CN102472681B - 具有包含物理层属性调节器的水检测单元的iec 61158-2电路 - Google Patents

Abstract

提供一种符合IEC 61158-2标准的电路，该电路包含电源、作为其负载的设备、以及适于监视电路的一个或更多个物理层属性的监视单元，其中，设备包含封装体、设置在其中的设备功能电子器件、以及连接所述设备功能电子器件与所述电路的两个端子，水检测单元被设置在所述封装体内，并且包含水检测探针和与所述设备功能电子器件并联的跨所述电路安装的物理层属性调节器，并且，当所述水检测探针检测到水时，所述物理层属性调节器修改电路的物理层属性，该修改是可由所述监视单元检测到的。

Description

具有包含物理层属性调节器的水检测单元的IEC 61158-2电路

技术领域

本发明涉及用于检测水进入本质安全区域中的现场设备中的具有包含物理层属性调节器的水检测单元的符合IEC 61158-2标准的电路。

背景技术

现场总线(或现场的总线)是现在标准化为IEC 61158的用于实时分布控制的一类工业计算机网络协议的名称。例如燃料精炼厂的复杂的自动工业系统通常需要控制器系统的组织层级起作用。在该层级中，在顶端存在操作员可监视或操作所述系统的人机界面(HMI)。这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。在控制链的底端，是链接PLC与诸如传感器、致动器、电动机、控制灯、开关、阀和接触器的实际进行工作的部件的现场总线。

现场总线常常用于例如易燃气氛的本质安全环境中，特别是用于气体和/或灰尘的气体组类别IIC、氢气和乙炔、以及以下(例如气体组IIB和IIA)。通过使用现场总线协议，经由常常设置在与电源相同的电路中的电气通信电路远程控制和监视这种环境中的现场仪器和设备以驱动现场仪器。

近几年，用于IEC 61158型网络的现场总线物理层诊断技术已被成功引入到主流处理工业中。物理层规范被标准化为IEC 61158-2。在典型的电气通信电路中，作为其负载，存在电源、一些类型的本质安全障碍、引出到现场中的干线部分、以及一个或更多个设备、或者具有与其连接的支线(spur)部分的设备耦合器。设备将使用中的数据信号发送到通常安装在电路的电源端的非本质安全区域中的控制系统。诊断模块也被安装在通常处于与控制系统相同的位置的电路中，并且它通过测量电路和网络硬件的物理层属性并部分地测量正使用的物理软件或协议来工作。

IEC 61158-2负载和/或物理层属性的变化常常可导致分段失效，并且，诊断模块被设置以检测这种变化，使得可以采取补救行动。

水进入现场设备中是一种为了防止由于电解侵蚀导致的现场设备中的电气端子或线缆的腐蚀而必须被检测的故障，该故障可最终导致设备失效。在极端的情况下，水或其它的导电流体中的信号线或端子的浸没可导致迅速的全信号或分段失效。

在任意的情况下，根据EN60529标准，户外危险区域中的仪器必须被保护为最小IP54，并且，水进入表示其破坏。另外，仪器封装体内的凝结的水蒸汽通常违反仪器内的湿度要求，因为大多数的规范仅允许95％的相对非凝结湿度。

一般地，现场仪器(设备)具有端子和电子封装体。外部端子封装体包含具有至少一个线缆密封套入口的小体积的“O”环密封封装体，线缆密封套入口一般为2个，其中的一个被封住。电子封装体不具有线缆入口或者不需要在原位去除盖子，因此，水进入的可能性低得多。它们常配有封装的电子器件并且/或者具有带长的螺纹盖子的“O”环密封，并且常常能够满足IP66～IP68的等级。不幸的是，实际中水常常进入端子封装体中。

对于系统的每个分段，一般存在达16个仪器。这意味着，与设备耦合器外壳相比，某分段上的至少一个仪器的端子封装体填充水的可能性非常高。它们需要较少的维护并具有较大的带排泄设施的封装体体积。

一种已知的检测现场设备中的水进入的方式是通过使用通地(earth)漏泄检测系统检测接地(ground)故障，并且这种配置在图1中被示出。在该配置中，电路1包含检测端子/柱体5和屏蔽6之间的设备4中的导电性3并因此通过导电液体8检测接地7的通地漏泄检测系统2。这在与设备电子器件10相邻的设备封装体9内发生。

