用于本质安全工业应用中的通用IO的能量限制栅的制作方法

本公开整体涉及工业过程控制和自动化系统。更具体地，本公开涉及用于本质安全工业应用中的通用io的能量限制栅。

背景技术：

工业过程控制和自动化系统通常用于使大型且复杂的工业过程自动化。这些类型的系统通常包括各种部件，包括传感器、致动器和控制器。控制器中的一些可以从传感器接收测量结果并且生成用于致动器的控制信号。

现有的过程控制和自动化系统通常具有安装在控制室中的参与控制和输入/输出(i/o)功能的硬件部件。这些系统通常用于从现场采集i/o信息，并将该i/o信息传输到控制室。控制室中的系统可以执行各种控制功能并将输出传输回现场。

在危险环境中，可能需要或期望使用本质安全栅来限制能量和隔离关键i/o功能。本质安全(is)是一种保护技术，用于通过限制可用于点火的电能或热能来在危险区域中安全操作电气设备。这通常通过使用一个或多个is栅来实现。

技术实现要素：

本公开提供了用于本质安全工业应用中的通用io的能量限制栅的能量限制栅。

在第一实施方案中，一种装置包括一个或多个信道。每个信道包括电路，该电路被配置为从通用输入/输出(uio)接收输入电流并向危险或潜在危险区中的现场设备提供输出，该电路被进一步配置为通过限制该输出的电压、电流或功率中的至少一者来限制到现场设备的能量。每个信道也包括端子，该端子被配置为将电路连接到一根或多根电缆，该一根或多根电缆将现场设备耦接到该装置。每个信道被配置为在现场设备和控制现场设备的操作的控制器之间提供本质安全栅。

在第二实施方案中，一种系统包括uio和耦接到uio的本质安全(is)栅。is栅包括一个或多个信道。每个信道包括电路，该电路被配置为从uio接收输入电流并向危险或潜在危险区中的现场设备提供输出，该电路被进一步配置为通过限制该输出的电压、电流或功率中的至少一者来限制到现场设备的能量。每个信道也包括端子，该端子被配置为将电路连接到一根或多根电缆，该一根或多根电缆将现场设备耦接到is栅。每个信道被配置为在现场设备和控制现场设备的操作的控制器之间提供本质安全栅。

在第三实施方案中，一种方法包括由is栅从uio接收输入电流。该方法也包括由is栅向危险或潜在危险区中的现场设备提供输出。该方法还包括通过限制输出的电压、电流或功率中的至少一者来限制到现场设备的能量。is栅包括一个或多个信道，每个信道包括被配置为将is栅连接到一根或多根电缆的端子，该一根或多根电缆将现场设备耦接到is栅。

从以下附图、描述和权利要求中，其它技术特征对本领域的技术人员可以为显而易见的。

附图说明

为了更完整地理解本公开，现在参考以下结合附图来进行的描述，其中：

图1示出了根据本公开的示例性工业过程控制和自动化系统的一部分；

图2示出了根据本公开的其中本质安全(is)栅与通用输入/输出(uio)一起使用的示例性系统；

图3示出了根据本公开的其中is栅与uio成一体的示例性系统；

图4示出了根据本公开的与分布式控制系统中的is栅和uio一起使用的示例性设备；并且

图5示出了根据本公开的用于使用分布式控制系统中的is栅和uio的方法。

具体实施方式

下文讨论的图1至图5，以及用于描述本发明在本专利文献中的原理的各种实施方案仅以例示方式进行，并且不应被理解为以任何方式限制本发明的范围。本领域的技术人员将理解，本发明的原理可在任何类型的适当布置的设备或系统中实现。

图1示出了根据本公开的示例性工业过程控制和自动化系统100的一部分。如图1所示，系统100包括有利于生产或加工至少一种产品或其它材料的各种部件。例如，系统100可用于促进对一个或多个工业工厂中的部件的控制或监视。每个工厂表示一个或多个加工设施(或其一个或多个部分)，诸如用于生产至少一种产品或其它材料的一个或多个制造设施。一般来说，每个工厂可实现一个或多个工业过程并且能够单独地或共同地称为过程系统。过程系统通常表示被配置为以某种方式以不同形式加工一种或多种产品或其它材料或能量的任何系统或部分系统。

