PC—INP—8IN低電壓輸入保護(hù)器的開發(fā)與應(yīng)用

賈明成

摘要：PC-INP-8IN低電壓輸入保護(hù)器是保證控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要設(shè)備，具有防雷電、防串入高電壓等功能。文章針對PC-INP-8IN低電壓輸入保護(hù)器的開發(fā)總體思路、技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了介紹，進(jìn)一步了解了此設(shè)備的主要功能。

關(guān)鍵詞：低電壓輸入保護(hù)器；快速恢復(fù)；控制器；自恢復(fù)保險；瞬態(tài)二極管 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM715 文章編號：1009-2374（2015）03-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0222

1 開發(fā)背景

當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過程中自動化控制已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域，控制系統(tǒng)由硬件、軟件兩大部分組成。其硬件是維持控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的首要條件，其安全是整個控制系統(tǒng)的頭等大事，硬件一旦發(fā)生事故，其危害是難以估計的，因此，保證硬件的安全是維持自動控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的首要任務(wù)。當(dāng)前自動控制系統(tǒng)的控制器主要采用PLC或DCS，其輸入模塊的查詢電壓一般為DC48V或DC24V。由于現(xiàn)場環(huán)境、天氣或人為原因輸入信號可能串入高電壓，如打雷會產(chǎn)生瞬間高壓，又或因現(xiàn)場安裝、調(diào)試、檢修人員的不慎操作，造成220V交流電壓串入輸入回路，這些高電壓的串入都將對控制器輸入模塊甚至CPU模塊造成致命的破壞，甚至可能造成整個控制器的燒毀，這樣對整個系統(tǒng)將造成無法估量的損失，輕則造成自動控制系統(tǒng)局部停機(jī)，重則會造成整個自動控制系統(tǒng)停機(jī)，致使工程進(jìn)度無法保證，生產(chǎn)無法繼續(xù)進(jìn)行。

2 總體思路

為避免造成這樣的后果，傳統(tǒng)方法是：其一，加中間繼電器隔離，但串入高電壓時仍然會造成DC電源燒壞，控制系統(tǒng)無法繼續(xù)運(yùn)行；其二，后又在加繼電器隔離基礎(chǔ)上，對控制器電源與外圍查詢電源系統(tǒng)分開，這樣確實(shí)解決了控制系統(tǒng)安全問題，但存在查詢電源燒壞問題和不知具體哪一線路有串入高電壓問題，一樣會影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。以上兩種方法雖然確?？刂破靼踩?，但安裝空間需要增加（每個輸入點(diǎn)需增加一個中間繼電器），加上中間繼電器的投入，其成本增加很多，可控制系統(tǒng)一樣存在不能正常穩(wěn)定運(yùn)行。因此需要一種設(shè)備，當(dāng)發(fā)生上述情況時，能迅速隔離高強(qiáng)電壓，而不會造成控制器及I/O模塊的損毀，當(dāng)排除發(fā)生上述情況因素后，又能快速恢復(fù)，同時還希望該產(chǎn)品成本低、體積小，又拆裝方便。

3 技術(shù)方案

根據(jù)總體思路，首先設(shè)計一路的保護(hù)器做實(shí)驗，如果成功可在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展。本著降壓、瞬間釋放電流、快速切斷線路、故障排除后快速恢復(fù)來設(shè)計保護(hù)電路。為實(shí)現(xiàn)以上這些功能，我們最初選用器件有電阻、保險管熔斷器、雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管，保護(hù)器線路搭接完畢。

實(shí)驗結(jié)果如下：其一，在保護(hù)器線路的輸入端模擬雷擊即短暫脈沖式串入高電壓，檢測控制器和保護(hù)器線路都沒有被燒壞，實(shí)驗結(jié)果符合設(shè)計要求；其二，在保護(hù)器線路的輸入端模擬誤操作長時間串入高電壓，結(jié)果電阻和線路板燒壞、保險熔斷，當(dāng)故障排除后不能迅速恢復(fù)，必須更換保護(hù)器，實(shí)驗結(jié)果沒有達(dá)到預(yù)期要求。實(shí)驗結(jié)果不符合設(shè)計要求，此方案不可行。

分析原因，主要是電阻阻值不可變，線路板太薄，承載電流太小，當(dāng)電路發(fā)生短路或串入異常大電流時，其線路不能有效阻斷或降低電流，致使電阻和線路板直接燒壞。另外，保險熔斷后不能自恢復(fù)。最后我們改變電路原理及器件選型，器件換成高分子自恢復(fù)保險器件、單向瞬態(tài)二極管、更換方便的保險管。原理如圖1：

重復(fù)上述實(shí)驗，其各個最初設(shè)計功能得以實(shí)現(xiàn)，分析其保護(hù)的工作原理有：

其一，當(dāng)發(fā)生雷電等情況時，如高電壓串入到輸入回路時，在輸入回路和大地之間有高電壓，加在瞬態(tài)二極管D1兩端的電壓超出設(shè)計值，D1電阻迅速減小，從輸入端XP6的電流從D1釋放到大地，避免進(jìn)入到控制器內(nèi)部，另外當(dāng)電流迅速增大時，高分子自恢復(fù)保險器件R1的自熱使其阻抗迅速增大，把電流限制到足夠小，從而阻止從輸入端XP6的大電流進(jìn)入，再次阻止額外的電流進(jìn)入到控制器內(nèi)部，從而起到保護(hù)控制器的作用。當(dāng)線路故障排除后，高分子自恢復(fù)保險器件R1兩端電流恢復(fù)正常后，其R1的自熱不足以維持高阻抗?fàn)顟B(tài)，其阻值又恢復(fù)到最初低阻狀態(tài)。輸入保護(hù)器恢復(fù)到最初狀態(tài)。

