一種m-bus總線本質安全柵的製作方法
2023-04-27 03:34:36
專利名稱：一種m-bus總線本質安全柵的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電子設備技術領域，具體涉及一種非本安設備與本安設備之間的 安全柵，其符合M-BUS總線標準，工作在易燃易爆危險區的M-BUS從站可通過本安全柵連接 到M-BUS主站，組成本質安全防爆系統。
背景技術：
M-BUS (Meter-BUS，EW434-3)是消費類儀表國際通行標準。是一種經濟實惠的 現場總線，具有良好的開放性，其拓撲結構為總線結構，採用普通的兩芯電纜連接，同時完 成電源供電和數據通信的功能，在連接時不用區分極性，可按照任意拓撲結構布線施工，其 施工成本和難度大大下降。M-BUS總線電氣接口應符合下列要求在從站由主站供電時，每個從站獲得不大於2mA的電流，主站驅動能力應不小於 64個從站。主站至從站的信息傳輸是通過電平變化的方式來實現的。傳號(邏輯電平為「1」) 時總線電壓比空號時的總線電壓大於10V，且總線電壓小於等於42V;空號(邏輯電平為 「0」)時總線電壓應大於12V。從站至主站信息傳輸是通過從站電流大小的變化來實現的。傳號(邏輯電平「 1 」) 時傳號電流為OmA 1. 5mA ；空號(邏輯電平「0」)時空號電流為在傳號電流值的基礎上 增加約IlmA 20mA;總線空閒時，主、從站應保持傳號狀態。安全柵又稱安全保持器，是接在安全區的非本質安全電路和危險區的本質安全電 路之間，能在安全區和危險區之間雙向轉遞電信號，並可限制因故障引起的安全區向危險 區的能量轉遞，將供給本質安全電路的電壓或電流限制在一定安全範圍內的裝置。本質安全型安全柵應用在本安防爆系統的設計中，它是安裝於安全場所並含有本 安電路和非本安電路的裝置，電路中通過限流和限壓電路限制了送往現場本安迴路的能 量，從而防止非本安電路的危險能量串入本安電路，它在本安防爆系統中稱為關聯設備，是 本安系統的重要組成部分。一般安全柵有齊納式、隔離式。齊納式安全柵，電路中採用快速熔斷器、限流電阻或限壓二極體以對輸入的電能 量進行限制，從而保證輸出到危險區的能量。隔離式安全柵，採用了將輸入、輸出以及電源三方之間相互電氣隔離的電路結構， 同時符合本質安全限制能量的要求。在M-BUS總線系統中，主站為非本安設備位於安全區，從站為本安設備位於危險 區，需要主站和從站之間設置符合本安要求的安全柵，其要符合M-BUS總線標準，不能影響 主從站的工作和之間的通信。現有的安全柵應用在M-BUS總線上，存在以下不足1、齊納式安全柵，較大的限流電阻，過大的電壓降導致總線供電不足，降低驅動從 站的能力；內部電路不符合M-BUS總線標準，使主從站不能正常工作或主從站不能通信；在故障時，需要更換熔絲或安全柵，操作極不方便，增加維護成本。2、隔離式安全柵，輸出供電能力較差導致驅動從站數量減少或通信距離降低；不 符合M-BUS總線標準，應用在M-BUS總線上時，影響主站與從站之間的通信。
發明內容本實用新型的一個目的是彌補現有技術的不足，提供一種M-BUS總線本質安全 柵，可對M-BUS總線輸入進行多級限壓和過流保護，輸出端符合本質安全要求，其符合 M-BUS總線標準並能用於M-BUS總線上。本實用新型的另一目的是對M-BUS總線通道數量進行擴展，一個主站可輪流驅動 多條M-BUS總線，擴展了 M-BUS總線系統的容量，降低了設備成本。本實用新型通過以下技術方案來實現一種M-BUS總線本質安全柵，所述總線本質安全柵連接在M-BUS總線系統的主站 和從站之間；其特徵在於，所述總線本質安全柵包括依次連接的下述電路輸入級，實現M-BUS總線輸入的極性轉換，並限制M-BUS總線的短路電流；保護級I，包括限壓電路 和過流保護電路，其輸入端連接所述輸入級的輸出端，該保護級I的輸出端連接保護級二的 輸入端；保護級II，所述保護級二與所述保護級I順次連接，所述保護級二也包括一限壓和 過流保護電路，與所述保護級一起構成M-BUS總線的冗餘保護。