光電隔離技術精選(九篇)
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第1篇：光電隔離技術范文
【關鍵詞】漏電流；SPWM；SVPMW；共模電壓；單極性；雙極性
1 光伏逆變器漏電流形成原因及其危害
如圖1所示的三相全橋逆變系統主電路原理圖，由于光伏陣列占地面積較大，電池的正負極和大地之間存在較大的寄生電容，有相關文獻指出晶體硅光伏電池的寄生電容約為50-150nF/kW，薄膜光伏電池約為1uF/kW，Cpv1，Cpv2表示電池正負極對大地的電容， 表示三相電力系統的中性點的接地阻抗，對于不同電壓等級的電網中性點接地方式是不同的，對于中性點直接接地的 ，對于中性點不接地的 。在這里忽略電網的地與光伏陣列的地之間的阻抗。
地電流的存在會造成電網電流畸變，電磁干擾，系統的額外損耗，以及人身安全隱患，德國DIN VDE-0126-1-1 標準規定，當地電流高于300mA時，光伏并網系統必須在0.3s內從電網中切除，國內金太陽認證也有類似的標準。傳統的光伏系統出于對安全的考慮，通常在光伏電池和電網之間插入變壓器作為電氣隔離，阻斷漏電流回路。但隔離變壓器增加了系統的重量，體積和成本，降低了整體效率，因此無變壓器隔離的光伏逆變器漏電流抑制技術近來成為了國內外學者研究的熱點。
2 三相光伏逆變拓撲漏電流抑制
2.1 SPWM與SVPWM調制方式的共模電壓
由頻譜圖可以看出共模電壓主要含有直流分量Vdc=300V，即1.5倍的母線電壓，以及開關頻率3KHz的諧波電壓。
同樣的條件下將調制方式改為SVPWM方式：
由頻譜圖可以看出，共模電壓中的直流成分含量與SPWM一致，即都為母線電壓的1.5倍，但交流成分中還含有大量的3的奇數倍次諧波，分布在基頻附近和開關頻率附近。由共模電壓的定義可以看出，當以母線的電容中點為參考點時，共模電壓的直流成分將為0。
2.2 帶分裂電容的三相逆變拓撲
如圖5所示的帶分裂電容的三相逆變拓撲，將直流母線中點與電網中性點直接相連，得到的共模電壓等效模型如圖6所示：
由等效模型可以看出，將直流母線的中點一電網中性點直接相連以后，參考點與地之間被母線中點鉗位，而母線電容遠大于光伏電池正負極的寄生電容，從而使共模電流強制流向母線電容，從而達到了抑制漏電流的目的。
但從2.1節的頻譜分析可以看出，SVPWM調制方式的共模電壓中含有大量的3的奇數倍次諧波，這些三相3的奇數倍次諧波屬于零序分量，當母線中點與電網中性點相連時，零序分量有了通路，電網相電流會產生嚴重畸變。因此SVPWM調制方式不適用于母線中點與電網中性點直接相連的拓撲。而SPWM調制方式的共模電壓中僅僅含有開關頻率處的諧波，因此這種帶分裂電容的拓撲只適用于SPWM調制方式。而SPWM的母線電壓利用率較低，如果采用直流母線中點與電網中性點直接相連的拓撲時，需要加一級升壓電路。
3 單相光伏逆變器的漏電流抑制
3.1 單極性調制與雙極性調制的共模電壓
3.2 單極倍頻調制方式的共模電壓抑制
與雙極性調制方式相比，在相同載波頻率條件下，單極倍頻調制方式具有開關次數少，波形質量好的優點，因此抑制單極倍頻調制方式的共模電壓成為了各國新能源領域的研究熱點之一。以下介紹幾種國外典型的針對抑制共模電壓的單相逆變拓撲。
德國SMA 公司的Sunny Mini Central 系列和SunnyBoy TL 系列的光伏并網逆變器采用H5 拓撲，德國Sunways 公司生產的NT 系列的光伏并網逆變器采用HERIC 拓撲，其中SMA公司已在中國，歐洲以及美國申請了H5拓撲專利，而Heric拓撲在中國沒有申請專利。
如圖8所示的H5拓撲，其原理是在調制波正半周期，S1常開，S4和S5共驅動并與S3的驅動互補，逆變回路S1，S4，S5導通，共模電壓 ，續流回路S1與S3導通，a點電位與b點電位由S5 ，S4兩個開關管的分壓決定，而對于寄生參數相同的開關管，可以認為a，b兩點電位為母線中點電位，共模電壓 ，因此這種H5拓撲的共模電壓沒有脈動，可以抑制共模漏電流。
如圖9所示的Heric拓撲，在調制波正半周期，逆變回路S1與S4導通，共模電壓 ，續流回路S5和S6導通，a，b兩點電位由S1，S2開關管分壓決定，也可以認為a b兩點電位為母線中點電位共模電壓 ，從而抑制了共模電壓的脈動。
綜上所述，單相光伏逆變拓撲的共模電壓抑制原理是在續流回路依靠開關管的阻斷和寄生參數的分壓將橋臂電位鉗位在母線中點，國內各高校與有關企業的拓撲專利也是利用此原理，只是不同的拓撲配合不同的調制方法。
參考文獻：
[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術（第五版）[M].北京：機械工業出版社，2009.
[2]馮垛生，張淼，趙慧.等.太陽能發電技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2009.
