探讨安全栅和隔离器产品本身的安全性

　　隔离器、安全栅是安全产品，产品本身结构、电路的安全性是首要问题，所以它的结构要合理，安装和维护的操作要简单、快速、准确，要保证带电插拔操作的安全性。同时，也要求能做到输出负载在0～850Ω范围内变化时,其静态功耗不随负载变化，内耗电很小，不产生热量。

结构：

一、DS插装结构的预判功能和预接线优势

　　1.可维护性和可维护时间,是产品使用安全性的重要指标。插装表结构在这方面优势明显，因为它的表头和底座分开，可以带电整体插拔，不会产生卡装表在带电插拔时存在插拔顺序错误，从而引起的故障。插拔结构的更换时间短，维护过程省工省时省力，系统故障可以带电快速预判。

　　2.什么是仪表盘预接线？当使用插装结构仪表时,仪表盘内接线只需在插装表底座接线， 接线时和仪表盘出厂时都无需插入表头。接线端子的功能是固定和统一的，跟表头的类型无关。预接线完成以后，再根据系统配置，底座上插入对应的表头即可， 在盘内底座接线不改变的条件下，插入不同表头，相同接线的仪表盘就可以运用于不同工艺现场。

　　3.具有预接线属性的仪表盘，其实就是标准控制盘。对应不同的底座数量和控制系统点数规模，能够形成不同的仪表盘规格型号，用来提供给甲方用户和设计院选用。只需在选定的标准仪表盘底部端子排上，按顺序制作出入端子的I／O 类型表格,再根据表格顺序安装对应表头就可以完成对应工艺的硬件配置，不再需要制作I／O 通道的接线图纸资料，这些资料被统归为仪表盘的标准接线图说明。

二、插装结构仪表安装使用示意图

三，TC卡装结构的设计缺陷

　　1.系统开启之后，如果出现常规问题,为了避免损失,车间不能整体停车，一台仪表出现问题，需要快速预判和更换。卡装表结构不能整体插拔，在更换过程中要一个插头一个插头单独插拔，容易插错。即使没有插错，插头带电插拔顺序是随机的，可能会产生不可预估的故障，因此引起带电维护的安全隐患。

　　2.卡装表立式安装时，下方端子的起始位置作用不明显，原因是被连接线挡住，无法看清，插拔时用手指作为工具，不能正确找到安装位置，特別是卡装道轨安装在盘内靠近底部时，上下端子费时费力，看不见摸不着，带电插拔难度更大。

　　3.由于卡装结构的接线端子和表壳连成一体，表头必须固定在道轨上以后才能接线，因此卡装表不具有预接线功能。这种结构方式，使得每一个使用卡装表的仪表盘，都只能是专用仪表盘， 需要逐一按表的安装位置来接线。表的安装位置不同， 接线位置就不同，接线图就不同，甚至只有在接完线以后，再按表的安装位置补画布线图，出现流程倒置的情况，导致盘内布线失去了可设计性。

四、标准仪表盘内使用的两种热电偶冷端补偿方式

如果在盘内部分使用补偿导线，由于不能确定在哪个地方使用补偿导线，也不能确定补偿导线的类型，仪表盘的盘内接线就失去了与盘底端子排的可预接特性，也就不能实现仪表盘的标准化。

标准盘的热偶冷端温度采集方式1：

标准盘的热偶冷端温度采集点，放置在盘㡳端子排上，用无线广播方式将该点（冷端）温度发送到盘内热电偶温变送器的表头上，在表头内部自动把该点温度对应的冷端电势叠加到采集到的温变热端电势上，得到对应冷端温度为零度的电偶热电势值，再通过查表得到对应冷端为0℃的热电偶采集温度。每个标准盘只需一个采集点。这样做的目的，是为了在热电偶温变的输入信号线与盘底端子排的之间的连接线，不再使用补偿导线，只使用一般金属导线。通过这种方法，能够实现盘内接线全部为普通导线。

标准盘的热偶冷端温度采集方式2：

标准盘的热偶冷端温度采集点，也是放置在盘㡳端子排上，与方法1不同的是用温度变送器将该点(冷端)温度转换为4-20mA ，发送到PLC的冷端温度输入通道上，由组态软件把该点温度对应的冷端电势叠加到采集到的温变热端电势上，得到对应冷端温度为零度时的电偶热电势值，再通过查表得到对应冷端为0℃的热电偶采集温度。每个标准盘一般只需一个冷端温度采集点。这样做的目的，是为了在热电偶温变的输入信号线与盘底端子排的之间的连接线，不再使用补偿导线，只使用一般金属导线。通过这种方法，能够实现盘内接线全部为普通导线。因为表体发热，表体温度与盘底端子排是有温差的,一般在5～15℃左右，不采用远程冷端方式，直接把补偿导线的末端接在盘底，就会产生5～15℃的测量误差。另外盘底端子排没有发热源，温度相对恆定。所以，可以通过方法1或方法2，将盘底端子排温度发送到热偶温度变送器表头或系统，叠加热电偶的冷端温度，可以提高冷端补偿的准确性，减少系统配置成本。这样做，既排除了盘内使用补偿导线，又准确地在表头中叠加热电偶的冷端电势。在进行正确的冷端补偿的同时，也使仪表盘具备可预接属性，通过这一技术方式，实现仪表盘标准化。

