Коммутатор многопортовый сетевой для работы в условиях подземной выработки угля
Полезная модель относится к устройствам автоматизированного контроля и управления технологическими объектами, в том числе размещаемым в подземных выработках, опасных по газу и угольной пыли, и предназначена для создания единой сети передачи данных и объединения всего технологического оборудования в единую сеть. При осуществлении полезной модели может быть получен следующий технический результат: повышение надежности и достоверности контроля и управления оборудованием систем передачи данных, сокращение времени диагностирования и увеличение срока межремонтной эксплуатации. Указанный технический результат достигается за счет более высокой степени защиты корпуса, наличия искробезопасных барьеров и кабельных вводов, что позволяет защитить устройство от угольной пыли и вредных примесей и обеспечить его искробезопасность; кроме того, имеется возможность подключения трех дублированных оптоволоконных кабелей для организации резервной линии связи через Ethernet.
Данная полезная модель относится к области автоматизированных систем контроля и управления, в частности, к устройствам, предназначенным для непрерывного обмена информацией между автоматизированным горно-шахтным оборудованием, установленным в угольной шахте, опасной по газу (метану) и угольной пыли и оборудованием автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления на поверхности.
Одним из устройств, известных в данной области, являются коммутаторы семейства RS2-4R фирмы Hirshmann (К.Кругляк. Локальные сети в АСУ ТП: быстрее, дальше, надежнее. «СТА. Современные технологии автоматизации», 
1, 2003 г, стр.6-13; Каталог продукции фирмы Прософт 2005/2006 г.г., стр.11/11-11/14).
Коммутаторы RS2-4R предназначены для формирования сети передачи данных Ethernet, могут работать в широком диапазоне температур (от -40°С до 70°С), в их состав входят варианты с портом для одно- или многомодовых оптоволоконных кабелей, что значительно расширяет область применения коммутаторов. Недостаток коммутаторов RS2-4R - они обеспечивают связь между оборудованием АСУ только через порт Ethernet, чего недостаточно для реализации единой сети предприятия, т.к. в составе АСУ часто имеется значительное количество устройств, объединяемых через интерфейс RS-485.
Известен также класс преобразователей последовательных интерфейсов с расширенным набором функций NPort 6000 фирмы МОХА (http://www.moxa.ru/good/listAll/14886/; BYTE Россия 101, февраль 2007 г, стр.5). Преобразователи 6000 взаимодействуют как с интерфейсами RS-232/422/485, так и поддерживают Ethernet со скоростью передачи данных 10 и 100 Мбит/с, физическая реализация канала Ethernet - одномодовый или многомодовый оптоволоконный кабель, разъем SC, или кабель на витой паре «медь», разъем RJ-45.
В качестве прототипа авторами выбран преобразователь NPort 6250-M-SC. Преобразователь имеет два порта для последовательных интерфейсов RS-232/422/485 с соединительными разъемами DB 9 для кабелей «медь» с витой парой и один порт Ethernet с разъемом SC для многомодового оптоволоконного кабеля. Рабочая температура преобразователя NPort 6250-M-SC от 0°С до 55°С, относительная влажность от 5% до 95%, габаритные размеры 77×111×28 мм, вес 730 г.
Указанное техническое решение является наиболее близким к заявляемой полезной модели и принято авторами за прототип.
Данное известное решение для передачи данных с преобразованием из RS-485 в Ethernet и обратно имеет достаточно высокие технические характеристики и широко применяется в системах автоматизации, однако оно не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к горно-шахтному оборудованию - не обеспечивает взрывозащищенность и искробезопасность, корпус не защищает от угольной пыли и агрессивной среды и, кроме того, имеет только один порт Ethernet, что ограничивает надежность системы передачи данных, лишая ее возможности резервирования.
Предлагаемая авторами полезная модель «Коммутатор многопортовый сетевой для работы в условиях подземной выработки угля» (далее Коммутатор) позволяет решить следующую задачу: создать новый взрывозащищенный коммутатор для оперативного, высоконадежного, дистанционного обмена данными между устройствами с интерфейсом RS-485 с последующей передачей данных по сети Ethernet и обратно, для работы в условиях подземной выработки угля, сократив при этом номенклатуру дополнительных устройств коммутации и облегчив программирование, монтаж и наладку.
При осуществлении предлагаемого устройства может быть получен следующий технический результат: повышение надежности и достоверности контроля и управления технологическим оборудованием систем передачи данных, в том числе в подземных выработках в условиях наличия газа и угольной пыли; сокращение времени диагностирования и увеличение срока межремонтной эксплуатации.
Указанный технический результат достигается за счет изменения структуры и расширения области применения заявляемого устройства, более высокой степени защиты корпуса, введения искробезопасных барьеров, что дает возможность применять его для работы в условиях подземной выработки угля в шахтах с угольной пылью и метаном.
Сущность полезной модели поясняет фиг.1, где представлена структурная схема заявляемого устройства.
