参与部可能设置在多个分开的耐压壳体上。在耐压壳体 内，许多非本质的安全网络参与部也可能被设置在一起。更优选的是，本 质安全的第二控制器连接有专门的本质安全网络参与部。

形成用于多个本质安全参与部的数据分配器的第二控制器，特别可能 是具有组合数据连接和电力供应连接的本质安全网络开关的形式。这样的 具有组合数据连接和电力供应连接以及具有方便应用的本质安全以太网 网络接口的网络开关在申请人的DE 202010000110中详细描述，其公开 的内容可作为本发明的补充来参考。为此，用于爆炸危险区域的网络接口 可能特别设置用于射频电力解耦的电阻网络和设置用于针对其他网络接 口DC电力解耦的电容网络，其中电容网络分别设置在连接器连接侧，电 阻网络分别设置在相对于网络接口的传输部件的电子侧上，所以电阻器网 络和电容网络之间连接有对应的传输部件。然而，形成数据分配器的第二 控制器也可以具有另一种设计。

进一步优选地，第一控制器可连接有或者能够连接到至少一个设置在 耐压壳体中的另外的非本质安全控制器，或者进一步地，本质安全的第二 控制器连接有或者能够连接到至少一个另外的本质安全控制器，在这种情 况下，另外的控制器也优选具有数据分配器功能。根据本发明的网络基础 结构因此优选并不局限于两个控制器，即一个控制器用于本质安全网络参 与部，一个控制器用于非本质安全参与部，而是在原则上，通过额外的控 制器能被任意扩展。

对于数据分配器功能，如果第一控制器和第二控制器各自设置有至少 一个微处理器是特别有利的。如果本质安全参与部和非本质安全参与部在 专用地址范围内互相通信也是有利的。第一控制器可经由用于数据交换目 的的数据耦合器连接至静态非车载控制单元。如果网络参与部和静态非车 载控制单元和/或可能的控制中心在相同的地址范围内作用也是特别有利 的。取决于网络尺寸，分开的地址范围也可能是必须的。

在网络基础结构内的单独的参与部和数据分配器优选设计成在任何 时间，数据都能通过任何参与部和任何其他参与部交换，通信通过“点对 点”连接得以实现。每个参与部可设置成能够独立和自主做决定和/或能够 从任何其他参与部具体请求必需的信息。至少形成数据分配器的控制器应 当优选连接至具有微电子器件的那些参与部。

网络基础结构能够通过另外的参与部级联，以优选线性结构或环形结 构而近乎任意扩展，具有数据分配器功能的末端控制器能直接设置在爆炸 危险区域中和/或设置在用于非本质安全参与部的耐压壳体中。参与部也 可能是输入/输出单元(I/O单元)，其可能执行多个功能，例如读传感器 数据和/或致动诸如阀门等的致动器。