如果M-BUS總線需要一個以上的通道，則所述M-BUS總線本質安全柵還進一步包 括輸出級，該輸出級的輸入端連接所述保護級二的輸出端，所述輸出級為組合電子開關矩 陣或機械開關矩陣，是一個通道數量擴展電路，實現從一個通道到多個通道的擴展，增加驅 動從站的數量。當然，如果只需要一個通道，可不要此級。輸入級包括一個橋式轉換電路和一個小容量的限流電阻。橋式轉換電路實現 M-BUS總線輸入的無極性，限流電阻使得輸出短路時，不會出現很大的短路電流。保護級I和保護級是兩個相同的電路模塊。它包括一個電流採樣電阻、一個電 子開關、一個二極體、一個控制晶片和其它元器件，整個模塊電路的電氣特性符合M-BUS標 準。控制晶片監視輸出端電壓，在出現過壓情況時，通過調節電子開關將輸出電壓調節到設 定的電壓內，同時還監視輸入端的採樣電阻上的壓降，當出現過流情況時，控制電子開關斷 開與輸出的連接。無論發生了過壓還是過流故障，如果故障一直持續，那麼控制晶片內部集 成的故障定時器都會確保電子開關快速可靠地關斷，接在輸出端的二極體防止反向電壓的 輸入。輸出級包括信號隔離解碼電路和開關矩陣電路。對輸入的通道選擇信號進行光電 隔離、解碼器電路後，可選擇某一通道開關導通，使之與保護級二輸出端連接，達到將一通 道M-BUS總線擴展為多通道的目的。當然，擴展通道的數量可根據需要增加或減少。本實用新型採用上述結構，其電氣特性符合M-BUS標準，可直接應用在M-BUS總線 上，兩級保護級電路形成冗餘保護功能，在其中一級出現故障時，另一級能承擔保護功能。 每級都具有獨立的限壓和過流保護功能。通過輸出級可擴展M-BUS通道數量。[0027]本實用新型有益效果有效地限制輸入的能量，使本質安全型設備能夠安全地應 用於危險區；符合M-BUS總線標準，可以直接應用於M-BUS總線上；輸入端與輸出端壓降 小；無熔絲等易損壞元件，維護基本不需更換；可將一通道M-BUS總線擴展為多通道，降低 了成本；也可當作一般安全柵應用。
圖1是本實用新型的總體原理示意圖；圖2是本實用新型中輸入級的電路原理示意圖；圖3是本實用新型中保護級I、保護級II的電路原理示意圖；圖4是本實用新型中輸出級的隔離解碼電路原理示意圖；圖5是本實用新型中輸出級的開關矩陣原理示意圖；圖6A是本實用新型中輸出級的開關矩陣第1通道開關電路實施方式一原理示意 圖；圖6B是本實用新型中輸出級的開關矩陣第1通道開關電路實施方式二原理示意 圖。
具體實施方式
下面結合具體實例和附圖對本實用新型作進一步的說明M-BUS總線標準規定=M-BUS總線是無極性的，主站是通過控制總線電壓的變化 (發送邏輯「 1」時，輸出高電壓；發送邏輯「 0 」時，輸出低電壓)向從站發送數據的，電壓變壓 的範圍大於IOVo從站是通過控制總線電流的變化(發送邏輯「1」時，維持總線電流不變； 發送邏輯「0」時，令總線電流增大一固定值)向主站發送數據的，電流變化的範圍IlmA 20mA。如圖1所示，M-BUS總線本質安全柵，包括依次連接的下述電路輸入級，具有輸入極性轉換和限流電阻的電路；保護級，具有限壓和過流保護功能的電路；保護級二，具有限壓和過流保護功能的電路；輸出級，組合電子開關矩陣或機械開關矩陣是一個通道數量擴展電路，實現從一 個通道到多個通道的擴展，增加驅動從站的數量，如果只需要一個通道，此級電路可不要。結合附圖，各級電路模塊的具體電路結構分析如下如圖2所示，輸入級一端連接M-BUS總線輸入，另一端的正、負極分別連接到保護 級I的正、負極。它包括一個橋式轉換電路和一個小容量的限流電阻，M-BUS總線經過橋式 轉換電路Dl實現極性變換後，正極經一限流電阻Rl連接到保護級I的正極，負極直接連接 到保護級的負極。輸入級實現了 M-BUS總線的無極性輸入，限制了輸出短路時的最大短路 電流。