PLC控制系统的防雷设计及其保护问题研究

李柏坚

摘 要：由于控制系统的工作环境为低电压和极小电流，且绝缘强度较低，因此控制系统极易受到雷电等各种外界冲击波的破坏，影响其控制性能。为了有效解决这一问题，引入了PLC控制理念，并在PLC控制系统的基础上进行防雷设计。

关键词：PLC控制系统；防雷设计；防雷体系；接地线路

中图分类号：TU895 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.23.101

社会的进步和经济的发展使人们的生活水平得到了很大的提升，与此同时，人们开始关注生产领域的技术进步，并不断探索新的技术。目前，PLC控制系统被广泛应用于生产领域，为人们的生产、生活带来了极大的便利，但其易受到雷电攻击的问题却一直困扰着人们。针对这一问题，就需要在原有控制要求的基础上不断优化防雷设计，提升PLC控制系统的防雷保护性能。下面笔者将结合多年的实践经验和理论知识深入探讨PLC控制系统的防雷设计和保护问题，以期为PLC控制系统的优化设计提供科学依据。

1 雷电对PLC控制系统的危害

现代化的防雷体系是一项系统工程，既包括内部防雷，即直击雷防护，又包括外部干预防雷，即雷电电磁脉冲防护，因此，现代防雷强调的是全面防护、综合干预和层层设防。具体来讲，雷电主要通过以下途径对PLC控制系统产生破坏和影响：①雷电直击楼房或邻近雷闪经外界金属线流入控制系统，使控制系统受到过电流或过电压冲击；②建筑本身的电力系统受到雷电冲击产生波动，电力线路中产生不平衡电流流动，使与之平衡的控制线路产生过电压；③雷电冲击所致的不平衡电位和地电流反击可直接破坏控制系统设备，造成设备损坏；④PLC控制系统的电气设备绝缘受到影响，造成漏电，严重威胁到人身安全，或者防静电措施不合理，造成机房电磁环境的恶化。为了提高PLC控制系统运行的稳定性和安全性，确保工作人员的人身安全，除了设置必要的避雷系统外，还要不断完善现有的直击雷电防护措施，提高建筑自身电力系统、信号传输系统和计算机网络系统的防护性能，确保防雷体系全面覆盖接地、布线、分流、拦截、均衡和屏蔽六大方面。

2 PLC控制系统的防雷设计

2.1 PLC控制系统整体防雷设计方案

按照《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）和《建筑物防雷 第一部分 第一部分 防雷装置保护级别的确定》（IEC61024-1-1：1993）的有关规定，对于雷击概率较大的建筑物，必须采取相应的防雷措施。为避免PLC控制室受到雷电攻击，确保其安全、可靠运行，需采取以下整体防雷设计方案：按照B级标准进行内部防雷设计，按照第二类建筑物防雷标准进行外部防雷设计，自内而外建立一个全方位的雷电防护系统。

在整体设计上，还应严格遵循以下原则：①保护器不能影响PLC控制系统设备元件的正常工作和运行；②防雷系统防护器应对雷电冲击有足够的阻抗能力，能够将过电流直接导入大地；③防护器元件应当能够承受较大的雷电冲击能量，并配备规范的接地系统。一个完整的PLC控制系统防雷体系应当包括但不限于建筑物屏蔽、直击雷防护、电力系统防护、服务器和交换机防护、等电位连接、信号系统防护、防静电措施和过压保护等几个部分。下面本文将详细阐述服务器和交换机防护、电力系统防护和过压保护三个方面的内容。

2.2 PLC控制系统的具体防雷设计

2.2.1 服务器和交换机防护

服务器是PLC控制系统的重要设备，直接关系到PLC控制系统的有效运行。为防止服务器受到过电流或过电压冲击，应当在服务器网卡输入端加装防雷保护器，如图1所示。图1中的MAINS-PRINTRAB包含在UPS前保护器内，因此不必另外加装保护器。由于服务器与交换机距离较近，因此交换机方面的保护器可以根据实际情况选用。

