通信屏障装置及其操作方法与流程

1.本公开涉及通信屏障装置和操作这种通信屏障装置的方法。


背景技术：

2.在不同情况下，例如在过程控制系统中，例如当要在安全和危险环境之间进行通信时，可能需要隔离屏障。隔离屏障通常使用变压器来设置。
3.在us2002/0150156中描述了一种类型的隔离屏障，其中两个有源驱动级被设置在两个变压器的相对侧上，其中第一变压器用于在一个方向上传输信号，而另一个用于在相反方向上传输信号。
4.当将这种隔离屏障置于危险环境中时，隔离屏障所经受的电压可能变得危险地高。因此，需要保护隔离屏障，更具体地，需要保护隔离屏障的变压器。


技术实现要素：

5.本公开的一个目的是提供一种包括隔离屏障的通信屏障装置，该隔离屏障被保护免受由危险环境引起的危险电压的影响。
6.根据第一方面，该问题通过用于第一过程控制系统设备和第二过程控制系统设备之间的连接的隔离屏障装置来解决，其中通信屏障装置包括：
[0007]-第一驱动级，具有第一接口，用于接收来自第一过程控制系统设备的第一信号，所述第一信号去往第二过程控制系统设备；
[0008]-隔离屏障，包括第一变压器，所述第一变压器具有初级绕组和次级绕组，所述初级绕组被连接到所述第一驱动级，其中所述第一变压器被提供用于传输所述第一信号；
[0009]-第二驱动级，被连接到所述第一变压器的所述次级绕组并且具有第一连接端子，第一连接端子用于朝向所述第二过程控制系统设备输出所述第一信号；
[0010]-第一信号调节器，具有用于从第二驱动级接收第一信号的第二连接端子和用于将第一信号传递给第二过程控制系统设备的第二接口；以及
[0011]-保护电路，包括与第一电容器并联的电阻器，该保护电路被连接在第一连接端子和第二连接端子之间。
[0012]
第一连接端子上的信号可以包括至少一个零电压电平。在这种情况下，第一信号调节器可以被配置为检测这样的零电压电平，并将第二连接端子处的电压拉至零，以便将第一电容器放电。
[0013]
该检测可以通过将第二连接端子处的电压与阈值进行比较并且如果检测到该阈值正被越过则将该连接端子处的电压拉至零来执行。
[0014]
该阈值可以是低于在第二连接端子处提供的第一信号的信号电平的阈值，在信号电平的一部分处，例如在信号电平的1/4处。
[0015]
通过保护电路的第一连接端子和第二连接端子之间的信号连接可以另外是第二驱动级和第一信号调节器之间的唯一信号连接。
[0016]
另外，第一驱动级可以是有源驱动级，而第二驱动级可以是无源驱动级，其中有源驱动级是需要外部电源电压的驱动级，而无源驱动状态不需要。
[0017]
第二驱动级还可以包括第一晶体管，其基极或栅极连接到第一变压器的次级绕组，集电极或漏极连接到第一连接端子，发射极或源极接地。
[0018]
还可以在第一变压器的次级绕组和第一晶体管之间连接整流器。
[0019]
另外可能的是：
[0020]-该隔离屏障包括第二变压器，该第二变压器具有连接至该第一驱动级的初级绕组和次级绕组，其中该第二变压器被提供用于传输第二信号，
[0021]-第二驱动级连接到第二变压器的次级绕组，
[0022]-第一信号调节器的第二接口被提供用于从第二过程控制系统设备接收第二信号，该第二信号去往第一过程控制系统设备，
[0023]-第一信号调节器的第二连接端子被提供用于将第二信号传输至第二驱动级，
[0024]-第二驱动级的第一连接端子被提供用于从第二过程控制系统设备接收第二信号，以及
[0025]-第一驱动级的第一接口被提供用于向第一过程控制系统设备传递第二信号。
[0026]
当存在用于传送第二信号的第二变压器时，第二驱动级可以包括与第二变压器的次级绕组并联的开关，该开关使用第二连接端子来操作。
[0027]