五、底座通用是插装结构标准盘的客观要求

标准盘使用的插装表有一个基本要求，就是不管插入那种表头，插装表底座上的接线不改变，底座都是通用的，只有具有这种通用性，才能实现仪表盘出厂时都不需要安装表头，到了现场再根据工艺来配置表头的功能，满足让所有仪表盘都是通用的客观要求。这就要求不管什么类型表头的出线插头的位号要全部统一一致，不但要标准化，而且还要求容易识别和简单好记。参照图B，拟了一段容易记住的短句：“现场1，2，3，4，系统5，6，7，8”意思是：

1 、2 是第一路现场，

3 、4 是苐二路现场，

5 、6 是第一路系统，

7 、8 是第二路系统，

温度信号只能做单路输入，偶输入是1、2，热阻是输入1、2、3，温度和压力通用表的输入为1、2、3、4等。

六、为什么说插装结构的接插件是具有可靠性的？

　　业界存在一些固有看法，对插装结构的接插可靠性提出质疑。为此可以针对电源、输入、和输出接插件的接触电阻的大小和变化来进行一般分析：

1,电源端子接触电阻影响只有一种情况：

电源端子接触电阻，在0～20Ω变化，电源电流为50mA时,引起电源变化最大1V，电源变化指标为20～35V，接触电阻一般在在0.5Ω之内，产生的降压仅为0.025V，所以忽略不计。

2.输入端子的接触电阻的影响有电流、电圧、电阻三种情况：

A、电流输入端子接触电阻对恒电流输入信号是串连性质，不会分流所以无影响。

B、电压输入端子接触电阻与输入电路输入阻抗串联，输入阻止>1M～10M，所以0．5欧拉触电阻的分压忽略不计。

C、电阻输入端子主要针对热电阻输入，输入端子接触电阻被视为引线电阻，在0～10欧范围变化，影响忽略不计。

3.输出端子接触电阻的影响有电流和电压输出两种情况：

A、电流输出端子按触电阻与负载电阻串联，当负载范围指标为800Ω时，所以0.5Ω负载的变化忽略不计。

B、电压输出端子的接触电阻与接收仪表输入阻抗串联分压，一般接收仪表输入阻抗起码大于1000K欧，所以与0．5欧按触电阻的分压可忽略。

从以上分析来看，将接插件按触电阻的大小和变化参数做为元件参数一并考虑来设计和制作电路，就可以大幅度降低接插件可靠性的要求。还有一个相通的地方，可以使这个论题几乎不成立，就是不管插装结构和卡装结构，接线方式都是接插方式的。

七、LDS连排8/16通道隔离器安全栅

　　LDS是连排8/16通道可预接型隔离器安全栅，而DS是单通通可预接型隔离器安全栅。LDS具有DS全部预接线特征以及插拔结构属性，可参考LDS的详细文稿，这里只就7大不同点做简单说明：

1.底座为8模块连排可预接插拔结构，每个模块有1入1出，1入2出，2入2出　3种类型可选，每个LDS的通道数最多为16。8个底座对所有类型模块都是通用的。

2.输入输出线均采用通用37芯插头座连接，盘内通道连接采用预制电缆和插头座，取消了相关接线的位号。

3.盘底端子排取代了单表的底座端子，也取消了对应的位号。仪表盘的接线加工量大幅削减，盘内接线失误也削减到零，避免了通电测试时表头的人为损伤，标准盘出厂的调试工序也可以大幅减化，生产效率可以大幅度提高。

4.标准盘的可预接功能和故障可预判性能与插装表一致，也具有远程冷端补偿功能。

5.LDS结构虽然是8/16通道连排，但零活性和可扩展性相对单表组合不弱，由于8/16个通道的宽度仅为80mm，每个通通占宽小于5或者10mm仅使用几个通道时，也不存在浪费空间的心里负担，向多通道扩展应用时，可以简单形成8、16、24、32、64…等多通道组合。

6.LDS配套的带插头插座的连接接线束，改由插头插座或者电线电缆厂批量机械化生产，规格和质量由标准约束，可以产生多种型号线束供成套厂选用，这就实现了仪表盘内部接线生产方式的产业化转移，成本降低，质量和准确性从由接线人员个人把控，变为选型和标准把控。

7.LDS的供电采用多路母线式导轨供电结构，没有降压和功率发热量，每根导轨可对100个表头供电。采用标准导轨做载体，长度可以灵活截取，不占用导轨的剩余长度和空间。同时导轨供电与端子供电兼备。

一、为什么要用自适应负载电路来减低热量?

