【導(dǎo)讀】工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)為工廠自動化系統(tǒng)帶來更多連接功能的同時，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)自動化應(yīng)用的電路保護解決方案，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。
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力的機器來制造的轉(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)革命是利用計算機實現(xiàn)自動化生產(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器的轉(zhuǎn)變。
第四次工業(yè)革命有時被稱為工業(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，并且能夠在更短時間內(nèi)為客戶提供更好的產(chǎn)品。
然而，IIoT為工廠自動化系統(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)大型電機啟動或關(guān)閉時發(fā)生的系統(tǒng)感應(yīng)電壓瞬變等。
工業(yè)環(huán)境中設(shè)計和部署自動化系統(tǒng)的工程師需要了解適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo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)自動化應(yīng)用的電路保護解決方案，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。
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—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，實際的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)還必須提供更高級別的OSI模型的互操作性。對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化環(huán)境中使用的針對雷電感應(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)保護方法。
圖1：一種針對雷電、ESD、EFT、CDE和電源故障的室內(nèi)遠(yuǎn)程以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線保護方法。
所示的四條數(shù)據(jù)線(T x±和Rx±)被保護，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，因為變壓器本身滿足IEEE 802.3的隔離要求。
一些工業(yè)以太網(wǎng)電路保護應(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)化的電路保護方案。
圖2：對于容易遭受超過當(dāng)今硅技術(shù)限制的嚴(yán)重等級的雷電感應(yīng)瞬態(tài)的應(yīng)用，通常建議使用氣體放電管(GDT)來保護變壓器。
GDT在數(shù)據(jù)對(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，除了非常強大的保護元件(如兩個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(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。它實現(xiàn)了采用單條電纜向各種設(shè)備(如IP監(jiān)控攝像機)同時提供數(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可以延長電纜長度。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)對供應(yīng)。“模式B”電源被施加在10BaseT和100BaseT接口的未使用線對上。對于1000BaseT和10GbE應(yīng)用，所有線對被用于數(shù)據(jù)傳輸，因此沒有“備用對”。圖3對PoE受電設(shè)備和電源設(shè)備的電路保護解決方案進行了說明。
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(shè)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二極管應(yīng)根據(jù)預(yù)期的浪涌暴露水平進行選擇。
CAN總線(DeviceNet)
工業(yè)以太網(wǎng)和PoE遠(yuǎn)不是工廠自動化系統(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)備在沒有主計算機的應(yīng)用中可以進行相互通信。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設(shè)備返回數(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)用戶提供了在較長距離內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)而不會衰減的能力，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、安防攝像機和火災(zāi)探測系統(tǒng)。
圖5針對容易遭受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解決方案。圖6展示了一種更高級別的保護方案。
圖5：Littelfuse公司的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(shè)備免受破壞性過壓瞬態(tài)的損壞。