以下是可能的：第二信号的第一二进制值对应于第二连接端子处的信号电压电平，并且第二信号的第二二进制电平对应于第二连接端子处的零电压电平。由此，第一二进制值闭合开关，而第二二进制值打开开关。
[0028]
开关可以包括第二晶体管，其漏极和源极或集电极和发射极连接到第二变压器的次级绕组，栅极或基极连接到第一连接端子。
[0029]
第二驱动级的操作可以是从第二变压器的初级绕组看到的将第二信号编码到第二变压器的阻抗中。
[0030]
为此，第一驱动级可以包括阻抗检测器和第二信号调节器，该阻抗检测器被连接到第二变压器的初级绕组，该第二信号调节器被配置为基于检测到的阻抗的变化来产生重新产生第二信号的脉冲。
[0031]
第一驱动级还可以包括连接到第一变压器的初级绕组的第一编码电路，该第一编码电路可以被配置为将第一信号编码为具有载波频率的载波，并且将具有编码的第一信号的载波经由第一变压器、第二驱动级和保护电路传送到信号调节器，其中第一信号调节器被配置为从载波中提取第一信号。
[0032]
编码可以是第一信号与载波的逻辑组合，该逻辑组合可以是and或nor运算。
[0033]
第一驱动级还可以包括连接到第二变压器的初级绕组的第二编码电路，该第二编码电路使载波反相并将反相的载波提供给第二变压器。
[0034]
还可以有与第二变压器的初级绕组并联连接的第二电容器，该第二电容器具有被选择为将第二变压器的谐振频率调谐到载波频率的值。
[0035]
根据第二方面，通过一种操作通信屏障装置的方法来解决上述问题，所述通信屏障装置包括具有第一变压器和第二变压器的隔离屏障以及用于所述隔离屏障的保护电路，所述保护电路包括与第一电容器并联连接的电阻器，所述保护电路在所述并联部件的一端
处具有第一侧，所述第一侧面向所述隔离屏障，并且在所述并联部件的相对端处具有第二侧，所述方法包括：
[0036]-从第一过程控制系统设备接收第一信号，
[0037]-经由所述第一变压器和所述保护电路将所述第一信号传输到第二过程控制系统设备，
[0038]-检测该保护电路的第一侧处的零电压电平，并且
[0039]-将保护电路的第二侧处的电压拉至零，以便将第一电容器放电。
[0040]
该方法还可以包括在第一驱动级中将第一信号编码成载波，其中第一信号的传送包括经由第一变压器将具有编码的第一信号的载波传送到第一信号调节器，并且在信号调节器中从载波提取第一信号。编码可以是逻辑组合，例如and或nor运算的逻辑组合。
[0041]
该方法还可以包括从第二过程控制系统设备接收第二信号，并且经由保护电路和第二变压器将第二信号传送到第一过程控制系统设备。
[0042]
第二信号的传输可以通过将第二信号编码到第二变压器的阻抗中来进行，该编码还可以是作为从第二变压器的初级绕组看到的第二变压器的阻抗变化的编码。
[0043]
在这种情况下，第二信号的传送可以包括在第二变压器的初级绕组处检测第二变压器的阻抗，并且基于检测到的阻抗的变化来重新产生第二信号。
[0044]
第二信号可以是具有第一值和第二值的二进制信号，并且通信屏障装置可以包括与第二变压器的次级绕组并联的开关。
[0045]
在这种情况下，该方法还可以包括当第二信号的第一二进制值出现在保护电路的第一侧处时闭合开关，并且当第二信号的第二二进制值出现在保护电路的第一侧处时断开开关，从而将第二信号编码为第二变压器的阻抗变化。
附图说明
[0046]
通过以下结合附图的实施例，本公开的进一步细节、优点和方面将变得显而易见，其中：
[0047]
图1示意性地示出了简化的过程控制系统，其中第一过程控制系统设备经由通信屏障装置与第二过程控制系统设备通信；
[0048]
图2示意性地示出了第一过程控制系统设备经由更详细的通信屏障装置与第二过程控制系统设备通信，该通信屏障装置包括具有第一端和第二端的保护电路；
