Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к системе управления для использования в подземной разработке по меньшей мере с двумя управляющими вычислительными машинами и по меньшей мере с одним сетевым кабелем, соединяющим управляющие вычислительные машины. Управляющие вычислительные машины выполнены для передачи данных по первому проводу сетевого кабеля посредством высокочастотных сигналов.

Системы управления этого типа в принципе известны и используются, например, в подземной разработке, в частности, на взрывоопасных участках. При использовании на взрывоопасных участках используемые токи и напряжения должны выбираться таким образом, чтобы не вырабатывалась энергия, достаточная для взрыва.

В известных системах управления множество управляющих вычислительных машин для управления, например, отдельными щитами забоя часто устанавливается в длинные цепочки. При этом желательно использование сетевых кабелей, как, например, кабелей стандарта Ethernet.

Задачей, положенной в основу изобретения, является такое усовершенствование системы управления, чтобы было возможным эффективное использование сетевых кабелей.

Эта задача решается с помощью системы управления с признаками пункта 1 формулы изобретения и, в частности, за счет того, что каждая управляющая вычислительная машина, кроме того, выполнена для передачи данных по меньшей мере по первому проводу сетевого кабеля посредством низкочастотных сигналов.

Таким образом, сетевой кабель согласно изобретению используется между управляющими вычислительными машинами многократно, для чего данные посредством сетевого кабеля передаются как в высокочастотном диапазоне, то есть, например, свыше 1 МГц, так и в низкочастотном диапазоне, то есть, например, менее 1 МГц. При этом данные, передаваемые посредством высокочастотных сигналов, не зависят от данных, передаваемых посредством низкочастотных сигналов. Таким образом, например, даже при потере высокочастотных сигналов передача данных может продолжаться посредством низкочастотных сигналов.

Согласно изобретению высокочастотные и низкочастотные сигналы передаются по одному и тому же проводу сетевого кабеля. Таким образом, улучшение возможностей использования сетевого кабеля не обязательно сопровождается увеличением количества проводов или соответственно жил сетевого кабеля. Тем самым обеспечивается возможность дальнейшего использования уже имеющихся в распоряжении сетевых кабелей.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в описании, чертежах, а также в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно первому предпочтительному варианту осуществления высокочастотные сигналы подаются в сетевой кабель с емкостной связью. Для этого в управляющих вычислительных машинах может быть предусмотрено емкостное стыковочное устройство, модулирующее высокочастотные сигналы по меньшей мере для передачи по первому проводу сетевого кабеля. Для емкостной связи может быть использован, например, последовательно включенный с проводом конденсатор, который для отделения низкочастотных сигналов от высокочастотных одновременно может служить фильтром верхних частот.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления каждая управляющая вычислительная машина содержит по меньшей мере один приемопередатчик и/или приемник для передачи низкочастотных сигналов, соединенный с сетевым кабелем, в частности с резистивной связью. Благодаря приемопередатчику или приемнику низкочастотные сигналы модулируются для передачи по проводу сетевого кабеля и/или принимаются. Таким образом, посредством низкочастотных сигналов возможна двунаправленная связь.

Благодаря разнотипному вводу высоко- и низкочастотных сигналов посредством емкостной и резистивной связи может быть предотвращено или в значительной мере подавлено взаимовлияние высоко- и низкочастотных сигналов.

Высокочастотные сигналы могут быть сформированы согласно стандарту One-Pair-EtherNet(OPEN)-Standard. Стандарт OPEN-Standard - это вариант стандарта Ethernet, обеспечивающий двунаправленную передачу данных со скоростью 100 Мбит/сек с использованием двух проводов. С помощью высокочастотных сигналов стандарта OPEN-Standard между управляющими вычислительными машинами системы управления может осуществляться обмен большими объемами данных. Кроме того, с помощью стандарта OPEN-Standard может быть определена топология сети, используемая в данный момент (то есть установлено расположение соединений между управляющими вычислительными машинами). Если топология известна, то посредством высокочастотных сигналов с использованием сети Virtual Local Area Network (Vlan) (Виртуальная локальная сеть) может осуществляться распределение адресов. Таким образом, к каждой управляющей вычислительной машине системы управления можно целенаправленно обратиться и снабдить ее адресом.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления в каждой управляющей вычислительной машине предусмотрен переключатель Ethernet. При этом переключатель Ethernet служит для подачи данных, передаваемых посредством высокочастотных сигналов, на соответственно правильную управляющую вычислительную машину. Переключатель Ethernet распознает, предназначены ли определенные данные для управляющей вычислительной машины, относящейся к переключателю Ethernet, и передает их дальше в управляющую вычислительную машину.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления низкочастотными сигналами являются сигнал аварийного выключения и/или управляющие сигналы для машин или от них, как, например, сигналы времени или положения. Таким образом, посредством низкочастотных сигналов возможна реализация аварийного выключения, не зависящего от программного обеспечения управляющей вычислительной машины. Это, в частности, возможно, поскольку сигнал аварийного выключения не передается посредством высокочастотных сигналов и потому не нуждается в предварительной обработке управляющими вычислительными машинами. Вместо этого сигнал аварийного выключения может приниматься приемопередатчиком или приемником непосредственно. Таким образом, сигнал аварийного выключения может передаваться даже при выходе из строя вычислительного блока управляющей вычислительной машины и отключать машины, подсоединенные к системе управления. Таким образом, возможно надежное аварийное отключение.

