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隔離器與隔離式安全柵在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

2010-11-24 14:42:50

生產(chǎn)過程監(jiān)視和控制要用到多種自動(dòng)化儀表、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。過程中的信號(hào)既有微弱到毫伏級(jí)的小信號(hào),又有數(shù)十伏的大信號(hào),甚至還有高達(dá)數(shù)千伏、數(shù)百安培的信號(hào)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(shè)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(shè)備儀表的“地”,即信號(hào)參考點(diǎn)的電位差,將成為重要課題。因?yàn)椴煌O(shè)備、儀表的信號(hào)要互傳互送,那就存在信號(hào)參考點(diǎn)問題。換句話說,要使信號(hào)完整傳送,理想化的情況是所有設(shè)備儀表的信號(hào)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(shè)備儀表信號(hào)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(shè)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(shè)備儀表在不同環(huán)境受到的干擾不同,以及導(dǎo)線接點(diǎn)經(jīng)受風(fēng)吹雨淋導(dǎo)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(biāo)明有兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備1#、2#儀表向PLC傳送信號(hào)以及PLC向兩臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備3#、4#儀表發(fā)出信號(hào)。假定傳送信號(hào)均為0-10VDC。理想情況下PLC及兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通常有“地”電位差。舉例來講,1#設(shè)備“地”與PLC“地”同電位,2#設(shè)備比它們的“地”電位高0.1V,這樣1#設(shè)備給PLC的信號(hào)為0-10V,而2#設(shè)備給PLC的為0.1V-10.1V,誤差就產(chǎn)生了.同時(shí)1#、2#設(shè)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(shí)顯示錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。由此引起的問題在現(xiàn)場(chǎng)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(gè)數(shù)據(jù)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)過變換后由12個(gè)光耦隔離器實(shí)現(xiàn)與主機(jī)隔離。它的八個(gè)通道輸入之間沒有隔離,致使在輸入信號(hào)時(shí),每個(gè)通道單獨(dú)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(hào)時(shí),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(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)各點(diǎn)溫度。同上述相似,僅測(cè)試一個(gè)點(diǎn)時(shí)正常。但是向主機(jī)接入兩點(diǎn)或兩點(diǎn)以上溫度信號(hào)時(shí),顯示的溫度值明顯錯(cuò)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)。換句話講,輸入/輸出之間沒有共同“地”,外來信號(hào)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(shè)備儀表“地”沒關(guān)系。正是由于這個(gè)原因,也實(shí)現(xiàn)了輸入到PLC主機(jī)的多個(gè)外接設(shè)備儀表信號(hào)之間隔離,即它們之間沒有“地”的關(guān)系。
   上面談了輸入信號(hào)和PLC信號(hào)的隔離,同樣PLC向外部設(shè)備輸出信號(hào)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(hào)是WS1521、WS1522。
   1.不管PLC向外部設(shè)備儀表發(fā)送信號(hào),還是外部設(shè)備儀表向其他設(shè)備發(fā)送信號(hào),有一種情況經(jīng)常遇到:要求一個(gè)信號(hào)即能向顯示儀表輸送信號(hào),又能傳送給諸如變頻器之類的設(shè)備。這就有可能在兩個(gè)設(shè)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(hào)分配器,它的二個(gè)輸出之間也是隔離的。它能實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與外部設(shè)備隔離,同時(shí)實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)設(shè)備之間隔離。如圖二。


圖二 隔離式信號(hào)分配器典型應(yīng)用

  2.現(xiàn)場(chǎng)儀表在配套時(shí)有可能協(xié)調(diào)不利出現(xiàn)如下情況,接收信號(hào)設(shè)備(例如接收4-20mA)接口連接為二線制方式(即接收口為一個(gè)24V電源與一個(gè)250Ω相串聯(lián)),接口的兩根線一個(gè)為24V正極、一個(gè)為250Ω一端,適于連接現(xiàn)場(chǎng)二線制變送器。但現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為四線制變送器,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(xiàn)場(chǎng)來的4-20mA接收并隔離,在隔離器的輸出部份安裝一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二線變送器,以應(yīng)對(duì)接收設(shè)備的接口。這個(gè)產(chǎn)品型號(hào)為L(zhǎng)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(tái)24V電源供電,不會(huì)產(chǎn)生干擾。

  3.對(duì)于常用的4-20mA到4-20mA電流信號(hào)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(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,它帶來了簡(jiǎn)捷可靠的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也帶來了使用上的局限性。LU-A11、LU-A22對(duì)于4-20mA信號(hào)進(jìn)行的隔離傳送,從一個(gè)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(fù)載電阻RL=250Ω為例,當(dāng)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(cè)試為8.8V。簡(jiǎn)單計(jì)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(fù)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(qū)動(dòng)440Ω負(fù)載的能力,才能使WS1562無源隔離器在輸出端負(fù)載電阻RL等于250Ω條件下正常工作。不過,從經(jīng)驗(yàn)來看大部分現(xiàn)場(chǎng)儀表能滿足這些條件。

  4.再談?wù)劤S玫亩€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(chǎng)指定地點(diǎn),對(duì)于這種情況一般把隔離器安置在中央控制室機(jī)柜中。對(duì)這種現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)具體情況來定。圖四給出了針對(duì)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(gè)部分,傳感器放置在現(xiàn)場(chǎng)指定地點(diǎn),把變送器設(shè)計(jì)為隔離式的放置在控制室中。面對(duì)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(hào)為L(zhǎng)U-A11、LU-A22。附帶說一點(diǎn),處理Pt100這類溫度變送器都考慮到了Pt100的長(zhǎng)線補(bǔ)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(bǔ)償。產(chǎn)品型號(hào)為L(zhǎng)U-A11、LU-A22。其中LU-A11、LU-A22屬于二線制變送器。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(hào)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(hào)是LU-A11、LU-A22。
 

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