附图说明

进一步地，根据本发明实施例中的优选的网络基础结构通过附图中的 例子示出。在附图中：

图1示意性显示了根据本发明基础结构的设计，本发明使用在爆炸危 险区域中使用的行走机械；

图2示出了基于第二实施例的根据本发明的基础结构；

图3示出了图2所示网络基础结构连同静态非车载控制单元；

图4通过示例方式示出了图2所示的用于网络基础结构的扩充选项；

图5示出了基于第三示例性实施例的网络基础结构；以及

图6示出了用于在本质安全网络参与部之间的双向，铜基数据通信的 网络接口的可能的示例性实施例。

具体实施方式

图1中，参考符号1表示行走机械，在这种情况下，其是众所周知的 连续采矿机的形式，是示意性地高度简化的形式。机械1包括安装在旋转 臂2上的切削滚筒3，机械壳体4和行走机构5，该行走机构5能用于移 动机械1进入例如处于天然气爆炸危险中的地下区域。切削滚筒3借助于 马达M致动，为了满足防爆保护的要求，马达M设置在第一耐压壳体6 中。行走机构5包括相关联的分开的马达M，该马达安装在第二耐压壳 体7中。借助于通过引用标记10整体表示的适当的行走机械1的网络基 础结构或网络拓扑来实现：用于切削滚筒3和行走机构5的两个马达M 的致动，还有其它可能的移动单元(例如机械上的旋转臂2)的致动，以 及与其他机械部件(例如液压执行器或者传感器)的数据通信，或者对传 感器的轮询。在这种情况下，网络基础结构10包括多个本质安全网络参 与部21、22、23，它们是全部经过许可的可用于爆炸危险区域并且原则 上是任意的本质安全设备。通过示例，本质安全网络参与部21-23可形成 输入/输出单元，该输入/输出单元，例如，用于读取来自从传感器(未示 出)的多个输入，或者用于致动诸如阀(未示出)的致动器。本质安全网 络参与部21、22、23可能是不同设计，可能具有不同作用或不同功能， 并优选具有强大的微电子器件，该微电子器件可用来根据情况实现计量和 调整任务以及处理信息。

在网络基础结构10内，所有本质安全网络参与部21、22、23具有相 关联的本质安全控制器20，如同本质安全网络参与部21、22、23，由于 本质安全控制器20满足在适当位置用于机械1使用的对应区域的防爆保 护要求，所以能安装在机械1的机械壳体4内部或外部的任意位置。本质 安全控制器20形成爆炸危险区域中的数据分配器，各个网络参与部21、 22、23利用控制器20的数据分配功能能够互相交换数据或信息，或者能 够请求信息。

行走机械4还包括至少另一个控制器30，用于控制安装在其上的至 少一个非本质安全网络参与部31。在图1所示的示例性实施例中，控制 器30安装在与机械1一起移动的耐压壳体8中，耐压壳体8中同时布置 有多个非本质安全网络参与部31、32。如同用于本质安全参与部的控制 器20，用于非本质安全网络参与部31-33的控制器30形成数据分配器。

在所示的示例性实施例中，在安装在耐压壳体8中的、用于非本质安 全网络参与部31、32的第一控制器30和用于本质安全网络参与部21、 22、23的、具有数据分配器功能的第二控制器20之间仅存在单个数据通 信链路40。用于网络基础结构10的有线数据通信链路40优选包括光波 导41，该光波导41借助耐压套管42到达耐压壳体8外部。通过示例的 方式，为了以电耦合形式使两个控制器20、30互相连接，光波导41可被 连接至控制器20、30上的合适的光波导连接(未示出)。两个控制器20、 30之间还可以存在与光波导管41并联的电力供应线。

因为，在行走机械1中，行走机构5的马达M连同非本质安全网络 参与部33一起安装在分开的耐压壳体7中，其可包括具有微处理器的输 入/输出设备，例如，在控制器30和非本质安全网络参与部33之间还具 有经由分开的电缆或优选经由分开的光波导43的数据通信链路。光波导 43通过分开的耐压套管通路44耦合到耐压壳体8外部，然后经由耐压通 路45依次耦合进入另一耐压壳体7。

控制器20、30都还可具有相关联的近于任意数量的另外的网络参与 部。为了能够执行必要的功能、计算和致动操作，每个本质安全网络参与 部21、22、23或者非本质安全网络参与部31、32、33分别可是模块设计， 可是从各种功能芯片单独编译和/或具有微处理器或者类似部件。

图2示出了基于第二示例性实施例的网络基础结构100。为了简化阐 述，行走机械没有示出，仅仅示出了单个耐压壳体108，其包括具有非本 质安全网络参与部131、132、133和可能如图所示的另外的非本质安全网 络参与部的第一控制器130。耐压壳体108外部同样也仅被设置了单个本 质安全控制器120，其连接有专门的本质安全网络参与部121、122、123。 本质安全网络参与部122还连接有另一本质安全网络参与部124，如示例 所示。网络参与部122、124以线性结构形成了网络基础结构100的级联， 其可被任意扩展。在耐压壳体108中用于非本质安全网络参与部131-133 的第一控制器130和用于本质安全网络参与部121-124的第二控制器120 形成了数据分配器，借助于此分配器，各个网络参与部122-124能互相交 换数据和/或与网络参与部131-133交换数据，或者反之亦然，或者能互相 询问或请求数据。可能包括所有非本质安全设备或网络参与部130-133的 耐压壳体108具有单个通道142，用于作为数据通信链路140的光波导 141。

