淺淡凈水廠通信總線的防雷保護(hù)

莫國(guó)禮

摘 要：本文以廣州市凈水有限公司大沙地分公司現(xiàn)場(chǎng)通訊總線防雷整改為例介紹一種多級(jí)防雷保護(hù)措施在生產(chǎn)通信上的應(yīng)用，以期達(dá)到分享交流目的。

關(guān)鍵詞：通信總線; 防雷保護(hù); GDT

現(xiàn)場(chǎng)總線是順應(yīng)智能現(xiàn)場(chǎng)儀表而發(fā)展起來(lái)的一種開放型的數(shù)字通信技術(shù)，其發(fā)展的初衷是用數(shù)字通信代替一對(duì)一的I/O連接方式，把數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)。根據(jù)IEC和美國(guó)儀表協(xié)會(huì)ISA的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通信。但是伴隨著使用頻率的增高，其遇到的問(wèn)題也日益增加。例如，日常生活中雷電和靜電干擾已經(jīng)成為通信總線在實(shí)際工程經(jīng)常遇到的問(wèn)題。故如何對(duì)芯片以及總線進(jìn)行有效的保護(hù)，是擺在每一個(gè)使用者面前的一個(gè)問(wèn)題。以下，筆者結(jié)合廣州市凈水有限公司大沙地分公司現(xiàn)場(chǎng)通信總線使用過(guò)程遇到的故障及修復(fù)整改來(lái)談?wù)劮览妆Ｗo(hù)經(jīng)驗(yàn)。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線的概況

1.1 自控系統(tǒng)介紹

廣州市凈水有限公司大沙地分公司的自控系統(tǒng)是采用Rockwell公司的人機(jī)界面軟件RSView來(lái)開發(fā)的，其監(jiān)控范圍包括：進(jìn)水泵房、沉砂池、反應(yīng)池、二沉池、清毒池、鼓風(fēng)機(jī)房、脫水機(jī)房。上述各個(gè)儀表通過(guò) PROFIBUS – DP與各個(gè)分站通信，交換數(shù)據(jù)。

1.2 周邊雷電環(huán)境及其對(duì)通信總線的影響

分公司位于黃埔貨運(yùn)碼頭和文沖船廠之間，其中兩條65萬(wàn)伏的過(guò)江高壓線橫跨廠區(qū)，并且在鼓風(fēng)機(jī)房、出水儀表設(shè)備附近安裝有中國(guó)移動(dòng)、中聯(lián)通的通信基站（通信基站建設(shè)對(duì)周邊雷電環(huán)境的影響已有其它論文論述，本文略）

PROFIBUS – DP總線實(shí)行長(zhǎng)距離傳輸（1200米以上），而且其傳輸線通常暴露于戶外，因此極易因?yàn)槔讚舻仍蛞脒^(guò)電壓。另外，總線收發(fā)器工作電壓較低（5V左右），其本身耐壓也非常低（-7V～+12V），一旦過(guò)壓引入，就會(huì)擊穿損壞，再有強(qiáng)烈的浪涌能量出現(xiàn)時(shí)，甚至可以看到收發(fā)器爆裂，線路板焦糊的現(xiàn)象。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)總線受雷電影響的情況

我分公司的現(xiàn)場(chǎng)通信總線電磁環(huán)境復(fù)雜，特別是中國(guó)移動(dòng)、中聯(lián)通的通信基站投入使用后令電磁環(huán)境更加惡劣，導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)房、出水儀表設(shè)備附近成為雷擊的重災(zāi)區(qū)。如：2016年發(fā)生的一次雷擊，就造成了出水流量計(jì)、中水流量計(jì)、通信中繼器、通信模塊等設(shè)備的損壞，直接的經(jīng)濟(jì)損失就超過(guò)25萬(wàn)。因此，雷擊現(xiàn)象對(duì)我分公司的現(xiàn)場(chǎng)通信影響是巨大的，防雷保護(hù)必不可少。

2 通信總線防雷設(shè)置

2.1 通信總線防雷保護(hù)器的基本要求

在正常運(yùn)行時(shí)，雷電保護(hù)器的接入應(yīng)不影響信號(hào)的正常傳輸，雷電保護(hù)器的對(duì)地阻抗應(yīng)非常大，串連在電路中的阻抗應(yīng)非常小，在雷電襲擊通信總線時(shí)，雷電保護(hù)器應(yīng)發(fā)揮良好的電壓鉗位作用，其鉗位電壓應(yīng)低于后端控制芯片或其它電器件的耐受電壓水平。在抑制雷電襲擊過(guò)程中，雷電保護(hù)器自身應(yīng)完好無(wú)損，雷電保護(hù)器對(duì)雷電襲擊應(yīng)具有足夠快的響應(yīng)速度。

2.2 防雷保護(hù)器的原理

總線的防雷保護(hù)器的原理：當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，感應(yīng)過(guò)電壓由兩端引入，GDT做一級(jí)防護(hù)，此時(shí)過(guò)電壓被大大削弱到數(shù)百伏左右，再經(jīng)過(guò)PPTC限浪，TVS做二次限壓，使到后端電路的電壓被箝制在8V左右，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后端電路的保護(hù)。TVS2/3做共模保護(hù)，TVS1做差模保護(hù)。

2.3 整改前的防雷設(shè)置

大沙地分公司的現(xiàn)場(chǎng)通信總線設(shè)計(jì)有基本的防雷保護(hù)保護(hù)措施，對(duì)室外分散儀表的防雷保護(hù)則靠建筑物的防雷帶給予保護(hù)。

