CN1588474A - 本质安全防爆接口装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种本质安全防爆接口装置，用来连接危险场所的一次仪表和安全场所的控制系统之间的关联设备，本装置包括接线端子、安全栅模块、配电模块、信号调理电路及与所述控制系统连接的连接器。其中，安全栅模块，双向连接接线端子，通过限流限压来限制送往现场安全场所的能量；配电模块，通过安全栅模块的限制能量作用，给所述一次仪表提供电源；信号调理电路，其输入端连接安全栅模块，其输出端连接连接器，用于将从一次仪表中传送回来的信号转换成控制系统所匹配的各种信号；连接器，用于将各种信号传送至所述控制系统。利用上述装置，可以稳定信号精度，减少连线，提高系统的传输可靠性和集成性，并实现了与控制系统的无缝连接。

Description

本质安全防爆接口装置

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及工业防爆要求及配合控制系统实现本质安全防爆要求的一种本质安全防爆接口装置。

背景技术

本质安全防爆接口装置主要应用于本质安全防爆控制系统。它将危险场所的一次仪表(如现场智能变送器)和安全场所的二次仪表(如控制系统)连接起来，在本质安全防爆系统中起到安全保护作用。

随着工业过程自动化控制系统及仪器仪表的发展，对本质安全防爆技术的要求也越来越高，本质安全防爆接口装置也呈现出前所未有的多样性。

目前，本质安全防爆接口装置主要有以下三类：(1)采用点对点接线方式的本质安全防爆接口装置，该装置是以隔离式安全栅或齐纳式安全栅为代表；(2)采用现场总线方式的本质安全防爆接口装置，代表装置为现场总线本安中继器、安全网桥、本安配电链接模块和本安配电链接现场模盒等；(3)采用从点对点接线到总线(Point to Bus)的本质安全防爆接口装置，即远程I/O方案，代表装置为远程I/O型隔离栅和本安型的远程I/O。

后面两类的本质安全防爆接口装置，由于其关键的技术只被少数公司所垄断，因此整体方案的价格较高。由于此，目前国内的系统供应商主要还是采用价格相对便宜的第(1)类本质安全防爆接口装置。

但是，采用第1类的本质安全防爆接口装置应用在安全防爆控制系统中，存在以下缺陷：

(1)由于采用安全栅的本质安全防爆接口装置与控制系统不能直接匹配，由此，现有本质安全防爆控制系统一般由现场智能变送器、接线端子、安全栅模块、连接器和控制系统组成的，其连接方式为：现场智能变送器连接到安全栅模块，然后安全栅模块连接到控制系统的信号处理端子板，最后通过信号处理端子板连接到控制系统中。

这种方案的局限性是显而易见的，在实际应用时系统的连接线比较麻烦，很容易导致误接线引起的不安全因素，而且除了安全栅之外还需要增加一些信号调理等辅助设计，最后才能够连入到控制系统中。因此，由于与传统的安全栅方案所存在的连接线繁琐，在实际应用时系统的连接线比较麻烦，很容易导致误接线引起的不安全，从而影响了系统的安全性能。

(2)与控制系统接口的连接线没有采用标准的连接器，其连接器的接口与系统间的连线复杂，不便于用户与现场工程人员的使用与安装；连接器也没有备用接口，当某一路断路或者是因为没有连接的缘故都会引起信号不能够传输的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连接危险场所的一次仪表和安全场所的控制系统之间的本质安全防爆接口装置，以解决现有技术中所述本质安全防爆装置与一次仪表和控制系统之间存在连线繁琐，存在可能的误接引起的不安全，从而影响系统的安全性能的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种本质安全防爆接口装置，用来连接危险场所的一次仪表和安全场所的控制系统，包括用于连接所述一次仪表和本装置的接线端子、安全栅模块、配电模块、信号调理电路及与所述控制系统连接的连接器，其中：

