PC—INP—8IN低电压输入保护器的开发与应用

贾明成

摘要：PC-INP-8IN低电压输入保护器是保证控制系统正常运行的重要设备，具有防雷电、防串入高电压等功能。文章针对PC-INP-8IN低电压输入保护器的开发总体思路、技术方案、关键技术、创新点进行了介绍，进一步了解了此设备的主要功能。

关键词：低电压输入保护器；快速恢复；控制器；自恢复保险；瞬态二极管 文献标识码：A

中图分类号：TM715 文章编号：1009-2374（2015）03-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0222

1 开发背景

当前工业生产过程中自动化控制已经被广泛地应用于各种领域，控制系统由硬件、软件两大部分组成。其硬件是维持控制系统正常运行的首要条件，其安全是整个控制系统的头等大事，硬件一旦发生事故，其危害是难以估计的，因此，保证硬件的安全是维持自动控制系统正常运行的首要任务。当前自动控制系统的控制器主要采用PLC或DCS，其输入模块的查询电压一般为DC48V或DC24V。由于现场环境、天气或人为原因输入信号可能串入高电压，如打雷会产生瞬间高压，又或因现场安装、调试、检修人员的不慎操作，造成220V交流电压串入输入回路，这些高电压的串入都将对控制器输入模块甚至CPU模块造成致命的破坏，甚至可能造成整个控制器的烧毁，这样对整个系统将造成无法估量的损失，轻则造成自动控制系统局部停机，重则会造成整个自动控制系统停机，致使工程进度无法保证，生产无法继续进行。

2 总体思路

为避免造成这样的后果，传统方法是：其一，加中间继电器隔离，但串入高电压时仍然会造成DC电源烧坏，控制系统无法继续运行；其二，后又在加继电器隔离基础上，对控制器电源与外围查询电源系统分开，这样确实解决了控制系统安全问题，但存在查询电源烧坏问题和不知具体哪一线路有串入高电压问题，一样会影响系统正常运行。以上两种方法虽然确保控制器安全，但安装空间需要增加（每个输入点需增加一个中间继电器），加上中间继电器的投入，其成本增加很多，可控制系统一样存在不能正常稳定运行。因此需要一种设备，当发生上述情况时，能迅速隔离高强电压，而不会造成控制器及I/O模块的损毁，当排除发生上述情况因素后，又能快速恢复，同时还希望该产品成本低、体积小，又拆装方便。

3 技术方案

根据总体思路，首先设计一路的保护器做实验，如果成功可在此基础上扩展。本着降压、瞬间释放电流、快速切断线路、故障排除后快速恢复来设计保护电路。为实现以上这些功能，我们最初选用器件有电阻、保险管熔断器、双向瞬态电压抑制二极管，保护器线路搭接完毕。

实验结果如下：其一，在保护器线路的输入端模拟雷击即短暂脉冲式串入高电压，检测控制器和保护器线路都没有被烧坏，实验结果符合设计要求；其二，在保护器线路的输入端模拟误操作长时间串入高电压，结果电阻和线路板烧坏、保险熔断，当故障排除后不能迅速恢复，必须更换保护器，实验结果没有达到预期要求。实验结果不符合设计要求，此方案不可行。

分析原因，主要是电阻阻值不可变，线路板太薄，承载电流太小，当电路发生短路或串入异常大电流时，其线路不能有效阻断或降低电流，致使电阻和线路板直接烧坏。另外，保险熔断后不能自恢复。最后我们改变电路原理及器件选型，器件换成高分子自恢复保险器件、单向瞬态二极管、更换方便的保险管。原理如图1：

重复上述实验，其各个最初设计功能得以实现，分析其保护的工作原理有：

其一，当发生雷电等情况时，如高电压串入到输入回路时，在输入回路和大地之间有高电压，加在瞬态二极管D1两端的电压超出设计值，D1电阻迅速减小，从输入端XP6的电流从D1释放到大地，避免进入到控制器内部，另外当电流迅速增大时，高分子自恢复保险器件R1的自热使其阻抗迅速增大，把电流限制到足够小，从而阻止从输入端XP6的大电流进入，再次阻止额外的电流进入到控制器内部，从而起到保护控制器的作用。当线路故障排除后，高分子自恢复保险器件R1两端电流恢复正常后，其R1的自热不足以维持高阻抗状态，其阻值又恢复到最初低阻状态。输入保护器恢复到最初状态。

