CN105191041A - 具有保护电路的现场设备 - Google Patents

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Abstract

过程自动化技术的现场设备(FG)包括现场设备(FG)的通信接口(K)和现场设备(FG)的信号处理单元(BE)之间的保护电路(SS)，其中通信接口(K)优选地是现场设备(FG)的以太网接口，在通信接口(K)和信号处理单元(BE)之间提供第一装置用于限制电流，在用于限制电流的第一装置(E1)和信号处理单元(BE)之间提供设备(V)用于限制电压，以及在用于限制电压的设备(V)和信号处理单元(BE)之间提供第二装置(E2)用于限制能量。

Description

具有保护电路的现场设备
技术领域
本发明涉及一种过程自动化技术的现场设备，该现场设备包括保护电路。本发明还涉及一种本身保护电路，以及从非固有安全电流电路安全隔离固有安全电流电路或从固有安全电流电路安全隔离固有安全电流电路的方法。
背景技术
现场设备应用于用于控制和/或监测过程的工厂。
这种现场设备通常使用有线连接，以便连接到现场总线或，一般而言，连接到为用于为现场设备供电和/或用于从现场设备传输数据或将数据传输到现场设备的任何电线。这种连接，通常也被称为现场总线连接，例如用于通过用于数据传输协议进行通信，诸如例如HART、过程现场总线(Profibus)、FF现场总线协议(FoundationFieldbus)等协议。近来，还有所谓的以太网连接(Ethernetconnections)被用于通过工业以太网协议进行数据传输。
此外，现场设备可以使用其它连接，通过这些连接可以实现该现场设备的供电和/或从现场设备传输数据或将数据传输到现场设备。在这种情况下，该连接可以是太网连接。
因此，有可能将现场设备永久地连接到以太网网络，以便与现场设备进行通信，用于控制和/或监视经由以太网网络发生的过程。
另一方面，例如，为了服务现场设备，服务设备可以通过其它连接(被称为服务连接)仅在短时间内被连接到现场设备。在这种情况下，“服务”指的是任何一种与现场设备的数据交换，特别是用于设置参数、用于加载新固件或者简单地从现场设备读出数据，诸如例如，由现场设备记录的以测量数据为形式的数据的目的。
在易燃或易爆过程环境的情况下，例如，当在过程中使用可燃性气体时，在发生故障的情况下还需要提供传输到现场设备的电功率的限制。相应的措施和指导原则在标准中被提供，例如IEC60079-11(也称为EX)或具有北美支持的A，B，C或D组的分类I、分组1或2。
在上述现场设备的配置中发生故障的情况下，例如，在一般情况下，服务设备被连接到的高达260V或一般的可用电网电压，可以位于现场设备的相应连接上。
但是，一些服务设备，特别是传统的设备，诸如笔记本电脑、平板电脑等，往往不具有相应的功率限制措施。
因此，本发明的目的是提供相应的措施，以防止现场设备的损坏或用于防止位于预定值之上的能量输入，特别是在预定的点火电压之上，特别是在故障情况下。
发明内容
该目的通过根据本发明的现场设备、保护电路及方法实现。
关于现场设备，该目的是由过程自动化技术的现场设备实现，现场设备包括在所述现场设备的通信接口和所述现场设备的信号处理单元之间的保护电路，其中所述通信接口优选地是现场设备的以太网连接，其中在所述通信接口和所述信号处理单元之间提供用于限制电流的第一系统，其中在用于限制电流的所述第一系统和所述信号处理单元之间提供用于限制电压的装置，以及其中在用于限制电压的所述装置和所述信号处理单元之间提供用于限制能量的第二系统。
在一般情况下，以太网接口提供的优点关于数据的传输速度和固有的电流隔离。但是，当应用传统组件时，电流隔离不符合上述固有的安全标准，诸如例如IEC60079-11。提出的发明补救了这种情况。因此，即使在发生故障的情况下，通过任何传统设备建立与现场设备的安全连接也是可能的。
