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工业过程控制系统选择隔离器的原则

供稿:重庆宇通仪器仪表有限公司

  在工业过程控制系统中要用到多种现场仪表、计算机和执行机构,它们是靠互相传递的各种信号构成完整的控制系统的。这些信号中从强度上看既有微弱的小信号,也有几伏、数十伏的大信号,甚至还有高达数千伏、数百安培的强电信号。从频率上看有直流信号、交流信号也有高频脉冲信号。它们之间的互相干扰就成为控制系统调试中必须要解决的问题。除了电磁屏蔽之外,解决各种仪表的信号参考点的电位差,是现场调试的重要问题。


一、 隔离器的三隔离(输入-输出-电源)原则:
  经典案例可以说明信号隔离的重要性:某大型公司的生产线调试中。控制系统的信号输入板有八个通道,八个通道共用一个A/D转换器,经过变换后,由光电耦合元件实现与主机电路的隔离。但它的八个通道输入之间并没有隔离,八个通道输入信号每个单独接入控制系统均正常,接入多于两个外部信号时,控制系统显示数字乱跳,故障无法排除。


  又如某锅炉控制系统检测锅炉各点温度,使用K分度热电偶作为传感器,同上述相似,仅检测一点均正常,但是向控制系统接入两点以上热电偶时,控制系统显示的温度明显错误。


  原因如下:两个现场仪表(A,B)向控制系统传送信号以及控制系统向两台现场仪表发出信号。假定传送的均为1~5VDC信号。理想情况,控制系统及两个现场仪表“地”电位完全相等,传送过程中又没有其他干扰,从控制系统输入来看,接收的信号正确。但实际上现场仪表不可能做到地电位完全相等,通常存在“地”电位差,若A仪表“地”与控制系统"地"同电位,B仪表比它们的“地”电位高0.1V,A仪表传送给控制系统的信号为1~5VDC,而B仪表传送给控制系统的信号则为1.1~5.1VDC,这样控制系统的误差就产生了。同时A、B仪表的“地”线在控制系统处汇合联接。将0.1V电压加在控制系统的地线上,有可能损坏控制系统的局部器件,同时在控制系统上显示错误数据。由此引起了上述现场调试中出现的问题,这两种情况在接入隔离器后均完全正常。


  隔离器之所以能起到这个作用,就是它具有使输入/输出/电源在电气上完全隔离的功能,即在输入/输出/电源之间没有公共的“地”。输入信号无论是否受到接“地”的干扰,经隔离处理后的输出信号“地”与现场仪表“地”完全隔离没关系。正是由于这个原因,实现了输入到控制系统输入板的多个现场仪表信号之间隔离,消除了这些信号之间“地”的联系。


  由于隔离器的工作电源是为隔离器的输入、输出两部份同时供电,要保证隔离器输入/输出信号隔离,也必须确保隔离器的工作电源在电气上与这两个部分完全隔离。这种输入/输出/电源之间相互隔离的隔离器常称为三隔离或全隔离隔离器。 这种供电方式,在供电电源功率许可的情况下无论隔离器数量多少,均可使用一台电源供电,不会产生相互干扰。若隔离器的工作电源没有与隔离器的输入/输出部分隔离,严格的说隔离器的输入/输出信号也没有被隔离,因为隔离器的输入/输出信号“地”可以通过工作电源连接到一起。


  以上叙述了信号输入的隔离情况,同样在控制系统向现场仪表传输信号时也存在类似的问题。采用三隔离隔离器就可以解决这样的问题。


  我们重庆宇通公司的隔离器均为“三隔离”方式。


二、隔离器的隔离方式:
  目前市面上充斥着各种各样的隔离器,无论这些产品的外形、颜色怎么样。就隔离技术来说,目前隔离技术主要有磁隔离和光隔离两大类。从技术难度来看,磁隔离比光隔离技术复杂、难度更高。但是,采用磁隔离技术,产品设计可以根据产品技术指标的要求选用合适的产品设计方案,在产品的线性、精度、功耗等技术指标上可以根据产品的要求灵活设计实现要求。而对于光隔离的产品,在产品的线性、精度、功耗等方面只能依赖元器件厂家所提供光隔离元器件的技术指标。产品设计人员为达到一些技术指标可以使用的手段很少,也不可能超过厂家提供的元器件技术指标。另外,光隔离的功耗较大,导致产品的总功耗大、发热量大,产品的精度、功耗、稳定性与磁隔离产品相比都有较大的差距。光隔离元器件也不能应用于无源隔离。总的来讲,磁隔离比光隔离更具有先进性。


  我们重庆宇通公司的产品大致上是:开关量信号采用光隔离,模拟量信号采用磁隔离的方式。


三、隔离器的选型:
  隔离器的选型应该根据现场仪表、控制系统或二次仪表的接口进行,目前自动化行业输入/输出信号的标准为:4~20mADC或者1~5VDC,当然也有一些特殊的输入/输出信号。


