PLC系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)及可靠性分析

1、PLCPLC系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)和可靠性分析系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)和可靠性分析主講：畢義軍主講：畢義軍內(nèi)容提要內(nèi)容提要 1、供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述、供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 2 、PLC系統(tǒng)電源的配電方系統(tǒng)電源的配電方式式 3、直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4、CPU電電源、源、模塊電模塊電源及傳感源及傳感器器執(zhí)行器執(zhí)行器電電源設(shè)源設(shè)計(jì)計(jì) 5、接接地地系系統(tǒng)的設(shè)計(jì)統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)重的干擾，會(huì)通過(guò)電源對(duì)工控系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到控制系統(tǒng)的可靠性。 對(duì)于應(yīng)用PLC的工控系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮下列因素： （1）供電與接地系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)；）供電與接地系統(tǒng)的合

2、理設(shè)計(jì)； （2）電源系統(tǒng)的抗干擾性；）電源系統(tǒng)的抗干擾性； （3）外部設(shè)備失電時(shí)不能影響）外部設(shè)備失電時(shí)不能影響PLC的供電，控制系的供電，控制系統(tǒng)不允許斷電的場(chǎng)合需考慮供電電源的冗余等。統(tǒng)不允許斷電的場(chǎng)合需考慮供電電源的冗余等。2 2、PLCPLC系統(tǒng)電源的配電方式系統(tǒng)電源的配電方式 2.1 供電設(shè)計(jì)供電設(shè)計(jì) 在一般情況下，供電回路是AC220V普通工廠用電，因此，應(yīng)考慮電網(wǎng)頻率不能有很大的波動(dòng)，在供電網(wǎng)絡(luò)上也不應(yīng)有大量用戶反復(fù)起停設(shè)備，以免造成較大的電網(wǎng)沖擊，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，為PLC系統(tǒng)供電的回路可采用分回路供電裝分回路供電裝置、隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、置、隔離變壓器

3、、交流穩(wěn)壓器、UPS等設(shè)備（如右圖所示）。2 2、PLCPLC系統(tǒng)電源的配電方式系統(tǒng)電源的配電方式 2.2 控制回路與主回路電源分開(kāi)控制回路與主回路電源分開(kāi) （1）測(cè)控裝置與動(dòng)力設(shè)備分別接入不同電源回路，單相電供電時(shí)接入不同的相； （2）有條件的情況下將配電柜分為控制柜和動(dòng)力柜（如右圖所示）。 上述做法均有助于電源電壓穩(wěn)定、減少干擾。2 2、PLCPLC系統(tǒng)電源的配電方式系統(tǒng)電源的配電方式 2.3 PLC交流電源的冗余技術(shù)交流電源的冗余技術(shù) PLC系統(tǒng)屬于特殊用電負(fù)荷，必須確保供電的可靠性，采用雙路冗余供電（如右圖二），并配備不間斷電源UPS。工程條件下一般采用市電和UPS兩路供電（如右圖一）

4、。大型裝置要考慮兩路進(jìn)線和UPS雙機(jī)熱備份，以最大限度確保電源的持續(xù)供給，系統(tǒng)不會(huì)因失電產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失，設(shè)備損壞、系統(tǒng)崩潰等問(wèn)題。2 2、PLCPLC系統(tǒng)電源的配電方式系統(tǒng)電源的配電方式 2.4 電電源功率容量源功率容量 為了使測(cè)控裝置能適應(yīng)負(fù)載較大范圍變化和防止通過(guò)電源造成的內(nèi)部干擾，整機(jī)電源必須留有較大的儲(chǔ)備量，并有較好的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)然，電源容量增加太多，勢(shì)必會(huì)造成體積過(guò)大，成本增加，一般應(yīng)選取0.51倍裕量。 2.5 交交流供電系統(tǒng)的隔離流供電系統(tǒng)的隔離 一般配濾波器，當(dāng)來(lái)自交流系統(tǒng)的干擾比較嚴(yán)重時(shí)，可配置隔離變壓器（如右圖所示）。3 3、直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 雙雙路路

