CN1625142B - 适合在制炼厂的危险区域内使用的通信总线 - Google Patents

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    • H02H7/267—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for parallel lines and wires

Abstract

一种适合在制炼厂的危险区域内使用的通信总线，包括适配为朝第一方向传送电信号的第一传输路径，以及适配为朝第二方向传送电信号的第二传输路径。安全设备耦接到第一和第二传输路径的每一个，并包括适配为检测与通信总线关联的故障状态的控制单元。该安全设备还包括切换单元，其适配为响应于所检测的故障状态，而中断沿第一和第二传输路径的每一个的电信号的流动。以这种方式，如果发生与通信总线关联的故障状态，通信总线的检测电路可自动地减少或防止火花或电弧放电的发生。

Description

适合在制炼厂的危险区域内使用的通信总线
技术领域
本公开一般地涉及一种制炼厂(process plant)，并特别涉及一种适合在制炼厂的危险区域内使用的通信总线。
背景技术
在存在易燃或可燃材料的制炼厂中，由于易燃空气可能着火的可能性而存在潜在的危险状态。这些状态可出现于很多工业环境中，例如涉及石油和其它化学品、易燃气体、可燃粉尘、爆炸性蒸气等的环境。根据通常存在或可能偶尔存在的危险的性质和类型，管理机构和组织已经采纳和指定了对于不同类型的危险场所的标准分类。为了保护工厂人员和财产，应该在这些危险区域内采取预防措施，以避免可点燃环境空气的电火花或过热的风险。
用于危险区域中的过程测量和控制的保护概念作为爆炸保护技术而普遍地为人所知。作为流行的爆炸保护技术，电气设备可以构造成本质安全的。设计本质安全的设备，使得由该设备使用和/或产生的电能在任何时候都不超出预定的能量限值，所以，如果发生故障，由本质安全的设备释放的能量的最大量不足以产生能够引起燃烧的火花。此外，限制设备的温度，使得该设备不能引起自发燃烧。换句话说，本质安全的设备是这样的设备：在正常运行期间和在任何故障状态的运行期间，其不能引起火花或者达到足以点燃环境危险空气的温度。很多机构证明，这样的设备的功率耗散水平、能量存储能力、运行温度、电压和电流需求等与在本质安全标准中定义的专门的安全规定一致。
如果电气设备不是本质安全的，也存在其它方法来确保该设备不会充当点火源。通常，在设备不是本质安全的情况中，可以通过将整个设备(或设备的一部分)装入防爆外壳中而使其安全。防爆外壳是将防止任何可能发生在该外壳内的爆炸引起该外壳外的空气燃烧的外壳。
可替换的是，可以将电气设备装入一些其它类型的保护外壳，并利用压缩空气或惰性气体来净化或加压，以防止外部的爆炸性空气进入外壳。因此，净化的外壳内的火花或部件的高温不会点燃危险的外部空气。
通常，总线将位于制炼厂的非危险区域(例如控制室)的设备连接到位于其中具有爆炸危险的区域(即危险区域)的设备。目前，可以将能量限制或本质安全屏障(例如齐纳屏障)插入到非危险区域和危险区域之间的界面。能量限制屏障将进入危险区域的电能限制到不能引起燃烧的安全级别。因此，来自发生在非危险区域内的可能故障的过剩能量不会沿总线传递而引起制炼厂的爆炸性的或者另外的危险区域内的火花。不幸的是，电气地限制能量可能导致由总线运送的通信信号的失真。而且，安装和维护能量限制屏障经常是困难且昂贵的。
即使设备不是位于危险区域内，互连电缆或总线仍然可能不得不经过危险区域。尽管数字信号中的能量小，但是，如果当例如总线被切开、切断、开路和/或断开时允许其泄漏到危险空气中，那么，有时候，该小量的能量足以制造引发爆炸的电弧或火花。所以，由于导致在危险区域中释放引发爆炸的火花或电弧的对总线导线的损害或与总线线路相关的其它故障状态(例如开路)的内在危险，因此与总线线路有关的爆炸保护技术极其重要。
发明内容
适合在制炼厂的危险区域内使用的通信总线包括：第一传输路径，其适配为沿第一方向传送电信号，以及第二传输路径，其适配为沿第二方向传送电信号。耦接到第一和第二传输路径的每一个的安全设备包括适配为检测与通信总线关联的故障状态的控制单元。该安全设备还包括切换单元，其适配为响应于所检测的故障状态，而中断沿着所述第一和第二传输路径的每一个的电信号的流动。
该安全设备提供可靠且便宜的机构，用于一旦检测到与通信总线关联的故障状态，就立即安全地中断电信号沿着位于危险区域内的通信总线的流动。该安全设备消除或减少了对通信总线上的昂贵的能量限制屏障的需求，该屏障经常难以安装和维护。此外，通过在检测到与通信总线关联的故障状态之后立即双向中断沿着第一和第二传输路径的每一个的电信号的流动，该安全设备减小了可点燃危险区域内的易燃空气的火花或电弧发生的可能性。
附图说明
图1是典型的制炼厂的示例方框图，其包括将一个或更多操作员工作站和数据历史数据库连接到过程控制器和多个现场设备的通信总线；
