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工业过程控制中信号隔离的重要性 |
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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。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、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。情况，PLC及两个现场设备“地”电位相等。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型偶作为传感器，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,我们推荐采用某电子公司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,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的最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,内部的功率损耗无法避免.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最大值为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. 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。
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