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工業(yè)過程控制中信號隔離的重要性 |
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信號隔離器在生產過程起監(jiān)視和控制的作用是自動化儀表的一種。在計算機及相應執(zhí)行機構,過程中的信號既有微弱到毫伏級的小信號,又有數十伏的大信號,而且還有高達數千伏、數百安培的信號要處理。從頻率上講，有直流低頻范圍的，也有高頻/脈沖尖峰。設備、儀表間互擾成為系統(tǒng)調試中必須要解決的問題。除了電磁屏蔽之外，解決各種設備、儀表的“地”，也即信號參考點的電位差。因為不同設備、儀表的信號要互傳互送，那就存在信號參考點問題。換句話說，要使信號完整傳送、儀表中的信號有一個共同的參考點，也即共有一個“地”。進一步講，所有設備、儀表的信號的參考點之間電位為“零”。但是在實際環(huán)境中，這里面除了各個設備、儀表“地”之間連線電阻產生的電壓降之外，尚有各種設備、儀表在不同環(huán)境受到干擾不同，以及導線接點經受風吹雨淋，導致接點質量下降等諸多因素。致使各個“地”之間有差別。 兩個現場設備儀表(A,B)向PLC傳送信號以及PLC向兩臺現場設備儀表發(fā)出信號。假定傳送的均為0-10VDC信號。情況，PLC及兩個現場設備“地”電位相等。傳送過程中又沒有干擾，這樣從PLC輸入來看，接收正確。但正如前所述，兩個現場設備通常有“地”電位差,舉例來講,A設備“地”與PLC"地"同電位，B設備比它們的“地”電位高0.1V，這樣A設備給PLC的信號為0-10V，而B設備給PLC的為0.1V-10.1V,誤差就產生了,同時A,B設備的“地”線在PLC匯合聯接。將0.1V電壓施加在PLC地線條上，有可能損壞PLC局部“地”線，同時在顯示錯誤數據，由此引起的問題在現場調試中屢有出現。一個經典案例可以說明信號隔離的重要性:某公司的生產線調試中，使用某廠家手操器。數據采集板有每八個通道，八個通道共用一個12位A/D，經過變換后，由12個光耦實現與主機隔離。它的八個通道輸入之間并沒有隔離，致使八個通道輸入信號每個單獨接入采集板均正常，接入兩個或多于兩個外部信號時，顯示數字亂跳，故障無法排除。又如某海巡船測試發(fā)動機各點溫度，使用K型偶作為傳感器，同上述相似，僅測試一點一切正常，但是向主機接入兩點或兩點以上溫度時，顯示的溫度明顯錯誤。這兩種情況在接入隔離器后，均正常。 隔離器之所以能起到這個作用，就是它具有使輸入/輸出在電氣上隔離的特點。換句話講，輸入/輸出之間沒有共同“地”，外來信號不管是0-10V，或帶著+10V干擾的10V-20V經隔離后均為0-10V，也即隔離后新建立的PLC“地”與外部設備、儀表“地”沒關系。正是由于這個原因，也實現輸入到PLC主機的多個外接設備儀表信號之間隔離，也即它們之間沒有“地”的關系。 上面談了輸入到PLC信號的隔離，同樣在PLC向外部信號設備傳出信號也有類似現象問題。顯然采用隔離器亦能達到解決問題的目的。 談到PLC向外部設備、儀表發(fā)送信號，有一種情況經常遇到：要求PLC的輸出即能給顯示儀表，又能傳送給變頻器一類的設備。欲解決干擾問題，推薦使用隔離式信號分配器。這種隔離器即實現PLC輸出信號與外設隔離，同時實現外設之間隔離。 有時現場儀表在配套時，由于協(xié)調不利，產生了如下情況，接收信號設備(例如接收4-20mA)接口連接為兩線制方式，也即接收口為一個24V電源與一個250Ω相串聯.接口兩根線：一個為24V正極，一個為250Ω一端，適于連接現場兩線制變送器。假如現場設備為四線制變送器，輸出4-20mA。這樣進行直接連接將造成電源沖突。解決方法是采用隔離器將現場來的4-20mA接收并隔離，在隔離器的輸出部份接入一個標準的兩線制變送器，以應對接收設備的接口。 隔離器要保證輸入/輸出兩個部分隔離，外加工作電源24V在為輸入、輸出部份供電同時，必須確保在電氣上與兩個部分隔離。這種輸入/輸出/外加工作電源之間全部相互隔離的器件常稱為三隔離或全隔離器件. 從理論上講這種供電方式,不管隔離器數量多少，均可用一臺24V電源供電，不會產生干擾。 如果處理標準信號4-20mA，0-10V，0-5V輸入及輸出4-20mA，0-10V，0-5V信號，且同時需給前級設備供電的情況下，也稱輸入/輸出/電源三端全隔離,我們推薦采用某電子公司有源信號隔離放大模塊（又稱隔離配電器或信號調理器）T62系列，該系列產品具有0.1和0.05級的精度,同時溫漂控制在25PPM/℃,隔離耐壓強度高達3KV到6KVDC,線性的輸出保證了信號在傳輸過程當中,同時提供了內嵌電源的靈活多樣選擇(輸入/輸出:5V,12V,24V). 如果處理4-20mA到4-20mA電流信號的隔離，同時不需要給前級設備配電的同時,這里推薦一種純無源信號隔離器T60系列。顯然省去外接電源,使接線更簡捷,且功耗低、溫升小、自身熱量低、可靠性高。T60的最大特點在于不需要外接電源,它帶來了簡捷可靠的優(yōu)點,但也帶來了使用上的局限性. T60只能對于4-20mA的電流信號進行的隔離傳送,而不能處理電壓信號輸入,從另一個意義上講是功率傳送,內部的功率損耗無法避免.損耗表現在輸入端和輸出端電流/電壓乘積的差值上。以負載電阻RL=250Ω為例，當輸出為20mA時,輸出端250Ω上的電壓為5.0V,而輸入端的兩端間電壓測試為8.8V.簡單計算表明,內部損耗等于20mA×（8.8V-5.0V）=76(mW),也即內部損耗為76毫瓦.從使用者角度來看，假若輸出端負載電阻RL等于250Ω，那么從輸入端看進去的等效電阻最大值為8.8V/20mA=440（Ω）。換言之，在這種情況下輸入的4-20mA電流源必須具有驅動440Ω負載的能力，才能使T60系列無源隔離器在輸出端負載電阻RL等于250Ω條件下正常工作。不過,從經驗來看大部分現場儀表能滿足這些條件. 從隔離角度看二線制變送器（含壓力、溫度、流量…），分為隔離式及非隔離式。采用隔離式二線制變送器的主要目的是提高抗干擾能力. 二線制變送器的隔離有兩種方式.一種方式傳感器和變送器一體而又必須放置在現場指定地點，對于這種情況一般把隔離器安置在中央控制室機柜中.對現場二線制變送器的電源配送有二種接口形式，要根據現場具體情況來定. 信號隔離放大器設計日趨小型化，那么小型化的目的就是少占空間。當然應該允許用戶密集安裝，密集安裝就存在散熱問題。換句話講，必須降低內部功耗。
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