图2是通信总线的示例方框图，其包括适配为在检测到与通信总线关联的故障状态之后立即中断危险区域中的电信号的流动的安全设备；
图3是具有通过转发器连接到一起的多个总线段的制炼厂的示例方框图；以及
图4是图2中示出的安全设备的更详细的方框图。
具体实施方式
现在参考图1，制炼厂10包括通过一个或更多输入/输出(I/O)设备26、28而连接到过程控制器12的多个现场设备15-22。过程控制器12可以是分布式控制系统(DCS)型控制器，例如由Emerson Process Management销售的DeltaVTM控制器，或者用于以任何传统的或任何其它期望的方式控制现场设备15-22的任何其它类型的控制器。过程控制器12能够执行存储在其中的过程控制例行程序，并且/或者能够与位于例如分布在制炼厂10各处的智能现场设备19-22中的例如功能块的控制元件通信。
过程控制器12通过通信总线24可通信地耦接到一个或更多操作员工作站13、14。通信总线24可使用任何期望的或合适的局域网(LAN)或广域网(WAN)协议来提供通信。优选的是，通信总线24是包括双绞电缆的基于以太网的总线。在此情况中，通信总线24包括捆成4条双绞线的8条单独的导线，两条双绞电缆用于提供过程控制通信。剩余的两条双绞电缆常常不使用。当然，通信总线24可包括任何其它合适的硬连线链接，例如同轴电缆、双绞电缆和同轴电流的混合等。
操作员工作站13、14可以基于个人计算机平台或任何其它合适的处理平台，并且可执行多种已知的过程控制、维护和其它功能。此外，制炼厂10可包括数据历史数据库23，其通过通信总线24从过程控制器12和所述多个现场设备15-22收集过程信息。应当理解的是，图1中示出的制炼厂10实际上只是示例性的，也可以使用其它类型或结构的制炼厂10。
所述多个现场设备15-22可包括诸如传感器、阀门、发射机、定位器等的设备。类似地，I/O设备26、28可以是符合任意所期望的通信或控制器协议的任意类型的I/O设备。如图1所示，过程控制器12通过模拟线路33-36可通信地耦接到传统的(即非智能的)现场设备15-18。传统的现场设备15-18可以是通过模拟线路33-36与I/O设备26通信的标准4-20mA模拟现场设备。
可替换地，或附加地，所述多个现场设备15-22可包括使用FOUNDATIONTM Fieldbus(下文中称为“Fieldbus”)协议通信而通过数字总线38与I/O设备28通信的智能现场设备19-22。通常，Fieldbus协议是全数字的、连续的、双向通信协议，其提供到双导线回路或总线的标准物理接口，该双导线回路或总线使位于例如制造厂或工厂的仪器或过程控制环境中的智能现场设备19-22相互连接。实际上，该Fieldbus协议提供用于制炼厂10中的智能现场设备19-22的局域网，该局域网使这些智能现场设备19-22与过程控制器12一起或独立于过程控制器12而执行一个或更多过程控制循环。
尽管制炼厂10使用Fieldbus通信协议来为智能现场设备19-22提供通信，但它可以使用很多标准的、开放的、数字或组合数字和模拟的通信协议，例如HART
Figure 041832536_0
、PROFIBUS、WORLDFIP
Figure 041832536_2
、Device-Net、AS-Interface，还有CAN协议。
图2图示了适合在制炼厂10的危险区域43内使用的通信总线24的一个实施例。如上面所讨论的，通信总线24可以是组织成4个导线对的8根导线的总线。具体说，第一导线对25包括第一传输线25a和第二传输线25b。第二导线对27包括第三传输线27a和第四传输线27b。第三导线对29包括第五传输线29a和第六传输线29b。并且第四导线对37包括第七传输线37a和第八传输线37b。
如图2所示，第一、第二、第三、和第四导线对25、27、29、37的每一个包括附在各条传输线25a、b；27a、b；29a、b；37a、b的末端上的关联的插入型连接器11。最好是，插入型连接器11的每一个是RJ-45以太网电缆连接器。然而应当理解的是，如果期望的话，可以使用其它类型的连接器，例如ISDN/LAN连接器，以及除了RJ-45连接器之外的其它类型的以太网连接器。
第一和第二导线对25、27将来自操作员工作站13、14和/或数据历史数据库23的信号传送给过程控制器12和所述多个现场设备15-22。例如，过程控制器12和/或所述多个现场设备15-22中的一个或更多可通过第一和第二导线对25、27从操作员工作站13、14接收命令。如果期望的话，第一和第二导线对25、27还可以适配为将来自电源(未示出)的电力传送到过程控制器12和所述多个现场设备15-22。换句话说，可以通过提供通信的相同导线对25、27给所述多个现场设备15-22和过程控制器12供电。
此外，智能现场设备19-22和过程控制器12可以通过通信总线24的第一和第二导线对25、27将信号传送到操作员工作站13、14和/或数据历史数据库23。例如，过程控制器12和/或一个或更多智能现场设备19-22可以通过第一和第二导线对25、27将警告、状态和诊断信息传送给操作员工作站13、14和/或数据历史数据库23。此外，第一和第二导线对25、27可以将来自过程控制器12的信号传送给所述多个现场设备15-22。
