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      工控配電方面信號隔離器的NB-IOT技術應用

      田全利,趙建平,勾保同,楊希燕,趙遠超

             隨著生產自動化水平的提高,系統環境問題也逐漸的增加,控制系統的可靠性直接影響到工業企業的安全生產和經濟運行,系統的抗干擾能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵.在一些現場干擾大,工藝要求較高的場合,信號隔離器的應用日益廣泛它可與單元組合儀表及DCS,LC等系統配套使用,在油田、石化、制造、電力、冶金等行業的重大工程中有著廣泛應用.由于這種信號線路無需共地設計,使得檢測和控制回路信號的穩定性和抗干擾能力大大增強,從而提高了整個系統的可靠性,給設計及現場施工帶來極大方便.因此掌握信號隔離器的基本原理及其應用技術,選擇合適的信號隔離器,用NBIoT實現遠程控制,在實際生產中尤為重要.


      一、信號隔離器的工作原理、技術特點及作用

      1.1信號隔離器工作原理

      圖一.png

             圖1給出了信號隔離器的工作原理.從圖1中可以看出,變送器或儀表的信號,通過半導體器件調制變換,然后通過光感或磁感器件進行隔離轉換,然后再進行解調變換回隔離前原信號,同時對隔離后信號的供電電源進行隔離處理.保證變換后的信號、電源、地之間絕對獨立.隔離器實現了輸入對輸出對電源對地的四端三重隔離電路設計,因此無需系統接地線路,給設計及現場施工帶來極大方便.也正是由于這種信號線路無需共地設計使得檢測和控制回路信號的穩定性和抗干擾能力大大增強,從而提高了整個系統的可靠性.另外,這種隔離器產品除具備極強的濾波能力外,還有更強信號處理能力,能夠接受并處理熱電偶、熱電阻、頻率等各種信號.

      1.2 信號隔離器技術特點

             信號隔離器采用了先進的數字化技術,在對高、低頻干擾信號的抑制方面均有著優異表現,即使在大功率變頻控制系統中依然能夠可靠應用,內部采用數字化調校、無零點及滿度電位器、自動動態校準零點、溫度漂移自動補償等諸多先進技術,這一系列技術的應用使產品的穩定性及可靠性得到科學的證明.以上各項技術領先國際先進水平.

      1.3 信號隔離器作用

      (1)隔離作用:工業信號為什么要隔離?由于工業現場的環境條件是很復雜的各種干擾(天體放電干擾、電暈電火花放電干擾、電氣設備頻率干擾、感應干擾)通過不同的耦合方式(電容耦合、電磁耦合、共阻抗耦合、漏電流耦合)進入測量系統,使測量結果偏離準確值,嚴重時會讓測量系統不能工作,因此要對工業信號進行干擾抑制,也就是采取隔離措施,隔離器就派上用場了.什么是隔離?隔離就是破壞干擾途徑、切斷干擾耦合通道,從而達到抑制干擾的一種技術措施.

      (2)變換作用:將一種形式的信號轉換成另一種形式的信號.信號隔離器可以將各種物理量轉換成標準的工業控制信號:比如溫度信號轉換成4-20mA信號,交流800V 電壓信號轉換成0-10V 信號、直流1A電流信號轉換成0-5V 信號等.此外,也可看下標準信號轉換:比如4-20mA轉1-5V.(3)放大作用和遠傳作用:將一些微弱的毫伏級信號放大成易處理的標準信號;將易受干擾的電壓信號轉換成電流信號,以利于信號遠傳,如4-20mA信號可以傳1000m.(4)保護作用:加設隔離變送器可以保護上位重要控制器件的安全,比如PLC,工控機,采集卡,儀表等,隔離器的隔離作用可以保護其他貴重器件的安全,以免損壞.


      二、信號隔離器作用原理

      2.1 干擾的原因

             在工業生產過程中實現監視和控制需要用到各種自動化儀表、控制系統和執行機構,他們之間的信號傳輸既有微弱到毫伏級、毫安級的小信號;又有幾十伏,數千伏、數百安培的大信號;既有低頻直流信號,也有高頻脈沖信號等等,構成系統后往往發現在儀表和設備之間傳輸相互干擾,造成系統不穩定甚至誤操作,出現這種情況除了每個儀器、設備本身的性能原因如抗電磁干擾影響,還有一個十分重要的原因就是各種儀器設備根據要求和目的都需要接地.例如為了安全,機殼需要接大地;為了使電路正常工作,系統需要有公共參考點;為了抑制干擾加屏蔽罩,屏蔽罩也需要接地,但是由于儀表和設備之間的參考點之間存在電勢差(也就是各設備的共地點不同)因而形成“地環流”、“接地環流”問題是在系統處理信號過程中必須解決的問題.

      (1)接地環路問題:如圖2所示.當過程環路中有兩處或兩處以上接地電阻不相等時,就會產生接地環路,過程信號就會失真.要使信號完整而不失真地傳輸,理想化的情況是所有設備、儀表中的信號都有一個共同參考點,也就是有一個共同的“地”.只有這樣,所有設備、儀表信號參考點間電位差才能為“零”.很顯然,不同設備的接地電阻很難保證都相等,接地電阻也隨著傳輸距離的增加而升高,有時甚至產生高200V電位差.

