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工控配电方面信号隔离器的NB-IOT技术应用

田全利,赵建平,勾保同,杨希燕,赵远超

       随着生产自动化水平的提高,系统环境问题也逐渐的增加,控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行,系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键.在一些现场干扰大,工艺要求较高的场合,信号隔离器的应用日益广泛它可与单元组合仪表及DCS,LC等系统配套使用,在油田、石化、制造、电力、冶金等行业的重大工程中有着广泛应用.由于这种信号线路无需共地设计,使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强,从而提高了整个系统的可靠性,给设计及现场施工带来极大方便.因此掌握信号隔离器的基本原理及其应用技术,选择合适的信号隔离器,用NBIoT实现远程控制,在实际生产中尤为重要.


一、信号隔离器的工作原理、技术特点及作用

1.1信号隔离器工作原理

图一.png

       图1给出了信号隔离器的工作原理.从图1中可以看出,变送器或仪表的信号,通过半导体器件调制变换,然后通过光感或磁感器件进行隔离转换,然后再进行解调变换回隔离前原信号,同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理.保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立.隔离器实现了输入对输出对电源对地的四端三重隔离电路设计,因此无需系统接地线路,给设计及现场施工带来极大方便.也正是由于这种信号线路无需共地设计使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强,从而提高了整个系统的可靠性.另外,这种隔离器产品除具备极强的滤波能力外,还有更强信号处理能力,能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等各种信号.

1.2 信号隔离器技术特点

       信号隔离器采用了先进的数字化技术,在对高、低频干扰信号的抑制方面均有着优异表现,即使在大功率变频控制系统中依然能够可靠应用,内部采用数字化调校、无零点及满度电位器、自动动态校准零点、温度漂移自动补偿等诸多先进技术,这一系列技术的应用使产品的稳定性及可靠性得到科学的证明.以上各项技术领先国际先进水平.

1.3 信号隔离器作用

(1)隔离作用:工业信号为什么要隔离?由于工业现场的环境条件是很复杂的各种干扰(天体放电干扰、电晕电火花放电干扰、电气设备频率干扰、感应干扰)通过不同的耦合方式(电容耦合、电磁耦合、共阻抗耦合、漏电流耦合)进入测量系统,使测量结果偏离准确值,严重时会让测量系统不能工作,因此要对工业信号进行干扰抑制,也就是采取隔离措施,隔离器就派上用场了.什么是隔离?隔离就是破坏干扰途径、切断干扰耦合通道,从而达到抑制干扰的一种技术措施.

(2)变换作用:将一种形式的信号转换成另一种形式的信号.信号隔离器可以将各种物理量转换成标准的工业控制信号:比如温度信号转换成4-20mA信号,交流800V 电压信号转换成0-10V 信号、直流1A电流信号转换成0-5V 信号等.此外,也可看下标准信号转换:比如4-20mA转1-5V.(3)放大作用和远传作用:将一些微弱的毫伏级信号放大成易处理的标准信号;将易受干扰的电压信号转换成电流信号,以利于信号远传,如4-20mA信号可以传1000m.(4)保护作用:加设隔离变送器可以保护上位重要控制器件的安全,比如PLC,工控机,采集卡,仪表等,隔离器的隔离作用可以保护其他贵重器件的安全,以免损坏.


二、信号隔离器作用原理

2.1 干扰的原因

       在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构,他们之间的信号传输既有微弱到毫伏级、毫安级的小信号;又有几十伏,数千伏、数百安培的大信号;既有低频直流信号,也有高频脉冲信号等等,构成系统后往往发现在仪表和设备之间传输相互干扰,造成系统不稳定甚至误操作,出现这种情况除了每个仪器、设备本身的性能原因如抗电磁干扰影响,还有一个十分重要的原因就是各种仪器设备根据要求和目的都需要接地.例如为了安全,机壳需要接大地;为了使电路正常工作,系统需要有公共参考点;为了抑制干扰加屏蔽罩,屏蔽罩也需要接地,但是由于仪表和设备之间的参考点之间存在电势差(也就是各设备的共地点不同)因而形成“地环流”、“接地环流”问题是在系统处理信号过程中必须解决的问题.

(1)接地环路问题:如图2所示.当过程环路中有两处或两处以上接地电阻不相等时,就会产生接地环路,过程信号就会失真.要使信号完整而不失真地传输,理想化的情况是所有设备、仪表中的信号都有一个共同参考点,也就是有一个共同的“地”.只有这样,所有设备、仪表信号参考点间电位差才能为“零”.很显然,不同设备的接地电阻很难保证都相等,接地电阻也随着传输距离的增加而升高,有时甚至产生高200V电位差.