第一导线对25适配为朝箭头46指示的第一方向传送电信号，而第二导线对27适配为朝箭头47指示的第二方向传送电信号。照这样的话，电信号可以同时朝第一方向或第二方向流动。通常，不使用双绞电缆的第三和第四导线对29、37。因此，电信号通常不沿第三和第四导线对29、37流动。
在一些制炼厂10中，普遍的是，所述多个现场设备15-22的一个或更多和/或过程控制器12位于高度可燃的危险区域43内。例如，在化学制炼厂中，现场设备可能测量和/或控制盛放高度易燃的液体的储油罐中的液面。照这样的话，出于测量和/或控制的目的，可能有必要将电信号传入或传出危险区域43。为了减小由通信总线24的故障状态(例如断开、开路、切开、切断和/或其它损坏的通信总线24)引起的电火花、电弧放电和/或过热的风险，应当采取预防措施以减小通信总线24充当点火源的可能性。
如图2所示，操作员工作站13、14和/或电源(未示出)通常位于没有任何易燃材料的非危险区域31内的控制室30中。位于控制室30中的操作员工作站13、14和/或电源(未示出)包括套筒型连接器2，例如RJ-45连接器，将其配置为用于容纳与通信总线24的第一和第二导线对25、27关联的插入型连接器11。第一和第二导线对25、27可以从位于非危险区域31内的控制室30延伸到位于危险区域43内的设备32。类似地，诸如过程控制器12和/或所述多个现场设备15-22的一个或更多的设备32包括套筒型连接器8，例如RJ-45连接器，将其配置为用于容纳与通信总线24的第一和第二导线对25、27关联的插入型连接器11。
为了防止当通信总线24在故障状态下位于危险区域43内时(即当通信总线24被断开、切断、切开等的时候)因疏忽所致的火花、电弧放电，和/或通信总线24的过热，可以将包括第一切换组件42和第二切换组件44的安全设备40安装在通信总线24上。第一切换组件42和第二切换组件44的每一个可以装在可用来将通信总线24的电线连接在一起的相应块(例如，电气连接块、接线块、切换块、继电块等)中。如果期望的话，所述块还可以给通信总线24的导线提供端子(termination)。
第一切换组件42包括12个套筒型连接器4，例如RJ-45连接器，其配置为用于容纳和固定12个对应的插入型连接器11及其关联的电缆。类似地，第二切换组件44包括12个套筒型连接器6，例如RJ-45连接器，其配置为用于容纳和固定12个对应的插入型连接器11及其关联的电缆。尽管将第一切换组件42和第二切换组件44图示为每个都具有12个连接器，但应当理解的是，第一切换组件42和第二切换组件44的每一个可以包括任何所期望的数目的套筒型连接器。
为了安装第一切换组件42，将与第一、第二、第三、和第四导线对25、27、29、37关联的插入型连接器11插入位于第一切换组件42的第一边的对应的套筒型连接器4。为了完成第一切换组件42的安装，将与第一和第二导线对25、27关联的插入型连接器11插入位于第一切换组件42的第二边的对应的套筒型连接器4。最后，将与第一和第二导线对25、27关联的插入型连接器11插入与控制室30关联的对应套筒型连接器2。
类似地，为了安装第二切换组件44，将与第一、第二、第三、和第四导线对25、27、29、37关联的插入型连接器11插入位于第二切换组件44的第一边的对应套筒型连接器6。为了完成第二切换组件44的安装，将与第一和第二导线对25、27关联的插入型连接器11插入位于第二切换组件44的第二边的对应套筒型连接器6。最后，将与第一和第二导线对25、27关联的插入型连接器11插入与设备32关联的对应套筒型连接器8。例如，位于危险区域43内的所述多个现场设备15-22的一个或多个和/或过程控制器12可包括嵌入在其中的套筒型连接器8。
尽管将第一切换组件42、第二切换组件44、位于控制室30中的操作员工作站13、14和/或电源描述为具有容纳与第一、第二、第三、和第四导线对25、27、29、37关联的插入型连接器的套筒型连接器，但应当理解的是，第一、第二、第三、和第四导线对25、27、29、37的每一个可包括适配为容纳与第一切换组件42、第二切换组件44、位于控制室30中的操作员工作站13、14和/或电源关联的插入型连接器的套筒型连接器。
如下面更详细描述的，安全设备40的第一和第二切换组件42、44的每一个包括这样的部件，其适配为在检测到与通信总线24关联的故障状态(例如通信总线24从第一切换组件42和/或第二切换组件44拔出)之后，立即安全地中断第一和第二导线对25、27中的电信号的流动。
参考图3，通信总线24可包括将多个总线部分或总线段24a-d连接到一起的集线器和/或转发器39。当设备之间的距离太大以至于不能提供可靠的通信时，常常必须用转发器39连接设备。转发器39可运行以增强通过多个总线段24a-d传送的电信号。以这种方式，与一个总线段关联的故障状态不一定影响其它总线段的运行。因此，如果发生仅与总线段之一关联的故障状态，则可以不必停止整个过程。
