智慧工廠無懼電氣瞬變工業通訊電路保護照步來

2017-06-05

Jim Colby

最初的工業革命標誌著從利用人力和畜力、製造及利用水和蒸汽的機器來製造的轉變。在大規模商品生產中，使用電力的能力導致了第二次工業革命的出現；第三次工業革命是使用電腦實現自動化生產過程的產物。

而第四次工業革命標誌著從「封閉」機器(裝配線、獨立的自動化噴漆、焊接機等)到透過結合感測器和處理器的轉變，更重要的是，將它們連接在一起並透過工業物聯網(IIoT)連接到操作中心而變得更加智慧與可配置之機器的轉變。第四次工業革命有時被人們稱為工業4.0(Industry 4.0)，它的目標是使生產更加高效、更具成本效益、更靈活，並且能夠在更短的時間內為客戶提供更好的產品。

然而，工業物聯網的多樣連接功能也使得這些系統特別容易受到電氣損壞。這些威脅包括透過資料和電源連接(如工業乙太網路、PoE、CAN匯流排、RS-485、Profibus/現場匯流排等)、傳導的靜電放電(ESD)、電場快速瞬變(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。

工業環境中設計和實施自動化系統的工程師須要了解適當的電路保護解決方案，如瞬態電壓抑制(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的系統可靠性所提供的優勢。

工業乙太網路嚴防頻繁電場瞬變

工業乙太網路(IE)將標準的乙太網路協定與堅固耐用的連接器和高溫開關結合起來。在工業應用中使用的元件必須能夠承受極端的溫度、濕度和振動，遠遠超過在典型的辦公環境中安裝的設備的參數範圍。

工業乙太網路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。除了物理相容性和底層傳輸協定外，實際的工業乙太網路系統還必須提供更高級別的開放系統互連(OSI)模型的互通性。對於來自廠外的入侵和設施內疏忽或未經授權的使用，工業網路都必須提供足夠的安全性。

圖1說明了一種適用於在智慧工廠環境中使用的針對雷電感應瞬態、靜電放電、電場快速瞬變、電纜放電事件和電源故障的室內遠端資料線(非PoE)的保護方法。

圖1中，四條資料線(Tx±和Rx±)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，但是通過變壓器繞組電容耦合的任何共模能量都透過SP3051 TVS二極體轉移到GND。該元件可以連接到變壓器實體(PHY)側的接地，因為變壓器本身滿足IEEE 802.3的隔離要求。

圖1 一種針對雷電、靜電放電、電場快速瞬變、電纜放電事件和電源故障的室內遠端乙太網路資料線保護方法。

一些工業乙太網路電路保護應用提出更大的挑戰，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所示的是針對涉及頻繁電場瞬變的環境中，為這些應用而優化的電路保護方案。

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在資料線對線(而不是GND)之間連接，以符合IEEE 802.3標準的要求。

如圖2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。

圖2 針對涉及頻繁電場瞬變的環境應用而優化的電路保護方案

PoE可延長電纜並承載電力

乙太網路供電(PoE)是將電力與乙太網路電纜上的資料一起傳輸的幾種標準化或專用的系統中的任何一種，實現了單條電纜向各種設備(如IP監控攝影機)同時提供資料連接和電力。與同樣透過資料電纜為設備供電的通用序列匯流排(USB)不同，乙太網路供電可以延長電纜長度。可以在與傳輸資料相同的導線或同一電纜中的專用導線上承載電力。

在乙太網路供電方案中，接收電力的設備稱為用戶端設備或受電設備(PD)，供電的設備是供電設備(PSE)。「模式A」電源透過10BaseT或100BaseTX介面的「主動」資料對供應。對於1000BaseT和10GbE應用，所有線對被用於資料傳輸，因此沒有「備用對」。圖3對乙太網路供電設備和電源設備的電路保護解決方案進行說明。

在圖3中，正確額定的變壓器和電源為IEEE 802.3合規性提供所需的隔離。對於供電設備，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1500瓦(W)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600瓦或400瓦元件。為保護受電設備，兩個線對均須要進行保護，因為無法提前知道哪一對是提供電力的。TVS二極體應根據預期的浪湧暴露水準進行選擇。

CAN匯流排實現可靠的資料傳輸

圖3 針對乙太網路供電設備與電源設備提供電路保護

工業乙太網路和乙太網路供電當然不是工廠自動化系統協調所依賴的唯一通訊匯流排。控制區域網路(CAN)匯流排標準使微控制器(MCU)和設備在沒有主機電腦的應用中可以進行相互通訊。雖然速度不如乙太網路快，但CAN匯流排卻非常強大，能夠在比乙太網路更遠的距離上實現可靠的資料傳輸。這使得它成為需要通訊指令或從彼此相隔一定距離的單獨設備返回資料的應用的極好選擇。圖4顯示的是典型CAN匯流排應用的示例。DeviceNet網路便是以CAN匯流排技術為基礎。

圖4 SM24CANB系列TVS二極體陣列旨在保護CAN匯流排和DeviceNet線路免受靜電放電、電場快速瞬變和浪湧瞬態的損壞，非常適合於較長的電纜或必須靠近電源電纜布設的纜線。

RS-485運作穩定傳輸能力強

與CAN匯流排一樣，RS-485非常穩定，為工業用戶提供在較長距離內傳輸資料而不會衰減的能力，但是卻比CAN匯流排更快。在工業環境中，它通常用於照明控制、監控攝影機和火災探測系統。圖5說明了對容易遭受靜電放電或由雷電感應引起的低電平瞬態浪湧的RS-485埠的一種電路保護解決方案，而圖6展示了一種更高級別的保護方案。