PLC控制系統(tǒng)的電氣隔離技術(shù)

一般工業(yè)控制系統(tǒng)既包括弱電控制部分，又包括強(qiáng)電控制部分。為了使兩者之間既保持控制信號(hào)聯(lián)系，又要隔絕電氣方面的聯(lián)系，即實(shí)行弱電和強(qiáng)電隔離，是保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定，設(shè)備與操作人員安全的重要措施。

電氣隔離目的之一是從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開(kāi)來(lái)，從而達(dá)到隔離現(xiàn)場(chǎng)干擾的目的。

一、信號(hào)隔離

信號(hào)的隔離目的之一是把引進(jìn)的干擾通道切斷，使測(cè)控裝置與現(xiàn)場(chǎng)僅保持信號(hào)聯(lián)系，不直接發(fā)生電的聯(lián)系。工控裝置與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間常用的隔離方式有光電隔離、脈沖變壓器隔離、繼電器隔離和布線(xiàn)隔離等。

1．光電隔離

光電隔離是由光電耦合器件來(lái)完成的。其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。由于光電耦合器的輸入阻抗（100Ω～1kΩ）與一般干擾源的阻抗（105～106Ω）相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光。另外光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω）、隔離電容很?。s幾個(gè)pF），所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾，被控設(shè)備的各種干擾很難反饋到輸入系統(tǒng)。

光電耦合器把輸入信號(hào)與內(nèi)部電路隔離開(kāi)來(lái)，或者是把內(nèi)部輸出信號(hào)與外部電路隔離開(kāi)來(lái)，如圖1所示。開(kāi)關(guān)量輸入電路接入光電耦合器后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開(kāi)關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側(cè)。由于光電耦合器不是將輸入側(cè)和輸出側(cè)的電信號(hào)進(jìn)行直接耦合，而是以光為媒介進(jìn)行耦合，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。

目前，大多數(shù)光電耦合器件的隔離電壓都在2.5kV以上，有些器件達(dá)到了8kV，既有高壓大電流大功率光電耦合器件，又有高速高頻光電耦合器件（頻率高達(dá)10MHz）。常用的器件如4N25，其隔離電壓為5.3kV；6N137，其隔離電壓為3kV，頻率在10MHz以上。

2．脈沖變壓器隔離

脈沖變壓器的匝數(shù)較少，而且一次繞組和二次繞組分別繞于鐵氧體磁芯的兩側(cè)，這種工藝使得它的分布電容特小，僅為幾個(gè)pF，所以可作為脈沖信號(hào)的隔離元件。脈沖變壓器傳遞輸入、輸出脈沖信號(hào)時(shí)，不傳遞直流分量，PLC使用的數(shù)字量信號(hào)輸入／輸出的控制設(shè)備不要求傳遞直流分量，因而在工控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖2是脈沖變壓器的應(yīng)用實(shí)例。電路的外部信號(hào)經(jīng)RC濾波電路和雙向穩(wěn)壓管抑制常模噪聲干擾，然后輸入脈沖變壓器的一次側(cè)。為了防止過(guò)高的對(duì)稱(chēng)信號(hào)擊穿電路元件，脈沖變壓器的二次側(cè)輸出電壓被穩(wěn)壓管限幅后進(jìn)入測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部。一般地說(shuō)，脈沖變壓器的信號(hào)傳遞頻率在1kHz～1MHz之間，新型的高頻脈沖變壓器的傳遞頻率可達(dá)到10MHz。

3．繼電器隔離

繼電器的線(xiàn)圈和觸點(diǎn)沒(méi)有電氣上的聯(lián)系，因此，可利用繼電器的線(xiàn)圈接受信號(hào)，利用觸點(diǎn)發(fā)送和輸出控制信號(hào)，從而避免強(qiáng)電和弱電信號(hào)之間的直接接觸，實(shí)現(xiàn)了抗干擾隔離。

圖3是繼電器輸出隔離的實(shí)例示意圖。在該電路中，通過(guò)繼電器把低壓直流與高壓交流隔離開(kāi)來(lái)，使高壓交流側(cè)的干擾無(wú)法進(jìn)入低壓直流側(cè)。

4．布線(xiàn)隔離

將微弱信號(hào)電路與易產(chǎn)生噪聲污染的電路分開(kāi)布線(xiàn)，最基本的要求是信號(hào)線(xiàn)路必須和強(qiáng)電控制線(xiàn)路、電源線(xiàn)路分開(kāi)走線(xiàn)，而且相互間要保持一定的距離。配線(xiàn)時(shí)應(yīng)區(qū)別分開(kāi)交流線(xiàn)、直流穩(wěn)壓電源線(xiàn)、數(shù)字信號(hào)線(xiàn)、模擬信號(hào)線(xiàn)、感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)線(xiàn)等。配線(xiàn)間隔越大，配線(xiàn)越短，則噪聲影響越小。但是，實(shí)際設(shè)備的內(nèi)外空間是有限的，配線(xiàn)間隔不可能太大，只要能維持最低限度的間隔距離便可。

附表列出了信號(hào)線(xiàn)和動(dòng)力線(xiàn)之間應(yīng)保持的最小間距。如果受環(huán)境條件的限制，信號(hào)線(xiàn)不能與高壓線(xiàn)和動(dòng)力線(xiàn)等離得足夠遠(yuǎn)時(shí)，就得采用諸如信號(hào)線(xiàn)路接電容器等各種抑制電磁感應(yīng)噪聲的措施。