Аналогичным образом независимо от программного обеспечения управляющей вычислительной машины и высокочастотных сигналов посредством низкочастотных сигналов может передаваться критическая по времени информация, как-то: сигналы времени или положения. В этом случае сигналы времени, например, не нуждаются больше в обработке с помощью программного обеспечения управляющей вычислительной машины, благодаря чему могут быть исключены задержки, зависящие от загрузки управляющей вычислительной машины. Таким образом, управление машинами, соединенными с системой управления, может осуществляться быстрее и напрямую.

Для корректной передачи высокочастотных сигналов между двумя управляющими вычислительными машинами посредством низкочастотных сигналов может осуществляться также избыточная связь.

Кроме того, посредством низкочастотных сигналов в качестве глобального сообщения всем управляющим вычислительным машинам системы управления может передаваться, например, сигнал времени или положения, то есть, например, положения валка, или соответственно струговой установки. Таким образом, по меньшей мере базовая информация для управления машинами предоставляется в распоряжение всем управляющим вычислительным машинам, причем эта информация может поставляться без использования высокочастотных сигналов.

Другой возможностью использования низкочастотных сигналов является определение топологии системы управления. Для этого все управляющие вычислительные машины, подсоединенные к системе управления, посредством низкочастотных сигналов сначала регистрируются, а затем им присваиваются адреса. В данном случае распределение адресов может осуществляться с помощью сети VLAN.

Кроме того, изобретение относится к управляющей вычислительной машине для системы управления, в которой предусмотрен физический интерфейс, подающий высокочастотные сигналы в первый провод сетевого кабеля с емкостной связью. Кроме того, предусмотрен по меньшей мере один приемопередатчик и/или приемник, соединенный с первым проводом сетевого кабеля, в частности с резистивной связью. Физический интерфейс, обозначаемый также схемным элементом PHY физического уровня или полупроводником PHY, может содержать, например, конденсатор, включаемый последовательно с первым проводом сетевого кабеля. Как уже упоминалось выше, в этом случае конденсатор служит как для подачи высокочастотных сигналов, так и в качестве фильтра, отделяющего низкочастотные сигналы от высокочастотных.

Кроме того, изобретение относится к сетевому кабелю для системы управления, содержащий ровно четыре провода. Первый и второй провод, в частности, скручены друг с другом. Третий и четвертый провод имеют соответственно большее поперечное сечение провода, чем первый и второй провод.

Альтернативно первый и/или второй провод могут быть также скручены с третьим и/или четвертым проводом. За счет скручивания проводов может быть улучшено качество передачи низко- и высокочастотных сигналов. В частности, при более протяженных линиях передачи скручивание и/или дополнительно предусмотренное экранирование улучшают качество в первую очередь высокочастотных сигналов.

Первый и второй провод могут, в частности, использоваться для одновременной передачи высоко- и низкочастотных сигналов. Они имеют меньшее поперечное сечение провода и поэтому особенно хорошо подходят для передачи данных на взрывоопасных участках, поскольку они могут проводить лишь незначительные токи и напряжения и тем самым выполняют требования, предусмотренные к таким участкам.