第2篇：光電隔離技術范文
【關鍵字】電氣隔離，電氣控制線路，應用
中圖分類號： F406 文獻標識碼： A 文章編號：
一、前言
電氣隔離在電氣控制線路上的應用十分普遍，同時也非常重要，通過加強對其的研究分析，可以促進其不斷地應用，這對于我國在這方面的研究意義重大。
二、數控機床控制系統常見干擾綜合分析
在數控機床電氣控制系統的工作環境中，存在一些因自然因素或人為因素產生的電磁干擾信號，這些信號會通過一定途徑進入控制系統。可根據干擾源和干擾傳播路徑的不同，數控機床控制系統的干擾可分兩大類：一是系統內部的相互干擾，二是系統外部的干擾。其中，系統內部的控制模塊產生的相互干擾主要由接觸器、繼電器、開關等裝置內部的器件引起，可通過系統通道進行干擾(如輸入、輸出端口)、供電系統干擾(如電源)和空間干擾的方式進入數控機床的控制模塊。
例如，接觸器的動作會產生兩種干擾信號：一是接觸器開關觸點開、合會在母線上引起含有多種頻率分量的衰減震蕩波，母線相當于天線，將暫態電磁場的能量向周圍空間輻射，進人數控控制模塊后形成干擾。這種干擾與開關所帶負載的類型和功率大小有關，一般情況，感性負載、大功率變壓器引起的干擾強度更大；二是接觸器控制線圈通、斷時在線圈兩端產生的過電壓，通過電源線和輸出繼電器進入控制系統。系統內其它的強電信號，可通過電源線傳輸或空間電磁耦合等方式干擾數控系統；三是外部環境，如大電弧電流產生的劇變強電磁場、強大的交變電磁場、大功率的變頻器以及雷電等，這些干擾的傳播路徑主要是空間電磁耦合。
三、信號隔離
1、光電耦合隔離
光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下，以光為媒介傳送信號，對輸入和輸出電路進行隔離。因而能有效地抑制系統噪聲，消除接地回路的干擾，有響應速度較快、壽命長、體積小和耐沖擊等好處，使其在強一弱電接口，特別是在微機系統的前向和后向通道中獲得廣泛應用。光電耦合器，是近幾年發展起來的一種半導體光電器件，由于它具有體積小、壽命長、抗干擾能力強、工作溫度寬、無觸點輸入與輸出以及在電氣上完全隔離等特點，而被廣泛地應用在電子技術領域及工業自動控制領域中，它可以代替繼電器、變壓器、斬波器等，而用于隔離電路、開關電路、數模轉換、邏輯電路、過流保護、長線傳輸、高壓控制及電平匹配等。
光電隔離是由光電耦合器件來完成的。其輸入端配置發光源，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與一般干擾源的阻抗相比較小，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，不易使半導體二極管發光。另外光電耦合器的隔離電阻很大、隔離電容很小(約幾個pF)，所以能阻止電路耦合產生的電磁干擾，被控設備的各種干擾很難反饋到輸入系統。光電耦合器把輸入信號與內部電路隔離開來，或者是把內部輸出信號與外部電路隔離開來。開關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，使夾雜在輸入開關量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側。由于光電耦臺器不是將輸入側和輸出側的電信號進行直接耦合，而是以光為媒介進行耦合，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。
目前，大多數光電耦合器件的隔離電壓都在2．5kV以上，有些器件達到了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，這種工藝使得它的分布電容特小，僅為幾個pF，所以可作為脈沖信號的隔離元件。脈沖變壓器傳遞輸入、輸出脈沖信號時，不傳遞直流分量，PLC使用的數字量信號輸入／輸出的控制設備不要求傳遞直流分量，因而在工控系統中得到了廣泛的應用。
下圖是脈沖變壓器的應用實例。電路的外部信號經RC濾波電路和雙向穩壓管抑制常模噪聲干擾，然后輸入脈沖變壓器的一次側。為了防止過高的對稱信號擊穿電路元件，脈沖變壓器的二次側輸出電壓被穩壓管限幅后進入測控系統內部。一般地說，脈沖變壓器的信號傳遞頻率在1kHz～1MHz之間，新型的高頻脈沖變壓器的傳遞頻率可達到10MHz。
3、繼電器隔離
繼電器的線圈和觸點沒有電氣上的聯系，因此，可利用繼電器的線圈接受信號，利用觸點發送和輸出控制信號，從而避免強電和弱電信號之間的直接接觸，實現了抗干擾隔離。下圖是繼電器輸出隔離的實例示意圖。在該電路中，通過繼電器把低壓直流與高壓交流隔離開來，使高壓交流側的干擾無法進入低壓直流側。
4、配線系統隔離
將微弱信號電路與易產生噪聲污染的電路分開布線，最基本的要求是信號線路必須和強電控制線路、電源線路分開走線，而且相互間要保持一定的距離。配線時應區別分開交流線、直流穩壓電源線、數字信號線、模擬信號線和感性負載驅動線等。配線間隔越大，配線越短，則噪聲影響越小。但是，實際設備的內外空間是有限的，配線間隔不可能太大，只要能維持最低限度的間隔距離便可。如果受環境條件的限制，信號線不能與高壓線和動力線等離得足夠遠時，就得采用諸如信號線路接電容器等各種抑制電磁感應噪聲的措施。
四、控制線隔離技術——電源系統隔離技術
1、交流電源供電系統隔離法
交流電源中存在著諸多電干擾源，如交流電源在工作時產生的數量巨大的諧波、高頻波、雷擊浪涌等一系列干擾噪聲，所以在以交流式電源為主要供電設備的電氣系統中其電源系統均應該采取抗干擾措施，隔離電源變壓器就是一個較為有效的電源抗干擾裝置，該裝置能夠有效地防止電源工作中由電流產生的噪聲干擾。隔離電源變壓器的運作原理是在電壓器內部的加入了隔離層，并且變電器內部結構做了相應的調整，之所以一般的交流變器不論如何概念其內構都無法達到這種效果是因為即使使變壓器內的一次燒和二次燒組件絕緣不產電流流動，但由于交流電流的作用變壓器中會有分布電容（鐵心與燒組之間，燒組與燒組之間，層匝之間以及引線與引線之間）存在，這樣交流電網之中就會有電容耦合存在，從而產生噪聲。因此采用隔離電壓變壓器才能有效對交流電源進行有效的噪音隔離。
2、直流電源供電系統隔離法
直流電源供電系統雖然與交流電源供電系統比起來在工作過程中產生的噪聲較小，而且直流電產生的噪聲污染也比較好控制，但在工作中如對直流電源供電系統不加以控制和預防其產生噪聲也會有較明顯的影響作用。直流電源供電系統內部產生干擾主要來自直流電源系統中的子系統，各個子系統之間相互的作用影響或是子系統內部自身的影響，導致直流供電系統產生噪聲，要想對直流電源供電系統做噪聲隔離就要在直流變壓器中的各個子系統間添加隔離膜，或者直接采用隔膜變壓器也能有效降低直流變壓器在工作是產生的噪聲。
五、結束語
總之，電氣隔離在電氣控制線路上的應用十分普遍，而且重要性很強，需要不斷加強對其的研究，以此才能促進其繼續的發展和應用。
參考文獻：
[1]沈春波數控機床電氣控制系統中的電氣隔離技術科技創新與應用2013-01-08期刊
第3篇：光電隔離技術范文
引言