在用于微分变化的测量上，用于接地故障的测量是有利的，原因是它是随负载变化可辨别的。负载变化和水桥接信号柱5的效果会导致电路1中的类似的微分变化，因此，单纯微分测量不会是可靠的。

但是，这些系统具有大量的缺点。首先，它们只能检测高导电性水的存在。满足本质安全的要求的线缆长度和电压限制使得较纯的水的检测变得不可能。申请人以及比如MTL(Cooper Crouse-Hinds CO)的其它的公司制造了这种系统，并且，作为例子，MTL 4220产品只能检测10kΩ或更小的导电性等同值，而对于低激励检测电压下的干净的雨水和降水，250kΩ～1MΩ或更高的测量是典型的。

即使端子5完全浸入具有非常低的导电率的冷凝液或雨水中也不会导致一般可测量的电流或阻抗变化。但是，这样的事件将开始流电腐蚀的过程，该过程可导致失效。台上试验已表明，低浓度盐溶液将在以分钟计的时间内溶解(通过阳极的流电腐蚀)信号导线。从端子和导线泄漏的溶解的金属痕量(trace)元素可迅速地增加水的导电性，因此它可被检测，但是，到那时，在可采取任何规避措施之前可出现失效。

第二个主要问题是，即使水的导电性足以被直接检测，当进行检测时柱体5也已经被浸没。常常在可采取补救措施之前，浸没可迅速地导致损伤和信号问题。图1所示那样的通地漏泄检测系统依赖于端子5与屏蔽6或接地7之间的电解效果，并且，此时，损伤已在进展。如果导电性等同值为10kΩ或更小，则由于溶解到溶液中的局部金属导致的导电性的加速可迅速地导致过电流情况，并且太快以至于无法允许抢先的维护。换句话说，由于一些情况下的损伤会是不可阻止的，因此监视端子的浸没的原理在任何情况下都是有缺点的。

图1所示那样的通地漏泄检测系统的另一缺点在于，它们是包含附加到现有的电路1上的用于感测、报警和供电的硬件和线缆的自动系统。这增加成本并增加失效的可能性。还必须使得电源是本质安全的。

通地漏泄检测系统的另一缺点是，它们依赖于与屏蔽6的连接，所述屏蔽6常常不延伸到现场设备4内或者不存在于适当的连接用位置中。

用于检测水进入现场设备中的替代性的已知的方式是，使用可检测水的存在的现场设备内的自动传感器，并且，这种配置在图2中被示出。在该配置中，电路20包含设置在现场设备23的端子封装体23内的自动检测器和传送器21，该自动检测器和传送器21通过用检测器探针26感测导电性25来检测水进入24的开始。通过单独的电力和信号线27向诊断和报警模块28发送报警。

由于该系统是自动的，因此它可适于检测高纯度低导电性水，并且，通过使探针26远离现场设备23中的端子/探针29，它可远在对于端子/柱体29或设备电极30导致任何损伤之前就这样做。也不要求与屏蔽的任何连接。因此，该配置相对于图1所示的通地漏泄检测系统具有明显的优点。

但是，仍存在大量的严重的缺点。首先，给定现场实际中所使用的现场设备的数量，在每个现场设备中分别安装这种自动系统是非常复杂并且非常昂贵的。

另外，除了现有的基础结构以外，该方案还需要硬件、电子器件、线缆和电源，必须使得所有这些本质上安全，这需要计算所有的参数和附加的布线图，这均增加成本。

该附加的设备总体上增加失效的可能性。另外，各现场设备将需要附加的线缆密封套，这实际上增加水进入的可能性。

因此，需要可以检测低导电性水进入现场设备、在现场设备中的任何端子被湿润之前检测水的进入、并且在不需要附加的布线或无线链接的情况下并且经由长的干线线缆和任何隔离的设备耦合器将该信息中转到维护团队的方案。这使得不需要任何附加的电力或其它的布线，除了与总线(如果需要的话，包含屏蔽)的简单连接。为了实用，该方案还必须满足本质安全(EEx ia或ib)“简单装置”定义的要求，并且具有适用于本质安全布线实践的连接单元。一些现场设备端子封装体的面积和/或体积非常小，因此，任何方案还必须是小且简单的。最终，方案必须保持现场总线信号的完整性。

