【连载】老曹带你做大神之走进奇妙的工控世界（六）
每周二，由老曹带领大家一步一步进入到自动化控制系统的奇妙世界；一步一步告诉大家如何从一张P & ID（Piping and Instrumentation diagram）图设计一套PLC控制系统，其中包括：IO点统计、PLC选型、IO表设计、IO端子图设计、机柜布置图设计、总线设计、网络设计、PLC程序编制、上位机画面编制、文档制作；让你轻轻松松完整以PLC为主控制器的控制系统设计。
上节我们讲了电源柜的电源分配问题，本节我们介绍柜体的设计和端子排图的设计：
（本文仅以2200×800×600的标准电气柜进行说明）
1、 柜体的选择：
由于PLC机柜，无论是电源柜，CPU柜还是IO柜均为整体背板安装，因此我们PLC机柜尽量选择门板为整门的柜型。安装材质选用敷铝锌板，厚度2.0mm—3.0mm;结合电源原理图和IO布置图，绘制柜内布置图，所有元器件和柜体，线槽等按照1:1的比例进行绘制。
2、 柜体通风设计：
一般我们设计前门下进风，顶部出风的形式，后门不加进出风孔。进风口装一个通风过滤器来防尘，外形300×300即可,顶部出风口安装一个轴流风机，向外排风。整体采用自然对流通风的方式即可，因为PLC柜内的元件发出的热量较少。
3、 柜内照明设计：
柜内顶部装照明灯，由开门限位开关控制，开门照明开，关门照明灭。单面布置机柜安装1套照明，前后双面背板布置的装2套照明。
4、 走线槽的选择：
线槽的规格一般为25mm,40mm,60mm,80mm,100mm,颜色首选海灰色。一般通过线槽中线的体积之和（含绝缘）的80%去选择走线槽，建议内部走线选用40mm线槽，放在柜体左右两边，外部进线可在后背板中部安装80mm线槽两列。
5、 元器件布置：
5.1 开关电源的布置，
由于开关电源是发热元器件，一定布置在机柜上部，便于散热；开关电源与线槽之间保持30mm的距离，方便接线。
5.2 断路器，空开的布置：
断路器和空开安装高度考虑与人体视线平齐，方便操作，空开周围不能有妨碍操作的元器件。安装自左向右排布，与线槽保持40mm左右。
5.3 继电器的布置：
一般由于PLC模块自身开关量的输出驱动能力不够，我们经常增加输出继电器去驱动现场设备，而300米以上的开关量输入信号，我们建议增加输入隔离继电器来抑制虚假信号，继电器一般布置在机柜的正面底部，如果采用类似OMRON MY2NJ的中间继电器，一排不操作27个；800宽的柜体，安装底板为1800mm×720mm，两个40mm线槽，共计80mm，因此有效空间为640mm；MY2NJ底座宽度为23mm，因此最多27个。继电器底座高度按72mm计算，与线槽上下保留30mm空间，因此一排继电器占用机柜高度为132mm.我们为什么算这个的原因是考虑一个机柜最多可以支持多少IO点。
5.4 端子排的布置：
端子排一般布置在机柜的后背板上，端子排尽量纵向排列，内部线和外部线尽量分开，考虑接线习惯的问题，背板从左到右依次为40mm线槽（内部进线），端子排，80mm线槽（外部进线），80mm线槽（外部进线），端子排，40mm线槽（内部进线）。外部进线较多，而且多为1.0平方和1.5平方线缆，因此采用80mm线槽。外部进线从80mm线槽向两边分配到端子排。下图为PLC柜正面布置图和背面布置图。
5.5 PLC模块布置：
PLC模块是PLC系统的主要部件，需要经厂调试所以应安装在方便操作的位置。安装模块自左向右排布，便于扩展。由于PLC模块都是线面出线，因此建议PLC机架与上面线槽保持30mm距离，机架与下端线槽保持在60mm左右。
6. PLC接地设计
6.1 柜体接地：
安装元器件的安装板与柜体框架要可靠固定，从安装地板底部用黄绿导线引至PE接地排上。
6.2 机架接地：
机架上一般都有用于连接PE的接地螺栓，将机架连接到PE母排上。连接PE母排的导线最少用2平方导线。
6.3 接地设计：
所有PLC系统，只要有PLC设备均需要设计PE保护接地母排和TE防干扰接地母排，PE母排用于连接机架，电源等的接地点，与柜体直接连接。TE接地母排用于外部信号电缆的屏蔽接地，与柜体绝缘安装。
机柜三视图
