CN111857077A - 一种rs-485隔离电路及安全栅 - Google Patents

一种rs-485隔离电路及安全栅 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种RS‑485隔离电路及安全栅，电路包括危险区信号转换模块、安全区信号转换模块、第一隔离器和第二隔离器；现场设备给控制设备发送第一差分信号，危险区信号转换模块，将第一差分信号转换为第一数字信号；通过第一隔离器将第一数字信号发送给安全区信号转换模块；安全区信号转换模块将第一数字信号还原为第一差分信号；控制设备给现场设备发送第二差分信号，安全区信号转换模块将第二差分信号转换为第二数字信号；通过第二隔离器将第二数字信号发送给实施危险区信号转换模块；危险区信号转换模块将第二数字信号还原为第二差分信号。该电路能够实现现场设备和控制设备之间的双向通信，同时增加本安防护，能够满足工业现场环境中的本安要求。

Description

一种RS-485隔离电路及安全栅
技术领域
本申请涉及信号传输技术领域，特别是涉及一种RS-485隔离电路及安全栅。
背景技术
安全栅又称安全限能器，通常应用在有易燃易爆本物质的环境中。
由于工业控制现场环境复杂，存在易燃易爆物质时，控制设备给现场设备发送信号时，需要使用安全栅对安全区和危险区进行隔离，通过使用安全栅可以限制传输信号的能量，使该能量产生的火花不足以引起爆炸。
但是，现有的信号隔离方案仅支持单向数字通信信号的隔离，而不支持双向通信差分信号的隔离。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种RS-485隔离电路及安全栅，能够实现现场设备和控制设备之间的双向通信。
本申请公开了如下技术方案：
第一方面，本申请提供了一种RS-485隔离电路，包括：危险区信号转换模块、安全区信号转换模块、第一隔离器和第二隔离器；
当现场设备给控制设备发送第一差分信号时，所述危险区信号转换模块，用于将所述第一差分信号转换为第一数字信号；通过所述第一隔离器将所述第一数字信号发送给所述安全区信号转换模块；所述安全区信号转换模块，用于将所述第一数字信号还原为所述第一差分信号；
当所述控制设备给所述现场设备发送第二差分信号时，所述安全区信号转换模块，还用于将所述第二差分信号转换为第二数字信号；通过所述第二隔离器将所述第二数字信号发送给实施危险区信号转换模块；所述危险区信号转换模块，还用于将所述第二数字信号还原为所述第二差分信号。
可选的，所述第一隔离器为第一光电耦合器OCEP；
所述第一OCEP，具体用于根据所述第一数字信号生成第一脉冲信号；
所述安全区信号转换模块，具体用于根据所述第一脉冲信号，将所述第一数字信号还原为所述第一差分信号。
可选的，所述第二隔离器为第二光电耦合器OCEP；
所述第二OCEP，具体用于根据所述第二数字信号生成第二脉冲信号；
所述危险区信号转换模块，具体用于根据所述第二脉冲信号，将所述第二数字信号还原为所述第二差分信号。
可选的，所述危险区信号转换模块的第一端用于连接所述现场设备；所述危险区信号转换模块的输出端连接所述第一隔离器的输入端；所述危险区信号转换模块的输入端连接所述第二隔离器的输出端；
所述安全区信号转换模块的第一端用于连接所述控制设备，所述安全区信号转换模块的输出端连接所述第二隔离器的输入端；所述安全区信号转换模块的输入端连接所述第一隔离器的输出端。
可选的，所述电路还包括第一防护器件；
所述第一防护器件连接在所述现场设备与所述危险区信号转换模块的第一端之间；
所述第一防护器件，用于限制所述第一差分信号或所述第二差分信号携带的能量。
可选的，所述电路还包括第二防护器件；
所述第二防护器件连接在所述控制设备与所述安全区信号转换模块的第一端之间；
所述第二防护器件，用于限制所述第一差分信号或所述第二差分信号携带的能量。
可选的，所述第一防护器件包括：电阻、保险丝和稳压二极管；
所述电阻与所述保险丝串联后的第一端连接所述稳压二极管的阴极；
所述稳压二极管的阴极用于连接所述现场设备；所述稳压二极管的阳极接地；
所述电阻与所述保险丝串联后的第二端用于连接所述危险区信号转换模块的第一端。
可选的，所述第二防护器件与所述第一防护器件的结构一致。
可选的，所述电路还包括：隔离变压器；
所述隔离变压器的原边用于连接供电电源；
