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[动态]工业现场隔离器件的应用和选择

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文章出处:中国工控网 [2007/5/12 ]
责任编辑:上仪营销中心技术部
作者:张平,谢翔
    生产过程监视和控制中要用到多种自动化仪表、计算机及相应执行机构,互相传递的既有微弱的毫伏级小信号,又有数十伏大信号,甚至还有高达数千伏、数百安培信号。从频率上讲,有直流低频,也有高频脉冲。设备、仪表间的互相干扰就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”,即信号参考点的电位差,是现场调试的重要问题。
 
    一、隔离的二个原则
  
 信号要完整传送,就要解决不同设备、仪表信号间的参考点电位差。理想化的情况是所有设备、仪表的信号有一个共同的参考点,即共有一个“地”。进一步讲,所有设备、仪表的电参考点之间电位差为“零”。在实际环境中,这一点几乎是不可能。这里面除了各个设备、仪表“地”之间的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的干扰不同,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。以图1为例。

     图1中两个现场设备1#,2#向PLC传送信号以及PLC向两台现场设备3#,4#发出信号。假定传送信号均为0-10VDC。理想情况,PLC及两个现场设备1#,2#的“地”电位完全相等。传送过程中又没有干扰, PLC接收正确。但如前所述,两个现场设备通常有“地”电位差.举例来讲,1#设备“地”与PLC“地”电位相同,2#设备的电位参考点比它们的“地”电位高0.1V。这样1#设备给PLC的信号为0-10V,而2#设备给PLC的为0.1V-10.1V,误差就产生了。同时1#,2#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局部电路板线条,同时会显示错误的数据。
    “地”引起的问题在现场调试中屡有出现。例如某大型建材公司在生产线监控设备中,使用了国外某公司PLC和国内某厂家手操器。该PLC的每个数据采集板由八个通道组成,八个通道共用一个12位A/D,经过变换后的数字信号输送到由12个光耦构成的隔离器实现与主机隔离,但它的八个通道输入之间并没有隔离。在输入信号时,每个通道单独输入到采集板均正常。若同时输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。又如航天某部门使用K型热偶作为传感器测试发动机各点温度,同上述相似,在测试一个点时一切正常,但是向主机接入二个点或更多点时,显示的温度明显错误。这两种情况使用隔离器后,问题解决工作正常。
    隔离器之所以能起到这个作用,就是由于它具有使输入/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,还是带着共模干扰电压的0-10V经隔离后均为0-10V.即隔离后新建立的“地”与外部设备、仪表“地”没关系。正是由于这个原因,也实现了输入到PLC主机的多个外接设备仪表信号之间隔离,即它们之间没有“地”的关系。
    上面谈了输入信号和PLC的隔离,同样PLC向外部设备输出信号也有类似现象问题,采用隔离器就能达到解决问题的目的。
    另一种经常遇到的情况是要求一个信号既能向显示仪表输送信号,又能传送给诸如变频器之类的设备,这样就有可能在两个设备之间产生互扰。这时就要求二个输出之间也是隔离的。推荐使用隔离式信号分配器。它能实现输入信号与外部设备隔离,同时实现接收信号设备之间隔离。如图2。

图2 隔离式信号分配器典型应用
    综上所述,解决“地”问题要遵循两个原则。第一:外部设备与中央处理系统(例如PLC、DCS)之间要进行电气隔离。第二:外部设备信号(无论是向中央处理系统发送信号的外部设备到还是接收信号的外部设备)之间要实现相互电气隔离。系统安装遵循了这两个原则就能完全克服由于“地”之间的差异引入的干扰。
    大多数隔离器都要外加工作电源,一般为DC 24V或AC 220V。这个电源在为输入、输出部份供电时必须确保在电气上与输入/输出两个部分隔离。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,均可用一台电源供电,不会引入干扰。这样的产品符合上述的二个原则。
    二、依据接口选择产品
    工业现场最常见的信号是4-20mA﹑0-10V,对于诸如压力、温度、流量等物理量也要处理成4-20mA﹑0-10V信号以便计算机处理。将这些物理量转换为仪表用4-20mA﹑0-10V信号的设备称为--变送器。图3给出了以Pt100为传感器的隔离温度变送器应用连线图。它以电阻变化体现温度变化,因而现场连接线线电阻会引入误差。一般讲来象WS9050﹑WS2050这类变送器都具有长线补偿功能,能消除引线电阻引入的误差并有线性化功能,确保精确转换。

