CN103618302A - 以太网齐纳式安全栅的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以太网齐纳式安全栅的应用，该以太网齐纳式安全栅用于连接安全区域以太网和危险区域以太网，将以太网齐纳式安全栅与以太网交换电路相连接，以太网交换电路输入端连接安全区域以太网，其输出端连接以太网齐纳式安全栅前端，以太网齐纳式安全栅后端连接危险区域以太网；以太网齐纳式安全栅用来对以太网交换电路输出的安全以太网信号进行限能并输出至本安以太网接口。本发明通过将以太网交换电路和齐纳式安全栅组合，无需更新现有的以太网设备且无需改变现有以太网的布线方式，即可将安全区域的标准以太网信号连接到危险区域，从而低成本的实现了以太网通信和本安系统的结合。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动化领域，具体涉及以太网齐纳式安全栅在以太网中的应用。
背景技术
安全栅是一种应用到本安防爆系统中的设备，是安装于安全场所并含有本安电路和非本安电路的装置，安全栅通过限流电路和限压电路限制送往现场本安回路的能量，从而防止非本安电路的危险能量串入本安电路，其在本安防爆系统中称为关联设备，是本安系统的重要组成部分。
安全栅主要有齐纳式安全栅和隔离式安全栅两大类。齐纳式安全栅的核心元件为齐纳二极管、限流电阻及快速熔断保险丝。隔离式安全栅不但有限能的功能，还有隔离功能，它主要由回路限能单元、信号和电源隔离单元及信号处理单元组成。
以太网是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10Mbps、100Mbps以及更高的速率运行在多种类型的电缆上。
随着以太网技术的广泛使用，目前以太网已经成为各种不同硬件设备之间通信的标准配置。但在本质安全系统中，以太网的应用还非常少，其中主要原因在于将现有的安全区域以太网通信连接到危险区域必须选用安全栅等类似的能量限制装置，从而确保在有爆炸性气体等应用场合的系统安全。当然，安全区到危险区的以太网通信也可以选用光纤方式，这样由于没有电的联系可以保证安全，但采用光纤及相关的光电转换设备显然更为昂贵，安装维护也不太方便，尤其针对某些已经布有铜线的应用场合，重新布线非常麻烦。
传统的齐纳安全栅或隔离安全栅是实现防爆系统中安全区与危险区连接的简单方案，而且也可以使用相对廉价和便于使用的铜线电缆。但传统的安全栅电路一般采用快速熔断保险丝、齐纳二极管、限流电阻等的设计，由于其阻容电路参数的限制，对高频信号有很强的滤波作用，从而使得安全栅难以达到较高的通信速率，一般安全栅常用的通信速率基本都在1Mbps以下，很难满足以太网通信速率至少10MBps的要求。
发明内容
本发明的目的是提供以太网齐纳式安全栅用于连接安全区域以太网和危险区域以太网的应用。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
以太网齐纳式安全栅用于连接安全区域以太网和危险区域以太网的应用，将以太网齐纳式安全栅与以太网交换电路相连接，以太网交换电路输入端连接安全区域以太网，其输出端连接以太网齐纳式安全栅前端，以太网齐纳式安全栅后端连接危险区域以太网；以太网齐纳式安全栅用来对以太网交换电路输出的安全以太网信号进行限能并输出至本安以太网接口。
上述以太网交换电路包括相互连接的以太网交换芯片和隔离变压器，其中，以太网交换芯片输入端连接安全区域以太网，隔离变压器输出端连接以太网齐纳式安全栅前端。
上述以太网交换电路包括电源输入接口、不少于一个的安全以太网信号输入接口以及与安全以太网信号输入接口对应的输出接口。
上述以太网齐纳式安全栅包括用来连接安全区域以太网信号的快速熔断器、用来限制电压的齐纳二极管组以及用来限制电流的电阻组。
