和利時plc——PLC控制系統輸入/輸出回路的隔離技術

1．電路隔離

　　模擬電路的隔離比較復雜，主要取決于對傳輸通道的精度要求，對精度要求越高，其通道的成本也就越高；然而，當性能的要求上升為主要矛盾時，應當以性能為主選擇隔離元器件，把成本放在第二位，反之，應當從成本角度出發選擇隔離元器件。模擬電路的隔離主要采用變壓器、互感器、直流電壓隔離器或線性隔離放大器隔離。

　　對于具有直流分量和共模噪聲干擾比較嚴重的場合，在模擬信號的測量中必須采取措施，使輸入與輸出完全隔離，彼此絕緣，消除噪聲的耦合。隔離能防止模擬系統的干擾，尤其能有效地抑制電力系統的接地干擾進入邏輯系統，導致邏輯系統的工作紊亂。在精密測量系統中，也能有效地防止數字系統的脈沖波動干擾進入模擬系統，因模擬電路前置放大部分的信號非常微弱，較小的干擾波動信號就會把有用信號淹沒。

　　對于高電壓、大電流信號采用互感器隔離，其抑制噪聲的原理與隔離變壓器類似?；ジ衅鞲綦x方法的應用如圖1（a）所示。而對微電壓、微電流模擬信號的隔離系統來說相對比較復雜，既要考慮其精度、頻帶寬度的因素，又要考慮其價格因素。一般情況下，對于較小量的共模噪聲，采用差動放大器或儀表放大器就能夠取得良好的效果，但對于共模噪聲較大且測量精度要求比較高的場合，應該選擇高精度線性隔離放大器。線性隔離放大器的應用如圖1（b）所示。

　　2．物理隔離

　　物理隔離是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分利用物理介質隔離開來，使它們不發生電的聯系。在plc控制系統中通常采用以下物理隔離措施：

　　正確選用連接電纜和布線方式。低頻電路盡量采用雙絞線，高頻電路盡量采用雙同軸屏蔽電纜，并盡量用光纜代替長電纜，使所有的信號線很好地絕緣，使其不漏電。這樣能有效地防止由于接觸引入的干擾。根據信號的不同類型將其按抗噪聲干擾的能力分類，按其類別將不同種類的信號線纜隔離敷設。相近種類的信號電纜如果必須在同一電纜槽中走線，則一定要用金屬隔板將它們隔開，并采用隔離技術將信號源同系統在電氣上進行隔離，這樣會大大地減小共模干擾對系統造成的危害。用隔離放大器將信號的輸入端子與系統電路部分完全隔離（有的系統中采用隔離變壓器或繼電器等方式隔離，對開關量則可以采用光電器件或繼電器進行隔離），這樣因地電位不同所產生的干擾信號形不成回路，可有效地抑制干擾的危害。模擬量信號對高頻脈沖信號的抗干擾能力是很差的，應采用屏蔽雙絞線或屏蔽電纜傳輸，且這些信號線必須單獨穿電線管或在電纜槽中敷設，不可與其他信號在同一電纜管（或槽）中走線。低電平的開關信號（一些狀態干接點信號）和數據通信線路（RS232、EIA485等），對低頻脈沖信號的抗干擾能力比模擬信號要強，也應采用屏蔽雙絞線（至少用雙絞線）傳輸。此類信號也要單獨走線，不可和動力線和大負載信號線在一起平行走線。高電平（或大電流）的開關量的輸入、輸出及其他繼電器輸入、輸出信號的抗干擾能力強于以上兩種，但這些信號會干擾別的信號，可用雙絞線連接，也可單獨敷設電纜管或電纜槽。 AC 220V、380V動力線以及大通斷能力的斷路器、開關信號線等，這些電纜的選擇主要不是依據抗干擾能力，而是由電流負載和耐壓等級決定，其敷設應與信號傳輸線嚴格分開。為了防止供電線路上引入共模高頻干擾信號，可以在供電線路上設隔離變壓器進行干擾隔離。為了達到良好的干擾抑制效果，變壓器的屏蔽層要很好地接地，變壓器的次級線圈應采用雙絞線。

