隔离器件在工业现场的应用 点击：4822 | 回复：21
发表于：2004-06-17 14:24:00
楼主
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.
发表于：2004-06-24 13:41:00
3楼
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.
发表于：2004-06-24 23:50:00
4楼
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。
发表于：2004-07-07 08:33:00
12楼
PLC隔离器
PLC隔离器
PLC的模似输入和输出真的浮动吗？PLC系统外围模似I/O的安全电器隔离。
虽然今天数据总线系统无处不在，模似信号传送仍然起着重要的作用－确切的说是传送这些测量值到控制中心和进一步处理测量信号用于测量任务、控制和信号工程。0（4）…20mA电流和0…10V的电压信号被用作标准信号。系统的可靠性由无干扰、准确传送的信号决定。
电位干扰
在大致的工业环境中有很多不同种类的干扰冲突。电容或电导耦合高频虚假信号的电位源，接地电位的不同导致寄生电压和失真的测量值。开关操作或电火花能快速产生瞬时电位传到下游，影响甚至破坏测量设备。
可靠的解决方案
一个最重要的要求就是在准确测量数据，尤其是通过长距离获得时的三端隔离，即输入、输出和电源供应的电隔离。
这能阻止任何影响（包括供电系统），来保证系统的可靠性。随着Knick(可尼可)新产品VariTrans® A 20000三端口隔离放大器的出现，能最好的解决控制器输入的信号隔离。Knick消灭了错误信号和系统故障的一个重要根据。在控制器输入连接中实行根据EN 61140的安全隔离。
电导耦合的测量错误
直接连接测量信号到PLC涉及到电导耦合。这里有两种形式的电导耦合。两个或更多主电路的电导耦合和主电路与接地电流电路的电导耦合。问题发生在传感器参考接地和测量输入参考点之间有个电压（共模电压）。产生的原因，如：
1. 地面和接地点标高的差异
2. 地电位和接地端的电位差
3. 接地保护导线连接分的太远
共模电压和共模干扰会发生在测量导线和接地参考点。
原因和影响
当使用不对称测量输入时，共模干扰会导致测量错误，测量电路电压和共模电压没法区分。依靠对称输入（差分输入）就能解决测量电路电压和共模电压原问题。如果通过合适的电路设计，干扰源通过共模调制，使输出信号和放大的传感器信号一致。
设计外表
在高频时，差分输入的的共模截止降低，高的共模干扰影响传感器信号。
在实践还有更严重的问题，可允许的共模电压通常被限制在很小的几个电压，超过允许电压后就会导致更大的测量错误。
电隔离中断了普通的电路，因此共模电压理论上变为无效了。隔离距离承担着共模电压（隔离电压、工作电压）。电隔离的安全性和效力与设计和结构有关。
电隔离：安全性和标准
EN 61140
EN 61140描述电冲击的测量保护和定义的电路合适电隔离的要求。隔离系统相关的安全电隔离表示为基本保护和附加保护或相当的绝缘。
EN61140-1
特别高安全标等级“安全电隔离”的执行，必须以测量的专门设计及使用材料的绝缘性能保证。相关要求在 “测量、控制和实验室使用电设备的安全要求”规定。一个重要的参数就是隔离的可靠性（长期），它描述为工作电压的规范。要保证安全电隔离大于这个电压。必须指出的是工作电压也决定于周围的环境，尤其是污染等级（环境可能污染的描述）和过压等级（层电压脉冲）。层电压脉冲（也叫电快速瞬变）经常发生在开路和闭路系统的测量点。如：由转炉产生的，通过交换（电流从一个半导体迁移到下一个）产生有规则的电压高峰。另外开关操作、发动机电路断器的电火花能产生数千伏的瞬时电压。
EN61010-1有着严格的测试程序，也考虑增加电快速瞬变和提高保护极限。总之安全电隔离必须陈述包括在污染等级和过压等级下可靠工作。
EN 61131
可存储可编程控制器的一个重要基本标准就是根据出版的EN 61131系列标准建立的。系统和外围设备的相互兼容性是最先考虑的。标准的第二部分描述可存储可编程控制器工作运行、贮存和运输条件的电、机械和功能要求。此外，用于其后测试兼容性的测试方法和程序也被定义。特别是电冲击保护的机械要求也要被定义。如间隔和移动距离。EN 61131-2的要求在电隔离中必须要考虑。
考虑电隔离符合标准因而是设计的决定性参数，也是系统安全和无干扰工作的前提。
PLC系统的内部电隔离
一个PLC的输入和输出的电隔离不是相关电气隔离要求的真正解决方法。使用电隔离模块，测量电路和建筑地面之间没有电气边接，面测量电路通常连接在相同的地线。测量电路之间的电气隔离经常会因为费用和空间的原因而被免除。
然而，如果测量信号用十字连接用共同点直接连接到PLC，这能导致很难追研的测量错误，这样PLC的计算是建立在不正确过程数据上的。最后很明显的就是低成本的工作系统，不可避免的陷于化费时间和金钱的寻找和修理故障中。
不可避免的是，在一个紧凑壳体中实现大量输入和输出的有效、高质量隔离是一个几乎不可能解决的设计任务。谈到度量衡学特性和可靠性，制造商几乎是不可能找到衷方法的。通常这些模块没有安全电气隔离。也没有关于额定电压（工作电压）、污染等级和过压等级的信息。因此定性评估安全电隔离是不可能的。
