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隔離器, 信號隔離器; signal isolator, signal converter

系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的原因

在工業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制需要用到各種自動化儀表、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu),它們之間的信號傳輸既有微弱到毫伏級、微安級的小信號,又有幾十伏,甚至數(shù)千伏、數(shù)百安培的大信號;既有低頻直流信號,也有高頻脈沖信號等等,構(gòu)成系統(tǒng)后往往發(fā)現(xiàn)在儀表和設(shè)備之間信號傳輸互相干擾,造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至誤操作。出現(xiàn)這種情況除了每個(gè)儀表、設(shè)備本身的性能原因如抗電磁干擾影響外,還有一個(gè)十分重要的因素就是由于儀表和設(shè)備之間的信號參考點(diǎn)之間存在電勢差,因而形成"接地環(huán)路"造成信號傳輸過程中失真。因此,要保證系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行,"接地環(huán)路"問題是在系統(tǒng)信號處理過程中必須解決的問題。

解決"接地環(huán)路"的方法

根據(jù)理論和實(shí)踐分析,有三種解決方案：

第一種方案：所有現(xiàn)場設(shè)備不接地,使所有過程環(huán)路只有一個(gè)接地點(diǎn),不能形成回路,這種方法看似簡單,但在實(shí)際應(yīng)用中往往很難實(shí)現(xiàn),因?yàn)槟承┰O(shè)備要求必須接地才能保證測量精度或確保人身安全,某些設(shè)備可能因?yàn)殚L期遭到腐蝕和磨損后或氣候影響而形成新的接地點(diǎn)。

第二種方案：使兩接地點(diǎn)的電勢相同,但由于接地點(diǎn)的電阻受地質(zhì)條件及氣候變化等眾多因素的影響,這種方案其實(shí)在實(shí)際中無法完全做到。

第三種方案:在各個(gè)過程環(huán)路中使用信號隔離方法,斷開過程環(huán)路,同時(shí)又不影響過程信號的正常傳輸,從而徹底解決接地環(huán)路問題。

本產(chǎn)品采用了先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù),在對高、低頻干擾信號的抑制方面均有著優(yōu)異表現(xiàn),即使在大功率變頻控制系統(tǒng)中依然能夠可靠應(yīng)用,內(nèi)部采用數(shù)字化調(diào)校、無零點(diǎn)及滿度電位器、自動動態(tài)校準(zhǔn)零點(diǎn)、溫度漂移自動補(bǔ)償?shù)戎T多先進(jìn)技術(shù),并符合IEC61000-4-4:這一系列技術(shù)的應(yīng)用使產(chǎn)品的穩(wěn)定性及可靠性得到科學(xué)的保證。

以上各項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)先國際先進(jìn)水平。

適用性:

智能隔離器可以與單元組合儀表及DCS、PLC等系統(tǒng)配套使用,在油田、石化、制造、電力、冶金等行業(yè)的重大工程中有著廣泛應(yīng)用。

1、供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì) 對傳感器、儀器儀表正常工作危害最嚴(yán)重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾,產(chǎn)生尖峰干擾的用電設(shè)備有:電焊機(jī)、大電機(jī)、可控機(jī)、繼電接觸器、帶鎮(zhèn)流器的充氣照明燈等。尖峰干擾可用硬件、軟件結(jié)合的辦法來抑制。

干擾控制器

①用硬件線路抑制尖峰干擾的影響 常用辦法主要有三種: ①在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均衡的原理設(shè)計(jì)的干擾控制器,將尖峰電壓集中的能量分配到不同的頻段上,從而減弱其破壞性; ②在儀器交流電源輸入端加超級隔離變壓器,利用鐵磁共振原理抑制尖峰脈沖; ③在儀器交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻,利用尖峰脈沖到來時(shí)電阻值減小以降低儀器從電源分得的電壓,從而削弱干擾的影響。

②利用軟件方法抑制尖峰干擾 對于周期性干擾,可以采用編程進(jìn)行時(shí)間濾波,也就是用程序控制可控硅導(dǎo)通瞬間不采樣,從而有效地消除干擾。

③采用硬、軟件結(jié)合的看門狗(watchdog)技術(shù)抑制尖峰脈沖的影響 軟件:在定時(shí)器定時(shí)到之前,CPU訪問一次定時(shí)器,讓定時(shí)器重新開始計(jì)時(shí),正常程序運(yùn)行,該定時(shí)器不會產(chǎn)生溢出脈沖,watchdog也就不會起作用。一旦尖峰干擾出現(xiàn)了"飛程序",則CPU就不會在定時(shí)到之前訪問定時(shí)器,因而定時(shí)信號就會出現(xiàn),從而引起系統(tǒng)復(fù)位中斷,保證智能儀器回到正常程序上來。

