淺談數(shù)控機床中SPD 的應(yīng)用

陳慧

摘? 要：根據(jù)國際數(shù)控技術(shù)的改革創(chuàng)新，在制造領(lǐng)域，信息運用和大型工業(yè)化推進(jìn)的建設(shè)工程，都需要專業(yè)的技術(shù)和相關(guān)應(yīng)用支撐，南京菲尼克斯公司傳承對工藝精益求精的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品應(yīng)用價值，對數(shù)控機床的SPD使用技術(shù)進(jìn)行了多方研究和探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床;電源浪涌保護(hù)器;信號浪涌保護(hù)器

1 引言

數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)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(shù)，使用了多種傳感器等，是嚴(yán)格按照加工程序所規(guī)定的參數(shù)及動作執(zhí)行的。隨著自動化程度的不斷提高，機床內(nèi)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(zhí)行機構(gòu)-伺服驅(qū)動，無論是電源，傳感器/執(zhí)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(huán)境的影響，比如雷電天氣打雷引發(fā)的浪涌通過線路竄到機床電氣柜內(nèi)，從而導(dǎo)致機床設(shè)備的停工，加工任務(wù)的停滯，甚至損害機床，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，為數(shù)控機床加裝電涌保護(hù)器能夠預(yù)防浪涌對機床電氣設(shè)備的沖擊，從而有效的保護(hù)數(shù)控機床。

2 案例分析

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

3 原理分析

根據(jù)上述案例的反應(yīng)情況，將從浪涌產(chǎn)生的原因、入侵途徑、原理及選型詳細(xì)闡述。

3.1瞬態(tài)浪涌產(chǎn)生的主要原因

（1）雷電電磁脈沖 （LEMP）：與雷電放電相聯(lián)系的電磁輻射。所產(chǎn)生的電場和磁場能夠耦合到電器或電子系統(tǒng)中，從而產(chǎn)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(chǎn)生的電磁場效應(yīng)。

（2）開關(guān)電磁脈沖（SEMP）：當(dāng)開關(guān)回路電流最大時瞬間切斷，導(dǎo)致產(chǎn)生比較強的電磁脈沖輻射，從而對周邊精密信號設(shè)備造成干擾，甚至損壞周邊設(shè)備。

（3）靜電放電（ESD）：兩個物體之間靜電電荷的轉(zhuǎn)移。當(dāng)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(dǎo)體工業(yè)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(chǎn)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(shù)控機床運行中很難遇到，不在考慮的防護(hù)范圍之內(nèi)。

3.2 入侵途徑

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

3.3 浪涌保護(hù)器SPD的工作原理

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

開關(guān)型SPD：當(dāng)沒有浪涌出現(xiàn)時，SPD呈高阻狀態(tài);當(dāng)沖擊電壓達(dá)到一定值時（即達(dá)到火花放電電壓），SPD的電阻突然下降變?yōu)榈椭?。開關(guān)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(yīng)時間慢，一般用于一類浪涌保護(hù)器，模擬自然界中雷電電磁脈沖。

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

壓敏電阻當(dāng)作用在其兩端的電壓達(dá)到一定數(shù)值后，一般為1mA漏電流，會瞬間可流過大電流，相當(dāng)于導(dǎo)通，一般用于二類浪涌保護(hù)器，模擬開關(guān)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(qū)，由于它具有箝位電壓低和動作響應(yīng)快的優(yōu)點，特別適合用作多級保護(hù)電路中的最末幾級保護(hù)元件，一般用于三類浪涌保護(hù)器。

3.4 電源防雷選型

主要是依據(jù)安裝位置電源電壓、配電制式、行業(yè)類型，綜合考慮。

圖1說明了電源防雷器根據(jù)不同的位置選擇不同類別的電源防雷產(chǎn)品。

一類浪涌保護(hù)器：電源線路應(yīng)裝設(shè)多級電涌保護(hù)器SPD防護(hù)，以達(dá)到分級泄流的目的。入戶為低壓架空線和埋地敷設(shè)宜安裝三相電壓開關(guān)型SPD作為第一級保護(hù)。

