CN118104095A

CN118104095A - 本质安全自动化现场设备

Info

Publication number: CN118104095A
Application number: CN202280068749.2A
Authority: CN
Inventors: 西蒙·魏登布鲁赫; 哈拉尔德·朔伊布勒; 朱利安·伯克施塔勒
Original assignee: Endershaus European Joint Venture
Current assignee: Endershaus European Joint Venture
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2024-05-28
Also published as: WO2023066618A1; DE102021127431A1

Abstract

本发明涉及一种用于在潜在爆炸区域中使用的本质安全自动化现场设备，所述设备包括：‑两个连接端子(30a、30b)，其用于连接两线线路(14)；‑传感器和/或致动器元件(16)，其用于检测和/或设置过程变量；以及，‑现场设备电子系统，其被连接到第一连接端子(30a)和第二连接端子(30b)并经由电流路径(50)传导能够经由两线线路供应的电流(Is)，其中，现场设备电子系统被设计成经由两线线路传输经由传感器元件(16)检测到的过程变量和/或经由两线线路接收将由致动器元件(16)设置的过程变量，并且对应地设置致动器元件(16)，并且现场设备电子系统具有带有被引入到电流路径中的分流电阻器(39a)的分流电阻器电路(39a、39b、39c)以及两个二极管(39b、39c)，该两个二极管中的每个二极管与分流电阻器并联连接，所述二极管(39b、39c)被接线，使得二极管(39b、39c)在流动方向上被引入到电流路径(50)中。

Description

本质安全自动化现场设备

技术领域

本发明涉及一种用于在爆炸危险区域中使用的本质安全自动化现场设备。

背景技术

在自动化中，经常使用用于记录和/或修改过程变量的现场设备，特别是在过程自动化中。诸如，填充水平测量设备、流量计、压力和温度测量设备、pH氧化还原电位计、电导率计等的传感器用于记录相应的过程变量，诸如，填充水平、流量、压力、温度、pH水平和电导率。诸如例如阀门或泵的致动器用于影响过程变量。因此，可以通过致动器来改变管道部分中的流体的流速或容器中的填充水平。原则上，所有在过程中使用并供应或处理过程相关信息的设备都称为现场设备。在本发明的上下文中，现场设备还包括远程I/O、无线电适配器和/或通常布置在现场水平的设备。

Endress+Hauser公司制造和销售多种这样的现场设备。

许多现场设备以所谓的2线版本(两线现场设备)可获得。这里，通过用于通信的同一对线路(两线线路)向现场设备供应电力。

两线现场设备被设计成使得测量值经由两线布线或两线线路以模拟方式被传送(即传输)。传输通常基于4至20mA标准。此外，在现有的自动化系统中还存在多个总线馈送的现场设备，这些现场设备彼此连接并且通过现场总线连接到至少一个上位单元，这在自动化技术中是标准的。

现有技术中已知的总线馈送现场设备被设计成使得测量值经由现场总线以数字方式传送。例如，现场设备可以根据Profibus标准、特别是Profibus PA/FF来传送数据。

尤其是在过程工业中，而且在自动化中，物理或技术变量通常必须由存在潜在爆炸风险的区域(即所谓的潜在爆炸区域)中的现场设备进行测量或确定。通过现场设备和评估系统中的适当措施(例如电压和电流限制)，可以限制要传输的信号中的电功率，使得该信号在任何情况下(短路、中断、热效应等)不能触发爆炸。为此，IEC EN DIN 60079ff中定义了对应的保护原则。

根据该标准，爆炸危险区域中使用的现场设备的设计和电路措施是基于要应用的点火保护类型来定义的。这些点火保护类型之一代表点火保护类型“本质安全”(识别代码Ex-i，IEC EN DIN 60079-11，2012年6月发布)。