Согласно фиг.1, заявляемое устройство конструктивно выполнено в виде отдельного блока, размещаемого в корпусе 1. Внутри корпуса 1 размещаются блок процессора 2 и блок универсального асинхронного приемо-передатчика 3, первый вход-выход которого через блок приемо-передатчиков интерфейса RS-485 4, барьер искробезопасности 5 и кабельный ввод КВ1 связан с оборудованием АСУ ТП. Второй вход-выход блока приемо-передатчиков 3 связан с первым входом-выходом блока процессора 2, второй вход-выход которого через стек TCP/IP 6 связан с первым входом-выходом блока приемо-передатчиков интерфейса Ethernet 7. Второй вход-выход блока приемо-передатчиков интерфейса Ethernet 7 связан с входом-выходом 16-портового коммутатора Ethernet 8. Входы-выходы с третьего по восьмой блока приемо-передатчиков Ethernet 7 через блок разъемов для оптических кабелей 9 и кабельные вводы KB2
KB7 соответственно связаны с оборудованием АСУ ТП. Девятый вход-выход блока приемо-передатчиков Ethernet 7 через разъем для кабеля с витой парой 10 и кабельный ввод KB 8, а также десятый вход-выход блока приемо-передатчиков Ethernet 7 через разъем для кабеля с витой парой 11 и кабельный ввод KB 9 связаны с оборудованием, размещаемым на поверхности шахты.
Общие с прототипом признаки заявляемого устройства: наличие корпуса 1, блока процессора 2, блока приемо-передатчиков интерфейса RS-485 4 и блока приемо-передатчиков Ethernet 7.
Отличительными от прототипа признаками являются дополнительно введенные блок универсального асинхронного приемо-передатчика 3, барьер искробезопасности 5, стек TCP/IP 6, 16-портовый коммутатор Ethernet 8, блок разъемов для оптических кабелей 9, кабельные вводы KB1KB9. Причем, первый вход-выход блока универсального асинхронного приемо-передатчика 3 через блок приемо-передатчиков интерфейса RS-485 4, барьер искробезопасности 5 и кабельный ввод КВ1 связан с оборудованием АСУ ТП. Второй вход-выход блока универсального асинхронного приемо-передатчика 3 связан с первым входом-выходом блока процессора 2, второй вход-выход которого через стек TCP/IP 6 связан с первым входом-выходом блока приемо-передатчиков Ethernet 7. Второй вход-выход блока приемо-передатчиков Ethernet 7 связан с входом-выходом 16-портового коммутатора Ethernet 8. Входы-выходы с третьего по восьмой блока приемо-передатчиков Ethernet 7 через блок разъемов для оптических кабелей 9 и кабельные вводы KB 2KB 7 соответственно связаны с оборудованием АСУ ТП. Девятый вход-выход блока приемо-передатчиков Ethernet 7 через разъем для кабеля с витой парой 10 и кабельный ввод KB 8, а также десятый вход-выход блока приемо-передатчиков Ethernet 7 через разъем для кабеля с витой парой 11 и кабельный ввод KB 9 связаны с оборудованием, размещаемым на поверхности шахты. Кроме того, корпус 1 имеет повышенную степень защиты IP 54.
В динамике заявляемое устройство осуществляет все необходимые функции в соответствии с алгоритмом его работы, который записан во Flash память блока процессора 2. Через кабельный ввод КВ1 от оборудования АСУ ТП, имеющего выход по интерфейсу RS-485 (в угольной шахте - комплексные распределительные взрывозащищенные устройства КРУВ-6М, система мониторинга очистных комплексов SMoK-1 и т.п.) и барьер искробезопасности 5 информация поступает на блок приемо-передатчиков интерфейса RS-485 4. Блок приемо-передатчиков интерфейса RS-485 4 обеспечивает буферную развязку полученных сигналов и передачу информации на блок универсального асинхронного приемо-передатчика 3, который выполняет распаковку полученных пакетов данных и идентификацию битовой информации каждого пакета. Полученные результаты по 8-разрядной шине передаются на входы блока процессора 2. Блок процессора 2 анализирует полученную информацию на соответствие требованиям обмена по интерфейсу RS-485 и, в зависимости от полученной информации, либо переадресовывает полученный пакет обратно в сеть интерфейса RS-485, но на другой адрес, либо преобразует его в пакеты Ethernet 10/100 и передает в стек TCP/IP 6. Стек TCP/IP 6 выполняет функции декодера пакетов, т.е. принимает только пакеты с IP-адресом, предназначенным для данного Коммутатора. При удовлетворительном результате декодирования проверенные пакеты поступают на входы блока приемо-передатчиков Ethernet 7, при этом соединенный с ними 16-портовый коммутатор Ethernet 8 обеспечивает коммутацию и перенаправление пакетов, так что с выходов приемо-передатчиков информация поступает на разъемы SC 914 для оптоволоконных кабелей, связанных с оборудованием, указанным в адресном поле пакета. При применении в качестве среды передачи оптоволоконного кабеля установка барьеров искробезопасности для работы в угольных шахтах не требуется ввиду высокой помехозащищенности линий связи от электромагнитных помех. Введение трех дублированных оптоволоконных кабелей позволяет организовать резервную линию связи через Ethernet. Кроме того, Коммутатор обеспечивает связь по интерфейсу Ethernet с оборудованием на поверхности шахты через кабели с витой парой, для чего предусмотрены выходы приемо-передатчиков Ethernet 7 на разъемы для «меди» RG-45.
