一、 引言
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。
二、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表的一般構(gòu)成。
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。
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。
三、隔離變送器的應(yīng)用。
針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表的模擬信號(hào)的輸入輸出端口的隔離調(diào)理設(shè)計(jì)，廣州金升陽(yáng)科技有限公司推出了專門的解決方案。
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)：
l 內(nèi)部自帶隔離電源，無(wú)需外部DC/DC隔離電源，簡(jiǎn)化用戶電源配置設(shè)計(jì) ;
l 多種信號(hào)類型的隔離轉(zhuǎn)換 ;
l 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 ;
l 高精度等級(jí)(0.1%F.S.) ;
l 寬工作溫度范圍：- 40～+85℃ ;
l 調(diào)節(jié)功能：信號(hào)滿度調(diào)節(jié)及零點(diǎn)調(diào)節(jié)。
輸入型的隔離變送器產(chǎn)品針對(duì)模擬信號(hào)的輸入端口設(shè)計(jì)，產(chǎn)品內(nèi)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(hào)輸出端共地，可以很方便的從MCU系統(tǒng)側(cè)取電，簡(jiǎn)化了用戶電源配置設(shè)計(jì);TE_N產(chǎn)品具有很高的傳輸精度，出廠精度為0.1%FS，并且?guī)в袧M度調(diào)節(jié)和零點(diǎn)調(diào)節(jié)引腳，當(dāng)產(chǎn)品應(yīng)用于系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的其它部分的信號(hào)線性度需要調(diào)整時(shí)，可以很方便的通過(guò)TE_N產(chǎn)品滿度調(diào)節(jié)和零點(diǎn)調(diào)節(jié)引腳實(shí)現(xiàn);TE_N產(chǎn)品的小體積可以滿足工業(yè)儀表小體積的需求，并且采用雙列直插的引腳排布方式，有著良好的焊接可靠性及抗振性能;TE_N產(chǎn)品在信號(hào)輸入側(cè)還提供一組隔離電源輸出，與信號(hào)輸入端共地，當(dāng)隔離變送器無(wú)法滿足實(shí)際轉(zhuǎn)換調(diào)理需求時(shí)，可以利用隔離電源搭建簡(jiǎn)單的信號(hào)調(diào)理電路，滿足實(shí)際調(diào)理需求;TE_N系列產(chǎn)品可以提供工業(yè)常規(guī)信號(hào)(0~20mA、4~20mA、0~5V、0~10V)的相互隔離轉(zhuǎn)換，還可以為客戶的實(shí)際量程定制相應(yīng)的輸入輸出量程范圍，還可以提供常規(guī)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)：
l 內(nèi)部自帶隔離電源，無(wú)需外部DC/DC隔離電源，簡(jiǎn)化用戶電源配置設(shè)計(jì) ;
l 多種信號(hào)類型的隔離轉(zhuǎn)換 ;
l 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 ;
l 高精度等級(jí)(0.1%F.S.) ;
l 寬工作溫度范圍：- 40～+85℃ ;
l 調(diào)節(jié)功能：信號(hào)滿度調(diào)節(jié)及零點(diǎn)調(diào)節(jié)。
工業(yè)儀表一般需要將采集到的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換成0~20mA或4~20mA 的信號(hào)輸出，達(dá)到遠(yuǎn)傳給主控制中心的目的。TF_N系列輸出型隔離變送器產(chǎn)品專門針對(duì)這種模擬信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換輸出的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。其產(chǎn)品的供電端與信號(hào)輸入端共地，可以很方便的從信號(hào)輸入端取電，產(chǎn)品的輸出側(cè)就是所需要的隔離4~20mA信號(hào)，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、總線隔離收發(fā)器的應(yīng)用。
在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線中，485總線，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，成本低等優(yōu)勢(shì);CAN總線，具有傳輸速率高，抗干擾性強(qiáng)，先進(jìn)的總線仲裁機(jī)制，優(yōu)秀的總線故障檢測(cè)及故障自鎖功能等優(yōu)勢(shì);兩種總線都可以采用低廉的雙絞線介質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信傳輸，被工業(yè)儀表廣泛采用。針對(duì)這兩種常用總線的端口隔離設(shè)計(jì)，廣州金升陽(yáng)科技有限公司也推出了集成解決方案。
1、485總線隔離收發(fā)器TD501D485H，CAN總線隔離收發(fā)器TD501DCAN
485總線隔離收發(fā)器TD501D485H其應(yīng)用接線圖如圖4所示;CAN總線隔離收發(fā)器TD501DCAN應(yīng)用接線圖如圖5所示。該系列產(chǎn)品是針對(duì)傳統(tǒng)的485總線及CAN總線端口隔離設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了電源優(yōu)化，端口靜電防護(hù)等級(jí)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(nèi)部自帶隔離電源，無(wú)需外部DC/DC隔離電源，簡(jiǎn)化用戶電源配置設(shè)計(jì) ;
l 集成化，小體積，低功耗 ;
l 更高的端口靜電防護(hù)能力 ;
l 寬工作溫度范圍：- 40～+85℃ ;
l 完整的EMC防護(hù)電路推薦。
TD系列的總線隔離收發(fā)器，在電源設(shè)計(jì)上，針對(duì)實(shí)際通信的電源消耗作了優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠在保證通信質(zhì)量的同時(shí)，保證功耗更低;并且針對(duì)傳統(tǒng)的光耦進(jìn)行數(shù)字隔離的電路作了優(yōu)化與嚴(yán)格的設(shè)計(jì)測(cè)試，保證數(shù)字隔離傳送在整個(gè)高低溫工作范圍內(nèi)傳輸可靠，并且設(shè)計(jì)中考慮了光耦的長(zhǎng)期工作的CTR衰減問(wèn)題，保證了設(shè)計(jì)的長(zhǎng)期可靠性;在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，保證了小體積的同時(shí)，更確保更小的占板面積，滿足工業(yè)儀表小體積的需求;另外，考慮到工業(yè)環(huán)境的電氣復(fù)雜性，在產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)上有完整的EMC防護(hù)電路推薦，以簡(jiǎn)化客戶實(shí)際的端口設(shè)計(jì)。
三、小結(jié)
隨著工業(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(shè)計(jì)上要考慮的問(wèn)題也越來(lái)越多，如，電源配置、MCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)、顯示及人機(jī)界面設(shè)計(jì)、軟件算法、通信協(xié)議等等，端口的電氣可靠性設(shè)計(jì)往往會(huì)被設(shè)計(jì)者所忽略，以上推薦的幾種端口設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，從而縮短工業(yè)儀表開(kāi)發(fā)周期，提高系統(tǒng)可靠性。