浅谈西门子S7-400 PLC系统的接地方式

王丽琼 鲍建欣

中国石化石家庄炼化分公司，中国·河北 石家庄 050000

PLC在工业自动化控制领域中具有不可或缺的地位。论文详细介绍了S7-400系列PLC、仪表及DCS系统接地的分类及不同的接地方式，尤其是对PLC应用中的问题进行了广泛的分析，结合实际应用实例说明接地对PLC系统的平稳运行有着十分重要的意义。

PLC；仪表；DCS；接地

1 概述

随着由于大功率电机、变频器等设备的增多以及现场总线、工业网络等新技术的应用，控制系统的电磁兼容（EMC）问题也越来越普遍。其实出现的电磁兼容问题多数都涉及信号屏蔽、滤波以及接地，而信号屏蔽、滤波都是靠接地来实现的。因此，研究控制系统的接地方式非常有必要。西门子S7-400系列PLC在石家庄炼化应用十分广泛，所以论文以西门子S7-400系列PLC 控制系统为例，探讨了笔者对PLC、仪表和DCS 接地方式的一些看法。

2 系统接地

将系统或装置的某一部分经接地线连接到接地极称为接地，连接到接地极的导线称为接地线，接地极与接地线合成为接地装置，若干接地体在大地中互相连接则组成接地网。接地线又分为接地干线和接地支线，电力系统中接地的点一般是中性点。装置的接地部分为外露可导电部分，它是装置中能被触及的可导电部分，它正常时不带电，故障情况下可能带电。

接地是为保证电气设备正常工作和人身安全而采取的一种安全措施，是通过金属导线与接地装置连接，而接地装置将电气设备和其他生产设备上可能产生的漏电流、静电荷以及雷电电流等引入地下，从而避免人身触电和可能发生的火灾、爆炸等事故来实现的。在自动化设备现场，通常将接地分为保护接地、工作接地、屏蔽接地、本安接地以及防雷接地等。

2.1 保护接地

将电气设备的金属外壳（正常情况下不带电）用导线与接地体连接起来的一种保护接线方式，防止在设备绝缘损坏或意外情况下金属外壳带电时可能引起的强电流通过人体，用以保证人身安全。

一般要求保护接地电阻应小于4Ω。

2.2 工作接地

为了加以区别这里将工作接地分为交流工作接地和直流工作接地。

交流工作接地主要是指变压器中性点或中性线（N线）接地。一般情况下，交流工作地（N）不与其他接地相连接。

直流工作接地指的是为了保证系统正常工作，对直流电源及设备提供一个稳定的基准电位。直流工作接地包括屏蔽接地、信号回路接地和本安接地等。

一般要求工作接地电阻值应小于4Ω。

2.3 屏蔽接地

为了防止外部电磁场干扰，在屏蔽体与地或干扰源的金属壳体之间所作的电气连接称为屏蔽接地。屏蔽接地属于工作接地。

一般要求屏蔽接地电阻值应小于4Ω。

2.4 本安接地

采用隔离式安全栅的本质安全系统，不需要专门接地。

采用齐纳式安全栅的本质安全系统，则应设置接地连接系统。齐纳式安全栅的本质安全系统与仪表信号回路接地不应分开。其中，本安接地属于工作接地。

TT供电系统一般要求齐纳式安全栅接地电阻小于1欧姆。隔离式安全栅只有接线电阻要求没有接地电阻要求。TN-S系统无论使用的是齐纳式安全栅还是隔离式安全栅都无需对接地电阻提出特别的要求。

2.5 防雷接地

顾名思义主要是防止雷击而造成的损害。工厂防雷一般为整体结构防雷，就是主厂房防雷，主要基础为安装接地极、接地带，形成一个接地网，再与主厂房的钢筋或钢构的主体连接。水泥混凝土屋顶接避雷带或避雷针，墙外地面还得留有接地测试点，钢构应该用镀锌扁铁直接引到屋顶。

