CN107431505A - 现场总线网络中的支线隔离 - Google Patents

Abstract

一种用于在输入端或干线接口(30)与多个输出端或支线接口(38)之间提供电流隔离以将现场设备(14)连接至双线(44a，44b)过程控制网络(10)的干线(20)的方法包括：将多个支线接口的多个组连接至对应的隔离元件(34)。每个隔离元件(34)将对应输出端或支线接口组(38)连接至所述干线接口(30)，并且将所述对应支线接口组(38)与所述干线接口(30)电流隔离(40，42)。附接到不同支线接口组(38)的现场设备(14)也彼此电流隔离。

Description

现场总线网络中的支线隔离

技术领域

本公开涉及在过程控制中使用的现场总线系统，并且具体地涉及一种用于在现场总线干线与连接至所述现场总线干线的现场设备之间提供电流隔离的方法以及实施所述方法的设备耦合器。

背景技术

一些过程控制系统利用双线过程控制网络。所述两条线在控制处理器与连接至所述网络的现场设备之间传输模拟或数字数据信号，并且还连接至电源，所述电源向由现场总线网络供电的那些现场设备供电。可以在干线的两端提供端接阻抗以避免信号反射。

已知双线过程控制网络的示例包括但不限于基金会现场总线H1和Profibus PA现场总线网络。

双线过程控制网络通常包括：网络干线，所述网络干线连接至控制器；以及支线，所述支线从所述网络干线延伸并将现场设备连接至所述网络干线。可以采用本领域中已知的不同网络拓扑来安排所述干线和支线，包括(但不限于)点对点拓扑、干线与支线拓扑、树形拓扑及其组合。

可以由设备耦合器提供支线，所述设备耦合器包括将所述设备耦合器连接至所述网络干线的干线接口或输入端以及将多个支线连接至所述设备耦合器的多个支线接口或输出端。一个或多个设备耦合器可以附接至所述网络干线。如果设备耦合器连接至所述网络干线的一端，则所述设备耦合器还可以为所述干线的此端提供端接阻抗。

位于危险位置(即，存在由电火花造成的爆炸风险的位置)中的现场设备可以通过支线连接至所述网络干线，所述支线将有限的电力输送至所述现场设备以降低爆炸风险。所述支线还可以与所述网络干线电流隔离。两个网络分段之间的电流隔离中断所述分段之间的直接连接并且因此防止所述网络干线与所述支线之间电流的流动，从而进一步降低爆炸风险。

干线分段与支线分段之间的电流隔离还可提供了其他益处。隔离降低了接地环路的可能性，所述接地环路可以在干线分段与支线分段之间传播瞬态电压尖峰。隔离还可以防止任何共模噪声在干线分段与支线分段之间传播。也就是说，电流隔离可以甚至为在非危险位置中的网络使用提供益处。

存在若干种用于在干线接口与多个支线接口之间提供具有电流隔离的设备耦合器的常规方法。

图2展示了包括干线接口212和八个支线接口214的设备耦合器210。形成为变压器216的隔离元件连接至所述干线接口212和所述支线接口214。所述变压器的初级绕组218连接至所述干线接口212。所述支线接口214并联连接至所述变压器的次级绕组220。所述变压器216在所述干线接口212与所有支线接口214之间提供隔离；也就是说，所有支线接口在相同的隔离组中，因为所有支线接口连接至相同的变压器次级绕组220。。

图2展示了所述设备耦合器210，所述设备耦合器连接至网络干线222并且具有连接至标记为“SI1”和“SI2”的支线接口的支线224。所述支线224连接至现场设备226。尽管单个变压器216将所述现场设备226与所述网络干线222隔离，但所述现场设备226彼此间未电流隔离。由于所有支线接口214与所述变压器次级绕组220并联连接，因此电流可在所述支线224中任何支线之间流动。

图3中示出了对所述单变压器方法的修改，其示出了将所述两个现场设备226连接至所述网络干线222的设备耦合器230。除了变压器216具有多个次级绕组220而非单个次级绕组之外，所述设备耦合器230在其他方面类似于所述设备耦合器210。每个次级绕组220串联连接至对应支线接口214。

