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PLC控制系统的电气隔离技术 作者： 日期：12 个人收集整理 勿做商业用途PLC控制系统的电气隔离技术德维森科技（深圳）有限公司一般工业控制系统既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分。为了使两者之间既保持控制信号联系，又要隔绝电气方面的联系，即实行弱电和强电隔离,是保证系统工作稳定，设备与操作人员安全的重要措施。电气隔离目的之一是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，从而达到隔离现场干扰的目的。一、信号隔离信号的隔离目的之一是把引进的干扰通道切断，使测控装置与现场仅保持信号联系，不直接发生电的联系.工控装置与现场信号之间常用的隔离方式有光电隔离、脉冲变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。1光电隔离光电隔离是由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的.由于光电耦合器的输入阻抗（1001k)与一般干扰源的阻抗(105106）相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光。另外光电耦合器的隔离电阻很大（约1012）、隔离电容很小（约几个pF），所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰,被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统。光电耦合器把输入信号与内部电路隔离开来，或者是把内部输出信号与外部电路隔离开来,如图1所示。开关量输入电路接入光电耦合器后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。 目前，大多数光电耦合器件的隔离电压都在2.5kV以上，有些器件达到了8kV，既有高压大电流大功率光电耦合器件,又有高速高频光电耦合器件（频率高达10MHz)。常用的器件如4N25,其隔离电压为5。3kV；6N137，其隔离电压为3kV，频率在10MHz以上.2脉冲变压器隔离脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁芯的两侧,这种工艺使得它的分布电容特小，仅为几个pF，所以可作为脉冲信号的隔离元件.脉冲变压器传递输入、输出脉冲信号时,不传递直流分量，PLC使用的数字量信号输入输出的控制设备不要求传递直流分量，因而在工控系统中得到了广泛的应用。图2是脉冲变压器的应用实例.电路的外部信号经RC滤波电路和双向稳压管抑制常模噪声干扰,然后输入脉冲变压器的一次侧。为了防止过高的对称信号击穿电路元件,脉冲变压器的二次侧输出电压被稳压管限幅后进入测控系统内部.一般地说，脉冲变压器的信号传递频率在1kHz1MHz之间，新型的高频脉冲变压器的传递频率可达到10MHz。3继电器隔离继电器的线圈和触点没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接受信号，利用触点发送和输出控制信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触,实现了抗干扰隔离.图3是继电器输出隔离的实例示意图.在该电路中，通过继电器把低压直流与高压交流隔离开来，使高压交流侧的干扰无法进入低压直流侧.4布线隔离将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线，最基本的要求是信号线路必须和强电控制线路、电源线路分开走线，而且相互间要保持一定的距离。配线时应区别分开交流线、直流稳压电源线、数字信号线、模拟信号线、感性负载驱动线等。配线间隔越大，配线越短，则噪声影响越小。但是，实际设备的内外空间是有限的，配线间隔不可能太大，只要能维持最低限度的间隔距离便可。附表列出了信号线和动力线之间应保持的最小间距.如果受环境条件的限制，信号线不能与高压线和动力线等离得足够远时，就得采用诸如信号线路接电容器等各种抑制电磁感应噪声的措施。二、供电系统的隔离采用11隔离变压器供电是传统的抗干扰措施，对电网尖峰脉冲干扰有很好的效果。图4是典型的隔离变压器原理图。它抗干扰的原理是一次侧对高频干扰呈现很高的阻抗，而位于一次、二次绕组之间的金属屏蔽层又阻隔了一、二次侧所产生的分布电容,因此一次绕组只有对屏蔽层的分布电容存在，高频干扰通过这个分布电容而被旁路入地。11隔变效果的好坏,往往取决于屏蔽层的工艺。最好选用0。2mm厚的纯铜板材，一次侧、二次侧各加一个屏蔽层。通常，一次侧的屏蔽层通过一个电容器与二次侧的屏蔽层接到一起，再接到二次侧的地上.也可以一次侧的屏蔽层接一次侧的地线，二次侧的屏蔽层接二次侧的地线。并且接地引线的截面积也要大一些好。11隔变还有效地隔离了接地环路的共模干扰。1交流供电系统的隔离由于交流电网中存在着大量的谐波、雷击浪涌、高频干扰等噪声，所以对由交流电源供电的控制装置和电子电气设备,都应采取抑制来自交流电源干扰的措施。采用电源隔离变压器，可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰。但是,普通变压器却不能完全起到抗干扰的作用，这是因为，虽然一次绕组和二次绕组之间是绝缘的，能够阻止一次侧的噪声电压、电流直接传输到二次侧，有隔离作用。然而，由于分布电容（绕组与铁心之间、绕组之间、层匝之间和引线之间）的存在,交流电网中的噪声会通过分布电容耦合到二次侧。为了抑制噪声，必须在绕组间加屏蔽层，这样就能有效地抑制噪声，消除干扰，提高设备的电磁兼容性。图5a、5b所示为不加屏蔽层和加屏蔽层的隔离变压器分布电容的情况。在图5a中,隔离变压器不加屏蔽层，C12是一次侧和二次侧之间的分布电容,在共模电压U1C的作用下，二次绕组所耦合的共模噪声电压为U2C,C2E是二次侧的对地电容，则从图可知二次侧的共模噪声电压U2C为:U2CU1CC12（C12C2E)在图5b中，隔离变压器加屏蔽层，其中C10、C20分别代表一次侧和二次侧对屏蔽层的分布电容，ZE是屏蔽层的对地阻抗，C2E是二次侧的对地电容,则从图可知二次侧的共模噪声电压U2C为：U2CU1CZE（ZE1/jC10）C2E/（C20C2E)由于C2是屏蔽层的对地阻抗，在低频范围内，ZE(1/jC10）,所以U2C0.由此可见，采取屏蔽措施后，通过隔离变压器的共模噪声电压被大大地削弱了。图6所示为交流电源抗干扰的综合方案。为了将测控系统和供电电网电源隔离开，消除因公共电阻引起的耦合，减少负载波动的影响,同时也为了安全，常常在电源变压器和低通滤波器之前增加一个11的隔离变压器。 目前，国外已研制成功了专门抑制噪声的隔离变压器（简称NCT),这是一种绕组和变压器整体都有屏蔽层的多层屏蔽变压器。这类变压器的结构，铁心材料、形状及其线圈位置都比较特殊，它可以切断高频噪声漏磁通和绕组的交链，从而使差模噪声不易感应到二次侧,故这种变压器既能切断共模噪声电压,又能切断差模噪声电压，是比较理想的隔离变压器。2直流供电系统的隔离当控制装置和电子电气设备的内部子系统之间需要相互隔离时，它们各自的直流供电电源间也应该相互隔离，其隔离方式如下:第一种是在交流侧使用隔离变压器,如图7a所示；第二种是使用直流电压隔离器（即DCDC变换器），如图7b所示。采用了电气隔离的措施以后，绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声的效果，使设备符合电磁兼容性的要求