隔离器件在工业现场的应用

生产过程监视和控制要用到多种自动化仪表、计算机及相应执行机构。过程中的信号既有微弱到毫伏级的小信号,又有数十伏的大信号，甚至还有高达数千伏、数百安培的信号要处理。从频率上讲，有直流低频范围的，也有高频/脉冲尖峰。设备仪表间的互相干扰就成为系统调试中必须要解决的问题。除了电磁屏蔽之外，解决各种设备仪表的“地”，即信号参考点的电位差，将成为重要课题。因为不同设备、仪表的信号要互传互送，那就存在信号参考点问题。换句话说，要使信号完整传送，理想化的情况是所有设备仪表的信号有一个共同的参考点，即共有一个“地”。进一步讲，所有设备仪表信号的参考点之间电位差为“零”。但是在实际环境中，这一点几乎是不可能的，这里面除了各个设备仪表“地”之间的连线电阻产生的电压降之外，尚 有各种设备仪表在不同环境受到的干扰不同，以及导线接点经受风吹雨淋导致接点质量下降等诸多因素，致使各个“地”之间有差别。以示意图一为例。

                 图一 PLC与外接仪表示意图
　　图中标明有两个现场设备1＃、2＃仪表向PLC传送信号以及PLC向两台现场设备3＃、4＃仪表发出信号。假定传送信号均为0-10VDC。理想情况下PLC及两个现场设备1＃、2＃仪表“地”电位完全相等，传送过程中又没有干扰。这样从PLC输入来看，接收正确。但如前所述，两个现场设备通常有“地”电位差。举例来讲，1#设备“地”与PLC“地”同电位，2#设备比它们的“地”电位高0.1V，这样1#设备给PLC的信号为0-10V，而2#设备给PLC的为0.1V-10.1V,误差就产生了.同时1#、2#设备的“地”线在PLC汇合联接，将0.1V电压施加在PLC地线条上，可能损坏PLC局部“地”线。同时显示错误的数据。由此引起的问题在现场调试中屡有出现。例如某大型建材公司生产线监控系统使用美国AB-PLC外接国内某厂家手操器。AB-PLC的每个数据采集板由八个通道组成，八个通道共用一个12位A/D，模拟量经过变换后由12个光耦隔离器实现与主机隔离。它的八个通道输入之间没有隔离，致使在输入信号时，每个通道单独输入到采集板均正常。但是同时输入两个或多于两个外部信号时，显示数字乱跳故障无法排除。又如航天某部门使用K型热偶作为传感器测试发动机各点温度。同上述相似，仅测试一个点时正常。但是向主机接入两点或两点以上温度信号时，显示的温度值明显错误。这两种情况在使用隔离器后，都正常了。
　　 隔离器之所以能起到这个作用，就是它具有使输入/输出在电气上完全隔离的特点。换句话讲，输入/输出之间没有共同“地”，外来信号不管是0-10V，或带着共模干扰电压的0-10V经隔离后均为0-10V。即隔离后新建立的“地”与外部设备仪表“地”没关系。正是由于这个原因，也实现了输入到PLC主机的多个外接设备仪表信号之间隔离，即它们之间没有“地”的关系。
　　 上面谈了输入信号和PLC信号的隔离，同样PLC向外部设备输出信号也有类似现象问题。显然采用隔离器就能解决问题。
　　 这类电压/电压隔离器及电压/电流隔离转换器的产品型号是WS1521、WS1522。
　　 1．不管PLC向外部设备仪表发送信号，还是外部设备仪表向其他设备发送信号，有一种情况经常遇到：要求一个信号即能向显示仪表输送信号，又能传送给诸如变频器之类的设备。这就有可能在两个设备之间产生干扰，若要彻底解决干扰问题，推荐使用隔离式信号分配器，它的二个输出之间也是隔离的。它能实现输入信号与外部设备隔离，同时实现接收信号设备之间隔离。如图二。

                 图二 隔离式信号分配器典型应用
　　2．现场仪表在配套时有可能协调不利出现如下情况，接收信号设备(例如接收4-20mA)接口连接为二线制方式（即接收口为一个24V电源与一个250Ω相串联），接口的两根线一个为24V正极、一个为250Ω一端，适于连接现场二线制变送器。但现场设备为四线制变送器，输出4-20mA，这样进行直接连接将造成电源冲突。解决方法是采用隔离器将现场来的4-20mA接收并隔离，在隔离器的输出部份安装一个标准的二线变送器，以应对接收设备的接口。这个产品型号为WS9030。
　　隔离器要保证输入/输出两个部分隔离，外加工作电源24V在为输入、输出部份供电同时，必须确保在电气上与两个部分隔离。这种输入/输出/外加工作电源之间全部相互隔离的器件称为三隔离或全隔离器件. 从理论上讲这种供电方式,不管隔离器数量多少，均可用一台24V电源供电，不会产生干扰。
　　3．对于常用的4-20mA到4-20mA电流信号的隔离，这里推荐一种不用另外再加电源的隔离器WS1562。如图三。


                图三 省去外接电源的电流隔离器
　　显然省去外接电源接线更为简捷，且功耗低、自身热量低、可靠性高。
　　WS1562的最大特点在于不需要外接电源,它带来了简捷可靠的优点同时也带来了使用上的局限性。WS1562对于4-20mA信号进行的隔离传送，从一个意义上讲是功率传送，内部肯定有功率损耗。损耗表现在输入端和输出端电流/电压乘积的差值上。以负载电阻RL=250Ω为例，当输出为20mA时输出端250Ω上的电压为5.0V，而输入端的两端间电压测试为8.8V。简单计算表明，内部损耗等于20mA×(8.8V-5.0V)=76(mW)，也即内部损耗为76毫瓦。从使用者角度来看，假若输出端负载电阻RL等于250Ω，那么从输入端看进去的等效电阻最大值为8.8V/20mA=440（Ω）。在这种情况下输入的4-20mA电流源必须具有驱动440Ω负载的能力，才能使WS1562无源隔离器在输出端负载电阻RL等于250Ω条件下正常工作。不过,从经验来看大部分现场仪表能满足这些条件。
　　4．再谈谈常用的二线制变送器（含压力、温度、流量…），从隔离角度可以分为隔离式及非隔离式。采用隔离式二线制变送器的主要目的是提高抗干扰能力。
　　二线制变送器的隔离有两种方式：一种方式是传感器和变送器一体而又必须放置在现场指定地点，对于这种情况一般把隔离器安置在中央控制室机柜中。对这种现场二线制变送器的电源配送有二种接口形式，要根据现场具体情况来定。图四给出了针对PLC与二线制变送器两种接口的连线图。