理论上，能够通过根据现场设备的功能进行水检测来实现上述的目标中的许多。换句话说，现场设备电子器件可包含水检测功能，并且，现场设备电子器件可经由其现场总线电报将水的检测传送到控制系统。但是，这种配置会是适得其反的，因为它自身基本上包含整个现场总线现场设备安装。另外，从设计和制造的观点看，将这种功能集成到数百个不同的现场总线设备类型中会成本非常高昂，并且，不是所有的制造商都会希望将这些系统集成到每个型号类型中。另外，所述功能会消耗现场总线电报的一部分，从而限制设备的主要功能的通信潜能。

发明内容

因此，根据本发明，一种符合IEC 61158-2标准的电路包括电源、作为其负载的设备、以及适于监视电路的一个或更多个物理层属性的监视单元，其中，设备包含封装体、设置在其中的设备功能电子器件、以及连接所述设备功能电子器件与所述电路的两个端子，其中，水检测单元被设置在所述封装体内，并且包含水检测探针和与所述设备功能电子器件并联的跨所述电路安装的物理层属性调节器，并且其中，当所述水检测探针检测到水时，所述物理层属性调节器修改电路的物理层属性，该修改是可由所述监视单元检测到的。

因此，本发明包含检测水进入现场设备的封装体，本发明检测水进入现场设备的封装体的方式本质上是电路自治的，但是以与对电路的任何物理层属性的有意的修改结合的方式传送这样的检测，所述对电路的任何物理层属性的有意的修改能够被监视单元检测到。修改可不具有这样的通信单元，但是，与监视单元连接的控制系统可适于解释所述修改并且破译其含义。

本发明的主要优点在于，通过使用现有的电路及其物理层监视单元来进行水进入的检测的通信。因此，不需要额外的本质安全线缆、电力、电子器件或线缆密封套。并且，由于水检测单元基本上是自治的，因此，它们可适于检测高纯度低导电性的水，而通地漏泄检测系统不能检测高纯度低导电性的水。通过使得水检测探针远离现场设备中的端子，还可使得远在导致任何损伤之前进行检测。也不要求与屏蔽的任何连接。

在优选的限制中，所述设备可具有正常的操作取向，在该正常操作取向中，所述水检测探针可被物理地设置在连接所述设备功能电子器件与所述电路的所述端子下面。因此，可在端子处于任何实际的浸入危险之前检测到封装体底部处水的汇集。

监视单元可以是监视干线或支线电流的任何已知的物理层诊断系统(PLDS)，并且能够监视总线信号水平和噪声影响。这些水平远高于低导电性水对于总线或支线的影响，因此，特别是由于它们还通常具有本底噪声(noise floor)，因此，已知的布置不能自己检测现场设备中的水进入。例如，中等纯度雨水具有大致20kΩ～1MΩ的DC电阻，并且，在9V处，它给出9μA～450μA的电流。因此，会需要用于电流的350mA全标度测量的0.0025％的分辨率，并且，另外，会需要比本底噪声低的信号测量。但是，本发明包含可具体适于可通过PLDS容易地检测的电路的修改。有利的是，能够进行这种不扰乱现场总线电报的修改。

因此，在优选的构造中，电路可包含电源和通信电路，其中，设备适于通过电路发送和接收数据信号。优选地，对于电路的物理层属性的修改不干涉所述数据信号。

在本发明的一个版本中，对于所述电路的物理层属性的所述修改可包含从柱体到所述电路的屏蔽的中间不平衡，即从柱体到屏蔽3kΩ。但是，该配置会需要屏蔽/接地连接和第三导线。

作为替代方案，对于所述电路的物理层属性的所述修改可包含具有高的c.c.下沉阻抗的电路中的恒定电流。

作为替代方案，对于所述电路的物理层属性的所述修改可包含斜坡增加和减小电路的电流。能够以不大于+/-1mA/ms的速率对于比方说10mA c.c.完成这一点。

作为替代方案，对于所述电路的物理层属性的所述修改可包含可通过PLSD中的不平衡测量检测到的共用模式信号的引入。

作为替代方案，对于所述电路的物理层属性的所述修改可恒定或间歇地包含数据信号电平的衰减。

不管使用哪个修改，它都可以随时间变化或者是二元的，例如，具有相等标记空间的0.1Hz的频率的脉冲5mA信号。

当由于防止本质安全系统中的多个接地点的需要而很少在现场仪器中存在屏蔽连接时，优选的选项会是具有高的c.c.下沉阻抗或斜坡上升的电流的电路中的恒定电流，而可能对于具有重复器的隔离耦合器使用数据信号电平的衰减。

