隔離變送器在工業(yè)儀表中的應用

　　　　摘要：工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統中，存在多種類(lèi)型的電氣干擾，工業(yè)現場(chǎng)儀表在設計上要考慮各電氣端口的干擾處理，這里針對工業(yè)儀表的模擬信號輸入輸出端口的信號抗干擾處理推薦了隔離變送器的解決方案，針對工業(yè)儀表的通信總線(xiàn)接口的抗干擾處理推薦了總線(xiàn)隔離收發(fā)器的解決方案。

    　一、 引言

　　生產(chǎn)過(guò)程監視和控制要用到多種自動(dòng)化儀表、計算機及相應執行機構。過(guò)程中的信號既有微弱到毫伏級的小信號,又有數十伏的大信號，甚至還有高達數千伏、數百安培的信號要處理。從頻率上講，有直流低頻范圍的，也有高頻/脈沖尖峰。設備儀表間的互相干擾就成為系統調試中必須要解決的問(wèn)題。除了電磁屏蔽之外，解決各種設備儀表的“地”，即信號參考點(diǎn)的電位差，將成為重要課題。因為不同設備、儀表的信號要互傳互送，那就存在信號參考點(diǎn)問(wèn)題。換句話(huà)說(shuō)，要使信號完整傳送，理想化的情況是所有設備儀表的信號有一個(gè)共同的參考點(diǎn)，即所有設備儀表信號的參考點(diǎn)之間電位差為“零”。但是在實(shí)際環(huán)境中，這一點(diǎn)幾乎是不可能的，這里面除了各個(gè)設備儀表“地”之間的連線(xiàn)電阻產(chǎn)生的電壓降之外，尚有各種設備儀表在不同環(huán)境受到的干擾不同，以及導線(xiàn)接點(diǎn)經(jīng)受風(fēng)吹雨淋導致接點(diǎn)質(zhì)量下降等諸多因素，致使各個(gè)“地”之間有差別。

　　工業(yè)現場(chǎng)儀表在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統中，既需要監視前端傳感器傳遞的電信號，同時(shí)也需要將處理后的信號傳遞給控制中心主機，為了信號傳輸的可靠與穩定，必須要考慮各信號端口的隔離處理，以消除儀表接入系統后的地電位差問(wèn)題。

　　二、工業(yè)現場(chǎng)儀表的一般構成。

　　工業(yè)現場(chǎng)儀表應用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統中，其作用是，采樣現場(chǎng)傳感器信號，根據預設定的算法，計算采樣值獲得實(shí)際現場(chǎng)被監視物理量的值，并將實(shí)際現場(chǎng)物理狀況通過(guò)通信總線(xiàn)或者4~20mA電流信號輸出到主控制中心。其一般的系統構成圖如下圖所示。

　　從上圖可以看到，傳感器信號輸入到工業(yè)儀表，首先是EMC防護電路，因工業(yè)現場(chǎng)的電氣環(huán)境復雜，存在強電設備(如大功率電機)、高頻開(kāi)關(guān)設備(如變頻器)，這些設備在啟停動(dòng)作時(shí)會(huì )產(chǎn)生較大的浪涌及尖峰脈沖，這類(lèi)的干擾包含比較大的能量，通過(guò)EMC防護器件，如壓敏電阻、TVS管等器件吸收這類(lèi)干擾，保護后級的電路不會(huì )因這類(lèi)干擾造成損壞。傳感器信號經(jīng)EMC防護電路后輸入到輸入端的隔離放大器進(jìn)行信號的隔離、調理，信號隔離能保證儀表內部電路與外部傳感器形成地線(xiàn)阻斷，消除共模干擾，從而消除地電位差引起的地線(xiàn)環(huán)流，一方面可以確保傳感器信號的采樣精度不受干擾的影響，一方面可以保護內部MCU系統不會(huì )因大的共模電壓造成器件的損壞;信號調理，通過(guò)信號類(lèi)型的轉換及信號放大將傳感器信號線(xiàn)性放大成滿(mǎn)足ADC采樣的信號類(lèi)型及范圍，保證調理后的信號范圍和ADC信號輸入范圍匹配，從而保證ADC采樣精度。MCU將經(jīng)過(guò)ADC數字量化后的傳感器信號進(jìn)行數字運算，經(jīng)過(guò)數字濾波，線(xiàn)性化運算等一系列的運算后獲得現場(chǎng)物理量的實(shí)際狀況，然后輸出到顯示面板，同時(shí)將獲得的現場(chǎng)物理量值按照線(xiàn)性比例輸出到DAC電路，DAC電路輸出電壓信號，要想形成4~20mA電流信號，還需要經(jīng)過(guò)輸出端的隔離放大器將電壓信號隔離調理成4~20mA的電流信號輸出。當然信號輸出端也需要設計EMC防護電路。

