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隔离器件在工业现场的应用
fuxinrenzhong 发表于 2008/11/6 8:26:54 780 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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隔离器件在工业现场的应用
生产过程监视和控制中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,而且还有高达数千伏、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、仪表间互扰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”，也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、仪表中的信号有一个共同的参考点，也即共有一个“地”。进一步讲，所有设备、仪表的信号的参考点之间电位为“零”。但是在实际环境中，这一点几乎是不可及的，这里面除了各个设备、仪表“地”之间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
图一中标明有两个现场设备仪表向PLC传送信号以及PLC向两台现场设备仪表发出信号。假定传送的均为0-10VDC信号。理想情况，PLC及两个现场设备“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。但正如前所述，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，有可能损坏PLC局部“地”线，同时在显示错误数据，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的生产线调试中，使用美国AB-PLC接国内某厂家手操器。AB-PLC的数据采集板有每八个通道，八个通道共用一个12位A/D，经过变换后，由12个光耦实现与主机隔离。它的八个通道输入之间并没有隔离，致使八个通道输入信号每个单独接入采集板均正常，接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。又如航天某部门测试发动机各点温度，使用K型偶作为传感器，同上述相似，仅测试一点一切正常，但是向主机接入两点或两点以上温度时，显示的温度明显错误。这两种情况在接入隔离器后，均正常。
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+10V干扰的10V-20V经隔离后均为0-10V，也即隔离后新建立的PLC“地”与外部设备、仪表“地”没关系。正是由于这个原因，也实现输入到PLC主机的多个外接设备仪表信号之间隔离，也即它们之间没有“地”的关系。
上面谈了输入到PLC信号的隔离，同样在PLC向外部信号设备传出信号也有类似现象问题。显然采用隔离器亦能达到解决问题的目的。
谈到PLC向外部设备、仪表发送信号，有一种情况经常遇到：要求PLC的输出即能给显示仪表，又能传送给变频器一类的设备。欲彻底解决干扰问题，推荐使用隔离式信号分配器。这种隔离器即实现PLC输出信号与外设隔离，同时实现外设之间隔离。如图二.
DB6200 DB6200
图二 隔离式信号分配器典型应用
有时现场仪表在配套时，由于协调不利，产生了如下情况，接收信号设备(例如接收4-20mA)接口连接为两线制方式，也即接收口为一个24V电源与一个250Ω相串联.接口两根线：一个为24V正极，一个为250Ω一端，适于连接现场两线制变送器。假如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接入一个标准的两线制变送器，以应对接收设备的接口。如图三.
DS7200
图三 解决电源冲突的方案
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常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。
如果处理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。如图四.
DH1000
图四 省去外接电源的电流隔离器
显然省去外接电源，使接线更简捷，且功耗低、自身热量低、可靠性高。
DH1000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,但也带来了使用上的局限性.DH1000对于4-20mA信号进行的隔离传送,从另一个意义上讲是功率传送,内部的功率损耗必不可少.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）。换言之，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.
从隔离角度看二线制变送器（含压力、温度、流量…），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.图五给出了针对PLC与二线制变送器两种接口的连线图。
DN28
DH18
图五PLC两种接口与隔离配电连接示意图
另一种方式是传感器和变送器分成二个部分，传感器放置在现场指定地点,变送器制造成隔离式放置在控制室中。面对PLC两种接口方式，图六给出了以Pt100为传感器的隔离变送器使用连线图。附带说一点，处理Pt100这类温度变送器都考虑到了Pt100的长线补偿及线性化处理。
DR48
DR4700
图六 二种隔离温度变送器
隔离端子品种繁多,接口处也不尽相同,如何正确选择是设计中的重要问题。图七标示出两个端子排与外部仪表相连接图。用以说明选择方法。
图七 隔离器选型示意图之一
A、B表示向PLC输送信号的外部仪表
C、D表示PLC、DCS及显示仪表等接收信号设备
如果外部仪表为A方式，接收信号仪表为C方式，可以选用DR48、DR4700信号隔离器。
如果外部仪表为A方式，接收信号仪表为D方式，可以选用能避免电源冲突的DL4600信号隔离器为宜。
如果外部仪表为B方式，接收信号仪表为C方式，选用隔离式配电器为宜。例如DL4420它即可以为B供电，又解决了隔离问题。
如果外部仪表为B方式，接收信号仪表为D方式，未见有在市场上销售的产品。不过经过和生产厂家进行技术协商，一般能够解决。
图八 隔离器选型示意图之二
图八所示选择相对简单。例如输入为Pt100或K偶接受设备为C方式，选用三隔离式DR48.DR4700为宜。
若接收设备为D方式，选用两线制隔离的DL4420、DL4440为宜。
总之，只要外部设备及接收设备方式确定了，选用就很简单。
隔离器外型采用导轨安装，接线采用接线式，这种方式亦称隔离端子，适用安装在机柜中。
在隔离端子电路前部安装进口名牌IC(集成电路)公司的专用电路,实现温度隔离变送,虽然比零件组装式(诸如用廉价OPA)成本高，但在长期性能稳定性、可靠性方面是零件组装无法比拟的。引入优质元器件是隔离端子稳定可靠的基本保证，同时专用IC在功能上诸如长线补偿、恒流驱动、线性化性能齐备。
隔离端子设计日趋小型化，那么小型化的目的就是少占空间。当然应该允许用户密集安装，密集安装就存在散热问题。换句话讲，必须降低内部功耗。
现在市场出现了许多以CPU为核心的隔离端子，具有现场可编功能及通信功能，有很高的灵活性，对顾客来讲可以减少库存数量,降低资金积压。以CPU为核心的隔离端子必定将成为这一领域主流.
