ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОЕ УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ НЕЗАЗЕМЛЕННЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H02H9/04 

Данная заявка основана на предварительной американской патентной заявке №60/761,801, поданной 24.01.2006, содержание которой полностью включено в данное описание посредством ссылки на нее.

Область техники

Настоящее изобретение относится к системам управления процессом и, более конкретно, к системе и устройствам, которые могут безопасно применяться в опасных условиях без использования традиционных барьеров безопасности и без помещения полностью во взрывозащищенный (пламязащищенный) корпус, обычно необходимый в подобных случаях.

Уровень техники

В ряде приложений, связанных с управлением процессом, некоторые из управляющих устройств могут устанавливаться в опасных зонах, создающих значительный риск взрыва в случае возникновения искры или пламени в одном из таких устройств. Чтобы обеспечить безопасную работу и выполнение функций управления процессом в подобных опасных зонах, были разработаны стандарты, направленные на обеспечение взрывобезопасности. Два наиболее распространенных подхода состоят в использовании взрывозащищенных корпусов для устройств управления процессом и в использовании принципиально (конструктивно) безопасных ограничителей энергии в контурах, связанных с устройствами управления процессом, чтобы данные устройства не сгенерировали искры или пламени как в процессе их нормального функционирования, так и в случае выхода из строя.

Согласно стандартам на взрывозащищенные корпуса эти корпуса конструируются так, чтобы предотвратить выход пламени за пределы корпусов в случае взрыва или появления искры внутри корпуса. Например, стенки корпуса могут быть надежно герметизированы, а отверстия в стенках корпуса, сквозь которые проходят линии питания и связи, выполнены так, чтобы предотвратить возможность выхода через них пламени за пределы корпуса. С это целью отверстия могут быть заполнены или закупорены пламягасящим, стойким к давлению компаундным материалом, который препятствует проникновению пламени наружу через отверстие. Альтернативно отверстия могут быть выполнены в виде узких щелей, зазоры в которых слишком малы для выхода сквозь них пламени.

В соответствии с упомянутыми стандартами безопасности уровни напряжения и/или тока, необходимые для работы устройств управления процессом, выбираются недостаточными для возникновения искры при появлении дефекта в соединителях или контурах данных устройств. Соответственно, чтобы предотвратить искрообразование, рабочее напряжение следует ограничивать заданным максимальным напряжением. Благодаря предотвращению искрообразования устройства, безопасные по своей конструкции, не вызовут пожара или взрыва как при нормальной работе, так и при аварии.

В то время как устройства управления процессом, выполненные согласно рассмотренным стандартам, обеспечивают требуемую пожаро- и взрывобезопасность при работе в опасных условиях, данные стандарты накладывают также ограничения на осуществление управления процессом в опасных зонах. Требования в отношении взрывозащищенных корпусов являются очень жесткими, что затрудняет реализацию преимуществ обычных схем и компонентов устройств управления процессом, в частности применение жидкокристаллических дисплеев (ЖКД), кнопок, ключей и т.д. Подобные компоненты не могут устанавливаться на наружной поверхности взрывозащищенных корпусов, поэтому выполнение взрывозащищенных корпусов так, чтобы данные компоненты могли использоваться, представляется сложным и дорогим. Барьеры безопасности в типичных случаях устраняют необходимость в взрывозащищенных корпусах. Однако такие барьеры имеют высокую стоимость, а установка конструктивного барьера безопасности обычно требует наличия заземления, чтобы ограничить энергию, выделяемую в случае пробоя на землю. Обеспечение заземления во многих применениях является затруднительным, поскольку надежное соединение с землей посредством твердого проводника не всегда доступно. Поэтому обеспечение заземления может потребовать значительных затрат.

Кроме того, при установке систем управления процессом в опасной зоне целесообразно использовать оборудование, разработанное и устанавливаемое в соответствии с одним из двух рассмотренных методов, т.е. все оборудование должно быть или взрывозащищенным, или конструктивно безопасным. Такое выполнение позволяет избежать ошибок со стороны обслуживающего персонала в связи с различными требованиями и правилами, связанными с каждым подходом. Использование взрывозащищенных корпусов позволяет избежать применения конструктивно безопасных барьеров и связанных с ними расходов. Подход, основанный на обеспечении конструктивной безопасности, не требует использования тяжелых корпусов и накладываемых ими ограничений по доступности. Таким образом, существует потребность в использовании подходов, ограничивающих энергию и дающих преимущества удобного доступа к дисплеям (табло) и средствам управления в установках, использующих для обеспечения безопасной работы в опасных зонах принцип взрывозащищенности.

В ситуациях управления процессом, подобных описанным выше, могут применяться клапаны аварийного закрытия (клапаны АЗ), которые выполнены с возможностью закрытия при возникновении аварийной ситуации в среде управления процессом. В типичном случае клапаны АЗ срабатывают крайне редко (только в аварийных ситуациях), при этом они могут оказаться "прихваченными" в открытом (небезопасном) положении. В связи с этим представляется желательным проводить тестирование срабатывания данных клапанов с целью проверки их состояния. Во многих ситуациях применения клапанов АЗ, особенно если они установлены в опасных зонах с применением взрывозащищенного подхода, оказывается невозможным обеспечить удобный доступ к устройствам управления клапаном с целью ручного управления или тестирования данных клапанов. Чтобы обеспечить возможность более легкого и частого тестирования клапана, а также локального управления его функционированием, представляется желательным иметь недорогие локальные панели управления, которые отвечают требованиям по применению в опасных зонах и могут устанавливаться в соответствии с принципами взрывозащищенности.