点火保护类型“本质安全”基于限制电路中的电流和电压的原理。能够点燃爆炸性环境的电路中的功率是有限的，使得周围的爆炸性环境不能被火花或电气组件的不允许的加热点燃。

点火保护类型“本质安全”定义了三个保护级别：Ex-ia、Ex-ib和Ex-ic。在这种情况下，最高级别由级别a定义，在该级别中，两个可计数故障的组合不导致故障并因此引起点火(2故障安全)。b级定义一个可计数的故障不导致故障并因此引起点火(1-故障安全)。在c级的情况下，没有定义错误安全，因此，在一次故障的情况下，已经可以触发点火(0-故障安全)。

现场设备中本质安全点火保护类型(Ex-i)的关键区域是分流电阻器，它用于测量或读回回路电流。在正常操作中，分流电阻器上通常只有几毫伏的压降。该电压用作调节设备的输入电流的反馈，并且在某些情况下用作数字通信(HART、Profibus PA或基金会现场总线FF)的输入值。这些设备形成可控电流吸收器，其中电流可以同时是模拟电流接口(4-20mA电流接口)，或者可以将数字总线信号调制到该回路电流(HART或曼彻斯特总线供电，如在Profibus PA或基金会现场总线的情况下)。

如果分流电阻器然后在发生故障或与电路板断开时变得高电阻，则设备的整个端子电压被施加在电阻器点上。

对于根据上述标准IEC EN DIN 60079-11(Ex-i)的本质安全设备，因此这些分流电阻器必须具有与现场设备电子系统的其余部分隔离的足够的距离(根据标准IEC EN DIN60079-11的表5的间隔距离)，或者被设计为具有三重冗余，以便防止在发生故障时现场设备的不安全状态(不允许的高电压)。

然而，如果必须将电感与分流电阻器串联，则在某些情况下可能无法进行电阻器的冗余设计。对于曼彻斯特总线供电的现场设备——诸如Profibus PA和基因会现场总线FF现场设备，通常出现这种情况。在这种情况下，唯一的选择因此是通过对应设计的间隔距离(标准IEC EN DIN 60079-11的表5)确保分流电阻器与设备电子设备的其余部分充分隔离。

然而，该措施需要在对应的印刷电路板上具有相对大量的空间，因为必须为间隔距离提供额外的空间。此外，分流电阻器通常被设计为精密电阻器并且因此相对昂贵。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有现场设备电子系统的本质安全自动化技术，其可以更加成本有效地实现并且在印刷电路板上需要甚至更少的空间。

根据本发明，该目的通过根据权利要求1的本质安全自动化现场设备来实现。

根据本发明的用于在爆炸危险区域中使用的本质安全自动化现场设备包括：

-第一连接端子和第二连接端子，所述第一连接端子和第二连接端子用于连接两线线路，经由所述两线线路能够供应电流；

-传感器和/或致动器元件，所述传感器和/或致动器元件用于检测和/或设置过程变量；

-现场设备电子系统，所述现场设备电子系统被连接到所述第一连接端子和所述第二连接端子并经由电流路径将能够经由两线线路供应的电流从所述第一连接端子传导到所述第二连接端子，其中，所述现场设备电子系统被设计成经由所述两线线路传输经由所述传感器元件检测到的过程变量，特别是通过将所述电流设置为对应的值，和/或经由所述两线线路接收将由所述致动器元件设置的过程变量，特别是通过读出所述电流，和/或对应地设置致动器元件，其中所述现场设备电子系统具有带有被引入到所述电流路径中的分流电阻器的分流电阻器电路以及两个二极管，所述二极管中的每个二极管并联连接到所述分流电阻器，所述二极管被接线，使得所述二极管在流动方向上被引入到所述电流路径中。

根据本发明，提出在流动方向上并联连接到分流电阻器的两个二极管在故障的情况下限制分流电阻器处的电压，使得满足IEC EN DIN 60079-11标准的要求。根据本发明的解决方案提供的优点在于，它可以以更节省空间的方式实现并且比现有技术的类似解决方案更成本有效。

