PLC控制系統的防雷設計及其保護問題研究

李柏堅

摘 要：由于控制系統的工作環境為低電壓和極小電流，且絕緣強度較低，因此控制系統極易受到雷電等各種外界沖擊波的破壞，影響其控制性能。為了有效解決這一問題，引入了PLC控制理念，并在PLC控制系統的基礎上進行防雷設計。

關鍵詞：PLC控制系統；防雷設計；防雷體系；接地線路

中圖分類號：TU895 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.23.101

社會的進步和經濟的發展使人們的生活水平得到了很大的提升，與此同時，人們開始關注生產領域的技術進步，并不斷探索新的技術。目前，PLC控制系統被廣泛應用于生產領域，為人們的生產、生活帶來了極大的便利，但其易受到雷電攻擊的問題卻一直困擾著人們。針對這一問題，就需要在原有控制要求的基礎上不斷優化防雷設計，提升PLC控制系統的防雷保護性能。下面筆者將結合多年的實踐經驗和理論知識深入探討PLC控制系統的防雷設計和保護問題，以期為PLC控制系統的優化設計提供科學依據。

1 雷電對PLC控制系統的危害

現代化的防雷體系是一項系統工程，既包括內部防雷，即直擊雷防護，又包括外部干預防雷，即雷電電磁脈沖防護，因此，現代防雷強調的是全面防護、綜合干預和層層設防。具體來講，雷電主要通過以下途徑對PLC控制系統產生破壞和影響：①雷電直擊樓房或鄰近雷閃經外界金屬線流入控制系統，使控制系統受到過電流或過電壓沖擊；②建筑本身的電力系統受到雷電沖擊產生波動，電力線路中產生不平衡電流流動，使與之平衡的控制線路產生過電壓；③雷電沖擊所致的不平衡電位和地電流反擊可直接破壞控制系統設備，造成設備損壞；④PLC控制系統的電氣設備絕緣受到影響，造成漏電，嚴重威脅到人身安全，或者防靜電措施不合理，造成機房電磁環境的惡化。為了提高PLC控制系統運行的穩定性和安全性，確保工作人員的人身安全，除了設置必要的避雷系統外，還要不斷完善現有的直擊雷電防護措施，提高建筑自身電力系統、信號傳輸系統和計算機網絡系統的防護性能，確保防雷體系全面覆蓋接地、布線、分流、攔截、均衡和屏蔽六大方面。

2 PLC控制系統的防雷設計

2.1 PLC控制系統整體防雷設計方案

按照《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）和《建筑物防雷 第一部分 第一部分 防雷裝置保護級別的確定》（IEC61024-1-1：1993）的有關規定，對于雷擊概率較大的建筑物，必須采取相應的防雷措施。為避免PLC控制室受到雷電攻擊，確保其安全、可靠運行，需采取以下整體防雷設計方案：按照B級標準進行內部防雷設計，按照第二類建筑物防雷標準進行外部防雷設計，自內而外建立一個全方位的雷電防護系統。

在整體設計上，還應嚴格遵循以下原則：①保護器不能影響PLC控制系統設備元件的正常工作和運行；②防雷系統防護器應對雷電沖擊有足夠的阻抗能力，能夠將過電流直接導入大地；③防護器元件應當能夠承受較大的雷電沖擊能量，并配備規范的接地系統。一個完整的PLC控制系統防雷體系應當包括但不限于建筑物屏蔽、直擊雷防護、電力系統防護、服務器和交換機防護、等電位連接、信號系統防護、防靜電措施和過壓保護等幾個部分。下面本文將詳細闡述服務器和交換機防護、電力系統防護和過壓保護三個方面的內容。

2.2 PLC控制系統的具體防雷設計

2.2.1 服務器和交換機防護

服務器是PLC控制系統的重要設備，直接關系到PLC控制系統的有效運行。為防止服務器受到過電流或過電壓沖擊，應當在服務器網卡輸入端加裝防雷保護器，如圖1所示。圖1中的MAINS-PRINTRAB包含在UPS前保護器內，因此不必另外加裝保護器。由于服務器與交換機距離較近，因此交換機方面的保護器可以根據實際情況選用。