然而，使用除所述以太网接口以外的接口用于从现场设备传输数据或将数据传输到现场设备也是一种选项。在这种情况下，选项包括自动化技术领域中使用的所有接口，特别是用于现场设备的供电和/或与现场设备通信的过程自动化。一些实例，例如HART等已经被命名。
通过对保护电路的应用组件的相应设计，即第一系统、第二系统和用于限制电压的装置，可以保证现场设备和服务设备或通信接口之间的隔离满足点火保护类型的固有安全性，例如EXiIIA、IIB或IIC、或A、B、C或D组中分类I、分组1或2。
特别优选地，通信接口和信号处理单元之间的保护电路由用于限制电流的第一系统、用于限制能量的第二系统和用于限制电压的装置，即除了目前提到的组件之外，没有其它元件，以达到对应于标准，优选的是ATEX指南的充分隔离。
在这个时间点，通过现场设备的通信接口进行现场设备的相应维修，过程不得不暂停或爆炸感应的大气“关闭”，例如，通过消除可燃性的过程介质，即使在给定的情况下，传感器也被隔开，即从通信接口和/或从信号处理单元远程隔开并位于爆炸危险环境。
特别因为不需要依赖于光传输和不需要使用特殊的集成电路(IC)的工艺状态，所提出的解决方案优于已知的解决方案。因此，用于这种保护电路的成本可以减少，结构的形式也较小，也减少了保护电路的功率消耗。
在现场设备实施例的一种形式中，用于限制电流的第一系统优选地包括第一电容器对，并用于限制通过接口所输入的电能，以便保护用于限制电压的装置。
在给定的情况下，也可以使用单个电容器、二个电容器或二个以上的电容器，例如三、四、五或六或更多电容器。例如，在多个电容的情况下，即例如，在二个电容即一个电容器对的情况下，这些优选地是串联连接。在这种情况下，电容器优选体现为这样一种方式，即具有由IEC60079-11或A、B、C或D组中的分类I、分组1或2规范要求的介电强度，和满足相应的蠕变路径规范(creeppathspecifications)，即电容器，优选每个电容均拥有相应的结构形式。
在现场设备实施例的另一种形式中，用于限制能量的第二系统包括第二电容器对，用于限制对应于预定的限值的电能，例如，对应于点火保护类型、固有安全性的规范。所提到的关于用于限制电流的第一系统的实施例还比照于用于限制电流或限制能量的第二系统。
在现场设备实施例的另一种形式中，例如，在故障的情况下，用于限制电流的第一系统用于保护用于限制电压的装置通过由具有电网电压的通信接口或在故障情况下产生的干扰电压输入的能量。因此，通过被设置在通信接口和用于限制电压的装置之间的第一系统的电流限制，可以限制输入到该电场装置的功率和能量，特别是在用于限制电压的装置中存在的能量转换。通过这种方式，用于限制电压的装置的功能和用于限制能量的第二系统的功能可以被保证。
在优选的实施例中，用于限制电压的装置包括至少一个二极管，特别是优选至少一个齐纳二极管。由此，通过用于限制电压的装置，所发生的位于阈值之上的干扰电压被消除。优选地，用于限制电压的装置被连接到保护接地。
在现场设备实施例的另一种形式中，用于限制电流的第一系统满足点火保护类型、固有安全的规范，并且匹配于用于限制电压的装置。
用于限制电压的装置可以与用于限制电流的第一系统以这种方式体现和匹配，从而使在用于限制电压的装置中变换的功率低于用于限制电压的装置被允许变换的所需功率。这自然需要所使用组件的交互设计。例如，用于限制电流的电容器可以被设计，以使得在用于限制电压的二极管中转换的功率低于二极管中所允许的最大功率。优选地，即通常，用于限制电流的系统的电容器被设计，以使得在故障情况下，施加到通常地用于限制电压的装置的二极管上的电压总计例如仅是用于限制电压的装置中的最大允许功率的2/3。由此，通过这种方式，在故障情况下用于限制电压的装置的可靠保护和可靠动作可以被保证。
在现场设备实施例的另一种形式中，用于限制电流的第一系统用于限制故障情况下(在通信接口上)出现的(干扰)电压的电功率或电能。而且，在缺陷情况下位于通信接口上的电压的功率被用于限制电压的装置调节。