如在所述设备耦合器210中，所述变压器216在所述干线接口212与所有支线接口214之间提供隔离。但是由于每个次级绕组220连接至仅一个支线接口214，因此所述次级绕组220还在所述支线接口214之间提供电流隔离。由于所述次级绕组220将所述支线接口214彼此隔离，因此电流无法在所述支线224之间流动。

然而，由于所述多个次级绕组220的间隔要求，相邻支线接口214之间的隔离小于每个支线接口214与所述干线接口212之间的隔离。

图4中示出了又另一种用于在在干线接口与多个支线接口之间提供具有电流隔离的设备耦合器的方法，其展示了将所述两个现场设备226连接至所述网络干线222的设备耦合器240。所述设备耦合器240利用模块化系统，在所述模块化系统中，为每个支线接口214提供单独变压器216。所述变压器216的所述初级绕组218与所述干线接口212并联连接，但每个变压器216的所述次级绕组220与对应支线接口214串联连接。每个支线接口214通过专用变压器216单独与所述干线接口212隔离。

每个支线接口214还通过两个变压器216与另一个支线接口214隔离，也就是说，任何电流必须穿过两个变压器216以便从一个支线接口214流动至另一个支线接口214。电流无法在图4中示出的所述两个支线224之间流动，除非电流也流经附接至所述对应支线224的所述两个变压器216。

本文申请人所拥有的并且与本申请具有共同发明权的赫尔夫里克(Helfrick)等人的美国专利7,940,508公开了图4中所示的模块化系统的变体。所述’508专利公开了将所述干线接口连接至背板。附接至所述背板的单独支线接口包括支线接口以及连接至所述支线接口的隔离元件，所述支线接口还通过所述背板连接至所述干线接口。如果需要，可添加支线接口模块或者将其从所述背板移除。

发明内容

公开了一种用于在输入端或干线接口与多个输出端或支线接口之间提供电流隔离以将现场设备连接至双线过程控制网络的干线的新颖方法，所述双线过程控制网络在所述两条线上提供数据信号和电力。在可能的实施例中，可以提供输入端或干线接口以及所述多个输出端或支线接口作为用于将多个现场设备连接至干线的设备耦合器。

在实施例中，公开了一种用于将多个输出端连接至输入端以在输入端与输出端之间进行传输的方法。所述输入端被适配成用于连接至双线现场总线网络的网络干线，所述双线现场总线网络在所述两条线上为现场设备传输数据信号和电力，所述输出端被适配成用于连接现场设备。

所述输出端被分成两个或更多个输出端组。每个输出端组包括至少两个输出端，并且每个输出端在一个且仅一个输出端组中。

隔离元件彼此并联地连接至所述输入端，并且所述隔离元件连接至所述输出端组。每个输出端组与另一个输出端组并联连接至一个且仅一个隔离元件，所述一个隔离元件将所述输出端组连接至所述输入端并且将所述输出端组与所述输入端电流隔离。

在所述方法的可能的实施例中，所述隔离元件是变压器。所述变压器的初级绕组彼此并联地连接至所述输入端，并且每个输出端组彼此并联地连接至所述一个变压器的次级绕组。

在实施例中，公开了一种能够将多个现场设备连接至双线现场总线网络的网络干线的设备耦合器，所述双线现场总线网络属于在所述两条线上传输数据信号和电力的类型。

所述设备耦合器包括：第一干线接口，所述第一干线接口用于将所述设备耦合器连接至所述网络干线；以及两个或更多个支线隔离组，所述两个或更多个支线隔离组彼此并联地连接到所述第一干线接口。

每个支线隔离组包括两个或更多个支线接口的组以及将所述干线接口与所述支线接口耦合在一起的隔离元件。每个支线接口是一个且仅一个支线接口组的成员。在每个支线隔离组中，所述支线接口彼此并联地连接到所述隔离元件。所述隔离元件将所述干线接口与所述支线接口彼此电流隔离。

在所述设备耦合器的变体实施例中，每个隔离元件是变压器，所述变压器具有连接至所述干线接口的初级绕组以及彼此并联地连接至所述变压器的次级绕组的支线接口。

所公开的用于在干线接口或输入端与多个支线接口或输出端之间提供电流隔离的方法具有多个优点。

噪声支线可连接至一个支线接口或输出端组中的支线接口或输出端，并且其他现场设备可连接至另一个支线接口或输出端组中的支线接口或输出端。由于这些支线接口或输出端组彼此隔离，因此噪声将不会耦合到其他支线接口或输出端组上。

