CN102204052B - 本质安全的模块化控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在控制处理器与位于危险区域中的一个或多个现场设备之间传送电力和数据的模块化系统，控制处理器沿分布式控制网络的干线接收并传送信号，该系统包括底板总线和连接到底板并将干线与底板互连的干线模块。本质安全的接头模块可移动地附接到底板上。

Description

本质安全的模块化控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于进行实时分布式控制的控制系统，更具体地，涉及一种在控制系统的主干线与现场设备之间提供本质安全(inherently safe)的接口的控制系统。

背景技术

自动化工业系统具有监测、控制和操作工业过程的现场设备。现场设备通过干线与控制处理器通信，干线向现场设备传送电力并在控制处理器与现场设备之间传送数据信号(其可包括操作命令)。现场设备中的每一个均通过接头(spur)或分支连接附接到干线上。现场设备在整个工业工厂中可以是分布式的，并且数据传送速率基本上允许对过程进行实时控制。

针对分布式控制系统，已经制定了标准化的电力和通信协议。例如，基金会(Foundation)现场总线协议是一种全数字、串行、双向通信系统，其在双绞线干线电缆上发送DC电力和信号，并且使得控制处理器能够与多个现场设备通信并对其进行控制。其他已知的分布式控制系统包括Profibus PA和基于以太网的控制系统。

现场设备可能位于存在火灾危险的工厂的危险区域。通过对危险的性质进行等级划分来标识危险区域。可燃气体位于一级区域中，易燃粉尘位于二级区域中，易燃纤维和飞花位于三级区域中。零级区域是没有火灾危险的安全区域。

还通过关于火灾危险的级别的划分和分区来标识危险区域。划分1标识其中火灾危险持续存在的区域(分区0)或其中火灾危险仅在正常操作期间存在的区域(分区1)。划分2标识其中认为不会发生火灾危险的危险区域(分区2)，但是如果危险发生，该危险也仅在短期内存在。

具有位于危险区域的现场设备的分布式控制系统可能是本质安全的。本质安全的控制系统被设计为使得电气故障期间所释放的能量不足以在危险区域内引起燃烧。整个控制系统中的电压和电流被减小到将能量释放限制在燃点以下。

使用本质安全的控制系统的问题在于，系统中可用的有限电力可能不足以操作在系统中的所有现场设备(包括在安全区域中的那些)。

已开发出了其他控制系统方案，其在仍然为危险区域中的现场设备提供本质安全度的同时，提供足够的电力来操作所有现场设备。

在整体方案中，安全栅提供在从安全区域到危险区域的过渡中。该安全栅提供了延伸到危险区域中的有限数量的接头，并且限制可用于接头的电流量。有限的电流限制了可以附接在安全栅下游的现场设备的数量。对于许多工业工厂来说，提供和连接大量单独和分立的安全栅是昂贵的并且要占用大量空间。

在(针对现场总线开发的)FISCO方案中，系统被看作一个整体。系统的每个部分(包括专用电源和连接)都必须满足严格的限制。FISCO解决方案还需要工程分析，因此价格昂贵并且结构复杂。

因此，需要一种改进的对控制系统的互连方案，其在仍然为危险区域中的现场设备提供本质安全度的同时，使得控制系统能够提供足够的电力来操作所有现场设备，而无需分立的安全栅或者专用电源或连接。

发明内容

本发明实现了一种改进的控制系统的互连方案，其在仍然为危险区域中的现场设备提供本质安全度的同时，使得控制系统能够提供足够的电力来操作所有现场设备，而无需分立的安全栅或者专用电源或连接。

本发明是一个模块化互连系统，用于在控制处理器与位于危险区域中的一个或多个现场设备之间传送电力和数据，控制处理器沿分布式控制网络的干线接收和传送信号。互连系统包括限定了底板的局域总线、连接到底板的干线模块、以及附接到底板上的一个或多个现场模块。

