基于光纤传输的总线防雷改进技术

江海汕

摘 要：光纤总线防雷是一种创新的防雷技术，光纤具有良好的绝缘特性，利用光纤绝缘特性与PROFIBUS通讯总线相结合，使用光纤传输PROFIBUS总线信号，把雷击产生的电流限制在单个设备，电流经过单个设备接地线传输至大地，阻止电流蔓延，防止破坏其他设备，该技术极大地提高了总线的防雷性能，在实际应用中取得了非常好的效果。

关键词：防雷 光纤 PROFIBUS 工业通讯 现场总线

中图分类号：TP336 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）09（a）-0026-02

利用光纤通信进行总线防雷是一种创新的总线防雷技术，该技术利用光纤优良的电绝缘性能，从物理上切断了雷击强大电流的传输通路，具有非常好的防雷效果；与传统防雷方式相比，该防雷方式把雷击产生的电流限制在单个设备上，雷击电流经过单个设备的接地线传输至大地，可以把经济损失降到最小，最大限度地减少对正常生产运行的影响。

雷击是指打雷时电流通过人、畜、树木、建筑物等而造成杀伤或破坏。其种类及危害有如下几种类型。

（1）直击雷。带电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象，称为直击雷，其破坏力十分巨大。

（2）雷电波侵入。雷电不直接放电在建筑和设备本身，而是对布放在建筑物外部的线缆放电。线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。

（3）感应过电压。雷击在设备设施或线路的附近发生，或闪电不直接对地放电，只在云层与云层之间发生放电现象。

（4）系统内部操作过电压。因断路器的操作、电力重负荷以及感性负荷的投入和切除、系统短路故障等系统内部状态的变化而使系统参数发生改变，引起的电力系统内部电磁能量转化，从而产生内部过电压。

（5）地电位反击。如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。

由此可见，雷击有强大的破坏性，雷击放电于具有避雷设施的建筑物时，雷电波沿着建筑物顶部接闪器（避雷带、避雷线、避雷网或避雷针）、引下线泄放到大地的过程中，会在引下线周围形成强大的瞬变磁场，轻则造成电子设备受到干扰，数据丢失，产生误动作或暂时瘫痪；严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。上诉5种类型雷击均可以对工厂控制系统造成损坏，破坏工厂通讯系统、控制系统，影响工厂正常生产运行。

传统的防雷SPD又名电涌保护器、防雷器、避雷器，用于保护用电设备免遭雷电电磁脉冲或操作过电压破坏，成本低、安装简单；其原理是一旦响应雷电瞬时过电压时，其阻抗就突变为低值，允许雷电电流通过。但SPD模块需要一定的反应时间，在SPD防雷模块动作之前，电流会沿着其他传输通道蔓延，会破坏整条通讯线路及挂载在网络上的设备；根据往年数据统计，每年雷击都会造成系统破坏，同一工厂短期内连续被雷击几次的情况也时有发生，造成工厂无法正常生产。因此需要一种更加可靠的防雷方式对工厂控制系统、通讯总线进行保护。

污水处理厂区室外安装大量控制箱，控制箱安装有测量变送器、阀门、执行机构、PLC控制系统等电气控制设备，使用PROFIBUS通讯总线连接这些设备；雷击产生的电流可达300kA，电流通过总线蔓延，会破坏整个控制系统，严重影响正常生产运行。因此，防雷是工厂电气控制系统、总线通讯系统中非常重要的部分。

污水处理厂的自动控制非常依赖PROFIBUS总线通讯，较大厂商如西门子、罗克韦尔均有PROFIBUS专用通讯模块，专用通讯模块价格昂贵，大量安装在重要的通讯节点，为正常生产运行提供重要保障；但是雷击产生的电流经常损坏通讯模块，造成永久性损坏，造成很大的经济损失，严重影响工厂正常生产运行，部分模块价格见表1。

室外控制箱成为了雷击的潜在目标；南方沿海城市，每年2～5月雨季，下雨伴有雷击现象，雷击的强大电流沿着通讯线路传输，破坏整个工厂的通讯网络、控制系统。

某污水处理厂日处理能力6万t，采用西门子S7-400系列PLC，设置PLC1站、PLC2站、PLC3站共3个PLC站，每个站点采用PROFIBUS DP和PROFIBUS PA总线与过程测量变送器、阀门、执行机构进行通讯，其中采用PROFIBUS DP通讯协议的仪表、成套系统共有38台，采用PROFIBUS PA通讯协议的仪表共有6台，PROFIBUS PA通讯协议使用西门子DP_PA Link and DP_PA Coupler协议转换器进行协议转换，转换成PROFIBUS DP协议，把数据传输至PLC站点。通讯网络采用标准PROFIBUS线缆连接，每个仪表加装信号SPD模块，接入总线网络，仪表外壳接地；这样的总线连接方式，存在非常大的隐患，雷击后产生的强大电流会沿着PROFIBUS线缆实心铜线导体传导至总线网络上的其他设备，破坏网络上其他设备。

据统计，每年每个工厂均要遭受数次雷击，每次造成的经济损失都是巨大的，对生成运行造成非常大的影响，仅2016年度情况统计如表2所示。

表2数据表明，经济损失是巨大的，更严重的是系统遭受破坏后，无法正常生产运行，恢复难度大，需要投入巨大的人力物力才能完成检修、恢复生产，这对要求24h连续生产运行的污水处理厂是不允许的；因此，需要一种更加可靠的措施对总线通讯进行保护，以减少经济损失、保证正常生产运行。

光纤总线防雷是一个全新的概念，与传统通讯系统的防雷技术相比，该防雷技术完全可以避免大范围雷击故障，效果非常明显，经过升级改造的线路，没有出现大范围被破坏的现象，雷击造成的小范围故障，均可以快速完成维修，恢复正常生产运行，经济损失也小。

光纤转换器是光纤通讯中的重要设备，也是光纤防雷的重要设备，光纤转换器负责将光信号转换成电信号；PROFIBUS光纤转换器可以将PROFIBUS信号转换为光纤信号；PROFIBUS设备会产生电气噪声，导致总线发生故障。传统线路不能隔离噪声，这会破坏两个总线之间的通讯，最终导致整个系统无法通讯。而PROFIBUS光纤转换器可检测、识别噪声，若某个总线设备发生故障，噪声信号不会通过PROFIBUS转光纤转换器进行传输，也不会影响其他总线段。

某污水处理厂经过升级改造，取得了非常好的防雷效果，经过2017年度生产运行，均未发生大面积雷击故障，雷击产生的强大电流无法蔓延传输；电流经过接地线路传入大地，不会危害整个网络，保障了工厂正常生产运行，也节约了大量财力物力，2017年度统计情况如表3所示。

基于光纤传输总线防雷改进技术，打破了传统防雷观念，利用光纤介质，截断了电流的传输路径，保护了总线通讯网络，是大胆创新的举措，该防雷技术，可以避免大范围雷击故障，是现场总线的安全卫士，为污水处理厂的正常生产运行提供了重要保障，经过较长时间的应用检验，取得了非常好的效果；该技术不仅可以应用PROFIBUS总线，也可以应用在CAN总线、DeviceNet总线、HART总线、CC-Link总线等其他工业现场总线，非常值得推广。

参考文献

[1] 西门子Profibus PA技术应用手册（中文）[Z].

[2] SIMATIC总线连接器DP/PA耦合器、有源现场分配器、DP/PA Link操作說明的修订版[Z].

[3] SIMATIC RS 485中继器设备手册[Z].

[4] MVI69-PDPMV1技术数据表（Datasheet）[Z].