查实和调整设备耦合器的电流限制的方法和执行它的电路的制作方法
【专利说明】查实和调整设备耦合器的电流限制的方法和执行它的电路
[0001]本发明涉及具体但不专门用于二导线分布式控制系统中的查实和调整设备耦合器的电流限制的方法以及用于执行这些方法的电路。
[0002]在用于控制和监测多个设备的许多工业设置中使用两个分布式控制系统。这些系统在特定的协议下操作，这些协议的一个例子是Fieldbus。它是用于实时分布式控制的一类工业计算机网络协议的名称，现在被标准化为IEC61158。复杂的自动化工业系统，例如，燃料提炼厂，通常需要有组织的层次的控制器系统起作用。在该层次中，存在操作员可监测或操作系统的顶部的人机界面(HMI)。它一般通过非时间关键的通信系统(例如，Ethernet)与可编程逻辑控制器(PLC)的中间层链接。控制链的底部是Fieldbus，它链接PLC与诸如传感器、致动器、电动机、控制灯、开关、阀和接触器的实际工作的部件。Fieldbus通常是向场部件提供功率和通信两者的二导线组合功率和数据网络。
[0003]Fieldbus常用于固有安全环境中，例如，易燃气氛，特别是气体族类别IIC氢气和乙炔以及以下，例如，用于气体和/或灰尘的气体族IIB和IIA。在典型的组合二导线Fieldbus电力和通信电路中，存在电源、一些类型的固有安全屏障、引出到现场中的干线部分、在分布式物理位置处安装于干线上的若干设备耦合器和与各设备耦合器连接的一个或更多个支线(spur)，在这些支线中的每一个上，安装了一个或更多个现场仪器。干线和支线一起形成“区段(segment)”。固有安全屏障将电路分成固有安全侧和非固有安全侧。电源、PLC和其它系统，比如测量电路和网络硬件的物理层属性的物理层诊断模块，以及正在使用的物理软件或协议的一部分，位于电路的非固有安全侧，通常处于控制室内。干线、设备耦合器、支线和现场仪器位于现场外的固有安全侧。但是，在普通的非固有安全环境中以及在没有任何固有安全屏障的情况下，也能够使用Fieldbus或者任何其它类似的二导线协议。
[0004]在任何二导线区段中，在位存在电流限制，这些电流限制用于防止任何设备耦合器或支线在短路或开路的情况下吸取太多的电流。这在固有安全系统中是至关重要的，原因是电流限制用于防止短路或开路形成易燃电弧。但是，这种系统还防止区段在有故障的情况下失效，原因是故障可与特定的支线隔离，并且防止整个区段毁坏。这通常用有源设备耦合器内的电流限制保护电子器件实现这一点，该电流限制保护电子器件用于在特定支线上出现故障的情况下完全隔离或者限制特定支线中的电流。这样的电流限制设备通常包括一系列的半导体器件和电流感测/驱动电路。所述电路监测支线上的电流，并且，如果它作为在支线上出现的短路的结果达到断路水平(trip level)，那么半导体被切换以限制电流，并且防止故障影响区段的剩余部分。所述电路或者以矩形的方式工作并且变为高阻抗以将电流限制到断路水平自身并且在特定的时间周期内使其保持在那里，或者它以返送(foldback)的方式工作，并且将电流限制到低水平，由此有效地使支线与区段的剩余部分隔离。
[0005]当存在疏忽的电缆制作时，或者如果设备自身失效到短路状态(这种失效可源自电子部件失效或者甚至仪器外封壳的溢流)，那么可出现这样的故障。电流限制电子器件防止任何这种故障使干线短路。当设备被断开时或者当在例行维护和校准中出现错误时，也可出现短路，因此，电流限制电子器件用作保护并且允许在有源支线上实施例行工作，使得其危险性不影响电路的其它部分。
[0006]当初始设计二导线系统时，各支线和设备耦合器的负载电流在理论上是已知的，因而，向干线提供给定量的功率，以满足这些要求。但是，面对任何现有或将来二导线系统的问题是，由于区段上某处的任何过电流要求超过设计，可能出现失效，并且，该失效然后导致区段别处的特定点处的供给电压低于需要的设备输入电压，从而导致设备失效。电路设计可能常常与实际应用不同，特别地，负载可能比初始计算高。另外，虽然电路可被设计为适应一个支线故障，但是，可能不能同时适应两个或更多个故障。这种故障可能是疏忽的，诸如短路等，但它们常常是由非预定或未控制的设备加载导致的。
[0007]这是面向任何二导线系统的问题，虽然它简单或冗余。常规的解决这种在现有区段上出现的问题的方式是，将其停电并且重新启用它。在许多情况下，这导致许多控制循环的损失和昂贵的停机时间。
[0008]作为替代方案，当初始设计电路时，可以提供更大的余量，以适应这种故障或意外的负载。但是，该更大的余量的代价是电缆长度和/或容量。经典的Fieldbus系统仅允许一个过载支线的故障，当系统例如操作安全系统时，或者，在存在多达32个支线或设备的情况下(这增大同时故障的风险)，这产生太大的风险。但是，增大余量使得这种系统非常低效。