所述隔离变压器的第一副边用于连接所述现场设备；
所述隔离变压器的第二副边用于连接所述控制设备。
所述隔离变换器，用于将所述供电电源与所述现场设备隔离，将所述供电电源与所述控制设备隔离；以使所述供电电源给所述现场设备或所述控制设备隔离供电。
第二方面，本申请提供了一种安全栅，包括本申请第一方面中任一种可选的隔离电路。
由上述技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请提供的一种RS-485隔离电路及安全栅，该隔离电路包括：危险区信号转换模块、安全区信号转换模块、第一隔离器和第二隔离器；当现场设备给控制设备发送第一差分信号时，所述危险区信号转换模块，用于将所述第一差分信号转换为第一数字信号；通过所述第一隔离器将所述第一数字信号发送给所述安全区信号转换模块；所述安全区信号转换模块，用于将所述第一数字信号还原为所述第一差分信号；当所述控制设备给所述现场设备发送第二差分信号时，所述安全区信号转换模块，还用于将所述第二差分信号转换为第二数字信号；通过所述第二隔离器将所述第二数字信号发送给实施危险区信号转换模块；所述危险区信号转换模块，还用于将所述第二数字信号还原为所述第二差分信号。因此，现场设备向控制设备反馈信息时，现场设备能够向控制设备发送第一差分信号；控制设备向现场设备发送控制信息时，控制设备能够向现场设备发送第二差分信号，从而本申请提供的隔离电路在保证隔离现场设备与控制设备的前提下，能够实现控制设备和现场设备之前的双向通信及在通信过程中能够满足本安要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种隔离电路的示意图；
图2为本申请实施例提供的又一种隔离电路的示意图；
图3为本申请实施例提供的再一种隔离电路的示意图。
具体实施方式
目前，工业控制现场环境复杂，在该环境中会存在易燃易爆物质，因此，工业现场侧的现场设备和控制室侧的控制设备之间通信时，需要使用安全栅对危险区与安全区进行隔离。RS485为一种工业现场总线，在易燃易爆的环境中使用时，也需要进行本安防护，以达到防爆的目的。RS485的电气特性为2线制，其利用2线制差分信号传输数据，例如：将其中一条线定义为A，另一条线定义为B时，RS485的信号在传输时会分解为正负对称的A、B两条线路，即差分A信号线和差分B信号线。
由于RS485为半双工工作模式，即RS485能够实现双向通信，但现有的隔离电路一方面无法满足双向通信的需求；另一方面也无法差分信号的隔离传输。
为了解决上述问题，本实施例提供了一种隔离电路，在该隔离电路包括至少两个隔离器以及至少两个信号转换模块。以两个隔离器及两个信号转换模块为例，其中一个信号转换模块位于危险区，另一个位于安全区，信号转换模块能够将差分信号转换为数字信号，也能够将数字信号转换为差分信号。其中一个隔离器用于现场设备给控制设备发送的信号进行隔离，另一个用于控制设备给现场设备发送的信号进行隔离。因此，能够实现控制设备和现场设备之前的双向通信，进而控制设备能够得知现场设备反馈的信息，从而意见反馈信息能够调整控制策略。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一：
本申请实施例一提供了一种隔离电路，下面结合附图具体说明。
参见图1，该图为本申请实施例提供的一种隔离电路的示意图。
该隔离电路包括：危险区信号转换模块101、安全区信号转换模块102、第一隔离器103和第二隔离器104。
图中1表示危险区，2表示安全区，3表示电源区。
危险区信号转换模块101位于危险区，安全区信号转换模块102位于安全区。
第一隔离器103和第二隔离器104均位于危险区与安全区之间的输入输出隔离带。
危险区信号转换模块101的第一端用于连接现场设备105；危险区信号转换模块101的输出端连接第一隔离器103的输入端；危险区信号转换模块101的输入端连接第二隔离器104的输出端；
安全区信号转换模块102的第一端用于连接控制设备106，安全区信号转换模块102的输出端连接第二隔离器104的输入端；安全区信号转换模块102的输入端连接第一隔离器103的输出端。