其二，當(dāng)發(fā)生外部220V交流電壓串入到24V電壓時，加在瞬態(tài)二極管D9兩端的電壓超出設(shè)計值，D9兩端電阻迅速減小，一方面從D9釋放電流到大地，避免串入到柜內(nèi)，損壞開關(guān)電源，同時加在FU1兩端的電流迅速加大，使FU1熔斷，從而徹底隔斷從外部串入220交流電源。當(dāng)線路故障排除后，只需更換一個FU1保險管，就可使輸入保護(hù)器恢復(fù)到最初狀態(tài)。

4 模塊化減小體積增加可擴(kuò)展性

通過一個回路的實(shí)驗結(jié)果證明，此原理滿足最初設(shè)想?？紤]性價比問題，PLC和DCS的I/O卡件通常是以一個字節(jié)為單位即8的倍數(shù)劃分模塊數(shù)，為了使此保護(hù)器與I/O卡件相匹配，同時還要滿足通用性、成本低、安裝空間小、拆裝方便。最終確定以8路作為一個模塊，可以無限擴(kuò)展，端子采用可插拔，便于安裝維護(hù)。該輸入保護(hù)器命名為PC-INP-8IN，其長70mm、寬72mm，可以立柱安裝也可以安裝在模塊槽上。

5 關(guān)鍵技術(shù)、創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 采用高分子自恢復(fù)保險器件

此元器件是一種新型正溫度過流保護(hù)元器件，主要應(yīng)用于小功率電子設(shè)備短路及過載保護(hù)。與傳統(tǒng)保險絲相比，其突出優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)應(yīng)用電路發(fā)生短路或過載時，高分子自恢復(fù)保險器件能自動斷開回路；故障排除后又能自動導(dǎo)通。其原理是：高分子自恢復(fù)保險器件由聚合物樹脂基體及參入其中的導(dǎo)電粒子組成，常態(tài)下表現(xiàn)低阻抗（小到幾歐），正常情況下流經(jīng)其上的電流產(chǎn)生的熱量很小，不會改變聚合樹脂的晶體結(jié)構(gòu)，從而使電路保持通路。當(dāng)電路中有過電流發(fā)生時，流經(jīng)其上的大電流產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致樹脂體內(nèi)溫度迅速升高，當(dāng)溫度升高到一定程度時，其阻抗迅速升高，把電流限制在足夠小，從而起到保護(hù)作用，當(dāng)故障排除后，樹脂冷卻重新結(jié)晶，其保險器件恢復(fù)低阻抗?fàn)顟B(tài)，從而重新使電路保持通路，這樣避免了維護(hù)更換，給系統(tǒng)快速恢復(fù)提供了時間，減少工作量，降低成本。

5.2 瞬態(tài)二極管

瞬態(tài)電壓抑制二級管簡稱TVS器件，其原理是在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過，并將電壓箝制到預(yù)定水平，從而有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受損壞。即當(dāng)TVS器件兩端高電壓出現(xiàn)時，TVS被擊穿，并由擊穿電壓值上升至最大箝位電壓值，隨著脈沖電流呈指數(shù)下降，箝位電壓亦下降，恢復(fù)到原來狀態(tài)。在輸入保護(hù)器上加裝瞬態(tài)電壓抑制二級管，當(dāng)發(fā)生雷電等大電壓串入時，能迅速釋放能量，從而避免大電壓進(jìn)入PLC內(nèi)部從而起到保護(hù)作用，當(dāng)能量釋放或恢復(fù)正常時，瞬態(tài)電壓抑制二級管能恢復(fù)正常使用。

5.3 采用普通保險管

當(dāng)外部意外發(fā)生，大電流竄入開關(guān)電源時，能徹底隔斷外部大電流。采用普通保險管與自恢復(fù)保險器件串聯(lián)使用，從而更好地保護(hù)開關(guān)電源和PLC。

5.4 采用模塊化

可根據(jù)需要任意擴(kuò)展回路數(shù)，采用立柱或?qū)Р坌问桨惭b，結(jié)構(gòu)小，組合靈活。

5.5 創(chuàng)新點(diǎn)

運(yùn)用高分子自恢復(fù)保險器件的瞬間增加阻抗，提高其兩端電壓，降低此電路回路中的電流；與瞬態(tài)二極管瞬間降低阻抗，釋放此電路回路中的電流；兩者有機(jī)結(jié)合是一種創(chuàng)新，是輸入保護(hù)器實(shí)現(xiàn)設(shè)計要求的關(guān)鍵點(diǎn)。通過采用瞬變及可恢復(fù)器件—自恢復(fù)保險和瞬態(tài)二極管，實(shí)現(xiàn)了快速隔離、自動恢復(fù)的功能，滿足最初設(shè)想。

6 結(jié)語

PC-INP-8IN低電壓輸入保護(hù)器從2010年5月開發(fā)、試驗通過后，其各項功能達(dá)到了設(shè)計要求。目前在物料輸送控制系統(tǒng)上對DI全部采用PC-INP-8IN輸入保護(hù)器，應(yīng)用效果達(dá)到預(yù)期目的，使物料輸送控制系統(tǒng)運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定、可靠。本項新技術(shù)、新產(chǎn)品值得在低壓控制系統(tǒng)業(yè)界大力推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 王至秋.高分子自恢復(fù)保險絲的工作原理及選用[J].實(shí)驗室研究與探索，2004，（12）.

（責(zé)任編輯：秦遜玉）