CN1916807A - Ff现场总线本质安全栅 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及过程控制领域，具体地说是一种FF现场总线本质安全栅，它包括结构相同的三组接收/发送电路、结构相同的两组稳压/限流电路、接线端子、开关电源及数据处理部分，它们之间通过接线端子与FF现场总线进行连接；其中：直流电源经过接线端子接开关电源，开关电源输出的直流电压经过两组稳压/限流电路，为危险区提供符合本质安全要求的直流电源；第一～三接收/发送电路的输入端、输出端分别与各自的FF现场总线相连接(电源线也是数据线)，由于FF现场总线的数据通讯采用的是半双工的通讯方式，因此，当某一接收/发送电路接收到其对应的FF现场总线上的数据信号时，首先传送给数据处理电路，数据处理电路对数据的有效性进行判断，再决定是否将这一信号通过另外两路接收/发送电路传送到其对应的FF现场总线上。采用本发明可以实现送给危险区的电源是本质安全的。
Description
技术领域
本发明涉及过程控制领域，具体地说是一种FF现场总线本质安全栅，采用本发明可以实现送给危险区的电源是本质安全的。
背景技术
安全栅是安装在安全场所且含有本安电路和非本安电路的装置，通过符合本安电路要求的限流、限压电路限制送往危险场所的能量，从而达到防爆的目的。
就安全栅本身的功能而言，分为下面四种形式：
1.模拟信号用安全栅。
2.开关/数字信号用安全栅。
3.带通信功能(HART)的安全栅。
4.适合FF现场总线的安全栅。
目前，在国内模拟信号用安全栅、开关/数字信号用安全栅、带通信功能(HART)的安全栅这三种类型的安全栅都有产品供应，适合FF现场总线的FF现场总线安全栅目前还没有，而上述前三种的安全栅产品又无法代替FF现场总线的安全栅，国外进口的FF现场总线的安全栅产品的价格都在万元左右。没有FF现场总线安全栅产品，有些国产的FF现场总线产品：如FF现场总线仪表无法进行本安防爆认证，也就无法在危险区的场合内应用。假如采用国外的安全栅产品与FF现场总线仪表连接进行防爆认证，由于在认证取证时，需要相应产品的图纸，而国外的产品只提供产品，不提供产品相关的图纸，所以，FF现场总线仪表无法取得国家的防爆认证。
发明内容
为了解决进口安全栅的高额价格，保证我们的国产仪表能够在爆炸性危险现场的应用，本发明的目的是提供一种成本低、易于操作安装、适宜于国产化、易推广的、使用灵活、易于维护FF现场总线本质安全栅，通过本发明FF现场总线本质安全栅传送给现场设备的能量是本安的。
为了实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：包括结构相同的三组接收/发送电路、结构相同的两组稳压/限流电路、接线端子、开关电源及数据处理部分，它们之间通过接线端子与FF现场总线进行连接；其中：直流电源经过接线端子接开关电源，开关电源输出的直流电压经过两组稳压/限流电路，为危险区提供符合本质安全要求的直流电源；第一～三接收/发送电路的输入端、输出端分别与各自的FF现场总线相连接(电源线也是数据线)，由于FF现场总线的数据通讯采用的是半双工的通讯方式，因此，当某一接收/发送电路接收到其对应的FF现场总线上的数据信号时，首先传送给数据处理电路，数据处理电路对数据的有效性进行判断，再决定是否将这一信号通过另外两路接收/发送电路传送到其对应的FF现场总线上。
所述稳压/限流电路结构包括：第一运算放大器，第一～三三极管，第一～二电压基准源、第一～七稳压二极管，来自开关电源的输出电压一路经功率电阻接至第一三极管及第二三极管，第三三极管的基极与第一三极管发射极相连，第三三极管的发射极经第一二极管输出至输出接线端子；开关电源的输出电压另一路经稳压后接第一运算放大器，第一运算放大器输出端与第二三极管的发射极及第三三极管的集电极连接在一起，第一运算放大器输入端经与第三三极管的发射极相连；串联的第一～二电压基准源为第一运算放大器形成电压基准；先两两串联后并联的第二～七稳压二极管形成三组过压保护电路，连接在第一二极管与地之间；