Третий и четвертый провод могут служить для электроснабжения, например, управляющих вычислительных машин, причем, например, третий провод проводит напряжение питания, а четвертый провод является проводом заземления. При этом поперечное сечение третьего и четвертого проводов может быть выбрано таким образом, чтобы компоненты системы управления могли снабжаться энергией. Координация энергоснабжения компонентов системы управления может происходить как посредством высокочастотных сигналов согласно стандарту OPEN-Standard (то есть по стандарту Ethernet) и VLAN, так и посредством низкочастотных сигналов.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления первый и второй провода скручены друг с другом, причем эффективная поверхность поперечного сечения, образующаяся в результате скручивания, примерно соответствует поперечному сечению третьего и/или четвертого проводов. Итак, стренга из первого и второго проводов, образующаяся в результате скручивания, может быть такой же толщины, что и третий и/или четвертый провод. Таким образом, сетевой кабель может быть скомпонован из трех стренг и иметь почти идентичную, или соответственно аналогичную, толщину.

Кроме того, изобретение относится к штепсельному разъему для сетевого кабеля. Штепсельный разъем отличается тем, что он соединен с сетевым кабелем посредством одного единственного обжима, а, кроме того, выполнен для электрического соединения сетевого кабеля с управляющей вычислительной машиной. Обычно для соединения штепсельного разъема с сетевым кабелем необходимо два обжима. Тем самым эти затраты согласно изобретению снижаются наполовину.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления штепсельный разъем содержит один единственный корпусной элемент. Благодаря этому штепсельный разъем может быть изготовлен и смонтирован простым и дешевым способом. Кроме того, механическая прочность штепсельного разъема может быть улучшена по сравнению с обычными штепсельными разъемами с несколькими корпусами.

Ниже изобретение чисто в качестве примера описывается на основе возможных вариантов осуществления со ссылкой на приложенные чертежи, на которых схематически показано:

Фиг.1 - система управления согласно изобретению;

Фиг.2 - управляющая вычислительная машина согласно изобретению;

Фиг.3 - вид штепсельного разъема в необжатом (а) и в обжатом (b) состоянии согласно изобретению в разрезе;

Фиг.4 - шесть вариантов (a-f) сетевого кабеля согласно изобретению;

Фиг.5 - вид поперечного сечения сетевого кабеля на Фиг.4е.

На Фиг.1 изображена система 10 управления, содержащая первую управляющую вычислительную машину 12 и вторую управляющую вычислительную машину 14, соединенные сетевым кабелем 16.

Сетевой кабель 16 содержит четыре провода, из которых первый провод 18 и второй провод 2 0 выполнены скрученными друг с другом. Третий провод 22 проводит питающее напряжение 12 В. Проводом заземления является четвертый провод 24. Третий и четвертый провод 22, 24 выполнены с большим поперечным сечением провода, чем первый и второй провод 18, 20. В изображенном примере выполнения поперечное сечение третьего и четвертого проводов 22, 24 примерно вдвое больше поперечного сечения первого и второго проводов 18, 20.

Первая управляющая вычислительная машина 12 и вторая управляющая вычислительная машина 114 выполнены идентично, и каждая из них содержит по одному схемному элементу PHY 26. Каждый схемный элемент PHY 26 содержит два исходящих провода, каждый из которых подсоединен к первому выводу двух конденсаторов 28. Первый провод 18 каждой управляющей вычислительной машины 12 соединен со вторым выводом конденсаторов 28. Аналогичным образом второй провод 20 соединен соответственно с оставшимся вторым выводом конденсаторов 28. Таким образом, схемные элементы PHY 26 посредством первого и

второго проводов 18, 20 могут передавать высокочастотные сигналы, для которых конденсаторы 2 8 являются проницаемыми. При этом переданные сигналы выполнены в виде дифференциальных сигналов по стандарту Open-Standard.

Кроме того, каждая управляющая вычислительная машина 12, 14 содержит первый приемопередатчик 30, а также второй приемопередатчик 32. Приемопередатчики 30, 32 через резистор 34 соединены соответственно со вторыми входами конденсаторов 28 и тем самым с первым проводом 18 или со вторым проводом 20. Резисторы 34 выбраны таким образом, что первый и второй провода 18, 20 выполнены соответственно с одинаковым импедансом и, таким образом, на передачу высокочастотных сигналов не оказывается отрицательного воздействия.

