朱 志 平
(渭南師范學院 數(shù)理學院,陜西 渭南 714099)
【現(xiàn)代應用技術研究】
基于PLC的家居安防系統(tǒng)
朱 志 平
(渭南師范學院 數(shù)理學院,陜西 渭南 714099)
設計一種基于PLC的家居安防系統(tǒng),系統(tǒng)以西門子S7-200 PLC為控制核心,硬件上通過MQ-2傳感器等實現(xiàn)對室內(nèi)各種參數(shù)的采集,實現(xiàn)對滅火和關煤氣電磁閥的控制及報警等功能;軟件上采用西門子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、操作簡單、控制方便等特點,為家庭生活的安全舒適提供強有力的保障。
家居安防;PLC;S7-200
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,人民的生活水平越來越高。隨之而來,人們對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開關作為外圍部件對住宅進行安全布防。本系統(tǒng)可在各種不安全因素出現(xiàn)時及時報警并做出一些動作(如滅火、關煤氣等),并通知小區(qū)安全管理中心及時消除險情,為住戶的安全提供強有力的保障。
安防系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是以PLC為核心,包括煙霧傳感器、可燃氣體傳感器、門側(cè)微動開關、換氣扇、語音播放器、電磁閥等。安防系統(tǒng)的設計結構圖如圖1所示。
圖1 安防系統(tǒng)設計結構圖
當可燃氣體泄漏達到一定濃度時,可燃氣體傳感器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳給PLC,經(jīng)過PLC處理并輸出動作信號,控制房間報警器報警、換氣扇換氣、煤氣電磁閥關閉和物業(yè)報警器報警、綠色指示燈亮(指示什么警報和哪戶);當門或窗被打開后,門側(cè)微動開關閉合將信號傳給PLC,經(jīng)PLC處理延時5 s輸出,控制房間和物業(yè)報警器報警與黃色指示燈亮;當房間有東西發(fā)生燃燒時會產(chǎn)生大量煙霧,煙霧達到一定濃度時,煙霧傳感器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給PLC,經(jīng)PLC處理并輸出動作信號控制房間滅火電磁閥打開、語音播放器打開和物業(yè)報警器報警、紅色指示燈亮;按動窗簾按鈕經(jīng)PLC控制電動機正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)窗簾的打開與關閉。
2.1 煙霧傳感器和可燃氣體傳感器模塊
(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,已被廣泛應用到要求較高的各類消防報警系統(tǒng)中。光電式煙霧傳感器主要通過接收煙霧中的紅外線來檢測煙霧是否超過了閾值而進行報警,它是在事件發(fā)生后進行報警,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及其與濃度有關的信息轉(zhuǎn)換為電信號,控制器根據(jù)信號的強弱獲得待測氣體在環(huán)境中存在的有關信息,進而檢測、監(jiān)控、報警,且能通過接口電路與計算機連接形成自動檢測、控制和報警系統(tǒng),適合于家居安防系統(tǒng)。
(2)可燃氣體傳感器??扇細怏w傳感器分為催化燃燒型和紅外光學型2種。催化型可燃氣體傳感器是根據(jù)金屬鉑絲受熱后電阻的變化來測定可燃氣體濃度的。而紅外光學型是通過紅外光源的吸收原理來檢測現(xiàn)場環(huán)境的碳氫類可燃氣體的。
本次設計的家居安防系統(tǒng)要求傳感器能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,與PLC組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng),因此系統(tǒng)選用MQ-2氣敏式煙霧傳感器。該傳感器可檢測多種可燃性氣體,是一款適合多種應用且性價比較高的傳感器[3],完全能滿足設計要求。
2.2 電磁閥
電磁閥是一種電磁控制的工業(yè)設備,是實現(xiàn)自動化的基本元件,屬于自動控制中的執(zhí)行器,并不限于液壓、氣動。電磁閥可分為直動式電磁閥、分步直動式電磁閥、先導式電磁閥3大類。直動式電磁閥的特點是在真空、負壓、零壓時能正常工作,但直徑一般不大于25 mm;分步直動式電磁閥的特點是在零壓差或真空、高壓時亦能動作,但消耗功率較大,必須水平安裝;先導式電磁閥的特點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類電磁閥的特點系統(tǒng)選用方便實用的直動式電磁閥:一個常閉電磁閥控制消防水管,一個常開電磁閥控制煤氣管道。
2.3 微動開關
微動開關:小電流主令電器,利用機械運動部件的碰撞控制觸頭動作實現(xiàn)電路的接通或斷開,達到控制目的。在本系統(tǒng)中,把微動開關裝在門和窗側(cè)面的槽里來檢測門和窗是否被打開。微動開關原理圖如圖2所示。
圖2 微動開關原理圖
2.4 PLC簡介
可編程控制器PLC是20世紀60年代末在美國首先出現(xiàn)的,當時主要是用來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、計時、計數(shù)等功能。隨著電子技術的發(fā)展,PLC的功能越來越齊全,不再只是簡單的邏輯判斷功能,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、計算機技術、通信技術和控制技術的發(fā)展,PLC的功能得到了進一步提高[4]?,F(xiàn)在PLC不論從體積上、人機界面功能、端子接線技術,還是從內(nèi)在性能、實現(xiàn)功能方面都遠非過去的PLC可比。