所述接收/发送电路包括由第二运算放大器的第一部及阻容元件组成的二阶带通滤波器结构、第二运算放大器的第二部分为斯密特反相器结构、第三运算放大器、三态驱动器、变压器，其中：三态驱动器的输入端接数据处理电路输出端，输出经变压器耦合后作为FF现场总线上的数据传输信号；反之，FF现场总线上的数据信号经变压器耦合后接经过第二运算放大器的第一部分、第二部分后接至数据处理电路的输入端，第三运算放大器接变压器，为变压器提供1.65V的电压基准。所述数据处理电路由DC/DC直流电源供电，包括第一～三反相器、第一～二或门、第一～三单片机，其中：第一反相器的输入信号分别为三组接收/发送电路输出端信号，输出分别经第一～三单片机识别、处理后获得使能和数据两路信号，使能信号依次接第二反相器及第一或门送至三组接收/发送电路的输入端，数据信号接第二或门送至三组接收/发送电路的输入端；第一～三单片机中分别存储有主程序、i/o口中断程序、定时器中断处理程序；
所述主程序具体流程为：首先对第一～三单片机的i/o端口、寄存器、定时器、看门狗进行初始化；输入端口置成边沿触发方式，定时器置成重复装入方式；然后等待i/o口中断，如果有中断，执行中断程序，没有则复位看门狗定时器，等待i/o口中断；所述i/o口中断程序具体流程为：首先将中断关闭，再将触发标志位取反，判断中断是否有效，如果无效，则返回；如果有效，开定时器及定时器中断，定时器开始工作，周期性的触发定时中断程序，再置发送标志，保存有效的数据，然后中断返回；所述定时器中断处理程序具体流程为：发送前一次接收到的有效数据，再保存当前接收到的有效数据，然后判断有效数据是否发完，如果发完，则置结束标志，关定时器，返回；否则，没发完有效数据，中断返回；所述FF现场总线的数据通讯采用的是半双工的通讯方式。
本发明的优点：
1.应用广泛。可以应用于机械制造、石油、化工、石化、制药、冶金、采矿、电力、食品加工、能源、消防、银行监控等行业的自动化控制领域。
2.本发明具有使用的灵活性。由于本发明不但具有本质安全的特性，而且也具有FF现场总线电源的特点，因此，采用本发明用户很容易根据自己的需要，搭建自己的控制系统；实现与现场的传感器进行连接，对现场的设备监控。
3.提高了系统的准确性、可靠性和安全性。本发明采用德国物理研究所提出的现场总线本质安全概念(FISCO)，可以保证工作在危险区内的现场仪表工作时是本质安全的。
4.与进口相同类型的安全栅产品比较，本发明实现了低成本、低价格。
5.本发明采用变压器隔离技术，实现了危险区的FF现场总线数字信号与安全区之间的数字通讯，保证了控制信息的正常传送，实现了对安装在危险区内的仪表的监测、控制、及现场数据的读取。
6.本发明FF现场总线本质安全栅是FF现场总线产品中的一种，它是其它FF仪表防爆认证的基础，它的研制为其它种类的FF产品在爆性性危险场所的应用创造了便利的条件，使本安技术的应用更加简单、灵活。
附图说明
图1为本发明总体的电路结构图。
图2-1为本发明稳压/限流电路原理图。
图2-2为本发明电路输出电压/电流曲线。
图3-1为本发明接收/发送电路原理图。
图3-2为本发明接收/发送电路信号特性曲线。
图4为本发明数据处理部分电路原理图。
图5为本发明接线端子电路原理图。
图6为本发明主程序流程图。
图7为本发明i/o口中断程序流程图。
图8为本发明定时器中断程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明总体的电路结构为结构相同的三组接收/发送电路(第一～三接收/发送电路，分别(参见图3-1))，结构相同的两组稳压/限流电路(第一～二稳压/限流电路，分别参见图2-1))、接线端子(参见图5)、开关电源(参见图1)及数据处理部分(参见图4)组成，它们之间的连接通过接线端子与FF现场总线进行连接。其中：