与为每个支线接口或输出端提供单独隔离元件相比，将两个或更多个支线接口或输出端的组连接至对应隔离元件降低了成本。通过将所述支线接口或输出端分组为多个支线接口或输出端的组，所述隔离元件和与每个隔离元件相关联的有关电路的成本被分配到所述组的所有支线接口或输出端中，从而极大地降低了由利用所公开的方法的设备耦合器提供的每支线接口的成本。

所述多个支线接口或输出端的组通过至少两个隔离元件彼此隔离。通过在多个支线接口或输出端的组之间以及每个支线接口或输出端与干线接口之间提供隔离，降低了控制网络中发生电火花的风险，所述控制网络提供充足的电力来操作需要在危险区域中进行定位的本质安全电力的多个现场设备，并且在一些应用中，可以消除对分立安全屏障或特定电源的需要。

所公开的方法还提供了将所述支线接口或输出端连接至变压器的多个次级绕组的优点，所述变压器具有附接至所述干线接口或输入端的单个初级绕组。为了获得与所公开的方法中相同的支线接口或输出端之间的隔离，将需要增大相邻次级绕组之间的间隔，需要比使用仅具有单个次级绕组的多个变压器占用更多空间的变压器。

随着描述的进行，本公开的其他目标和特征将变得明显，尤其是在结合示出一个或多个实施例的附图页时。

附图说明

图1展示了双线过程控制网络，所述双线过程控制网络包括所公开的将现场设备连接至网络干线的设备耦合器的实施例；并且

图2至图4展示了现有技术设备耦合器。

具体实施方式

图1展示了双线过程控制网络10，所述双线过程控制网络在控制处理器12与现场设备14之间传输过程控制信号，示出了三个现场设备14a、14b、14c。所展示的网络10是基金会现场总线H1网络，所述基金会现场总线H1网络包括常规现场总线电源16以及连接至网络干线20的一端的电力调节器18。端接阻抗22位于所述网络干线20的两端。

所述控制处理器12连接至所述网络干线20以接收和发射沿所述干线20传输的数据信号。所述现场设备14a、14b、14c连接至设备耦合器24，所述设备耦合器进而连接至所述网络干线20。所述现场设备14a、14b、14c通过所述设备耦合器24接收和发射沿所述网络干线20的数据信号，并且还通过所述网络干线20和通过所述设备耦合器24接收从电源16传输的电力。

所述现场设备14可以是过程控制器、测量设备等，如在现场总线领域已知的。所展示的现场设备14a、14b、14c位于危险区域26中。所述设备耦合器24位于区域28中。所述区域28可以与所述危险区域26相同或者可以是不同于所述区域26的危险或非危险区域。

图1中示出了所述网络干线20，所述网络干线直接在所述控制处理器12与所述设备耦合器24之间延伸。然而，可以存在连接至所述控制处理器12与所述设备耦合器24之间的所述网络干线20的或者连接至所述设备耦合器24的下游的所述网络干线20的其他设备耦合器或现场设备(未示出)。

图1中所示的网络拓扑是常规干线和支线拓扑；其他常规现场总线拓扑是已知的，并且所述设备耦合器24可以用在其他拓扑中以将现场总线设备连接至现场总线分段。

所述设备耦合器24包括：输入端干线接口30，所述输入端干线接口将所述设备耦合器24连接至网络干线或现场总线分段；以及多个支线隔离组32，所述多个支线隔离组与将所述现场设备连接至所述设备耦合器24的所述干线接口30并联连接。每个支线隔离组32包括：隔离元件34；以及两个或更多个输出端或支线接口38的组36，所述两个或更多个输出端或支线接口将所述现场设备连接至所述设备耦合器24。每个支线接口38是仅一个支线接口组36的成员。

在支线隔离组32内，所述隔离元件34连接至所述干线接口30，并且所述支线接口38与所述隔离元件14并联连接。所述隔离元件34将所述干线接口30与所述支线接口组36的每个支线接口38连接，并且将所述干线接口30与所述支线接口36的每个支线接口30电流隔离。