2.4 室外分散儀表的防雷整改

因?yàn)樵惺彝夥稚x表未作單獨(dú)的防雷保護(hù)，為保證室外分散儀表免受雷擊影響，需安裝必要的防雷保護(hù)保護(hù)措施。為此加裝一般位置通信總線的防雷保護(hù)，即在儀表端增加防雷保護(hù)器。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)方便、安裝容易對(duì)信號(hào)的衰減影響最小。缺點(diǎn)是防雷保護(hù)能力一般，不能承受大的雷擊能量。故該方案只能針對(duì)雷電環(huán)境一般的通信總線，而對(duì)我廠的雷電重災(zāi)區(qū)則明顯不足。

2.5? 雷電重災(zāi)區(qū)防雷保護(hù)保護(hù)措施

2.5.1 多級(jí)防雷保護(hù)及其通信形式的整改

防雷保護(hù)器中的陶瓷放電管GDT能承受大量的雷擊，但不可能一次將雷擊電壓鉗制在通信收發(fā)器耐壓可承受的范圍內(nèi)，故對(duì)我廠的雷電重災(zāi)區(qū)要采用多級(jí)防雷保護(hù)措施。

該通信形式有如下特點(diǎn)：

在通信總線長(zhǎng)度的適當(dāng)位置加裝防雷地極增強(qiáng)防護(hù)效果，共加裝兩條。地極的要符合要求。一般防雷地極都要可靠的連接至大地，且接地電阻不能超過(guò)10歐。可靠的接地可以大大提高防護(hù)效果，而不良的接地也會(huì)大大消弱防護(hù)效果。

為改善增加防雷保護(hù)器造成通信信號(hào)的衰減在通信總線適當(dāng)位置加裝西門子通信中繼器，利用通信中繼器信號(hào)放大功能，有效改善通信能力和穩(wěn)定性。同時(shí)通信中繼器和兩只防雷保護(hù)器串聯(lián)利用陶瓷放電GDT和TVS的保護(hù)把總線電壓鉗制在通信收發(fā)器耐壓可承受的范圍內(nèi)。

在重要的儀表和通信分站的入口端加裝一個(gè)自制的雷擊自動(dòng)熔斷器加以保護(hù)。

為驗(yàn)證通信形式防雷保護(hù)的防護(hù)效果，可在通信分站的入口端的雷擊自動(dòng)熔斷器泄壓地極加裝一個(gè)雷擊計(jì)數(shù)器

2.5.2 DIY雷擊自動(dòng)熔斷器的原理

雷擊自動(dòng)熔斷器的原理如圖1所示，當(dāng)普通能量的雷擊發(fā)生時(shí)，感應(yīng)過(guò)電壓由A、B兩端引入，第一級(jí)的GDT被擊穿，向地極放電，此時(shí)過(guò)電壓被大大削弱到數(shù)百伏左右，再經(jīng)過(guò)PPTC限浪，TVS做二次限壓，把總線電壓鉗制在通信收發(fā)器耐壓可承受的范圍內(nèi)。但當(dāng)巨大能量的雷擊發(fā)生或出現(xiàn)短時(shí)反復(fù)的雷擊，第一級(jí)的保護(hù)失效或不能把總線電壓鉗制在通信收發(fā)器耐壓可承受的范圍時(shí)，過(guò)電壓經(jīng)過(guò)FU（電子快速動(dòng)作熔斷器）擊穿第二級(jí)的GDT向地極放電，電流超過(guò)電子快速動(dòng)作熔斷器的限值，電子快速動(dòng)作熔斷器動(dòng)作熔斷，從而切斷過(guò)電壓的通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)后端電路和設(shè)備的保護(hù)。

（1）保護(hù)等級(jí)：

可通過(guò)IEC61000-4-5，4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）主要器件選擇

GDT： 3SPC090F

PPTC： MSM020

TVS： SMBJ10CA

FU：電子快速動(dòng)作熔斷器 TDC600

2.6 整改后通信總線的防雷效果

雷擊計(jì)數(shù)器是一個(gè)用電流互感器檢測(cè)從GDT向地極釋放電流大于1KA即加1的計(jì)數(shù)器。為驗(yàn)證通信形式防雷保護(hù)的防護(hù)效果，在通信分站的入口端的雷擊自動(dòng)熔斷器泄壓地極加裝一個(gè)雷擊計(jì)數(shù)器。從安裝至今共運(yùn)行了兩年多，雷擊計(jì)數(shù)器顯示，該通信總線至少受到74次的雷擊，而沒(méi)有損壞任何的設(shè)備，且通信穩(wěn)定抗干擾能力強(qiáng)，連續(xù)無(wú)故障運(yùn)行大于200天。

3 結(jié)束語(yǔ)

雷電能夠使各種通信總線構(gòu)成的系統(tǒng)遭到毀壞，嚴(yán)重地影響通信總線的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，因此對(duì)通信總線及各種儀表通信都需作必要的防雷保護(hù)措施，以免導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)的失效。另外，對(duì)總線布線亂，與動(dòng)力線同槽，接地混亂等現(xiàn)象是多數(shù)廠共有的缺點(diǎn)，筆者在總線的維修過(guò)中，發(fā)現(xiàn)多數(shù)的總線通信故障與干擾，甚至雷擊都與這些缺點(diǎn)有關(guān)，故規(guī)范總線的布線，是減少通信故障與干擾的首要條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]通信基站建設(shè)對(duì)周邊雷電環(huán)境的影響分析及防護(hù)措施? 《山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版》2011年 第1期 | 馬守強(qiáng) 高曉梅

[2]現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用技術(shù)? ?機(jī)械工業(yè)出版社? ?李正軍

[3]防雷與接地技術(shù)概論? ?華南理工大學(xué)出版社? 劉剛

（廣州市凈水有限公司大沙地分公司， 廣東 廣州 510000）