工业现场PLC防雷设计方案 

概述　　随着计算机技术(Computer)、控制技术(Control)、通讯技术(Communication)、显示技术(CRT)的发展
和广泛应用，目前工厂的自动化控制普遍采用由工业计算机IPC或可编程控器PLC组成的集数据采集、过程控制和
信息传送于一体的监控网络。由于这些设备大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元，其对瞬间过电压的承受能
力大幅降低，成为工厂受雷电损害的主要设备。所以对自动化系统采取有效的保护措施是非常必要的，明析瞬间
过电压产生途径和危害是正确采取防护措施的前提。
  一、瞬间过电压的产生
    瞬间过电压是指在微妙至毫秒之内所产生的的尖峰冲击电压而非一般电源上的所谓过压(一般电源过压可能维
持数秒及以上)，瞬间过电压有两种产生途径：雷击和电气开关动作。
    1、一般构筑物避雷网只能保护其本身免受直击雷损害，雷击会通过以下两种方式破坏电子设备：①直击到电
源输入线，经电源线进入而损害设备，因电力线上安装的各种保护间隙和电力避雷器，只可把线对地的电压限制到
小于6000伏(IEEE C62.41)，而线对线无法控制。②以感应方式(电阻性、电感性、电容性)偶合到电源、信号线上，
最终损害设备。
    2、当电流在导体上流动时，会产生磁场存储能量并与电流大小和导线长度成正比，当电器设备(大负荷)开关时
会便产生瞬间过电压而损害设备。

二、瞬间过电压对电子设备的危害
    瞬间过电压使电子设备讯号或数据的传输与存储都受到干扰甚至丢失，至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪；
重复影响而降低电子设备寿命甚至立即烧毁元器件及设备。这一切都会给生产和工作带来较大损失。
    通常工厂自动化系统的控制站都置于构筑物之中，网络线、电源线铺设于电缆沟中，因而遭受直接雷击的可能
性不大，其防护的主要对象是雷电波侵入(感应)。按国外统计资料显示雷电波侵入(感应)危害，占计算机类设备雷
击事故的85%。雷电波侵入(感应偶合)对自动化系统的破坏，主要是通过侵入电源线、天馈线、通讯线和信号线而分
别损坏电源模板、通讯模板、I／O模板；也可能因感应从信号采集线和接地网引入有害的信号电流和接地电流，损
坏自动化系统或影响其运行。
    根据瞬间过电压产生、危害途径和自控系统大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元及集控制、通讯、监测为
一体且分散面广的特点，我们认为对自控系统要尽可能降低雷电带来的损失，就必须采取系统的、综合的防雷措施。
特别应从配电系统防雷、自控系统信号线路防雷、和合理接地等方面着手。

    1、自控配电系统的防雷

当雷击输电线或雷闪放电在输电线附近时，都将在输电线路上形成雷电冲击波，其能量主要集中在工频至几百赫的低
端，容易与工频回路耦合。雷电冲击波从配电线路进入自控设备的电源模块以及从配电线路感应到同一电缆沟内的自
控网络线上进入自控设备的通讯模块的几率比从天馈和信号线路进入的要高得多。因此配电线路的防雷是自控系统防
雷的重要部份。

采用单一的器件或单级保护很难满足自控设备对电源的要求，因为自动控制设备的耐过压能力低，配电系统在高、低
压进线安装的阀型避雷器、氧化锌避雷器等避雷装置启动电压高而且有较大的分散电容，与设备负载之间成为分流的
关系，从而加在自控设备上的残牙高，极易造成设备损坏。所以对电源防雷应采取多级保护措施。具体级数根据各自
实际情况而定。
   
    第一级在变压器二次侧，主要泄放外线等产生的过电压，其雷通量大，启动电压高(920-1800V)。 第二级在各控制
站PLC专用隔离变压器前，主要泄放第一级残压、配电线路上感应出的过电压和其它用电设备的操作过电压、其电流通量
居中，启动电压居中(470-1800V)。隔离变压器的安装非常重要，它能有效抑制各种电磁干扰，对雷电波同样有效。 末
级在PLC专用电源模板前，主要泄放前面的残压，完全可达到箝位输出，其残压低，响应时间快。

2．自控系统信号线路防雷

  工业自动化系统中所涉及到的信号有模拟量输入/输出信号，数字量输入/输出信号，还有开关量，通讯信号等。其中
模拟信号多来自传感器，变送器，而且比较分散，数据线路长，在整个系统中极易受到浪涌冲击的危害。此外送到PLC的
开关信号，随着设备启停瞬间产生浪涌高对PLC的I/0模块造成危害。

如上图所示： 现场仪表到PLC之间安装 NKP-TEL-6J 模拟信号防雷器

             开关信号到PLC之间安装NKP-TEL-3J-K 开关量信号防雷器

             PLC之间通讯安装NKP-TEL-3J-2 RS485信号防雷器

3．接地系统

    标准接地网的制作

在距建筑物1.5～3.0m处，以6m×3m矩形框线为中心，开挖宽度为0.8m、深0.6～0.8m的土沟，长边中间贯通，采用长
2.5m的L5（5×50×50）镀锌角钢，在沟底的每个交点处垂直打入一根，共计6根，作为垂直接地极；然后采用4号
（4×40）镀锌扁钢将六根角钢焊接连通，作为水平接地极；再用4号镀锌扁钢焊在地网框架的中间部位，引出至机房
外墙角，离地高0.3米，作PE接地端；最后从该接地端引出16平方毫米以上护套地线，沿墙边穿墙进入室内，连至机房
内等电位接地汇集排。

室外接地                                  室内地网

结束语：
　　总之，由于计算机、PLC系统大量采用大规模CMOS集成电路和分散控制用的CPU单元，使其对瞬间过电压承受能
力大幅度减弱，同时控制系统各种线路伸入到工厂的各种环境之中，采用任何一种单一的防雷器件都有难以保证其
安全，必须采取综合防护的措施，对症下药将各类可能引起雷害的因素排除，才能将雷害减少至最低限。