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PLCのサージ保護は、制御盤または保護ゾーンの境界を越えるすべての導電経路（AC入力、24 VDC電源、デジタルおよびアナログI/O、銅線通信、ケーブルシールド、アンテナ、保護接地）を特定することから始まります。盤の入口に設置された電源用SPDは、その電源経路上の過渡現象を制限しますが、フィールド配線や通信ポートを自動的に保護するわけではありません。.
正しい結果とは、汎用的な3デバイスパッケージのことではありません。それはポートごとの設計であり、各保護デバイスが通常動作と互換性を持ち、関連するサージモードを機器と協調したレベルに制限し、信頼できる放電経路を備え、設置後に点検および文書化できるものである必要があります。.
要点
- SPDを選択する前に、PLCの境界を描画してください。. 電源、フィールドI/O、銅線ネットワーク、シールド、外部アンテナ、およびすべてのリモート接地基準を含めてください。.
- 機器の耐性とSPDの性能を分けて考えてください。. IEC 61000-4-5は再現性のあるサージ耐性試験方法を規定しており、IEC 61643製品規格は該当するSPDファミリーの要件を規定しています。これらは互いに代替するものではありません。.
- AC電源、DC電源、および信号ネットワークは、それぞれ異なるインターフェースとして扱ってください。. これらは選択変数が異なり、IEC 61643シリーズの異なるパートに該当する可能性があります。.
- すべてのPLCに共通の値を割り当てないでください。. 許容動作電圧、サージ耐性、保護レベル、負荷電流、帯域幅、および接地は、個々のPLC、電源、I/Oモジュール、ネットワーク、およびプロジェクトによって異なります。.
- 経路全体を考慮して試運転を行ってください。. 正しい型番であっても、保護されていないケーブル引き込み口、互換性のない信号用保護器、または効果のないボンディング経路を補うことはできません。.
PLC保護境界から開始する
PLC CPUは、保護された電気システム内の一要素に過ぎません。その電源、I/Oモジュール、リモートI/O、センサー、アクチュエータ、HMI、産業用スイッチ、および通信ゲートウェイは、それぞれ異なる電気環境に接続されている可能性があります。したがって、過渡現象は、盤のAC受電部を経由することなく制御システムに到達する恐れがあります。.
盤を中心とした境界図を作成してください。境界を越えるすべてのケーブルを追加し、そのリモート側の終端点をマークします。屋外の伝送器、別の建物、モータ制御センター、または個別に接地された機械へ向かうケーブルは、短い内部パッチリードとは異なる露出評価が必要です。.
各経路について、以下の4つの質問を検討してください。
- 通常動作時にどのような電圧、電流、周波数、およびデータ信号が発生するか。
- この境界において、どのノーマルモードおよびコモンモードのサージ経路が想定されるか。
- 接続される機器およびポートに対して、どのようなイミュニティまたは耐性情報が宣言されているか。
- 他のインターフェース間に有害な電圧を発生させることなく、分流したサージ電流をどこへ帰還させることができるか。
この境界図は概念的なものです。これは端子レベルの配線図ではなく、正確な機器の取扱説明書やプロジェクトの電気図面に代わるものではありません。.
PLCポート保護マトリックス
製品を要求する前に、このマトリックスを使用してください。入力項目が欠落している行は、エンジニアリング上の決定が未解決であることを意味しており、公称電圧のみに基づいて保護装置を選択してよいという許可ではありません。.
