数 字 隔 离 器 光 耦 隔 离 器 或 者 电 磁 隔 离 器 用 来 将 系 统 现 场 的 ADC DAC 和 信 号 调 理 电 路 与 数 字 端 的 控 制 器 隔 离 开 来 如 果 模 拟 端 的 系 统 也 必 须 实 现 充 分 隔 离 的 话, 在 输 入 或 者 输 出 的

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1 图 1 PLC 系 统 架 构, 示 出 了 各 种 不 同 的 I/O 模 块 功 能 PLC 系 统 包 含 输 入 模 块 输 出 模 块 和 输 入 / 输 出 模 块 因 为 许 多 输 入 和 输 出 都 涉 及 现 实 世 界 中 的 模 拟 变 量 而 控 制 器 是 数 字 式 的 PLC 系 统 硬 件 设 计 任 务 将 主 要 围 绕 如 下 方 面 展 开 : 数 模 转 换 器 (DAC) 模 数 转 换 器 (ADC) 输 入 和 输 出 信 号 调 理 输 入 / 输 出 模 块 的 电 气 连 线 与 控 制 器 之 间 以 及 模 块 相 互 之 间 的 隔 离 问 题 I/O 模 块 的 分 辨 率 范 围 从 12 位 到 16 位, 在 整 个 工 业 级 温 度 范 围 的 精 度 为 0.1% 模 拟 输 出 电 压 范 围 通 常 为 ± 5V ± 10V 或 者 0V~5V 0V~10V, 电 流 范 围 为 4~20mA 或 0~20mA 对 DAC 的 稳 定 时 间 要 求, 从 10ms 一 直 到 100ms, 具 体 则 取 决 于 应 用 的 实 际 要 求 模 拟 输 入 范 围 广 泛, 由 电 桥 传 感 器 输 出 的 ± 10mV 微 弱 电 压 信 号 ; 也 有 电 机 控 制 器 ± 10V 的 电 压 信 号, 或 者 工 业 过 程 控 制 系 统 的 4~20mA 电 流 转 换 时 间 则 取 决 于 所 要 求 的 精 度 和 所 选 用 的 ADC 架 构, 从 10SPS 到 几 百 KSPS

2 数 字 隔 离 器 光 耦 隔 离 器 或 者 电 磁 隔 离 器 用 来 将 系 统 现 场 的 ADC DAC 和 信 号 调 理 电 路 与 数 字 端 的 控 制 器 隔 离 开 来 如 果 模 拟 端 的 系 统 也 必 须 实 现 充 分 隔 离 的 话, 在 输 入 或 者 输 出 的 每 个 通 道 必 须 采 用 转 换 器 以 便 最 大 限 度 提 高 通 道 间 的 隔 离 度 电 源 的 隔 离 也 是 必 需 的 icmos 工 艺 icmos 技 术 是 一 种 新 型 的 高 性 能 制 造 工 艺, 它 将 高 压 的 集 成 电 路 与 亚 微 米 级 CMOS 和 互 补 双 极 型 工 艺 融 为 一 体, 在 PLC 设 计 的 输 入 输 出 部 分 所 使 用 icmos 技 术 使 得 单 芯 片 的 设 计 能 够 融 合 5V CMOS 并 实 现 其 与 电 压 更 高 的 (16 24 或 者 30V)CMOS 电 路 的 匹 配 于 是 同 一 块 芯 片 将 拥 有 多 路 不 同 电 压 的 电 源 由 于 能 够 如 此 灵 活 地 将 各 种 元 件 和 工 作 电 压 集 成 到 一 起, 亚 微 米 的 icmos 器 件 具 有 更 高 的 性 能, 其 集 成 的 功 能 更 多, 而 功 耗 更 低 而 且 所 需 要 的 电 路 板 面 积 大 大 小 于 前 几 代 高 压 产 品 其 中 的 双 极 型 工 艺 为 ADC DAC 和 低 失 调 放 大 器 提 供 了 精 确 的 基 准 源, 出 色 的 匹 配 特 性 和 高 度 的 稳 定 性 薄 膜 电 阻 具 有 高 达 12 位 的 初 始 匹 配 特 性, 经 过 修 调 后 可 以 实 现 16 位 的 匹 配, 温 度 和 电 压 系 数 与 传 统 的 多 晶 硅 的 电 阻 相 比, 改 善 了 20 倍, 是 高 准 确 度 高 精 度 的 数 模 转 换 器 的 理 想 选 择 片 上 的 薄

3 膜 熔 断 器 使 得 高 精 度 转 换 器 的 积 分 非 线 性 偏 置 和 增 益 等 性 能 可 以 用 数 字 化 的 技 术 来 校 准 PLC 输 出 模 块 PLC 系 统 的 模 拟 输 出 通 常 用 于 控 制 工 业 环 境 中 的 执 行 器 阀 和 电 机 使 用 了 标 准 的 模 拟 输 出 范 围, 如 ±5 ± 10V 0V~5V 0V~10V 4~20mA 或 者 0~20mA 模 拟 输 出 的 信 号 链 常 常 包 括 了 数 字 隔 离 将 控 制 器 的 数 字 输 出 与 DAC 和 模 拟 信 号 调 理 部 分 隔 离 开 来 在 数 字 化 隔 离 的 系 统 中 所 使 用 的 转 换 器 主 要 使 用 3 线 或 者 4 线 串 行 接 口 来 最 大 限 度 减 小 所 要 求 的 数 字 隔 离 器 或 者 光 耦 隔 离 器 的 数 量 PLC 系 统 的 模 拟 输 出 模 块 通 常 采 用 两 种 架 构 : 每 个 通 道 一 个 DAC 的 架 构 和 每 个 通 道 一 个 采 样 保 持 器 的 架 构 第 一 种 架 构 中, 每 个 通 道 使 用 一 个 专 用 的 DAC 来 产 生 模 拟 控 制 电 压 或 者 电 流 现 在 有 许 多 多 通 道 DAC 可 供 选 择, 在 空 间 占 用 上 更 少, 通 道 单 位 成 本 更 低, 但 那 些 需 要 通 道 相 互 隔 离 的 往 往 采 用 了 单 通 道 DAC 架 构 图 2 是 每 通 道 使 用 一 个 DAC 的 典 型 配 置 这 种 最 简 单 DAC 是 低 压 单 电 源 型 的, 采 用 2.5V~5.5V 电 源 供 电, 输 出 范 围 是 0~VREF, 输 出 信 号 经 过 调 理 后 可 以 产 生 所 需 的 任 意 电 压 或 者 电 流 范 围 双 极 性 输 出 转 换 器 采 用 双 电 源 供 电, 可 以 用 于 必 须 输 出 双 极 性 电 压 范 围 的 输 出 模 块

4 图 2 每 通 道 一 个 DAC 的 架 构 四 路 D/A 转 换 器 是 非 隔 离 型 的 多 通 道 输 出 设 计 的 理 想 选 择, 通 过 外 接 信 号 调 理 电 路 的 方 法 可 以 实 现 多 达 4 路 的 不 同 的 输 出 配 置 例 如, 图 3 示 出 了 16bit 4 路 电 压 输 出 型 DACAD5664R 是 如 何 提 供 0~5V 的 输 出 范 围 的 它 也 可 以 通 过 不 同 的 连 接 方 式 提 供 各 种 标 准 所 需 的 输 出 电 压 范 围, 或 者 通 过 外 接 的 四 运 放 构 成 灌 电 流 输 出 在 配 制 成 双 极 性 输 出 时, 其 内 部 基 准 源 的 对 外 输 出 可 以 提 供 必 要 的 跟 踪 偏 置 电 压

5 图 3 利 用 多 通 道 D/A 变 换 器 实 现 ± 5V ± 10V 0V~10V 0V~5V 等 电 压 和 电 流 沉 输 出 图 4 示 出 了 隔 离 4~20mA 电 流 环 控 制 电 路 中 所 使 用 的 一 个 单 通 道 转 换 器 AD5662 采 用 SOT-23 封 装, 适 用 于 那 些 需 要 在 模 拟 输 出 之 间 充 分 隔 离 的 应 用 图 4 一 个 4~20mA 电 流 控 制 电 路 图 4 中,AD5662 最 大 的 输 出 电 压 摆 幅 为 5V, 该 电 压 由 ADR02 电 压 基 准 来 提 供, 它 可 以 从 变 化 的 回 路 电 压 中 稳 压 出 一 路 精 密 的 电 源 5V 的 DAC 输 出 则 通 过 一 个 运 算 放 大 器 和 晶 体 管 构 成 的 混 合 电 路 转 换 成 4~20mA 的 电 流 输 出 因 为 运 算 放 大 器 的 同 向 端 输 入 处 于 虚 地 电 位, 运 放 就 可 以 调 节 电 流 Is, 以 维 持 在 RS 和 R3 上 的 电 压 相 等 的 关 系, 于 是 有 RSIS=R3I3 N2 端 的 电 流 的 总 和 构 成 了 环 路 电 流 : 电 流 在 N1 点 相 加, 于 是 有 :

6 环 路 电 流 中 的 4mA 的 偏 移 分 量 是 由 基 准 电 压 所 提 供 : 环 路 电 流 中 可 编 程 0~16mA 电 流 则 是 由 DAC 提 供 : 每 通 道 配 置 采 样 - 保 持 电 路 另 一 种 可 选 的 架 构 是 利 用 开 关 电 容 和 缓 冲 器 来 构 成 采 样 - 保 持 放 大 器 (HA), 以 储 存 高 性 能 单 DAC 的 输 出 信 号, 如 图 5 所 示 这 些 采 样 值 通 过 模 拟 多 路 复 用 器 在 不 同 的 电 容 器 之 间 切 换 因 为 系 统 的 保 持 精 度 由 电 容 的 下 降 速 率 所 决 定, 所 以 需 要 对 这 些 通 道 进 行 频 繁 的 刷 新 以 维 持 所 需 要 的 精 度 根 据 输 出 的 要 求, 可 采 用 低 压 单 电 源 DAC, 也 可 以 使 用 双 极 性 输 出 DAC 缓 冲 器 可 以 提 供 信 号 调 理, 对 电 容 而 言 呈 现 一 个 很 高 的 输 入 阻 抗, 并 能 提 供 很 低 的 输 出 阻 抗, 以 驱 动 负 载 图 5 单 DAC 架 构 电 源 和 数 字 信 号 的 电 流 隔 离 在 PLC 过 程 控 制 数 据 采 集 以 及 控 制 系 统 中, 各 种 传 感 器 产 生 的 数 字 信 号 都 传 送 到 一 个 中 央 控 制 器, 进 行 处 理 和 分 析 为 了 保 证 用 户 接 口 端 电 压 的 安 全 性, 也 为 了 防 止 瞬 态 尖 峰 的 传 输, 需 要 实 现 电

7 流 隔 离 最 常 用 的 隔 离 器 件 是 光 耦 器 基 于 变 压 器 的 隔 离 器 和 电 容 耦 合 式 隔 离 器 通 用 的 光 耦 器 利 用 发 光 二 极 管 (LED) 来 将 电 气 信 号 转 换 成 对 应 的 光 强 度, 并 用 光 电 探 测 器 将 光 信 号 转 换 成 电 信 号 一 般 说 来, 它 们 的 LED 普 遍 存 在 转 换 效 率 低 的 问 题, 而 且 光 电 探 测 器 的 响 应 速 度 较 慢 ; 光 耦 隔 离 器 的 寿 命 有 限, 随 着 温 度 工 作 速 度 和 功 耗 的 变 化 而 会 出 现 过 大 的 性 能 波 动 它 们 一 般 局 限 于 1 或 2 通 道 结 构, 需 要 外 接 元 件 才 能 实 现 完 整 的 功 能 ADI 目 前 开 发 出 一 种 新 的 隔 离 方 法, 它 将 芯 片 级 的 变 压 器 技 术 与 集 成 化 的 CMOS 输 入 与 输 出 电 路 结 合 起 来 这 些 icoupler 器 件 在 尺 寸 成 本 和 功 耗 方 面 都 低 于 光 耦 隔 离 器, 同 时, 有 多 种 多 样 的 通 道 配 置 和 性 能 水 平, 并 带 有 标 准 的 CMOS 接 口, 且 无 需 外 接 元 件 且 能 在 全 温 度 电 源 范 围 和 寿 命 期 中 保 持 其 高 性 能 和 稳 定 性 icoupler 的 数 据 率 和 定 时 精 度 比 常 见 的 高 速 光 耦 合 器 高 2~4 倍, 而 它 们 用 的 功 耗 仅 为 光 耦 合 器 的 1/50, 发 热 更 小, 而 可 靠 性 得 以 提 高, 成 本 则 更 低 在 完 全 隔 离 的 系 统 中, 从 系 统 端 向 现 场 端 提 供 隔 离 的 电 源 是 另 一 个 要 面 对 的 挑 战, 而 在 这 一 方 面 目 前 也 涌 现 了 新 的 解 决 方 案 传 统 上, 将 电 源 从 隔 离 的 一 端 传 递 到 另 一 端 所 用 的 技 术 包 括 使 用 单 独 的

8 尺 寸 较 大 的 昂 贵 的 DC/DC 变 换 器, 或 者 设 计 及 接 口 困 难 的 分 立 器 件 目 前 出 现 的 一 种 更 新 和 更 好 的 方 法 是 采 用 完 整 的 全 部 集 成 化 的 隔 离 解 决 方 案, 这 种 方 案 可 以 通 过 微 变 压 器 实 现 跨 越 隔 离 点 的 信 号 和 电 源 传 输, 其 供 电 能 力 高 达 50mW 单 个 ADuM524x isopower 系 列 产 品 元 件 可 以 提 供 高 达 5kV 的 信 号 和 电 源 隔 离 度, 这 避 免 了 采 用 分 立 的 隔 离 的 电 源 的 必 要, 显 著 的 降 低 了 总 的 隔 离 系 统 的 成 本 电 路 板 面 积 和 设 计 时 间 所 有 isopower 产 品 都 已 经 实 现 了 UL CSA 和 VDE 安 全 性 认 证 PLC 输 入 模 块 PLC 系 统 的 架 构 和 输 入 模 块 的 选 择 取 决 于 所 需 要 监 测 的 输 入 信 号 电 平 的 高 低 各 种 类 型 的 传 感 器 和 待 监 测 的 过 程 控 制 变 量 所 产 生 的 信 号, 其 范 围 从 ± 10mV 一 直 到 ± 10V 许 多 种 结 构 的 ADC 都 可 以 应 用 于 工 业 和 PLC 应 用, 包 括 逐 次 逼 近 型 (SAR) Flash/Parallel 积 分 ( 包 括 S-D), 以 及 斜 坡 / 计 数 型 针 对 特 定 应 用 选 择 ADC 时, 首 要 考 虑 的 因 素 是 输 入 信 号 范 围, 同 时 还 应 该 考 虑 所 要 求 的 精 度 信 号 频 率 分 量 最 大 的 信 号 电 平 以 及 动 态 范 围 使 用 最 广 泛 的 是 逐 次 逼 近 型 ADC 和 S-D ADC

