隔離器與隔離式安全柵在工業(yè)現場(chǎng)的應用
2010-11-24 14:42:50生產(chǎn)過(guò)程監視和控制要用到多種自動(dòng)化儀表、計算機及相應執行機構。過(guò)程中的信號既有微弱到毫伏級的小信號,又有數十伏的大信號，甚至還有高達數千伏、數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調試中必須要解決的問(wèn)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(diǎn)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(diǎn)問(wèn)題。換句話(huà)說(shuō)，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(gè)共同的參考點(diǎn)，即共有一個(gè)“地”。進(jìn)一步講，所有設備儀表信號的參考點(diǎn)之間電位差為“零”。但是在實(shí)際環(huán)境中，這一點(diǎn)幾乎是不可能的，這里面除了各個(gè)設備儀表“地”之間的連線(xiàn)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(xiàn)接點(diǎn)經(jīng)受風(fēng)吹雨淋導致接點(diǎn)質(zhì)量下降等諸多因素，致使各個(gè)“地”之間有差別。以示意圖一為例。
圖一 PLC與外接儀表示意圖
圖中標明有兩個(gè)現場(chǎng)設備1＃、2＃儀表向PLC傳送信號以及PLC向兩臺現場(chǎng)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(gè)現場(chǎng)設備1＃、2＃儀表“地”電位完全相等，傳送過(guò)程中又沒(méi)有干擾。這樣從PLC輸入來(lái)看，接收正確。但如前所述，兩個(gè)現場(chǎng)設備通常有“地”電位差。舉例來(lái)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(shí)1#、2#設備的“地”線(xiàn)在PLC匯合聯(lián)接，將0.1V電壓施加在PLC地線(xiàn)條上，可能損壞PLC局部“地”線(xiàn)。同時(shí)顯示錯誤的數據。由此引起的問(wèn)題在現場(chǎng)調試中屢有出現。例如某大型建材公司生產(chǎn)線(xiàn)監控系統使用美國AB-PLC外接國內某廠(chǎng)家手操器。AB-PLC的每個(gè)數據采集板由八個(gè)通道組成，八個(gè)通道共用一個(gè)12位A/D，模擬量經(jīng)過(guò)變換后由12個(gè)光耦隔離器實(shí)現與主機隔離。它的八個(gè)通道輸入之間沒(méi)有隔離，致使在輸入信號時(shí)，每個(gè)通道單獨輸入到采集板均正常。但是同時(shí)輸入兩個(gè)或多于兩個(gè)外部信號時(shí)，顯示數字亂跳故障無(wú)法排除。又如航天某部門(mén)使用K型熱偶作為傳感器測試發(fā)動(dòng)機各點(diǎn)溫度。同上述相似，僅測試一個(gè)點(diǎn)時(shí)正常。但是向主機接入兩點(diǎn)或兩點(diǎn)以上溫度信號時(shí)，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(gè)作用，就是它具有使輸入/輸出在電氣上完全隔離的特點(diǎn)。換句話(huà)講，輸入/輸出之間沒(méi)有共同“地”，外來(lái)信號不管是0-10V，或帶著(zhù)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(méi)關(guān)系。正是由于這個(gè)原因，也實(shí)現了輸入到PLC主機的多個(gè)外接設備儀表信號之間隔離，即它們之間沒(méi)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(lèi)似現象問(wèn)題。顯然采用隔離器就能解決問(wèn)題。
這類(lèi)電壓/電壓隔離器及電壓/電流隔離轉換器的產(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(gè)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(lèi)的設備。這就有可能在兩個(gè)設備之間產(chǎn)生干擾，若要徹底解決干擾問(wèn)題，推薦使用隔離式信號分配器，它的二個(gè)輸出之間也是隔離的。它能實(shí)現輸入信號與外部設備隔離，同時(shí)實(shí)現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．現場(chǎng)儀表在配套時(shí)有可能協(xié)調不利出現如下情況，接收信號設備(例如接收4-20mA)接口連接為二線(xiàn)制方式（即接收口為一個(gè)24V電源與一個(gè)250Ω相串聯(lián)），接口的兩根線(xiàn)一個(gè)為24V正極、一個(gè)為250Ω一端，適于連接現場(chǎng)二線(xiàn)制變送器。但現場(chǎng)設備為四線(xiàn)制變送器，輸出4-20mA，這樣進(jìn)行直接連接將造成電源沖突。解決方法是采用隔離器將現場(chǎng)來(lái)的4-20mA接收并隔離，在隔離器的輸出部份安裝一個(gè)標準的二線(xiàn)變送器，以應對接收設備的接口。這個(gè)產(chǎn)品型號為L(cháng)U-A11、LU-A22。
隔離器要保證輸入/輸出兩個(gè)部分隔離，外加工作電源24V在為輸入、輸出部份供電同時(shí)，必須確保在電氣上與兩個(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(chēng)為三隔離或全隔離器件. 從理論上講這種供電方式,不管隔離器數量多少，均可用一臺24V電源供電，不會(huì )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(xiàn)更為簡(jiǎn)捷，且功耗低、自身熱量低、可靠性高。
LU-A11、LU-A22的最大特點(diǎn)在于不需要外接電源,它帶來(lái)了簡(jiǎn)捷可靠的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也帶來(lái)了使用上的局限性。LU-A11、LU-A22對于4-20mA信號進(jìn)行的隔離傳送，從一個(gè)意義上講是功率傳送，內部肯定有功率損耗。損耗表現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(shí)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(jiǎn)單計算表明，內部損耗等于20mA×(8.8V-5.0V)=76(mW)，也即內部損耗為76毫瓦。從使用者角度來(lái)看，假若輸出端負載電阻RL等于250Ω，那么從輸入端看進(jìn)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電流源必須具有驅動(dòng)440Ω負載的能力，才能使WS1562無(wú)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(guò),從經(jīng)驗來(lái)看大部分現場(chǎng)儀表能滿(mǎn)足這些條件。
4．再談?wù)劤Ｓ玫亩€(xiàn)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(xiàn)制變送器的主要目的是提高抗干擾能力。
二線(xiàn)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場(chǎng)指定地點(diǎn)，對于這種情況一般把隔離器安置在中央控制室機柜中。對這種現場(chǎng)二線(xiàn)制變送器的電源配送有二種接口形式，要根據現場(chǎng)具體情況來(lái)定。圖四給出了針對PLC與二線(xiàn)制變送器兩種接口的連線(xiàn)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(gè)部分，傳感器放置在現場(chǎng)指定地點(diǎn),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(xiàn)圖。產(chǎn)品型號為L(cháng)U-A11、LU-A22。附帶說(shuō)一點(diǎn)，處理Pt100這類(lèi)溫度變送器都考慮到了Pt100的長(cháng)線(xiàn)補償及線(xiàn)性化處理。類(lèi)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L(cháng)U-A11、LU-A22。其中LU-A11、LU-A22屬于二線(xiàn)制變送器。LU-A11、LU-A22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交流電流或數百伏交流電壓可以選用的產(chǎn)品型號是LU-A11、LU-A22。
