隔离变送器在工业仪表中的应用

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工业生产过程自动化系统中存在多种类型的电气干扰，工业现场仪表在设计上要考虑各电气端口的干扰处理，这里针对工业仪表的模拟信号输入输出端口的信号抗干扰处理推荐了隔离变送器的解决方案，针对工业仪表的通信总线接口的抗干扰处理推荐了总线隔离收发器的解决方案。
       
        一、引言
       
        生产过程监视和控制要用到多种自动化仪表、计算机及相应执行机构。过程中的信号既有微弱到毫伏级的小信号，又有数十伏的大信号，甚至还有高达数千伏、数百安培的信号要处理。从频率上讲，有直流低频范围的，也有高频/脉冲尖峰。设备仪表间的互相干扰就成为系统调试中必须要解决的问题。除了电磁屏蔽之外，解决各种设备仪表的“地”，即信号参考点的电位差，将成为重要课题。因为不同设备、仪表的信号要互传互送，那就存在信号参考点问题。换句话说，要使信号完整传送，理想化的情况是所有设备仪表的信号有一个共同的参考点，即所有设备仪表信号的参考点之间电位差为“零”。但是在实际环境中，这一点几乎是不可能的，这里面除了各个设备仪表“地”之间的连线电阻产生的电压降之外，尚有各种设备仪表在不同环境受到的干扰不同，以及导线接点经受风吹雨淋导致接点质量下降等诸多因素，致使各个“地”之间有差别。
       
        工业现场仪表在工业生产过程控制系统中，既需要监视前端传感器传递的电信号，同时也需要将处理后的信号传递给控制中心主机，为了信号传输的可靠与稳定，必须要考虑各信号端口的隔离处理，以消除仪表接入系统后的地电位差问题。
       
        二、工业现场仪表的一般构成
       
        工业现场仪表应用于工业生产过程控制系统中，其作用是，采样现场传感器信号，根据预设定的算法，计算采样值获得实际现场被监视物理量的值，并将实际现场物理状况通过通信总线或者4~20mA电流信号输出到主控制中心。其一般的系统构成图如下图所示。
       
       
        图1
       
        从上图可以看到，传感器信号输入到工业仪表，首先是EMC防护电路，因工业现场的电气环境复杂，存在强电设备（如大功率电机）、高频开关设备（如变频器），这些设备在启停动作时会产生较大的浪涌及尖峰脉冲，这类的干扰包含比较大的能量，通过EMC防护器件，如压敏电阻、TVS管等器件吸收这类干扰，保护后级的电路不会因这类干扰造成损坏。传感器信号经EMC防护电路后输入到输入端的隔离放大器进行信号的隔离、调理，信号隔离能保证仪表内部电路与外部传感器形成地线阻断，消除共模干扰，从而消除地电位差引起的地线环流，一方面可以确保传感器信号的采样精度不受干扰的影响，一方面可以保护内部MCU系统不会因大的共模电压造成器件的损坏；信号调理，通过信号类型的转换及信号放大将传感器信号线性放大成满足ADC采样的信号类型及范围，保证调理后的信号范围和ADC信号输入范围匹配，从而保证ADC采样精度。MCU将经过ADC数字量化后的传感器信号进行数字运算，经过数字滤波，线性化运算等一系列的运算后获得现场物理量的实际状况，然后输出到显示面板，同时将获得的现场物理量值按照线性比例输出到DAC电路，DAC电路输出电压信号，要想形成4~20mA电流信号，还需要经过输出端的隔离放大器将电压信号隔离调理成4~20mA的电流信号输出。当然信号输出端也需要设计EMC防护电路。
       
        工业智能仪表一般都带有通信接口，目前常见的有485通信接口，CAN通信接口，可以通过通信总线直接将现场物理量值以数字方式上传，同时还能通过总线接口完成如仪表参数设置、仪表运行状态查询、仪表的自校准等工作。485通信、CAN通信采用的都是差分信号通信，本身有较强的抗干扰能力，但通信接口IC能承受的共模输入电压范围都有限，尤其是485的接口IC，一般在-7V~+12V之间，在较长距离的通信中，地电位差形成的共模干扰很容易造成通信接口IC的损坏，所以通信接口也必须进行隔离设计，以提高系统可靠性。
        三、隔离变送器的应用
       
