本質安全的模塊化控制系統的製作方法

2023-12-06 18:20:16

專利名稱：本質安全的模塊化控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於進行實時分布式控制的控制系統，更具體地，涉及一種在控制系統的主幹線與現場設備之間提供本質安全(inherently safe)的接口的控制系統。
背景技術：
自動化工業系統具有監測、控制和操作工業過程的現場設備。現場設備通過幹線與控制處理器通信，幹線向現場設備傳送電力並在控制處理器與現場設備之間傳送數據信號(其可包括操作命令)。現場設備中的每一個均通過接頭(spur)或分支連接附接到幹線上。現場設備在整個工業工廠中可以是分布式的，並且數據傳送速率基本上允許對過程進行實時控制。針對分布式控制系統，已經制定了標準化的電力和通信協議。例如，基金會 (Foundation)現場總線協議是一種全數字、串行、雙向通信系統，其在雙絞線幹線電纜上發送DC電力和信號，並且使得控制處理器能夠與多個現場設備通信並對其進行控制。其他已知的分布式控制系統包括ftx)fibUS PA和基於乙太網的控制系統。現場設備可能位於存在火災危險的工廠的危險區域。通過對危險的性質進行等級劃分來標識危險區域。可燃氣體位於一級區域中，易燃粉塵位於二級區域中，易燃纖維和飛花位於三級區域中。零級區域是沒有火災危險的安全區域。還通過關於火災危險的級別的劃分和分區來標識危險區域。劃分1標識其中火災危險持續存在的區域(分區0)或其中火災危險僅在正常操作期間存在的區域(分區1)。 劃分2標識其中認為不會發生火災危險的危險區域(分區2)，但是如果危險發生，該危險也僅在短期內存在。具有位於危險區域的現場設備的分布式控制系統可能是本質安全的。本質安全的控制系統被設計為使得電氣故障期間所釋放的能量不足以在危險區域內引起燃燒。整個控制系統中的電壓和電流被減小到將能量釋放限制在燃點以下。使用本質安全的控制系統的問題在於，系統中可用的有限電力可能不足以操作在系統中的所有現場設備(包括在安全區域中的那些)。已開發出了其他控制系統方案，其在仍然為危險區域中的現場設備提供本質安全度的同時，提供足夠的電力來操作所有現場設備。在整體方案中，安全柵提供在從安全區域到危險區域的過渡中。該安全柵提供了延伸到危險區域中的有限數量的接頭，並且限制可用於接頭的電流量。有限的電流限制了可以附接在安全柵下遊的現場設備的數量。對於許多工業工廠來說，提供和連接大量單獨和分立的安全柵是昂貴的並且要佔用大量空間。在(針對現場總線開發的)FISCO方案中，系統被看作一個整體。系統的每個部分 (包括專用電源和連接)都必須滿足嚴格的限制。FISCO解決方案還需要工程分析，因此價格昂貴並且結構複雜。因此，需要一種改進的對控制系統的互連方案，其在仍然為危險區域中的現場設備提供本質安全度的同時，使得控制系統能夠提供足夠的電力來操作所有現場設備，而無需分立的安全柵或者專用電源或連接。

發明內容
本發明實現了一種改進的控制系統的互連方案，其在仍然為危險區域中的現場設備提供本質安全度的同時，使得控制系統能夠提供足夠的電力來操作所有現場設備，而無需分立的安全柵或者專用電源或連接。本發明是一個模塊化互連繫統，用於在控制處理器與位於危險區域中的一個或多個現場設備之間傳送電力和數據，控制處理器沿分布式控制網絡的幹線接收和傳送信號。 互連繫統包括限定了底板的局域總線、連接到底板的幹線模塊、以及附接到底板上的一個或多個現場模塊。底板承載電力電源線和數據線。對於基金會現場總線兼容的互連繫統來說，底板包括既運送電力也運送數據的兩個導體。一個或多個現場模塊中的每一個包括將該現場模塊連接到底板的底板接口、將現場設備可操作地連接到該現場模塊的現場設備接口、以及在現場設備接口與底板接口之間的本質安全的連接，用於在底板接口與現場設備接口之間傳送電力和數據。