基于PLC的家居安防系统

朱 志 平

(渭南师范学院 数理学院，陕西 渭南 714099)

【现代应用技术研究】

基于PLC的家居安防系统

朱 志 平

(渭南师范学院 数理学院，陕西 渭南 714099)

设计一种基于PLC的家居安防系统，系统以西门子S7-200 PLC为控制核心，硬件上通过MQ-2传感器等实现对室内各种参数的采集，实现对灭火和关煤气电磁阀的控制及报警等功能；软件上采用西门子PLC编程软件STEP 7-MicroWIN编制了家居安防控制系统程序。系统具有可靠性高、抗干扰能力强、操作简单、控制方便等特点，为家庭生活的安全舒适提供强有力的保障。

家居安防；PLC；S7-200

随着国民经济的发展，人民的生活水平越来越高。随之而来，人们对家居安全也提出了更高的要求，诸如漏气、漏电、防火、盗窃等一切不安全因素能在人们未知的情况下给予警示，使人们防患于未然。故此出现了各式各样的安防系统，特别是以单片机控制的居多。[1-2]本文提出用可编程控制器(PLC)作为控制核心，利用各种传感器和微动开关作为外围部件对住宅进行安全布防。本系统可在各种不安全因素出现时及时报警并做出一些动作(如灭火、关煤气等)，并通知小区安全管理中心及时消除险情，为住户的安全提供强有力的保障。

1 家居安防系统的结构

安防系统的硬件系统是以PLC为核心，包括烟雾传感器、可燃气体传感器、门侧微动开关、换气扇、语音播放器、电磁阀等。安防系统的设计结构图如图1所示。

图1 安防系统设计结构图

当可燃气体泄漏达到一定浓度时，可燃气体传感器将模拟量转换为数字信号传给PLC，经过PLC处理并输出动作信号，控制房间报警器报警、换气扇换气、煤气电磁阀关闭和物业报警器报警、绿色指示灯亮(指示什么警报和哪户)；当门或窗被打开后，门侧微动开关闭合将信号传给PLC，经PLC处理延时5 s输出，控制房间和物业报警器报警与黄色指示灯亮；当房间有东西发生燃烧时会产生大量烟雾，烟雾达到一定浓度时，烟雾传感器将模拟信号转换为数字信号传输给PLC，经PLC处理并输出动作信号控制房间灭火电磁阀打开、语音播放器打开和物业报警器报警、红色指示灯亮；按动窗帘按钮经PLC控制电动机正反转来实现窗帘的打开与关闭。

2 家居安防系统硬件设计

2.1 烟雾传感器和可燃气体传感器模块

(1)烟雾传感器。烟雾传感器分为离子烟雾传感器、光电式烟雾传感器和气敏式烟雾传感器。其中以离子烟雾传感器最为先进，已被广泛应用到要求较高的各类消防报警系统中。光电式烟雾传感器主要通过接收烟雾中的红外线来检测烟雾是否超过了阈值而进行报警，它是在事件发生后进行报警，不适用于家居安防系统。气敏式烟雾传感器是将气体种类及其与浓度有关的信息转换为电信号，控制器根据信号的强弱获得待测气体在环境中存在的有关信息，进而检测、监控、报警，且能通过接口电路与计算机连接形成自动检测、控制和报警系统，适合于家居安防系统。

(2)可燃气体传感器。可燃气体传感器分为催化燃烧型和红外光学型2种。催化型可燃气体传感器是根据金属铂丝受热后电阻的变化来测定可燃气体浓度的。而红外光学型是通过红外光源的吸收原理来检测现场环境的碳氢类可燃气体的。

本次设计的家居安防系统要求传感器能将模拟量转换为数字信号，与PLC组成自动检测、控制和报警系统，因此系统选用MQ-2气敏式烟雾传感器。该传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用且性价比较高的传感器[3],完全能满足设计要求。

2.2 电磁阀

电磁阀是一种电磁控制的工业设备，是实现自动化的基本元件，属于自动控制中的执行器，并不限于液压、气动。电磁阀可分为直动式电磁阀、分步直动式电磁阀、先导式电磁阀3大类。直动式电磁阀的特点是在真空、负压、零压时能正常工作，但直径一般不大于25 mm；分步直动式电磁阀的特点是在零压差或真空、高压时亦能动作，但消耗功率较大，必须水平安装；先导式电磁阀的特点是流体压力范围上限较高，可任意安装(需定制)，但必须满足流体压差条件。

根据3类电磁阀的特点系统选用方便实用的直动式电磁阀：一个常闭电磁阀控制消防水管，一个常开电磁阀控制煤气管道。

2.3 微动开关

微动开关：小电流主令电器，利用机械运动部件的碰撞控制触头动作实现电路的接通或断开，达到控制目的。在本系统中，把微动开关装在门和窗侧面的槽里来检测门和窗是否被打开。微动开关原理图如图2所示。

图2 微动开关原理图

2.4 PLC简介

可编程控制器PLC是20世纪60年代末在美国首先出现的，当时主要是用来取代继电器逻辑控制系统，其功能就是执行继电器逻辑、计时、计数等功能。随着电子技术的发展，PLC的功能越来越齐全，不再只是简单的逻辑判断功能，还具有数据处理、PID(比例(proportion)、积分(integration)、微分(differentiation))调节和数据通信功能。并且随着芯片技术、计算机技术、通信技术和控制技术的发展，PLC的功能得到了进一步提高[4]。现在PLC不论从体积上、人机界面功能、端子接线技术，还是从内在性能、实现功能方面都远非过去的PLC可比。