在图1所示的示例中，系统100包括一个或多个传感器102a和一个或多个致动器102b。传感器102a和致动器102b表示过程系统中可执行多种功能中的任一种功能的部件。例如，传感器102a可以测量过程系统中的多种特性，诸如温度、压力或流量。另外，致动器102b可以改变过程系统中的多种特性。传感器102a中的每个传感器包括用于测量过程系统中的一个或多个特性的任何合适的结构。致动器102b中的每个致动器包括用于在过程系统中操作或影响一个或多个条件的任何合适的结构。

至少一个输入/输出(i/o)模块(有时简称为“io”)104耦接到传感器102a和致动器102b。io104有利于与传感器102a、致动器102b或其它现场设备的相互作用。例如，io104可用于接收一个或多个模拟输入(ai)、数字输入(di)、数字输入事件序列(disoe)或脉冲累加器输入(pi)或提供一个或多个模拟输出(ao)或数字输出(do)。每个io104包括用于从一个或多个现场设备接收一个或多个输入信号或向一个或多个现场设备提供一个或多个输出信号的任何合适的结构。

系统100还包括各种控制器106。控制器106可在系统100中使用以执行各种功能以便控制一个或多个工业过程。例如，第一组控制器106可使用来自一个或多个传感器102a的测量以控制一个或多个致动器102b的操作。这些控制器106可以经由一个或多个io104与传感器102a、致动器102b和其它现场设备进行相互作用。第二组控制器106可用于优化由第一组控制器执行的控制逻辑或其它操作。第三组控制器106可用于执行附加的功能。

控制器106通常分层布置在系统中。例如，不同的控制器106可用于控制各个致动器、形成机器的致动器的集合、形成单元的机器的集合、形成工厂的单元的集合，以及形成企业的工厂的集合。控制器106的分层布置的特定示例被定义为过程控制的“普渡”模型。不同分层水平中的控制器106可以经由一个或多个网络108和相关联的开关、防火墙和其它部件进行通信。

每个控制器106包括用于控制工业过程的一个或多个方面的任何合适的结构。例如，控制器106中的至少一些控制器可表示比例积分微分(pid)控制器或多变量控制器，诸如鲁棒多变量预测控制技术(rmpct)控制器或实现模型预测控制(mpc)或其它高级预测控制的其它类型的控制器。作为特定示例，每个控制器106可表示运行实时操作系统、windows操作系统或其它操作系统的计算设备。

操作员对系统100的控制器106和其它部件的访问和相互作用可经由各种操作员站110进行。每个操作员站110可用于向操作员提供信息以及从操作员接收信息。例如，每个操作员站110可向操作员提供识别工业过程的当前状态的信息，诸如各种过程变量的值和警告、报警或与工业过程相关联的其它状态。每个操作员站110也可接收影响如何控制工业过程的信息，诸如通过接收由控制器106控制的过程变量的设定值或接收改变或影响控制器106如何控制工业过程的其它信息。每个操作员站110包括用于向操作员显示信息以及与操作员进行相互作用的任何合适的结构。

这表示可用于制造或加工一种或多种材料的一种类型的工业过程控制和自动化系统的简要描述。关于工业过程控制和自动化系统的附加的细节在本领域中是众所周知的，并且对于理解本公开来说是不需要的。另外，工业过程控制和自动化系统是高度可配置的，并且可根据特定需要以任何合适的方式来配置。

在特定实施方案中，图1中的各种控制器和操作员站可表示计算设备。例如，控制器和操作员站中的每一者可以包括一个或多个处理设备和一个或多个存储器，该一个或多个存储器用于存储由处理设备使用、生成或收集的指令和数据。控制器和操作员站中的每一者也可包括至少一个网络接口，诸如一个或多个以太网接口或无线收发器。

