基于光纖傳輸?shù)目偩€防雷改進(jìn)技術(shù)

江海汕

摘 要：光纖總線防雷是一種創(chuàng)新的防雷技術(shù)，光纖具有良好的絕緣特性，利用光纖絕緣特性與PROFIBUS通訊總線相結(jié)合，使用光纖傳輸PROFIBUS總線信號，把雷擊產(chǎn)生的電流限制在單個設(shè)備，電流經(jīng)過單個設(shè)備接地線傳輸至大地，阻止電流蔓延，防止破壞其他設(shè)備，該技術(shù)極大地提高了總線的防雷性能，在實際應(yīng)用中取得了非常好的效果。

關(guān)鍵詞：防雷 光纖 PROFIBUS 工業(yè)通訊 現(xiàn)場總線

中圖分類號：TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（a）-0026-02

利用光纖通信進(jìn)行總線防雷是一種創(chuàng)新的總線防雷技術(shù)，該技術(shù)利用光纖優(yōu)良的電絕緣性能，從物理上切斷了雷擊強大電流的傳輸通路，具有非常好的防雷效果；與傳統(tǒng)防雷方式相比，該防雷方式把雷擊產(chǎn)生的電流限制在單個設(shè)備上，雷擊電流經(jīng)過單個設(shè)備的接地線傳輸至大地，可以把經(jīng)濟(jì)損失降到最小，最大限度地減少對正常生產(chǎn)運行的影響。

雷擊是指打雷時電流通過人、畜、樹木、建筑物等而造成殺傷或破壞。其種類及危害有如下幾種類型。

（1）直擊雷。帶電的云層對大地上的某一點發(fā)生猛烈的放電現(xiàn)象，稱為直擊雷，其破壞力十分巨大。

（2）雷電波侵入。雷電不直接放電在建筑和設(shè)備本身，而是對布放在建筑物外部的線纜放電。線纜上的雷電波或過電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴(kuò)散，侵入并危及室內(nèi)電子設(shè)備和自動化控制等各個系統(tǒng)。

（3）感應(yīng)過電壓。雷擊在設(shè)備設(shè)施或線路的附近發(fā)生，或閃電不直接對地放電，只在云層與云層之間發(fā)生放電現(xiàn)象。

（4）系統(tǒng)內(nèi)部操作過電壓。因斷路器的操作、電力重負(fù)荷以及感性負(fù)荷的投入和切除、系統(tǒng)短路故障等系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化而使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變，引起的電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生內(nèi)部過電壓。

（5）地電位反擊。如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設(shè)施，接地網(wǎng)的地電位會在數(shù)微秒之內(nèi)被抬高數(shù)萬或數(shù)十萬伏。

由此可見，雷擊有強大的破壞性，雷擊放電于具有避雷設(shè)施的建筑物時，雷電波沿著建筑物頂部接閃器（避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)或避雷針）、引下線泄放到大地的過程中，會在引下線周圍形成強大的瞬變磁場，輕則造成電子設(shè)備受到干擾，數(shù)據(jù)丟失，產(chǎn)生誤動作或暫時癱瘓；嚴(yán)重時可引起元器件擊穿及電路板燒毀，使整個系統(tǒng)陷于癱瘓。上訴5種類型雷擊均可以對工廠控制系統(tǒng)造成損壞，破壞工廠通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，影響工廠正常生產(chǎn)運行。

傳統(tǒng)的防雷SPD又名電涌保護(hù)器、防雷器、避雷器，用于保護(hù)用電設(shè)備免遭雷電電磁脈沖或操作過電壓破壞，成本低、安裝簡單；其原理是一旦響應(yīng)雷電瞬時過電壓時，其阻抗就突變?yōu)榈椭担试S雷電電流通過。但SPD模塊需要一定的反應(yīng)時間，在SPD防雷模塊動作之前，電流會沿著其他傳輸通道蔓延，會破壞整條通訊線路及掛載在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備；根據(jù)往年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，每年雷擊都會造成系統(tǒng)破壞，同一工廠短期內(nèi)連續(xù)被雷擊幾次的情況也時有發(fā)生，造成工廠無法正常生產(chǎn)。因此需要一種更加可靠的防雷方式對工廠控制系統(tǒng)、通訊總線進(jìn)行保護(hù)。

污水處理廠區(qū)室外安裝大量控制箱，控制箱安裝有測量變送器、閥門、執(zhí)行機構(gòu)、PLC控制系統(tǒng)等電氣控制設(shè)備，使用PROFIBUS通訊總線連接這些設(shè)備；雷擊產(chǎn)生的電流可達(dá)300kA，電流通過總線蔓延，會破壞整個控制系統(tǒng)，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)運行。因此，防雷是工廠電氣控制系統(tǒng)、總線通訊系統(tǒng)中非常重要的部分。

污水處理廠的自動控制非常依賴PROFIBUS總線通訊，較大廠商如西門子、羅克韋爾均有PROFIBUS專用通訊模塊，專用通訊模塊價格昂貴，大量安裝在重要的通訊節(jié)點，為正常生產(chǎn)運行提供重要保障；但是雷擊產(chǎn)生的電流經(jīng)常損壞通訊模塊，造成永久性損壞，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響工廠正常生產(chǎn)運行，部分模塊價格見表1。

