西门子PLC全国总代理接口模块

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PLC外部电源选择和PLC接地处理

 1. 供电系统可靠性设计

  (1) PLC电源设计。一般而言，PLC的基本电源一般有使用AC100V/240V与DC24V两种类型。

  当PLC采用AC100V/240V供电时，通常允许输入电源电压波动范围为-15%～ 10%。如：选择额定输入电压为AC100V时，通常允许输入电压的变化范围为AC85～10V；选择额定输入电压为AC240V时，允许的变化范围为AC200~AC264V。PLC对外部交流电源的频率要求较低，允许的频率变化范围通常为±3Hz，即选择额定输入频率为50Hz时，允许输入频率的变化范围为47~53Hz；选择额定输入频率为60Hz时，允许输入频率的变化范围为57~63Hz。

  当PLC使用DC24V电源时，一般允许输入电压的变化范围为-15%~ 20%(即DC20.4~28.8V，如Siemens PLC)，部分PLC可以达到-35%～ 30%(即DC15.6~31.2V，如三菱Q系列PLC)。与其他计算机控制系统相比，它对输入电源的要求相对较低，通常容易满足要求。

  但为了PLC的正常工作，抑制线路干扰，对于交流ACIOOV/240V供电的PLC，原则上应在电源输入回路加入隔离变压器、浪涌吸收器或者采取稳压措施。PLC输入电源要与设备动力电源、交流控制回路电源、交流输出电源分离配线，并具有立的保护回路与立的隔离变压器。

  对于首流DC24V供电的PLC，原则上应采用稳压电源供电；至少应通过三相桥式整流、滤波后进行供电；一般不能使用仅通过单相桥式整流的直流电源直接对PLC进行供电。PLC输入电源要与设备直流动力电源、直流控制回路电源、直流输出电源分离配线，并具有立的保护回路，在系统组成较复杂时，应使用立的稳压电源单对PLC供电。

  当系统采用模块化结构时，电源模块的容量应满足PLC系统对电源容量的要求，电源模块的额定输出容量应大于系统中全部组成模块所消耗的功率总和，并且留有20%~30%的余量。

  (2) I/O装置外部电源。I/O外部电源是指用于PLC源输入模块、PLC输出模块、输入传感器(如接近开关等)、输出执行元件的电源。

  用于PLC输入信号的外部电源一般为DC24V。由于输入信号的电压波动可能直接影响到PLC输入状态的变化，故对其要求较高，原则上应采用稳压电源供电；至少应通过三相桥式整流、滤波后进行供电，不能使用仅通过单相桥式整流的直流电源，以防止输入信号采样的错误。

  用于PLC输出信号的外部电源与PLC的输出形式及负载要求有关，可以是交流，也可以是直流。特别在当采用继电器接点输出时，电源要求完全取决于负载。

  通常情况下，PLC对输出电源的要求要低于输入电源。如：对于直流24V中间继电器、电磁阀类负载、一般可以使用单相桥式整流的直流电源。但是，当PLC的输出需要作为系统其他控制装置(如CNC等)的输入时，根据后者的要求选择输出电源。

  (3) PLC总供电系统。总供电系统的设计，根据控制对象的性质、技术要求、系统的组成情况、使用环境条件等进行具体分析，后面将给出PLC控制系统硬件设计示范实例，以供读者参考。

  作为PLC总供电系统基本设计原则，应注意如下几个方面：

  1) 在系统中，与PLC有关的全部电源，均可以通过设备的总电源开关进行分断，实现与电网的隔离。

  2) PLC作为系统主要的控制装置，原则上应在设备总电源接通后，无须其他启动操作，即可以立即投入工作，以便控制系统对控制对象实施有效的监控。

  3) 对于同时使用基本单元与扩展单元的控制系统，扩展单元的电源应先于基本单元或同时接通，以便基本单元对扩展单元实施有效的监控。

  4) 用于PLC输入信号的外部电源，可以与PLC基本电源共用，但回路中安装立的保护器件(如断路器等)。

  5) 立设置用于PLC输入信号的外部电源时，此电源应在设备总电源接通后，立即投入工作，以便PLC通过输入信号对设备的现行状态实施有效的监控。

  6) 用于PLC输出信号的外部电源，可以与输入电源共用或进行立设置。对于组成复杂、执行元件较多的控制系统，可根据需要设置多个电源。

  7) 当PLC输出使用外部公用电源时，应根据输出对象的不同，分类设置多路保护(如断路器等)，且每一类输出的电源接通次序应有所区别。设计应PLC的各类输出电源的通断，受强电控制回路“互锁”条件的约束与控制。

