新型信号隔离器和安全栅的设计

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• 作者：冯 伟
• 摘要：摘要： 作为工业现场与控制室仪表之间的信号隔离变送器设备，信号隔离器和安全栅一直发挥着重要的作用，是工业控制系统中重要的组成部分。随着技术的进步，无论是现场的一次仪表，还是控制系统，都发生了变化，信号隔离器和安全栅也需要进一步发展适应更高的要求。

摘要：
作为工业现场与控制室仪表之间的信号隔离变送器设备，信号隔离器和安全栅一直发挥着重要的作用，是工业控制系统中重要的组成部分。随着技术的进步，无论是现场的一次仪表，还是控制系统，都发生了变化，信号隔离器和安全栅也需要进一步发展适应更高的要求。

引言：
随着工业控制技术的发展，对信号的隔离、变送处理也提出了更高的要求。宇通公司总结多年来的实践经验，对产品进行了改进，对隔离器和安全栅的性能进行了提升，以满足市场的需求。新型的隔离器和安全栅在性能和技术指标上都较过去有了更大的进步。目前市场对产品的要求主要归纳为以下几个方面：
1、 模块化的设计方法解决产品品种多数量少的问题
2、 低功耗设计
3、 无源隔离器和安全栅的设计应用
4、 小型化、接线少，以适应高密度的安装要求


一、 模块化的设计保证对市场的快速响应
隔离器和安全栅一般由输入信号处理单元、隔离单元、输出信号处理单元、电源等4部份构成。根据信号的流向在输入或输出单元增加本质安全设计，从而构成隔离器和安全栅。下面是一个标准的一入一出安全栅的示意图：

虽然实际应用中的隔离器和安全栅基本上都是由上述四个单元构成，但输入、输出的类型和数量的不同，组成了种类繁多的型号，下面的表格大致进行了归纳：
输入处理单元大致类型：


输出信号的大致类型


隔离单元的大致类型


电源类型（均为隔离电源）


本质安全类型


为了满足市场的需求，越来越多的型号使得企业的生产负担加重，数量少品种多使得交货周期越来越长，也使得调试检验的成本增加。这些情况已经严重的阻碍了产品的市场推广。针对这种情况，宇通公司通过仔细的分析，采用模块化的设计方法，将隔离器和安全栅划分为七种功能模块，从而比较好的解决了上述问题。模块化的设计方法极大的解决了产品加工、调试、老化、库存的压力，产品的一致性好，质量得到提高。从根本上解决了品种多数量少给生产环节带来的压力，极大的缩短了交货周期。

二、低功耗设计
低功耗是电子产品设计永无止境的追求，伴随技术的发展，目前隔离器和安全栅的功耗与过去相比，已减小许多，性能和技术指标也得到提高。以宇通公司一台标准的隔离安全栅为例来说明功耗的变化。
电源：24DC 负载：750欧姆


产品的功耗是各个功能单元功耗的总和，只有降低各个功能单元的功耗才能使得总得功耗降低，增加产品的热稳定性和寿命。隔离器和安全栅由输入、输出、隔离、电源、安全等单元构成，其中安全单元是无源的限压限流网络，技术上进行低功耗改进的可能性非常小。主要在输入、输出、电源、隔离四个单元进行技术改进。
1、 输出单元模块的自适应负载技术
输出模块可以根据负载的大小动态调整输出模块的输出功率，从而减少自身的发热。传统的负载设计是根据额定负载的大小设计输出功率，当输出负载非常小时，多余的负载功率就耗散在仪表内部，从而时仪表自身发热。假设一台隔离器的输出负载设计为750欧姆，那么输出驱动功率一般设计为0.5W。如果在实际应用中此隔离器的负载使用在50欧姆的环境下，那么就有 0.5W – 0.02W = 0.48W的功率转换为仪表自身的发热。如果时多路输出将产生更多的热量，而降低输出模块的额定功率在实际应用中又难以应付市场的复杂状况。
自适应负载技术很好的解决了这个矛盾，此技术的原理图示如下：


下表是对比的测试数据：
测试条件：电源24DC；负载变化 50欧姆 ~ 750欧姆


从上表可以看到：自适应负载技术使得模块的耗散功率是恒定在一个很低的水平，不会受到负载变化的影响。
负荷检测可以根据负载的大小调整输出功率，极大的减少了输出模块的发热，用户在定货时也无须说明负载大小，极大的方便了用户的使用和缓解了库存压力。

