淺談西門子S7-400 PLC系統(tǒng)的接地方式

王麗瓊 鮑建欣

中國石化石家莊煉化分公司，中國·河北 石家莊 050000

PLC在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中具有不可或缺的地位。論文詳細(xì)介紹了S7-400系列PLC、儀表及DCS系統(tǒng)接地的分類及不同的接地方式，尤其是對PLC應(yīng)用中的問題進行了廣泛的分析，結(jié)合實際應(yīng)用實例說明接地對PLC系統(tǒng)的平穩(wěn)運行有著十分重要的意義。

PLC；儀表；DCS；接地

1 概述

隨著由于大功率電機、變頻器等設(shè)備的增多以及現(xiàn)場總線、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)的應(yīng)用，控制系統(tǒng)的電磁兼容（EMC）問題也越來越普遍。其實出現(xiàn)的電磁兼容問題多數(shù)都涉及信號屏蔽、濾波以及接地，而信號屏蔽、濾波都是靠接地來實現(xiàn)的。因此，研究控制系統(tǒng)的接地方式非常有必要。西門子S7-400系列PLC在石家莊煉化應(yīng)用十分廣泛，所以論文以西門子S7-400系列PLC 控制系統(tǒng)為例，探討了筆者對PLC、儀表和DCS 接地方式的一些看法。

2 系統(tǒng)接地

將系統(tǒng)或裝置的某一部分經(jīng)接地線連接到接地極稱為接地，連接到接地極的導(dǎo)線稱為接地線，接地極與接地線合成為接地裝置，若干接地體在大地中互相連接則組成接地網(wǎng)。接地線又分為接地干線和接地支線，電力系統(tǒng)中接地的點一般是中性點。裝置的接地部分為外露可導(dǎo)電部分，它是裝置中能被觸及的可導(dǎo)電部分，它正常時不帶電，故障情況下可能帶電。

接地是為保證電氣設(shè)備正常工作和人身安全而采取的一種安全措施，是通過金屬導(dǎo)線與接地裝置連接，而接地裝置將電氣設(shè)備和其他生產(chǎn)設(shè)備上可能產(chǎn)生的漏電流、靜電荷以及雷電電流等引入地下，從而避免人身觸電和可能發(fā)生的火災(zāi)、爆炸等事故來實現(xiàn)的。在自動化設(shè)備現(xiàn)場，通常將接地分為保護接地、工作接地、屏蔽接地、本安接地以及防雷接地等。

2.1 保護接地

將電氣設(shè)備的金屬外殼（正常情況下不帶電）用導(dǎo)線與接地體連接起來的一種保護接線方式，防止在設(shè)備絕緣損壞或意外情況下金屬外殼帶電時可能引起的強電流通過人體，用以保證人身安全。

一般要求保護接地電阻應(yīng)小于4Ω。

2.2 工作接地

為了加以區(qū)別這里將工作接地分為交流工作接地和直流工作接地。

交流工作接地主要是指變壓器中性點或中性線（N線）接地。一般情況下，交流工作地（N）不與其他接地相連接。

直流工作接地指的是為了保證系統(tǒng)正常工作，對直流電源及設(shè)備提供一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位。直流工作接地包括屏蔽接地、信號回路接地和本安接地等。

一般要求工作接地電阻值應(yīng)小于4Ω。

2.3 屏蔽接地

為了防止外部電磁場干擾，在屏蔽體與地或干擾源的金屬殼體之間所作的電氣連接稱為屏蔽接地。屏蔽接地屬于工作接地。

一般要求屏蔽接地電阻值應(yīng)小于4Ω。

2.4 本安接地

采用隔離式安全柵的本質(zhì)安全系統(tǒng)，不需要專門接地。

采用齊納式安全柵的本質(zhì)安全系統(tǒng)，則應(yīng)設(shè)置接地連接系統(tǒng)。齊納式安全柵的本質(zhì)安全系統(tǒng)與儀表信號回路接地不應(yīng)分開。其中，本安接地屬于工作接地。