保護級I和保護級是相同的電路結構，如圖3所示，在本實施例中，保護級的工 作電壓設計範圍為9V至42V，限壓點設計為36V，過流點設計為0. 2A。[0045]如圖3所示，以保護級I為例說明其電路結構保護級I包括一個電流採樣電阻R3、 一個電子開關(M0SFET管Q1)、一個二極體D2、一個控制晶片Ul和其它元器件。輸入端的正 極依次串聯電流採樣電阻R3、MOSFET管Q1、二極體D2到輸出端，控制晶片Ul的引腳7和 引腳8分別連接到電流採樣電阻R3的兩端，控制晶片Ul的引腳5通過電阻R4驅動MOSFET 管Ql，控制輸入和輸出的導通或關斷，電壓採樣電阻R5和R6串聯後連接到MOSFET管Ql後 的輸出端的正負極，中間抽頭連接到控制晶片Ul的引腳2，電阻R2和Cl為控制晶片Ul工 作所必須的元器件。其工作原理為控制晶片Ul的引腳2監視電壓採樣電阻R5和R6的反饋電壓，當 輸入電壓大於36V時，其引腳5輸出控制信號調節MOSFET管Ql將輸出調節到36V ；控制芯 片Ul弓丨腳7和引腳8監視電流採樣電阻R3兩端的壓降，當經過R3的電流大於0. 2A時，電 流採樣電阻R3兩端的壓降超過設定值，其引腳5輸出控制信號使MOSFET管Ql斷開與輸出 的連接；二極體D2防止反向電壓的輸入。在本實施例中，控制晶片U2選用LT4356-3。保護級輸出端的正極與保護級二輸入端的正極連接，保護級I輸出端的負極與保 護級輸入端的負極連接，兩級保護級電路形成冗餘保護功能，在其中一級出現故障時，另 一級能承擔保護功能。輸出級包括信號隔離解碼電路和開關矩陣電路。在本實施例中，輸出級擴展為16 通道，4路選擇信號通過4-16解碼器選擇相應的通道。如圖4所示，4路通道選擇信號分別經過橋式轉換電路極性變換後，通過一個電阻 驅動光藕，經光藕隔離後的信號輸入到晶片U5的輸入端，經解碼輸出後的16路信號驅動開 關矩陣電路。 如圖5所示，為開關矩陣電路原理示意圖，包含16個相同的通道開關，每個通道開 關的輸入端與保護級二的輸出端連接，輸出端連接到輸出端子，控制端與隔離解碼電路輸 出端連接。通過通道開關，控制信號可同時控制保護級的輸出端正極、負極與輸出端子的 導通或關斷。通道開關是一個雙刀開關。在本實施例中，以開關矩陣電路的第1通道開關為例說明其電路結構原理。如圖6A所示，為開關矩陣電路的第1通道開關電路實施方式一原理示意圖。該電 路由4個電子開關組成由電阻RA1、RA4和三極體QA2組成的第1電子開關，由電阻RA2、 RA3和MOSFET管QAl組成的第2電子開關，由二極體DAl，電阻RA5和三極體QA3組成的第 3電子開關，由電阻RA6、RA7和MOSFET管QA4組成的第4電子開關；其中電阻RA4的一端 連接到三極體QA2的基極，另一端連接到信號隔離解碼電路的通道輸出信號；MOSFET管QAl 的源級連接到保護級二輸出端的負極，漏極為該通道的負極輸出，連接到輸出端子；MOSFET 管QA4的源級連接到保護級二輸出端的正極，漏極為該通道的正極輸出，連接到輸出端子。工作原理為輸入控制信號控制第1電子開關導通或關斷，第1電子開關控制第2 電子開關和第3電子開關導通或關斷，第3電子開關控制第4電子開關導通或關斷，即輸入 控制信號同時控制保護級的輸出端正極、負極與輸出端子的導通或關斷。如圖6B所示，為開關矩陣電路的第1通道開關電路實施方式二原理示意圖。由電阻RA8、RA9和三極體QA5組成的電子開關驅動繼電器KA1，與繼電器KAl並聯的二極體DA2 起續流作用，保護級II的輸出端的正極和負極分別連接到繼電器KAl的公共端，繼電器KAl 的常開端分別連接到該通道的輸出端子。輸入控制信號通過電子開關驅動繼電器控制保護 級二的輸出端正極、負極與輸出端子的導通或關斷。 本實用新型申請人結合說明書附圖對本實用新型的實施例做了詳細的說明與描 述，但是本領域技術人員應該理解，以上實施例僅為本實用新型的優選實施方案，詳盡的說 明只是為了幫助讀者更好地理解本實用新型精神，而並非對本實用新型保護範圍的限制， 相反，任何基於本實用新型的發明精神所作的任何改進或修飾都應當落在本實用新型的保 護範圍之內。
