CN101257428B - 用于有爆炸危险的区域的asi网络 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种现场总线系统，尤其应用在有爆炸危险的区域中。该现场总线系统包括：多个具有总线电缆(3)的总线电缆区段(10)；隔离元件(12)，多个总线电缆区段(10)中的每两条利用所述隔离元件彼此耦合并且所述隔离元件使两个总线电缆区段(10)的总线电缆彼此电隔离，从而中断两个总线电缆区段(10)的所述总线电缆(3)之间的直流电的流动并且在两个总线电缆区段(10)之间传输通信信号；以及电源(11)，用于每个总线电缆区段(10)，从而为可连接到各个总线电缆区段(10)上的现场设备(4)供电。

Description

用于有爆炸危险的区域的ASI网络
技术领域
本发明涉及一种用于有爆炸危险的区域的ASI网络。
背景技术
ASI网络(ASI：执行器-传感器-接口)的概念被理解成具有用于在控制设备(主设备)和现场设备(从设备)之间进行通信的总线系统的网络。ASI网络是用于自动控制的面向位的现场总线。该总线被优化以用于连接简单的传感器、执行器和现场设备，它们仅与控制设备交换很少的信息位并且可以通过通常双芯的电缆来执行数据通信和供应电能。
为了能够在有爆炸危险的区域中驱动电的现场设备而需要一种设备，该设备具有特定的起爆保护方式，由此不会由其引发起爆危险。被设计成本质安全的现场设备是尤其有利的，这是因为不需要用于保护现场总线的附加措施，例如封套措施和屏蔽措施，从而确保防止爆炸地运行。
在这样的现场总线系统中通常可以连接有多个利用总线电缆并联的现场设备。即使现场总线的现场设备设计成本质安全的但在有爆炸危险的区域中也需要限制通过总线电缆传输的能量，从而即使在确定为标准的故障条件下在总线电缆上在任何时间和位置都不可能产生有起爆危险的火花。然而，基于在现场总线系统中所需的传输路径(电缆长度)以及各个现场总线设备所需要的最低能量，由控制设备提供的能量并不能被随意地降低。
因此，应用在有爆炸危险的区域中的并且应用“本质安全的”起爆保护类型的已知现场总线系统将现场总线的总线电缆的长度限制到确定的距离(例如1km)并且因为基于受限制的能量供应而不能供应大量的现场设备，所以所连接的现场总线的设备的数量被限制到大约10个。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种现场总线系统，利用该现场总线系统能够以较简单的方式驱动任意数量的现场设备，并且在该现场总线系统中传输路径的长度不因为能量传输而受限。
该目的通过这样的现场总线系统来实现，即一种现场总线系统，尤其应用在有爆炸危险的区域中，包括：多个具有总线电缆的总线电缆区段；隔离元件，多个总线电缆区段中的每两条利用所述隔离元件彼此耦合并且所述隔离元件使两个总线电缆区段的总线电缆彼此电隔离，从而中断两个总线电缆区段的所述总线电缆之间的直流电的流动并且在两个总线电缆区段之间传输通信信号；以及电源，用于每个总线电缆区段，从而为可连接到各个总线电缆区段上的现场设备供电，其中，多个总线电缆区段利用所述隔离元件连接成串联电路。
本发明的其他有利的设计方案在从属权利要求中给出。
根据本发明提出一种现场总线系统，尤其应用在有爆炸危险的区域中，该现场总线系统包括：多个具有总线电缆的总线电缆区段；以及隔离元件，多个总线电缆区段中的每两条利用该隔离元件彼此耦合并且该隔离元件使两个总线电缆区段的总线电缆彼此电隔离，从而中断两个总线电缆区段的总线电缆之间的直流电的流动并且在两个总线电缆区段之间传输通信信号。此外，现场总线系统包括电源，用于每个总线电缆区段，从而为可连接到各个总线电缆区段上的现场设备供电。
这种类型的现场总线系统具有优点，即在总线电缆上最大允许的能量供应不会限制可在现场总线系统上驱动的现场设备的数量。为此，现场总线系统具有多个彼此分开供电的总线电缆区段，在这些总线电缆区段上不超过在总线电缆上的最大允许能量供应。因此，可以通过应用多个总线电缆区段来提高总能量供应并且由此来驱动不由供电限制的数量的现场设备。
