ВЗРЫВОБЕЗОПАСНАЯ СЕТЬ ШИНЫ И СТРУКТУРА ЕЕ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОГО УЗЛА Российский патент 2018 года по МПК G05B19/418 H04L12/28 H02H9/00 H04B3/00 

Предпосылки создания изобретения

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к взрывобезопасным технологиям, а более конкретно, к взрывобезопасным узлам CAN-шины (шины сети локальных контроллеров), основанным на искробезопасности (внутренней безопасности), и взрывобезопасной сети CAN-шины, состоящей из упомянутых узлов.

2. Предшествующий уровень техники

В настоящее время технологии шин широко используют в промышленной области в случаях, когда присутствует взрывоопасная окружающая среда из газа и пыли, такая как продукты нефтехимического производства, металлургии, уголь, природный газ, фармацевтическая продукция и т.д., с тем, чтобы реализовать оцифровывание и сетевую работу сенсорных узлов. В технологиях промышленных сетей (полевых шин) CAN-шина имеет более высокую надежность связи и устойчивость к ошибкам по сравнению с традиционной RS232/RS485/RS422.

[0002] В частности, CAN-шина может применяться во взрывоопасных ситуациях и в ситуациях с опасностью воспламенения. Вследствие этого, по меньшей мере некоторые узлы в CAN-шине должны иметь взрывобезопасные функции. В реализации взрывобезопасных узлов CAN-шины в окружающей взрывобезопасной рабочей среде прежде всего применяют способ с системой взрывозащиты, способ с системой герметизации заливкой и способ «n»-системы. Первые два способа являются сложными в производстве и трудными для монтажа, и имеют большой размер конструкции, так что эти узлы не могут быть миниатюризированы. Способ взрывозащиты «n»-система может применяться только в окружающей среде класса II, но не может применяться в окружающей среде класса I, так что его объем использования ограничен.

Сущность изобретения

[0003] Техническая проблема, решаемая настоящим изобретением, заключается в обеспечении взрывобезопасной сети CAN-шины и структуры ее взрывобезопасного узла CAN-шины. Посредством ограничения величины напряжения и тока во внутренних цепях во взрывоопасных узлах гарантируется, что взрывобезопасные узлы не будут воспламенять опасную смесь взрывоопасного газа и пыли, когда эти узлы находятся в нормальном режиме работы или подвергаются возникновению повреждений при условии, что реализуется искробезопасность.

[0004] Для решения вышеуказанной технической проблемы, техническое решение по настоящему изобретению обеспечивает структуру взрывобезопасного узла во взрывобезопасной сети CAN-шины. Структура взрывобезопасного узла содержит датчик физических параметров, цепь измерения физических параметров, главный контроллер, модуль хранения данных, модуль периферийной шины (интерфейса передачи данных) и модуль ограничения напряжения и тока питания. Датчик физических параметров собирает один или более физических параметров и преобразует их в электрические сигналы. Цепь измерения физических параметров преобразует электрические сигналы различных физических параметров, которые были преобразованы датчиком физических параметров, в цифровые сигналы и передает их в главный контроллер. Главный контроллер выполняет соответствующую сервисную обработку цифровых сигналов и передает их в модуль периферийной шины, сравнивая цифровые сигналы различных физических параметров с соответствующими пороговыми уровнями для определения, происходят ли опасные ситуации для взрывобезопасного узла, и посылает сигнал предупреждения, когда для взрывобезопасного узла возникают опасные ситуации. Модуль хранения данных выполнен с возможностью хранения значений стандартных параметров заводских настроек, соответствующих пороговых уровней различных физических параметров и взаимосвязанных данных во время работы. Модуль периферийной шины отправляет обработанные цифровые сигналы. Модуль ограничения напряжения и тока питания подключен к цепи измерения физических параметров и подает питание, и ограничивает максимальное напряжение разомкнутой цепи и максимальный ток короткого замыкания питания.

[0005] В одном варианте осуществления настоящего изобретения физические параметры содержат усилие, температуру, влажность, концентрацию газа, вибрацию и угол наклона.

[0006] В одном варианте осуществления настоящего изобретения модуль ограничения напряжения и тока питания отключается, когда питание инвертируется (инверсия фазы).

[0007] В одном варианте осуществления настоящего изобретения модуль ограничения напряжения и тока питания дополнительно ограничивает интегрированную эквивалентную емкость и интегрированную эквивалентную индуктивность элементов хранения энергии, внутренних относительно взрывобезопасного узла.

[0008] В одном варианте осуществления настоящего изобретения преобразование электрических сигналов, преобразованных из физических параметров датчиком физических параметров, в цифровые сигналы осуществляется с помощью одного или более из следующих процессов: фильтрации, усиления, формирования сигналов и аналого-цифрового преобразования.