在電力電子裝置中，經常需要在兩個不同的模塊之間傳送模擬信號，并且要保證安全可靠地傳送。通常兩個不同模塊之間的電位可以相差幾百伏乃至幾千伏，比如電機控制中的隔離電樞電流和電壓傳感器，電動機地與控制系統地的隔離等。特別在一些以微處理器為核心的電力電子裝置中，需要傳送代表輸出特性的參考信號，而運行于高頻開關狀態的功率電路與控制電路往往不在同一電路板上，為了防止強電磁干擾串到微機系統導致系統運行異常，并降低EMI和工頻干擾，在信號傳送的時候需要嚴格隔離。在工業過程控制與測量系統中更是普遍需要用到模擬量隔離傳輸技術，如熱電偶、壓力電橋、應變計、傳感器的數據隔離放大均是例子。因此，研究精確可靠的傳輸方案對于保證系統的整體性能具有重要意義。本文以數控精密高頻開關逆變電源系統為例，研究了電力電子裝置中模擬信號的精確隔離傳輸的方法。
1 隔離傳輸方法及其比較
實現電氣上隔離的方法從耦合方式來看，可以分為磁耦合隔離方法、光電耦合隔離方法、電容耦合隔離方法等。
磁耦合隔離方法是最常用的耦合隔離方法。圖1所示的是AD公司生產的隔離放大器AD202的內部結構示意圖，是一個典型的變壓器耦合二端隔離放大器，采用了調幅與解調技術將直流或交流信號通過變壓器耦合到輸出級，輸入級內置一個獨立的運放作為信號預處理，可進行緩沖、濾波等功能。輸出級是對信號進行解調，濾波與放大。內置的DC/DC變換器可以提供電源給輸入側的運放、調制器或其他電路。
圖2
另外，還有三點隔離的變壓器耦合隔離放大器，如BB公司的3656,可以實現輸入級和輸出級隔離，而且供電電源與放大器隔離，真正實現了信號和電源完全隔離。
電容耦合隔離方法是比較先進的，采用了頻率調制技術，通過對輸入電壓數字編碼和差動電容勢壘耦合，準確地隔離和傳輸模擬信號。圖2所示的是BB公司電容耦合隔離放大器ISO122的框圖，隔離放大器輸入和輸出之間通過2個1pF的隔離電容進行信號耦合。在調制端，輸入放大器對輸入電流和一個可切換的電流源之間的差值進行積分。假設VIN為0V，積分器將以單向的斜率上升直到超過比較器的閾值。內部的壓控振蕩器使電流源以500kHz的頻率切換，輸出調制的數字電平以差動形式加在勢壘電容上。同時外加隔離電壓呈共模形式。輸出端的放大器檢測出來的差動信號作為另一個電流源到積分器A2的切換控制，信號解調產生一個平均值等于VIN的VOUT，經過低通濾波器濾掉余下的載波噪聲之后，就成為隔離放大器的輸出。
由于采用了數字化調制手段，隔離柵的性能不會影響到模擬信號的完整性，所以有較高的可靠性和良好的頻率特性。
光電耦合器是通過光信號的傳送實現耦合的，輸入和輸出之間沒有直接的電氣聯系，具有很強的隔離作用，在實際中應用很廣泛。光電耦合器件具有非線性電流傳輸的特性，如果直接用于模擬量的傳輸，則線性度和精度都很差。于是很多公司相繼推出線性光耦隔離放大器，如BB公司的ISO100,利用發光二極管LED與兩個光電二極管進行耦合，一路反饋到輸入端，一路耦合到輸出端，經過激光調整精心匹配，線性度和穩定度都很好。
2 開關式隔離傳送與串行方式
針對光電耦合器能夠相當可靠地傳遞開關量信號，因此，在實際應用中考慮數字隔離的方法，即將模擬信號通過A/D轉換變成數字信號，再采用光電耦合器進行數字隔離。
2．1 PWM的調制及解調方式
一種開關量隔離方式，集成PWM或微處理器輸出信號調制的PWM波形，傳送信號的瞬時電平與脈寬成正比，經過光電隔離后對PWM信號低通濾波，恢復成模擬信號。
2．2 V/F方式
另一種A/D轉換常用方法如圖3所示。它采用電壓/頻率變換即V/F變換，設計的模擬信號隔離傳送電路如圖3所示。傳感器輸出的微弱信號放大到伏級，送入LM331構成的V/F轉換電路變成脈沖信號，信號頻率與輸入電壓成正比；可以進行長距離傳輸，而后經過光電耦合器切斷前后電路電氣聯系，隔離后的脈沖信號再送入同樣由LM331構成的F/V轉換電路得到復原的模擬電壓信號。
綜上比較各種隔離方法的傳輸特性，其性能綜合對比如表1所列。
表1各種隔離方法的傳輸性能對比
耦合方式 傳送精度 噪聲濾波 結構復雜度 傳送距離 電平死區 變壓器耦合 中 需要 高 短 有 電容耦合 較好 需要 高 短 有 線性光電耦合 較好 不需要 中 短 有 PWM 低 需要 低 長 無 V/F 中 需要 中 長 有 前面幾種隔離方法都采用了集成的結構，性能得以保證，但是，由于隔離是在芯片內部實現，輸入級與輸出級間距很短，對于信號傳輸空間上有一定距離的應用場合，效果并不是很好；同時在調制與解調過程中不可避免地會有一些噪聲產生，因此輸出級要設置相應的濾波電路，導致準確度下降，
線性光耦當輸入信號較小時，驅動電流可能小到無法令光電管檢測，存在死區；后來的V/F開關轉換方法傳輸可靠，但是隔離的兩端都需要V/F芯片，電路仍顯復雜，另外，工作頻帶受限制，低端因為紋波大而準確度下降，高端信號亦受濾波器頻帶限制。
圖5
要解決或改善上述的不足單從電路結構完善上已經余地不大，唯有考慮引入數字式的傳輸手段。
2．3 直接數字信號傳輸方式
對于模擬信號要求較高的場合，可以采用數字式信號傳輸，優點是精度高，抗干擾性強和可靠性好，能夠實現任意波形的信號傳送。在有些應用場合中是通過微處理器直接生成數字信號，則更有理由采用數字式傳輸。
將數字信號轉換到模擬信號的方法可以有多種，如PWM信號濾波，數字電位器。從信號的準確度和驅動穩定度來看，專用的DAC芯片最為可靠。專用的DAC芯片，是通過數據線輸入，轉換成模擬信號輸出，一般8～12位的精度已經可以達到大多數傳送要求的準確度，因為輸入是數字電平，所以可以進行光電隔離，還能通過遠距離傳送，這樣就可以實現在兩個不同的電網絡之間傳送模擬信號。
DAC芯片通常有串行和并行之分，并行的DAC芯片應用較多，編程簡便，但是，應用時候需要把所有數據線以及讀寫控制線全部進行隔離，這樣需要的光電耦合器的數量就較多，長距離傳輸的時候電路結構也比較復雜，優點只是信號變換速率較快。
圖6
2．4 串行D/A數字隔離的辦法
對于速率傳輸并非很快的場合，采用串行的D/A芯片就能夠很好地適應應用的要求。各大芯片廠商都已推出了串行接口的D/A芯片，通常輸入端采用串行方式接收數據，如SPI或者I2C總線時序。微機接收來自各類傳感器的模擬信號，配合外圍或者自帶的A/D轉換器，將模擬信號變換成數字信號，再通過軟件進行濾波、放大等數據處理，由程序將需要輸出的數據加上若干控制位組合成串行數據列，通過微機I/O口，經過光耦隔離輸入到串行D/A芯片，變換成模擬信號輸出。圖4所示的是通過光耦實現的串行隔離傳送的一個方案。
這樣便可以將控制電路與高電壓電路完全隔離起來，只要將串行D/A芯片置于功率電路端。因為中間完全是數字信號傳輸，所以能夠較好地解決傳輸干擾，連線也相當簡單，一般不超過4根線，使電路的結構得以簡化。圖5所示的是實際的電路。
3 串行D/A隔離信號傳輸的設計與實驗結果
作者設計的數控開關電源中需要提供多路精確的25Hz參考信號，并且需要與主功率電路與驅動電路完全隔離，為此，采用了本文提出的方法。在以微處理器80C196KC為核心的實驗電源系統中，逆變的參考信號是通過微機控制串行D/A生成，傳送到隔離側的功率控制電路。
本文采用MAXIM公司的串行8位DAC，電壓輸出，整個封裝為8腳，結構簡單。其中微處理器與芯片之間的SPI總線控制通過軟件來實現，輸入端的口線用高速光耦6N137分別隔離。
因為，80C196KC系列沒有單口線操作指令，所以，各口線時序以并行方式同步輸出。
輸入線包含片選線、時鐘線和數據線，首先，軟件時序操作令片選有效，然后，程序就可以向芯片發送整合的數據包。時鐘線上輸出的是一定頻率的脈沖信號，在每個時鐘的上升沿后，將數據包中的各位按次序送到數據線上，當時鐘變為下降沿時刻，數據輸入到DA的寄存器內。具體時序如圖6所示。