底板承载电力电源线和数据线。对于基金会现场总线兼容的互连系统来说，底板包括既运送电力也运送数据的两个导体。一个或多个现场模块中的每一个包括将该现场模块连接到底板的底板接口、将现场设备可操作地连接到该现场模块的现场设备接口、以及在现场设备接口与底板接口之间的本质安全的连接，用于在底板接口与现场设备接口之间传送电力和数据。

干线模块包括：干线接口，其将耦合模块连接到分布式控制网络的干线；底板接口，其将耦合模块连接到底板；以及干线接口与底板接口之间的连接，用于从干线接口向底板传送电力并在干线接口与底板之间传送数据，从而通过底板从网络向现场设备传送电力，并且通过底板在控制处理器与现场设备之间传送数据信号。

在本发明的优选实施例中，底板是分段的底板。当附加的现场模块被添加到系统时，底板可根据需要而加长。

底板的使用提供了许多优点。现场模块可以容易地添加，而无需添加分立的安全栅并且无需附加的工程分析。针对位于不同等级或划分的危险区域中的现场设备，可以将使用不同类型隔离电路的现场模块附接到底板上。干线可以使连接到底板的模块都能够利用全功率，从而可以添加不具备本质安全度的附加模块，以将全功率传递到安全区域中的现场设备。其他类型的设备也可以被连接到底板并与控制系统相互作用。

附图说明

随着描述的进行(尤其是结合示出了本发明的实施例的两个附图来进行描述时)，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。

图1示出了通过干线连接到控制处理器的根据本发明的模块化控制系统；以及

图2示出了底板段和能够附接到底板段的模块部分。

具体实施方式

图1示出了用于在控制处理器12与现场设备16a、16b、16c和16d之间传送电力和数据的模块化控制系统10，控制处理器12沿干线14接收并传送信号。每个现场设备16a-c位于危险区域18中。现场设备16d位于安全区域20中。所示控制系统10是现场总线系统。

尽管示出了干线14从控制处理器12直接延伸到控制系统10，但是可能存在位于控制系统10的下游或者沿干线14位于控制处理器12与控制系统10之间的其他设备耦合器(未示出)或者类似于控制系统10的其他控制系统。也可以使用其他网络拓扑。

控制系统10连接在干线14与现场设备16之间，并且从干线14向现场设备16传送电力，并在干线14与现场设备16之间传送数据信号。现场设备16可以是过程控制器、测量设备、以及本领域所熟知的其他设备。

控制系统10包括将系统10连接到干线14的干线模块22。干线模块22连接到局域总线或底板24。所示底板24是现场总线兼容的，分别使用两条线“+”线26和“-”线28沿底板24从干线模块22传导DC电力以及沿底板24从/向干线模块22传导AC数据信号。底板24还包括屏蔽线29。

附接到底板24上的是多个现场模块30a、30b和30c。每个现场模块30与位于危险区域18中的各现场设备16形成本质安全的连接。还附接到底板24上的是附加的现场模块32，其与位于安全区域20中的现场设备16d形成非本质安全的连接。

所示模块22、30和32可移动地安装在伸长的支架或轨道34上，伸长的支架或轨道34优选地位于控制箱或其他外壳中。为了清楚起见，在图1中，干线模块22和现场模块30、32被画成间隔开的，但是，应该理解的是，这些模块优选地被相互紧挨地布置，以节省控制箱内的空间。

干线模块22包括将干线模块22连接到干线14的干线接口36和将干线模块22连接到底板24的底板接口38。所示干线接口36包括与现场总线干线14的各电线42a、42b相连接的一组或一对端子40。接口36与38之间的连接44通过干线接口36从干线14向底板线26、28传送电力，并通过干线接口36和底板线26、28从/向干线14传送数据。

每个现场模块30包括将现场模块30连接到底板24的局域总线接口46和将现场设备连接到现场模块30的现场设备接口48。所示现场设备接口48包括与延伸至现场设备的用于进行数据和电力传送的各电线相连接的一组或一对端子50。所示现场模块30被规定为“单接头”设备，即，每个现场模块30连接到单个现场设备。接口46与48之间的连接52在两个接口46与48之间提供本质安全的连接，下文中将进行更详细的说明。本质安全的连接52将所连接的现场设备与供危险区域中的现场设备使用的干线14有效地进行隔离。

