朱 志 平

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】

基于PLC的家居安防系統(tǒng)

朱 志 平

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

設(shè)計(jì)一種基于PLC的家居安防系統(tǒng)，系統(tǒng)以西門(mén)子S7-200 PLC為控制核心，硬件上通過(guò)MQ-2傳感器等實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)各種參數(shù)的采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)滅火和關(guān)煤氣電磁閥的控制及報(bào)警等功能；軟件上采用西門(mén)子PLC編程軟件STEP 7-MicroWIN編制了家居安防控制系統(tǒng)程序。系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、控制方便等特點(diǎn)，為家庭生活的安全舒適提供強(qiáng)有力的保障。

家居安防；PLC；S7-200

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民的生活水平越來(lái)越高。隨之而來(lái)，人們對(duì)家居安全也提出了更高的要求，諸如漏氣、漏電、防火、盜竊等一切不安全因素能在人們未知的情況下給予警示，使人們防患于未然。故此出現(xiàn)了各式各樣的安防系統(tǒng)，特別是以單片機(jī)控制的居多。[1-2]本文提出用可編程控制器(PLC)作為控制核心，利用各種傳感器和微動(dòng)開(kāi)關(guān)作為外圍部件對(duì)住宅進(jìn)行安全布防。本系統(tǒng)可在各種不安全因素出現(xiàn)時(shí)及時(shí)報(bào)警并做出一些動(dòng)作(如滅火、關(guān)煤氣等)，并通知小區(qū)安全管理中心及時(shí)消除險(xiǎn)情，為住戶的安全提供強(qiáng)有力的保障。

1 家居安防系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

安防系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是以PLC為核心，包括煙霧傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、門(mén)側(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)、換氣扇、語(yǔ)音播放器、電磁閥等。安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)可燃?xì)怏w泄漏達(dá)到一定濃度時(shí)，可燃?xì)怏w傳感器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳給PLC，經(jīng)過(guò)PLC處理并輸出動(dòng)作信號(hào)，控制房間報(bào)警器報(bào)警、換氣扇換氣、煤氣電磁閥關(guān)閉和物業(yè)報(bào)警器報(bào)警、綠色指示燈亮(指示什么警報(bào)和哪戶)；當(dāng)門(mén)或窗被打開(kāi)后，門(mén)側(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合將信號(hào)傳給PLC，經(jīng)PLC處理延時(shí)5 s輸出，控制房間和物業(yè)報(bào)警器報(bào)警與黃色指示燈亮；當(dāng)房間有東西發(fā)生燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量煙霧，煙霧達(dá)到一定濃度時(shí)，煙霧傳感器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給PLC，經(jīng)PLC處理并輸出動(dòng)作信號(hào)控制房間滅火電磁閥打開(kāi)、語(yǔ)音播放器打開(kāi)和物業(yè)報(bào)警器報(bào)警、紅色指示燈亮；按動(dòng)窗簾按鈕經(jīng)PLC控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)窗簾的打開(kāi)與關(guān)閉。

2 家居安防系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 煙霧傳感器和可燃?xì)怏w傳感器模塊

(1)煙霧傳感器。煙霧傳感器分為離子煙霧傳感器、光電式煙霧傳感器和氣敏式煙霧傳感器。其中以離子煙霧傳感器最為先進(jìn)，已被廣泛應(yīng)用到要求較高的各類(lèi)消防報(bào)警系統(tǒng)中。光電式煙霧傳感器主要通過(guò)接收煙霧中的紅外線來(lái)檢測(cè)煙霧是否超過(guò)了閾值而進(jìn)行報(bào)警，它是在事件發(fā)生后進(jìn)行報(bào)警，不適用于家居安防系統(tǒng)。氣敏式煙霧傳感器是將氣體種類(lèi)及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，控制器根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱獲得待測(cè)氣體在環(huán)境中存在的有關(guān)信息，進(jìn)而檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警，且能通過(guò)接口電路與計(jì)算機(jī)連接形成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)，適合于家居安防系統(tǒng)。

(2)可燃?xì)怏w傳感器?？扇?xì)怏w傳感器分為催化燃燒型和紅外光學(xué)型2種。催化型可燃?xì)怏w傳感器是根據(jù)金屬鉑絲受熱后電阻的變化來(lái)測(cè)定可燃?xì)怏w濃度的。而紅外光學(xué)型是通過(guò)紅外光源的吸收原理來(lái)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的碳?xì)漕?lèi)可燃?xì)怏w的。

本次設(shè)計(jì)的家居安防系統(tǒng)要求傳感器能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，與PLC組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)，因此系統(tǒng)選用MQ-2氣敏式煙霧傳感器。該傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用且性價(jià)比較高的傳感器[3],完全能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 電磁閥