在现场设备实施例的另一种形式中，用于限制电压的装置和用于限制能量的第二系统用于限制通过保护电路输入的能量低于50μJ(微焦)。这对应于用于爆炸保护标准的要求，诸如例如IEC60079-11或用于爆炸危险区域例如气体组IIA、IIB或IIC中的区域0、区域1、区域2的上述分类I、分组1或2。
在现场设备实施例的另一种形式中，通信接口经由至少一个信号线与信号处理单元连接，其中信号线经由用于限制电流的第一系统和用于限制能量的第二系统延伸，并且其中信号线经由用于限制电压的装置延伸。
用于限制电压的装置优选地包括至少一个二极管，优选地相应地设计的齐纳二极管，另一方面，其与保护接地连接，并且另一方面，与至少一个信号线连接。
通信接口还能经由多个信号线与信号处理单元连接。相应的连接可以提供在通信接口和信号处理单元上，使得信号线用于将相应的信号从通信接口上的一个连接传输到信号处理单元上的相应连接。例如，信号线可以根据全双工原理，优选地是全双工通信以太网原理，用于通信接口和在给定情况下被连接到其的服务设备和信号处理单元之间的数据传输。例如，差分信号可以经由第一信号线Tx+和第二信号线Tx-经由通信接口传输到信号处理单元。来自于信号处理单元的差分信号可以经由第三信号线Rx+和第四信号线Rx-经由通信接口和相应连接被传输到在给定情况下被连接到其的服务设备。
但是，还有另一种连接，例如，由以太网标准预定的连接可以设置在通信接口上。相应地，还可以在通信接口和信号处理单元之间设置另一种信号线。在这种实施例的形式中，至少一个信号线，优选地，则是每个信号线或至少上述标记为Tx+、Tx-、Rx+、Rx-的信号线设有用于限制电流的第一系统、用于限制能量的第二系统和用于限制电压的装置。由此，每个信号线可以包括用于限制电流的第一系统，其优选地根据上述结构形式由至少两个电容器串联连接组成，用于限制能量的第二系统，其同样优选地由至少两个电容器串联连接组成，以及用于限制电压的装置(位于用于限制电流或能量的第一和第二系统之间)，其优选地由相应二极管组成，优选地为齐纳二极管(下面进一步比较)。在这种情况下，用于限制电流的第一系统和用于限制能量的第二系统同样地串联连接在通信接口和信号处理单元之间，其中用于限制电压的装置连接在用于限制电流或能量的第一和第二系统之间，另一方面，与相应的信号线连接，另一方面，与保护接地连接。在这种情况下，用于限制电压的特殊二极管优选是齐纳二极管，优选地沿阻断方向(blockingdirection)连接在相应信号线和保护接地之间。为此，可替换地，在导通方向上可以使用阻断二极管(blockeddiode)。
在每种情况下，用于限制电压的装置可以在每种情况下经由至少一个相应二极管与信号线连接。但是，优选地，与信号线连接的所有二极管通过单个二极管与保护接地连接，单个二极管在信号线和保护接地之间的导通方向上被连接，使得其与保护接地在阻断方向上连接。
由此，在现场设备实施例的另一种形式中，用于限制电流或能量的第一和第二系统串联连接，以及用于限制电压的装置设置在用于限制电流或能量的该串联连接的第一和第二系统之间。
用于限制能量的第二系统优选是以这样的方式设计，使得从其输出到信号处理单元的功率或能量根据点火保护类型的固有安全被限制。在这种情况下，优点是在故障的情况下(即，例如，在通信接口上存在干扰电压，其例如对应于电网电压)，现在不再是用于限制能量的第二系统得到干扰电压，其例如包括2个电容器，但相反，电压只由用于限制电压的装置限制。用于限制电压装置的(连续)功能进而由用于限制电流的装置来保证。
在现场设备实施例的另一种形式中，在保护电路和信号处理单元之间设置有用于电势隔离的装置，优选地称为磁性装置。由此，用于电流隔离即电势隔离的装置优选地设置在用于限制电流的第二系统和信号处理单元之间。
在多个信号线的情况下，在这种情况下，每个信号线可以通过相应的通道和进一步通过与信号处理单元的这些通道与用于电势隔离的装置连接。