所展示的设备耦合器24具有两个支线隔离组32。一个支线隔离组32包括支线接口组36，所述支线接口组包含图1中标记为“支线接口1”至“支线接口4”的四个支线接口38。另一个支线隔离组32包括支线接口组36，所述支线接口组包含图1中标记为“支线接口5”至“支线接口8”的四个支线接口38。应该理解的是，所述设备耦合器24的其他实施例可包括附加支线隔离组32，或者支线接口组36可包含2个、3个、4个或多于5个的支线接口38。

所展示的实施例中的每个隔离元件34是具有初级绕组40和次级绕组42的变压器。所述初级绕组40连接至所述干线接口30。与所述隔离元件34相关联的所述支线接口组36的所述支线接口38与所述次级绕组42并联连接。所述次级绕组42彼此不连接。

图1中示出了设备耦合器24，所述设备耦合器通过端子44a、44b的组或一对端子连接至所述网络干线20，所述端子连接至所述网络干线20的对应线46a、46a。

图1展示了连接至标记为“支线接口1”的支线接口38的一个现场设备14a、连接至标记为“支线接口2”的支线接口38的第二现场设备14b、以及连接至标记为“支线接口5”的支线接口38的第三现场设备14b。也就是说，所述现场设备14a、14b连接至一个支线接口36，并且另一个现场设备14b连接至另一个支线接口组36。每个现场设备14通过双线支线48连接至其对应支线接口36以在所述现场设备14与所述设备耦合器24之间传输数据信号和电力。

如在图1中明显看出的，每个现场设备14通过现场设备14所附接的支线隔离组的所述隔离元件34与所述干线接口30电流隔离。附接至一个支线隔离组32的现场设备通过两个隔离元件34与附接至另一个支线隔离组32的现场设备电流隔离，因为在一对支线隔离组32之间流动的任何电流必须流经所述两个支线隔离组32的两个隔离元件34。

在图1中，所述现场设备14a、14b与所述干线接口30电流隔离，并且所述现场设备14c通过两个变压器34与所述现场设备14a、14b电流隔离。如果连接至所述现场设备14c的支线48有噪声，则所述噪声将不会耦合到连接至所述现场设备14a、14b的所述支线48上。如果已知现场设备14c生成噪声，则所述支线隔离组32可以仅专用于连接所述现场设备14c。

所述设备耦合器24还包括端接阻抗50，所述端接阻抗可选择地连接至所述干线接口30。如果所述设备耦合器24放置在所述网络干线20的所述一端处，则所述设备耦合器阻抗50可采用常规方式手动地或自动地连接至所述干线接口30以端接所述网络干线20的一端。

尽管本公开包括详细描述的一个或多个说明性实施例，但应理解的是所述一个或多个实施例各自能够进行修改，并且本公开的范围不限于本文所阐述的精确细节但包括对于相关领域中普通技术人员将会是明显的这种修改以及落入以下权利要求书的范围内的这种改变和变更。

Claims (21)

1.一种设备耦合器，所述设备耦合器能够将多个现场设备连接至双线现场总线网络的网络干线，所述双线现场总线网络属于在所述两条线上传输数据信号和电力的类型，所述设备耦合器包括：

干线接口，所述干线接口用于将所述设备耦合器连接至网络干线；以及多个支线隔离组，所述多个支线隔离组彼此并联地连接到所述第一干线接口；并且

每个支线隔离组包括：隔离元件，所述隔离元件连接至所述干线接口；以及连接至所述隔离元件的两个或更多个支线接口的组，所述支线接口彼此并联地连接到所述隔离元件，所述隔离元件将所述干线接口与所述支线接口连接在一起并且将所述干线接口与所述支线接口电流隔离。

2.如权利要求1所述的设备耦合器，其中，在每个支线隔离组中：所述隔离元件包括对应的变压器，所述变压器包括连接至所述干线接口的第一变压器绕组以及连接至所述支线接口的组的第二变压器绕组。

