PLC 系统的供电设计：隔离变压器、UPS 和 24 V 电源容量

PLC 系统的供电不是一个回路，是三层：AC 220 V 进线层、DC 24 V 控制电源层、I/O 回路电源层。每层出的问题不一样，图纸上属不同的回路，但工程上经常被人当成”给 PLC 柜通个电”一笔带过。

出故障时的表现也不同：进线层出问题，整柜停机；24 V 层出问题，部分模块掉电、I/O 乱跳；I/O 电源层出问题，现场阀门不动、反馈信号失真。

一、三层供电结构

三层的保护要分开。24 V 侧每一路出线都该有独立的熔断器或小型断路器，不能一个 20 A 电源后面直接接二十个端子。现场一根电缆短路，整柜 24 V 掉电，代价太大。

二、为什么要用隔离变压器

PLC 柜前面装隔离变压器（1:1，带屏蔽层）有三个作用：

1. 抑制共模干扰 —— 变压器初次级之间的屏蔽层把电网侧的共模噪声引到地，不让它进入 PLC 侧
2. 隔离地电位 —— 大型电机启停、变频器运行会让地电位漂移，隔离后 PLC 侧地电位独立
3. 做独立的电源系统 —— 次级不接地（浮地）或用独立的 PE，避免地环流

走浮地要补一件事：次级不接地就是 IT 系统，第一次接地故障不会有任何告警，等第二次异相接地就直接是相间短路。所以浮地系统必须配绝缘监测装置（IMD），靠它报第一次故障。GB/T 5226.1 和 GB 50054 对 IT 系统都要求装设绝缘监测。

屏蔽层必须接地，且只能一端接地，接在次级侧。见过不少项目屏蔽层悬空，变压器装了等于没装。

容量按 PLC 柜总负荷选，留 30% 余量。容量序列：1 kVA、2 kVA、3 kVA、5 kVA、10 kVA。

三、UPS 怎么选

先说结论：PLC 系统用在线式（双变换）UPS，不要用后备式。

后备式 UPS 市电正常时直接旁路输出，市电异常时继电器切换到逆变，切换时间 4~10 ms。PLC 的允许电压中断时间一般 20 ms，理论上够，但切换瞬间波形有缺口，敏感的通信模块和 CPU 会复位。在线式一直在逆变，切换时间为零。

容量按这个算：

S_UPS = P_负载cosφ_UPS · _UPS

• cosφ_UPS —— UPS 输出功率因数，高频在线机一般 0.9~1.0，按厂家样本取值（老式工频机可取 0.8）
• _UPS —— 逆变效率，取 0.9

后备时间按工艺要求定。医药厂房一般要求 30 分钟，够完成一次安全停车；化工连续工艺有的要求 60 分钟甚至更长。

四、24 V 电源容量怎么算

这是最常算错的一处。很多设计只累加了 PLC 模块自身的功耗，忘了 24 V 电源还要给现场设备供电。

算例：某制剂车间 PLC 系统，配置如下。

设：24 V 电源同时给模块本体和现场执行器供电，设计系数 1.3。

列：

P_Σ = 15 + 24 + 30 + 16 + 10 + 10 + 10 + 150 + 60 = 325 W

I₂₄ = 32524 = 13.5 A

I_设计 = 13.5 × 1.3 = 17.6 A

解：选 DC 24 V / 20 A 开关电源（480 W）。

验算（冗余配置）：配两台 20 A 电源并联，加冗余（解耦）模块。正常运行时两台各带一半，每台 6.8 A，负载率 34%；一台故障时另一台带全部 13.5 A，负载率 68%，在额定范围内。

这个 68% 是有前提的：分母用的是计算电流 13.5 A，没含设计系数。冗余方案真正该校的是”单台能不能扛住全部设计电流”——17.6 A 对 20 A，余量只剩 12%。后期但凡加点位就顶死了。有点位增加预期的项目直接上 2 × 30 A；按 20 A 定的话，要在图纸说明里写明这一处余量情况，别让后面的人以为还很宽裕。

注意电磁阀这类感性负载，动作瞬间有冲击电流，单个阀的保持电流可能只有 0.2 A，吸合瞬间能到 0.6 A。30 个阀同时动作（比如系统复位时）要按峰值校一次。

五、冗余电源不能直接并联

两台开关电源的输出端正正、负负直接拧在一起，是会出事的。输出电压不可能完全一致，差个 0.1 V 就会在两台之间产生环流，轻则互相加热，重则一台过流保护跳闸，另一台过载。