[0009]仅向整个网络供给一个电压电平的替代性选项也是低效的，原因是它会伴随恒定电流负载需要低负载。
[0010]图1示出本发明的第三方面的实施例，在后面完全解释它，但它也示出以上提到的二导线网络的类型，并且，为了理解其相关特性中的一些，可以参照它。在图1中，二导线Fieldbus系统基于具有一个或更多个网关2a和2b、简单或冗余干线3a和3b、以及简单或冗余状态变量(选项)电源4a和4b的开放简单或冗余TCP/IP(因特网协议)系统I。安装于干线3a上的是一个或更多个通信设备耦合器9a、9b和9n，在各情况下，通过支线电缆11服务于一个或更多个场设备8。将理解，图1所示的不是限制，并且，可存在更多的设备耦合器以及与其连接的更多的支线。还能够使单个支线或设备直接而不是通过设备耦合与干线3a连接。在已知的布置中，设备耦合器9a、9b和9n会包括针对任何支线过电流的静止电路保护。
[0011]在大多数的Fieldbus系统中，干线3a、3b是最长的电缆，并且，对于二导线Fieldbus系统，它至少在电源端处取得整个负载电流。因此，沿着包含分布式或中心化的设备耦合器的给定长度的干线，存在由电缆的电阻成分导致的电压降，该电压降与流过其中的电流成比例。
[0012]通过分布系统，最接近电源4a的电缆部分5使最高电压下降，原因是它承载总电流(/9a+/9b+/9n)。但是，该电压降在下一部分6上成比例地下降，原因是它承载较少的电流(/9b+/9n)。类似地，电压降进一步在承载最小电流(/9n)的最后部分7上减小。
[0013]实际上，总电流(/9a+/9b+/9n)是可为静态或动态的任何变量的组合。所述变量包含静态或动态的设备负载、设备故障电流或支线电缆短路。不管什么情况，重要的是对各参与的成分提供最小的输入电压。将理解，该电压依赖于任何设备的特定电流、设备耦合器或者电路中的其特定位置处的故障。例如，添加到设备耦合器9n的附加的10mA会导致对于设备耦合器9n的输入电压降低到最小需要电压以下，而添加到设备耦合器9a的相同的10mA不会导致对于设备耦合器9η的输入电压降低到最小需要电压以下。这是由于基于电缆长度的电缆的电流-电阻-电压(V/IR)特性。(参见图5和伴随的以下进一步解释这种现象的描述。)
[0014]如果部分5、6和7的长度相等且各设备耦合器9a、9b和9n吸取相同的电流，那么会在该布局中的设备耦合器9n处看到最低的电压。在将所有三个设备耦合器9a、9b和9n放在部分7的端部处的一个中心点处的替代性布局中，不会是这种情况。因而，所示这样的系统是更功率高效的。
[0015]当初始设计区段时，考虑上述的因素，然后，计算什么电流和电压将处于区段的不同的部分处。通常通过计算机仿真器/计算器执行它(区段设计检查)，或者可手动执行它。但是，在各情况下，仅可考虑理论预期的工作条件，并因此外推最大电流限制。另外，只能适应给定数量的理论短路故障。
[0016]作为该方法的结果，电路设计常常是不准确的，并且通常基于保守的风险因素。换句话说，为了减少失效的风险，将比所需的容限大的容限设计到系统中，这导致利用不足。
[0017]并且，伴随越来越复杂的系统被引入到Fieldbus (或类似)场所中，这些类型的计算变得更困难，并且数据输入变得耗费更多的时间。
[0018]在任何情况下，一旦系统实际就位且出现初始计算没有想到的意外的操作条件、故障或劣化，这些计算不再适用，这因此导致区段失效。
[0019]即使当区段被很好地设计且可应对许多意外的变化时，它仍然易于受到过载和失效的影响，即使加入支线故障保护。即使当设置冗余干线时，除非它具有负载分担能力，否则这也将不提供任何保护。至少，假定一个电源失效，系统必须能够在简单的模式中运行。
[0020]还要考虑设备涌入。设备涌入电流是由将支撑系统充电以应对诸如设备熄灭和设备附着要求的需要导致的。阻挡涌入是已知的，但这需要附加的复杂的电子器件。作为替代方案，电源可被配置为应对总的初始化(系统通电)，使得所有的负载同时要求充电电流。可通过增大电源的电涌能力实现这一点。但是，这也是有代价的，原因是仅有的使用它的时间是在初始化时，在这之后，区段将被恒定地通电几个月，在该时间，电源将以减少的电流运行。
[0021]可出现的另一问题是，在一些区段中，负载高，但电缆短。这意味着，为了恒定电流负载和给定固定最大电压的恒定电压供给，可在设备耦合器处存在过剩电压。该电压可以超过20V。如果电源被设定为48V且电流为1A，那么功率为48瓦特。在80%效率处，功率损失为9.5瓦特。但是，如果电源只需要在28V处运行，那么功率损失将为28X1X0.2 =5.5瓦特，S卩，可能节省4瓦特和约50%。
[0022]又一问题是，当系统冗余时，比如图1所示，操作高于需要的