本质安全自动化现场设备的有利实施例提供分流电阻器(30)分流电阻器具有在5欧姆至40欧姆的范围内，优选7欧姆至30欧姆，特别优选在10欧姆至25欧姆的范围内的电阻值。

自动化技术的本质安全现场设备的另一有利实施例提供二极管是是在大约0.6V至0.7V的正向电压的硅二极管。

本质安全自动化现场设备的另一有利实施例提供现场设备电子系统被配置为根据Profibus PA或基金会现场总线FF标准传输与所述过程变量对应的值和/或根据Profibus PA或基金会现场总线FF标准接收与所述过程变量对应的值以用于设置所述致动器元件。特别地，该实施例可以提供分流电阻器电路还包括串联连接到所述分流电阻器的电感(L)用于增加根据Profibus PA或基金会现场总线FF标准的通信的稳定性，并且其中，所述二极管与所述分流电阻器和所述电感并联连接。

本质安全自动化现场设备的另一有利实施例提供现场设备电子系统具有桥式整流器，其在输入侧上连接到所述连接端子并且其被配置为对施加到所述输入侧的端子电压进行整流，并将其提供到输出侧上以用于向所述现场设备电子系统供应电力。

附图说明

基于以下附图更详细地解释本发明。在附图中：

图1是具有从现有技术已知的分流电阻器电路的现场设备的示意图，以及

图2示出了根据本发明的分流电阻器电路的实施例。

具体实施方式

图1是现场设备10的示意图，现场设备10经由第一连接端子30a和第二连接端子30b连接至两线线路14以用于信号和电力传输。两线线路14又在另一端连接到更高级别单元12。在所示的示例中，现场设备10是测量点，其中借助传感器16捕获测量值或过程变量(例如温度、压力、湿度、填充水平、流量)。然而，现场设备也可以是其中借助致动器设置过程变量的致动器点。

现场设备10不包含其自己的电源，而是经由两线线路14汲取操作所需的供应电流。这可以例如由包含在较高级单元12中的电压源18来提供。表示刚刚测量的测量值的测量值信号经由相同的两线线路14从现场设备10传输到更高级别单元12。

根据现场设备10的形式，测量值传输可以以模拟或数字方式经由两线线路14到更高级别单元发送。

根据传统技术，模拟测量值传输基于流经两线线路14的信号电流Is，该信号电流Is可以在被设置与测量值对应的、两个预先指定的值(通常为电流值4mA和20mA)之间改变。

为了获取测量值，现场设备10又包含已经提到的传感器16和与其连接的测量换能器电路20，测量换能器电路20经由控制线22以使得测量电流Is被设置为代表捕获的测量值的检测值(信号电流)的方式驱动可控电流调节器32。

借助于内部现场设备电子设备，信号电流Is在现场设备10中通过电流路径50从第一连接端子30a引导至第二连接端子30b。电流Is可以经由并入电流路径50或电流吸收器32中的可控电流调节器来设置。电流调节器对应地由测量变换器电路20在输出处输出的信号控制，该信号作为经由控制线22将控制信号供应至电流调节器32。根据在每种情况下检测到的测量值，通过电流调节器或电流吸收器32的对应控制来设置在两线线路中流动的信号电流Is。电流调节器或电流吸收器可以包括例如晶体管，其由来自测量变换器电路20的控制信号调节。在现场设备被设计为致动器的情况下，即具有致动器而不是传感器的情况下，电流调节器被省略。

如果传感器16检测到的测量值处于测量值范围的下端，则信号电流Is也将呈现信号电流范围的下限值。因此，在通常的4-20mA技术中，值为4mA。对应地，如果传感器16检测到的测量值处于测量值范围的上端，则信号电流Is将呈现信号电流范围的上限值。因此，在标准4-20mA技术中，值为20mA。