正确做法是加冗余模块（解耦模块），本质是两只串联二极管，允许电流单向流向负载，阻断两台电源之间的环流。代价是有 0.5~0.7 V 的压降，选电源时要把这个压降算进去，或者选带压降补偿的型号。

六、接地怎么接

PLC 系统至少有两个”地”，图纸上必须区分清楚：

常见做法：24 V 负极（M）在一点与 PE 连接，连接点选在电源输出端。多点接地会形成地环流，模拟量信号上叠加 50 Hz 干扰。

模拟量信号电缆的屏蔽层单端接地，接在 PLC 柜侧。两端都接地，地电位差会在屏蔽层里形成电流，反过来干扰芯线。

七、容易踩的坑

1. 24 V 容量只算模块本体 —— 漏掉电磁阀和继电器线圈，投运后电源过载保护频繁动作
2. 两台电源直接并联 —— 环流导致一台跳闸，冗余变单点
3. UPS 用后备式 —— 切换波形缺口让通信模块复位，故障现象是”偶尔莫名其妙断一次通信”
4. 隔离变压器屏蔽层不接地 —— 抗干扰作用归零
5. 24 V 分路没有保护 —— 一个电磁阀线圈短路，整柜 24 V 崩溃
6. 长距离 24 V 供电只算单程压降 —— 100 米外的阀岛，2.5 mm² 铜芯电缆单程电阻 0.7 Ω，电流要走一个来回共 200 m，回路电阻 1.4 Ω，带 2 A 时压降 2.8 V，再加冗余模块压降 0.7 V，末端只剩 20.5 V，阀可能吸合不可靠。算压降一定记得乘 2
7. UPS 输出侧没设检修旁路 —— UPS 坏了要停机才能换

八、画图时对应什么

• 系统图：隔离变压器 → UPS → 24 V 电源，三级的额定电流和断路器整定值要逐级配合，不能三级都写 32 A
• 24 V 分配图：按区域分路，每路独立保护。图上标出熔断器型号和额定电流，别只写”F1、F2″
• 端子排：24 V 正极、24 V 负极、PE 三种端子颜色要区分（一般红、蓝、黄绿），每路熔断器后单独成组
• 接地符号：PE 和 M 是两个符号，混用会让施工把 24 V 负极接到柜体，形成多点接地
• 电缆表：模拟量电缆单独列，注明屏蔽层单端接地，别和普通 DI 电缆混在一根多芯缆里

九、小结

PLC 供电的三层分开设计、分开保护。24 V 容量要把现场执行器算进去，冗余必须配解耦模块，UPS 用在线式，接地分清单端和多点。做完这五条，供电这块基本不会返工。

十、FAQ

Q：小系统能不能省掉隔离变压器？ 单机设备、PLC 只带几个 I/O 点、附近没有大电机和变频器，可以省。有变频器、有大电机启停、有模拟量信号，别省。

Q：UPS 后备时间 30 分钟够吗？ 看工艺。够完成安全停车就够。医药厂房的冻干机、灭菌柜在断电时要能保持记录和完成安全程序，一般 30 分钟满足；连续化工工艺要按 DCS 的完整停车时间算。

Q：24 V 电源一定要冗余吗？ 安全相关的系统（ESD、SIS）必须冗余。普通工艺控制系统可以单电源，但要选工业级、宽温度范围的型号，别用导轨式的商用电源凑。

Q：现场阀岛用 24 V 还是 220 V？ 距离近、点数多用 24 V 阀岛（总线控制）；单个阀、距离远（超过 150 米）用 AC 220 V，压降问题小。

规范出处：GB 50054-2011《低压配电设计规范》、GB/T 5226.1-2019《机械电气安全 机械电气设备》、HG/T 20573《分散控制系统工程设计规范》、GB 51348-2019《民用建筑电气设计标准》。另需注意，GB 55024-2022《建筑电气与智能化通用规范》自 2022 年 10 月 1 日起实施，为全文强制规范，现行标准中有关规定与其不一致的以该规范为准。

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本文为设计经验总结，具体工程须经持证工程师校审并满足当地审图要求。