В зависимости от варианта осуществления питание к различным устройствам, включая клапаны АЗ, может подаваться от различных источников. В ряде случаев питание может поступать от обычных источников, например от источника постоянного напряжения 24 В. В других установках устройства управления процессом могут получать питание из сети управления процессом, по которой эти устройства могут также обмениваться информацией, связанной с управлением процессом. Например, в сети, рассчитанной на ток 4-20 мА, по проводам, подведенным к устройствам, может подаваться постоянный ток, используемый как для питания устройств, так и для передачи сигналов управления процессом. В некоторых вариантах, соответствующих использованию протокола HART®, цифровой коммуникационный сигнал накладывается на сигнал постоянного тока, чтобы передать на устройство управляющую и диагностическую информацию. Специалисту будет понятно, что в составе одной установки могут иметься различные источники питания устройств управления процессом, в связи с чем существует потребность в локальных панелях управления процессом, способных работать с различными источниками питания. Далее, поскольку клапаны АЗ могут устанавливаться в опасных зонах, существует потребность в недорогих и доступных локальных панелях управления, которые отвечают стандартам на оборудование, устанавливаемое в опасных зонах.

Раскрытие изобретения

Устройство, обеспечивающее соответствие требованиями по взрывозащищенности, выполнено содержащим два корпуса, разделенных барьером ограничения энергии. В первом корпусе находятся контакты (клеммы) проводов, подводящих энергию и способных вызвать искрообразование или воспламенение; поэтому данный корпус выполнен взрывозащищенным. Барьер ограничения энергии обеспечивает ограничение энергии, которая может поступать во второй корпус, до уровня, при котором невозможно искрообразование (воспламенение). Это позволяет сделать второй корпус безопасным без обеспечения его соответствия требованиям взрывозащищенности и выполнить элементы пользовательского интерфейса (такие как ключи и индикаторы) более экономичным образом. Барьер ограничения энергии может содержать контур питания с ограничением подаваемой мощности, использующий плавкие предохранители и диоды Зенера. Данный контур может быть сконфигурирован таким образом, что при возникновении внутри взрывозащищенного корпуса всплесков напряжения или тока на выходе барьера ограничения энергии поддерживается желательный низкий уровень энергии. Барьер ограничения энергии может дополнительно содержать контуры, ограничивающие энергию, поступающую от внешних источников. Такие контуры могут содержать диоды, выполненные и включенные таким образом, что любая энергия, намеренно или случайно поданная от внешних источников, удерживается в пределах низкоэнергетического выходного сигнала, обеспечиваемого барьером ограничения энергии. Данный барьер предназначен для того, чтобы ограничить напряжение не столько между контурами и корпусом устройства, сколько между любыми двумя точками контура. Энергетический разряд между контуром и корпусом обеспечивается путем создания гарантированных расстояний между компонентами внутри второго корпуса.

Согласно другому аспекту изобретения предлагается локальная панель управления для клапана АЗ, сконфигурированная для получения и использования питания от различных источников питания. Данная панель управления может содержать коммуникационный контур, ключи и индикаторы, а также коммуникационный фильтр, выполненный с возможностью пропускать сигналы между коммуникационным контуром и клапаном АЗ. Локальная панель управления может дополнительно содержать преобразователи напряжения, каждый из которых выполнен с возможностью приема входного питающего сигнала и преобразования данного сигнала в сигнал, соответствующий фиксированному напряжению, используемому компонентами данной панели управления. Локальная панель управления может содержать также коммутатор питания, связывающий выходы преобразователей напряжения с коммуникационным контуром. Более конкретно, коммутатор питания соединяет выход одного из преобразователей напряжения, входящих в состав указанного барьера, с компонентами локальной панели управления. В одном из вариантов преобразователи напряжения могут быть расположены внутри взрывозащищенного корпуса, снабженного барьером ограничения энергии, тогда как коммуникационный контур, ключи и индикаторы, а также коммуникационный фильтр могут быть расположены в невзрывозащищенном корпусе, получая ограниченную энергию в виде выходного сигнала барьера ограничения энергии взрывозащищенного корпуса.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведен пример схемы взрывозащищенного корпуса, содержащего барьер ограничения энергии и связанного с невзрывозащищенным корпусом.

На фиг.2 в качестве примера приведена блок-схема варианта локальной панели управления клапаном АЗ, использующей два варианта питания

На фиг.3 показан в качестве примера вариант локальной панели управления по фиг.2, предназначенной для установки в опасной зоне и снабженной взрывозащищенным корпусом по фиг.1.

На фиг.4 представлена блок-схема невзрывозащищенного корпуса, снабженного барьером ограничения энергии, соответствующим стандарту "повышенной безопасности".