上述齐纳二极管组为相互串联和/或并联的齐纳二极管，且不管是串联连接的齐纳二极管还是并联连接的齐纳二极管均同向连接。
上述电阻组为相互串联和/或并联的电阻。
本发明通过将以太网交换电路和齐纳式安全栅组合，无需更新现有的以太网设备且无需改变现有以太网的布线方式，即可将安全区域的标准以太网信号连接到同时具备防爆要求和以太网通信要求的危险区域本质设备中，从而低成本的实现了以太网通信和本安系统的结合。
与现有技术相比，本发明具有特点：
（1）将安全栅应用于以太网通信，实现了将安全区域的标准以太网信号连接到同时具备防爆要求和以太网通信要求的危险区域本质安全设备中，从而保证以太网本质安全系统的安全。
（2）能满足以太网通信速率要求，保证了以太网通信速率达到10MBps以上。
（3）成本低廉，安装维护方便。
附图说明
图1是本发明实施例的整体电路结构框图；
图2是本发明实施例中以太网交换电路的原理示意图；
图3是本发明实施例中齐纳式安全栅整体示意图；
图4是本发明实施例中齐纳安全栅的电路原理图。
具体实施方式
本发明采用两套电路来将以太网应用于安全本质系统，一套为以太网交换电路，另一套为齐纳式安全栅，见图1。见图2，以太网交换电路采用专用的以太网交换芯片及相关配套电路，并通过隔离变压器连接齐纳式安全栅。以太网交换电路提供两路以太网信号的以太网交换功能，并具备存储转发的功能。第一路以太网信号来自于安全区域的标准以太网信号，该信号可以连接以太网交换机或路由器等标准以太网设备，图2中的TX1+、TX1-、RX1+、RX1-即为第一路信号，即4线以太网的两对差分发送和接收信号。第二路信号连接隔离变压器，通过隔离变压器、齐纳式安全栅将第二路信号提供给危险区域的本安电路。图2中的TX2+、TX2-、RX2+、RX2-即为第二路信号，隔离变压器对该4线第二路信号进行隔离、波形整形等处理，然后将处理后的信号ETH_TX+、ETH_TX-、ETH_RX+、ETH_RX-送给齐纳式安全栅。
以太网交换电路由于使用了以太网交换芯片，需连接外部电源，该电源由于处于安全区域，因此没有本安方面设计要求。通过以太网交换电路，来自于齐纳式安全栅的以太网信号波形将被隔离和整形，其抑制了齐纳式安全栅导致的高频信号衰减和波形杂波，从而使得通过齐纳式安全栅滤波过的以太网信号能够传输到远程安全区域的以太网。
见图3，经隔离变压器之后的4线以太网信号ETH_TX+、ETH_TX-、ETH_RX+、ETH_RX-，各路信号均分别连接一齐纳式安全栅进行限能，限能处理后的信号IA_TX+、IA_TX-、IA_RX+、IA_RX-直接连接各齐纳式安全栅后端的本安以太网接口。
见图4，齐纳式安全栅包括快速熔断器、限流电阻组和齐纳二极管组，快速熔断器和限流电阻组串联，齐纳二极管组的一端连接在快速熔断器和限流电阻组连接端，另一端接地。齐纳二极管组用于限压，快速熔断器与限流电阻组用于限流，从而确保危险区域本安设备的安全。齐纳式安全栅主要通过齐纳二极管组及限流电阻组减少齐纳式安全栅对以太网高频网络通信信号的影响。齐纳二极管组为多个串并联的电容值较低的齐纳二极管，其中，不管是串联连接的齐纳二极管还是并联连接的齐纳二极管均同向连接。通过串联可降低齐纳式安全栅电容值，可减少对高频信号的滤波作用；通过并联可提高齐纳二极管组的可承受功率，并加强齐纳式安全栅的可靠性，但部分齐纳二极管损坏时，仍能保证工作。同时，限流电阻组尽量选择阻值较小的电阻，以保证对高频信号的影响较小，限流电阻组为多个串并联的电阻，不仅可提高限流电阻组功率，同时也可降低限流电阻组阻值，减少对高频信号的滤波作用；另外，还可增强齐纳式安全栅的可靠性。综上，本发明通过串并联齐纳二极管和限流电阻，一方面可提高齐纳式安全栅所承受的功率，另一方面也降低了齐纳式安全栅对高频信号的影响，在保证齐纳安全栅限压、限流效果的同时，也能保证高频以太网信号的通信速率。