意欲在危险区域43内使用的电气设备应当符合安全标准集以减小爆炸的可能性。因此，当位于危险区域43内时，转发器39、所述多个现场设备15-22、过程控制器12、和/或I/O设备26、28可以构造成本质安全的(或能量受限的)。可替换地，或附加地，当位于危险区域43内时，转发器39、所述多个现场设备15-22、过程控制器12、I/O设备26、28、和/或第一和第二切换组件42、44可以装在一个或更多防爆外壳内，该防爆外壳适配为遏制(contain)可能在该外壳内爆发的任何爆炸。此外，当转发器39、所述多个现场设备15-22、过程控制器12、I/O设备26、28、和/或第一和第二切换组件42、44位于危险区域43内时，所述设备的每一个可以装在净化的外壳内，该外壳适配为将爆炸性的空气与外壳内的空气隔离开。
现在参考图4，将讨论安全设备40的内部操作。如图所示，跨过四个导线对25、27、29、37的每一个而连接安全设备40的第一切换组件42和第二切换组件44。第一切换组件42包括第一继电器50和第二继电器52，二者均由耦接到第三导线对29上的第一控制单元80控制。类似地，第二切换组件44包括第三继电器54和第四继电器56，二者均由耦接到第四导线对37上的第二控制单元82控制。
尽管在第一和第二切换组件42、44的每一个中只提供了两个继电器，但应当理解的是，可以增加在第一和第二切换组件42、44的每一个中提供的继电器数目，以提供备用的操作。此外，尽管第一切换组件42示出为位于非危险区域31内，而第二切换组件44示出为位于危险区域43内，但第一和第二切换组件42、44可位于沿通信总线24的任何地方。例如，第一和第二切换组件42、44可全部位于制炼厂10的危险区域43内。可替换的是，第一和第二切换组件42、44可全部位于制炼厂10的非危险区域31内。如上面所讨论的，当第一和第二切换组件42、44位于危险区域43内时，它们应当遵守安全标准。例如，当第一和第二切换组件42、44位于危险区域43内时，它们可以装在防爆或净化的外壳内。
如图4所示，第一继电器50和第三继电器54耦接到第一导线对25，而第二继电器52和第四继电器56耦接到第二导线对27。第一线圈60控制第一组触头70a、70b，并且第二线圈62控制第二组触头72a、72b。可替换的是，与第一组触头70a、70b和第二组触头72a、72b关联的每个触头可以由相应线圈单独控制。此外，如果期望的话，一个线圈可以控制第一组触头70a、70b和第二组触头72a、72b。
类似地，第三线圈64控制第三组触头74a、74b，并且第四线圈66控制第四组触头76a、76b。然而，与第三组触头74a、74b和第四组触头76a、76b关联的每个触头可以由相应线圈单独控制，或者，如果期望的话，一个线圈可以控制第三组触头74a、74b和第四组触头76a、76b。
在图4所示的实施例中，第一线圈60与第二线圈62并联，并且第一和第二线圈60、62均耦接到第一控制单元80。以这种方式，第一控制单元80基本上同时控制第一组触头70a、70b和第二组触头72a、72b。类似地，第三线圈64与第四线圈66并联，并且第三和第四线圈64、66均耦接到第二控制单元82。以这种方式，第二控制单元82基本上同时控制第三组触头74a、74b和第四组触头76a、76b。
最好是，第一、第二、第三、和第四组触头70a、b-76a、b为常开(NO)触头。NO触头是具有其中该触头为开路的不通电的正常状态的双态开关。当电流经过线圈60-66时，相应继电器50-56改变触头状态。因此，当给线圈60-66通电时，对应的NO触头组70a、b-76a、b闭合。如图4所示，第一、第二、第三、和第四组触头70a、b-76a、b包括单刀单掷开关。然而，应当理解的是，如果期望的话，所述多组触头70a、b-76a、b可包括单刀双掷开关、双刀单掷开关、双刀双掷开关等。
第一控制单元80包括第一信号源91，其适配为产生电信号，例如低电压和/或低电流信号，该电信号通过未使用的第三导线对29从第一切换组件42传送到第二切换组件44。第一控制单元80还包括第一传感器93，其适配为测量与第三导线对29关联的电气特性，例如电流、电压、电阻等。
如图4所示，以环的形式连接第三导线对29的第五传输线29a和第六传输线29b。最好是，第一传感器93是电流传感器，其适配为测量流经与环形连接的第三导线对29耦接的第一电阻(未示出)的电流。然而，可以使用任何合适的技术来测量与第三导线对29关联的电气特性。
第一控制单元80还包括第一比较器92，其具有耦接到第一传感器93的输入端，并且该输入端可以运行以从第一传感器93接收与环形连接的第三导线对29关联的所测量的电气特性，例如电流。第一比较器92将所测量的与环形连接的第三导线对29关联的电气特性与预定的正常运行值相比较。可替换的是，可以将所测量的电气特性与预定的正常运行值的范围相比较。因为如果发生与通信总线24关联的故障状态(例如，当通信总线24从第二切换组件44拔出时)，则在环形连接的第三导线对29中产生不常见的信号路径，所以所测量的与第三导线对29关联的电气特性从预定的正常运行值急剧变化到减小的或增大的值。