幹線模塊包括幹線接口，其將耦合模塊連接到分布式控制網絡的幹線；底板接口，其將耦合模塊連接到底板；以及幹線接口與底板接口之間的連接，用於從幹線接口向底板傳送電力並在幹線接口與底板之間傳送數據，從而通過底板從網絡向現場設備傳送電力，並且通過底板在控制處理器與現場設備之間傳送數據信號。在本發明的優選實施例中，底板是分段的底板。當附加的現場模塊被添加到系統時，底板可根據需要而加長。底板的使用提供了許多優點。現場模塊可以容易地添加，而無需添加分立的安全柵並且無需附加的工程分析。針對位於不同等級或劃分的危險區域中的現場設備，可以將使用不同類型隔離電路的現場模塊附接到底板上。幹線可以使連接到底板的模塊都能夠利用全功率，從而可以添加不具備本質安全度的附加模塊，以將全功率傳遞到安全區域中的現場設備。其他類型的設備也可以被連接到底板並與控制系統相互作用。


隨著描述的進行(尤其是結合示出了本發明的實施例的兩個附圖來進行描述時)，本發明的其他目的和特徵將變得顯而易見。圖1示出了通過幹線連接到控制處理器的根據本發明的模塊化控制系統；以及圖2示出了底板段和能夠附接到底板段的模塊部分。
具體實施例方式圖1示出了用於在控制處理器12與現場設備16a、16b、16c和16d之間傳送電力和數據的模塊化控制系統10，控制處理器12沿幹線14接收並傳送信號。每個現場設備16a-c 位於危險區域18中。現場設備16d位於安全區域20中。所示控制系統10是現場總線系統。
儘管示出了幹線14從控制處理器12直接延伸到控制系統10，但是可能存在位於控制系統10的下遊或者沿幹線14位於控制處理器12與控制系統10之間的其他設備耦合器(未示出)或者類似於控制系統10的其他控制系統。也可以使用其他網絡拓撲。控制系統10連接在幹線14與現場設備16之間，並且從幹線14向現場設備16傳送電力，並在幹線14與現場設備16之間傳送數據信號。現場設備16可以是過程控制器、 測量設備、以及本領域所熟知的其他設備。控制系統10包括將系統10連接到幹線14的幹線模塊22。幹線模塊22連接到局域總線或底板對。所示底板M是現場總線兼容的，分別使用兩條線「 + 」線26和「-」線 28沿底板M從幹線模塊22傳導DC電力以及沿底板M從/向幹線模塊22傳導AC數據信號。底板M還包括屏蔽線四。附接到底板M上的是多個現場模塊30a、30b和30c。每個現場模塊30與位於危險區域18中的各現場設備16形成本質安全的連接。還附接到底板M上的是附加的現場模塊32，其與位於安全區域20中的現場設備16d形成非本質安全的連接。所示模塊22、30和32可移動地安裝在伸長的支架或軌道34上，伸長的支架或軌道34優選地位於控制箱或其他外殼中。為了清楚起見，在圖1中，幹線模塊22和現場模塊 30,32被畫成間隔開的，但是，應該理解的是，這些模塊優選地被相互緊挨地布置，以節省控制箱內的空間。幹線模塊22包括將幹線模塊22連接到幹線14的幹線接口 36和將幹線模塊22連接到底板M的底板接口 38。所示幹線接口 36包括與現場總線幹線14的各電線4h、42b 相連接的一組或一對端子40。接口 36與38之間的連接44通過幹線接口 36從幹線14向底板線沈、觀傳送電力，並通過幹線接口 36和底板線沈、觀從/向幹線14傳送數據。每個現場模塊30包括將現場模塊30連接到底板M的局域總線接口 46和將現場設備連接到現場模塊30的現場設備接口 48。所示現場設備接口 48包括與延伸至現場設備的用於進行數據和電力傳送的各電線相連接的一組或一對端子50。所示現場模塊30被規定為「單接頭」設備，即，每個現場模塊30連接到單個現場設備。接口 46與48之間的連接52在兩個接口 46與48之間提供本質安全的連接，下文中將進行更詳細的說明。本質安全的連接52將所連接的現場設備與供危險區域中的現場設備使用的幹線14有效地進行隔
