自動化控制模塊PLC免受瞬態浪涌的方案

自動化控制模塊也叫可編程邏輯控制器，簡稱PLC。這些PLC已針對安裝它們的惡劣環境進行了強化。大部分保護是機械的，以防止極端溫度和濕度等因素。然而，電磁干擾 (EMI)、電快速瞬變 (EFT) 突發和靜電放電 (ESD) 等看不見的元素會產生較大的電壓瞬變，從而破壞未受保護的設備。

上海雷卯EMC小哥說：使用細致的布局和適當的保護電路以及適當設計的隔離可以確保工業控制系統多年的不間斷使用壽命。

背景

自1801年發明提花織機以來，PLC就已經存在，使用穿孔卡來控制將圖案編織到織物中的鉤子。很久以后，微處理器進入勞動力市場，電子設備取代了機械控制。小型工業計算機使用旨在簡化過程和機器控制的編程語言，徹底改變了制造業。

人們也很快認識到，產生半導體的物理學可能導致PLC在工業應用中的消亡。這些危險來自工業環境中發現的各種電磁事件引起的瞬態電流浪涌。浪涌會在其他電纜上感應電壓，導致從未設計用于處理它們的電路上出現大電壓。如果超過絕對最大值，半導體器件的損壞通常是不可避免的。

浪涌類型

EMC小哥總結以下幾種類型的瞬態浪涌會損壞電子設備。

(1)最常見的ESD是由人或設備上的電荷積聚引起的。放電時，會產生極大的電壓，損壞或破壞半導體元件。

(2)損壞可能是由這種自然現象造成的，比如閃電，或者是簡單地穿著絕緣鞋，四處走動，然后觸摸設備，尤其是連接器。

(3)當電機或電磁閥等感應負載被繼電器或開關斷開時，就會發生EFT爆發。電感器儲存能量，當電路打開時，隨著電感器釋放能量，電流將繼續流動.

V = L(di/dt)，其中 V 以伏特為單位，L 以亨利為單位，i 以安培為單位，t 以秒為單位。

在電路打開的那一刻，di/dt可以變得非常大(理論上是無限的)。這導致繼電器觸點(或半導體開關)的氣隙上產生極高的電壓。在繼電器或開關觸點的情況下，電壓可以增長到足以電離空氣并形成電弧。

電弧具有負電阻，因此隨著電流的流動，它將降低電阻，再次暫時閉合電路，直到電弧熄滅。這可能會持續許多周期，每個周期都會導致非常大的電壓尖峰(圖1)。驅動電路受到反向電動勢脈沖的保護。但是，電纜通常捆綁在一起，這些尖峰將以共模出現在所有電線上。

圖1電快速瞬變 (EFT) 突發(頂部)重復，直到感性負載中的能量消散。這可能需要許多周期并持續數毫秒。

因此，即使侵略者信號(浪涌的發起者)受到保護并且位于完全不同的電路上，EFT 突發也會在其他(受害)電線上感應電壓，這些電線能夠破壞它們所連接的電子設備。將承載電纜與信號布線一起運行是很常見的，信號布線可能會暴露在這些大尖峰下。

與ESD暴露不同，這些瞬變在正常工作期間連續發生。每當開關、繼電器或其他控制打開感性負載的電路時，就會出現這些類型的尖峰。

浪涌和破壞性電流的其他來源

(1)閃電、用戶引起的 ESD、EFT 突發和其他 EMI 源會對 I/O 模塊構成威脅。然而，其他來源，如瞬態和其他靜態源引起的接地差分，可能會損壞接口和敏感的測量電子元件。

什么被認為是“地面”與測量完全相關。電源的“接地”是返回連接的本地。但通常，由于接地路徑中的電阻，設備之間的接地可能相距數伏，嚴重時可達數百伏或更高。接地中的電阻會導致這種接地差分，該差分可以是靜態的，也可以是動態的。

在圖2中，流向地面的電流(IG)會遇到諸如土壤或接地連接不良之類的電阻。當電流流過該電阻時，其上會出現一個電壓，將理想接地(0 V)移動到不同的位置(根據極性更高或更低)。

圖2. 通過RG從V1流向地的電流可以在兩點(VG1和VG2)之間移動地電位，從而在地之間產生差分電壓。在瞬態條件下，這可以達到數百伏或更高

(2)雷電感應電流是瞬態的，可以在極端電壓下改變接地差分。盡管這些浪涌是瞬態的，但由于它們的高電流，它們可能會造成重大損害。在使用屏蔽線或中性線(非浮動)的布線中尤其如此。

保護策略

(1)IEC61000-4-4 等標準規定了設備在電纜進入機箱時必須承受的級別。這些標準可以測試瞬態為4000 V的連接(圖1)。由于ESD和EFT脈沖群的整體能量都很低，因此最好使用瞬態電壓抑制器(TVS)二極管將這些脈沖箝位到地。

這些二極管具有非常低的電容，應盡可能靠近入口點，靠近電線端接的連接器或針座。對于差分信號，TVS二極管應置于共模(差分對兩端)。應與接地層建立足夠的連接，以防止浪涌在印刷電路板(PCB)內出現額外的環路電流，從而導致額外的大電壓尖峰。

(2)為了防止接地偏移，隔離是唯一的答案。可以通過多種方式實現隔離。隔離電源中的變壓器耦合工作得很好，允許系統接地相對于地球接地“浮動”。變壓器只適用于低頻隔離，需要交流信號才能跨越隔離柵。對于直流控制或高頻應用(如通信)，光隔離器非常有用。

但在許多應用中，由于工作溫度升高，LED會隨著年齡的增長而退化，這是高可靠性工業控制系統中應避免的。隔離器的光電二極管接收器部分的頻率響應通常受到限制，從而限制了通過器件的最大工作數據速率。

(3)或者，半導體隔離器(如ISO7131CC)通過器件內的電容耦合提供電流隔離。它們可以提供許多標準所需的超過 2500 VRMS 的隔離，數據速率超過 40 至 50 Mbits/s。

固態器件的優點是沒有用于光隔離的 LED，隨著時間的推移，光隔離會降低并失去性能。這些器件還允許兩側通過獨立的接地和 VCC 連接完全隔離。

結論

EMC小哥總結如下：工業級PLC系統的設計人員除了電磁環境外，還需要擔心安裝系統的機械環境。閃電、接地環路、ESD 和 EFT 突發等多種事件會產生潛在的破壞性浪涌。

設計人員必須考慮他們正在構建的標準以及可能損壞暴露在這些環境中的系統的真實事件。使用精心的布局和適當的保護電路以及正確設計的隔離可以確保工業控制系統的多年不間斷使用壽命。

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審核編輯：湯梓紅