所述安全栅模块，双向连接接线端子，通过限流限压来限制送往现场安全场所的能量；

所述配电模块，通过安全栅模块的限制能量作用，给所述一次仪表提供电源；

所述信号调理电路，其输入端连接所述安全栅模块，其输出端连接所述连接器，用于将从所述一次仪表中传送回来的信号转换成所述控制系统所匹配的各种信号；

所述连接器，用于将所述的各种信号传送至所述控制系统。

所述装置还包括设置在信号调理电路和所述连接器之间的信号滤波网络，通过滤波作用来保存传输信号的稳定准确。

所述安全栅模块包括齐纳式安全栅模块和隔离式安全栅模块。所述齐纳式安全栅模块由限流元件、限压元件和快速熔断保险丝组成，其中：

熔断器：是一种快速熔断保险丝，用于防止输入信号的电流过大，当输入信号的电流值超过熔断器额定值时，熔断器本身熔断并断开电路，以保证电路的安全性；

齐纳二极管：是一种限压元件，当输入电压超过齐纳二级管的额定值时，齐纳二级管导通将能量释放到大地，并且熔断器快速熔断，保证电路的安全性；

限流电阻：是一种限流元件，其输入端连接所述齐纳二极管的输出端，其输出信号至一次仪表，用于限制输入到所述一次仪表的电流信号大小；

肖特基二极管：用于防止输出电压信号反向串入一次仪表而引起的不安全因素；

上述齐纳式安全栅模块包括至少二个以上并联的齐纳二极管。

其中，所述配电模块包括：DC/DC隔离电路和短路保护电路；所述DC/DC隔离电路：将输入的直流电压信号转化成隔离的直流电压信号的电路，以使各路信号之间互相独立，其输入的直流电压信号连接外界提供的直流稳压电源信号；所述短路保护电路，其输入端与DC/DC隔离电路相连，其输出端连接安全栅模块，用于在过流短路情况下实现整体配电模块的安全性能的保护电路。

所述连接器采用标准的DB-25接口的连接器。所述DB-25接口采用两条DB-25线并联来实现信号的冗余传输，提高了信号可靠性。

所述安全栅模块通过接插件与本质安全防爆接口装置的底层面板连接。所述接线端子与所述一次仪表是通过端子排连接，所述连接器与所述控制系统通过接插件连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：由于本发明提供一种本质安全防爆接口的端子板，具有安全栅模块、配电模块和信号采样滤波的一体化装置。该装置采用了接线端子与拔插接口，并严格区分了本安区域与非本安区域；大大简化了走线与接线的复杂度；不仅保证了对现场设备供电的稳定、提高了安全性能，而且一体化的设计减小了误差，保证了信号的精确度；同时本质安全防爆接口装置实现了多路信号的防爆隔离要求，不仅提高的整个系统的集成性，而且安全栅模块概念集成了系统的可靠性与便利性。

附图说明

图1是本发明的本质安全防爆接口装置的整体结构框图；

图2是本发明的本质安全防爆接口装置的实施例原理框图；

图3是本发明的本质安全防爆接口装置的隔离配电模块框图；

图4是本发明的本质安全防爆接口装置的安全栅模块框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

请参见图1，其为本发明的本质安全防爆接口装置的整理结构示意图。它设置在危险场所的一次仪表和安全场所的控制系统之间，包括接线端子1、安全栅模块2、配电模块3、信号调理电路4、信号滤波网络5和连接器6，其中：

接线端子1是本质安全防爆接口装置用来连接一次仪表的信号线的连接装置，它与一次仪表之间是双向连接；

安全栅模块2是一种本质安全防爆的安全栅，主要是通过限流和限压电路限制送往现场本安回路的能量，它与接线端子1也是双向连接；

配电模块3，其输出端连接至安全栅模块2，用于给一次仪表提供电源，可以是多路输出、路路隔离的配电模块；

信号调理电路4，其输入端连接安全栅模块2的输出端，是把一次仪表传送回来的信号转换成控制系统所匹配的信号；所述匹配信号包括电流信号、电压信号、开关量信号等等；

信号滤波网络5，其输入端连接信号调理电路4，主要是通过滤波作用保证传输电压信号稳定准确；

连接器6，其输入端连接信号滤波网络5，输出端连接控制系统，是本质安全防爆接口装置用来连接控制系统的连接装置。

上述一次仪表可以是现场智能变送器，通过本质安全防爆接口装置这种关联设备的连接来实现现场智能变送器与控制系统之间的本质安全防爆。

并且，本发明的本质安全防爆接口装置可以把与现场智能变送器、控制系统之间的连接线减少到最小，比如，通过两根线与现场智能变送器之间进行连接，与控制系统连接的连接器采用标准的连接器，如采用DB-25接口的连接器，DB-25连接线通过插座可以方便的实现插拔功能，极大的方便了用户与现场工程人员的使用与安装；每条DB-25连接线可以把8路信号一起连接到控制系统上，这样既保证了连接线的安全可靠，而且也减少连接线的数量，也实现了走线的简洁。

