SIEMENS西门子潮州代理商

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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。

  但为了保证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，并具有独立的保护回路与独立的隔离变压器。

  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，并具有独立的保护回路，在系统组成较复杂时，应使用独立的稳压电源单独对PLC供电。

  当系统采用模块化结构时，电源模块的容量应保证满足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，必须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，必须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，但回路中必须安装独立的保护器件(如断路器等)。

  5) 独立设置用于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独立设置。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。设计应保证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，但必须安装有独立的保护元件(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，不仅是保证人身安全所需的"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、安装施工阶段必须予以重视。

  PLC控制系统对接地的一般要求如下：

  1) 系统接地必须良好，对于PLC控制系统，接地电阻应小于4Ω。

  2) 接地线必须有足够大的线径，独立安装的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保证接地良好，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)的接地必须同样符合规范，并独立接地。

  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)、分线盒等均必须保证接地良好。

  (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，无须另外考虑专门的地线，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端各自独立，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，屏蔽电缆的屏蔽层必须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。这些保护地必须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"

  4) 直流电源地：系统直流电源地是指除PLC内部电源以外的外部直流电源的OV端(PLC内部直流电源的0V端，一般与PLC的数字信号地共用)。可以分以下几种情况进行处理：

  ● 当PLC输入/输出直流电源分离时，用于PLC输入的直流电源的0V，必须按前述的"I/O接口设计"部分的要求、与PLC的OV公共线进行连接。用于PLC输出的直流电源，根据需要，可以不与PLC的OV公共端连接或与PLC的0V公共端连接。

  ● 当PLC输入/输出直流电源共用时，直流电源的OV端必须与PLC的OV公共线连接。用于PLC输入/输出的直流电源0V端与系统接地(PE)线之间，根据系统的实际需要，可以连接也可以不连接。

  ● 单独用于PLC系统执行元件的直流电源OV、原则上不与PLC的OV连接，但一般需要与系统的接地(PE)线进行连接

  5) 交流电源地：交流电源地是指系统中使用的交流电源的OV端(或N线)，如220V控制回路的0V 端、交流照明电路、交流指示灯的0V端等。

  在交流控制回路使用隔离变压器时，小于“电击防护”等方面的考虑，为了让变压器起到“隔离”作用，原则上不应将交流电源的OV端与系统接地(PE)线相连。

  从抗干扰的角度考虑，控制系统的PE线原则上也不应与电网的N线相连。但在某些进口机床上，也有使用特殊的“短接端”，将交流电源的OV端、N线、接地(PE)线进行相互连接的情况。

  PLC控制系统通常属于1MHz以下的低频电路的范畴，因此，一般应采用"单点接地"的接地方式。

S7-400PLC安装机架与扩展接口

 ①机架的功能与结构 S7-400 PLC的安装机架有多种规格，不同机架可安装的模块数、外形体积各不相同，但其功能与基本结构相似。S7-400PLC安装机架(简称机架)主要功能如下：

  a.安装与固定PLC的各种控制模块;b.向安装在机架上的各种模块提供工作点源;c.通过总线，连接各种控制模块。

  S7-400 PLC机架的实样与基本结构简图如图2-105所示(不同机架的安装模块数、插槽数有所不同)。机架采用壁挂式设计，可以安装在电柜内或其他框架上。机架由如下部分组成：

  a.用于安装固定机架本身与安装各种控制模块的铝合金机架;b.用于安装固定各种控制模块的塑料架;c.各模块间的连接总线;d.机架接地端。

  ②机架的分类 根据功能与作用，S7-400 PLC的机架可以分为通用机架(Universal Rack，简称UR)、多CPU中央机架(Central Rack，简称CR)、扩展机架(Expansion Rack，简称ER)等多种类型，每类又可以按机架安装模块的数量分为18槽和9槽等规格，其中以通用机架与扩展机架为常用，其余可以根据PLC控制系统的具体需要进行选择。

  a.通用机架UR1/UR2。通用机架(UR)是具有完整的连接总线、可以安装1个CPU 模块的标准型机架。UR机架既可以作为安装CPU模块的主机架使用，也可以作为标准扩展连接时的扩展机架使用。

  当UK机架作为主机架使用时，安装电源模块与CPU模块，其余I/O模块等可以根据需要安装。

  当UR机架作为扩展机架使用时，不需要安装CPU模块，但安装有与主机架通信的接口模块(1M461)。UR机架具有完整的并行I/O连接总线(P总线)与通信总线(C总线)，总线连接的功能不受任何限制，因此，作为扩展机架使用时，可以安装任何S7-400系列的I/O模块与功能模块。但与下述的ER扩展机架相比，其价格相对较高。

  UR作为主机架使用时，如果系统需要，机架上可以安装扩展接口模块(1M460)，以连接PLC扩展单元。扩展单元与机架的大距离为3m(如果选择分布式系统，这一距离允许为102.25m)。UR机架多可以安装6个扩展接口模块，并进行“树枝形”连接，但连接的扩展单元总数不能超过21个单元。

