摘要：本文介紹了隔離器件在工業(yè)現(xiàn)場的應用以及它與計算機﹑儀器儀表接口的具體情況
關鍵詞：隔離，接口，溫度變送器
生產過程監(jiān)視和控制中要用到多種自動化儀表、計算機及相應執(zhí)行機構，互相傳遞的既有微弱的毫伏級小信號,又有數(shù)十伏大信號，甚至還有高達數(shù)千伏、數(shù)百安培信號。從頻率上講，有直流低頻，也有高頻脈沖。設備、儀表間的互相干擾就成為系統(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”，即信號參考點的電位差，是現(xiàn)場調試的重要問題。
一．隔離的二個原則
信號要完整傳送，就要解決不同設備、儀表信號間的參考點電位差。理想化的情況是所有設備、儀表的信號有一個共同的參考點，即共有一個“地”。進一步講，所有設備、儀表的電參考點之間電位差為“零”。在實際環(huán)境中，這一點幾乎是不可能。這里面除了各個設備、儀表“地”之間的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)境受到的干擾不同，以及導線接點經(jīng)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。以圖一為例。
圖一 PLC與外接儀表示意圖
圖一中兩個現(xiàn)場設備1＃，2＃向PLC傳送信號以及PLC向兩臺現(xiàn)場設備3＃，4＃發(fā)出信號。假定傳送信號均為0-10VDC。理想情況，PLC及兩個現(xiàn)場設備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，兩個現(xiàn)場設備通常有“地”電位差.舉例來講，1#設備“地”與PLC“地”電位相同，2#設備的電位參考點比它們的“地”電位高0.1V。這樣1#設備給PLC的信號為0-10V，而2#設備給PLC的為0.1V-10.1V,誤差就產生了。同時1#,2#設備的“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，同時會顯示錯誤的數(shù)據(jù)。
“地”引起的問題在現(xiàn)場調試中屢有出現(xiàn)。例如某大型建材公司在生產線監(jiān)控設備中，使用了國外某公司PLC和國內某廠家手操器。該PLC的每個數(shù)據(jù)采集板由八個通道組成，八個通道共用一個12位A/D，經(jīng)過變換后的數(shù)字信號輸送到由12個光耦構成的隔離器實現(xiàn)與主機隔離，但它的八個通道輸入之間并沒有隔離。在輸入信號時，每個通道單獨輸入到采集板均正常。若同時輸入兩個或多于兩個外部信號時，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試發(fā)動機各點溫度，同上述相似，在測試一個點時一切正常，但是向主機接入二個點或更多點時，顯示的溫度明顯錯誤。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。換句話講，輸入/輸出之間沒有共同“地”，外來信號不管是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”與外部設備、儀表“地”沒關系。正是由于這個原因，也實現(xiàn)了輸入到PLC主機的多個外接設備儀表信號之間隔離，即它們之間沒有“地”的關系。
上面談了輸入信號和PLC的隔離，同樣PLC向外部設備輸出信號也有類似現(xiàn)象問題，采用隔離器就能達到解決問題的目的。
另一種經(jīng)常遇到的情況是要求一個信號既能向顯示儀表輸送信號，又能傳送給諸如變頻器之類的設備，這樣就有可能在兩個設備之間產生互擾。這時就要求二個輸出之間也是隔離的。推薦使用隔離式信號分配器。它能實現(xiàn)輸入信號與外部設備隔離，同時實現(xiàn)接收信號設備之間隔離。如圖二：
圖二 隔離式信號分配器典型應用
綜上所述，解決“地”問題要遵循兩個原則。第一：外部設備與中央處理系統(tǒng)（例如PLC、DCS）之間要進行電氣隔離。第二：外部設備信號（無論是向中央處理系統(tǒng)發(fā)送信號的外部設備到還是接收信號的外部設備）之間要實現(xiàn)相互電氣隔離。系統(tǒng)安裝遵循了這兩個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。這個電源在為輸入、輸出部份供電時必須確保在電氣上與輸入/輸出兩個部分隔離。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，均可用一臺電源供電，不會引入干擾。這樣的產品符合上述的二個原則。
