PLC控制系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)及其保護(hù)問題研究

李柏堅(jiān)

摘 要：由于控制系統(tǒng)的工作環(huán)境為低電壓和極小電流，且絕緣強(qiáng)度較低，因此控制系統(tǒng)極易受到雷電等各種外界沖擊波的破壞，影響其控制性能。為了有效解決這一問題，引入了PLC控制理念，并在PLC控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng)；防雷設(shè)計(jì)；防雷體系；接地線路

中圖分類號：TU895 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.23.101

社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使人們的生活水平得到了很大的提升，與此同時(shí)，人們開始關(guān)注生產(chǎn)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，并不斷探索新的技術(shù)。目前，PLC控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，為人們的生產(chǎn)、生活帶來了極大的便利，但其易受到雷電攻擊的問題卻一直困擾著人們。針對這一問題，就需要在原有控制要求的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化防雷設(shè)計(jì)，提升PLC控制系統(tǒng)的防雷保護(hù)性能。下面筆者將結(jié)合多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論知識深入探討PLC控制系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)和保護(hù)問題，以期為PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 雷電對PLC控制系統(tǒng)的危害

現(xiàn)代化的防雷體系是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，既包括內(nèi)部防雷，即直擊雷防護(hù)，又包括外部干預(yù)防雷，即雷電電磁脈沖防護(hù)，因此，現(xiàn)代防雷強(qiáng)調(diào)的是全面防護(hù)、綜合干預(yù)和層層設(shè)防。具體來講，雷電主要通過以下途徑對PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生破壞和影響：①雷電直擊樓房或鄰近雷閃經(jīng)外界金屬線流入控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)受到過電流或過電壓沖擊；②建筑本身的電力系統(tǒng)受到雷電沖擊產(chǎn)生波動(dòng)，電力線路中產(chǎn)生不平衡電流流動(dòng)，使與之平衡的控制線路產(chǎn)生過電壓；③雷電沖擊所致的不平衡電位和地電流反擊可直接破壞控制系統(tǒng)設(shè)備，造成設(shè)備損壞；④PLC控制系統(tǒng)的電氣設(shè)備絕緣受到影響，造成漏電，嚴(yán)重威脅到人身安全，或者防靜電措施不合理，造成機(jī)房電磁環(huán)境的惡化。為了提高PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，確保工作人員的人身安全，除了設(shè)置必要的避雷系統(tǒng)外，還要不斷完善現(xiàn)有的直擊雷電防護(hù)措施，提高建筑自身電力系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的防護(hù)性能，確保防雷體系全面覆蓋接地、布線、分流、攔截、均衡和屏蔽六大方面。

2 PLC控制系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制系統(tǒng)整體防雷設(shè)計(jì)方案

按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010）和《建筑物防雷 第一部分 第一部分 防雷裝置保護(hù)級別的確定》（IEC61024-1-1：1993）的有關(guān)規(guī)定，對于雷擊概率較大的建筑物，必須采取相應(yīng)的防雷措施。為避免PLC控制室受到雷電攻擊，確保其安全、可靠運(yùn)行，需采取以下整體防雷設(shè)計(jì)方案：按照B級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)，按照第二類建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外部防雷設(shè)計(jì)，自內(nèi)而外建立一個(gè)全方位的雷電防護(hù)系統(tǒng)。

在整體設(shè)計(jì)上，還應(yīng)嚴(yán)格遵循以下原則：①保護(hù)器不能影響PLC控制系統(tǒng)設(shè)備元件的正常工作和運(yùn)行；②防雷系統(tǒng)防護(hù)器應(yīng)對雷電沖擊有足夠的阻抗能力，能夠?qū)⑦^電流直接導(dǎo)入大地；③防護(hù)器元件應(yīng)當(dāng)能夠承受較大的雷電沖擊能量，并配備規(guī)范的接地系統(tǒng)。一個(gè)完整的PLC控制系統(tǒng)防雷體系應(yīng)當(dāng)包括但不限于建筑物屏蔽、直擊雷防護(hù)、電力系統(tǒng)防護(hù)、服務(wù)器和交換機(jī)防護(hù)、等電位連接、信號系統(tǒng)防護(hù)、防靜電措施和過壓保護(hù)等幾個(gè)部分。下面本文將詳細(xì)闡述服務(wù)器和交換機(jī)防護(hù)、電力系統(tǒng)防護(hù)和過壓保護(hù)三個(gè)方面的內(nèi)容。

2.2 PLC控制系統(tǒng)的具體防雷設(shè)計(jì)

2.2.1 服務(wù)器和交換機(jī)防護(hù)

服務(wù)器是PLC控制系統(tǒng)的重要設(shè)備，直接關(guān)系到PLC控制系統(tǒng)的有效運(yùn)行。為防止服務(wù)器受到過電流或過電壓沖擊，應(yīng)當(dāng)在服務(wù)器網(wǎng)卡輸入端加裝防雷保護(hù)器，如圖1所示。圖1中的MAINS-PRINTRAB包含在UPS前保護(hù)器內(nèi)，因此不必另外加裝保護(hù)器。由于服務(wù)器與交換機(jī)距離較近，因此交換機(jī)方面的保護(hù)器可以根據(jù)實(shí)際情況選用。

2.2.2 電力系統(tǒng)防護(hù)