Осуществление изобретения

Хотя далее приводится подробное описание различных вариантов изобретения, должно быть понятно, что объем его патентной защиты определяется только прилагаемой формулой изобретения. Соответственно описанные далее варианты следует рассматривать только как примеры, не охватывающие все возможные варианты и модификации (описать которые было бы нереально, если не невозможно). Приводимые далее альтернативные варианты могут быть реализованы, без выхода за пределы изобретения, с применением как существующих технологий, так и технологий, которые могут быть разработаны в дальнейшем.

Следует также отметить, что за исключением случаев, когда определение термина задается далее специально для использования в контексте описания, на объем остальных терминов не накладывается никаких, прямых или косвенных, ограничений, т.е. они должны пониматься в их обычных значениях. При этом объем подобных терминов должен интерпретироваться не только на основе языка формулы изобретения, но и как задаваемый любым утверждением, приводимым в любой части данного описания. В том случае, когда какой-либо термин используется в формуле изобретения в каком-то одном своем значении, такое использование термина обусловлено только стремлением к максимальной ясности и желанием облегчить понимание читателем; при этом подразумевается, что объем такого термина в контексте формулы не ограничивается, прямо или косвенно, именно этим одним его значением.

На фиг.1 иллюстрируется вариант взрывозащищенного корпуса 100 с внутренним барьером 102 ограничения энергии, на выходы которого подается низкая энергия. В результате устройства интерфейса, такие как ЖКД, кнопки и ключи, подключенные к этим выходам, не должны рассматриваться как способные к искрообразованию (т.е. образующие источник зажигания в среде протекания процесса). В целом в данном варианте взрывозащищенный корпус 100 и барьер 102 ограничения энергии выполнены так, чтобы гарантировать, что максимальное напряжение в линиях питания с номинальным рабочим напряжением 3 В не превысит 5 В. Другие внешние подсоединения, например к электроприборам через соединительную линию 136 от внешнего компонента, также ограничиваются, посредством барьера 102, до напряжения, не способного привести к зажиганию (искрообразованию) внутри невзрывозащищенного корпуса 104. Однако специалисту будет понятно, что компоненты корпуса 100 и барьера 102 ограничения энергии могут быть сконфигурированы желаемым и/или необходимым образом для конкретного применения, без задания конкретного максимального значения выходного напряжения.

К взрывозащищенному корпусу подводится энергия от соответствующей системы, такой как система распределенного управления, по двум проводам 106, 108, обеспечивающим токовое питание, например посредством обычной токовой петли, рассчитанной на 4-20 мА. В этом случае первый провод 106 обеспечивает подвод тока, а второй провод 108 обеспечивает его отвод. Данный провод может быть связан с землей. Токовая петля, образованная проводами 106 и 108, может быть, например, ассоциирована также с петлей связи, в частности в составе коммуникационной сети 4-20 мА. Что касается соответствия стандартам безопасности, провода 106, 108 в типичном случае вводятся во взрывозащищенный корпус 100 через взрывозащищенные вводы. Чтобы понизить рабочее напряжение до желаемого уровня, провода 106, 108 перед их вводом в барьер 102 ограничения энергии проводятся через преобразователь 110 постоянного напряжения (DC-DC).

На выходе данного преобразователя 110 провода 106, 108 могут быть подключены к контуру 112 источника мощности внутри барьера 102 ограничения энергии. Данный контур выполнен так, что напряжение, поступающее с выхода взрывозащищенного корпуса 100 в невзрывозащищенный корпус 104, не превышает заданного максимального выходного напряжения. Соответственно преобразователь 110 обеспечивает на своем выходе номинальное рабочее напряжение, такое как 3 В. При этом его максимальное напряжение ограничивается с помощью диодов 118 и 120 Зенера, например значением 5,1 В. Более конкретно контур 112 источника мощности может содержать плавкие предохранители 114, 116, встроенные в провода 106, 108, а также избыточные диоды 118, 120 Зенера, включенные параллельно между проводами 106, 108. Плавкие предохранители 114, 116 и диоды 118, 120 Зенера подобраны таким образом, чтобы предотвратить попадание разностного напряжения, превышающего зенеровское напряжение, на компоненты в невзрывозащищенном корпусе 104. Более конкретно плавкие предохранители 114, 116 выбираются с такими номинальными значениями тока и напряжения, при которых диоды 118, 120 Зенера предотвратят проникновение в невзрывозащищенный корпус 104 любого повышенного напряжения (т.е. напряжения, превышающего их проградуированное напряжение пробоя).

Напряжение пробоя для диодов 118, 120 Зенера может составлять 5,1 В, при этом диоды 118, 120 Зенера будут, по необходимости, проводить ток между проводами 106 и 108, чтобы поддерживать напряжение пробоя или максимально допустимое падение напряжения между проводами 106, 108. Специалисту будет ясно, что контур 112 источника мощности может дополнительно содержать резисторы 122А, 124А и/или 122В, 124В в одном или в обоих проводах 106, 108 (см. фиг.1), чтобы ограничить ток, текущий от барьера ограничения энергии к компонентам невзрывозащищенного корпуса 104. На выходе контура 112 источника мощности линия 126 подачи напряжения и заземленная линия 128 (между которыми имеется заданное падение напряжения) выводятся через наружную стенку взрывозащищенного корпуса 100 и подводятся к невзрывозащищенному корпусу 104 посредством взрывозащищенных соединителей 130, 132 соответственно.