可以理解，所有以上的修改选项在本质上是不同的，因此，它们将在对于信号和电力具有不同的布线对的系统内或在物理层属性封装体内工作。

优选地，所述水检测单元能够由电路供电。这对于实现和防止对于任何附加的本质安全电力供给的需要是十分简单的。

在本发明的一个版本中，设备可以是现场仪器，并且，所述设备功能电子器件可包含仪表电子器件。作为替代方案，所述设备可以是设备耦合器，并且，所述设备功能电子器件可包含适于与其它的设备或支线连接的耦合电子器件。

在本发明的一个版本中，诸如盐的电解质可被设置在封装体内。这会允许建立较高的导电性。电解质可被设置在水检测探针上。

如上面提到的那样，优选与本质安全二导线现场总线(IEC 61158)电路一起使用本发明。

附图说明

可以以各种方式执行本发明，但是，现在将作为例子并且参照附图描述一个实施例，其中，

图1是包含水进入检测系统的第一现有技术电路的示意图；

图2是包含水进入检测系统的第二现有技术电路的示意图；

图3是包含根据本发明的水进入检测系统的电路的示意图；

图4是图3所示的电路的一部分的电路图；

图5是图3所示的电路的一部分的前视图。

具体实施方式

如图3所示，一种符合IEC 61158-2标准的电路40包含现场总线电源41、作为其负载的设备42、以及物理层属性诊断模块43的形式的适于监视电路40的一个或更多个物理层属性的监视单元。设备42包含封装体44、设置在其中的设备功能电子器件45、以及连接所述设备功能电子器件45与所述电路40的两个端子46。水检测单元47被设置在所述封装体44内，并且包含水检测探针48和与所述设备功能电子器件45并联的跨所述电路40安装的物理层属性调节器49。当所述水检测探针48检测到水50时，所述物理层属性调节器49修改电路40的物理层属性，该修改可由所述监视单元检测到。

电路40是本质安全现场总线(IEC 61158)电路，其中，通过可以是任何已知的系统的本质安全单元52使得进入现场中的干线部分51本质上安全。物理层属性诊断模块43被示为被安装于本质安全区域外面，并且它与通常处于控制室内的一般控制和监视系统53连接。控制和监视系统53通过现场协议与可包含任何常规的功能的现场设备的设备功能电子器件45通信。

物理层属性调节器49被两个导线供电，并且从与设备功能电子器件45相同的点取得其电力。可以理解，为了使得系统在干线或支线上工作，输入阻抗54必须在所有的时间都高。水检测探针48位于端子46和设备功能电子器件45下面的封装体44内，使得重力水准进入将在封装体44内的别的任何东西之前与水检测探针48接触。

在检测水检测探针48之间的导电性时，物理层属性调节器49修改可容易地由物理层属性诊断模块43检测的电路40的物理层属性。这被传送到控制和监视系统53并且可采取补救措施。

如上所述，存在可进行的许多不同的修改，并且，物理层属性调节器49可适于根据需要执行它们中的任何修改。所述修改可以是可测量的任何物理层属性，例如，不平衡(需要屏蔽/接地连接和第三导线)或随时间的变量或二元修改，例如，具有相等标记空间的0.1Hz的频率的脉冲5mA信号。并且，可以施加具有高的c.c.下沉阻抗的恒定电流，所述电流可以斜坡上升或下降，可以引入共同模式信号，或者，数据信号电平可恒定或间歇地衰减。

图4示出可作为水检测单元47操作的非常根本的本质安全“简单装置”方案。在通过水检测探针48检测到水进入时，通过引入恒定电流下降增加分支/干线电流。可以理解，由于它不影响诸如信号电平的任何其它参数，因此这是有利的。在该简单的电路中，也不存在电容器或电感器，因此它可被归为用于Zone 0和Zone 1本质安全目的以及用于任何其它Zone认证或等同物的“简单装置”。由于可以在不需要系统认证的情况下在任何本质安全电路上放置与给定的电源一起使用的制造商认证的“简单装置”，从而使得适于在预认证仪器的端子封装体内使用，因此，这是有利的。