一般要求防雷接地电阻应小于10Ω。

3 S7-400PLC的接地要求

3.1 S7-400PLC系统接地的总原则

对于PLC及控制系统整体的供电及接地的要求，主要有以下几点原则。

（1）系统主回路采用三相五线制供电，主回路须增加相应的开关及保护装置。

（2）负载电源从主回路供电中取电，如果是多个负载电源，则应按照负载均衡的原则进行分配。

（3）负载侧电源无论直流还是交流，均应增加短路和过载保护。

（4）系统接地电阻不大于4Ω。

（5）机柜中的接地母线与系统的PE线相连。

（6）机柜的外壳、设备安装背板均应保证通过金属部件连接在一起，并与接地母线相连。

（7）设备安装背板应考虑EMC特性（例如采用镀锌板）。

（8）系统中的电气设备的PE端子应与接地母线相连，并保证就近相连，以及连接电缆尽量粗、尽量短的原则[1]。

此外，还应注意柜内电气设备的其他接地要求。

3.2 S7-400 PLC系统接地规范

S7-400PLC系统的供电是通过电源模板和背板总线实现的。PS407电源模板从供电系统取电（例如，L1、N、PE），然后从背板总线提供DC24V和DC5V电源，从而进一步给机架上的其他模块内部芯片提供电源。机架导轨、参考电位M和机柜均与机柜内的接地母线连接，最后与TN-S供电系统的PE连接，如图1所示。

图1 具有接地电源的S7-400 接地图

3.2.1 电源模板的接地要求

S7-400PLC电源模板（PS407）连接到供电电源上时需使用专用的电源连接器（插头），注意应将PE线进行连接。

3.2.2 CPU的接地要求

（1）具有参考接地电位（0V）

如果系统已有参考接地电位方式构成的，则任何扰动电流都被释放到大地中去。

在S7-400PLC的安装底板的最左侧，有一个金属连接片，同时左下角还有一个接地端子。正常情况下将接地端子接地后，系统通过金属连接片实现了系统内部参考电位M（0V）通过金属连接片进行接地。默认情况下S7-400PLC系统均采用该接地方式，如图2所示。

图2 具有参考接地电位的S7-400 PLC 结构

（2）没有参考接地电位（浮地方式）

如果在一个大型设备中，需要对地线的故障进行检测（例如，在化学工业或电站项目中，常有这样的要求），则需要采用浮地的方式，此时须将金属片拆除。

在浮地系统中，由于底板上参考接地电位M和“地”之间的金属片被拆掉，此时S7-400PLC的参考电位M是通过RC网络后才接大地接地端的。此时将左下角的接地端子进行接地处理后，可通过RC 回路释放扰动电流，并可避免静电荷的产生。

注意应在导轨上安装设备之前首先设置未接地参考电位。如果以及安装并用导线连接了CPU，则在拔出接地滑动触点前需要断开MPI接口。

3.2.3 IO模板的接地要求

（1）数字量模板的接地要求

S7-400系列的数字量输入输出模板并不需要特殊额外的接地处理，只是对于提高系统的EMC 特性来讲，需要注意以下几点。

①数字量输入输出的导线长度要求：1000m屏蔽线，600m非屏蔽线。

②屏蔽电缆处理屏蔽层时请注意始终用金属夹夹住编制带屏蔽层。保证大面积的接触屏蔽层，并提供适当的接触压力。

（2）模拟量模板的接地要求

①模拟量信号线采用屏蔽电缆。

②模拟量信号线尽量短。模拟量输入最长200m屏蔽线。

③屏蔽层做接地处理，建议采用单端接地，并在模板侧单端接地。

4 S7-400H的接地要求

S7-400H系统是S7-400的冗余控制系统，通过硬件冗余实现系统的高可靠性。由2套S7-400系列PLC控制器构成，其中1台控制器运行，另1台控制器同步备用[4]。通过将发生中断的单元自动切换到备用单元的方法，实现控制系统的不中断工作。

4.1 S7-400H的接地要求

S7-400H系统的接地要求与S7-400的接地要求一致。

ET-200M机架和IM153-2机架的接地要求与系统主机架相同。西门子系统的PE 既做保护地，同时也作为系统工作的基准电位，所以PE 同时承担了系统基准点的功能，PE 接地的好坏直接影响系统的稳定性。因此，建议系统柜内的接地汇流条选用镀锡铜排，接地线也应压好电缆接头。

4.2 接地电阻要求

从仪表设备的接地端子到总接地板之间的导体及连接点电阻的总和称为连接电阻。仪表系统的接地连接电阻不应大于1欧姆[2]。

接地极的电位与通过接地极流入大地的电流之比称为接地极对地电阻。接地极对地电阻和总接地板、接地总干线及接地总干线两端的连接点电阻之和称为接地电阻。仪表系统的接地电阻不应大于4Ω。