[0009] В одном варианте осуществления настоящего изобретения структура взрывобезопасного узла применяется в промышленной локальной компьютерной сети (Ethernet).

[0010] Настоящее изобретение также обеспечивает взрывобезопасную сеть CAN-шины, имеющую безопасную область и опасную область, где множество структур взрывобезопасных узлов распределены в опасной области.

[0011] В одном варианте осуществления настоящего изобретения взрывобезопасная сеть CAN-шины содержит одну или более небольших топологических сетей, при этом каждая небольшая топологическая сеть включает в себя ограниченное число структур взрывобезопасных узлов.

[0012] В одном варианте осуществления настоящего изобретения взрывобезопасная сеть CAN-шины включает в себя предохранительный вентиль CAN-шины, расположенный в безопасной области или в опасной области.

[0013] В одном варианте осуществления настоящего изобретения взрывобезопасная сеть CAN-шины применяется в промышленной сети Ethernet.

[0014] Посредством ограничения величины напряжения и тока во внутренних цепях во взрывоопасных узлах техническое решение по настоящему изобретению гарантирует, что взрывобезопасные узлы не будут воспламенять опасную смесь взрывоопасного газа и пыли, когда узлы находятся в нормальном режиме работы или подвергаются возникновению повреждений при условии, что реализуется искробезопасность. Поскольку искробезопасная технология является взрывобезопасной технологией, разработанной для цепей, и может применяться в окружающей среде класса I и в окружающей среде класса II, настоящее изобретение может миниатюризировать взрывобезопасный узел CAN-шины и расширить диапазон применения.

Краткое описание чертежей

[0015] Так, чтобы можно было легко понять вышеупомянутые цель, признаки и преимущества настоящего изобретения, ниже приведено подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения в связи с прилагаемыми чертежами, на которых:

[0016] Фиг. 1 показывает структуру взрывобезопасного узла CAN-шины в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0017] Фиг. 2 показывает модуль ограничения напряжения и тока питания структуры взрывобезопасного узла CAN-шины, которая показана на фиг. 1.

[0018] Фиг. 3 показывает взрывобезопасную сеть CAN-шины в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления

[0019] Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают структуру взрывобезопасного узла CAN-шины, которая основана на искробезопасной технологии. Посредством ограничения величины напряжения и тока во внутренних цепях во взрывоопасных узлах гарантировано, что взрывобезопасные узлы не будут воспламенять опасную смесь взрывоопасного газа и пыли, когда узлы находятся в нормальном режиме работы или подвергаются возникновению повреждений при условии, что реализуется искробезопасность.

[0020] Фиг. 1 показывает структуру 100 взрывобезопасного узла CAN-шины в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1, структура 100 взрывобезопасного узла CAN-шины расположена в опасных местах и включает в себя датчик 110 физических параметров, цепь 120 измерения физических параметров, главный контроллер 130, модуль 140 хранения данных, модуль 150 периферийной шины, модуль 160 ограничения напряжения и тока питания. Датчик 110 физических параметров подключен к цепи 120 измерения физических параметров. Цепь 120 измерения физических параметров, модуль 140 хранения данных и модуль 150 периферийной шины подключены к главному контроллеру 130. Модуль 150 периферийной шины может выводить сигналы в канал связи. Модуль 160 ограничения напряжения и тока питания принимает входные данные из электрических сигналов и подключен к цепи 120 измерения физических параметров.

[0021] Датчик 110 физических параметров может преобразовывать физические параметры, такие как усилие, температуру, влажность, содержание газа, вибрацию, угол наклона и т.д., в электронные сигналы. Для этого датчик 110 физических параметров может включать в себя различные датчики, такие как датчик усилия, датчик температуры, датчик влажности, датчик газа, датчик вибрации, датчик угла наклона и т.д.

[0022] Цепь 120 измерения физических параметров может преобразовывать электрические сигналы в цифровые сигналы с помощью соответствующей схемной обработки, такой как фильтрация, усиление, формирование сигналов, аналого-цифровое преобразование и т.д., и поддерживать связь с главным контроллером 130 через сигнальные интерфейсы. Необязательно сигнальные интерфейсы могут быть основаны на коммуникационных протоколах, таких как TTL (транзисторно-транзисторной логике), SPI (для последовательного периферийного интерфейса), I2C (для последовательной шины данных для соединения ИС), PWM (широтно-импульсной модуляции) и т.д. Цепь 120 измерения физических параметров может включать в себя различные цепи измерения, соответствующие различным датчикам, например, цепь измерения параметров усилия, цепь измерения параметров температуры, цепь измерения параметров влажности, цепь измерения параметров газа, цепь измерения параметров вибрации, цепь измерения параметров угла наклона и т.д.

