專利名稱：用于有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域的asi網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域的ASI網(wǎng)絡(luò)。
技術(shù)背景ASI網(wǎng)絡(luò)(ASI:執(zhí)行器-傳感器-接口 )的概念被理解成具有用 于在控制設(shè)備(主設(shè)備)和現(xiàn)場設(shè)備(從設(shè)備)之間進(jìn)行通信的總 線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。ASI網(wǎng)絡(luò)是用于自動控制的面向位的現(xiàn)場總線。該 總線被優(yōu)化以用于連接簡單的傳感器、執(zhí)行器和現(xiàn)場設(shè)備，它們僅 與控制設(shè)備交換很少的信息位并且可以通過通常雙芯的電纜來執(zhí) 行數(shù)據(jù)通信和供應(yīng)電能。為了能夠在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域中驅(qū)動電的現(xiàn)場i殳備而需要一 種設(shè)備，該設(shè)備具有特定的起爆保護(hù)方式，由此不會由其引發(fā)起爆 危險(xiǎn)。被設(shè)計(jì)成本質(zhì)安全的現(xiàn)場設(shè)備是尤其有利的，這是因?yàn)椴恍?要用于保護(hù)現(xiàn)場總線的附加措施，例如封套措施和屏蔽措施，從而 確保防止爆炸地運(yùn)行。在這樣的現(xiàn)場總線系統(tǒng)中通?？梢赃B4妄有多個利用總線電纜 并聯(lián)的現(xiàn)場設(shè)備。即使現(xiàn)場總線的現(xiàn)場設(shè)備設(shè)計(jì)成本質(zhì)安全的但在 有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域中也需要限制通過總線電纜傳輸?shù)哪芰?，從而?使在確定為標(biāo)準(zhǔn)的故障條件下在總線電纜上在任何時間和位置都 不可能產(chǎn)生有起爆危險(xiǎn)的火花。然而，基于在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中所需的傳輸路徑(電纜長度)以及各個現(xiàn)場總線設(shè)備所需要的最低能量， 由控制設(shè)備提供的能量并不能被隨意地降低。因此，應(yīng)用在有^^炸危險(xiǎn)的區(qū)域中的并且應(yīng)用"本質(zhì)安全的" 起爆保護(hù)類型的已知現(xiàn)場總線系統(tǒng)將現(xiàn)場總線的總線電纜的長度 限制到確定的距離(例如lkm)并且因?yàn)榛谑芟拗频哪芰抗?yīng)而 不能供應(yīng)大量的現(xiàn)場設(shè)備，所以所連接的現(xiàn)場總線的設(shè)備的數(shù)量被 限制到大約10個。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的在于4是出一種現(xiàn)場總線系統(tǒng)，利用該現(xiàn)場 總線系統(tǒng)能夠以較簡單的方式驅(qū)動任意數(shù)量的現(xiàn)場設(shè)備，并且在該 現(xiàn)場總線系統(tǒng)中傳輸路徑的長度不因?yàn)槟芰總鬏敹芟?。該目的通過這沖羊的現(xiàn)場總線系統(tǒng)來實(shí)J見，即一種現(xiàn)場總線系 統(tǒng)，尤其應(yīng)用在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域中，包括多個具有總線電纜的 總線電纜區(qū)段；隔離元件，多個總線電纜區(qū)段中的每兩條利用所述 隔離元件彼此耦合并且所述隔離元件使兩個總線電纜區(qū)段的總線 電纜4皮此電隔離，/人而中斷兩個總線電纜區(qū),殳的所述總線電纜之間 的直流電的流動并且在兩個總線電纜區(qū)段之間傳輸通信信號；以及 電源，用于每個總線電纜區(qū)段，從而為可連接到各個總線電纜區(qū)段 上的現(xiàn)場設(shè)備供電，其中，多個總線電纜區(qū)段利用所述隔離元件連 接成串聯(lián)電路。本發(fā)明的其他有利的設(shè)計(jì)方案在從屬權(quán)利要求中給出。根據(jù)本發(fā)明提出 一種現(xiàn)場總線系統(tǒng)，尤其應(yīng)用在有爆炸危險(xiǎn)的 區(qū)域中，該現(xiàn)場總線系統(tǒng)包括多個具有總線電纜的總線電纜區(qū)段； 以及隔離元件，多個總線電纜區(qū)#殳中的每兩條利用該隔離元件-波此耦合并且該隔離元件使兩個總線電纜區(qū)段的總線電纜彼此電隔離， /人而中斷兩個總線電纜區(qū),爻的總線電纜之間的直流電的流動并且 在兩個總線電纜區(qū)段之間傳輸通信信號。