國電中自新型信號(hào)隔離器和安全柵簡介
作為工業(yè)現(xiàn)場與控制室儀表之間的信號(hào)隔離變送器設(shè)備，信號(hào)隔離器和安全柵一直發(fā)揮著重要的作用，是工業(yè)控制系統(tǒng)中重要的組成部分。隨著技術(shù)的進(jìn)步，無論是現(xiàn)場的一次儀表，還是控制系統(tǒng)，都發(fā)生了變化，信號(hào)隔離器和安全柵也需要進(jìn)一步發(fā)展適應(yīng)更高的要求。北京國電中自電氣有限公司總結(jié)多年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)隔離器和安全柵的性能進(jìn)行了提升，以滿足市場的需求。新型的隔離器和安全柵在性能和技術(shù)指標(biāo)上都較過去有了更大的進(jìn)步。
一、模塊化的設(shè)計(jì)保證對(duì)市場的快速響應(yīng)
隔離器和安全柵一般由輸入信號(hào)處理單元、隔離單元、輸出信號(hào)處理單元、電源等4部份構(gòu)成。根據(jù)信號(hào)的流向在輸入或輸出單元增加本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，從而構(gòu)成隔離器和安全柵。
雖然實(shí)際應(yīng)用中的隔離器和安全柵基本上都是由上述四個(gè)單元構(gòu)成，但輸入、輸出的類型和數(shù)量的不同，組成了種類繁多的型號(hào)，為了滿足市場的需求，越來越多的型號(hào)使得企業(yè)的生產(chǎn)負(fù)擔(dān)加重，數(shù)量少品種多使得交貨周期越來越長，也使得調(diào)試檢驗(yàn)的成本增加。這些情況已經(jīng)嚴(yán)重的阻礙了產(chǎn)品的市場推廣。針對(duì)這種情況，宇通公司通過仔細(xì)的分析，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將隔離器和安全柵劃分為七種功能模塊，從而比較好的解決了上述問題。模塊化的設(shè)計(jì)方法極大的解決了產(chǎn)品加工、調(diào)試、老化、庫存的壓力，產(chǎn)品的一致性好，質(zhì)量得到提高。從根本上解決了品種多數(shù)量少給生產(chǎn)環(huán)節(jié)帶來的壓力，極大的縮短了交貨周期。
二、低功耗設(shè)計(jì)
低功耗是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)永無止境的追求，伴隨技術(shù)的發(fā)展，目前隔離器和安全柵的功耗與過去相比，已經(jīng)減小許多，性能和技術(shù)指標(biāo)也得到提高。
產(chǎn)品的功耗是各個(gè)功能單元功耗的總和，只有降低各個(gè)功能單元的功耗才能使得總得功耗降低，增加產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性和壽命。隔離器和安全柵由輸入、輸出、隔離、電源、安全等單元構(gòu)成，其中安全單元是無源的限壓限流網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)上進(jìn)行低功耗改進(jìn)的可能性非常小。主要在輸入、輸出、電源、隔離四個(gè)單元進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。
1、 輸出單元模塊的自適應(yīng)負(fù)載技術(shù)
輸出模塊可以根據(jù)負(fù)載的大小動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出模塊的輸出功率，從而減少自身的發(fā)熱。傳統(tǒng)的負(fù)載設(shè)計(jì)是根據(jù)額定負(fù)載的大小設(shè)計(jì)輸出功率，當(dāng)輸出負(fù)載非常小時(shí)，多余的負(fù)載功率就耗散在儀表內(nèi)部，從而時(shí)儀表自身發(fā)熱。假設(shè)一臺(tái)隔離器的輸出負(fù)載設(shè)計(jì)為750歐姆，那么輸出驅(qū)動(dòng)功率一般設(shè)計(jì)為0.5W。如果在實(shí)際應(yīng)用中此隔離器的負(fù)載使用在50歐姆的環(huán)境下，那么就有 0.5W – 0.02W = 0.48W的功率轉(zhuǎn)換為儀表自身的發(fā)熱。如果時(shí)多路輸出將產(chǎn)生更多的熱量，而降低輸出模塊的額定功率在實(shí)際應(yīng)用中又難以應(yīng)付市場的復(fù)雜狀況。
自適應(yīng)負(fù)載技術(shù)很好的解決了這個(gè)矛盾，此技術(shù)的原理圖示如下：
下表是對(duì)比的測試數(shù)據(jù):
測試條件：電源24DC；負(fù)載變化 50歐姆～750歐姆
輸出模塊類型 標(biāo)準(zhǔn)輸出模塊 自適應(yīng)負(fù)載輸出模塊
模塊的耗散功率（50Ω） 320mW 10mW
模塊的耗散功率（250Ω） 220mW 10mW
模塊的耗散功率（500Ω） 120mW 10mW
模塊的耗散功率（750Ω） 20mW 10mW
從上表可以看到：自適應(yīng)負(fù)載技術(shù)使得模塊的耗散功率是恒定在一個(gè)很低的水平，不會(huì)受到負(fù)載變化的影響。
負(fù)荷檢測可以根據(jù)負(fù)載的大小調(diào)整輸出功率，極大的減少了輸出模塊的發(fā)熱，用戶在定貨時(shí)無須說明負(fù)載大小，極大的方便了用戶的使用和緩解了庫存壓力。
2、 隔離單元模塊的低功耗改進(jìn)
隔離單元是決定產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的重要單元。