5、直流直流電源冗電源冗余余 采用兩個(gè)直流電源經(jīng)過(guò)二極管并接的冗余模塊，可以提高直流供電系統(tǒng)的可靠性（如右圖所示）。 工程條件下，提供完全獨(dú)立的兩路交流供電并不容易，而且完全均等的兩路直流電源設(shè)備投入較高，因此一般中小系統(tǒng)不采用該方案，該方案僅便于實(shí)現(xiàn)直流冗余，而難以實(shí)現(xiàn)交流冗余。3 3、直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.2 多電源并聯(lián)運(yùn)行方式多電源并聯(lián)運(yùn)行方式 工程條件下，當(dāng)電源容量需求較大時(shí)，優(yōu)先選擇多電源并聯(lián)方式提高供電能力和滿足冗余需要。 該方案不僅具有冗余功能，還能大大提高電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗沖擊能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)為例（如右圖所示），某系統(tǒng)配備10A的SITOP系列單電源，電源的使用率為

6、10%，尚有90%（9A）的余量。當(dāng)輸出回路1出現(xiàn)短路故障時(shí)，該回路熔絲為1A，短路故障對(duì)系統(tǒng)基本沒(méi)有影響；如果輸出回路2發(fā)生短路故障，回路熔絲為2A，短路造成短時(shí)失會(huì)導(dǎo)致IO模塊報(bào)警。而采用兩臺(tái)SITOP 6EP1334 10A并接方案，在負(fù)荷余量相同時(shí)，抵抗沖擊的能力大大增強(qiáng)。 西門(mén)子SITOP系列大部分型號(hào)具有輸出直接并聯(lián)相接的特點(diǎn)，可直接用于電源冗余。3 3、直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.3 直直流供電系統(tǒng)流供電系統(tǒng)的的隔離隔離 當(dāng)控制裝置和電氣設(shè)備的內(nèi)部系統(tǒng)之間需要相互隔離時(shí)，它們各自的直流供電電源間也應(yīng)該相互隔離，應(yīng)分別設(shè)立獨(dú)立的直流系統(tǒng)。 3.4 直流電源的直流電源的選型

7、選型 直流電源是PLC系統(tǒng)的關(guān)鍵性部件，電源系統(tǒng)的可靠性是系統(tǒng)的運(yùn)行基礎(chǔ)，電源發(fā)生故障時(shí)其它所有設(shè)備都不可能繼續(xù)工作。因此應(yīng)該對(duì)電源設(shè)備的選擇給予足夠的重視，優(yōu)先選用質(zhì)量等級(jí)較高的品牌電源。4 4、CPUCPU電源、電源、模塊電源模塊電源及傳感及傳感器器& &執(zhí)行器電執(zhí)行器電源設(shè)計(jì)源設(shè)計(jì) 前前面講述面講述了供電系統(tǒng)了供電系統(tǒng)的一般處理原則的一般處理原則，下面談?wù)劰こ?，下面談?wù)劰こ虠l件下直流系統(tǒng)的具體配置方案。條件下直流系統(tǒng)的具體配置方案。 從系統(tǒng)安全角度講，從系統(tǒng)安全角度講，PLC系統(tǒng)直流供電最好分為三個(gè)獨(dú)系統(tǒng)直流供電最好分為三個(gè)獨(dú)立的單元：立的單元：CPU電源、模塊電源及傳感器電源、模塊電源