1 O所示現場模塊30a、30b和30c中的每一個包括不同類型的本質安全的連接52。現場模塊30a具有包括熔斷器M的能量限制連接52。現場模塊30b具有磁隔離連接52，其使用耦合電感56 (例如變壓器的無源部件) 或者可選地使用模擬耦合電感的有源電路等效來對底板和現場設備接口 46、48進行磁耦合。Mittel 的美國專利 5，093，642「Solid State Mutually Coupled Inductor」中公開了適用於此目的的這種有源電路，該專利通過弓I用的方式整體併入本文。現場模塊30c具有結合了光隔離器58的光隔離連接52。根據需要，光隔離的現場模塊30c的設備接口可以被配置為與延伸至現場設備的用於進行數據信號傳輸的光纖電纜進行連接。可以提供分離的電力引線，從設備接口 48延伸到現場設備，或者可以不通過底板M而獨立地對現場設備供電。附加的現場模塊32將底板M與位於安全區域中的現場設備連接。現場模塊32包括將現場模塊32連接到底板M的底板接口 62和將現場設備連接到現場模塊32的現場設備接口 64。所示現場設備接口 64包括與延伸至現場設備的用於進行數據和電力傳輸的各電線相連接的一組或一對端子66。優選地，段保護器68位於接口 62與64之間。Kitchener 的 WIPO 國際公開號為 W02007/01(^89 的「Modular Fieldbus Segment Protector」中公開了可適用於此目的的模塊化段保護器的示例。根據需要，段保護器還可以提供用於能量限制模塊。所示現場模塊32是「單接頭」設備，即，現場模塊32連接到單個現場設備。可替換地，現場模塊32可以是「多接頭」設備，其可以連接兩個、三個、四個、或更多個現場設備。 每個設備應該由其各自的段保護器來保護。應該理解的是，連接到局域總線M的本質安全的現場模塊30和非本質安全的現場模塊32的數量可以不同於圖1所示的數量，以將幹線14連接到或多或少的現場設備16。控制系統10的優點在於，本質安全的現場模塊30和非本質安全的現場模塊32可以同時並且按照所需的不同數量被附接到底板M上。諸如底板可安裝的現場設備(未示出)之類的其他類型的模塊可以被添加到底板24，以沿底板M通信或者通過幹線模塊22 與幹線14進行通信。優選地，幹線模塊22、本質安全的現場模塊30、以及非本質安全的現場模塊32被設計為抵抗並防止由於本質安全的現場模塊30的現場設備接口 48與幹線模塊22的幹線接口或者與非本質安全的現場模塊32的現場設備接口 64之間的電壓蠕變(voltage creep)而引起的電火花。如圖1所示，幹線模塊22和現場模塊30、32以相互緊挨的形式布置，並且沿著由軌道34限定的水平軸68擴展。幹線模塊22的端子組40和非本質安全的現場模塊32的每個端子組66位於幹線模塊22或現場模塊32的上部豎直端。本質安全的現場模塊30的端子組50位於現場模塊30的下部豎直端。因此，即使本質安全的現場模塊30被夾在兩個非本質安全的現場模塊32之間，或者即使模塊30被夾在幹線模塊22與非本質安全的現場模塊32之間，本質安全的端子50與非本質安全的端子40和66也是間隔開的。底板M可以是伸長的印刷電路板，或者可以被形成為沿軌道34延伸的導體。在優選實施例中，底板M被形成為可分離的總線段70。參見圖2，其示出了底板段70和可以附接到底板段70上的模塊22、30、或32的外殼部分71的一部分。底板段70 卡鎖(snap)在軌道34上。每個底板段70包括一段底板總線M和連接器72，連接器72形成幹線模塊22或要附接到底板段上的現場模塊30、32的底板接口的一部分。底板總線連接74和76位於底板段70的一側和底部。底板段70卡鎖在軌道34上，並且被推在一起來連接相鄰的總線連接器並形成使得所附接的段70的長度得以擴展的底板M。去除附接到底板段的現場模塊30、32的外殼部分71，在與相鄰段互連的軌道34上留下的段70與底板 24和剩餘模塊是完整且可工作的。通過將底板段70卡鎖到軌道34上、推動所添加的段來擠壓其他底板段、並將模塊的外殼71附接到所添加的底板段，可以將新的模塊添加到系統10。外殼部分71包括底板接口與模塊的剩餘部件的配合部分。可適用於本發明的、商業可獲得的分段的底板70是由本發明的受讓人W1Oenix Contact製造的T-BUS (商標)模塊化軌道總線。