[0023] Главный контроллер 130 может включать в себя модуль обработки физических параметров, модуль обработки услуг пользователя и модуль обработки коммуникационного протокола. Главный контроллер 130 выполняет процедуры обработки соответствующих услуг в соответствии с требованиями пользователей, генерирует сигналы CAN посредством модуля обработки коммуникационного протокола и выполняет передачу данных, выявляет информацию и управляет взаимодействиями с другими узлами в форме протокола CAN через модуль 150 периферийной шины.

[0024] Модуль 140 хранения данных используется для хранения значений стандартных параметров заводских настроек, которые вычисляются совместно с физическими параметрами, собранными в ходе действий взрывобезопасного узла 100, для реализации обработки в режиме реального времени и передачи физических параметров. Во время работы взрывобезопасный узел 100 может хранить параметры и данные, которые должны быть записаны в модуле 140 хранения данных.

[0025] Главный контроллер 130 может считывать данные усилия с цепи измерения параметров усилия, температурные данные с цепи измерения параметров температуры, данные угла наклона с цепи измерения параметров угла наклона; вычислять в режиме реального времени данные по усилию, температуре и углу наклона в сочетании со значениями стандартных параметров, хранящимися в модуле 140 хранения данных; и передавать обработанные данные в заданном формате. В то же время главный контроллер 130 сравнивает измеренные данные с пороговым значением усилия, пороговым значением температуры и пороговым значением угла наклона, хранящимися в модуле 140 хранения данных, для определения, находится ли взрывобезопасный узел в недопустимых или опасных ситуациях, таких как перегрузка, повышенная температура или чрезмерный наклон, посылает сигнал предупреждения и делает запись в модуле 140 хранения данных.

[0026] Главный контроллер 130 считывает данные влажности с цепи измерения параметров влажности, данные по концентрации и давлению газа с цепи измерения параметров газа, данные по вибрации с цепи измерения параметров вибрации; выполняет соответствующую обработку; и передает в заданном формате. При этом главный контроллер 130 сравнивает измеренные данные с пороговым значением влажности, пороговым значением концентрации газа, пороговым значением давления газа и пороговым значением вибрации, хранящимися в модуле 140 хранения данных, для определения, находится ли взрывобезопасный узел в недопустимых или опасных ситуациях, таких как превышение предела влажности, предела концентрации газа, предела давления газа, предела вибрации, посылает сигнал предупреждения и делает запись в модуле 140 хранения данных.

[0027] Иллюстративная структура модуля 160 ограничения напряжения и тока питания показана на фиг. 2. Модуль 160 ограничения напряжения и тока питания сконструирован с использованием искробезопасных технологий и состоит главным образом из элементов защиты, таких как токоограничивающие резисторы R1, R2, диоды D1, D2 Шоттки, диоды D4, D5 Зенера, и имеет множественные конструкции. Параметры токоограничивающих резисторов R1, R2 выбирают в соответствии с максимальным током короткого замыкания искробезопасного и взрывобезопасного исполнения, указанного в GB3836.4-83/IEC60079-11. Конкретные параметры диодов D4, D5 Зенера ограничивают максимальное напряжение разомкнутой цепи и максимальный ток короткого замыкания входного питания в соответствии с максимальным напряжением разомкнутой цепи, которое указано в GB3836.4-83/IEC60079-11. Диоды D1, D2 Шоттки запираются (открываются), когда питание инвертируется, с тем, чтобы предотвратить опасные повреждения, вызываемые инвертированием питания. В то же время, в соответствии с допустимыми максимальными параметрами емкости и индуктивности, указанными в GB3836.4-83/IEC60079-11, интегрированная эквивалентная емкость и интегрированная эквивалентная индуктивность элементов хранения энергии, таких как конденсаторы и катушки индуктивности, внутренние относительно взрывобезопасного узла, ограничены, чтобы гарантировать, что когда взрывобезопасный узел функционирует нормально или имеет повреждения, такие как короткое замыкание, размыкание цепи, короткое замыкание на землю или нарушение энергоснабжения, генерируемые энергия искрового разряда и температура теплового эффекта не будут воспламенять опасные смеси газа и пыли в этой среде. Другими словами, гарантируется искробезопасность в соответствии со схемным принципом.

[0028] Фиг. 3 показывает взрывобезопасную сеть CAN-шины в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 3, взрывобезопасная сеть CAN-шины может включать в себя один или более взрывобезопасных узлов 100 CAN-шины, описанных ранее, взрывобезопасный кабель 200 и предохранительный вентиль 300 CAN-шины. Предохранительный вентиль 300 CAN-шины может быть расположен в безопасной области или в опасной области, может быть сконструирован с использованием искробезопасной технологии и технологии изоляции, анализировать непосредственное стабилизированное питание цепи, которое получается при регулировании и фильтрации входного питания с помощью схемы предохранителей, схемы ограничения напряжения и схемы ограничения тока, и обеспечивать непосредственное стабилизированное питание цепи для взрывобезопасного узла 100 CAN-шины, расположенного в опасной области.

