摘要：本文介紹了隔離器件在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用以及它與計(jì)算機(jī)﹑儀器儀表接口的具體情況
關(guān)鍵詞：隔離，接口，溫度變送器
生產(chǎn)過程監(jiān)視和控制中要用到多種自動(dòng)化儀表、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，互相傳遞的既有微弱的毫伏級(jí)小信號(hào),又有數(shù)十伏大信號(hào)，甚至還有高達(dá)數(shù)千伏、數(shù)百安培信號(hào)。從頻率上講，有直流低頻，也有高頻脈沖。設(shè)備、儀表間的互相干擾就成為系統(tǒng)調(diào)試中必須要解決的問題。除了電磁屏蔽之外，解決各種設(shè)備、儀表的“地”，即信號(hào)參考點(diǎn)的電位差，是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的重要問題。
一．隔離的二個(gè)原則
信號(hào)要完整傳送，就要解決不同設(shè)備、儀表信號(hào)間的參考點(diǎn)電位差。理想化的情況是所有設(shè)備、儀表的信號(hào)有一個(gè)共同的參考點(diǎn)，即共有一個(gè)“地”。進(jìn)一步講，所有設(shè)備、儀表的電參考點(diǎn)之間電位差為“零”。在實(shí)際環(huán)境中，這一點(diǎn)幾乎是不可能。這里面除了各個(gè)設(shè)備、儀表“地”之間的連線電阻產(chǎn)生的電壓降之外，尚有各種設(shè)備、儀表在不同環(huán)境受到的干擾不同，以及導(dǎo)線接點(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。以圖一為例。
圖一 PLC與外接儀表示意圖
圖一中兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備1＃，2＃向PLC傳送信號(hào)以及PLC向兩臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備3＃，4＃發(fā)出信號(hào)。假定傳送信號(hào)均為0-10VDC。理想情況，PLC及兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備1＃，2＃的“地”電位完全相等。傳送過程中又沒有干擾， PLC接收正確。但如前所述，兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通常有“地”電位差.舉例來講，1#設(shè)備“地”與PLC“地”電位相同，2#設(shè)備的電位參考點(diǎn)比它們的“地”電位高0.1V。這樣1#設(shè)備給PLC的信號(hào)為0-10V，而2#設(shè)備給PLC的為0.1V-10.1V,誤差就產(chǎn)生了。同時(shí)1#,2#設(shè)備的“地”線在PLC匯合聯(lián)接，將0.1V電壓施加在PLC地線條上，有可能損壞PLC局部電路板線條，同時(shí)會(huì)顯示錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。
“地”引起的問題在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中屢有出現(xiàn)。例如某大型建材公司在生產(chǎn)線監(jiān)控設(shè)備中，使用了國(guó)外某公司PLC和國(guó)內(nèi)某廠家手操器。該P(yáng)LC的每個(gè)數(shù)據(jù)采集板由八個(gè)通道組成，八個(gè)通道共用一個(gè)12位A/D，經(jīng)過變換后的數(shù)字信號(hào)輸送到由12個(gè)光耦構(gòu)成的隔離器實(shí)現(xiàn)與主機(jī)隔離，但它的八個(gè)通道輸入之間并沒有隔離。在輸入信號(hào)時(shí)，每個(gè)通道單獨(dú)輸入到采集板均正常。若同時(shí)輸入兩個(gè)或多于兩個(gè)外部信號(hào)時(shí)，顯示數(shù)字亂跳，故障無法排除。又如航天某部門使用K型熱偶作為傳感器測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)各點(diǎn)溫度，同上述相似，在測(cè)試一個(gè)點(diǎn)時(shí)一切正常，但是向主機(jī)接入二個(gè)點(diǎn)或更多點(diǎn)時(shí)，顯示的溫度明顯錯(cuò)誤。這兩種情況使用隔離器后，問題解決工作正常。