TT供電系統(tǒng)一般要求齊納式安全柵接地電阻小于1歐姆。隔離式安全柵只有接線電阻要求沒有接地電阻要求。TN-S系統(tǒng)無論使用的是齊納式安全柵還是隔離式安全柵都無需對接地電阻提出特別的要求。

2.5 防雷接地

顧名思義主要是防止雷擊而造成的損害。工廠防雷一般為整體結(jié)構(gòu)防雷，就是主廠房防雷，主要基礎(chǔ)為安裝接地極、接地帶，形成一個接地網(wǎng)，再與主廠房的鋼筋或鋼構(gòu)的主體連接。水泥混凝土屋頂接避雷帶或避雷針，墻外地面還得留有接地測試點，鋼構(gòu)應(yīng)該用鍍鋅扁鐵直接引到屋頂。

一般要求防雷接地電阻應(yīng)小于10Ω。

3 S7-400PLC的接地要求

3.1 S7-400PLC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(fù)載電源從主回路供電中取電，如果是多個負(fù)載電源，則應(yīng)按照負(fù)載均衡的原則進行分配。

（3）負(fù)載側(cè)電源無論直流還是交流，均應(yīng)增加短路和過載保護。

（4）系統(tǒng)接地電阻不大于4Ω。

（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[1]。

此外，還應(yīng)注意柜內(nèi)電氣設(shè)備的其他接地要求。

3.2 S7-400 PLC系統(tǒng)接地規(guī)范

S7-400PLC系統(tǒng)的供電是通過電源模板和背板總線實現(xiàn)的。PS407電源模板從供電系統(tǒng)取電（例如，L1、N、PE），然后從背板總線提供DC24V和DC5V電源，從而進一步給機架上的其他模塊內(nèi)部芯片提供電源。機架導(dǎo)軌、參考電位M和機柜均與機柜內(nèi)的接地母線連接，最后與TN-S供電系統(tǒng)的PE連接，如圖1所示。

圖1 具有接地電源的S7-400 接地圖

3.2.1 電源模板的接地要求

S7-400PLC電源模板（PS407）連接到供電電源上時需使用專用的電源連接器（插頭），注意應(yīng)將PE線進行連接。

3.2.2 CPU的接地要求

（1）具有參考接地電位（0V）

如果系統(tǒng)已有參考接地電位方式構(gòu)成的，則任何擾動電流都被釋放到大地中去。

在S7-400PLC的安裝底板的最左側(cè)，有一個金屬連接片，同時左下角還有一個接地端子。正常情況下將接地端子接地后，系統(tǒng)通過金屬連接片實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部參考電位M（0V）通過金屬連接片進行接地。默認(rèn)情況下S7-400PLC系統(tǒng)均采用該接地方式，如圖2所示。

圖2 具有參考接地電位的S7-400 PLC 結(jié)構(gòu)

（2）沒有參考接地電位（浮地方式）

如果在一個大型設(shè)備中，需要對地線的故障進行檢測（例如，在化學(xué)工業(yè)或電站項目中，常有這樣的要求），則需要采用浮地的方式，此時須將金屬片拆除。

在浮地系統(tǒng)中，由于底板上參考接地電位M和“地”之間的金屬片被拆掉，此時S7-400PLC的參考電位M是通過RC網(wǎng)絡(luò)后才接大地接地端的。此時將左下角的接地端子進行接地處理后，可通過RC 回路釋放擾動電流，并可避免靜電荷的產(chǎn)生。

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。如果以及安裝并用導(dǎo)線連接了CPU，則在拔出接地滑動觸點前需要斷開MPI接口。