| 境界経路 | 収集すべき入力項目 | 通常動作時の適合性 | サージ性能の証拠 | 配置および検証 |
|---|---|---|---|---|
| ACキャビネット電源 | 公称電圧および最大連続電圧、周波数、接地方式、上流側SPD、利用可能な短絡電流、上流側保護装置 | Uc/MCOV、保護モード、周波数、および関連する場合は漏れ電流または追従電流の挙動 | 適用されるSPDタイプ/試験クラス、同一試験基準に基づくUpおよび放電電流の宣言、短絡およびバックアップ保護に関する指示 | 規定の電源入力ノードにおいて、接続およびボンディングの形状がメーカーの仕様および設置規則に適合していることを確認 |
| 24 VDC電源バス | 全動作電圧範囲、極性、接地または浮動トポロジー、ソース電流、負荷電流、外部分岐 | Uc、極性、直列経路の連続電流、漏れ電流、電圧降下、および故障時の挙動 | 実際のDC製品および電源条件に対する宣言された電圧制限およびサージ電流耐量 | 保護対象の境界において、通常のバス電圧、極性、PEに対する基準挙動、および負荷動作を確認 |
| ディスクリートフィールドI/O | 入出力タイプ、定格電圧および最大電圧、チャネル電流、コモン/基準導体、安全機能 | Uc、連続電流、直列抵抗、漏れ電流およびチャネル互換性 | モードおよび試験条件による宣言された制限性能、機器ポートのイミュニティエビデンス | 露出ケーブル境界において、すべての導体および基準経路を考慮すること。その後、チャネルの機能テストを実施すること |
| 4–20 mAまたはHARTループ | ループ電源、最大信号電流、トランスミッタ/負荷電圧バジェット、接地、精度およびHART要件 | 直列抵抗、漏れ電流、電圧降下、静電容量およびプロトコル互換性 | 規定試験下における差動／コモンモード制限データ | 選択されたフィールドおよび盤の境界にて、設置後にループ電流、利用可能電圧、および通信を確認すること |
| RS-485またはフィールドバス | 信号規格、導体数、最大差動／コモンモード電圧、トポロジー、ボーレート、ケーブルおよびシールド | Uc、ペアバランス、静電容量、帯域幅、直列抵抗および接地 | ポートおよびモードに適用される信号用SPD試験データ | 保護ゾーンの境界にて、極性、終端、バイアスおよび通信を確認すること |
| 産業用イーサネットまたはPoE | イーサネットのカテゴリと速度、シールド、コネクタ、PoEタイプと電力、リンク構成、建物/ゾーン間接続 | データレート、挿入損失、反射損失、PoE電圧/電流、およびシールド導通戦略 | 適用されるネットワークSPDの制限値および伝送データ | 定義された境界入口において、ネゴシエーションされた速度、使用されるPoE動作、およびシールド/ボンディング構成を確認すること |
| 同軸アンテナ給電 | コネクタ、周波数帯域、インピーダンス、送信電力、およびアンテナ接地 | 周波数範囲、挿入損失、定在波性能、およびコネクタの適合性 | 規定の試験基準に基づく同軸保護器のインパルスデータ | アンテナケーブルの引き込み部およびボンディング境界において、適切な方法でRF動作を確認すること |
| シールド、PE、およびボンディング経路 | 盤のボンディング、遠隔接地、ケーブルシールドの端末処理、並列金属経路 | 継続的な保護および機能上の要件 | プロジェクトのボンディングおよび雷保護／EMC設計の根拠 | 分流経路全体を点検し、竣工時の構成を記録すること |
本マトリックスでは、kA、クランプ電圧、および導体サイズのデフォルト値を意図的に記載していない。これらの数値は、回路、曝露状況、試験基準、機器の耐性、および適用される設置フレームワークが判明した後にのみ意味を持つものとなる。.
ステップ1：外乱がサージであることを確認する
すべてのPLCリセットや通信エラーが、IEC 61000-4-5で扱われる単方向サージ現象に起因するわけではない。電磁接触器、可変周波数駆動装置（VFD）、その他の開閉機器も、電気的ファストトランジェント、反復的なリンギング、伝導性無線周波数ノイズ、電圧降下、瞬時停電、またはコモンモード電流を発生させる可能性がある。持続的な異常電圧は、また別の条件である。.
