工業自動化應用的電路保護解決方案

2020-11-22 電子產品世界

最初的工業革命標誌著從利用人力和畜力來製造向利用以水和蒸汽為動力的機器來製造的轉變。能夠將電力應用到大規模的商品生產這一發明，成就了第二次工業革命。第三次工業革命是利用計算機實現自動化生產過程的結果。第四次工業革命標誌著從「啞巴」機器(裝配線、獨立的自動化噴漆機和電焊機等)到通過集成傳感器和處理器—更重要的是，通過將它們連接在一起並通過工業物聯網(IIoT)連接到操作中心而使之變得更智能和可自我配置的機器的轉變。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/385162.htm

第四次工業革命有時被稱為工業4.0，它的目標是使生產更加高效、更具成本效益和更靈活，並且能夠在更短時間內為客戶提供更好的產品。

然而，IIoT為工廠自動化系統帶來的更多的連接功能，也使得這些系統特別容易遭受來自各種威脅的電氣損壞。這些威脅包括通過數據和電源連接(工業乙太網、PoE、CAN總線、RS-485、Profibus/現場總線等)傳導的靜電放電(ESD)、電快速瞬變脈衝群(EFT)、電纜放電事件(CDE)、雷電感應浪湧以及當大型電機啟動或關閉時發生的系統感應電壓瞬變等。

工業環境中設計和部署自動化系統的工程師需要了解適當的電路保護解決方案，如TVS二極體、TVS二極體陣列、氣體放電管和SIDACtor保護晶閘管，以幫助減少(或消除)所涉及的風險。

本文概述了適用於各種工業自動化應用的電路保護解決方案，以及它們為確保未來工廠發展所需系統可靠性所提供的優勢。

工業乙太網

工業乙太網(IE)將標準的乙太網協議與堅固耐用的連接器和高溫開關結合起來。工業應用中所用元器件必須能夠承受極端的溫度、溼度和振動—遠遠超過了在典型辦公環境中安裝的設備的參數範圍。

工業乙太網網絡必須與當前和傳統的系統交互操作，且必須提供可預測的性能和可維護性。除了物理兼容性和低級傳輸協議之外，實際的工業乙太網系統還必須提供更高級別的OSI模型的互操作性。對於來自廠外的入侵和廠內不慎或未經授權的使用，工業網絡都必須提供足夠的安全性。

圖1顯示了一種適合在工廠自動化環境中使用的針對雷電感應瞬態、ESD、EFT、CDE和電源故障的室內遠程數據線(非PoE)保護方法。

圖1：一種針對雷電、ESD、EFT、CDE和電源故障的室內遠程乙太網數據線保護方法。所示的四條數據線(T x±和Rx±)被保護，可免受建築物內部雷電瞬態電壓的影響。LC03 TVS二極體陣列將大部分能量從變壓器轉移開，但是通過變壓器互繞電容耦合的任何共模能量都通過SP3051 TVS二極體轉移到GND。該元件可以連接到變壓器PHY側的地，因為變壓器本身滿足IEEE 802.3的隔離要求。

一些工業乙太網電路保護應用提出了更大的挑戰，例如在具有設備和電纜布置在戶外的多棟建築的設施中。圖2所示的是在涉及頻繁電暴的環境中，為這些應用而優化的電路保護方案。

圖2：對於容易遭受超過當今矽技術限制的嚴重等級的雷電感應瞬態的應用，通常建議使用氣體放電管(GDT)來保護變壓器。GDT在數據對(而不是GND)之間連接，以符合IEEE 802.3標準的要求。如圖所示，除了非常強大的保護元件(如兩個LC03系列的TVS二極體陣列)，在這裡還額外使用了SL0902A90SM GDT，以抑制PHY的允通能量。F1-F4 TeleLink保險絲提供了針對電源故障的過流保護。

乙太網供電

乙太網供電(PoE)指的是將電力與乙太網電纜上的數據一起傳輸的幾種標準化或專用系統中的任何一種。它實現了採用單條電纜向各種設備(如IP監控攝像機)同時提供數據連接和電力。

與同樣通過數據電纜為設備供電的USB總線不同，PoE可以延長電纜長度。電力傳輸可以在與傳輸數據相同的導線或同一電纜中的專用導線上實現。

在PoE方案中，接收電力的設備稱為客戶端設備或受電設備(PD)，供電的設備是送電設備(PSE)。「模式A」電源通過10BaseT或100BaseTX接口的「有源」數據對供應。「模式B」電源被施加在10BaseT和100BaseT接口的未使用線對上。對於1000BaseT和10GbE應用，所有線對被用於數據傳輸，因此沒有「備用對」。圖3對PoE受電設備和電源設備的電路保護解決方案進行了說明。

圖3：這裡，正確額定的變壓器和電源為IEEE 802.3合規性提供了所需的隔離。對於PSE，在提供電源的特定對上使用了TVS二極體。圖中所示的是用於高暴露電纜和設備裝置的1500W版本。對於雷電暴露不高的短電纜或裝置，可以使用功率更低的600W或400W元件。為了保護PD，兩個線對均需要進行保護，因為無法提前知道是哪一對提供電力。TVS二極體應根據預期的浪湧暴露水平進行選擇。

CAN總線(DeviceNet)

工業乙太網和PoE遠不是工廠自動化系統協調所依賴的唯一通信總線。CAN(控制器區域網)總線標準使微控制器和設備在沒有主計算機的應用中可以進行相互通信。雖然速度不如乙太網快，但CAN總線卻非常穩健，能夠在比乙太網更遠的距離上實現可靠的數據傳輸。這使得它成為需要通信指令或從彼此相隔一定距離的單獨設備返回數據的應用的很好選擇。圖4顯示的是典型CAN總線應用的示例。Device-Net網絡是以CAN總線技術為基礎的。

圖4：SM24CANB系列TVS二極體陣列旨在保護CAN總線和DeviceNet線路免受ESD、EFT和浪湧瞬態的損壞。它非常適合於較長的電纜或必須靠近電源電纜布設的線纜。

RS-485(Profibus、FieldBus)

與CAN總線一樣，RS-485非常穩健，為工業用戶提供了在較長距離內傳輸數據而不會衰減的能力，但是卻比CAN總線更快。在工業環境中，它通常用於照明控制、安防攝像機和火災探測系統。

圖5針對容易遭受ESD或由雷電感應引起的低電平瞬態浪湧的RS-485埠給出了一種電路保護解決方案。圖6展示了一種更高級別的保護方案。

圖5：SM712系列TVS二極體陣列為RS-485埠針對低電平電氣威脅提供了一種解決方案。

圖6：在高暴露環境中的RS-485總線的電路保護示意圖中，上圖類似「Z」字形的符號可代表多種過壓保護解決方案，包括Q2L系列SIDACtor保護晶閘管(圖7)。

圖7：小外形尺寸、小電路板佔用空間的保護晶閘管(如Q2L系列SIDACtor)旨在保護高密度寬帶設備免受破壞性過壓瞬態的損壞。

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