　　密闭盘内仪表密集安装时热量散发不出去，容易使电路效率下降，造成热量再进一步上升的恶性循环，缺乏安全性,引起厂家和客户顾虑。

　　固定负载电路始终保持最大负载的供电电压，外部不能完全使用就会使表内发热加剧，输出负载指标最大850Ω，如果只用25Ω，那剩下的825Ω都留在了表内，采用固定负载输出电路，就有97％的输出功率留在表内，最大功率为17Vx20mA=0.34W，一个电阻可烧红了。所以只能用加散热片和增大表体散热孔来散热。

　　把最大输出负载指标从850Ω降低到500Ω以下，有的降低到了350Ω，用缩小应用范围来减少电路发热，虽不符合单元组合仪表型谱的要求，但这是一种提示，即在负载减小时，需要自动地降低供电电压。

　　负载自适应电路则在负载变小时自动降低了表的输出电压,来提供给外部负载，所以，外部负载越小的时候，负载自适应电路作用越大同时，表的负载范围指标越高时， 电路优势就越明显，实现既消除热量，又拓宽表的适应性范围。

　　电路过程简述：如图，负载减小时，伺服电路输入要上升,控制电子调压器减低输出，使伺服电路的输入值跟基准电压相等，达到负载小，输出电压也小的效果，相反也是一

样，实现负载自适应功能。

二、为什么要采用电压隔离电路方式来减低热量?

　　采用负载自适应电路以后，小负载时，自动负载有很大降耗降热作用，仪表不会发烫，但最大负载时，自动负载应该不起作用，跟老式固定负载效率相同，但按上表所列，耗电仍然要小40％以上，这是为什么？原因在于隔离方式不同；电压隔离信号最大用电是微安级的，而电流隔离的最大用电为20mA。

　　之外，电压隔离电路相对电流隔离电路来说，还有一个好处， 是在一入多出产品的隔离扩展时，只需增加变压器绕组，不需要像电流隔离电路或者光耦隔离电路那样，要靠增加变压器或光耦的个数来实现，这样就可以大幅缩表头小体积和降耗，由于电压隔离的付边解调输出负载是PA级电流的高阻，所以增加输出绕组也不会增加隔离功耗。

　　隔离过程简述如上：如图，输入信号和反馈信号相等，两个输出信号与反馈信号在同一磁芯上，匝数相等，所以电压相等，即输出信号与输入信号相等，实现输入/输出的隔离。

表1：自适应负载产品跟国外产品的用电量非对等比较（最大负载范围指标非对等）

注：表1中

1.“DSA与其比较，负载25Ω时的节电量比例”一列的数字分别为57%，61%，67%。该节电比例是DSA自动负载节电加静态功耗节电比例的和。

2.“DSA与其比较，最大负载时的节电量比例”一列的数字分别为38.6%，40%，51%。该节电比例是DSA静态功耗的节电比例。这一部分节电来自DSA隔离方式效率和电源效率。

3.由于表的发热量过高，其他几款表都将最大负载范围指标降到550欧以下，DSA的最大负载为800欧。因此表1的节电比例，并不是在相同指标的产品之间的比较，DSA的节电比例是被低估的。如果将输出最大负载范围都放在相同的800欧姆，与其他几款表比较，DSA在负载25Ω时的节电量比例还会有大幅度提升。

表2：电压隔离产品跟国外产品的用电量非对等比较（最大负载指标非对等，注1）

注1：第4行负载变化800欧与前3行450、550、500欧比较是非对等的，表列省电比例低估20%左右。

结语：

　　近年来，宇通仪表针对隔离器、安全栅产品在结构和电路安全性能方面的缺点和题，进行了较多的研究和改进，这些改进包括：

1.基础隔离模式分析。

2.系统制式改动分析。

3.插拔结构与标准仪表盘。

4.电路单元模块化分类。

5.负载自适应发明专利应用。

6.微型器件工艺实践。

7.免调工艺实施。

8.零欧负载哈特通讯。

9.温漂和时漂抑制。

10.EMC。

11.道轨供电方式分析。

12.产品本身的安全措施。

13.多通道结构。

14.便携式和台式通用单元自动检测系统。

　　在研究和改进过程中，陆续取得了隔离技术发明专利6项，实用新型专利13项，续申请6项。改进重点放在产品的使用和维修的安全性能，也包括电路和结构以及系统配置的简约化、节能化，使得客户在升级性能安全产品的同时，又能够通过节能降耗效益来回收产品成本。