在模拟测量值传输期间，更高级别单元12包括评估电路26，其从经由两线线路14传输的信号电流Is获得测量值信息。为此目的，将测量电阻器28插入到两线线路中，在该处生成电压UM，该电压与经由两线线路传输的信号电流Is成比例，并且将被供应给评估电路26。电压源18供应DC电压Uv，并且测量电流Is是直流电。

然而，除了模拟测量值传输之外，现场设备10还可以被设计用于经由两线线路的数字测量值传输，例如根据Profibus标准PA或根据基金会现场总线标准FF。

在这种情况下，电流调节或电流吸收器32由测量变换器电路20在输出处发出的信号来设置，该信号经由控制线22作为电流调节器32的控制信号供应给固定/不可改变的基本电流值Is，其在10至40mA范围内，通常约为12mA，然后将与测量值对应的数字电流信号调制到该值(曼彻斯特编码，无平均值，电流/幅度调制为Is±9毫安)。

在测量值传输以数字方式进行的情况下，更高级别单元包括分段耦合器，其被配置为转换数字Profibus PA信号并向Profibus PA现场设备供应有电力。

在现场设备被设计为Profibus PA现场设备的情况下，其还必须具有极性反转保护31，而在现场设备被设计为两线现场设备或FF现场设备的情况下，它可以可选地具有极性反转保护设备。极性反转保护设备可以以桥式整流器电路31的形式来实现。桥式整流器电路31被设计成使得施加到连接端子的端子电压Uk被施加在输入侧，并且在输出侧设置与极性无关的操作电压Ub。

无论现场设备10被设计用于模拟还是数字测量值传输，现场设备还包括低电阻分流电阻器电路33a、33b、33c，测量传感器电路20通过回读线23经由该低电阻分流电阻器电路33a、33b、33c读回设置信号电流Is。为了满足开头提到的现场设备的本质安全(Ex-ia)的要求，至少在具有模拟测量值传输的现场设备的情况下，分流电阻器如图1所示被设计为具有三重冗余。这种类型的分流电阻器33a、33b、33c对于对应于由现场设备的传感器确定的测量值来调节电流信号是必不可少的，并且通常具有在5欧姆至40欧姆的范围内，优选7欧姆至30欧姆，特别优选在10欧姆至25欧姆的范围内的总电阻值。根据欧姆定律，电压U_Shunt＝R_Shunt_gesamt·Is跨分流电阻器电路33a、33b、33c下降。因此，电压U_shunt与流过现场设备的电流Is成比例。为了调节信号电流Is，将跨分流电阻器电路33a、33b、33c下降的电压供应给测量变换器电路。

然而，分流电阻器的冗余设计并不总是可能的，例如，如果在与分流电阻器串联时需要电感，例如为了增加数字通信的稳定性，则这是不可能的。在这种情况下，分流电阻器电路被设计具有单个电阻器设计，并根据60079-11标准的表5的规范与现场设备电子系统的其他电子组件间隔开。

此外，现场设备10还包含例如开关或线性调节器形式的电压调节器36，其任务在于为测量变换器电路20和传感器16生成尽可能恒定的操作电压。电压调节器36的输入电压可以由例如电压源34提供，特别是电容器形式的电压源34。电压源34支持输入电压或端子电压Uk，其由包含在较高级别单元12中的电压源18提供。因此，电压源34用作与其连接的电路部件，特别对于电压调节器36，的“源”。

电压调节器36与电压源34的结合使用使得能够始终向换能器电路20和传感器16提供尽可能高的功率。电压调节器36确保，尽管其输入电压Ue增加，换能器电路20和传感器16的操作电压仍保持在恒定值，使得通过增加电压调节器36处的输入电压Ue可获得更高的输入功率，这因此也能够实现更高的输出功率。

为了电压限制，现场设备10可以具有作为防爆单元35、38的一部分的电压限制电路35。电压限制电路35在第一连接端子30a和第二连接端子30b之间并联连接到外部电压源18。