要完成一次數據的發送，串行芯片需要接收到16個數據位，也就是至少需要16個時鐘周期，對于MAX522的時鐘頻率可達5MHz，故數據的發送周期最短大約為200ns，對于其他串行芯片可以類推，但是一般微處理器指令執行速率達不到這么快。
實驗中輸出25Hz波形，輸出點數為256，采樣頻率達到6kHz，已經能夠滿足精密工頻逆變電源的波形控制要求。如果采用更高速的處理器可傳輸頻率更高的模擬信號。用這種方法可以實現多路信號的同步傳輸，只要將各串行芯片的片選端和時鐘端分別相連，從數據端發送不同的數據位，就可以在隔離的另一側輸出同步波形。圖7所示的是通過這種方法生成的兩路參考波形，相位差90°。實驗證明這種隔離方法能夠使微機控制電路受到的干擾大大降低，由于采用數字信號的方式，無須濾波，可以適應信號發生突變的應用要求。
第4篇：光電隔離技術范文
關鍵詞：單片機 光耦 控制
中圖分類號: TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416(2011)12-0022-01
Abstract:Given the stability of the traditional single-chip control switch is poor,bulky problem of poor and anti-jamming capability,designed and developed a microcontroller-based STC opticalcoupler control switch lights.The control depends on the MCU to complete the synchronization,using a combination of hardware and software protection measures,both beautiful and have good performance to achieve its control.
Key words:Micro Control Unit Opticalcoupler Control
1、引言
隨著人們生活環境的不斷改善和美化，在許多場合可以看到彩色霓虹燈。LED彩燈由于其豐富的燈光色彩，低廉的造價以及控制簡單等特點而得到了廣泛的應用，用彩燈來裝飾街道和城市建筑物已經成為一種時尚。但目前市場上各式樣的LED彩燈控制器大多數用全硬件電路實現，電路結構復雜、功能單一，這樣一旦制作成品只能按照固定的模式閃亮，不能根據不同場合、不同時間段的需要來調節亮燈時間、閃爍頻率等動態參數。這種彩燈控制器結構往往有芯片過多、電路復雜、功率損耗大等缺點。此外從功能效果上看，亮燈模式少而且樣式單調，缺乏用戶可操作性，影響亮燈效果。因此有必要對現有的彩燈控制進行改進。
2、光耦器件有效抑制單片機系統干擾
共地干擾的存在影響了單片機系統的正常工作，切斷共地關系，電信號無法構成回路，單片機和外部設備無法進行信號傳輸。所以，必須采取某種措施，既能保證將地隔開，又能順利傳送信號。利用光耦器件隔離，能夠解決上述問題。光耦器件是把電信號轉換為電信號，光信號傳送到接受側再轉換為電信號。由于光信號的傳送不需要共地，因此可以將光耦器件兩側的地加以隔離。
光耦器件能再傳輸信號的同時有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，其原因如下：
(1)光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐，而干擾源阻抗較大，通常為幾百千歐。由分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，光電耦合輸入端分得的噪聲電壓也很小，另外由于干擾噪聲的能量小，只能形成微弱電流，而光電耦合器輸入部分的發光二極管是在電流狀態下工作，干擾噪聲即使有很高的電壓幅值，也會因為沒有足夠的電流導致發光二極管不能發光，干擾就被抑制掉。
(2)光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣連接，沒有共地，之間的分布電容很小，而絕緣電阻又很大，因此回路一側的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一側，避免了共阻抗耦合干擾信號的產生。
光電耦合器的主要優點是單向傳輸信號，輸入和輸出完全實現了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓，即使外設電路出現故障，甚至輸入信號短接時，儀表也不會損壞，有很好的安全保障。光電耦合器還具有響應速度快的特點，適用于響應速度要求很高的場合。
單片機有多個輸入端口，接收來自遠處設備傳來的各種現場信號，單片機對這些信號處理后，輸出控制信號去執行相應的操作。如果現場環境惡劣，會產生較大的噪聲干擾，這些干擾信號一旦進入單片機系統，會造成系統的穩定性和準確性的降低，嚴重時會產生誤操作，造成比較嚴重的后果。要解決此問題，可在單片機的輸入端和輸出端用光耦器件作為接口，使信號和噪聲之間電氣隔離，抑制干擾信號進入單片機系統。
光電耦合器是光電隔離電路的核心器件，它具有單向信號傳輸、輸入輸出端完全電氣隔離、抗干擾能力強、工作穩定、無觸點、壽命長、傳輸效率高等優點。已經運用于許多領域，在電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、振蕩器、級間隔離、數字儀表、遠距離傳輸、通信設備等方面都有廣泛的應用。但光電耦合器雖然是一種電流控制的電流轉移器件，具有和雙極性晶體管類似的傳輸特性，但由于它的線性工作區比較窄，電流傳輸比受溫度影響比較明顯，不適合作為模擬電路的輸入輸出隔離。
3、STC11單片機和MAX232及軟件
我們選用了STC11單片機和MAX232轉換芯片，STC11/10xx系列單片機是宏晶科技設計生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快8-12倍。內部集成高可靠復位電路,針對高速通信，智能控制，強干擾場合。STC11/10xx系列單片機的定時器0/定時器1/串行口與傳統8051兼容,增加了獨立波特率發生器,省去了定時器；傳統8051的111條指令執行速度全面提速,最快的指令快24倍,最慢的指令快3倍。國產宏晶STC單片機以其低功耗、廉價、穩定性能，占據著國內51單片機較大市場。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片,使用+5v單電源供電。
使用圖片按鈕界面控制單片機通信，由于控制程序存儲在STC11單片機的電可擦除Flash閃存EPROM中，如果用戶需要更改系統的亮燈位置，無須改變系統硬件電路，只需修改其中程序即可，是一種很有發展前途的燈控制器。
4、結語
本文對基于STC11單片機的光耦控制進行了分析，并實現了控制開關燈，其提高了單片機控制開關的穩定性、精巧性和抗干擾能力，具有較高的實用價值。
參考文獻
[1]睢丙東,魏澤鼎.單片機技術與實例[H].北京:電子工業出版社,2005.