9 逐 次 逼 近 型 ADC 可 以 提 供 12bit 到 18bit 的 分 辨 率, 而 且 具 有 高 吞 吐 率 ; 它 们 是 多 通 道 复 用 应 用 的 理 想 选 择, 而 这 些 应 用 需 要 以 较 高 的 采 样 速 率 对 大 量 的 输 入 通 道 进 行 监 测 S-D 架 构 的 ADC 所 能 提 供 的 分 辨 率 为 16bit~24bit 它 们 具 有 很 高 的 过 采 样 速 率 和 数 字 滤 波 能 力, 以 实 现 很 高 的 分 辨 率 和 精 度, 但 相 对 于 SAR 型 ADC, 采 样 速 率 较 低 S-D 架 构 一 般 在 前 端 处 集 成 了 可 编 程 增 益 放 大 器 (PGA); 在 每 通 道 配 备 转 换 器 的 应 用 中, 这 可 以 实 现 传 感 器 与 ADC 之 间 的 直 接 接 口, 而 无 需 外 部 信 号 调 理 对 热 电 偶 应 变 计 和 电 桥 型 压 力 传 感 器 输 出 的 低 电 平 信 号 进 行 测 量 时, 一 个 关 键 的 要 求 是 能 够 执 行 差 分 式 测 量, 以 抑 制 共 模 干 扰, 并 在 出 现 噪 声 的 情 况 下 提 供 更 稳 定 的 读 数 例 如, 在 工 业 应 用 常 常 采 用 差 分 输 入, 以 抑 制 电 机 AC 电 源 线 或 者 其 他 影 响 ADC 输 入 的 共 模 噪 声 单 端 输 入 的 成 本 更 低, 在 引 脚 数 量 相 同 的 情 况 下, 所 能 提 供 的 通 道 可 以 增 加 一 倍, 这 是 因 为 它 们 每 个 通 道 只 需 要 一 路 模 拟 的 输 入, 而 且 这 些 输 入 都 以 同 一 个 接 地 点 为 基 准 它 们 主 要 用 于 具 有 高 信 号 电 平 低 噪 声 和 稳 定 的 公 共 地 电 位 的 应 用 中 图 6 所 示 的 是 在 分 立 隔 离 型 PLC 输 入 模 块 中 使 用 的 各 个 单 元, 包 括 激 励 输 入 信 号 调 理 接 收 多 路 输 入 信 号 的 故 障 保 护 多 路 复 用 器

10 一 个 可 编 程 增 益 放 大 器 和 一 个 A/D 变 换 器 在 传 统 方 案 中, 这 些 大 多 数 是 通 过 分 立 的 IC 和 无 源 器 件 来 实 现 的, 如 今 则 集 成 在 ADC 和 模 拟 前 端 中 图 6 典 型 的 分 立 PLC 输 入 模 块 所 能 实 现 的 功 能 这 些 ADC 可 以 直 接 与 多 种 应 用 中 的 传 感 器 接 口 直 接 连 接, 包 括 PLC 温 度 测 量 称 重 压 力 和 流 量 测 量 以 及 通 用 测 量 设 备 它 们 的 刷 新 速 率 可 以 在 4Hz~500Hz 的 范 围 内 编 程 设 定, 可 以 以 所 选 择 的 刷 新 速 率 同 时 对 50Hz 和 60Hz 信 号 进 行 同 时 的 抑 制 结 语 PLC 的 工 业 系 统 设 计 者 继 续 致 力 于 在 预 算 和 电 路 板 面 积 不 断 缩 小 的 情 况 下, 推 动 产 品 性 能 和 功 能 度 的 不 断 提 高 为 了 提 供 能 满 足 这 些 严 格 要 求 的 集 成 电 路, 并 努 力 争 取 信 号 链 上 的 每 个 重 要 位 置, Analog Devices 已 经 开 发 了 重 要 的 新 制 造 工 艺 流 程 这 一 被 称 为 icmos 的 工 艺 技 术 将 高 压 硅 集 成 电 路 技 术 与 亚 微 米 的 CMOS 和 互 补 双 极 型 技 术 结 合 起 来, 从 而 实 现 能 提 供 30V 工 作 的 模 拟 IC( 许 多 工 业

11 应 用 均 有 需 求 ), 而 所 需 的 平 面 尺 寸 更 小 性 能 更 高 且 成 本 更 低 基 于 芯 片 级 变 压 器 ( 而 非 LED 和 光 电 二 极 管 ) 的 icoupler 隔 离 技 术 可 以 与 CMOS 半 导 体 功 能 结 合, 提 供 低 成 本 的 隔 离 功 能 ipolar 沟 槽 隔 离 工 艺 则 使 得 电 压 可 以 高 达 ± 18 V 的 电 源 电 压 下 工 作, 其 性 能 远 远 优 于 传 统 的 双 极 型 放 大 器, 而 功 耗 则 减 半, 封 装 尺 寸 也 减 小 了 75% 这 些 技 术 能 很 好 地 满 足 当 前 的 需 求, 并 能 笑 迎 辉 煌 的 未 来 文 章 录 入 :admin 责 任 编 辑 :admin 上 一 篇 文 章 : ADI 电 容 数 字 转 换 器 /CapTouch 控 制 器 AD7147 下 一 篇 文 章 : 基 于 微 差 原 理 的 A/D 转 换 方 法 分 析 应 用 相 关 文 章 : 视 频 : ADP1046 数 字 功 率 控 制 器 故 障 排 除 视 频 : ADI 在 线 研 讨 会 : 您 不 知 道 的 关 于 DAC 的 五 件 事 视 频 : ADP1046 数 字 电 源 控 制 器 的 一 般 设 置 视 频 : ADP1046 数 字 电 源 控 制 器 的 PWM 设 置 视 频 : CN0185: 低 成 本 模 拟 输 入 模 拟 输 出 的 全 隔 离 电 路 发 表 评 论 加 入 收 藏 告 诉 好 友 打 印 此 文 关 闭 窗 口 版 权 所 有 : 北 京 东 方 迪 码 科 技 有 限 公 专 业 的

12 个 生 产 效 率 和 设 备 安 全, 只 要 其 中 某 一 环 节 出 问 题 都 将 导 致 停 产, 因 而 探 究 PLC 控 制 系 统 的 稳 定 性 对 企 业 生 产 自 动 控 制 有 着 重 要 的 作 用 关 键 词 :PLC; 稳 定 性 ; 可 靠 性 中 图 分 类 号 :TP309 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 : (2012) 可 编 程 序 控 制 器 ( 以 下 简 称 PLC) 是 在 程 序 控 制 器 和 微 机 控 制 器 的 基 础 上 发 展 起 来 的 微 机 技 术 和 继 电 器 控 制 相 结 合 的 产 物 从 广 义 上 讲, PLC 是 一 种 计 算 机 系 统, 比 一 般 计 算 机 具 有 更 强 的 与 工 业 生 产 相 连 接 的 输 入 输 出 接 口, 成 为 自 动 化 控 制 系 统 的 基 本 装 置 对 于 提 高 PLC 控 制 系 统 稳 定 性 的 措 施 有 了 更 严 格 的 要 求 1 PLC 控 制 系 统 的 安 全 设 计 方 法 作 为 一 个 系 统 来 说,PLC 的 运 行 是 相 对 安 全 可 靠 的, 系 统 安 全 设 计 要 充 分 利 用 PLC 的 功 能 特 点, 使 PLC 的 运 行 能 真 正 达 到 安 全 可 靠 1) 硬 件 保 护 主 要 包 括 : 硬 联 锁 保 护 和 急 停 保 护 等 2) 软 件 保 护

13 主 要 包 括 : 程 序 上 联 锁 保 护 限 时 保 护 和 自 检 保 护 等 PLC 是 利 用 存 储 程 序 对 设 备 进 行 控 制, 用 存 储 的 程 序 进 行 安 装 保 护, 也 可 以 使 其 只 执 行 正 确 的 操 作, 而 拒 绝 执 行 错 误 的 命 令 2 影 响 PLC 控 制 系 统 稳 定 性 的 主 要 原 因 PLC 控 制 系 统 平 均 无 故 障 时 间 可 达 3~5 万 小 时, 据 统 计,90% 的 故 障 现 象 发 生 在 外 围 设 备 中, 只 有 10% 左 右 的 故 障 发 生 在 PLC 控 制 器 中 因 此 整 个 PLC 控 制 系 统 的 稳 定 性, 一 定 程 度 上 主 要 取 决 于 PLC 的 外 围 设 备 如 何 提 高 PLC 控 制 系 统 的 可 靠 性 进 行 一 些 探 讨 2.1 影 响 输 入 信 号 给 PLC 出 错 的 主 要 因 素 1) 由 于 传 输 信 号 线 短 路 或 断 路, 或 者 信 号 干 扰, 当 传 输 信 号 线 出 现 故 障 时, 输 入 信 号 无 法 传 送 给 PLC 控 制 系 统, 不 能 实 时 测 得 现 场 的 实 际 信

14 号, 给 系 统 控 制 造 成 一 定 的 故 障 点 2) 点 抖 动, 输 入 触 点 实 际 只 闭 合 一 次,PLC 控 制 系 统 错 误 的 认 为 闭 合 了 多 次, 尽 管 硬 件 上 加 了 滤 波 电 路, 软 件 增 加 微 分 指 令, 由 于 PLC 扫 描 周 期 太 短, 仍 可 能 在 计 数 累 加 移 位 等 指 令 中 出 错, 造 成 控 制 错 误 3) 现 场 变 送 器, 机 械 开 关 自 身 故 障, 如 变 送 器 触 点 接 触 不 良, 变 送 器 反 映 现 场 非 电 量 偏 差 较 大, 这 些 故 障 会 造 成 PLC 控 制 系 统 不 稳 定 2.2 影 响 电 气 执 行 部 分 出 错 的 主 要 原 因 1) 控 制 负 载 的 接 触 动 作 不 稳 定, 尽 管 PLC 发 出 了 动 作 指 令, 但 执 行 机 构 并 没 完 全 按 要 求 动 作 如 果 输 入 给 PLC 的 开 关 量 信 号 出 现 错 误, 活 在 模 拟 量 信 号 出 现 较 大 偏 差, 现 场 PLC 输 出 口 控 制 的 执 行 机 构 会 安 装 错 苏 的 信 号 执 行 动 作, 都 会 产 生 输 出 和 执 行 相 差 偏 差 较 大 2) 变 频 器 起

15 动, 由 于 变 频 器 本 身 故 障, 变 频 器 所 带 电 机 并 没 按 相 应 要 求 工 作 3) 电 动 阀 电 磁 阀 出 现 故 障, 不 能 按 照 PLC 输 出 控 制 要 求 动 作, 以 及 阀 的 开 关 到 位 信 号, 给 整 个 控 制 系 统 的 稳 定 性 造 成 了 不 利 影 响 3 在 实 际 应 用 中 提 高 PLC 自 动 控 制 系 统 稳 定 性 往 往 从 以 下 几 方 面 来 考 虑 1) 提 高 对 PLC 系 统 输 入 信 号 稳 定 性 要 提 高 从 现 场 输 入 给 PLC 信 号 的 稳 定 性, 首 先 要 选 择 可 靠 性 较 高 的 变 送 器 和 现 场 设 备 执 行 元 件, 防 止 各 种 原 因 引 起 传 送 信 号 线 短 路 断 路 或 接 触 不 良 信 号 电 缆 要 和 动 力 电 缆 隔 开, 防 止 信 号 干 扰 造 成 错 误 传 输, 另 外 在 程 序 设 计 上 增 加 数 字 滤 波 程 序, 增 加 输 入 信 号 的 可 靠 性 同 时 要 选 择 可 靠 性 较 高 的 变 送 器 和 执 行 机 构 2) 提

16 高 电 气 执 行 部 分 的 可 靠 性 当 现 场 的 信 号 准 确 地 输 入 给 PLC 后, PLC 执 行 程 序, 将 结 果 通 过 电 气 执 行 部 分 对 现 场 执 行 机 构 装 置 进 行 调 节 控 制 当 开 启 或 关 闭 电 动 阀 门 时, 根 据 阀 门 开 启 关 闭 时 间 不 同, 设 置 一 定 的 延 时 时 间, 经 过 延 时 检 测 开 到 位 或 关 到 位 检 测 信 号, 当 PLC 系 统 在 规 定 时 间 内 检 测 不 到 时, 说 明 阀 没 有 动 作, 或 者 阀 有 故 障, 为 了 直 观 的 表 述 阀 的 故 障 现 象 可 在 一 些 相 应 的 监 控 画 面 上 做 出 阀 故 障 报 警 信 号 3) 数 据 和 程 序 的 保 护 一 般 PLC 控 制 系 统 都 采 用 锂 电 池 支 持 的 RAM 来 存 储 用 户 的 应 用 程 序, 一 支 电 池 的 寿 命 为 5 年 左 右, 用 完 后 部 分 应 用 程 序 数 据 将 丢 失 因 此 一 些 重 要 的 数 据 程 序 应 常 采 用 存 储 卡 来 存 储 用 户 的 应 用 程 序 将 更 新 程 序 及 技 术 资 料 作 为 存 档 保 存 起 来, 做 好 程 序 备 份, 以 便 以 后 用 到 4) 完 善 故 障

17 报 警 系 统 要 提 高 熬 个 PLC 控 制 系 统 的 可 靠 性 和 可 靠 性, 必 须 提 高 现 场 输 入 信 号 的 可 靠 性 和 执 行 机 构 动 作 的 准 确 性, 否 则 PLC 控 制 系 统 应 能 及 时 发 现 问 题, 用 声 光 等 报 警 办 法 提 示 给 操 作 人 员, 尽 快 排 除 故 障 隐 患, 事 PLC 控 制 系 统 安 全 可 靠 正 确 地 运 行, 设 计 完 善 的 故 障 报 警 系 统 在 自 动 控 制 系 统 的 设 计 中 设 计 了 3 级 故 障 显 示 报 警 系 统, 其 中 1 级 报 警 设 置 在 控 制 现 场 各 控 制 柜 面 板 上, 用 指 示 灯 指 示 设 备 正 常 运 行 状 况 和 故 障 显 示 情 况, 当 设 备 正 常 运 行 时 对 应 指 示 灯 亮, 否 则 指 示 灯 不 显 示,2 级 报 警 故 障 显 示 设 置 在 中 心 控 制 室 大 屏 幕 监 视 器 上, 当 PLC 控 制 系 统 控 制 的 设 备 出 现 故 障 时, 将 会 有 文 字 显 示 其 设 备 故 障 类 型, 工 艺 流 程 图 上 对 应 的 设 备 会 闪 烁, 历 史 数 据 世 间 表 中 将 记

18 录 该 设 备 故 障 3 级 报 警 故 障 显 示 设 置 在 中 心 控 制 室 信 号 箱 内, 当 设 备 出 现 故 障 时, 信 号 箱 将 用 声 光 报 警 方 式 提 示 给 工 作 人 员, 以 便 工 作 人 员 及 时 处 理 故 障, 达 到 设 备 运 行 的 稳 定 性 能 4 PLC 控 制 系 统 可 靠 性 的 管 理 4.1 对 人 员 的 管 理 人 是 一 切 设 备 元 件 的 执 行 者,PLC 控 制 系 统 的 稳 定 性 很 大 程 度 上 取 决 于 人 为 因 素 随 着 现 代 科 技 的 发 展, 自 动 化 程 度 的 不 断 提 高 这 将 对 设 备 现 场 维 护 工 作 人 员 的 素 质 提 出 更 高 更 新 的 要 求 工 作 人 员 不 仅 要 熟 悉 设 备 运 行 情 况 检 修 点 检 规 划 和 设 计 等 ; 而 且 还 要 懂 得 计 算 机 知 识, 以 及 具 有 一 定 操 作 技 术 水 平 因 此, 必 须 从 设 备 维 护 人 员 的 培 训 力 度 培 训 方 式 和 培 训 内 容 等 方 面 着 手 不 断 提 高 设 备 工 作 人 员 的 业 务 素 质 和 操 作 技 术 水 平, 才 能 确 保 设 备 运 行 稳 定