  我们公司将隔离器按照仪器仪表的接口分为:信号隔离类;一入多出隔离类;配电类;一入多出配电类;温度隔离变送类;无源隔离类;二线制隔离类;二线制配电类;二线制温度隔离变送类等类型。


  在这些产品类型中,用户可以根据据现场仪表、控制系统或二次仪表的接口自由的选用。


四、隔离器的主要技术指标:
  在隔离器选型时除了要确定隔离器的功能、适应前后端接口外,还有精度、输出纹波、温度漂移、功耗、响应时间等许多参数需要用户谨慎选择。


 精度:
  隔离器的精度是非常重要的参数,精度的高低直接关系到隔离器能否正常使用。隔离器的精度体现了隔离器的设计、制造水平。我们公司的生产的隔离器除小信号、小量程等特殊输入信号的隔离变送器精度为±0.2%以外,其余的精度均为±0.1%。用户在选用时应该选用精度高的产品。

输出纹波:
  对隔离器精度产生影响的参数还有输出纹波。输出纹波的产生是由于隔离器使用DC/DC电路对隔离器的工作电源进行隔离给隔离器内部电路供电,输入信号也要先使用DC/DC电路调制成交流信号然后经过隔离部分电路进行信号隔离,隔离后的信号经解调后再转换成直流信号输出。以CPU为核心的隔离器也存在脉冲信号。隔离器内部存在的这种高频的交流分量,就是产生输出纹波的原因。这些高频的交流分量它们的频率一般都有几百KHZ、谐波较多,对信号的污染很难完全清除。如果输出纹波较高,控制系统模拟量输入模板采集到信号的误差就大,对于高速输入的模拟量输入模板更是如此。所以选择隔离器时应要求输出纹波的峰-峰值越小越好。我们公司的各种系列隔离器均采用高效的滤波电路,较好的抑制了输出纹波。我们公司隔离器的输出纹波指标是:输出纹波峰-峰值小于10mV或者小于16μA,这个指标已经达到目前世界一流产品的水平。用户在选用时应该选用纹波小的产品。


 温度漂移:
  温度漂移是由于隔离器工作时产生热量,导致隔离器内所使用的电子元器件性能指标下降造成隔离器的输出值发生变化。选择隔离器时应要求温度漂移的值越小越好。为了防止温度漂移,我们公司对隔离器产品进行了低功耗、微功耗设计,使得隔离器工作时本身的发热量很小甚至于不发热,这样就能防止因产品工作时发热引起所使用元器件的性能指标下降,防止造成温度漂移。我们公司隔离器的温度漂移指标是:±0.015%/℃以下。用户在选用时应该选用温度漂移小的产品。


低功耗:
  功耗是指隔离器工作时所消耗的电能。它涉及到产品在工作时的发热量,这个参数与隔离器的使用寿命、可靠性和隔离器的外形、安装方式都有密切的关系。在选用隔离器时应选择功耗低的产品。我们公司在隔离器的电路设计上采用了多项获得国家发明专利的新技术,这些新技术是:输出部分可以根据负载的大小动态调整输出功率的自适应负载技术;隔离部分的电流互感功率补偿技术;电源部分的参数式开关稳压电源技术。目前我们公司隔离器的功耗只有目前世界一流品牌产品功耗的一半以下。


  若产品的功耗大,在产品工作时产生的热量就大,造成产品壳体内的温度高。组成产品的电子元器件长期的处于高温环境下,会导致运算放大器参数蜕变﹑电阻阻值变化﹑电容漏电增大等。这些问题将使产品性能下降,甚至导致产品故障、失效。


  没有低功耗设计的保证,产品就不可能做到隔离器的超薄型、小型化、端子化。我们公司推出了国内最薄的低功耗MZ系列产品、微功耗的MZ二线制系列产品和无源系列产品。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6.0mm。我们公司的MZ系列产品达到了国外最新产品的水平,产品的单台厚度为6.2mm,并允许密集安装,可直接当端子使用。


  为了节约控制系统的控制柜、电源、接线端子、连接线和人工成本等工程费用,用户在选用时应该选用低功耗的产品。


 响应时间:
  响应时间是指产品的输入量发生变化到产品的输出量正确的将变化量反映的输出上的时间。响应时间越短,就能够越真实的正确反映出输入量的变化,有效的监视和控制生产过程。在选择隔离器时响应时间要求越短越好。我们公司产品的响应时间为:0~90%满量程小于1s,这个指标达到了目前国际主流产品的水平。用户在选用时应该选用响应时间小的产品。


   综上所述,工业过程控制系统选择隔离器的原则就是:产品应是输入-输出-电源三隔离的;隔离方式应是电磁隔离的;应该按照所用地点的仪表接口对应的选出所需要的隔离器;选择隔离器时应选用:高精度、低功耗、低温漂、低纹波、快速响应和小型化的隔离器。