中自网

热门搜索:ABB  变频器  PID  低压  抽油机  电子  无线通讯  电力电子 

当前位置:首页>>  方案与应用>>  方案锦集

I/O通道仪表的原理、应用及市场分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2011-10-20   作者:重庆金鹰自动化工程有限公司   浏览次数:24634
具体地说,只有当控制装置和分布在现场的传感器和执行器之间的模拟信号传输无故障并且不失真时,才能保证过程控制安全可靠。尤其

 一、  信号传输过程中存在的问题

  1. 接地环路问题: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的参考点,也就是有一个共同的“地”。只有这样,所有的设备、仪表的信号参考点之间电位差才能为“零”。很显然,不同设备的接地电阻很难保证都相等,接地电阻也会随着传输距离的增加而升高,有时甚至产生高达200V的电位差。
  1. 测量回路相互连接问题:在这些回路中,参考点要将因为接通多个信号回路而升高。在这种相互连接的测量回路中,由于线间电阻的不断增加,必然会引起参考电压的不断升高。
  1. 电磁干扰问题:这是比较常见的干扰,特别是在长距离或者干扰较大的工业环境中,很难避免感性和容性干扰在测量回路中相互参杂的情况。

    解决这些问题的方案主要有三种:

    第一种方案是现场仪表不接地,使过程环路中只有一个接地点,但在实际应用中,这种方案往往难以实现,因为某些设备必须接地才能保证测量精度或确保人身安全,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。

    第二种方案是使两接地点的电势相同,但由于接地点的电阻受地质条件及气候变化等众多因素的影响,这种方案通常是很难实现的。

    第三种方案是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。如下图:

    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。

    二、  信号隔离器的工作原理

    目前,信号隔离(变换)器从隔离方式上主要分为:变压器隔离方式,光电隔离方式和变压器与光电联合隔离方式等几种。

    信号隔离器至今已有40多年的历史,早期的信号隔离器(如美国MOORE,日本M-SYSTEM等)都是采用变压器隔离方式,它的特点是:性能稳定,寿命长(比如:日本M-SYSTEM公司的M2系列隔离变换器标称的使用寿命长达70年!),带负载能力强,隔离强度高,但电路复杂,制作工艺要求更高。

    随着电子技术的发展,近些年来逐渐出现了利用光耦合器(optical coupler)生产的光电式隔离器,它的特点是:性能稳定,抗干扰能力强,而且线路简单,成本低廉,但相对于变压器隔离方式寿命略短。

     在一些现场干扰较大,工艺要求较高场合出现了变压器与光电联合方式的信号隔离器,它的隔离能力、抗无限射频和电磁干扰能力更强。比如日本M-SYSTEM公司生产的远程数据采集系统R5系列的模拟量采集模块就应用了变压器和光电联合隔离方式。

     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的设计,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,还有更强的信号处理能力,能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等各种信号。

    三、 隔离器主要技术指标:

  1. 隔离强度:也叫隔离能力、耐压强度或测试耐压,这是衡量信号隔离器的主要参数之一。单位:伏特@1分钟。它指的是输入与输出,输入与电源,输出与电源之间的耐压能力。它的数值越大说明耐压能力越好,隔离能力越强,滤波性能越高。一般的,这种耐压测试是通过一次性样品的耐压检验来确定的。在该测试过程中,将持续若干分钟地分别在输入与输出、输入与电源、输出与电源之间加载50Hz的工频电压,以便得出器件同另一个电势面之间不会发生击穿的电压数值。

    目前,市场上的信号隔离器的隔离强度分为2000V@1分钟,1500V@1分钟,1000V@1分钟,500V@1分钟等几个级别。比如:日本M-SYSTEM和美国ACI的信号隔离器隔离强度为2000V@1分钟;其他国外品牌能做到1500V@1分钟;而目前国内的几个品牌也能做到1000V@1分钟,甚至1500V@1分钟的隔离强度。

  1. 精度:这是衡量一个信号隔离变送器质量的标尺。业内一般能做到量程的±0.2%。个别品牌如M-SYSTEM 、ACI等能做到±0.1%。
  2. 温度系数:表示隔离器等仪表在环境温度发生变化时,精度的变化情况。 大多情况下用百分数表示(也有用单位250ppm/K表示的),如:M-SYSTEM温度系数为±0.015%/℃(相当于150ppm/K)。
  3. 响应时间:表征信号隔离器的反应速度。
  4. 绝缘电阻:内部电源与外壳之间隔离直流作用的数值化表征。
  5. 负载电阻:反映了信号隔离器的带载能力。
  6. 四、 信号隔离(变换)器的应用
  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。

    两台现场设备(1#和2#仪表)向PLC/DCS传送模拟信号,同时PLC/DCS向另外两台现场设备(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0-10V DC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“的”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。

    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!

