PLC的安全设计与维护培训教材课件

第8章PLC的安全设计与维护

第8章PLC的安全设计与维护

8.1硬件安全设计8.2软件安全设计8.3PLC的检查8.4PLC的维护8.1硬件安全设计8.1硬件安全设计可编程序控制器是一个故障率极低、安装十分方便的控制器。和其它设备一详，可编程序控制器也需要正确地安装，经常进行检查和科学地维护。下面以S7-200可编程序控制器为例，说明可编程序控制器的安装、检查和维护。当然本章所述的内容对大多数PLC都有一定的指导意义。1.PLC的安装应该注意的是，安装和拆卸可编程序控制器的各种模块和相关设备时，必须首先切断电源。如果没有做到这一点，可能会导致设备的损坏和人身安全受到伤害。（1）PLC安装的一般性指导•在对PLC接线时要确保所有的电器符合国家和地区的电气标准。及时同地区的权威保持联系，以确定哪些标准符合你的特殊需要。•要正确地使用导线。S7-200模块采用的是l.50mm2~0.50mm2的导线•不要将连接器的螺钉拧得过紧，最大的扭矩不要超过0.36Nm。•尽量使用短导线（最长500米屏蔽线，或300米非屏蔽线），导线要尽量成对使用，用一根中性或公共导线与一根热线或信号线相配对。

8.1硬件安全设计•将交流线和大电流快速开关的直流线与小电流的信号线隔开。•正确地识别和划分S7－200模块的接线端子，并在线端留缓冲线圈•针对闪电式浪涌，安装合适的浪涌抑制设备。•外部电源不要与DC输出点并联用作输出负载，这可能导致反向电流冲击输出，除非在安装时使用二极管或其它隔离栅。•控制设备在不安全条件下可能会失灵，导致被控制设备的误操作。这样的误动作会导致严重的人身伤害和严重损坏设备。可以考虑使用独立于可编程序控制器的紧急停机功能，机电过载保护设备，或其它冗余保护。（2）使用隔离电路时的接地与电路参考点指南1）使用隔离电路时的接地与电路参考点应遵循以下几点：•应该为每一个安装电路选一个参考点（0V），这些不同的参考点可能会连在一起，这种连接可能会导致预想不到的电流，它们会导致逻辑错误或损坏电路。产生不同参考电势的原因，经常是由于接地点在物理区域上被分隔的太远。当相距很远的设备被通讯电缆或传感器连接起来的时候，由电缆线和地之间产生的电流就会流经整个电路。即使在很短的距离内，大型设备的负载电流也可以在其与地电势之间产生变化，或者通过电磁作用直接产生不可预知的电流。那些不正确选定参考点的电源，相互之间的电路中有可能产生毁灭性的电流，以致破坏设备。•将交流线和大电流快速开关的直流线与小电流的信号线隔开。•当把几个具有不同地电位的CPU连到一个PPI网络时，应该采用隔离的RS－485中继器。•PLC产品已在特定点上安装了隔离元件，以防止安装中所不期望的电流产生。当你打算安装时，应考虑到哪些地方有这些隔离元件，哪些地方没有。同时你也应考虑到相关电源之间的隔离以及其它设备的隔离，还有相关电源的参考点都在什么地方。•你最好选择一个接地参考点，并且用隔离元件来破坏可能产生不可预知电流的无用的电流回路。请记住在暂时性连接中可能引入新的电路参考点，比如说编程设备与CPU连接的时候。•在现场接地时，一定要随时注意接地的安全性，并且要正确地操作隔离保护设备。•在大部分的安装中，如果把传感器的供电M端子接到地上可以获得最佳的噪声抑制。上面是概述的PLC的隔离特性，某些特性对于特殊产品可能会有所不同。请参考相应的PLC系统手册，从中可以查到相应的产品的电路中包含哪些隔离元件及它们的隔离级别。级别小于1500VAC的隔离元件只能用作功能隔离，而不能用作安全隔离层。•当把几个具有不同地电位的CPU连到一个PPI网络时，应该2)S7-300的隔离特性•CPU逻辑参考点与DC传感器提供的M点类似。•CPU逻辑参考点与采用DC电源供电的CPU输入电源提供的M点类似。•CPU通讯端口与CPU逻辑口(DP口除外)，具有同样的参考点。•模拟输入及输出与CPU逻辑不隔离，模拟输入采用差动输入并提供低压公共模式的滤波电路。•逻辑电路与地之间的隔离为500VAC。•DC数字输入和输出与CPU逻辑之间的隔离为500VAC。•DC数字I／O组的点之间隔离为500VAC。•继电器输出、AC输出和输入与CPU逻辑之间的隔离为1500VAC。•继电器输出组的点之间隔离为1500VAC。•AC电源线和零线与地、CPU逻辑以及所有的I／O之间的隔离为1500VAC。

