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隔離器件在工業(yè)現(xiàn)場的應用
生產(chǎn)過程監(jiān)視和控制要用到多種自動化儀表、計算機及相應執(zhí)行機構(gòu)。過程中的信號既有微弱到毫伏級的小信號，又有數(shù)十伏的大信號，甚至還有高達數(shù)千伏、數(shù)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，解決各種設備儀表的“地”,即信號參考點的電位差，將成為重要課題。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，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，所有設備儀表信號的參考點之間電位差為“零”.但是在實際環(huán)境中，這一點幾乎是不可能的，這里面除了各個設備儀表“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(zhì)量下降等諸多因素，致使各個“地”之間有差別。以示意圖一為例。圖一 PLC與外接儀表示意圖
圖中標明有兩個現(xiàn)場設備1#、2#儀表向PLC傳送信號以及PLC向兩臺現(xiàn)場設備3#、4#儀表發(fā)出信號。假定傳送信號均為0-10VDC.理想情況下PLC及兩個現(xiàn)場設備1#、2#儀表“地”電位完全相等，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”同電位，2#設備比它們的“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(chǎn)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，可能損壞PLC局部“地”線。同時顯示錯誤的數(shù)據(jù)。由此引起的問題在現(xiàn)場調(diào)試中屢有出現(xiàn)。例如某大型建材公司生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)使用美國AB-PLC外接國內(nèi)某廠家手操器。AB-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,模擬量經(jīng)過變換后由12個光耦隔離器實現(xiàn)與主機隔離。它的八個通道輸入之間沒有隔離，致使在輸入信號時，每個通道單獨輸入到采集板均正常。但是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，僅測試一個點時正常。但是向主機接入兩點或兩點以上溫度信號時，顯示的溫度值明顯錯誤。這兩種情況在使用隔離器后，都正常了。
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,或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(guān)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(guān)系。
上面談了輸入信號和PLC信號的隔離，同樣PLC向外部設備輸出信號也有類似現(xiàn)象問題。顯然采用隔離器就能解決問題。
這類電壓/電壓隔離器及電壓/電流隔離轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品型號是WS1521、WS1522.
1.不管PLC向外部設備儀表發(fā)送信號，還是外部設備儀表向其他設備發(fā)送信號，有一種情況經(jīng)常遇到：要求一個信號即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。這就有可能在兩個設備之間產(chǎn)生干擾，若要徹底解決干擾問題，推薦使用隔離式信號分配器，它的二個輸出之間也是隔離的。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
2.現(xiàn)場儀表在配套時有可能協(xié)調(diào)不利出現(xiàn)如下情況，接收信號設備（例如接收4-20mA）接口連接為二線制方式（即接收口為一個24V電源與一個250Ω相串聯(lián)），接口的兩根線一個為24V正極、一個為250Ω一端，適于連接現(xiàn)場二線制變送器。但現(xiàn)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(xiàn)場來的4-20mA接收并隔離，在隔離器的輸出部份安裝一個標準的二線變送器，以應對接收設備的接口。這個產(chǎn)品型號為WS9030.
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24V電源供電，不會產(chǎn)生干擾。
3.對于常用的4-20mA到4-20mA電流信號的隔離，這里推薦一種不用另外再加電源的隔離器WS1562.如圖三。
圖三 省去外接電源的電流隔離器
顯然省去外接電源接線更為簡捷，且功耗低、自身熱量低、可靠性高。
WS1562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)點同時也帶來了使用上的局限性。WS1562對于4-20mA信號進行的隔離傳送，從一個意義上講是功率傳送，內(nèi)部肯定有功率損耗。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(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）。在這種情況下輸入的4-20mA電流源必須具有驅(qū)動440Ω負載的能力，才能使WS1562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(jīng)驗來看大部分現(xiàn)場儀表能滿足這些條件。
4.再談談常用的二線制變送器（含壓力、溫度、流量…），從隔離角度可以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：一種方式是傳感器和變送器一體而又必須放置在現(xiàn)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。對這種現(xiàn)場二線制變送器的電源配送有二種接口形式，要根據(jù)現(xiàn)場具體情況來定。圖四給出了針對PLC與二線制變送器兩種接口的連線圖。
圖四 PLC兩種接口與隔離配電連接示意圖
另一種方式是傳感器和變送器分成二個部分，傳感器放置在現(xiàn)場指定地點，把變送器設計為隔離式的放置在控制室中。面對PLC兩種接口方式，圖五給出了以Pt100為傳感器的隔離變送器使用連線圖。產(chǎn)品型號為WS9050及WS2050.附帶說一點，處理Pt100這類溫度變送器都考慮到了Pt100的長線補償及線性化處理。類似還有以各種熱偶為傳感器的隔離變送器，它與上述基本相同。不同的是增加了冷端補償。產(chǎn)品型號為WS9060及WS2060.其中WS2050和WS2060屬于二線制變送器。WS9050和WS9060屬于全隔離式變送器。
圖五 二種隔離溫度變送器
如果輸入信號是5A交流電流或數(shù)百伏交流電壓可以選用的產(chǎn)品型號是WS1526、WS1520.
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