【導(dǎo)讀】工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)為工廠自動(dòng)化系統(tǒng)帶來更多連接功能的同時(shí)，也使得這些系統(tǒng)特別容易遭受來自各種威脅的電氣損壞。本文概述了適用于各種工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的電路保護(hù)解決方案，以及它們?yōu)榇_保未來工廠發(fā)展所需系統(tǒng)可靠性所提供的優(yōu)勢(shì)。
最初的工業(yè)革命標(biāo)志著從利用人力和畜力來制造向利用以水和蒸汽為動(dòng)力的機(jī)器來制造的轉(zhuǎn)變。能夠?qū)㈦娏?yīng)用到大規(guī)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)過程的結(jié)果。第四次工業(yè)革命標(biāo)志著從“啞巴”機(jī)器(裝配線、獨(dú)立的自動(dòng)化噴漆機(jī)和電焊機(jī)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并通過工業(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(jī)器的轉(zhuǎn)變。
第四次工業(yè)革命有時(shí)被稱為工業(yè)4.0，它的目標(biāo)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(nèi)為客戶提供更好的產(chǎn)品。
然而，IIoT為工廠自動(dòng)化系統(tǒng)帶來的更多的連接功能，也使得這些系統(tǒng)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(shù)據(jù)和電源連接(工業(yè)以太網(wǎng)、PoE、CAN總線、RS-485、Profibus/現(xiàn)場(chǎng)總線等)傳導(dǎo)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(yīng)浪涌以及當(dāng)大型電機(jī)啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)發(fā)生的系統(tǒng)感應(yīng)電壓瞬變等。
工業(yè)環(huán)境中設(shè)計(jì)和部署自動(dòng)化系統(tǒng)的工程師需要了解適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)解決方案，如TVS二極管、TVS二極管陣列、氣體放電管和SIDACtor保護(hù)晶閘管，以幫助減少(或消除)所涉及的風(fēng)險(xiǎn)。
本文概述了適用于各種工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的電路保護(hù)解決方案，以及它們?yōu)榇_保未來工廠發(fā)展所需系統(tǒng)可靠性所提供的優(yōu)勢(shì)。
工業(yè)以太網(wǎng)
工業(yè)以太網(wǎng)(IE)將標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議與堅(jiān)固耐用的連接器和高溫開關(guān)結(jié)合起來。工業(yè)應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了在典型辦公環(huán)境中安裝的設(shè)備的參數(shù)范圍。
工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)必須與當(dāng)前和傳統(tǒng)的系統(tǒng)交互操作，且必須提供可預(yù)測(cè)的性能和可維護(hù)性。除了物理兼容性和低級(jí)傳輸協(xié)議之外，實(shí)際的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)還必須提供更高級(jí)別的OSI模型的互操作性。對(duì)于來自廠外的入侵和廠內(nèi)不慎或未經(jīng)授權(quán)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自動(dòng)化環(huán)境中使用的針對(duì)雷電感應(yīng)瞬態(tài)、ESD、EFT、CDE和電源故障的室內(nèi)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)線(非PoE)保護(hù)方法。
圖1：一種針對(duì)雷電、ESD、EFT、CDE和電源故障的室內(nèi)遠(yuǎn)程以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線保護(hù)方法。
所示的四條數(shù)據(jù)線(T x±和Rx±)被保護(hù)，可免受建筑物內(nèi)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(zhuǎn)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二極管轉(zhuǎn)移到GND。該元件可以連接到變壓器PHY側(cè)的地，因?yàn)樽儔浩鞅旧頋M足IEEE 802.3的隔離要求。
一些工業(yè)以太網(wǎng)電路保護(hù)應(yīng)用提出了更大的挑戰(zhàn)，例如在具有設(shè)備和電纜布置在戶外的多棟建筑的設(shè)施中。圖2所示的是在涉及頻繁電暴的環(huán)境中，為這些應(yīng)用而優(yōu)化的電路保護(hù)方案。