前景
长期解决“电隔离”问题只有使用专门的隔离放大器才能保证。这些设备不可缺少特性就是设计标准基础符合公司经过验证规范。这有助于防止测量错误，大大提高开放和闭合回路控制系统的安全性和可靠性。
为了增加适应性，除了安全电隔离，隔离放大器也要采取信号匹配的任务。在控制器一使用简单的模块（没有电隔离）也要被考虑。
为了上面提到原因，Knick开发出了用于PLC的隔离放大器。
VariTrans® A 20000
新开发的PLC隔离放大器可靠隔离和输送0(4) ... 20 mA 和 0 ... 10 V的标准信号，并提供不需要调整的已校准范围选择。
尽管只有6.1mm宽度的模块盒，新开发的VariTrans® A 20000符合根据EN 61140和EN 61010-1的安全电隔离要求。安全电隔离的设计也考虑到了EN 61010-2的要求。设备装备着专用变压器，它有在输入和输出/电源供应之间最高300V AC/DC、过压等级Ⅱ和污染等级2工作电压的安全电隔离的隔离系统。测试电压是2.5kV。很小的电容泄漏保证高的瞬时共模干扰能被可靠隔离和不会导致系统故障。同时设备的结构和转换技术保证优秀的传送精度，此外还能达到零点稳定、线性和长期稳定性。
通用性
三端口隔离的通用性。考虑允许的工作电压，输入和输出电路能应用在任何电位。VariTrans® A 20000没有区别是输入和输出隔离放大器的要求主，因为三个电路之间都是相互电气隔离的。
紧凑的外壳和最小的自身热量
Knick隔离放大器的极低电源消耗和很低的自身热量。使可靠性和使用寿命都得到很大的增长。同时电元件的使用寿命也增长，如VariTrans® A 20000 PLC隔离放大器的平均故障间隔时间为440年。
极端紧凑的外壳能得到很好的使用，安装不需要任何间隙。在标准轨道上每米最多可安装163个设备。补给电源的供应可以使用方便的最多连接41个的插入式梳形插件。
VariTrans® P 27000
灵活的特别的模块盒来自Knick公司的VariTrans® P 27000隔离放大器可应用在PLC领域中的所有特殊场合。
它能转换所有输入电压和电流到能被PLC输入模块处理的标准信号。无极性的测量信号（如0…200V）、同样也可以是双极性信号(-150…+150mV),都可以被转换成用于PLC应用的标准信号（如4…20mA或+/-10V）。
隔离器中的万用表
480种已校准的可选择范围，因而不需要费力的校准。DIP转换用于VariTrans® P 27000设定输入和输出范围，零点补偿，双极性和无极性传送及进一步的性能。增益错误仅为0.08%的测量值。
在特殊的场合，已校准的操作也能失效，也能通过依靠微调电位差计来调整零点和增益。
宽范围的电源供给，20…253V AC/DC
综合的VariPower®三端口开关电源电源供给，有所有国际上使用电网的连续范围的电压，提供一个简单可靠的工作系统。这种开关电源不仅能使用各种类型号的电压，也能保证隔离放大器在不稳定电网里的完全功能。
紧凑性和可靠性
只有12.5mm宽的模块盒使用插入螺纹接线端，能简单和快速安装和预先连接到开关柜。固定螺纹接线端的盒子能承受很高的机械负载。除了配置生产简单输入和输出范围，容易打开的盒子也能提供连接和误调整的保护。
极端低的能耗和相关的最小自身热量能增加可靠性。
结果：五年的质量保证期
最佳系统可靠性的Knick PLC隔离放大器。
Knick PLC隔离放大器保证标准信号和控制输入的最大的可靠性。在这样一种设计下才能保证设备在有限制和过载情况下的可靠性能。
补偿电流，共模干扰和危险电压被消灭了。系统更加可靠和更安全。
发表于：2004-08-03 14:07:00
17楼
隔离放大器
DN 2300
隔离和转换标准信号
隔离放大器 DN 2300是 DRAGO 公司推出的一种高性能以及多功能和高可靠接口技术部件隔离放大器 DN 2300 用于 0(4)～20 mA 信号电的隔离 ，零位/仪表面板上补偿测量范围，为新的世界通用的动力单元 ，而且紧凑的设计使得更强的适应性，高的可靠度和充分的隔离保护对于较远距离的仪器操作有进一步的特性。超小型外壳12.5mm的宽度节省了开关柜子的空间便于有足够的空间安装各类组件。新的通用供电范围 20 ... 253 V AC/DC 意味着 DN 2000 可以通用在世界各地这个产品是高效的并且值得关注的，因为它有超高的稳定性以及长期稳定性，前部面板上的一个绿色的LED显示供电状态。 · 零位/调整范围仪表面板上补偿测量范围· 宽广的供电范围 20 ... 253 V AC/DC通用于世界上宽广的供电电压· 3-端隔离避免由于对地错误电压或对地回路影响产生的测量误差· 超小型尺寸12.5 mm 外壳带插入螺旋端子板· 高准确性不会发生信号错误· 隔离保护 保护人身和下游设备的安全，避免出现不允许的高电压· 最大的可信度没有维护费用· 5年担保
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