另外，DB-25接口采取冗余设置，即用两条DB-25线并联来实现信号的可靠传输，可以防止由于某一路断路或者是因为连接的插座没有插好的缘故而引起的信号不能够传输的问题，提高了系统中信号传输的可靠性。

还有，到现场智能变送器的连接线与到控制系统的连接线用端子排与接插件区分开，可以防止误接线而引起的非本安区域的信号没有通过安全栅而直接连入到本安区域。

以接入8路信号的本质安全防爆接口装置进行现场智能变送器和控制系统之间进行通信为例，来具体说明本质安全防爆接口装置。请参阅图2，其为本发明的本质安全防爆接口装置的一实施例原理框图。

该本质安全防爆接口装置包括设置8路的接线端子10、齐纳式安全栅模块20(安全栅模块采用齐纳式安全栅模块)、电流信号取样电路40、信号滤波网络50及采用冗余DB-25接口的连接器60。

隔离配电模块30采用四路输出、路路隔离的配电模块，因此在该本质安全防爆接口装置中设置两个隔离配电模块30；连接器采用DB-25接口60，并进行冗余设置，即用两条DB-25线并联来实现信号的可靠传输。

图3为本质安全防爆接口装置的隔离配电模块的一实施框图，本发明实施例中所述的隔离配电模块包括DC/DC隔离电路(直流/直流电压隔离电路)31和短路保护电路32。

所述DC/DC隔离电路31是通过变压器将输入的直流电压信号转化成隔离的直流电压信号的电路，实现各路信号之间互相独立；其输入的直流电压信号连接外界提供的直流稳压电源信号。

短路保护电路32是在过流短路情况下实现整体配电模块的安全性能的保护电路；其输入端与DC/DC隔离电路31相连，输出信号即经过隔离配电模块隔离之后的直流电压信号。

上述隔离配电模块实现原理是：直流稳压电源信号通过DC/DC隔离变压器31将原直流电压信号分别隔离为四路输出直流电压信号，通过一个短路保护电路32实现了在输出直流电压信号短路时不会损坏配电模块。隔离配电模块完成了四路点点隔离配电输出功能，此模块为单输入，四隔离DC/DC输出，既实现了输入、输出之间的隔离，又实现了四路输出之间的相互隔离。

图4为本质安全防爆接口装置的安全栅模块实施例框图，本发明实施例中所采用的安全栅模块采用齐纳式安全栅模块，该齐纳式安全栅模块由限流元件、限压元件和快速熔断保险丝组成，包括：熔断器21、齐纳二极管22和限流电阻23，肖特基二极管24、齐纳二极管25和熔断器26。

所述熔断器是一种当电流值超过熔断器额定值时，熔断器本身熔断并断开电路，以保证电路的安全性；与熔断器21相连接的输入信号是经过隔离配电模块输入的直流电压信号，与熔断器26相连接的输出信号现场智能变送器变送传送回来的电流信号。

齐纳二极管是一种用来实现限制电压大小的元器件，当输入电压超过齐纳二级管的额定值时，齐纳二级管导通将能量释放到大地，从而保证了到现场智能变送器信号的安全性；齐纳二极管22的输入端连接熔断器21；齐纳二极管25的输出端连接熔断器26。

所述限流电阻是用来限制输入到现场智能变送器的电流信号大小；其输入端与齐纳二极管22相连，输出至现场智能变送器。

所述肖特基二极管是一种防止输出电压信号反向串入电路，从而保证了到现场智能变送器信号的安全性，并且肖特基二极管的导通电压比较小，可以减小整个安全栅回路的压降；其输入端与现场智能变送器相连，输出端与齐纳二极管25相连。

上述安全栅模块实现原理是：输入的直流电压信号通过熔断器21限制流过的电流大小；直流电压信号通过齐纳二极管22限制电压和限流电阻23限制电流来实现本质安全防爆要求；安全的直流电压信号传送到现场智能变送器作为智能变送器的工作电压；然后智能变送器把现场采集得到的测量值以电流信号的形式传送回到安全栅模块；通过肖特基二级管24来防止信号反向串入、齐纳二极管25限制电压来实现本质安全防爆要求，将电流信号作为输出信号输送出来。