[0049]
图3示意性地示出了保护电路的第二端处的电压；
[0050]
图4示意性地示出了操作通信屏障装置的方法中的多个方法步骤；以及
[0051]
图5更详细地示意性地示出了通信屏障装置。
具体实施方式
[0052]
下面将描述通信屏障装置。相同的附图标记将用于表示相同或相似的结构特征。
[0053]
在过程控制系统中，第一过程控制系统设备可能需要通过通信屏障装置与第二过程控制系统设备通信，该通信屏障装置将第一过程控制系统设备与第二过程控制系统设备隔离。例如，如果在需要隔离第一过程控制系统设备的环境中提供第二过程控制系统设备，例如如果在其中提供第二过程控制系统设备的环境是危险的，则可能是这种情况。危险环
境的一个示例是爆炸环境。
[0054]
图1示意性地示出了简化的过程控制系统10，其包括这样的第一过程控制系统设备pcsd 112，该第一过程控制系统设备pcsd 112经由通信屏障装置cba 16与第二过程控制系统设备pcsd 214通信，其中第二过程控制系统设备14和通信屏障装置16的部分被设置在危险环境he中。第一过程控制系统设备12例如可以是诸如微控制器的控制器，而第二过程控制系统设备14可以是诸如io(输入输出)设备之类的现场设备。它也可以实现为微控制器。通信屏障装置16例如可以是固有安全的io模块，例如针对根据iec 60079-11的ex环境。
[0055]
图2示意性地示出了第一过程控制系统设备12、第二过程控制系统设备14以及更详细的通信屏障装置16。
[0056]
通信屏障装置16包括第一驱动级ds 118、隔离屏障20、第二驱动级ds 222、保护电路prc 26和第一信号调节器sc 124。
[0057]
第一驱动级18具有用于连接到第一过程控制系统设备12的第一接口i1。第一驱动级18也被连接到隔离屏障20。隔离屏障20具有初级侧和次级侧，其中初级侧被连接到第一驱动级18，次级侧被连接到第二驱动级22。
[0058]
隔离屏障20包括第一变压器tr1和第二变压器tr2，其中每个变压器具有初级和次级绕组l1、l2、l3、l4。第一驱动级18连接到第一变压器tr1的初级绕组l1和第二变压器tr2的初级绕组l2。第二驱动级22继而连接到第一变压器tr1的次级绕组l3和第二变压器tr2的次级绕组l4。
[0059]
第二驱动级22具有第一连接端子ct1，第一连接端子ct1用于向第二过程控制系统设备14输出第一信号并且用于从第二过程控制系统设备接收第二信号s2。第一连接端子ct1经由保护电路26与第一信号调节器24的第二连接端子ct2互连。第一信号调节器24由此具有第二连接端子ct2，第二连接端子ct2用于从第二驱动级22接收第一信号s1并且用于将第二信号s2发送到第二驱动级22。第一信号调节器24还具有第二接口i2，第二接口i2用于将第一信号s1传递给第二过程控制系统设备14并且用于接收去往第一过程控制设备12的第二信号s2。
[0060]
如上所示，保护电路26被连接在第一连接端子ct1和第二连接端子ct2之间。这些连接端子可以是第二驱动级22和第一信号调节器24的唯一连接端子。因此，通过保护电路26的第一连接端子ct1和第二连接端子ct2之间的信号连接可以是第二驱动级22和第一信号调节器24之间的唯一信号连接。
[0061]
保护电路26包括两个部件，电阻器r和第一电容器c1，其中电阻器r与第一电容器c1并联连接。保护电路26还具有连接到第一连接端子ct1的第一侧28，从而第一侧28面向隔离屏障20。保护电路26还具有在并联部件的相对端处的第二侧30，并且该第二侧30被连接到第二连接端子ct2。
[0062]