二類浪涌保護(hù)器：分配電柜線路輸出端限壓型SPD作為第二級保護(hù)。

三類浪涌保護(hù)器：在電子信息設(shè)備電源進(jìn)線端宜安裝限壓型SPD作為第三級保護(hù)。

數(shù)控機床的電柜即為室內(nèi)的控制柜，它的電源線是從廠房的總配電箱室內(nèi)引線到電柜的進(jìn)線端，所以在機床電柜的進(jìn)線端選擇二級防雷。電氣柜內(nèi)PLC前端的電源，屬于精密設(shè)備，為了保護(hù)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(tǒng)，機床電氣柜進(jìn)線常規(guī)是TN-S系統(tǒng)即三相五線220/380系統(tǒng)，PLC前端電源是24VDC，根據(jù)電源電壓選擇合適的二級和三級電源保護(hù)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(shù)據(jù)信號和天饋信號。信號防雷根據(jù)不同的安裝，分為D1、C2、C1、C3四個級別。

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

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

C1：信號產(chǎn)品的細(xì)保護(hù)，類似于電源產(chǎn)品的三級防雷，其參數(shù)及測試 用1.2/50μs來表示

C3：測試信號產(chǎn)品的靜態(tài)參數(shù)，常用電壓波測試，產(chǎn)品規(guī)格書中一般不標(biāo)參數(shù)

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(chǎn)廠家在設(shè)計信號防雷產(chǎn)品時一款產(chǎn)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(hù)設(shè)備類型（信號類型）、設(shè)備工作電壓、設(shè)備接口類型、截止頻率和綜合其它因素考慮。數(shù)控機床電柜內(nèi)主要是針對測控信號居多，比如標(biāo)準(zhǔn)模擬量4-20mA和PLC DI/DO數(shù)字量信號等。數(shù)控機床PLC進(jìn)行通訊時需要對RJ45等通訊數(shù)據(jù)類進(jìn)行防護(hù)，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(shè)備當(dāng)中，起到數(shù)控機床PLC數(shù)據(jù)信號防雷保護(hù)。

4 整改措施

圖2為設(shè)備整改前，PLC電源和4個數(shù)字量接口沒有任何保護(hù)，當(dāng)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(shè)備整改后，在電源線10和11上串聯(lián)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(guān)輸出端串聯(lián)信號防雷器TTC-6P-2X1-24DC-PT-I，同時在數(shù)控機床電氣柜的進(jìn)線端并聯(lián)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(nèi)部元器件壓敏電阻會瞬間導(dǎo)通，將大的電流通過PE接地線泄放到大地，如果接近開關(guān)KF1-KF4線路上有浪涌竄入，信號防雷器也是內(nèi)部元器件抑制二極管瞬間導(dǎo)通，通過大地將浪涌泄放。

接線時，SPD安裝在被保護(hù)設(shè)備電源線路的前端，SPD的接地端與配電箱的保護(hù)接地端子板連接，配電箱接地端子板應(yīng)于防雷區(qū)的等電位接地端子板聯(lián)結(jié)，浪涌保護(hù)器連接導(dǎo)線長度不宜大于0.5m，菲尼克斯浪涌保護(hù)器具備能量主動配合技術(shù)，即當(dāng)瞬態(tài)浪涌來時，一級防雷利用自身的點火裝置能夠觸發(fā)防雷器內(nèi)部開關(guān)元器件的導(dǎo)通，這時一級防雷器和二級防雷器可以并排安裝，浪涌保護(hù)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(chǎn)品是否損壞需要更換，第一種，產(chǎn)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(chǎn)品損壞，需要更換插頭。但是需要運維人員打開機柜才能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品狀態(tài)。第二種，遠(yuǎn)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(dāng)產(chǎn)品正常時，觸點閉合，當(dāng)產(chǎn)品損壞時，觸點斷開，機床前臺的控制面板根據(jù)觸點的變化得到報警信息，此種不需要經(jīng)常打開電氣柜查看防雷器的狀態(tài)，減輕了運維人員的工作量，提高了效率。

結(jié)束語：

安裝了電涌保護(hù)器SPD，并不等于絕對的安全，因為本身產(chǎn)品特別是限壓型產(chǎn)品隨著時間的推移，內(nèi)部元器件會不斷的老化，漏電流也會不斷的增大，導(dǎo)致元器件發(fā)熱，從而導(dǎo)致產(chǎn)品損壞，起不到保護(hù)設(shè)備的作用，平時SPD的狀態(tài)檢測也就顯得十分重要。