此外，現(xiàn)場總線系統(tǒng)包括 電源，用于每個總線電纜區(qū)段，從而為可連接到各個總線電纜區(qū)段 上的現(xiàn)場設(shè)備供電。這種類型的現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有優(yōu)點(diǎn)，即在總線電纜上最大允許 的能量供應(yīng)不會限制可在現(xiàn)場總線系統(tǒng)上驅(qū)動的現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)量。 為此，現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有多個彼此分開供電的總線電纜區(qū)段，在這 些總線電纜區(qū)段上不超過在總線電纜上的最大允許能量供應(yīng)。因 此，可以通過應(yīng)用多個總線電纜區(qū)段來提高總能量供應(yīng)并且由此來 驅(qū)動不由供電限制的數(shù)量的現(xiàn)場設(shè)備?？偩€電纜優(yōu)選地在具有開i文式的端部的總線電纜區(qū)^殳上"i殳有 端子阻抗。通常，這些總線電纜區(qū)段是這樣的一些部段，這些部段 處于總線電纜的始端和末端。此外，至少一個總線電纜區(qū)段(其總線電纜具有開放式的端部) 具有端子阻抗。所述隔離元件分別與兩個總線電纜區(qū)段的兩條總線電纜連接， 其中所述隔離元件包括具有變壓器線圈的變壓器，其中，每個變壓 器線圈與各自的隔流電容串聯(lián)地連接在相應(yīng)的總線電纜區(qū)段的兩 條總線電纜之間。優(yōu)選地，抑制二極管可與所述變壓器的所述變壓器線圏中的至 少一個直接并聯(lián)地連接。用于所述總線電纜區(qū)的所述電源構(gòu)造成電流-和電壓受限。電源優(yōu)選地分別通過去耦電感與相應(yīng)的總線電纜區(qū)段的各條 總線電纜耦合?？偩€電纜區(qū)段優(yōu)選地至少部分地設(shè)置在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域中， 其中，用于總線電纜區(qū)段的電源設(shè)置在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域之外。此外，所述總線電纜區(qū)段中的至少一個通過連接段與控制設(shè)備 連接以執(zhí)行與連接在所述總線電纜區(qū)段上的現(xiàn)場設(shè)備的通信。優(yōu)選地，在連接段上多個總線電纜區(qū)段通過各自的隔離元件耦合。多個總線電纜區(qū)段可以通過隔離元件連接成串聯(lián)電路。


接下來，參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)一步說明。圖中示出圖1是應(yīng)用在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域中的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其中現(xiàn)場 總線設(shè)備被設(shè)計(jì)成本質(zhì)安全的；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的現(xiàn)場總線系統(tǒng)；圖3示出了總線電纜區(qū)段的供電的詳細(xì)圖示以及在總線電纜區(qū) ,殳之間電去耦的實(shí)現(xiàn)；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
在圖1中示出了應(yīng)用在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域中的常規(guī)的現(xiàn)場總線 系統(tǒng)。該現(xiàn)場總線系統(tǒng)包括用于常規(guī)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)的常規(guī)的控制設(shè)備2。該控制設(shè)備2優(yōu)選地設(shè)置在沒有六暴炸危險(xiǎn)的區(qū)域N中。在 圖1中示出的現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，通信信號和能量供應(yīng)共同通過兩條 總線電纜傳輸至在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域E中的現(xiàn)場設(shè)備4。因?yàn)橥ǔ?僅由控制設(shè)備2為現(xiàn)場設(shè)備4提供數(shù)據(jù)通信，所以在沒有爆炸危險(xiǎn) 的區(qū)域N中還設(shè)置有電源5，該電源提供電力供應(yīng)，從而使電能借 助于合適的連結(jié)器6耦合到總線電纜3上。電能通過總線電纜3輸 送到有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域E中，從而使現(xiàn)場設(shè)備4可以從總線電纜3 獲取電能。