その区別によって是正措置が変わります：
| 証拠または症状 | エンジニアリングの方向性 |
|---|---|
| 落雷への曝露、またはケーブルを通じて侵入する規定の開閉サージと相関する事象 | IEC 61000-4-5の試験エビデンスおよびサージ経路全体を確認すること |
| 電磁接触器またはソレノイドの動作と同期した反復的なエラー | コイル／負荷におけるサージ抑制、配線の分離、および該当する過渡イミュニティ現象を調査すること |
| VFDの動作と同期した通信エラー | 別のSPDを規定する前に、ケーブルの配線、シールドの端子処理、ボンディング、コモンモード電流、およびドライブのEMCに関する指示を確認してください。 |
| 長時間にわたる過電圧または中性線/接地線の故障状態 | これをシステム異常電圧または故障の問題として扱ってください。SPDは電圧調整器ではありません。 |
| 負荷始動時の電圧降下または瞬時停電 | SPDが電圧を維持することを期待するのではなく、電源インピーダンス、ライドスルー、および電力品質の挙動を調査してください。 |
IEC 61000-4-5 は、特定のサージ波形、結合配置、および試験レベルに対して機器を評価するための共通の方法を定義しています。これは産業用パネル内のあらゆる外乱をサージとして分類するものではなく、また直撃雷電流試験を表すものでもありません。.
外乱がドライブに関係する場合は、その入力、パルス幅変調出力、24 VDC制御、および信号インターフェースを分離してください。VIOX VFDサージ保護ガイド そのドライブ固有のレビューを所有しています。.
ステップ2：機器のイミュニティ目標を確立する
PLCポートの許容電圧を、その公称動作電圧から推測しないでください。正確なPLC、電源、I/O、HMI、スイッチ、およびゲートウェイのドキュメントを入手してください。適用される製品規格、試験対象ポート、結合モード、試験レベル、電源インピーダンス、性能基準、および必要な外部保護について確認してください。.
IEC 61131-2:2017 は、PLC、プログラマブルオートメーションコントローラ、および関連周辺機器の機能要件、電磁両立性要件、および関連する検証試験を規定しています。この適用範囲は有用な出発点となりますが、プロジェクトの決定は依然として正確な製品宣言に依存します。CPU、24 VDC電源入力、アナログチャネル、およびEthernetポートに対して、単一の耐性値を想定して割り当てるべきではありません。.
イミュニティレジスタを作成する：
| 機器ID | 正確なポート | 通常の電気的制限 | 宣言されたサージ試験またはイミュニティ | 性能基準 | メーカーが要求する外部保護 | 文書改訂 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PLC-01 | CPU電源入力 | |||||
| IO-01 | デジタル入力グループ | |||||
| AI-01 | アナログ入力チャネル | |||||
| NET-01 | 銅線ネットワークポート | |||||
| PSU-01 | AC入力 / DC出力 |
SPDの宣言された保護性能と機器の耐性エビデンスは、調整を行う前に、互換性のあるモードおよび試験条件を使用しなければなりません。異なる波形や接続モードの下に記載された低い数値は、保護の証明にはなりません。.
ステップ3：必要な保護モードを決定する
差動モードの過渡現象は、L–N、DC+–DC−、または平衡ペアの2本のワイヤ間など、回路の活線導体間に発生します。コモンモードの過渡現象は、1つ以上の回路導体と、PE、筐体金属、または遠隔接地などの基準点との間に発生します。.
適切なモードは、回路トポロジーと曝露状況に依存します。2本の活線のみを保護する場合、コモンモードの経路が未解決のままになる可能性があります。また、すべての回路を保護装置を介してPEに接続することは、絶縁を破壊したり、漏れ電流を発生させたり、本質安全設計と矛盾したり、意図的にフローティング状態にしているシステムを変更したりする場合には不適切となる可能性があります。.
これらの決定事項を明示的に記録すること：
- どの導体が通常回路に属するか;
- 回路が接地されているか、浮動（フローティング）か、絶縁されているか、あるいは容量結合されているか;
- 遠隔機器がどこで等電位ボンディングされているか;
- どのシールドが片端、両端、またはプロジェクト固有のネットワークを介してボンディングされているか;
- 選択した保護装置がどの差動モードおよびコモンモードの組み合わせをカバーしているか;
- 保護装置が絶縁監視、機能安全、測定精度、または通信品質に影響を与えるかどうか。.
