维盛隔离端子在二线制变送器中的应用———用于工业现场的带有电

二线制变送器在工业自动化领域中使用频度较高，它将非电量或电量转变成标准仪表可以接收的4～20mA信号。就变送器而言，它涉及到众多诸如温度、压力、流量、液位等变量。二线制变送器能将这些变量转变为标准信号，并且仅用两根导线实现信号线与电源线共用,完成供电及信号输出。输出的4～20mA在与输入的物理变量呈现较高的线性度同时，将变送器内部电路消耗的电流也包含在4～20mA内。这种转换器的特点是线路导线仅两根，接线简单。在工业自控现场应用非常广泛。
    与其他工业现场设备相同，二线制变送器也存在受干扰及抗干扰的问题。其中较为典型的干扰是由各个变送器之间，以及它们与接收多路变送器信号的PLC、DCS之间的参考电位（所谓“地”）不同引入的扰动。或者信号在传送到PLC、DCS的模拟量输入端口过程中受到电气干扰不同引起的相互扰动。解决这个问题要遵循两个原则。第一：外部设备（含变送器）与中央处理系统（例如PLC、DCS）之间要进行电气隔离。第二：外部设备信号（无论是外部设备传送到中央处理系统还是中央处理系统传送给外部设备）之间要实现相互电气隔离。系统安装遵循了这两个原则就能完全克服由于“地”之间的差异引入的干扰。图一示出四个外部信号与中央处理系统的连接。四个外部信号A B C D之间没有共同电位参考点“地“，同时它们都与中央处理系统隔离。这种连接符合上述两个原则，解决了不同“地”引入的扰动。

图一  A B C D之间相互电气隔离
    二线制变送器与中央控制系统之间的电气隔离，因工业现场所用设备及模拟输入板不同，有多种不同性能的隔离端子可以选择。现以WS系列中的二线制产品来说明这一问题，以引起设计人员及现场调试人员的注意。
    围绕二线制变送器4～20mA信号隔离产品大致可以分为二类。
    第一类隔离器的内部含有变送器，它直接将物理量转化为4～20mA。温度是最常遇到的物理量。WS2050就是一种二线制温度隔离式变送器，用于处理Pt100，Cu50等电阻式温度传感器（RTD）。一般RTD安装在测温点，变送器安装在控制室内。这种RTD是通过电阻变化来表现温度变化的。以Pt100为例，在测量0～100℃温度时，Pt100的阻值是从100Ω变化到138.5Ω，电阻值与温度的关系大约为0.385Ω/℃。很明显导线存在零点几欧姆电阻就会带来明显地测量误差。RTD安装地点和变送器连接导线长度不同，它的导线电阻也不相同。所以这种变送器前端都会有导线电阻补偿功能。连接RTD常用方式是采用三根导线到变送器，要求这三根导线材质、直径、长度相同，也即从RTD到WS2050之间的电阻值相等。如图二所示：

图二 二线制温度隔离式变送器
    在三根导线电阻r1=r2=r3条件下，经过内部电路处理，导线电阻引入的误差被消除。这个性能称为：长线补偿功能。一般长线补偿能力在几十欧姆到二、三百欧姆。另外考虑到现场有时会出现一些意外情况，例如RTD三根导线有可能断开。可能其中一根断开或两根断开，甚至三根全部断开。为能准确报告这种故障，输出的电流值在有导线断开情况就不能在4～20mA正常工作范围之内，它的输出只能设定在远小于4mA或远大于20mA。上位机得到这个范围内的信号就知道RTD连线断开了。WS2050可以依用户要求，将这种故障状态的输出设为26mA。
    类似WS2050这种隔离二线制变送器，内部的隔离器件均采用变压器方式，一方面传递了信号，另一方面也将供电端的电能传送到输入部份，使输入部分的各种电路能正常工作。
    绝无例外的是二线制变送器输出端接线方式均是由一个工作电源（一般为24VDC）串接一个取样电阻或曰负载电阻RL构成。RL一般为250Ω，以便将4～20mA信号转变为1～5V电压信号供模拟量输入板处理。
    同样隔离二线制变送器处理热电偶的型号为WS2060。热电偶和变送器之间的连线，也有断开的可能性。与WS2050相同，用户也可要求设定断偶时输出26mA，以进行故障判别。
    同类型产品尚有多种，处理交流电流信号（例如5A AC）的型号为WS2026，处理0～10VDC，4～20mA输入信号的为WS2022，处理位移信号的为WS2020。市场上出现的国外同类型产品也不少，例如日本M-system公司的B5VS、B5RS、B5TS以及德国weidmuller公司的产品。图三是此类产品多路连接图：