2)S7-300的隔离特性2电源的安装

(1)交流输入PLC安装指南下列条目是AC交流接线安装时的一般性指南。•用一个单刀开关将电源与CPU、所有的输入电路和输出（负载）电路隔离。•用一台过流保护设备以保护CPU的电源、输出点以及输入点。也可以为每个输出点加上保险丝进行范围更广的保护。•当使用MicroPLC24VDC传感器电源时，可以取消输入点的外部过流保护，因为该传感器电源具有短路保护功能。•将S7－300的所有地线端子和最近接地点相连接，以获得最好的抗干扰能力。建议所有都使用1.50mm2的电线连接到独立导电点上（亦称一点接地）。•本机单元的直流传感器电源可用作为本机单元的输入和扩展DC输入以及扩展继电器线圈供电，这一传感器电源具有短路保护功能•在大部分的安装中，如果把传感器的供电M端子接到地上可以获得最佳的噪声抑制。2电源的安装(2)直流输入PLC安装指南下列条目是DC隔离安装接线的一般性指南。•用一个单刀开关将电源同CPU、所有的输入电路和输出（负载）电路隔离开。•用过流保护设备以保护CPU电源，输出点，以及输入点。也可以在每个输出点加上保险丝进行过流防护。使用Micro24VDC传感器电源时，可以取消输入点的外部过流保护，因为传感器电源内部具有限流功能。•确保DC电源有足够的抗冲击能力，以保证在负载突变时，可以维持一个稳定的电压，这时需要一个外部电容。•在大部分的应用中，把所有的DC电源接到地可以得到最佳的噪声抑制。在未接地DC电源的公共端与保护地之间接以电阻与电容并联电路。电阻提供了静电释放通路，电容提供高频噪声通路，它们的典型值是IMΩ和4700pF。•将S7－200所有的接地端子同最近接地点连接，以获得最好的抗干扰能力。建议所有的接地端子都使用1.5mm2的导线连接到独立导电点上（亦称一点接地）。•24VDC电源回路与设备之间，以及120/230VAC电源与危险环境之间，必须提供安全电气隔离。(2)直流输入PLC安装指南3抑制电路的使用(1)抑制电路使用的一般性指导在感性负载中要加入抑制电路，以抑制在关闭电源时电压的升高。可以采用下面的方法来设计具体的抑制电路。设计的有效性取决于实际的应用，因此必调整参数以适应具体的应用。要保护所有的器件参数与实际应用相符合。(2)直流晶体管输出模块的保护S7-200直流晶体管输出内部包含了能适应多种安装的齐纳二极管，对于大电感或频繁开关的感性负载还可以使用外部抑制二极管来防止击穿内部二极管。也可以采用外接齐纳二极管组成抑制电路。若外加直流电压为24V，则选用的齐纳二极管的击穿电压宜选择在8.2V，功率为5W。这样当晶体管由导通变为截止时，由于续流二极管为电感能量的释放提供了电流通道，故在电感两端不会形成高压。对于含齐纳二极管的抑制电路，由于齐纳二极管的电压特性，也可以抑制电感两端的高压产生。因而也就不会危害到晶体管了。3抑制电路的使用(3)继电器输出模块的保护对继电器输出模块的保护主要有两个方面。一个方面是对继电器触点的保护，使电感在断电时不会产生高压加到继电器的触点。另一个方面是对电源的保护，使为继电器提供电压的电源不受高电压的冲击。抑制高电压的主要办法是在感性负载两端并联RC吸收电路，对交流电源除了用RC吸收之外，还可以并联压敏电阻以消除电压冲击。直流负载RC抑制电路的参考值为R=12Ω，C=0.5μF/A~1μF/A。交流负载AC电压为115V/230V时，对于每10VA的静态负载，RC抑制电路的参考值为R=0.5×USΩ，C=0.002μF/A~0.005μF/A。如果并联压敏电阻时，压敏电阻的工作电压要比正常的电源电压高出20%。(3)继电器输出模块的保护4保护电路（1）限位保护对有些快速动作的机械设备不仅要有行程开关限位，还要有极限限位保护。限位保护可以由电子限位开关、机械限位开关直至机械挡板等组成。（2）急停保护急停保护是用来应付突发故障时，避免导致更大事故的措施。4保护电路（3）连锁保护在硬件设计中要考虑到有些可移动设备的连锁问题。比如电机的正转和反转接触器之间要有互锁保护。液压系统中双向电磁阀也要有互锁保护。互锁的作用是使得两个相反动作设备不会同时动作。常用的办法是将两个设备的常闭触相互串联，使用连锁开关等。（3）连锁保护8.2软件设计由于PLC是利用存贮程序进行控制的。用存贮的程序进行安装保护，也可以使其只执行正确的操作，而拒绝错误的命令。1软件保护设计•连锁保护利用PLC的常闭触点对需要互锁的线圈进行连锁保护。•双重保护利用PLC的输入端增加限位输入信号，在程序中利用这类信号实现保护功能。8.2软件设计•定时保护根据距离=速度X时间用时间代替距离•定时保护•自动复位保护：•自动复位保护：2可靠性设计PLC的定时器可以用作确保PLC可靠、稳定、安全运行设计。•抗干扰设计（解决限位开关的抖动干扰）2可靠性设计3变量优选设计•夹紧控制（解决成品不规范）3变量优选设计充分发挥输出点的作用，尽量使用输出点信号作为计数，定时的依据。•机械手工作次数的计数：•机械手转盘转数的计数：4自检保护设计可以充分利用PLC的自检功能，PLC多数功能模块都有自检信息，通过对这些自检信息的检查可以及时发现隐患清除故障。也可以针对工程的特点自编诊断程序排除故障。充分发挥输出点的作用，尽量使用输出点信号作为计数5程序的保护S7-300保护有读/写保护功能，写保护功能和不保护。保护密码可以在CPU属性中设定。5程序的保护8.3PLC的检查PLC系统在长期运行中，可能会出现一些故障。PLC自身故障可以靠自诊断判断，外部故障则主要根据程序分析。常见故障有电源系统故障、主机故障、通讯系统故障、模块故障、软件故障等。1.常见故障的总体检查与处理