Чтобы обеспечить наружные соединения между другими компонентами системы и компонентами, находящимися в корпусах 100, 104, барьер 102 ограничения энергии может дополнительно содержать один или более контуров 134 для подсоединения внешних компонентов, выполненных с возможностью поддерживать напряжение для такого соединения в пределах, заданных для барьера 102 ограничения энергии. Например, устройства в невзрывозащищенном корпусе 104 могут быть подсоединены к удаленным преобразователям, ключам или другим устройствам системы управления процессом. В данном варианте соединительная линия 136 от внешнего компонента проходит через взрывозащищенный корпус 100 в невзрывозащищенный корпус 104, при этом все соединители (например соединитель 138), установленные между взрывозащищенным корпусом 100 и невзрывозащищенным корпусом 104, соответствуют стандартам на взрывозащищенные компоненты. Линия 136 от внешнего компонента связана с линией 126 подачи напряжения посредством первой пары избыточных, включенных параллельно диодов 140, 142, а с заземленной линией 128 посредством второй пары избыточных, включенных параллельно диодов 144, 146. Специалисту будет понятно, что благодаря этим парам диодов 140-146 напряжение на указанной линии 136 поддерживается в пределах напряжения на выходе контура 112 источника мощности барьера 102 ограничения энергии. Данный контур служит для поддержания напряжения, не приводящего к искрообразованию, между любыми двумя точками контуров, находящихся в невзрывозащищенном корпусе. Важно отметить, что это ограничение не влияет на синфазное напряжение в любом контуре в любом из указанных корпусов. Если к взрывозащищенному корпусу 100 подведено много внешних соединений, указанный контур 134 будет предусмотрен для каждого внешнего соединения.

При использовании взрывозащищенного корпуса 100 и барьера 102 ограничения энергии согласно данному варианту можно разместить компоненты, способные вызвать искрообразование, внутри взрывозащищенного корпуса 100 в опасной зоне и одновременно поместить компоненты пользовательского интерфейса с малой потребляемой мощностью в смежном невзрывозащищенном корпусе 104. Как показано на фиг.1 и пояснено в данном описании, компоненты, способные вызвать искрообразование, безопасно размещены таким образом, что воспламенение или взрыв внутри взрывозащищенного корпуса 100 не распространится в окружающую среду, а компоненты, не вызывающие искрообразования, устанавливаются без сложного и дорогостоящего конфигурирования взрывозащищенного корпуса 100. В результате пользовательский интерфейс становится доступным оператору в опасной зоне, что облегчает локальный мониторинг, тестирование и управление в опасной среде.

Как уже упоминалось, может представляться желательным разместить такие элементы, как ЖКД, кнопки, ключи и т.д., в опасной зоне без необходимости использования сложного и дорогого взрывозащищенного корпуса, сконфигурированного для использования с подобными элементами. При этом специалисту будет понятно, что применительно к некоторым средам подобное совместное использование может быть просто невозможным. Таким образом, безопасное размещение данных элементов в опасной среде обеспечивается совместным использованием взрывозащищенного корпуса 100 и барьера 102 ограничения энергии, как это описано выше, так как при этом данные элементы устанавливаются в невзрывозащищенном корпусе 104 (см. фиг.1), без необходимости индивидуального конфигурирования взрывозащищенного корпуса. Примером использования взрывозащищенного корпуса 100 и барьера 102 ограничения энергии является установка локальной панели управления клапаном АЗ, находящимся в опасной зоне. Во многих типичных ситуациях клапаны АЗ устанавливаются без средств локального управления или мониторинга, так что их мониторинг осуществляется через удаленные пользовательские интерфейсы. Однако может оказаться желательным обеспечить локальное управление, мониторинг и тестирование клапанов АЗ непосредственно от самих клапанов. Чтобы обеспечить функционирование, мониторинг и управление клапаном АЗ, локальная панель управления требует ее подключения к источнику питания и наличия канала связи с клапаном АЗ для обмена сигналами управления.

На фиг.2 представлена функциональная блок-схема варианта локальной панели 200 управления с двумя источниками питания. Локальная панель 200 управления может содержать коммуникационный контур 202, ключи и индикаторы 204, а также коммуникационный фильтр 206. Коммуникационный контур 202 может содержать средства управления и обработки данных, необходимые для осуществления локальной панелью 200 управления требуемых или желательных функций мониторинга и тестирования. С этой целью данный контур 202 может содержать соответствующий процессор, запоминающее устройство (запоминающие устройства) и интерфейс или модули ввода/вывода, необходимые для связи с другими компонентами локальной панели 200 управления. Ключи и индикаторы 204 могут содержать входные и выходные устройства, необходимые для осуществления оператором с помощью локальной панели 200 управления мониторинга работы клапана АЗ, а также для тестирования клапана АЗ или ручного управления им.