所示现场模块30a、30b和30c中的每一个包括不同类型的本质安全的连接52。

现场模块30a具有包括熔断器54的能量限制连接52。

现场模块30b具有磁隔离连接52，其使用耦合电感56(例如变压器的无源部件)或者可选地使用模拟耦合电感的有源电路等效来对底板和现场设备接口46、48进行磁耦合。Mittel的美国专利5,093,642“Solid State Mutually Coupled Inductor”中公开了适用于此目的的这种有源电路，该专利通过引用的方式整体并入本文。

现场模块30c具有结合了光隔离器58的光隔离连接52。根据需要，光隔离的现场模块30c的设备接口可以被配置为与延伸至现场设备的用于进行数据信号传输的光纤电缆进行连接。可以提供分离的电力引线，从设备接口48延伸到现场设备，或者可以不通过底板24而独立地对现场设备供电。

附加的现场模块32将底板24与位于安全区域中的现场设备连接。现场模块32包括将现场模块32连接到底板24的底板接口62和将现场设备连接到现场模块32的现场设备接口64。所示现场设备接口64包括与延伸至现场设备的用于进行数据和电力传输的各电线相连接的一组或一对端子66。优选地，段保护器68位于接口62与64之间。Kitchener的WIPO国际公开号为WO2007/010289的“ModularFieldbus Segment Protector”中公开了可适用于此目的的模块化段保护器的示例。

根据需要，段保护器还可以提供用于能量限制模块。

所示现场模块32是“单接头”设备，即，现场模块32连接到单个现场设备。可替换地，现场模块32可以是“多接头”设备，其可以连接两个、三个、四个、或更多个现场设备。每个设备应该由其各自的段保护器来保护。

应该理解的是，连接到局域总线24的本质安全的现场模块30和非本质安全的现场模块32的数量可以不同于图1所示的数量，以将干线14连接到或多或少的现场设备16。

控制系统10的优点在于，本质安全的现场模块30和非本质安全的现场模块32可以同时并且按照所需的不同数量被附接到底板24上。诸如底板可安装的现场设备(未示出)之类的其他类型的模块可以被添加到底板24，以沿底板24通信或者通过干线模块22与干线14进行通信。

优选地，干线模块22、本质安全的现场模块30、以及非本质安全的现场模块32被设计为抵抗并防止由于本质安全的现场模块30的现场设备接口48与干线模块22的干线接口或者与非本质安全的现场模块32的现场设备接口64之间的电压蠕变(voltage creep)而引起的电火花。

如图1所示，干线模块22和现场模块30、32以相互紧挨的形式布置，并且沿着由轨道34限定的水平轴68扩展。干线模块22的端子组40和非本质安全的现场模块32的每个端子组66位于干线模块22或现场模块32的上部竖直端。本质安全的现场模块30的端子组50位于现场模块30的下部竖直端。因此，即使本质安全的现场模块30被夹在两个非本质安全的现场模块32之间，或者即使模块30被夹在干线模块22与非本质安全的现场模块32之间，本质安全的端子50与非本质安全的端子40和66也是间隔开的。

底板24可以是伸长的印刷电路板，或者可以被形成为沿轨道34延伸的导体。

在优选实施例中，底板24被形成为可分离的总线段70。参见图2，其示出了底板段70和可以附接到底板段70上的模块22、30、或32的外壳部分71的一部分。底板段70卡锁(snap)在轨道34上。每个底板段70包括一段底板总线24和连接器72，连接器72形成干线模块22或要附接到底板段上的现场模块30、32的底板接口的一部分。底板总线连接74和76位于底板段70的一侧和底部。底板段70卡锁在轨道34上，并且被推在一起来连接相邻的总线连接器并形成使得所附接的段70的长度得以扩展的底板24。去除附接到底板段的现场模块30、32的外壳部分71，在与相邻段互连的轨道34上留下的段70与底板24和剩余模块是完整且可工作的。