总体检查的目的是找出故障点的大方向，然后再逐步细化，确定具体故障点，达到消除故障的目的。常见故障的总体检查与处理的程序见右图

。8.3PLC的检查２.电源故障检查与处理

PLC系统主机电源、扩展机电源、模块中电源，任何电源显示不正常时都要进入电源故障检查流程，如果各部分功能正常，只能是LED显示有故障，否则应首先检查外部电源，如果外部电源无故障，再检查系统内部电源故障。检查顺序和内容如下表所述。３．异常故障检查与处理PLC系统最常见的故障是停止运行（运行指示灯灭）、不能启动、工作无法进行，但是电源指示灯亮。这时，需要进行异常故障检查。检查顺序和内容如下表。２.电源故障检查与处理PLC的安全设计与维护培训教材４.通讯故障检查与处理通讯是PLC网络工作的基础。PLC网络的主站、各从站的通讯处理器、通讯模块都有工作正常指示。当通讯不正常时，需要进行通讯故障检查。检查顺序和内容如下表。

４.通讯故障检查与处理５.输入输出故障检查与处理输入输出模块直接与外部设备相连，是容易出故障的部位，虽然输入输出模块故障容易判断，更换快，但是必须查明原因，而且往往都是由于外部原因造成损坏，如果不及时查明故障原因，及时消除故障，对PLC系统危害很大。检查顺序和内容如下表。５.输入输出故障检查与处理PLC的安全设计与维护培训教材PLC的安全设计与维护培训教材8.4PLC的维护•要有一支具有一定技术水平，熟悉设备情况，掌握设备工作原理的检修队伍。•对检修工作要定为一个制度，按期执行。每个PLC都有确定的检修时间。一般以每６个月～１年１次。1定期检修的内容如表所示。8.4PLC的维护