④實(shí)行電源分組供電,例如:將執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動電源與控制電源分開,以防止設(shè)備間的干擾。

⑤采用噪聲濾波器也可以有效地抑制交流伺服驅(qū)動器對其它設(shè)備的干擾。該措施對以上幾種干擾現(xiàn)象都可以有效地抑制。

采用隔離變壓器 考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初、次級線圈的互感耦合,而是靠初、次級寄生電容耦合的,因此隔離變壓器的初、次級之間均用屏蔽層隔離,減少其分布電容,以提高抵抗共模干擾能力。

采用高抗干擾性能的電源,如利用頻譜均衡法設(shè)計(jì)的高抗干擾電源。這種電源抵抗隨機(jī)干擾非常有效,它能把高尖峰的擾動電壓脈沖轉(zhuǎn)換成低電壓峰值(電壓峰值小于TTL電平)的電壓,但干擾脈沖的能量不變,從而可以提高傳感器、儀器儀表的抗干擾能力。

隔離器一般由輸入信號處理單元、隔離單元、輸出信號處理單元、電源等4部份構(gòu)成。雖然實(shí)際應(yīng)用中的隔離器基本上都是由上述四個(gè)單元構(gòu)成,但輸入、輸出的類型和數(shù)量的不同,組成了種類繁多的型號,下面的表格大致進(jìn)行了歸納。

輸入處理單元大致類型:

產(chǎn)品的功耗是各個(gè)功能單元功耗的總和,只有降低各個(gè)功能單元的功耗才能使得總得功耗降低,增加產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性和壽命。隔離器主要在輸入、輸出、電源、隔離四個(gè)單元進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

1、 輸出單元模塊的自適應(yīng)負(fù)載技術(shù)

輸出模塊可以根據(jù)負(fù)載的大小動態(tài)調(diào)整輸出模塊的輸出功率,從而減少自身的發(fā)熱。傳統(tǒng)的負(fù)載設(shè)計(jì)是根據(jù)額定負(fù)載的大小設(shè)計(jì)輸出功率,當(dāng)輸出負(fù)載非常小時(shí),多余的負(fù)載功率就耗散在儀表內(nèi)部,從而時(shí)儀表自身發(fā)熱。假設(shè)一臺隔離器的輸出負(fù)載設(shè)計(jì)為750歐姆,那么輸出驅(qū)動功率一般設(shè)計(jì)為0.5W。如果在實(shí)際應(yīng)用中此隔離器的負(fù)載使用在50歐姆的環(huán)境下,那么就有 0.5W – 0.02W = 0.48W的功率轉(zhuǎn)換為儀表自身的發(fā)熱。如果時(shí)多路輸出將產(chǎn)生更多的熱量,而降低輸出模塊的額定功率在實(shí)際應(yīng)用中又難以應(yīng)付市場的復(fù)雜狀況。

2、隔離單元模塊的低功耗改進(jìn)

隔離單元是決定產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的重要單元。

隔離技術(shù)主要有磁隔離與光隔離兩大類。隔離電路形式有直接調(diào)制耦合,反饋調(diào)制耦合等多種形式,具體采用什么形式要根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)而定�？偟膩碇v可以大致分為開關(guān)量信號采用光隔離,模擬量信號采用磁隔離的方式。從技術(shù)復(fù)雜程度來看,磁隔離比光隔離處理技術(shù)復(fù)雜,采用磁隔離技術(shù),設(shè)計(jì)者可以根據(jù)技術(shù)指標(biāo)采用合適的設(shè)計(jì)方案,隔離的線性、精度可以根據(jù)產(chǎn)品的要求靈活控制。而光隔離的線性、精度只能依賴器件廠家提供的技術(shù)指標(biāo),設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整的方式很少,也不可能超過廠家提供的技術(shù)指標(biāo)。由于功耗大,光電隔離也不能實(shí)現(xiàn)無源隔離。磁隔離模式有電流互感模式、電流互感反饋模式、電壓互感模式、電壓互感反饋模式、電流互感功率補(bǔ)償模式等,電流互感功率補(bǔ)償模式是相對來說功耗最低的模式。

3、電源模塊

電源的技術(shù)指標(biāo)是基礎(chǔ),決定產(chǎn)品的性能。流行的電源拓?fù)湫问诫m然非常多,也很成熟。

在各個(gè)過程環(huán)路中使用信號隔離辦法可以用DCS或PLC等隔離卡件或者現(xiàn)場帶隔離的變送器(部分設(shè)備可以做到),也可以使用信號隔離器來實(shí)現(xiàn)。比較起來,用信號隔離器有以下優(yōu)點(diǎn):