В одном из вариантов ключи и индикаторы 204 могут содержать отдельные ключи для перестановки клапана АЗ вручную, для возврата клапана АЗ в исходное состояние и для инициирования тестирования клапана АЗ с частичным ходом, а также отдельные индикаторы статуса, такие как ЖКД или светодиодные (LED) дисплеи или табло, соответствующие ключам и обеспечивающие визуальную индикацию состояния каждого ключа или иную информацию для пользователя. Ключи функционально связаны с коммуникационным контуром 202, так что данный контур обнаруживает их срабатывание и обеспечивает выполнение соответствующих функций. В свою очередь, индикаторы функционально связаны с ключами и/или коммуникационным контуром 202 так, что индикаторы включаются соответствующим образом, чтобы отражать состояние ключей и клапана АЗ. Коммуникационный фильтр 206 включен между коммуникационным контуром 202 и клапаном АЗ и предназначен для облегчения связи между панелью 200 управления и клапаном АЗ. В одном варианте данный фильтр выполнен с возможностью коммуникации с клапаном АЗ посредством полудуплексного последовательного битового потока.

Как уже упоминалось, для обеспечения функционирования компонентов локальной панели 200 управления необходим источник питания этой панели. В представленном варианте локальная панель 200 управления выполнена с возможностью получения питания от любого из, по меньшей мере, двух альтернативных источников. В зависимости от выполнения и доступности источников питания в зоне клапана АЗ панель 200 управления может питаться от источника постоянного напряжения 24 В или от цепи управления клапаном АЗ. Например, система может использовать токовый сигнал управления 4-20 мА, передаваемый по проводной паре и состоящий из базового сигнала постоянного тока с наложенным на него, в некоторых случаях, цифровым коммуникационным сигналом, например соответствующим протоколу HART®. Таким образом, вместо подвода питания к каждому из устройств, принимающих управляющий сигнал 4-20 мА, эти устройства, включая локальную панель 200 управления, могут питаться постоянной составляющей тока в составе сигнала управления.

Поскольку доступным может быть любой из названных источников, локальная панель 200 управления может содержать преобразователь 208 постоянного тока (преобразователь DC-to-DC), способный принимать входное напряжение 24 В, и преобразователь 210, способный принимать токовый сигнал 4-20 мА. Преобразователи 208, 210, способные преобразовать входные сигналы в постоянное напряжение, пригодное для питания компонентов локальной панели 200 управления, хорошо известны. Чтобы обеспечить соответствующее питание управляющих и других компонентов локальной панели 200 управления, эта панель 200 дополнительно содержит коммутатор 212 питания, подключенный к выходам преобразователей 208 и 210. Выход этого коммутатора подключен к коммуникационному контуру 202. Коммутатор 212 делает доступным для коммуникационного контура 202 и других компонентов локальной панели 200 управления питание от одного из указанных источников.

Локальная панель 200 управления с двумя источниками питания в описанном исполнении может быть включена в состав различных систем управления процессом и использовать имеющийся вид питания без необходимости обеспечения (ценой дополнительных затрат) источника питания определенного типа, отсутствующего в системе или в конкретной ее части. Как следствие, в вариантах, когда устройства получают питание от управляющего сигнала, локальная панель 200 управления может быть установлена при минимальной дополнительной прокладке проводов и без необходимости установки дополнительного источника питания. Кроме того, поскольку все компоненты локальной панели 200 управления получают питание с выхода коммутатора 212 питания, для подачи питания ко всем компонентам локальной панели 200 управления требуется всего лишь одна пара проводов.

На фиг.3 иллюстрируется вариант локальной панели 200 управления для опасной зоны в сочетании с взрывозащищенным корпусом 100, снабженным барьером 102 ограничения энергии. В данном варианте компоненты локальной панели 200 управления могут быть распределены между взрывозащищенным корпусом 100 и невзрывозащищенным корпусом 104 таким образом, чтобы обеспечить безопасную работу данной панели в опасной зоне. Так, коммуникационный контур 202, ключи и индикаторы 204, коммуникационный фильтр 206 и коммутатор 212 питания можно поместить в невзрывозащищенный корпус 104 и выполнить в расчете на питание постоянным током при напряжении 3 В, обеспечиваемым контуром 112 источника мощности, находящимся внутри барьера 102 ограничения энергии. В то же время преобразователи 208 и 210 могут быть помещены во взрывозащищенный корпус 100.

Линии 126, 128 питания, введенные в невзрывозащищенный корпус 104 через взрывозащищенные соединители 130, 132 соответственно, подсоединены к коммутатору 212 питания. Выбранный источник питания через коммутатор 212 питания связан с коммуникационным контуром 202, с ключами и индикаторами 204, а также с коммуникационным фильтром 206, обеспечивая тем самым подачу мощности, требуемой для данных компонентов.

При осуществлении компонентами локальной панели 200 управления мониторинга клапана АЗ коммуникационный контур 202 осуществляет связь с клапаном АЗ через коммуникационный фильтр 206, который подключен к клапану АЗ через отдельный взрывозащищенный соединитель 138, взрывозащищенный корпус 100, а также отдельный контур 134 для внешнего соединения. Клапан АЗ также связан с взрывозащищенным корпусом 100 через взрывозащищенный соединитель. При этом контур 134 для внешнего соединения, соответствующий коммуникационному фильтру 206, удален от контура двухпроводного питания и плавких предохранителей, по меньшей мере, на требуемое минимальное расстояние, как это показано штриховой линией 139.