如图1所示，18-32V直流电源经过接线端子，流入开关电源(采用DC/DC直流开关电源，为市购产品)，该开关电源输出34V直流电压，经过两组稳压/限流电路，为危险区提供符合本质安全要求的直流电源。第一～三接收/发送电路的输入端、输出端分别与各自的FF现场总线相连接(电源线也是数据线)，由于FF现场总线的数据通讯采用的是半双工的通讯方式，因此，当某一接收/发送电路接收到其对应的FF现场总线上的数据信号时，首先传送给数据处理电路，数据处理电路对数据的有效性进行判断，再决定是否将这一信号通过另外两路接收/发送电路传送到其对应的FF现场总线上。
如图2-1所示，两个结构相同的稳压/限流电路，稳压器W的输入端来自开关电源的输出电压(34伏)，输出24V直流电压，为两组结构相同的稳压/限流电路供电。现以第一稳压/限流电路为例：其稳压/限流电路结构包括：第一运算放大器U1，第一～三三极管Q1～Q3，第一～二电压基准源Z1～Z2、第一～七稳压二极管D1～D7，来自开关电源的输出电压(34伏)一路经一功率电阻接至第一三极管Q1及第二三极管Q2，第三三极管Q3的基极与第一三极管Q1发射极相连，第三三极管Q3的发射极经第一二极管D1输出至输出接线端子；开关电源的输出电压(34伏)另一路经稳压后接第一运算放大器U1，第一运算放大器U1输出端与第二三极管Q2的发射极及第三三极管Q3的集电极连接在一起，第一运算放大器U1输入端经采样电阻与第三三极管Q3的发射极相连；串联的第一～二电压基准源Z1～Z2提供1.2V和2.4V两种电压，为第一运算放大器U1提供电压基准。所述稳压/限流电路具有梯形输出曲线(参见图2-2)，其中：Us运行电压；Uz最大电源电压；Is运行电流；Ik短路电流；先两两串联后再并联的第二～七稳压二极管D2～D7形成三组过压保护电路，连接在第一二极管D1与地之间。
三组接收/发送电路中选择第一接收/发送电路作详细说明：该电路(参见图3-1)包括由第二运算放大器U2的第一部分(TLC2262-1)与阻容元件组成的二阶带通滤波器结构(频率为7kHz-39kHz)、第二运算放大器U2第二部分为斯密特反相器结构、第三运算放大器U3、三态门驱动器U4、变压器B，其中：三态门驱动器U4的输入端接数据处理电路输出端，输出信号经变压器B耦合后作为FF现场总线上的数据传输信号；反之，FF现场总线上的数据信号经变压器B耦合后接经过第二运算放大器U2滤波及整形后接至数据处理电路的输入端，第三运算放大器U3接变压器B，为变压器B提供1.65V的电压基准。
如图4所示，数据处理电路由DC/DC直流电源U13供电，包括第一～三反相器U8～U10、第一～二或门U11～U12、第一～三单片机U5～U7，其中：第一反相器U8的输入信号分别为来自三组接收/发送电路输出信号，其输出信号分别到第一～三单片机U5～U7，经过识别、处理后得到使能和数据两路信号，使能信号依次接第二反相器U9及第一或门U11送至三组接收/发送电路的输入端，数据信号接第二或门U12送至三组接收/发送电路的输入端。
软件部分存储于第一～三单片机U5～U7里，主要完成的功能是：第一～三单片机U5～U7对接收来的三组接收/发送电路的信号，对三组接收/发送电路中的一组进行有效性处理，如果是干扰信号则放弃本次操作，直至干扰信号消除。如果是有效的数据信号，按照逻辑过程输出给三组接收/发送电路中的另外两路信号。详细过程如下：
第一接收/发送电路输入信号有效时，产生第二接收/发送电路输出信号、输出使能信号，第三接收/发送电路输出信号、输出使能信号。
第二接收/发送电路输入信号有效时，产生第一接收/发送电路输出信号、输出使能信号，第三接收/发送电路输出信号、输出使能信号。
第三接收/发送电路输入信号有效时，产生第二接收/发送电路输出信号、输出使能信号，第一接收/发送电路输出信号、输出使能信号。
程序具体流程如下：
参见图6，所述主程序具体流程为：开机时，首先对第一～三单片机U5～U7的i/o端口、寄存器、定时器、看门狗(Watch Dog)进行初始化；输入端口置成边沿触发方式，定时器置成重复装入方式；然后等待i/o口中断，如果有中断，执行中断程序，没有则复位看门狗定时器，等待i/o口中断。
