WO2014154155A1 - Can总线防爆网络及其防爆节点结构 - Google Patents

Abstract

一种CAN总线防爆节点结构（100），包括物理量参数传感器（110）、物理量参数测量电路（120）、主控制器（130）、数据存储模块（140）、通讯接口模块（150）、以及电源限压限流模块（160）。物理量参数传感器（110）采集一种或多种物理量，并转化为电学信号；物理量参数测量电路（120）将各种物理量的电学信号经过滤波、放大、信号调理、模数转换处理，转换成数字信号；主控制器（130）将各种物理量的数字信号分别与对应的阈值相比较，以判断防爆节点是否有危险现象，且当防爆节点有危险现象时，发出报警信息；数据存储模块（140）用以存储各种物理量的对应的阈值；通讯接口模块（150）发送经过处理的数字信号；电源限压限流模块（160）连接物理量参数测量电路（120）并输入一电源，限定电源的最高开路电压和最大短路电流。该CAN总线防爆节点结构通过限制节点中内部电路的电压、电流能量，保证了防爆节点在正常工作中以及在故障出现时，均无法点燃环境中的危险爆炸性气体、粉尘混合物，从而实现本质上的安全。还公开了一种CAN总线防爆网络。

Description

CAN总线防爆网络及其防爆节点结构

发明领域

本发明涉及防爆技术领域， 尤其是涉及基于本质安全技术的 CAN总线防 爆节点以及由其组成的 CAN总线防爆网络。 背景技术

目前， 工业现场总线技术已经在石化、 冶金、 煤炭、 天然气、 制药等存在 危险爆炸性气体或粉尘环境的场合中得到广泛应用， 实现了传感器节点的数字 化和网络化。 在现场总线技术中， 相对于传统的 RS232/RS485/RS422, CAN总 线具备更高的通讯可靠性和容错性。

在特殊领域中， CAN总线可能会被应用在易燃易爆的危险场合中。 因此， CAN总线中的至少部分节点需要有防爆功能。 在目前的防爆环境中的 CAN总 线防爆节点实现中， 主要采取隔爆型式、 浇封型式和 "n" 型式方法来实现。 前两者加工制造的工艺复杂， 安装要求繁瑣， 结构尺寸较大， 无法实现节点的 小型化。 "n" 防爆型式设计仅能应用于 II类环境， 无法应用于 I类环境， 从 而限制了使用范围。 发明概述

本发明所要解决的技术问题是提供一种 CAN总线防爆网络及其防爆节点结 构， 通过限制节点中内部电路的电压、 电流能量， 从而保证了防爆节点在正常 工作中以及在故障出现时， 均无法点燃环境中的危险爆炸性气体、粉尘混合物， 从而实现本质上的安全。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种 CAN总线防爆网 络中的防爆节点结构， 包括物理量参数传感器、 物理量参数测量电路、 主控制 器、 数据存储模块、 通讯接口模块、 以及电源限压限流模块。 物理量参数传感 器采集一种或多种物理量， 并转化为电学信号。 物理量参数测量电路将物理量 参数传感器转化的各种物理量的电学信号转换成数字信号， 并传送至主控制 器。 主控制器根据用户需要对数字信号进行相应的服务处理， 发送至通讯接口 模块； 同时将各种物理量的数字信号分别与对应的阈值相比较， 以判断防爆节 点是否有危险现象， 且当所述防爆节点有危险现象时， 发出报警信息。 数据存 储模块用以储存出厂标准参数值、 各种物理量的对应的阈值、 以及工作运行中 的相关数据。 通讯接口模块发送经过处理的所述数字信号。 电源限压限流模块 连接所述物理量参数测量电路并输入一电源， 所述电源限压限流模块限定所述 电源的最高开路电压和最大短路电流。

在本发明的一实施例中， 所述物理量包括： 受力、 温度、 湿度、 气体浓度 和压力、 振动、 倾角。

在本发明的一实施例中， 所述电源限压限流模块在所述电源反相时断开。 在本发明的一实施例中， 所述电源限压限流模块还限定所述防爆节点内部 的储能元件的综合等效电容总和以及综合等效电感总和。

在本发明的一实施例中， 所述将物理量参数传感器转化的各种物理量的电 学信号转换成数字信号采用以下的一种或多种处理： 滤波、 放大、 信号调理、 模数转换处理。

在本发明的一实施例中， 所述防爆节点结构可应用于工业以太网范畴。 本发明还提出一种 CAN总线防爆网络， 包括一安全区和一危险区， 其中在 所述危险区中分布有多个如上所述的防爆节点结构。

