查實(shí)和調(diào)整設(shè)備耦合器的電流限制的方法和執(zhí)行它的電路的制作方法
【專利說明】查實(shí)和調(diào)整設(shè)備耦合器的電流限制的方法和執(zhí)行它的電路
[0001]本發(fā)明涉及具體但不專門用于二導(dǎo)線分布式控制系統(tǒng)中的查實(shí)和調(diào)整設(shè)備耦合器的電流限制的方法以及用于執(zhí)行這些方法的電路。
[0002]在用于控制和監(jiān)測(cè)多個(gè)設(shè)備的許多工業(yè)設(shè)置中使用兩個(gè)分布式控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在特定的協(xié)議下操作，這些協(xié)議的一個(gè)例子是Fieldbus。它是用于實(shí)時(shí)分布式控制的一類工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的名稱，現(xiàn)在被標(biāo)準(zhǔn)化為IEC61158。復(fù)雜的自動(dòng)化工業(yè)系統(tǒng)，例如，燃料提煉廠，通常需要有組織的層次的控制器系統(tǒng)起作用。在該層次中，存在操作員可監(jiān)測(cè)或操作系統(tǒng)的頂部的人機(jī)界面(HMI)。它一般通過非時(shí)間關(guān)鍵的通信系統(tǒng)(例如，Ethernet)與可編程邏輯控制器(PLC)的中間層鏈接?？刂奇湹牡撞渴荈ieldbus，它鏈接PLC與諸如傳感器、致動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、控制燈、開關(guān)、閥和接觸器的實(shí)際工作的部件。Fieldbus通常是向場部件提供功率和通信兩者的二導(dǎo)線組合功率和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。
[0003]Fieldbus常用于固有安全環(huán)境中，例如，易燃?xì)夥?，特別是氣體族類別IIC氫氣和乙炔以及以下，例如，用于氣體和/或灰塵的氣體族IIB和IIA。在典型的組合二導(dǎo)線Fieldbus電力和通信電路中，存在電源、一些類型的固有安全屏障、引出到現(xiàn)場中的干線部分、在分布式物理位置處安裝于干線上的若干設(shè)備耦合器和與各設(shè)備耦合器連接的一個(gè)或更多個(gè)支線(spur)，在這些支線中的每一個(gè)上，安裝了一個(gè)或更多個(gè)現(xiàn)場儀器。干線和支線一起形成“區(qū)段(segment)”。固有安全屏障將電路分成固有安全側(cè)和非固有安全側(cè)。電源、PLC和其它系統(tǒng)，比如測(cè)量電路和網(wǎng)絡(luò)硬件的物理層屬性的物理層診斷模塊，以及正在使用的物理軟件或協(xié)議的一部分，位于電路的非固有安全側(cè)，通常處于控制室內(nèi)。干線、設(shè)備耦合器、支線和現(xiàn)場儀器位于現(xiàn)場外的固有安全側(cè)。但是，在普通的非固有安全環(huán)境中以及在沒有任何固有安全屏障的情況下，也能夠使用Fieldbus或者任何其它類似的二導(dǎo)線協(xié)議。
[0004]在任何二導(dǎo)線區(qū)段中，在位存在電流限制，這些電流限制用于防止任何設(shè)備耦合器或支線在短路或開路的情況下吸取太多的電流。這在固有安全系統(tǒng)中是至關(guān)重要的，原因是電流限制用于防止短路或開路形成易燃電弧。但是，這種系統(tǒng)還防止區(qū)段在有故障的情況下失效，原因是故障可與特定的支線隔離，并且防止整個(gè)區(qū)段毀壞。這通常用有源設(shè)備耦合器內(nèi)的電流限制保護(hù)電子器件實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，該電流限制保護(hù)電子器件用于在特定支線上出現(xiàn)故障的情況下完全隔離或者限制特定支線中的電流。這樣的電流限制設(shè)備通常包括一系列的半導(dǎo)體器件和電流感測(cè)/驅(qū)動(dòng)電路。所述電路監(jiān)測(cè)支線上的電流，并且，如果它作為在支線上出現(xiàn)的短路的結(jié)果達(dá)到斷路水平(trip level)，那么半導(dǎo)體被切換以限制電流，并且防止故障影響區(qū)段的剩余部分。所述電路或者以矩形的方式工作并且變?yōu)楦咦杩挂詫㈦娏飨拗频綌嗦匪阶陨聿⑶以谔囟ǖ臅r(shí)間周期內(nèi)使其保持在那里，或者它以返送(foldback)的方式工作，并且將電流限制到低水平，由此有效地使支線與區(qū)段的剩余部分隔離。