图二.png

(2)自然干扰

雷电是一种主要的自然干扰源,雷电产生的干扰可以传输到数千公里以外的地方.雷电干扰的时域波形是叠加在一串随机脉冲背景上的一个大尖峰脉冲.宇宙噪音是电离辐射产生的,在一天中不断变化.太阳噪音则随着太阳活动情况的剧烈变化.自然界噪声主要会对通讯产生干扰,而雷电能量尖蜂脉冲可以对很多设备造成损坏,应该加以避免或降低损坏程度,减少损失.

(3)人为干扰

电磁干扰[4]原因是导体中有电压或电流的变化,即较大dv/dt 或di/dt.dv/dt 或di/dt 能够使导体产生电磁波辐射.一方面,人们可以利用这一特点实现特定功能,例如,无限通信、雷达或其他功能,另一方面,电子设备在工作时,由于导体中的dv/dt或di/dt会产生伴随电磁辐射.无论主观上出于什么目的,客观上对电磁环境造成了污染.还有工厂企业在生产过程中会经常有一些大型的设备(电机、变频器)频繁开关,他们也会造成一些容性、感性的干扰,也将影响仪器仪表正常显示或采集.凡是有电压电流突变的场合,肯定会有电磁干扰存在.数字脉冲电路就是一种典型的干扰源,随着电子技术的广泛应用,电磁污染情况会越来越严重.

2.2 解决各种干扰的方法

       首先干扰的三要素是干扰源、敏感源和耦合路径,这三要素缺少一个,电磁兼容问题都不会存在.因此要从这三要素入手,找出最方便的解决方法.一般干扰源和敏感源是没办法解决的,通常是从耦合路径想办法,最常用的方法如加屏蔽、加滤波等手段.而处理环流最常见也最为麻烦,现在就此作以探讨.

(1)第种方法;所有现场设备不接地,使所有过程环路只有一个接地点,不能形成回路,这种方法看似简单,但实际应用中往往很难实现,因为某些设备要求必须接地才能保证测量精度或人身安全,某些设备可能因为长期遭到腐蚀和磨损后或气候影响而形成新的接地点.

(2)第2种方法:使2接地点的电势相同,但由于接地的电阻受地质条件及气候变化众多因素的影响,这种方法在实际情况下也无法完全能做到.

(3)第3种方法:在过程环路中使用信号隔离器.信号隔离器采用隔离技术,断开过程环路中的直接电路(直流通路)但又不影响过程信号的正常传输,从而彻底解决了上述问题,如图3.当然,我们也可以用DCS的隔离卡键或带隔离能力的变送器实现信号隔离,但它们价格昂贵,而且他们的隔离强度、抗无限射频/电磁干扰(RFI/EMI)指标及应用

灵活性比信号隔离器差,更不可能像信号隔离器那样还可解决信号转换及信号分配等问题.

图三.png

三、采用信号隔离器的优越性

       在各个过程环路中使用信号隔离器办法可以用DCS或PLC等隔离卡件或者现场带隔离的变送器(部分设备可以做到),也可以用信号隔离器来实现.比较起来,用信号隔离器有以下优点:绝大部分情况,采用信号隔离器+非隔离卡件比采用隔离卡件便宜;信号隔离器比隔离卡件在隔离能力、抗电磁干扰等方面性能更加优越;信号隔离器应用灵活,而且它还有信号转换和信号分配及接口转换等功能,使用起来更加方便.信号隔离器通常有单通道、双通道、通道间相互完全独立、构成系统的配置、日常维护更加方便.图4为信号隔离器与设备之间的连接图.

图四.png

四、信号隔离(变换)器的应用举例

4.1 隔离输入/输出信号这是信号隔离器最主要的功能.信号隔离器一方面能解决接地环路和设备互联时产生的地线参考点不同的问题,另一方面能有效地去除线路在传输过程中可能受到的无限射频和电磁干扰问题.图5中,2台现场设备(1#和2#仪表)向PLC/DCS传送模拟信号,同时PLC/DCS向另外2台现场设备(3#和4#仪表)发出模拟信号进行显示和控制.在这套系统中理想的状态是:位于现场的1#,2#设备与位于主控室的PLC/DCS的参考“地”电位完全相等,而且传输过程中不存在任何干扰,这样才能保证PLC/DCS接收正确.但现实情况是这种“理想状态”很难实现.举例来说,假设1#和2#设备输入的信号为0-10VDC的模拟信号.我们在现场测量两者的信号也完全正确.1#设备的“地”与PLC/DCS的“地”相等而2#设备比它们的“地”电位高0.1V,这样PLC/DCS接收到的1#设备的信号为0-10V而接收到的2#设备的信号为0.1-10.1V,显然误差产生了.特别是在多级互连的串联设备中,这种误差会变得非常大!如果我们简单地把1#,2#设备的“地”线在PLC/DCS处汇合连接.那么这0.1V的电压会施加在PLC/DCS的“地”线上,有可能损坏PLC/DCS的局部“地”线.同样,在输出端的3#,4#设备也会出现类似的情况.由此引起的问题在现场调试中屡见不鲜.

