用于分布式控制系统的限压设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及实时分布式控制的控制系统，且更特定地，涉及可用于在该控制系统的干线(trunk)电路和支线(spur)电路之间提供固有安全接口的限压设备。
[0002]发明背景
[0003]自动工业系统具有监测、控制、和操作工业进程的现场设备。现场设备通过干线电路与控制处理器通信，该干线电路通过功率调节器传输DC电压给现场设备供电并且在控制处理器和现场设备之间双向传输叠加在DC电压上的AC电压数据信号(可包括操作命令)。
[0004]现场设备可分布于整个工厂，且数据传输速率允许对于进程的基本实时控制。现场设备各自经由支线或压降(drop)电路附连至干线电路。干线电路向支线电路传输DC电压，并且将AC数据信号携载至支线电路或从支线电路处携载AC数据信号。
[0005]已经为分布式控制系统开发了标准功率和通信协议。例如，基础现场总线协议是全数字、串行、双向通信系统，该系统在扭绞双线的干线电路上发送DC功率和AC信号，且使得控制处理器能与数个现场设备通信并控制该数个现场设备。其他已知分布式控制系统包括Profibus PA和基于以太网的控制系统。
[0006]现场设备可位于存在火灾风险的工厂风险区域内。风险区域由与风险本质有关的等级来标识。可燃气体位于等级I区域内，易燃粉尘位于等级2区域内，且可着火纤维和飞毛位于等级3区域内。等级O是米有火灾风险的安全区域。
[0007]通过与火灾风险级别有关的分区和地域来进一步标识风险区域。分区I标识了其中火灾风险连续存在的区域(地域O)或其中火灾风险仅存在于常规操作期间的区域(地域I)。分区2标识了其中并不预期火灾风险的区域(地域2)，但是如果风险确实出现，该风险仅存在较短时间段。
[0008]在风险区域内具有现场设备的分布式控制系统可以是固有地安全的。固有安全的控制系统被设计为使得在电故障期间所释放的能量不足以引起火灾区域内的点火。常规地，整个控制系统内的电压和电流被减少以将能量释放限制到低于点火点。
[0009]与固有安全控制系统有关的问题在于系统内可用的有限功率可不足以操作系统内的所有现场设备，包括位于安全区域内的那些现场设备。
[0010]已经研发了其他控制系统解决方案，这些方案提供足够的功率来操作所有的现场设备，同时仍对于风险区域内的现场设备提供固有安全。
[0011]在实体解决方案中，当从安全区域过渡到固有安全区域时设置安全屏障。该屏障提供了延伸至风险区域内的有限数量的支线，并且限制支线可用的能量的量。
[0012]为了实现风险区域的能量限制，必须根据固有安全标准来限制电压和电流两者。电压和电流必须被限制到的级别取决于该支线连接至内的风险区域。进一步，对于分区I (地域0、地域I)的固有安全，屏障一般提供电流隔离(galvanic)，对于分区2 (地域2)的固有安全，屏障没有被隔离。
[0013]对于分区2(地域2)实体系统，常规解决方案是在向干线电路提供能量的功率调节器处实现限压，且在设备耦合器内提供限流。设备耦合器能使包括一个或多个支线的设备段以模块化方式附连至干线电路。
[0014]然而，对于这个常规解决方案已经识别出数个问题:
[0015](a)由于固有安全概念开始于功率调节器，必须根据固有安全标准来限制连接至干线电路的所有装置；
[0016](b)必须将固有安全端子与所有的非固有安全端子在物理上进行分离。一般必须对于所有的干线连接遵循这个要求，所有的干线连接包括功率调节器和附连至干线电路的任何其他装置；
[0017](c)固有安全信号没有与非固有安全信号携载在相同电缆中。经常包括干线电路作为多核电缆(cabling)的一部分，限制使用其他电缆线路；且
[0018](d)功率调节器的输出电压越低，干线电路的最大长度就越短。设备段上的设备负载以及每单位长度的电缆电阻限制了最大干线电路长度。例如，现场安全固有安全功率调节器的最大电压一般被设置为24伏特，因为大多数固有安全现场设备被限制为24伏特的最大输入电压。在常规设备段负载条件下，相比以更高最大电压操作的干线电路，干线电路的最大长度被显著缩短。