上述本质安全防爆接口装置，主要采用齐纳式安全栅模块实现。其实现原理为：非本安区的隔离配电模块30把电源提供的直流稳压电源信号转换成隔离的直流稳压电压信号，并输出到齐纳式安全栅模块20；齐纳式安全栅模块20实现了限压限流的安全防爆作用，将直流稳压电压信号通过接线端子10传送到现场智能变送器；现场智能变送器把现场测量得到的信号转换成直流电流信号传送回来，通过接线端子10引入到齐纳式安全栅模块20；再通过齐纳式安全栅限压限流的安全防爆作用将直流电流信号传送到非本安区；直流电流信号通过电流信号取样电路40把电流信号转化成直流电压信号；直流电压信号通过信号滤波网络50保证了信号的稳定并传输到DB-25接口60，控制系统通过DB-25接口将直流电压信号采样、分析、处理并显示。

本发明所述的一种本质安全防爆接口装置，其实现原理的关键点是集安全栅模块、配电模块与信号调理滤波为一体的端子板装置。这种装置所构成的端子板在模块连接、信号匹配、精度误差、安全性能上都具有巨大的优势。分别如下所述：

(1)与传统的安全栅方案所存在的连接线繁琐及不安全因素等局限性相比较，本发明所述的本质安全防爆接口装置，把连接线减少到最小，与现场智能变送器连接的两根线通过接线端子并加以连接标志保证了其安全性能。

(2)与控制系统接口的连接线采用标准的连接器，如DB-25接口，DB-25连接线通过插座可以方便的实现插拔功能，极大的方便了用户与现场工程人员的使用与安装；每条DB-25连接线可以把8路信号一起连接到控制系统上，这样既保证了连接线的安全可靠，而且也减少连接线的数量，也实现了走线的简洁。

(3)DB-25接口采取冗余设置，即用两条DB-25线并联来实现信号的可靠传输，可以防止由于某一路断路或者是因为连接的插座没有插好的缘故而引起的信号不能够传输的问题。

(4)传统的安全栅方案中，齐纳式安全栅与控制系统的配合时，常会遇到因齐纳式安全栅回路压降过大而导致控制系统的回路供电不足以驱动智能变送器的情况，一般来说选择Z787.H型齐纳式安全栅能够很好地解决问题，但是在不同的应用场合，可能需要不同的齐纳式安全栅类型，这就需要考虑与控制系统的电阻匹配问题。本发明所述的本质安全防爆接口装置从两方面很好的解决了此类问题：第一，使用配电隔离模块保证了供电电压的稳定值，一般为25.5V。这可以保证与不同的控制系统匹配时不必考虑系统本身对配电电压的要求；第二、齐纳式安全栅有允许大电流及正常电流输入(通过改变限流电阻的大小)的二种不同的型号，这样可以保证本发明所述的本质安全防爆接口装置能够在不同的控制系统及不同的工业应用场合中使用，来实现本质安全防爆。

(5)齐纳式安全栅是线性电流信号传输，能够很好的保证信号的精确度。但是，由于连接线的引线电阻以及连接件之间的电压差值会对控制系统的测量精度有所影响。所以，本发明的一体化的本质安全防爆接口装置减少了由于连接线引起的误差，而且本质安全防爆接口装置上的信号滤波网络，保证了信号传输的平稳性，还可以防止由于信号波动而造成的信号测量的波动性。控制系统采样经过信号滤波网络的信号，可以保证采样所得到的信号是准确的。

(6)齐纳式安全栅模块中采用三重化冗余齐纳管，即在安全栅模块里面可靠并联三个齐纳二极管，当有其中一个或者两上齐纳二极管被击穿，而剩余的另外一个能够保证电路的正常工作。也就是说，当一个齐纳二极管发生击穿的概率是0.01，那么二个为0.0001，三个为0.000001，那么所实现的安全性概率为0.999999，显而易见，它极大的增强了安全栅模块的安全性能，这比一般双重冗余的齐纳式安全栅，在数量上虽然只增加一个，但是安全系数却是增倍。

