PC—INP—8IN低電壓輸入保護器的開發與應用

賈明成

摘要：PC-INP-8IN低電壓輸入保護器是保證控制系統正常運行的重要設備，具有防雷電、防串入高電壓等功能。文章針對PC-INP-8IN低電壓輸入保護器的開發總體思路、技術方案、關鍵技術、創新點進行了介紹，進一步了解了此設備的主要功能。

關鍵詞：低電壓輸入保護器；快速恢復；控制器；自恢復保險；瞬態二極管 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM715 文章編號：1009-2374（2015）03-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0222

1 開發背景

當前工業生產過程中自動化控制已經被廣泛地應用于各種領域，控制系統由硬件、軟件兩大部分組成。其硬件是維持控制系統正常運行的首要條件，其安全是整個控制系統的頭等大事，硬件一旦發生事故，其危害是難以估計的，因此，保證硬件的安全是維持自動控制系統正常運行的首要任務。當前自動控制系統的控制器主要采用PLC或DCS，其輸入模塊的查詢電壓一般為DC48V或DC24V。由于現場環境、天氣或人為原因輸入信號可能串入高電壓，如打雷會產生瞬間高壓，又或因現場安裝、調試、檢修人員的不慎操作，造成220V交流電壓串入輸入回路，這些高電壓的串入都將對控制器輸入模塊甚至CPU模塊造成致命的破壞，甚至可能造成整個控制器的燒毀，這樣對整個系統將造成無法估量的損失，輕則造成自動控制系統局部停機，重則會造成整個自動控制系統停機，致使工程進度無法保證，生產無法繼續進行。

2 總體思路

為避免造成這樣的后果，傳統方法是：其一，加中間繼電器隔離，但串入高電壓時仍然會造成DC電源燒壞，控制系統無法繼續運行；其二，后又在加繼電器隔離基礎上，對控制器電源與外圍查詢電源系統分開，這樣確實解決了控制系統安全問題，但存在查詢電源燒壞問題和不知具體哪一線路有串入高電壓問題，一樣會影響系統正常運行。以上兩種方法雖然確保控制器安全，但安裝空間需要增加（每個輸入點需增加一個中間繼電器），加上中間繼電器的投入，其成本增加很多，可控制系統一樣存在不能正常穩定運行。因此需要一種設備，當發生上述情況時，能迅速隔離高強電壓，而不會造成控制器及I/O模塊的損毀，當排除發生上述情況因素后，又能快速恢復，同時還希望該產品成本低、體積小，又拆裝方便。

3 技術方案

根據總體思路，首先設計一路的保護器做實驗，如果成功可在此基礎上擴展。本著降壓、瞬間釋放電流、快速切斷線路、故障排除后快速恢復來設計保護電路。為實現以上這些功能，我們最初選用器件有電阻、保險管熔斷器、雙向瞬態電壓抑制二極管，保護器線路搭接完畢。

實驗結果如下：其一，在保護器線路的輸入端模擬雷擊即短暫脈沖式串入高電壓，檢測控制器和保護器線路都沒有被燒壞，實驗結果符合設計要求；其二，在保護器線路的輸入端模擬誤操作長時間串入高電壓，結果電阻和線路板燒壞、保險熔斷，當故障排除后不能迅速恢復，必須更換保護器，實驗結果沒有達到預期要求。實驗結果不符合設計要求，此方案不可行。

分析原因，主要是電阻阻值不可變，線路板太薄，承載電流太小，當電路發生短路或串入異常大電流時，其線路不能有效阻斷或降低電流，致使電阻和線路板直接燒壞。另外，保險熔斷后不能自恢復。最后我們改變電路原理及器件選型，器件換成高分子自恢復保險器件、單向瞬態二極管、更換方便的保險管。原理如圖1：

重復上述實驗，其各個最初設計功能得以實現，分析其保護的工作原理有：

其一，當發生雷電等情況時，如高電壓串入到輸入回路時，在輸入回路和大地之間有高電壓，加在瞬態二極管D1兩端的電壓超出設計值，D1電阻迅速減小，從輸入端XP6的電流從D1釋放到大地，避免進入到控制器內部，另外當電流迅速增大時，高分子自恢復保險器件R1的自熱使其阻抗迅速增大，把電流限制到足夠小，從而阻止從輸入端XP6的大電流進入，再次阻止額外的電流進入到控制器內部，從而起到保護控制器的作用。當線路故障排除后，高分子自恢復保險器件R1兩端電流恢復正常后，其R1的自熱不足以維持高阻抗狀態，其阻值又恢復到最初低阻狀態。輸入保護器恢復到最初狀態。