此外，為了避免在總線電纜3上的信號反射，在總線電 纜3的端部上i殳置有端子阻纟元7。在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域E中4又4又允許通過總線電纜3傳輸受限制 的能量，從而在出現(xiàn)故障時避免出現(xiàn)起爆火花。因此，電源5<又<又 允許非常受限制的能量連接到總線電纜中，由此可在有爆炸危險(xiǎn)的 區(qū)域E中的總線電纜3上驅(qū)動的現(xiàn)場設(shè)備4的數(shù)量以及在電源5和各個現(xiàn)場設(shè)備之間的電纜長度受到顯著的限制。在圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。相 同的參考標(biāo)號在描述的該實(shí)施例中和描述的其他實(shí)施例中對應(yīng)于 相同功能的或者類似功能的元件。在圖2的現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，控制設(shè)備2如圖1中示出的常規(guī)現(xiàn) 場總線系統(tǒng)一樣在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域之外設(shè)置在沒有爆炸危險(xiǎn)的 區(qū)域N中并且通過連結(jié)器6與現(xiàn)場總線系統(tǒng)的處于有*暴炸危險(xiǎn)的區(qū) 域中的部分連4妄?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)具有總線電纜區(qū)段10，這些總線電 纜區(qū)賴 沒置在有^暴炸危險(xiǎn)的區(qū)域E的內(nèi)部，《旦是也可以設(shè)置在有少暴8炸危險(xiǎn)的區(qū)域E之外。在總線電纜區(qū)段10中，多個現(xiàn)場設(shè)備4分 別與各自的總線電纜區(qū)段10的總線電纜3連接。每個總線電纜區(qū)段10的總線電纜3與自己的電源ll連接，該 電源為各自的電纜段10以及連接到其上的現(xiàn)場設(shè)備4提供獨(dú)立的 電力供應(yīng)。電源11優(yōu)選地用于為多個現(xiàn)場設(shè)備4提供電力供應(yīng)， 但是也可以僅僅為一個現(xiàn)場設(shè)備4供電?？偩€電纜區(qū)段10通過隔 離元件12彼此電隔離，也就是說，不同的總線電纜區(qū)段IO的總線 電纜3 4皮此之間不具有可以流動直流電的電連接。然而，隔離元件 12被設(shè)計(jì)成使電的通信信號在通過隔離元件12隔離的總線電纜區(qū) 段10的總線電纜3之間傳輸。在第一總線電纜區(qū)段10和連結(jié)器6之間還設(shè)置有連接段14。連接段14基本上對應(yīng)于一個總線電纜區(qū)^a,在該總線電纜區(qū)^a上不連電源和現(xiàn)場^殳備并且該總線電纜區(qū)賴:僅用于在有火暴炸危險(xiǎn) 的區(qū)域和沒有火暴炸危險(xiǎn)的區(qū)域之間進(jìn)行信號傳輸。連4妄^殳14和第 一總線電纜區(qū)l殳10同樣以上述方式通過相應(yīng)的隔離元件12電隔離。電源11也為每個總線電纜區(qū)段10以及連接到其上的現(xiàn)場設(shè)備 4提供自己的獨(dú)立電力供應(yīng)，從而使總地向現(xiàn)場總線的總線設(shè)備4 提供的總能量供應(yīng)為可能在其他情況下用于在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域E 中由僅僅一個電源11為現(xiàn)場設(shè)備4的運(yùn)行提供的能量供應(yīng)的數(shù)倍?？梢栽O(shè)置在一個總線電纜區(qū)段10上的現(xiàn)場設(shè)備4的數(shù)量以及 相應(yīng)的總線電纜區(qū)段IO的電纜長度與電源11的最大允許的能量供 應(yīng)匹配。最大允許的能量供應(yīng)通過用于有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域的預(yù)值來 確定。因?yàn)榭偩€電纜區(qū)^殳10 4皮此電隔離，由此可以在每個總線電 纜區(qū)段10中將能量供應(yīng)限定到通過電源11提供的能量上。然而， 具有多個總線電纜區(qū)段的現(xiàn)場總線的總長度和可連接的現(xiàn)場設(shè)備4的數(shù)量并不通過用于電源11的能量供應(yīng)的預(yù)值來限制，這是因?yàn)榛旧先我鈹?shù)量的彼此電隔離的總線電纜區(qū)段10可以與各自的電源114皮此連接成現(xiàn)場總線系統(tǒng)1。在圖2中示出的實(shí)施例中，總線電纜區(qū)段10被連接成鏈，也 就是說，彼此串聯(lián)連接，并且分別通過隔離元件12連接，其中， 最后一個總線電纜區(qū)段10具端子阻抗7，從而避免通信信號的干擾 反射。