由于工业现场的环境比较复杂，控制设备106给现场设备105发送控制信号后，控制设备106需要得知现场设备105的反馈信息。现场设备105给控制设备106发送第一差分信号，危险区信号转换模块101，用于将第一差分信号转换为第一数字信号；通过第一隔离器103将第一数字信号发送给安全区信号转换模块102；安全区信号转换模块102，用于将第一数字信号还原为第一差分信号。
例如，第一隔离器103可以为第一光电耦合器。危险区信号转换模块101将第一差分信号转换为第一数字信号后，第一数字信号进入到第一光电耦合器后，第一光电耦合器能够根据第一数字信号生成第一脉冲信号，并将该第一脉冲信号发送给安全区信号转换模块102，在安全区信号转换模块102接收到第一脉冲信号后，即可将第一数字信号还原为第一差分信号。
需要说明的是，第一光电耦合器能够将数字信号中携带的信息，转换为第一脉冲信号，通过特定的第一脉冲信号的识别序列来表示该数字信号携带的信息，进而安全区信号转换模块能够根据该第一脉冲信号，将数字信号还原为第一差分信号。
由于工业现场的电压较高，会对工作人员产生安全威胁，因此，需要在控制室侧给工业现场侧发送控制信号。控制设备106给现场设备105发送第二差分信号时，安全区信号转换模块102，还用于将第二差分信号转换为第二数字信号；通过第二隔离器104将第二数字信号发送给实施危险区信号转换模块101；危险区信号转换模块101，还用于将第二数字信号还原为第二差分信号。
例如，第二隔离器104可以为第二光电耦合器。安全区信号转换模块102将第二差分信号转换为第二数字信号后，第二数字信号进入到第二光电耦合器后，第二光电耦合器能够根据第二数字信号生成第二脉冲信号，并将该第二脉冲信号发送给危险区信号转换模块101，在危险区信号转换模块101接收到第二脉冲信号后，即可将第二数字信号还原为第二差分信号。
需要说明的是，第二光电耦合器能够将数字信号中携带的信息，转换为第二脉冲信号，通过特定的第二脉冲信号的识别序列来表示该数字信号携带的信息，进而危险区信号转换模块能够根据该第二脉冲信号，将数字信号还原为第二差分信号。
从图中可以看出，该隔离电路还包括：隔离变压器107和BUCK电路108。
BUCK电路108的第一端用于连接供电电源109，BUCK电路108的第二端用于连接隔离变压器107的原边。
BUCK电路，用于将供电电源109提供的电压降压后传递给隔离变压器107。
隔离变压器107的第一副边用于连接现场设备105，隔离变压器的第二副边用于连接控制设备106。
通过隔离变压器107，能够将供电电源109与现场设备105隔离，避免了现场设备105与供电电源109的直接接触，也能够将供电电源109与控制设备106隔离，避免了控制设备106与供电电源109的直接接触。
通过隔离变压器107，供电电源109也能够间接给危险区信号转换模块101以及安全区信号转换模块102供电，以维持危险区信号转换模块101以及安全区信号转换模块102的工作电压。
本实施例提供的隔离电路，包括：危险区信号转换模块、安全区信号转换模块、第一隔离器和第二隔离器；当现场设备给控制设备发送第一差分信号时，所述危险区信号转换模块，用于将所述第一差分信号转换为第一数字信号；通过所述第一隔离器将所述第一数字信号发送给所述安全区信号转换模块；所述安全区信号转换模块，用于将所述第一数字信号还原为所述第一差分信号；当所述控制设备给所述现场设备发送第二差分信号时，所述安全区信号转换模块，还用于将所述第二差分信号转换为第二数字信号；通过所述第二隔离器将所述第二数字信号发送给实施危险区信号转换模块；所述危险区信号转换模块，还用于将所述第二数字信号还原为所述第二差分信号。因此，现场设备向控制设备反馈信息时，现场设备能够向控制设备发送第一差分信号；控制设备向现场设备发送控制信息时，控制设备能够向现场设备发送第二差分信号，从而本申请提供的隔离电路在保证隔离现场设备与控制设备的前提下，能够实现控制设备和现场设备之前的双向通信。
实施例二：
以上实施例介绍了能够实现现场设备与控制设备之前双向通信的隔离电路，为了满足本质安全的需要。下面介绍的隔离电路中还包括了防护器件。防护器件包括：电阻、保险丝和稳压二极管；所述电阻与所述保险丝串联后的第一端连接所述稳压二极管的阴极；所述稳压二极管的阴极用于连接所述现场设备；所述稳压二极管的阳极接地；所述电阻与所述保险丝串联后的第二端用于连接所述危险区信号转换模块的第一端。在隔离电路中增加防护器件后，能够满足对本质安全设计的需求。
本实施例二提供了又一种隔离电路，下面结合附图具体说明。