在现场设备实施例的另一种形式中，信号处理单元是该现场设备的操作电子设备，其中信号处理单元例如与传感器电子设备连接，其中该传感器电子设备优选地与信号处理单元分离即局部隔离设置。在这种情况下，与信号处理单元和传感器或传感器分离即局部隔离的电子设备在每一种情况下具有其自身的外壳。
关于保护电路，其目的是由用于由前述权利要求之一所要求保护的现场设备的保护电路实现。如上所述，保护电路优选地包括用于限制电流的第一系统、用于限制能量的第二系统，以及用于限制电压的装置。
关于方法，其目的是通过一种从非固有安全或从固有安全的电流电路安全隔离固有安全的方法实现，其中位于现场设备的通信接口上的电压的功率由用于限制电流的第一系统限制，其中优选地根据点火保护类型、固有安全的规范，施加在通信接口上的电压由用于限制电压的装置限制，以及其中通过被限制的电压提供的能量由用于限制能量的第二系统限制。
附图说明
基于附图，本发明将被更详细的说明，单个附图显示如下：
图1现场设备的服务设备和操作装置之间的保护电路的示意图。
具体实施方式
图1示出了示意图，优选地(移动)手持的服务设备BG，此处为笔记本电脑，通过通信接口K与现场设备FG的操作电子设备BE连接。
图1的现场设备FG包括从操作电子设备BE移除传感器电子设备SE，其用于预处理由传感器传输的测量信号。在这种情况下，传感器及传感器电子设备SE位于爆炸危险区，例如，区域0或区域1。
传感器电子设备SE与操作电子设备BE通过信号线AN连接用于以数字或模拟形式传输测量信号。因此，在发生故障的情况下，可以发生通过通信接口K进入爆炸危险区0/1，根据相关规范能量输入高于这些区域所允许的能量输入。
为了限制通过通信接口K进入的电能，还在通信接口K和操作电子设备BE之间提供了用于限制功率或能量的保护电路SS。
通信接口K包括用于与操作电子设备BE建立连接的连接。通信接口k可以是，例如插入连接，在这情况下除了服务设备BG和现场设备FG之间的电连接之外，还发生与现场设备连接线的机械连接。
根据图1，提供相应的连接，以便以差分信号的形式在全双工操作中在服务设备BG和现场设备FG的操作电子设备BE之间交换数据。替代设计为短时间用于现场设备FG的服务接口的所显示的通信接口K，在这种情况下，通信接口K还可以设计为用于专为现场设备FG的长期运行和用于通过现场总线，即所谓的永久连接进行数据交换。
在所示的实施例形式中，通信接口K通过四信号线S1、S2、S3、S4与操作电子设备BE连接。也可以有其它未示出的信号线。每个信号线S1、S2、S3、S4包括第一对和第二对电容器，其中第一对形成用于限制电流的第一系统E1和第二对形成用于限制能量的第二系统E2。
此外，每个信号线S1、S2、S3、S4包括在第一和第二电容器对之间的抽头A1、A2、A3、A4，通过其每个信号线S1、S2、S3、S4通过此处在阻断方向上连接的至少一个二极管D1、D2、D3、D4与保护接地连接。这些二极管D1、D2、D3、D4也可以冗余设计，即例如代替二极管D1，串联多个二极管。
从各自的信号线S1、S2、S3、S4的抽头A1、A2、A3、A4处传出的每个分支包括二极管D1、D2、D3、D4。
在第二电容器和信号处理单元之间以操作电子设备BE形式提供以所谓的磁性装置形式的电流隔离M。
由于所提出的措施持久和可靠地防止功率或能量输入到爆炸危险区域0/1，所以本发明有效地实现固有安全的爆炸危险区域0/1与非固有安全区域2的隔离。爆炸危险区域0/1在图1中由虚线显示，保护电路SS由点线显示。
第一电容器对限制位于现场设备FG的通信接口K的电压的功率，其中施加到通信接口K的电压由二极管D1、D2、D3、D4限制，并且其中由该限制的电压提供的能量或功率优选地根据点火保护类型、固有安全的要求通过第二电容器对进行限制。
附图标记列表：
0/1爆炸危险或固有安全的区域
2非固有安全区域
BG服务设备
K通信接口
E1用于限制电流的第一系统
E2用于限制能量的第二系统
V用于限制电压的装置
E保护接地
G地面
S1第一信号线
S2第二信号线
