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生产过程监视和控制要用到多种自动化仪表、计算机及相应执行机构。水泥计数器厂家的生产过程中的信号既有微弱到毫伏级的小信号,又有数十伏的大信号,甚至还有高达数千伏、数百安培的信号要处理。从频率上讲,有直流低频范围的,也有高频/脉冲尖峰。设备仪表间的互相干扰就成为系统调试中必须要解决的问题。除了电磁屏蔽之外,解决各种设备仪表的“地”,即信号参考点的电位差,将成为重要课题。因为不同设备、仪表的信号要互传互送,那就存在信号参考点问题。换句话说,要使信号完整传送,理想化的情况是所有设备仪表的信号有一个共同的参考点,即所有设备仪表信号的参考点之间电位差为“零”。但是在实际环境中,这一点几乎是不可能的,这里面除了各个设备仪表“地”之间的连线电阻产生的电压降之外,尚有各种设备仪表在不同环境受到的干扰不同,以及导线接点经受风吹雨淋导致接点质量下降等诸多因素,致使各个“地”之间有差别。
工业现场仪表在工业生产过程控制系统中,既需要监视前端传感器传递的电信号,同时也需要将处理后的信号传递给控制中心主机,为了信号传输的可靠与稳定,必须要考虑各信号端口的隔离处理,以消除仪表接入系统后的地电位差问题。
二、工业现场仪表的一般构成
工业现场仪表应用于工业生产过程控制系统中,其作用是,采样现场传感器信号,根据预设定的算法,计算采样值获得实际现场被监视物理量的值,并将实际现场物理状况通过通信总线或者4~20mA电流信号输出到主控制中心。其一般的系统构成图如下图所示。
传感器信号输入到工业仪表,首先是EMC防护电路,因工业现场的电气环境复杂,存在强电设备(如大功率电机)、高频开关设备(如变频器),这些设备在启停动作时会产生较大的浪涌及尖峰脉冲,这类的干扰包含比较大的能量,通过EMC防护器件,如压敏电阻、TVS管等器件吸收这类干扰,保护后级的电路不会因这类干扰造成损坏。传感器信号经EMC防护电路后输入到输入端的隔离放大器进行信号的隔离、调理,信号隔离能保证仪表内部电路与外部传感器形成地线阻断,消除共模干扰,从而消除地电位差引起的地线环流,一方面可以确保传感器信号的采样精度不受干扰的影响,一方面可以保护内部MCU系统不会因大的共模电压造成器件的损坏;信号调理,通过信号类型的转换及信号放大将传感器信号线性放大成满足ADC采样的信号类型及范围,保证调理后的信号范围和ADC信号输入范围匹配,从而保证ADC采样精度。MCU将经过ADC数字量化后的传感器信号进行数字运算,经过数字滤波,线性化运算等一系列的运算后获得现场物理量的实际状况,然后输出到显示面板,同时将获得的现场物理量值按照线性比例输出到DAC电路,DAC电路输出电压信号,要想形成4~20mA电流信号,还需要经过输出端的隔离放大器将电压信号隔离调理成4~20mA的电流信号输出。当然信号输出端也需要设计EMC防护电路。
工业智能仪表一般都带有通信接口,目前常见的有485通信接口,CAN通信接口,可以通过通信总线直接将现场物理量值以数字方式上传,同时还能通过总线接口完成如仪表参数设置、仪表运行状态查询、仪表的自校准等工作。485通信、CAN通信采用的都是差分信号通信,本身有较强的抗干扰能力,但通信接口IC能承受的共模输入电压范围都有限,尤其是485的接口IC,一般在-7V~+12V之间,在较长距离的通信中,地电位差形成的共模干扰很容易造成通信接口IC的损坏,所以通信接口也必须进行隔离设计,以提高系统可靠性。