　　工業(yè)智能儀表一般都帶有通信接口，目前常見(jiàn)的有485通信接口，CAN通信接口，可以通過(guò)通信總線(xiàn)直接將現場(chǎng)物理量值以數字方式上傳，同時(shí)還能通過(guò)總線(xiàn)接口完成如儀表參數設置、儀表運行狀態(tài)查詢(xún)、儀表的自校準等工作。485通信、CAN通信采用的都是差分信號通信，本身有較強的抗干擾能力，但通信接口IC能承受的共模輸入電壓范圍都有限，尤其是485的接口IC，一般在-7V~+12V之間，在較長(cháng)距離的通信中，地電位差形成的共模干擾很容易造成通信接口IC的損壞，所以通信接口也必須進(jìn)行隔離設計，以提高系統可靠性。

　　三、隔離變送器的應用。

　　針對工業(yè)現場(chǎng)儀表的模擬信號的輸入輸出端口的隔離調理設計，廣州金升陽(yáng)科技有限公司推出了專(zhuān)門(mén)的解決方案。

　　1、輸入型隔離變送器TE_N系列。

　　輸入型隔離變送器的原理框圖如圖2所示。該系列產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：

　　內部自帶隔離電源，無(wú)需外部DC/DC隔離電源，簡(jiǎn)化用戶(hù)電源配置設計 ;

　　多種信號類(lèi)型的隔離轉換 ;

　　小體積：DIP封裝(26*9.5*12.5mm)，超小的占板面積，可靠的焊接可靠性;

　　高精度等級(0.1%F.S.) ;

　　寬工作溫度范圍：- 40～+85℃ ;

　　調節功能：信號滿(mǎn)度調節及零點(diǎn)調節。

　　輸入型的隔離變送器產(chǎn)品針對模擬信號的輸入端口設計，產(chǎn)品內部自帶隔離電源，無(wú)需外部DC/DC隔離電源，產(chǎn)品的供電端與信號輸出端共地，可以很方便的從MCU系統側取電，簡(jiǎn)化了用戶(hù)電源配置設計;TE_N產(chǎn)品具有很高的傳輸精度，出廠(chǎng)精度為0.1%FS，并且帶有滿(mǎn)度調節和零點(diǎn)調節引腳，當產(chǎn)品應用于系統中，系統中的其它部分的信號線(xiàn)性度需要調整時(shí)，可以很方便的通過(guò)TE_N產(chǎn)品滿(mǎn)度調節和零點(diǎn)調節引腳實(shí)現;TE_N產(chǎn)品的小體積可以滿(mǎn)足工業(yè)儀表小體積的需求，并且采用雙列直插的引腳排布方式，有著(zhù)良好的焊接可靠性及抗振性能;TE_N產(chǎn)品在信號輸入側還提供一組隔離電源輸出，與信號輸入端共地，當隔離變送器無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際轉換調理需求時(shí)，可以利用隔離電源搭建簡(jiǎn)單的信號調理電路，滿(mǎn)足實(shí)際調理需求;TE_N系列產(chǎn)品可以提供工業(yè)常規信號(0~20mA、4~20mA、0~5V、0~10V)的相互隔離轉換，還可以為客戶(hù)的實(shí)際量程定制相應的輸入輸出量程范圍，還可以提供常規的24V、15V、12V、5V等多種電源范圍的產(chǎn)品。具有高精度、小體積、低功耗、低成本等特點(diǎn)。

　　2、輸出型隔離變送器TF_N系列。

　　輸出型隔離變送器的原理框圖如圖3所示。該系列產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：

　　內部自帶隔離電源，無(wú)需外部DC/DC隔離電源，簡(jiǎn)化用戶(hù)電源配置設計 ;

　　多種信號類(lèi)型的隔離轉換 ;

　　小體積：DIP封裝(26*9.5*12.5mm)，超小的占板面積，可靠的焊接可靠性;

