浅谈数控机床中SPD 的应用

陈慧

摘  要：根据国际数控技术的改革创新，在制造领域，信息运用和大型工业化推进的建设工程，都需要专业的技术和相关应用支撑，南京菲尼克斯公司传承对工艺精益求精的质量标准和产品应用价值，对数控机床的SPD使用技术进行了多方研究和探讨。

关键词：数控机床;电源浪涌保护器;信号浪涌保护器

1 引言

数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，它综合了机械、自动化、计算机、测量、微电子等最新技术，使用了多种传感器等，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。随着自动化程度的不断提高，机床内部的电气元器件精密度也不断的提升，无论是控制单元-PLC，还是执行机构-伺服驱动，无论是电源，传感器/执行器信号还是通讯信号，对外在的抗干扰提出了更高的要求。由于环境的影响，比如雷电天气打雷引发的浪涌通过线路窜到机床电气柜内，从而导致机床设备的停工，加工任务的停滞，甚至损害机床，造成巨大的经济损失，为数控机床加装电涌保护器能够预防浪涌对机床电气设备的冲击，从而有效的保护数控机床。

2 案例分析

某数控机床加工车间，数控车床正在有序的进行零件的加工，此时处于夏季，雷雨天气时常发生，此时天空电闪雷鸣，正在运行的数控车床突然报警，加工暂停，并且能闻到烧焦的糊味，厂房内的总空开跳闸。后来经过检查发现，闪电击中了厂房附近的一颗大树，雷击产生的瞬态感应浪涌通过埋地敷设电缆，进入厂房，并通过电源线和信号线窜入数控机床电气柜内，将电气柜内的PLC信号接口瞬间烧坏，散发出难闻的烧焦味

3 原理分析

根据上述案例的反应情况，将从浪涌产生的原因、入侵途径、原理及选型详细阐述。

3.1瞬态浪涌产生的主要原因

（1）雷电电磁脉冲 （LEMP）：与雷电放电相联系的电磁辐射。所产生的电场和磁场能够耦合到电器或电子系统中，从而产生干扰性的浪涌电流或浪涌电压。作为干扰源的雷电流及雷电电磁场產生的电磁场效应。

（2）开关电磁脉冲（SEMP）：当开关回路电流最大时瞬间切断，导致产生比较强的电磁脉冲辐射，从而对周边精密信号设备造成干扰，甚至损坏周边设备。

（3）静电放电（ESD）：两个物体之间静电电荷的转移。当两个不同电位的物体直接接触时，这是一个非常迅速的事件。半导体工业中器件失效的主要原因之一是静电放电。

（4） 核电磁脉冲（NEMP）：核爆炸瞬间产生的一种强电磁波。它与自然界的雷电十分相似，虽然威力巨大，但是在数控机床运行中很难遇到，不在考虑的防护范围之内。

3.2 入侵途径

对于数控机床设备而言，绝大多数为雷电波通过电源和信号线管道的入侵或电气柜内大的空开频繁切换产生的开关电磁脉冲，引发造成的机床内部电气元器件损坏，如果此时对数控机床的电气柜增加电源和信号浪涌保护器能够很好的对机床进行保护。

3.3 浪涌保护器SPD的工作原理

元器件平时处于类似断开状态，当来了一个大的浪涌时，可瞬间以有目的限制瞬态过电压和转移浪涌电流。 它至少使用了一个非线性零件，分为开关型和限压型。

开关型SPD：当没有浪涌出现时，SPD呈高阻状态;当冲击电压达到一定值时（即达到火花放电电压），SPD的电阻突然下降变为低值。开关型元器件有气体放电管和火花间隙。它们的特点是泄放能力强，但是响应时间慢，一般用于一类浪涌保护器，模拟自然界中雷电电磁脉冲。

电压限制型SPD：当没有浪涌出现时，SPD呈高阻状态;随着冲击电流及电压的逐步提高，SPD的电阻持续下降。限压型元器件有压敏电阻和抑制二极管。

压敏电阻当作用在其两端的电压达到一定数值后，一般为1mA漏电流，会瞬间可流过大电流，相当于导通，一般用于二类浪涌保护器，模拟开关电磁脉冲。抑制二极管具有箝位限压功能，它是工作在反向击穿区，由于它具有箝位电压低和动作响应快的优点，特别适合用作多级保护电路中的最末几级保护元件，一般用于三类浪涌保护器。