作为示例，如果从第二切换组件44或与第二切换组件44关联的连接器6拖走通信总线24的电缆，则由于作为开路状态的结果而在环形连接的第三导线对29中产生的不完整的电流路径，沿第三导线对29流动的电流可能下降到减小的值，可能接近0。
第一控制单元80还包括第一晶体管90，例如场效应晶体管(FET)，其连接到第一比较器92的输出端和并联的第一和第二线圈60、62。在正常的运行状态下，第一比较器92的输出处于激活状态，从而使第一晶体管90偏置在“导通”状态，其中，第一晶体管导通。具体说，在“导通”状态中，第一晶体管90将驱动电流提供给第一和第二线圈60、62，从而给第一和第二线圈60、62通电。通电的第一线圈60所得到的磁场产生使第一组触头70a、70b闭合的力，而通电的第二线圈62所得到的磁场产生使第二组触头72a、72b闭合的力。以这种方式，在第一和第二导线对25、27中提供了连续的电气路径，使得电信号可以无中断地沿第一和第二导线对25、27流动。
一旦检测到所测量的与第三导线对29关联的电气特性偏离预定的正常运行值(或预定的正常运行值的范围)的变化(即减小或增大)，其中所述变化可能是通信总线24的故障状态的指示，第一比较器92的输出立即改变为非激活状态，从而“关断”第一晶体管90。在“关断”状态中，第一晶体管90不再将电流传导到第一和第二线圈60、62。当电流在第一线圈60中停止流动时，第一组触头70a、70b基本上立即断开，以中断第一导线对25中的电信号的流动。类似地，当电流在第二线圈62中停止流动时，第二组触头72a、72b基本上立即断开，以中断第二导线对27中的电信号的流动。因此，减少或避免了可点燃环境空气中的可燃材料的任何火花或电弧放电。
类似地，第二控制单元82包括第二信号源94，其适配为产生电信号，例如低电压和/或低电流信号，该电信号通过未使用的第四导线对37从第二切换组件44传送到第一切换组件42。第二控制单元82还包括第二传感器96，其适配为测量与第四导线对37关联的电气特性，例如电流、电压、电阻等。
如图4所示，以环的形式连接第四导线对37的第七传输线37a和第八传输线37b。最好是，第二传感器96是电流传感器，其适配为测量流经与环形连接的第四导线对37耦接的第二电阻(未示出)的电流。然而，可以使用任何合适的技术来测量与第四导线对37关联的电气特性。
第二控制单元82还包括第二比较器97，其具有耦接到第二传感器96的输入端，并且该输入端可以运行以从第二传感器96接收所测量的与第四导线对37关联的电气特性，例如电流。第二比较器97将所测量的与环形连接的第四导线对37关联的电气特性与预定的正常运行值相比较。可替换的是，可以将所测量的电气特性与预定的正常运行值的范围相比较。因为如果发生与通信总线24关联的故障状态(例如，当通信总线24从第一切换组件42拔出时)，则在环形连接的第四导线对37中产生不常见的信号路径，所以所测量的与第四导线对37关联的电气特性从预定的正常运行值急剧变化到减小的或增大的值。
作为示例，如果从第一切换组件42或与第一切换组件42关联的连接器4拖走通信总线24的电缆，则由于作为开路状态的结果而在环形连接的第四导线对37中产生的不完整的电流路径，所以沿第四导线对37流动的电流可能下降到减小的值，可能接近0。
第二控制单元82还包括第二晶体管95，例如场效应晶体管(FET)，其连接到第二比较器97的输出端以及并联的第三和第四线圈64、66。在正常的运行状态下，第二比较器97的输出处于激活状态，从而使第二晶体管95偏置在“导通”状态，其中第二晶体管95导通。具体说，在“导通”状态，第二晶体管95将驱动电流提供给第三和第四线圈64、66，从而给第三和第四线圈64、66通电。通电的第三线圈64所得到的磁场产生使第三组触头74a、74b闭合的力，而通电的第四线圈66所得到的磁场产生使第四组触头76a、76b闭合的力。以这种方式，在第一和第二导线对25、27中提供了连续的电气路径，使得电信号可以无中断地沿第一和第二导线对25、27流动。
一旦检测到所测量的与第四导线对37关联的电气特性偏离预定的正常运行值(或预定的正常运行值的范围)的变化(即减小或增大)，其中所述变化可能是通信总线24的故障状态的指示，第二比较器97的输出立即改变为非激活状态，从而“关断”第二晶体管95。在“关断”状态中，第二晶体管95不再将电流传导到第三和第四线圈64、66。当电流在第三线圈64中停止流动时，第三组触头74a、74b基本上立即断开，以中断第一导线对25中的电信号的流动。类似地，当电流在第四线圈66中停止流动时，第四组触头76a、76b基本上立即断开，以中断第二导线对27中的电信号的流动。因此，减少或避免了可点燃周围空气中的可燃材料的任何火花或电弧放电。