图三 二线制变送器隔离后连接到PLC
    三个外部信号RTD﹑TC﹑电压/电流之间没有共同电位参考点“地“，同时它们都与中央处理系统隔离。虽然输出共用一个24V电源，但是只要输出接到有共同参考点的模拟量输入板，这种连接就符合本文上述指出的两个原则，解决了不同“地”引入的扰动。
    第二类二线制隔离式产品是各种二线制配电器。其特点是隔离器内部不含变送器。隔离器输入端口具有为现场二线制变送器提供电源的功能，现场变送器产生的4-20mA信号隔离后传送到模拟量输入板。依据模拟量输入板接口不同，有两个品种可以选择WS1525、WS2025。如图四。

图四 二种二线制配电器
    显然无论WS1525还是WS2025，均能通过外部供电电源经隔离后给两线制变送器提供一个独立的隔离电源；以保证在多路输入情况下，多个变送器之间相互隔离。这二个产品的区别有二点①WS1525需要一个单独电源供电，这个电源与输入/输出都隔离。而WS2025无须单独电源供电。②WS1525输出的4～20mA面对接口是电阻负载。WS2025输出面对的是24VDC和取样电阻（或称负载电阻）相串联的二线制供电回路。选择哪种隔离器产品的型号为变送器配电由现场所配PLC、DCS或其他仪表的模拟量输入端口来定。不过，现在流行的大部分模拟量输入接口板，对于两种方式均可现场在上位机进行设置，这就为用户的现场调试带来方便，不必更换隔离器，就可以实现正确对接。
    产品运行长期可靠是用户的基本要求，这也是生产厂家的不懈追求。影响产品长期可靠的因素除了线路设计﹑元器件选取﹑工艺控制之外，产品本身的电能消耗及其引起的温升起着重要作用。尤其产品体积变得越来越小﹑安装密度越来越高，热量问题也就日趋重要。所以问题的关键之一是降低产品本身电能消耗,降低产品内部温升。而消耗能量低﹑内部温升小正是二线制隔离变送器的特点。
    上述的二大类隔离二进制变送器中除了WS1525之外，其它几种无论是内含变送器的WS2050﹑WS2022等﹑或不含变送器而仅为外部变送器供电的WS2025，它们在24VDC电源上消耗的电流为4-20mA。从功率角度看这几种产品的最大消耗为24V×20mA=480mW，减掉外接取样电阻（以250?计）消耗散出的20mA×5V=100mV功率，只有380mW功率在产品内部散发热量。而仅有供电功能的WS2025消耗电能就更低了，大约在100mW上下，内部温升更小。
由于WS1525的外加24VDC工作电源要分成二路隔离电源给产品的输入/输出部分供电，功率消耗明显大于上述二线制的480mW。但是WS1525在设计上采用降低功耗技术,它的24VDC电源上消耗电流最大值在40mA以内，也即消耗功率小于960mW，减掉外部变送器和外接取样电阻消耗散出的400mW,大约有450mW功率在产品内部散发热量。这样的消耗在现场应用时是适中的。实践证明，一个控制柜中安装150只左右WS1525，长期运行。不存在明显温升，长期工作可靠。
    还有一点值得一提，现在越来越多的二线制变送器具有通讯功能，使用诸如SMART，HART协议，这就要求与之配套的产品，类似WS1525，WS2025能够进行双向通过数字信号。这样现场应用就更加灵活方便。

作者简介：
    张平（1972-），男，北京人，武汉大学计算机专业硕士，主要从事计算机控制技术与系统、智能控制等方面的研究。
    谢翔（1979-），男，江苏南京人，中国科学技术大学学士，毕业后主要从事电子线路的设计工作。