19 4.2 维 护 管 理 后 期 的 维 护 管 理 工 作 对 提 高 PLC 控 制 系 统 的 可 靠 性 具 有 很 大 的 作 用, 维 护 设 备 主 要 部 件 : 供 电 电 源, 外 部 环 境 信 号 干 扰 安 装 状 态 电 源 (Ps) 中 央 处 理 单 元 (CPU) 信 号 模 板 (SM) 及 现 场 元 件 输 入 输 出 中 间 继 电 器 等 外 围 设 备 动 作 等 5 结 束 语 PLC 控 制 系 统 的 可 靠 性 设 计 在 实 际 系 统 设 计 中 占 有 重 要 地 位, 在 实 际 设 计 中 只 有 根 据 现 场 生 产 实 际 应 用 系 统 的 具 体 特 点 和 应 用 环 境 的 具 体 条 件, 灵 活 地 选 择 行 之 有 效 的 可 靠 性 设 计 技 术, 只 有 全 面 科 学 合 理 地 考 虑 系 统 的 软 件 和 硬 件 设 计, 从 总 体 上 提 高 系 统 的 抗 干 扰 能 力 和 稳 定 性, 切 实 提 高 PLC 控 制 系 统 的 稳 定 性 参 考 文 献 : [1] 陈 立 定 等 主 编, 电 气 控 制 与 可 编 程 控 制 器, 广 州 : 华 南 理 工 大

20 学 出 版 社,2001. [2] 王 仁 祥 主 编, 常 用 低 压 电 器 继 电 器 及 其 控 制 系 统, 哈 尔 滨 : 哈 尔 滨 工 业 大 学 出 版 社,2000. [3] 方 承 远 主 编, 工 厂 电 气 控 制 技 术, 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社, [4] 胡 学 林 主 编, 可 编 程 控 制 器 教 程, 南 京 : 电 子 工 业 出 版 社, [5] 储 云 峰 主 编, 电 气 可 编 程 控 制 器 原 理 及 应 用, 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社,2006. WBS 具 有 4 個 主 要 用 途 : WBS 是 一 個 描 述 思 路 的 規 劃 和 設 計 工 具 它 幫 助 項 目 經 理 和 項 目 團 隊 確 定 和 有 效 地 管 理 項 目 的 工 作 WBS 是 一 個 清 晰 地 表 示 各 項 目 工 作 之 間 的 相 互 聯 繫 的 結 構 設 計 工 具 WBS 是 一 個 展 現 項 目 全 貌, 詳 細 說 明 為 完 成 項 目 所 必 須 完 成 的 各 項 工 作 的 計 劃 工 具

21 WBS 定義了里程碑事件 可以向高級管理層和客戶報告項目完成 情況 作為項目狀況的報告工具 WBS 是面向項目可交付成果的成組的項目元素 這些元素定義 和組織該項目的總的工作範圍 未在 WBS 中包括的工作就不屬於該 項目的範圍 WBS 每下降一層就代表對項目工作更加詳細的定義和 描述 項目可交付成果之所以應在項目範圍定義過程中進一步被分解 為 WBS 是因為較好的工作分解可以 防止遺漏項目的可交付成果 幫助項目經理關註項目目標和澄清職責 建立可視化的項目可交付成果 以便估算工作量和分配工作 幫助改進時間 成本和資源估計的準確度 幫助項目團隊的建立和獲得項目人員的承諾 為績效測量和項目控制定義一個基準 輔助溝通清晰的工作責任 為其他項目計劃的制定建立框架 幫助分析項目的最初風險 [編輯] WBS 的種類

22 1 綱要性工作分解結構 SWBS Summary WBS 綱要性工作分解結構是指導性的 戰略性的工作分解結構 該分 解結構只有上面的三級 第一級 整個系統即防務裝備項目 如 飛機系統 電子系統 導彈系統 軍械繫統 空間系統和地面車輛系統 第二級 防務裝備項目的重大單元 如航空飛行器 艦船 系統 實驗和資料等 第三級 從屬於第二級的單元 如機體 推進裝置 資料 服務 和技術出版物等 2 項目綱要性工作分解結構 PSWBS Project SWBS 項目綱要性工作分解結構是針對某一特定項目 對綱要性工作分 解結構進行裁剪得到的工作分解結構 3 合同工作分解結構 CWBS Contract WBS 合同工作分解結構是適用於特定合同或採購活動的完整的工作 分解結構 CWBS 概括了項目的任務 確定了這些任務與項目的組 織機構 技術狀態的關係 為項目的性能 技術目標 進度和費用之 間的聯繫 確定了邏輯上的約束框架 合同工作分解結構應與合同規

23 定的層次相一致 合同應指出在合同的哪一級別上進行費用累計 承 包商為控制其費用而用到的合同 WBS 的擴延級 應具有費用累計的 追溯能力 而在其他某些具體的應用領域 常見的其他分解結構主要包括 A 合同工作分解結構 CWBS 它主要用於定義賣方提供 給買方報告的層次 通常不如賣方管理工作使用的工作分解結構 WBS 詳細 B 組織分解結構 OBS 它用於顯示各個工作元素被分配 到哪個組織單元 C 資源分解結構 RBS 它是組織分解結構的一種變異 通常在將工作元素分配到個人時使用 D 材料清單 BOM 表述了用於製造一個加工產品所需的 實際部件 組件和構件的分級層次 E 項目分解結構 PBS 它基本上與工作分解結構 WBS 的概念相同 [編輯] 工作包的特點

24 WBS 的最低層次的項目可交付成果稱為工作包(Work Package) 具有以下特點 工作包可以分配給另一位項目經理進行計劃和執行 工作包可以通過子項目的方式進一步分解為子項目的 WBS 工作包可以在制定項目進度計劃時 進一步分解為活動 工作包可以由惟一的一個部門或承包商負責 用於在組織之外分 包時 稱為委托包(Commitment Package) 工作包的定義應考慮 80 小時法則(80-HourRule)或兩周法則 (Two Week Rule) 即任何工作包的完成時間應當不超過 80 小時 在每個 80 小時或少於 80 小時結束時 只報告該工作包是否完成 通過這種定期檢查的方法 可以控制項目的變化 [編輯] 任務分解的原則 1 將主體目標逐步細化分解 最底層的日常活動可直接分派到 個人去完成 2 每個任務原則上要求分解到不能再細分為止 3 日常活動要對應到人 時間和資金投入

25 [ 編 輯 ] 任 務 分 解 的 方 法 1 採 用 樹 狀 結 構 進 行 分 解 ; 2 以 團 隊 為 中 心, 自 上 而 下 與 自 下 而 上 的 充 分 溝 通, 一 對 一 個 別 交 流 與 討 論, 分 解 單 項 工 作 [ 編 輯 ] 任 務 分 解 的 標 準 1 分 解 後 的 活 動 結 構 清 晰, 從 樹 根 到 樹 葉, 一 目 瞭 然, 儘 量 避 免 盤 根 錯 節 ; 2 邏 輯 上 形 成 一 個 大 的 活 動, 集 成 了 所 有 的 關 鍵 因 素 包 含 臨 時 的 里 程 碑 和 監 控 點, 所 有 活 動 全 部 定 義 清 楚, 要 細 化 到 人 時 間 和 資 金 投 入 在 我 們 日 常 管 理 項 目 時, 要 學 會 分 解 任 務, 只 有 將 任 務 分 解 得 足 夠 細, 足 夠 明 瞭, 才 能 統 籌 全 局, 安 排 人 力 和 財 力 資 源, 把 握 項 目 的 進 度 [ 編 輯 ]

26 創建 WBS 的基本要求 創建 WBS 時需要滿足以下幾點基本要求 某項任務應該在 WBS 中的一個地方且只應該在 WBS 中的一個地 方出現 WBS 中某項任務的內容是其下所有 WBS 項的總和 一個 WBS 項只能由一個人責任 即使許多人都可能在其上工作 也只能由一個人負責 其他人只能是參與者 WBS 必須與實際工作中的執行方式一致 應讓項目團隊成員積极參与創建 WBS 以確保 WBS 的一致性 每個 WBS 項都必須文檔化 以確保準確理解已包括和未包括的 工作範圍 WBS 必須在根據範圍說明書正常地維護項目工作內容的同時 也 能適應無法避免的變更 [編輯] WBS 的表示方式 WBS 可以由樹形的層次結構圖或者行首縮進的表格表示

27 在實際應用中 表格形式的 WBS 應用比較普遍 特別是在項目 管理軟體中 工作分解結構 分級的樹型結構 樹型結構圖的 WBS 層次清晰 非常直觀 結構性很強 但不是 很容易修改 對於大的 複雜的項目也很難表示出項目的全景 由於 主觀性 一般在小的 適中的項目中的較多 [編輯] WBS 的分解方式 WBS 的分解可以採用多種方式進行 包括 按產品的物理結構分解 按產品或項目的功能分解 按照實施過程分解 按照項目的地域分佈分解

28 按照項目的各個目標分解 按部門分解 按職能分解 [編輯] 創建 WBS 的過程 創建 WBS 的過程非常重要 因為在項目分解過程中 項目經理 項目成員和所有參與項目的職能經理都必須考慮該項目的所有方面 制定 WBS 的過程是 得到範圍說明書(Scope Statement)或工作說明書(Statement of Wok 承包子項目時) 召集有關人員 集體討論所有主要項目工作 確定項目工作分解 的方式 分解項目工作 如果有現成的模板 應該儘量利用 畫出 WBS 的層次結構圖 WBS 較高層次上的一些工作可以定義 為子項目或子生命周期階段 將主要項目可交付成果細分為更小的 易於管理的組分或工作包 工作包必須詳細到可以對該工作包進行估算(成本和歷時) 安排 進度 做出預 算 分配負責人員或組織單位

29 驗證上述分解的正確性 如果發現較低層次的項沒有必要 則修 改組成成分 如果有必要 建立一個編號系統 隨著其他計劃活動的進行 不斷地對 WBS 更新或修正 直到覆 蓋所有工作 [編輯] 檢驗 WBS 的標準 檢驗 WBS 是否定義完全 項目的所有任務是否都被完全分解可 以參考以下標準 每個任務的狀態和完成情況是可以量化的 明確定義了每個任務的開始和結束 每個任務都有一個可交付成果 工期易於估算且在可接受期限內 容易估算成本 各項任務是獨立的 [編輯] 建立 WBS 需要考慮的因素

30 付 物 (1) 確 定 適 當 的 WBS 層 次, 最 低 層 WBS 的 元 素 需 對 應 有 形 的 交 (2) 對 WBS 生 命 周 期 的 考 慮, 需 要 考 慮 在 項 目 不 同 階 段 的 活 動 發 展, 包 括 項 目 管 理 (3) 項 目 計 劃 績 效 報 告 整 體 變 更 控 制 範 圍 管 理 的 需 要 (4) 資 源 計 劃 和 風 險 管 理 的 需 要 [ 編 輯 ] WBS 的 使 用 對 WBS 需 要 建 立 WBS 詞 典 (WBS Dictionary) 來 描 述 各 個 工 作 部 分 WBS 詞 典 通 常 包 括 工 作 包 描 述 進 度 日 期 成 本 預 算 和 人 員 分 配 等 信 息 對 於 每 個 工 作 包, 應 儘 可 能 地 包 括 有 關 工 作 包 的 必 要 的 儘 量 多 的 信 息 當 WBS 與 OBS 綜 合 使 用 時, 要 建 立 賬 目 編 碼 (Code of Account) 賬 目 編 碼 是 用 於 惟 一 確 定 項 目 工 作 分 解 結 構 每 一 個 單 元 的 編 碼 系 統 成 本 和 資 源 被 分 配 到 這 一 編 碼 結 構 中 [ 編 輯 ] WBS 的 實 踐 經 驗

31 最 多 使 用 20 個 層 次, 多 於 20 層 是 過 度 的 對 於 一 些 較 小 的 項 目 4-6 層 一 般 就 足 夠 了 WBS 中 的 支 路 沒 有 必 要 全 都 分 解 到 同 一 層 次, 即 不 必 把 結 構 強 製 做 成 對 稱 的 在 任 意 支 路, 當 達 到 一 個 層 次 時, 可 以 作 出 所 要 求 準 確 性 的 估 算, 就 可 以 停 止 了 [ 編 輯 ] 工 作 分 解 結 構 的 作 用 1. 明 確 和 準 確 說 明 項 目 的 範 圍 ; 2. 為 各 獨 立 單 元 分 派 人 員, 規 定 這 些 人 員 的 相 應 職 責 ; 3. 針 對 各 獨 立 單 元, 進 行 時 間 費 用 和 資 源 需 要 量 的 估 算, 提 高 時 間 費 用 和 資 源 估 算 的 準 確 度 ; 4. 為 計 劃 成 本 進 度 計 劃 質 量 安 全 和 費 用 控 制 奠 定 共 同 基 礎, 確 定 項 目 進 度 測 量 和 控 制 的 基 準 ; 5. 將 項 目 工 作 與 項 目 的 財 務 帳 目 聯 繫 起 來 ; 6. 便 於 劃 分 和 分 派 責 任 ; 7. 確 定 工 作 內 容 和 工 作 順 序 ;

32 8 估算項目整體和全過程的費用 [編輯] 工作分解結構的優點 一 能夠為工作定義提供更有效的控制 一般來說 良好的項目管理具有下列幾個原則 1 通過設施的結構化分解來進行管理 2 關註結果 實現什麼 而不是怎樣實現 3 通過工作分解結構 技術和人員 系統和組織之間可以平衡 結果 4 在項目涉及的所有部門之間 通過定義角色 責任和工作關 係來建立一個契約 5 採用一個簡明的報告結構 使用工作分解結構可以滿足有效項目管理的五個原則中的前三 個 而避免了計劃的誤區 即只在一個詳細的層次上定義工作 以 一個結構化的方式來定義工作可以保證得到更好的結果 通過可交付 成果來進行工作定義 在項目向前進行時 只有那些對生產設施有必

33 要 的 工 作 才 做, 因 此 計 劃 也 變 得 更 加 固 定 在 環 境 不 斷 變 化 的 情 況 下, 項 目 所 需 的 工 作 可 能 發 生 變 化, 但 不 管 怎 麼 變 化, 一 定 要 對 最 終 結 果 的 產 生 有 益 ( 二 ) 把 工 作 分 配 到 相 應 的 工 作 包 中 ( 相 應 的 授 權 ) WBS 中 的 工 作 包 是 自 然 的, 因 為 WBS 的 目 的 是 生 產 產 品, 在 分 配 責 任 的 同 時 也 賦 予 每 個 產 品 或 服 務 的 單 獨 的 部 門 如 果 工 作 只 是 在 一 個 詳 細 的 層 次 上 定 義, 並 彙 集 成 工 作 包, 那 麼 這 個 工 作 包 就 不 是 自 然 的 了, 項 目 經 理 只 能 每 天 忙 於 告 訴 人 們 一 些 技 術 和 方 法, 而 不 是 讓 他 們 自 己 獨 立 去 完 成 工 作 ( 三 ) 便 於 找 到 控 制 的 最 佳 層 次 我 們 在 較 低 層 次 上 進 行 控 制 可 能 意 味 著 在 控 制 上 所 花 的 時 間 要 比 完 成 工 作 所 需 的 時 間 更 多, 而 在 較 高 層 次 上 進 行 控 制 則 意 味 著 有 些 重 要 情 況 在 我 們 不 經 意 時 會 溜 走 通 過 WBS, 我 們 可 以 找 到 控 制 的 最 佳 層 次 一 般 情 況 下, 控 制 活 動 的 長 短 應 該 與 控 制 會 議 召 開 的 頻 度 相 一 致 ( 四 ) 有 助 於 限 定 風 險 在 以 上 討 論 時 我 們 都 限 定 計 劃 和 控 制 的 範 圍 都 不 包 含 較 高 的 風 險 實 際 上 WBS 的 分 解 層 次 不 一 定 是 固 定 不 變 的,WBS 的 最 低 層