(7)安全栅模块采用可插拔的形式，如使用欧式插座，欧式插座是用来连接本质安全防爆接口装置底层面板与安全栅模块的一种接插件。它实现了可插拔的形式，不仅方便的实现了安全栅模块的插拔而且保证了插头与插座之间的安全性。欧式插座通过简单的结构设计防止由于正反面误插、两端之间偏插所造成的连接问题。因此，可插拔的形式防止了当一路安全栅模块损坏影响整个端子板的功能，从而降低了生产成本而且可以根据用户的需求来定制安全栅模块的数量。

(8)本质安全防爆接口装置的一体化装置严格的区分了本安区域与非本安区域，从而保证非本安区域的信号能够安全可靠的传输到本安区域；另外到现场智能变送器的连接线与到控制系统的连接线用端子排与接插件区分开，可以防止误接线而引起的非本安区域的信号没有通过安全栅而直接连入到本安区域。

因此，本发明所述的本质安全防爆接口装置的设计从接线、信号处理、安全区域等各方面考虑了从二次仪表到一次仪表信号的安全性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，例如可实现16路信号通讯的本质安全防爆接口装置，又如，其中安全栅模块也可采用隔离式安全栅模块，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种本质安全防爆接口装置，用来连接危险场所的一次仪表和安全场所的控制系统之间的关联设备，其特征在于，用于连接所述一次仪表和本装置的接线端子、安全栅模块、配电模块、信号调理电路及与所述控制系统连接的连接器的一体化装置。其中：

所述安全栅模块，双向连接接线端子，通过限流限压来限制送往现场安全场所的能量；

所述配电模块，通过安全栅模块的限制能量作用，给所述一次仪表提供电源；

所述信号调理电路，其输入端连接所述安全栅模块，其输出端连接所述连接器，用于将从所述一次仪表中传送回来的信号转换成所述控制系统所匹配的各种信号；

所述连接器，用于将所述的各种信号传送至所述控制系统。

2、如权利要求1所述的本质安全防爆接口装置，其特征在于，所述装置还包括设置在信号调理电路和所述连接器之间的信号滤波网络，通过滤波作用来保存传输信号的稳定准确。

3、如权利要求2所述的本质安全防爆接口装置，其特征在于，所述安全栅模块包括齐纳式安全栅模块和隔离式安全栅模块。

4、如权利要求3所述的本质安全防爆接口装置，其特征在于，所述齐纳式安全栅模块由限流元件、限压元件和快速熔断保险丝组成，其中：

熔断器：是一种快速熔断保险丝，用于防止输入信号的电流过大，当输入信号的电流值超过熔断器额定值时，熔断器本身熔断并断开电路，以保证电路的安全性；

齐纳二极管：是一种限压元件，当输入电压超过齐纳二级管的额定值时，齐纳二级管导通将能量释放到大地，并且熔断器快速熔断，保证电路的安全性；

限流电阻：是一种限流元件，其输入端连接所述齐纳二极管的输出端，其输出信号至一次仪表，用于限制输入到所述一次仪表的电流信号大小；

肖特基二极管：用于防止输出电压信号反向串入一次仪表而引起的不安全因素；

5、如权利要求4所述的本质安全防爆接口装置，其特征在于，所述齐纳式安全栅模块包括至少二个以上并联的齐纳二极管。

6、如权利要求1所述的本质安全防爆接口装置，其特征在于，所述配电模块包括：DC/DC隔离电路和短路保护电路；

所述DC/DC隔离电路：将输入的直流电压信号转化成隔离的直流电压信号的电路，以使各路信号之间互相独立，其输入的直流电压信号连接外界提供的直流稳压电源信号；

所述短路保护电路，其输入端与DC/DC隔离电路相连，其输出端连接安全栅模块，用于在过流短路情况下实现整体配电模块的安全性能的保护电路。

7、如权利要求1或2所述的本质安全防爆接口装置，其特征在于，所述连接器采用标准的DB-25接口的连接器。

8、如权利要求7所述的本质安全防爆接口装置，其特征在于，所述DB-25接口采用两条DB-25线并联来实现信号的冗余传输，提高了信号可靠性。

9、如权利要求1或2所述的本质安全防爆接口装置，其特征在于，所述安全栅模块通过标准的接插件与本质安全防爆接口装置的底层面板连接，既容易插拔又防止误插而引起的信号不安全因素。

10、如权利要求1或2所述的本质安全防爆接口装置，其特征在于，所述接线端子与所述一次仪表是通过端子排连接，所述连接器与所述控制系统通过接插件连接。

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