室外控制箱成為了雷擊的潛在目標(biāo)；南方沿海城市，每年2～5月雨季，下雨伴有雷擊現(xiàn)象，雷擊的強大電流沿著通訊線路傳輸，破壞整個工廠的通訊網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)。

某污水處理廠日處理能力6萬t，采用西門子S7-400系列PLC，設(shè)置PLC1站、PLC2站、PLC3站共3個PLC站，每個站點采用PROFIBUS DP和PROFIBUS PA總線與過程測量變送器、閥門、執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行通訊，其中采用PROFIBUS DP通訊協(xié)議的儀表、成套系統(tǒng)共有38臺，采用PROFIBUS PA通訊協(xié)議的儀表共有6臺，PROFIBUS PA通訊協(xié)議使用西門子DP_PA Link and DP_PA Coupler協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成PROFIBUS DP協(xié)議，把數(shù)據(jù)傳輸至PLC站點。通訊網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS線纜連接，每個儀表加裝信號SPD模塊，接入總線網(wǎng)絡(luò)，儀表外殼接地；這樣的總線連接方式，存在非常大的隱患，雷擊后產(chǎn)生的強大電流會沿著PROFIBUS線纜實心銅線導(dǎo)體傳導(dǎo)至總線網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備，破壞網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備。

據(jù)統(tǒng)計，每年每個工廠均要遭受數(shù)次雷擊，每次造成的經(jīng)濟(jì)損失都是巨大的，對生成運行造成非常大的影響，僅2016年度情況統(tǒng)計如表2所示。

表2數(shù)據(jù)表明，經(jīng)濟(jì)損失是巨大的，更嚴(yán)重的是系統(tǒng)遭受破壞后，無法正常生產(chǎn)運行，恢復(fù)難度大，需要投入巨大的人力物力才能完成檢修、恢復(fù)生產(chǎn)，這對要求24h連續(xù)生產(chǎn)運行的污水處理廠是不允許的；因此，需要一種更加可靠的措施對總線通訊進(jìn)行保護(hù)，以減少經(jīng)濟(jì)損失、保證正常生產(chǎn)運行。

光纖總線防雷是一個全新的概念，與傳統(tǒng)通訊系統(tǒng)的防雷技術(shù)相比，該防雷技術(shù)完全可以避免大范圍雷擊故障，效果非常明顯，經(jīng)過升級改造的線路，沒有出現(xiàn)大范圍被破壞的現(xiàn)象，雷擊造成的小范圍故障，均可以快速完成維修，恢復(fù)正常生產(chǎn)運行，經(jīng)濟(jì)損失也小。

光纖轉(zhuǎn)換器是光纖通訊中的重要設(shè)備，也是光纖防雷的重要設(shè)備，光纖轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；PROFIBUS光纖轉(zhuǎn)換器可以將PROFIBUS信號轉(zhuǎn)換為光纖信號；PROFIBUS設(shè)備會產(chǎn)生電氣噪聲，導(dǎo)致總線發(fā)生故障。傳統(tǒng)線路不能隔離噪聲，這會破壞兩個總線之間的通訊，最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法通訊。而PROFIBUS光纖轉(zhuǎn)換器可檢測、識別噪聲，若某個總線設(shè)備發(fā)生故障，噪聲信號不會通過PROFIBUS轉(zhuǎn)光纖轉(zhuǎn)換器進(jìn)行傳輸，也不會影響其他總線段。

某污水處理廠經(jīng)過升級改造，取得了非常好的防雷效果，經(jīng)過2017年度生產(chǎn)運行，均未發(fā)生大面積雷擊故障，雷擊產(chǎn)生的強大電流無法蔓延傳輸；電流經(jīng)過接地線路傳入大地，不會危害整個網(wǎng)絡(luò)，保障了工廠正常生產(chǎn)運行，也節(jié)約了大量財力物力，2017年度統(tǒng)計情況如表3所示。

基于光纖傳輸總線防雷改進(jìn)技術(shù)，打破了傳統(tǒng)防雷觀念，利用光纖介質(zhì)，截斷了電流的傳輸路徑，保護(hù)了總線通訊網(wǎng)絡(luò)，是大膽創(chuàng)新的舉措，該防雷技術(shù)，可以避免大范圍雷擊故障，是現(xiàn)場總線的安全衛(wèi)士，為污水處理廠的正常生產(chǎn)運行提供了重要保障，經(jīng)過較長時間的應(yīng)用檢驗，取得了非常好的效果；該技術(shù)不僅可以應(yīng)用PROFIBUS總線，也可以應(yīng)用在CAN總線、DeviceNet總線、HART總線、CC-Link總線等其他工業(yè)現(xiàn)場總線，非常值得推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 西門子Profibus PA技術(shù)應(yīng)用手冊（中文）[Z].

[2] SIMATIC總線連接器DP/PA耦合器、有源現(xiàn)場分配器、DP/PA Link操作說明的修訂版[Z].

[3] SIMATIC RS 485中繼器設(shè)備手冊[Z].

[4] MVI69-PDPMV1技術(shù)數(shù)據(jù)表（Datasheet）[Z].