参见图2，该图为本申请实施例提供的又一种隔离电路的示意图。
图中1所示的区域为危险区，2所示的区域为安全区，3所示的区域为电源区。
为了便于本领域技术人员理解，下面结合图2所示的隔离电路进行介绍。
图中J1为供电电源的接口，直流的供电电源通过J1接口输入到电源区，其中，J1的1脚接直流电源的正极，2脚接直流电源的负极，输入的电源经双向TVS二极管TVS1、功率电阻R1、保险丝F1后输入到BUCK电路201。
BUCK电路201用于将电源电压降压后给逆变器202。
逆变器202用于将直流电转换为交流电后输入到隔离变压器T1的原边。
隔离变压器T1的第一副边用于连接现场设备。
具体地，隔离变压器T1的第一副边输出的交流电经整流电路D13和D14、功率电阻R3、保险丝F2、稳压管Z2后，得到危险区电源VCC1，危险区电源VCC1用于给危险区信号转换模块供电，以及为隔离器提供参考电压，以便生成脉冲信号。
危险区电源VCC1经本安防护、稳压管Z3后得到配电电压VCC3，配电电压VCC3用于给现场设备供电。其中，VCC3通过J2接口给现场设备供电。
隔离变压器T1的第二副边用于连接控制设备。
具体地，隔离变压器T1的第二副边输出的交流电经整流电路D1、保险丝F3、功率电阻R2稳压管Z1后得到安全区电源VCC2。安全区电源VCC2用于给安全区信号转换模块供电，以及为隔离器提供参考电压，以便生成脉冲信号。
由以上的技术方案可知，本实施例提供的隔离电路能够实现电源区、危险区、安全区的三端供电隔离。供电电源接入隔离变压器隔离，经过整流电路后分别得到危险区电源和安全区电源，危险区电源供危险区电路使用，安全区电源供安全区电路使用。同时，危险区电源经本安防护后得到现场设备的配电电压，提高了安全性。
实施例三：
本申请实施例三提供了再一种隔离电路，下面结合附图具体说明。
参见图3，该图为本申请实施例提供的再一种隔离电路的示意图。
图中1所示的区域为危险区，2所示的区域为安全区。
在危险区，J3接口用于与现场设备连接，现场设备用过J3接口发送第一差分信号给控制设备。
具体地，危险区的现场设备发送的第一差分信号通过J3接口输入，J3的1脚接第一差分信号A，J3的2脚接第一差分信号B(A、B指第一差分信号的差分对)，输入后的第一差分信号经危险区信号转换模块U1转换为串行数字信号TXD，经过保护电阻R4后连接到第一隔离器U3的输入端，通过第一隔离器隔离后在第一隔离器输出端得到隔离后的串行数字信号RXD1，串行数字信号RXD1经过安全区信号转换模块U2转换为第一差分信号对A1、B1，A1、B1通过接插件J4的1、2脚输出到安全区控制室的控制设备。
需要说明的是，危险区信号转换模块和安全区信号转换模块的结构一致，例如均为485接口芯片。第一差分信号可以为RS485差分信号。
在安全区，J4接口用于与控制设备连接，控制设备用过J4接口发送第二差分信号给控制设备。
具体地，安全区的控制设备发送的第二差分信号用过J4接口接入，J4的1脚为第二差分信号A1，J4的2脚接第二差分信号B1，输入后的第二差分信号经安全区信号转换模块U2转换为串行数字信号，经过保护电阻R7后连接到第二隔离器U4的输入端，通过第二隔离器隔离后在第二隔离器输出端得到隔离后的串行数字信号RXD，串行数字信号RXD输入到危险区信号转换模块U1转换为第二差分信号对A、B，A、B经过本安保护电路后通过接插件J3的1、2脚输出到危险区的现场设备。
以上的技术方案中，实现了现场设备与控制设备之间的双向通信，并且满足差分信号的传输，实现了对差分信号的隔离传输。在现场设备与控制设备通信时，通过本安防护，同时能够满足工业现场复杂的环境中的本安要求。
实施例四：
本实施例提供一种安全栅，该安全栅包括以上实施例介绍的隔离电路。
因此，利用该安全栅，现场设备向控制设备反馈信息时，现场设备能够向控制设备发送第一差分信号；控制设备向现场设备发送控制信息时，控制设备能够向现场设备发送第二差分信号，从而本申请提供的隔离电路在保证隔离现场设备与控制设备的前提下，能够实现控制设备和现场设备之前的双向通信。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元及模块可以是或者也可以不是物理上分开的。另外，还可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元和模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
