一、 信號傳輸過程中存在的問題

   1. 接 地環(huán)路問題：當(dāng)過程環(huán)路中有兩處或兩處以上接地電阻不相等時，就會產(chǎn)生接地環(huán)路，過程信號就會失真。要使信號完整而不失真地傳輸，理想化的情況是所有設(shè)備、儀表中的信號都有一個共同的參考點(diǎn)，也就是有一個共同的“地”。只有這樣，所有的設(shè)備、儀表的信號參考點(diǎn)之間電位差才能為“零”。很顯然，不同設(shè)備的 接地電阻很難保證都相等，接地電阻也會隨著傳輸距離的增加而升高，有時甚至產(chǎn)生高達(dá)200V的電位差。

   2. 測量回路相互連接問題：在這些回路中，參考點(diǎn)要將因?yàn)榻油ǘ鄠€信號回路而升高。在這種相互連接的測量回路中，由于線間電阻的不斷增加，必然會引起參考電壓的不斷升高。

   3.  電磁干擾問題：這是比較常見的干擾，特別是在長距離或者干擾較大的工業(yè)環(huán)境中，很難避免感性和容性干擾在測量回路中相互參雜的情況。

解決這些問題的方案主要有三種：

       第一種方案是現(xiàn)場儀表不接地，使過程環(huán)路中只有一個接地點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，這種方案往往難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟承┰O(shè)備必須接地才能保證測量精度或確保人身安全，某些設(shè)備可能因?yàn)殚L期遭到腐蝕和磨損后或氣候影響而形成新的接地點(diǎn)。

       第二種方案是使兩接地點(diǎn)的電勢相同，但由于接地點(diǎn)的電阻受地質(zhì)條件及氣候變化等眾多因素的影響，這種方案通常是很難實(shí)現(xiàn)的。

       第三種方案是在過程環(huán)路中使用信號隔離器。信號隔離器采用隔離技術(shù)，斷開過程環(huán)路中的直接電路（直流通路）但又不影響過程信號的正常傳輸，從而徹底解決了上述問題。如下圖：

當(dāng)然，我們也可以用DCS的隔離卡鍵或帶隔離能力的變送器實(shí)現(xiàn)信號隔離，但它們價格昂貴，而且他們的隔離強(qiáng)度、抗無限射頻/電磁干擾（RFI/EMI）指標(biāo)及應(yīng)用靈活性比信號隔離器差，更不可能像信號隔離器那樣還可解決信號轉(zhuǎn)換及信號分配等問題。 
   二、 信號隔離器的工作原理

       目前，信號隔離（變換）器從隔離方式上主要分為：變壓器隔離方式，光電隔離方式和變壓器與光電聯(lián)合隔離方式等幾種。

       信號隔離器至今已有40多年的歷史，早期的信號隔離器（如美國MOORE，日本M-SYSTEM等）都是采用變壓器隔離方式，它的特點(diǎn)是：性能穩(wěn)定，壽命長（比如：日本M-SYSTEM公司的M2系列隔離變換器標(biāo)稱的使用壽命長達(dá)70年！），帶負(fù)載能力強(qiáng)，隔離強(qiáng)度高，但電路復(fù)雜，制作工藝要求更高。

       隨著電子技術(shù)的發(fā)展，近些年來逐漸出現(xiàn)了利用光耦合器（optical coupler）生產(chǎn)的光電式隔離器，它的特點(diǎn)是：性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，而且線路簡單，成本低廉，但相對于變壓器隔離方式壽命略短。

       在一些現(xiàn)場干擾較大，工藝要求較高場合出現(xiàn)了變壓器與光電聯(lián)合方式的信號隔離器，它的隔離能力、抗無限射頻和電磁干擾能力更強(qiáng)。比如日本M-SYSTEM公司生產(chǎn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)R5系列的模擬量采集模塊就應(yīng)用了變壓器和光電聯(lián)合隔離方式。

        隔離器實(shí)現(xiàn)了輸入對輸出對電源對地的四端三重隔離電路設(shè)計(jì)，因此無需系統(tǒng)接地線路，給設(shè)計(jì)及現(xiàn)場施工帶來極大方便。也正是由于這種信號線路無需共地的設(shè)計(jì)，使得檢測和控制回路信號的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大增強(qiáng)，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。另外，這種隔離器產(chǎn)品除具備極強(qiáng)的濾波能力外，還有更強(qiáng)的信號處 理能力，能夠接受并處理熱電偶、熱電阻、頻率等各種信號。
  三、 隔離器主要技術(shù)指標(biāo)：