[0029] Для ограничения энергии сетевой системы CAN-шины сеть взрывобезопасных узлов может быть выполнена в форме топологии сети пакетной коммутации, как показано на фиг. 3. Более конкретно, взрывобезопасные узлы CAN-шины могут составлять множество небольших топологических сетей в соответствии с практическим требованием, которые, соответственно, подключены к предохранительному вентилю 300 CAN-шины. При уменьшении числа взрывобезопасных узлов CAN-шины в каждой топологической сети энергия CAN-шины в каждой топологической сети уменьшается.

[0030] Поскольку искробезопасная технология является взрывобезопасной технологией, разработанной для цепей, и может применяться в окружающей среде класса I и в окружающей среде класса II, настоящее изобретение может миниатюризировать взрывобезопасный узел CAN-шины и расширить диапазон применения.

[0031] В то врем как настоящее изобретение было описано в связи с конкретными вариантами осуществления, специалисты в данной области техники без труда поймут, что вышеприведенные варианты осуществления используются лишь для иллюстрирования аспектов настоящего изобретения и могут иметь различные эквивалентные варианты или замены без отступления от сущности настоящего изобретения. Следовательно, все изменения и модификации к вышеописанным вариантам осуществления в пределах сущности настоящего изобретения попадают в объем формулы настоящего изобретения.

Изобретение относится к сети передачи данных. Взрывобезопасная сеть CAN-шины содержит безопасную область и опасную область, причем в опасной области распределено множество структур (100) взрывобезопасных узлов. При этом структура (100) взрывобезопасного узла содержит: датчик (110) физических параметров, цепь (120) измерения физических параметров, главный контроллер (130), модуль (140) хранения данных, модуль (150) периферийной шины и модуль (160) ограничения напряжения и тока питания. Все цифровые сигналы во взрывобезопасной сети передаются через CAN-шину. Взрывобезопасная сеть содержит предохранительный вентиль (300) CAN-шины, который сконструирован с использованием искробезопасной технологии и технологии изоляции. При этом каждая структура (100) взрывобезопасного узла подключена к предохранительному вентилю (300) CAN-шины, и тем самым образуется множество небольших топологических сетей. Технический результат заключается в обеспечении взрывозащиты сети CAN-шины. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Взрывобезопасная сеть CAN-шины, содержащая безопасную область и опасную область, причем в упомянутой опасной области распределено множество структур (100) взрывобезопасных узлов, при этом структура (100) взрывобезопасного узла содержит:

датчик (110) физических параметров,

цепь (120) измерения физических параметров,

главный контроллер (130),

модуль (140) хранения данных,

модуль (150) периферийной шины, и

модуль (160) ограничения напряжения и тока питания;

при этом датчик (110) физических параметров выполнен с возможностью сбора одного или более физических параметров и преобразования их в электрические сигналы;

при этом цепь (120) измерения физических параметров выполнена с возможностью преобразования электрических сигналов, преобразованных из физических параметров датчиком (110) физических параметров, в цифровые сигналы и передачи их в главный контроллер (130);

при этом главный контроллер (130) выполнен с возможностью осуществления соответствующей сервисной обработки цифровых сигналов и отправки их в модуль (150) периферийной шины;

при этом модуль (140) хранения данных выполнен с возможностью хранения взаимосвязанных данных, необходимых для работы узла;

при этом модуль (150) периферийной шины выполнен с возможностью отправки обработанных цифровых сигналов в виде сигналов CAN;

при этом модуль (160) ограничения напряжения и тока питания сконструирован с использованием искробезопасной технологии и выполнен с возможностью ограничения максимального напряжения разомкнутой цепи и максимального тока короткого замыкания входного питания,

отличающийся тем, что

все цифровые сигналы во взрывобезопасной сети передаются через CAN-шину, и тем, что

взрывобезопасная сеть содержит предохранительный вентиль (300) CAN-шины, который расположен в безопасной области или в опасной области и сконструирован с использованием искробезопасной технологии и технологии изоляции,

при этом каждая структура (100) взрывобезопасного узла подключена к предохранительному вентилю (300) CAN-шины, и тем самым образуется множество небольших топологических сетей.

2. Взрывобезопасная сеть CAN-шины по п.1, содержащая одну или более небольших топологических сетей, при этом каждая небольшая топологическая сеть содержит ограниченное число структур взрывобезопасных узлов.

3. Взрывобезопасная сеть CAN-шины по п.1 или 2, отличающаяся тем, что взрывобезопасная сеть CAN-шины применяется в промышленной сети Ethernet.