2、隔离单元模块的低功耗改进
隔离单元是决定产品技术指标的重要单元。
目前隔离技术主要有磁隔离与光隔离两大类。隔离电路形式有直接调制耦合，反馈调制耦合等多种形式，具体采用什么形式要根据产品的技术指标而定。总的来讲可以大致分为开关量信号采用光隔离，模拟量信号采用磁隔离的方式。从技术复杂程度来看，磁隔离比光隔离处理技术复杂，采用磁隔离技术，设计者可以根据技术指标采用合适的设计方案，隔离的线性、精度可以根据产品的要求灵活控制。而光隔离的线性、精度只能依赖器件厂家提供的技术指标，设计人员可以调整的方式很少，也不可能超过厂家提供的技术指标。由于功耗大，光电隔离也不能实现无源隔离。宇通采用电流互感模式、电流互感反馈模式、电压互感模式、电压互感反馈模式、电流互感功率补偿模式等多种磁隔离方式。根据产品的特点选择不同的磁隔离模式。
上述隔离模式中，电流互感功率补偿模式是功耗最低的模式，目前在新一代的无源隔离安全栅中使用，在保证技术指标的同时；降低了隔离单元的功耗。

3、电源模块
电源的技术指标是基础，决定产品的性能。目前流行的电源拓扑形式虽然非常多，也很成熟。但我们在隔离器和安全栅的电源设计中进行了技术创新，目前采用的参数式开关稳压电源设计获得了国家的发明专利。根据隔离器和安全栅的特点，参数式开关稳压稳压电源提升了效率，降低了电源的复杂程度。从工艺和成本上得到改进，减少了产品的故障率。
三、无源隔离器和安全栅
传统的隔离器和安全栅均为有源，需要外接24V直流电源。而无源隔离器和安全栅不需要外接24V直流电源，接线数量减少了三分之一，降低了安装和维护难度。因此，无源隔离器和安全栅的应用越来越广泛，特别是在DCS和PLC系统的接口应用中，普遍采用无源隔离器和安全栅的设计模式。
无源隔离器和安全栅的示意图：


无源隔离器和安全栅是指无须外接24V直流电源，其工作所需要的能量来源于表示信号的4 ~ 20mA电流。因此，无源隔离器和安全栅的功耗必须非常小，是一种微功耗的设计应用。更低的功耗和更高的输入、输出线性是衡量无源隔离器和安全栅的关键指标。
无源隔离模式的输入、输出转移特性示意图：


从上图可知；引起输入、输出非线性的主要因素是信号电流的变化和负载大小。这种二元变化的影响在有源隔离器和安全栅的设计中可以很好的解决，因为没有功耗的限制。而在无源隔离器和安全栅的设计应用中，许多成熟的技术都受到功耗的限制而无法采用。通过对电流互感磁隔离改进而创新的电流互感功率补偿磁隔离，很好的解决了此问题。
下面的表格是无源磁隔离模式改进前后的输入、输出线性指标对比。


目前国内、外在无源隔离器和安全栅的应用中均采用的是电流互感的磁隔离模式，其线性指标与宇通的第一代产品差不多，其线性指标受到所使用的隔离原理的限制。
宇通公司在无源隔离器和安全栅的设计中采用电流互感功率补偿式磁隔离，设计的无源隔离器和安全栅在输入、输出线性指标上达到了有源隔离器和安全栅的水平。这样的线性指标在国内、外都是领先的。

四、小型化、接线少。以适应高密度的安装要求
隔离器和安全栅作为二次仪表，安装在控制室内，控制室的环境要求产品尽可能的小以实现高密度的安装，同时接线的数量应该尽可能的少，从而减少安装和维护的难度。产品的小型化是隔离器和安全栅的发展趋势。宇通目前的MS系列产品的厚度只有6.2mm。下表是目前宇通各个系列产品的尺寸规格：


低功耗的设计实现体现在产品的外观上就是产品的小型化，只有低功耗产品才能实现密集安装。伴随技术的进步，我们将设计出功耗更低、性能更好、体积更小的产品。
目前国内的主流产品厚度一般都在20mm ~ 30mm之间，国外最新产品的厚度为6.2mm。宇通公司的MS系列达到了国外最新产品的水平。

发布时间：2007年5月8日 20:56  人气：  

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