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二线制变送器是提高抗干扰能力的捷径

发布时间:2016-03-25 13:38   类型:技术指导   人浏览
   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1为例。

    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FZ1521、FZ1522。

    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2。

    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FZ9030。
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WFZ1562。
    如图3。


    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。
FZ1562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4给出了针对PLC与二线制变送器两种接口的连线图。

    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,把变送器设计为隔离式的放置在控制室中。面对PLC两种接口方式,图5给出了以Pt100为传感器的隔离变送器使用连线图。产品型号为FZ9050及FZ2050。


    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。类似还有以各种热偶为传感器的隔离变送器,它与上述基本相同。不同的是增加了冷端补偿。产品型号为FZ9060及FZ2060。其中FZ2050和FZ2060属于二线制变送器。FZ9050和FZ9060属于全隔离式变送器。

    如果输入信号是5A交流电流或数百伏交流电压可以选用的产品型号是FZM-I、FZM-U。

    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意法半导体(ST)ASIC芯片(专用集成电路)的电路,实现温度隔离变送,虽然比零件组装式(诸如用廉价OP放大器)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ASIC芯片是隔离端子稳定可靠的基本保证,同时专用SIC芯片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。


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