8、及傳感器&執(zhí)行器電源。執(zhí)行器電源。 從風(fēng)險(xiǎn)角度講，風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源最高的為外部信號(hào)線引入。因從風(fēng)險(xiǎn)角度講，風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源最高的為外部信號(hào)線引入。因此，對(duì)外部傳感器和執(zhí)行器供電的工作電源應(yīng)該獨(dú)立配置；此，對(duì)外部傳感器和執(zhí)行器供電的工作電源應(yīng)該獨(dú)立配置；考慮到工程條件下很多信號(hào)難以實(shí)現(xiàn)完全隔離，外部風(fēng)險(xiǎn)考慮到工程條件下很多信號(hào)難以實(shí)現(xiàn)完全隔離，外部風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)模塊故障的可能性也比較高，模塊電源獨(dú)立配置的必引發(fā)模塊故障的可能性也比較高，模塊電源獨(dú)立配置的必要性也很大。既不要與要性也很大。既不要與CPU混用，也不要與傳感器執(zhí)行器的混用，也不要與傳感器執(zhí)行器的工作電源混用。工作電源混用。 合理合理布局三種電源對(duì)系統(tǒng)布局三

9、種電源對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作是至的穩(wěn)定工作是至關(guān)重關(guān)重要的，要的，合理的電源設(shè)計(jì)才能保證整個(gè)系統(tǒng)的可合理的電源設(shè)計(jì)才能保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性?？啃?。 4 4、CPUCPU電源、電源、模塊電源模塊電源及傳感及傳感器器& &執(zhí)行器電執(zhí)行器電源設(shè)計(jì)源設(shè)計(jì) 4.1 CPU電源電源 CPU和通訊組件的供電最好采用完全獨(dú)立的電源，和通訊組件的供電最好采用完全獨(dú)立的電源，不與系統(tǒng)工作電源混用。比如不與系統(tǒng)工作電源混用。比如S7-300系統(tǒng)的系統(tǒng)的 PS電源（如電源（如右圖所示）右圖所示） 。 CPU電源電源的獨(dú)立性設(shè)計(jì)是非常重要，因外部線的獨(dú)立性設(shè)計(jì)是非常重要，因外部線路比較復(fù)雜，發(fā)生短路和引入高壓的概率較高。即使

10、回路比較復(fù)雜，發(fā)生短路和引入高壓的概率較高。即使回路安裝了熔絲也能導(dǎo)致電源系統(tǒng)短時(shí)失壓，導(dǎo)致模塊工路安裝了熔絲也能導(dǎo)致電源系統(tǒng)短時(shí)失壓，導(dǎo)致模塊工作異常。和擴(kuò)展作異常。和擴(kuò)展機(jī)架通訊組件使用機(jī)架通訊組件使用獨(dú)立的電源，獨(dú)立的電源，由于該由于該電源與外部沒(méi)有聯(lián)系，電源與外部沒(méi)有聯(lián)系，發(fā)生短路故障的概率極低。發(fā)生短路故障的概率極低。 4 4、CPUCPU電源、電源、模塊電源模塊電源及傳感及傳感器器& &執(zhí)行器電執(zhí)行器電源設(shè)計(jì)源設(shè)計(jì) 4.2 模塊電源模塊電源 IO模塊的供電應(yīng)與工作電源分開(kāi)，最好配備獨(dú)立的電源系統(tǒng)。模塊IO采用非隔離方式連接傳感器時(shí)，傳感器電源可以與模塊電源共用。 對(duì)于模塊的供電，要

11、求每個(gè)模塊應(yīng)配備獨(dú)立的熔絲控制，這樣保證個(gè)別模塊發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響電源系統(tǒng)正常工作。 在檢測(cè)到因短路故障導(dǎo)致模塊報(bào)警時(shí)可以進(jìn)入故障處理程序，對(duì)正在進(jìn)行的控制活動(dòng)進(jìn)行保護(hù)性處理，防止出現(xiàn)誤動(dòng)作導(dǎo)致的生產(chǎn)和設(shè)備事故。4 4、CPUCPU電源、電源、模塊電源模塊電源及傳感及傳感器器& &執(zhí)行器電執(zhí)行器電源設(shè)計(jì)源設(shè)計(jì) 4.3 傳感器傳感器&執(zhí)行器電源執(zhí)行器電源 傳感器傳感器&執(zhí)行器目前采用隔離接線方式的比例越來(lái)越高，執(zhí)行器目前采用隔離接線方式的比例越來(lái)越高，要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的完全隔離，就必須進(jìn)行電源的隔離要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的完全隔離，就必須進(jìn)行電源的隔離。因此，。因此，傳感器傳感器&執(zhí)行器的工作電源應(yīng)該與模塊電源獨(dú)