[2]王為青,程國鋼.單片機Keil Cx51應用開發技術[M].北京:人民郵電出版社,2007.
第5篇：光電隔離技術范文
[關鍵詞]RS-485 光電耦合隔離 中繼器
一、引言
RS-485總線是測控領域廣泛采用的一種現場總線形式,由于采用了平衡發送和差分接收的方式,可以有效地克服共模干擾,并具有較高的數據傳輸速率和傳輸距離。RS-485總線傳輸的最大距離為1200米,使用中繼器可以突破這個距離限制,擴展RS485網絡。本文通過對常用RS-485總線接口器件MAX3471工作原理深入分析的基礎上采用光電耦合隔離和自動雙向切換技術,設計了一種簡單實用的RS-485總線光耦隔離中繼器。與傳統RS-485中繼器相比,本文設計的中繼器傳輸信號穩定可靠,具有防雷擊、電氣隔離傳輸信號等獨特優點,可廣泛應用于各種大型測控系統。
二、總體設計
結構上采用雙信號端對稱設計,分別稱為信號1端和信號2端,它們都可以作為發送端和接收端使用。由于RS-485采用半雙工方式,同一時刻只允許一個作為發送端,另一個作為接收端。光耦隔離芯片是信號端之間的傳輸媒介,隔離前后的信號擺脫了電氣連接,對系統安全起到了防護作用。外部電源采用+5V或+9V~+24V直流電源。由于通信網絡各點地相位差異較大,采用隔離電源分別給信號端供電,使得信號1端GND、信號2端GND和電源端GND三者之間相互隔離,這樣即使在某一端短路的情況下也不會危及整個網絡,對網絡及其設備起到了很好的保護作用。
三、工作原理與分析
1. 隔離電源與信號隔離
系統采用+5V直流電源直接供電或+9~+24V的直流電源供電。采用+9~+24V直流電源供電時,需要將輸入電壓轉換為+5V直流電。LM2576是五端穩壓器,五個端口分別是輸入端、輸出端,使能端(低電平有效),反饋端和地端。按典型電路輸入+9~+24V直流電,將從輸出端將得到+5V直流電。
5V直流電通過隔離電源芯片U8和U9后得到兩個與輸入相隔離的電源VCC1和VCC2,分別給兩個光耦供電。隔離電源芯片采用了耀華電子生產的二次集成芯片,該產品具有體積小、效率高、高隔離電壓、高可靠性和低價格等顯著優點,適用于數字信號處理電路和對電壓穩定度要求不高的模擬電路,特別適用于分布式電源供電系統及使用小功率電源供電。
信號隔離采用了光耦隔離方式。光耦隔離器的結構相當于把發光二極管和光敏管封裝在一起,發光二極管將輸入的電信號轉換為光信號傳給光敏管,再由光敏管轉換為電信號輸出。由于沒有直接的電氣連接,既耦合傳輸了信號,又具有隔離作用。
2. 中繼器工作原理
中繼器的核心為中繼器收發芯片,這里選用了MAX3471。它采用8管腳封裝,其中 為接收控制端,低電平有效;DE為發送控制端,高電平有效。將 和DE連接在一起,可以保證芯片任一時刻只工作于一種模式。RO和DI分別為數據接收端和數據發送端。
信號1端和信號2端在結構上互為對稱,因此僅就信號1端輸入數據,信號 2端輸出數據進行分析。中繼器分為空閑和數據傳輸兩種狀態,下面分別就這兩種情況分析:
(1)系統空閑:
系統上電后如果沒有數據傳輸, VCC1、VCC2分別通過R15和R21將U1_DI和U2_DI上拉至高電平,兩個光耦都處于關閉狀態, U1_RO和U2_RO都處于高電平的狀態。為了避免信號干擾產生誤動作,采用施密特觸發器對波形進行整形處理。HEF4093為四通道雙輸入施密特觸發器, U1_DI高電平信號經過施密特觸發器的整形和反向后得到一個低電平信號,將該信號接至U1的 和DE端表示允許接收。
因此總線上若為空閑,受上拉和下拉電路的影響,差分信號為高電平,RO數據接收端也始終為高電平。
(2)數據傳輸:
RS-232或TTL串口傳輸數據時,數據格式通常是起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位。空閑時發送口為高電平,當有數據時總線由高電平跳至低電平,這個低電平就作為起始位。
當差分信號變為低電平(起始位)時,U1_RO變為低電平,U1_RO經過光耦隔離后同相輸出為U2_DI。可以看到U2_DI信號除了作為數據外又經過施密特觸發器的整形、反向后作為U2的發送控制端。由于控制信號此時為高電平,表示發送允許,故U2將U2_DI的低電平信號通過A2,B2差分輸出。
四、系統測試
采用VB語言編寫中繼器收發測試軟件,將RS-485總線光電隔離中繼器通過雙絞線將兩臺計算機相連,距離約1500m, 傳輸速率設置為19.2kbit/s, 分別在兩臺計算機上運行測試軟件。通過計算機1發送數據,設置“發送文本”為123456789, “發送次數”為100000次,點擊“發送”按鈕發送數據。在計算機2的“接受文本”框里顯示了計算機1發送過來的內容,點擊“顯示測試結果”,誤碼率為0,達到了設計要求。
第6篇：光電隔離技術范文
[關鍵詞]Plc設備 可靠性設計
[中圖分類號]TP273[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2010)03-0020-01
目前采用PLC集中自動控制,應用PLC可使機電設備的生產效率大幅提高,同時也可為機電設備的故障診斷帶來極大的方便,PLC應用的深度和廣度已成為一個國家工業先進水平的重要標志。
90年代,隨著工控編程語言IEC61131-3的正式頒布,PLC開始了它的第三個發展時期,在技術上取得新的突破。PLC在系統結構上,從傳統的單機向多CPU和分布式及遠程控制系統發展;在編程語言上,圖形化和文本化語言的多樣性,創造了更具表達控制要求、通信能力和文字處理的編程環境;從應用角度看,除了繼續發展機械加工自動生產線的控制系統外,更發展了以PLC為基礎的DCS系統、監控和數據采集系統(SCADA)、柔性制造系統(FMS)、安全連鎖保護系統(ESD)等,全方位地提高了PLC的應用范圍和水平。
1 PLC具體應用
1.1 PLC系統設備選型
可編程邏輯控制器(PLC)多數是工作在復雜惡劣的環境中,這不僅對PLC本身,而且對現場檢測機構、供電設備等設備的可靠性也提出嚴格的要求。在選擇控制設備時要注意以下幾點:要選擇技術指標先進、質量優、環境適應性強和抗干擾能力強、可靠性好的機型,以保證PLC能在強干擾惡劣環境中長期可靠地運行;根據實際要求選擇具有完善的輸入、輸出功能的模塊,以使系統能靈活處理模擬量、數字量和開關量;具有完善的軟件系統,以 實現過程檢測、執行、控制、報警以及圖形畫面顯示打印等功能。