1、絕大部分情況,采用信號隔離器+非隔離卡件比采用隔離卡件便宜。

2、信號隔離器比隔離卡件在隔離能力、抗電磁干擾等方面性能更加優(yōu)越。

3、信號隔離器應(yīng)用靈活,而且它還有型號轉(zhuǎn)換和 信號分配功能,使用起來更加方便。

4、信號隔離器通常有單通道、雙通道、一入二出等通道形式,通道間相互完全獨(dú)立,構(gòu)成系統(tǒng)的配置、日常維護(hù)更加方便。

智能隔離器的說明:

SKGL型智能隔離器是將輸入單路或雙路的電流或電壓信號,變送輸出隔離的單路或雙路線性的電流或電壓信號,并提高輸入、輸出、電源之間的電氣隔離性能。

隔離器常見的供電方式有獨(dú)立供電、回路供電和輸出回路供電。

獨(dú)立供電的隔離器:

需要配備獨(dú)立20~35VDC的直流電源。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是隔離傳輸精度高;電源、輸入、輸出之間完全隔離,多路系統(tǒng)供電電源不需隔離,可保證高抗干擾性能,輸入信號可以變換為其它類型的型號。

回路供電的隔離器:

在實(shí)際工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中,DCS、PLC或其他顯示儀表具有卡件內(nèi)部供電的使用越來越廣泛�；芈饭╇娦透綦x器又往往不能滿足這些卡件對信號隔離傳輸精度要求高和二線制變送器配電電壓要求高的條件。因此,輸出回路供電型的隔離器既保留了獨(dú)立供電型隔離器的優(yōu)越性能,又滿足輸出回路供電接口的要求。

系統(tǒng)傳輸準(zhǔn)確度:±0.2%×F·S

溫度漂移:≤0.005%F·S/℃

工作溫度:工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn) -10~+55℃

輸入阻抗:電流:100Ω;電壓:500KV

電流輸出允許外接的負(fù)載阻抗:

4-20mA輸出時(shí)0~500Ω;0-10mA輸出時(shí)0~1KΩ,需要更大的負(fù)載能力請?jiān)谟嗀洉r(shí)說明。

電磁兼容:符合IEC61000-4-4:1995中所規(guī)定的第四類(惡劣工業(yè)現(xiàn)場)環(huán)境對產(chǎn)品的抗電磁干擾要求。

輸入/輸出/電源/通訊/雙路間絕緣強(qiáng)度:≥1500AAC

儲運(yùn)環(huán)境溫度:-40~+80℃

相對濕度:10-90%RH(40℃時(shí))

供電電源:交流: AC 95~265V

直流:DC12V~32V(反接保護(hù))

輸入功率:0.9~1.8W(與型號有關(guān),詳見本手冊附錄中關(guān)于輸入功率的計(jì)算方法)

通訊接口:RS232 或 RS485,MODBUS軟件協(xié)議(選配)。

外形尺寸:寬×高×深:22.5×100×115mm

在隔離器選型時(shí)除了要確定隔離器的功能、適應(yīng)前后端接口外,還有精度、輸出紋波、溫度漂移、功耗、響應(yīng)時(shí)間等許多參數(shù)需要用戶謹(jǐn)慎選擇。

步驟/方法

精度

隔離器的精度是非常重要的參數(shù),精度的高低直接關(guān)系到隔離器能否正常使用。隔離器的精度體現(xiàn)了隔離器的設(shè)計(jì)、制造水平。用戶在選用時(shí)應(yīng)該選用精度高的產(chǎn)品。

輸出紋波

對隔離器精度產(chǎn)生影響的參數(shù)還有輸出紋波。輸出紋波的產(chǎn)生是由于隔離器使用DC/DC電路對隔離器的工作電源進(jìn)行隔離給隔離器內(nèi)部電路供電,輸入信號也要先使用DC/DC電路調(diào)制成交流信號然后經(jīng)過隔離部分電路進(jìn)行信號隔離,隔離后的信號經(jīng)解調(diào)后再轉(zhuǎn)換成直流信號輸出。以CPU為核心的隔離器也存在脈沖信號。隔離器內(nèi)部存在的這種高頻的交流分量,就是產(chǎn)生輸出紋波的原因。這些高頻的交流分量它們的頻率一般都有幾百KHZ、諧波較多,對信號的污染很難完全清除。如果輸出紋波較高,控制系統(tǒng)模擬量輸入模板采集到信號的誤差就大,對于高速輸入的模擬量輸入模板更是如此。所以選擇隔離器時(shí)應(yīng)要求輸出紋波的峰-峰值越小越好。順連電子的各種系列隔離器均采用高效的濾波電路,較好的抑制了輸出紋波。用戶在選用時(shí)應(yīng)該選用紋波小的產(chǎn)品。