其二，当发生外部220V交流电压串入到24V电压时，加在瞬态二极管D9两端的电压超出设计值，D9两端电阻迅速减小，一方面从D9释放电流到大地，避免串入到柜内，损坏开关电源，同时加在FU1两端的电流迅速加大，使FU1熔断，从而彻底隔断从外部串入220交流电源。当线路故障排除后，只需更换一个FU1保险管，就可使输入保护器恢复到最初状态。

4 模块化减小体积增加可扩展性

通过一个回路的实验结果证明，此原理满足最初设想。考虑性价比问题，PLC和DCS的I/O卡件通常是以一个字节为单位即8的倍数划分模块数，为了使此保护器与I/O卡件相匹配，同时还要满足通用性、成本低、安装空间小、拆装方便。最终确定以8路作为一个模块，可以无限扩展，端子采用可插拔，便于安装维护。该输入保护器命名为PC-INP-8IN，其长70mm、宽72mm，可以立柱安装也可以安装在模块槽上。

5 关键技术、创新点

5.1 采用高分子自恢复保险器件

此元器件是一种新型正温度过流保护元器件，主要应用于小功率电子设备短路及过载保护。与传统保险丝相比，其突出优点是：当应用电路发生短路或过载时，高分子自恢复保险器件能自动断开回路；故障排除后又能自动导通。其原理是：高分子自恢复保险器件由聚合物树脂基体及参入其中的导电粒子组成，常态下表现低阻抗（小到几欧），正常情况下流经其上的电流产生的热量很小，不会改变聚合树脂的晶体结构，从而使电路保持通路。当电路中有过电流发生时，流经其上的大电流产生的热量导致树脂体内温度迅速升高，当温度升高到一定程度时，其阻抗迅速升高，把电流限制在足够小，从而起到保护作用，当故障排除后，树脂冷却重新结晶，其保险器件恢复低阻抗状态，从而重新使电路保持通路，这样避免了维护更换，给系统快速恢复提供了时间，减少工作量，降低成本。

5.2 瞬态二极管

瞬态电压抑制二级管简称TVS器件，其原理是在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。即当TVS器件两端高电压出现时，TVS被击穿，并由击穿电压值上升至最大箝位电压值，随着脉冲电流呈指数下降，箝位电压亦下降，恢复到原来状态。在输入保护器上加装瞬态电压抑制二级管，当发生雷电等大电压串入时，能迅速释放能量，从而避免大电压进入PLC内部从而起到保护作用，当能量释放或恢复正常时，瞬态电压抑制二级管能恢复正常使用。

5.3 采用普通保险管

当外部意外发生，大电流窜入开关电源时，能彻底隔断外部大电流。采用普通保险管与自恢复保险器件串联使用，从而更好地保护开关电源和PLC。

5.4 采用模块化

可根据需要任意扩展回路数，采用立柱或导槽形式安装，结构小，组合灵活。

5.5 创新点

运用高分子自恢复保险器件的瞬间增加阻抗，提高其两端电压，降低此电路回路中的电流；与瞬态二极管瞬间降低阻抗，释放此电路回路中的电流；两者有机结合是一种创新，是输入保护器实现设计要求的关键点。通过采用瞬变及可恢复器件—自恢复保险和瞬态二极管，实现了快速隔离、自动恢复的功能，满足最初设想。

6 结语

PC-INP-8IN低电压输入保护器从2010年5月开发、试验通过后，其各项功能达到了设计要求。目前在物料输送控制系统上对DI全部采用PC-INP-8IN输入保护器，应用效果达到预期目的，使物料输送控制系统运行更加安全、稳定、可靠。本项新技术、新产品值得在低压控制系统业界大力推广。

参考文献

[1] 王至秋.高分子自恢复保险丝的工作原理及选用[J].实验室研究与探索，2004，（12）.

（责任编辑：秦逊玉）