電磁閥是一種電磁控制的工業(yè)設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基本元件，屬于自動(dòng)控制中的執(zhí)行器，并不限于液壓、氣動(dòng)。電磁閥可分為直動(dòng)式電磁閥、分步直動(dòng)式電磁閥、先導(dǎo)式電磁閥3大類(lèi)。直動(dòng)式電磁閥的特點(diǎn)是在真空、負(fù)壓、零壓時(shí)能正常工作，但直徑一般不大于25 mm；分步直動(dòng)式電磁閥的特點(diǎn)是在零壓差或真空、高壓時(shí)亦能動(dòng)作，但消耗功率較大，必須水平安裝；先導(dǎo)式電磁閥的特點(diǎn)是流體壓力范圍上限較高，可任意安裝(需定制)，但必須滿足流體壓差條件。

根據(jù)3類(lèi)電磁閥的特點(diǎn)系統(tǒng)選用方便實(shí)用的直動(dòng)式電磁閥：一個(gè)常閉電磁閥控制消防水管，一個(gè)常開(kāi)電磁閥控制煤氣管道。

2.3 微動(dòng)開(kāi)關(guān)

微動(dòng)開(kāi)關(guān)：小電流主令電器，利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的碰撞控制觸頭動(dòng)作實(shí)現(xiàn)電路的接通或斷開(kāi)，達(dá)到控制目的。在本系統(tǒng)中，把微動(dòng)開(kāi)關(guān)裝在門(mén)和窗側(cè)面的槽里來(lái)檢測(cè)門(mén)和窗是否被打開(kāi)。微動(dòng)開(kāi)關(guān)原理圖如圖2所示。

圖2 微動(dòng)開(kāi)關(guān)原理圖

2.4 PLC簡(jiǎn)介

可編程控制器PLC是20世紀(jì)60年代末在美國(guó)首先出現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)主要是用來(lái)取代繼電器邏輯控制系統(tǒng)，其功能就是執(zhí)行繼電器邏輯、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能越來(lái)越齊全，不再只是簡(jiǎn)單的邏輯判斷功能，還具有數(shù)據(jù)處理、PID(比例(proportion)、積分(integration)、微分(differentiation))調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。并且隨著芯片技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能得到了進(jìn)一步提高[4]?，F(xiàn)在PLC不論從體積上、人機(jī)界面功能、端子接線技術(shù)，還是從內(nèi)在性能、實(shí)現(xiàn)功能方面都遠(yuǎn)非過(guò)去的PLC可比。

(1)PLC的基本結(jié)構(gòu)。PLC主要由儲(chǔ)存器、CPU、電源和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成，如圖3所示。

圖3 PLC結(jié)構(gòu)圖

(2)PLC的優(yōu)點(diǎn)。PLC具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、豐富的I/O接口模塊、編程簡(jiǎn)單、維修方便、安裝簡(jiǎn)單、功能完美、配套齊全、能耗低、體積小、重量輕、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試周期短等顯著特點(diǎn)。

2.5 PLC的選擇

2.5.1 家居安防系統(tǒng)控制要求

PLC上電后，系統(tǒng)初始化；當(dāng)系統(tǒng)收到火災(zāi)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)打開(kāi)自動(dòng)滅火裝置,給物業(yè)報(bào)警的同時(shí)重復(fù)播放火災(zāi)自救語(yǔ)音提示，直到火滅。當(dāng)系統(tǒng)收到煤氣泄漏信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)打開(kāi)換氣扇、給物業(yè)報(bào)警、房間警鈴報(bào)警、自動(dòng)關(guān)閉煤氣總閥門(mén)。當(dāng)系統(tǒng)收到非法入侵信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)即給物業(yè)報(bào)警并且房間警鈴報(bào)警。

2.5.2 PLC的選型

(1)查看所有的I/O點(diǎn)。分清所有的I/O點(diǎn)是直流信號(hào)還是交流信號(hào)，它們的電源電壓以及輸出是用繼電器型還是晶體管型。且PLC的輸出點(diǎn)經(jīng)常是幾個(gè)一組共用一個(gè)公共端，以免造成輸出點(diǎn)數(shù)的浪費(fèi)，導(dǎo)致增加成本。大部分情況PLC多使用繼電器輸出[5]。

(2)常規(guī)功能是所有PLC所具備的，特殊功能就需要用戶對(duì)PLC有較詳細(xì)的了解，以做出正確的選擇。

(3)不同的PLC價(jià)格不同，有些PLC功能類(lèi)似，價(jià)格相差大，要綜合考慮。

綜上，家居安防控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門(mén)子S7-200型的PLC，有24個(gè)輸入口和16個(gè)輸出口，可以滿足設(shè)計(jì)需求。且其價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單、可靠性高。它的硬件配置靈活，既可單獨(dú)使用一個(gè)S7-200 CPU構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過(guò)電纜對(duì)數(shù)字量I/O模塊、智能接口模塊擴(kuò)展，構(gòu)成較復(fù)雜的中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)[6]。

2.5.3 I/O地址分配

在I/O口地址分配前，應(yīng)先估算I/O口點(diǎn)數(shù)數(shù)量，一般在I/O口點(diǎn)數(shù)總和的基礎(chǔ)上再擴(kuò)展10%～20%。本設(shè)計(jì)估算點(diǎn)數(shù)后，輸入點(diǎn)數(shù)為10個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)為5個(gè)。I/O口分配如表1所示。