隔離器之所以能起到這個(gè)作用，就是由于它具有使輸入/輸出在電氣上完全隔離的特點(diǎn)。換句話講，輸入/輸出之間沒有共同“地”，外來信號(hào)不管是0-10V，還是帶著共模干擾電壓的0-10V經(jīng)隔離后均為0-10V.即隔離后新建立的“地”與外部設(shè)備、儀表“地”沒關(guān)系。正是由于這個(gè)原因，也實(shí)現(xiàn)了輸入到PLC主機(jī)的多個(gè)外接設(shè)備儀表信號(hào)之間隔離，即它們之間沒有“地”的關(guān)系。
上面談了輸入信號(hào)和PLC的隔離，同樣PLC向外部設(shè)備輸出信號(hào)也有類似現(xiàn)象問題，采用隔離器就能達(dá)到解決問題的目的。
另一種經(jīng)常遇到的情況是要求一個(gè)信號(hào)既能向顯示儀表輸送信號(hào)，又能傳送給諸如變頻器之類的設(shè)備，這樣就有可能在兩個(gè)設(shè)備之間產(chǎn)生互擾。這時(shí)就要求二個(gè)輸出之間也是隔離的。推薦使用隔離式信號(hào)分配器。它能實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與外部設(shè)備隔離，同時(shí)實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)設(shè)備之間隔離。如圖二：
圖二 隔離式信號(hào)分配器典型應(yīng)用
綜上所述，解決“地”問題要遵循兩個(gè)原則。第一：外部設(shè)備與中央處理系統(tǒng)（例如PLC、DCS）之間要進(jìn)行電氣隔離。第二：外部設(shè)備信號(hào)（無論是向中央處理系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)的外部設(shè)備到還是接收信號(hào)的外部設(shè)備）之間要實(shí)現(xiàn)相互電氣隔離。系統(tǒng)安裝遵循了這兩個(gè)原則就能完全克服由于“地”之間的差異引入的干擾。
大多數(shù)隔離器都要外加工作電源，一般為DC 24V或AC 220V。這個(gè)電源在為輸入、輸出部份供電時(shí)必須確保在電氣上與輸入/輸出兩個(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(shù)量多少，均可用一臺(tái)電源供電，不會(huì)引入干擾。這樣的產(chǎn)品符合上述的二個(gè)原則。
二．依據(jù)接口選擇產(chǎn)品
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最常見的信號(hào)是4-20mA﹑0-10V，對(duì)于諸如壓力、溫度、流量等物理量也要處理成4-20mA﹑0-10V信號(hào)以便計(jì)算機(jī)處理。將這些物理量轉(zhuǎn)換為儀表用4-20mA﹑0-10V信號(hào)的設(shè)備稱為--變送器。圖三給出了以Pt100為傳感器的隔離溫度變送器應(yīng)用連線圖。它以電阻變化體現(xiàn)溫度變化，因而現(xiàn)場(chǎng)連接線線電阻會(huì)引入誤差。一般講來象WS9050﹑WS2050這類變送器都具有長(zhǎng)線補(bǔ)償功能，能消除引線電阻引入的誤差并有線性化功能，確保精確轉(zhuǎn)換。
圖3 二種隔離溫度變送器
象WS2050這類二線制變送器，它的電源與輸出共“地”，沒有隔離。當(dāng)多個(gè)Pt100經(jīng)由多路WS2050輸送到PLC時(shí)，雖然輸出共用一個(gè)24V電源，只要輸出接到有共同參考點(diǎn)的模擬量輸入板，這種連接就符合本文上述指出的二個(gè)原則，解決了不同“地”引入的擾動(dòng)。需要注意的是：多路WS2050接到不同的PLC就要使用各自的24V電源。
針對(duì)變送器的隔離還有另一種方式，傳感器和變送器為一體而又必須放置在現(xiàn)場(chǎng)指定地點(diǎn)。此時(shí)一般把隔離器安置在中央控制室機(jī)柜中，由機(jī)柜中的隔離器為現(xiàn)場(chǎng)變送器配送電源。圖四給出了針對(duì)不同接口的兩種產(chǎn)品連線圖。使用哪一種要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況決定。
圖4 PLC兩種接口與隔離配電連接示意圖