溫度漂移

溫度漂移是由于隔離器工作時(shí)產(chǎn)生熱量,導(dǎo)致隔離器內(nèi)所使用的電子元器件性能指標(biāo)下降造成隔離器的輸出值發(fā)生變化。選擇隔離器時(shí)應(yīng)要求溫度漂移的值越小越好。為了防止溫度漂移,帕羅肯隔離器產(chǎn)品進(jìn)行了低功耗、微功耗設(shè)計(jì),使得隔離器工作時(shí)本身的發(fā)熱量很小甚至于不發(fā)熱,這樣就能防止因產(chǎn)品工作時(shí)發(fā)熱引起所使用元器件的性能指標(biāo)下降,防止造成溫度漂移。用戶在選用時(shí)應(yīng)該選用溫度漂移小的產(chǎn)品。

低功耗

功耗是指隔離器工作時(shí)所消耗的電能。它涉及到產(chǎn)品在工作時(shí)的發(fā)熱量,這個(gè)參數(shù)與隔離器的使用壽命、可靠性和隔離器的外形、安裝方式都有密切的關(guān)系。在選用隔離器時(shí)應(yīng)選擇功耗低的產(chǎn)品。隔離器的電路設(shè)計(jì)上采用了新技術(shù)是:輸出部分可以根據(jù)負(fù)載的大小動態(tài)調(diào)整輸出功率的自適應(yīng)負(fù)載技術(shù);隔離部分的電流互感功率補(bǔ)償技術(shù);電源部分的參數(shù)式開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)。我們公司隔離器的功耗只有世界一流品牌產(chǎn)品功耗的一半以下。

若產(chǎn)品的功耗大,在產(chǎn)品工作時(shí)產(chǎn)生的熱量就大,造成產(chǎn)品殼體內(nèi)的溫度高。組成產(chǎn)品的電子元器件長期的處于高溫環(huán)境下,會導(dǎo)致運(yùn)算放大器參數(shù)蛻變﹑電阻阻值變化﹑電容漏電增大等。這些問題將使產(chǎn)品性能下降,甚至導(dǎo)致產(chǎn)品故障、失效。

沒有低功耗設(shè)計(jì)的保證,產(chǎn)品就不可能做到隔離器的超薄型、小型化、端子化。我們公司推出了國內(nèi)最薄的低功耗MZ系列產(chǎn)品、微功耗的MZ二線制系列產(chǎn)品和無源系列產(chǎn)品。國內(nèi)的主流產(chǎn)品厚度一般都在20mm~30mm之間,國外最新產(chǎn)品的厚度為6.0mm。為了節(jié)約控制系統(tǒng)的控制柜、電源、接線端子、連接線和人工成本等工程費(fèi)用,用戶在選用時(shí)應(yīng)該選用低功耗的產(chǎn)品。

響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間是指產(chǎn)品的輸入量發(fā)生變化到產(chǎn)品的輸出量正確的將變化量反映的輸出上的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短,就能夠越真實(shí)的正確反映出輸入量的變化,有效的監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程。在選擇隔離器時(shí)響應(yīng)時(shí)間要求越短越好。用戶在選用時(shí)應(yīng)該選用響應(yīng)時(shí)間小的產(chǎn)品。

隨著科技的發(fā)展,隔離端子的設(shè)計(jì)日趨小型化,而小型化的目的就是少占空間。當(dāng)然應(yīng)該允許用戶密集安裝,密集安裝則存在散熱問題,那么必須降低內(nèi)部功耗。因此內(nèi)部功耗的數(shù)值在選用時(shí)也應(yīng)注意。

金湖明通相關(guān)人士認(rèn)為,現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了許多以CPU為核心的隔離端子,具有現(xiàn)場可編及通信功能,有很高的靈活性,對顧客來講可以減少庫存數(shù)量,降低資金積壓。

以CPU為核心的隔離端子必將成為這個(gè)領(lǐng)域主流。

而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(diǎn)。一般把隔離端子安置在中央控制室機(jī)柜中,由機(jī)柜中的隔離端子為現(xiàn)場變送器配送電源,使用哪一種要根據(jù)PLC接口情況決定。

現(xiàn)場調(diào)試也許會出現(xiàn)儀表和PLC接口不匹配,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。