12、立配置。執(zhí)行器的工作電源應(yīng)該與模塊電源獨(dú)立配置。 隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，傳感器隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，傳感器&執(zhí)行器引入風(fēng)險(xiǎn)的概率執(zhí)行器引入風(fēng)險(xiǎn)的概率大大增加，造成工作大大增加，造成工作電源出現(xiàn)故障電源出現(xiàn)故障的可能性也比較大，因的可能性也比較大，因此此IO信號(hào)采用隔離傳輸非常必要?；煨盘?hào)采用隔離傳輸非常必要?；鞛橐惑w的為一體的電源會(huì)導(dǎo)致信電源會(huì)導(dǎo)致信號(hào)隔離失效，局部故障擴(kuò)大為系統(tǒng)性故障，并導(dǎo)致號(hào)隔離失效，局部故障擴(kuò)大為系統(tǒng)性故障，并導(dǎo)致CPU停機(jī)，停機(jī)，喪失了喪失了CPU提供的系統(tǒng)診斷能力提供的系統(tǒng)診斷能力。 5 5、接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)合理的供電與接地系統(tǒng)，仍是保證控制系統(tǒng)

13、正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。計(jì)一個(gè)合理的供電與接地系統(tǒng)，仍是保證控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。 在在以以PLC為核心的控制系統(tǒng)中，有多種接地方法。為了安全使用為核心的控制系統(tǒng)中，有多種接地方法。為了安全使用PLC系統(tǒng)，應(yīng)正系統(tǒng)，應(yīng)正確區(qū)分?jǐn)?shù)字確區(qū)分?jǐn)?shù)字地地、信信號(hào)地、模擬地，交流地、直流地、屏蔽地、保護(hù)地等接地方法號(hào)地、模擬地，交流地、直流地、屏蔽地、保護(hù)地等接地方法。 工工作地作地：信號(hào)回路接地：信號(hào)回路接地 、屏、屏蔽接地蔽接地 、本本質(zhì)安全儀表接質(zhì)安全儀表接地。地。 信信號(hào)地號(hào)地： 在在PLC控制系統(tǒng)中，非隔離的信號(hào)需要建立一個(gè)統(tǒng)一的信號(hào)參考點(diǎn)，控制系統(tǒng)中，非隔離的信號(hào)需要建立一個(gè)統(tǒng)一的信號(hào)參考點(diǎn)，并應(yīng)進(jìn)行信號(hào)回路接地（一般直流電源負(fù)端接地）；隔離信號(hào)一般不接并應(yīng)進(jìn)行信號(hào)回路接地（一般直流電源負(fù)端接地）；隔離信號(hào)一般不接地。地。5 5、接接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)附圖一附圖一 本本安系統(tǒng)安系統(tǒng)接地連接圖接地連接圖5 5、接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在在工程施工時(shí)，應(yīng)很好地連接地線，一般應(yīng)遵循以下幾項(xiàng)原則：工程施工時(shí)，應(yīng)很好地連接地線，一般應(yīng)遵循以下幾項(xiàng)原則： 采采用專用接地或共用接地的接地方式。注意不能使用串聯(lián)接地的方式。用專用接地或共用接地的接地方式。注意不能使用串聯(lián)接地的方式。 交交流地和信號(hào)地不能使用同一根地線。流地和信號(hào)地不能使用同一根地線。 屏屏