  8) 用于系统中其他控制回路的电源，在电压相同时(如 DC24V控制问路)，可以与PLC的输入或输出电源共用，但安装有立的保护元件(如断路器等)。

  2. 接地系统设计

  (1) 接地系统的基本要求。设备、控制系统良好的接地，不仅是人身安全所需的"电击防护"措施，而且也是抑制干扰、减小电磁干扰、提高系统可靠性的重要手段，在设计、安装施工阶段予以重视。

  PLC控制系统对接地的一般要求如下：

  1) 系统接地良好，对于PLC控制系统，接地电阻应小于4Ω。

  2) 接地线有足够大的线径，立安装的PLC基本单元，应使用截面积在2.5mm²以上的黄/绿线与系统保护接地线(PE)连接。

  3) 模块化结构的PLC，各模块与机架间一般可以通过模块本身的接地连接端，使得各模块与机架间保持良好的接地，但机架与系统保护地之间应接地良好，应使用截面积在2.5mm²以上的黄/绿线与系统保护接地线(PE)连接。

  4) 系统中的其他控制装置(如驱动器、变频器等)的接地同样符合规范，并立接地。

  按照DIN EN标准规定，各控制装置的接地线的线径见表5-10。表中“通过固定的连接”是指控制装置通过导电基座与良好接地的电气柜(元件安装板)进行接地连接时的要求。

  表5-10 控制装置的接地线线径的要求

  5) 系统中的各类屏蔽电缆的屏蔽层、金属软管、走线槽(管)、分线盒等均接地良好。

  (2) 各类不同接地的处理。在PLC系统中，主要有以下几种与接地有关的常用“地”，需要根据不同的情况进行分别处理。

  1) 数字信号地：数字信号地是指系统中各种开关量(数字量)的0V端，如接近开关的OV线、PLC输入的公共0V端、晶体管输出的公共0V端等。

  数字信号地在PLC控制系统中，原则上只需要按照PLC规定的输入/输出连接方式进行连接即可，无须另外考虑的地线，也不需要与PE线进行连接，详见前述1/0接口设计部分。

  2) 模拟信号地：模拟信号地是指系统中各类模拟量的0V端，如用于驱动器(变频器)的速度给定电压输出、测速反馈输入、传感器输入等。

  模拟信号通常采用卷动输出/输入，各信号间的OV端各自立，因此，模拟信号地一般不允许进行相互间的连接，也不允许与系统的PE线进行连接。

  用于模拟量输入/输出的连接线，原则上应使用带有屏蔽的双绞电缆，屏蔽电缆的屏蔽层根据不同的要求与系统的PE线连接。

  3) 保护地：保护地是指系统中各按制装置、用电设备的外壳接地，如电动机、驱动器的保护接地等。这些保护地直接与电柜内的接地母线(PE 母线)连接，不允许控制装置、用电设备的PE线进行"互连"

设计PLC控制系统时的故障防范

 在现代化的工业生产中，大量采用了可编程序控制系统，可编程序控制器能在恶劣的工作环 境下正常工作，但其构成的控制系统由于设计、安装、干扰等因素有时会出现故障。有些问 题是在系统设计时考虑不周造成的。根据实践中的经验和教训，本文阐述可编程序控制系统 设计时应注意的问题。