　　3．電位隔離

　　電位隔離分為機械、電磁、光電和浮地幾種隔離方式，其實質是人為地造成電的隔離，以阻止電路性耦合產生電磁干擾。機械隔離采用繼電器來實現其線圈接收信號，機械觸點發送信號。機械觸點分斷時，由于阻抗很大，電容很小，從而阻止了電路性耦合產生的電磁干擾。機械隔離的缺點是線圈工作頻率低，不適合于工作頻率較高的場合使用，而且存在觸點通斷時的彈跳干擾以及接觸電阻等。

　　繼電器是常用的數字輸出隔離元件，用繼電器作為隔離元件簡單實用，價格低廉。圖2是繼電器輸出隔離示意圖。在該電路中，通過繼電器把低壓直流與高壓交流隔離開來，使高壓交流側的干擾無法進入低壓直流側。

　　4．電磁隔離

　　電磁隔離是采用變壓器傳遞電信號，阻止了電路性耦合產生的電磁干擾，對于交流場合使用較為方便。由于變壓器繞組間的分布電容較大，所以使用時應當與屏蔽和接地相配合。脈沖變壓器原、副邊繞組匝數很少，分別繞制在鐵氧體磁芯的兩側，分布電容僅為幾皮法，可作為脈沖信號的隔離器件。對于模擬量輸入信號，由于每點的采樣周期很短，實際上的采樣波形也為一脈沖波形，也可實現隔離作用。采用脈沖變壓器隔離方式，在線路中仍應加濾波環節抑制動態常模干擾和靜態常模干擾。脈沖變壓器隔離方式可用于幾兆赫的信號電路中。

　　脈沖變壓器隔離存在的主要問題在于在控制系統與控制對象之間存在公共地線，即使采用同軸電纜作為傳輸媒介，也會將現場的干擾信號引入PLC控制系統中，影響整個系統的可靠穩定工作。由于脈沖變壓器傳遞輸入、輸出脈沖信號時不傳遞直流分量，因而在PLC控制系統中得到了廣泛的應用。一般來說，脈沖變壓器的信號傳遞頻率在1kHz——1MHz之間，新型高頻脈沖變壓器的傳遞頻率可達到10MHz。圖3（a）是脈沖變壓器的結構示意圖，圖3（b）所示是脈沖變壓器的應用實例。

　　5．模/數變換隔離電路

　　模擬電路與數字電路之間的隔離主要采用模/數轉換裝置；對于要求較高的電路，除采用模/數轉換裝置外，還應在模/數轉換裝置的兩端分別加入模擬隔離元器件和數字隔離元器件。

　　在PLC控制系統中常在現場就地進行模/數轉換，利用模/數轉換器將易受干擾的模擬信號轉換為數字信號進行傳輸，在接收端再采用光電隔離，以增強其在信號傳輸過程中的抗干擾能力。而模/數轉換器的安裝位置是實際應用中很具體的問題。對于在工業生產現場中的應用，一是考慮使模/數轉換器遠離生產現場，放置于主控室中；二是將模/數轉換器放在生產現場，遠離主控室，兩者各有利弊。

　　將模/數轉換器放置于主控室中，便于把模/數轉換器產生的數字信息傳送到PLC控制系統的處理器中，而PLC的控制信息傳送給模/數轉換器也很方便，因而利于轉換器的管理。但由于模/數轉換器遠離生產現場，模擬量傳輸線路過長，分布參數以及干擾的影響增加，而且易引起模擬信號衰減，直接影響轉換器的工作精度和速度。將轉換器放置于生產現場，雖然可解決上述問題，但數字信息傳輸線路過長，也不便于轉換器的管理。