34 次 可 根 據 風 險 的 水 平 來 確 定 在 風 險 較 低 的 項 目 中, 工 作 分 解 的 最 低 層 次 可 以 是 工 作 包, 而 在 一 個 風 險 較 高 的 項 目 中, 我 們 可 以 繼 續 到 項 目 的 一 個 最 低 層 次 上 項 目 經 理 在 規 劃 和 控 制 其 工 程 項 目 的 過 程 中, 工 作 分 解 結 構 是 非 常 有 用 的 工 具 編 製 完 整 的 WBS 確 定 了 工 程 項 目 的 總 目 標, 並 確 定 了 各 項 單 獨 的 工 作 ( 部 分 ) 與 整 個 項 目 ( 整 體 ) 的 關 係 ( 五 ) 是 信 息 溝 通 的 基 礎 在 現 代 大 型 複 雜 項 目 中, 一 般 要 涉 及 大 量 的 資 源, 涉 及 許 多 公 司 供 應 商 承 包 人 等 等, 有 時 還 會 有 政 府 部 門 的 高 技 術 設 施 或 資 金 投 入, 因 而 要 求 的 綜 合 信 息 和 信 息 溝 通 的 數 量 往 往 相 當 大 這 些 大 項 目 涉 及 巨 資 並 歷 時 若 幹 年, 因 此 項 目 開 始 進 行 時 設 想 的 項 目 環 境 會 隨 著 項 目 的 進 展 而 發 生 很 大 的 變 化, 即 我 們 已 經 多 次 提 到 的 項 目 早 期 階 段 的 不 確 定 性 [pp1] 這 就 要 求 所 有 的 有 關 集 團 要 有 一 個 共 同 的 信 息 基 礎, 一 種 各 有 關 集 團 或 用 戶 從 項 目 一 開 始 到 最 後 完 成 都 能 用 來 溝 通 信 息 的 工 具 這 些 集 團 包 括 : 業 主 供 應 商 承 包 人 項 目 管 理 人 員 設 計 人 員 以 及 政 府 有 關 部 門 等 等 而 一 個 設 計 恰 當 的 工 作 分 解 結 構 將 能 夠 使 得 這 些 集 團 或 用 戶 有 一 個 較 精 確 的 信 息 溝 通 連 接 器, 成 為 一 種 相 互 交 流 的 共 同 基 礎 利 用 工 作 分 解 結 構 作 為 基 礎 來 編 製 預 算 進 度 和

35 描 述 項 目 的 其 它 方 面, 能 夠 使 所 有 的 與 項 目 有 關 的 人 員 或 集 團 都 明 瞭 為 完 成 項 目 所 需 要 做 的 各 項 工 作 以 及 項 目 的 進 展 情 況 等 ( 六 ) 為 系 統 綜 合 與 控 制 提 供 了 有 效 手 段 典 型 的 項 目 控 制 系 統 包 括 進 度 費 用 會 計 等 不 同 的 子 系 統 這 些 子 系 統 在 某 種 程 度 上 是 相 互 獨 立 的, 但 是 各 個 子 系 統 之 間 的 系 統 信 息 轉 移 是 不 可 缺 少 的, 必 須 將 這 些 子 系 統 很 好 地 綜 合 起 來, 才 能 夠 真 正 達 到 項 目 管 理 的 目 的 而 工 作 分 解 結 構 的 應 用 可 以 提 供 一 個 這 樣 的 手 段 在 WBS 的 應 用 中, 各 個 子 系 統 都 利 用 它 收 集 數 據, 這 些 系 統 都 是 在 與 WBS 有 直 接 聯 繫 的 代 碼 詞 典 和 編 碼 結 構 的 共 同 基 礎 上 來 接 受 信 息 的 由 於 WBS 代 碼 的 應 用 使 所 有 進 入 到 系 統 的 信 息 都 是 通 過 一 個 統 一 的 定 義 方 法 作 出 來 的, 這 樣 就 能 確 保 所 有 收 集 到 的 數 據 能 夠 與 同 一 基 準 相 比 較, 並 使 項 目 工 程 師 會 計 師 以 及 其 他 項 目 管 理 人 員 都 參 照 有 同 樣 意 義 的 同 種 信 息, 這 對 於 項 目 控 制 的 意 義 是 顯 而 易 見 的 例 如 : 許 多 項 目 中 的 典 型 問 題 之 一 是 會 計 系 統 和 進 度 控 制 系 統 不 是 採 用 完 全 相 同 的 分 類 或 編 碼, 但 是 在 一 個 有 組 織 的 共 同 基 礎 之 上 對 成 本 和 進 度 作 出 統 一 恰 當 的 解 釋 分 析 和 預 測 對 於 項 目 的 有 效 管 理 是 非 常 重 要 的 此 外, 各 個 子 系 統 之 間 在 WBS 基 礎 上 的 共 同 聯 繫 越

36 多 對項目控制就越有益 因為這樣可以減少或消除分析中的系統差 異 [編輯] 工作分解結構的案例分析[1] [編輯] 案例一 實施一種新的企業級別管理理念的 WBS 右圖是一個 WBS 的例子 該 WBS 描述了在組織內實施企業項 目管理(EPM)的工作 這個 WBS 是由丁斯莫爾(Dinsmore)開發的 在此作為一個應用實例

37 丁 斯 莫 爾 指 出 : 需 要 一 個 整 體 觀 念 描 繪 出 一 條 成 功 實 施 企 業 項 目 管 理 的 道 路, 所 有 這 些 都 是 從 WBS 開 始 的 丁 斯 莫 爾 將 第 二 級 中 的 WBS 元 素 定 義 如 下 : (1)EPM 項 目 群 管 理 覆 蓋 了 管 理 EPM 項 目 群 的 關 鍵 元 素, 以 確 保 足 夠 的 管 理 工 作 集 中 在 這 個 項 目 群 上 (2) 與 公 司 目 標 一 致 的 戰 略 執 行 的 工 作 要 確 保 項 目 與 公 司 目 標 一 致 (3) 文 化 改 變 執 行 的 工 作 要 改 變 做 事 的 方 法 (4) 溝 通 溝 通 戰 略 和 培 養 變 更 意 識 是 必 要 的 工 作 領 域 (5) 公 司 組 織 與 流 程 涉 及 在 組 織 範 圍 內 進 行 凋 整 和 改 變 流 程 的 工 作 (6) 人 與 人 員 問 題 有 關 的 工 作 工 作 (7) 介 面 領 域 與 那 些 存 在 與 EPM 的 介 面 的 職 能 領 域 相 關 聯 的 分 析 這 個 WBS, 這 是 一 個 服 務 項 目, 目 的 是 通 過 WBS 元 素 表 示 以 下 4 個 主 要 領 域 :

38 (1) 戰 略 目 標 對 位 (2) 文 化 改 變 (3) 公 司 組 織 與 流 程 (4) 人 以 上 每 一 項 都 有 自 己 的 可 交 付 成 果 或 輸 出, 這 些 可 交 付 成 果 或 輸 出 共 同 產 生 了 最 終 產 品 : 轉 化 為 組 織 內 部 特 征 的 文 檔 化 和 集 成 了 的 EPM 系 統 其 中 有 兩 個 橫 向 關 聯 元 素 : 溝 通 和 介 面 領 域 溝 通 元 素 是 一 個 分 析 性 元 素, 因 為 它 跨 越 了 其 他 工 作 元 素, 並 基 於 該 分 析 產 生 輸 出 介 面 領 域 下 的 元 素 是 集 成 性 元 素, 因 為 它 們 代 表 那 些 將 其 他 元 素 中 的 工 作 合 成 起 來 輸 入 到 九 個 在 第 三 級 列 出 的 職 能 領 域 最 後 一 個 WBS 元 素,EPM 項 目 群 管 理, 是 一 個 普 通 的 項 目 管 理 元 素, 該 元 素 確 認 了 項 目 管 理 辦 公 室 的 管 理 職 責 與 活 動 [ 編 輯 ]

39 案例二 應對跨文化和跨國界挑戰的 WBS 由於在文化 法律 期望以及溝通等方面的不同 國際間的項目 經常會遇到困難 不是每一個人都按美國人的方式進行思考和管理的

40 格 羅 夫 (Grove), 哈 羅 威 爾 (Hallowell) 史 密 斯 (Smith) 建 議 為 國 際 項 目 開 發 一 種 類 似 的 WBS, 實 際 上, 這 是 一 個 項 目 中 的 另 一 個 項 目? 其 目 的 是 管 理 項 目 的 國 際 性 方 面 以 減 少 對 主 要 項 目 的 影 響? 其 中 一 個 不 一 般 的 特 性 是 WBS 表 述 的 格 式, 該 項 目 的 WBS 結 構 如 右 圖 所 示 這 個 WBS 錶 面 上 看 是 活 動 的 形 式, 但 實 際 上 在 每 一 個 WBS 元 素 中 都 包 括 部 分 WBS 字 典 的 內 容 第 三 級 元 素 是 工 作 包, 描 述 了 每 一 個 元 素 將 要 完 成 什 麼 工 作 真 正 的 活 動 是 在 第 四 和 第 五 級 此 WBS 描 述 了 一 個 成 功 完 成 的 項 目, 所 以 它 很 好 地 實 現 了 其 工 作 目 標 有 幾 個 主 要 的 領 域 具 有 要 獲 得 的 輸 出 產 品 或 結 果 包 括 : 項 目 風 險 評 估 及 戰 略 的 開 發 國 外 項 目 人 員 的 定 位 和 支 持 國 內 人 員 與 國 外 項 目 負 責 人 以 及 總 公 司 人 員 的 整 合 跨 文 化 跨 邊 界 培 訓 的 提 供 傷 害 防 止 戰 略 的 開 發 等 這 種 複 雜 項 目 的 WBS 開 發 人 員 要 確 保 遵 循 百 分 之 百 規 則, 這 是 非 常 重 要 的 在 橫 向 關 聯 領 域 中, 信 息 收 集 是 一 個 分 析 性 元 素, 為 許 多 其 他 領 域 提 供 輸 入 橫 向 關 聯 的 項 目 管 理 元 素 分 為 兩 個 部 分 : 元 素 選 拔 分 配 資 助 和 督 導 CRM 團 隊 以 及 元 素 組 織 學 習

41 同一個項目的另外一種 WBS 可構造成如下圖所示的形式 每一 個二級 WBS 元素上的數字都對應於原始版本 WBS 中的 WBS 元素 這些原始版本中的元素可能被轉移或合併到新版本的元素中 以簡化 WBS 各項 調研和信息 元素是一個橫向關聯分析性元素 項目風 險 和 人員 只為主要可交付成果的產品分解提供了基礎 項目風險 元素涉及到跨文化和跨國界元素對主要項目丁作的影響 人員 元素 的輸出與針對國外項目人員 國內以及總公司人員的計劃的產品 服 務和結果有關 一位老機械設計工程師的工作心得體會 機械設計往往離不開自己的閱歷 經驗的積累固然可以從書本上學到 不少 但是事非躬親很難在腦海中留下深刻的印象 對別人的經驗 自己沒有一定的基礎 要理解吸收真的是一件很不容易的事 機械設計貫穿設計 制造 使用 維護的整個過程 設計時的疏 忽總會在這些方面反映出來 成功與否是很容易判斷的 設計的過程

42 中, 受 制 造 的 影 響 很 大, 亦 就 是 說 好 的 設 計 是 不 能 脫 離 制 造 的, 對 制 造 越 了 解, 越 有 助 於 提 高 設 計 水 平 設 計 的 圖 紙, 投 入 生 產, 我 沒 見 過 多 少 能 立 即 按 圖 加 工 裝 配, 在 審 圖 工 藝 等 過 程 發 現 大 堆 的 問 題 很 常 見, 包 括 所 謂 資 深 的 高 工, 總 工 拿 出 的 圖 紙, 還 是 經 過 多 次 開 會 研 究 反 復 討 論 的 出 來 的 結 果, 原 因 是 多 方 面 的, 繪 圖 的 規 範 性, 看 圖 者 的 水 平 是 一 方 面, 但 設 計 方 對 制 造 工 藝 的 了 解 不 深 入 是 主 要 原 因 怎 樣 判 定 自 己 對 制 造 的 了 解 程 度? 最 簡 單 的 方 法 是 隨 手 抓 一 張 自 己 設 計 的 東 西 的 圖 紙 你 是 否 能 說 出 它 的 制 造 全 過 程 鑄 鍛 車 鉗 銑 刨 磨, 只 是 這 樣 子, 肯 定 是 不 行, 在 機 械 廠 做 過 幾 年 的 誰 不 知 道? 必 須 細 分 下 去, 要 全 面 了 解 各 過 程 比 如 說 鑄 造 時 候 怎 麽 分 型, 澆 口 冒 口 怎 麽 放, 可 能 會 有 什 麽 樣 的 鑄 造 缺 陷 產 生, 零 件 結 構 在 熱 處 理 的 時 候 會 不 會 導 致 意 外 情 況 發 生 的, 怎 麽 在 零 件 結 構 上 進 行 優 化, 切 削 加 工 過 程, 在 腦 海 中 虛 擬 出 來, 總 共 用 幾 把 刀, 轉 速, 走 刀 量, 甚 至 鐵 屑 望 哪 裏 飛, 各 把 刀 使 用 的 順 序, 車 工, 銑 工, 磨 工 的 操 作 動 作 全 過 程, 如 此 等 等, 才 算 是 有 了 比 較 好 的 基 礎 不 是 說 搞 設 計 的 一 定 要 會 玩 車 床, 銑 床, 會 燒 電 焊 才 可 以, 但 是 要 知 道 這 些 作 業 特 點, 在 設 計 時 加 以 充 分 考 慮, 作 為 搞 機 械 設 計 的 人 這 樣 才 比 搖 車 床 燒 電 焊 的 強, 才 有 安 身 立 命 之 處 如 此, 在 設 計 過 程 中, 就 會 規 避 一 些 不 合 理 的 結 構, 設 計 的 質 量 自 然 提 高 不 少, 可 是 還 不 夠, 一 個 有 十 年 八 年

43 的 工 齡 的 技 工 能 提 出 比 你 更 成 熟 的 細 節 方 案 ( 盡 管 整 體 的 設 計 統 籌 他 們 做 不 了 ), 但 是 多 少 個 不 眠 的 夜 晚 設 計 出 就 這 樣 一 個 結 果, 豈 不 是 斯 文 掃 地 耶? 唯 一 的 解 決 辦 法, 多 看 書 別 人 總 結 出 來 的 通 常 與 生 產 相 結 合, 俱 是 心 血 的 結 晶 帶 著 問 題 學, 多 想 就 能 消 化 再 也 不 會 說 只 要 保 證 同 心 度 就 行 了 這 樣 愚 蠢 的 回 答, 關 鍵 是 你 已 經 指 出 保 證 同 心 度 的 方 法, 甚 至 前 輩 的 錯 誤 這 個 時 候, 沒 人 再 叫 你 小 錢 小 趙, 連 老 板 都 叫 你 錢 工 趙 工, 挺 受 尊 敬 的 吧 摸 摸 下 巴, 胡 子 長 出 來 了, 尿 布 丟 了, 孩 子 叫 媽 了, 呵 呵 成 就 感 也 來 了 可 是 設 計 總 是 為 了 使 用, 好 的 設 計 必 須 具 備 一 點 點 人 性 的, 設 計 一 套 工 藝 裝 備, 一 試 產, 效 率 高 質 量 好, 老 板 來 搞 杯 慶 功 酒 過 了 幾 天, 發 現 人 家 棄 之 不 用 了, 原 因 是 操 作 者 罵 娘 啊 用 起 來 痛 苦 啊 而 且 要 註 意 的 細 節 又 多, 別 個 就 是 個 操 作 工 他 要 是 考 慮 的 那 麽 多 因 素 就 不 會 還 在 那 裏 做 操 作 工 了 啊 設 計 不 利 於 使 用, 就 面 臨 淘 汰, 有 很 多 的 成 套 設 備, 如 汽 車 的 發 動 機 變 速 箱 之 類 正 常 運 轉 時 挺 好 的,, 可 其 中 一 個 小 鍵 槽, 一 個 軸 承 位, 什 麽 的 地 方 壞 了, 整 個 就 不 能 用, 廠 方 只 賣 整 件, 要 配 件 不 賣, 自 己 加 強 還 真 的 沒 地 方 加 了, 換 了 幾 個 廠 去 買, 擺 了 一 堆, 用 戶 只 好 敬 而 遠 之, 立 了 個 技 改 項 目 -- 可 憐 的 技 改 這 樣 的 事 情 只 要 是 在 機 械 行 業 轉 的 久 的 都 會 有 所 見 所 聞 使 用 根 本 就 離 不 開 維 修, 好 的 設 計 更 不 能 忽 視 維 修 性 在 一 條 大 型 的 的 生 產 線 上, 關 鍵 的 設 備, 總 共 一 年 也