これが、キャビネットのPEバーが単なる汎用的な接続先シンボルではない理由である。設計においては、高周波電流の完全な経路と、放電中に接続された機器間に発生し得る電圧を示す必要がある。.
ステップ4：AC盤内電源用SPDを指定する
制御盤の電源部に設置するAC SPDは、その電源から侵入する過渡現象や、上流の保護機器から伝播する残留ストレスを制限できます。その選定はPLCのモデルからではなく、実際の電気システムから始める必要があります。.
文書化：
- 公称電圧、最大連続使用電圧、周波数、および接地方式。;
- 必要な保護モード。;
- 盤ノードにおける雷および開閉サージの曝露状況。;
- 上流のSPDおよび各段間の協調に関する根拠。;
- 電源およびその他の接続機器における許容電圧。;
- 利用可能な短絡電流およびSPDが規定する短絡電流耐量。;
- 必要なバックアップヒューズ、回路遮断器、または内部遮断器の条件。;
- 接続長、配線、ボンディング、およびエンクロージャの制約。.
IEC 61643-11:2025 AC低圧電源回路に接続されるSPDに適用され、IEC 61643-01の共通要件と共に使用されます。製品規格への適合は、設置設計のすべてではありません。現地の配線規定、プロジェクトのリスク評価、故障保護、およびメーカーの指示が、デバイスの適用方法を依然として規定します。.
詳細な多段階チェックについては、VIOXを使用してください。 SPDの協調およびカスケード接続ガイド. 。設置規定および安全境界については、以下を使用してください。 SPD設置要件チェックリスト.
ステップ5：24 VDCバスを独立した電源インターフェースとして扱う
24 VDC電源は、PLC、リモートI/O、センサー、リレー、およびその他の負荷に供給される場合があります。過渡現象は、外部のDC分岐から到達するか、回路間の結合を通じて発生する可能性があります。保護を追加する前に、バスが接地されているか、浮動しているか、絶縁抵抗が監視されているかを確認し、提案されているデバイスが並列接続されるのか、あるいは負荷電流を直列に流すのかを判断してください。.
一般的なDC電源回路については、, IEC 61643-41:2025 は、DC低圧電源システムに接続されるSPDに関連するIEC製品規格の範囲です。これには太陽光発電用途が明示的に除外されており、それらは引き続きIEC 61643-31の対象となります。したがって、PV専用のマーキングや規格参照を、PLCの24 VDC制御バスに対する自動的な証拠として扱うべきではありません。.
以下のDC入力を収集してください：
- 充電器または電源の許容誤差を含む、最小、公称、および最大通常バス電圧。;
- 極性および許容される逆接続条件。;
- 接地導体、浮動配置、または絶縁監視方式。;
- 電源能力および想定DC短絡電流。;
- 選択したデバイスに直列端子がある場合の連続負荷電流。;
- 必要な差動モードおよびコモンモード保護。;
- 宣言された保護レベルおよび試験基準。;
- 故障挙動、遮断、表示および交換方法。;
- 安全関連出力への影響、冗長性およびシステム可用性。.
指定しないこと 30 V Uc, 50 V Up または、すべての 24 VDC システムに対して固定の kA 定格を指定すること。これらは特定の製品や回路においては妥当な値である可能性がありますが、プロジェクトの要件を確定できるのは、正確な機器および保護装置のドキュメントのみです。.
ステップ6：インターフェースによるフィールドI/Oおよび銅線通信の保護
フィールドケーブルは、AC電源が既に保護された後に盤の境界を越えることができます。AC電源用 SPD は、アナログ入力、RS-485 端子、またはイーサネットコネクタに最初に到達する過渡現象を制御することはできません。.
IEC 61643-21:2025 電力も伝送するネットワークを含む、電気通信および信号ネットワークに接続される SPD を対象としています。. IEC 61643-22:2015 それらの選定、動作、設置場所、および協調について扱います。規格は枠組みを確立するものであり、あらゆるインターフェースに適した汎用的な信号保護装置を規定するものではありません。.
