Can总线防爆网络及其防爆节点结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种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。主控制器可以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。数据存储模块用以存储各种物理量的对应的阈值。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。
【专利说明】CAN总线防爆网络及其防爆节点结构
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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“η”型式方法来实现。前两者加工制造的工艺复杂，安装要求繁琐，结构尺寸较大，无法实现节点的小型化。“η”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。
【发明内容】
[0004]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。
[0005]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，经过滤波、放大、信号调理、模数转换处理，转换成数字信号，并通过信号接口传送至主控制器。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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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兀件的综合等效电容总和以及综合等效电感总和。
[0009]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。
[0010]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扑网络，每一小型拓扑网络包括限定数量的所述防爆节点结构。
[0011]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。
[0012]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]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:
[0014]图1示出本发明一实施例的CAN总线防爆节点结构。
[0015]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。
[0016]图3示出本发明一实施例的CAN总线防爆网络。
【具体实施方式】
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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、SP1、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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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D1、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R1、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D1、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。
[0026]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。
[0027]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所示的分组组网拓扑方式。具体地说，CAN总线防爆节点根据实际使用需要，组成数个小型拓扑网络，分别与CAN总线安全栅300相连。通过降低每一拓扑网络中的CAN总线防爆节点的数量，降低了每个拓扑网络内的CAN总线能量。
[0028]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。
[0029]虽然本发明己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。
【权利要求】
1.一种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，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，经过滤波、放大、信号调理、模数转换处理，转换成数字信号，并通过信号接口传送至一主控制器； 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。
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。
5.一种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。
6.如权利要求5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扑网络，每一小型拓扑网络包括限定数量的所述防爆节点结构。
7.如权利要求5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。
【文档编号】G05B19/418GK104076748SQ201310102280
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年3月27日 优先权日:2013年3月27日
【发明者】张颖, 林志铁, 徐志丹, 刘玉春 申请人:梅特勒-托利多(常州)精密仪器有限公司, 梅特勒-托利多(常州)测量技术有限公司, 梅特勒-托利多(常州)称重设备系统有限公司