  1. 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两个或两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:在环路中串接一个电阻,再将负载并联在电阻上以取得电压信号,如串接一个250Ω电阻将4-20mA电流信号转换成1-5V电压信号。如下图:

    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。

    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。

  1. 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. 提供电源并隔离

    4线制外部供电型信号隔离器,又叫隔离配电器(如:日本M-SYSTEM的M5DY系列,美国ACI的SBDY系列等),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。

   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。

    6. 有效防止多路信号间的相互"交链"干扰

    在多路信号同时传递的过程中,信号间会产生称之为"交链"的相互干扰,此类干扰会拉低系统的控制精度,严重时会造成系统控制失调,使用隔离器后,会使得相互间干扰降至最低,使得系统按照您的设计要求稳定工作,让您高枕无忧。

    7、消除线路损耗提高驱动能力

    在传感器驱动能力比较弱的情况下,若信号传输距离较长,很可能会导致信号严重衰减、失真并造成信号接收困难,从而导致系统工作不正常.如果选用了信号隔离器,可以大大提高驱动能力以抵消线路过长造成的损耗,从而满足系统对信号"真实性"的需求,达到稳定系统工作的目的。

    8、提高闭环控制系统稳定性

    在闭环控制回路中,由于各种干扰,传感器以及执行器反馈信号,很有可能会带来干扰杂波,给系统造成影响,乃至系统不能正常工作,如果在输入输出端同时加入隔离器,就可有效阻止此种情况发生。

    9、防止直流静电干扰以及防雷保护

    自动化系统中,传感器,执行器的传输线路有时会较长,这样就会受到外界高压直流静电或雷电干扰,线路中一旦"窜"入高压,很可能会造成毁坏设备、短路、引起火灾等破坏现象。选用隔离器后,会有效地防止此类现象发生,这使您的设备多了一道"防火墙"。

    五、  信号隔离器的市场分析与发展

    1.当前信号隔离器的应用和市场情况

    近几年来,信号隔离器在石油、化工、水泥、建材、钢铁、电力等行业得到了广泛应用。其国产的产品销量2009年达到了100万台左右,产值达6亿人民币左右(国内某一个厂家一年的产量就达到了10万台)。这还不包括从国外直接进口的同类产品。

    2.随着技术的发展和应用的深入,隔离器也在向低功耗、小体积、超薄型、密集型方向发展。其应用前景十分广阔。

    3.同时,许多厂家也在开发智能型信号隔离器,它除了具有常规信号隔离器的优异性能外,特加入了CPU控制单元,具有现场可编程功能(即万能输入型)及通信功能。如美国ACI系列产品,日本M-SYSTEM的M3系列,日本FUJI的PWB系列等。这种高智能的信号隔离器有很高的应用灵活性,可以有效地减少库存数量,降低资金积压。这种智能型的信号隔离器必将成为这一领域的主流。

    而且,隔离器的发展,还在向控制系统的I/O板卡领域渗透,有取代许多进口I/O板卡的趋向。许多厂家,也在利用隔离器的技术和优势,研制新一代的I/O板卡,将隔离器和I/O板卡进行整合,形成新的产业和市场增长点。

    总之,隔离器产品及技术具有很好的市场和发展前景,值得我们公司特别重视。目前,我公司具有了5~10万台的生产能力。还要加大这方面的技术和生产投入,为公司发展开辟新的途径,从而达到提高公司规模和效益的目的。


 
 
[ 方案搜索 ]  [ ]  [ 告诉好友 ]  [ 打印本文 ]  [ 关闭窗口 ]  [ 返回顶部 ]

0条 [查看全部]  网友评论