在诸如系统100的过程控制和自动化系统中，i/o信道用于将控制器(诸如控制器106)和现场设备(诸如传感器102a和致动器102b)连接。一般来讲，io104可以支持各种类型的i/o信道，包括模拟输入(ai)、数字输入(di)、数字输入事件序列(disoe)、脉冲累加器输入(pi)、模拟输出(ao)或数字输出(do)。不同的i/o信道类型的特征在于不同的输入、输出、电压、电流和配置。例如，ai信道和ao信道通常为4ma-20ma类型，但它们也可包括热电偶等。相比之下，di信道和do信道通常包括其它配置。

通用i/o(uio)信道是一种专用i/o信道，其可重新配置为作为多种i/o信道类型中的任何一种来操作。uio电路的示例性类型在美国专利8,072,098、美国专利8,392,626、美国专利8,656,065，以及美国专利公开2015/0278144中示出(所有专利据此全文以引用方式并入)。支持购自霍尼韦尔国际公司(honeywellinternationalinc)的通用信道技术的uio电路也适用。

uio信道可以具有各种配置的电流输出，而不管uio信道所连接的现场设备的i/o类型如何。通常，电流输出用于测量对应的信号。如上所述，在某些系统中可能需要或期望利用本质安全(is)栅来实现可能存在危险或潜在危险条件的本质安全性。现有的is栅可与i/o信道结合使用，但大多数is栅被配置为与特定i/o类型的i/o信道(诸如ai或do)一起使用。

支持一个或多个uio信道的io(称为“uio模块”或简称为“uio”)可使用一个或多个外部is栅来连接危险或潜在危险位置的现场设备。在利用uio的系统中，可以在靠近端子模块的现场安装的低成本is栅可能是重要或关键的要求。然而，使用当前可用的第三方栅可能很复杂且成本过高。例如，在某些情况下，每个is栅每个信道的成本可能高达60美元到70美元，这在有许多i/o信道需要保护时可能会出现问题。而且，现有的is栅可能需要附加的机柜来进行安装，这进一步增加了具体实施的尺寸和成本。

根据本公开，可以设计或修改系统100中的各种部件以支持与uio一起使用的is能量限制栅。例如，传感器102a和致动器102b中的一者或多者可以设置在危险或潜在危险区中，而控制器106中的一个或多个控制器可以在安全区中实现。此外，io104可用于将控制器106中的一个或多个控制器与传感器102a和致动器102b中的一者或多者连接。在一些实施方案中，io104表示uio。is栅112可定位在io104与传感器102a和致动器102b中的一者或多者之间，以确保本质安全性。下面提供关于io104和is栅112的附加的细节。

虽然图1示出了工业过程控制和自动化系统100的一个示例，但是可以对图1做出各种改变。例如，系统100可包括任何数量的传感器、致动器、i/o模块、控制器、操作员站、网络、is栅和其它部件。另外，图1中的系统100的组成和布置方式仅用于例示。部件可根据特定需要以任何其它合适的配置来添加、省略、组合或放置。此外，特定功能已被描述为由系统100的特定部件来执行。这仅用于例示。一般来说，控制和自动化系统是高度可配置的，并且可根据特定需要以任何合适的方式来配置。此外，图1示出了一个示例性操作环境，其中is能量限制栅可与uio一起使用。该功能可用于任何其它合适的系统，并且该系统不需要与工业过程控制和自动化相关。

图2示出了根据本公开的其中is栅与uio一起使用的示例性系统200。系统200实际上可代表图1所示的系统100的一部分。然而，设备200可以作为任何其它合适的较大系统的一部分来使用。

如图2所示，系统200包括控制器202、现场设备204、uio模块206和is栅208。控制器202包括用于与现场设备204中的一个或多个现场设备进行相互作用或对其进行控制的任何合适的控制系统硬件(或硬件和软件/固件的组合)。例如，控制器202可表示多变量控制器，诸如rmpct控制器或实现mpc或apc的其它类型的控制器。作为特定示例，控制器202可表示图1的控制器106中的一个控制器。