      圖二.png

      (2)自然干擾

      雷電是一種主要的自然干擾源,雷電產生的干擾可以傳輸到數千公里以外的地方.雷電干擾的時域波形是疊加在一串隨機脈沖背景上的一個大尖峰脈沖.宇宙噪音是電離輻射產生的,在一天中不斷變化.太陽噪音則隨著太陽活動情況的劇烈變化.自然界噪聲主要會對通訊產生干擾,而雷電能量尖蜂脈沖可以對很多設備造成損壞,應該加以避免或降低損壞程度,減少損失.

      (3)人為干擾

      電磁干擾[4]原因是導體中有電壓或電流的變化,即較大dv/dt 或di/dt.dv/dt 或di/dt 能夠使導體產生電磁波輻射.一方面,人們可以利用這一特點實現特定功能,例如,無限通信、雷達或其他功能,另一方面,電子設備在工作時,由于導體中的dv/dt或di/dt會產生伴隨電磁輻射.無論主觀上出于什么目的,客觀上對電磁環境造成了污染.還有工廠企業在生產過程中會經常有一些大型的設備(電機、變頻器)頻繁開關,他們也會造成一些容性、感性的干擾,也將影響儀器儀表正常顯示或采集.凡是有電壓電流突變的場合,肯定會有電磁干擾存在.數字脈沖電路就是一種典型的干擾源,隨著電子技術的廣泛應用,電磁污染情況會越來越嚴重.

      2.2 解決各種干擾的方法

             首先干擾的三要素是干擾源、敏感源和耦合路徑,這三要素缺少一個,電磁兼容問題都不會存在.因此要從這三要素入手,找出最方便的解決方法.一般干擾源和敏感源是沒辦法解決的,通常是從耦合路徑想辦法,最常用的方法如加屏蔽、加濾波等手段.而處理環流最常見也最為麻煩,現在就此作以探討.

      (1)第種方法;所有現場設備不接地,使所有過程環路只有一個接地點,不能形成回路,這種方法看似簡單,但實際應用中往往很難實現,因為某些設備要求必須接地才能保證測量精度或人身安全,某些設備可能因為長期遭到腐蝕和磨損后或氣候影響而形成新的接地點.

      (2)第2種方法:使2接地點的電勢相同,但由于接地的電阻受地質條件及氣候變化眾多因素的影響,這種方法在實際情況下也無法完全能做到.

      (3)第3種方法:在過程環路中使用信號隔離器.信號隔離器采用隔離技術,斷開過程環路中的直接電路(直流通路)但又不影響過程信號的正常傳輸,從而徹底解決了上述問題,如圖3.當然,我們也可以用DCS的隔離卡鍵或帶隔離能力的變送器實現信號隔離,但它們價格昂貴,而且他們的隔離強度、抗無限射頻/電磁干擾(RFI/EMI)指標及應用

      靈活性比信號隔離器差,更不可能像信號隔離器那樣還可解決信號轉換及信號分配等問題.

      圖三.png

      三、采用信號隔離器的優越性

             在各個過程環路中使用信號隔離器辦法可以用DCS或PLC等隔離卡件或者現場帶隔離的變送器(部分設備可以做到),也可以用信號隔離器來實現.比較起來,用信號隔離器有以下優點:絕大部分情況,采用信號隔離器+非隔離卡件比采用隔離卡件便宜;信號隔離器比隔離卡件在隔離能力、抗電磁干擾等方面性能更加優越;信號隔離器應用靈活,而且它還有信號轉換和信號分配及接口轉換等功能,使用起來更加方便.信號隔離器通常有單通道、雙通道、通道間相互完全獨立、構成系統的配置、日常維護更加方便.圖4為信號隔離器與設備之間的連接圖.

      圖四.png

      四、信號隔離(變換)器的應用舉例

      4.1 隔離輸入/輸出信號這是信號隔離器最主要的功能.信號隔離器一方面能解決接地環路和設備互聯時產生的地線參考點不同的問題,另一方面能有效地去除線路在傳輸過程中可能受到的無限射頻和電磁干擾問題.圖5中,2臺現場設備(1#和2#儀表)向PLC/DCS傳送模擬信號,同時PLC/DCS向另外2臺現場設備(3#和4#儀表)發出模擬信號進行顯示和控制.在這套系統中理想的狀態是:位于現場的1#,2#設備與位于主控室的PLC/DCS的參考“地”電位完全相等,而且傳輸過程中不存在任何干擾,這樣才能保證PLC/DCS接收正確.但現實情況是這種“理想狀態”很難實現.舉例來說,假設1#和2#設備輸入的信號為0-10VDC的模擬信號.我們在現場測量兩者的信號也完全正確.1#設備的“地”與PLC/DCS的“地”相等而2#設備比它們的“地”電位高0.1V,這樣PLC/DCS接收到的1#設備的信號為0-10V而接收到的2#設備的信號為0.1-10.1V,顯然誤差產生了.特別是在多級互連的串聯設備中,這種誤差會變得非常大!如果我們簡單地把1#,2#設備的“地”線在PLC/DCS處匯合連接.那么這0.1V的電壓會施加在PLC/DCS的“地”線上,有可能損壞PLC/DCS的局部“地”線.同樣,在輸出端的3#,4#設備也會出現類似的情況.由此引起的問題在現場調試中屢見不鮮.