ディスクリートI/O
チャネルが入力か出力か、シンク型かソース型か、通常電圧および最大電圧、チャネル電流、共通導体、および安全機能を特定してください。直列接続される保護装置は、過度な電圧降下、漏れ電流、または電流制限を引き起こしてはなりません。フィールド回路が安全関連である場合、追加されるあらゆるコンポーネントは、その安全設計の範囲内で検討する必要があります。.
4–20 mA および HART
最大ループ電流における保護装置の直列抵抗を加味した上で、ループ電圧バジェットを計算してください。精度および通信要件に対して、漏れ電流と静電容量を確認してください。フィールド機器および盤内における接地とシールドの処理を記録してください。一端に設置した保護装置がすべてのゾーン境界の問題を解決すると想定してはなりません。.
RS-485およびその他のフィールドバス
最大動作電圧およびコモンモード電圧、導体数、ペアバランス、データレート、静電容量、直列抵抗、およびトポロジーを適合させてください。設置後に終端処理とバイアスを確認してください。高いインパルスに耐えうる保護装置であっても、通常の信号を劣化させる場合は不適切となる可能性があります。.
産業用イーサネットおよびPoE
イーサネットのカテゴリとデータレート、コネクタ、シールド戦略、および同一ケーブルでPower over Ethernetを供給するかどうかを確認してください。サージ制限だけでなく、伝送パラメータも検討してください。銅線リンクが建物間や保護ゾーンをまたぐ場合は、両端およびボンディングの関係性を評価してください。光ファイバーは導電性のデータ経路を排除できますが、給電機器や金属部材については別途検討が必要です。.
アンテナおよび同軸経路
リモートPLCおよびテレメトリ盤には、外部セルラー、無線、またはGNSSアンテナが設置されている場合があります。コネクタ、インピーダンス、動作帯域、送信電力に合わせて保護器を選択し、定義されたケーブル引き込み部およびボンディング境界に配置してください。電源用SPDでは同軸経路を保護できません。.
VIOX 信号用サージ保護器選定ガイドを使用してください 電圧、電流、抵抗、帯域幅、およびトポロジーに関するより詳細なワークフローを提供します。このPLCページはシステム境界を管轄し、信号ガイドは詳細なインターフェース機器の選定を管轄します。.
ステップ7：配置、ボンディング、および協調の検証可能性の確保
SPDは、設置されたループを通じて電流を分流します。接続インダクタンス、導体の配線、およびボンディングインピーダンスにより、機器の公称保護レベルを超える電圧が発生する可能性があります。ただし、すべての電源および信号インターフェースに対して一律の距離や導体サイズの規定を設けることは安全ではありません。.
選択した各保護器について、図面に以下を明記してください：
- 保護対象となる境界および機器;
- 直列信号機器の露出側および保護側;
- 保護対象の導体および保護モード;
- ボンディングポイントまたはリターンポイント。;
- 完全な接続経路および並列バイパス経路。;
- 協調性の証明が必要な上流および下流のSPD。;
- メーカーが要求する過電流保護またはバックアップ保護。;
- 状態点検、絶縁、および交換のためのアクセス。.
複数のSPDステージを使用する場合、電圧協調、エネルギー協調、距離／デカップリング、および故障協調は個別の確認事項となります。Type 1、Type 2、Type 3のラベルが付いているからといって、協調のとれたカスケード接続であると想定しないでください。.
ステップ8：PLC保護システムの試運転
試運転は、承認された設計通りに設置されていること、および通常のPLC動作が低下していないことを確認するものです。これは標準化されたサージ試験を再現するものではなく、保護コンポーネントの残存寿命を証明するものでもありません。.
以下の証拠シーケンスを使用してください：
- ドキュメント照合： 各保護ポイントのメーカー、モデル、モジュール、およびドキュメントのリビジョンを記録すること。.
- 境界照合： ポートスケジュール内の露出したすべてのケーブルが、保護対象機器に到達する前に意図した保護ポイントに達していることを確認すること。.
- 電気的照合： 電圧、極性、接地／基準状態、保護装置、および導体配置が承認された設計と一致していることを確認すること。.