44 就 維 修 那 麽 兩 次, 但 是 每 此 都 要 把 設 備 大 卸 八 塊, 行 車 叉 車 千 斤 頂 撬 杠 十 八 般 兵 器 還 不 夠 用, 老 師 傅 們 還 要 自 己 專 門 動 腦 動 手 玩 幾 樣 好 用 的 專 用 家 當 來 伺 候, 導 致 停 產 的 損 失 已 經 超 過 設 備 本 身 的 價 值, 真 是 個 無 言 的 結 局 一 套 大 型 設 備 僅 因 更 換 一 只 油 封 什 麽 的, 都 要 幾 乎 將 整 機 完 全 分 解, 使 用 單 位 不 罵 設 計 幹 的 是 斷 子 絕 孫 的 玩 意 才 怪, 真 的 是 設 計 者 的 悲 哀 我 們 搞 設 計 不 光 是 要 站 在 制 造 的 基 礎 上, 還 要 有 創 新, 但 一 定 要 學 會 繼 承 現 在, 全 社 會 都 在 強 調 創 新, 但 我 們 不 能 一 強 調 創 新, 就 瞧 不 起 原 有 的 東 西 通 常 的 創 新 分 為 兩 種, 一 種 就 是 構 成 事 物 舊 有 元 素 的 重 新 組 合, 一 種 是 在 舊 有 元 素 上 加 一 些 新 的 元 素 所 以, 不 管 怎 樣, 創 新 的 東 西 總 是 含 有 一 些 舊 有 事 物 的 影 子 是 不 可 否 認 的 正 像 哲 學 中 所 講, 新 事 物 都 是 在 肯 定 中 否 定, 否 定 中 有 肯 定 中 產 生 的 比 如 我 們 人 類, 雖 然 說 是 大 自 然 的 天 之 驕 子, 但 實 際 上, 我 們 99% 的 基 因 都 是 和 大 猩 猩 一 樣 的 如 果 人 類 不 是 在 繼 承 大 猩 猩 的 基 因 基 礎 上, 有 1% 的 突 破, 人 類 的 出 現 是 難 以 想 象 的, 如 果 有 人 說 我 有 誌 氣, 不 需 要 繼 承 大 猩 猩 的 基 因, 我 自 己 搞 一 個 100% 純 人 類 基 因, 那 您 就 是 再 過 一 億 年, 也 搞 不 出 來 一 個 人 類 來 所 以 說, 不 能 為 了 創 新, 把 舊 有 的 東 西 全 盤 拋 棄 原 有 的 東 西 就 如 同 一 盤 菜, 創 新 就 如 同 一 點 點 調 料, 有 了 這 麽 一 點 調 料, 菜 的 味 道 更 加 鮮 美 但 沒 有 人 為 了 純 鮮 美,

45 不 要 菜, 光 來 一 盤 炒 調 料 的 所 以 我 們 強 調 創 新, 但 不 能 忘 記 繼 承, 只 有 繼 承, 沒 有 創 新, 那 是 因 循 守 舊, 而 只 有 創 新, 沒 有 繼 承, 那 是 空 中 樓 閣 1:1 的 克 隆 可 能 很 多 的 人 認 為 是 最 安 全 最 省 事 的 一 種 設 計 方 式 但 是 作 為 從 事 設 計 行 業 的 人 來 講, 克 隆 是 一 件 可 恥 的 事 情 所 謂 一 抄 二 改 三 創 造 簡 練 的 概 括 了 設 計 人 員 的 成 長 之 路 剛 入 門 的 時 候, 只 能 照 抄, 但 是 在 抄 襲 的 同 時 要 拼 命 的 去 理 解 原 設 計 者 的 意 圖 和 思 維, 理 解 整 個 機 器 的 傳 動, 各 個 裝 置 之 間 的 相 互 關 聯, 每 個 零 件 的 相 互 關 系, 理 解 了 之 後 就 可 以 出 圖, 圖 紙 上 就 可 以 有 明 確 的 尺 寸 配 合 要 求, 形 位 公 差 約 束 只 知 道 畫 下 來, 隨 手 胡 扯 幾 根 線 條 上 去, 大 概 感 覺 機 器 精 度 比 較 高, 就 玩 命 的 把 精 度 往 上 提 動 不 動 就 0.005,0.002, 在 圖 紙 上 大 言 不 慚 的 簽 名 在 設 計 欄 號 稱 自 己 搞 的 東 西 是 很 精 密 的 這 種 不 知 所 謂 的 號 稱 機 械 機 械 設 計 工 程 師 的 信 手 拈 來 滿 地 都 是 模 仿 優 秀 的 作 品 是 每 一 個 設 計 師 的 必 走 之 路 但 是 做 設 計, 一 定 要 有 自 己 的 想 法, 人 也 要 有 自 己 鮮 明 的 個 性, 久 了, 就 形 成 了 自 己 的 風 格, 風 格 的 養 成 與 一 個 人 的 藝 術 素 養 和 個 人 修 養 有 直 接 關 系 羅 嗦 的 人 搞 出 來 的 東 西 就 是 那 麽 羅 嗦 的, 小 氣 的 人 搞 出 來 的 東 西 就 是 一 副 小 家 子 氣, 不 負 責 任 的 人 搞 出 來 的 機 器 就 跟 那 人 的 德 行 一 樣 的 不 負 責

46 任 能 有 自 己 的 設 計 理 念, 設 計 風 格, 就 是 不 一 樣, 這 樣 搗 騰 出 來 的 東 西 就 有 了 獨 特 的 靈 魂 行 家 一 看 就 知 道, 這 是 用 心 的 傑 作 在 抄 襲 的 時 候 積 累 了 經 驗 就 要 抱 著 否 定 的 態 度 學 習 查 閱 資 料, 多 看 些 經 典 的 設 計 案 例, 和 設 計 的 禁 忌, 與 自 己 接 觸 過 的 一 些 東 西 進 行 對 比, 就 有 了 大 的 提 高 就 可 以 在 現 有 的 機 器 上 動 手 術 如 : 提 高 機 器 的 附 加 值, 完 善 更 多 的 功 能, 讓 整 機 具 備 更 高 的 可 靠 度 從 而 迎 合 高 端 的 客 戶 ; 或 者 進 行 結 構 精 簡, 保 留 一 些 常 用 功 能, 降 低 成 本, 滿 足 些 買 不 起 那 麽 也 用 不 上 多 功 能 的 客 戶 的 需 求 做 到 這 樣 就 可 以 稱 的 上 做 機 械 設 計 開 始 入 門 了 能 不 能 成 為 世 界 級 的 發 明 家 這 個 事 情 很 難 說 的, 呵 呵 但 是 憑 自 己 多 年 經 歷 見 識, 將 一 些 結 構 進 行 組 合, 變 異, 嫁 接, 創 造 一 些 新 的 東 西 是 不 難 的 與 其 用 一 生 的 時 間 去 研 究 永 動 機 之 類 的 高 深 課 題, 或 者 搞 一 些 莫 名 其 妙 不 能 創 造 任 何 價 值 的 所 謂 專 利, 不 如 用 自 己 有 限 的 生 命 去 做 些 能 在 這 個 美 麗 的 星 球 上 留 下 點 印 記 的 事 情 到 時 候 老 得 快 死 了, 臨 終 的 時 候 還 會 想 到, 活 了 這 麽 多 年, 搗 騰 了 那 麽 多 機 器 在 地 球 上 跑, 足 以 含 笑 九 泉 一 個 真 正 談 的 能 稱 之 為 機 械 設 計 工 程 師, 需 要 十 年 甚 至 十 年 以 上 的 磨 礪 還 要 有 相 當 的 天 分 以 及 勤 奮 和 能 造 就 人 的 環 境 天 才 等 於 99% 的 勤 奮 +1% 的 努 力 其 實 說 的 並 不 是 只 要 下 苦 工 就 會 有 成 就 這 句

47 話 說 的 是 若 一 個 人 對 某 個 職 業 沒 有 那 1% 天 分, 再 勤 奮 也 是 沒 有 用 的 勤 奮 是 一 個 發 掘 自 己 天 分 的 一 個 途 徑, 是 有 所 成 就 的 必 須 條 件 之 一, 而 不 是 全 部 絕 對 不 是 機 械 零 件 材 料 選 用 的 原 則 要 考 慮 三 個 方 面 的 要 求 1. 使 用 要 求 ( 首 要 考 慮 ): 1) 零 件 的 工 況 ( 震 動, 衝 擊, 高 溫, 低 溫, 高 速, 高 載 都 應 當 慎 重 對 待 ); 2) 對 零 件 尺 寸 和 質 量 的 限 制 ; 3) 零 件 的 重 要 程 度 ( 對 於 整 機 可 靠 度 的 相 對 重 要 性 ) 2. 工 藝 要 求 : 1) 毛 坯 制 造 ( 鑄 造, 鍛 打, 切 板, 切 棒 ); 2) 機 械 加 工 ; 3) 熱 處 理 ; 4) 表 面 處 理 3. 經 濟 性 要 求 : 1) 材 料 價 格 ( 普 通 圓 鋼 與 冷 拉 型 材, 精 密 鑄 造, 精 密 鍛 造 的 毛 坯 成 本 與 加 工 成 本 的 對 比,); 2) 加 工 批 量 和 加 工 費 用 ; 3) 材 料 的 利 用 率 ;( 如 板 材, 棒 料, 型 材 的 規 格, 合 理 的 加 以 利

48 用 ) 4) 替 代 ( 盡 量 用 廉 價 材 料 來 代 替 價 格 相 對 昂 貴 的 稀 有 材 料, 如 在 一 些 耐 磨 部 位 的 套 用 球 墨 替 代 銅 套, 用 含 油 軸 承 替 代 車 削 加 工 的 一 些 套, 速 度 負 載 不 大 的 情 況 下, 用 尼 龍 替 代 鋼 件 齒 輪 或 者 銅 蝸 輪 等 等 ) 另 外, 還 要 考 慮 當 地 材 料 的 供 應 情 況 機 械 設 計 的 基 本 要 求 a) 對 機 器 使 用 功 能 方 面 的 要 求 要 註 意 協 調 平 衡! 防 止 木 桶 效 應 的 出 現 b) 對 機 器 經 濟 性 的 要 求 設 計 經 濟 性, 在 短 的 時 間 裏 投 產 上 市, 撈 回 開 發 期 間 的 消 耗, 甚 至 邊 設 計 邊 制 造 使 用 經 濟 性 要 有 最 佳 的 性 能 價 格 比 ( 產 品 在 小 批 量 做 開 始 賺 了, 再 來 改 的 更 好 ) 2. 對 機 械 零 件 設 計 的 基 本 要 求 a) 在 預 定 工 作 期 限 內 正 常 可 靠 地 工 作, 保 證 機 器 的 各 種 功 能 b) 要 盡 量 降 低 零 件 的 生 產 制 造 成 本 c) 盡 可 能 多 的 采 用 市 場 常 見 標 準 件 d) 對 可 能 系 列 化 的 產 品, 盡 可 能 的 在 開 始 設 計 的 時 候 考 慮 零 件 的 通 用 性, 無 法 通 用 的 也 要 盡 可 能 的 在 結 構 上 類 似, 以 減 少 制 造 過 程 的 工 藝 編 排, 夾 具 工 裝 設 計 的 工 作 量

49 隔离器, 信号隔离器; signal isolator, signal converter 系统产生干扰的原因 在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表 控制系统和执行机 数字隔离器 构 它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级 微安级的小信号 又有几十伏 甚至数 千伏 数百安培的大信号 既有低频直流信号 也有高频脉冲信号等等 构成系统后往往发 现在仪表和设备之间信号传输互相干扰 造成系统不稳定甚至误操作 出现这种情况除了每 个仪表 设备本身的性能原因如抗电磁干扰影响外 还有一个十分重要的因素就是由于仪表 和设备之间的信号参考点之间存在电势差 因而形成 接地环路 造成信号传输过程中失真 因此 要保证系统稳定和可靠的运行 接地环路 问题是在系统信号处理过程中必须解决的 问题 解决 接地环路 的方法 根据理论和实践分析 有三种解决方案 第一种方案 所有现场设备不接地 使所有过程环路只有一个接地点 不能形成回路 这种方法看似简单 但在实际应用中往往很难实现 因为某些设备要求必须接地才能保证测 量精度或确保人身安全 某些设备可能因为长期遭到腐蚀和磨损后或气候影响而形成新的接 地点 第二种方案 使两接地点的电势相同 但由于接地点的电阻受地质条件及气候变化等 众多因素的影响 这种方案其实在实际中无法完全做到 第三种方案 在各个过程环路中使用信号隔离方法 断开过程环路 同时又不影响过 程信号的正常传输 从而彻底解决接地环路问题 2 技术特点 本产品采用了先进的数字化技术 在对高 低频干扰信号的抑制方面均有着优异表现 即使在大功率变频控制系统中依然能够可靠应用 内部采用数字化调校 无零点及满度电位 器 自动动态校准零点 温度漂移自动补偿等诸多先进技术 并符合 IEC 这一

50 系列技术的应用使产品的稳定性及可靠性得到科学的保证 以上各项技术领先国际先进水平 适用性: 智能隔离器可以与单元组合仪表及 DCS PLC 等系统配套使用 在油田 石化 制造 电力 冶金等行业的重大工程中有着广泛应用 3 抗干扰 1 供电系统的抗干扰设计 对传感器 仪器仪表正常工作危害最严重的是电网尖峰脉 冲干扰 产生尖峰干扰的用电设备有 电焊机 大电机 可控机 继电接触器 带镇流器的 充气照明灯等 尖峰干扰可用硬件 软件结合的办法来抑制 干扰控制器 1 用硬件线路抑制尖峰干扰的影响 常用办法主要有三种 ①在仪器交流电源输 入端串入按频谱均衡的原理设计的干扰控制器 将尖峰电压集中的能量分配到不同的频段上 从而减弱其破坏性 ②在仪器交流电源输入端加超级隔离变压器 利用铁磁共振原理抑制 尖峰脉冲 ③在仪器交流电源的输入端并联压敏电阻 利用尖峰脉冲到来时电阻值减小以 降低仪器从电源分得的电压 从而削弱干扰的影响 2 利用软件方法抑制尖峰干扰 对于周期性干扰 可以采用编程进行时间滤波 也 就是用程序控制可控硅导通瞬间不采样 从而有效地消除干扰 3 采用硬 软件结合的看门狗 watchdog 技术抑制尖峰脉冲的影响 软件 在 定时器定时到之前 CPU 访问一次定时器 让定时器重新开始计时 正常程序运行 该定 时器不会产生溢出脉冲 watchdog 也就不会起作用 一旦尖峰干扰出现了 飞程序 则 CPU 就不会在定时到之前访问定时器 因而定时信号就会出现 从而引起系统复位中断 保证智 能仪器回到正常程序上来 4 实行电源分组供电 例如 将执行电机的驱动电源与控制电源分开 以防止设备 间的干扰 5 采用噪声滤波器也可以有效地抑制交流伺服驱动器对其它设备的干扰 该措施对 以上几种干扰现象都可以有效地抑制 4 变压器 6 采用隔离变压器 考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初 次级线圈的互感耦 合 而是靠初 次级寄生电容耦合的 因此隔离变压器的初 次级之间均用屏蔽层隔离 减 少其分布电容 以提高抵抗共模干扰能力 7 采用高抗干扰性能的电源 如利用频谱 均衡法设计的高抗干扰电源 这种电源抵抗随机干扰非常有效 它能把高尖峰的扰动电压脉 冲转换成低电压峰值 电压峰值小于 TTL 电平 的电压 但干扰脉冲的能量不变 从而可