2.2.2 電力系統防護

為消除架空電源線路的高電位引入問題，防止雷電直接沿電源線路威脅PLC控制室，應當采取埋地的方式將低壓線路的電纜埋入地下，禁止直接將架空線路直接引入控制室內。如果條件受限，電線無法全部使用電纜，應當在架空的電源線路上加裝一段金屬防護罩。需要注意的是，電纜首端必須加裝避雷器，并與絕緣金具共同接地，且進入控制室的電纜外皮要與防雷電感應接地裝置連接，這樣才能確保電纜段真正發揮防雷作用。

2.2.3 過壓保護

根據《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）和《建筑物防雷 第一部分 第一部分 防雷裝置保護級別的確定》（IEC61024-1-1：1993）的有關規定，建筑物內部電源跨越多個分區時，必須采取防過電壓措施。PLC控制室的具體防雷分區如圖2所示。PLC控制室的防雷分區主要包括三個部分，分別是LPZOA、LPZI和LPZOB，需根據嚴重程度和實際情況確定相應的防護等級，并使用專業的防雷器。電源防過電壓裝置要設置在LPZOB與LPZI的交界處，具體可以采取兩級防雷設計方法：①第一級防雷設計采用防雷器，設備代表為德國PHOENIX公司生產的AEC主動能量點火防雷器。該防雷器具有壽命長、防直擊雷、防護等級高等優勢，采用AEC主動能量點火防雷器，可確保雷電流泄放間隙。②第二級防雷設計可以采用德國PHOENIX公司生產的N-PE防雷器。該防雷器具有保護電壓穩定的優勢。

3 PLC控制系統的防雷保護

為確保上述防雷設計能夠有效發揮防雷作用，保證PLC控制系統的安全性、穩定性，需在防雷系統安裝完畢后的運行期間采取以下防雷保護措施。

3.1 日常檢查和維護保養

防雷系統投入使用之后，每年雨季要定期檢查防雷系統的接地線路，重點檢查線路連接處是否穩固，接觸是否良好。如果發現接地線有腐蝕、生銹問題，需及時更換，必要時，還要檢查隱蔽在地下的接地線，看其是否銹蝕。如果出現嚴重生銹、損壞等情況，需及時采取相應的處理措施。另外，每年要定期測量一次接地系統的接地電阻，并在雷雨季節檢測防雷器的運行情況，利用老化檢測儀檢查防雷器元件是否存在老化問題。雷雨季節時，要加強巡視，及時處理防雷系統警報。

3.2 調查雷電事故

要成立專門的雷害事故調查小組，重點對雷擊損害情況進行調查取證，調查內容包括電氣絕緣部件的損壞程度、燒焦氣味、損壞部位、防雷器損壞情況和老化情況等。確定雷害事故等級后，分析事故周圍的地質和氣象情況，判斷此次雷害事故是否與周圍環境有關。調查取證期間，要拍攝事故現場，必要時，還要錄視頻，做好雷電事故現場記錄工作，然后結合調查情況組織有關專家進行研討，出具事故調查報告，并提出相應的改進措施。

3.3 防雷管理

防雷工程竣工并不代表施工單位工作的完結。施工單位應在防雷工程投入使用后安排專人負責防雷系統的運行監督，記錄隱蔽工程需要的專用設備，并提交對方，設計資料和現場施工記錄需提交當地的防雷主管部門備案。此外，工程竣工驗收應當由相關防雷專業人員和管理部門組織驗收。

4 結束語

目前的PLC控制系統在防雷設計方面還存在許多缺陷，加上許多PLC控制室都是在廠房建成后增補的，導致其不能有效避免雷電的沖擊。對此，需要不斷優化防雷設計，注重防雷保護，確保PLC控制系統的安全、穩定運行。

參考文獻

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[2]王敏學，張鑫，王曉晶.紅土鎳礦HPAL項目儀表及控制系統綜述[J].中國有色冶金，2013（05）：33-38.

〔編輯：王霞〕

Abstract： Because the working environment of the control system is low voltage and minimum current， and the insulation strength is low， so the control system is vulnerable to the destruction of various external shock waves， which affect the control performance. In order to solve this problem effectively， the PLC control theory is introduced， and the lightning protection design is carried out on the basis of the PLC control system.

Key words： PLC control system； lightning protection design； lightning protection system； grounding line