生产过程监视和控制中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,而且还有高达数千伏、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、仪表间互扰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”，也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、仪表中的信号有一个共同的参考点，也即共有一个“地”。进一步讲，所有设备、仪表的信号的参考点之间电位为“零”。但是在实际环境中，这一点几乎是不可及的，这里面除了各个设备、仪表“地”之间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
图一中标明有两个现场设备仪表向PLC传送信号以及PLC向两台现场设备仪表发出信号。假定传送的均为0-10VDC信号。理想情况，PLC及两个现场设备“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。但正如前所述，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，有可能损坏PLC局部“地”线，同时在显示错误数据，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的生产线调试中，使用美国AB-PLC接国内某厂家手操器。AB-PLC的数据采集板有每八个通道，八个通道共用一个12位A/D，经过变换后，由12个光耦实现与主机隔离。它的八个通道输入之间并没有隔离，致使八个通道输入信号每个单独接入采集板均正常，接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。又如航天某部门测试发动机各点温度，使用K型偶作为传感器，同上述相似，仅测试一点一切正常，但是向主机接入两点或两点以上温度时，显示的温度明显错误。这两种情况在接入隔离器后，均正常。
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+10V干扰的10V-20V经隔离后均为0-10V，也即隔离后新建立的PLC“地”与外部设备、仪表“地”没关系。正是由于这个原因，也实现输入到PLC主机的多个外接设备仪表信号之间隔离，也即它们之间没有“地”的关系。
上面谈了输入到PLC信号的隔离，同样在PLC向外部信号设备传出信号也有类似现象问题。显然采用隔离器亦能达到解决问题的目的。
谈到PLC向外部设备、仪表发送信号，有一种情况经常遇到：要求PLC的输出即能给显示仪表，又能传送给变频器一类的设备。欲彻底解决干扰问题，推荐使用隔离式信号分配器。这种隔离器即实现PLC输出信号与外设隔离，同时实现外设之间隔离。如图二.
DB6200 DB6200
图二 隔离式信号分配器典型应用
有时现场仪表在配套时，由于协调不利，产生了如下情况，接收信号设备(例如接收4-20mA)接口连接为两线制方式，也即接收口为一个24V电源与一个250Ω相串联.接口两根线：一个为24V正极，一个为250Ω一端，适于连接现场两线制变送器。假如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接入一个标准的两线制变送器，以应对接收设备的接口。如图三.
DS7200
图三 解决电源冲突的方案
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常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。
如果处理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。如图四.
DH1000
图四 省去外接电源的电流隔离器
显然省去外接电源，使接线更简捷，且功耗低、自身热量低、可靠性高。
DH1000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,但也带来了使用上的局限性.DH1000对于4-20mA信号进行的隔离传送,从另一个意义上讲是功率传送,内部的功率损耗必不可少.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）。换言之，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.