51 以提高传感器 仪器仪表的抗干扰能力 结构 隔离器一般由输入信号处理单元 隔离单元 输出信号处理单元 电源等 4 部份构成 虽然实际应用中的隔离器基本上都是由上述四个单元构成 但输入 输出的类型和数量的不 同 组成了种类繁多的型号 下面的表格大致进行了归纳 输入处理单元大致类型 序号 类型 1 标准 4-20MA 1-5V 信号 2 热阻 热偶型号 3 开关量信号 4 通信信号 5 交流信号 6 其它非标准信号 0~10V -10~10V) 输出信号的大致类型 序号 类型 1 标准 4-20MA 1-5V 信号 2 开关量输出 3 通信信号 隔离单元的大致类型 序号 类型 1 磁隔离 2 光隔离 电源类型 均为隔离电源 序号 类型 1 自激式 2 它激式 5 低功耗 产品的功耗是各个功能单元功耗的总和 只有降低各个功能单元的功耗才能使得总得 功耗降低 增加产品的热稳定性和寿命 隔离器主要在输入 输出 电源 隔离四个单元进 行技术改进 1 输出单元模块的自适应负载技术 输出模块可以根据负载的大小动态调整输出模块的输出功率 从而减少自身的发热

52 传统的负载设计是根据额定负载的大小设计输出功率 当输出负载非常小时 多余的负载功 率就耗散在仪表内部 从而时仪表自身发热 假设一台隔离器的输出负载设计为 750 欧姆 那么输出驱动功率一般设计为 0.5W 如果在实际应用中此隔离器的负载使用在 50 欧姆的 环境下 那么就有 0.5W 0.02W = 0.48W 的功率转换为仪表自身的发热 如果时多路输 出将产生更多的热量 而降低输出模块的额定功率在实际应用中又难以应付市场的复杂状况 2 隔离单元模块的低功耗改进 隔离单元是决定产品技术指标的重要单元 目前隔离技术主要有磁隔离与光隔离两大类 隔离电路形式有直接调制耦合 反馈调 制耦合等多种形式 具体采用什么形式要根据产品的技术指标而定 总的来讲可以大致分为 开关量信号采用光隔离 模拟量信号采用磁隔离的方式 从技术复杂程度来看 磁隔离比光 隔离处理技术复杂 采用磁隔离技术 设计者可以根据技术指标采用合适的设计方案 隔离 的线性 精度可以根据产品的要求灵活控制 而光隔离的线性 精度只能依赖器件厂家提供 的技术指标 设计人员可以调整的方式很少 也不可能超过厂家提供的技术指标 由于功耗 大 光电隔离也不能实现无源隔离 磁隔离模式有电流互感模式 电流互感反馈模式 电压 互感模式 电压互感反馈模式 电流互感功率补偿模式等 电流互感功率补偿模式是相对来 说功耗最低的模式 3 电源模块 电源的技术指标是基础 决定产品的性能 目前流行的电源拓扑形式虽然非常多 也 很成熟 6 优越性 在各个过程环路中使用信号隔离办法可以用 DCS 或 PLC 等隔离卡件或者现场带隔离 的变送器 部分设备可以做到 也可以使用信号隔离器来实现 比较起来 用信号隔离器 有以下优点 绝大部分情况 采用信号隔离器+非隔离卡件比采用隔离卡件便宜 信号隔离器比隔离卡件在隔离能力 抗电磁干扰等方面性能更加优越 信号隔离器应用灵活 而且它还有型号转换和 信号分配功能 使用起来更加方便 信号隔离器通常有单通道 双通道 一入二出等通道形式 通道间相互完全独立 构成系统的配置 日常维护更加方便 智能隔离器的说明 SKGL 型智能隔离器是将输入单路或双路的电流或电压信号 变送输出隔离的单路或 双路线性的电流或电压信号 并提高输入 输出 电源之间的电气隔离性能 7 供电方式

53 隔离器常见的供电方式有独立供电 回路供电和输出回路供电 独立供电的隔离器 需要配备独立 20~35VDC 的直流电源 这种方式的优点是隔离传输精度高 电源 输 入 输出之间完全隔离 多路系统供电电源不需隔离 可保证高抗干扰性能 输入信号可以 变换为其它类型的型号 回路供电的隔离器 在实际工业监控系统中 DCS PLC 或其他显示仪表具有卡件内部供电的使用越来越 广泛 回路供电型隔离器又往往不能满足这些卡件对信号隔离传输精度要求高和二线制变送 器配电电压要求高的条件 因此 输出回路供电型的隔离器既保留了独立供电型隔离器的优 越性能 又满足输出回路供电接口的要求 8 技术参数 系统传输准确度 ±0.2% F S 温度漂移 0.005%F S/ 工作温度 工业级标准 输入阻抗 电流 100Ω 电压 500KV 电流输出允许外接的负载阻抗 4-20mA 输出时 0 500Ω 0-10mA 输出时 0 1KΩ,需要更大的负载能力请在订货时 说明 电磁兼容 符合 IEC 中所规定的第四类 恶劣工业现场 环境对产 品的抗电磁干扰要求 输入/输出/电源/通讯/双路间绝缘强度 1500AAC 储运环境温度 相对湿度 10-90%RH 40 时 供电电源 交流 AC V 直流 DC12V 32V 反接保护 输入功率 W 与型号有关 详见本手册附录中关于输入功率的计算方法 通讯接口 RS232 或 RS485 MODBUS 软件协议 选配 外形尺寸 宽 高 深 mm 9 产品选购 在隔离器选型时除了要确定隔离器的功能 适应前后端接口外 还有精度 输出纹波 温度漂移 功耗 响应时间等许多参数需要用户谨慎选择 步骤/方法

54 精度 隔离器的精度是非常重要的参数 精度的高低直接关系到隔离器能否正常使用 隔离 器的精度体现了隔离器的设计 制造水平 顺连电子生产的隔离器除小信号 小量程等特殊 输入信号的隔离变送器精度为±0.2%以外 其余的精度均为±0.1% 用户在选用时应该选用 精度高的产品 输出纹波 对隔离器精度产生影响的参数还有输出纹波 输出纹波的产生是由于隔离器使用 DC/DC 电路对隔离器的工作电源进行隔离给隔离器内部电路供电 输入信号也要先使用 DC/DC 电路调制成交流信号然后经过隔离部分电路进行信号隔离 隔离后的信号经解调后 再转换成直流信号输出 以 CPU 为核心的隔离器也存在脉冲信号 隔离器内部存在的这种 高频的交流分量 就是产生输出纹波的原因 这些高频的交流分量它们的频率一般都有几百 KHZ 谐波较多 对信号的污染很难完全清除 如果输出纹波较高 控制系统模拟量输入模 板采集到信号的误差就大 对于高速输入的模拟量输入模板更是如此 所以选择隔离器时应 要求输出纹波的峰-峰值越小越好 顺连电子的各种系列隔离器均采用高效的滤波电路 较 好的抑制了输出纹波 帕罗肯隔离器的输出纹波指标是 输出纹波峰-峰值小于 10mV 或者 小于 16μA 这个指标已经达到目前世界一流产品的水平 用户在选用时应该选用纹波小的 产品 温度漂移 温度漂移是由于隔离器工作时产生热量 导致隔离器内所使用的电子元器件性能指标 下降造成隔离器的输出值发生变化 选择隔离器时应要求温度漂移的值越小越好 为了防止 温度漂移 帕罗肯隔离器产品进行了低功耗 微功耗设计 使得隔离器工作时本身的发热量 很小甚至于不发热 这样就能防止因产品工作时发热引起所使用元器件的性能指标下降 防 止造成温度漂移 帕罗肯隔离器的温度漂移指标是 ±0.015%/ 以下 用户在选用时应该 选用温度漂移小的产品 低功耗 功耗是指隔离器工作时所消耗的电能 它涉及到产品在工作时的发热量 这个参数与 隔离器的使用寿命 可靠性和隔离器的外形 安装方式都有密切的关系 在选用隔离器时应 选择功耗低的产品 隔离器的电路设计上采用了新技术是 输出部分可以根据负载的大小动 态调整输出功率的自适应负载技术 隔离部分的电流互感功率补偿技术 电源部分的参数式 开关稳压电源技术 目前我们公司隔离器的功耗只有目前世界一流品牌产品功耗的一半以下

55 若产品的功耗大 在产品工作时产生的热量就大 造成产品壳体内的温度高 组成产品 的电子元器件长期的处于高温环境下 会导致运算放大器参数蜕变 电阻阻值变化 电容漏 电增大等 这些问题将使产品性能下降 甚至导致产品故障 失效 没有低功耗设计的保证 产品就不可能做到隔离器的超薄型 小型化 端子化 我们公 司推出了国内最薄的低功耗 MZ 系列产品 微功耗的 MZ 二线制系列产品和无源系列产品 目前国内的主流产品厚度一般都在 20mm 30mm 之间 国外最新产品的厚度为 6.0mm 帕罗肯产品达到了国外最新产品的水平 产品的单台厚度为 6.2mm 并允许密集安装 可 直接当端子使用 为了节约控制系统的控制柜 电源 接线端子 连接线和人工成本等工程费用 用户在 选用时应该选用低功耗的产品 响应时间 响应时间是指产品的输入量发生变化到产品的输出量正确的将变化量反映的输出上的 时间 响应时间越短 就能够越真实的正确反映出输入量的变化 有效的监视和控制生产过 程 在选择隔离器时响应时间要求越短越好 我们公司产品的响应时间为 0 90%满量程 小于 1s 这个指标达到了目前国际主流产品的水平 用户在选用时应该选用响应时间小的 产品 10 技术发展 当前随着科技的发展 隔离端子的设计日趋小型化 而小型化的目的就是少占空间 当然应该允许用户密集安装 密集安装则存在散热问题 那么必须降低内部功耗 因此内部 功耗的数值在选用时也应注意 金湖明通相关人士认为 现在市场上出现了许多以 CPU 为核心的隔离端子 具有现场 可编及通信功能 有很高的灵活性 对顾客来讲可以减少库存数量,降低资金积压 以 CPU 为核心的隔离端子必将成为这个领域主流 而针对变送器的隔离还有另一种方式 传感器和变送器为一体而又必须放置在现场指 定地点 一般把隔离端子安置在中央控制室机柜中 由机柜中的隔离端子为现场变送器配送 电源 使用哪一种要根据 PLC 接口情况决定 现场调试也许会出现仪表和 PLC 接口不匹配 发送设备为四线制变送器输出 4 20mA 而接收端 4 20mA 的接口为二线回路供电方式 若直接连接将造成电源冲突 交流供電的醫療電子系統安全標準要求直流電(DC)的隔離 以保護病人和操作員免於觸 電的危險 由於導體直接連接儀器和病人 其上附著的液體和凝膠更增加了觸電風險 因此這些用於系統的隔離器必須耐用和可靠

56 光 耦 合 器 和 變 壓 器 通 常 用 於 醫 療 系 統 的 隔 離 電 路, 但 其 不 足 之 處 也 是 設 計 界 所 熟 知 的, 光 耦 合 器 速 度 慢, 在 溫 度 和 老 化 變 化 過 程 中 性 能 很 不 穩 定, 且 都 是 單 端 裝 置, 因 此 共 模 瞬 變 抗 干 擾 能 力 (CMTI) 較 差 此 外, 光 耦 合 器 基 於 砷 化 鎵 (GaAs) 製 程 技 術, 固 有 的 內 在 損 耗 導 致 於 高 溫 和 或 發 光 二 極 體 (LED) 大 電 流 條 件 下 發 光 強 度 降 低 此 種 衰 減 降 低 光 耦 合 器 的 可 靠 性 效 能 和 使 用 壽 命, 雖 然 變 壓 器 提 供 優 於 光 電 耦 合 器 的 高 速 度 和 可 靠 性, 但 變 壓 器 無 法 通 過 直 流 和 低 頻 訊 號, 因 此 在 系 統 定 時 如 開 啟 時 間 和 工 作 週 期, 應 用 中 使 用 頗 受 限, 而 且 變 壓 器 一 般 體 積 大 效 率 低, 往 往 需 要 額 外 的 核 心 重 定 電 路 CMOS 隔 離 器 兼 具 高 效 能 與 高 穩 定 不 同 於 光 耦 合 器, 互 補 式 金 屬 氧 化 物 半 導 體 (CMOS) 隔 離 器 提 供 更 好 的 效 能 可 靠 性 穩 定 性 省 電 效 能 和 整 合 度 CMOS 隔 離 器 支 援 直 流 電 150Mbit/s, 占 用 電 路 板 空 間 更 少 且 每 個 封 裝 最 多 有 六 個 隔 離 通 道, 而 擁 有 更 高 效 率, 上 述 特 性 係 通 過 以 下 CMOS 隔 離 器 基 礎 技 術 實 現. 主 流 / 低 功 耗 CMOS 製 程 技 術 代 替 GaAs CMOS 是 目 前 最 成 熟 並 廣 泛 應 用 於 全 球 的 製 程 技 術 先 進 的 電 路 設 計 技 術 和 CMOS 技 術 使 隔 離 器 可 達 150Mbit/s 資 料 傳 輸 速 率 10 奈 秒 (ns) 傳 播 延 遲 每 通 道 5.6 毫 瓦 (mw) 的 功 耗, 以 及 領 先 業 界 的 效 能 規 格 CMOS 隔 離 器 在 最 大 操 作 電 壓 和 溫 度 下 平 均 無 故 障 時 間 (MTTF) 超 過 1,000 年, 是 光 耦 合 器 的 十 倍.RF 載 波 代 替 光 射 頻 (RF) 技 術 進 一 步 降 低 隔 離 器 操 作 功 耗, 高 度 精 確 的 頻 率 提 高 了 雜 訊 抑 制, 元 件 封 裝 也 比 光 耦 合 器 更 簡 單. 差 動 隔 離 代 替 單 端 隔 離 差 動 訊 號 路 徑 和 接 收 靈 敏 度 使 得 在 無 差 錯 操 作 下 CMTI 超 過 25kV/μs, 良 好 的 外 部 射 頻 抗 干 擾 特 性 可 達 300V/m, 而 磁 場 抗 擾 度 可 在 超 過 1,000A/m 之 下 操 作 零 誤 差, 以 上 這 些 特 性 使 得 CMOS 隔 離 器 也 適 用 於 惡 劣 的 工 作 環 境, 如 強 電 場 和 磁 場. 專 利 EMI 抑 制 CMOS 隔 離 器 滿 美 國 聯 邦 電 信 委 員 會 (FCC) 的 B 部 分 規 範, 並 通 過 汽 車 J1750 CISPR 測 試