S3第三信号线
S4第四信号线
M电流隔离
BE操作电子设备
SU传感器单元
FG现场设备
AN传感器/传感器电子设备和操作电子设备之间的信号线
SS保护电路
D1第一二极管
D2第二二极管
D3第三二极管
D4第四二极管
D5第五二极管

Claims (13)

1.一种过程自动化技术的现场设备(FG)，包括所述现场设备(FG)的通信接口(K)和所述现场设备(FG)的信号处理单元(BE)之间的保护电路(SS)，
其中，所述通信接口(K)优选地是所述现场设备(FG)的以太网连接，
其中，在所述通信接口(K)和所述信号处理单元(BE)之间提供用于限制电流的第一系统，
其中，在用于限制电流的所述第一系统(E1)和所述信号处理单元(BE)之间提供用于限制电压的装置(V)，以及其中，在所述用于限制电压的装置(V)和所述信号处理单元(BE)之间提供用于限制能量的第二系统(E2)。
2.如权利要求1所述的现场设备(FG)，其中，用于限制电流的所述第一系统(E1)优选地包括第一电容器对，并且用于限制能够经由所述接口(K)输入的电能，使得保护所述用于限制电压的装置(V)。
3.如权利要求1或2所述的现场设备(FG)，其中，用于限制能量的所述第二系统(E2)包括第二电容器对，所述第二电容器对用于限制对应于点火保护类型的固有安全规范的电功率。
4.如权利要求1、2或3所述的现场设备(FG)，其中，用于限制电流的所述第一系统(E1)用于保护所述用于限制电压的装置，以防止经由所述接口(K)的能量输入具有干扰电压，特别是电网电压。
5.如前述权利要求中任一项所述的现场设备(FG)，其中，用于限制电流的所述第一系统(E1)满足所述点火保护类型的固有安全规范，并且与所述用于限制电压的装置(V)的二极管匹配。
6.如前述权利要求中任一项所述的现场设备(FG)，其中，在故障情况下施加的电压的电功率由用于限制电流的所述第一系统(E1)限制。
7.如前述权利要求中任一项所述的现场设备(FG)，其中，所述用于限制电压的装置(V)和所述第二系统(E2)用于经由所述保护电路(SS)将所述能量输入限制为低于50μJ(50微焦)。
8.如前述权利要求中任一项所述的现场设备(FG)，其中，所述接口(K)经由至少一个信号线(S1、S2、S3、S4)与所述信号处理单元(BE)连接，并且其中，所述信号线(S1、S2、S3、S4)经由所述第一系统(E1)和用于限制能量的所述第二系统(E2)延伸，并且其中，所述信号线(S1、S2、S3、S4)经由所述用于限制电压的装置(V)延伸。
9.如前述权利要求中任一项所述的现场设备(FG)，其中，所述第一系统和第二系统(E1、E2)串联连接用于限制电流，以及所述用于限制电压的装置(V)设置在串联连接的用于限制电流的所述第一系统(E1)和用于限制能量的所述第二系统(E2)之间。
10.如前述权利要求中任一项所述的现场设备(FG)，其中，在所述保护电路(SS)和所述信号处理单元(BE)之间设置用于电势隔离的装置(M)，优选地是所谓的磁性装置。
11.如前述权利要求中任一项所述的现场设备(FG)，其中，所述信号处理单元(BE)是所述现场设备(FG)的操作电子设备，所述信号处理单元(BE)与传感器电子设备(SE)连接，所述传感器电子设备(SE)优选地与所述操作电子设备分离设置，即局部隔离。
12.用于如前述权利要求中任一项所述的现场设备(FG)的保护电路(SS)。
13.一种用于从非固有安全电流电路(0/1，2)安全隔离固有安全或从固有安全电流电路安全隔离固有安全的方法，其中，优选地根据点火保护类型的固有安全的要求，位于所述现场设备(FG)的通信接口(K)的电压的功率由用于限制电流的第一系统(E1)限制，其中，施加在所述通信接口(K)上的电压由用于限制电压的装置(V)限制，以及其中，由所限制的电压提供的功率由用于限制能量的第二系统(E2)限制。
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