应该说PLC是一个可靠性、稳定性极高的控制器。只要按照其技术规范安装和使用，出现故障的概率极低。但是，一旦出现了故障，一定要按上述步骤进行检查、处理。特别是检查由于外部设备故障造成的损坏。一定要查清故障原因，待故障排除以后再试运行。

PLC的安全设计与维护培训教材2可编程序控制器的故障处理指南对于具体的PLC的故障检查可能有一定的特殊性。下面给出了有关PLC的故障检查和处理方法。见表。2可编程序控制器的故障处理指南结束语1教学中不确切，不清楚，不正确之处尽请提出。以提高教学质量。2对教学方法不当之处，请多提宝贵意见，以改进培训教学。3今后对PLC的有关问题，请多共同探讨，多共同研究，进一步增加对PLC的理解和提高。4联系方式：电话：024_83682644电子信箱：yhy_neu@东北大学信息科学与工程学院殷洪义结束语1教学中不确切，不清楚，不正确之处尽请提出。以提高教演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！第8章PLC的安全设计与维护

第8章PLC的安全设计与维护

8.1硬件安全设计8.2软件安全设计8.3PLC的检查8.4PLC的维护8.1硬件安全设计8.1硬件安全设计可编程序控制器是一个故障率极低、安装十分方便的控制器。和其它设备一详，可编程序控制器也需要正确地安装，经常进行检查和科学地维护。下面以S7-200可编程序控制器为例，说明可编程序控制器的安装、检查和维护。当然本章所述的内容对大多数PLC都有一定的指导意义。1.PLC的安装应该注意的是，安装和拆卸可编程序控制器的各种模块和相关设备时，必须首先切断电源。如果没有做到这一点，可能会导致设备的损坏和人身安全受到伤害。（1）PLC安装的一般性指导•在对PLC接线时要确保所有的电器符合国家和地区的电气标准。及时同地区的权威保持联系，以确定哪些标准符合你的特殊需要。•要正确地使用导线。S7-200模块采用的是l.50mm2~0.50mm2的导线•不要将连接器的螺钉拧得过紧，最大的扭矩不要超过0.36Nm。•尽量使用短导线（最长500米屏蔽线，或300米非屏蔽线），导线要尽量成对使用，用一根中性或公共导线与一根热线或信号线相配对。

