顺源科技ISO系列隔离放大器在工业现场的应用

生产过程监视和控制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，甚至还有高达数千伏、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。设备仪表间的互相干扰就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”，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的信号有一个共同的参考点，即共有一个“地”。进一步讲，所有设备仪表信号的参考点之间电位差为“零”。但是在实际环境中，这一点几乎是不可能的，这里面除了各个设备仪表“地”之间的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的干扰不同，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1为例。 图1 PLC与外接仪表示意图 图中标明有两个现场设备1＃、2＃仪表向PLC传送信号以及PLC向两台现场设备3＃、4＃仪表发出信号。假定传送信号均为0-10VDC。理想情况下PLC及两个现场设备1＃、2＃仪表“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，可能损坏PLC局部“地”线。同时显示错误的数据。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生产线监控系统使用美国AB-PLC外接国内某厂家手操器。AB-PLC的每个数据采集板由八个通道组成，八个通道共用一个12位A/D，模拟量经过变换后由12个光耦隔离器实现与主机隔离。它的八个通道输入之间没有隔离，致使在输入信号时，每个通道单独输入到采集板均正常。但是同时输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。又如航天某部门使用K型热偶作为传感器测试发动机各点温度。同上述相似，仅测试一个点时正常。但是向主机接入两点或两点以上温度信号时，显示的温度值明显错误。这两种情况在使用隔离器后，都正常了。 　　 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，或带着共模干扰电压的0-10V经隔离后均为0-10V。即隔离后新建立的“地”与外部设备仪表“地”没关系。正是由于这个原因，也实现了输入到PLC主机的多个外接设备仪表信号之间隔离，即它们之间没有“地”的关系。 　　 上面谈了输入信号和PLC信号的隔离，同样PLC向外部设备输出信号也有类似现象问题。显然采用隔离器就能解决问题。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称为三隔离或全隔离器件。采用这种供电方式,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。 1、 ISO系列电流信号隔离放大器（I/I隔离转换）应用举例 产品型号： ISO-A4-P1-O1 图2 I/I隔离转换 ISO-A4-P1-O1模块用于4-20mA到4-20mA电流信号的隔离，需要外接一个电源。输入/输出/外加工作电源之间全部相互隔离，实现了PLC与外部设备之间的隔离。隔离后的4-20mA驱动能力大大加强,因此可用于长线传输。I/I隔离转换系列还可用于0-20mA与4-20mA电流信号之间的隔离转换，0-1mA电流信号的放大等。 2、 ISO系列电流信号隔离放大器（I/V隔离转换）应用举例 产品型号： ISO-A4-P1-O4 图3 I/V隔离转换 在工业现场,常常用4-20mA电流来传送信号,而接收的设备如显示仪表、计算机等却需要0-5V电压信号,使用隔离模块ISO-A4-P1-O4可以很好的完成这个转换，而且输出的是稳定隔离的0-5V。当然，选择不同的I/V隔离转换模块可以满足不同的转换要求。 3、 ISO系列电压信号隔离放大器（V/I隔离转换）应用举例 产品型号： ISO-U1-P1-O1 图4 V/I隔离转换 有一些设备如传感器之类总是要在离控制中心很远的地方，而这个设备的输出是一个0-5V的电压信号，直接把这个信号送给PLC肯定会产生很大的误差，而且没有隔离的信号还会对PLC产生干扰，影响整个系统。 V/I隔离转换模块ISO-U1-P1-O1可以将0-5V的电压信号隔离转换成4-20mA的标准电流信号，这样设备的信号就可以很准确地被PLC采集到。 4、 ISO系列电压信号隔离放大器（V/V隔离转换）应用举例 产品型号： ISO-U1-P1-O4 图5 V/V隔离转换 有时，要将一个电压信号送到多个显示设备上，又不希望这些显示设备之间互相干扰、或是显示设备干扰到输出设备，就可以使用V/V隔离转换模块ISO-U1-P1-O4，保证每个显示设备都有稳定的0-5V电压。当然，如果需要将0-5V的电压信号转换成0-10V的电压信号输出，就可以选择另一种V/V隔离转换模块ISO-U1-P1-O5，实现电压信号的隔离变换。 5、 ISO系列两线无源型4-20mA(0-20mA)电流环隔离应用举例 产品型号：ISO 4-20mA 图6 两线无源型4-20mA(0-20mA)电流环隔离 ISO 4-20mA常被用于4-20mA到4-20mA电流信号的隔离，省去了外接电源使接线更为简捷，且功耗低、自身热量低、可靠性高。ISO 4-20mA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同时也带来了使用上的局限性。ISO 4-20mA对于4-20mA信号进行的隔离传送，从一个意义上讲是功率传送，内部肯定有功率损耗。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8.2V。简单计算表明，内部损耗等于20mA×(8.2V-5.0V)=64(mW)，也即内部损耗为64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8.2V/20mA=410（Ω）。在这种情况下输入的4-20mA电流源必须具有驱动410Ω负载的能力，才能使ISO 4-20mA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。 6、 ISO 1002系列模拟小信号隔离放大器 图7 小信号隔离放大器 工业生产中，经常遇到干扰或是现场信号与接受设备之间的信号不匹配，造成不能正常信号采集或系统控制。此时需要信号调理/转换，把非标准信号转换为系统或设备接受的标准信号如：0-5V、4-20mA等。而ISO 1002系列隔离放大器可以将毫伏级的电压信号变换成标准的电压信号/电流信号输出（图7所示）。ISO 1001系列、ISO 1002系列产品可以向外提供两组隔离电源，供用户扩展用。通过外加一些简单电路，用户可以调整输入和输出，实现各种信号之间的转换。更加具体的用法请参见ISO 1001系列、ISO 1002系列产品的使用说明。