图3示出了与参考图2描述的网络基础结构100相同的网络基础结构 100，机械携带控制器120、130和连接至静态非车载控制单元160或控制 中心的网络参与部120-124、130-133，静态非车载控制单元160或控制中 心例如安装在地上或地下部分中。控制单元160的非本质安全控制器130 和控制计算机162之间的数据通信经由安装在壳体108上的第一数据耦合 器139和与控制计算机162相关联的第二数据耦合器169实现，非本质安 全控制器130设置在耐压壳体108中，控制计算机162可能设置在耐压壳 体161中。如图所示，数据耦合器139、169可再次通过光导波线缆165 传输整个数据交换。对于光波导传输，数据耦合器139、169优选长距离 数据耦合器。光波导线缆165可以经由另一个耐压套管147进入到随着行 走机械一起移动的壳体108中。可替换的是，数据交换也可通过无线电或 经由导电(特别是铜基)线缆进行，然而，在这种情况下，两个数据耦合 器139、169一起形成隔离耦合器或屏障。

图4示出了网络结构200，其与网络结构100的设计基本相同，网络 结构200设置有安装在壳体108中的第一非本质安全控制器130，具有用 于多个非本质安全网络参与部131-133的数据分配器功能，非本质安全网 络参与部131-133同样安装在耐压壳体108中，网络结构200包括第二本 质安全控制器120，第二本质安全控制器120形成用于多个本质安全网络 参与部121-124的数据分配器。在图4所示的示例性实施例中，耐压壳体 108包含一个另外的、非本质安全的第三控制器230，第三控制器230连 接有多个非本质安全网络参与部231，232，233，所述第三控制器被连接 到第一非本质安全控制器130。另外，第二控制器120的适当的输出连接 到分开的本质安全控制器220，反过来，该本质安全控制器220还连接有 本质安全网络参与部221，222，223等。不言而喻，为了扩展取决于要求 概要的网络基础结构200，本质安全控制器120，220和非本质安全控制 器130，230都可还连接有另外的控制器。还不言而喻的是，通过示例， 可以设置仅一个本质安全控制器120和多个非本质安全控制器130，230， 或者反之亦然，并且非本质安全控制器能被安装在相同的耐压壳体108中 或者安装在不同的耐压壳体中。

图5示出了用于具有导电(优选铜基)线缆作为数据通信链路340的 实施例的网络基础结构300。为了安装在耐压壳体308中的非本质安全网 络参与部331，332，333以及为了非本质安全控制器330在存在用于铜线 缆346的线缆套管345的情况下仍然与爆炸危险区域中的各个网络参与部 直流隔离，以及为了获得爆炸危险区域的许可，非本质安全控制器330具 有连接到其上游作为直流隔离屏障的隔离耦合器339。用于相关联的网络 参与部321-324的本质安全控制器320和非本质安全控制器330形成了数 据分配器，结果单独的本质安全网络参与部321-324和非本质安全网络参 与部331-333能够互相任意地通信或交换数据。