3.4 电源防雷选型

主要是依据安装位置电源电压、配电制式、行业类型，综合考虑。

图1说明了电源防雷器根据不同的位置选择不同类别的电源防雷产品。

一类浪涌保护器：电源线路应装设多级电涌保护器SPD防护，以达到分级泄流的目的。入户为低压架空线和埋地敷设宜安装三相电压开关型SPD作为第一级保护。

二类浪涌保护器：分配电柜线路输出端限压型SPD作为第二级保护。

三类浪涌保护器：在电子信息设备电源进线端宜安装限压型SPD作为第三级保护。

数控机床的电柜即为室内的控制柜，它的电源线是从厂房的总配电箱室内引线到电柜的进线端，所以在机床电柜的进线端选择二级防雷。电气柜内PLC前端的电源，属于精密设备，为了保护PLC的电源，需要选择三级防雷。常见配电制式有TT、TN-C、TN-S、TN-C-S、IT系统，机床电气柜进线常规是TN-S系统即三相五线220/380系统，PLC前端电源是24VDC，根据电源电压选择合适的二级和三级电源保护器即可。

3.5 信号防雷选型

信号防雷选型，信号主要分为三大类，测控信号、数据信号和天馈信号。信号防雷根据不同的安装，分为D1、C2、C1、C3四个级别。

D1：信号产品的粗保护，类似于电源产品的一级防雷，其参数及测试 用10/350μs来表示

C2：信号产品的中等保护，类似于电源产品的二级防雷，其参数及测试用8/20μs来表示

C1：信号产品的细保护，类似于电源产品的三级防雷，其参数及测试 用1.2/50μs来表示

C3：测试信号产品的静态参数，常用电压波测试，产品规格书中一般不标参数

信号防雷选型不同于电源防雷，不需要考虑安装位置，因为通常防雷器生产厂家在设计信号防雷产品时一款产品会同时满足上面D1、C2、C1和C3等级要求。信号防雷主要选型要素：被保护设备类型（信号类型）、设备工作电压、设备接口类型、截止频率和综合其它因素考虑。数控机床电柜内主要是针对测控信号居多，比如标准模拟量4-20mA和PLC DI/DO数字量信号等。数控机床PLC进行通讯时需要对RJ45等通讯数据类进行防护，此时需要选择专门RJ45接口形式的防雷器，直接通过RJ45接口插入设备当中，起到数控机床PLC数据信号防雷保护。

4 整改措施

图2为设备整改前，PLC电源和4个数字量接口没有任何保护，当有浪涌入侵时PLC电源输入端和信号输入端被损坏。

图3为设备整改后，在电源线10和11上串联菲尼克斯电源三级220V电源防雷器PLT-SEC-T3-230-FM-PT，在接近开关输出端串联信号防雷器TTC-6P-2X1-24DC-PT-I，同时在数控机床电气柜的进线端并联二级电源防雷器VAL-SEC-T2-3S-350，此时如果电源线10和11窜入了浪涌，电源SPD内部元器件压敏电阻会瞬间导通，将大的电流通过PE接地线泄放到大地，如果接近开关KF1-KF4线路上有浪涌窜入，信号防雷器也是内部元器件抑制二极管瞬间导通，通过大地将浪涌泄放。

接线时，SPD安装在被保护设备電源线路的前端，SPD的接地端与配电箱的保护接地端子板连接，配电箱接地端子板应于防雷区的等电位接地端子板联结，浪涌保护器连接导线长度不宜大于0.5m，菲尼克斯浪涌保护器具备能量主动配合技术，即当瞬态浪涌来时，一级防雷利用自身的点火装置能够触发防雷器内部开关元器件的导通，这时一级防雷器和二级防雷器可以并排安装，浪涌保护器之间的线路长度不受限制。

以上选的三款防雷器，同时具备两种方法查看产品是否损坏需要更换，第一种，产品本体通过指示窗口，颜色为绿色表示正常，颜色为红色表示产品损坏，需要更换插头。但是需要运维人员打开机柜才能发现产品状态。第二种，远程报警输出，即一幅干接点，可以将该信号常闭点连接到机床PLC的输入，当产品正常时，触点闭合，当产品损坏时，触点断开，机床前台的控制面板根据触点的变化得到报警信息，此种不需要经常打开电气柜查看防雷器的状态，减轻了运维人员的工作量，提高了效率。

结束语：

安装了电涌保护器SPD，并不等于绝对的安全，因为本身产品特别是限压型产品随着时间的推移，内部元器件会不断的老化，漏电流也会不断的增大，导致元器件发热，从而导致产品损坏，起不到保护设备的作用，平时SPD的状态检测也就显得十分重要。