总线电缆优选地在具有开放式的端部的总线电缆区段上设有端子阻抗。通常，这些总线电缆区段是这样的一些部段，这些部段处于总线电缆的始端和末端。
此外，至少一个总线电缆区段(其总线电缆具有开放式的端部)具有端子阻抗。
所述隔离元件分别与两个总线电缆区段的两条总线电缆连接，其中所述隔离元件包括具有变压器线圈的变压器，其中，每个变压器线圈与各自的隔流电容串联地连接在相应的总线电缆区段的两条总线电缆之间。
优选地，抑制二极管可与所述变压器的所述变压器线圈中的至少一个直接并联地连接。
用于所述总线电缆区段的所述电源构造成电流-和电压受限。
电源优选地分别通过去耦电感与相应的总线电缆区段的各条总线电缆耦合。
总线电缆区段优选地至少部分地设置在有爆炸危险的区域中，其中，用于总线电缆区段的电源设置在有爆炸危险的区域之外。
此外，所述总线电缆区段中的至少一个通过连接段与控制设备连接以执行与连接在所述总线电缆区段上的现场设备的通信。
优选地，在连接段上多个总线电缆区段通过各自的隔离元件耦合。
多个总线电缆区段可以通过隔离元件连接成串联电路。
附图说明
接下来，参考附图对本发明的优选实施例进一步说明。图中示出：
图1是应用在有爆炸危险的区域中的现场总线系统，其中现场总线设备被设计成本质安全的；
图2是根据本发明的第一实施例的现场总线系统；
图3示出了总线电缆区段的供电的详细图示以及在总线电缆区段之间电去耦的实现；
图4是根据本发明的第二实施例的现场总线系统。
具体实施方式
在图1中示出了应用在有爆炸危险的区域中的常规的现场总线系统。该现场总线系统包括用于常规的现场总线系统的常规的控制设备2。该控制设备2优选地设置在没有爆炸危险的区域N中。在图1中示出的现场总线系统中，通信信号和能量供应共同通过两条总线电缆传输至在有爆炸危险的区域E中的现场设备4。因为通常仅由控制设备2为现场设备4提供数据通信，所以在没有爆炸危险的区域N中还设置有电源5，该电源提供电力供应，从而使电能借助于合适的连结器6耦合到总线电缆3上。电能通过总线电缆3输送到有爆炸危险的区域E中，从而使现场设备4可以从总线电缆3获取电能。此外，为了避免在总线电缆3上的信号反射，在总线电缆3的端部上设置有端子阻抗7。
在有爆炸危险的区域E中仅仅允许通过总线电缆3传输受限制的能量，从而在出现故障时避免出现起爆火花。因此，电源5仅仅允许非常受限制的能量连接到总线电缆中，由此可在有爆炸危险的区域E中的总线电缆3上驱动的现场设备4的数量以及在电源5和各个现场设备之间的电缆长度受到显著的限制。
在图2中示出了根据本发明的第一实施例的现场总线系统。相同的参考标号在描述的该实施例中和描述的其他实施例中对应于相同功能的或者类似功能的元件。
在图2的现场总线系统中，控制设备2如图1中示出的常规现场总线系统一样在有爆炸危险的区域之外设置在没有爆炸危险的区域N中并且通过连结器6与现场总线系统的处于有爆炸危险的区域中的部分连接。现场总线系统具有总线电缆区段10，这些总线电缆区段设置在有爆炸危险的区域E的内部，但是也可以设置在有爆炸危险的区域E之外。在总线电缆区段10中，多个现场设备4分别与各自的总线电缆区段10的总线电缆3连接。
每个总线电缆区段10的总线电缆3与自己的电源11连接，该电源为各自的电缆段10以及连接到其上的现场设备4提供独立的电力供应。电源11优选地用于为多个现场设备4提供电力供应，但是也可以仅仅为一个现场设备4供电。总线电缆区段10通过隔离元件12彼此电隔离，也就是说，不同的总线电缆区段10的总线电缆3彼此之间不具有可以流动直流电的电连接。然而，隔离元件12被设计成使电的通信信号在通过隔离元件12隔离的总线电缆区段10的总线电缆3之间传输。
在第一总线电缆区段10和连结器6之间还设置有连接段14。连接段14基本上对应于一个总线电缆区段，在该总线电缆区段上不连接电源和现场设备并且该总线电缆区段仅用于在有爆炸危险的区域和没有爆炸危险的区域之间进行信号传输。连接段14和第一总线电缆区段10同样以上述方式通过相应的隔离元件12电隔离。