國內開始研制PLC產品是上世紀70年代中期,當時上海、北京、西安、廣州和長春等地的不少 科研單位、大專院校和工廠,總計20多家單位都在研制和生產PLC(絕大多數都是小型PLC)。特別值得一提的是國家科委和原機械工業部在儀器儀表重點課 題攻關專項中組織了“六五”、“七五”、“八五”的可編程序控制器子項攻關,由部屬北京機械工業自動化研究所負責,先后研制開發了MPC-10、MPC- 20、MPC-85型PLC。這幾種型號的PLCI/O點數為256～512,并可擴展到1024點,開創了國內研制大型PLC的先河,先后在注塑機、恒 溫室、鍋爐控制、汽車壓力機生產線上獲得了應用。
1.2 I/O端的可靠性設計
可編程邏輯控制器(PLC)內部用光電耦合器、輸出模塊中的小型繼電器和光電可控硅等器件來實現對外部開關量信號的隔離,PLC的模擬量I/O模塊一般也采取了光電耦合的隔離措施。這些器件除了能減少或消除外部干擾對系統的影響外,還可以保護CPU模塊,使之免受從外部竄入PLC的高電壓的危害,因此一般沒有必要在PLC外部再設置干擾隔離器件。如果PLC輸入端的光電耦合器不能有效地抵抗干擾,可以用小型繼電器來隔離易受干擾的用長線引入PLC輸入端的開關量信號。光電耦合器中發光二極管的工作電流僅數毫安,而小型繼電器的線圈吸合電流為數十毫安,強電干擾信號通過電磁感應產生的能量一般不可能使隔離用的繼電器吸合。
繼電器輸出模塊的觸點工作電壓范圍寬,導通壓降小,與晶體管型和雙向可控硅型模塊相比,承受瞬時過電壓和過電流的能力較強,但是動作速度較慢。系統輸出量變化不是很頻繁時,一般選用繼電器型輸出模塊。PLC輸出模塊內的小型繼電器的觸點很小,斷弧能力很差。斷開直流電路要求較大的繼電器觸點,接通同一直流電路可用較小的觸點,選擇外接的繼電器時,應仔細分析是否用PLC來控制接通或斷開外部回路。
當輸入端或輸出端接有感性元件時,為提高系統工作的可靠性,使干擾降到最低,可在兩端并聯續留二極管(DC電路)或阻容電路(AC電路),以抑制電路斷開時產生的電弧對PLC的影響。當接近開關、光電開關這一類兩線式傳感器的漏電流較大時,可能會出現錯誤的輸入信號,可以在輸入端并聯旁路電容,以減少輸入阻抗。
2 PLC的特點
2.1 配套齊全,功能完善,適用性強
PLC發展到今天,可以用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外,現代 PLC多具有完善的數據運算能力,可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現,使PLC滲透到了位置控制、溫度控制,CNC等各種工業控制 中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展,使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。
2.2 可靠性高,抗干擾能力強
高可靠性 是電氣控制設備的關鍵性能。PLC 由于采用現代大規模集成電路技術,采用優質的電子元件與合理的系統結構設計,內部電路采取光電隔離、數字濾波、故障診斷等硬件措施,具有很高的可靠性。一 些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間很長。從PLC的機外電路來說,使用PLC構成控制系統,和同等規模的繼電接觸器系統相比,電氣接線及開關 接點已減少到數百甚至數千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC帶有硬件故障自我檢測功能,出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中,應用者還可以 編入器件的故障自診斷程序,使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護,使得整個系統具有極高的可靠性。
3 如何判斷模擬量信號的故障
PLC診斷模擬量故障的過程,實質就是將在相應A/D通道讀到的檢測信號的模擬量的實際值與系統允許的極限值相比較的過程。如果比較的結果是實際值遠離極限值,則表明機電設備對應的受監控部位處于正常狀態,如果實際值接近或達到極限值,則為不正常狀態。判斷故障發生與否的極限值根據實際系統相應的參數變化范圍確定,利用PLC的模擬量設定開關可精確設置該極限值。
當模擬量的實際值達到模擬量設定開關的設定值,PLC還能按照一定的邏輯關系啟動開關量模塊上的輸出位,或者從PLC的通訊口主動發起通訊,從而輸出故障診斷的結果,并據此實現對機電設備的控制。
第7篇：光電隔離技術范文
關鍵詞：AVR單片機；光纖連接；測試儀
中圖分類號：TM933.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 12-0000-01
光纖通信已與我們生活息息相關，用于光纖測試的OTDR功能非常強大，但價格也十分昂貴。在制作光纖連接頭或進行技能訓練時，并不需要精細測量各種參數，只需檢驗光纖連接是否正常，用OTDR進行檢測顯然不具性價比。隨著技術的進步，單片機的可靠性、處理能力、擴展接口、功耗和集成度等方面得到了突飛猛進的發展，被廣泛應用于測量、控制、智能終端等領域，本文將單片機控制技術與網絡通信技術相結合，設計了一種結構簡單、性價比高的快速光纖連接測試儀。
一、設計方案
測試儀主控芯片選用高性能、低功耗的8位AVR處理器，具體型號為Atmega64，由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，數據吞吐率可高達1MIPS/MHz，能有效緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega64單片機使用16MHz晶振作為外部時鐘源，使用小型5V直流電源或電池供電。
分別用兩塊Atmega64單片機控制網絡通信模塊作為主機和從機數據通信終端，利用小型交換機或交叉網線將兩個通信終端組成小型局域網，通過檢測通信終端之間能否進行正常數據傳輸來測試通信線路是否正常。連接時，一個通信終端直接與交換機相連，另一個通信終端通過光電轉換模塊連接，在保證其他線路正常的情況下，數據能否正確傳輸就取決于光纖連接的質量，從而達到測試光纖連接的目的。單片機與網絡模塊之間數據傳輸采用SPI通信協議。SPI通信協議是一種高速、全雙工、同步的通信總線，只需占用四個IO口，同時為PCB的布局上節省空間，具有簡單易用的特性。光纖連接測試基本原理如圖1所示。