2.2.2 电力系统防护

为消除架空电源线路的高电位引入问题，防止雷电直接沿电源线路威胁PLC控制室，应当采取埋地的方式将低压线路的电缆埋入地下，禁止直接将架空线路直接引入控制室内。如果条件受限，电线无法全部使用电缆，应当在架空的电源线路上加装一段金属防护罩。需要注意的是，电缆首端必须加装避雷器，并与绝缘金具共同接地，且进入控制室的电缆外皮要与防雷电感应接地装置连接，这样才能确保电缆段真正发挥防雷作用。

2.2.3 过压保护

根据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）和《建筑物防雷 第一部分 第一部分 防雷装置保护级别的确定》（IEC61024-1-1：1993）的有关规定，建筑物内部电源跨越多个分区时，必须采取防过电压措施。PLC控制室的具体防雷分区如图2所示。PLC控制室的防雷分区主要包括三个部分，分别是LPZOA、LPZI和LPZOB，需根据严重程度和实际情况确定相应的防护等级，并使用专业的防雷器。电源防过电压装置要设置在LPZOB与LPZI的交界处，具体可以采取两级防雷设计方法：①第一级防雷设计采用防雷器，设备代表为德国PHOENIX公司生产的AEC主动能量点火防雷器。该防雷器具有寿命长、防直击雷、防护等级高等优势，采用AEC主动能量点火防雷器，可确保雷电流泄放间隙。②第二级防雷设计可以采用德国PHOENIX公司生产的N-PE防雷器。该防雷器具有保护电压稳定的优势。

3 PLC控制系统的防雷保护

为确保上述防雷设计能够有效发挥防雷作用，保证PLC控制系统的安全性、稳定性，需在防雷系统安装完毕后的运行期间采取以下防雷保护措施。

3.1 日常检查和维护保养

防雷系统投入使用之后，每年雨季要定期检查防雷系统的接地线路，重点检查线路连接处是否稳固，接触是否良好。如果发现接地线有腐蚀、生锈问题，需及时更换，必要时，还要检查隐蔽在地下的接地线，看其是否锈蚀。如果出现严重生锈、损坏等情况，需及时采取相应的处理措施。另外，每年要定期测量一次接地系统的接地电阻，并在雷雨季节检测防雷器的运行情况，利用老化检测仪检查防雷器元件是否存在老化问题。雷雨季节时，要加强巡视，及时处理防雷系统警报。

3.2 调查雷电事故

要成立专门的雷害事故调查小组，重点对雷击损害情况进行调查取证，调查内容包括电气绝缘部件的损坏程度、烧焦气味、损坏部位、防雷器损坏情况和老化情况等。确定雷害事故等级后，分析事故周围的地质和气象情况，判断此次雷害事故是否与周围环境有关。调查取证期间，要拍摄事故现场，必要时，还要录视频，做好雷电事故现场记录工作，然后结合调查情况组织有关专家进行研讨，出具事故调查报告，并提出相应的改进措施。

3.3 防雷管理

防雷工程竣工并不代表施工单位工作的完结。施工单位应在防雷工程投入使用后安排专人负责防雷系统的运行监督，记录隐蔽工程需要的专用设备，并提交对方，设计资料和现场施工记录需提交当地的防雷主管部门备案。此外，工程竣工验收应当由相关防雷专业人员和管理部门组织验收。

4 结束语

目前的PLC控制系统在防雷设计方面还存在许多缺陷，加上许多PLC控制室都是在厂房建成后增补的，导致其不能有效避免雷电的冲击。对此，需要不断优化防雷设计，注重防雷保护，确保PLC控制系统的安全、稳定运行。

参考文献

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[2]王敏学，张鑫，王晓晶.红土镍矿HPAL项目仪表及控制系统综述[J].中国有色冶金，2013（05）：33-38.

〔编辑：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