　　高精度等級(0.1%F.S.) ;

　　寬工作溫度范圍：- 40～+85℃ ;

　　調節功能：信號滿(mǎn)度調節及零點(diǎn)調節。

　　工業(yè)儀表一般需要將采集到的物理量信號轉換成0~20mA或4~20mA 的信號輸出，達到遠傳給主控制中心的目的。TF_N系列輸出型隔離變送器產(chǎn)品專(zhuān)門(mén)針對這種模擬信號的隔離轉換輸出的應用而設計。其產(chǎn)品的供電端與信號輸入端共地，可以很方便的從信號輸入端取電，產(chǎn)品的輸出側就是所需要的隔離4~20mA信號，無(wú)需其它附加電路。與TE_N系列輸入型的隔離變送器的產(chǎn)品功能及特點(diǎn)類(lèi)似，同樣也具有高精度、小體積、低功耗、低成本等特點(diǎn)。

　　四、總線(xiàn)隔離收發(fā)器的應用。

　　在工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)中，485總線(xiàn)，具有設計簡(jiǎn)單，抗干擾性強，成本低等優(yōu)勢;CAN總線(xiàn)，具有傳輸速率高，抗干擾性強，先進(jìn)的總線(xiàn)仲裁機制，優(yōu)秀的總線(xiàn)故障檢測及故障自鎖功能等優(yōu)勢;兩種總線(xiàn)都可以采用低廉的雙絞線(xiàn)介質(zhì)進(jìn)行遠距離通信傳輸，被工業(yè)儀表廣泛采用。針對這兩種常用總線(xiàn)的端口隔離設計，廣州金升陽(yáng)科技有限公司也推出了集成解決方案。

　　1、485總線(xiàn)隔離收發(fā)器TD501D485H，CAN總線(xiàn)隔離收發(fā)器TD501DCAN

　　485總線(xiàn)隔離收發(fā)器TD501D485H其應用接線(xiàn)圖如圖4所示;CAN總線(xiàn)隔離收發(fā)器TD501DCAN應用接線(xiàn)圖如圖5所示。該系列產(chǎn)品是針對傳統的485總線(xiàn)及CAN總線(xiàn)端口隔離設計方案進(jìn)行了電源優(yōu)化，端口靜電防護等級優(yōu)化而推出的集成產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品具有以下功能特點(diǎn)：

　　內部自帶隔離電源，無(wú)需外部DC/DC隔離電源，簡(jiǎn)化用戶(hù)電源配置設計;

　　集成化，小體積，低功耗 ;

　　更高的端口靜電防護能力 ;

　　寬工作溫度范圍：- 40～+85℃ ;

　　完整的EMC防護電路推薦。

　　TD系列的總線(xiàn)隔離收發(fā)器，在電源設計上，針對實(shí)際通信的電源消耗作了優(yōu)化設計，能夠在保證通信質(zhì)量的同時(shí)，保證功耗更低;并且針對傳統的光耦進(jìn)行數字隔離的電路作了優(yōu)化與嚴格的設計測試，保證數字隔離傳送在整個(gè)高低溫工作范圍內傳輸可靠，并且設計中考慮了光耦的長(cháng)期工作的CTR衰減問(wèn)題，保證了設計的長(cháng)期可靠性;在整體結構設計上，保證了小體積的同時(shí)，更確保更小的占板面積，滿(mǎn)足工業(yè)儀表小體積的需求;另外，考慮到工業(yè)環(huán)境的電氣復雜性，在產(chǎn)品技術(shù)手冊上有完整的EMC防護電路推薦，以簡(jiǎn)化客戶(hù)實(shí)際的端口設計。

　　三、小結

　　隨著(zhù)工業(yè)儀表的智能化程度越來(lái)越高，功能越來(lái)越多，在整個(gè)產(chǎn)品的整體設計上要考慮的問(wèn)題也越來(lái)越多，如，電源配置、MCU系統設計、顯示及人機界面設計、軟件算法、通信協(xié)議等等，端口的電氣可靠性設計往往會(huì )被設計者所忽略，以上推薦的幾種端口設計的集成化產(chǎn)品，可以大大簡(jiǎn)化工業(yè)儀表的端口電氣可靠性設計，從而縮短工業(yè)儀表開(kāi)發(fā)周期，提高系統可靠性。
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