[发明专利]IEC 61158现场总线支线的故障保护电路和使用其的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种供IEC 61158现场总线网络的支线（或仅仅装置）使用的改进故障保护电路、和一种使用故障保护电路的方法，该故障保护电路既具有静态和动态保护功能，又具有高级传报和控制。 

背景技术

现场总线（或场地总线）是一族工业计算机网络协议的名称，这族工业计算机网络协议用于实时分布控制，现在标准化为IEC 61158。复杂自动工业系统，例如燃料精炼厂，通常需要组织层级的控制器系统起作用。在这种层级中，在顶部处有人机接口（HMI），在该处，操作人员可监视或操作系统。这典型地经非时间关键通信系统（例如，以太网）链接到可编程逻辑控制器（PLC）的中间层上。在控制链的底部处是现场总线，该现场总线将PLC链接到元件上，上述元件实际上进行诸如传感器、执行器、电动机、控制台灯光、开关、阀及接触器之类的工作。 

现场总线常常用在本质安全环境中，例如可燃气氛，并且特别是气体族分类IIC、氢气和乙炔气、及下面，例如气体族IIB和IIA，用于气体和/或粉尘。使用现场总线协议，在这样一种环境中的现场仪器和设备经电气通信电路被远程地控制和监视，该电气通信电路常常提供在与驱动现场仪器的电力相同的电路中。 

在典型现场总线电力和通信电路中，有电源、某一种种类的本质安全屏障、引出到现场中的干线段、及具有连接到其上的支线的多个装置耦合器，在这些装置耦合器上，安装现场仪器。干线和支线一起形成段。本质安全屏障将电路划分成本质安全侧和非本质安全侧。电 源、PLC及其它系统，像物理层诊断模块、和使用的部分物理软件或协议，被布置在电路的非本质安全侧（通常在控制室中），这些物理层诊断模块测量电路和网络硬件的物理层属性。干线、装置耦合器、支线、及现场仪器布置在本质安全侧（在外面在现场中）。 

本质安全可按多种已知方式实现，从简单地限制功率从而开路或短路电路不能形成可燃电弧、到使用有源监视和隔离系统，这些有源监视和隔离系统允许较高功率等级，并且起将电源与开路或短路电路相隔离的作用，以防止可燃电弧。 

另外，在有源装置耦合器内使用限流保护电子装置也是普通的，如果短路发生在特定支线上，则这些限流保护电子装置起限制在该特定支线中的电流的作用。像这样的限流装置包括串联半导体元件和电流感测/驱动电路。电路监视支线上的电流，并且如果它作为短路发生在支线上的结果而达到断路电平，则将半导体切换成限制电流。电路或者按矩形方式工作并且将电流限制到断路电平本身，或者它按折回方式工作并且将电流限制到较低电平。 

例如当有意外电缆接通时，或者如果装置本身失效到短路状态（这可由电子元件失效或甚至仪器外壳的淹没引起），支线短路可发生。限流电子装置防止任何这样的故障使干线短路。当装置断开，或者当在例行维护和校准期间发生差错时，也可发生短路，所以限流电子装置起防护装置的作用，并且允许在有源支线上进行例行工作，而没有它影响电路的其它部分的危险。在有源装置耦合器内当前范围的两导线IEC61158现场总线支线限流保护电子装置包括SegmentProtector（段保护器）（RTM）和Spur Guard（支线防护）（RTM）产品。 

然而，这些限流装置在它们的应用方面受到限制，因为它们仅设计成处理支线或装置故障，这些支线或装置故障是恒定的或断续的低直流欧姆短路。它们不设计成处理例如交流阻抗短路。进一步，保护电子装置仅通过呈现高或无限阻抗隔离（包括开路）而隔离故障。因此，全部现有技术装置只提供对于一种类型的故障（即低欧姆直流故 障）的支线、干线或段保护。将认识到，这种类型的故障不是可引起现场总线段失效的唯一故障。在实际中，有无数其它支线和装置故障，这些支线和装置故障使段失效，并且不能被隔离。例如，这样的故障包括： 

i）在“jabber模式”中的装置，其中，故障装置发送连续信号，该连续信号重叠、或干扰其它合法信号。这种类型的故障是交流故障， 

ii）合法断续电流连结，例如在50mA限流支线上的20mA装置的断续连接、或支线电缆的断续接通-断开， 

iii）蠕变或静态故障，它呈现高电阻但低阻抗。这样的故障可由在电缆或装置中的失效引起，例如由电缆水侵入或电路失效引起。 

iv）蠕变故障，它呈现低电阻但高阻抗。这样的故障可调制矩形限流器，而不达到高得足以使折回电路操作的电平， 

v）高电阻串联故障，它使装置在低于限流器的电流断路电平的电流下断续地断开和再连接，它使比装置激励电压低的电压出现，这导致装置断续地接通和断开， 

vi）来自装置的潜在过/欠电流调制，及