2. 电磁干扰相关问题

Beckhoff 的控制器/耦合器虽然符合 EN60068-2-6(EN50082)/EN61000-6-4(EN50081)EMC规范，但静电放电(ESD)和电快速瞬变脉冲群(EFT)对自动化系统会产生不同程度的危害。当电缆暴露在4～8kV 静电放电环境中时，信息传输电缆终端负载上可以测量到的感应电压可达到600V，这个电压远远超出了 Beckhoff 控制系统输入、输出端口和通信端口的门限电压值，典型的感应脉冲持续时间大约为400ns。

Beckhoff 控制系统在使用中经常会遇到意外的电压瞬变和浪涌，从而导致控制器内部电子元器件的损坏。电压的瞬变和浪涌无处不在，电网、雷击、爆破，就连人在地毯上行走都会产生上万伏的静电感应电压，这些都是控制器端口和通信端口的隐形危害源。因此，为了提高控制系统的可靠性，必须对电压瞬变和浪涌采取防护措施。

1、防雷端口

控制系统受雷击可大致分为直击雷、感应雷和传导雷。但不论以哪一种形式到达设备都可归纳为3 个部位（现场总线接口、K-bus 电源/IO 电源接口和输入/输出接口）侵入雷电浪涌。

1.1、外壳端口

可以把自动化控制系统视为一个整体的外壳，如传感器、传输线、信号中继、现场仪表、耦合器/控制器等，它们都有可能完全暴露在环境中受到直接雷击，造成设备损坏。标准规定，当设备外壳受到4kV 的雷电静电放电时，都会影响控制系统的正常运行。例如放置于室外的输入传感器有可能受到雷电接触放电;位于室内的控制柜有可能受到建筑物避雷引线泄流时的空间放电。

1.2、信号线端口

在控制系统中,为了实现信号或信息的传递总要有与外界进行直接连接,那么这些外界输入信号或控制器的输出信号接口都有可能受到雷电浪涌冲击。一旦超过限值，信号端口和端口后的设备有可能遭受损坏。

1.3、电源端口

电源端口是分布最广泛也最容易感应或传导雷电浪涌的部位，Beckhoff 的耦合器/控制器电源端口分为 K-bus(E-bus) 接口和 I/O 接口。电源接口受较小的浪涌冲击不一定立即损坏设备，但至少对寿命有影响。

1.4、接地端口

尽管在标准中没有专门提到接地端口的指标，实际上Beckhoff 的耦合器/控制器的接地端口是非常重要的。在雷电发生时接地端口有可能受到地电位反击、地电位升高影响，或者由于接地不良、接地不当使地阻过大，达不到参考电位要求使设备损坏。接地端口不仅对接地电阻/接地线极(长度、直径、材料等)、接地方式、地网的设置等有要求，而且还与设备的电特性、工作频段、工作环境等有直接的关系。同时从接地端还有可能反击到控制器内的工作电源端口，损坏单元电路。

2、控制器端口保护

2.1、外壳端口

控制器的外壳端口保护不仅仅是建筑物外壳，也应当包括控制器外壳或控制器柜的外壳，比如说控制器、控制器柜室等。按照IEC 1312—1《雷电电磁脉冲的防护》第一部分(一般原则)的适用范围：建筑物内或建筑物顶部控制器系统有效的雷电防护系统的设计、安装、检查、维护。

其保护方法主要有三种：接地、屏蔽及等电位连接。

（1） 接地

IEC1024—1 已经阐述了建筑物防雷接地的方法，主要是通过建筑物地下网状接地系统达到要求。控制器系统防雷时还要求对相邻两建筑物之间通过的电力线，信号传输电缆均必须与建筑物接地系统连接起来(不能形成回路)，以利用多条并行路径来减少电缆中的电流。控制器系统的接地更应当注意系统的安全性和防止其它系统干扰。一般来说工作状态下控制器系统接地不能直接和防雷地线相连，否则将有杂散电流进入控制器系统引起信号干扰。正确的连接方式应当在地下将两个不同地网，通过放电器低压避雷器连接，使其在雷击状态下自动连通。

（2）屏蔽

从理论上考虑，屏蔽对控制器外壳防雷是非常有效的。但从经济合理角度来看，还是应当从设备元器件抗扰度及对屏蔽效能的要求来选择不同的屏蔽方法。线路屏蔽，即在控制器系统中采用屏蔽电缆已被广泛应用。但对于设备或系统的屏蔽需要视具体情况而定。IEC 提出了采用建筑物钢筋连到金属框架的措施举例。

IEC1312—2 作了如下描述：建筑物内部控制器系统的主要电磁干扰源是由一次闪击时的几个雷击的瞬时电流造成的瞬态磁场。如果包含控制器系统的建筑物或房间，用大空间屏蔽，通常在这样的措施下瞬时电场被减少到一个足够低的值。

(3) 等电位接连

等电位连接的目的是减小控制器之间和控制器与金属部件之间的电位差。在防雷区的界面处的等电位连接要考虑建筑物内的控制器系统，在那些对雷电电磁脉冲效应要求最小的地方，等电位连接带最好采用金属板，并多次与建筑物的钢筋连接或连接在其它屏蔽物的构件上。对于控制器系统的外露导电物应建立等位连接网，原则上一个电位连接网不需要直接连在大地，但实际上所有等电位连接网都有通大地的连接。

2.2、信号线端口

信号线端口保护现在已经在已有许多类型的较为成熟的保护器件。在保护器选择时除了保护器本身的性能外，应该注意保护设备的传输速率、插入衰耗限值、驻波比、工作电压、工作电流等相关指标，如果在同一系统使用多级保护还应该考虑相互配合问题。

在信号端口窜入的瞬态电流最容易损坏控制器内部的信号交换或转换单元及控制单元。事实上瞬态电流或浪涌可能通过不同途径被引入到信号传输网络中，若控制系统和上位机通信采用以太网结构，则IEEE 802—3 以太网标准中列出了四种可能对网络造成威胁的情况：

(1) 局域网络元件和供电回路或受电影响的电路发生直接接触;

(2) 局域网电缆和元件上的静电效果;

(3) 高能量瞬态电流同局域网络系统耦合(由网络电缆附近的电缆引入);

(4) 彼此相连的网络元件的地线电压间有细小差别(例如两幢不同建筑的安全地线电压就有可能略有不同)。

用户应当对数据线保护器慎重选择，有些保护器虽然起到了“分流”作用，但常常是将硅雪崩二极管(SAD)接在被保护线路和保护器外壳之间，测试表明SAD 的箝位性能很好，但电涌分流能力有限。同时压敏电阻(MOV)也不能在数据线保护器上使用。先进的过程控制系统的信号接口防雷保护装置(无论是RS-232串等通信接口还是计算机同轴网络适配器接口)目前均采用瞬态过电压半导体放电管，其冲击残压参数指标很重要。有条件时能够采取多级保护设计电路效果更佳。

2.3、电源端口

原则上采用多级SPD 做电源保护，但控制系统的电源保护由于其敏感性必须采用较低的残压值的保护器件，且此残压应当低于需要保护设备的耐压能力。同时还必须考虑到电磁干扰对控制系统的影响，因此带滤波的分流设计应当更加理想。

重视控制器的端口防护，已成为控制系统设计、应用必须面对的问题，也是控制器应用和推广的关键性问题之一。


余洋 2023.3.9 编辑