2.6 家居安防系統(tǒng)的外部接線圖

根據(jù)系統(tǒng)需要，家居安防控制系統(tǒng)的外部接線圖如圖4所示。

3 家居安防控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 防盜模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用微動(dòng)開(kāi)關(guān)對(duì)門(mén)、窗的關(guān)閉進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)門(mén)和窗關(guān)的時(shí)候，微動(dòng)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)門(mén)和窗打開(kāi)時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合，此時(shí)就會(huì)向PLC輸入一個(gè)信號(hào)。PLC設(shè)定為5 s延時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)，若在5 s內(nèi)按下關(guān)閉布防按鈕則解除報(bào)警，反之發(fā)出警報(bào)，小區(qū)保安接到報(bào)警后可立即趕往事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。防盜控制流程圖如圖5所示。

表1 I/O口地址分配

圖4 外部接線圖

圖5 防盜控制流程圖

3.2 防火模塊設(shè)計(jì)

為防止和避免火災(zāi)事故，設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中的煙霧傳感器一般安裝在起居室或易發(fā)生起火的地方，監(jiān)測(cè)房間的火災(zāi)隱患，及時(shí)向家人和物業(yè)管理中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

煙霧傳感器用來(lái)檢測(cè)是否發(fā)生火災(zāi)，若檢測(cè)到有火災(zāi)發(fā)生，就會(huì)立即向物業(yè)報(bào)警，同時(shí)開(kāi)啟自動(dòng)滅火裝置和語(yǔ)音播放器，語(yǔ)音播放器重復(fù)播放火災(zāi)自救提示。防火控制流程圖如圖6所示。

3.3 防燃?xì)庑孤┠K設(shè)計(jì)

家用可燃?xì)怏w一般是煤氣、天然氣、石油液化氣等，主要用于廚房和熱水器，所以可燃?xì)怏w傳感器應(yīng)安裝在氣體進(jìn)出容易泄漏的地方，便于及時(shí)檢測(cè)。當(dāng)有煤氣泄漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即向物業(yè)和住戶報(bào)警、自動(dòng)關(guān)閉煤氣總閥門(mén)并且打開(kāi)換氣扇。防煤氣泄漏控制流程圖如圖7所示。

圖6 防火控制流程圖

圖7 防煤氣泄漏控制流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

家居安防控制系統(tǒng)以西門(mén)子S7-200 PLC為控制核心，實(shí)現(xiàn)了家居安防的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)各行程開(kāi)關(guān)、按鈕開(kāi)關(guān)及繼電器觸點(diǎn)的閉合與斷開(kāi)發(fā)出信號(hào)傳送給PLC，經(jīng)過(guò)PLC處理后發(fā)出控制信號(hào)控制安防系統(tǒng)的各部分動(dòng)作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)捷方便、經(jīng)濟(jì)適用、故障率低、可靠性高，適合于小區(qū)集體管理使用。

[1] 朱志平.基于MSP430的藍(lán)牙智能家居系統(tǒng)[J].渭南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2016,31(4)：24-32.

[2] 田芳明,李騰.基于MSP430f149單片機(jī)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2013,(4):65-69.

[3] 龍光利.基于GSM/GPRS無(wú)線防盜系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].西安：西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013：8-9.

[4] 莊德才.自動(dòng)插件機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].青島：青島科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011：25-32.

[5] 郭和偉.電器與PLC控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007：112-157.

[6] 白雪.電機(jī)與電氣控制技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2008：66-78.

【責(zé)任編輯 牛懷崗】

Home Furnishing Security System Based on PLC

ZHU Zhi-ping

(School of Mathematics and Physics，Weinan Normal University，Weinan 714099，China)

A kind of Home Furnishing security system based on PLC was introduced，and the main components and the realization method of PLC system was described.The system uses S7-200 PLC，MQ-2 Siemens sensors in hardware and control of fire so as to turn off the gas solenoid valve to the property and household alarm and other functions.The software using Home Furnishing security control system program is compiled Siemens PLC programming software STEP 7-MicroWIN.The system is characterized by high reliability，strong anti-interference ability，simple operation，convenient control，safety and comfort for family life，which provides a strong protection.

Home Furnishing security; PLC; S7-200

TP212

A

1009-5128(2017)08-0078-05

2016-12-21

陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目：SOC及模數(shù)混合大規(guī)模集成電路直流參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)(2016GY-117)；渭南師范學(xué)院科研計(jì)劃項(xiàng)目：基于GPS和GPRS的車(chē)載緊急呼叫系統(tǒng)研究(17YKS03);渭南師范學(xué)院特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目：電氣工程與秦東工業(yè)(14TSXK07)

朱志平(1959—)，男，陜西武功人，渭南師范學(xué)院數(shù)理學(xué)院副教授，主要從事電子電氣工程研究。