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摘要：介紹了用于工業現場的帶有電氣隔離性能的二線制變送器，提出了解決“地”擾動要遵循的二個原則。
關鍵詞：隔離；二線制；變送器

Abstract：This paper introduces the two-wire transmitter with the performance of galvanic isolation used in industry spot, and presents two principles for solving the of "GROUND" disturbance.
Key words：Isolated; Two-wire; Transmitter

1  信號隔離遵循的原則

    二線制變送器在工業自動化領域中使用頻度較高，它將非電量或電量轉變成標準儀表可以接收的4～20mA信號。就變送器而言，它涉及到眾多諸如溫度、壓力、流量、液位等變量。二線制變送器能將這些變量轉變為標準信號，并且僅用兩根導線實現信號線與電源線共用，完成供電及信號輸出。輸出的4～20mA在與輸入的物理變量呈現較高的線性度同時，將變送器內部電路消耗的電流也包含在4～20mA內。這種轉換器的特點是線路導線僅兩根，接線簡單。在工業自控現場應用廣泛，隨處可見。
    與其他工業現場設備相同，二線制變送器也存在受干擾及抗干擾的問題。其中較為典型的干擾是由各個變送器之間，以及它們與接收多路變送器信號的PLC、DCS之間的參考電位（所謂“地”）不同引入的擾動；或者信號在傳送到PLC、DCS的模擬量輸入端口過程中受到電氣干擾不同引起的相互擾動。解決這個問題要遵循兩個原則:① 外部設備（含變送器）與中央處理系統（例如PLC、DCS）之間要進行電氣隔離;② 外部設備信號（無論是外部設備傳送到中央處理系統還是中央處理系統傳送給外部設備）之間要實現相互電氣隔離。系統安裝遵循了這兩個原則就能完全克服由于“地”之間的差異引入的干擾。圖1所示為四個外部信號與中央處理系統的連接。四個外部信號ABCD之間沒有共同電位參考點“地”，同時它們都與中央處理系統隔離。這種連接符合上述兩個原則，解決了不同“地”引入的擾動。

圖1   ABCD之間相互電氣隔離

2  信號隔離產品分類

    二線制變送器與中央控制系統之間的電氣隔離，因工業現場所用設備及模擬輸入板不同，有多種不同性能的隔離端子可以選擇。現以WS系列中的二線制產品來說明這一問題，以引起設計人員及現場調試人員的注意。
    圍繞二線制變送器4～20mA信號隔離產品大致可以分為二類。
    (1)  第一類隔離器的內部含有變送器，它直接將物理量轉化為4～20mA。溫度是最常遇到的物理量。WS2050就是一種二線制溫度隔離式變送器，用于處理Pt100、Cu50等電阻式溫度傳感器（RTD）。一般RTD安裝在測溫點，變送器安裝在控制室內。這種RTD是通過電阻變化來表現溫度變化的。以Pt100為例，在測量0～100℃溫度時，Pt100的阻值是從100Ω變化到138.5Ω，電阻值與溫度的關系大約為0.385Ω/℃。很明顯導線存在零點幾歐姆電阻就會帶來明顯地測量誤差。RTD安裝地點和變送器連接導線長度不同，它的導線電阻也不相同。所以這種變送器前端都會有導線電阻補償功能。連接RTD常用方式是采用三根導線到變送器，要求這三根導線材質、直徑、長度相同，也即從RTD到WS2050之間的電阻值相等，如圖2所示。