电源11也为每个总线电缆区段10以及连接到其上的现场设备4提供自己的独立电力供应，从而使总地向现场总线的总线设备4提供的总能量供应为可能在其他情况下用于在有爆炸危险的区域E中由仅仅一个电源11为现场设备4的运行提供的能量供应的数倍。
可以设置在一个总线电缆区段10上的现场设备4的数量以及相应的总线电缆区段10的电缆长度与电源11的最大允许的能量供应匹配。最大允许的能量供应通过用于有爆炸危险的区域的预值来确定。因为总线电缆区段10彼此电隔离，由此可以在每个总线电缆区段10中将能量供应限定到通过电源11提供的能量上。然而，具有多个总线电缆区段的现场总线的总长度和可连接的现场设备4的数量并不通过用于电源11的能量供应的预值来限制，这是因为基本上任意数量的彼此电隔离的总线电缆区段10可以与各自的电源11彼此连接成现场总线系统1。
在图2中示出的实施例中，总线电缆区段10被连接成链，也就是说，彼此串联连接，并且分别通过隔离元件12连接，其中，最后一个总线电缆区段10具端子阻抗7，从而避免通信信号的干扰反射。
使没有爆炸危险的区域N中的连结器6与第一隔离元件12连接起来的连接段14以相同的方式也设有端子阻抗7，从而避免在连结器6上的信号反射。
在图3中示出了电源11和隔离元件12的详细图。如上所述的隔离元件12包括变压器20，从而在通过隔离元件12彼此连接的两个总线电缆区段10的总线电缆3之间传输通信信号。为了能够在总线电缆区段10的两根总线电缆之间不通过变压器20的变压器线圈21和22流动短路电流(直流电)，每个变压器线圈21、22都与一个隔流电容23串联连接，该隔流电容形成高通滤波器，并且该隔流电容使总线电缆区段10的两条总线电缆3彼此电隔离，也就是说，中断直流电的流动。
此外，每个隔离元件12都具有至少一个抑制二极管24，该抑制二极管连接在总线电缆区段10的两条总线电缆3之间。优选的是，抑制二极管24利用在隔流电容23和串联连接的变压器线圈21、22的端口之间的端口以及另外的端口连接到相应的变压器线圈21、22的另外的端口上。在整个布置中，隔离元件12这样地设置在总线电缆区段10之间，即在每个总线电缆区段10的总线电缆3之间设置有至少一个抑制二极管24。抑制二极管24基于安全性的预值而在有爆炸危险的区域是必要的，并且用于限制在总线电缆3上的过电压。
用于每个总线电缆区段10的电源11优选地设置在有爆炸危险的区域E之外，但是在安全实施时也可以至少部分地设置在由爆炸危险的区域E中。电源11通过去耦电感30与每个总线电缆区段10的每条总线电缆3连接，其中，去耦电感作为用于在总线电缆3上的通信信号的低通滤波器来使用并且中断在电源11上的方向上的信号传输。
电源11包括保护电路31，该保护电路具有诸如熔丝的保险装置32，用于限制在总线电缆区段10的相应的总线电缆3上的电流。此外，还设置有与之串联连接的电阻，用于限制在相应的总线电缆区段10的总线电缆3上流动的电流。在电阻33和保险装置32之间在两条供应电缆16之间设置有齐纳二极管34，电源11通过该供应电缆与总线电缆3连接，该齐纳二极管将供应电缆16之间的电压限制在由齐纳二极管预先设定的电压值上。
通过作为电源11的一部分的保护电路11不仅可以限制电压也可以限制输送给总线电缆区段10的电流，从而使例如电源11在故障的情况下仅仅释放较小的能量，该能量例如小于用于可能在有爆炸危险的区域中存在的混合气的点燃能量。
在图2的实施例中，具有相应的连接电缆17的连接段14通过隔离元件12以适当的方式与一个总线电缆区段连接，而在图4的实施例中提出，仅仅用于信号传输而不用于在现场总线系统和控制设备2之间传输能量供应的连接段14用于提供与一个或者多个总线电缆区段10多个单独的组的通信，总线电缆区段10分别具有多个现场设备4。这也就是说，在连接段14上并联连接有多个通过相应的隔离元件12连接的总线电缆区段10。因此，可以为此设置连接段14，以消除在控制装置和一组总线电缆区段的现场设备4之间的距离的大部分，其中，各个组通过相应的隔离元件12与连接段的连接电缆17连接。
