昌暉儀表談西門子S7-300 PLC接地規(guī)范

S7-300 PLC是西門子產(chǎn)品應(yīng)用最多的PLC，由于西門子其他系列的PLC系統(tǒng)的特性與S7-300 PLC產(chǎn)品均類似，因此介紹的PLC接地規(guī)范適用于所有PLC系列。

1、西門子S7-300 PLC系統(tǒng)接地的總原則
對于PLC及控制系統(tǒng)整體的供電及接地的要求，主要有以下幾點原則：
①系統(tǒng)主回路采用三相五線制供電，主回路須增加相應(yīng)的開關(guān)及保護裝置。
②負載電源從主回路供電中取電，如果是多個負載電源，則應(yīng)按照負載均衡的原則進行分配。
③負載側(cè)電源，無論是直流還是交流，均應(yīng)增加短路和過載保護。
④系統(tǒng)接地電阻不大于4歐姆。
⑤機柜中的接地母線與系統(tǒng)的PE線相連。
⑥機柜的外殼、設(shè)備安裝背板均應(yīng)保證通過金屬部件連接在一起，并與接地母線相連。
⑦設(shè)備安裝背板應(yīng)考慮EMC特性（例如采用鍍鋅板）。
⑧系統(tǒng)中的電氣設(shè)備的PE端子應(yīng)與接地母線相連，并保證就近相連以及連接電纜盡量粗、盡量短的原則。
⑨應(yīng)注意柜內(nèi)電氣設(shè)備的其他接地要求。

關(guān)于這些原則，請參考西門子S7-300 PLC的供電及接地原理圖，如圖1所示。

圖1   西門子PLC系統(tǒng)供電、接地原理圖
說明：1為主令開關(guān)；2為短路和過載保護；3為負載電流源（電氣隔離）；4為接地導(dǎo)體的可拆卸連接，用于定位接地故障；5為CPU（非CPU 31×C）的接地滑動觸點。
 
  2、西門子S7-300 PLC系統(tǒng)的接地規(guī)范
①電源模板(PS307)的接地要求
對于電源模板，供電均采用AC220V/120V電源（電源需要連接PE線）。電源模板輸出為CPU及模板提供DC24V電源，如圖2所示。

圖2  PS電源和CPU連接示意圖
說明：1為電源電纜上的電纜夾；2為PS電源和CPU連接電纜；3為可拆卸的電源連接器
注意： 如果將M和L+端子的極性接反，則CPU的內(nèi)部熔絲便會熔斷。始終將電源模塊的M和L+端子與CPU的這兩個端子互連。

②CPU的接地連接
A、CPU 31×接參考地電位
在西門子S7-300的CPU的電源端子處，插著一個滑動金屬片，將該滑動金屬推進去時，DC24V的M端將通過該滑動金屬片與CPU的安裝導(dǎo)軌相連，通過導(dǎo)軌實現(xiàn)接地，所有從M來的干擾電流都可以被釋放至接地導(dǎo)線/地，如圖3所示。

圖3   CPU 31×的接地參考接地示意圖（默認狀態(tài)）
說明：1為處于接地狀態(tài)的接地滑動觸點；2為內(nèi)部CPU的接地電位；3為裝配導(dǎo)軌

默認情況下，滑動金屬片都是推進去的。當安裝具有接地參考電位的S7-300時，不要拔出接地滑動觸點。實際設(shè)備中如圖4所示。

圖4  CPU上的滑動金屬片未拔出

B、CPU 31×浮地系統(tǒng)
如果系統(tǒng)的“地”不干凈，或希望將系統(tǒng)做出浮地的，則可以將該金屬滑動片撬出，此時M和導(dǎo)軌分開，系統(tǒng)與“地”是不直接相連的，而是通過RC回路進行隔離連接的。如圖5所示。

圖5    CPU 31×的未接地參考電位示意
說明：1為CPU中創(chuàng)建未接地參考電位  用大口3.5mm的螺絲刀順箭頭方向往前推動接地滑動觸點；2為內(nèi)部CPU的接地電位；3為裝配導(dǎo)軌。
注意： 應(yīng)在導(dǎo)軌上安裝設(shè)備之前首先設(shè)置未接地參考電位。如果已經(jīng)安裝并且用導(dǎo)線連接了CPU，則在拔出接地滑動觸點之前可能不得不斷開MPI接口。實際設(shè)備中如圖6所示。

圖6    拔出CPU上的金屬滑動片

③I/O模板的接地要求
A、數(shù)字量模板
S7-300系列的數(shù)字量輸入/輸出模板并不需要特殊額外的接地處理，只是對于提高系統(tǒng)EMC特性來講，需注意以下幾點：
◆ 數(shù)字量輸入/輸出的導(dǎo)線長度要求：1000m屏蔽線，600m非屏蔽線。
◆ 屏蔽電纜處理屏蔽層時用金屬夾夾住編織帶屏蔽層。保證大面積的接觸屏蔽層，并提供適當?shù)慕佑|壓力。圖7顯示了使用電纜夾安
裝屏蔽電纜的幾種處理方式。