57 CMOS 隔 離 器 符 合 UL/IEC 安 全 認 證 從 系 統 觀 點 來 看, 醫 療 設 備 根 據 操 作 電 壓 可 分 為 不 同 的 級 別 I 類 設 備 工 作 於 70 伏 特 或 更 少 電 壓 時, 只 須 要 對 可 接 觸 部 分 採 用 基 本 絕 緣 和 保 護 接 地 II 類 設 備 工 作 於 70 伏 特 電 壓 以 上, 要 求 增 強 或 雙 倍 的 絕 緣 III 類 設 備 操 作 在 25VAC 或 60VDC 以 下, 常 稱 為 安 全 電 壓 (SELV),III 類 設 備 不 須 要 隔 離 圖 1 爬 電 距 離 和 電 氣 間 隙 從 元 件 觀 點 來 看, 隔 離 器 封 裝 尺 寸 在 防 止 電 弧 跨 越 封 裝 表 面 時 非 常 重 要, 因 此, 安 全 機 構 規 定 了 特 定 測 試 電 壓 下 的 爬 電 距 離 (Creepage) 和 電 氣 間 隙 (Clearance) 距 離 如 圖 1, 爬 電 距 離 是 指 沿 絕 緣 表 面 放 電 的 最 小 距 離, 電 氣 間 隙 是 指 通 過 空 氣 放 電 的 最 短 距 離 隔 離 器 的 核 心 是 絕 緣 體, 電 介 質 強 度 決 定 隔 離 器 的 電 壓 等 級, 隔 離 分 類 包 括 基 本 型 和 增 強 型 基 本 型 隔 離 提 供 對 電 擊 的 保 護 特 性, 但 沒 有 考 慮 安 全 失 效 (Failsafe) 狀 況, 即 故 障 不 會 導 致 系 統 自 動 轉 變 到 一 個 安 全 可 靠 的 狀 態 ; 基 本 型 隔 離 裝 置 能 夠 被 用 戶 使 用, 但 必 須 被 包 含 於 系 統 之 內 對 於 基 本 型 隔 離 設 備 的 認 證 測 試 是 在 1 分 鐘 1.6kVRMS 電 壓 下, 最 小 爬 電 距 離 4 毫 米 (mm) 增 強 型 隔 離 為 破 壞 安 全 操 作 提 供 兩 級 保 護, 並 允 許 用 戶 接 入 增 強 型 隔 離 設 備 的 認 證 測 試 是 在 1 分 鐘 4.8kVRMS 電 壓 下, 最 小 爬 電 間 距 8 毫 米 醫 療 電 子 系 統 幾 乎 總 是 需 要 增 強 型 隔 離 特 性, 因 為 它 要 求 具 備 安 全 失 效 保 護 特 性 增 強 型 CMOS 隔 離 器 符 合 國 際 標 準 IEC/EN/DIN EN ,CMOS 隔 離 器 也 符 合 IEC 醫 療 標 準 絕 緣 要 求, 該 標 準 須 要 先 通 過 Underwriters Laboratories--UL 1577 或 IEC 標 準 認 證 IEC 為 基 本 型 和 增 強 型 隔 離 規 定 了 電 介 質 強 度 測 試 認 證 準 則, 包 括 爬 電 距 離 和 電 氣 間 隙 限 制, 還 有 電 壓 和 持 續 時 間 ( 表 1)

58 光 耦 合 器 使 用 塑 膠 複 合 化 合 物 作 為 它 們 的 主 要 絕 緣 材 料, 因 此 必 須 滿 足 內 部 間 距 規 範, 又 稱 絕 緣 穿 透 距 離 (DTI), 該 規 範 可 參 考 IEC 對 於 光 耦 合 器,DTI 是 LED 和 光 接 收 器 晶 粒 之 間 的 距 離, 典 型 最 小 距 離 為 0.4 毫 米 CMOS 隔 離 器 使 用 半 導 體 氧 化 物 作 為 它 們 的 主 要 絕 緣 材 料, 比 使 用 複 合 化 合 物 封 裝 有 更 好 的 電 介 質 強 度 和 一 致 性, 因 此 占 用 更 少 空 間 為 了 通 過 IEC 認 證, 安 全 監 管 機 構 執 行 DTI 測 試, 使 CMOS 隔 離 器 在 125 和 250VACRMS 外 加 電 壓 下 進 行 十 週 測 試, 然 後 在 4.8kVACRMS 下 進 行 1 分 鐘 測 試, 須 注 意 對 於 CMOS 隔 離 器 的 DTI 評 測 比 光 耦 合 器 更 加 嚴 格 醫 療 電 子 系 統 必 須 對 外 部 干 擾 有 免 疫 能 力, 如 來 自 局 部 磁 場 靜 電 電 源 線 擾 動 ( 如 線 路 電 壓 暫 降 浪 湧 和 瞬 變 ) 因 此, 無 論 是 光 耦 合 器 還 是 CMOS 隔 離 器 都 必 須 通 過 IEC 標 準 使 用 測 試 限 度 見 IEC 規 範 ( 表 2), 如 靜 電 放 電 (ESD) 須 符 合 IEC 規 範, 並 使 用 由 IEC 規 定 的 測 試 限 度

59 射 頻 輻 射 及 電 源 線 擾 動 測 試 使 用 CISPR11 測 試 方 法, 其 是 J1750 汽 車 規 範 的 子 集,CISPR 不 指 定 測 試 限 度, 其 為 一 種 測 試 方 法 的 標 準 對 於 輻 射 和 電 源 線 敏 感 性 的 限 制 須 符 合 IEC 規 範 通 過 這 些 測 試 的 要 求 非 常 嚴 格 ; 包 括 系 統 不 能 有 任 何 元 件 故 障 參 數 變 化 配 置 錯 誤 或 誤 報 除 了 外 場 免 疫 力, 測 試 系 統 自 身 不 能 產 生 顯 著 射 頻 或 傳 導 輻 射 可 靠 為 醫 療 設 備 應 用 關 鍵 CMOS 隔 離 器 適 用 於 心 電 圖 (ECG) 應 用 ( 圖 2), 來 自 設 備 放 大 器 的 類 比 輸 出 經 過 高 通 濾 波 器, 然 後 通 過 串 列 類 比 數 位 轉 換 器 (ADC) 轉 換 成 數 位 格 式 轉 換 後 的 資 料 通 過 增 強 型 5kV 特 數 位 隔 離 器 進 入 控 制 器 進 行 處 理 該 數 位 隔 離 器 每 個 通 道 都 可 進 行 高 達 150Mbit/s 無 瓶 頸 資 料 傳 輸 如 果 採 用 並 行 多 個 ADC 輸 出, 假 設 16 位 元 ADC, 則 隔 離 功 能 可 以 使 用 少 於 四 個 六 通 道 隔 離 器 實 現

60 圖 2 心 電 圖 前 端 示 意 圖 此 外,CMOS 隔 離 器 也 可 應 用 於 除 顫 器, 圖 3 顯 示 了 除 顫 器 電 源 部 分, 兩 個 高 側 / 低 側 隔 離 閘 極 驅 動 器 驅 動 全 橋 電 路 注 意, 此 電 路 僅 需 要 兩 個 標 準 高 側 閘 極 驅 動 器 電 路 實 現 全 橋 驅 動 解 決 方 案 每 個 閘 極 驅 動 器 具 有 片 上 輸 入 訊 號 調 整 電 路, 包 括 史 密 特 觸 發 器 (Schmitt-trigger) 輸 入 欠 壓 閉 鎖 (UVLO) 保 護 輸 入 輸 出 重 疊 保 護 和 死 區 空 載 時 間 產 生 器 對 於 安 全 性 至 關 重 要 的 醫 療 系 統 來 說, 這 些 功 能 對 於 可 靠 運 行 相 當 關 鍵 圖 3 基 於 ISOdriver 的 除 顫 器 電 源 隔 離 輸 入 端 之 後 是 增 強 型 雙 通 道 數 字 隔 離 器, 其 輸 出 連 接 到 閘 極 驅 動 器, 每 一 個 都 相 互 隔 離,

61 同 時 也 與 輸 入 隔 離 電 阻 RDT1 和 RDT2 決 定 了 添 加 到 每 個 迴 路 中 的 空 載 時 間 如 果 空 載 時 間 不 需 要,DT 輸 入 端 接 腳 應 當 連 接 到 本 地 VDD 除 了 提 供 邏 輯 輸 入 閘 極 驅 動 器, 芯 科 實 驗 室 (Silicon Labs) 也 提 供 增 強 的 功 能 相 容 光 耦 合 驅 動 器 的 替 代 產 品 Si822x 隔 離 閘 極 驅 動 器 能 夠 模 仿 光 耦 合 器 LED 行 為 的 輸 入 階 段, 可 直 接 替 換 諸 如 HCPL-3120 的 閘 極 驅 動 器 產 品, 也 提 供 低 功 耗 操 作, 工 作 溫 度 範 圍 內 有 更 好 的 效 能 和 可 靠 性 新 型 隔 離 技 術 加 持 系 統 安 全 性 倍 增 圖 4 為 相 移 調 變 全 橋 應 用, 典 型 的 用 於 龐 大 醫 療 系 統 中 的 供 電 系 統, 例 如 臨 床 核 磁 共 振 影 像 (MRI) 此 類 系 統 通 常 使 用 電 流 感 應 變 壓 器, 需 要 外 部 核 心 重 定 電 路 和 特 殊 的 布 局, 其 也 有 低 幅 度 的 輸 出 波 形, 通 常 導 致 低 的 電 磁 干 擾 效 能 圖 4 相 移 全 橋 應 用 中 的 乒 乓 模 式 隔 離 的 交 流 電 流 感 測 器, 例 如 芯 科 實 驗 室 的 Si850x/1x 元 件 提 供 整 合 的 重 定 電 路, 高 2VP-P 的 滿 刻 度 輸 出 訊 號, 測 量 精 度 5%, 小 尺 寸 和 低 功 耗 工 作, 可 支 援 50k~1MHz 頻 率 範 圍, 全 測 量 範 圍 為 5 10 和 20 安 培, 並 有 1kV 和 5kV 的 額 定 隔 離 電 壓 此 類 元 件 具 有 1.3 毫 歐 姆 (m) 低 功 耗 輸 入 阻 抗 和 2nH 的 串 聯 電 感 以 降 低 振 鈴 震 盪 圖 4 中 的 電 流 感 測 器 有 乒 乓 的 輸 出 模 式, 從 橋 式 4 接 腳 出 來 的 訊 號 可 供 分 開 的 輸 出 2 端 作 為 訊 號 監 控 機 制 當 Q1 和 Q4 處 於 開 啟 狀 態 時, 測 量 電 流 在 OUT2 接 腳 出 現 ; 當 Q2 和 Q3 處 於 開 啟 狀 態 時, 電 流 從 OUT1 輸 出 當 電 流 發 生 循 環 時, 積 分 器 重 定 觸 發 -- 即 當 Q1 和 Q2 同 時 打 開, 或 Q3 和 Q4 同 時 打 開 時

62 上述示例說明如何應用 CMOS 隔離器的電路級於電子醫療系統上 其他系統可能使用 CMOS 隔離器於不同的電路功能 如電壓電平轉換或消除接地迴路雜訊 表 3 顯示醫療 電子系統從 CMOS 隔離技術中獲益的部分列表 這些或其他應用程式的隔離需求導致大 量 CMOS 隔離器使用案例 醫療電子市場不斷發展過程中 CMOS 隔離器技術終將取代 傳統隔離技術 電子醫療系統必須具備可靠的整合隔離 確保病人和操作者的安全 嚴格的國際安全管 理機構為了得到一致的安全特性 根據其規範發放醫療電子系統認證 在這些系統中 隔離具有關鍵的作用 且必須是強健和可靠的 並且可節省空間和成本 光耦合器和變壓器已經為醫療系統形成了各式各樣的隔離電路方案 然而隨著技術的發 展 更小 更可靠和高效能隔離元件應運而生 如單封裝 多通道數位隔離器 交流電 流感應器和隔離閘極驅動器 這些隔離產品採用主流 CMOS 技術 與傳統方案相比 具 有顯著的優勢 其失誤率僅為光耦合器的十分之一 COMS 隔離產品是眾多電子醫療系 統的理想選擇 Silicon Labs 推 出 可 替 代 光 耦 合 器 的 數 位 隔 離 器 2012/10/11-李 懿 修 高 效 能 類 比 與 混 合 訊 號 IC 領 導 廠 商 Silicon Laboratories( 芯 科 實 驗 室 有 限 公 司 N A S D A Q S L A B ) 近 日 宣 布 推 出 業 界 首 款 光 耦 合 器 的 替 代 產 品 Si87xx 數 位 隔 離 器 其 基 於 主 流 CMOS 技 術 並 具 有 創 新 的 發 光 二 極 體 (LED)模 擬 輸 入 新 型 Si87xx 數 位 隔 離 器 提 供 完 美 的 接 腳 配 置 IC 封 裝 型 式 可 相 容 於

63 多 種 光 耦 合 器 產 品 其 卓 越 的 抗 雜 訊 能 力 更 高 效 能 和 可 靠 性 非 常 適 合 太 陽 能 逆 變 器 交 換 式 電 源 供 應 器 (SMPS) 不 斷 電 供 應 系 統 (UPS) 工 業 驅 動 器 可 程 式 邏 輯 控 制 器 (PLC) 高 壓 醫 療 設 備 以 及 其 他 使 用 光 耦合器的應用 放大 S i l i co n Labs 推 出 可 直 接 替 代 光 耦 合 器 的 數 位 隔 離 器 基 於 CMOS 技 術 的 Si87xx 隔 離 器 提 供 更 長 使 用 壽 命 和 卓 越 可 靠 性 使 製 造 商 可延長產品品質保證期 光 耦 合 器 的 使 用 歷 史 已 超 過 4 0 年 由 於 本 質 上 受 限 於 過 時 的 L E D 技 術 導 致 其 輸 出 訊 號 對 於 輸 入 電 流 溫 度 和 老 化 的 變 動 非 常 敏 感 輸 出 變 化 將 降 低 光 耦 合 器 生 命 週 期 中 的 運 行 效 能 和 可 靠 性 因 此 增 加 設 計 的 複 雜 度 縮 短 最 終 產 品 的 壽 命 受 其 老 化 的 影 響 光 耦 合 器 的 使 用 壽 命 通 常 僅 約 1 0 年 對 於 想 要 開 發 具 有 2 0 年 以 上 產 品 品 質 保 證 的 工 業 系 統 設 計 人員來說 是非常嚴重的問題 Silicon Labs 公 司 Si87xx 光 耦 替 代 元 件 採 用 基 於 CMOS 技 術 的 專 利 隔 離 架 構 完 全 消 除 基 於 LED 的 光 耦 合 器 特 有 的 敏 感 性 基 於 CMOS 製 程 的 電 容 隔 離 技 術 可 提 供 的 平 均 故 障 間 隔 時 間 (MTTF)是 光 耦 合 器 的 10 倍 以 上 透 過 提 供 更 長 的 產 品 壽 命 和 更 高 的 可 靠 性 Si87xx 隔 離 器 允 許 系 統 製 造 商 支 援 更 長 的 終 端 產 品 保 證 期 並 降 低 維 修 或 更 換 產 品 的 成 本 特 別 是 在 輸 入 導 通 電 流 時 極 小 的 變 化 特 性 簡 化 系 統 設 計 因 此 在 使 用 Si87xx 元 件 時 工 程 師 不 再 需 要 考 慮 老 化 對 設 備 產 生 的 影 響 Si87xx 系 列 產 品 基 於 Silicon Labs 公 司 業 界 領 先 的 電 容 隔 離 技 術 隔 離 等 級 高 達 5 k V 並 完 全 符 合 I E C 規 範 包 括 1 0 k V 電 湧 保 護 該 系 列 產 品 滿 足 I E C ( 增 強 絕 緣 ) 的 要 求 並 提 供 高 達 1,200V 工 作 電 壓 和 超 過 60 年 的 使 用 壽 命 除 了 其 特 有 對 於 溫 度 老 化 和 輸 入 電 流 影 響 的 抗 干 擾 能 力 之 外 Si87xx