在本发明的一实施例中， CAN总线防爆网络包括一个或多个小型拓朴网络， 每一小型拓朴网络包括限定数量的所述防爆节点结构。

在本发明的一实施例中， CAN总线防爆网络还包括 CAN总线安全栅， 设于所 述安全区或所述危险区内。

在本发明的一实施例中， 所述 CAN总线防爆网络可应用于工业以太网范畴。 本发明由于采用以上技术方案， 使之与现有技术相比， 通过限制节点中内 部电路的电压、 电流能量， 从而保证了防爆节点在正常工作中以及在故障出现 时， 均无法点燃环境中的危险爆炸性气体、 粉尘混合物， 从而实现本质上的安 全。 由于本质安全技术是针对电路设计的防爆技术， 并且可以应用于 I类环境 和 Π类环境， 因此本发明可以实现 CAN总线防爆节点的小型化， 并能够应用于 I 类和 II类环境， 扩展了应用范围。 附图的简要描述 为让本发明的上述目的、 特征和优点能更明显易懂， 以下结合附图对本发 明的具体实施方式作详细说明， 其中：

图 1示出本发明一实施例的 CAN总线防爆节点结构。

图 2示出图 1所示 CAN总线防爆节点结构的电源限压限流模块。

图 3示出本发明一实施例的 CAN总线防爆网络。 发明的详细说明

本发明的实施例提供一种基于本质安全技术的 CAN总线防爆节点结构， 通过限制节点中内部电路的电压、 电流能量， 从而保证了防爆节点在正常工作 中以及在故障出现时， 均无法点燃环境中的危险爆炸性气体、 粉尘混合物， 从 而实现本质上的安全。

图 1示出本发明一实施例的 CAN总线防爆节点结构。参照图 1所示， CAN 总线防爆节点结构 100设置在危险场所中， 包括物理量参数传感器 110、 物理 量参数测量电路 120、 主控制器 130、 数据存储模块 140、 通讯接口模块 150、 电源限压限流模块 160。 物理量参数传感器 110连接到物理量参数测量电路 120。 物理量参数测量电路 120、 数据存储模块 140和通讯接口模块 150连接到 主控制器 130。 通讯接口模块 150可输出通讯信号。 电源限压限流模块 160接 收电源信号输入， 且与物理量参数测量电路 120连接。

物理量参数传感器 110能够将受力、 温度、 湿度、 气体、 振动、 倾斜等物 理量， 转化为电学信号。 为此， 物理量参数传感器 110可包括测力传感器、 温 度传感器、 湿度传感器、 气体传感器、 振动传感器、 倾斜传感器等各种传感器。

物理量参数测量电路 120能够将物理量参数传感器 110转化的电学信号， 经过滤波、 放大、 信号调理、 模数转换等相关电路处理， 转换成数字信号， 并 通过信号接口传送至主控制器 130。 可选地， 信号接口可基于例如 TTL、 SPI、 I2C、 PWM等通讯协议。 物理量参数测量电路 120可包含与各种传感器对应的 测量电路， 例如力参数测量电路、 温度参数测量电路、 湿度参数测量电路、 气 体参数测量电路、 振动参数测量电路、 倾斜参数测量电路等。

主控制器 130内部可包含物理量参数处理模块、 用户服务处理器模块以及 通讯协议处理模块。 主控制器 130根据用户需要对数字信号进行相应的服务处 理流程， 经过通讯协议处理模块处理成 CAN信号后， 以 CAN协议的形式， 通 过通讯接口模块 150, 与仪表或者其他节点进行数据传输、 诊断信息和指令的 交互。

数据存储模块 140用于存储出厂时的标准参数值， 与防爆节点 100工作过 程中采集的物理量参数相结合运算， 从而实现物理量数据的实时处理和传输。 工作过程中， 防爆节点 100可以将所需记录的参数及数据， 存储在数据存储模 块 140中。

主控制器 130可读取力参数测量电路的受力数据、 温度测量电路的温度数 据、 倾斜测量电路的倾角数据、 结合数据存储模块 140中的标准参数值， 计算 出实时的标准受力、 温度、 倾角数据， 将处理后的数据按照预定格式进行传输。 同时主控制器 130将测得的数据与数据存储模块 140中的受力阈值、温度阈值、 倾角阈值相对比， 以判断防爆节点是否有超载、 超温、 过倾等违规、 危险现象， 发出报警信息， 并记录在数据存储模块 140中。

主控制器 130读取湿度测量电路的湿度数据、 气体测量电路的气体浓度和 压力数据、 振动测量电路的振动数据， 分别处理后按照预定格式进行传输。 同 时主控制器 130将测得的数据与数据存储模块 140中的湿度阈值、 气体浓度、 气体压力阈值、 振动阈值相对比， 以判断防爆节点是否有湿度超限、 气体浓度 超限、 气体压力超限、 振动超限等违规、 危险现象， 发出报警信息， 并记录在 数据存储模块 140中。

