PLC系统安全防护设计：电气隔离、故障保护与安全回路的实现要点

工业控制系统的可靠性直接关系到人员安全、设备资产与生产连续性。PLC作为控制大脑，其自身及外围电路的安全防护设计至关重要，必须遵循“纵深防御”原则，从多个层级构建安全保障。

一、 电气隔离：阻断干扰与危险传播的第一道防线
隔离的目的是防止高电压、大电流、地线噪声等危险信号窜入低电压的PLC控制系统。

1. I/O模块的光电隔离：如前文所述，这是PLC自身的标准配置，隔离现场侧与逻辑侧。

2. 继电器隔离：在PLC输出点与大型交流负载（如电机、加热管）之间，增设中间继电器。PLC驱动继电器线圈（低压直流），继电器触点控制负载主回路（高压交流）。即使负载回路发生故障，也极难波及PLC。

3. 信号隔离器（针对模拟量）：用于4-20mA等模拟信号传输。它能消除地环路干扰，实现信号转换与放大，并为PLC提供短路、过压保护。

二、 故障保护电路：确保系统在异常时处于安全状态

1. 输出点保护：

   • 续流二极管：并联在直流感性负载（如直流电磁阀线圈）两端，极性反向。当PLC输出点断开时，为线圈产生的反电动势提供泄放通路，防止高压击穿晶体管。

   • 阻容吸收回路或压敏电阻：并联在交流感性负载两端，吸收尖峰电压。

2. 紧急停止（E-Stop）安全回路：

   • 核心原则：必须使用“常闭”触点，并采用“硬线连接”，独立于PLC程序逻辑。

   • 双通道冗余设计：现代安全标准（如ISO 13849）要求使用两个独立的常闭触点串联，接入安全继电器或直接切断主接触器线圈电源。即使一个触点熔焊，另一个仍能保证安全停车。

   • 安全继电器：当E-Stop被按下，安全继电器会进行“自检”，只有确认触点可靠断开后，才切断其内部的安全输出触点，进而切断设备动力电源。复位时，必须手动复位才能重新接通。

3. 电源保护：

   • 分级供电与隔离变压器：为PLC、传感器、执行机构提供独立的、隔离的电源，避免相互干扰。

   • UPS（不间断电源）：为控制系统供电，防止突然断电导致数据丢失或设备误动作。

   • 浪涌保护器（SPD）：在电源进线端安装，防护雷击或电网操作过电压。

三、 功能安全与安全回路
对于涉及人员直接危险（如机器人工作区、冲压设备）的应用，仅靠上述基本防护和普通PLC逻辑已不足够，需引入 “功能安全” 体系。

• 安全PLC与安全I/O：采用特殊设计的、具有自诊断和冗余校验功能的安全PLC及模块。即使发生单点故障，系统也能检测并进入安全状态。

• 安全输入设备：如急停按钮、安全门开关、光栅、双手按钮等，通常具有双通道输出和强制断开导向结构。

• 安全输出设备：如安全接触器，具有机械互锁和反馈触点，确保可靠断开。

四、 软件层面的防护

1. 看门狗定时器：防止程序跑飞或死循环。

2. 上下限监控与异常处理：对关键模拟量信号和运行状态进行超限判断，触发预置的安全响应程序。

3. 互锁逻辑：在程序中严格编写设备间的动作互锁和顺序连锁。

结论：PLC系统的安全防护是一个系统工程，涵盖硬件隔离、故障安全电路、功能安全组件和软件容错等多个层面。设计者必须摒弃“仅靠程序控制安全”的危险观念，始终坚持“断电安全”和“故障导向安全”的基本原则，通过多层次、冗余化的设计，构筑牢不可破的安全壁垒。