Специалисту в данной области будет понятно, что безопасная реализация локальной панели 200 управления в опасной зоне может быть обеспечена и при других конфигурациях данной панели и взрывозащищенного корпуса 100. Например, преобразователь 208 может обеспечивать настолько надежную изоляцию источника питания, что энергия, поступающая по этому каналу, не сможет комбинироваться с энергией, поступающей от токовой петли. Возможны и другие альтернативные конфигурации взрывозащищенного корпуса 100 и локальной панели 200 управления, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.

Еще один альтернативный вариант, реализующий принципы изобретения, представлен на фиг.4. Возможность использования данного варианта (не содержащего взрывозащищенного корпуса) в опасной зоне обеспечена соответствием стандарту "повышенной безопасности", т.е. исполнением "Ех е.". В данном варианте необходимо иметь корпус, только герметизированный относительно окружающей среды, но не взрывозащищенный. Более конкретно необходимо обеспечить требуемое пространственное разделение в точках ввода проводов внутри зоны 300 Ех e. Любой контур, способный к искрообразованию, полностью инкапсулируется в зоне 302 Ex m, а переключающие элементы, такие как кнопки и ключи, размещены в зоне 304 Ex ib, в которой отсутствует энергия, способная привести к искрообразованию. Использование барьеров ограничения энергии в этом варианте позволяет применить обычные переключающие элементы, которые намного дешевле и меньше по размерам, чем их взрывозащищенные аналоги. Данный вариант не требует разделения корпусов и использования взрывозащищенных вводов/выводов. Тем не менее, благодаря интегральному подходу ограничения энергии, схожему с использованным в предыдущих вариантах, обеспечивается безопасность устройства, причем достигаются аналогичный эффект меньшей стоимости и упрощение реализации индикаторов и ключей в опасной зоне.

Благодаря выполнению локальной панели 200 управления с взрывозащищенным корпусом 100 и барьером 102 ограничения энергии, обеспечивается возможность, применительно к случаю установки клапана АЗ в опасной зоне, разместить компоненты локальной панели 200 управления, рассчитанные на значительную мощность, а именно преобразователи 208, 210, во взрывозащищенном корпусе 100, но при этом компоненты пользовательского интерфейса, имеющие малую мощность (коммуникационный контур 202, ключи и индикаторы 204, коммуникационный фильтр 206 и коммутатор 212 питания) будут помещены в невзрывозащищенный корпус 104. Как было показано выше, тем самым будет достигнута безопасность в отношении компонентов большой мощности без необходимости размещения в специально сконструированном взрывозащищенном корпусе остальных компонентов. Такое выполнение облегчит локальные мониторинг, тестирование и управление клапаном АЗ в опасной зоне

Хотя изобретение было описано со ссылками на конкретные примеры, приведенные в качестве иллюстраций и не вносящие каких-либо ограничений, специалистам будет понятно, что, не выходя за пределы изобретения, в него могут быть дополнительно включены или из него исключены какие-то признаки.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для обеспечения соответствия требованиям взрывозащищенности. В нем имеются два корпуса, разделенных барьером ограничения энергии. В первом корпусе находятся контакты (клеммы) проводов, подводящих энергию и способных вызвать искрообразование или воспламенение; поэтому данный корпус выполнен взрывозащищенным. Барьер ограничения энергии обеспечивает ограничение энергии, которая может поступать во второй корпус, до уровня, при котором невозможно искрообразование (воспламенение). Это позволяет сделать второй корпус безопасным без обеспечения его соответствия требованиям взрывозащищенности и выполнить элементы пользовательского интерфейса (такие как ключи и индикаторы) более экономичным образом. В этом заключается технический результат. 3 н. и 36 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Взрывозащищенное устройство, содержащее: взрывозащищенный корпус;
взрывозащищенный входной соединитель, проведенный сквозь взрывозащищенный корпус для приема провода, соединяющего взрывозащищенное устройство с внешним источником питания;
взрывозащищенный выходной соединитель, проведенный сквозь взрывозащищенный корпус и несущий линию подачи напряжения;
преобразователь напряжения, установленный внутри взрывозащищенного корпуса и имеющий вход, подсоединенный к взрывозащищенному входному соединителю, и выход, при этом преобразователь напряжения преобразует напряжение от внешнего источника питания в преобразованное выходное напряжение, меньшее или равное заданному максимальному выходному напряжению; и
барьер ограничения энергии, расположенный внутри взрывозащищенного корпуса и имеющий вход, функционально связанный с выходом преобразователя, и выход, функционально связанный с линией подачи напряжения, при этом барьер ограничения энергии содержит ограничительный контур для ограничения выходного напряжения на линии подачи напряжения до уровня, меньшего или равного максимальному выходному напряжению.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ограничительный контур содержит ограничитель напряжения, расположенный между выходом преобразователя и общей линией и соединяющий выход преобразователя с общей линией при превышении выходным напряжением преобразователя максимального выходного напряжения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что ограничитель напряжения содержит диод.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что ограничитель напряжения содержит избыточные диоды.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что ограничитель напряжения содержит диод Зенера.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что ограничитель напряжения содержит избыточные диоды Зенера.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ограничительный контур содержит ограничитель тока, подсоединенный к выходу преобразователя и выполненный с возможностью формирования разомкнутого контура при превышении током с выхода преобразователя заданного максимального выходного тока.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что ограничитель тока содержит плавкий предохранитель.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит:
дополнительный взрывозащищенный входной соединитель, проведенный сквозь взрывозащищенный корпус;
дополнительный взрывозащищенный выходной соединитель, проведенный сквозь взрывозащищенный корпус;
и соединительную линию, проходящую между дополнительным взрывозащищенным входным соединителем и дополнительным взрывозащищенным выходным соединителем, при этом барьер ограничения энергии содержит дополнительный ограничительный контур, функционально связанный с соединительной линией и выполненный с возможностью ограничивать напряжение на соединительной линии до значения, меньшего или равного максимальному выходному напряжению.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что дополнительный ограничительный контур связывает соединительную линию с выходом указанного барьера таким образом, что напряжение на соединительной линии не превышает выходное напряжение на выходе барьера.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что дополнительный ограничительный контур содержит диод, связывающий соединительную линию с выходом барьера.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что дополнительный ограничительный контур связывает соединительную линию с общей линией, так что напряжение на соединительной линии не падает ниже напряжения на общей линии.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что дополнительный ограничительный контур содержит диод, связывающий соединительную линию с общей линией.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит невзрывозащищенный корпус, в который введена линия подачи напряжения, идущая от взрывозащищенного корпуса, и в котором установлены электрические приборы, функционально связанные с линией подачи напряжения.