[0005]當(dāng)存在疏忽的電纜制作時(shí)，或者如果設(shè)備自身失效到短路狀態(tài)(這種失效可源自電子部件失效或者甚至儀器外封殼的溢流)，那么可出現(xiàn)這樣的故障。電流限制電子器件防止任何這種故障使干線短路。當(dāng)設(shè)備被斷開時(shí)或者當(dāng)在例行維護(hù)和校準(zhǔn)中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，也可出現(xiàn)短路，因此，電流限制電子器件用作保護(hù)并且允許在有源支線上實(shí)施例行工作，使得其危險(xiǎn)性不影響電路的其它部分。
[0006]當(dāng)初始設(shè)計(jì)二導(dǎo)線系統(tǒng)時(shí)，各支線和設(shè)備耦合器的負(fù)載電流在理論上是已知的，因而，向干線提供給定量的功率，以滿足這些要求。但是，面對(duì)任何現(xiàn)有或?qū)矶?dǎo)線系統(tǒng)的問題是，由于區(qū)段上某處的任何過電流要求超過設(shè)計(jì)，可能出現(xiàn)失效，并且，該失效然后導(dǎo)致區(qū)段別處的特定點(diǎn)處的供給電壓低于需要的設(shè)備輸入電壓，從而導(dǎo)致設(shè)備失效。電路設(shè)計(jì)可能常常與實(shí)際應(yīng)用不同，特別地，負(fù)載可能比初始計(jì)算高。另外，雖然電路可被設(shè)計(jì)為適應(yīng)一個(gè)支線故障，但是，可能不能同時(shí)適應(yīng)兩個(gè)或更多個(gè)故障。這種故障可能是疏忽的，諸如短路等，但它們常常是由非預(yù)定或未控制的設(shè)備加載導(dǎo)致的。
[0007]這是面向任何二導(dǎo)線系統(tǒng)的問題，雖然它簡單或冗余。常規(guī)的解決這種在現(xiàn)有區(qū)段上出現(xiàn)的問題的方式是，將其停電并且重新啟用它。在許多情況下，這導(dǎo)致許多控制循環(huán)的損失和昂貴的停機(jī)時(shí)間。
[0008]作為替代方案，當(dāng)初始設(shè)計(jì)電路時(shí)，可以提供更大的余量，以適應(yīng)這種故障或意外的負(fù)載。但是，該更大的余量的代價(jià)是電纜長度和/或容量。經(jīng)典的Fieldbus系統(tǒng)僅允許一個(gè)過載支線的故障，當(dāng)系統(tǒng)例如操作安全系統(tǒng)時(shí)，或者，在存在多達(dá)32個(gè)支線或設(shè)備的情況下(這增大同時(shí)故障的風(fēng)險(xiǎn))，這產(chǎn)生太大的風(fēng)險(xiǎn)。但是，增大余量使得這種系統(tǒng)非常低效。
[0009]僅向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)供給一個(gè)電壓電平的替代性選項(xiàng)也是低效的，原因是它會(huì)伴隨恒定電流負(fù)載需要低負(fù)載。
[0010]圖1示出本發(fā)明的第三方面的實(shí)施例，在后面完全解釋它，但它也示出以上提到的二導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)的類型，并且，為了理解其相關(guān)特性中的一些，可以參照它。在圖1中，二導(dǎo)線Fieldbus系統(tǒng)基于具有一個(gè)或更多個(gè)網(wǎng)關(guān)2a和2b、簡單或冗余干線3a和3b、以及簡單或冗余狀態(tài)變量(選項(xiàng))電源4a和4b的開放簡單或冗余TCP/IP(因特網(wǎng)協(xié)議)系統(tǒng)I。安裝于干線3a上的是一個(gè)或更多個(gè)通信設(shè)備耦合器9a、9b和9n，在各情況下，通過支線電纜11服務(wù)于一個(gè)或更多個(gè)場設(shè)備8。將理解，圖1所示的不是限制，并且，可存在更多的設(shè)備耦合器以及與其連接的更多的支線。還能夠使單個(gè)支線或設(shè)備直接而不是通過設(shè)備耦合與干線3a連接。在已知的布置中，設(shè)備耦合器9a、9b和9n會(huì)包括針對(duì)任何支線過電流的靜止電路保護(hù)。
[0011]在大多數(shù)的Fieldbus系統(tǒng)中，干線3a、3b是最長的電纜，并且，對(duì)于二導(dǎo)線Fieldbus系統(tǒng)，它至少在電源端處取得整個(gè)負(fù)載電流。因此，沿著包含分布式或中心化的設(shè)備耦合器的給定長度的干線，存在由電纜的電阻成分導(dǎo)致的電壓降，該電壓降與流過其中的電流成比例。
[0012]通過分布系統(tǒng)，最接近電源4a的電纜部分5使最高電壓下降，原因是它承載總電流(/9a+/9b+/9n)。但是，該電壓降在下一部分6上成比例地下降，原因是它承載較少的電流(/9b+/9n)。類似地，電壓降進(jìn)一步在承載最小電流(/9n)的最后部分7上減小。