Коммутатор можно применять в условиях подземных выработок угля, для чего корпус Коммутатора имеет повышенную степень защиты IP 54, входы RS-485 и выходы оптоволоконных кабелей Ethernet выполнены через кабельные вводы КВ1КВ7, при этом для входов RS-485 предусмотрены барьеры искробезопасности 5. При применении в качестве среды передачи оптоволоконного кабеля установка барьеров искробезопасности не требуется, применение такого кабеля позволяет получить высокую помехозащищенность линии от электромагнитных помех. Каждый канал имеет дублирующую (резервную) линию связи, проложенную другим путем. Блок процессора 2 автоматически проверяет целостность линий связи и при обрыве переходит на резервную линию.
Алгоритм функционирования Коммутатора определяется и корректируется в соответствии с требованиями "Правил безопасности в угольных шахтах" ПБ 05-618-03. Создание и изменение алгоритма работы выполняются на специализированной СКАДА системе эксплуатационной службой шахты. Запись измененного алгоритма функционирования осуществляется путем передачи данных на выбранный Коммутатор через общешахтную сеть передачи данных. Описание функционирования работы Коммутатора задается в графическом виде путем составления схемы из имеющихся стандартных элементов.
Конкретная реализации устройства.
Основные технические характеристики Коммутатора приведены в таблице.
| Таблица | |
| Параметр | Технические характеристики |
 | обмен информацией по: |
| Интерфейс Ethernet 10/100 в соответствии со стандартом | - трем дублированным оптоволоконным кабелям*; |
| IEEE 802.3 Industrial Ethernet | - двум кабелям с витой парой** |
| Интерфейс RS-485 | обмен информацией по восьми каналам*** скорость обмена 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 56700 бит/с |
| Температура окружающего воздуха | от минус 20°С до 40°С |
| Верхнее значение относительной влажности | 98% с конденсацией влаги |
| Степень защиты корпуса от пыли и влаги | IP 54 |
| Вес, не более, кг | 7 |
| Габаритные размеры Коммутатора, не более, мм | 222 (ширина) × 360 (длина) × 120 (высота). |
| Примечания:* связь по многомодовому оптоволоконному кабелю на расстояние до 2000 м;** связь с оборудованием на поверхности;*** искробезопасная цепь, длина линии связи до 1200 м. |
Основным ядром Коммутатора является блок процессора 2. В его функции входят прием и передача пакетов на 16-портовый коммутатор Ethernet 8, прием и передача пакетов на восемь входов приемо-передатчиков интерфейса RS-485 4, а также реализация алгоритмов отслеживания линий передачи данных на целостность, нахождение кратчайших путей в сети передачи данных, выполнение функций автоматического перехода на резервную линию передачи данных, проложенную по запасному маршруту.
Выполнен Коммутатор на серийно выпускаемых элементах, в частности, в качестве блока процессора 2 использован цифровой сигнальный процессор DSP фирмы Freescale Semiconductor, в устройстве применяются клеммные соединители фирмы WAGO и герметичные кабельные вводы фирмы RST.
Коммутатор многопортовый сетевой для работы в условиях подземной выработки угля, содержащий корпус, блок процессора, блок приемопередатчиков интерфейса RS-485, блок приемопередатчиков Ethernet, отличающийся тем, что в него дополнительно введены блок универсального асинхронного приемопередатчика, барьер искробезопасности, стек TCP/IP, 16-портовый коммутатор Ethernet, блок разъемов для оптических кабелей, два разъема для кабелей с витой парой, девять кабельных вводов, причем первый вход-выход блока универсального асинхронного приемопередатчика через блок приемопередатчиков интерфейса RS-485, барьер искробезопасности и первый кабельный ввод связан с оборудованием АСУ ТП; второй вход-выход блока универсального асинхронного приемопередатчика связан с первым входом-выходом блока процессора, второй вход-выход которого через стек TCP/IP связан с первым входом-выходом блока приемопередатчиков Ethernet; второй вход-выход блока приемопередатчиков Ethernet связан с входом-выходом 16-портового коммутатора Ethernet, входы-выходы с третьего по восьмой блока приемпередатчиков Ethernet через блок разъемов для оптических кабелей и кабельные вводы со второго по седьмой соответственно связаны с оборудованием АСУ ТП; девятый вход-выход блока приемопередатчиков Ethernet через первый разъем для кабеля с витой парой и восьмой кабельный ввод, а также десятый вход-выход блока приемопередатчиков Ethernet через второй разъем для кабеля с витой парой и девятый кабельный ввод связаны с оборудованием, размещаемым вне шахты; кроме того, корпус имеет повышенную степень защиты IP 54.