所检测的故障状态的类型可包括：由例如不正确安装通信总线24引起的开路和/或电气不连续，从第一切换组件42和/或第二切换组件44拔出的通信总线24，具有不良的连接器连接的通信总线24，切开的、切断的、和/或以其他方式损坏的通信总线24等。例如，当安装通信总线24的线路和连接器和/或所述多个总线段24a-d时，安装者可能不正确地将连接器连接到传输线25、27、29、37中的一个或更多。此外，在安装之后，通信总线24和/或所述多个总线段24a-d的一个或更多可能在运行期间一不小心变为从第一切换组件42和/或第二切换组件44断开。此外，通信总线24可能被切开、切断、开路、和/或以另外的方式损坏，导致开路或电气不连续。所以这些故障状态可能引起可潜在地点燃危险区域43内的周围空气的通信总线24和/或所述多个总线段24a-d的一个或更多的电弧放电、火花、和/或过热。
在运行中，当第一控制单元80的第一比较器92检测到所测量的与环形连接的第三导线对29关联的电气特性偏离预定的正常运行值(或预定的正常运行值的范围)的变化(例如减小或增大)时，第一比较器92使第一晶体管90“关断”。当第一晶体管90“关断”时，第一和第二线圈60、62中的电流停止流动。因此，第一组触头70a、70b和第二组触头72a、72b基本上同时断开，从而双向中断第一和第二导线对25、27中的电信号的流动。中断第一和第二导线对25、27中的电信号的流动减小了可点燃危险区域43内的易燃空气的火花或电弧发生的可能性。
第二切换组件44以与第一切换组件42类似的方式操作。具体地说，当第二控制单元82的第二比较器97检测到所测量的与环形连接的第四导线对37关联的电气特性偏离预定的正常运行值(或预定的正常运行值的范围)的变化(例如减小或增大)时，第二比较器97使第二晶体管95“关断”。当第二晶体管95“关断”时，第三和第四线圈64、66中的电流停止流动。因此，第三组触头74a、74b和第四组触头76a、76b基本上同时断开，从而双向中断第一和第二导线对25、27中的电信号的流动。中断第一和第二导线对25、27中的电信号的流动减小了可点燃危险区域43内的易燃空气的火花或电弧发生的可能性。
应当理解的是，第一和第二控制单元80、82可以同时检测与通信总线24关联的故障状态，从而使第一和第二切换组件42、44基本上同时运行，以中断第一和第二导线对25、27中的电信号的流动。
此外，尽管第一和第二控制单元80、82使用第一和第二晶体管90、95，以响应于所测量的电气特性偏离预定的正常运行值(或预定的正常运行值的范围)的变化，而切断到对应的线圈60-66的电流，但是也可以使用其它类似的部件，例如半导体闸流管。
此外，尽管将安全设备40描述为采用机电继电器50-56，来在故障状态下中断第一和第二导线对25、27中的电信号的流动，但簧片开关和/或固态设备等也可以等价地应用。
此外，尽管将通信总线24和总线段24a-d描述为具有组织成四个导线对的总共八条单独的导线，但其它结构也可以等价地应用。例如，通信总线24和/或总线段24a-d可包括四条单独的导线。第一导线可将来自位于非危险区域31内的操作员工作站13、14和/或数据历史数据库23的信号传送给位于危险区域43内的过程控制器12和/或一个或更多现场设备15-22。第二导线可以将来自位于危险区域43内的过程控制器12和/或一个或更多智能现场设备19-22的信号传送给位于非危险区域31内的操作员工作站13、14和/或数据历史数据库23。剩余的未使用的第三和第四导线可分别用来传送由第一和第二控制单元80、82的第一和第二信号源91、94产生的电信号。还应当理解的是，安全设备40可以连接到通信总线24、总线段24a-d、模拟线33-36、数字总线38、和/或位于危险区域43内任何其它的通信介质。
尽管已经参考特定的示例描述了本公开，其中所述示例意欲仅为示意性的而非对本公开的限制，但本领域普通技术人员应明白，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对所公开的实施例进行改变、添加、或删除。

Claims (34)

1.一种适合在制炼厂的危险区域中使用的通信总线，用于将电信号从非危险区域中的控制室传输到位于制炼厂内的危险区域中的装置，并且响应于该通信总线中的故障状态的检测中断电信号的传输，该通信总线包括：
插入安全设备的第一切换组件的第一边的连接器；
插入安全设备的第一切换组件的第二边的连接器，配置为通过插入安全设备的第一切换组件的第二边的连接器以及插入控制室的连接器将该安全设备连接到控制室；
插入安全设备的第二切换组件的第一边的连接器；
插入安全设备的第二切换组件的第二边的连接器，配置为通过插入安全设备的第二切换组件的第二边的连接器以及插入该装置的连接器将该安全设备连接到该装置；
控制室和安全设备的第一切换组件的第二边之间、第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边之间以及安全设备的第二切换组件的第二边和该装置之间的第一传输路径，在第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边之间朝第一方向传送电信号；