3.如权利要求2所述的设备耦合器，其中，所述支线隔离组的所述第一变压器绕组彼此并联地连接到所述干线接口。

4.如权利要求2所述的设备耦合器，其中，每个支线隔离组的所述多个支线模块彼此并联地连接到所述支线隔离组的所述第二变压器绕组。

5.如权利要求2所述的设备耦合器，其中，所述支线隔离组的所述第二变压器绕组彼此不连接。

6.如权利要求1所述的设备耦合器，其中，所述多个支线隔离组包括第一支线隔离组和第二隔离组；并且

所述第一支线隔离组的多个支线接口至少通过所述第一和第二支线隔离组的所述隔离元件与所述第二支线隔离组的多个支线接口电流隔离。

7.如权利要求6所述的设备耦合器，其中，每个支线隔离组的所述隔离元件是变压器，由此所述第一支线隔离组的多个支线接口至少通过所述第一和第二支线隔离组的所述变压器与所述第二支线隔离组的多个支线接口电流隔离。

8.如权利要求1所述的设备耦合器，其中，所述设备耦合器连接至所述网络干线，现场设备附接至所述设备耦合器的所述支线接口之一，并且所述现场设备位于危险区域中。

9.如权利要求1所述的设备耦合器，其中，所述设备耦合器连接至所述网络干线，并且所述设备耦合器位于危险区域中。

10.如权利要求1所述的设备耦合器，其中，所述设备耦合器连接至所述网络干线，并且电源连接至所述网络干线。

11.如权利要求10所述的设备耦合器，其中，现场设备连接至所述设备耦合器的所述支线接口之一，并且所述电源向所述现场设备供电。

12.如权利要求1所述的现场设备耦合器，其中，所述设备耦合器包括端接阻抗，所述端接阻抗被适配成用于端接所述网络干线的一端。

13.一种将多个输出端连接至输入端以在输入端与输出端之间进行传输的方法，所述输入端被适配成用于连接至双线现场总线网络的网络干线，所述双线现场总线网络在所述两条线上为现场设备传输数据信号和电力，所述输出端被适配成用于连接现场设备，所述方法包括以下步骤：

将所有所述多个输出端分成两个或更多个输出端组，每个输出端在所述两个或更多个输出端组中的一个且仅一个组中，每个输出端组包括两个或更多个输出端；

将隔离元件彼此并联地连接至所述输入端，并且将所述隔离元件连接至所述输出端组，每个输出端组与一个且仅一个隔离元件并联连接，所述一个隔离元件将所述输出端组连接至所述输入端并且将所述输出端组与所述输入端电流隔离；

由此当所述输入端连接至所述网络干线时，每个输出端组与所述网络干线以及其他输出端组电流隔离。

14.如权利要求13所述的方法，其中，连接隔离元件的步骤包括在所述输入端与每个输出端组之间连接对应的变压器的步骤。

15.如权利要求14所述的方法，其中，连接对应的变压器的步骤包括以下步骤：将所述变压器的第一绕组连接至所述输入端的步骤，并且将与所述变压器相关联的输出端组与所述变压器的第二绕组并联连接的步骤。

16.如权利要求15所述的方法，其中，在将所述隔离元件连接至所述输入端和输出端之后，每个输出端组通过所述变压器中的至少两个变压器与每个其他输出端组电流隔离。

17.如权利要求13所述的方法，包括将现场设备连接至所述输出端之一的步骤，所述现场设备位于危险区域中。

18.一种双线过程控制网络，所述双线过程控制网络在所述网络上传输数据信号和电力，所述双线过程控制网络包括：

干线，所述干线包括两条线，所述两条线传输所述数据信号和所述电力；

干线接口，所述干线接口连接至所述干线；

两个或更多个支线接口组，所述两个或更多个支线接口组连接至所述干线接口，每个支线接口组包括两个或更多个支线接口，每个支线接口在一个且仅一个支线接口组中；并且

每个支线接口组连接至对应的隔离元件，每个隔离元件连接至所述干线接口。

19.如权利要求18所述的网络，其中，所述两个或更多个支线接口组包括第一支线接口组和第二支线接口组，第一现场设备连接至所述第一支线接口组中的一个支线接口，并且第二现场设备连接至所述第二支线接口组中的一个支线接口。

20.如权利要求18所述的网络，包括：现场设备，所述现场设备附接至一个支线接口，所述现场设备位于危险区域中。

21.如权利要求18所述的网络，其中，所述支线接口位于危险区域中。