64 隔 離 器 還 具 有 比 其 他 光 耦 合 器 更 顯 著 的 效 能 優 勢 1. Si87xx 元 件 輸 入 接 通 電 流 降 低 50% 輸 出 靜 態 電 流 降 低 10 倍 可 有 效 降 低 整 體 系 統 功 耗 2. Si87xx 數 位 隔 離 架 構 具 有 極 小 的 寄 生 電 容 可 提 升 共 模 瞬 變 抑 制 能 力 (CMTI)高 達 75% 因 此 可 提 高 系 統 資 料 的 完 整 性 而 基 於 LED 架 構 的 光 耦 合 器 存 在 高 寄 生 電 容 其 CMTI 較 差 因 此 可 能 導 致 隔 離 器 傳 遞 錯 誤 的 資 料 3. S i 8 7 x x 隔 離 器 優 於 光 耦 合 器 的 關 鍵 在 於 時 序 規 範 如 傳 播 延 遲 和 脈 衝 寬 度 失 真 因 此 可 實 現 更 快 更 準 確 並 且 更 高 效 的 資 料傳輸 Silicon Labs 副 總 裁 暨 存 取 電 源 和 感 測 器 產 品 總 經 理 Mark Thompson 表 示 新 型 S i 8 7 x x 系 列 產 品 說 明 了 業 界 於 隔 離 器 產 品 上 的 重 大 演 進 此 一 完 美 的 光 耦 替 代 產 品 其 IC 封 裝 型 式 及 接 腳 相 容 於 廣 泛 的 光 耦 合 器 產 品 對 於 現 今 使 用 過 時 光 耦 合 器 的 系 統 來 說 我 們 的 新 型 光 耦 替 代 解 決 方 案 可 以 顯 著 改 善 電 源 效 率 效 能 可 靠 性 和 產 品 壽 命 是 最 佳 的 選擇 所 有 Silicon Labs Si87xx 隔 離 器 均 採 用 創 新 的 LED 模 擬 輸 入 提 供 新 的 封 裝 選 擇 可 為 許 多 現 有 光 耦 合 器 提 供 完 全 相 容 的 立 即 升 級 Si8710 基 本 的 元 件 包 括 LED 模 擬 輸 入 和 開 路 集 極 式 (open-collector)輸 出 另 外 有 2 個 額 外 的 配 置 可 供 選 擇 Si8711 增 加 整 合 的 上 拉 電 阻 器 Si8712 包含專用的啟用接腳 可以非同步控制輸出 DIGITIMES 中 文 網 原 文 網 址 : Silicon Labs 推 出 可 替 代 光 耦 合 器 的 數 位隔離器 Cat1=&id=304975#ixzz2n8jVdOg0 光電耦合元件[編輯] 維基百科 自由的百科全書 LED 與光電耦合元件的概要圖

65 光電耦合元件是以光作為媒體來傳輸電信號的一組裝置 其功能是平時維持電信號輸入 輸出間有良 好的隔離作用 需要時可以使電信號通過隔離層的傳送方式 光電耦合元件 英語 Opto-isolator, 英語 optical coupler 或縮寫為 OC 亦稱光耦合器 光隔離器以及光電隔離器 簡稱光耦 光電耦合元件可分為類比與數位兩種 主要由光發射器和光偵測器組成 兩種元件通常會整合到同一 個封裝 但它們之間除了光束之外不會有任何電氣或實體連接 光電耦合元件的光發射器大都是發光二極體 LED 光偵測器的種類比較多 但多半由光電二極體 或光電晶體擔任 目錄 [隱藏] 1 結構 2 應用 3 種類 4 參看 5 外部聯結 結構[編輯] 光耦合器一般由三部分組成 光的發射 光的接收及信號放大 輸入的電信號驅動發光二極體 使之發出一定波長的光 被光探測器接收而產生光電流 再經過進一 步放大後輸出 這就完成了電 光 電的轉換 從而起到輸入 輸出 隔離的作用 由於光耦合器輸 入輸出間互相隔離 電信號傳輸具有單向性等特點 因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力 又由 於光耦合器的輸入端屬於電流型工作的低阻元件 因而具有很強的共模抑制能力 所以 它在長線傳 輸資訊中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比 在電腦數位通信及即時控制中作為信號隔離的介面 器件 可以大大增加其工作之可靠性 應用[編輯] 光電耦合元件廣泛用於電氣絕緣 電平轉換 級間耦合 驅動電路 開關電路 斬波器 多諧振盪器 信號隔離 級間隔離 脈衝放大電路 數位儀錶 遠距離信號傳輸 脈衝放大 固態繼電器(SSR) 儀器儀錶 通信設備及微機電介面中 在單片開關電源中 利用線性光耦合器可構成光耦回饋電路 通過調節控制端電流來改變占空比 達 到精密穩壓目的 種類[編輯] 電晶體耦合器 具有較高的換能效率 高耐壓性 低輸入驅動能力

66 高速積體電路輸出耦合器 它有提供高速集成光能力的接收元件 速度為 1 10 兆赫茲 三端雙向可控矽耦合器 這種類型的耦合器主要用來控制 AC 載荷 例如發動機和螺線管 光控繼電器 能轉換類比信號 因為在一個輸出處裏裝配一個 MOSFET 有線性輸出特徵 參看[編輯] 光電 Galvanic isolation 外部聯結 摘 要 线性光耦合器是目前国际上正推广应用的一种新型光电隔离器件 文中介绍其性能特 点 产品分类 以及它在单片开关电源中的应用 光耦合器 optical coupler 英文缩写为 OC 亦称光电隔离器或光电耦合 器 简称光耦 它是以光为媒介来传输电信号的器件 通常把发光器 红外线发光二极管 LED 与受光器 光敏半导体管 封装在同一管壳内 当输入端加电信号时发光器发出光线 受光器接受光线之后就产生光电流 从输出端流出 从而实现了 电 光 电 转换 普通 光耦合器只能传输数字 开关 信号 不适合传输模拟信号 近年来问世的线性光耦合器能 够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号 使其应用领域大为拓宽 1 光耦合器的类型及性能特点 1.1 光耦合器的类型 光耦合器有双列直插式 管式 光导纤维式等多种封装形式 其种类达数十种 光 耦合器的分类及内部电路如图 1 所示 图中是 8 种典型产品的型号 (a)通用型(无基极引线) (b)通用型(有基极引线) (c)达林顿型 (d)高速型 (e)光集成电路 (f)光纤型 (g)光敏 晶闸管型 (h)光敏场效应管型 1.2 光耦合器的性能特点 光耦合器的主要优点是单向传输信号 输入端与输出端完全实现了电气隔离 抗干 扰能力强 使用寿命长 传输效率高 它广泛用于电平转换 信号隔离 级间隔离 开关 电路 远距离信号传输 脉冲放大 固态继电器(SSR) 仪器仪表 通信设备及微机接口中 在单片开关电源中 利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路 通过调节控制端电流来改变占 空比 达到精密稳压目的

67 1.3 光 耦 合 器 的 技 术 参 数 主 要 有 发 光 二 极 管 正 向 压 降 VF 正 向 电 流 IF 电 流 传 输 比 CTR 输 入 级 与 输 出 级 之 间 的 绝 缘 电 阻 集 电 极 - 发 射 极 反 向 击 穿 电 压 V(BR)CEO 集 电 极 - 发 射 极 饱 和 压 降 VCE(sat) 此 外, 在 传 输 数 字 信 号 时 还 需 考 虑 上 升 时 间 下 降 时 间 延 迟 时 间 和 存 储 时 间 等 参 数 常 用 参 数 : 正 向 压 降 VF: 二 极 管 通 过 的 正 向 电 流 为 规 定 值 时, 正 负 极 之 间 所 产 生 的 电 压 降 正 向 电 流 IF: 在 被 测 管 两 端 加 一 定 的 正 向 电 压 时 二 极 管 中 流 过 的 电 流 反 向 电 流 IR: 在 被 测 管 两 端 加 规 定 反 向 工 作 电 压 VR 时, 二 极 管 中 流 过 的 电 流 反 向 击 穿 电 压 VBR:: 被 测 管 通 过 的 反 向 电 流 IR 为 规 定 值 时, 在 两 极 间 所 产 生 的 电 压 降 结 电 容 CJ: 在 规 定 偏 压 下, 被 测 管 两 端 的 电 容 值 反 向 击 穿 电 压 V(BR)CEO: 发 光 二 极 管 开 路, 集 电 极 电 流 IC 为 规 定 值, 集 电 极 与 发 射 集 间 的 电 压 降 输 出 饱 和 压 降 VCE(sat): 发 光 二 极 管 工 作 电 流 IF 和 集 电 极 电 流 IC 为 规 定 值 时, 并 保 持 IC/IF CTRmin 时 (CTRmin 在 被 测 管 技 术 条 件 中 规 定 ) 集 电 极 与 发 射 极 之 间 的 电 压 降 反 向 截 止 电 流 ICEO: 发 光 二 极 管 开 路, 集 电 极 至 发 射 极 间 的 电 压 为 规 定 值 时, 流 过 集 电 极 的 电 流 为 反 向 截 止 电 流 电 流 传 输 比 CTR: 输 出 管 的 工 作 电 压 为 规 定 值 时, 输 出 电 流 和 发 光 二 极 管 正 向 电 流 之 比 为 电 流 传 输 比 CTR 脉 冲 上 升 时 间 tr 下 降 时 间 tf: 光 耦 合 器 在 规 定 工 作 条 件 下, 发 光 二 极 管 输 入 规 定 电 流 IFP 的 脉 冲 波, 输 出 端 管 则 输 出 相 应 的 脉 冲 波, 从 输 出 脉 冲 前 沿 幅 度 的 10% 到 90%, 所 需 时 间 为 脉 冲 上 升 时 间 tr 从 输 出 脉 冲 后 沿 幅 度 的 90% 到 10%, 所 需 时 间 为 脉 冲 下 降 时 间 tf 传 输 延 迟 时 间 tphl tplh: 光 耦 合 器 在 规 定 工 作 条 件 下, 发 光 二 极 管 输 入 规 定 电 流 IFP 的 脉 冲 波, 输 出 端 管 则 输 出 相 应 的 脉 冲 波, 从 输 入 脉 冲 前 沿 幅 度 的 50% 到 输 出 脉 冲 电 平 下 降 到 1.5V 时 所 需 时 间 为 传 输 延 迟 时 间 tphl 从 输 入 脉 冲 后 沿 幅 度 的 50% 到 输 出 脉 冲 电 平 上 升 到 1.5V 时 所 需 时 间 为 传 输 延 迟 时 间 tplh 入 出 间 隔 离 电 容 CIO: 光 耦 合 器 件 输 入 端 和 输 出 端 之 间 的 电 容 值 入 出 间 隔 离 电 阻 RIO: 半 导 体 光 耦 合 器 输 入 端 和 输 出 端 之 间 的 绝 缘 电 阻 值 入 出 间 隔 离 电 压 VIO: 光 耦 合 器 输 入 端 和 输 出 端 之 间 绝 缘

68 电 流 传 输 比 是 光 耦 合 器 的 重 要 参 数, 通 常 用 直 流 电 流 传 输 比 来 表 示 当 输 出 电 压 保 持 恒 定 时, 它 等 于 直 流 输 出 电 流 IC 与 直 流 输 入 电 流 IF 的 百 分 比 采 用 一 只 光 敏 三 极 管 的 光 耦 合 器,CTR 的 范 围 大 多 为 20%~300%( 如 4N35), 而 PC817 则 为 80%~160%, 达 林 顿 型 光 耦 合 器 ( 如 4N30) 可 达 100%~5000% 这 表 明 欲 获 得 同 样 的 输 出 电 流, 后 者 只 需 较 小 的 输 入 电 流 因 此,CTR 参 数 与 晶 体 管 的 hfe 有 某 种 相 似 之 处 线 性 光 耦 合 器 与 普 通 光 耦 合 器 典 型 的 CTR-IF 特 性 曲 线, 分 别 如 图 2 中 的 虚 线 和 实 线 所 示 普 通 光 耦 合 器 的 CTR-IF 特 性 曲 线 呈 非 线 性, 在 IF 较 小 时 的 非 线 性 失 真 尤 为 严 重, 因 此 它 不 适 合 传 输 模 拟 信 号 线 性 光 耦 合 器 的 CTR-IF 特 性 曲 线 具 有 良 好 的 线 性 度, 特 别 是 在 传 输 小 信 号 时, 其 交 流 电 流 传 输 比 (ΔCTR=ΔIC/ΔIF) 很 接 近 于 直 流 电 流 传 输 比 CTR 值 因 此, 它 适 合 传 输 模 拟 电 压 或 电 流 信 号, 能 使 输 出 与 输 入 之 间 呈 线 性 关 系 这 是 其 重 要 特 性 2 线 性 光 耦 合 器 的 产 品 分 类 及 选 取 原 则 2.1 线 性 光 耦 合 器 的 产 品 分 类 线 性 光 耦 合 器 的 典 型 产 品 及 主 要 参 数 见 表 1, 这 些 光 耦 均 以 光 敏 三 极 管 作 为 接 收 管 2.2 线 性 光 耦 合 器 的 选 取 原 则 在 设 计 光 耦 反 馈 式 开 关 电 源 时 必 须 正 确 选 择 线 性 光 耦 合 器 的 型 号 及 参 数, 选 取 原 则 如 下 : 1 光 耦 合 器 的 电 流 传 输 比 (CTR) 的 允 许 范 围 是 50%~200% 这 是 因 为 当 CTR<50% 时, 光 耦 中 的 LED 就 需 要 较 大 的 工 作 电 流 (IF>5.0mA), 才 能 正 常 控 制 单 片 开 关 电 源 IC 的 占 空 比, 这 会 增 大 光 耦 的 功 耗 若 CTR>200%, 在 启 动 电 路 或 者 当 负 载 发 生 突 变 时, 有 可 能 将 单 片 开 关 电 源 误 触 发, 影 响 正 常 输 出 2 推 荐 采 用 线 性 光 耦 合 器, 其 特 点 是 CTR 值 能 够 在 一 定 范 围 内 做 线 性 调 整 3 由 英 国 埃 索 柯 姆 (Isocom) 公 司 美 国 摩 托 罗 拉 公 司 生 产 的 4N 系 列 ( 如 4N25 4N26 4N35) 光 耦 合 器, 目 前 在 国 内 应 用 地 十 分 普 遍 鉴 于 此 类 光 耦 合 器 呈 现 开 关 特 性, 其 线 性 度 差, 适 宜 传 输 数 字 信 号 ( 高 低 电 平 ), 因 此 不 推 荐 用 在 开 关 电 源 中 光 电 偶 合 器 件 ( 简 称 光 耦 ) 是 把 发 光 器 件 ( 如 发 光 二 极 体 ) 和 光 敏 器 件 ( 如 光 敏 三 极 管 ) 组 装 在 一 起, 通 过 光 线 实 现 耦 合 构 成 电 光 和 光 电 的 转 换 器 件 光 电 耦 合 器 分 为 很 多 种 类, 图 1 所 示 为 常 用 的 三 极 管 型 光 电 耦 合 器 原 理 图 当 电 信 号 送 入 光 电 耦 合 器 的 输 入 端 时, 发 光 二 极 体 通 过 电 流 而 发 光, 光 敏 元 件 受 到 光 照 后 产 生 电 流,CE 导 通 ; 当 输 入 端 无 信 号, 发 光 二 极 体 不 亮, 光 敏 三 极 管 截 止,CE 不 通 对 于 数

69 位 量, 当 输 入 为 低 电 平 0 时, 光 敏 三 极 管 截 止, 输 出 为 高 电 平 1 ; 当 输 入 为 高 电 平 1 时, 光 敏 三 极 管 饱 和 导 通, 输 出 为 低 电 平 0 若 基 极 有 引 出 线 则 可 满 足 温 度 补 偿 检 测 调 制 要 求 这 种 光 耦 合 器 性 能 较 好, 价 格 便 宜, 因 而 应 用 广 泛 图 一 最 常 用 的 光 电 耦 合 器 之 内 部 结 构 图 三 极 管 接 收 型 4 脚 封 装

70 本 文 相 關 DataSheet: 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, 並 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 製 中 的 隔 離 電 樞 電 流 和 電 壓 傳 感 器, 電 動 機 地 與 控 製 係 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 於 高 頻 開 關 狀 態 的 功 率 電 路 與 控 製 電 路 往 往 不 在 同 一 電 路 板 上, 為 了 防 止 強 電 磁 幹 擾 串 到 微 機 係 統 導 致 係 統 運 行 異 常, 並 降 低 EMI 和 工 頻 幹 擾, 在 信 號 傳 送 的 時 候 需 要 嚴 格 隔 離 在 工 業 過 程 控 製 與 測 量 係 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 於 保 證 係 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 係 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