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工業(yè)過(guò)程控制中信號(hào)隔離的重要性 |
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信號(hào)隔離器在生產(chǎn)過(guò)程起監(jiān)視和控制的作用是自動(dòng)化儀表的一種。在計(jì)算機(jī)及相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),過(guò)程中的信號(hào)既有微弱到毫伏級(jí)的小信號(hào),又有數(shù)十伏的大信號(hào),而且還有高達(dá)數(shù)千伏、數(shù)百安培的信號(hào)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(shè)備、儀表間互擾成為系統(tǒng)調(diào)試中必須要解決的問(wèn)題。除了電磁屏蔽之外，解決各種設(shè)備、儀表的“地”，也即信號(hào)參考點(diǎn)的電位差。因?yàn)椴煌O(shè)備、儀表的信號(hào)要互傳互送，那就存在信號(hào)參考點(diǎn)問(wèn)題。換句話(huà)說(shuō)，要使信號(hào)完整傳送、儀表中的信號(hào)有一個(gè)共同的參考點(diǎn)，也即共有一個(gè)“地”。進(jìn)一步講，所有設(shè)備、儀表的信號(hào)的參考點(diǎn)之間電位為“零”。但是在實(shí)際環(huán)境中，這里面除了各個(gè)設(shè)備、儀表“地”之間連線(xiàn)電阻產(chǎn)生的電壓降之外，尚有各種設(shè)備、儀表在不同環(huán)境受到干擾不同，以及導(dǎo)線(xiàn)接點(diǎn)經(jīng)受風(fēng)吹雨淋，導(dǎo)致接點(diǎn)質(zhì)量下降等諸多因素。致使各個(gè)“地”之間有差別。 兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備儀表(A,B)向PLC傳送信號(hào)以及PLC向兩臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備儀表發(fā)出信號(hào)。假定傳送的均為0-10VDC信號(hào)。情況，PLC及兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備“地”電位相等。傳送過(guò)程中又沒(méi)有干擾，這樣從PLC輸入來(lái)看，接收正確。但正如前所述，兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通常有“地”電位差,舉例來(lái)講,A設(shè)備“地”與PLC"地"同電位，B設(shè)備比它們的“地”電位高0.1V，這樣A設(shè)備給PLC的信號(hào)為0-10V，而B(niǎo)設(shè)備給PLC的為0.1V-10.1V,誤差就產(chǎn)生了,同時(shí)A,B設(shè)備的“地”線(xiàn)在PLC匯合聯(lián)接。將0.1V電壓施加在PLC地線(xiàn)條上，有可能損壞PLC局部“地”線(xiàn)，同時(shí)在顯示錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，由此引起的問(wèn)題在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中屢有出現(xiàn)。一個(gè)經(jīng)典案例可以說(shuō)明信號(hào)隔離的重要性:某公司的生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)試中，使用某廠(chǎng)家手操器。數(shù)據(jù)采集板有每八個(gè)通道，八個(gè)通道共用一個(gè)12位A/D，經(jīng)過(guò)變換后，由12個(gè)光耦實(shí)現(xiàn)與主機(jī)隔離。它的八個(gè)通道輸入之間并沒(méi)有隔離，致使八個(gè)通道輸入信號(hào)每個(gè)單獨(dú)接入采集板均正常，接入兩個(gè)或多于兩個(gè)外部信號(hào)時(shí)，顯示數(shù)字亂跳，故障無(wú)法排除。又如某海巡船測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)各點(diǎn)溫度，使用K型偶作為傳感器，同上述相似，僅測(cè)試一點(diǎn)一切正常，但是向主機(jī)接入兩點(diǎn)或兩點(diǎn)以上溫度時(shí)，顯示的溫度明顯錯(cuò)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(gè)作用，就是它具有使輸入/輸出在電氣上隔離的特點(diǎn)。換句話(huà)講，輸入/輸出之間沒(méi)有共同“地”，外來(lái)信號(hào)不管是0-10V，或帶著+10V干擾的10V-20V經(jīng)隔離后均為0-10V，也即隔離后新建立的PLC“地”與外部設(shè)備、儀表“地”沒(méi)關(guān)系。正是由于這個(gè)原因，也實(shí)現(xiàn)輸入到PLC主機(jī)的多個(gè)外接設(shè)備儀表信號(hào)之間隔離，也即它們之間沒(méi)有“地”的關(guān)系。 上面談了輸入到PLC信號(hào)的隔離，同樣在PLC向外部信號(hào)設(shè)備傳出信號(hào)也有類(lèi)似現(xiàn)象問(wèn)題。顯然采用隔離器亦能達(dá)到解決問(wèn)題的目的。 