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摘要：本文介紹了隔離器件在工業(yè)現(xiàn)場的抗干擾作用以及它與PLC﹑儀器儀表接口的選擇要點(diǎn)。
生產(chǎn)過程監(jiān)視和控制中要用到多種自動化儀表、PLC及相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),互相傳遞的既有微弱的毫伏小信號,又有數(shù)十伏大信號，甚至還有高達(dá)數(shù)千伏電壓、數(shù)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(shí)隨著通訊工具使用越來普遍，對講機(jī)、移動電話、傳呼機(jī)在調(diào)試現(xiàn)場隨處可見，它們的使用頻段大體在20MHz～1000MHz，帶來的電磁場強(qiáng)度從3V/M到10V/M,嚴(yán)重的能到30V/M。面對越來越惡劣的環(huán)境，以解決干擾接入的隔離端子必須達(dá)到二個(gè)基本要求。第一是解決各種設(shè)備、儀表 “地”之間的差，即信號參考點(diǎn)的電位差。第二個(gè)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(gè)原則
不同設(shè)備儀表的、帶有不同共模的信號輸入到DCS、PLC等控制系統(tǒng)，如果不加處理而直接聯(lián)入，可能出現(xiàn)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(diǎn)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(qiáng)，它可以將帶有共模的信號經(jīng)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(tǒng)的采集板之間插入隔離端子就能解決這個(gè)問題。
還有一種情況，要求一個(gè)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(shè)備。這時(shí)除了輸入和輸出隔離之外，要求二個(gè)輸出之間相互隔離以消除設(shè)備互擾。此時(shí)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(yīng)用

綜上所述，解決參考點(diǎn)電位差類型的干擾要遵循兩個(gè)原則。第一：外部設(shè)備信號與中央處理系統(tǒng)（例如PLC、DCS）之間要進(jìn)行電氣隔離。第二：外部信號（對系統(tǒng)的接口而言，無論是接收來的信號還是向外發(fā)出的信號）之間要相互電氣隔離。系統(tǒng)安裝遵循了這兩個(gè)原則就能完全克服由于參考點(diǎn)電位差引入的干擾。
大多數(shù)隔離端子都要外加工作電源，一般為DC 24V或AC 220V。這個(gè)電源在為輸入、輸出部份供電時(shí)必須確保在電氣上與輸入/輸出兩個(gè)部分隔離。這種輸入/輸出/外加工作電源之間相互隔離的產(chǎn)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(shù)量多少，均可用一臺電源供電。這樣的連接符合上述的二個(gè)原則。
2. 電磁兼容
根據(jù)國際電工委員會（IEC）定義，電磁兼容（EMC:Electromagnetic Compatibility）是電子設(shè)備的一種功能。電子設(shè)備在電磁環(huán)境中能完成其功能，而不產(chǎn)生不能容忍的干擾。
按EMC標(biāo)準(zhǔn)，要求隔離端子達(dá)到：在電磁干擾環(huán)境中能正常工作，無性能降低或故障，保證精度、穩(wěn)定性等參數(shù)變化在規(guī)定范圍內(nèi)。同時(shí)隔離端子做為電磁騷擾源而產(chǎn)生的電磁強(qiáng)度也要控制在規(guī)定范圍內(nèi)，減弱它對環(huán)境的電磁污染。
國際電工委員會（IEC）在1997年和1999年發(fā)布了關(guān)于工業(yè)環(huán)境中的抗擾度試驗(yàn)、工業(yè)環(huán)境中的發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)作為電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)。我們國家也發(fā)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(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范進(jìn)入歐盟市場的產(chǎn)品。這些文件也是隔離端子應(yīng)該達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。
形成電磁干擾后果必須具備三個(gè)基本要素，即電磁騷擾源、耦合通道、敏感設(shè)備。電磁兼容EMC設(shè)計(jì)的任務(wù)就是減弱騷擾源能量、切斷耦合通道、提高設(shè)備對電磁干擾的抵抗能力。隔離端子的EMC也要從設(shè)計(jì)做起。由于它屬于處理信號的儀表，功率小，對外發(fā)射能量也低。在設(shè)計(jì)上只要稍加注意減弱產(chǎn)品對環(huán)境的電磁污染，“工業(yè)環(huán)境中的發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)”比較容易達(dá)到。它的設(shè)計(jì)重點(diǎn)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(diào)幅電磁場試驗(yàn)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(biāo)為電壓單位V)
（A）EMC設(shè)計(jì)較為成功產(chǎn)品，變動范圍±5mV,最大±10mV. (B)設(shè)計(jì)存在缺陷出現(xiàn)300mV變化。

