工業(yè)自動(dòng)化應用的電路保護解決方案

最初的工業(yè)革命標志著(zhù)從利用人力和畜力來(lái)制造向利用以水和蒸汽為動(dòng)力的機器來(lái)制造的轉變。能夠將電力應用到大規模的商品生產(chǎn)這一發(fā)明，成就了第二次工業(yè)革命。第三次工業(yè)革命是利用計算機實(shí)現自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程的結果。第四次工業(yè)革命標志著(zhù)從“啞巴”機器(裝配線(xiàn)、獨立的自動(dòng)化噴漆機和電焊機等)到通過(guò)集成傳感器和處理器—更重要的是，通過(guò)將它們連接在一起并通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(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。

第四次工業(yè)革命有時(shí)被稱(chēng)為工業(yè)4.0，它的目標是使生產(chǎn)更加高效、更具成本效益和更靈活，并且能夠在更短時(shí)間內為客戶(hù)提供更好的產(chǎn)品。

然而，IIoT為工廠(chǎng)自動(dòng)化系統帶來(lái)的更多的連接功能，也使得這些系統特別容易遭受來(lái)自各種威脅的電氣損壞。這些威脅包括通過(guò)數據和電源連接(工業(yè)以太網(wǎng)、PoE、CAN總線(xiàn)、RS-485、Profibus/現場(chǎng)總線(xiàn)等)傳導的靜電放電(ESD)、電快速瞬變脈沖群(EFT)、電纜放電事件(CDE)、雷電感應浪涌以及當大型電機啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)發(fā)生的系統感應電壓瞬變等。

工業(yè)環(huán)境中設計和部署自動(dòng)化系統的工程師需要了解適當的電路保護解決方案，如TVS二極管、TVS二極管陣列、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(fēng)險。

本文概述了適用于各種工業(yè)自動(dòng)化應用的電路保護解決方案，以及它們?yōu)榇_保未來(lái)工廠(chǎng)發(fā)展所需系統可靠性所提供的優(yōu)勢。

工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)(IE)將標準的以太網(wǎng)協(xié)議與堅固耐用的連接器和高溫開(kāi)關(guān)結合起來(lái)。工業(yè)應用中所用元器件必須能夠承受極端的溫度、濕度和振動(dòng)—遠遠超過(guò)了在典型辦公環(huán)境中安裝的設備的參數范圍。

工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )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(xié)議之外，實(shí)際的工業(yè)以太網(wǎng)系統還必須提供更高級別的OSI模型的互操作性。對于來(lái)自廠(chǎng)外的入侵和廠(chǎng)內不慎或未經(jīng)授權的使用，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )都必須提供足夠的安全性。

圖1顯示了一種適合在工廠(chǎng)自動(dòng)化環(huán)境中使用的針對雷電感應瞬態(tài)、ESD、EFT、CDE和電源故障的室內遠程數據線(xiàn)(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以太網(wǎng)數據線(xiàn)保護方法。所示的四條數據線(xiàn)(T x±和Rx±)被保護，可免受建筑物內部雷電瞬態(tài)電壓的影響。LC03 TVS二極管陣列將大部分能量從變壓器轉移開(kāi)，但是通過(guò)變壓器互繞電容耦合的任何共模能量都通過(guò)SP3051 TVS二極管轉移到GND。該元件可以連接到變壓器PHY側的地，因為變壓器本身滿(mǎn)足IEEE 802.3的隔離要求。

一些工業(yè)以太網(wǎng)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(hù)外的多棟建筑的設施中。圖2所示的是在涉及頻繁電暴的環(huán)境中，為這些應用而優(yōu)化的電路保護方案。

圖2：對于容易遭受超過(guò)當今硅技術(shù)限制的嚴重等級的雷電感應瞬態(tài)的應用，通常建議使用氣體放電管(GDT)來(lái)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(gè)LC03系列的TVS二極管陣列)，在這里還額外使用了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(guò)流保護。

以太網(wǎng)供電

以太網(wǎng)供電(PoE)指的是將電力與以太網(wǎng)電纜上的數據一起傳輸的幾種標準化或專(zhuān)用系統中的任何一種。它實(shí)現了采用單條電纜向各種設備(如IP監控攝像機)同時(shí)提供數據連接和電力。

與同樣通過(guò)數據電纜為設備供電的USB總線(xiàn)不同，PoE可以延長(cháng)電纜長(cháng)度。電力傳輸可以在與傳輸數據相同的導線(xiàn)或同一電纜中的專(zhuān)用導線(xiàn)上實(shí)現。

在PoE方案中，接收電力的設備稱(chēng)為客戶(hù)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(guò)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(xiàn)對上。對于1000BaseT和10GbE應用，所有線(xiàn)對被用于數據傳輸，因此沒(méi)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(jìn)行了說(shuō)明。

圖3：這里，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。對于PSE，在提供電源的特定對上使用了TVS二極管。圖中所示的是用于高暴露電纜和設備裝置的1500W版本。對于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(gè)線(xiàn)對均需要進(jìn)行保護，因為無(wú)法提前知道是哪一對提供電力。TVS二極管應根據預期的浪涌暴露水平進(jìn)行選擇。

CAN總線(xiàn)(DeviceNet)

工業(yè)以太網(wǎng)和PoE遠不是工廠(chǎng)自動(dòng)化系統協(xié)調所依賴(lài)的唯一通信總線(xiàn)。CAN(控制器局域網(wǎng))總線(xiàn)標準使微控制器和設備在沒(méi)有主計算機的應用中可以進(jìn)行相互通信。雖然速度不如以太網(wǎng)快，但CAN總線(xiàn)卻非常穩健，能夠在比以太網(wǎng)更遠的距離上實(shí)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(xiàn)應用的示例。Device-Net網(wǎng)絡(luò )是以CAN總線(xiàn)技術(shù)為基礎的。

圖4：SM24CANB系列TVS二極管陣列旨在保護CAN總線(xiàn)和DeviceNet線(xiàn)路免受ESD、EFT和浪涌瞬態(tài)的損壞。它非常適合于較長(cháng)的電纜或必須靠近電源電纜布設的線(xiàn)纜。

RS-485(Profibus、FieldBus)

與CAN總線(xiàn)一樣，RS-485非常穩健，為工業(yè)用戶(hù)提供了在較長(cháng)距離內傳輸數據而不會(huì )衰減的能力，但是卻比CAN總線(xiàn)更快。在工業(yè)環(huán)境中，它通常用于照明控制、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(tài)浪涌的RS-485端口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二極管陣列為RS-485端口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(huán)境中的RS-485總線(xiàn)的電路保護示意圖中，上圖類(lèi)似“Z”字形的符號可代表多種過(guò)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、小電路板占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(guò)壓瞬態(tài)的損壞。

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