保护工业4.0的大脑

在制造和过程控制操作中提高速度和产品产量的挑战在于控制系统智能。虽然先进的软件技术和算法创新提供了实现工业 4.0 效率的能力，但系统硬件必须可靠运行。如果不这样做，中断将减慢制造和控制过程或对产量产生负面影响。任何一种情况都会导致成本增加。工业 4.0 系统的智能可编程逻辑控制器 （PLC） 必须具有高可靠性才能实现工业 4.0 的优势。因此，PLC 需要防止电流过载、电压瞬变和静电放电 （ESD）。

本文通过提供组件和技术来保护 PLC 电路免受危险的过载、瞬态和 ESD 的影响，指导电子工程师和设计人员了解提高可靠性的方法。此外，本文还提供了降低 PLC 功耗的电子元件建议。较低的功耗可减少 PLC 中的热量积聚，从而有助于提高产品可靠性。

工业 4.0 系统

图 1 展示了工业 4.0 系统的元素。监控、控制和数据收集系统的核心是 PLC，它根据来自工厂车间的输入控制系统。它传输有关制造过程、制造测试、机器状态和质量控制的关键数据。工业物联网网关传输数据，接收来自中央指挥中心的命令，然后将所有数据存储在数据中心和云端。

图 1：工业 4.0 制造系统（来源：Littelfuse Inc.）

PLC 概述

PLC 是一种专门用于监视和控制操作的专用计算机。由于这些计算机在具有大型电动设备、温暖的温度和空气中的制造残留物的制造环境中运行，因此 PLC 必须比通用计算机更强大。

图 2 显示了 PLC 的一般框图。框图右侧的表格列出了可以保护 PLC 免受过流条件、高压瞬变和 ESD 等危害的组件类型。该表还包括可以降低 PLC 功耗的组件。以下段落介绍了特定电路块中每个组件的需求，并就其特性提供了建议。

图 2：PLC 框图（来源：Littelfuse Inc.）

保护 PLC 电路块

以下是一些保护 PLC 电路块免受过流和瞬态电压影响的建议。

电源

电源将交流线路电压转换为 24 VDC，从而运行电路。电源会受到交流线路上的电流过载和电压瞬变的影响。电流过载可能来自交流线路上的浪涌，电压瞬变可能来自大型电机的开关或闪电。因此，电源需要电流过载保护和电压瞬变保护。

延时保险丝将提供交流线路电流过载保护，并避免由于电流瞬变造成的令人讨厌的停机。寻找至少 250 VAC 的额定电压，以便在 230 VAC 电源线上使用。此外，确保保险丝的电流中断额定值至少为 50 A。选择符合 UL/CSA 248 低压保险丝的保险丝。

使用金属氧化物压敏电阻 （MOV） 或保护晶闸管-MOV 组合来吸收交流线路上感应的高压瞬变，以延长 MOV 的使用寿命。选择能够承受超过 400 J 能量并吸收高达 10，000 A 浪涌电流的 MOV。请注意，某些 MOV 包含额外的保护功能。如果 MOV 因异常大的过电压而开始过热，该热元件通过断开与引线的连接来保护 MOV。

考虑添加一个与 MOV 串联的保护晶闸管。保护晶闸管-MOV 组合允许选择较低额定电压的 MOV，并能够将瞬态钳位在较低电压。保护晶闸管是一种撬棒型器件，通过在纳秒内开启来响应瞬态过电压。与单独的 MOV 相比，该保护组合具有更低的泄漏电流，并提高了最终产品的可靠性和使用寿命。

为了对敏感半导体进行最佳保护，请考虑用瞬态电压抑制器 （TVS） 二极管替换晶闸管-MOV 组合。通过 MOV 或保护晶闸管-MOV 组合的过电压的任何部分将被进一步吸收并钳位在低电压。TVS 二极管：

在 1 ps 以下的极快时间内响应瞬态电压

可安全吸收高达 600 W 的瞬态峰值脉冲功率

可安全吸收高达 100 A 的浪涌电流

承受 30 kV 的 ESD 冲击

有单向和双向模型

使用聚合物正温度系数 （PPTC） 可复位保险丝对电源模块中的功率因数校正 （PFC） 电路进行过流保护。对于许多额定电流，这些器件具有低内阻（低于 10 mΩ）。PPTC 保险丝具有快速跳闸时间，通常低于 5 秒，并且使用与 0402 外形尺寸一样小的表面贴装封装，占用的 PC 板 （PCB） 空间最小。

延时熔断器、串联保护晶闸管-MOV、TVS二极管和PPTC熔断器的组合将确保电源电路得到彻底保护。

DC/DC转换器

DC/DC 转换器将 24 VDC 转换为控制和输入输出电路块所需的电压，通常为 5 V 和 3.3 V。如果 24 VDC 直接为 PLC 供电，则 DC/DC 转换器需要保护免受过流和瞬态条件的影响，这些条件会在未受保护的 24 VDC 线路上传播。对于过流保护，请使用符合 IEC 60127-2 微型保险丝的延时保险丝。考虑一个表面贴装 TVS 二极管来吸收和钳位瞬态电压。表面贴装版本可承受高达 3，000 W 的峰值脉冲功率和 300 A 的峰值浪涌电流。

