維盛新儀隔離端子的抗干擾和應用選擇

　　摘要：本文介紹了隔離器件在工業現場的抗干擾作用以及它與PLC﹑儀器儀表接口的選擇要點。
　　生產過程監視和控制中要用到多種自動化儀表、PLC及相應執行機構,互相傳遞的既有微弱的毫伏小信號,又有數十伏大信號，甚至還有高達數千伏電壓、數百安培電流信號。從頻率上講，有直流低頻也有高頻脈沖。同時隨著通訊工具使用越來普遍，對講機、移動電話、傳呼機在調試現場隨處可見，它們的使用頻段大體在20MHz～1000MHz，帶來的電磁場強度從3V/M到10V/M,嚴重的能到30V/M。面對越來越惡劣的環境，以解決干擾接入的隔離端子必須達到二個基本要求。第一是解決各種設備、儀表 “地”之間的差，即信號參考點的電位差。第二個是電磁兼容。
　　一．電氣隔離和電磁兼容―――隔離端子抗干擾的基本要求。
　　1.電氣隔離的二個原則
　　不同設備儀表的、帶有不同共模的信號輸入到DCS、PLC等控制系統，如果不加處理而直接聯入，可能出現因信號具有“共模不同”的干擾。所謂“共模不同”主要指信號間的參考點電位差。隔離端子的輸入/輸出電氣隔離特性使它抑制共模信號的能力很強，它可以將帶有共模的信號經過隔離輸出成為不含共模的信號。所以只要在每路外部信號和控制系統的采集板之間插入隔離端子就能解決這個問題。
　　還有一種情況，要求一個信號既能向顯示儀表輸送信號，又能傳送給變頻器之類的設備。這時除了輸入和輸出隔離之外，要求二個輸出之間相互隔離以消除設備互擾。此時可以使用隔離式信號分配器，如圖一的WS15242。

　　圖一 隔離式信號分配器應用

　　
　　綜上所述，解決參考點電位差類型的干擾要遵循兩個原則。第一：外部設備信號與中央處理系統（例如PLC、DCS）之間要進行電氣隔離。第二：外部信號（對系統的接口而言，無論是接收來的信號還是向外發出的信號）之間要相互電氣隔離。系統安裝遵循了這兩個原則就能完全克服由于參考點電位差引入的干擾。
　　大多數隔離端子都要外加工作電源，一般為DC 24V或AC 220V。這個電源在為輸入、輸出部份供電時必須確保在電氣上與輸入/輸出兩個部分隔離。這種輸入/輸出/外加工作電源之間相互隔離的產品稱為全隔離隔離端子。從理論上講，這種供電方式不管隔離端子數量多少，均可用一臺電源供電。這樣的連接符合上述的二個原則。
　　2. 電磁兼容
　　根據國際電工委員會（IEC）定義，電磁兼容（EMC:Electromagnetic Compatibility）是電子設備的一種功能。電子設備在電磁環境中能完成其功能，而不產生不能容忍的干擾。
　　按EMC標準，要求隔離端子達到：在電磁干擾環境中能正常工作，無性能降低或故障，保證精度、穩定性等參數變化在規定范圍內。同時隔離端子做為電磁騷擾源而產生的電磁強度也要控制在規定范圍內，減弱它對環境的電磁污染。
　　國際電工委員會（IEC）在1997年和1999年發布了關于工業環境中的抗擾度試驗、工業環境中的發射標準作為電磁兼容通用標準。我們國家也發布了與它等同的文件：GB/T17799.2-2003和GB17799.4-2001。歐盟CE也有同樣標準，規范進入歐盟市場的產品。這些文件也是隔離端子應該達到的標準。
　　形成電磁干擾后果必須具備三個基本要素，即電磁騷擾源、耦合通道、敏感設備。電磁兼容EMC設計的任務就是減弱騷擾源能量、切斷耦合通道、提高設備對電磁干擾的抵抗能力。隔離端子的EMC也要從設計做起。由于它屬于處理信號的儀表，功率小，對外發射能量也低。在設計上只要稍加注意減弱產品對環境的電磁污染，“工業環境中的發射標準”比較容易達到。它的設計重點在提高對電磁騷擾的抵抗能力。圖二給出二種隔離端子在射頻調幅電磁場試驗中輸出信號的變化情況，用以說明電磁兼容的重要性。
　　