第一通信接口i1从第一过程控制系统设备12接收去往第二过程控制系统设备14的第一信号s1，并将第二信号s2传递给第一过程控制系统设备12，其中第二信号s2源自第二过程控制系统设备14。
[0063]
以类似的方式，第二接口i2接收来自第二过程控制系统设备14的第二信号s2，并将第一信号s1传递给第二过程控制系统设备14，其中第一信号s1因此源自第一过程控制系统设备12。第一信号s1可以是通用异步收发器(uart)信号，而第二信号s2可以是逻辑电平
信号，例如晶体管-晶体管逻辑(ttl)电平信号。
[0064]
在隔离屏障20中，第一变压器tr1被提供用于传输第一信号s1，第二变压器tr2被提供用于传输第二信号s2。
[0065]
在第二驱动级22中，第一连接端子ct1被提供用于向第二过程控制系统设备14输出第一信号s1并且从第二过程控制系统设备14接收第二信号s2。在第一信号调节器24中，第二连接端子ct2被提供用于从第二驱动级22接收第一信号s1并且将第二信号s2发送到第二驱动级22。第一信号调节器24还可以具有连接到第二连接端子ct2的上拉电阻，用于提供可用于输出第二信号s2的信号电压电平。第一信号调节器24还可以包括用于影响第二连接端子ct2上的电压的处理逻辑。为此，可以将其实现为用于实现uart接口的现场可编程门阵列(fpga)。然而，应当认识到，其他实现也是可能的，诸如专用集成电路(asic)。
[0066]
根据本发明的各方面，第一驱动级18是有源驱动级，而第二驱动级22是无源驱动级，这意味着第一驱动级18需要被供以用于其操作的功率，而第二驱动级22不需要这种功率。这在图2中通过连接到电源电压vcc的第一驱动级18表示，而第二驱动级22没有这种电源。
[0067]
隔离屏障20被设计用于根据应用领域提供隔离。由此，第一变压器tr1和第二变压器tr2的初级绕组和次级绕组可以由具有适合于应用领域的厚度的绝缘体隔开。在用于ex环境的情况下，作为示例，绝缘体的厚度可以大于1.0mm。
[0068]
在一些这样的危险环境中，隔离屏障20可能受到危险电压的影响，该危险电压通常是足以有害的高电压。因此，感兴趣的是保护隔离屏障20，特别是隔离屏障20的变压器tr1和tr2。为此提供保护电路26。适当设计的保护电路26可以提供隔离屏障20的可靠保护。
[0069]
该保护电路26可能需要具有相当大的电阻，例如40kω以上的电阻。此外，该操作可以导致第一电容器c1被充电。当第一信号s1进入第一信号调节器24时，该充电会影响第一信号s1。
[0070]
该效应在图3的曲线b中示意性地示出，其示出了当存在保护电路时第二连接端子ct2处的电压v
ct2
，与曲线a中示出的当不存在保护电路时的相应理想电压v
ct2
相比。第二连接端子ct2处的电压也是保护电路26的第二端30处的电压。
[0071]
使用大电阻器r导致第一电容器c1被充电而没有随后的放电。因此，第一电容器c1可以是饱和的。因此，信号s1中的信息可能变得不可能被第一信号调节器24解码。
[0072]
本发明的各方面针对允许在保护隔离屏障20的同时检测信号。
[0073]
现在还将参照图4公开如何实现这一点，图4示出了操作通信屏障装置16的方法中的多个方法步骤的流程图。
[0074]
在该方法中，第一驱动级18从第一过程控制系统设备12接收第一信号s1，s100，并且第一信号调节器24从第二过程控制系统设备14接收第二信号s2，s102。然后，第一信号s1和第二信号s2通过通信屏障装置16被传输。因此，在步骤s104，第一驱动级18经由第一变压器tr1、第二驱动级22、保护电路26和第一信号调节器24将第一信号s1传送到第二过程控制系统设备14。第一信号调节器24又经由保护电路26、第二驱动级22、第二变压器tr2和第一驱动级18将第二信号s2传送到第一过程控制系统设备12，s106。