参见图7，所述i/o口中断程序具体流程为：进入终端程序后，首先将中断关闭，再将触发标志位取反，判断中断是否有效，如果无效，则返回；如果有效，开定时器及定时器中断，定时器开始工作，周期性的触发定时中断程序，再置发送标志，保存有效的数据，然后中断返回。
参见图8，所述定时器中断处理程序具体流程为：进入中断程序后，发送前一次接收到的有效数据，再保存当前接收到的有效数据，然后判断有效数据是否发完，如果发完，则置结束标志，关定时器，返回；否则，没发完有效数据，中断返回。
本发明特征主要是：在安全区内使用，为爆炸性危险场所(0区、1区、2区)内的FF现场总线仪表提供电源，可保证FF现场总线仪表在危险场所内应用是安全的。在输入18-32V直流电压下，输出13.5V、100mA的直流电源提供给FF现场总线设备。
开关电源为两组稳压/限流电路提供34V、500mA的直流电源；稳压/限流电路的功能就是为危险场所提供13.5V、110mA的符合本质安全ia级要求的电源；两路稳压/限流电路输入端外接直流电压(范围18-32V)，经过该DC/DC直流开关电源(市购产品)转换模块转换后为完全隔离的34V直流电源。
接收/发送电路主要是完成通讯回路的畅通，即将危险区的现场过程信号通过FF现场总线(即电源线)接收过来，通过FF现场总线安全栅将此信号传送到安全区内的现场控制设备。FF现场总线传输信号的频率是31.25kHZ，采用曼彻斯特编码方式，运用电压调制的方式将数字信号调制在FF现场总线上(直流电源线)传送，信号特性见图3-2。
本发明工作原理：
本发明主要完成两部分工作：1.为危险区提供符合本质安全要求的电源；2.将每个FF现场总线上的数字信号转发到另外两路FF现场总线上。
首先说明符合本质安全要求的电源电路的工作原理：
18-32V直流电源经过接线端子接入，经过隔离的DC/DC直流开关电源(市购产品)变换成34V直流电压，为两组相同的稳压/限流电路供电，34V直流电压一路送入稳压器W(LM78L24芯片)，输出24V给稳压/限流回路提供电源；另一路送到限流回路，具体是经过功率电阻、功率三极管(第一～三三极管Q1～Q3)、电流取样电阻、过流保护电路(由第一运算放大器U1第一～二电压基准源Z1～Z2构成)、过压保护二极管(第二～七稳压二极管D2～D7)，送到图5所示接线端子的电源输出端。
端子连接图如下：端子1：接第一路输出大地；端子2：接第一路输出负极；端子3：接第一路输出正极；端子4：接第二路输出大地；端子5：接第二路输出负极；端子6：接第二路输出正极；端子7：接FF现场总线输入负极；端子8：接FF现场总线输入正极；端子9：接FF现场总线大地；端子10：接FF现场总线大地；端子11：接电源输入负极；端子12：接电源输入正极。
下面说明数字信号转发的工作原理：
电路的输入电源取自输入端子(18-32V直流电源)，经过DC/DC直流稳压器U13稳压成3.3V直流电源，为三组接收/发送电路供电。三组接收/发送电路分别与其对应的FF现场总线电源回路连接，它们之间采用变压器隔离技术，具体是：第一接收/发送电路与第一稳压/限流电路的输出端连接；第二接收/发送电路与第二稳压/限流电路的输出端连接：第三接收/发送电路与外接的FF现场总线回路连接。当某一接收/发送电路接收到其对应的FF现场总线回路上的数字信号时，这里假设是第一接收/发送电路输入端经变压器B接收到FF现场总线数字信号，经过第二运算放大器U2组成的带通滤波器和斯密特比较器后，通过第一反相器U8，输出到第一单片机U5，第一单片机U5对数据的有效性进行判断，如果有效，则产生第二接收/发送电路和第三接收/发送电路的使能、数据信号，经过第二～三反向器U9、U10和第一～二或门U11、U12后，输出到第二接收/发送电路和第三接收/发送电路，再经过其各自的输出电路部分，传送给其所连接的FF现场总线回路上，完成一次完整的通讯过程。这里所说的通讯实质上就是完成数据的转发，安全栅自身不会产生数字信号。另外两路的接收处理过程与此相同。