圖2：對(duì)于容易遭受超過當(dāng)今硅技術(shù)限制的嚴(yán)重等級(jí)的雷電感應(yīng)瞬態(tài)的應(yīng)用，通常建議使用氣體放電管(GDT)來保護(hù)變壓器。
GDT在數(shù)據(jù)對(duì)(而不是GND)之間連接，以符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的要求。如圖所示，除了非常強(qiáng)大的保護(hù)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(xiǎn)絲提供了針對(duì)電源故障的過流保護(hù)。
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(shù)據(jù)一起傳輸?shù)膸追N標(biāo)準(zhǔn)化或?qū)Ｓ孟到y(tǒng)中的任何一種。它實(shí)現(xiàn)了采用單條電纜向各種設(shè)備(如IP監(jiān)控?cái)z像機(jī))同時(shí)提供數(shù)據(jù)連接和電力。
與同樣通過數(shù)據(jù)電纜為設(shè)備供電的USB總線不同，PoE可以延長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度。電力傳輸可以在與傳輸數(shù)據(jù)相同的導(dǎo)線或同一電纜中的專用導(dǎo)線上實(shí)現(xiàn)。
在PoE方案中，接收電力的設(shè)備稱為客戶端設(shè)備或受電設(shè)備(PD)，供電的設(shè)備是送電設(shè)備(PSE)。“模式A”電源通過10BaseT或100BaseTX接口的“有源”數(shù)據(jù)對(duì)供應(yīng)。“模式B”電源被施加在10BaseT和100BaseT接口的未使用線對(duì)上。對(duì)于1000BaseT和10GbE應(yīng)用，所有線對(duì)被用于數(shù)據(jù)傳輸，因此沒有“備用對(duì)”。圖3對(duì)PoE受電設(shè)備和電源設(shè)備的電路保護(hù)解決方案進(jìn)行了說明。
圖3：這里，正確額定的變壓器和電源為IEEE 802.3合規(guī)性提供了所需的隔離。
對(duì)于PSE，在提供電源的特定對(duì)上使用了TVS二極管。圖中所示的是用于高暴露電纜和設(shè)備裝置的1500W版本。對(duì)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(hù)PD，兩個(gè)線對(duì)均需要進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)闊o法提前知道是哪一對(duì)提供電力。TVS二極管應(yīng)根據(jù)預(yù)期的浪涌暴露水平進(jìn)行選擇。
CAN總線(DeviceNet)
工業(yè)以太網(wǎng)和PoE遠(yuǎn)不是工廠自動(dòng)化系統(tǒng)協(xié)調(diào)所依賴的唯一通信總線。CAN(控制器局域網(wǎng))總線標(biāo)準(zhǔn)使微控制器和設(shè)備在沒有主計(jì)算機(jī)的應(yīng)用中可以進(jìn)行相互通信。雖然速度不如以太網(wǎng)快，但CAN總線卻非常穩(wěn)健，能夠在比以太網(wǎng)更遠(yuǎn)的距離上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)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(dú)設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)的應(yīng)用的很好選擇。圖4顯示的是典型CAN總線應(yīng)用的示例。Device-Net網(wǎng)絡(luò)是以CAN總線技術(shù)為基礎(chǔ)的。
圖4：SM24CANB系列TVS二極管陣列旨在保護(hù)CAN總線和DeviceNet線路免受ESD、EFT和浪涌瞬態(tài)的損壞。
它非常適合于較長(zhǎng)的電纜或必須靠近電源電纜布設(shè)的線纜。
RS-485(Profibus、FieldBus)
與CAN總線一樣，RS-485非常穩(wěn)健，為工業(yè)用戶提供了在較長(zhǎng)距離內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)而不會(huì)衰減的能力，但是卻比CAN總線更快。在工業(yè)環(huán)境中，它通常用于照明控制、安防攝像機(jī)和火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。
圖5針對(duì)容易遭受ESD或由雷電感應(yīng)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(hù)解決方案。圖6展示了一種更高級(jí)別的保護(hù)方案。
圖5：Littelfuse公司的SM712系列TVS二極管陣列為RS-485端口針對(duì)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總線的電路保護(hù)示意圖中，上圖類似“Z”字形的符號(hào)可代表多種過壓保護(hù)解決方案，包括Q2L系列SIDACtor保護(hù)晶閘管(圖7)。
圖7：小外形尺寸、小電路板占用空間的保護(hù)晶閘管(如Q2L系列SIDACtor)旨在保護(hù)高密度寬帶設(shè)備免受破壞性過壓瞬態(tài)的損壞。
