工业PLC系统EMC测试中静电放电抗扰度的空气放电测试方法

工业PLC（可编程逻辑控制器）是工业自动化的核心设备，负责采集信号、执行逻辑运算与控制指令，其稳定运行直接关系到生产线的安全性与效率。然而，工业环境中存在大量静电放电（ESD）风险——操作人员接触、粉尘摩擦或设备启停都可能产生静电，若PLC抗扰度不足，易引发停机、数据丢失甚至硬件损坏。静电放电抗扰度测试是EMC测试的关键项目，其中空气放电因模拟非接触式静电干扰（如人员靠近PLC时的放电），更贴近实际场景，是评估PLC静电耐受能力的重要方法。

工业PLC系统的静电放电风险源

工业环境中，PLC的静电放电风险主要来自三方面：一是操作人员的直接接触，人体静电（可达数千伏）通过空气释放到PLC外壳；二是环境摩擦静电，如车间内塑料包装、纤维材料与设备摩擦产生的静电，可能通过空气放电影响PLC；三是外设静电转移，如传感器、通讯线连接时，外设上的静电通过接口附近的空气传入PLC。这些风险中，非接触式的空气放电因发生频率高、路径不确定，对PLC的干扰更难防范。

以机械加工车间的PLC为例，工人频繁触摸操作面板调整参数，车间内金属部件与润滑油摩擦产生静电，若PLC空气放电抗扰度不足，可能在工人靠近时突然停机，导致生产线中断。因此，准确模拟这些场景的空气放电测试，对PLC的可靠性至关重要。

静电放电抗扰度测试的标准依据

空气放电测试的核心标准是IEC 61000-4-2《电磁兼容性 第4-2部分：试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》，该标准规定了试验方法、等级划分与结果评估。针对工业PLC，标准将空气放电分为4级：1级（2kV，低静电环境如洁净室）、2级（4kV，一般工业环境）、3级（6kV，中等静电环境如机械车间）、4级（8kV，高静电环境如纺织厂），X级为用户自定义。

标准还明确了电极要求：尖锐电极模拟人体手指的尖端放电，圆形电极模拟工具手柄的钝头放电。例如，若PLC多用于操作人员接触场景，应选尖锐电极；若多用于工具接触场景，可选圆形电极。这些要求确保测试能真实反映PLC的使用环境。

空气放电测试的前期准备工作

测试前需重点准备三部分：环境、设备与PLC状态。环境方面，需在无强电磁干扰的房间进行，温度15-35℃、湿度30-60%（湿度低于30%易生静电，高于60%会降低放电强度），地面铺导电地板，接地电阻≤4Ω。

设备方面，需准备符合IEC 61000-4-2的静电放电发生器（如Haefely NSG 439）、耦合/去耦网络（模拟外设干扰路径）、监测设备（示波器、上位机、万用表）。发生器需具备电压调节（0-15kV）、极性切换、放电次数设定等功能，确保满足不同测试等级要求。

PLC状态方面，需通电运行实际工作程序，连接必要外设（如模拟I/O模块、PROFINET通讯线），使PLC处于正常工作状态。若测试时未连接外设，可能无法模拟实际干扰路径，导致结果偏乐观。

测试系统的搭建流程

测试系统搭建需遵循“接地-放置-连接-验证”顺序。首先，静电放电发生器连接专用接地桩，接地电阻≤4Ω，避免静电泄漏；其次，PLC放置在≥10mm厚的绝缘垫上，确保与地面绝缘，避免接地影响放电效果；第三，若PLC有外部线缆（电源线、通讯线），需连接耦合网络，模拟静电通过线缆传入PLC的路径；第四，用示波器连接PLC关键信号点（如I/O输出），上位机连接通讯端口，实时监测运行状态；最后，确认发生器自检正常、PLC运行稳定、监测设备显示无异常。

空气放电的具体测试步骤

测试步骤需确保可重复性：第一步确定测试点，选择PLC外壳金属部分（如机箱边缘、散热孔）、操作面板（如按键、显示屏）、接口附近（如以太网口、USB口）、外设连接端（如传感器接口）；第二步设置发生器参数，根据测试等级选电压（如3级6kV），设定每个测试点正负极各10次放电；第三步放电操作，握住发生器手柄，将电极慢慢靠近测试点（速度约5mm/s），直到放电（听到“啪”声），保持电极与测试点约5mm距离，完成设定次数；第四步实时监测，观察PLC指示灯（RUN灯是否常亮、FAULT灯是否点亮）、上位机显示（程序是否停止、数据是否变化）、示波器信号（是否畸变）；第五步记录数据，包括测试点位置、放电电压、极性、PLC反应（正常/故障）及故障现象。

测试中的关键注意事项

测试需注意细节：一是放电角度，电极与测试点保持垂直或45度，避免倾斜过大导致放电路径偏离；二是放电距离，慢慢靠近直到放电，不强行接触，避免变成接触放电或损坏PLC；三是放电次数，严格按标准执行（正负极各10次），确保结果的统计意义；四是状态监测，测试中不能离开监测设备，及时发现暂时故障（如PLC自动重启）；五是人员安全，穿绝缘鞋，远离发生器高压部分，避免触电或设备损坏。

测试结果的有效性判断

测试结果分为“正常”与“故障”两类。正常情况是PLC保持运行，RUN灯常亮，程序执行正常，数据无丢失，通讯稳定，I/O信号无异常；故障情况包括停机（RUN灯熄灭）、故障报警（FAULT灯点亮）、数据丢失（寄存器数据复位）、通讯中断（上位机无法连接）、I/O异常（输出信号中断）。若出现故障，需重复测试2-3次，确认是否由静电放电引起，排除偶然因素。例如，测试“操作面板按键”时，放电后PLC RUN灯熄灭，重复测试两次均出现相同故障，说明该测试点抗扰度不足。