替代地或附加地，现场设备可以具有用于电流限制的电流限制电路38作为防爆单元的一部分。电流限制电路串联连接到连接端子30a、30b或电压限制电路35。

根据现有技术，电压限制电路35例如可以由彼此并联连接的三个二极管、特别是Z二极管形成(以便确保2故障安全)。二极管被布置以使得在电路方面可以由它们下面的电感感应的电压和/或在电路方面可以由在它们下面的其他电路部件无意地生成的电压被限制到连接端子30a、30b。在图1所示的实施例中，二极管被连接以使得阴极均连接到连接端子30a，并且阳极均连接到连接端子30b。

根据现有技术，电流限制电路38还可以由例如三个串联连接的二极管、特别是肖特基二极管形成。二极管被布置以使得防止经由连接端子30a、30b从现场设备电子系统流出不期望的电流。在图1所示的实施例中，串联连接的二极管被互连以使得阳极均朝向连接端子30a并且阴极均远离连接端子30a。

为了能够满足点火保护类型“本质安全”的要求并因此满足本质安全现场设备的要求，根据现有技术的二极管必须被布置在现场设备电子系统的印刷电路板上以使得间隔距离根据2012年6月发布的IEC EN DIN 60079-11标准的表5的要求。

图2示出了根据本发明的分流电阻器电路39a、39b、39c的实施例。这包括(单个)分流电阻器39a和两个二极管39b、39c，特别是并联连接到分流电阻器39a的两个硅二极管。二极管39b、39c被接线以使得为正向的信号电流Is而连接。在图2所示的示例中，阴极均朝向第二连接端子30b，且阳极均远离第二连接端子30b。二极管39b、39c被有利地被设计为SMD(表面安装设备)组件。可选地，分流电阻器电路39a、39b、39c还可以具有与分流电阻器39a串联连接的电感L，该电感用于增加通信的稳定性。例如，如果现场设备被配置为根据Profibus PA或基金会现场总线FF标准发送和/或接收过程变量，则这是必要的。(单个)分流电阻器39a具有在5欧姆至40欧姆的范围内，优选7欧姆至30欧姆，特别优选在10欧姆至25欧姆的范围内的电阻值。在正常操作(无错误操作)中，仅几mV的分流电压UShunt因此跨分流电阻器39a下降。该分流电压UShunt明显小于流电压，UFluss在正常操作期间跨二极管下降，在硅二极管的情况下，该电压通常约为0.6V至0.7V。因此，在电压分接点21处分接的电压不因并联连接的二极管39b、39c而失真，该电压通过读回线23传输到测量传感器电路20并且通过该电压读回设置信号电流Is。优选地选择在正向方向上具有小电流的二极管以最小化通过分流电阻器电路读回的电流的失真。

这意指可以根据现场设备的形式使用不同的二极管。在现场设备被设计为Profibus PA现场设备的情况下，可以使用与现场设备被设计用于模拟测量值传输的情况相比在正向方向上具有更高电流的二极管。例如，在PA现场设备中，可以使用在对应的40mV至400mV类型的操作电压范围内具有小于或等于1mA(I_D≤1mA)，优选地小于或等于0.8mA(I_D≤0.8mA)，特别优选地小于或等于0.7mA(I_D≤0.7mA)的正向电流的二极管。在现场设备被设计用于模拟测量值传输的情况下，可以使用例如在对应的40mV-400mV类型的操作电压范围内具有小于或等于100μA(I_D≤100μA)，优选地小于或等于50μA(I_D≤50μA)，特别优选地小于或等于10μA(I_D≤10μA)的正向电流的二极管。

如果分流电阻器39a现在为高电阻或者在发生故障时脱离电路板，则跨分流电阻器电路下降的电压被二极管39b、39c限制为二极管的正向电压，即例如，当使用硅二极管时为0.6V至0.7V。在这方面，根据IEC EN DIN 60079-11标准的表5规定的间隔距离可以被减小到最小值。