圖1 光纖連接測試基本原理圖
二、硬件設計
根據設計方案，要實現測試功能，主要需完成數據通信終端、光電轉換模塊以及單片機控制程序等方面的設計。
（一）數據通信終端
數據終端主控芯片為Atmega64，網絡功能采用帶SPI接口的ENC28J60獨立以太網控制器實現，輸出接口采用HR901170A網絡變壓器。本設計中ATmega64 SPI 配置為主機模式，ENC28J60為從機模式。隔離變壓器HR901170A與ENC28J60的物理端口連接時必須符合IEEE802.3規范，如RJ45的插孔與隔離變壓器的間隔要小，輸出和輸入差分信號對的走線要良好隔離。
（二）光電轉換模塊
光電轉換模塊包括網絡接口、光纖通道、光發射器、光接收器等。光接收器和光發射器是光電轉換模塊的重要組成部分，它將來自光纖的光信號轉換成電信號，經放大、整形、再生后輸出。在測試儀中，光電轉換模塊的任務是以最小的附加噪聲及失真，將經光纖傳輸的信號通過光/電轉換變為電脈沖信號，加以放大、均衡后還原為與發送端一致的數字信號，再用網絡接口進行傳輸。光電轉換功能可采用已成型的光電轉換模塊實現。
（三）控制程序
控制程序主要實現單片機初始化、SPI始化、ENC28J60驅動、設置MAC和IP地址，構建網絡協議棧、數據通信等功能，其中網絡協議棧是控制程序的核心。因測試只是兩個終端之間進行數據交換，并不面向連接，通信數據量小，且在封閉網絡內數據傳輸可靠性有保證，所以只需實現UDP通信協議。采用UDP協議主要基于以下優點：（1）程序實現起來比較容易，受環境影響較小，不容易出錯；（2）UDP協議資源占用較少，處理數據較快。
數據通信功能主要用于檢測通信線路是否暢通，檢測的過程為：主機向加電后定時向從機IP地址發送一組UDP數據包，延時等待對方回應，一定時間后收不到數據或收到的數據不正確則認為傳輸線路存在故障，蜂鳴器發出聲音告警，故障指示燈亮；若收到回傳數據包且回傳數據與發送的數據對比正確，則提示線路正常。測試流程如圖2所示。
圖2 測試程序流程圖
三、結束語
通過對樣機的測試表明，該測試儀準確度達到了預先設計指標，其精度完全可滿足光纖連接可靠性測試，且具有性價比高、操作簡單、性能穩定的特點。
第8篇：光電隔離技術范文
【關鍵詞】光電耦合；模擬信號；工作電源
一、噪聲產生的根源
（1）內部噪聲。內部噪聲是由傳感器或檢測電路原件內部帶電顆粒的無規則運動產生，如熱噪聲、接觸不良引起的噪聲等。（2）外部噪聲。外部噪聲是由傳感器檢測系統外部人為或自然干擾造成的。外部噪聲的來源主要為電磁輻射，當電機、開關及其他電子設備工作時會產生電磁輻射。在檢測系統中，由于原件之間或電路之間存在著分布電容或電磁場，因而容易產生寄生耦合現象。在寄生耦合的作用下，電廠、磁場及電磁波就會引入檢測系統，干擾電路的正常工作。
二、噪聲的抑制方法
（1）接地。“地”是電路或系統中為各個信號提供參考點位的一個等電位點或等電位面。所謂“接地”就是將某點與一個等電位點或等點未眠之間用低電阻導體連接起來，構成一個基準電位。電路或系統接地是為了清除電流流經公共地線阻抗時產生噪聲電壓，也可以避免受磁場或地電位差的影響。接地設計的兩個基本要求是：一是消除各電路電流流經一個公共地線阻抗時所產生的噪聲電壓；二是避免形成接地環路，引進共模干擾。處理這些地線的基本原則是盡量避免或減少由接地所引起的各種干擾，同時要便于施工，節省成本。（2）屏蔽。由于檢測儀表或控制系統的工作現場往往存在強電設備，這些設備的磁力線或電力線會干擾儀表或系統的正常工作。為了防止這種干擾，可利用低電阻的導電材料或高導磁率的鐵磁材料制成容器，對易受干擾的部分如元件、傳輸導線、電路及組合件實行屏蔽，以達到阻斷或抑制各種內外電磁或電場干擾的目的。屏蔽可分為三種，即電場屏蔽、磁場屏蔽及電磁屏蔽。電場屏蔽主要用于防止元器件或電路間因分布電容耦合形成的干擾。磁場屏蔽主要用來消除元器件或電路間因磁場寄生耦合產生的干擾，磁場屏蔽的材料一般選用高磁導系數的磁性材料。電磁屏蔽在屏蔽金屬內部產生渦流而起屏蔽作用。電磁屏蔽的屏蔽體可以不接地，但一般為防止分布電容的影響，可以使電磁屏蔽的屏蔽體接地，起到兼有電廠屏蔽的作用。電場屏蔽體必須可靠接地。（3）隔離。當電路信號在兩端接地時，容易形成地環路電流，引起噪聲干擾。這時，常采用隔離的方法，把電路的兩端從電路上隔開。隔離方法主要采用變壓器隔離和光電耦合器隔離。在兩個電路之間加入隔離變壓器可以切斷地環路，實現前后電路的隔離，變壓器隔離只適用于交流電路。在直流或超低頻測量系統中，常采用光電耦合的方法實現電路的隔離。
為了提高測控系統的可靠性，僅靠硬件抗干擾措施是不夠的，需要進一步借助軟件措施克服某些干擾。軟件抗干擾技術是當系統受干擾后使系統恢復正常運行或輸入信號受干擾后去偽存真的一種輔助方法。因此，軟件抗干擾是被動措施，而硬件抗干擾是主動措施。采用軟件抗干擾的最根本前提條件是：系統中抗干擾軟件不會因干擾而損壞。在單片機測控系統中，由于程序有一些重要常數都防止在ROM中，這就為軟件抗干擾創造了良好的前提條件。因此，軟件抗干擾的設置前提條件概括為：（1）在干擾作用下，微機系統硬件部分不會受到任何損壞，或易損壞部分設置有監測狀態可供查詢。（2）程序區不會受干擾侵害。系統的程序及重要常數不會因干擾侵入而變化。對于單片機系統，程序及表格、常數均固化在ROM中，這一條件自然滿足；而對于一些在RAM中運行用戶引用程序的微機系統，無法滿足該條件。當這種系統因干擾造成運行失常時，只能在干擾過后，重新向RAM區調入應用程序。（3）RAM區中的重要數據不被破壞，或雖被破壞可以重新建立。通過重新建立的數據，系統的重新運行不會出現不可允許的狀態。這些數據被破壞后，往往只引起控制系統一個短期波動，在閉環反饋環節的迅速糾正下，控制系統能很快恢復正常，這種系統都能采用軟件恢復。
軟件抗干擾技術所研究的主要內容：其一是采取軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號上噪聲對數據采集結果的影響，如數字濾波器技術；其二是由于干擾而使運行程序發生混亂，導致程序亂飛或陷入死循環時，采取使程序納入正規的措施，如軟件陷進等。這些方法可以用軟件實現，也可以采用軟件硬件相結合的方法實現。
參 考 文 獻
[1]蔣紅平主編．數控機床維修[M]．北京：高等教育出版社