图五.png

       解决上述问题的最好办法就是在输入端和输出端分别加上信号隔离器.从信号隔离器的原理图可以看出,它具有使输入/输出信号在电气上完全隔离的特点.换句话讲,现场输入设备与主控接收设备间不存在共“地”,那么输入信号不管是0-10V,或是带有哪怕+10V干扰的10V-20V的信号,经过隔离器后均变为0-10V的标准信号.例如某大型水泥厂新建窑炉的生产线调试中,当现场炉温信号接入国外某著名品牌DCS系统的8通道模拟量输入卡键后,温度数据乱跳,根本无法控制,但在现场进行单点测试时又很稳定也很准确.又如某电厂化水处理工程中,当现场各种不同类型的压力变送器信号接入PLC后,数据跳动厉害,而且误差非常大,但同样在现场进行单点测试时很稳定也很准确,可是只要向PLC接入两点以上的信号后,信号就发生跳变.这两种情况在加了信号隔离器后,一切正常!

4.2 信号隔离分配

       在实际应用中,我们经常遇到将一个变送器信号接入2个或2个以上接收装置的情况,若采用串联环路,则环路中任一处开路都会造成整个环路上的仪表无信号,同时负载电阻之和很容易超过变送器的负载能力,所以一般不采用这种方式.通常采用的方式是:在环路中串接1个电阻,再将负载并联在电阻上以取得电压信号,如串接1个250Ω电阻将4-20mA电流信号转换成1-5V 电压信号.如图6所示.

图六.png

       这种方式虽然能避开开路及负载能力等问题,但却存在以下不足:(1)由于电阻本身难以达到高精度,加之存在接线端电阻以及电阻发热引起阻抗升高等因素,所以电压信号较难保证高精度;(2)通过串联电阻取电压信号方法是以假定接收设备的输入阻抗无穷大为理想前提的,所以接收设备的输入阻抗必然对信号的测量产生误差,而且,并联设备数目越多,误差越大;(3)导线越长,电阻的电压降越大,对实际电压信号的影响也越大,因此信号传输距离不能太长;(4)由于RFI/EMI(无线射频/电磁干扰)的信号容易与电压信号叠加,所以该连接易受无限射频/电磁干扰.

       解决以上问题的理想方案就是使用信号(隔离)分配器.它精度高、隔离能力强,可以解决以上各种问题,以图7为例.

图七.png

        图7中,两输出信号既可相同也可互异,变送器、RCVR(接收设备)间完全隔离;任一接收设备出现故障,不会影响整个环路及另一套设备.

4.3 避免电源冲突

        有时现场仪表在配套时,由于协调不利,产生了如下情况:接收设备(如某些DCS输入卡键)的信号接入端带有24V电源(即我们常说的两线制接口),而现场为4线制变送器,输出信号为有源信号,因此,来自于现场的4线制变送器输出信号与来自于接收装置的两线制电源信号就会发生冲突.解决的方法是:接入输出环路供电型隔离器,它通过信号输出线由接收设备供电,并将现场4线制变送器的有源信号经隔离后输出给接收设备,这样不仅避免了电源冲突,而且还对信号实行了隔离.

4.4 提供电源并隔离

        线制外部供电型信号隔离器,又叫隔离配电器(如:美国MADSHEN  的MDSC346E系列),具有向2线制变送器供电的功能,由此可以免去为变送器再配置电源的麻烦.并且也提供了信号隔离功能.如图8所示.

图八.png

4.5 信号转换并隔离

       上述介绍的所有隔离器都带有信号转换功能,可接受如直流标准(或非标准)信号、热电偶信号、热电阻信号、电位计信号,甚至交流信号等,并可以输出用户需要的各种信号.


五、结束语

       随着信号隔离器在工控系统配电的广泛应用,设计工作人员要做好其选择工作.选择隔离器首先要确定输入输出功能,同时要使隔离器输入输出模式(电压型、电流型、环路供电型等,适应前后端通道接口模式,此外尚有精度、功耗、噪音、绝缘强度、总线通讯等许多重要参数涉及产品性能.例如:噪音与精度有关、功耗能量与可靠性有关,这些需要使用者慎选.标准系列导轨结构,易于安装,可有效的隔离;输入、输出和电磁阀及大地之间的电位,能克服变频器噪声级各种高低频脉动干扰.总之,适用、可靠、产品性价比是选择隔离器的主要原则.



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