3.2.3 IO模板的接地要求

（1）數(shù)字量模板的接地要求

S7-400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)的EMC 特性來講，需要注意以下幾點。

①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。

②屏蔽電纜處理屏蔽層時請注意始終用金屬夾夾住編制帶屏蔽層。保證大面積的接觸屏蔽層，并提供適當(dāng)?shù)慕佑|壓力。

（2）模擬量模板的接地要求

①模擬量信號線采用屏蔽電纜。

②模擬量信號線盡量短。模擬量輸入最長200m屏蔽線。

③屏蔽層做接地處理，建議采用單端接地，并在模板側(cè)單端接地。

4 S7-400H的接地要求

S7-400H系統(tǒng)是S7-400的冗余控制系統(tǒng)，通過硬件冗余實現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性。由2套S7-400系列PLC控制器構(gòu)成，其中1臺控制器運行，另1臺控制器同步備用[4]。通過將發(fā)生中斷的單元自動切換到備用單元的方法，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的不中斷工作。

4.1 S7-400H的接地要求

S7-400H系統(tǒng)的接地要求與S7-400的接地要求一致。

ET-200M機架和IM153-2機架的接地要求與系統(tǒng)主機架相同。西門子系統(tǒng)的PE 既做保護地，同時也作為系統(tǒng)工作的基準(zhǔn)電位，所以PE 同時承擔(dān)了系統(tǒng)基準(zhǔn)點的功能，PE 接地的好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，建議系統(tǒng)柜內(nèi)的接地匯流條選用鍍錫銅排，接地線也應(yīng)壓好電纜接頭。

4.2 接地電阻要求

從儀表設(shè)備的接地端子到總接地板之間的導(dǎo)體及連接點電阻的總和稱為連接電阻。儀表系統(tǒng)的接地連接電阻不應(yīng)大于1歐姆[2]。

接地極的電位與通過接地極流入大地的電流之比稱為接地極對地電阻。接地極對地電阻和總接地板、接地總干線及接地總干線兩端的連接點電阻之和稱為接地電阻。儀表系統(tǒng)的接地電阻不應(yīng)大于4Ω。

表1 推薦接地線的顏色

5 儀表及DCS的接地

5.1 儀表及DCS的接地設(shè)計要求

5.1.1 接地系統(tǒng)組成

DCS接地系統(tǒng)由接地連接和接地裝置兩部分組成。

接地連接包括：接地連線、接地匯流排、接地分干線、接地匯總板、接地干線。

接地裝置包括：總接地板、接地總干線、接地極。

5.1.2 接地系統(tǒng)要求

儀表及控制系統(tǒng)的接地連接采用分類匯總、最終與總接地板連接的方式。交流電源中線在起始端應(yīng)與接地極連接。

當(dāng)電氣專業(yè)已經(jīng)把建筑物（或裝置）的金屬結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)鋼筋、金屬設(shè)備、管道、進線配電箱PE 母排、接閃器引下線形成等電位連接時，儀表系統(tǒng)各類接地也應(yīng)匯接到該總接地板，實現(xiàn)等電位連接，與電氣裝置合用接地裝置與大地連接[3]。