8.1硬件安全设计•将交流线和大电流快速开关的直流线与小电流的信号线隔开。•正确地识别和划分S7－200模块的接线端子，并在线端留缓冲线圈•针对闪电式浪涌，安装合适的浪涌抑制设备。•外部电源不要与DC输出点并联用作输出负载，这可能导致反向电流冲击输出，除非在安装时使用二极管或其它隔离栅。•控制设备在不安全条件下可能会失灵，导致被控制设备的误操作。这样的误动作会导致严重的人身伤害和严重损坏设备。可以考虑使用独立于可编程序控制器的紧急停机功能，机电过载保护设备，或其它冗余保护。（2）使用隔离电路时的接地与电路参考点指南1）使用隔离电路时的接地与电路参考点应遵循以下几点：•应该为每一个安装电路选一个参考点（0V），这些不同的参考点可能会连在一起，这种连接可能会导致预想不到的电流，它们会导致逻辑错误或损坏电路。产生不同参考电势的原因，经常是由于接地点在物理区域上被分隔的太远。当相距很远的设备被通讯电缆或传感器连接起来的时候，由电缆线和地之间产生的电流就会流经整个电路。即使在很短的距离内，大型设备的负载电流也可以在其与地电势之间产生变化，或者通过电磁作用直接产生不可预知的电流。那些不正确选定参考点的电源，相互之间的电路中有可能产生毁灭性的电流，以致破坏设备。•将交流线和大电流快速开关的直流线与小电流的信号线隔开。•当把几个具有不同地电位的CPU连到一个PPI网络时，应该采用隔离的RS－485中继器。•PLC产品已在特定点上安装了隔离元件，以防止安装中所不期望的电流产生。当你打算安装时，应考虑到哪些地方有这些隔离元件，哪些地方没有。同时你也应考虑到相关电源之间的隔离以及其它设备的隔离，还有相关电源的参考点都在什么地方。•你最好选择一个接地参考点，并且用隔离元件来破坏可能产生不可预知电流的无用的电流回路。请记住在暂时性连接中可能引入新的电路参考点，比如说编程设备与CPU连接的时候。•在现场接地时，一定要随时注意接地的安全性，并且要正确地操作隔离保护设备。•在大部分的安装中，如果把传感器的供电M端子接到地上可以获得最佳的噪声抑制。上面是概述的PLC的隔离特性，某些特性对于特殊产品可能会有所不同。请参考相应的PLC系统手册，从中可以查到相应的产品的电路中包含哪些隔离元件及它们的隔离级别。级别小于1500VAC的隔离元件只能用作功能隔离，而不能用作安全隔离层。•当把几个具有不同地电位的CPU连到一个PPI网络时，应该2)S7-300的隔离特性•CPU逻辑参考点与DC传感器提供的M点类似。•CPU逻辑参考点与采用DC电源供电的CPU输入电源提供的M点类似。•CPU通讯端口与CPU逻辑口(DP口除外)，具有同样的参考点。•模拟输入及输出与CPU逻辑不隔离，模拟输入采用差动输入并提供低压公共模式的滤波电路。•逻辑电路与地之间的隔离为500VAC。•DC数字输入和输出与CPU逻辑之间的隔离为500VAC。•DC数字I／O组的点之间隔离为500VAC。•继电器输出、AC输出和输入与CPU逻辑之间的隔离为1500VAC。•继电器输出组的点之间隔离为1500VAC。•AC电源线和零线与地、CPU逻辑以及所有的I／O之间的隔离为1500VAC。