Первый приемопередатчик 30 выполнен в качестве двунаправленного приемопередатчика (BiDi - Transceiver), передающего сигналы времени и команды управления для машин. Второй приемопередатчик 32 предусмотрен для передачи аварийного сигнала выключения и также выполнен в качестве двунаправленного приемопередатчика. Аварийный сигнал выключения в изображенном примере передается по первому проводу 18. Сигнал времени передается по второму проводу 20. Таким образом, для аварийного сигнала выключения выделен отдельный провод.

На Фиг.2 изображено внутреннее устройство управляющей вычислительной машины 36, к которой подсоединены два сетевых кабеля 16. Благодаря возможности подсоединения к управляющей вычислительной машине 36 двух сетевых кабелей 16 из цепочек управляющих вычислительных машин 36 произвольной длины могут быть собраны системы 10 управления.

Управляющая вычислительная машина 36 внутри по существу сконструирована симметрично и содержит два схемных элемента PHY 26, два первых приемопередатчика 30 и два вторых приемопередатчика 32. Первые и вторые приемопередатчики 30, 32 через резисторы 34 соединены с первыми проводами 18 или со вторыми проводами 20 сетевых кабелей 16. Схемные элементы PHY 26 посредством конденсаторов 28 соединены с первыми и вторыми проводами 18, 20 с емкостной связью.

Электроснабжение управляющей вычислительной машины 36 осуществляется по третьим проводам 22 и по четвертым заземленным проводам 24.

Схемные элементы PHY 26 соединены с переключателем Ethernet 38 сети, анализирующим данные, полученные от схемных элементов PHY 2 6, и определяющим, предназначены ли полученные данные для управляющей вычислительной машины 36. Данные, предназначенные для управляющей вычислительной машины 36, передаются дальше в вычислительный блок 40, служащий одновременно также в качестве Media Access Control (MAC) (Управление доступом к среде передачи). Кроме того, вычислительный блок 40 соединен с первыми приемопередатчиками 30 и блоком 42 аварийного выключения. Блок 42 аварийного выключения может активироваться, например, аварийным выключателем 44, предусмотренным в блоке 46 ввода. Блок 46 ввода служит в качестве человеко-машинного интерфейса (MMI) и, кроме того, соединен с вычислительным блоком 40.

Кроме того, управляющая вычислительная машина 36 содержит периферийный интерфейс 48, соединенный как с вычислительным блоком 40, так и с блоком 42 аварийного выключения. С помощью периферийного интерфейса 48 может управляться рабочий процесс 50, например, путем соответствующего управления (не показанными) машинами.

В процессе работы большие объемы данных передаются от вычислительного блока 40 к переключателю Ethernet 38, который посредством схемных элементов PHY 26 передает эти данные в виде высокочастотных сигналов, сформированных согласно стандарту OPEN-Standard, по первым и вторым проводам 18, 20 сетевого кабеля. Аналогичным образом посредством схемных элементов PHY 26 и переключателя Ethernet 38 данные, переданные в соответствии со стандартом Open-Standard, принимаются соседними управляющими вычислительными машинами 36.

Кроме того, например, сигналы времени с вычислительного блока 40 модулируются для второго провода 20 посредством приемопередатчиков 30.

Если приводится в действие аварийный выключатель 44, то это распознается блоком 42 аварийного выключения, выдающим вторым приемопередатчикам 32 соответствующий аварийный сигнал выключения. Вторые приемопередатчики 32 по первым проводам 18 передают аварийный сигнал выключения в виде низкочастотного сигнала соседним управляющим вычислительным машинам 36, которые передают его дальше всем управляющим вычислительным машинам 36 системы 10 управления.

Если в противоположном случае аварийный сигнал выключения, поступающий по первому проводу 18, принимается и передается вторыми приемопередатчиками 32 в аварийный блок 42 выключения, то последний извещает об этом вычислительный блок 40 и периферийный интерфейс 48, вследствие чего машины, подсоединенные к периферийному интерфейсу 48, могут сразу же останавливаться. Кроме того, полученный аварийный сигнал выключения передается дальше.

На Фиг.3а показан штепсельный разъем 60 в необжатом состоянии. Штепсельный разъем 60 содержит цельный корпусный элемент 62 из металла, в который на одном конце (в показанном примере выполнения - с правой стороны) вводят сетевой кабель 16. Сетевой кабель 16 проходит через участок 64 обжима корпусного элемента 62, в котором предусмотрены полости 65.