在各類接地連接中嚴(yán)禁接入開關(guān)或熔斷器。

5.2 儀表系統(tǒng)接地原則

5.2.1 接地原則

在控制室內(nèi)應(yīng)分別安裝工作接地匯總排和保護接地匯總排，并采用絕緣支架安裝。

控制室內(nèi)的匯流總排應(yīng)直接引到總接地排，而不應(yīng)由MCC（電機控制中心）室串接后引到總接地排。

在每個控制柜內(nèi)單獨設(shè)置保護接地和屏蔽接地匯流條，截面積在25mm*4mm以上。儀表的信號回路接地（工作地）可借用保護接地的匯流條。

在儀表的回路接地（工作地）和保護地公用的情況下，PLC系統(tǒng)柜的保護接地要單獨引至總接地排。

5.2.2 接地連接線規(guī)格

接地系統(tǒng)的導(dǎo)線應(yīng)采用多股絞合銅芯絕緣電線或電纜[5]。

接地系統(tǒng)的導(dǎo)線應(yīng)根據(jù)連接儀表的數(shù)量和長度按以下數(shù)值選用。

接地連線＞2.5～4.0mm2

接地分干線＞16～35 mm2

接地干線＞35～75 mm2

接地總干線＞75～180 mm2

5.3 DCS的接地要求

大量的現(xiàn)實實踐證明，采用“浮地”方式的DCS的故障率反而高于“接地”系統(tǒng)，因此推薦除了特殊的工況外，均采用“接地方式”。

6 接地故障處理案例

下面以某化工廠PLC系統(tǒng)接地問題導(dǎo)致的CPU停機故障為例說明接地的重要性。

6.1 現(xiàn)場問題描述

2017年9月30日發(fā)生左側(cè)CPU指示燈全閃，右側(cè)CPU為正常運行狀態(tài)。通過對左側(cè)CPU重新上電操作后，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

2018年4月2日發(fā)生右側(cè)CPU指示燈全閃，左側(cè)CPU處于正常運行狀態(tài)，同步模塊指示燈顯示正常，查看CPU故障診斷緩沖區(qū)發(fā)現(xiàn)，CPU內(nèi)存存在可恢復(fù)性錯誤，系統(tǒng)因找不到組織塊OB84 導(dǎo)致停機。在程序中增加OB84塊下載，將右側(cè)CPU電源模塊斷電重啟后，大約10min左右，CPU正常運行。

2018年6月19日左側(cè)CPU指示燈全閃，右側(cè)CPU正常運行，檢查CPU診斷信息為內(nèi)存出錯，重新將CPU斷電重啟后，CPU恢復(fù)正常運行。

2018年6月24日兩個CPU指示燈全閃導(dǎo)致整個系統(tǒng)死機，分別將兩個CPU斷電重啟并將運行開關(guān)由運行撥到停止多次，仍然無法正常啟動，當(dāng)時感覺兩個CPU有點熱，于是分別將兩個CPU從機架上拆下，在空調(diào)處吹涼后，重新安裝到機架上。然后，將CPU上電并將項目重新下載后，兩個CPU恢復(fù)正常的冗余運行狀態(tài)。

CPU上所有指示燈均以2HZ 頻率閃爍含義如下圖所示：

√設(shè)備檢修時要檢查接地螺絲是否有松動。

√現(xiàn)場遠(yuǎn)程站控制柜（ET-200M）中的SITOP 電源M端子接地。

√將CPU固件版本升級到當(dāng)前最新版本FW4.0.12

項目維保工程師將用戶建議提交給用戶后，用戶進行了電源供電和接地線路的整改，并更換了新的CPU后，系統(tǒng)運行至今沒有發(fā)生異常。

7 結(jié)語

由于西門子PLC系統(tǒng)接地的特殊性，PE 即作為保護地，又作為ET-200M的工作地參考點，因此PE的接地可靠性非常重要。雖然系統(tǒng)表面上能正常運行但由于系統(tǒng)接地不符合西門子PLC 設(shè)計規(guī)范，造成長時間的靜電大量積累在機架或CPU上，導(dǎo)致無法釋放。當(dāng)積累到一定程度嚴(yán)重干擾了CPU的正常冗余運行。輕則導(dǎo)致一個CPU下線停機，重則導(dǎo)致兩個CPU下線停機。當(dāng)將CPU斷電重啟或從機架上拆下后，CPU沒有損壞的情況下，CPU內(nèi)部的靜電得以釋放，可以恢復(fù)正常運行。如果長期的靜電積累完全可能導(dǎo)致CPU損壞。

因此，建議西門子PLC系統(tǒng)的接地要嚴(yán)格按照西門子的接地規(guī)范實施，建議供電采用TN-S系統(tǒng)。西門子PLC 或西門子DCS系統(tǒng)參考電位M（工作地）必須接到機柜內(nèi)的PE匯流條，信號電纜的屏蔽層接到工作接地排。