        1.      隔離強(qiáng)度：也叫隔離能力、耐壓強(qiáng)度或測試耐壓，這是衡量信號隔離器的主要參數(shù)之一。單位：伏特@1分鐘。它指的是輸入與輸出，輸入與電源，輸出與電源之間的 耐壓能力。它的數(shù)值越大說明耐壓能力越好，隔離能力越強(qiáng)，濾波性能越高。一般的，這種耐壓測試是通過一次性樣品的耐壓檢驗(yàn)來確定的。在該測試過程中，將持續(xù)若干分鐘地分別在輸入與輸出、輸入與電源、輸出與電源之間加載50Hz的工頻電壓，以便得出器件同另一個電勢面之間不會發(fā)生擊穿的電壓數(shù)值。

目前，市場上的信號隔離器的隔離強(qiáng)度分為2000V@1分鐘，1500V@1分鐘，1000V@1分鐘，500V@1分鐘等幾個級別。比如：日本M- SYSTEM和美國ACI的信號隔離器隔離強(qiáng)度為2000V@1分鐘；其他國外品牌能做到1500V@1分鐘；而目前國內(nèi)的幾個品牌也能做到 1000V@1分鐘，甚至1500V@1分鐘的隔離強(qiáng)度。

       2. 精度：這是衡量一個信號隔離變送器質(zhì)量的標(biāo)尺。業(yè)內(nèi)一般能做到量程的±0.2%。個別品牌如M-SYSTEM 、ACI等能做到±0.1%。

       3. 溫度系數(shù)：表示隔離器等儀表在環(huán)境溫度發(fā)生變化時，精度的變化情況。 大多情況下用百分?jǐn)?shù)表示(也有用單位250ppm/K表示的)，如：M-SYSTEM溫度系數(shù)為±0.015%/℃（相當(dāng)于150ppm/K）。

      4. 響應(yīng)時間：表征信號隔離器的反應(yīng)速度。

      5. 絕緣電阻：內(nèi)部電源與外殼之間隔離直流作用的數(shù)值化表征。

      6. 負(fù)載電阻：反映了信號隔離器的帶載能力。

        四、 信號隔離（變換）器的應(yīng)用

       1. 隔離輸入/輸出信號

       這是信號隔離器最主要的功能。信號隔離器一方面能解決接地環(huán)路和設(shè)備互聯(lián)時產(chǎn)生的地線參考點(diǎn)不同的問題，另一方面能有效地去除線路在傳輸過程中可能受到的無限射頻和電磁干擾問題。

兩臺現(xiàn)場設(shè)備（1#和2#儀表）向PLC/DCS傳送模擬信號，同時PLC/DCS向另外兩臺現(xiàn)場設(shè)備（3#和4#儀表）發(fā)出模擬信號進(jìn)行顯示和控制。在 這套系統(tǒng)中，理想的狀態(tài)是：位于現(xiàn)場的1#、2#設(shè)備與位于主控室的PLC/DCS的參考“地”電位完全相等，而且傳輸過程中不存在任何干擾，這樣才能保證PLC/DCS接收正確。但現(xiàn)實(shí)情況是這種“理想狀態(tài)”很難實(shí)現(xiàn)。舉例來說，假設(shè)1#和2#設(shè)備輸入的信號為0-10V DC的模擬信號。我們在現(xiàn)場測量兩者的信號也完全正確。1#設(shè)備的“地”與PLC/DCS的“地”相等，而2#設(shè)備比它們的“地”電位高0.1V，這樣 PLC/DCS接收到的1#設(shè)備的信號為0-10V，而接收到的2#設(shè)備的信號為0.1-10.1V，顯然誤差產(chǎn)生了。特別是在多級互連的串聯(lián)設(shè)備中，這種誤差會變得非常大！如果我們簡單地把1#，2#設(shè)備的“地”線在PLC/DCS處匯合連接，那么這0.1V的電壓會施加在PLC/DCS的“地”線上， 有可能損壞PLC/DCS的局部“的”線。同樣，在輸出端的3#，4#設(shè)備也會出現(xiàn)類似的情況。由此引起的問題在現(xiàn)場調(diào)試中屢見不鮮。