(1)PLC的基本結構。PLC主要由儲存器、CPU、電源和專門設計的輸入輸出接口電路等組成,如圖3所示。
圖3 PLC結構圖
(2)PLC的優(yōu)點。PLC具有抗干擾能力強、可靠性高、豐富的I/O接口模塊、編程簡單、維修方便、安裝簡單、功能完美、配套齊全、能耗低、體積小、重量輕、系統(tǒng)設計、調(diào)試周期短等顯著特點。
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;當系統(tǒng)收到火災信號時,系統(tǒng)打開自動滅火裝置,給物業(yè)報警的同時重復播放火災自救語音提示,直到火滅。當系統(tǒng)收到煤氣泄漏信號時,系統(tǒng)打開換氣扇、給物業(yè)報警、房間警鈴報警、自動關閉煤氣總閥門。當系統(tǒng)收到非法入侵信號時,系統(tǒng)即給物業(yè)報警并且房間警鈴報警。
2.5.2 PLC的選型
(1)查看所有的I/O點。分清所有的I/O點是直流信號還是交流信號,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的輸出點經(jīng)常是幾個一組共用一個公共端,以免造成輸出點數(shù)的浪費,導致增加成本。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PLC有較詳細的了解,以做出正確的選擇。
(3)不同的PLC價格不同,有些PLC功能類似,價格相差大,要綜合考慮。
綜上,家居安防控制系統(tǒng)采用德國西門子S7-200型的PLC,有24個輸入口和16個輸出口,可以滿足設計需求。且其價格便宜、操作簡單、可靠性高。它的硬件配置靈活,既可單獨使用一個S7-200 CPU構成一個簡單的數(shù)字量控制系統(tǒng),也可通過電纜對數(shù)字量I/O模塊、智能接口模塊擴展,構成較復雜的中等規(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,應先估算I/O口點數(shù)數(shù)量,一般在I/O口點數(shù)總和的基礎上再擴展10%~20%。本設計估算點數(shù)后,輸入點數(shù)為10個,輸出點數(shù)為5個。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。
3.1 防盜模塊設計
本設計采用微動開關對門、窗的關閉進行檢測,當門和窗關的時候,微動開關處于斷開狀態(tài),當門和窗打開時,微動開關閉合,此時就會向PLC輸入一個信號。PLC設定為5 s延時輸出報警信號,若在5 s內(nèi)按下關閉布防按鈕則解除報警,反之發(fā)出警報,小區(qū)保安接到報警后可立即趕往事故現(xiàn)場進行處理。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 防火模塊設計
為防止和避免火災事故,設置火災自動報警系統(tǒng)?;馂淖詣訄缶到y(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)測房間的火災隱患,及時向家人和物業(yè)管理中心發(fā)出報警信號。
煙霧傳感器用來檢測是否發(fā)生火災,若檢測到有火災發(fā)生,就會立即向物業(yè)報警,同時開啟自動滅火裝置和語音播放器,語音播放器重復播放火災自救提示。防火控制流程圖如圖6所示。
3.3 防燃氣泄漏模塊設計
家用可燃氣體一般是煤氣、天然氣、石油液化氣等,主要用于廚房和熱水器,所以可燃氣體傳感器應安裝在氣體進出容易泄漏的地方,便于及時檢測。當有煤氣泄漏時,系統(tǒng)會立即向物業(yè)和住戶報警、自動關閉煤氣總閥門并且打開換氣扇。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
家居安防控制系統(tǒng)以西門子S7-200 PLC為控制核心,實現(xiàn)了家居安防的自動監(jiān)測與控制??刂葡到y(tǒng)通過各行程開關、按鈕開關及繼電器觸點的閉合與斷開發(fā)出信號傳送給PLC,經(jīng)過PLC處理后發(fā)出控制信號控制安防系統(tǒng)的各部分動作。系統(tǒng)結構簡單、控制簡捷方便、經(jīng)濟適用、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的藍牙智能家居系統(tǒng)[J].渭南師范學院學報,2016,31(4):24-32.
[2] 田芳明,李騰.基于MSP430f149單片機的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學學報,2013,(4):65-69.
[3] 龍光利.基于GSM/GPRS無線防盜系統(tǒng)的應用研究[D].西安:西安科技大學碩士學位論文,2013:8-9.
[4] 莊德才.自動插件機控制系統(tǒng)的研究[D].青島:青島科技大學碩士學位論文,2011:25-32.
[5] 郭和偉.電器與PLC控制技術[M].北京:清華大學出版社,2007:112-157.
[6] 白雪.電機與電氣控制技術[M].西安:西北工業(yè)大學出版社,2008:66-78.
【責任編輯 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)攻關項目:SOC及模數(shù)混合大規(guī)模集成電路直流參數(shù)測試系統(tǒng)(2016GY-117);渭南師范學院科研計劃項目:基于GPS和GPRS的車載緊急呼叫系統(tǒng)研究(17YKS03);渭南師范學院特色學科建設項目:電氣工程與秦東工業(yè)(14TSXK07)
朱志平(1959—),男,陜西武功人,渭南師范學院數(shù)理學院副教授,主要從事電子電氣工程研究。