输入模块

输入模块将数字和模拟输入信号转换为应用处理器可以读取的电平和数字化值。由于输入信号来自外部环境，它们可能携带危险的瞬变。使用双向或单向型 TVS 二极管来保护输入模块免受瞬态过压的影响。可安全吸收 600 W 脉冲功率和 100 A 浪涌电流的型号可为输入模块提供适当的保护。

保护 PLC 电路块免受 ESD 影响

显示/用户界面和无线通信电路块

显示器/用户界面和无线通信电路与外部环境连接，可能会暴露于 ESD 造成的危险瞬变。显示器/用户界面与操作人员有联系，而无线通信天线可以吸引来自外部环境的 ESD 冲击。

考虑一个 TVS 二极管阵列，该阵列由两个阳极连接到阳极的二极管组成，如图 3 所示。该二极管可以承受 ±12 kV 直接接触的 ESD 冲击，以保护显示器/用户界面中的触摸屏半导体。该二极管阵列还可以保护无线通信电路免受高达 ±18 kV 的空中 ESD 冲击。此外，这种二极管阵列具有低于 0.1 pF 的低电容，以避免无线传输和接收的性能下降。

图 3：用于 ESD 保护的阳极到阳极 TVS 二极管阵列示意图（来源：Littelfuse Inc.）

用于无线通信电路的 TVS 二极管阵列的替代方案是聚合物 ESD （PESD） 保护器件。PESD 组件可以承受 ±15 kV 的空中 ESD 冲击。它们具有 0.25 pF 的低电容和低于 10 nA 的典型泄漏电流。PESD 元件型号采用小型 0402 表面贴装封装。

有线通信电路块

有线通信电路块还需要保护免受 ESD 冲击。推荐的方法取决于 PLC 使用的通信协议。有关以太网、以太网供电、USB、RS-232 和 RS-485 通信端口保护的信息，请参阅Littelfuse.com 上的“通用端口保护”演示文稿。

通过降低功耗最大限度地提高效率

在电源模块的开关模式电源中，研究肖特基势垒整流器以最大限度地提高效率并降低功耗。它们可实现快速开关，从而实现更高效的高频开关模式电源电路。寻找具有低于 1 V 的低正向压降、低于 1 mA 的低反向电流和高达 10，000 V/µs 的 dV/dt 的肖特基整流器。图 4 显示了具有共阴极连接的半桥肖特基二极管对。使用双二极管封装以节省 PCB 空间。

图 4：共阴极、半桥肖特基对的示意图（来源：Littelfuse Inc.）

电源模块中的 PFC 电路通过保持电压和电流彼此同相并减少电流谐波来减少 PLC 消耗的总电流。使用有源 PFC，晶体管充当开关来控制流向 LC 网络的电流。考虑使用 MOSFET。为了最大限度地提高 PFC 电路的效率，请选择具有以下特性的 MOSFET：

低 R DS（on），值低于 150 mΩ

低栅极电荷，低于 50 nC

dV/dt 至少为 50 V/ns

这些参数可实现高效、低功耗、快速切换。

在 PFC 电路中，考虑使用 SiC 肖特基二极管以获得更高的效率。肖特基功率二极管的正向电压低，约为 1.5 V，在高工作温度下通过电流高达 8 A。该二极管具有低漏电流（通常低于 15 µA）和用于快速开关的低恢复时间。

优化控制和最大化可靠性

在输出模块中使用固态继电器来驱动执行器、电机、阀门和其他设备。考虑一个具有低于 10 mA 的低开启电流的光隔离继电器，以降低功耗。寻找具有零电压开关的型号，以将电磁干扰和射频干扰降至最低。此外，寻找高达 5，000 V rms的光隔离，以确保控制和负载电路之间的隔离和抗噪性。此外，固态继电器有助于实现高可靠性和长寿命。

实现工业 4.0 的好处

保护 PLC、提高其效率并增强其可靠性不需要很多组件。幸运的是，设计工程师可以利用组件制造商来帮助他们为 PLC 设计选择合适的保护和高效控制组件。组件制造商的应用工程师可以：

帮助设计人员选择最具成本效益的保护和控制组件

为遵守适用的 PLC 安全和性能标准提供指导

执行预符合性测试（由一些制造商提供）以帮助在标准符合性测试之前识别问题

与组件制造商合作可以为设计工程师节省大量的开发时间和合规性测试成本。结果是一个强大、可靠的 PLC，既能防止过流和瞬态电压，又能提高效率。这样的 PLC 将使工业 4.0 的好处得以实现。　　

      审核编辑：彭静