图5在物理上表示设备封装体44可如何被配置，使得端子46处于顶部、并使得水检测单元47及其水检测探针48位于封装体44内的最低点处。

对于冷凝或超高纯度的水进入的更确定的警告，可以向水检测探针48的表面或下侧、或者封装体44中的其它位置添加盐或其它的电解质，这会给予水较高的导电性。实际上，由于超高纯度的水实际上不导致失效，因此通常这是不需要的。如果作为这种进入的结果出现金属滤取(1eaching)，则它最可能在首先给予它们的位置的水检测探针48处出现，并且，如果是这样，则它们可执行牺牲功能以导致修改和随后的报警的触发。

可以修改图3～5所示的实施例而不不背离权利要求1的范围。例如，在一个替代性实施例(未示出)中，设备是耦合器而不是仪器，并且，这里的电子器件包含适于与其它的装置或支线连接的耦合电子器件。

因此，提供可具有已知的自治检测系统相对于通地漏泄检测系统所具有的所有上述优点但不具有额外的线缆、电子器件和电力的缺点的水进入检测系统。通过利用现有电路的可变的物理层属性，报警可通过现有的物理层属性诊断模块被传送到控制室。可以以成本有效的方式通过使用“简单装置”来实现这一点。

Claims (15)

1.一种符合IEC 61158-2标准的电路，包含电源、作为其负载的设备、以及适于监视所述电路的一个或更多个物理层属性的监视单元，

其中，所述设备包含封装体、设置在其中的设备功能电子器件、以及连接所述设备功能电子器件与所述电路的两个端子，

其中，水检测单元被设置在所述封装体内，并且包含水检测探针和与所述设备功能电子器件并联的跨所述电路安装的物理层属性调节器，

并且其中，当所述水检测探针检测到水时，所述物理层属性调节器通过对电路的物理层属性进行有意的预先确定的修改来传送这样的检测，该修改与水存在于所述设备功能电子器件中或者所述两个端子之间所导致的任何物理层属性改变是分开的，并且该预先确定的修改是能够由所述监视单元检测到和破译的。

2.如权利要求1所述的电路，其中，所述设备具有正常操作取向，在所述正常操作取向中，所述水检测探针被物理地设置在连接所述设备功能电子器件与所述电路的所述端子下面。

3.如权利要求1所述的电路，其中，所述电路包含电源和通信电路，其中，所述设备适于通过所述电路发送和接收数据信号，并且其中，对于所述电路的物理层属性的所述修改不干涉所述数据信号。

4.如权利要求3所述的电路，其中，对于所述电路的物理层属性的所述修改包含从柱体到所述电路的屏蔽的中间不平衡。

5.如权利要求3所述的电路，其中，对于所述电路的物理层属性的所述修改包含具有高的c.c.下沉阻抗的所述电路中的恒定电流。

6.如权利要求3所述的电路，其中，对于所述电路的物理层属性的所述修改包含斜坡增加和减小所述电路的电流。

7.如权利要求3所述的电路，其中，对于所述电路的物理层属性的所述修改包含共用模式信号的引入。

8.如权利要求3所述的电路，其中，对于所述电路的物理层属性的所述修改恒定或间歇地包含数据信号电平的衰减。

9.如权利要求4～8中的任一项所述的电路，其中，所述修改随时间改变。

10.如权利要求1所述的电路，其中，所述水检测单元由所述电路供电。

11.如权利要求1所述的电路，其中，所述设备是现场仪器，并且，所述设备功能电子器件包含仪表电子器件。

12.如权利要求1所述的电路，其中，所述设备是设备耦合器，并且其中，所述设备功能电子器件包含适于与其它的设备或支线连接的耦合电子器件。

13.如权利要求1所述的电路，其中，电解质被设置在封装体内。

14.如权利要求13所述的电路，其中，所述电解质被设置在水检测探针上。

15.如权利要求1所述的电路，其中，所述电路是本质安全二导线现场总线电路。