　　（A）

　　（B）

　　 圖二 隔離端子在電磁干擾下的輸出信號(縱坐標為電壓單位V)
　　（A）EMC設計較為成功產品，變動范圍±5mV,最大±10mV. (B)設計存在缺陷出現300mV變化。
　　
　　二．應用選擇
　　1.依據接口選擇產品
　　工業過程控制中最常見的信號是4-20mA﹑0-10V，壓力、溫度、流量等物理量要轉換成4-20mA﹑0-10V信號送計算機處理。將這些物理量轉換為4-20mA﹑0-10V信號的設備稱為變送器。圖三為隔離溫度變送器應用連線圖。圖中Pt100是以電阻變化體現溫度變化的溫度傳感器，所以連接線的引線電阻會引入誤差。WS9050﹑WS2050這類變送器具有長線補償功能，可以消除引線電阻的誤差并有線性化功能，確保轉換精度。
　　WS2050這類二線制變送器，它的電源與輸出共“地”，沒有隔離。當多個Pt100經由多路WS2050輸送到PLC時，雖然輸出共用一個24V電源，只要輸出接到有共同參考點的模擬量輸入板，這種連接就符合本文上述指出的二個原則。需要注意的是：多路WS2050接到不同的PLC就要使用各自的24V電源。
　　
　　

　　　

　　 圖三 二種隔離溫度變送器

　　針對變送器的隔離還有另一種方式，傳感器和變送器為一體而又必須放置在現場指定地點。此時一般把隔離端子安置在中央控制室機柜中，由機柜中的隔離端子為現場變送器配送電源。圖四給出了針對不同接口的兩種產品連線圖。使用哪一種要根據PLC接口情況決定。
　　
　　

　　 圖四 PLC兩種接口與隔離配電連接示意圖

　　圖五 解決電源沖突的WS2022

　　
　　圖三至圖五表明選擇隔離端子首先依據輸入端口是接傳感器還是電壓電流信號、或者是接二線制變送器，其次輸出是電壓還是電流，如果輸出是4-20mA電流還要確定是圖四的PLC二種接收方式的哪一種。
　　一般4-20mA電流信號隔離器需要外接工作電源。這里推薦一種不用另外再加電源的隔離器WS1562。如圖六
　　
　　

　　圖六 省去外接電源的電流隔離器

　　WS1562的最大特點是無需外接電源,接線簡捷﹑功耗低﹑可靠性能高,多路連接符合上述二個原則。
　　
　　

　　圖七 輸入端電壓/輸出負載曲線

　　圖八 線性度/輸出負載電阻曲線

　　
　　圖七是WS1562在輸出為20mA條件下，輸出負載和輸入端電壓關系曲線。VIN表示輸入端電壓﹑RL表示輸出負載電阻﹑VO表示輸出負載電阻上的電壓。
　　圖八給出二種無源隔離器輸出負載對線性度曲線，其中實線描繪的性能較好，輸出負載電阻RL從0Ω-500Ω變化，線性度都在0.2%以內。
　　2.．主要參數選取
　　選擇隔離端子除了要確定功能﹑注意適應前后端接口外，尚有精度﹑功耗﹑噪音﹑絕緣強度﹑總線通訊功能等許多參數需要使用者慎選。
　　精度是非常重要的參數。與它有關系的參數很多。時間漂移和溫度漂移兩個參數表明了精度的穩定程度，要求這二個參數值越小越好。
　　另一個對精度產生影響的參數是噪音。由于隔離端子一般采用DC/DC產生隔離電源給產品內部電路供電，而輸入信號也要先被調制成脈沖再經過隔離帶（光偶或變壓器）然后解調到輸出。以CPU為核心的隔離端子也存在脈沖信號。這些工作脈沖的頻率多在20KHZ～500KHZ范圍，它的邊緣陡峭﹑諧波豐富，對信號的污染很難消除。如果噪音幅度高，數據采集器采集到信號的誤差就大。所以噪音的峰值和能量越小越好。
　　功耗是指隔離端子工作時消耗的電能，它和產品的內部熱量溫度有關。圖九給出二種具有不同功耗的隔離端子按二個排列方式：獨立放置、十只一排緊密排列條件下，內部溫度和環境溫度（產品說明書上稱為：工作溫度）的關系曲線。

　　

　　圖九 隔離端子功耗和內部溫度曲線

　　圖九中D曲線表明當產品本身消耗功率較大、處于緊密排列、環境溫度較高時，產品內部溫度就高。長時間的高溫環境將使產品內部集成電路參數蛻變﹑電阻阻值變化﹑電容漏電增大等，導致產品性能下降、可靠性降低、甚至失效。
　　隔離端子設計日趨小型化，小型化的目的就是少占空間，允許密集安裝，密集安裝就存在散熱問題。進一步講，必須降低產品工作電流，降低產品內部溫度，這是提高產品可靠性的措施之一。
　　隔離端子采用導軌安裝，連接采用端子接線，適用安裝在機柜中，它的接線拆換方便。