與其他工業(yè)現(xiàn)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。:外部設備(含變送器)與中央處理系統(tǒng)(例如PLC、DCS)之間要進行電氣隔離。第二:外部設備信號(無論是外部設備傳送到中央處理系統(tǒng)還是中央處理系統(tǒng)傳送給外部設備)之間要實現(xiàn)相互電氣隔離。系統(tǒng)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。圖一示出四個外部信號與中央處理系統(tǒng)的連接。四個外部信號A B C D之間沒有共同電位參考點“地“,同時它們都與中央處理系統(tǒng)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。
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二線制變送器在工業(yè)自動化領域中使用頻度較高,它將非電量或電量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)闃藴市盘枺⑶覂H用兩根導線實現(xiàn)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(xiàn)較高的線性度同時,將變送器內(nèi)部電路消耗的電流也包含在4~20mA內(nèi)。這種轉(zhuǎn)換器的特點是線路導線僅兩根,接線簡單。在工業(yè)自控現(xiàn)場應用非常廣泛。
與其他工業(yè)現(xiàn)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。:外部設備(含變送器)與中央處理系統(tǒng)(例如PLC、DCS)之間要進行電氣隔離。第二:外部設備信號(無論是外部設備傳送到中央處理系統(tǒng)還是中央處理系統(tǒng)傳送給外部設備)之間要實現(xiàn)相互電氣隔離。系統(tǒng)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。圖一示出四個外部信號與中央處理系統(tǒng)的連接。四個外部信號A B C D之間沒有共同電位參考點“地“,同時它們都與中央處理系統(tǒng)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。
二線制變送器與中央控制系統(tǒng)之間的電氣隔離,因工業(yè)現(xiàn)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?,F(xiàn)以WS系列中的二線制產(chǎn)品來說明這一問題,以引起設計人員及現(xiàn)場調(diào)試人員的注意。
圍繞二線制變送器4~20mA信號隔離產(chǎn)品大致可以分為二類。
類隔離器的內(nèi)部含有變送器,它直接將物理量轉(zhuǎn)化為4~20mA。溫度是常遇到的物理量。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(nèi)。這種RTD是通過電阻變化來表現(xiàn)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(zhì)、直徑、長度相同,也即從RTD到WS2050之間的電阻值相等。如圖二所示:
在三根導線電阻r1=r2=r3條件下,經(jīng)過內(nèi)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(xiàn)場有時會出現(xiàn)一些意外情況,例如RTD三根導線有可能斷開??赡芷渲幸桓鶖嚅_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(nèi),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(nèi)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(tài)的輸出設為<3.5mA或>26mA。
類似WS2050這種隔離二線制變送器,內(nèi)部的隔離器件均采用變壓器方式,一方面?zhèn)鬟f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24VDC)串接一個取樣電阻或曰負載電阻RL構成。RL一般為250Ω,以便將4~20mA信號轉(zhuǎn)變?yōu)?~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<3.5mA或>26mA,以進行故障判別。
同類型產(chǎn)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(xiàn)的國外同類型產(chǎn)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(chǎn)品。圖三是此類產(chǎn)品多路連接圖:
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(tǒng)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。
第二類二線制隔離式產(chǎn)品是各種二線制配電器。其特點是隔離器內(nèi)部不含變送器。隔離器輸入端口具有為現(xiàn)場二線制變送器提供電源的功能,現(xiàn)場變送器產(chǎn)生的4-20mA信號隔離后傳送到模擬量輸入板。依據(jù)模擬量輸入板接口不同,有兩個品種可以選擇WS1525、WS2025。如圖四。
顯然無論WS1525還是WS2025,均能通過外部供電電源經(jīng)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(chǎn)品的區(qū)別有二點①WS1525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。②WS1525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(lián)的二線制供電回路。選擇隔離器產(chǎn)品的型號為變送器配電由現(xiàn)場所配PLC、DCS或其他儀表的模擬量輸入端口來定。不過,現(xiàn)在流行的大部分模擬量輸入接口板,對于兩種方式均可現(xiàn)場在上位機進行設置,這就為用戶的現(xiàn)場調(diào)試帶來方便,不必更換隔離器,就可以實現(xiàn)正確對接。
產(chǎn)品運行長期可靠是用戶的基本要求,這也是生產(chǎn)廠家的不懈追求。影響產(chǎn)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(chǎn)品本身的電能消耗及其引起的溫升起著重要作用。尤其產(chǎn)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。所以問題的關鍵是降低產(chǎn)品本身電能消耗,降低產(chǎn)品內(nèi)部溫升。而消耗能量低﹑內(nèi)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(nèi)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(chǎn)品的大消耗為24V×20mA=480mW,減掉外接取樣電阻(以250?計)消耗散出的20mA×5V=100mV功率,只有380mW功率在產(chǎn)品內(nèi)部散發(fā)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(nèi)部溫升更小。
由于WS1525的外加24VDC工作電源要分成二路隔離電源給產(chǎn)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24VDC電源上消耗電流大值在40mA以內(nèi),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(chǎn)品內(nèi)部散發(fā)熱量。這樣的消耗在現(xiàn)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。不存在明顯溫升,長期工作可靠。
還有一點值得一提,現(xiàn)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(xié)議,這就要求與之配套的產(chǎn)品,類似WS1525,WS2025能夠進行雙向通過數(shù)字信號。這樣現(xiàn)場應用就更加靈活方便。