儘管已經示出並描述了本發明的優選實施例，但是應該理解的是，其變型也是可行的，因此，本發明不限於以上明確的細節，落入所附權利要求範圍內的改變和修改都是有利的。
權利要求
1.一種模塊化互連繫統，用於在控制處理器與位於危險區域中的一個或多個現場設備之間傳送電力和數據，控制處理器沿分布式控制網絡的幹線接收和傳送信號，所述系統包括底板、連接到底板的幹線模塊、以及附接到底板上的一個或多個現場模塊；所述底板包括沿底板運送數據信號的數據線和沿底板運送電力的電源線；所述一個或多個現場模塊中的每一個包括底板接口，其將該現場模塊連接到底板； 現場設備接口，其將現場設備可操作地連接到該現場模塊；現場設備接口與底板接口之間的本質安全的連接，其從底板接口向現場設備接口傳送電力並在底板接口與現場設備接口之間傳送數據；所述幹線模塊包括幹線接口，其將幹線模塊連接到分布式控制網絡的幹線；底板接口，將耦合模塊連接到底板；以及幹線接口與底板接口之間的連接，其從幹線接口向底板電源線傳送電力並在幹線接口與底板數據線之間傳送數據，從而通過底板從網絡向現場設備傳送電力，並且通過底板在控制處理器與現場設備之間傳送數據信號。
2.根據權利要求1所述的模塊化系統，其中所述幹線接口是現場總線幹線接口。
3.根據權利要求1所述的模塊化系統，其中幹線模塊和一個或多個現場模塊中的每一個均具有相對側，幹線模塊和一個或多個現場模塊相互緊靠地布置並沿第一軸延展。
4.根據權利要求1所述的模塊化系統，其中幹線模塊的幹線接口包括將幹線模塊連接到幹線的端子組，並且一個或多個現場模塊中的每一個的現場設備接口包括將該現場模塊連接到現場設備的端子組；並且幹線模塊的端子組與現場模塊的端子組沿垂直於第一軸的第二軸被間隔開。
5.根據權利要求1所述的模塊化系統，其中幹線模塊和一個或多個現場模塊中的每一個安裝在共同的軌道上。
6.根據權利要求1所述的模塊化系統，其中底板是T-BUS。
7.根據權利要求1所述的模塊化系統，其中底板數據線和底板電源線包括傳導電力和數據二者的共同的一組兩條線。
8.根據權利要求1所述的模塊化系統，包括附加的模塊，附加的模塊包括將該附加的模塊連接到底板的底板接口。
9.根據權利要求1所述的模塊化系統，包括對位於安全區域中的一個或多個附加的現場設備進行連接的一個或多個附加的現場模塊，每個附加的現場模塊包括底板接口，其將附加的現場模塊連接到底板；現場設備接口，其將現場設備可操作地連接到現場模塊；現場設備接口與底板接口之間的非本質安全的連接，其從底板接口向現場設備接口傳送電力並且在底板接口與現場設備接口之間傳送數據。
10.根據權利要求1所述的模塊化系統，其中一個或多個現場模塊中的每一個包括段保護器。
11.根據權利要求1所述的模塊化系統，其中幹線模塊和一個或多個現場模塊中的每一個包括底板段和連接器，連接器用於將底板段連接到相鄰底板段，從而通過將附加的現場模塊添加到所述系統來擴展所述底板。
12.根據權利要求1所述的模塊化系統，其中一個或多個現場設備中的每一個的現場設備接口與底板接口之間的本質安全的連接包括下列中的至少一個電力限制電路、磁隔離電路、和光隔離電路。
全文摘要
一種用於在控制處理器與位於危險區域中的一個或多個現場設備之間傳送電力和數據的模塊化系統，控制處理器沿分布式控制網絡的幹線接收並傳送信號，該系統包括底板總線和連接到底板並將幹線與底板互連的幹線模塊。本質安全的接頭模塊可移動地附接到底板上。
文檔編號H02H9/00GK102204052SQ200980138251
公開日2011年9月28日 申請日期2009年8月28日 優先權日2008年8月29日
發明者布萊恩·詹姆斯·福格特, 布雷頓·尤金·赫爾弗裡克, 戴維斯·馬修斯, 阿龍·理察·克賴德爾 申請人:菲尼克斯電氣公司