В современных системах автоматизации надежность и точность передачи сигналов играют ключевую роль. По мере усложнения оборудования и увеличения количества взаимосвязанных устройств возрастает и риск возникновения помех, паразитных токов и опасных разностей потенциалов. Именно здесь на первый план выходит гальваническая изоляция — которая обеспечивает электрическую развязку между цепями, сохраняя при этом передачу сигнала.
В данной статье рассмотрим, зачем нужны гальванические изоляторы, какие задачи они решают и в каких случаях их применение является особенно важным.
Обеспечение защиты и повышение надёжности
Защита от поражения электрическим током и устранение опасных напряжений
Во многих решениях требуется мониторинг и/или управление оборудованием, которое питается от сети переменного тока: насосы, двигатели, вентиляторы и т.п. Датчики разного рода устанавливают внутри этих устройств для контроля температуры, частоты или вибрации. Помимо этого, некоторые типы датчиков, применяемых для измерения технологического процесса, также имеют питание от сети переменного тока.
При ошибках в проводке или нарушении изоляции защита от поражения электрическим током имеет первостепенное значение. Из-за высоких рабочих и испытательных напряжений гальванически изолированные преобразователи сигналов надёжно защищают оборудование на стороне системы управления от повреждений, вызванных опасными скачками напряжения.
Устранение помех, вызванных петлями заземления
Проблемы могут возникать, если сигнальные линии на обеих сторонах токовой цепи - со стороны поля и со стороны системы управления имеют заземление. Разность потенциалов между заземлённой полевой стороной и заземлённой стороной управления может приводить к протеканию уравнивающих токов (Iy на рисунке ниже). Эти токи могут искажать измерительные сигналы и сигналы управления.
Гальванически развязанные преобразователи сигналов устраняют петли заземления между полевой стороной и системой управления (Iy = 0).
Устранение влияния ВЧ-помех и электромагнитных наводок (ЭМС)
Одним из источников синфазных помех являются частотные преобразователи. Изменения нагрузки двигателя и частоты входного сигнала создают помехи, которые могут наводиться на линии передачи технологических сигналов.
Входные фильтры модулей с гальванической изоляцией предотвращают негативные влияния на значения процесса, обеспечивая надёжность измерений.
Использование стандартных сигналов
С помощью преобразователей сигналов полевые сигналы от термосопротивлений и термопар линеаризуются и преобразуются в стандартные сигналы.
Пример: преобразование входного сигнала термопары в стандартный токовый сигнал 4...20 мА.
Защита линий полевых сигналов
Дискретные датчики, исполнительные механизмы, а также аналоговые датчики требуют надёжного электропитания. В схемах, использующих один источник питания для работы нескольких полевых контуров, необходимо предусматривать индивидуальную защиту от короткого замыкания для каждого контура. В противном случае неисправность в одной токовой цепи приведёт к отключению всей группы контуров, а в наихудшем случае также и к повреждению кабельной проводки.
Гальванический изолятор обеспечивает ограничение тока короткого замыкания для каждой полевой цепи отдельно. Это означает, что при отказе одной цепи остальные продолжают работать без перебоев.
В случае повреждения линии на полевой стороне преобразователь сигналов переводит выходы на стороне управления в безопасное состояние.
Надёжное распределение сигналов
Дублирование (разветвление) сигналов
Во многих случаях полевые сигналы необходимо передавать в несколько систем одновременно, например:
- в систему управления технологическим процессом (РСУ),
- в систему аварийного останова (ПАЗ),
- в систему сбора и регистрации данных.
При работе с входными полевыми сигналами не рекомендуется подключать несколько различных систем последовательно к одному выходу барьера/гальванического изолятора. При наличии проблем в одной из систем, сигнал будет потерян также и для остальных систем включённых последовательно.
При дублировании (разветвлении) сигнала также исключается проблема высоких сопротивлений нагрузки при последовательном подключении нескольких систем, обеспечивая тем самым стабильность сигнала для всех подключённых систем, а также повышая общую надёжность и отказоустойчивость системы.
Адаптация активных и пассивных токовых сигналов, а также сигналов напряжения.
В случае подключения 4-х проводного датчика с активным токовым выходом к системе управления со встроенным питанием входной цепи, токовый контур будет иметь два конфликтующих источника и неработающий измерительный контур. Преобразователи сигналов позволяют подключать различные комбинации сигналов каких как пассивные токовые сигналы или активные сигналы напряжения/тока.