以上，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制。虽然本申请已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种RS485隔离电路，其特征在于，包括：危险区信号转换模块、安全区信号转换模块、第一隔离器和第二隔离器；
当现场设备给控制设备发送第一差分信号时，所述危险区信号转换模块，用于将所述第一差分信号转换为第一数字信号；通过所述第一隔离器将所述第一数字信号发送给所述安全区信号转换模块；所述安全区信号转换模块，用于将所述第一数字信号还原为所述第一差分信号；
当所述控制设备给所述现场设备发送第二差分信号时，所述安全区信号转换模块，还用于将所述第二差分信号转换为第二数字信号；通过所述第二隔离器将所述第二数字信号发送给实施危险区信号转换模块；所述危险区信号转换模块，还用于将所述第二数字信号还原为所述第二差分信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一隔离器为第一光电耦合器OCEP；
所述第一OCEP，具体用于根据所述第一数字信号生成第一脉冲信号；
所述安全区信号转换模块，具体用于根据所述第一脉冲信号，将所述第一数字信号还原为所述第一差分信号。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第二隔离器为第二光电耦合器OCEP；
所述第二OCEP，具体用于根据所述第二数字信号生成第二脉冲信号；
所述危险区信号转换模块，具体用于根据所述第二脉冲信号，将所述第二数字信号还原为所述第二差分信号。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述危险区信号转换模块的第一端用于连接所述现场设备；所述危险区信号转换模块的输出端连接所述第一隔离器的输入端；所述危险区信号转换模块的输入端连接所述第二隔离器的输出端；
所述安全区信号转换模块的第一端用于连接所述控制设备，所述安全区信号转换模块的输出端连接所述第二隔离器的输入端；所述安全区信号转换模块的输入端连接所述第一隔离器的输出端。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述电路还包括第一防护器件；
所述第一防护器件连接在所述现场设备与所述危险区信号转换模块的第一端之间；
所述第一防护器件，用于限制所述第一差分信号或所述第二差分信号携带的能量。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述电路还包括第二防护器件；
所述第二防护器件连接在所述控制设备与所述安全区信号转换模块的第一端之间；
所述第二防护器件，用于限制所述第一差分信号或所述第二差分信号携带的能量。
7.根据权利要求5或6所述的电路，其特征在于，所述第一防护器件包括：电阻、保险丝和稳压二极管；
所述电阻与所述保险丝串联后的第一端连接所述稳压二极管的阴极；
所述稳压二极管的阴极用于连接所述现场设备；所述稳压二极管的阳极接地；
所述电阻与所述保险丝串联后的第二端用于连接所述危险区信号转换模块的第一端。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述第二防护器件与所述第一防护器件的结构一致。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：隔离变压器；
所述隔离变压器的原边用于连接供电电源；
所述隔离变压器的第一副边用于连接所述现场设备；
所述隔离变压器的第二副边用于连接所述控制设备。
所述隔离变换器，用于将所述供电电源与所述现场设备隔离，将所述供电电源与所述控制设备隔离；以使所述供电电源通过所述隔离变压器给所述现场设备或所述控制设备隔离配电。
10.一种安全栅，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的隔离电路。
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