(1)PLC的基本结构。PLC主要由储存器、CPU、电源和专门设计的输入输出接口电路等组成，如图3所示。

图3 PLC结构图

(2)PLC的优点。PLC具有抗干扰能力强、可靠性高、丰富的I/O接口模块、编程简单、维修方便、安装简单、功能完美、配套齐全、能耗低、体积小、重量轻、系统设计、调试周期短等显著特点。

2.5 PLC的选择

2.5.1 家居安防系统控制要求

PLC上电后，系统初始化；当系统收到火灾信号时，系统打开自动灭火装置,给物业报警的同时重复播放火灾自救语音提示，直到火灭。当系统收到煤气泄漏信号时，系统打开换气扇、给物业报警、房间警铃报警、自动关闭煤气总阀门。当系统收到非法入侵信号时，系统即给物业报警并且房间警铃报警。

2.5.2 PLC的选型

(1)查看所有的I/O点。分清所有的I/O点是直流信号还是交流信号，它们的电源电压以及输出是用继电器型还是晶体管型。且PLC的输出点经常是几个一组共用一个公共端，以免造成输出点数的浪费，导致增加成本。大部分情况PLC多使用继电器输出[5]。

(2)常规功能是所有PLC所具备的，特殊功能就需要用户对PLC有较详细的了解，以做出正确的选择。

(3)不同的PLC价格不同，有些PLC功能类似，价格相差大，要综合考虑。

综上，家居安防控制系统采用德国西门子S7-200型的PLC，有24个输入口和16个输出口，可以满足设计需求。且其价格便宜、操作简单、可靠性高。它的硬件配置灵活，既可单独使用一个S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过电缆对数字量I/O模块、智能接口模块扩展，构成较复杂的中等规模控制系统[6]。

2.5.3 I/O地址分配

在I/O口地址分配前，应先估算I/O口点数数量，一般在I/O口点数总和的基础上再扩展10%～20%。本设计估算点数后，输入点数为10个，输出点数为5个。I/O口分配如表1所示。

2.6 家居安防系统的外部接线图

根据系统需要，家居安防控制系统的外部接线图如图4所示。

3 家居安防控制系统软件设计

3.1 防盗模块设计

本设计采用微动开关对门、窗的关闭进行检测，当门和窗关的时候，微动开关处于断开状态，当门和窗打开时，微动开关闭合，此时就会向PLC输入一个信号。PLC设定为5 s延时输出报警信号，若在5 s内按下关闭布防按钮则解除报警，反之发出警报，小区保安接到报警后可立即赶往事故现场进行处理。防盗控制流程图如图5所示。

表1 I/O口地址分配

图4 外部接线图

图5 防盗控制流程图

3.2 防火模块设计

为防止和避免火灾事故，设置火灾自动报警系统。火灾自动报警系统中的烟雾传感器一般安装在起居室或易发生起火的地方，监测房间的火灾隐患，及时向家人和物业管理中心发出报警信号。

烟雾传感器用来检测是否发生火灾，若检测到有火灾发生，就会立即向物业报警，同时开启自动灭火装置和语音播放器，语音播放器重复播放火灾自救提示。防火控制流程图如图6所示。

3.3 防燃气泄漏模块设计

家用可燃气体一般是煤气、天然气、石油液化气等，主要用于厨房和热水器，所以可燃气体传感器应安装在气体进出容易泄漏的地方，便于及时检测。当有煤气泄漏时，系统会立即向物业和住户报警、自动关闭煤气总阀门并且打开换气扇。防煤气泄漏控制流程图如图7所示。

图6 防火控制流程图

图7 防煤气泄漏控制流程图

4 结语

家居安防控制系统以西门子S7-200 PLC为控制核心，实现了家居安防的自动监测与控制。控制系统通过各行程开关、按钮开关及继电器触点的闭合与断开发出信号传送给PLC，经过PLC处理后发出控制信号控制安防系统的各部分动作。系统结构简单、控制简捷方便、经济适用、故障率低、可靠性高，适合于小区集体管理使用。

[1] 朱志平.基于MSP430的蓝牙智能家居系统[J].渭南师范学院学报，2016,31(4)：24-32.

[2] 田芳明,李腾.基于MSP430f149单片机的智能家居监控系统设计[J].黑龙江八一农垦大学学报,2013,(4):65-69.

[3] 龙光利.基于GSM/GPRS无线防盗系统的应用研究[D].西安：西安科技大学硕士学位论文，2013：8-9.

[4] 庄德才.自动插件机控制系统的研究[D].青岛：青岛科技大学硕士学位论文,2011：25-32.

[5] 郭和伟.电器与PLC控制技术[M].北京:清华大学出版社,2007：112-157.

[6] 白雪.电机与电气控制技术[M].西安:西北工业大学出版社,2008：66-78.

【责任编辑 牛怀岗】

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

陕西省科技厅工业攻关项目：SOC及模数混合大规模集成电路直流参数测试系统(2016GY-117)；渭南师范学院科研计划项目：基于GPS和GPRS的车载紧急呼叫系统研究(17YKS03);渭南师范学院特色学科建设项目：电气工程与秦东工业(14TSXK07)

朱志平(1959—)，男，陕西武功人，渭南师范学院数理学院副教授，主要从事电子电气工程研究。