        针对工业现场仪表的模拟信号的输入输出端口的隔离调理设计，广州金升阳科技有限公司推出了专门的解决方案。
       
        1、输入型隔离变送器TE_N系列
       
        输入型隔离变送器的原理框图如图2所示。该系列产品具有以下特点：
       
        ●内部自带隔离电源，无需外部DC/DC隔离电源，简化用户电源配置设计；
       
        ●多种信号类型的隔离转换；
       
        ●小体积：DIP封装（26*9.5*12.5mm），超小的占板面积，可靠的焊接可靠性；
       
        ●高精度等级（0.1%F.S.）；
       
        ●宽工作温度范围：-40～+85℃；
       
        ●调节功能：信号满度调节及零点调节。
       
        输入型的隔离变送器产品针对模拟信号的输入端口设计，产品内部自带隔离电源，无需外部DC/DC隔离电源，产品的供电端与信号输出端共地，可以很方便的从MCU系统侧取电，简化了用户电源配置设计；TE_N产品具有很高的传输精度，出厂精度为0.1%FS，并且带有满度调节和零点调节引脚，当产品应用于系统中，系统中的其它部分的信号线性度需要调整时，可以很方便的通过TE_N产品满度调节和零点调节引脚实现；TE_N产品的小体积可以满足工业仪表小体积的需求，并且采用双列直插的引脚排布方式，有着良好的焊接可靠性及抗振性能；TE_N产品在信号输入侧还提供一组隔离电源输出，与信号输入端共地，当隔离变送器无法满足实际转换调理需求时，可以利用隔离电源搭建简单的信号调理电路，满足实际调理需求；TE_N系列产品可以提供工业常规信号（0~20mA、4~20mA、0~5V、0~10V）的相互隔离转换，还可以为客户的实际量程定制相应的输入输出量程范围，还可以提供常规的24V、15V、12V、5V等多种电源范围的产品。具有高精度、小体积、低功耗、低成本等特点。
       
       
        图2：输入型隔离变送器原理框图
       
        2、输出型隔离变送器TF_N系列
       
        输出型隔离变送器的原理框图如图3所示。该系列产品具有以下特点：
       
        ●内部自带隔离电源，无需外部DC/DC隔离电源，简化用户电源配置设计；
       
        ●多种信号类型的隔离转换；
       
        ●小体积：DIP封装（26*9.5*12.5mm），超小的占板面积，可靠的焊接可靠性；
       
        ●高精度等级（0.1%F.S.）；
       
        ●宽工作温度范围：-40～+85℃；
       
        ●调节功能：信号满度调节及零点调节。
       
        工业仪表一般需要将采集到的物理量信号转换成0~20mA或4~20mA的信号输出，达到远传给主控制中心的目的。TF_N系列输出型隔离变送器产品专门针对这种模拟信号的隔离转换输出的应用而设计。其产品的供电端与信号输入端共地，可以很方便的从信号输入端取电，产品的输出侧就是所需要的隔离4~20mA信号，无需其它附加电路。与TE_N系列输入型的隔离变送器的产品功能及特点类似，同样也具有高精度、小体积、低功耗、低成本等特点。
       
       
        图3：输出型隔离变送器原理框图
       
        四、总线隔离收发器的应用
       
        在工业现场总线中，485总线，具有设计简单，抗干扰性强，成本低等优势；CAN总线，具有传输速率高，抗干扰性强，先进的总线仲裁机制，优秀的总线故障检测及故障自锁功能等优势；两种总线都可以采用低廉的双绞线介质进行远距离通信传输，被工业仪表广泛采用。针对这两种常用总线的端口隔离设计，广州金升阳科技有限公司也推出了集成解决方案。
       
        485总线隔离收发器TD501D485H，CAN总线隔离收发器TD501DCAN
       
        485总线隔离收发器TD501D485H其应用接线图如图4所示；CAN总线隔离收发器TD501DCAN应用接线图如图5所示。该系列产品是针对传统的485总线及CAN总线端口隔离设计方案进行了电源优化，端口静电防护等级优化而推出的集成产品。该系列产品具有以下功能特点：
       
        ●内部自带隔离电源，无需外部DC/DC隔离电源，简化用户电源配置设计；
       
        ●集成化，小体积，低功耗；
       
        ●更高的端口静电防护能力；
       
        ●宽工作温度范围：-40～+85℃；
       
        ●完整的EMC防护电路推荐。
       
        TD系列的总线隔离收发器，在电源设计上，针对实际通信的电源消耗作了优化设计，能够在保证通信质量的同时，保证功耗更低；并且针对传统的光耦进行数字隔离的电路作了优化与严格的设计测试，保证数字隔离传送在整个高低温工作范围内传输可靠，并且设计中考虑了光耦的长期工作的CTR衰减问题，保证了设计的长期可靠性；在整体结构设计上，保证了小体积的同时，更确保更小的占板面积，满足工业仪表小体积的需求；另外，考虑到工业环境的电气复杂性，在产品技术手册上有完整的EMC防护电路推荐，以简化客户实际的端口设计。
       
       
        图4：485隔离收发器应用接线图
       
       
        图5：CAN隔离收发器应用接线图
       
        五、小结
       
        随着工业仪表的智能化程度越来越高，功能越来越多，在整个产品的整体设计上要考虑的问题也越来越多，如，电源配置、MCU系统设计、显示及人机界面设计、软件算法、通信协议等等，端口的电气可靠性设计往往会被设计者所忽略，以上推荐的几种端口设计的集成化产品，可以大大简化工业仪表的端口电气可靠性设计，从而缩短工业仪表开发周期，提高系统可靠性。