机柜布置图
7.端子排图设计
接线端子排通常由多片端子并排安装在导轨上组成的，每片接线端子的两个接口是短接的。根据需要可以将各片端子短接在PLC通过端子排与外围设备连在一起。
7.1 端子排选型：
1) 不同功能端子排之间通过端子堵头（E/UK）进行隔离，堵头需配置KLM-A端子条组标识；
2) 220VAC交流电源采用UK5N电源端子；
3) 24VDC 直流电源端子采用UK3N；24VDC建议增加保险端子；
4) 接地端子采用明显黄绿色端子；
5) 端子分组可按照IO模块，一个模块对应一组端子；方便后续维护。
6) 短接采用短接块，尽量少的采用短接线。
7.2 端子排图设计
一张完整的端子排图包括端子号，柜内电缆去向和外部电缆去向；包括端子组识别号；
端子组标识号：清晰识别本组端子的功能 如-29X1:29号柜第1组端子排；
如上图所示：左侧为外部来线，去向为LS-4315-SC，电缆为KVVRP-2×2×1.0
右侧电缆号为：29IO/O0+,去向为29A1:0(29号机柜第1个模块第1个通道)变量描述为HAK-4315阀门打开。
关于PLC控制系统的抗干扰措施：
一、 硬件措施
输入信号的输入线之间的差模干扰可以利用输入模块滤波来减小干扰，而输入线与大地间的共模干扰可通过控制器的接地来抑制。在输入端有感性负载时，为了防止电路信号突变而产生感应电势的影响，可采用硬件的可靠性容错和容差设计技术，对于交流输入信号，可在负载两端并联电容C和电阻R，对于直流输入信号，可并接续流二极管D。一般负载容量在10VA以下时，应选C为0.1μF，R为120 ，当负载容量在10VA以上时，应选C为0.47μF，R为47 。具体电路如下图所示.
输入信号的抗干扰设计
外部配线之间存在着互感和分布电容，进行信号传送时会产生窜扰。为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出信号应分别使用各自的电缆。集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线要使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧要悬空，而要在控制器侧要接地。配线时在30米以下的短距离，直流和交流输入、输出信号线最好不要使用同一电缆，如果要走同一配线管时，输入信号要使用屏蔽电缆。如下图所示。
屏蔽电缆处理法
30-300米距离的配线时，直流和交流输出、输入信号线要分别使用各自电缆，并且输入信号线一定要用屏蔽线。对300米以上长距离配线时，则可用中间继电器转换信号，或使用远程I/O通道。对于控制器的接地线要与电源线或动力线分开，输入、输出信号线要与高电压、大电流的动力线分开配线。
二、软件措施：
１．数字滤波
对于信噪比较低的模拟量信号，常因现场瞬时干扰而产生较大波动，若仅用瞬时采样值进行控制计算，会产生较大误差，为此可采用了数字滤波的方法，对于电机电流，称重设备，传感器等模拟量信号通过平均值滤波的方法进行预处理，对输入的4-20mA的信号用十次采样值的平均值来代替当前值，这种方法反应速度快，实时性非常好。
２．软件容错
对于现场环境恶劣的PLC控制系统，干扰信号较多为输入接点抖动而产生“伪报警”，因此我们可以采用延时判断，若延时后信号还有认为是真信号否则为伪信号，结合实际情况一般设1~2s延时。
PLC控制系统通过以上的抗干扰措施基本可以抑制各种干扰源，投运设备不会因“假信号”而影响系统正常工作。
致此PLC控制系统硬件选型和设计就结束了，下节开始我们讲述PLC控制系统的软件设计，包括PLC程序编制和上位机设计。
作者介绍
曹俊义：资深工业网络通讯专家，工业自动化控制系统专家，ProSoft产品顶级技术专家。
工业通讯领域沉浸十数年，深喑各种工业通讯协议和工业网络架构以及国内外多种主流PLC应用和操作、熟知罗克韦尔、施耐德、西门子、GE等知名品牌的冗余系统，对工业无线通讯、工业物联网、工业IT与OT的融合，有着前瞻性的独到见解和务实的实践经验。
现任伟联科技董事长。努力为中国工业信息化、数字化、智能化的深入发展做出贡献。