齐纳式安全栅的一种具体实施见图4。下面将结合图4，并以ETH_TX+输入信号为例说明齐纳式安全栅的工作原理：ETH_TX+信号经过快速熔断器F1，然后依次经过齐纳二级管组、限流电阻组，输出IA_TX+信号。齐纳二级管组由串联的齐纳二级管D1和D3与串联的齐纳二级管D2和D4并联构成，齐纳二级管D2和D4接地。限流电阻组由3个并联的电阻R1、R2和R3构成。快速熔断器F1用于限流，正常以太网工作电流为mA级别，则选择500mA以下额定电流的快速熔断器即可。
针对上述以太网齐纳式安全栅电路进行如下测试：
以太网交换机接口TX1+、TX1-、RX1+、RX1-连接标准的计算机网卡，以太网齐纳式安全栅后端的安全以太网信号IA_TX+、IA_TX-、IA_RX+、IA_RX-连接本安主板的网卡。首先，通过ping命令进行网络连通测试，发送100个包均未出现丢包现象；然后，通过FTP方式传输10M字节大小的文件，能稳定正确传输，传输时间与正常以太网传输基本无差异。
在以太网齐纳式安全栅前端加入标准220V交流电压，以测试安全栅的安全性，实测发现安全栅快速熔断器迅速熔断，但安全栅后端连接的本安主板未出现任何异常。更换快速熔断器后，安全栅电路工作正常。
通过上述测试表明，以太网齐纳式安全栅在保证本安系统安全的同时，完全可实现高速以太网信号的通信。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.以太网齐纳式安全栅用于连接安全区域以太网和危险区域以太网的应用，将以太网齐纳式安全栅与以太网交换电路相连接，以太网交换电路输入端连接安全区域以太网，其输出端连接以太网齐纳式安全栅前端，以太网齐纳式安全栅后端连接危险区域以太网；以太网齐纳式安全栅用来对以太网交换电路输出的安全以太网信号进行限能并输出至本安以太网接口。
2.如权利要求1所述的应用，其特征在于：
所述的以太网交换电路包括相互连接的以太网交换芯片和隔离变压器，其中，以太网交换芯片输入端连接安全区域以太网，隔离变压器输出端连接以太网齐纳式安全栅前端。
3.如权利要求1所述的应用，其特征在于：
所述的以太网交换电路包括电源输入接口、不少于一个的安全以太网信号输入接口以及与安全以太网信号输入接口对应的输出接口。
4.如权利要求1所述的应用，其特征在于：
所述的以太网齐纳式安全栅包括用来连接安全区域以太网信号的熔断器、用来限制电压的齐纳二极管组以及用来限制电流的电阻组。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于：
所述的齐纳二极管组为相互串联和/或并联的齐纳二极管，且不管是串联连接的齐纳二极管还是并联连接的齐纳二极管均同向连接。
6.如权利要求4所述的应用，其特征在于：
所述的电阻组为相互串联和/或并联的电阻。
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| CN105207144A (zh) * | 2015-09-29 | 2015-12-30 | 哈尔滨东方报警设备开发有限公司 | 一种采用插拔式的本安接线模块 |
| CN109088404A (zh) * | 2017-06-13 | 2018-12-25 | 神讯电脑(昆山)有限公司 | 具有限制输出能量功能的电子装置 |
| US11852456B2 (en) | 2018-03-07 | 2023-12-26 | Austin Star Detonator Company | Enhanced safety and reliability for a networked detonator blasting system |
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