用于分布式控制系統(tǒng)的限壓設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及實(shí)時(shí)分布式控制的控制系統(tǒng)，且更特定地，涉及可用于在該控制系統(tǒng)的干線(trunk)電路和支線(spur)電路之間提供固有安全接口的限壓設(shè)備。
[0002]發(fā)明背景
[0003]自動(dòng)工業(yè)系統(tǒng)具有監(jiān)測、控制、和操作工業(yè)進(jìn)程的現(xiàn)場設(shè)備。現(xiàn)場設(shè)備通過干線電路與控制處理器通信，該干線電路通過功率調(diào)節(jié)器傳輸DC電壓給現(xiàn)場設(shè)備供電并且在控制處理器和現(xiàn)場設(shè)備之間雙向傳輸疊加在DC電壓上的AC電壓數(shù)據(jù)信號(可包括操作命令)。
[0004]現(xiàn)場設(shè)備可分布于整個(gè)工廠，且數(shù)據(jù)傳輸速率允許對于進(jìn)程的基本實(shí)時(shí)控制?，F(xiàn)場設(shè)備各自經(jīng)由支線或壓降(drop)電路附連至干線電路。干線電路向支線電路傳輸DC電壓，并且將AC數(shù)據(jù)信號攜載至支線電路或從支線電路處攜載AC數(shù)據(jù)信號。
[0005]已經(jīng)為分布式控制系統(tǒng)開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)功率和通信協(xié)議。例如，基礎(chǔ)現(xiàn)場總線協(xié)議是全數(shù)字、串行、雙向通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在扭絞雙線的干線電路上發(fā)送DC功率和AC信號，且使得控制處理器能與數(shù)個(gè)現(xiàn)場設(shè)備通信并控制該數(shù)個(gè)現(xiàn)場設(shè)備。其他已知分布式控制系統(tǒng)包括Profibus PA和基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)。
[0006]現(xiàn)場設(shè)備可位于存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的工廠風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)。風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域由與風(fēng)險(xiǎn)本質(zhì)有關(guān)的等級來標(biāo)識。可燃?xì)怏w位于等級I區(qū)域內(nèi)，易燃粉塵位于等級2區(qū)域內(nèi)，且可著火纖維和飛毛位于等級3區(qū)域內(nèi)。等級O是米有火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的安全區(qū)域。
[0007]通過與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)級別有關(guān)的分區(qū)和地域來進(jìn)一步標(biāo)識風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。分區(qū)I標(biāo)識了其中火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)連續(xù)存在的區(qū)域(地域O)或其中火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)僅存在于常規(guī)操作期間的區(qū)域(地域I)。分區(qū)2標(biāo)識了其中并不預(yù)期火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域(地域2)，但是如果風(fēng)險(xiǎn)確實(shí)出現(xiàn)，該風(fēng)險(xiǎn)僅存在較短時(shí)間段。
[0008]在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)具有現(xiàn)場設(shè)備的分布式控制系統(tǒng)可以是固有地安全的。固有安全的控制系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為使得在電故障期間所釋放的能量不足以引起火災(zāi)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)火。常規(guī)地，整個(gè)控制系統(tǒng)內(nèi)的電壓和電流被減少以將能量釋放限制到低于點(diǎn)火點(diǎn)。
[0009]與固有安全控制系統(tǒng)有關(guān)的問題在于系統(tǒng)內(nèi)可用的有限功率可不足以操作系統(tǒng)內(nèi)的所有現(xiàn)場設(shè)備，包括位于安全區(qū)域內(nèi)的那些現(xiàn)場設(shè)備。
