淺談數控機床中SPD 的應用

陳慧

摘? 要：根據國際數控技術的改革創新，在制造領域，信息運用和大型工業化推進的建設工程，都需要專業的技術和相關應用支撐，南京菲尼克斯公司傳承對工藝精益求精的質量標準和產品應用價值，對數控機床的SPD使用技術進行了多方研究和探討。

關鍵詞：數控機床;電源浪涌保護器;信號浪涌保護器

1 引言

數控機床是一種裝有程序控制系統的自動化機床，它綜合了機械、自動化、計算機、測量、微電子等最新技術，使用了多種傳感器等，是嚴格按照加工程序所規定的參數及動作執行的。隨著自動化程度的不斷提高，機床內部的電氣元器件精密度也不斷的提升，無論是控制單元-PLC，還是執行機構-伺服驅動，無論是電源，傳感器/執行器信號還是通訊信號，對外在的抗干擾提出了更高的要求。由于環境的影響，比如雷電天氣打雷引發的浪涌通過線路竄到機床電氣柜內，從而導致機床設備的停工，加工任務的停滯，甚至損害機床，造成巨大的經濟損失，為數控機床加裝電涌保護器能夠預防浪涌對機床電氣設備的沖擊，從而有效的保護數控機床。

2 案例分析

某數控機床加工車間，數控車床正在有序的進行零件的加工，此時處于夏季，雷雨天氣時常發生，此時天空電閃雷鳴，正在運行的數控車床突然報警，加工暫停，并且能聞到燒焦的糊味，廠房內的總空開跳閘。后來經過檢查發現，閃電擊中了廠房附近的一顆大樹，雷擊產生的瞬態感應浪涌通過埋地敷設電纜，進入廠房，并通過電源線和信號線竄入數控機床電氣柜內，將電氣柜內的PLC信號接口瞬間燒壞，散發出難聞的燒焦味

3 原理分析

根據上述案例的反應情況，將從浪涌產生的原因、入侵途徑、原理及選型詳細闡述。

3.1瞬態浪涌產生的主要原因

（1）雷電電磁脈沖 （LEMP）：與雷電放電相聯系的電磁輻射。所產生的電場和磁場能夠耦合到電器或電子系統中，從而產生干擾性的浪涌電流或浪涌電壓。作為干擾源的雷電流及雷電電磁場產生的電磁場效應。

（2）開關電磁脈沖（SEMP）：當開關回路電流最大時瞬間切斷，導致產生比較強的電磁脈沖輻射，從而對周邊精密信號設備造成干擾，甚至損壞周邊設備。

（3）靜電放電（ESD）：兩個物體之間靜電電荷的轉移。當兩個不同電位的物體直接接觸時，這是一個非常迅速的事件。半導體工業中器件失效的主要原因之一是靜電放電。

（4） 核電磁脈沖（NEMP）：核爆炸瞬間產生的一種強電磁波。它與自然界的雷電十分相似，雖然威力巨大，但是在數控機床運行中很難遇到，不在考慮的防護范圍之內。

3.2 入侵途徑

對于數控機床設備而言，絕大多數為雷電波通過電源和信號線管道的入侵或電氣柜內大的空開頻繁切換產生的開關電磁脈沖，引發造成的機床內部電氣元器件損壞，如果此時對數控機床的電氣柜增加電源和信號浪涌保護器能夠很好的對機床進行保護。

3.3 浪涌保護器SPD的工作原理

元器件平時處于類似斷開狀態，當來了一個大的浪涌時，可瞬間以有目的限制瞬態過電壓和轉移浪涌電流。 它至少使用了一個非線性零件，分為開關型和限壓型。

開關型SPD：當沒有浪涌出現時，SPD呈高阻狀態;當沖擊電壓達到一定值時（即達到火花放電電壓），SPD的電阻突然下降變為低值。開關型元器件有氣體放電管和火花間隙。它們的特點是泄放能力強，但是響應時間慢，一般用于一類浪涌保護器，模擬自然界中雷電電磁脈沖。

電壓限制型SPD：當沒有浪涌出現時，SPD呈高阻狀態;隨著沖擊電流及電壓的逐步提高，SPD的電阻持續下降。限壓型元器件有壓敏電阻和抑制二極管。

壓敏電阻當作用在其兩端的電壓達到一定數值后，一般為1mA漏電流，會瞬間可流過大電流，相當于導通，一般用于二類浪涌保護器，模擬開關電磁脈沖。抑制二極管具有箝位限壓功能，它是工作在反向擊穿區，由于它具有箝位電壓低和動作響應快的優點，特別適合用作多級保護電路中的最末幾級保護元件，一般用于三類浪涌保護器。