 
圖2  二線制溫度隔離式變送器

    在三根導線電阻r1=r2=r3條件下，經過內部電路處理，導線電阻引入的誤差被消除。這個性能稱為長線補償功能。一般長線補償能力在幾十歐姆到二、三百歐姆。另外考慮到現場有時會出現一些意外情況，例如RTD三根導線有可能斷開。可能其中一根斷開或兩根斷開，甚至三根全部斷開。為能準確報告這種故障，輸出的電流值在有導線斷開情況就不能在4～20mA正常工作范圍之內，它的輸出只能設定在遠小于4mA或遠大于20mA。上位機得到這個范圍內的信號就知道RTD連線斷開了。WS2050可以依用戶要求，將這種故障狀態的輸出設為<3.5mA或>26mA。
    類似WS2050這種隔離二線制變送器，內部的隔離器件均采用變壓器方式，一方面傳遞了信號，另一方面也將供電端的電能傳送到輸入部份，使輸入部分的各種電路能正常工作。
絕無例外的是二線制變送器輸出端接線方式均是由一個工作電源（一般為24V DC）串接一個取樣電阻（或叫負載電阻）RL構成。RL一般為250Ω，以便將4～20mA信號轉變為1～5V電壓信號供模擬量輸入板處理。
    同樣隔離二線制變送器處理熱電偶的型號為WS2060。熱電偶和變送器之間的連線，也有斷開的可能性。與WS2050相同，用戶也可要求設定斷偶時輸出小于3.5mA或大于26mA，以進行故障判別。
    同類型產品尚有多種，處理交流電流信號（例如5A AC）的型號為WS2026，處理0～10VDC、4～20mA輸入信號的為WS2022，處理位移信號的為WS2020。市場上出現的國外同類型產品也不少，例如日本M-system公司的B5VS、B5RS、B5TS以及德國weidmuller公司的產品。圖3是此類產品多路連接圖。

 
圖3  二線制變送器隔離后連接到PLC

    三個外部信號RTD、TC、電壓/電流之間沒有共同電位參考點“地”，同時它們都與中央處理系統隔離。雖然輸出共用一個24V電源，但是只要輸出接到有共同參考點的模擬量輸入板，這種連接就符合本文上述指出的兩個原則，解決了不同“地”引入的擾動。
    (2)  第二類二線制隔離式產品是各種二線制配電器。其特點是隔離器內部不含變送器。隔離器輸入端口具有為現場二線制變送器提供電源的功能，現場變送器產生的4 ~20mA信號隔離后傳送到模擬量輸入板。依據模擬量輸入板接口不同，有兩個品種可以選擇WS1525、WS2025。如圖4所示。

圖4  二種二線制配電器

    顯然無論WS1525還是WS2025，均能通過外部供電電源經隔離后給兩線制變送器提供一個獨立的隔離電源；以保證在多路輸入情況下，多個變送器之間相互隔離。這二個產品的區別有二點： (1) WS1525需要一個單獨電源供電，這個電源與輸入/輸出都隔離，而WS2025無須單獨電源供電； (2) WS1525輸出的4～20mA面對接口是電阻負載，WS2025輸出面對的是24VDC和取樣電阻（或稱負載電阻）相串聯的二線制供電回路。選擇哪種隔離器產品的型號為變送器配電由現場所配PLC、DCS或其他儀表的模擬量輸入端口來定。不過，現在流行的大部分模擬量輸入接口板，對于兩種方式均可現場在上位機進行設置，這就為用戶的現場調試帶來方便，不必更換隔離器，就可以實現正確對接。

3  結語

    影響產品長期可靠的因素除了線路設計、元器件選取、工藝控制之外，產品本身的電能消耗及其引起的溫升起著重要作用。尤其產品體積變得越來越小、安裝密度越來越高，熱量問題也就日趨重要。所以問題的關鍵之一是降低產品本身電能消耗，降低產品內部溫升。而消耗能量低、內部溫升小正是二線制隔離變送器的特點。
    上述的二大類隔離二進制變送器中除了WS1525之外，其它幾種無論是內含變送器的WS2050、WS2022等，或不含變送器而僅為外部變送器供電的WS2025，它們在24VDC電源上消耗的電流為4~20mA。從功率角度看這幾種產品的最大消耗為24V?0mA=480mW，減掉外接取樣電阻（以250Ω計）消耗散出的20mA?V=100mW功率，只有380mW功率在產品內部散發熱量。而僅有供電功能的WS2025消耗電能就更低了，大約在100mW上下，內部溫升更小。
    由于WS1525的外加24V DC工作電源要分成二路隔離電源給產品的輸入/輸出部分供電，功率消耗明顯大于上述二線制的480mW。但是WS1525在設計上采用降低功耗技術，它的
24V DC電源上消耗電流最大值在40mA以內，也即消耗功率小于960mW，減掉外部變送器和外接取樣電阻消耗散出的400mW，大約有450mW功率在產品內部散發熱量，這樣的消耗在現場應用時是適中的。實踐證明，一個控制柜中安裝150只左右WS1525，長期運行，不會存在明顯溫升，長期工作可靠。
    另外，現在越來越多的二線制變送器具有通訊功能，使用諸如SMART、HART協議，這就要求與之配套的產品，如WS1525、WS2025能夠進行雙向數字信號傳輸。這樣現場應用就更加靈活方便。