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工业过程控制中信号隔离的重要性

  信号隔离器在生产过程起监视和控制的作用是自动化仪表的一种。在计算机及相应执行机构,过程中的信号既有微弱到毫伏级的小信号,又有数十伏的大信号,而且还有高达数千伏、数百安培的信号要处理。从频率上讲,有直流低频范围的,也有高频/脉冲尖峰。设备、仪表间互扰成为系统调试中必须要解决的问题。除了电磁屏蔽之外,解决各种设备、仪表的“地”,也即信号参考点的电位差,将成为重要课题。因为不同设备、仪表的信号要互传互送,那就存在信号参考点问题。换句话说,要使信号完整传送,理想化的情况是所有设备、仪表中的信号有一个共同的参考点,也即共有一个“地”。进一步讲,所有设备、仪表的信号的参考点之间电位为“零”。但是在实际环境中,这一点几乎是不可及的,这里面除了各个设备、仪表“地”之间连线电阻产生的电压降之外,尚有各种设备、仪表在不同环境受到干扰不同,以及导线接点经受风吹雨淋,导致接点质量下降等诸多因素。致使各个“地”之间有差别。

  两个现场设备仪表(A,B)向PLC传送信号以及PLC向两台现场设备仪表发出信号。假定传送的均为0-10VDC信号。理想情况,PLC及两个现场设备“地”电位完全相等。传送过程中又没有干扰,这样从PLC输入来看,接收正确。但正如前所述,两个现场设备通常有“地”电位差,举例来讲,A设备“地”与PLC"地"同电位,B设备比它们的“地”电位高0.1V,这样A设备给PLC的信号为0-10V,而B设备给PLC的为0.1V-10.1V,误差就产生了,同时A,B设备的“地”线在PLC汇合联接。将0.1V电压施加在PLC地线条上,有可能损坏PLC局部“地”线,同时在显示错误数据,由此引起的问题在现场调试中屡有出现。一个经典案例可以说明信号隔离的重要性:某大型公司的生产线调试中,使用某厂家手操器。数据采集板有每八个通道,八个通道共用一个12位A/D,经过变换后,由12个光耦实现与主机隔离。它的八个通道输入之间并没有隔离,致使八个通道输入信号每个单独接入采集板均正常,接入两个或多于两个外部信号时,显示数字乱跳,故障无法排除。又如某海巡船测试发动机各点温度,使用K型偶转传感器,同上述相似,仅测试一点一切正常,但是向主机接入两点或两点以上温度时,显示的温度明显错误。这两种情况在接入隔离器后,均正常。

  隔离器之所以能起到这个作用,就是它具有使输入/输出在电气上完全隔离的特点。换句话讲,输入/输出之间没有共同“地”,外来信号不管是0-10V,或带着+10V干扰的10V-20V经隔离后均为0-10V,也即隔离后新建立的PLC“地”与外部设备、仪表“地”没关系。正是由于这个原因,也实现输入到PLC主机的多个外接设备仪表信号之间隔离,也即它们之间没有“地”的关系。

  上面谈了输入到PLC信号的隔离,同样在PLC向外部信号设备传出信号也有类似现象问题。显然采用隔离器亦能达到解决问题的目的。

  谈到PLC向外部设备、仪表发送信号,有一种情况经常遇到:要求PLC的输出即能给显示仪表,又能传送给变频器一类的设备。欲彻底解决干扰问题,推荐使用隔离式信号分配器。这种隔离器即实现PLC输出信号与外设隔离,同时实现外设之间隔离。

  有时现场仪表在配套时,由于协调不利,产生了如下情况,接收信号设备(例如接收4-20mA)接口连接为两线制方式,也即接收口为一个24V电源与一个250Ω相串联.接口两根线:一个为24V正极,一个为250Ω一端,适于连接现场两线制变送器。假如现场设备为四线制变送器,输出4-20mA。这样进行直接连接将造成电源冲突。解决方法是采用隔离器将现场来的4-20mA接收并隔离,在隔离器的输出部份接入一个标准的两线制变送器,以应对接收设备的接口。

  隔离器要保证输入/输出两个部分隔离,外加工作电源24V在为输入、输出部份供电同时,必须确保在电气上与两个部分隔离。这种输入/输出/外加工作电源之间全部相互隔离的器件常称为三隔离或全隔离器件. 从理论上讲这种供电方式,不管隔离器数量多少,均可用一台24V电源供电,不会产生干扰。

  如果处理标准信号4-20mA,0-10V,0-5V输入及输出4-20mA,0-10V,0-5V信号,且同时需给前级设备供电的情况下,也称输入/输出/电源三端全隔离,我们极力的推荐采用汉为电子有限公司(highway co.ltd)的有源信号隔离放大模块(又称隔离配电器或信号调理器)T62系列,该系列产品具有0.1和0.05级的精度,同时温漂控制在25PPM/℃,隔离耐压强度高达3KV到6KVDC,线性的输出保证了信号在传输过程当中的完美,同时提供了内嵌电源的灵活多样选择(输入/输出:5V,12V,24V).

  如果处理4-20mA到4-20mA电流信号的隔离,同时不需要给前级设备配电的同时,这里推荐一种纯无源信号隔离器T60系列。显然省去外接电源,使接线更简捷,且功耗低、温升小、自身热量低、可靠性高。T60的大特点在于不需要外接电源,它带来了简捷可靠的优点,但也带来了使用上的局限性. T60只能对于4-20mA的电流信号进行的隔离传送,而不能处理电压信号输入,从另一个意义上讲是功率传送,内部的功率损耗必不可少.损耗表现在输入端和输出端电流/电压乘积的差值上。以负载电阻RL=250Ω为例,当输出为20mA时,输出端250Ω上的电压为5.0V,而输入端的两端间电压测试为8.8V.简单计算表明,内部损耗等于20mA×(8.8V-5.0V)=76(mW),也即内部损耗为76毫瓦.从使用者角度来看,假若输出端负载电阻RL等于250Ω,那么从输入端看进去的等效电阻大值为8.8V/20mA=440(Ω)。换言之,在这种情况下输入的4-20mA电流源必须具有驱动440Ω负载的能力,才能使T60系列无源隔离器在输出端负载电阻RL等于250Ω条件下正常工作。不过,从经验来看大部分现场仪表能满足这些条件.

  从隔离角度看二线制变送器(含压力、温度、流量…),分为隔离式及非隔离式。采用隔离式二线制变送器的主要目的是提高抗干扰能力.

  二线制变送器的隔离有两种方式.一种方式传感器和变送器一体而又必须放置在现场指定地点,对于这种情况一般把隔离器安置在中央控制室机柜中.对现场二线制变送器的电源配送有二种接口形式,要根据现场具体情况来定.    

  在隔离端子电路前部安装进口名牌IC(集成电路)公司的专用电路,实现温度隔离变送,虽然比零件组装式(诸如用廉价OPA)成本高,但在长期性能稳定性、可靠性方面是零件组装无法比拟的。引入优质元器件是隔离端子稳定可靠的基本保证,同时专用IC在功能上诸如长线补偿、恒流驱动、线性化性能齐备。

  信号隔离放大器设计日趋小型化,那么小型化的目的就是少占空间。当然应该允许用户密集安装,密集安装就存在散热问题。换句话讲,必须降低内部功耗。江苏省苏科仪表有限公司所有产品均为超小体积模块化设计,方便用户在更小的PCB板上配置更多的信号隔离器,同时外围无需任何器件和电路即可以达到信号传输的完美和恒流源的输出使传送距离更远。

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