表1 推荐接地线的颜色

5 仪表及DCS的接地

5.1 仪表及DCS的接地设计要求

5.1.1 接地系统组成

DCS接地系统由接地连接和接地装置两部分组成。

接地连接包括：接地连线、接地汇流排、接地分干线、接地汇总板、接地干线。

接地装置包括：总接地板、接地总干线、接地极。

5.1.2 接地系统要求

仪表及控制系统的接地连接采用分类汇总、最终与总接地板连接的方式。交流电源中线在起始端应与接地极连接。

当电气专业已经把建筑物（或装置）的金属结构、基础钢筋、金属设备、管道、进线配电箱PE 母排、接闪器引下线形成等电位连接时，仪表系统各类接地也应汇接到该总接地板，实现等电位连接，与电气装置合用接地装置与大地连接[3]。

在各类接地连接中严禁接入开关或熔断器。

5.2 仪表系统接地原则

5.2.1 接地原则

在控制室内应分别安装工作接地汇总排和保护接地汇总排，并采用绝缘支架安装。

控制室内的汇流总排应直接引到总接地排，而不应由MCC（电机控制中心）室串接后引到总接地排。

在每个控制柜内单独设置保护接地和屏蔽接地汇流条，截面积在25mm*4mm以上。仪表的信号回路接地（工作地）可借用保护接地的汇流条。

在仪表的回路接地（工作地）和保护地公用的情况下，PLC系统柜的保护接地要单独引至总接地排。

5.2.2 接地连接线规格

接地系统的导线应采用多股绞合铜芯绝缘电线或电缆[5]。

接地系统的导线应根据连接仪表的数量和长度按以下数值选用。

接地连线＞2.5～4.0mm2

接地分干线＞16～35 mm2

接地干线＞35～75 mm2

接地总干线＞75～180 mm2

5.3 DCS的接地要求

大量的现实实践证明，采用“浮地”方式的DCS的故障率反而高于“接地”系统，因此推荐除了特殊的工况外，均采用“接地方式”。

6 接地故障处理案例

下面以某化工厂PLC系统接地问题导致的CPU停机故障为例说明接地的重要性。

6.1 现场问题描述

2017年9月30日发生左侧CPU指示灯全闪，右侧CPU为正常运行状态。通过对左侧CPU重新上电操作后，系统恢复正常运行。

2018年4月2日发生右侧CPU指示灯全闪，左侧CPU处于正常运行状态，同步模块指示灯显示正常，查看CPU故障诊断缓冲区发现，CPU内存存在可恢复性错误，系统因找不到组织块OB84 导致停机。在程序中增加OB84块下载，将右侧CPU电源模块断电重启后，大约10min左右，CPU正常运行。

2018年6月19日左侧CPU指示灯全闪，右侧CPU正常运行，检查CPU诊断信息为内存出错，重新将CPU断电重启后，CPU恢复正常运行。

2018年6月24日两个CPU指示灯全闪导致整个系统死机，分别将两个CPU断电重启并将运行开关由运行拨到停止多次，仍然无法正常启动，当时感觉两个CPU有点热，于是分别将两个CPU从机架上拆下，在空调处吹凉后，重新安装到机架上。然后，将CPU上电并将项目重新下载后，两个CPU恢复正常的冗余运行状态。

CPU上所有指示灯均以2HZ 频率闪烁含义如下图所示：

√设备检修时要检查接地螺丝是否有松动。

√现场远程站控制柜（ET-200M）中的SITOP 电源M端子接地。

√将CPU固件版本升级到当前最新版本FW4.0.12

项目维保工程师将用户建议提交给用户后，用户进行了电源供电和接地线路的整改，并更换了新的CPU后，系统运行至今没有发生异常。

7 结语

由于西门子PLC系统接地的特殊性，PE 即作为保护地，又作为ET-200M的工作地参考点，因此PE的接地可靠性非常重要。虽然系统表面上能正常运行但由于系统接地不符合西门子PLC 设计规范，造成长时间的静电大量积累在机架或CPU上，导致无法释放。当积累到一定程度严重干扰了CPU的正常冗余运行。轻则导致一个CPU下线停机，重则导致两个CPU下线停机。当将CPU断电重启或从机架上拆下后，CPU没有损坏的情况下，CPU内部的静电得以释放，可以恢复正常运行。如果长期的静电积累完全可能导致CPU损坏。

因此，建议西门子PLC系统的接地要严格按照西门子的接地规范实施，建议供电采用TN-S系统。西门子PLC 或西门子DCS系统参考电位M（工作地）必须接到机柜内的PE汇流条，信号电缆的屏蔽层接到工作接地排。