自动化控制模块PLC免受瞬态浪涌的方案

自动化控制模块也叫可编程逻辑控制器，简称PLC。这些PLC已针对安装它们的恶劣环境进行了强化。大部分保护是机械的，以防止极端温度和湿度等因素。然而，电磁干扰 (EMI)、电快速瞬变 (EFT) 突发和静电放电 (ESD) 等看不见的元素会产生较大的电压瞬变，从而破坏未受保护的设备。

上海雷卯EMC小哥说：使用细致的布局和适当的保护电路以及适当设计的隔离可以确保工业控制系统多年的不间断使用寿命。

背景

自1801年发明提花织机以来，PLC就已经存在，使用穿孔卡来控制将图案编织到织物中的钩子。很久以后，微处理器进入劳动力市场，电子设备取代了机械控制。小型工业计算机使用旨在简化过程和机器控制的编程语言，彻底改变了制造业。

人们也很快认识到，产生半导体的物理学可能导致PLC在工业应用中的消亡。这些危险来自工业环境中发现的各种电磁事件引起的瞬态电流浪涌。浪涌会在其他电缆上感应电压，导致从未设计用于处理它们的电路上出现大电压。如果超过绝对最大值，半导体器件的损坏通常是不可避免的。

浪涌类型

EMC小哥总结以下几种类型的瞬态浪涌会损坏电子设备。

（1）最常见的ESD是由人或设备上的电荷积聚引起的。放电时，会产生极大的电压，损坏或破坏半导体元件。

（2）损坏可能是由这种自然现象造成的，比如闪电，或者是简单地穿着绝缘鞋，四处走动，然后触摸设备，尤其是连接器。

（3）当电机或电磁阀等感应负载被继电器或开关断开时，就会发生EFT爆发。电感器储存能量，当电路打开时，随着电感器释放能量，电流将继续流动.

V = L(di/dt)，其中 V 以伏特为单位，L 以亨利为单位，i 以安培为单位，t 以秒为单位。

在电路打开的那一刻，di/dt可以变得非常大(理论上是无限的)。这导致继电器触点(或半导体开关)的气隙上产生极高的电压。在继电器或开关触点的情况下，电压可以增长到足以电离空气并形成电弧。

电弧具有负电阻，因此随着电流的流动，它将降低电阻，再次暂时闭合电路，直到电弧熄灭。这可能会持续许多周期，每个周期都会导致非常大的电压尖峰(图1)。驱动电路受到反向电动势脉冲的保护。但是，电缆通常捆绑在一起，这些尖峰将以共模出现在所有电线上。

图1电快速瞬变 (EFT) 突发(顶部)重复，直到感性负载中的能量消散。这可能需要许多周期并持续数毫秒。

因此，即使侵略者信号(浪涌的发起者)受到保护并且位于完全不同的电路上，EFT 突发也会在其他(受害)电线上感应电压，这些电线能够破坏它们所连接的电子设备。将承载电缆与信号布线一起运行是很常见的，信号布线可能会暴露在这些大尖峰下。

与ESD暴露不同，这些瞬变在正常工作期间连续发生。每当开关、继电器或其他控制打开感性负载的电路时，就会出现这些类型的尖峰。

浪涌和破坏性电流的其他来源

（1）闪电、用户引起的 ESD、EFT 突发和其他 EMI 源会对 I/O 模块构成威胁。然而，其他来源，如瞬态和其他静态源引起的接地差分，可能会损坏接口和敏感的测量电子元件。

什么被认为是“地面”与测量完全相关。电源的“接地”是返回连接的本地。但通常，由于接地路径中的电阻，设备之间的接地可能相距数伏，严重时可达数百伏或更高。接地中的电阻会导致这种接地差分，该差分可以是静态的，也可以是动态的。

在图2中，流向地面的电流(IG)会遇到诸如土壤或接地连接不良之类的电阻。当电流流过该电阻时，其上会出现一个电压，将理想接地(0 V)移动到不同的位置(根据极性更高或更低)。

图2. 通过RG从V1流向地的电流可以在两点(VG1和VG2)之间移动地电位，从而在地之间产生差分电压。在瞬态条件下，这可以达到数百伏或更高

（2）雷电感应电流是瞬态的，可以在极端电压下改变接地差分。尽管这些浪涌是瞬态的，但由于它们的高电流，它们可能会造成重大损害。在使用屏蔽线或中性线(非浮动)的布线中尤其如此。

保护策略

（1）IEC61000-4-4 等标准规定了设备在电缆进入机箱时必须承受的级别。这些标准可以测试瞬态为4000 V的连接(图1)。由于ESD和EFT脉冲群的整体能量都很低，因此最好使用瞬态电压抑制器(TVS)二极管将这些脉冲箝位到地。

这些二极管具有非常低的电容，应尽可能靠近入口点，靠近电线端接的连接器或针座。对于差分信号，TVS二极管应置于共模(差分对两端)。应与接地层建立足够的连接，以防止浪涌在印刷电路板(PCB)内出现额外的环路电流，从而导致额外的大电压尖峰。

（2）为了防止接地偏移，隔离是唯一的答案。可以通过多种方式实现隔离。隔离电源中的变压器耦合工作得很好，允许系统接地相对于地球接地“浮动”。变压器只适用于低频隔离，需要交流信号才能跨越隔离栅。对于直流控制或高频应用(如通信)，光隔离器非常有用。

但在许多应用中，由于工作温度升高，LED会随着年龄的增长而退化，这是高可靠性工业控制系统中应避免的。隔离器的光电二极管接收器部分的频率响应通常受到限制，从而限制了通过器件的最大工作数据速率。

（3)或者，半导体隔离器(如ISO7131CC)通过器件内的电容耦合提供电流隔离。它们可以提供许多标准所需的超过 2500 VRMS 的隔离，数据速率超过 40 至 50 Mbits/s。

固态器件的优点是没有用于光隔离的 LED，随着时间的推移，光隔离会降低并失去性能。这些器件还允许两侧通过独立的接地和 VCC 连接完全隔离。

结论

EMC小哥总结如下：工业级PLC系统的设计人员除了电磁环境外，还需要担心安装系统的机械环境。闪电、接地环路、ESD 和 EFT 突发等多种事件会产生潜在的破坏性浪涌。

设计人员必须考虑他们正在构建的标准以及可能损坏暴露在这些环境中的系统的真实事件。使用精心的布局和适当的保护电路以及正确设计的隔离可以确保工业控制系统的多年不间断使用寿命。

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