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工业现场的信号干扰解决

  生产过程监视和控制中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,而且还有高达数千伏、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、仪表间互扰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,也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、仪表中的信号有一个共同的参考点,也即共有一个地。进一步讲,所有设备、仪表的信号的参考点之间电位为零。但是在实际环境中,这一点几乎是不可及的,这里面除了各个设备、仪表地之间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。以示意图一为例。

  图一 PLC与外接仪表示意图

  图一中标明有两个现场设备仪表向PLC传送信号以及PLC向两台现场设备仪表发出信号。假定传送的均为0-10VDC信号。理想情况,PLC及两个现场设备地电位完全相等。传送过程中又没有干扰,这样从PLC输入来看,接收正确。但正如前所述,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,有可能损坏PLC局部地线,同时在显示错误数据,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的生产线调试中,使用美国AB-PLC接国内某厂家手操器。AB-PLC的数据采集板有每八个通道,八个通道共用一个12位A/D,经过变换后,由12个光耦实现与主机隔离。它的八个通道输入之间并没有隔离,致使八个通道输入信号每个单独接入采集板均正常,接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。又如航天某部门测试发动机各点温度,使用K型偶作为传感器,同上述相似,仅测试一点一切正常,但是向主机接入两点或两点以上温度时,显示的温度明显错误。这两种情况在接入隔离器后,均正常。

  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+10V干扰的10V-20V经隔离后均为0-10V,也即隔离后新建立的PLC地与外部设备、仪表地没关系。正是由于这个原因,也实现输入到PLC主机的多个外接设备仪表信号之间隔离,也即它们之间没有地的关系。

  上面谈了输入到PLC信号的隔离,同样在PLC向外部信号设备传出信号也有类似现象问题。显然采用隔离器亦能达到解决问题的目的。

  谈到PLC向外部设备、仪表发送信号,有一种情况经常遇到:要求PLC的输出即能给显示仪表,又能传送给变频器一类的设备。欲彻底解决干扰问题,推荐使用隔离式信号分配器。这种隔离器即实现PLC输出信号与外设隔离,同时实现外设之间隔离。如图二。

  图二 隔离式信号分配器典型应用

  有时现场仪表在配套时,由于协调不利,产生了如下情况,接收信号设备(例如接收4-20mA)接口连接为两线制方式,也即接收口为一个24V电源与一个250相串联。接口两根线:一个为24V正极,一个为250一端,适于连接现场两线制变送器。假如现场设备为四线制变送器,输出4-20mA。这样进行直接连接将造成电源冲突。解决方法是采用隔离器将现场来的4-20mA接收并隔离,在隔离器的输出部份接入一个标准的两线制变送器,以应对接收设备的接口。如图三。

  图三 解决电源冲突的方案

  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常称为三隔离或全隔离器件。 从理论上讲这种供电方式,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。

  如果处理4-20mA到4-20mA电流信号的隔离,这里推荐一种不用另外再加电源的隔离器WS1562。如图四。

  图四 省去外接电源的电流隔离器

  显然省去外接电源,使接线更简捷,且功耗低、自身热量低、可靠性高。

  WS1562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,但也带来了使用上的局限性.WS1562对于4-20mA信号进行的隔离传送,从另一个意义上讲是功率传送,内部的功率损耗必不可少。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=250为例,当输出为20mA时,输出端250上的电压为5.0V,而输入端的两端间电压测试为8.8V。简单计算表明,内部损耗等于20mA(8.8V-5.0V)=76(mW),也即内部损耗为76毫瓦。从使用者角度来看,假若输出端负载电阻RL等于250,那么从输入端看进去的等效电阻最大值为8.8V/20mA=440()。换言之,在这种情况下输入的4-20mA电流源必须具有驱动440负载的能力,才能使WS1562无源隔离器在输出端负载电阻RL等于250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。

  从隔离角度看二线制变送器(含压力、温度、流量),分为隔离式及非隔离式。采用隔离式二线制变送器的主要目的是提高抗干扰能力。

  二线制变送器的隔离有两种方式。一种方式传感器和变送器一体而又必须放置在现场指定地点,对于这种情况一般把隔离器安置在中央控制室机柜中。对现场二线制变送器的电源配送有二种接口形式,要根据现场具体情况来定。图五给出了针对PLC与二线制变送器两种接口的连线图。

  图五PLC两种接口与隔离配电连接示意图

  另一种方式是传感器和变送器分成二个部分,传感器放置在现场指定地点,变送器制造成隔离式放置在控制室中。面对PLC两种接口方式,图六给出了以Pt100为传感器的隔离变送器使用连线图。附带说一点,处理Pt100这类温度变送器都考虑到了Pt100的长线补偿及线性化处理。

  图六 二种隔离温度变送器

  隔离端子品种繁多,接口处也不尽相同,如何正确选择是设计中的重要问题。图七标示出两个端子排与外部仪表相连接图。用以说明选择方法。

  图七 隔离器选型示意图之一

  A、B表示向PLC输送信号的外部仪表

  C、D表示PLC、DCS及显示仪表等接收信号设备

  如果外部仪表为A方式,接收信号仪表为C方式,可以选用WS1522、WS1562信号隔离器。

  如果外部仪表为A方式,接收信号仪表为D方式,可以选用能避免电源冲突的WS9030信号隔离器为宜。

  如果外部仪表为B方式,接收信号仪表为C方式,选用隔离式配电器为宜。例如WS1525,它即可以为B供电,又解决了隔离问题。

  如果外部仪表为B方式,接收信号仪表为D方式,未见有在市场上销售的产品。不过经过和生产厂家进行技术协商,一般能够解决。

  图八 隔离器选型示意图之二

  图八所示选择相对简单。例如输入为Pt100或K偶接受设备为C方式,选用三隔离式WS9050,WS9060为宜。

  若接收设备为D方式,选用两线制隔离的WS2050、WS2060为宜。

  总之,只要外部设备及接收设备方式确定了,选用就很简单。

  隔离器外型采用导轨安装,接线采用接线式,这种方式亦称隔离端子,适用安装在机柜中。

  在隔离端子电路前部安装进口名牌IC(集成电路)公司的专用电路,实现温度隔离变送,虽然比零件组装式(诸如用廉价OPA)成本高,但在长期性能稳定性、可靠性方面是零件组装无法比拟的。引入优质元器件是隔离端子稳定可靠的基本保证,同时专用IC在功能上诸如长线补偿、恒流驱动、线性化性能齐备。

  隔离端子设计日趋小型化,那么小型化的目的就是少占空间。当然应该允许用户密集安装,密集安装就存在散热问题。换句话讲,必须降低内部功耗。

  现在市场出现了许多以CPU为核心的隔离端子,具有现场可编功能及通信功能,有很高的灵活性,对顾客来讲可以减少库存数量,降低资金积压。以CPU为核心的隔离端子必定将成为这一领域主流。

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