其二，當發生外部220V交流電壓串入到24V電壓時，加在瞬態二極管D9兩端的電壓超出設計值，D9兩端電阻迅速減小，一方面從D9釋放電流到大地，避免串入到柜內，損壞開關電源，同時加在FU1兩端的電流迅速加大，使FU1熔斷，從而徹底隔斷從外部串入220交流電源。當線路故障排除后，只需更換一個FU1保險管，就可使輸入保護器恢復到最初狀態。

4 模塊化減小體積增加可擴展性

通過一個回路的實驗結果證明，此原理滿足最初設想。考慮性價比問題，PLC和DCS的I/O卡件通常是以一個字節為單位即8的倍數劃分模塊數，為了使此保護器與I/O卡件相匹配，同時還要滿足通用性、成本低、安裝空間小、拆裝方便。最終確定以8路作為一個模塊，可以無限擴展，端子采用可插拔，便于安裝維護。該輸入保護器命名為PC-INP-8IN，其長70mm、寬72mm，可以立柱安裝也可以安裝在模塊槽上。

5 關鍵技術、創新點

5.1 采用高分子自恢復保險器件

此元器件是一種新型正溫度過流保護元器件，主要應用于小功率電子設備短路及過載保護。與傳統保險絲相比，其突出優點是：當應用電路發生短路或過載時，高分子自恢復保險器件能自動斷開回路；故障排除后又能自動導通。其原理是：高分子自恢復保險器件由聚合物樹脂基體及參入其中的導電粒子組成，常態下表現低阻抗（小到幾歐），正常情況下流經其上的電流產生的熱量很小，不會改變聚合樹脂的晶體結構，從而使電路保持通路。當電路中有過電流發生時，流經其上的大電流產生的熱量導致樹脂體內溫度迅速升高，當溫度升高到一定程度時，其阻抗迅速升高，把電流限制在足夠小，從而起到保護作用，當故障排除后，樹脂冷卻重新結晶，其保險器件恢復低阻抗狀態，從而重新使電路保持通路，這樣避免了維護更換，給系統快速恢復提供了時間，減少工作量，降低成本。

5.2 瞬態二極管

瞬態電壓抑制二級管簡稱TVS器件，其原理是在規定的反向應用條件下，當承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低的導通值，允許大電流通過，并將電壓箝制到預定水平，從而有效地保護電子線路中的精密元器件免受損壞。即當TVS器件兩端高電壓出現時，TVS被擊穿，并由擊穿電壓值上升至最大箝位電壓值，隨著脈沖電流呈指數下降，箝位電壓亦下降，恢復到原來狀態。在輸入保護器上加裝瞬態電壓抑制二級管，當發生雷電等大電壓串入時，能迅速釋放能量，從而避免大電壓進入PLC內部從而起到保護作用，當能量釋放或恢復正常時，瞬態電壓抑制二級管能恢復正常使用。

5.3 采用普通保險管

當外部意外發生，大電流竄入開關電源時，能徹底隔斷外部大電流。采用普通保險管與自恢復保險器件串聯使用，從而更好地保護開關電源和PLC。

5.4 采用模塊化

可根據需要任意擴展回路數，采用立柱或導槽形式安裝，結構小，組合靈活。

5.5 創新點

運用高分子自恢復保險器件的瞬間增加阻抗，提高其兩端電壓，降低此電路回路中的電流；與瞬態二極管瞬間降低阻抗，釋放此電路回路中的電流；兩者有機結合是一種創新，是輸入保護器實現設計要求的關鍵點。通過采用瞬變及可恢復器件—自恢復保險和瞬態二極管，實現了快速隔離、自動恢復的功能，滿足最初設想。

6 結語

PC-INP-8IN低電壓輸入保護器從2010年5月開發、試驗通過后，其各項功能達到了設計要求。目前在物料輸送控制系統上對DI全部采用PC-INP-8IN輸入保護器，應用效果達到預期目的，使物料輸送控制系統運行更加安全、穩定、可靠。本項新技術、新產品值得在低壓控制系統業界大力推廣。

參考文獻

[1] 王至秋.高分子自恢復保險絲的工作原理及選用[J].實驗室研究與探索，2004，（12）.

（責任編輯：秦遜玉）