从隔离角度看二线制变送器（含压力、温度、流量…），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.图五给出了针对PLC与二线制变送器两种接口的连线图。
DN28
DH18
图五PLC两种接口与隔离配电连接示意图
另一种方式是传感器和变送器分成二个部分，传感器放置在现场指定地点,变送器制造成隔离式放置在控制室中。面对PLC两种接口方式，图六给出了以Pt100为传感器的隔离变送器使用连线图。附带说一点，处理Pt100这类温度变送器都考虑到了Pt100的长线补偿及线性化处理。
DR48
DR4700
图六 二种隔离温度变送器
隔离端子品种繁多,接口处也不尽相同,如何正确选择是设计中的重要问题。图七标示出两个端子排与外部仪表相连接图。用以说明选择方法。
图七 隔离器选型示意图之一
A、B表示向PLC输送信号的外部仪表
C、D表示PLC、DCS及显示仪表等接收信号设备
如果外部仪表为A方式，接收信号仪表为C方式，可以选用DR48、DR4700信号隔离器。
如果外部仪表为A方式，接收信号仪表为D方式，可以选用能避免电源冲突的DL4600信号隔离器为宜。
如果外部仪表为B方式，接收信号仪表为C方式，选用隔离式配电器为宜。例如DL4420它即可以为B供电，又解决了隔离问题。
如果外部仪表为B方式，接收信号仪表为D方式，未见有在市场上销售的产品。不过经过和生产厂家进行技术协商，一般能够解决。
图八 隔离器选型示意图之二
图八所示选择相对简单。例如输入为Pt100或K偶接受设备为C方式，选用三隔离式DR48.DR4700为宜。
若接收设备为D方式，选用两线制隔离的DL4420、DL4440为宜。
总之，只要外部设备及接收设备方式确定了，选用就很简单。
隔离器外型采用导轨安装，接线采用接线式，这种方式亦称隔离端子，适用安装在机柜中。
在隔离端子电路前部安装进口名牌IC(集成电路)公司的专用电路,实现温度隔离变送,虽然比零件组装式(诸如用廉价OPA)成本高，但在长期性能稳定性、可靠性方面是零件组装无法比拟的。引入优质元器件是隔离端子稳定可靠的基本保证，同时专用IC在功能上诸如长线补偿、恒流驱动、线性化性能齐备。
隔离端子设计日趋小型化，那么小型化的目的就是少占空间。当然应该允许用户密集安装，密集安装就存在散热问题。换句话讲，必须降低内部功耗。
现在市场出现了许多以CPU为核心的隔离端子，具有现场可编功能及通信功能，有很高的灵活性，对顾客来讲可以减少库存数量,降低资金积压。以CPU为核心的隔离端子必定将成为这一领域主流.
各位老师： 学生有一问题，变频器和温控器同一控制柜台在一起为什么会出现K值波动。数显实际值和被测实值相差很大。 还有变频器和PLC要怎么样直连接控制。PLC程式要怎么样写。怎么样才能运转？各位老师请多多指教。谢谢！
代木天秀发贴： 生产过程监视和控制中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,而且还有高达数千伏、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、仪表间互扰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”，也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、仪表中的信号有一个共同的参考点，也即共有一个“地”。进一步讲，所有设备、仪表的信号的参考点之间电位为“零”。但是在实际环境中，这一点几乎是不可及的，这里面除了各个设备、仪表“地”之间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.
关于隔离端子（不包括分配器）的使用，我个人认为被片面夸大了，真正需使用隔离器的情况很少。其实隔离器只是变送器与PLC,DCS模拟量输入通道之间起地间隔离的模块，因此有必要了解变送器与模拟量输入通道的连接方式。首先对于变送器来讲，应该使用电流（4－20MA）传送方式，不应使用电压传送方式（特别是长距离传送尤其如此），电流传送方式有很好的抗干扰能力，电压传送容易受到干扰。变送器就其与电源的连接可分为负载共电源式与负载共地式，所谓负载是指模拟输入通道的250欧姆电阻。对于两线制变送器（电流传送方式），负载共电源式简单的说就是变送器负极接24VDC电源负极，负载共地式简单的说就是变送器正极接24VDC电源正极。对于负载共电源式接法，在24VDC电源负极与PLC,DCS模拟量地共地的情况下（这种情况在现场是常见的）会分流部分本应流过变送器的电流，造成测量错误，因此其使用是有局限的。负载共地式不会出现这种情况，应该说绝大部分变送器使用负载共地式。 模拟量输入通道都需运算放大器（运放）作为输入级，运放的接法主要有反相输入，同相输入，差动放大输入等几种接法，由于反相输入，同相输入两种接法，前者输入电阻较后者为低，因此后者具有更高测量精度。 对于电流传送的两线制变送器采用负载共地，无论反相输入或同相输入，由于PLC或DCS侧模拟地已经与24V电源负极共地，因此在这种情况下，无需加隔离端子。既然两个”地“处于同一电位，当然也就不会产生地间干扰，隔离又有什么意义？ 对于采用差动输入的放大器来说，如果两个”地“（PLC或DCS侧模拟地与24V电源负极）不共地而且具有一定电压，此电压经过运放入端电阻分压后，在运放输入端将产生一个电压，这个电压如果超过运放允许的输入共模电压值，运放将不能正常工作，导致测量错误。反之，则可以正常工作。如果共地，则输入共模电压为0，可以正常工作。 在这种情况下，加隔离端子可以解决问题，比如加一个24V三端隔离端子。但应是在无法采用共地的情况下。 至于”地“间电压产生的原因，应该说是由工厂供电大环境决定的，或者说是由地间公共阻抗流过电流引起的。因为从理论上讲，差动输入的放大器与24V电源既便不共地，两”地“间电压仍为0，相当于共地。 当然，模拟量输入通道也可能使用其他类型运算放大器，比如仪表放大器，高共模电压差动放大器等。对于仪表放大器接法，一定要共地，否则，输入共模电压有可能超过额定值。高共模电压差动放大器由于其高共模电压几乎可以替代隔离端子。