3.4 電源防雷選型

主要是依據安裝位置電源電壓、配電制式、行業類型，綜合考慮。

圖1說明了電源防雷器根據不同的位置選擇不同類別的電源防雷產品。

一類浪涌保護器：電源線路應裝設多級電涌保護器SPD防護，以達到分級泄流的目的。入戶為低壓架空線和埋地敷設宜安裝三相電壓開關型SPD作為第一級保護。

二類浪涌保護器：分配電柜線路輸出端限壓型SPD作為第二級保護。

三類浪涌保護器：在電子信息設備電源進線端宜安裝限壓型SPD作為第三級保護。

數控機床的電柜即為室內的控制柜，它的電源線是從廠房的總配電箱室內引線到電柜的進線端，所以在機床電柜的進線端選擇二級防雷。電氣柜內PLC前端的電源，屬于精密設備，為了保護PLC的電源，需要選擇三級防雷。常見配電制式有TT、TN-C、TN-S、TN-C-S、IT系統，機床電氣柜進線常規是TN-S系統即三相五線220/380系統，PLC前端電源是24VDC，根據電源電壓選擇合適的二級和三級電源保護器即可。

3.5 信號防雷選型

信號防雷選型，信號主要分為三大類，測控信號、數據信號和天饋信號。信號防雷根據不同的安裝，分為D1、C2、C1、C3四個級別。

D1：信號產品的粗保護，類似于電源產品的一級防雷，其參數及測試 用10/350μs來表示

C2：信號產品的中等保護，類似于電源產品的二級防雷，其參數及測試用8/20μs來表示

C1：信號產品的細保護，類似于電源產品的三級防雷，其參數及測試 用1.2/50μs來表示

C3：測試信號產品的靜態參數，常用電壓波測試，產品規格書中一般不標參數

信號防雷選型不同于電源防雷，不需要考慮安裝位置，因為通常防雷器生產廠家在設計信號防雷產品時一款產品會同時滿足上面D1、C2、C1和C3等級要求。信號防雷主要選型要素：被保護設備類型（信號類型）、設備工作電壓、設備接口類型、截止頻率和綜合其它因素考慮。數控機床電柜內主要是針對測控信號居多，比如標準模擬量4-20mA和PLC DI/DO數字量信號等。數控機床PLC進行通訊時需要對RJ45等通訊數據類進行防護，此時需要選擇專門RJ45接口形式的防雷器，直接通過RJ45接口插入設備當中，起到數控機床PLC數據信號防雷保護。

4 整改措施

圖2為設備整改前，PLC電源和4個數字量接口沒有任何保護，當有浪涌入侵時PLC電源輸入端和信號輸入端被損壞。

圖3為設備整改后，在電源線10和11上串聯菲尼克斯電源三級220V電源防雷器PLT-SEC-T3-230-FM-PT，在接近開關輸出端串聯信號防雷器TTC-6P-2X1-24DC-PT-I，同時在數控機床電氣柜的進線端并聯二級電源防雷器VAL-SEC-T2-3S-350，此時如果電源線10和11竄入了浪涌，電源SPD內部元器件壓敏電阻會瞬間導通，將大的電流通過PE接地線泄放到大地，如果接近開關KF1-KF4線路上有浪涌竄入，信號防雷器也是內部元器件抑制二極管瞬間導通，通過大地將浪涌泄放。

接線時，SPD安裝在被保護設備電源線路的前端，SPD的接地端與配電箱的保護接地端子板連接，配電箱接地端子板應于防雷區的等電位接地端子板聯結，浪涌保護器連接導線長度不宜大于0.5m，菲尼克斯浪涌保護器具備能量主動配合技術，即當瞬態浪涌來時，一級防雷利用自身的點火裝置能夠觸發防雷器內部開關元器件的導通，這時一級防雷器和二級防雷器可以并排安裝，浪涌保護器之間的線路長度不受限制。

以上選的三款防雷器，同時具備兩種方法查看產品是否損壞需要更換，第一種，產品本體通過指示窗口，顏色為綠色表示正常，顏色為紅色表示產品損壞，需要更換插頭。但是需要運維人員打開機柜才能發現產品狀態。第二種，遠程報警輸出，即一幅干接點，可以將該信號常閉點連接到機床PLC的輸入，當產品正常時，觸點閉合，當產品損壞時，觸點斷開，機床前臺的控制面板根據觸點的變化得到報警信息，此種不需要經常打開電氣柜查看防雷器的狀態，減輕了運維人員的工作量，提高了效率。

結束語：

安裝了電涌保護器SPD，并不等于絕對的安全，因為本身產品特別是限壓型產品隨著時間的推移，內部元器件會不斷的老化，漏電流也會不斷的增大，導致元器件發熱，從而導致產品損壞，起不到保護設備的作用，平時SPD的狀態檢測也就顯得十分重要。