[0010]已經(jīng)研發(fā)了其他控制系統(tǒng)解決方案，這些方案提供足夠的功率來操作所有的現(xiàn)場設(shè)備，同時(shí)仍對于風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場設(shè)備提供固有安全。
[0011]在實(shí)體解決方案中，當(dāng)從安全區(qū)域過渡到固有安全區(qū)域時(shí)設(shè)置安全屏障。該屏障提供了延伸至風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的有限數(shù)量的支線，并且限制支線可用的能量的量。
[0012]為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的能量限制，必須根據(jù)固有安全標(biāo)準(zhǔn)來限制電壓和電流兩者。電壓和電流必須被限制到的級別取決于該支線連接至內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。進(jìn)一步，對于分區(qū)I (地域0、地域I)的固有安全，屏障一般提供電流隔離(galvanic)，對于分區(qū)2 (地域2)的固有安全，屏障沒有被隔離。
[0013]對于分區(qū)2(地域2)實(shí)體系統(tǒng)，常規(guī)解決方案是在向干線電路提供能量的功率調(diào)節(jié)器處實(shí)現(xiàn)限壓，且在設(shè)備耦合器內(nèi)提供限流。設(shè)備耦合器能使包括一個(gè)或多個(gè)支線的設(shè)備段以模塊化方式附連至干線電路。
[0014]然而，對于這個(gè)常規(guī)解決方案已經(jīng)識別出數(shù)個(gè)問題:
[0015](a)由于固有安全概念開始于功率調(diào)節(jié)器，必須根據(jù)固有安全標(biāo)準(zhǔn)來限制連接至干線電路的所有裝置；
[0016](b)必須將固有安全端子與所有的非固有安全端子在物理上進(jìn)行分離。一般必須對于所有的干線連接遵循這個(gè)要求，所有的干線連接包括功率調(diào)節(jié)器和附連至干線電路的任何其他裝置；
[0017](c)固有安全信號沒有與非固有安全信號攜載在相同電纜中。經(jīng)常包括干線電路作為多核電纜(cabling)的一部分，限制使用其他電纜線路；且
[0018](d)功率調(diào)節(jié)器的輸出電壓越低，干線電路的最大長度就越短。設(shè)備段上的設(shè)備負(fù)載以及每單位長度的電纜電阻限制了最大干線電路長度。例如，現(xiàn)場安全固有安全功率調(diào)節(jié)器的最大電壓一般被設(shè)置為24伏特，因?yàn)榇蠖鄶?shù)固有安全現(xiàn)場設(shè)備被限制為24伏特的最大輸入電壓。在常規(guī)設(shè)備段負(fù)載條件下，相比以更高最大電壓操作的干線電路，干線電路的最大長度被顯著縮短。
[0019]因此，存在對于分區(qū)2 (地域2)實(shí)體系統(tǒng)的改進(jìn)的固有安全解決方案的需要，該解決方案能使控制系統(tǒng)提供足夠功率來操作所有現(xiàn)場設(shè)備、同時(shí)仍對于風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的這些現(xiàn)場設(shè)備提供固有安全。
[0020]發(fā)明概述
[0021]公開的是對于分區(qū)2 (地域2)實(shí)體控制系統(tǒng)的改進(jìn)的固有安全解決方案。該解決方案包括在干線和支線電路之間放置限壓設(shè)備。
[0022]在一個(gè)可能的實(shí)施例中，可將該限壓設(shè)備設(shè)置為與一設(shè)備耦合器分離、但與該設(shè)備耦合器在物理上共同定位的單元。此舉使得控制系統(tǒng)使用常規(guī)的設(shè)備耦合器。如果設(shè)備耦合器沒有包括限流設(shè)備，則與限壓設(shè)備串聯(lián)的限流設(shè)備可被包括在該單元內(nèi)。
[0023]在另一個(gè)可能的實(shí)施例中，限壓設(shè)備可被集成在可連接至干線電路的設(shè)備耦合器內(nèi)，其中設(shè)備耦合器包括用于數(shù)個(gè)支線電路的連接。單個(gè)限壓設(shè)備可被設(shè)置且被配置為與從設(shè)備耦合器延伸出來的所有支線電路串聯(lián)?？蛇x地，多個(gè)限壓設(shè)備可被設(shè)置在設(shè)備耦合器內(nèi)，其中每個(gè)限壓設(shè)備配置為與從設(shè)備耦合器延伸出來的支線電路的各一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)。
[0024]一個(gè)或多個(gè)限流設(shè)備也可放置于設(shè)備耦合器內(nèi)，其中每個(gè)限壓設(shè)備與一個(gè)或多個(gè)限流設(shè)備串聯(lián)，以使設(shè)備耦合器對于從設(shè)備耦合器延伸出來的每一個(gè)支線電路提供限壓和限流兩者。