目前隔離技術(shù)主要有磁隔離與光隔離兩大類。隔離電路形式有直接調(diào)制耦合，反饋調(diào)制耦合等多種形式，具體采用什么形式要根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)而定。 總的來講可以大致分為開關(guān)量信號(hào)采用光隔離，模擬量信號(hào)采用磁隔離的方式。從技術(shù)復(fù)雜程度來看，磁隔離比光隔離處理技術(shù)復(fù)雜，采用磁隔離技術(shù)， 設(shè)計(jì)者可以根據(jù)技術(shù)指標(biāo)采用合適的設(shè)計(jì)方案，隔離的線性、精度可以根據(jù)產(chǎn)品要求靈活控制。而光隔離的線性、精度只能依賴器件廠家提供的技術(shù)指標(biāo)， 設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整的方式很少，也不可能超過廠家提供的技術(shù)指標(biāo)。由于功耗大，光電隔離也不能實(shí)現(xiàn)無源隔離。北京國電中自電氣有限公司采用電流互感模式、電流互感反饋模式、 電壓互感模式、電壓互感反饋模式、電流互感功率補(bǔ)償模式等多種磁隔離方式。根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)選擇不同的磁隔離模式。
上述隔離模式中，電流互感功率補(bǔ)償模式是功耗最低的模式，目前在新一代的無源隔離安全柵中使用，在保證技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)，降低了隔離單元的功耗。
3、電源模塊
電源的技術(shù)指標(biāo)是基礎(chǔ)，決定產(chǎn)品的性能。目前流行的電源拓?fù)湫问诫m然非常多，也很成熟。但我們?cè)诟綦x器和安全柵的電源設(shè)計(jì)中進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，目前采用的參數(shù)式開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)獲得了國家的發(fā)明專利。根據(jù)隔離器和安全柵的特點(diǎn)，參數(shù)式開關(guān)穩(wěn)壓穩(wěn)壓電源提升了效率，降低了電源的復(fù)雜程度。從工藝和成本上得到改進(jìn)，減少了產(chǎn)品的故障率。
三、無源隔離器和安全柵
傳統(tǒng)的隔離器和安全柵均為有源，需要外接24V直流電源。而無源隔離器和安全柵不需要外接24V直流電源，接線數(shù)量減少了三分之一，降低了安裝和維護(hù)難度。因此，無源隔離器和安全柵的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在DCS和PLC系統(tǒng)的接口應(yīng)用中，普遍采用無源隔離器和安全柵的設(shè)計(jì)模式
無源隔離器和安全柵的示意圖：
無源隔離器和安全柵是指無須外接24V直流電源，其工作所需要的能量來源于表示信號(hào)的4 ~ 20mA電流。因此，無源隔離器和安全柵的功耗必須非常小，是一種微功耗的設(shè)計(jì)應(yīng)用。更低的功耗和更高的輸入、輸出線性是衡量無源隔離器和安全柵的關(guān)鍵指標(biāo)。
無源隔離模式的輸入、輸出轉(zhuǎn)移特性示意圖：
從上圖可知；引起輸入、輸出非線性的主要因素是信號(hào)電流的變化和負(fù)載大小。這種二元變化的影響在有源隔離器和安全柵的設(shè)計(jì)中可以很好的解決，因?yàn)闆]有功耗的限制。而在無源隔離器和安全柵的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，許多成熟的技術(shù)都受到功耗的限制而無法采用。通過對(duì)電流互感磁隔離改進(jìn)而創(chuàng)新的電流互感功率補(bǔ)償磁隔離，很好的解決了此問題。
下面的表格是無源磁隔離模式改進(jìn)前后的輸入、輸出線性指標(biāo)對(duì)比。
磁隔離模式 非線性（50Ω） 非線性（250Ω） 非線性（500Ω)
電流互感功率補(bǔ)償 0.1 0.1 0.1
電流互感 0.1 0.25 0.5
目前國內(nèi)、外在無源隔離器和安全柵的應(yīng)用中均采用的是電流互感的磁隔離模式，其線性指標(biāo)與國電中自的第一代產(chǎn)品差不多，其線性指標(biāo)受到所使用的隔離原理的限制。
公司在無源隔離器和安全柵的設(shè)計(jì)中采用電流互感功率補(bǔ)償式磁隔離，設(shè)計(jì)的無源隔離器和安全柵在輸入、輸出線性指標(biāo)上達(dá)到了有源隔離器和安全柵的水平。這樣的線性指標(biāo)在國內(nèi)、外都是領(lǐng)先的。
四、小型化、接線少。以適應(yīng)高密度的安裝要求
隔離器和安全柵作為二次儀表，安裝在控制室內(nèi)，控制室的環(huán)境要求產(chǎn)品盡可能的小以實(shí)現(xiàn)高密度的安裝，同時(shí)接線的數(shù)量應(yīng)該盡可能的少，從而減少安裝和維護(hù)的難度。產(chǎn)品的小型化是隔離器和安全柵的發(fā)展趨勢。公司目前的MS系列產(chǎn)品的厚度只有6.2mm。低功耗的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)在產(chǎn)品的外觀上就是產(chǎn)品的小型化，只有低功耗產(chǎn)品才能實(shí)現(xiàn)密集安裝。伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們將設(shè)計(jì)出功耗更低、性能更好、體積更小的產(chǎn)品。
目前國內(nèi)的主流產(chǎn)品厚度一般都在20mm～30mm之間，國外最新產(chǎn)品的厚度為6.2mm。北京國電中自電氣有限公司的GD-CB系列達(dá)到了國外最新產(chǎn)品的水平。