[发明专利]冗余电源

说明书

本发明涉及一种冗余电源，具体涉及真正安全电路中的冗余，还涉及用于为了真正安全电路中的功能冗余将多个真正安全输出多路复用的方法和装置。

工业危险环境可包括存在潜在的爆炸性气体或细粉末的混合物的场所。

真正安全是用来防止电气设备在危险环境中引起爆炸的概念。真正安全(IS)系统包括位于该危险环境中的IS设备(称为现场电路或现场设备)、位于电源与IS设备之间的不危险区域(或安全区域)中的功率限制装置(IS阻隔或电隔离器)以及关联的布线。在真正安全系统中，所有设备按照这样的方式设计和安装：即使在故障状况下，这些设备也不会提供足以引发潜在的爆炸性气体混合物爆炸的能量或功率。

可靠性是IS系统的特别重要的因素，其中对现场设备的易于操作性通常是非常受限的，而且关键部件的故障可能不仅成本高而且潜在的高度危险。系统中的部件或电路的冗余或重复是提高系统可靠性的一种方法，而且通常冗余地提供对安全很关键的电路，以使如果主电路出故障，则还存在能被激活的等效备用电路。

对于实时分布式控制系统尤其是具有危险区域的制造厂越来越常用的IS系统是基于真正安全现场总线系统的IEC标准(IEC 60079-27)的，该标准已被称为现场总线真正安全概念(FISCO)。

在FISCO系统中，每个分段仅允许一个活动源(功率调节器或电源单元)。所有其它部件必须作为无源电流宿(设备)。在需要防止分段上的所有设备在维护的情况下都失效的系统中，可安装一个或多个冗余电源单元(PSU)，以及用于在一个电源单元出故障或需要更换时在电源之间切换的装置。

在欧洲，危险环境和防爆区域被分类为所谓的区(Zone)。在0区、1区和2区之间进行区分，0区是最敏感的区，其中可燃气氛很可能长期或持续存在。在1区中，可燃气氛可能存在但不太可能长期存在，而在2区中，除了很短时间之外，可燃气氛不可能存在，存在的时间典型地是由处理故障状况引起。

还存在公认的电气装置的三类真正安全，其对应于这些危险环境区：真正安全“ia”，或简称为“Ex ia”，是适用于0、1和2区的设备；“Exib”设备仅适用于1和2区；以及“Ex ic”设备仅适用于2区危险区域。

US2004/0252428描述了使用限流电阻器的用于防爆区域中的电气负载的IS、冗余电流-电压源的设备。

US2004/0145843描述了一种有源保护电路，其利用N沟道FET来隔离两个或多个电源与共同负载的连接并对这些连接定序，并对电源进行电压感测和反向偏压感测来操作控制器。

与已知的IS冗余系统和方法相关联的问题包括它们不能保证在电源转换期间仅一个输入电源连接至负载，等等。需要的是一种在转换期间保证所有输入电源从负载完全断开的系统，以确保不安全状况即多于一个的输入电源同时连接至输出负载的状况不会发生。

因此，本发明的目的是提供一种符合所谓的冗余FISCO PSU方案的要求的方法和系统，该FISCO PSU方案要求两个FISCO PSU以待机冗余配置工作，同时它们的负载安装于1区或2区危险区域，且该方案确保在任何时间点输入电源中最多一个电源连接至输出负载。

本发明尤其适合于在FISCO系统中实现，并为此类系统提供冗余PSU，但并不限于此。

本发明寻求提供一种为了IS电路的功能冗余而将IS输出多路复用的方法，以及用于实现用于IS输出的多路复用器的多级切换装置。

根据本发明的第一方面，提供了一种为了功能冗余而将多个真正安全输入多路复用的方法，该方法使用：连接至真正安全输出的多个开关模块；以及从多个真正安全的输入源到多个相应的开关模块的多个基本相同的输入；其中，使用多个开关模块中的每个开关模块之间的多个联锁信号来允许在任何时间点开关模块中最多一个开关模块活动，从而允许来自多个输入源的多个输入中最多一个输入连接至真正安全的输出；以及还包括提供有保证的最小周期的步骤，其中在切换至替换开关模块期间无输入连接至真正安全输出。

优选使用两个开关模块，以使在使用时一个开关模块活动，同时另一个开关模块冗余。

其中在切换至替换开关模块期间无输入连接至真正安全的输出的有保证的最小周期优选为至少10μs(或者确保或证明安全性所需的任何最小周期)，且具有500μs的最大周期(或确保对任一所连接现场设备无不利功能影响所需的任何最大周期)。

优选地，如果活动开关模块的输入或活动开关模块本身出故障，则输出自动切换至替代的开关模块。