[0025]在支線電路處放置限壓沒有在控制網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備段中創(chuàng)建單個(gè)故障點(diǎn)，如同在功率調(diào)節(jié)器處放置對于整個(gè)系統(tǒng)的電壓。將限壓設(shè)備集成到設(shè)備耦合器內(nèi)進(jìn)一步減少了顧客必須獲得的產(chǎn)品數(shù)量并且簡化了設(shè)備段設(shè)計(jì)。
[0026]在限壓設(shè)備的實(shí)施例中，為了限制分布式控制系統(tǒng)的從干線電路傳輸至支線電路的DC電壓，其中該干線電路與支線電路協(xié)作從而在附連至支線電路的現(xiàn)場設(shè)備和附連至干線設(shè)備的控制處理器之間傳輸疊加在DC電壓上的AC數(shù)據(jù)信號，該限流設(shè)備包括用于從干線電路接收輸入電壓的輸入端子以及用于向支線電路提供輸出電壓的輸出端子。電壓調(diào)節(jié)設(shè)備將輸入端子與輸出端子連接，該電壓調(diào)節(jié)設(shè)備配置為基于來自干線電路的輸入電壓來將輸出電壓傳遞至輸出端子。電壓調(diào)節(jié)設(shè)備可在其中輸出電壓等于輸入電壓的第一模式中操作，且電壓調(diào)節(jié)設(shè)備可在其中輸出電壓等于閾值電壓的第二模式中操作。
[0027]控制設(shè)備連接至輸出端子和電壓調(diào)節(jié)設(shè)備?？刂圃O(shè)備配置為當(dāng)輸出端子處的電壓低于閾值電壓時(shí)，將電壓調(diào)節(jié)設(shè)備置于第一操作模式?？刂圃O(shè)備配置為如果電壓調(diào)節(jié)設(shè)備正以第一模式操作而當(dāng)輸出端子處的電壓超過閾值或?qū)⒊^閾值時(shí)，將電壓調(diào)節(jié)設(shè)備置于第二操作模式。
[0028]AC信號設(shè)備連接至與電壓調(diào)節(jié)設(shè)備平行的輸入和輸出端子。AC信號設(shè)備配置為在輸入和輸出端子之間攜載AC數(shù)據(jù)信號。
[0029]控制設(shè)備的可能實(shí)施例可包括監(jiān)測輸入端子和參考電壓之間的電壓差的監(jiān)測設(shè)備。當(dāng)電壓差處于或低于預(yù)定值時(shí)，電壓調(diào)節(jié)設(shè)備被置于其第一操作模式內(nèi)。當(dāng)電壓差超過預(yù)定值時(shí)，電壓調(diào)節(jié)設(shè)備被置于其第二操作模式內(nèi)以限制到輸出端子的電壓。
[0030]參考電壓可包括恒定的參考電壓和AC跟隨器參考從而補(bǔ)償由AC數(shù)據(jù)信號引起的DC信號變化。
[0031]在AC信號設(shè)備的可能實(shí)施例中，AC信號設(shè)備包括與電壓調(diào)節(jié)設(shè)備分離的一個(gè)或多個(gè)組件(例如，電容器、電容元件、或有源電路組件)。在AC信號設(shè)備的其他可能實(shí)施例中，AC信號設(shè)備和電壓調(diào)節(jié)設(shè)備共享共同的組件(即，相同組件構(gòu)成AC信號設(shè)備和電壓調(diào)節(jié)設(shè)備)。
[0032]電壓調(diào)節(jié)和控制設(shè)備可配置為利用線性電壓調(diào)節(jié)或開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)(對應(yīng)于分別在常規(guī)線性調(diào)節(jié)的電源中和在常規(guī)開關(guān)模式電源中可見的電壓調(diào)節(jié))。
[0033]線性電壓調(diào)節(jié)通過改變電阻而將較高輸入電壓輸入逐步降低至較低電壓來調(diào)節(jié)電壓，其中額外的能量作為熱被耗散。開關(guān)模式調(diào)節(jié)通過導(dǎo)通和截止控制元件來調(diào)節(jié)電壓，其中導(dǎo)通期間能量存儲(chǔ)于儲(chǔ)能設(shè)備(一般是電容器、電感線圈、或兩者)，且截止期間從儲(chǔ)能設(shè)備中汲取能量。
[0034]利用線性電壓調(diào)節(jié)的限壓設(shè)備的實(shí)施例可包括電壓調(diào)節(jié)設(shè)備或線性電壓調(diào)節(jié)器，其中將可變阻抗組件放置為串聯(lián)在輸入和輸出端子之間。當(dāng)電壓調(diào)節(jié)設(shè)備以其第二模式操作時(shí)，組件的阻抗變化來調(diào)節(jié)輸出電壓。
[0035]利用線性電壓調(diào)節(jié)的限壓設(shè)備的其他實(shí)施例可包括串聯(lián)在輸入和輸出端子之間的電阻器、以及連接至該電阻器的電流吸收器。當(dāng)電壓調(diào)節(jié)設(shè)備以其第二模式操作時(shí)，電流吸收器的電阻變化來調(diào)節(jié)電阻器兩端的