　　在模/數（A/D）轉換器或數/模（D/A）轉換器的應用中，若不采取一定的措施，數字電路中的高頻振蕩信號就會對模擬電路帶來一定的干擾，影響測量的精度。為了抑制數字電路對模擬電路帶來的高頻干擾，一般須將模擬地與數字地分開布線，這種布線方式不能徹底排除來自數字電路的高頻干擾。要想排除來自數字電路的高頻干擾，必須把數字電路與模擬電路隔離開來，常用的隔離方法是在A/D轉換器與數字電路之間加入光電耦合器，把數字電路與模擬電路隔離開，如圖4（a）所示。但這種電路還不能從根本上解決模擬電路中的干擾問題，仍然存在著一定的缺陷，這是因為信號電路中的共模干擾和差模干擾沒有得到有效的抑制，對于高精密測量的場合還不能滿足要求。對于具有嚴重干擾的測量場合，可采用圖4（b）所示的電路。在該電路中，對信號接收部分與模擬處理部分也進行了隔離，因為在前置處理級與A/D轉換器之間加入線性隔離放大器，把信號地與模擬地隔開，同時在A/D轉換器與數字電路之間采用了光電耦合器隔離，把模擬地與數字地隔開。這樣一來既防止了數字系統的高頻干擾信號進入模擬部分，又阻斷了來自前置電路部分的共模干擾和差模干擾。

　　6．光電隔離

　　光電隔離是指采用光電耦合器通過半導體發光二極管（LED）的光發射和光敏半導體（光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等）的光接收來實現信號的傳遞。光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器輸入端的干擾電壓較小，而且一般干擾源的內阻較大，它所能提供的電流并不大，因此不能使發光二極管發光。光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響。光電耦合器的隔離電阻很大（約為1012?），隔離電容很?。〝灯しǎ?，能阻止電路性耦合產生的電磁干擾。只是光電耦合器的隔離阻抗隨著頻率的提高而降低，抗干擾效果也將降低。

　　光電耦合器件由輸入端的發光元件和輸出端的受光元件組成，輸入與輸出在電氣上是完全隔離的。其體積小、使用簡便，視現場干擾情況的不同，可以組成各種不同的線路對共模和差模干擾進行抑制。

　　可采用光電耦合器把輸入信號與內部電路隔離開來，或者把內部輸出信號與外部電路隔離開來，如圖5（a）、（b）所示。

　　目前，大多數光電耦合器件的隔離電壓都在***V以上，有些器件達到了8kV，既有高壓大電流光電耦合器件，又有高速高頻光電耦合器件（頻率高達10MHz）。常用的器件有4N25，隔離電壓為***V；6N137，隔離電壓為3kV，頻率在10MHz以上。

　　光電耦合器應用在輸入、輸出端隔離具有線路簡單的特點，由于避免形成地環路，而輸入與輸出的接地點也可以任意選擇。這種隔離的作用不僅可以用在數字電路中，也可以用在線性（模擬）電路中。

　　光電耦合器用于消除噪聲是從兩個方面體現的：一方面是使輸入端的噪聲不傳遞給輸出端，只是把有用的信號傳送到輸出端；另一方面，由于輸入端到輸出端的信號傳遞是利用光來實現的，極間電容很小，絕緣電阻很大，因而輸出端的信號與噪聲也不會反饋到輸入端。

　　使用光電耦合器時，應注意光電耦合器本身具有10——30pF的分布電容，所以頻率不能太高；另外在接點輸入時，應注意加RC濾波環節，抑制接點的抖動。另外，用于低電壓時，其傳輸距離以100m為限，傳輸速率在10kbit/s以下為宜。

　　為保證D/A轉換器能可靠運行，并獲得精確的測量結果，可將D/A轉換器與光電耦合器組合成電—光—電隔離裝置。把D/A轉換器放在靠近現場的一側。為了有效抑制干擾，采用雙套光電耦合器，使得D/A轉換器與PLC之間的信息交換均經過兩次電—光—電的轉換。如圖6所示，一套光電耦合器放在D/A轉換器一側，一套光電耦合器放在PLC一側。系統中有三個不同的地端：一是PLC與I/O接口的公用地，二是傳輸長線使用的“浮空地”，三是D/A轉換器和被控對象公用的“現場地”。采用這種兩次光電隔離的辦法，把傳輸長線隔浮在PLC與被控對象之間，不僅有效地消除了公共地線，抑制了由其引進的干擾，而且也有利于解決長線驅動與阻抗匹配的問題，并能保證整個控制系統的可靠運行。

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