二．依據(jù)接口選擇產品
工業(yè)現(xiàn)場最常見的信號是4-20mA﹑0-10V，對于諸如壓力、溫度、流量等物理量也要處理成4-20mA﹑0-10V信號以便計算機處理。將這些物理量轉換為儀表用4-20mA﹑0-10V信號的設備稱為--變送器。圖三給出了以Pt100為傳感器的隔離溫度變送器應用連線圖。它以電阻變化體現(xiàn)溫度變化，因而現(xiàn)場連接線線電阻會引入誤差。一般講來象WS9050﹑WS2050這類變送器都具有長線補償功能，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。當多個Pt100經(jīng)由多路WS2050輸送到PLC時，雖然輸出共用一個24V電源，只要輸出接到有共同參考點的模擬量輸入板，這種連接就符合本文上述指出的二個原則，解決了不同“地”引入的擾動。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)場指定地點。此時一般把隔離器安置在中央控制室機柜中，由機柜中的隔離器為現(xiàn)場變送器配送電源。圖四給出了針對不同接口的兩種產品連線圖。使用哪一種要根據(jù)現(xiàn)場情況決定。
圖4 PLC兩種接口與隔離配電連接示意圖
現(xiàn)場調試也會出現(xiàn)儀表接口不匹配。例如現(xiàn)場發(fā)送設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)場來的4-20mA接收并隔離，在隔離器的輸出部份安裝一個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)場的0-10V，0-5AAC等電壓電流信號。
一般4-20mA電流信號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的最大特點是無需外接電源,接線簡捷﹑功耗低﹑可靠性能高,多路連接符合上述二個原則。
圖七是WS1562在輸出為20mA條件下，輸出負載和輸入端電壓關系曲線。VIN表示輸入端電壓﹑RL表示輸出負載電阻﹑VO表示輸出負載電阻上的電壓。
圖八給出二種無源隔離器輸出負載對線性度曲線，其中實線描繪的性能較好，輸出負載電阻RL從0Ω-500Ω變化，線性度都在0.2%以內。
三．主要參數(shù)選取
選擇隔離器除了要確定功能﹑注意適應前后端接口外，尚有精度﹑功耗﹑噪音﹑絕緣強度﹑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)。與它有關系的參數(shù)很多。時間漂移和溫度漂移兩個參數(shù)表明了精度的穩(wěn)定程度，要求這二個參數(shù)值越小越好。
另一個對精度產生影響的參數(shù)是噪音。由于隔離器一般采用DC/DC產生隔離電源給產品內部電路供電，而輸入信號也要先被調制成脈沖再經(jīng)過隔離帶（光偶或變壓器）然后解調到輸出。以CPU為核心的隔離器也存在脈沖信號。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，對信號的污染很難消除。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消耗的電能，它涉及到產品產生的熱量。這個參數(shù)與產品長期使用的可靠性有密切關系。
根據(jù)模擬電路測試，不同的功耗在產品殼體內產生的熱量不同，引起殼內溫升也不同。產品處于工作狀態(tài)下，產品殼體內比殼體外的環(huán)境溫度要高出10℃～30℃。若散熱不好，可能升高50℃以上。如果殼體內溫度過高，組成產品的元器件在高溫中長期工作，這會對產品性能產生重要影響。長時間的高溫環(huán)境使運算放大器參數(shù)蛻變﹑電阻阻值變化﹑電容漏電增大等，這將使產品性能下降，甚至導致產品失效。所以用戶在選取中要注意功耗這個參數(shù)，尤其在用量較大﹑安裝密度較高﹑散熱不好時，功耗這個參數(shù)尤顯重要。
隔離端子設計日趨小型化，那么小型化的目的就是少占空間，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，必須降低產品功耗，降低產品內部溫度，這是提高產品可靠性的前提之一。
大部分隔離器采用導軌安裝，接線采用端子接線，這種隔離器通常稱為隔離端子，適用安裝在機柜中，它的接線拆換方便。
四，結束語
由于集散分布系統(tǒng)的廣泛應用，系統(tǒng)電平越來越低，導致電氣信號遠傳中的電氣干擾問題變得突出起來。電氣自動化系統(tǒng)的電氣隔離在電子信息時代越來越重要。設計和選用電氣信號隔離器件是確保自動化系統(tǒng)正常穩(wěn)定達標運行的重要技術方法。
