仪控系统信号测量隔离技术分析与应用.pdf

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1、824化工自动化及仪表第39卷仪控系统信号测量隔离技术分析与应用张伟宁1朱晓明2邵黎勋1徐能1黄文君2(1．中控科技集团有限公司，杭州3l∞53；2．浙江大学控制系，杭州310027)摘要分析了数字化仪控系统信号测量进行电气隔离的目的，提出分别针对电气隔离与非电气隔离的信号测量技术方案。通过现场分析、模块选型和系统安装，正晴合理选用电气隔离或者非电气隔离，在保证系统可靠性前提下能有效抑制浪涌厦脉冲群等干扰对测量的影响，提高系统性价比。关键词数字化仅控系统信号测量电气隔离非隔离方案PhotoMOS隔离技术中图分类号TH8

2、62+．7文献标识码B文章编号1000-3932(2012)06-0824JD4数字化仪控系统对可靠性和抗干扰特性的要求很高，而信号测量作为数字化仪控系统中重要的一环，常采用电气隔离方法提高抗干扰能力。信号测量的过程中，现场各个变送器之间、变送器电信号与控制系统之间存在两端地电势不平衡，可能对电路造成损坏，采用电气隔离可消除这种风险，同时也能有效抑制浪涌、脉冲群等干扰对测量的影响。具有电气隔离的Dcs信号采集的可靠性、抗干扰特性往往优于非隔离的系统。但同时系统设计难度提高，而且系统设计和应用成本也大幅度提高。因此，用户

3、在系统选型的时候常常因为不能兼顾性能和成本而感到苦恼。笔者以中控webFieldEcs—100控制系统信号采集和应用为案例，通过分析仪控系统信号测量进行电气隔离的目的，设计了电气隔离和非电气隔离条件下高可靠性信号测量的技术方案，得出了合理的应用设计能有效建立高度可靠系统的技术方案。1电气隔离的目的隔离测量设计是将现场数据采集侧(包括输出供电电压及输入模拟量信号等)与DCS的其他部分通过电气隔离方法进行分离，同时保证有效信号能正常的传输和测量。在现场工业环境中，有效信号内耦合了各种干扰信号，包括由于地电压不平衡造成的共模

4、干扰、由各种噪声或者是突发的高电压(如雷电和变频电机的电磁干扰)造成的脉冲群和浪涌，这些干扰信号会耦合在现场信号电缆内¨’并传导到控制系统侧。引入隔离型测量系统设计后，可有效提高共模电压抑制，改善噪声抑制能力，消除接地环路，保护操作人员、设备和数据安全。1．1抑制现场信号的噪声——脉冲群所有的现场I／0模块应符合相关电磁兼容性(EMc)标准和试验要求悼2，并符合IEC61000_6-2标准"】，应适应超过150kHz的高频率噪声。同时，为抑制耦合到现场信号上的低频噪声干扰，现场I／o应能够适应工频干扰(50／60Hz)

5、，将系统侧和现场信号上耦合的噪声隔离开是必要的，因为噪声一旦进入系统侧将很难被抑制。控制系统在安装时应依照以下两点：a．因为电源电缆是噪声源，必须防止把电源电缆和信号线放在同一个导管内或是把它们布置成靠近的平行线。b．使用有屏蔽的双绞电缆，绞的斜度要不大于50mm(可以降低磁干扰源的影响)。在测量系统中遵循以上规则，抑制住噪声将成为可能。如果在这种条件下噪声依然覆盖在信号上，隔离型测量系统将通过把系统侧和现场侧隔离来保护系统设备，如图l所示。采用隔离后．噪声不会传输毛控制系统侧(信号电压差能够传输)图l信号隔离抑制噪声

6、收稿日期：2012出-24(修改藕)第6期张伟宁等．仪控系统信号测量隔离技术分析与应用1．2抑制突发的尖峰电压——浪涌浪涌是工业现场常见的干扰形态，严重的时候会对数字仪控系统造成损害，使用隔离测量的方法能够保护系统免受浪涌干扰。但是当干扰电压超过绝缘强度时，隔离保护不起作用。因此在容易被雷电影响的场合，隔离测量并不是完整的解决方法，此时还必须在隔离器的前端使用浪涌泻放装置来钳制浪涌电压(图2)。无论是隔离还是非隔离，使用浪涌吸收器来保护控制系统免受浪涌下扰系统即便在隔离测量的场合．超过绝缘强艘的离电压也会影响到系统侧乡

7、雷击图2针对浪涌的隔离方案2电气隰离信号测量方案隔离型测量分为统一隔离(系统侧与现场侧隔离)和点点隔离(系统／现场隔离的同时各通道之间隔离)。传统的电气隔离方法一。一般有光耦隔离、电感耦合隔离及继电器隔离等。这几种方法一般应用于单个信号与系统之间的隔离即统一隔离中。而多路通道信号之问的切换隔离即点点隔离没有特别好的实施方案，针对此问题笔者提出了PhotoMOS隔离的信号测量方案。2．1传统电气隔离方案2．1．1光电隔离如图3所示，光电隔离由光电耦合器件来完成。‘输入端配置发光源，输出端配置光敏元件，以光为媒介实现输入输

8、出的隔离。光电隔离的缺点是传输速度受限于LED的转换速度、高功率散射和LED损耗。图3光电隔离2．1．2电感耦合隔离如图4所示，电感耦合使用一对具有绝缘层的线圈，一侧线圈上的变化电流会在另一侧的线圈上产生出感应电流。电感耦合隔离速度快，但线性度和精度不高。RlR2图4电感耦合隔离2．1．3继电器隔离如图5所示，继电器隔离的线圈和触