使沒有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域N中的連結(jié)器6與第 一隔離元件12連 接起來的連接段14以相同的方式也設(shè)有端子阻抗7， /人而避免在連 結(jié)器6上的信號反射。在圖3中示出了電源11和隔離元件12的詳細(xì)圖。如上所述的 隔離元件12包4舌變壓器20, 乂人而在通過隔離元件12 4皮此連4妄的兩 個總線電纜區(qū)段10的總線電纜3之間傳輸通信信號。為了能夠在 總線電纜區(qū)段10的兩根總線電纜之間不通過變壓器20的變壓器線 圏21和22流動短^各電流(直流電)，每個變壓器線圏21、 22都與 一個隔流電容23串聯(lián)連4妄，該隔流電容形成高通濾波器，并且該 隔流電容使總線電纜區(qū)段10的兩條總線電纜3 ;f皮此電隔離，也就 是i兌，中斷直流電的流動。此外，每個隔離元件12都具有至少一個抑制二極管24，該抑 制二極管連接在總線電纜區(qū)段10的兩條總線電纜3之間。優(yōu)選的 是，抑制二極管2 4利用在隔流電容2 3和串聯(lián)連接的變壓器線圏21 、 22的端口之間的端口以及另外的端口連接到相應(yīng)的變壓器線圏21 、 22的另外的端口上。在整個布置中，隔離元件12這^^地i殳置在總 線電纜區(qū)段10之間，即在每個總線電纜區(qū)段10的總線電纜3之間 -沒置有至少一個抑制二才及管24。抑制二4及管24基于安全性的預(yù)值而在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域是必要的，并且用于限制在總線電纜3上的過電壓。用于每個總線電纜區(qū)段IO的電源ll優(yōu)選地設(shè)置在有爆炸危險(xiǎn) 的區(qū)域E之外，但是在安全實(shí)施時也可以至少部分地i殳置在由爆炸 危險(xiǎn)的區(qū)域E中。電源11通過去耦電感30與每個總線電纜區(qū)段10 的每條總線電纜3連接，其中，去耦電感作為用于在總線電纜3上 的通信信號的低通濾波器來使用并且中斷在電源11上的方向上的 信號傳輸。電源11包括保護(hù)電路31,該保護(hù)電^各具有諸如熔絲的保險(xiǎn)裝 置32，用于限制在總線電纜區(qū)段10的相應(yīng)的總線電纜3上的電流。 此外，還設(shè)置有與之串聯(lián)連接的電阻，用于限制在相應(yīng)的總線電纜 區(qū)段10的總線電纜3上流動的電流。在電阻33和保險(xiǎn)裝置32之 間在兩條供應(yīng)電纜16之間設(shè)置有齊納二極管34,電源11通過該供 應(yīng)電纜與總線電纜3連接，該齊納二極管將供應(yīng)電纜16之間的電 壓限制在由齊納二極管預(yù)先設(shè)定的電壓值上。通過作為電源11的一部分的保護(hù)電路ll不僅可以限制電壓也 可以限制輸送給總線電纜區(qū)段10的電流，從而使例如電源11在故 障的情況下僅僅釋放較小的能量，該能量例如小于用于可能在有爆 炸危險(xiǎn)的區(qū)域中存在的混合氣的點(diǎn)燃能量。在圖2的實(shí)施例中，具有相應(yīng)的連接電纜17的連接段14通過 隔離元件12以適當(dāng)?shù)姆绞脚c一個總線電纜區(qū)段連接，而在圖4的 實(shí)施例中4是出，僅僅用于信號傳輸而不用于在現(xiàn)場總線系統(tǒng)和控制 設(shè)備2之間傳輸能量供應(yīng)的連接段14用于提供與一個或者多個總 線電纜區(qū),殳IO多個單獨(dú)的組的通信，總線電纜區(qū),史IO分別具有多 個現(xiàn)場i殳備4。這也就是i兌，在連4妄段14上并4關(guān)連"f妄有多個通過相 應(yīng)的隔離元件12連接的總線電纜區(qū)段10。因此，可以為此設(shè)置連接段14，以消除在控制裝置和一組總線電纜區(qū)段的現(xiàn)場設(shè)備4之間 的距離的大部分，其中，各個組通過相應(yīng)的隔離元件12與連接段 的連4妄電纜17連4妄。這種布置具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域的較大范圍 內(nèi)通過總線電纜不傳輸能量供應(yīng)，由此可以進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)。連接 段14的連接電纜17在兩端分別具有端子阻抗7。當(dāng)總線電纜區(qū)段 的長度例如^皮限制到最大為50m時，相對于隔離元件12的總線電 纜區(qū)段IO的端部通常不需要端子阻抗。相反，連接段14的連接電 纜17的長度通?？梢匀绯Ｒ?guī)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)一樣直至2000 m，這 是因?yàn)殚L度并不基于在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域中的能量供應(yīng)的傳輸?shù)?限制而受到限制。原理上，不〗又連接l殳14而且每個總線電纜區(qū)^: 10都通過一個 或者多個相應(yīng)的隔離元件12與一個或者多個其他的總線電纜區(qū)段 10連接。