На переднем конце сетевого кабеля 16 четыре провода 18, 20, 22, 24 снабжены контактами, из которых показаны первый провод 18 и второй провод 20. Все провода 18, 20, 22, 24 соединены соответственно с контактным выводом 66. Штепсельный разъем 60 имеет в общей сложности четыре контактных вывода 66, из которых два показаны на Фиг.3а и 3b. Контактные выводы 66 расположены в двух соседних парах.

Посредством контактных выводов 66 штепсельный разъем 60 может электрически соединять провода 18, 20, 22, 24 сетевого кабеля 16 с управляющей вычислительной машиной.

На Фиг.3b изображен штепсельный разъем 60 согласно Фиг.3а после обжима, причем в результате обжима участок 64 обжима сдавливается и тем самым уменьшается в своем объеме. В результате обжима полые пространства 65 сжимаются и таким образом на сетевой кабель 16 оказывается давление, благодаря чему сетевой кабель 16 соединен с штепсельным разъемом 60 прочно и неразъемно.

На Фиг.4а-4г изображены различные варианты сетевого кабеля 16, каждый из которых содержит ровно четыре провода 18, 20, 22, 24 и с которыми могут быть соединены, например, управляющие вычислительные машины. Все сетевые кабели 16, показанные на Фиг.4а-4г, имеют экран 68, установленный вокруг четырех проводов 18, 20, 22, 24 и образованный, например, армированием сетевых кабелей 16.

На Фиг.4а изображен сетевой кабель 16 с расположенными параллельно друг другу проводами 18, 20, 22, 24, не скрученными между собой.

Сетевой кабель 16, показанный на Фиг.4b, изображает так называемую звездную скрутку, при которой все четыре провода 18, 20, 22, 24 свиты, или скручены. Если рассматривать сетевой кабель 16 по всей длине, то примерно первая половина длины скручена вращением вправо, а вторая половина длины - вращением влево.

На Фиг.4с изображен другой сетевой кабель 16, причем второй провод 20 и третий провод 22, а также первый провод 22 и четвертый провод 24 соответственно свиты, или скручены, друг с другом.

Сетевой кабель 16, изображенный на Фиг.4d, отличается от сетевого кабеля 16 на Фиг.4 с лишь тем, что скрученные друг с другом пары второго и третьего проводов 20, 22, а также первого и четвертого проводов 18, 24 окружены соответственно дополнительным экраном 68.

Сетевой кабель 16, уже описанный со ссылкой на Фиг.1, изображен на Фиг.4е. Он содержит скрученные друг с другом первый и второй провод 18, 20, а также не скрученные третий и четвертый провод 22, 24. Третий и четвертый провод 22, 24 имеют большее поперечное сечение провода, чем первый и второй провод 18, 22.

На Фиг.4г изображен другой сетевой кабель 16, причем первый провод 18 и третий провод 22, а также второй провод 20 и четвертый провод 24 соответственно свиты, или скручены, друг с другом.

Поперечное сечение, перпендикулярное направлению прохождения кабеля 16 согласно Фиг.4е, изображено на Фиг.5. Сетевой кабель 16 имеет круглое поперечное сечение, определенное экраном 68. Внутри экрана 68 расположены первый, второй, третий и четвертый провод 18, 20, 22, 24, причем третий и четвертый провод 22, 24 имеют большее, в изображенном примере выполнения примерно вдвое большее поперечное сечение провода, чем первый и второй провод 18, 20.

Первый и второй провод 18, 20 скручены друг с другом. В результате скручивания образуется эффективная поверхность 70 поперечного сечения, которая необходима первому и второму проводам 18, 20, скрученным друг с другом. Эффективная поверхность 70 поперечного сечения примерно соответствует поперечному сечению третьего и четвертого проводов 22, 24.

ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ

10 - система управления

12 - первая управляющая вычислительная машина

14 - вторая управляющая вычислительная машина

16 - сетевой кабель

18 - первый провод

20 - второй провод

22 - третий провод

24 - четвертый провод

26 - схемный элемент PHY

28 - конденсатор

30 - первый приемопередатчик

32 - второй приемопередатчик

34 - резистор

36 - управляющая вычислительная машина

38 -переключатель Ethernet

40 - вычислительный блок

42 - аварийный блок выключения

44 - аварийный выключатель

46 - блок ввода

48 - периферийный интерфейс

50 - рабочий процесс

60 - штепсельный разъем

62 - корпусной элемент

64 - участок обжима

65 - полость

66 - контактный вывод

68 - экран

70 - эффективная поверхность поперечного сечения