[0075]
为了使能信号电平检测，第一信号调节器24可以调查第一连接端子ct1处的电压，这也是对保护电路26的第一侧28处的电压的调查。
[0076]
第一连接端子ct1上的信号可以包括至少一个零电压电平。
[0077]
如果此时第一信号调节器24检测到在保护电路28的第一侧28处(s108)，即在第一连接端子ct1处存在零电压电平，则第一信号调节器24将保护电路26的第二侧30处的电压下拉到零(s110)。通过向第二连接端子ct2提供零电压，例如通过将第二连接端子ct2接地，进行这种下拉。可以在第一连接端子具有零电压的同时进行下拉，从而第一电容器c1将被放电。
[0078]
还可以在保护电路26的第二侧上，即在第二连接端子ct2处进行监测。在这种情况下，第一信号调节器24可以将第二连接端子ct2处的电压v
ct2
与阈值进行比较，并且如果阈值被超过则将该电压v
ct2
下拉至零。因此，可以通过将第二连接端子ct2处的电压与阈值进行比较，并且如果检测到阈值正被越过，即电压超过阈值，则将该连接端子处的电压拉至零，来执行检测。一旦放电完成，可以允许电压再次上升直到阈值再次被越过。该阈值可以是低于通过使用上拉电阻器提供的信号电平的阈值，例如在信号电平的一部分处，例如在信号电平的1/4。
[0079]
在图3的曲线c中可以看出这是如何实现的，其中还可以看出，一旦第二连接端子ct2处的电压v
ct2
达到阈值，电压就被下拉，这发生在第一连接端子ct1处的电压为零且第一电容器c1具有对应于阈值的电荷时。因此，电压被强制下拉到零，从而第一电容器c1被放电。还可以看出，当第一连接端子ct1具有零电压时，在一段时间内可能有几个这样的放电周期。
[0080]
由此可以保护隔离屏障20，同时使能检测第一信号s1。
[0081]
现在将描述通信屏障装置的各方面，其中将给出关于可以传送信号的方式的更多细节。
[0082]
图5示意性地示出了通信屏障装置16的更多细节。
[0083]
第一驱动级18包括连接到第一变压器tr1的初级绕组l1的第一编码电路38。第一编码电路38将第一信号s1编码为具有载波频率的载波ca，并且经由第一变压器tr1、第二驱动级22和保护电路26将具有编码的第一信号s1的载波ca传送到第一信号调节器24。信号调节器24继而从载波ca提取第一信号s1。
[0084]
编码可以是第一信号s1与载波的逻辑组合。第一编码电路38由此可以是第一逻辑电路，第一逻辑电路可以是对第一信号s1和载波ca执行逻辑nor操作的nor门，在这种情况下载波ca是高频载波，例如高频方波。这意味着第一编码电路38的输出取决于第一信号s1的符号的载波脉冲数目或零电压。这里应该认识到，第一编码电路也可以是执行逻辑and操作的and门。
[0085]
因此，该方法还可以包括：在第一驱动级18中将第一信号s1编码到载波ca中，其中第一信号的传送包括经由第一变压器tr1将具有编码的第一信号s1的载波ca传送到第一信号调节器24，并且在信号调节器24中从载波ca提取第一信号s1。
[0086]
还可以看出，第二驱动级22包括连接到第一连接端子ct1的第一晶体管t1。第一晶体管t1具有连接到第一变压器tr1的次级绕组l3的基极或栅极、连接到第一连接端子ct1的集电极或漏极、以及接地的发射极或源极。在本示例中，晶体管是双极晶体管，为什么它具有以上述方式定向的栅极，发射极和集电极。
[0087]
还存在连接在第一变压器tr1的次级绕组l3和第一晶体管t1之间的整流器32。整
流器32有利地使用一个或多个二极管来实现。
[0088]
