自動(dòng)化控制模塊PLC免受瞬態(tài)浪涌的方案

自動(dòng)化控制模塊也叫可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC。這些PLC已針對(duì)安裝它們的惡劣環(huán)境進(jìn)行了強(qiáng)化。大部分保護(hù)是機(jī)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(fā)和靜電放電 (ESD) 等看不見(jiàn)的元素會(huì)產(chǎn)生較大的電壓瞬變，從而破壞未受保護(hù)的設(shè)備。

上海雷卯EMC小哥說(shuō)：使用細(xì)致的布局和適當(dāng)?shù)?a href="http://ttokpm.com/tags/保護(hù)電路/" target="_blank">保護(hù)電路以及適當(dāng)設(shè)計(jì)的隔離可以確保工業(yè)控制系統(tǒng)多年的不間斷使用壽命。

背景

自1801年發(fā)明提花織機(jī)以來(lái)，PLC就已經(jīng)存在，使用穿孔卡來(lái)控制將圖案編織到織物中的鉤子。很久以后，微處理器進(jìn)入勞動(dòng)力市場(chǎng)，電子設(shè)備取代了機(jī)械控制。小型工業(yè)計(jì)算機(jī)使用旨在簡(jiǎn)化過(guò)程和機(jī)器控制的編程語(yǔ)言，徹底改變了制造業(yè)。

人們也很快認(rèn)識(shí)到，產(chǎn)生半導(dǎo)體的物理學(xué)可能導(dǎo)致PLC在工業(yè)應(yīng)用中的消亡。這些危險(xiǎn)來(lái)自工業(yè)環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的各種電磁事件引起的瞬態(tài)電流浪涌。浪涌會(huì)在其他電纜上感應(yīng)電壓，導(dǎo)致從未設(shè)計(jì)用于處理它們的電路上出現(xiàn)大電壓。如果超過(guò)絕對(duì)最大值，半導(dǎo)體器件的損壞通常是不可避免的。

浪涌類(lèi)型

EMC小哥總結(jié)以下幾種類(lèi)型的瞬態(tài)浪涌會(huì)損壞電子設(shè)備。

（1）最常見(jiàn)的ESD是由人或設(shè)備上的電荷積聚引起的。放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極大的電壓，損壞或破壞半導(dǎo)體元件。

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

（3）當(dāng)電機(jī)或電磁閥等感應(yīng)負(fù)載被繼電器或開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，就會(huì)發(fā)生EFT爆發(fā)。電感器儲(chǔ)存能量，當(dāng)電路打開(kāi)時(shí)，隨著電感器釋放能量，電流將繼續(xù)流動(dòng).

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(kāi)的那一刻，di/dt可以變得非常大(理論上是無(wú)限的)。這導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)(或半導(dǎo)體開(kāi)關(guān))的氣隙上產(chǎn)生極高的電壓。在繼電器或開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的情況下，電壓可以增長(zhǎng)到足以電離空氣并形成電弧。

電弧具有負(fù)電阻，因此隨著電流的流動(dòng)，它將降低電阻，再次暫時(shí)閉合電路，直到電弧熄滅。這可能會(huì)持續(xù)許多周期，每個(gè)周期都會(huì)導(dǎo)致非常大的電壓尖峰(圖1)。驅(qū)動(dòng)電路受到反向電動(dòng)勢(shì)脈沖的保護(hù)。但是，電纜通常捆綁在一起，這些尖峰將以共模出現(xiàn)在所有電線上。

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

因此，即使侵略者信號(hào)(浪涌的發(fā)起者)受到保護(hù)并且位于完全不同的電路上，EFT 突發(fā)也會(huì)在其他(受害)電線上感應(yīng)電壓，這些電線能夠破壞它們所連接的電子設(shè)備。將承載電纜與信號(hào)布線一起運(yùn)行是很常見(jiàn)的，信號(hào)布線可能會(huì)暴露在這些大尖峰下。

與ESD暴露不同，這些瞬變?cè)谡９ぷ髌陂g連續(xù)發(fā)生。每當(dāng)開(kāi)關(guān)、繼電器或其他控制打開(kāi)感性負(fù)載的電路時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這些類(lèi)型的尖峰。

浪涌和破壞性電流的其他來(lái)源

（1）閃電、用戶引起的 ESD、EFT 突發(fā)和其他 EMI 源會(huì)對(duì) I/O 模塊構(gòu)成威脅。然而，其他來(lái)源，如瞬態(tài)和其他靜態(tài)源引起的接地差分，可能會(huì)損壞接口和敏感的測(cè)量電子元件。

什么被認(rèn)為是“地面”與測(cè)量完全相關(guān)。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(shè)備之間的接地可能相距數(shù)伏，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)數(shù)百伏或更高。接地中的電阻會(huì)導(dǎo)致這種接地差分，該差分可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)的。

在圖2中，流向地面的電流(IG)會(huì)遇到諸如土壤或接地連接不良之類(lèi)的電阻。當(dāng)電流流過(guò)該電阻時(shí)，其上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓，將理想接地(0 V)移動(dòng)到不同的位置(根據(jù)極性更高或更低)。

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

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

保護(hù)策略

（1）IEC61000-4-4 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了設(shè)備在電纜進(jìn)入機(jī)箱時(shí)必須承受的級(jí)別。這些標(biāo)準(zhǔn)可以測(cè)試瞬態(tài)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(tài)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(yīng)盡可能靠近入口點(diǎn)，靠近電線端接的連接器或針座。對(duì)于差分信號(hào)，TVS二極管應(yīng)置于共模(差分對(duì)兩端)。應(yīng)與接地層建立足夠的連接，以防止浪涌在印刷電路板(PCB)內(nèi)出現(xiàn)額外的環(huán)路電流，從而導(dǎo)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?？梢酝ㄟ^(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)隔離。隔離電源中的變壓器耦合工作得很好，允許系統(tǒng)接地相對(duì)于地球接地“浮動(dòng)”。變壓器只適用于低頻隔離，需要交流信號(hào)才能跨越隔離柵。對(duì)于直流控制或高頻應(yīng)用(如通信)，光隔離器非常有用。

但在許多應(yīng)用中，由于工作溫度升高，LED會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而退化，這是高可靠性工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)避免的。隔離器的光電二極管接收器部分的頻率響應(yīng)通常受到限制，從而限制了通過(guò)器件的最大工作數(shù)據(jù)速率。

（3)或者，半導(dǎo)體隔離器(如ISO7131CC)通過(guò)器件內(nèi)的電容耦合提供電流隔離。它們可以提供許多標(biāo)準(zhǔn)所需的超過(guò) 2500 VRMS 的隔離，數(shù)據(jù)速率超過(guò) 40 至 50 Mbits/s。

固態(tài)器件的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有用于光隔離的 LED，隨著時(shí)間的推移，光隔離會(huì)降低并失去性能。這些器件還允許兩側(cè)通過(guò)獨(dú)立的接地和 VCC 連接完全隔離。

結(jié)論

EMC小哥總結(jié)如下：工業(yè)級(jí)PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員除了電磁環(huán)境外，還需要擔(dān)心安裝系統(tǒng)的機(jī)械環(huán)境。閃電、接地環(huán)路、ESD 和 EFT 突發(fā)等多種事件會(huì)產(chǎn)生潛在的破壞性浪涌。

設(shè)計(jì)人員必須考慮他們正在構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)以及可能損壞暴露在這些環(huán)境中的系統(tǒng)的真實(shí)事件。使用精心的布局和適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路以及正確設(shè)計(jì)的隔離可以確保工業(yè)控制系統(tǒng)的多年不間斷使用壽命。

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