談到PLC向外部設(shè)備、儀表發(fā)送信號(hào)，有一種情況經(jīng)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(lèi)的設(shè)備。欲解決干擾問(wèn)題，推薦使用隔離式信號(hào)分配器。這種隔離器即實(shí)現(xiàn)PLC輸出信號(hào)與外設(shè)隔離，同時(shí)實(shí)現(xiàn)外設(shè)之間隔離。 有時(shí)現(xiàn)場(chǎng)儀表在配套時(shí)，由于協(xié)調(diào)不利，產(chǎn)生了如下情況，接收信號(hào)設(shè)備(例如接收4-20mA)接口連接為兩線(xiàn)制方式，也即接收口為一個(gè)24V電源與一個(gè)250Ω相串聯(lián).接口兩根線(xiàn)：一個(gè)為24V正極，一個(gè)為250Ω一端，適于連接現(xiàn)場(chǎng)兩線(xiàn)制變送器。假如現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為四線(xiàn)制變送器，輸出4-20mA。這樣進(jìn)行直接連接將造成電源沖突。解決方法是采用隔離器將現(xiàn)場(chǎng)來(lái)的4-20mA接收并隔離，在隔離器的輸出部份接入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的兩線(xiàn)制變送器，以應(yīng)對(duì)接收設(shè)備的接口。 隔離器要保證輸入/輸出兩個(gè)部分隔離，外加工作電源24V在為輸入、輸出部份供電同時(shí)，必須確保在電氣上與兩個(gè)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(chēng)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(shù)量多少，均可用一臺(tái)24V電源供電，不會(huì)產(chǎn)生干擾。 如果處理標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4-20mA，0-10V，0-5V輸入及輸出4-20mA，0-10V，0-5V信號(hào)，且同時(shí)需給前級(jí)設(shè)備供電的情況下，也稱(chēng)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(hào)隔離放大模塊（又稱(chēng)隔離配電器或信號(hào)調(diào)理器）T62系列，該系列產(chǎn)品具有0.1和0.05級(jí)的精度,同時(shí)溫漂控制在25PPM/℃,隔離耐壓強(qiáng)度高達(dá)3KV到6KVDC,線(xiàn)性的輸出保證了信號(hào)在傳輸過(guò)程當(dāng)中,同時(shí)提供了內(nèi)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(hào)的隔離，同時(shí)不需要給前級(jí)設(shè)備配電的同時(shí),這里推薦一種純無(wú)源信號(hào)隔離器T60系列。顯然省去外接電源,使接線(xiàn)更簡(jiǎn)捷,且功耗低、溫升小、自身熱量低、可靠性高。T60的最大特點(diǎn)在于不需要外接電源,它帶來(lái)了簡(jiǎn)捷可靠的優(yōu)點(diǎn),但也帶來(lái)了使用上的局限性. T60只能對(duì)于4-20mA的電流信號(hào)進(jìn)行的隔離傳送,而不能處理電壓信號(hào)輸入,從另一個(gè)意義上講是功率傳送,內(nèi)部的功率損耗無(wú)法避免.損耗表現(xiàn)在輸入端和輸出端電流/電壓乘積的差值上。以負(fù)載電阻RL=250Ω為例，當(dāng)輸出為20mA時(shí),輸出端250Ω上的電壓為5.0V,而輸入端的兩端間電壓測(cè)試為8.8V.簡(jiǎn)單計(jì)算表明,內(nèi)部損耗等于20mA×（8.8V-5.0V）=76(mW),也即內(nèi)部損耗為76毫瓦.從使用者角度來(lái)看，假若輸出端負(fù)載電阻RL等于250Ω，那么從輸入端看進(jìn)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(qū)動(dòng)440Ω負(fù)載的能力，才能使T60系列無(wú)源隔離器在輸出端負(fù)載電阻RL等于250Ω條件下正常工作。不過(guò),從經(jīng)驗(yàn)來(lái)看大部分現(xiàn)場(chǎng)儀表能滿(mǎn)足這些條件. 從隔離角度看二線(xiàn)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(xiàn)制變送器的主要目的是提高抗干擾能力. 二線(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)指定地點(diǎn)，對(duì)于這種情況一般把隔離器安置在中央控制室機(jī)柜中.對(duì)現(xiàn)場(chǎng)二線(xiàn)制變送器的電源配送有二種接口形式，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況來(lái)定. 信號(hào)隔離放大器設(shè)計(jì)日趨小型化，那么小型化的目的就是少占空間。當(dāng)然應(yīng)該允許用戶(hù)密集安裝，密集安裝就存在散熱問(wèn)題。換句話(huà)講，必須降低內(nèi)部功耗。
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