现场设备204表示用于测量过程系统中的一个或多个特性、操作或影响过程系统中的一个或多个条件或执行过程系统中的其它功能的任何合适的结构。现场设备204可表示图1的传感器102a和致动器102b中的一者或多者。如图2所示，现场设备204设置在危险或潜在危险区域中，诸如具有0区或1区分类的区域。相比之下，控制器202设置在安全区中，诸如设置在控制室中。

uio206耦接在控制器202和is栅208之间。uio206是可编程信道电路，其包括uio信道和双向i/o端子210。在一些实施方案中，uio206可以根据连接到对应uio信道的现场设备204的i/o类型来为每个信道自动选择多种模式中的一种模式。uio206的一个特性在于，uio206提供电流输出，而不管现场设备204的i/o类型如何。即，与生成或处理电压输出的一些io相比，uio206可以提供电流输出，而不管相关联的现场设备204的i/o类型如何。虽然uio206这里示出为具有三个i/o信道和对应的三对i/o端子210，但这仅用于示例目的。uio206的其它实施方案可包含更多或更少的uio信道。

is栅208耦接在uio206和现场设备204之间。is栅208包括多个信道。每个信道包括电路212和螺钉端子214。每个信道与对应的现场设备204相关联。螺钉端子214将电路212连接到一个或多个i/o电缆，该一个或多个i/o电缆耦接到is栅208。i/o电缆延伸到现场设备204，从而将现场设备204耦接到is栅208的信道。

除了别的以外，is栅208还支持仅支持电流输出的简化设计。如前所述，uio206为uio206支持的所有i/o类型提供电流输出功能。is栅208利用了uio206的所有电流输出性质。相比之下，支持电流/电压输入或输出的一个或多个组合的任何is栅设计将是不必要地复杂和昂贵的。

在一些实施方案中，is栅208对于每个信道仅包括两个螺钉端子214。这与可与uio206一起使用但包括四个或更多个螺钉端子的其它is栅进行对比。使用这些其它类型的is栅导致uio206的通用性受到一定程度的损失。例如，具有四个或更多个螺钉端子的is栅通常必须以不同方式被编程或配置(或必须使用螺钉端子的不同的组合)，这取决于要携带的信号的i/o类型。这表示实施和维护的重要时间或金钱成本。由于is栅208对于每个信道仅包括两个螺钉端子214，因此不需要重新配置或重新编程来适应不同i/o类型的现场设备。is栅208每个信道仅使用两个螺钉端子214，而不管现场设备204的i/o类型如何。在一些实施方案中，两个螺钉端子214中的一个螺钉端子始终接地，并且另一螺钉端子214携带实况信号。

每个信道的电路212限制与该信道相对应的uio206和现场设备204之间的能量输出。例如，每个信道的电路212可以限制输出电流、电压、功率或这些的组合。虽然is栅208被配置为不管连接的现场设备204的i/o类型如何都限制能量，但当具有不同i/o类型的不同现场设备耦接到同一信道时，每个信道的电路212不需要任何机械重新配置、软件重新配置或任何其它类型的重新配置来限制能量输出。例如，如果ao现场设备204连接到is栅208的一个信道，则is栅208可以作为ao现场设备204的能量限制栅来操作。稍后，如果ao现场设备204断开并且di现场设备204连接在其位置，则is栅208仍然可以作为di现场设备204的能量限制栅来操作，而无需对该信道的电路212进行任何机械或软件重新配置。

电路212可以包括用于实现is栅208的能量限制功能的任何合适的结构或部件。例如，电路212可以包括无源电路元件、有源电路元件或该两者的组合。无源电路元件包括但不限于电阻器、电容器、电感器、变压器、齐纳二极管等。有源电路元件包括但不限于晶体管、可控硅整流器(scr)等。在无源系统中，在输出电流之前，接收电路212的输入端处的电流，然后该电流由一个或多个无源电路元件来限制。在输入电流与输出电流完全隔离的有源系统中，输入信号被主动监视并在输出侧以安全电流电平被复制。

在一些实施方案中，is栅208为无任何流电隔离功能的能量限制栅。在其它实施方案中，is栅208包括流电隔离以及作为能量限制栅的操作。另外，在一些实施方案中，is栅208和uio206被定位成非常靠近控制器202，使得在控制室之外存在安全的i/o区域。