由于第一变压器tr1经由二极管整流器和具有上述取向的第一变压器被连接到保护电路26，所以第二驱动级22可以在不使用电源电压的情况下将具有经调制的第一信号的载波传送到第一信号调节器24。
[0089]
为了将第二信号s2传送到第一驱动级18，第二驱动级22包括与第二变压器tr2的次级绕组l4并联的开关sw，该开关sw使用第二连接端子ct2来操作。因此，在不使用外部电源的情况下操作开关sw。因此，第二信号s2也可以在不使用外部电源的情况下由第二驱动级22传送。
[0090]
阻抗检测器34也被连接到第二变压器tr2的初级绕组l2，第二信号调节器36被连接到阻抗检测器34。阻抗检测器可以实现为二极管。第二信号调节器36可以实现为比较器，该比较器将检测到的阻抗与阻抗阈值进行比较，并且基于该比较来输出二进制脉冲，该二进制脉冲重新产生第二信号。如果检测到的阻抗高于阈值，它可以输出一个二进制值，如果阻抗低于阈值，它可以输出另一个二进制值。
[0091]
在这种情况下，第二信号s2的传输是通过将第二信号s2编码到第二变压器tr2的阻抗中作为第二变压器tr2的阻抗变化来进行的，其中该阻抗是从第二变压器tr2的初级绕组l2看到的阻抗。在该方法中，通信屏障装置16以及在这种情况下的第二驱动级22将第二信号s2编码到第二变压器tr2的阻抗中，该编码可以是从第二变压器tr2的初级绕组l2看到的作为第二变压器tr2的阻抗变化的编码。在第一驱动级18中，然后在初级绕组l3处检测第二变压器tr2的阻抗，并且基于检测到的阻抗的变化重新产生第二信号s2。更具体地，通过将所测量的阻抗与阻抗阈值进行比较来重新产生信号。
[0092]
为了执行编码，第二连接端子ct2处的第二信号s2是具有第一值和第二值的二进制信号，其中信号经由第一连接端子ct1被施加到开关sw。以下是可能的：第二信号的第一二进制值对应于第二连接端子ct2处的信号电压电平并且第二信号的第二二进制电平对应于第二连接端子处的零电压电平。然后，当第一二进制值出现在第一连接端子ct1上时，开关sw闭合，而当第二二进制值出现在第一连接端子ct1上时，开关sw断开，从而将第二信号s2编码为第二变压器tr2的阻抗变化。
[0093]
此外，第一二进制值可以对应于第一信号调节器24的第二连接端子ct2处的信号电压电平，并且第二二进制值可以对应于第一信号调节器24的第二连接端子ct2处的零电压电平。开关sw还可以实现为第二晶体管，其漏极和源极或集电极和发射极连接到第二变压器tr2的次级绕组l4，栅极或基极连接到第一连接端子ct1。在当前情况下，第二晶体管是开漏极金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，这就是为什么它是具有上述取向的漏极、源极和栅极。
[0094]
可以提高阻抗检测的灵敏度。这可以通过将第二电容器c2与第二变压器tr2的初级绕组l2并联连接来实现，第二电容器c2具有被选择来将第二变压器tr2的谐振频率调谐到载波频率的值。
[0095]
最后可以看出，第一驱动级还包括连接到第二变压器tr2的初级绕组的第二逻辑电路40，其中接收载波的第二逻辑电路40是逆变器。它反转载波并将其提供给第二变压器tr2。
[0096]
如上所示，提供了通信屏障装置，其中在不停止信号检测的情况下引入隔离屏障
的保护。此外，可以使第二驱动级为无源的，而不需要与第二信号检测中的改进灵敏度相结合的电源电压。
[0097]
在此应该认识到，若干变化是可能的。
[0098]
可以省略第二驱动级的整流器和第一变压器。此外，在一些情况下，可以不需要第二信号。在这种情况下，可以省略第二驱动级和第二变压器的开关。当然，也可以从第一驱动级中省略阻抗检测器和第二信号调节器。
[0099]
因此，虽然已经参照示例性实施例描述了本公开，但是应当理解，本发明仅受限于权利要求。