15. Способ функционирования систем и устройств в опасной зоне без применения барьеров безопасности и без полного охвата указанных систем и устройств взрывозащищенным корпусом, включающий следующие операции:
ввод входного питающего сигнала от внешнего источника питания во взрывозащищенный корпус через первый взрывозащищенный входной соединитель;
преобразование внутри взрывозащищенного корпуса входного питающего сигнала в преобразованное выходное напряжение, меньшее или равное заданному максимальному выходному напряжению;
если преобразованное выходное напряжение превышает максимальное выходное напряжение, ограничение внутри взрывозащищенного корпуса преобразованного выходного напряжения до уровня, меньшего максимального выходного напряжения; и
вывод ограниченного преобразованного выходного напряжения из взрывозащищенного корпуса через взрывозащищенный выходной соединитель взрывозащищенного корпуса.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что ограничение преобразованного выходного напряжения включает его приложение через контур к общей линии, когда преобразованное выходное напряжение превышает максимальное выходное напряжение.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что указанное приложение преобразованного выходного напряжения к общей линии включает приложение преобразованного выходного напряжения к общей линии через диод.

18. Способ по п.16, отличающийся тем, что указанное приложение преобразованного выходного напряжения к общей линии включает приложение преобразованного выходного напряжения к общей линии через избыточные диоды.

19. Способ по п.16, отличающийся тем, что указанное приложение преобразованного выходного напряжения к общей линии включает приложение преобразованного выходного напряжения к общей линии через диод Зенера.

20. Способ по п.16, отличающийся тем, что указанное приложение преобразованного выходного напряжения к общей линии включает приложение преобразованного выходного напряжения к общей линии через избыточные диоды Зенера.

21. Способ по п.15, включающий предотвращение поступления преобразованного выходного напряжения на взрывозащищенный выходной соединитель, когда ток, ассоциированный с преобразованным выходным напряжением, превышает заданный максимальный выходной ток.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что указанное предотвращение поступления преобразованного выходного напряжения на взрывозащищенный выходной соединитель включает формирование разомкнутого контура, когда ток, ассоциированный с преобразованным выходным напряжением, превышает заданный максимальный ток.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что формирование разомкнутого контура включает использование плавкого предохранителя.

24. Способ по п.15, отличающийся тем, что взрывозащищенный корпус содержит дополнительный взрывозащищенный входной соединитель, дополнительный взрывозащищенный выходной соединитель и соединительную линию, проходящую между указанными соединителями, при этом способ дополнительно включает ограничение напряжения на соединительной линии до значения, меньшего или равного максимальному выходному напряжению.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что ограничение напряжения на соединительной линии включает приложение к соединительной линии преобразованного выходного напряжения, так что напряжение на соединительной линии не превышает преобразованного выходного напряжения.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что приложение к соединительной линии преобразованного выходного напряжения включает указанное приложение преобразованного выходного напряжения через диод.

27. Способ по п.24, отличающийся тем, что включает функциональное связывание соединительной линии с общей линией, так что напряжение на соединительной линии не падает ниже уровня, соответствующего заземлению.

28. Способ по п.27, отличающийся тем, что функциональное связывание соединительной линии с общей линией включает указанное связывание с общей линией через диод.

29. Способ по п.15, отличающийся тем, что включает связывание выходного соединителя во взрывозащищенном корпусе с невзрывозащищенным корпусом с обеспечением функциональной связи электрических приборов, расположенных внутри невзрывозащищенного корпуса, с указанным выходным соединителем.