1、一个系统中使用的成熟技术至少应占到75%以上

“成熟技术”一是经过一定的生产实践考验的可编程控制器产品或类似设计，或者确定能在未来的生产实践中，经得起考验；二是设计工作人员对于需要使用的技术要有经验或有掌握它的能力。设计与配置一个可编程序控制系统选用的技术与设计方案切实可行。因为一个生产过程控制系统，一旦做出来，要长久使用下去，难以找到机会反复修改。设计的硬件系 统和编程软件，其中某些缺欠，可能一直隐藏在已完成的系统中。若遇到发生破坏作用的条件，后果难以预料。

2、系统的硬件结构和网络要简明而清晰

硬件结构不要追求繁琐，网络组态不要追求交叉因素太多，要力求使用可编程序控制器自 身配置的组网能力。在组成I/O机箱配套的模板时，建议型号简单，力求一致，模板密度不宜过大。使用的结线点不宜过多，从目前机箱的制造和配线工艺来看，输入与输出配线密度不能太高。

3、控制系统的功能和管理系统的功能应严格划分界限

由于可编程序控制器组成的过程控制系统中的实时性要求很高，而网络通信是允许暂时失 去通信联系，过后自己能重新恢复，但是在重新恢复之前这一间隔时间可编程序控制器会处于失控。另外，在用多个可编程序控制器系统组成一个大系统时，对于主控制的关键命令，除了使用可编程序控制器自身的网络通信传送它的信息外，好有使用它的I/O点做成的硬件联 锁，特别是两者之间“急停”的处理；虽然两个系统都在自身的通信扫描中互相变换着“停 止”或“急停”命令，但因一方在急停故障时已经停止运行，另一方并未收到已停止的信息 而照常运行，其后果难测。可编程序控制器控制系统关键的“急停”应先切除执行机构的电源，然后将其信号送入可编程序控制器，这样可取得设备安全保护的时间。

4、可编程序控制器的程序要简明且可读

用户软件的编写是“平铺直叙”，用户软件可看成是一个有序的“黑盒子”系列，每个“ 黑盒子”按照结构化语言划分，可分为几种典型的语句。每个语句方式、手法可能十分单调 ，但一定要明确。在设计与编写这些语句时，若使用不易推理的逻辑关系太多，或者语 句因素太多，特殊条件太多，就会使人阅读这些语句时十分难懂。因此，一个可编程控制器 的用户软件的可读性，即编写的软件能为大多数人读懂，能理解可编程控制器在执行这个语 句时，“发生了什么”是十分重要的。每一段程序力求功能单一而流畅，这是软件在使用和维护时的重要条件。

5、可编程序控制系统在硬件和软件上的预置，有运行检测的关键监视条件

可编程序控制系统配置了彩色图形工作站/屏幕监视，但从价格及反映现场状态的时间来看，屏幕监视尚不方便。关键的故障，或者在关键的机械设备附近，可配置一些指示灯，它们可以用数字量输出做成，用来监视程序的正常运行，或用来调试程序，在指示灯旁配以功能标牌，可帮助操作人员确认可编程序控制系统的正常运行和及时反映故障。

6、设计大中型可编程序控制系统时不要耗尽它的硬件和软件资源

对于设计的新系统，硬件上至少要保留15%左右的冗余，在软件编制时，同样要估计用户软件对计算机资源的需要与用量。尤其对中间继电器，计数器/定时器的使用，要留有余地 。因为在调试和运行后，软件总会被修改、补充，甚至重新编制。已编制的软件让人无法修改和完善，在工程上是不实际的。

7、合理地配置可编程序控制器系统的冗余

可编程序控制系统可能做出多种方式的冗余，中央处理器的双机热备、冷备冗余是常见的方式。另外，双系统冗余，即中央处理器和全部的输入、输出、组网通信完全冗余，其价格和实用性虽然在许多工程项目中难以被人接受，但在有毒、有害的化工生产环境这种冗余很有必要。在设计系统中，要使配置冗余方式较为经济而又实用，力求使故障缩小在本设备身上。不要因某一设备发生故障，引起工艺流程中相关设备运行或状态受到冲击。

以上阐述的几个方面，是在可编程序控制系统总体方案设计时，要格外重视的问题，只有在设计系统时，考虑周到，系统投入运行之后，设计人员才能少些遗憾。