2)S7-300的隔离特性2电源的安装

(1)交流输入PLC安装指南下列条目是AC交流接线安装时的一般性指南。•用一个单刀开关将电源与CPU、所有的输入电路和输出（负载）电路隔离。•用一台过流保护设备以保护CPU的电源、输出点以及输入点。也可以为每个输出点加上保险丝进行范围更广的保护。•当使用MicroPLC24VDC传感器电源时，可以取消输入点的外部过流保护，因为该传感器电源具有短路保护功能。•将S7－300的所有地线端子和最近接地点相连接，以获得最好的抗干扰能力。建议所有都使用1.50mm2的电线连接到独立导电点上（亦称一点接地）。•本机单元的直流传感器电源可用作为本机单元的输入和扩展DC输入以及扩展继电器线圈供电，这一传感器电源具有短路保护功能•在大部分的安装中，如果把传感器的供电M端子接到地上可以获得最佳的噪声抑制。2电源的安装(2)直流输入PLC安装指南下列条目是DC隔离安装接线的一般性指南。•用一个单刀开关将电源同CPU、所有的输入电路和输出（负载）电路隔离开。•用过流保护设备以保护CPU电源，输出点，以及输入点。也可以在每个输出点加上保险丝进行过流防护。使用Micro24VDC传感器电源时，可以取消输入点的外部过流保护，因为传感器电源内部具有限流功能。•确保DC电源有足够的抗冲击能力，以保证在负载突变时，可以维持一个稳定的电压，这时需要一个外部电容。•在大部分的应用中，把所有的DC电源接到地可以得到最佳的噪声抑制。在未接地DC电源的公共端与保护地之间接以电阻与电容并联电路。电阻提供了静电释放通路，电容提供高频噪声通路，它们的典型值是IMΩ和4700pF。•将S7－200所有的接地端子同最近接地点连接，以获得最好的抗干扰能力。建议所有的接地端子都使用1.5mm2的导线连接到独立导电点上（亦称一点接地）。•24VDC电源回路与设备之间，以及120/230VAC电源与危险环境之间，必须提供安全电气隔离。(2)直流输入PLC安装指南3抑制电路的使用(1)抑制电路使用的一般性指导在感性负载中要加入抑制电路，以抑制在关闭电源时电压的升高。可以采用下面的方法来设计具体的抑制电路。设计的有效性取决于实际的应用，因此必调整参数以适应具体的应用。要保护所有的器件参数与实际应用相符合。(2)直流晶体管输出模块的保护S7-200直流晶体管输出内部包含了能适应多种安装的齐纳二极管，对于大电感或频繁开关的感性负载还可以使用外部抑制二极管来防止击穿内部二极管。也可以采用外接齐纳二极管组成抑制电路。若外加直流电压为24V，则选用的齐纳二极管的击穿电压宜选择在8.2V，功率为5W。这样当晶体管由导通变为截止时，由于续流二极管为电感能量的释放提供了电流通道，故在电感两端不会形成高压。对于含齐纳二极管的抑制电路，由于齐纳二极管的电压特性，也可以抑制电感两端的高压产生。因而也就不会危害到晶体管了。3抑制电路的使用(3)继电器输出模块的保护对继电器输出模块的保护主要有两个方面。一个方面是对继电器触点的保护，使电感在断电时不会产生高压加到继电器的触点。另一个方面是对电源的保护，使为继电器提供电压的电源不受高电压的冲击。抑制高电压的主要办法是在感性负载两端并联RC吸收电路，对交流电源除了用RC吸收之外，还可以并联压敏电阻以消除电压冲击。直流负载RC抑制电路的参考值为R=12Ω，C=0.5μF/A~1μF/A。交流负载AC电压为115V/230V时，对于每10VA的静态负载，RC抑制电路的参考值为R=0.5×USΩ，C=0.002μF/A~0.005μF/A。如果并联压敏电阻时，压敏电阻的工作电压要比正常的电源电压高出20%。(3)继电器输出模块的保护4保护电路（1）限位保护对有些快速动作的机械设备不仅要有行程开关限位，还要有极限限位保护。限位保护可以由电子限位开关、机械限位开关直至机械挡板等组成。（2）急停保护急停保护是用来应付突发故障时，避免导致更大事故的措施。4保护电路（3）连锁保护在硬件设计中要考虑到有些可移动设备的连锁问题。比如电机的正转和反转接触器之间要有互锁保护。液压系统中双向电磁阀也要有互锁保护。互锁的作用是使得两个相反动作设备不会同时动作。常用的办法是将两个设备的常闭触相互串联，使用连锁开关等。（3）连锁保护8.2软件设计由于PLC是利用存贮程序进行控制的。用存贮的程序进行安装保护，也可以使其只执行正确的操作，而拒绝错误的命令。1软件保护设计•连锁保护利用PLC的常闭触点对需要互锁的线圈进行连锁保护。•双重保护利用PLC的输入端增加限位输入信号，在程序中利用这类信号实现保护功能。8.2软件设计•定时保护根据距离=速度X时间用时间代替距离•定时保护•自动复位保护：•自动复位保护：2可靠性设计PLC的定时器可以用作确保PLC可靠、稳定、安全运行设计。•抗干扰设计（解决限位开关的抖动干扰）2可靠性设计3变量优选设计•夹紧控制（解决成品不规范）3变量优选设计充分发挥输出点的作用，尽量使用输出点信号作为计数，定时的依据。•机械手工作次数的计数：•机械手转盘转数的计数：4自检保护设计可以充分利用PLC的自检功能，PLC多数功能模块都有自检信息，通过对这些自检信息的检查可以及时发现隐患清除故障。也可以针对工程的特点自编诊断程序排除故障。充分发挥输出点的作用，尽量使用输出点信号作为计数5程序的保护S7-300保护有读/写保护功能，写保护功能和不保护。保护密码可以在CPU属性中设定。5程序的保护8.3PLC的检查PLC系统在长期运行中，可能会出现一些故障。PLC自身故障可以靠自诊断判断，外部故障则主要根据程序分析。常见故障有电源系统故障、主机故障、通讯系统故障、模块故障、软件故障等。1.常见故障的总体检查与处理

总体检查的目的是找出故障点的大方向，然后再逐步细化，确定具体故障点，达到消除故障的目的。常见故障的总体检查与处理的程序见右图

。8.3PLC的检查２.电源故障检查与处理