工業(yè)儀表中的構(gòu)成和隔離變送器的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中存在多種類型的電氣干擾，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表在設(shè)計(jì)上要考慮各電氣端口的干擾處理，這里針對(duì)工業(yè)儀表的模擬信號(hào)輸入輸出端口的信號(hào)抗干擾處理推薦了隔離變送器的解決方案，針對(duì)工業(yè)儀表的通信總線接口的抗干擾處理推薦了總線隔離收發(fā)器的解決方案。

生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)視和控制要用到多種自動(dòng)化儀表、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。過(guò)程中的信號(hào)既有微弱到毫伏級(jí)的小信號(hào)，又有數(shù)十伏的大信號(hào)，甚至還有高達(dá)數(shù)千伏、數(shù)百安培的信號(hào)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(shè)備儀表間的互相干擾就成為系統(tǒng)調(diào)試中必須要解決的問(wèn)題。除了電磁屏蔽之外，解決各種設(shè)備儀表的“地”，即信號(hào)參考點(diǎn)的電位差，將成為重要課題。因?yàn)椴煌O(shè)備、儀表的信號(hào)要互傳互送，那就存在信號(hào)參考點(diǎn)問(wèn)題。換句話說(shuō)，要使信號(hào)完整傳送，理想化的情況是所有設(shè)備儀表的信號(hào)有一個(gè)共同的參考點(diǎn)，即所有設(shè)備儀表信號(hào)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(shè)備儀表“地”之間的連線電阻產(chǎn)生的電壓降之外，尚有各種設(shè)備儀表在不同環(huán)境受到的干擾不同，以及導(dǎo)線接點(diǎn)經(jīng)受風(fēng)吹雨淋導(dǎo)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(xiàn)場(chǎng)儀表在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)中，既需要監(jiān)視前端傳感器傳遞的電信號(hào)，同時(shí)也需要將處理后的信號(hào)傳遞給控制中心主機(jī)，為了信號(hào)傳輸?shù)目煽颗c穩(wěn)定，必須要考慮各信號(hào)端口的隔離處理，以消除儀表接入系統(tǒng)后的地電位差問(wèn)題。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)中，其作用是，采樣現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)，根據(jù)預(yù)設(shè)定的算法，計(jì)算采樣值獲得實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)被監(jiān)視物理量的值，并將實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)物理狀況通過(guò)通信總線或者4~20mA電流信號(hào)輸出到主控制中心。其一般的系統(tǒng)構(gòu)成圖如下圖所示。

圖1

從上圖可以看到，傳感器信號(hào)輸入到工業(yè)儀表，首先是EMC防護(hù)電路，因工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電氣環(huán)境復(fù)雜，存在強(qiáng)電設(shè)備（如大功率電機(jī)）、高頻開(kāi)關(guān)設(shè)備（如變頻器），這些設(shè)備在啟停動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌及尖峰脈沖，這類的干擾包含比較大的能量，通過(guò)EMC防護(hù)器件，如壓敏電阻、TVS管等器件吸收這類干擾，保護(hù)后級(jí)的電路不會(huì)因這類干擾造成損壞。傳感器信號(hào)經(jīng)EMC防護(hù)電路后輸入到輸入端的隔離放大器進(jìn)行信號(hào)的隔離、調(diào)理，信號(hào)隔離能保證儀表內(nèi)部電路與外部傳感器形成地線阻斷，消除共模干擾，從而消除地電位差引起的地線環(huán)流，一方面可以確保傳感器信號(hào)的采樣精度不受干擾的影響，一方面可以保護(hù)內(nèi)部MCU系統(tǒng)不會(huì)因大的共模電壓造成器件的損壞；信號(hào)調(diào)理，通過(guò)信號(hào)類型的轉(zhuǎn)換及信號(hào)放大將傳感器信號(hào)線性放大成滿足ADC采樣的信號(hào)類型及范圍，保證調(diào)理后的信號(hào)范圍和ADC信號(hào)輸入范圍匹配，從而保證ADC采樣精度。MCU將經(jīng)過(guò)ADC數(shù)字量化后的傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波，線性化運(yùn)算等一系列的運(yùn)算后獲得現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)物理量值按照線性比例輸出到DAC電路，DAC電路輸出電壓信號(hào)，要想形成4~20mA電流信號(hào)，還需要經(jīng)過(guò)輸出端的隔離放大器將電壓信號(hào)隔離調(diào)理成4~20mA的電流信號(hào)輸出。當(dāng)然信號(hào)輸出端也需要設(shè)計(jì)EMC防護(hù)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)通信總線直接將現(xiàn)場(chǎng)物理量值以數(shù)字方式上傳，同時(shí)還能通過(guò)總線接口完成如儀表參數(shù)設(shè)置、儀表運(yùn)行狀態(tài)查詢、儀表的自校準(zhǔn)等工作。485通信、CAN通信采用的都是差分信號(hào)通信，本身有較強(qiáng)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(zhǎng)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(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)可靠性。