基于PLC的家居安防系統

朱 志 平

(渭南師范學院 數理學院，陜西 渭南 714099)

【現代應用技術研究】

基于PLC的家居安防系統

朱 志 平

(渭南師范學院 數理學院，陜西 渭南 714099)

設計一種基于PLC的家居安防系統，系統以西門子S7-200 PLC為控制核心，硬件上通過MQ-2傳感器等實現對室內各種參數的采集，實現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程序。系統具有可靠性高、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

隨著國民經濟的發展，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。故此出現了各式各樣的安防系統，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。本系統可在各種不安全因素出現時及時報警并做出一些動作(如滅火、關煤氣等)，并通知小區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。

1 家居安防系統的結構

安防系統的硬件系統是以PLC為核心，包括煙霧傳感器、可燃氣體傳感器、門側微動開關、換氣扇、語音播放器、電磁閥等。安防系統的設計結構圖如圖1所示。

圖1 安防系統設計結構圖

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換為數字信號傳給PLC，經過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，門側微動開關閉合將信號傳給PLC，經PLC處理延時5 s輸出，控制房間和物業報警器報警與黃色指示燈亮；當房間有東西發生燃燒時會產生大量煙霧，煙霧達到一定濃度時，煙霧傳感器將模擬信號轉換為數字信號傳輸給PLC，經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報警器報警、紅色指示燈亮；按動窗簾按鈕經PLC控制電動機正反轉來實現窗簾的打開與關閉。

2 家居安防系統硬件設計

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，它是在事件發生后進行報警，不適用于家居安防系統。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換為電信號，控制器根據信號的強弱獲得待測氣體在環境中存在的有關信息，進而檢測、監控、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，適合于家居安防系統。

(2)可燃氣體傳感器。可燃氣體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場環境的碳氫類可燃氣體的。

本次設計的家居安防系統要求傳感器能將模擬量轉換為數字信號，與PLC組成自動檢測、控制和報警系統，因此系統選用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設備，是實現自動化的基本元件，屬于自動控制中的執行器，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3類電磁閥的特點系統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電路的接通或斷開，達到控制目的。在本系統中，把微動開關裝在門和窗側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的，當時主要是用來取代繼電器邏輯控制系統，其功能就是執行繼電器邏輯、計時、計數等功能。隨著電子技術的發展，PLC的功能越來越齊全，不再只是簡單的邏輯判斷功能，還具有數據處理、PID(比例(proportion)、積分(integration)、微分(differentiation))調節和數據通信功能。并且隨著芯片技術、計算機技術、通信技術和控制技術的發展，PLC的功能得到了進一步提高[4]。現在PLC不論從體積上、人機界面功能、端子接線技術，還是從內在性能、實現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、系統設計、調試周期短等顯著特點。

2.5 PLC的選擇

2.5.1 家居安防系統控制要求

PLC上電后，系統初始化；當系統收到火災信號時，系統打開自動滅火裝置,給物業報警的同時重復播放火災自救語音提示，直到火滅。當系統收到煤氣泄漏信號時，系統打開換氣扇、給物業報警、房間警鈴報警、自動關閉煤氣總閥門。當系統收到非法入侵信號時，系統即給物業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的輸出點經常是幾個一組共用一個公共端，以免造成輸出點數的浪費，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構成一個簡單的數字量控制系統，也可通過電纜對數字量I/O模塊、智能接口模塊擴展，構成較復雜的中等規模控制系統[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口點數數量，一般在I/O口點數總和的基礎上再擴展10%～20%。本設計估算點數后，輸入點數為10個，輸出點數為5個。I/O口分配如表1所示。

2.6 家居安防系統的外部接線圖

根據系統需要，家居安防控制系統的外部接線圖如圖4所示。

3 家居安防控制系統軟件設計

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，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內按下關閉布防按鈕則解除報警，反之發出警報，小區保安接到報警后可立即趕往事故現場進行處理。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。火災自動報警系統中的煙霧傳感器一般安裝在起居室或易發生起火的地方，監測房間的火災隱患，及時向家人和物業管理中心發出報警信號。

煙霧傳感器用來檢測是否發生火災，若檢測到有火災發生，就會立即向物業報警，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，系統會立即向物業和住戶報警、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

4 結語

家居安防控制系統以西門子S7-200 PLC為控制核心，實現了家居安防的自動監測與控制。控制系統通過各行程開關、按鈕開關及繼電器觸點的閉合與斷開發出信號傳送給PLC，經過PLC處理后發出控制信號控制安防系統的各部分動作。系統結構簡單、控制簡捷方便、經濟適用、故障率低、可靠性高，適合于小區集體管理使用。

[1] 朱志平.基于MSP430的藍牙智能家居系統[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控系統設計[J].黑龍江八一農墾大學學報,2013,(4):65-69.

[3] 龍光利.基于GSM/GPRS無線防盜系統的應用研究[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

陜西省科技廳工業攻關項目：SOC及模數混合大規模集成電路直流參數測試系統(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(14TSXK07)

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