图3 两种隔离温度变送器

    象WS2050这类二线制变送器,它的电源与输出共“地”,没有隔离。当多个Pt100经由多路WS2050输送到PLC时,虽然输出共用一个24V电源,只要输出接到有共同参考点的模拟量输入板,这种连接就符合本文上述指出的二个原则,解决了不同“地”引入的扰动。需要注意的是:多路WS2050接到不同的PLC就要使用各自的24V电源。
    针对变送器的隔离还有另一种方式,传感器和变送器为一体而又必须放置在现场指定地点。此时一般把隔离器安置在中央控制室机柜中,由机柜中的隔离器为现场变送器配送电源。图4给出了针对不同接口的两种产品连线图。使用哪一种要根据现场情况决定。

  4 PLC两种接口与隔离配电连接示意图

    现场调试也会出现仪表接口不匹配。例如现场发送设备为四线制变送器输出4-20mA,而接收端4-20mA的接口为二线回路供电方式,若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安装一个专用电路用以匹配接口的二线回路供电方式。这种隔离器也可以处理来自现场的0-10V0-5AAC等电压电流信号。如图5

 5 解决电源冲突的WS2022

    一般4-20mA电流信号隔离器需要外接工作电源。这里推荐一种不用另外再加电源的隔离器WS1562。如图6

  6 省去外接电源的电流隔离器

    WS1562的最大特点是无需外接电源,接线简捷﹑功耗低﹑可靠性能高,多路连接符合上述二个原则。 7WS1562在输出为20mA条件下,输出负载和输入端电压关系曲线。VIN表示输入端电压﹑RL表示输出负载电阻﹑VO表示输出负载电阻上的电压。

                                     图7 输入端电压/输出负载曲线
8给出二种无源隔离器输出负载对线性度曲线,其中实线描绘的性能较好,输出负载电阻RL0Ω-500Ω变化,线性度都在0.2%以内。

  8 线性度/输出负载电阻曲线

三、主要参数选取
  
选择隔离器除了要确定功能﹑注意适应前后端接口外,尚有精度﹑功耗﹑噪音﹑绝缘强度﹑总线通讯功能等许多参数需要使用者慎选。
    精度是非常重要的参数。与它有关系的参数很多。时间漂移和温度漂移两个参数表明了精度的稳定程度,要求这二个参数值越小越好。
    另一个对精度产生影响的参数是噪音。由于隔离器一般采用DC/DC产生隔离电源给产品内部电路供电,而输入信号也要先被调制成脉冲再经过隔离带(光偶或变压器)然后解调到输出。以CPU为核心的隔离器也存在脉冲信号。这些工作脉冲的频率多在20KHZ100KHZ范围。它的边缘陡峭﹑谐波丰富,对信号的污染很难消除。如果噪音较高,数据采集器采集到信号的误差就大。所以噪音的峰值和能量越小越好。
    功耗是指隔离器工作时消耗的电能,它涉及到产品产生的热量。这个参数与产品长期使用的可靠性有密切关系。
    根据模拟电路测试,不同的功耗在产品壳体内产生的热量不同,引起壳内温升也不同。产品处于工作状态下,产品壳体内比壳体外的环境温度要高出10℃30℃。若散热不好,可能升高50℃以上。如果壳体内温度过高,组成产品的元器件在高温中长期工作,这会对产品性能产生重要影响。长时间的高温环境使运算放大器参数蜕变﹑电阻阻值变化﹑电容漏电增大等,这将使产品性能下降,甚至导致产品失效。所以用户在选取中要注意功耗这个参数,尤其在用量较大﹑安装密度较高﹑散热不好时,功耗这个参数尤显重要。
    隔离端子设计日趋小型化,那么小型化的目的就是少占空间,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,必须降低产品功耗,降低产品内部温度,这是提高产品可靠性的前提之一。
    大部分隔离器采用导轨安装,接线采用端子接线,这种隔离器通常称为隔离端子,适用安装在机柜中,它的接线拆换方便。

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