為消除架空電源線路的高電位引入問題，防止雷電直接沿電源線路威脅PLC控制室，應(yīng)當(dāng)采取埋地的方式將低壓線路的電纜埋入地下，禁止直接將架空線路直接引入控制室內(nèi)。如果條件受限，電線無法全部使用電纜，應(yīng)當(dāng)在架空的電源線路上加裝一段金屬防護(hù)罩。需要注意的是，電纜首端必須加裝避雷器，并與絕緣金具共同接地，且進(jìn)入控制室的電纜外皮要與防雷電感應(yīng)接地裝置連接，這樣才能確保電纜段真正發(fā)揮防雷作用。

2.2.3 過壓保護(hù)

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010）和《建筑物防雷 第一部分 第一部分 防雷裝置保護(hù)級別的確定》（IEC61024-1-1：1993）的有關(guān)規(guī)定，建筑物內(nèi)部電源跨越多個(gè)分區(qū)時(shí)，必須采取防過電壓措施。PLC控制室的具體防雷分區(qū)如圖2所示。PLC控制室的防雷分區(qū)主要包括三個(gè)部分，分別是LPZOA、LPZI和LPZOB，需根據(jù)嚴(yán)重程度和實(shí)際情況確定相應(yīng)的防護(hù)等級，并使用專業(yè)的防雷器。電源防過電壓裝置要設(shè)置在LPZOB與LPZI的交界處，具體可以采取兩級防雷設(shè)計(jì)方法：①第一級防雷設(shè)計(jì)采用防雷器，設(shè)備代表為德國PHOENIX公司生產(chǎn)的AEC主動(dòng)能量點(diǎn)火防雷器。該防雷器具有壽命長、防直擊雷、防護(hù)等級高等優(yōu)勢，采用AEC主動(dòng)能量點(diǎn)火防雷器，可確保雷電流泄放間隙。②第二級防雷設(shè)計(jì)可以采用德國PHOENIX公司生產(chǎn)的N-PE防雷器。該防雷器具有保護(hù)電壓穩(wěn)定的優(yōu)勢。

3 PLC控制系統(tǒng)的防雷保護(hù)

為確保上述防雷設(shè)計(jì)能夠有效發(fā)揮防雷作用，保證PLC控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，需在防雷系統(tǒng)安裝完畢后的運(yùn)行期間采取以下防雷保護(hù)措施。

3.1 日常檢查和維護(hù)保養(yǎng)

防雷系統(tǒng)投入使用之后，每年雨季要定期檢查防雷系統(tǒng)的接地線路，重點(diǎn)檢查線路連接處是否穩(wěn)固，接觸是否良好。如果發(fā)現(xiàn)接地線有腐蝕、生銹問題，需及時(shí)更換，必要時(shí)，還要檢查隱蔽在地下的接地線，看其是否銹蝕。如果出現(xiàn)嚴(yán)重生銹、損壞等情況，需及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施。另外，每年要定期測量一次接地系統(tǒng)的接地電阻，并在雷雨季節(jié)檢測防雷器的運(yùn)行情況，利用老化檢測儀檢查防雷器元件是否存在老化問題。雷雨季節(jié)時(shí)，要加強(qiáng)巡視，及時(shí)處理防雷系統(tǒng)警報(bào)。

3.2 調(diào)查雷電事故

要成立專門的雷害事故調(diào)查小組，重點(diǎn)對雷擊損害情況進(jìn)行調(diào)查取證，調(diào)查內(nèi)容包括電氣絕緣部件的損壞程度、燒焦氣味、損壞部位、防雷器損壞情況和老化情況等。確定雷害事故等級后，分析事故周圍的地質(zhì)和氣象情況，判斷此次雷害事故是否與周圍環(huán)境有關(guān)。調(diào)查取證期間，要拍攝事故現(xiàn)場，必要時(shí)，還要錄視頻，做好雷電事故現(xiàn)場記錄工作，然后結(jié)合調(diào)查情況組織有關(guān)專家進(jìn)行研討，出具事故調(diào)查報(bào)告，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

3.3 防雷管理

防雷工程竣工并不代表施工單位工作的完結(jié)。施工單位應(yīng)在防雷工程投入使用后安排專人負(fù)責(zé)防雷系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)督，記錄隱蔽工程需要的專用設(shè)備，并提交對方，設(shè)計(jì)資料和現(xiàn)場施工記錄需提交當(dāng)?shù)氐姆览字鞴懿块T備案。此外，工程竣工驗(yàn)收應(yīng)當(dāng)由相關(guān)防雷專業(yè)人員和管理部門組織驗(yàn)收。

4 結(jié)束語

目前的PLC控制系統(tǒng)在防雷設(shè)計(jì)方面還存在許多缺陷，加上許多PLC控制室都是在廠房建成后增補(bǔ)的，導(dǎo)致其不能有效避免雷電的沖擊。對此，需要不斷優(yōu)化防雷設(shè)計(jì)，注重防雷保護(hù)，確保PLC控制系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：王霞〕

Abstract： Because the working environment of the control system is low voltage and minimum current， and the insulation strength is low， so the control system is vulnerable to the destruction of various external shock waves， which affect the control performance. In order to solve this problem effectively， the PLC control theory is introduced， and the lightning protection design is carried out on the basis of the PLC control system.

Key words： PLC control system； lightning protection design； lightning protection system； grounding line