这种布置具有这样的优点，即在有爆炸危险的区域的较大范围内通过总线电缆不传输能量供应，由此可以进一步降低风险。连接段14的连接电缆17在两端分别具有端子阻抗7。当总线电缆区段的长度例如被限制到最大为50m时，相对于隔离元件12的总线电缆区段10的端部通常不需要端子阻抗。相反，连接段14的连接电缆17的长度通常可以如常规的现场总线系统一样直至2000m，这是因为长度并不基于在有爆炸危险的区域中的能量供应的传输的限制而受到限制。
原理上，不仅连接段14而且每个总线电缆区段10都通过一个或者多个相应的隔离元件12与一个或者多个其他的总线电缆区段10连接。

Claims (12)

1.一种现场总线系统，应用在有爆炸危险的区域中，包括：
-多个具有总线电缆(3)的总线电缆区段(10)；
-隔离元件(12)，多个总线电缆区段(10)中的每两个利用所述隔离元件彼此耦合并且所述隔离元件使两个总线电缆区段(10)的总线电缆彼此电隔离，从而中断两个总线电缆区段(10)的所述总线电缆(3)之间的直流电的流动并且在两个总线电缆区段(10)之间传输通信信号；以及
-电源(11)，用于每个总线电缆区段(10)，从而为可连接到各个总线电缆区段(10)上的现场设备(4)供电，其中，多个总线电缆区段(10)利用所述隔离元件(12)连接成串联电路。
2.根据权利要求1所述的现场总线系统，其中，在所述总线电缆(3)的端部设置有端子阻抗(7)。
3.根据权利要求1所述的现场总线系统，其中，所述隔离元件(12)分别与两个总线电缆区段(10)的两条总线电缆(3)连接，其中所述隔离元件(12)包括具有变压器线圈(21、22)的变压器(20)，其中，每个变压器线圈(21、22)与各自的隔流电容(23)串联地连接在相应的总线电缆区段(10)的两条总线电缆(3)之间。
4.根据权利要求3所述的现场总线系统，其中，抑制二极管可与所述变压器(20)的所述变压器线圈(21、22)中的至少一个直接并联地连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的现场总线系统，其中，用于所述总线电缆区段(10)的所述电源(11)构造成电流受限和电压受限。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的现场总线系统，其中，所述电源(11)中的一个或者多个分别通过去耦电感(30)与相应的总线电缆区段(10)的所述总线电缆中的每条耦合。
7.根据权利要求5所述的现场总线系统，其中，所述电源(11)中的一个或者多个分别通过去耦电感(30)与相应的总线电缆区段(10)的所述总线电缆中的每条耦合。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的现场总线系统，其中，所述总线电缆区段(10)至少部分地设置在有爆炸危险的区域中，其中，用于所述总线电缆区段(10)的所述电源(11)设置在有爆炸危险的区域之外。
9.根据权利要求7所述的现场总线系统，其中，所述总线电缆区段(10)至少部分地设置在有爆炸危险的区域中，其中，用于所述总线电缆区段(10)的所述电源(11)设置在有爆炸危险的区域之外。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的现场总线系统，其中，所述总线电缆区段(10)中的至少一个通过连接段(14)与控制设备(2)连接以执行与连接在所述总线电缆区段(10)上的现场设备(4)的通信。
11.根据权利要求9所述的现场总线系统，其中，所述总线电缆区段(10)中的至少一个通过连接段(14)与控制设备(2)连接以执行与连接在所述总线电缆区段(10)上的现场设备(4)的通信。
12.根据权利要求10所述的现场总线系统，其中，多个总线电缆区段(10)通过各自的隔离元件(12)耦合至所述连接段(14)。
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