附图标记列表

10 现场设备

12 更高级别单元，例如可编程逻辑控制器(PLC)

14 两线线路

16 传感器或传感器元件

20 换能器电路

21 电压分接

22 控制线路

23 回读线路

24 换能器电路的输出

30a、30b 连接端子

31 桥式整流器电路

32 可控电流调节

33a、33b、33c 根据现有技术的分流电阻器电路的分流电阻器

34 电压源，例如电容器

35 电压限制电路

36 电压调节器，例如开关调节器或线性调节器

38 电流限制电路

39a 根据本发明的分流电阻器电路的单个分流电阻器

39b、39c 根据本发明的分流电阻器电路的二极管

50 电流路径

Is 测量电流

L 电感

Uk 端子电压

Ub 操作电压

U_shunt 跨分流电阻器的电压

Claims

1.一种用于在爆炸危险区域中使用的自动化技术的本质安全现场设备，包括：

-第一连接端子(30a)和第二连接端子(30b)，所述第一连接端子和第二连接端子用于连接两线线路(14)，经由所述两线线路能够供应电流；

-传感器和/或致动器元件(16)，所述传感器和/或致动器元件用于检测和/或设置过程变量；

-现场设备电子系统(20、31、32、33、34、35、36、38)，所述现场设备电子系统被连接到所述第一连接端子(30a)和所述第二连接端子(30b)并经由电流路径(50)将能够经由所述两线线路供应的所述电流(Is)从所述第一连接端子(30a)传导到所述第二连接端子(30b)，其中，所述现场设备电子系统被设计成经由所述两线线路传输经由所述传感器元件(16)检测到的过程变量，特别是通过将所述电流(Is)设置为对应的值，和/或经由所述两线线路接收将由所述致动器元件(16)设置的过程变量，特别是通过读出所述电流(Is)，和/或对应地设置所述致动器元件(16)，并且所述现场设备电子系统具有带有被引入到所述电流路径中的分流电阻器(39a)的分流电阻器电路(39a、39b、39c)以及两个二极管(39b、39c)，所述两个二极管中的每个二极管并联连接到所述分流电阻器，所述二极管(39b、39c)被接线，使得所述二极管(39b、39c)在流动方向上被引入到所述电流路径(50)中。

2.根据权利要求1所述的本质安全自动化现场设备，其中，所述分流电阻器(39a)具有在5欧姆至40欧姆的范围内，优选7欧姆至30欧姆，特别优选在10欧姆至25欧姆的范围内的电阻值。

3.根据前述权利要求中的一项或多项所述的本质安全自动化现场设备，其中，所述二极管(39b、39c)是具有大约0.6V至0.7V的正向电压的硅二极管。

4.根据前述权利要求中的一项或多项所述的本质安全自动化现场设备，其中，所述现场设备电子设备(20、31、32、33、34、35、36、38)被配置为根据Profibus PA或基金会现场总线FF标准传输与所述过程变量对应的值和/或根据Profibus PA或基金会现场总线FF标准接收与所述过程变量对应的值以用于设置所述致动器元件(16)。

5.根据前一权利要求所述的本质安全自动化现场设备，其中，所述分流电阻器电路(39a、39b、29c)还具有串联连接到所述分流电阻器的电感(L)用于增加根据Profibus PA或基金会现场总线FF标准的通信的稳定性，并且其中，所述二极管(39b、39c)与所述分流电阻器(39a)和所述电感(I)并联连接。

6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的本质安全自动化现场设备，其中，所述现场设备电子系统(20、31、32、33、34、35、36、38)具有桥式整流器(31)，所述桥式整流器在输入侧上连接到所述连接端子(30a、30b)并且所述桥式整流器被设计为对施加到所述输入侧的端子电压(UK)进行整流，并将其提供到输出侧上以用于向所述现场设备电子系统供应电力。