控制室和安全设备的第一切换组件的第二边之间、第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边之间以及安全设备的第二切换组件的第二边和该装置之间的第二传输路径，在第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边之间朝第二方向传送电信号；
安全设备的第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边之间的第三传输路径，
其中该安全设备包括第一控制单元，用于通过检测所测量的与第三传输路径相关联的电气特性偏离正常运行值的变化，检测与通信总线关联的故障状态，并且其中该安全设备还包括第一切换单元，其连接到第一和第二传输路径，并且能切换到允许电信号沿着第一和第二传输路径流动的闭合位置和防止电信号沿着第一和第二传输路径流动的断开位置，并且其中第一控制单元使得第一切换单元移动到断开位置，用于响应于由第一控制单元检测的与通信总线关联的故障状态而中断沿第一和第二传输路径的每一个的电信号的流动。
2.如权利要求1所述的通信总线，其中，所检测的与通信总线关联的故障状态包括以下中的至少一个：开路、电气不连续、通信总线中的切口、切断的通信总线、以及通信总线的断开端。
3.如权利要求1所述的通信总线，其中第一控制单元配置为通过检测所测量的与第三传输路径相关联的电气特性偏离正常运行值的变化，检测第三传输路径上的故障状态，并且使得第一切换单元移动到断开位置，以响应于在第一控制单元检测第三传输路径上的故障状态而中断沿第一和第二传输路径的每一个的第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边之间的电信号的流动。
4.如权利要求3所述的通信总线，其中，所述第一、第二和第三传输路径的每一个包括双绞电缆或同轴电缆。
5.如权利要求3所述的通信总线，其中，该第一控制单元包括耦接到第三传输路径的第一控制设备，其中该第一控制设备包括第一信号源，其产生沿第三传输路径朝第一方向传送的电信号。
6.如权利要求5所述的通信总线，其中，该第一控制设备包括测量与第三传输路径关联的电气特性的第一传感器。
7.如权利要求6所述的通信总线，其中，所测量的与第三传输路径关联的电气特性是电流、电压和电阻之一。
8.如权利要求6所述的通信总线，其中，该第一控制设备包括将所测量的与第三传输路径关联的电气特性与正常运行值相比较的第一比较器。
9.如权利要求8所述的通信总线，其中，该第一切换单元包括耦接到第一控制设备的第一开关。
10.如权利要求9所述的通信总线，其中，该第一开关包括第一继电器和第二继电器，并且其中第一和第二继电器的每一个耦接到第一控制设备。
11.如权利要求10所述的通信总线，其中该第一控制设备给与第一和第二继电器的每一个关联的线圈通电和断电，以便打开和关闭第一和第二继电器。
12.如权利要求10所述的通信总线，其中，第一和第二继电器的每一个包括在正常运行期间闭合的触头。
13.如权利要求12所述的通信总线，其中，第一控制设备响应于所测量的与第三传输路径关联的电气特性偏离正常运行值的变化，而断开第一和第二继电器的触头。
14.一种适于在制炼厂的危险区域内使用的安全设备，该安全设备包括：
通信总线，其包括通过安全设备的第一切换组件的第二边连接到非危险区域中的控制室的安全设备的第一切换组件的第一边的连接器和通过安全设备的第二切换组件的第二边连接到位于制炼厂内的危险区域中的装置的第二切换组件的第一边的连接器，位于控制室和安全设备的第一切换组件的第二边之间、第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边之间以及安全设备的第二切换组件的第二边和该装置之间并且通信连接第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边的第一和第二传输路径，其中各传输路径位于该控制室和位于制炼厂内的该装置之间，并且该第一传输路径被耦接以在该控制室和该装置之间朝第一方向传送电信号，该第二传输路径被耦接以在该控制室和该装置之间朝第二方向传送电信号；
安全设备的第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边之间的第三传输路径；
耦接到第三传输路径的第一控制单元，用于通过检测所测量的与第三传输路径相关联的电气特性偏离正常运行值的变化，检测与通信总线关联的故障状态；以及
第一切换单元，其耦接到第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边之间的第一和第二传输路径和第一控制单元，并且能切换到允许电信号沿着第一和第二传输路径流动的闭合位置和防止电信号沿着第一和第二传输路径流动的断开位置，并且其中第一控制单元使得第一切换单元移动到断开位置，用于响应于由该第一控制单元检测的与通信总线关联的第三传输路径上的故障状态，而中断电信号在第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边之间沿第一和第二传输路径的流动。
