集控PLC电源隔离系统设计及应用

集控PLC电源隔离系统设计及应用

汪才飞冯小平

（山东博选矿物资源技术开发有限公司新河选煤厂山东济宁272400）

摘要：为实现集控室集控操作智能化管理,减少人力与物力的浪费,本文以山东博选矿物资源技术开发有限公司新河矿业选煤厂为例，分析了选煤厂PLC控制故障的原因及解决方案，并提出可行性设计。集控PLC电源隔离系统将主控制回路电源改为24V，使其与返回信号电压一致，用主控制回路中增加的直流中间继电器来控制需要220V电压的接触器线圈，220V电源与24V电源形成隔离状态，不再对集控PLC模块及CPU产生影响。该控制回路设计巧妙，材料投入和人工投入都比较少，稳定性好成熟度高。

关键词：电源隔离；PLC集控控制

一、项目研究背景

以新河矿业选煤厂为例：

该选煤厂采用S7-300的西门子PLC系统对车间设备进行集中控制，在设计之初因配电室空间和成本受限，未设计安装中间继电器柜，PLC控制柜与现场设备控制箱仅用12芯控制电缆连接，12芯电缆中既有220V交流电源又有24V直流电，交流电源为控制箱的控制回路，直流电源为返回信号，在实际生产中，电缆长期暴露在室外，绝缘值会降低，轻则造成信号干扰，重则导致VC220V电窜入到DC24V中，造成PLC模块及CPU烧坏。通过集控PLC电源隔离系统设计及应用，在每台设备的控制回路中加一个中间直流继电器，把去现场的220V电压改为直流24V控制电压，将两种电压的电源进行隔离，解决了信号干扰和经常烧PLC模块及CPU的问题，避免长时间影响生产，年增加洗煤效益42.64万元。

二、新河矿业选煤厂集控PLC事故案例分析

2017年4、5月份，新河选煤厂发生2次自动控制系统的PLC模块及CPU发生烧坏事故，影响洗煤生产长达78小时。后经分析事故原因发现，PLC控制柜与现场设备控制箱仅用12芯控制电缆连接，12芯电缆中既有220V交流电源又有24V直流电，交流电源为控制箱的控制回路，直流电源为返回信号，在实际生产中，电缆长期暴露在室外，绝缘值会降低，轻则造成信号干扰，重则导致VC220V电窜入到DC24V中，造成PLC模块及CPU烧坏。

上图为原控制回路及返回信号回路，其中控制回路为220V交流电压，返回信号电路为24V直流电压，在每个配电盘内均有220V和24V电源端子牌，24V电压为PLC柜内开关电源提供。进入现场控制箱的电缆只有一条，内含12芯电线，其中一部分作为控制回路的接线，另一部分作为控制箱的返回信号，返回到PLC的CPU及各通讯模块，当电缆因长时间风吹日晒雨淋，造成绝缘值降低时，电缆内的220V电源很容易串入24V的返回信号电缆内，虽然在24V的开关电源侧安装了熔断器，但熔断需要时间，在熔断器还未熔断之前，就已将24V的CPU及PLC模块烧坏。

三、集控PLC模块烧坏的解决方案

针对这一设计缺陷，选煤厂组织技术人员、电气维修人员、业务骨干讨论研究、集思广益，提出了3种方案，用来解决集控PLC模块经常烧坏的问题。

方案一是重新敷设电缆，在配电室PLC柜与现场每台设备控制箱之间专门敷设一条220V的专用控制电缆，这样便可将220V控制电源与24V返回信号电源完全隔离，此种方法虽然可以达到目的，但工作量非常大，需投入大量信号电缆。

方案二是安装隔离继电器柜，为每一个返回信号安装一个隔离继电器，并将所有的信号返回继电器安装在继电器柜内，也可以将两种电源完全隔离。但由于返回信号较多，车间设备多达80多台，总计需要600多个继电器，需要安装继电器柜，但现场空间不允许，再加上投入较高。

方案三是在将每台设备的控制回路由220V改为24V,在24V的控制回路中加一个中间直流继电器来控制220V的接触器线圈，将两种电压的电源进行隔离，进入现场控制箱的12芯电缆全部都是24V，解决了信号干扰和经常烧PLC模块及CPU的问题，投入较低，改造工作量小，比较适合该厂实际情况。

四、集控PLC电源隔离系统设计方案

通过分析上述3中方案优劣点，确立了方案三来解决集控PLC系统的设计缺陷。相比前两种方案，材料投入和人工投入都比较少，稳定性也不低于前两种方案，改造1台设备仅需要10分钟左右，能够迅速解决问题。

1、具体设计步骤

在抽屉式配电柜中安装24V直流中间继电器，用常开触点控制配电柜的接触器线圈，把去现场控制箱的远近程转换开关的220V电源改成24V电源（配电柜内部有24V的电源端子排），将远近程转换开关继电器改为24V直流继电器，原自保点接到新加的24V继电器的常开点上，并在其常开点接入220V电源，另一端接到接触器线圈上。

2、设计原理图

从上图可以看出，画虚线的改动部分替代了原电路图中的KM，将去现场的控制回路电压接到配电柜的24V电源端子排上，由于接触器的线圈电压是220V，利用直流中间继电器KJ的常开点控制KM，当设备开车时SB1闭合，KJ得电后KM闭合，接触器吸合，设备处于运行状态，去现场控制箱的控制电源为24V，与返回信号电压相同，不会再出现两种电压互相影响干扰的情况，避免了集控PLC模块和CPU烧坏的情况发生。

3、新技术的优势

该创新将主控制回路电源改为24V，使其与返回信号电压一致，用主控制回路中增加的直流中间继电器来控制需要220V电压的接触器线圈，220V电源与24V电源形成隔离状态，不再对集控PLC模块及CPU产生影响。该控制回路设计巧妙，材料投入和人工投入都比较少，稳定性好成熟度高。

五、新技术应用后项目效益分析

1、投入费用：人工投入6工，人工单价120元；中间继电器80个、控制电缆120米，投入总计：6×120+80×8.5+120×1=0.15万元。

2、节约费用：未采用该应用之前，在2017年上半年PLC模块及CPU烧坏2次，累计影响生产时间78小时。集控PLC电源隔离系统设计及应用，可以完全避免VC220V电窜入到DC24V中，解决了PLC模块及CPU经常烧坏的问题，每年至少可以节约2套PLC模块系统，成套的PLC模块包括13件输入输出模块和1件314c_2pn/dp型CPU，总材料价格为107218元。至少可以避免78小时的影响生产时间，每小时入洗量为230吨，吨煤加工费12元/吨，每年可增加洗煤加工费用78×230×12=215280元，项目预计投入0.33万元，累计每年可增加洗煤效益为215280+107218×2=42.97万元。

六、新技术应用前景

该创新项目自投入以来正常使用，未在发生PLC模块及CPU烧坏的机电事故，设备集控信号干扰的情况也未在发生，可以说是小设计解决大问题，小投入大回报！该项目适合推广应用到未设计安装隔离继电器柜的选煤厂，小投入起到大效果。

结语

应用PLC控制柜电源隔离系统后，不再对集控PLC模块及CPU产生影响。该控制回路设计巧妙，材料投入和人工投入都比较少，稳定性好成熟度高。