信号隔离器：给工业控制装上“防雷击保险丝”

安科瑞 王晶淼 Acrel-wjm

在钢铁轰鸣的工厂、油气奔流的管道、生产制造的车间，每一毫安电流的偏差、每一伏电压的波动，都可能引发连锁式生产事故。当工程师们聚焦于PLC、DCS等“大脑”系统时，却常忽略一个关键角色：信号隔离器——它如同工业神经网络的“免疫系统”，默默抵御干扰、化解风险，成为现代自动化不可或缺的“安全基座”。

一、信号隔离器的作用

1、消除接地环路干扰（接地电位差）：

问题：工业现场设备分散，可能连接到不同的接地点，导致设备间存在电位差（接地环路电压）。当信号线连接这些设备时，会在信号回路中产生额外的电流（环路电流），叠加在有用信号上，造成测量误差、信号波动甚至设备损坏。

解决：信号隔离器通过物理隔离（光电、磁电、变压器等）切断设备之间的直接电气连接（尤其是地线连接），从而消除接地环路电流，保证信号的纯净度。

2、提升抗电磁干扰能力：

问题：工业环境充斥着强电磁干扰源（如变频器、大电机、开关电源、无线电设备）。这些干扰会通过空间辐射或线路耦合进入信号线，导致信号畸变、跳变。

解决：隔离器内部的隔离屏障能阻挡来自电源、输入、输出端的高频噪声和瞬态干扰（如浪涌、EFT），保护控制器（PLC/DCS）I/O模块不受损坏。

3、信号转换与适配：

问题：现场传感器/变送器的输出信号类型（如4-20mA， 0-10V， 热电偶， 热电阻， 开关量）可能与控制系统输入模块要求的信号类型不匹配；或者信号需要长距离传输导致电压信号衰减严重。

解决：隔离器常具备信号转换功能（如电流转电压、电压转电流、热电偶/热电阻转电流/电压、开关量隔离转换等），并能进行信号放大或调整，确保信号以控制系统兼容且强度足够的形式到达。

4、信号分配（一进多出）：

问题：一个关键的过程信号（如反应釜温度）需要同时送入多个系统（如主控DCS、安全仪表系统SIS、本地显示、数据记录仪）。

解决：带信号分配功能的隔离器（分配器）可以将一路输入信号准确、无干扰地复制成多路相互隔离的输出信号，分别送给不同的设备，避免直接并联带来的负载效应和相互干扰。

5、提升系统安全性（尤其在本安回路中）：

问题：在石油、化工、天然气等存在爆炸性危险气体的区域，现场设备（传感器、执行器）需要本质安全设计。控制室的安全能量如果直接传到危险区域，可能引发爆炸。

解决：安全栅是一种特殊类型的信号隔离器（通常指齐纳栅或隔离式安全栅）。它安装在安全区（控制室）和危险区（现场）之间：

齐纳栅：利用齐纳二极管限制电压，电阻限制电流，将能量限制在安全范围内。需要可靠的系统接地。

隔离式安全栅：除限能外，还提供输入、输出、电源之间的三重电气隔离。无需专用接地，安全性更高，功能更强大（常带信号转换），是当前主流。它确保即使安全区设备发生故障，传递到危险区的能量也不足以点燃爆炸性气体。

6、保护昂贵的控制系统I/O模块：

问题：现场线路可能引入高电压（如雷击、电源短路搭接）、大电流或ESD，直接冲击PLC/DCS的模拟量或数字量输入/输出卡件，造成损坏。

解决：隔离器作为“守门员”，其内部的隔离屏障能承受高电压（如1kV, 2kV, 3kV甚至更高），将危险电压/电流阻挡在外，保护后端的控制系统。即使现场侧发生故障，通常只会损坏隔离器（相对便宜且易更换），而不会损坏昂贵的PLC卡件。

二、典型应用场景

（1）PLC/DCS系统接口：连接现场传感器（温度、压力、流量、液位变送器）到PLC/DCS模拟量输入模块，解决接地环路和干扰问题，保护I/O卡件。

（2）变频器控制与反馈：隔离PLC给变频器的速度给定信号（AO）和变频器返回的状态/故障信号（DI/AI），防止变频器产生的高频干扰污染PLC系统。

（3）电机/阀门状态监测：隔离来自现场电机保护器、阀门位置开关的干接点信号（DI），防止感应电压或接地问题导致误触发。

（4）热电偶/热电阻测量：将易受干扰的毫伏级热电偶信号或电阻信号转换成抗干扰能力强的4-20mA电流信号，并进行冷端补偿（针对热电偶）。

（5）本质安全防爆系统：在控制室和危险区之间安装安全栅（隔离式安全栅为主流），为现场本安仪表供电并传输信号。

（6）多系统信号共享：使用信号分配器将关键过程信号同时送给DCS、SIS、MES、大屏幕显示等。

（7）长距离信号传输：将易衰减的电压信号（如0-10V）转换为电流信号（4-20mA）进行远传，或在接收端使用隔离器增强信号。

（8）接地系统不同的设备互联：当须连接来自不同配电系统或接地差异很大的设备时，隔离器是需要的。

三、BM100信号隔离器

BM100系列信号隔离器在工业生产中为增加仪表负载能力并保证连接同一信号的仪表之间互不干扰，提高电气安全性能。BM100信号隔离器将输入的电压、电流、电阻或温度等信号进行采集、放大、运算、并进行抗干扰处理后，再输出隔离的电流和电压信号，安全的输送给二次仪表或PLC/DCS使用。

●技术参数

四、BM200隔离式安全栅

安全栅是接在本质安全电路和非本质安全电路之间。将供给本质安全电路的电压或电流限制在一定安全范围内的装置。安全栅是一种统称，分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅，隔离式安全栅简称隔离栅。

检测端隔离安全栅：

接收危险区的信号隔离后传到安全区的设备，可以限制危险场合中的能量传到本安电路。

操作端隔离安全栅：

接收安全区控制信号隔离后传到危险区的控制设备接收，可以用来把安全区控制室供给现场仪表的电能量限制在即不能产生引爆危险气体的火花，消除引爆源。

●技术参数

五、结语

信号隔离器（包括安全栅）是现代工业自动化系统中不可或缺的“信号守护者”。它们通过电气隔离这一核心技术，解决了接地环路、噪声干扰、设备保护、信号转换、本质安全和信号分配等一系列关键问题，提升了整个自动化控制系统的精度、稳定性、安全性和可靠性。

审核编辑 黄宇