權利要求1.一種M-BUS總線本質安全柵，所述總線本質安全柵連接在M-BUS總線系統的主站和 從站之間；其特徵在於，所述總線本質安全柵包括依次連接的下述電路輸入級，實現M-BUS總線輸入的極性轉換，並限制M-BUS總線的短路電流；保護級包括限壓和過流保護電路，其輸入端連接所述輸入級的輸出端，該保護級I的輸出端連接保護級II的輸入端；保護級II ,所述保護級II與所述保護級I順次連接，所述保護級Π也包括一限壓和過流 保護電路，與所述保護級1 一起構成M-BUS總線的冗餘保護。
2.根據權利要求1所述的M-BUS總線本質安全柵，其特徵在於，如果M-BUS總線需要一 個以上的通道，則所述M-BUS總線本質安全柵還進一步包括輸出級，該輸出級的輸入端連 接所述保護級II的輸出端，實現從一個通道到多個通道的擴展，增加驅動從站的數量。
3.根據權利要求2所述的M-BUS總線本質安全柵，其特徵在於，所述輸出級包括順序連 接的信號隔離解碼電路和開關矩陣電路，所述開關矩陣電路為組合電子開關矩陣或機械開 關矩陣。
4.根據權利要求1或2所述的M-BUS總線本質安全柵，其特徵在於，所述輸入級包括一 個橋式轉換電路和一個小容量的限流電阻，所述橋式轉換電路的輸入端連接M-BUS總線輸 入，輸出端通過小容量的限流電阻連接所述保護級I輸入端正極。
5.根據權利要求1或2所述的M-BUS總線本質安全柵，其特徵在於，所述保護級i包 括一個電流採樣電阻、一個電子開關、一個二極體、一個控制晶片，該保護級I輸入的正極 依次串聯電流採樣電阻、電子開關和二極體，通過電流採樣電阻的電流採樣信號和所述輸 出級的輸出端電壓採樣信號輸入至所述控制晶片，該控制晶片與所述電子開關的控制端相 連；所述控制晶片內部集成故障定時器，在保護級I的輸出端電壓出現過電壓情況時，通 過調節電子開關將輸出調節到設定的電壓內，在該保護級I的輸入端出現過電流情況時， 控制電子開關斷開輸入端與輸出端的連接。
6.根據權利要求5所述的M-BUS總線本質安全柵，其特徵在於，所述電子開關為 MOSFET管(Ql)，所述電子開關控制端為所述MOSFET管(Ql)的柵極。
7.根據權利要求6所述的M-BUS總線本質安全柵，其特徵在於，所述保護級II具有與所 述保護級I相同的電路結構。
8.根據權利要求3所述的M-BUS總線本質安全柵，其特徵在於，所述輸出級的信號隔離 解碼電路連接一個電阻驅動光藕，對經輸入級的橋式轉換電路極性變換後的通道選擇信號 進行光藕隔離，光藕隔離後的信號連接到晶片U5的輸入端，經解碼後輸出信號連接並驅動 開關矩陣電路；所述開關矩陣電路的每個通道開關的輸入端與保護級II的輸出端連接，輸 出端連接到輸出端子，控制端與隔離解碼電路輸出端連接，通過通道開關，控制信號同時控 制保護級II的輸出端正極、負極與輸出端子的導通或關斷。
專利摘要本實用新型公開了一種M-BUS總線本質安全柵，所述總線本質安全柵連接在M-BUS總線系統的主站和從站之間，包括依次連接的輸入級、保護級Ⅰ、保護級Ⅱ和輸出級，輸入級實現M-BUS總線輸入的極性轉換，並限制M-BUS總線的短路電流；保護級Ⅰ和保護級Ⅱ均包括限壓和過流保護電路，一起構成本質安全柵的冗餘保護。輸出級實現從一個通道到多個通道的擴展，增加驅動從站的數量。本實用新型實現了多級限壓和過流保護，符合M-BUS總線的本質安全要求，並且能夠擴展M-BUS總線系統的容量，降低了設備成本。
文檔編號H02H3/05GK201846070SQ201020604170
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月12日 優先權日2010年11月12日
發明者張剛, 李勇, 魏慶華 申請人:重慶市智能水錶有限責任公司