圖7   電纜夾安裝屏蔽電纜示意圖

實際的安裝可參考圖8所示。

圖8    屏蔽層通過電纜夾卡在柜內(nèi)接地排上

而數(shù)字量輸出模塊有時需進行抑制保護。但由于S7-300數(shù)字輸出模塊內(nèi)部集成了浪涌抑制器，因此對于電感設(shè)備來講，僅在下列情況之下才需要附加的浪涌抑制設(shè)備：
◆ SIMATIC輸出回路可以用外部的設(shè)備(如繼電器觸點)來切斷；
◆ 如果感性負載不由SIMATIC模塊控制。

a、DC線圈
采用二極管或齊納二極管可以抑制直流電源驅(qū)動的線圈所產(chǎn)生的浪涌電壓，如圖9所示。

圖9   DC線圈的浪涌抑制

圖10是直流接觸器上增加續(xù)流二極管的實際應(yīng)用。

圖10   直流接觸器上的續(xù)流二極管
  
用二極管或齊納二極管作抑制器具有下列特點：
◆ 可避免開關(guān)動作時產(chǎn)生的過電壓，齊納二極管有較高的關(guān)斷電壓；
◆ 提高了關(guān)斷延遲時間（比沒有抑制器時高出6-9倍）。由齊納二極管組成的抑制器的關(guān)斷比二極管抑制器快。

b、AC線圈
用壓敏電阻或RC網(wǎng)絡(luò)可抑制以AC電源驅(qū)動的線包所產(chǎn)生的浪涌電壓，如圖11所示。

圖11   AC線圈的浪涌抑制

圖12是交流接觸器上增加壓敏電阻和RC回路的實際應(yīng)用。
 
圖12   交流接觸器上的續(xù)流回路（壓敏電阻和RC回路）

用壓敏電阻作抑制器具有下列特點：
◆ 開關(guān)時的過電壓的幅度可以被限制，但不能衰減；
◆ 浪涌電壓陡峭的上升沿仍保持不變；
◆ 關(guān)斷延時短；
◆ 另外，壓敏電阻有電壓幅值的要求(一般是高于正常工作電壓的10%)，不能長時間的過壓，否則有可能損壞。
 
用RC回路作抑制器具有下列特點：
◆ 開關(guān)時的過電壓的幅度和陡峭的上升沿都被降低；
◆ 關(guān)斷延時短。


B、模擬量模板的接地要求：
a、模擬量信號電纜的一般要求：
◆ 模擬量信號線采用屏蔽電纜；
◆ 模擬量信號線盡量短，其中模擬量輸入最長200m屏蔽線；若電壓范圍≤80mV且使用熱電偶時，最長50m（熱電偶模塊最長80m）；模擬量輸出最長200米屏蔽線。
◆ 屏蔽層做接地處理，建議采用屏蔽線一端接地，并在模板側(cè)單端接地。模擬量線的屏蔽層的接地方法，如圖5所示。

b、電氣隔離模擬量輸入模塊
電氣隔離模擬量輸入模塊在測量電路的參考點(MANA和/或M-)和CPU/IM 153的M端子間存在任何電位差VISO的風險，請務(wù)必使用信號隔離器SWP9034A模塊。
 
通過CPU/IM153的M和端子MANA之間的等電位互聯(lián)，可以避免電位差VISO超過限制值。

這里分為幾種情況：
情況I：將電氣隔離傳感器連接到電氣隔離模擬量模板，可以在接地模式或未接地模式操作CPU/IM 153，如圖13所示。

圖13   將電氣隔離傳感器連接到電氣隔離AI

在EMC干擾強烈的環(huán)境中，建議將M-和MANA連接，以防超出CMV的限制值。對于VCM≤2.5V的模擬量模塊，必須將M-和MANA互連(推薦連接處)。
 
 
VCM不得超過允許的電位差UCM(共模)。VCM故障可存在于
◆ 測量輸入(M+/M-)和測量電路的參考電位MANA之間
◆ 在測量輸入之間。

情況Ⅱ：將電氣隔離傳感器連接到非電氣隔離模擬量模板。可以在接地模式或未接地模式下操作CPU/IM 153，如圖14所示。

圖14   將電氣隔離傳感器連接到非電氣隔離AI
注意：連線并連接2線制傳感器和電阻型傳感器時，切勿將M-和MANA互連。在M-和MANA互連處生成均衡電流，并破壞測量值。 

C、非隔離模擬量輸入模塊 
非隔離傳感器與本地接地電位互連。使用非隔離傳感器時，請務(wù)必始終將MANA和本地接地點互連。 
當?shù)氐沫h(huán)境條件或干擾都有可能引起本地分布的測量點之間的電位差VCM(靜態(tài)或動態(tài))。如果超出VCM的最大值，請用等電位導(dǎo)線連接各測量點。

情況I：將非隔離傳感器連接到電氣隔離模擬量模板。將非隔離傳感器連接到電氣隔離模塊時，可在接地模式或未接地模式下操作CPU/IM 153，如圖15所示。

圖15  將非隔離傳感器連接到電氣隔離AI

情況Ⅱ：將1非隔離傳感器連接到非隔離模擬量模板。如果將非隔離傳感器連接到非隔離模塊，請務(wù)必在接地模式下操作CPU/IM 153，如圖16所示。

圖16  將非隔離傳感器連接到非電氣隔離AI
注意：不得將非隔離二線制傳感器/電阻傳感器連接到非隔離模擬量輸入!
  
D、模擬量輸出模板的連線及接地處理
對于模擬量輸出模板與負載之間的連線，與模擬量輸入的處理方法類似，這里不再詳細介紹，僅給出相應(yīng)的圖例及說明。 
情況Ⅰ：將4線負載連接到電氣隔離模塊的電壓輸出。采用4線負載電路可獲得更高的精度。對S-和S+傳感器線路直接接線并連接到負載。這樣即可直接測量和修正負載電壓。干擾和電壓突降可能會在檢測線路S-和模擬電路MANA的參考回路同產(chǎn)生電位差。此電位差不得超過設(shè)定的限制值。任何超過限制值的電位差都會對模擬信號的精度產(chǎn)生不利影響，如圖17所示。

圖17  負載到電氣隔離模擬量輸出模塊電壓輸出的4線制連接