       解決上述問題的最好辦法就是在輸入端和輸出端分別加上信號隔離器。從信號隔離器的原理圖可以看出，它具有使輸入/輸出信號在電氣上完全隔離的特點(diǎn)。換句話 講，現(xiàn)場輸入設(shè)備與主控接收設(shè)備間不存在共“地”，那么輸入信號不管是0-10V，或是帶有哪怕+10V干擾的10V-20V的信號，經(jīng)過隔離器后均變?yōu)?nbsp;0-10V的標(biāo)準(zhǔn)信號。例如某大型水泥廠新建窯爐的生產(chǎn)線調(diào)試中，當(dāng)現(xiàn)場爐溫信號接入國外某著名品牌DCS系統(tǒng)的8通道模擬量輸入卡鍵后，溫度數(shù)據(jù)亂跳， 根本無法控制，但在現(xiàn)場進(jìn)行單點(diǎn)測試時又很穩(wěn)定也很準(zhǔn)確。又如某電廠化水處理工程中，當(dāng)現(xiàn)場各種不同類型的壓力變送器信號接入PLC后，數(shù)據(jù)跳動厲害，而 且誤差非常大，但同樣在現(xiàn)場進(jìn)行單點(diǎn)測試時很穩(wěn)定也很準(zhǔn)確，可是只要向PLC接入兩點(diǎn)以上的信號后，信號就發(fā)生跳變。這兩種情況在加了信號隔離器后，一切 正常！

       2. 信號隔離分配

       在實(shí)際應(yīng)用中，我們經(jīng)常遇到將一個變送器信號接入兩個或兩個以上接收裝置的情況，若采用串聯(lián)環(huán)路，則環(huán)路中任一處開路都會造成整個環(huán)路上的儀表無信號，同時負(fù)載電阻之和很容易超過變送器的負(fù)載能力，所以一般不采用這種方式。通常采用的方式是：在環(huán)路中串接一個電阻，再將負(fù)載并聯(lián)在電阻上以取得電壓信號，如 串接一個250Ω電阻將4-20mA電流信號轉(zhuǎn)換成1-5V電壓信號。 這種方式雖然能避開開路及負(fù)載能力等問題，但卻存在以下不足：

        ①由于電阻本身難以達(dá)到高精度，加之存在接線端電阻以及電阻發(fā)熱引起阻抗升高等因素，所以電壓信號較難保證高精度；

        ②通過串聯(lián)電阻取電壓信號方法，是以假定接收設(shè)備的輸入阻抗無窮大為理想前提的，所以接收設(shè)備的輸入阻抗必然對信號的測量產(chǎn)生誤差，而且，并聯(lián)設(shè)備數(shù)目越多，誤差越大；

        ③導(dǎo)線越長，電阻的電壓降越大，對實(shí)際電壓信號的影響也越大，因此信號傳輸距離不能太長；

      ④由于RFI/EMI（無線射頻/電磁干擾）的信號容易與電壓信號疊加，所以該連接易受無限射頻/電磁干擾。

解決以上問題的理想方案就是使用信號（隔離）分配器！它精度高、隔離能力強(qiáng)，可以解決以上各種問題。

兩輸出信號既可相同也可互異，變送器、RCVR（接收設(shè)備）間完全隔離；任一接收設(shè)備出現(xiàn)故障，不會影響整個環(huán)路及另一套設(shè)備。

     3.   避免電源沖突

     有時現(xiàn)場儀表在配套時，由于協(xié)調(diào)不利，產(chǎn)生了如下情況：接收設(shè)備（如某些DCS輸入卡鍵）的信號接入端帶有24V電源（即我們常說的兩線制接口），而現(xiàn)場 為4線制變送器，輸出信號為有源信號，因此，來自于現(xiàn)場的4線制變送器輸出信號與來自于接收裝置的兩線制電源信號就會發(fā)生沖突。

解決的方法是：接入輸出環(huán)路供電型隔離器，它通過信號輸出線由接收設(shè)備供電，并將現(xiàn)場4線制變送器的有源信號經(jīng)隔離后輸出給接收設(shè)備，這樣不僅避免了電源沖突，而且還對信號實(shí)行了隔離。