- ステータス照合： 正確なモデルの真理値表を使用して、ローカルインジケーターおよびリモート接点を確認すること。緑、赤、NO、およびNCは普遍的な意味を持つものではない。.
- 機能適合性： PLC電源、I/O状態、アナログ精度、フィールドバス通信、イーサネット速度、および該当する場合はPoE機能を検証してください。.
- 竣工記録： 経路、シールド端子、ボンディングポイント、ラベル、および交換可能なモジュールの識別情報を写真撮影し、文書化してください。.
- 保守引き継ぎ： 製品および現場の手順に従い、承認された点検トリガー、交換の証拠、および責任ある役割を定義してください。.
SPDのドライ接点をPLCまたはビル管理システムに報告する場合は、個別の SPD遠隔信号ガイド. に従ってください。リモート監視は文書化された接点状態を報告するものであり、保護されたすべてのインターフェースを検証したり、残りのサージ容量を測定したりするものではありません。.
コピー可能なPLCサージ保護RFQワークシート
この情報を単線結線図および盤図面と共に送付してください：
プロジェクトおよび市場
現場 / 機械：
仕向国および適用規格：
屋内 / 屋外 / 危険場所の条件：
雷保護ゾーンまたは曝露情報：
AC電源入力
公称および最大連続電圧：
周波数および接地方式：
利用可能な短絡電流：
上流側の保護装置：
既存の上流側/下流側SPDモデル：
要求される保護モードおよび機器の耐性目標：
24 VDC電源
最小 / 公称 / 最大電圧：
接地、浮動、または絶縁監視の有無：
電源および想定故障電流情報：
直列デバイスを流れる連続負荷電流：
外部DC分岐およびリモートエンドポイント：
PLCおよびフィールドポートスケジュール
PLC / I/O / HMI / スイッチのモデルおよび文書リビジョン：
各ポートタイプおよび通常の電気的制限：
ケーブル長、経路、屋内/屋外および建物間曝露：
リモート機器およびボンディング基準：
シールド構成：
要求されるデータレート、精度、HARTまたはPoEサポート：
宣言された機器のサージ耐性エビデンス：
設置およびエビデンス
利用可能なDINレールスペースおよび筐体の制約：
提案する保護装置の設置場所およびボンディングポイント：
要求されるバックアップ保護または遮断：
ローカルステータス / リモート接点の要件：
要求される製品規格、試験報告書、宣言書または証明書：
交換モジュールおよびメンテナンス要件：最終的なエンジニアリングルール
PLC制御システムは、SPDが盤の部品表に記載されているというだけで保護されるわけではありません。保護が完了するのは、関連するすべての導電性境界について文書化された決定がなされ、各デバイスが通常動作と互換性があり、宣言された制限性能が正確な機器および試験モードと整合しており、かつ設置された放電経路が検証された場合のみです。.
ワークシートの記入後、以下を確認してください： VIOX SPD製品ファミリー およびVIOX 産業オートメーションアプリケーション. 。モデルレベルの文書については、ポートスケジュール、電気システムデータ、盤図面、ターゲット市場、および要求されるエビデンスを以下へ送付してください： [email protected]. 。ファミリーページや一般的な記事は、特定のモデルがプロジェクトに適合するというエビデンスにはなりません。.
出典
- IEC 61131-2:2017 — プログラマブルコントローラ：機器の要件および試験
- IEC 61000-4-5:2014 — サージイミュニティ試験方法
- IEC 61643-11:2025 — AC低圧電力システムに接続されるSPD
- IEC 61643-41:2025 — DC低圧電源システムに接続されるSPD
- IEC 61643-21:2025 — 電気通信および信号ネットワークに接続されるSPD
- IEC 61643-22:2015 — 信号ネットワーク用SPDの選定および適用
本記事はシステム設計のフレームワークであり、特定のPLC、SPD、または設置に関する施工図や承認図ではありません。機器の正確な取扱説明書、プロジェクトのリスクアセスメント、機能安全要件、および現場に適用される電気規則に従ってください。産業用制御機器内部の作業は、承認された安全作業手順に基づき、有資格者のみが行う必要があります。.