尽管图2示出了系统200的一个示例，其中is栅与uio一起使用，但可以对图2进行各种改变。例如，图2中的各种部件可以结合、进一步细分或省略，并且可以根据特定需要来添加附加的部件。另外，过程控制和自动化系统可以具有多种配置，并且图2不会将本公开限制于任何特定的配置。

图3示出了根据本公开的其中is栅与uio成一体的示例性系统300。系统300可以包括与图2的系统200共同的一个或多个部件，并且可以用在图1和图2的系统100和系统200中。然而，系统300可以作为任何其它合适的较大系统的一部分来使用。

如图3所示，系统300包括在单个壳体中与uio成一体的is栅的部件。具体地，系统300包括电压和电流限制器模块302、一个或多个稳压器304、一个或多个控制器306、一个或多个uio集成电路308以及一个或多个流电隔离模块310-312。外壳314包封所有这些部件302-312。

电压和电流限制器模块302提供与图2的is栅208的能量限制功能类似的电压、电流和功率限制功能。针对功率的流电隔离和针对数据的流电隔离可以由流电隔离模块310-312执行，该流电隔离模块彼此分开并与电压和电流限制器模块302分开。一般来讲，可以使用i/o系统来分配流电隔离功能和本质安全功能。一个或多个稳压器304用于调节系统300的总体电源电压。一个或多个控制器306执行各种功能以便控制系统300的总体操作。一个或多个uio集成电路308包括用于为系统300执行io功能的电路元件。一个或多个稳压器304、一个或多个控制器306和一个或多个uio集成电路308也可以是分布式的，但它们一起可以以类似于图2的uio206的方式来操作。

尽管图3示出了系统300的一个示例，其中is栅与uio成一体，但可以对图3进行各种改变。例如，图3中的各种部件可以结合、进一步细分或省略，并且可以根据特定需要添加附加的部件。另外，过程控制和自动化系统可以具有多种配置，并且图3不会将本公开限制于任何特定的配置。

图4示出了根据本公开的与分布式控制系统中的is栅和uio一起使用的示例性设备400。例如，设备400可以表示图1的系统100中的计算设备，诸如控制器106中的一个控制器或操作员站110中的一个操作员站。又如，设备400的各种部件可以包括在系统200和系统300中，诸如包括在uio206、is栅208或控制器306中。设备400可表示用于执行与分布式控制系统中的is栅和uio相关联的功能的任何其它合适的设备或部件。

如图4中所示，设备400包括至少一个处理器402、至少一个存储设备404、至少一个通信单元406和至少一个输入/输出(i/o)单元408。每个处理器402可执行指令，诸如可被加载到存储器410的那些指令。每个处理器402表示任何合适的处理设备，诸如一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路(asic)或分立电路。

存储器410和持久性存储装置412是存储设备404的示例，该存储设备表示能够存储信息和有利于信息检索的任何一个或多个结构(诸如数据、程序代码和/或临时或永久的其它合适的信息)。存储器410可表示随机存取存储器或任何其它合适的易失性存储设备或非易失性存储设备。持久性存储装置412可包含支持数据的更长期存储的一个或多个部件或设备，诸如只读存储器、硬盘、闪存存储器或光盘。

通信单元406支持与其它系统或设备的通信。例如，通信单元406可包括至少一个网络接口卡或无线收发器，该无线收发器有利于通过至少一个有线或无线网络进行通信。通信单元406可通过任何合适的物理或无线通信链路来支持通信。

i/o单元408允许输入和输出数据。例如，i/o单元408可通过键盘、鼠标、小键盘、触摸屏或其它合适的输入设备来为用户输入提供连接。i/o单元408还可以将输出发送至显示器、打印机或其它合适的输出设备。

尽管图4示出了用于与分布式控制系统中的is栅和uio一起使用的设备400的一个示例，但可对图4进行各种改变。例如，图4中的各种部件可以结合、进一步细分或省略，并且可以根据特定需要添加附加的部件。另外，计算设备可以具有多种配置，并且图4不会将本公开限制于任何特定的配置。