       4. 提供電源并隔離

       4線制外部供電型信號隔離器,又叫隔離配電器（如：日本M-SYSTEM的M5DY系列，美國ACI的SBDY系列等），具有向2線制變送器供電的功能，由此可以免去為變送器再配置電源的麻煩。并且也提供了信號隔離功能。

       5. 信號轉(zhuǎn)換并隔離

      上述介紹的所有隔離器都帶有信號轉(zhuǎn)換功能，可接受如直流標(biāo)準(zhǔn)（或非標(biāo)準(zhǔn)）信號、熱電偶信號、熱電阻信號、電位計(jì)信號，甚至交流信號等，并可以輸出用戶需要的各種信號。

       6. 有效防止多路信號間的相互"交鏈"干擾

       在多路信號同時傳遞的過程中,信號間會產(chǎn)生稱之為"交鏈"的相互干擾,此類干擾會拉低系統(tǒng)的控制精度,嚴(yán)重時會造成系統(tǒng)控制失調(diào),使用隔離器后,會使得相互間干擾降至最低,使得系統(tǒng)按照您的設(shè)計(jì)要求穩(wěn)定工作,讓您高枕無憂。

        7、消除線路損耗提高驅(qū)動能力

       在傳感器驅(qū)動能力比較弱的情況下,若信號傳輸距離較長,很可能會導(dǎo)致信號嚴(yán)重衰減、失真并造成信號接收困難,從而導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常.如果選用了信號隔離器,可以大大提高驅(qū)動能力以抵消線路過長造成的損耗,從而滿足系統(tǒng)對信號"真實(shí)性"的需求，達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)工作的目的。

       8、提高閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性

在閉環(huán)控制回路中,由于各種干擾,傳感器以及執(zhí)行器反饋信號，很有可能會帶來干擾雜波，給系統(tǒng)造成影響,乃至系統(tǒng)不能正常工作,如果在輸入輸出端同時加入隔離器,就可有效阻止此種情況發(fā)生。

       9、防止直流靜電干擾以及防雷保護(hù)

自動化系統(tǒng)中,傳感器,執(zhí)行器的傳輸線路有時會較長,這樣就會受到外界高壓直流靜電或雷電干擾,線路中一旦"竄"入高壓,很可能會造成毀壞設(shè)備、短路、引起火災(zāi)等破壞現(xiàn)象。選用隔離器后,會有效地防止此類現(xiàn)象發(fā)生,這使您的設(shè)備多了一道"防火墻"。
   五、 信號隔離器的市場分析與發(fā)展

    1．當(dāng)前信號隔離器的應(yīng)用和市場情況

       近幾年來，信號隔離器在石油、化工、水泥、建材、鋼鐵、電力等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。其國產(chǎn)的產(chǎn)品銷量2009年達(dá)到了100萬臺左右，產(chǎn)值達(dá)6億人民幣左右（國內(nèi)某一個廠家一年的產(chǎn)量就達(dá)到了10萬臺）。這還不包括從國外直接進(jìn)口的同類產(chǎn)品。

        2．隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的深入，隔離器也在向低功耗、小體積、超薄型、密集型方向發(fā)展。其應(yīng)用前景十分廣闊。

        3．同時，許多廠家也在開發(fā)智能型信號隔離器，它除了具有常規(guī)信號隔離器的優(yōu)異性能外，特加入了CPU控制單元，具有現(xiàn)場可編程功能(即萬能輸入型)及通 信功能。如美國ACI系列產(chǎn)品，日本M-SYSTEM的M3系列，日本FUJI的PWB系列等。這種高智能的信號隔離器有很高的應(yīng)用靈活性，可以有效地減 少庫存數(shù)量，降低資金積壓。這種智能型的信號隔離器必將成為這一領(lǐng)域的主流。

       而且，隔離器的發(fā)展，還在向控制系統(tǒng)的I/O板卡領(lǐng)域滲透，有取代許多進(jìn)口I/O板卡的趨向。許多廠家，也在利用隔離器的技術(shù)和優(yōu)勢，研制新一代的I/O板卡，將隔離器和I/O板卡進(jìn)行整合，形成新的產(chǎn)業(yè)和市場增長點(diǎn)。

       總之，隔離器產(chǎn)品及技術(shù)具有很好的市場和發(fā)展前景，值得大家的特別重視