  通用机架UR根据可以安装的模块数，分为UR1、UR2两种规格，UR1允许安装的模块数为18个，UR2允许安装的模块数为9个，其余性能相同，两种机架的结构示意与安装尺寸参见图2-106。

  b.扩展机架ER1/ER2。扩展机架(ER)是用于PLC扩展单元使用的安装机架，ER机架上没有安装通信总线(C总线)，且I/O总线(P总线)的功能也受到如下局限：

  (a)无中断处理功能;(b)无模块缓冲器;

  (c)不提供功能模块使用的DC24V电源总线。

  因此，部分S7-400 PLC功能模块不能在ER机架上安装(如果系统要选择功能模块，这些功能模块应安装于主机架上)。

  ER机架安装有与主机架通信的接口模块(1M461)，其余I/O模块等可以根据需要安装。ER机架根据可以安装的模块数，分为ER1、ER2两种规格，ER1允许安装的模块数为18个，ER2允许安装的模块数为9个，其余性能相同，两种机架的结构示意与安装尺寸参见图2-107。

  c.多CPU中央机架CR2/CR3。多CPU中央机架(CR)是用于多CPU系统的主机架，机架具有完整的连接总线、可以安装CPU模块。

  CR机架安装有相互立的两条1/O连接总线(P总线)与一条公共通信总线(C总线)，因此，机架安装电源模块与2个CPU模块，每个CPU模块通过自身的I/O连接总线构成立的模块安装区，用于I/O模块或功能模块的安装。同时，由于通信总线公用，CPU间既可以立运行，也可以进行同步运行。

  CR为PLC主机架，如果系统需要，机架上可以安装扩展接口模块(IM460)，以连接PLC扩展单元。扩展单元与机架的大距离为3m(如果选择分布式系统，这一距离允许为102.25m)。CR机架多可以安装6个扩展接口模块，并进行“树枝形”连接，但连接的扩展单元总数不能超过21个单元。

  多CPU安装机架CR根据可以安装的模块数，分为CR2和CR3两种规格。CR2为集中式多CPU中央机架，允许安装的模块总数为18个;并分为10槽与8槽两个立的I/O总线区(Segmentl、Segment2)。CR3为分离式CPU中央机架，单机架允许安装的模块总数为4个;在多CPU系统中应选择2个或2个以上的CR3机架。两种机架的结构示意与安装尺寸参见图2-108。

  d.冗余PLC机架UR2-H。S7-400PLC冗余系统需要选择冗余系统机架UR2-H，UR2-H机架的2个区域(Divisionl、Division2)均具有完整的I/O连接总线(P总线)与通信总线(C总线)，但2个区域的C总线均可以进行数据交换，2个CPU均可以对其进行访问。UR2-H机架每个区域均有9个模块的安装插槽。

  UR2-H机架既可以作为冗余型PLC的主机架使用，也可以作为冗余型扩展机架使用UR2-H机架作为冗余型PLC的主机架使用时，安装2个电源模块与2个CPU模块，其余CPU模块等可以根据需要安装。如果系统需要，机架上可以安装扩展接口模块(M460)，以连接PLC扩展单元。

  扩展单元与机架的大距离为3m(如果选择分布式系统，这一距离允许为102.25m)，UR机架多可以安装6个扩展接口模块，并进行“树枝形”连接，但连接的扩展单元总数不能超过21个单元。

  当UR机架作为扩展机架使用时，不需要安装CPU模块，但安装有与主机架通信的接口模块(IM461)。

  UR2-H机架的结构示意与安装尺寸参见图2-109。

可编程序控制器(PLC)的特点

为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：

1. 可靠性高，抗干扰能力强

    工业生产对控制设备的可靠性要求：

①平均故障间隔时间长

②故障修复时间（平均修复时间）短

任何电子设备产生的故障，通常为两种：

     ①偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、温、低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。

     ②性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。

如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在小范围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗干扰能力。

·硬件措施：

主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。

①    屏蔽——对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。

②    滤波——对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或π型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。

③    电源调整与保护——对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。

④    隔离——在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。

⑤    采用模块式结构——这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。

·软件措施：

    有的自检及保护功能。

①故障检测——软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。

②信息保护与恢复——当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PLC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。

③设置警戒时钟WDT（看门狗）——如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。

④加强对程序的检查和校验——一旦程序有错，立即报警，并停止执行。

⑤对程序及动态数据进行电池后备——停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢失。

    PLC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V，上升时间1nS，脉冲宽度为1μS的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万～上千万小时；制成系统亦可达4～5万小时甚至更长时间。

2 .通用性强，控制程序可变，使用方便

PLC品种的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。

3.功能强，适应面广

现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。