15.如权利要求14所述的安全设备，其中该第一控制单元包括测量与第三传输路径关联的电气特性的传感器。
16.如权利要求15所述的安全设备，其中所测量的与第三传输路径关联的电气特性包括电流、电压和电阻之一。
17.如权利要求15所述的安全设备，其中该第一控制单元包括用于将所测量的与第三传输路径关联的电气特性与正常运行值进行比较的比较器。
18.如权利要求17所述的安全设备，其中该第一传输路径朝第一方向传送电信号，以及第二传输路径朝第二方向传送电信号。
19.如权利要求18所述的安全设备，其中该第三传输路径朝第一方向传送电信号。
20.如权利要求19所述的安全设备，其中，所述第一、第二和第三传输路径中的每一个包括一条导线或两条导线。
21.如权利要求19所述的安全设备，其中该第一控制单元包括耦接到第三传输路径的第一控制设备。
22.如权利要求21所述的安全设备，其中该第一切换单元包括第一开关和第二开关，其每一个耦接到第一控制设备，其中第一开关耦接到第一传输路径，并且其中第二开关耦接到第二传输路径。
23.如权利要求22所述的安全设备，其中所述第一和第二开关的每一个包括在正常运行期间闭合的触头。
24.如权利要求23所述的安全设备，其中该第一控制设备响应于所测量的与第三传输路径关联的电气特性偏离正常运行值的变化，而断开第一和第二开关的触头。
25.如权利要求14所述的安全设备，其中所述各传输路径的每一条包括双绞电缆或同轴电缆。
26.如权利要求14所述的安全设备，其中该第一和第二传输路径使用基于以太网、Fieldbus、HART、PROFIBUS、WORLDFIP、Device-Net、As-interface、或CAN的通信协议来传送电信号。
27.如权利要求14所述的安全设备，其中该第一控制单元包括操作来产生沿第三传输路径传送的电信号的信号源。
28.一种用于提供适合在制炼厂的危险区域内使用的通信总线的方法，该方法包括：
通过沿着第一传输路径将电信号从通信总线的安全设备的第一切换组件的第一边传送到通信总线的安全设备的第二切换组件的第一边，将电信号从非危险区域中的控制室传送到位于制炼厂内的危险区域中的装置，该第一传输路径和一第二传输路径位于控制室和安全设备的第一切换组件的第二边之间、通信总线的第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边之间以及安全设备的第二切换组件的第二边和该装置之间，并且通信连接通信总线的第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边；
沿通信总线内的第三传输路径传送电信号，该第三传输路径在安全设备的第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边之间；
测量与第三传输路径关联的电气特性；
响应于所测量的与第三传输路径关联的电气特性，而检测与该通信总线关联的故障状态；以及
响应于在第三传输路径上检测与通信总线关联的故障状态，而中断在第一切换组件的第一边和第二切换组件的第一边之间的、沿第一和第二传输路径的电信号的流动。
29.如权利要求28所述的方法，其中，检测与通信总线关联的故障状态包括检测以下中的至少一个：开路、电气不连续、通信总线中的切口、切断的通信总线、以及通信总线的断开端。
30.如权利要求28所述的方法，其中，沿第一和第二传输路径传送电信号包括：沿第一传输路径的第一对传输导线朝第一方向传送电信号，并沿第二传输路径的第二对传输导线朝第二方向传送电信号，并且其中，沿第三传输路径传送电信号包括：沿第三传输路径的第三对传输导线朝第一方向传送电信号，其中通过检测所测量的与第三传输路径相关联的电气特性偏离正常运行值的变化，在第三对传输导线上检测故障状态。
31.如权利要求28所述的方法，其中，沿第一和第二传输路径传送电信号包括：沿第一传输路径的第一传输导线朝第一方向传送电信号，并沿第二传输路径的第二传输导线朝第二方向传送电信号，并且其中，沿第三传输路径传送电信号包括：沿第三传输路径的第三传输导线朝第一方向传送电信号，其中通过检测所测量的与第三传输路径相关联的电气特性偏离正常运行值的变化，在第三传输导线上检测故障状态。
32.如权利要求28所述的方法，其中，测量与第三传输路径关联的电气特性包括测量电流、电压、或电阻。
33.如权利要求28所述的方法，还包括将所测量的与第三传输路径关联的电气特性与正常运行值进行比较。
34.如权利要求33所述的方法，其中，中断沿第一和第二传输路径的电信号的流动包括：响应于所测量的与第三传输路径关联的电气特性偏离正常运行值的变化，而断开与第一和第二传输路径耦接的开关触头。
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