      圖五.png

             解決上述問題的最好辦法就是在輸入端和輸出端分別加上信號隔離器.從信號隔離器的原理圖可以看出,它具有使輸入/輸出信號在電氣上完全隔離的特點.換句話講,現場輸入設備與主控接收設備間不存在共“地”,那么輸入信號不管是0-10V,或是帶有哪怕+10V干擾的10V-20V的信號,經過隔離器后均變為0-10V的標準信號.例如某大型水泥廠新建窯爐的生產線調試中,當現場爐溫信號接入國外某著名品牌DCS系統的8通道模擬量輸入卡鍵后,溫度數據亂跳,根本無法控制,但在現場進行單點測試時又很穩定也很準確.又如某電廠化水處理工程中,當現場各種不同類型的壓力變送器信號接入PLC后,數據跳動厲害,而且誤差非常大,但同樣在現場進行單點測試時很穩定也很準確,可是只要向PLC接入兩點以上的信號后,信號就發生跳變.這兩種情況在加了信號隔離器后,一切正常!

      4.2 信號隔離分配

             在實際應用中,我們經常遇到將一個變送器信號接入2個或2個以上接收裝置的情況,若采用串聯環路,則環路中任一處開路都會造成整個環路上的儀表無信號,同時負載電阻之和很容易超過變送器的負載能力,所以一般不采用這種方式.通常采用的方式是:在環路中串接1個電阻,再將負載并聯在電阻上以取得電壓信號,如串接1個250Ω電阻將4-20mA電流信號轉換成1-5V 電壓信號.如圖6所示.

      圖六.png

             這種方式雖然能避開開路及負載能力等問題,但卻存在以下不足:(1)由于電阻本身難以達到高精度,加之存在接線端電阻以及電阻發熱引起阻抗升高等因素,所以電壓信號較難保證高精度;(2)通過串聯電阻取電壓信號方法是以假定接收設備的輸入阻抗無窮大為理想前提的,所以接收設備的輸入阻抗必然對信號的測量產生誤差,而且,并聯設備數目越多,誤差越大;(3)導線越長,電阻的電壓降越大,對實際電壓信號的影響也越大,因此信號傳輸距離不能太長;(4)由于RFI/EMI(無線射頻/電磁干擾)的信號容易與電壓信號疊加,所以該連接易受無限射頻/電磁干擾.

             解決以上問題的理想方案就是使用信號(隔離)分配器.它精度高、隔離能力強,可以解決以上各種問題,以圖7為例.

      圖七.png

              圖7中,兩輸出信號既可相同也可互異,變送器、RCVR(接收設備)間完全隔離;任一接收設備出現故障,不會影響整個環路及另一套設備.

      4.3 避免電源沖突

              有時現場儀表在配套時,由于協調不利,產生了如下情況:接收設備(如某些DCS輸入卡鍵)的信號接入端帶有24V電源(即我們常說的兩線制接口),而現場為4線制變送器,輸出信號為有源信號,因此,來自于現場的4線制變送器輸出信號與來自于接收裝置的兩線制電源信號就會發生沖突.解決的方法是:接入輸出環路供電型隔離器,它通過信號輸出線由接收設備供電,并將現場4線制變送器的有源信號經隔離后輸出給接收設備,這樣不僅避免了電源沖突,而且還對信號實行了隔離.

      4.4 提供電源并隔離

              線制外部供電型信號隔離器,又叫隔離配電器(如:美國MADSHEN  的MDSC346E系列),具有向2線制變送器供電的功能,由此可以免去為變送器再配置電源的麻煩.并且也提供了信號隔離功能.如圖8所示.

      圖八.png

      4.5 信號轉換并隔離

             上述介紹的所有隔離器都帶有信號轉換功能,可接受如直流標準(或非標準)信號、熱電偶信號、熱電阻信號、電位計信號,甚至交流信號等,并可以輸出用戶需要的各種信號.


      五、結束語

             隨著信號隔離器在工控系統配電的廣泛應用,設計工作人員要做好其選擇工作.選擇隔離器首先要確定輸入輸出功能,同時要使隔離器輸入輸出模式(電壓型、電流型、環路供電型等,適應前后端通道接口模式,此外尚有精度、功耗、噪音、絕緣強度、總線通訊等許多重要參數涉及產品性能.例如:噪音與精度有關、功耗能量與可靠性有關,這些需要使用者慎選.標準系列導軌結構,易于安裝,可有效的隔離;輸入、輸出和電磁閥及大地之間的電位,能克服變頻器噪聲級各種高低頻脈動干擾.總之,適用、可靠、產品性價比是選擇隔離器的主要原則.



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