图6示出了在一个信号方向用于本质安全数据传输的网络接口，所述 的网络接口整体用附图标记470表示，有利地是能够至少用于本质安全网 络参与部，并满足防爆保护要求。对于双向数据传输，每个网络接口包括 各自的网络连接连接器，网络连接连接器都设置有接收器部分和发射器部 分，并且可能还设置有另外的电力供应管脚。在左半部分所示的网络接口 470的电路部分形成了具有Tx-PHY半导体部件的发射器部分，右半电路 部分形成了具有Rx-PHY半导体部件的网络接口的接收器部分。在PHY 半导体芯片和连接器连接471和481之间，仅部分示出，具有对应的传输 元件480，该传输元件480可以本身已知的形式包括其上布置有线圈的核 心，如同本领域技术人员所知的合适的网络接口的设计，特别是用于以太 网协议的接口。用于爆炸危险区域中的网络接口470具有在电子端的电路 级491，电子端分别在传输元件480和发射器端的Tx-PHY之间或者在传 输元件480和接收端的Rx-PHY之间。PHY各自与本质安全网络参与部 或本质安全控制器的相关联的电子器件(未示出)相关联。另外，传输元 件491和在发射器输出的连接器连接471或者在到接收器部分的连接器输 入的连接器连接481具有在他们之间设置的在连接器连接端的电路级 492。如上所述，每个电子端电路级491包括电阻网络，整体用附图标记 495表示，而连接器连接端电路级492设置有电容器网络496，在这种情 况包括两个在发射器部分的电容C1，C2和两个在接收器部分的电容C3， C4。虽然附图仅示出了电容器网络496中每个信号路径上的对应的电容 C1，C2，C3，C4，出于冗余性原因，电阻应当优选双倍设计并且他们可 能自包括两个串联连接的电容，这样在出错的情况下，如果一个电容 C1，C2，C3，C4短路，用第二个串联连接的电容仍然可提供电力解耦。 由于具有至少一个电容C1，C2，C3，C4的每个传输链路或每个信号路 径包含电容，从而提供了安全保证不会传送DC电力。电容应当选择尽可 能小的，包括尽量减小物理尺寸，但是传输的RF信号需要承受尽可能小 的干扰，以至即使100Mbit信号能够被传送并无干扰地接收。为此，例如 每个传输路径上的电容可能总共具有大约16nF或更大的电容。

为了实现本质安全以太网接口的100Mbit的传输速率，传输链路的每 个信号路径上的每个传输元件490具有两个电阻R5、R6、R7、R8、R9、 R10，以及设置在其上游作为电阻网络495的部件的R11、R12，这限制 了射频信号的功率以至于具有这个接口规范(点对点连接)的任意数量的 设备能在本质安全网络拓扑中连接在一起。电阻网络495中的所述电阻 R5至R16保证电力耦合相对于RF电力(射频AC电压电力)受限，特 别是与用于发射器半导体芯片Tx-PHY和接收器半导体芯片Rx-PHY的 本质安全电力供应相结合。另外，电阻网络495也包含电阻R1、R2、R3、 R4，如同已知的“传统的”以太网络接口那样。电阻的布置意味着，对于 具有相关联的Tx-PHY的发射器部分和对于具有相关联的Rx-PHY的接 收器部分，每个电阻网络495是2门网络形式，电阻网络495的尺寸使得 每种情况中存在近似100Ω的终端阻抗Z₀和同时RF功率限制成为可能。 例如电阻R5至R16可能设计为3Ω，电阻R1至R4可设计为47Ω。电阻 尺寸应当选择能实现第一合适RF功率限制，同时阻尼损失不太大。例如 在用于单个PHY半导体芯片大约2.7伏的最大电压下，为了满足防爆保 护要求，信号路径上的总功率因此能保持低于上限。

对于本领域技术人员，意味着许多变形落入根据前述说明提出的所附 的权利要求的保护范围。用于爆炸危险区域的行走机械也可能包括例如隧 道机械、联合采煤机、拖拉机装载机、自动倾卸车、铲车、用于掩护式支 撑架的运输车辆、旅客运输车辆或其它高架单轨，只要这些装置能用在爆 炸危险区域并因此(也)能设置本质安全网络参与部。构成数据分配器的 控制器，还有所有的网络参与部，优选能在专用地址范围内互相通信，整 个网络基础结构借助两个数据分配器中的一个(优选非本质安全网络分配 器)与外部屏蔽。通过明确授权，可同意或拒绝从外界的访问或对外界的 访问。数据分配器和所有网络参与部也能在矿山的相同地址范围内起作 用，任何网络参与部能够与其他网络参与部在任意时间连接通信或断开通 信。根据本发明的网络基础结构原则上能通过另外的网络参与部以线性结 构或环形结构的级联而任意增长，其中安装在耐压壳体中的第一数据分配 器和第二本质安全数据分配器允许在爆炸危险区域的彼此独立的一个或 其他区域进行扩展。