图5示出了根据本公开的用于使用分布式控制系统中的is栅和uio的示例性方法500。为了便于解释，方法500被描述为使用图2的系统200来执行。然而，可以使用任何合适的设备或系统来使用方法500。

在步骤501处，is栅从uio接收输入电流。例如，这可包括is栅208从uio206接收所有电流输出。在一些实施方案中，is栅接收电流信号，而不管输入或输出信号的类型如何。

在步骤503处，is栅向危险或潜在危险区中的现场设备提供输出。例如，这可包括is栅208的信道中的一个信道的电路212向耦接到信道的现场设备204提供输出。

在步骤505处，is栅通过限制该输出的电压、电流或功率中的至少一者来限制到现场设备的能量。这可包括is栅208限制到现场设备204的能量以提供安全输出。

尽管图5示出了用于使用分布式控制系统中的is栅和uio的方法500的一个示例，但可对图5进行各种改变。例如，虽然示出为一系列步骤，但图5中的各个步骤可以重叠、并行发生、以不同顺序发生，或者以任何次数发生。此外，可以结合或去除一些步骤，并且可以根据特定需要添加附加的步骤。此外，虽然相对于系统200描述了方法500(相对于工业过程控制和自动化系统描述了该系统本身)，但方法500可以与其它类型的设备和系统结合使用。

在一些实施方案中，本专利文献中描述的各种功能由计算机程序来实现或支持，该计算机程序由计算机可读程序代码形成并体现在计算机可读介质中。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读介质”包括能够被计算机访问的任何类型的介质，诸如只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、硬盘驱动器、压缩光盘、数字视频光盘或任何其它类型的存储器。“非暂态”计算机可读介质排除传输瞬时电信号或其它信号的有线、无线、光学或其它通信链路。非暂态计算机可读介质包括可永久地存储数据的介质以及可存储和之后盖写数据的介质，例如，可重写光盘或可擦除存储器设备。

阐述贯穿本专利文献中使用的某些字词和短语的定义可能是有利的。术语“应用程序”和“程序”是指适于以合适的计算机代码(包括源代码、目标代码或可执行代码)实现的一个或多个计算机程序、软件部件、指令集、过程、功能、对象、类、实例、相关数据或其一部分。术语“通信”及其衍生词涵盖直接通信和间接通信两者。术语“包括”和“包含”及其衍生词意指包括但不限于此。术语“或”是包括性的，表示和/或。短语“与…相关联”及其衍生词可以意指包括、包括在…内、与…互连、包含、包含在…内、连接到…或与…连接、耦接到…或与…耦接、可与…通信、与…协作、交错、并置、与…接近、结合到…或与…结合、具有、具有…的性质、具有与…的关系或与…具有关系等。当与项列表一起使用时，短语“…中的至少一个”意指可使用所列的项中的一个或多个项的不同组合，并且可能仅需要列表中的一个项。例如，“a、b和c中的至少一者”包括以下组合中的任何一者：a、b、c、a和b、a和c、b和c以及a和b和c。

不应将本申请中的描述理解为暗示任何特定元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的基本或关键要素。专利保护的主题的范围仅由所允许的权利要求来限定。此外，权利要求没有一个旨在关于所附权利要求或权利要求要素中的任何一项援引35u.s.c.§112(f)，除非在特定权利要求中明确使用后面是标识功能的分词短语的“用于…的装置”或“用于…的步骤”的确切字词。在权利要求中使用术语诸如(但不限于)“机构”、“模块”、“设备”、“单元”、“部件”、“元件”、“构件”、“装置”、“机器”、“系统”、“处理器”或“控制器”被理解为并旨在指代相关领域的技术人员已知的结构，如权利要求本身特征进一步修改的或增强的，并且并不旨在援引35u.s.c.§112(f)。

虽然本公开已描述了某些实施方案和大体上相关联的方法，但是这些实施方案和方法的变更和置换对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。因此，上文对示例性实施方案的描述不限定或约束本公开。在不脱离如以下权利要求限定的本公开的实质和范围的情况下，其它改变、替换和变更也是可能的。