權(quán)利要求
1.一種現(xiàn)場總線系統(tǒng)，尤其應(yīng)用在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域中，包括-多個具有總線電纜(3)的總線電纜區(qū)段(10)；-隔離元件(12)，多個總線電纜區(qū)段(10)中的每兩條利用所述隔離元件彼此耦合并且所述隔離元件使兩個總線電纜區(qū)段(10)的總線電纜彼此電隔離，從而中斷兩個總線電纜區(qū)段(10)的所述總線電纜(3)之間的直流電的流動并且在兩個總線電纜區(qū)段(10)之間傳輸通信信號；以及-電源(11)，用于每個總線電纜區(qū)段(10)，從而為可連接到各個總線電纜區(qū)段(10)上的現(xiàn)場設(shè)備(4)供電，其中，多個總線電纜區(qū)段(10)利用所述隔離元件(12)連接成串聯(lián)電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其中，在所述總線電纜(3)的端部i殳置有端子阻抗(7)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其中，所述隔離元 件(12)分別與兩個總線電纜區(qū)段(10)的兩條總線電纜(3) 連接，其中所述隔離元件(12)包括具有變壓器線圈(21、 22) 的變壓器(20)，其中，每個變壓器線圈(21、 22)與各自的 隔流電容(23 )串聯(lián)地連接在相應(yīng)的總線電纜區(qū)段(10)的兩 條總線電纜(3)之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其中，抑制二極管可與 所述變壓器(20)的所述變壓器線圏(21、 22)中的至少一個 直4妻并3關(guān)地連4妄。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其中，用 于所述總線電纜區(qū)段(10)的所述電源(11 )構(gòu)造成電流受限 和電壓受限。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其中，所 述電源(11 )中的一個或者多個分別通過去耦電感(30)與相 應(yīng)的總線電纜區(qū)段(10)的所述總線電纜中的每條耦合。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其中，所 述總線電纜區(qū)段(10 )至少部分地設(shè)置在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域中， 其中，用于所述總線電纜區(qū)段(10)的所述電源(11 )設(shè)置在 有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域之外。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其中，所 述總線電纜區(qū),殳(10)中的至少一個通過連4妄^殳(14)與控制 設(shè)備(2)連接以執(zhí)行與連接在所述總線電纜區(qū)段(10)上的 現(xiàn)場設(shè)備(4)的通信。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其中，多個總線電纜區(qū) 段(10)通過各自的隔離元件(12)耦合至所述連接段(14)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種現(xiàn)場總線系統(tǒng)，尤其應(yīng)用在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域中。該現(xiàn)場總線系統(tǒng)包括多個具有總線電纜(3)的總線電纜區(qū)段(10)；隔離元件(12)，多個總線電纜區(qū)段(10)中的每兩條利用所述隔離元件彼此耦合并且所述隔離元件使兩個總線電纜區(qū)段(10)的總線電纜彼此電隔離，從而中斷兩個總線電纜區(qū)段(10)的所述總線電纜(3)之間的直流電的流動并且在兩個總線電纜區(qū)段(10)之間傳輸通信信號；以及電源(11)，用于每個總線電纜區(qū)段(10)，從而為可連接到各個總線電纜區(qū)段(10)上的現(xiàn)場設(shè)備(4)供電。
文檔編號H04L12/28GK101257428SQ200810082719
公開日2008年9月3日 申請日期2008年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月27日
發(fā)明者伯恩哈德·維斯吉克爾, 克勞斯·因德弗賴, 安德烈亞斯·席夫, 馬克西米利安·科爾夫 申請人:西門子公司