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試也會(huì)出現(xiàn)儀表接口不匹配。例如現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送設(shè)備為四線制變送器輸出4-20mA，而接收端4-20mA的接口為二線回路供電方式，若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)來的4-20mA接收并隔離，在隔離器的輸出部份安裝一個(gè)專用電路用以匹配接口的二線回路供電方式。這種隔離器也可以處理來自現(xiàn)場(chǎng)的0-10V，0-5AAC等電壓電流信號(hào)。
一般4-20mA電流信號(hào)隔離器需要外接工作電源。這里推薦一種不用另外再加電源的隔離器WS1562。如圖六：
WS1562的最大特點(diǎn)是無需外接電源,接線簡(jiǎn)捷﹑功耗低﹑可靠性能高,多路連接符合上述二個(gè)原則。
圖七是WS1562在輸出為20mA條件下，輸出負(fù)載和輸入端電壓關(guān)系曲線。VIN表示輸入端電壓﹑RL表示輸出負(fù)載電阻﹑VO表示輸出負(fù)載電阻上的電壓。
圖八給出二種無源隔離器輸出負(fù)載對(duì)線性度曲線，其中實(shí)線描繪的性能較好，輸出負(fù)載電阻RL從0Ω-500Ω變化，線性度都在0.2%以內(nèi)。
三．主要參數(shù)選取
選擇隔離器除了要確定功能﹑注意適應(yīng)前后端接口外，尚有精度﹑功耗﹑噪音﹑絕緣強(qiáng)度﹑總線通訊功能等許多參數(shù)需要使用者慎選。
精度是非常重要的參數(shù)。與它有關(guān)系的參數(shù)很多。時(shí)間漂移和溫度漂移兩個(gè)參數(shù)表明了精度的穩(wěn)定程度，要求這二個(gè)參數(shù)值越小越好。
另一個(gè)對(duì)精度產(chǎn)生影響的參數(shù)是噪音。由于隔離器一般采用DC/DC產(chǎn)生隔離電源給產(chǎn)品內(nèi)部電路供電，而輸入信號(hào)也要先被調(diào)制成脈沖再經(jīng)過隔離帶（光偶或變壓器）然后解調(diào)到輸出。以CPU為核心的隔離器也存在脈沖信號(hào)。這些工作脈沖的頻率多在20KHZ～100KHZ范圍。它的邊緣陡峭﹑諧波豐富，對(duì)信號(hào)的污染很難消除。如果噪音較高，數(shù)據(jù)采集器采集到信號(hào)的誤差就大。所以噪音的峰值和能量越小越好。
功耗是指隔離器工作時(shí)消耗的電能，它涉及到產(chǎn)品產(chǎn)生的熱量。這個(gè)參數(shù)與產(chǎn)品長(zhǎng)期使用的可靠性有密切關(guān)系。
根據(jù)模擬電路測(cè)試，不同的功耗在產(chǎn)品殼體內(nèi)產(chǎn)生的熱量不同，引起殼內(nèi)溫升也不同。產(chǎn)品處于工作狀態(tài)下，產(chǎn)品殼體內(nèi)比殼體外的環(huán)境溫度要高出10℃～30℃。若散熱不好，可能升高50℃以上。如果殼體內(nèi)溫度過高，組成產(chǎn)品的元器件在高溫中長(zhǎng)期工作，這會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生重要影響。長(zhǎng)時(shí)間的高溫環(huán)境使運(yùn)算放大器參數(shù)蛻變﹑電阻阻值變化﹑電容漏電增大等，這將使產(chǎn)品性能下降，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品失效。所以用戶在選取中要注意功耗這個(gè)參數(shù)，尤其在用量較大﹑安裝密度較高﹑散熱不好時(shí)，功耗這個(gè)參數(shù)尤顯重要。
隔離端子設(shè)計(jì)日趨小型化，那么小型化的目的就是少占空間，應(yīng)該允許用戶密集安裝，密集安裝就存在散熱問題。換句話講，必須降低產(chǎn)品功耗，降低產(chǎn)品內(nèi)部溫度，這是提高產(chǎn)品可靠性的前提之一。
大部分隔離器采用導(dǎo)軌安裝，接線采用端子接線，這種隔離器通常稱為隔離端子，適用安裝在機(jī)柜中，它的接線拆換方便。
四，結(jié)束語
由于集散分布系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)電平越來越低，導(dǎo)致電氣信號(hào)遠(yuǎn)傳中的電氣干擾問題變得突出起來。電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的電氣隔離在電子信息時(shí)代越來越重要。設(shè)計(jì)和選用電氣信號(hào)隔離器件是確保自動(dòng)化系統(tǒng)正常穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行的重要技術(shù)方法。