通过将底板段70卡锁到轨道34上、推动所添加的段来挤压其他底板段、并将模块的外壳71附接到所添加的底板段，可以将新的模块添加到系统10。外壳部分71包括底板接口与模块的剩余部件的配合部分。

可适用于本发明的、商业可获得的分段的底板70是由本发明的受让人Phoenix Contact制造的T-BUS(商标)模块化轨道总线。

尽管已经示出并描述了本发明的优选实施例，但是应该理解的是，其变型也是可行的，因此，本发明不限于以上明确的细节，落入所附权利要求范围内的改变和修改都是有利的。

Claims (12)

1.一种模块化互连系统，用于在控制处理器与位于危险区域中的一个或多个现场设备之间传送电力和数据，控制处理器沿分布式控制网络的现场总线干线接收和传送信号，所述系统包括：

现场总线兼容底板、连接到底板的干线模块、以及附接到底板上的一个或多个现场模块；

所述底板包括沿底板运送数据信号的数据线和沿底板运送电力的电源线；

所述一个或多个现场模块中的每一个包括：底板接口，其将该现场模块连接到底板；现场设备接口，其将现场设备可操作地连接到该现场模块；现场设备接口与底板接口之间的本质安全的连接，其从底板接口向现场设备接口传送电力并在底板接口与现场设备接口之间传送数据；

所述干线模块包括：干线接口，其将干线模块连接到分布式控制网络的干线；底板接口，将干线模块连接到底板；以及干线接口与底板接口之间的连接，其从干线接口向底板传送电力并在干线接口与底板数据线之间传送数据，从而通过底板从网络向现场设备传送电力，并且通过底板在控制处理器与现场设备之间传送数据信号。

2.根据权利要求1所述的模块化互连系统，其中所述干线接口是现场总线干线接口。

3.根据权利要求1所述的模块化互连系统，其中干线模块和一个或多个现场模块中的每一个均具有相对侧，干线模块和一个或多个现场模块相互紧靠地布置并沿第一轴延展。

4.根据权利要求1所述的模块化互连系统，其中干线模块的干线接口包括将干线模块连接到干线的端子组，并且一个或多个现场模块中的每一个的现场设备接口包括将该现场模块连接到现场设备的端子组；并且

干线模块的端子组与现场模块的端子组沿垂直于第一轴的第二轴被间隔开。

5.根据权利要求1所述的模块化互连系统，其中干线模块和一个或多个现场模块中的每一个安装在共同的轨道上。

6.根据权利要求1所述的模块化互连系统，其中底板是T-BUS。

7.根据权利要求1所述的模块化互连系统，其中底板数据线和底板电源线包括传导电力和数据二者的共同的一组两条线。

8.根据权利要求1所述的模块化互连系统，包括附加的模块，附加的模块包括将该附加的模块连接到底板的底板接口。

9.根据权利要求1所述的模块化互连系统，包括对位于安全区域中的一个或多个附加的现场设备进行连接的一个或多个附加的现场模块，每个附加的现场模块包括：底板接口，其将附加的现场模块连接到底板；现场设备接口，其将现场设备可操作地连接到现场模块；现场设备接口与底板接口之间的非本质安全的连接，其从底板接口向现场设备接口传送电力并且在底板接口与现场设备接口之间传送数据。

10.根据权利要求1所述的模块化互连系统，其中一个或多个现场模块中的每一个包括段保护器。

11.根据权利要求1所述的模块化互连系统，其中干线模块和一个或多个现场模块中的每一个包括底板段和连接器，连接器用于将底板段连接到相邻底板段，从而通过将附加的现场模块添加到所述系统来扩展所述底板。

12.根据权利要求1所述的模块化互连系统，其中一个或多个现场设备中的每一个的现场设备接口与底板接口之间的本质安全的连接包括下列中的至少一个：电力限制电路、磁隔离电路、和光隔离电路。