二、供電系統(tǒng)的隔離

采用1∶1隔離變壓器供電是傳統(tǒng)的抗干擾措施，對(duì)電網(wǎng)尖峰脈沖干擾有很好的效果。

圖4是典型的隔離變壓器原理圖。它抗干擾的原理是一次側(cè)對(duì)高頻干擾呈現(xiàn)很高的阻抗，而位于一次、二次繞組之間的金屬屏蔽層又阻隔了一、二次側(cè)所產(chǎn)生的分布電容，因此一次繞組只有對(duì)屏蔽層的分布電容存在，高頻干擾通過(guò)這個(gè)分布電容而被旁路入地。1∶1隔變效果的好壞，往往取決于屏蔽層的工藝。最好選用0.2mm厚的純銅板材，一次側(cè)、二次側(cè)各加一個(gè)屏蔽層。通常，一次側(cè)的屏蔽層通過(guò)一個(gè)電容器與二次側(cè)的屏蔽層接到一起，再接到二次側(cè)的地上。也可以一次側(cè)的屏蔽層接一次側(cè)的地線(xiàn)，二次側(cè)的屏蔽層接二次側(cè)的地線(xiàn)。并且接地引線(xiàn)的截面積也要大一些好。1∶1隔變還有效地隔離了接地環(huán)路的共模干擾。

1． 交流供電系統(tǒng)的隔離

由于交流電網(wǎng)中存在著大量的諧波、雷擊浪涌、高頻干擾等噪聲，所以對(duì)由交流電源供電的控制裝置和電子電氣設(shè)備，都應(yīng)采取抑制來(lái)自交流電源干擾的措施。采用電源隔離變壓器，可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲干擾。但是，普通變壓器卻不能完全起到抗干擾的作用，這是因?yàn)椋m然一次繞組和二次繞組之間是絕緣的，能夠阻止一次側(cè)的噪聲電壓、電流直接傳輸?shù)蕉蝹?cè)，有隔離作用。然而，由于分布電容（繞組與鐵心之間、繞組之間、層匝之間和引線(xiàn)之間）的存在，交流電網(wǎng)中的噪聲會(huì)通過(guò)分布電容耦合到二次側(cè)。為了抑制噪聲，必須在繞組間加屏蔽層，這樣就能有效地抑制噪聲，消除干擾，提高設(shè)備的電磁兼容性。

圖5a、5b所示為不加屏蔽層和加屏蔽層的隔離變壓器分布電容的情況。在圖5a中，隔離變壓器不加屏蔽層，C12是一次側(cè)和二次側(cè)之間的分布電容，在共模電壓U1C的作用下，二次繞組所耦合的共模噪聲電壓為U2C，C2E是二次側(cè)的對(duì)地電容，則從圖可知二次側(cè)的共模噪聲電壓U2C為：

U2C＝U1CC12／（C12＋C2E）

在圖5b中，隔離變壓器加屏蔽層，其中C10、C20分別代表一次側(cè)和二次側(cè)對(duì)屏蔽層的分布電容，ZE是屏蔽層的對(duì)地阻抗，C2E是二次側(cè)的對(duì)地電容，則從圖可知二次側(cè)的共模噪聲電壓U2C為：

U2C＝〔U1CZE／（ZE＋1/jωC10）〕〔C2E/（C20＋C2E）〕

由于C2是屏蔽層的對(duì)地阻抗，在低頻范圍內(nèi)，ZE<<（1/jωC10），所以U2C→0。由此可見(jiàn)，采取屏蔽措施后，通過(guò)隔離變壓器的共模噪聲電壓被大大地削弱了。

圖6所示為交流電源抗干擾的綜合方案。為了將測(cè)控系統(tǒng)和供電電網(wǎng)電源隔離開(kāi)，消除因公共電阻引起的耦合，減少負(fù)載波動(dòng)的影響，同時(shí)也為了安全，常常在電源變壓器和低通濾波器之前增加一個(gè)1∶1的隔離變壓器。

目前，國(guó)外已研制成功了專(zhuān)門(mén)抑制噪聲的隔離變壓器（簡(jiǎn)稱(chēng)NCT），這是一種繞組和變壓器整體都有屏蔽層的多層屏蔽變壓器。這類(lèi)變壓器的結(jié)構(gòu)，鐵心材料、形狀及其線(xiàn)圈位置都比較特殊，它可以切斷高頻噪聲漏磁通和繞組的交鏈，從而使差模噪聲不易感應(yīng)到二次側(cè)，故這種變壓器既能切斷共模噪聲電壓，又能切斷差模噪聲電壓，是比較理想的隔離變壓器。

2．直流供電系統(tǒng)的隔離

當(dāng)控制裝置和電子電氣設(shè)備的內(nèi)部子系統(tǒng)之間需要相互隔離時(shí)，它們各自的直流供電電源間也應(yīng)該相互隔離，其隔離方式如下：第一種是在交流側(cè)使用隔離變壓器，如圖7a所示；第二種是使用直流電壓隔離器（即DC／DC變換器），如圖7b所示。

采用了電氣隔離的措施以后，絕大多數(shù)電路都能夠取得良好的抑制噪聲的效果，使設(shè)備符合電磁兼容性的要求