工业自动化应用的电路保护解决方案

时间：2017-03-13 15:32:30

关键字：工业控制电路保护

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[导读]工业物联网(IIoT)为工厂自动化系统带来更多连接功能的同时，也使得这些系统特别容易遭受来自各种威胁的电气损坏。本文概述了适用于各种工业自动化应用的电路保护解决方案。

最初的工业革命标志着从利用人力和畜力来制造向利用以水和蒸汽为动力的机器来制造的转变。能够将电力应用到大规模的商品生产这一发明，成就了第二次工业革命。第三次工业革命是利用计算机实现自动化生产过程的结果。第四次工业革命标志着从“哑巴”机器(装配线、独立的自动化喷漆机和电焊机等)到通过集成传感器和处理器—更重要的是，通过将它们连接在一起并通过工业物联网(IIoT)连接到操作中心而使之变得更智能和可自我配置的机器的转变。

第四次工业革命有时被称为工业4.0，它的目标是使生产更加高效、更具成本效益和更灵活，并且能够在更短时间内为客户提供更好的产品。

然而，IIoT为工厂自动化系统带来的更多的连接功能，也使得这些系统特别容易遭受来自各种威胁的电气损坏。这些威胁包括通过数据和电源连接(工业以太网、PoE、CAN总线、RS-485、Profibus/现场总线等)传导的静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群(EFT)、电缆放电事件(CDE)、雷电感应浪涌以及当大型电机启动或关闭时发生的系统感应电压瞬变等。

工业环境中设计和部署自动化系统的工程师需要了解适当的电路保护解决方案，如TVS二极管、TVS二极管阵列、气体放电管和SIDACtor保护晶闸管，以帮助减少(或消除)所涉及的风险。

本文概述了适用于各种工业自动化应用的电路保护解决方案，以及它们为确保未来工厂发展所需系统可靠性所提供的优势。

工业以太网

工业以太网(IE)将标准的以太网协议与坚固耐用的连接器和高温开关结合起来。工业应用中所用元器件必须能够承受极端的温度、湿度和振动—远远超过了在典型办公环境中安装的设备的参数范围。

工业以太网网络必须与当前和传统的系统交互操作，且必须提供可预测的性能和可维护性。除了物理兼容性和低级传输协议之外，实际的工业以太网系统还必须提供更高级别的OSI模型的互操作性。对于来自厂外的入侵和厂内不慎或未经授权的使用，工业网络都必须提供足够的安全性。

图1显示了一种适合在工厂自动化环境中使用的针对雷电感应瞬态、ESD、EFT、CDE和电源故障的室内远程数据线(非PoE)保护方法。

图1：一种针对雷电、ESD、EFT、CDE和电源故障的室内远程以太网数据线保护方法。所示的四条数据线(T x±和Rx±)被保护，可免受建筑物内部雷电瞬态电压的影响。LC03 TVS二极管阵列将大部分能量从变压器转移开，但是通过变压器互绕电容耦合的任何共模能量都通过SP3051 TVS二极管转移到GND。该元件可以连接到变压器PHY侧的地，因为变压器本身满足IEEE 802.3的隔离要求。

一些工业以太网电路保护应用提出了更大的挑战，例如在具有设备和电缆布置在户外的多栋建筑的设施中。图2所示的是在涉及频繁电暴的环境中，为这些应用而优化的电路保护方案。

图2：对于容易遭受超过当今硅技术限制的严重等级的雷电感应瞬态的应用，通常建议使用气体放电管(GDT)来保护变压器。GDT在数据对(而不是GND)之间连接，以符合IEEE 802.3标准的要求。如图所示，除了非常强大的保护元件(如两个LC03系列的TVS二极管阵列)，在这里还额外使用了SL0902A90SM GDT，以抑制PHY的允通能量。F1-F4 TeleLink保险丝提供了针对电源故障的过流保护。

以太网供电

以太网供电(PoE)指的是将电力与以太网电缆上的数据一起传输的几种标准化或专用系统中的任何一种。它实现了采用单条电缆向各种设备(如IP监控摄像机)同时提供数据连接和电力。

与同样通过数据电缆为设备供电的USB总线不同，PoE可以延长电缆长度。电力传输可以在与传输数据相同的导线或同一电缆中的专用导线上实现。

在PoE方案中，接收电力的设备称为客户端设备或受电设备(PD)，供电的设备是送电设备(PSE)。“模式A”电源通过10BaseT或100BaseTX接口的“有源”数据对供应。“模式B”电源被施加在10BaseT和100BaseT接口的未使用线对上。对于1000BaseT和10GbE应用，所有线对被用于数据传输，因此没有“备用对”。图3对PoE受电设备和电源设备的电路保护解决方案进行了说明。

图3：这里，正确额定的变压器和电源为IEEE 802.3合规性提供了所需的隔离。对于PSE，在提供电源的特定对上使用了TVS二极管。图中所示的是用于高暴露电缆和设备装置的1500W版本。对于雷电暴露不高的短电缆或装置，可以使用功率更低的600W或400W元件。为了保护PD，两个线对均需要进行保护，因为无法提前知道是哪一对提供电力。TVS二极管应根据预期的浪涌暴露水平进行选择。

CAN总线(DeviceNet)

工业以太网和PoE远不是工厂自动化系统协调所依赖的唯一通信总线。CAN(控制器局域网)总线标准使微控制器和设备在没有主计算机的应用中可以进行相互通信。虽然速度不如以太网快，但CAN总线却非常稳健，能够在比以太网更远的距离上实现可靠的数据传输。这使得它成为需要通信指令或从彼此相隔一定距离的单独设备返回数据的应用的很好选择。图4显示的是典型CAN总线应用的示例。Device-Net网络是以CAN总线技术为基础的。

图4：SM24CANB系列TVS二极管阵列旨在保护CAN总线和DeviceNet线路免受ESD、EFT和浪涌瞬态的损坏。它非常适合于较长的电缆或必须靠近电源电缆布设的线缆。