[0019]因此，存在对于分区2 (地域2)实体系统的改进的固有安全解决方案的需要，该解决方案能使控制系统提供足够功率来操作所有现场设备、同时仍对于风险区域内的这些现场设备提供固有安全。
[0020]发明概述
[0021]公开的是对于分区2 (地域2)实体控制系统的改进的固有安全解决方案。该解决方案包括在干线和支线电路之间放置限压设备。
[0022]在一个可能的实施例中，可将该限压设备设置为与一设备耦合器分离、但与该设备耦合器在物理上共同定位的单元。此举使得控制系统使用常规的设备耦合器。如果设备耦合器没有包括限流设备，则与限压设备串联的限流设备可被包括在该单元内。
[0023]在另一个可能的实施例中，限压设备可被集成在可连接至干线电路的设备耦合器内，其中设备耦合器包括用于数个支线电路的连接。单个限压设备可被设置且被配置为与从设备耦合器延伸出来的所有支线电路串联。可选地，多个限压设备可被设置在设备耦合器内，其中每个限压设备配置为与从设备耦合器延伸出来的支线电路的各一个或多个串联。
[0024]一个或多个限流设备也可放置于设备耦合器内，其中每个限压设备与一个或多个限流设备串联，以使设备耦合器对于从设备耦合器延伸出来的每一个支线电路提供限压和限流两者。
[0025]在支线电路处放置限压没有在控制网络或设备段中创建单个故障点，如同在功率调节器处放置对于整个系统的电压。将限压设备集成到设备耦合器内进一步减少了顾客必须获得的产品数量并且简化了设备段设计。
[0026]在限压设备的实施例中，为了限制分布式控制系统的从干线电路传输至支线电路的DC电压，其中该干线电路与支线电路协作从而在附连至支线电路的现场设备和附连至干线设备的控制处理器之间传输叠加在DC电压上的AC数据信号，该限流设备包括用于从干线电路接收输入电压的输入端子以及用于向支线电路提供输出电压的输出端子。电压调节设备将输入端子与输出端子连接，该电压调节设备配置为基于来自干线电路的输入电压来将输出电压传递至输出端子。电压调节设备可在其中输出电压等于输入电压的第一模式中操作，且电压调节设备可在其中输出电压等于阈值电压的第二模式中操作。
[0027]控制设备连接至输出端子和电压调节设备。控制设备配置为当输出端子处的电压低于阈值电压时，将电压调节设备置于第一操作模式。控制设备配置为如果电压调节设备正以第一模式操作而当输出端子处的电压超过阈值或将超过阈值时，将电压调节设备置于第二操作模式。
[0028]AC信号设备连接至与电压调节设备平行的输入和输出端子。AC信号设备配置为在输入和输出端子之间携载AC数据信号。
[0029]控制设备的可能实施例可包括监测输入端子和参考电压之间的电压差的监测设备。当电压差处于或低于预定值时，电压调节设备被置于其第一操作模式内。当电压差超过预定值时，电压调节设备被置于其第二操作模式内以限制到输出端子的电压。
[0030]参考电压可包括恒定的参考电压和AC跟随器参考从而补偿由AC数据信号引起的DC信号变化。
[0031]在AC信号设备的可能实施例中，AC信号设备包括与电压调节设备分离的一个或多个组件(例如，电容器、电容元件、或有源电路组件)。在AC信号设备的其他可能实施例中，AC信号设备和电压调节设备共享共同的组件(即，相同组件构成AC信号设备和电压调节设备)。
[0032]电压调节和控制设备可配置为利用线性电压调节或开关模式电压调节(对应于分别在常规线性调节的电源中和在常规开关模式电源中可见的电压调节)。
[0033]线性电压调节通过改变电阻而将较高输入电压输入逐步降低至较低电压来调节电压，其中额外的能量作为热被耗散。开关模式调节通过导通和截止控制元件来调节电压，其中导通期间能量存储于储能设备(一般是电容器、电感线圈、或两者)，且截止期间从储能设备中汲取能量。
[0034]利用线性电压调节的限压设备的实施例可包括电压调节设备或线性电压调节器，其中将可变阻抗组件放置为串联在输入和输出端子之间。当电压调节设备以其第二模式操作时，组件的阻抗变化来调节输出电压。
[0035]利用线性电压调节的限压设备的其他实施例可包括串联在输入和输出端子之间的电阻器、以及连接至该电阻器的电流吸收器。当电压调节设备以其第二模式操作时，电流吸收器的电阻变化来调节电阻器两端的