Claims (8)
1.一种FF现场总线本质安全栅，其特征在于：包括结构相同的三组接收/发送电路、结构相同的两组稳压/限流电路、接线端子、开关电源及数据处理部分，它们之间通过接线端子与FF现场总线进行连接；其中：直流电源经过接线端子接开关电源，开关电源输出的直流电压经过两组稳压/限流电路，为危险区提供符合本质安全要求的直流电源；第一～三接收/发送电路的输入端、输出端分别与各自的FF现场总线相连接。
2.按照权利要求1所述FF现场总线本质安全栅，其特征在于：所述稳压/限流电路结构包括：第一运算放大器(U1)，第一～三三极管(Q1～Q3)，第一～二电压基准源(Z1～Z2)、第一～七稳压二极管(D1～D7)，来自开关电源的输出电压一路经功率电阻接至第一三极管(Q1)及第二三极管(Q2)，第三三极管(Q3)的基极与第一三极管(Q1)发射极相连，第三三极管(Q3)的发射极经第一二极管(D1)输出至输出接线端子；开关电源的输出电压另一路经稳压后接第一运算放大器(U1)，第一运算放大器(U1)输出端与第二三极管(Q2)的发射极及第三三极管(Q3)的集电极连接在一起，第一运算放大器(U1)输入端经与第三三极管(Q3)的发射极相连；串联的第一～二电压基准源(Z1～Z2)为第一运算放大器(U1)形成电压基准；先两两串联后并联的第二～七稳压二极管(D2～D7)形成三组过压保护电路，连接在第一二极管(D1)与地之间。
3.按照权利要求1所述FF现场总线本质安全栅，其特征在于：所述接收/发送电路包括由第二运算放大器(U2)第一部分及阻容元件组成的二阶带通滤波器结构、第二运算放大器(U2)的第二部分为斯密特反相器结构、第三运算放大器(U3)、三态驱动器(U4)、变压器(B)，其中：三态驱动器(U4)的输入端接数据处理电路输出端，输出经变压器(B)耦合后作为FF现场总线上的数据传输信号；反之，FF现场总线上的数据信号经变压器(B)耦合后接经过第二运算放大器(U2)的第一部分、第二部分后接至数据处理电路的输入端，第三运算放大器(U3)接变压器(B)，为变压器(B)提供1.65V的电压基准。
4.按照权利要求1所述FF现场总线本质安全栅，其特征在于：所述数据处理电路由DC/DC直流稳压器(U13)供电，包括第一～三反相器(U8～U10)、第一～二或门(U11～U12)、第一～三单片机(U5～U7)，其中：第一反相器(U8)的输入信号分别为三组接收/发送电路输出端信号，输出分别经第一～三单片机(U5～U7)识别、处理后获得使能和数据两路信号，使能信号依次接第二反相器(U9)及第一或门(U11)送至三组接收/发送电路的输入端，数据信号接第二或门(U12)送至三组接收/发送电路的输入端；第一～三单片机(U5～U7)中分别存储有主程序、i/o口中断程序、定时器中断处理程序。
5.按照权利要求4所述FF现场总线本质安全栅，其特征在于：所述主程序具体流程为：首先对第一～三单片机(U5～U7)的i/o端口、寄存器、定时器、看门狗进行初始化；输入端口置成边沿触发方式，定时器置成重复装入方式；然后等待i/o口中断，如果有中断，执行中断程序，没有则复位看门狗定时器，等待i/o口中断。
6.按照权利要求4所述FF现场总线本质安全栅，其特征在于：所述i/o口中断程序具体流程为：首先将中断关闭，再将触发标志位取反，判断中断是否有效，如果无效，则返回；如果有效，开定时器及定时器中断，定时器开始工作，周期性的触发定时中断程序，再置发送标志，保存有效的数据，然后中断返回。
7.按照权利要求4所述FF现场总线本质安全栅，其特征在于：所述定时器中断处理程序具体流程为：发送前一次接收到的有效数据，再保存当前接收到的有效数据，然后判断有效数据是否发完，如果发完，则置结束标志，关定时器，返回；否则，没发完有效数据，中断返回。
8.按照权利要求1所述FF现场总线本质安全栅，其特征在于：所述FF现场总线的数据通讯采用的是半双工的通讯方式。
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