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[4]孫傳友主編．測控系統原理與設計[M]．北京：北京航空航天大學出版社
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第9篇：光電隔離技術范文
工業控制系統中所使用的各種類型PLC,它們大多處在強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環境中,雖然PLC是專門為工業生產環境而設計的控制裝置,具有較強的適應惡劣工業環境的能力、運行的穩定性和較高的可靠性,但是由于它直接和現場的I/O設備相連,外來干擾很容易通過電源線或I/O傳輸線侵入,從而引起控制系統的錯誤動作。PLC受到的干擾可分為外部干擾和內部干擾。外部干擾與系統結構無關,是隨機的,且干擾源是無法消除的,只能針對具體情況加以限制;內部干擾與系統結構有關,主要通過系統內交流主電路,模擬量輸入信號等引起,可合理設計系統線路來削弱和抑制內部干擾和防止外部干擾。
2 PLC系統的基本組成結構
可編程控制器硬件系統由PLC、功能I/O單元和外部設備組成,如圖1所示。其中PLC由CPU、存儲器、基本I/O模塊、I/O擴展接口、外設接口和電源等部分組成,各部分之間由內部系統總線連接。
3 抗干擾的技術對策分析
為防止干擾,可采用硬件和軟件的抗干擾措施。其中,硬件抗干擾是主要的抗干擾措施,一般從抗和防兩方面入手來抑制和消除干擾源,切斷干擾對系統的耦合通道,降低系統對干擾信號的敏感性。軟件抗干擾技術作為硬件措施的輔助手段,減少隨機性信號的干擾,其設計簡單、修改靈活、耗費資源少,在PLC測控系統中同樣獲得了廣泛的應用。
3.1硬件抗干擾對策
3.1.1電源系統引入的干擾對策
電網的干擾、頻率的波動,將直接影響到PLC系統的可靠性與穩定性。如何抑制電源系統的干擾是提高PLC的抗干擾性能的主要環節。
(1)加裝濾波、隔離、屏蔽、開關穩壓電源系統
濾波器可抑制干擾信號從電源線傳導到系統中。使用隔離變壓器,屏蔽層要良好接地;次級連接線要使用雙繞線(減少電線間的干擾),隔離變壓器的初級繞組和次級繞組應分別加屏蔽層,初級的屏蔽層接交流電網的零線;次級的屏蔽層和初級間屏蔽層接直流端。開頭穩壓電源可抑制電網大容量設備起停引起電網電壓的波動,保持供電電壓的穩壓。
(2)分離供電系統
PLC的控制器與I/O系統分別由各自的隔離變壓器供電,并與主電源分開,這樣當輸入輸出供電斷電時,不會影響到控制器的供電。
3.1.2接地抗干擾對策
接地是抑制噪聲和防止干擾的重要手段,良好的接地方式可在很大程度上抑制內部噪聲的耦合,防止外部干擾的侵入,提高系統的抗干擾能力。給PLC接以專用地線可抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾。接地線與動力設備的接地點應分開,若達不到此要求,則可與其它設備公共接地,嚴禁與其它設備串聯接地。接地電阻要小于5Ω,接地線要粗,面積要大于2平方毫米,而且接地點最好靠近PLC裝置,其間的距離要小于50米,接地線應避開強電回路,若無法避開時,應垂直相交,縮短平行走線的長度。
3.1.3抑制輸入輸出電路引入的干擾對策
為了實現輸入輸出電路上的完全隔離,近年來在控制系統中廣泛應用光電耦合。光電耦合器具有以下特點:首先,由于是密封在一個管殼內,不會受到外界光的干擾;其次,由于靠光傳送信號,切斷了各部件電路之間地線的聯系;第三,發光二極管動態電阻非常小,而干擾源的內阻一般很大,能夠傳送到光電耦合器輸入輸出的干擾信號就變得很小;第四,光電耦合器的傳輸比和晶體管的放大倍數相比,一般很小,遠不如晶體管對干擾信號那么靈敏,而光電耦合器的發光二極管只有在通過一定的電流時才能發光。因此,即使是在干擾電壓幅值較高的情況下,由于沒有足夠的能量,仍不能使發光二極管發光,從而可以有效地抑制掉干擾信號。
(1)光電耦合輸入電路如圖2所示。其中(a)、(b)用的較多,(a)為高電平時接成形式,(b)為低電平輸入時接成形式。(c)為差動型接法,適用于外部干擾嚴重的環境,當外部設備電流較大時,其傳輸距離可達100~200m。(d)考慮到COMS電路的輸出驅動電流較小,不能直接帶動發光二極管,加接一級晶體管作為功率放大。
(2)光電耦合輸出電路如圖3所示。(a)為同相輸出,(b)為反相輸出,當輸出電路所驅動的元件較多時,可以加接一級晶體管作為驅動功率放大,如(c)所示。有時為了獲得更好的輸出波形,輸出信號可經施密特電路整形。
以上兩點是對開關量輸入輸出信號的處理方法,而對模擬輸入輸出信號,為了消除工業現場瞬時干擾對它的影響,除加A/D、D/A轉換電路和光電耦合外,可根據需要采取軟件的數字濾波技術如中值法、一階遞推數字濾波法等算法。
3.1.4外部配線的抗干擾設計
外部配線之間存在著互感和分布電容,進行信號傳送時會產生竄擾。為了防止或減少外部配線的干擾,交流輸入、輸出信號與直流輸入、輸出信號應分別使用各自的電纜。集成電路或晶體管設備的輸入、輸出信號線,要使用屏蔽電纜,屏蔽電纜在輸入、輸出側要懸空,而在控制器側要接地。配線時在30m以下的短距離,直流和交流輸入、輸出信號線最好不要使用同一電纜,如果要走同一配線管時,輸入信號要使用屏蔽電纜。30~300m距離的配線時,直流和交流輸入、輸出信號線要分別使用各自的電纜,并且輸入信號線一定要用屏蔽線。對于300m以上長距離配線時,則可用中間繼電器轉換信號,或使用遠程I/O通道。對于控制器的接地線要與電源線或動力線分開,輸入、輸出信號線要與高電壓、大電流的動力線分開配線。
3.2軟件抗干擾措施
為了提高輸入信號的信噪比,常采用軟件數字濾波來提高有用信號真實性。對于有大幅度隨機干擾的系統,采用程序限幅法,即連續采樣5次,若某一次采樣支援遠大于其他幾次采樣的幅值,那么就舍取之。對于流量、壓力、液面、位移等參數,往往在一定范圍內頻繁波動,則采用算術平均法。
(1)信號保護和恢復:當偶爾性故障發生時,不破壞PLC內部的信息,一旦故障現象消失,就可以恢復正常,繼續原來的工作。
(2)故障診斷:系統軟件定期地檢測外界環境,如掉電、欠電壓、鋰電池電壓過低及強干擾信號等,以便及時反映和處理。
(3)加強對程序的檢查和校驗:一旦程序有錯,立即報警,并停止執行程序。
(4)設置警戒時鐘WDT:如果程序循環掃描執行時間超過了WDT規定的時間,預示了程序進入死循環,立即報警。