电源限压限流模块 150的示例性结构请参见图 2。该电源限压限流模块 150 利用本质安全技术进行设计， 主要由限流电阻 Rl、 R2、 肖特基二极管 Dl、 D2、 齐纳二极管 D4、 D5等保护元件组成， 并进行了多重化设计。 限流电阻 Rl、 R2的参数根据 GB3836.4-83/IEC60079-11中规定的本质安全防爆最大短路电流 选取， 齐纳二极管 D4、 D5具体参数根据 GB3836.4-83/IEC60079-11中规定的 最高开路电压， 限制了输入电源的最高开路电压和最大短路电流； 肖特基二极 管 Dl、 D2在电源反相时会截止（断开） ， 用于防止电源反相造成的危险故障； 同时， 根据 GB3836.4-83/IEC60079-11中规定的可允许的最大电容电感参数， 限制防爆节点内部的电容、 电感等储能元件的综合等效电容总和以及综合等效 电感总和， 保证了防爆节点在正常工作， 以及在发生短路、 断路、 接地或电源 故障出现的状态下， 所产生的电火花能量和热效应的温度均无法点燃环境内的 危险爆炸性气体、 粉尘混合物， 从电路原理上实现了本质上的安全。

图 3示出本发明一实施例的 CAN总线防爆网络。 参照图 3所示， CAN总 线防爆网络包括一个或多个上述实施例的 CAN总线防爆节点 100、 防爆电缆 200以及 CAN总线安全栅 300。 CAN总线安全栅 300可置于安全区或危险区内， 采用本质安全技术和隔离技术进行设计， 将输入电源整流、 滤波得到的直流稳 压电源， 经熔丝， 限压电路、 限流电路处理后， 通过防爆电缆 200提供给危险 区域的 CAN防爆节点 100。

为限制 CAN总线网络系统的能量， 防爆节点网络可采用如图 3所示的分 组组网拓朴方式。 具体地说， CAN总线防爆节点根据实际使用需要， 组成数个 小型拓朴网络， 分别与 CAN总线安全栅 300相连。 通过降低每一拓朴网络中 的 CAN总线防爆节点的数量， 降低了每个拓朴网络内的 CAN总线能量。

由于本质安全技术是针对电路设计的防爆技术， 并且可以应用于 I类环境 和 II类环境， 因此本发明可以实现 CAN总线防爆节点的小型化， 并能够应用 于 I类和 II类环境， 扩展了应用范围。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述， 但是本技术领域中的普通技 术人员应当认识到， 以上的实施例仅是用来说明本发明， 在没有脱离本发明精 神的情况下还可作出各种等效的变化或替换， 因此， 只要在本发明的实质精神 范围内对上述实施例的变化、 变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims

权 利 要 求 书

1.一种基于本质安全技术设计的 CAN总线防爆网络中的防爆节点结构， 其特征在于包括：

物理量参数传感器， 采集一种或多种物理量， 并转化为电学信号； 物理量参数测量电路， 将物理量参数传感器转化的各种物理量的电学信号 转换成数字信号， 并传送至一主控制器；

主控制器， 对数字信号进行相应的服务处理， 发送至通讯接口模块； 数据存储模块， 用以储存节点工作运行所需的相关数据；

通讯接口模块， 将经过处理的所述数字信号以 CAN信号发送；

电源限压限流模块， 采用本质安全技术设计， 所述电源限压限流模块限定 所述电源的最高开路电压和最大短路电流。

2.如权利要求 1所述的防爆节点结构， 其特征在于， 所述物理量包括： 受 力、 温度、 湿度、 气体浓度和压力、 振动、 倾角。

3.如权利要求 1所述的防爆节点结构， 其特征在于， 所述电源限压限流模 块在所述电源反相时断开。

4.如权利要求 1所述的防爆节点结构， 其特征在于， 所述电源限压限流模 块还限定所述防爆节点内部的储能元件的综合等效电容总和以及综合等效电 感总和。

5.如权利要求 1所述的防爆节点结构， 其特征在于， 主控制器可以将各种 物理量的数字信号分别于对应的阈值相比较， 以判断防爆节点是否有危险现 象， 且当所述防爆节点有危险现象时， 发出报警信息。

6.如权利要求 1所述的防爆节点结构， 其特征在于， 数据存储模块可以存 储出厂标准参数值、 各种物理量的对应的阈值、 以及工作运行中的相关数据。

7.如权利要求 1所述的防爆节点结构， 其特征在于， 所述将物理量参数传 感器转化的各种物理量的电学信号转换成数字信号采用以下的一种或多种处 理： 滤波、 放大、 信号调理、 模数转换处理。

8.如权利要求 1 - 7 的任一项所述的防爆节点结构， 其特征在于， 所述防 爆节点结构可应用于工业以太网范畴。

9.一种 CAN总线防爆网络， 包括一安全区和一危险区， 其中在所述危险 区中分布有多个如权利要求 1所述的防爆节点结构。

10. 如权利要求 9所述的 CAN总线防爆网络， 其特征在于， 包括一个或 多个小型拓朴网络， 每一小型拓朴网络包括限定数量的所述防爆节点结构。

11. 如权利要求 9所述的 CAN总线防爆网络，其特征在于，还包括 CAN 总线安全栅， 设于所述安全区或所述危险区内。

12. 如权利要求 9 - 11的任一项所述的 CAN总线防爆网络，其特征在于， 所述 CAN总线防爆网络可应用于工业以太网范畴。