二．應(yīng)用選擇
1.依據(jù)接口選擇產(chǎn)品
工業(yè)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(zhuǎn)換成4-20mA﹑0-10V信號送計(jì)算機(jī)處理。將這些物理量轉(zhuǎn)換為4-20mA﹑0-10V信號的設(shè)備稱為變送器。圖三為隔離溫度變送器應(yīng)用連線圖。圖中Pt100是以電阻變化體現(xiàn)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(bǔ)償功能，可以消除引線電阻的誤差并有線性化功能，確保轉(zhuǎn)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(dāng)多個(gè)Pt100經(jīng)由多路WS2050輸送到PLC時(shí)，雖然輸出共用一個(gè)24V電源，只要輸出接到有共同參考點(diǎn)的模擬量輸入板，這種連接就符合本文上述指出的二個(gè)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(xiàn)場指定地點(diǎn)。此時(shí)一般把隔離端子安置在中央控制室機(jī)柜中，由機(jī)柜中的隔離端子為現(xiàn)場變送器配送電源。圖四給出了針對不同接口的兩種產(chǎn)品連線圖。使用哪一種要根據(jù)PLC接口情況決定。




圖四 PLC兩種接口與隔離配電連接示意圖

現(xiàn)場調(diào)試也會出現(xiàn)儀表和PLC接口不匹配，發(fā)送設(shè)備為四線制變送器輸出4-20mA，而接收端4-20mA的接口為二線回路供電方式（圖五中24V電源和RL方式），若直接連接將造成電源沖突。解決方法是采用隔離端子將現(xiàn)場的4-20mA接收并隔離，在隔離端子內(nèi)部輸出部份安裝一個(gè)專用電路用以匹配和PLC的二線回路供電接口方式。見圖五。這種隔離端子也可以處理0-10V，0-5AAC等輸入電壓電流信號。


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(jù)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(diǎn)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(gè)原則。


圖七 輸入端電壓/輸出負(fù)載曲線
圖八 線性度/輸出負(fù)載電阻曲線

圖七是WS1562在輸出為20mA條件下，輸出負(fù)載和輸入端電壓關(guān)系曲線。VIN表示輸入端電壓﹑RL表示輸出負(fù)載電阻﹑VO表示輸出負(fù)載電阻上的電壓。
圖八給出二種無源隔離器輸出負(fù)載對線性度曲線，其中實(shí)線描繪的性能較好，輸出負(fù)載電阻RL從0Ω-500Ω變化，線性度都在0.2%以內(nèi)。
2.．主要參數(shù)選取
選擇隔離端子除了要確定功能﹑注意適應(yīng)前后端接口外，尚有精度﹑功耗﹑噪音﹑絕緣強(qiáng)度﹑總線通訊功能等許多參數(shù)需要使用者慎選。
精度是非常重要的參數(shù)。與它有關(guān)系的參數(shù)很多。時(shí)間漂移和溫度漂移兩個(gè)參數(shù)表明了精度的穩(wěn)定程度，要求這二個(gè)參數(shù)值越小越好。
另一個(gè)對精度產(chǎn)生影響的參數(shù)是噪音。由于隔離端子一般采用DC/DC產(chǎn)生隔離電源給產(chǎn)品內(nèi)部電路供電，而輸入信號也要先被調(diào)制成脈沖再經(jīng)過隔離帶（光偶或變壓器）然后解調(diào)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(shù)據(jù)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(shí)消耗的電能，它和產(chǎn)品的內(nèi)部熱量溫度有關(guān)。圖九給出二種具有不同功耗的隔離端子按二個(gè)排列方式：獨(dú)立放置、十只一排緊密排列條件下，內(nèi)部溫度和環(huán)境溫度（產(chǎn)品說明書上稱為：工作溫度）的關(guān)系曲線。

圖九 隔離端子功耗和內(nèi)部溫度曲線

圖九中D曲線表明當(dāng)產(chǎn)品本身消耗功率較大、處于緊密排列、環(huán)境溫度較高時(shí)，產(chǎn)品內(nèi)部溫度就高。長時(shí)間的高溫環(huán)境將使產(chǎn)品內(nèi)部集成電路參數(shù)蛻變﹑電阻阻值變化﹑電容漏電增大等，導(dǎo)致產(chǎn)品性能下降、可靠性降低、甚至失效。
隔離端子設(shè)計(jì)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(jìn)一步講，必須降低產(chǎn)品工作電流，降低產(chǎn)品內(nèi)部溫度，這是提高產(chǎn)品可靠性的措施之一。
隔離端子采用導(dǎo)軌安裝，連接采用端子接線，適用安裝在機(jī)柜中，它的接線拆換方便。