[0013]實(shí)際上，總電流(/9a+/9b+/9n)是可為靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的任何變量的組合。所述變量包含靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的設(shè)備負(fù)載、設(shè)備故障電流或支線電纜短路。不管什么情況，重要的是對(duì)各參與的成分提供最小的輸入電壓。將理解，該電壓依賴于任何設(shè)備的特定電流、設(shè)備耦合器或者電路中的其特定位置處的故障。例如，添加到設(shè)備耦合器9n的附加的10mA會(huì)導(dǎo)致對(duì)于設(shè)備耦合器9n的輸入電壓降低到最小需要電壓以下，而添加到設(shè)備耦合器9a的相同的10mA不會(huì)導(dǎo)致對(duì)于設(shè)備耦合器9η的輸入電壓降低到最小需要電壓以下。這是由于基于電纜長度的電纜的電流-電阻-電壓(V/IR)特性。(參見圖5和伴隨的以下進(jìn)一步解釋這種現(xiàn)象的描述。)
[0014]如果部分5、6和7的長度相等且各設(shè)備耦合器9a、9b和9n吸取相同的電流，那么會(huì)在該布局中的設(shè)備耦合器9n處看到最低的電壓。在將所有三個(gè)設(shè)備耦合器9a、9b和9n放在部分7的端部處的一個(gè)中心點(diǎn)處的替代性布局中，不會(huì)是這種情況。因而，所示這樣的系統(tǒng)是更功率高效的。
[0015]當(dāng)初始設(shè)計(jì)區(qū)段時(shí)，考慮上述的因素，然后，計(jì)算什么電流和電壓將處于區(qū)段的不同的部分處。通常通過計(jì)算機(jī)仿真器/計(jì)算器執(zhí)行它(區(qū)段設(shè)計(jì)檢查)，或者可手動(dòng)執(zhí)行它。但是，在各情況下，僅可考慮理論預(yù)期的工作條件，并因此外推最大電流限制。另外，只能適應(yīng)給定數(shù)量的理論短路故障。
[0016]作為該方法的結(jié)果，電路設(shè)計(jì)常常是不準(zhǔn)確的，并且通?；诒Ｊ氐娘L(fēng)險(xiǎn)因素。換句話說，為了減少失效的風(fēng)險(xiǎn)，將比所需的容限大的容限設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中，這導(dǎo)致利用不足。
[0017]并且，伴隨越來越復(fù)雜的系統(tǒng)被引入到Fieldbus (或類似)場所中，這些類型的計(jì)算變得更困難，并且數(shù)據(jù)輸入變得耗費(fèi)更多的時(shí)間。
[0018]在任何情況下，一旦系統(tǒng)實(shí)際就位且出現(xiàn)初始計(jì)算沒有想到的意外的操作條件、故障或劣化，這些計(jì)算不再適用，這因此導(dǎo)致區(qū)段失效。
[0019]即使當(dāng)區(qū)段被很好地設(shè)計(jì)且可應(yīng)對(duì)許多意外的變化時(shí)，它仍然易于受到過載和失效的影響，即使加入支線故障保護(hù)。即使當(dāng)設(shè)置冗余干線時(shí)，除非它具有負(fù)載分擔(dān)能力，否則這也將不提供任何保護(hù)。至少，假定一個(gè)電源失效，系統(tǒng)必須能夠在簡單的模式中運(yùn)行。
[0020]還要考慮設(shè)備涌入。設(shè)備涌入電流是由將支撐系統(tǒng)充電以應(yīng)對(duì)諸如設(shè)備熄滅和設(shè)備附著要求的需要導(dǎo)致的。阻擋涌入是已知的，但這需要附加的復(fù)雜的電子器件。作為替代方案，電源可被配置為應(yīng)對(duì)總的初始化(系統(tǒng)通電)，使得所有的負(fù)載同時(shí)要求充電電流?？赏ㄟ^增大電源的電涌能力實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。但是，這也是有代價(jià)的，原因是僅有的使用它的時(shí)間是在初始化時(shí)，在這之后，區(qū)段將被恒定地通電幾個(gè)月，在該時(shí)間，電源將以減少的電流運(yùn)行。
[0021]可出現(xiàn)的另一問題是，在一些區(qū)段中，負(fù)載高，但電纜短。這意味著，為了恒定電流負(fù)載和給定固定最大電壓的恒定電壓供給，可在設(shè)備耦合器處存在過剩電壓。該電壓可以超過20V。如果電源被設(shè)定為48V且電流為1A，那么功率為48瓦特。在80%效率處，功率損失為9.5瓦特。但是，如果電源只需要在28V處運(yùn)行，那么功率損失將為28X1X0.2 =5.5瓦特，S卩，可能節(jié)省4瓦特和約50%。
[0022]又一問題是，當(dāng)系統(tǒng)冗余時(shí)，比如圖1所示，操作高于需要的