30. Локальная панель управления для устройства управления процессом, расположенного в опасной зоне, содержащая:
взрывозащищенный корпус;
взрывозащищенный входной соединитель, проведенный сквозь взрывозащищенный корпус для приема провода, соединяющего локальную панель управления с внешним источником питания;
взрывозащищенный выходной соединитель, проведенный сквозь взрывозащищенный корпус и несущий линию подачи напряжения;
невзрывозащищенный корпус;
входное устройство, расположенное внутри невзрывозащищенного корпуса и выполненное с возможностью принимать входной сигнал от пользователя;
коммуникационный контур, расположенный внутри невзрывозащищенного корпуса, функционально связанный с входным устройством и выполненный с возможностью детектирования приема указанного входного сигнала входным устройством и управления функционированием устройства управления процессом, подлежащего управлению посредством локальной панели управления, при детектировании приема указанного входного сигнала входным устройством, при этом находящаяся под напряжением выходная линия проведена сквозь наружную стенку невзрывозащищенного корпуса и функционально связана с коммуникационным контуром и входным устройством;
соединительную линию, проходящую сквозь невзрывозащищенный корпус, функционально связанную с коммуникационным контуром и выполненную с возможностью подключения к устройству управления процессом, подлежащему управлению посредством локальной панели управления; и
контур, расположенный внутри взрывозащищенного корпуса для преобразования напряжения от внешнего источника питания в преобразованное выходное напряжение, меньшее или равное заданному максимальному выходному напряжению, приложения преобразованного выходного напряжения к линии подачи напряжения и ограничения указанного напряжения на линии подачи напряжения до значения, меньшего или равного максимальному выходному напряжению.

31. Панель управления по п.30, отличающаяся тем, что контур, расположенный внутри взрывозащищенного корпуса, включает:
преобразователь напряжения, имеющий вход, подсоединенный к взрывозащищенному входному соединителю, и выход, при этом преобразователь напряжения преобразует напряжение от внешнего источника питания в преобразованное выходное напряжение, меньшее или равное заданному максимальному выходному напряжению; и
барьер ограничения энергии, который функционально связан с выходом преобразователя и выход которого функционально связан с линией подачи напряжения, при этом барьер ограничения энергии содержит ограничительный контур для ограничения выходного напряжения на линии подачи напряжения до уровня, меньшего или равного максимальному выходному напряжению.

32. Панель управления по п.31, отличающаяся тем, что ограничительный контур содержит ограничитель напряжения, расположенный между выходом преобразователя и общей линией и соединяющий выход преобразователя с общей линией при превышении выходным напряжением преобразователя максимального выходного напряжения.

33. Панель управления по п.31, отличающаяся тем, что ограничительный контур содержит ограничитель тока, подсоединенный к выходу преобразователя и выполненный с возможностью формирования разомкнутого контура при превышении током с выхода преобразователя заданного максимального выходного тока.

34. Панель управления по п.31, отличающаяся тем, что взрывозащищенный корпус содержит дополнительный взрывозащищенный входной соединитель и дополнительный взрывозащищенный выходной соединитель, при этом соединительная линия проходит между дополнительным взрывозащищенным входным соединителем и дополнительным взрывозащищенным выходным соединителем, а контур, расположенный во взрывозащищенном корпусе, дополнительно содержит ограничительный контур, функционально связанный с соединительной линией и выполненный с возможностью ограничивать напряжение на соединительной линии до значения, меньшего или равного максимальному выходному напряжению.

35. Панель управления по п.34, отличающаяся тем, что дополнительный ограничительный контур связывает соединительную линию с выходом указанного барьера таким образом, что напряжение на соединительной линии не превышает выходное напряжение на выходе барьера.

36. Панель управления по п.34, отличающаяся тем, что дополнительный ограничительный контур связывает соединительную линию с общей линией, так что напряжение на соединительной линии не падает ниже напряжения на общей линии.

37. Панель управления по п.31, отличающаяся тем, что дополнительно содержит выходное устройство, функционально связанное с коммуникационным контуром, выполненным с возможностью обеспечить визуальное отображение выходным устройством состояния устройства управления процессом, подлежащего управлению локальной панелью управления.

38. Панель управления по п.30, отличающаяся тем, что содержит: дополнительный взрывозащищенный входной соединитель, проведенный сквозь взрывозащищенный корпус для приема провода, соединяющего локальную панель управления с дополнительным внешним источником питания;
дополнительный взрывозащищенный выходной соединитель, проведенный сквозь взрывозащищенный корпус и несущий дополнительную линию подачи напряжения;
дополнительный контур, расположенный внутри взрывозащищенного корпуса для преобразования напряжения от дополнительного внешнего источника питания в дополнительное преобразованное выходное напряжение, меньшее или равное заданному максимальному выходному напряжению, приложения дополнительного преобразованного выходного напряжения к дополнительной линии подачи напряжения и ограничения указанного напряжения на указанной дополнительной линии до значения, меньшего или равного максимальному выходному напряжению; и
коммутатор, расположенный внутри невзрывозащищенного корпуса, функционально связанный с указанными линиями подачи напряжения, с коммуникационным контуром и с входным устройством и выполненный с возможностью альтернативно подсоединять одну из указанных линий подачи напряжения к коммуникационному контуру и входному устройству.

39. Панель управления по п.30, отличающаяся тем, что коммуникационный контур выполнен с возможностью управлять клапаном аварийного закрытия при детектировании входного сигнала на входном устройстве.