曾喜娟，吳志華

（黎明職業(yè)大學(xué)，福建 泉州 362000）

0 引言

智能實(shí)訓(xùn)室控制系統(tǒng)集控制與監(jiān)視于一體，是現(xiàn)代實(shí)訓(xùn)室管理不可或缺的部分，可以減輕實(shí)訓(xùn)室管理人員的工作負(fù)擔(dān)。其集成了安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，將實(shí)訓(xùn)室的用電設(shè)備進(jìn)行集中控制，搭建便捷、高效的實(shí)訓(xùn)室日常事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升現(xiàn)代實(shí)訓(xùn)室環(huán)保節(jié)能的應(yīng)用環(huán)境，并綜合保障實(shí)訓(xùn)室的安全性、便利性、舒適性。隨著IT 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能實(shí)訓(xùn)室的控制技術(shù)日趨完善。智能實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)多種多樣，但工作忙碌的實(shí)訓(xùn)室管理人員不能時(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)實(shí)訓(xùn)室的運(yùn)行情況，因此有一種可遠(yuǎn)程控制、可實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能實(shí)訓(xùn)室控制系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。

基于以上情況，并參考現(xiàn)有智能家居的設(shè)計(jì)方案［1］，本文設(shè)計(jì)了以西門子S7-200PLC 為核心的智能實(shí)訓(xùn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的S7-200 CPU 為224XP 的PLC 做下位機(jī)，通過(guò)帶SIM卡的通信模塊把數(shù)據(jù)傳輸給EMCP 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，用戶使用手機(jī)APP通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制實(shí)訓(xùn)室的總電源、門、照明、電動(dòng)窗簾等的運(yùn)行，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)室煙霧及溫度報(bào)警，再通過(guò)對(duì)MCGS 觸摸屏進(jìn)行組態(tài)畫面的設(shè)計(jì)，綜合監(jiān)視實(shí)訓(xùn)室環(huán)境安全及啟停實(shí)訓(xùn)室各用電設(shè)備，方便實(shí)訓(xùn)室管理人員的操作，對(duì)減輕實(shí)訓(xùn)室管理人員的工作負(fù)擔(dān)起到一定的作用，對(duì)保障實(shí)訓(xùn)室的安全性、實(shí)時(shí)性有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 智能實(shí)訓(xùn)室控制系統(tǒng)組成

智能實(shí)訓(xùn)室PLC 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)總共分為總電源控制系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、窗簾系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)五個(gè)部分［2］，每一部分均可與手機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且可通過(guò)MCGS觸摸屏實(shí)現(xiàn)集中控制及監(jiān)視各用電設(shè)備的狀態(tài)，西門子的S7-200PLC 連接到EMCP 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)（簡(jiǎn)稱EMCP），實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP 對(duì)PLC 的遠(yuǎn)程控制。

圖1 智能實(shí)訓(xùn)室控制PLC 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖

圖2 智能實(shí)訓(xùn)室PLC外接線圖

圖3 照明及風(fēng)扇電路圖

圖4 窗簾電機(jī)控制電路圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方案設(shè)計(jì)

2.1 智能實(shí)訓(xùn)室控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)了智能實(shí)訓(xùn)室控制系統(tǒng)的硬件電路圖。如圖2-4所示。

其中可編程邏輯控制器選用西門子的S7-200CPU224XPDC/DC/DC 的PLC ，該款PLC 有14 點(diǎn)輸入、10點(diǎn)輸出，本系統(tǒng)只要4點(diǎn)輸入、7點(diǎn)輸出，因此該P(yáng)LC滿足設(shè)計(jì)需求，剩余點(diǎn)數(shù)可作為今后系統(tǒng)功能擴(kuò)展使用。電路中I/O分配表及各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功能如表1所示。

表1 I/O分配表

圖中照明和風(fēng)扇及插座（電路中未畫出）采用單相交流220V 電源，窗簾電機(jī)電源為直流24V［3］，PLC 工作電源、輸入、輸出負(fù)載均采用直流電，電壓均為24v，另外煙霧傳感器采用阿波羅煙霧傳感器，型號(hào)為ORB-RB-1004-APO，電源也是直流24V。這款傳感器底座帶有一對(duì)常開和一對(duì)常閉觸點(diǎn)，方便與PLC 連接，當(dāng)煙霧濃度達(dá)到一定值，常開和常閉觸點(diǎn)動(dòng)作，而當(dāng)煙霧解除，常開和常閉觸點(diǎn)自動(dòng)復(fù)位。因此本設(shè)計(jì)采用DC24V直流開關(guān)電源，既安全又可簡(jiǎn)化電路。

本設(shè)計(jì)電路各部分的工作原理如下：

總電源控制。如圖3、4 所示，照明及風(fēng)扇電路電源是AC220v，窗簾繼電器電源為24V。其控制原理是當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)電路正常，則常開觸點(diǎn)斷開，I0.4沒輸入信號(hào)，手機(jī)上激活總電源“開”則Q0.4有輸出，接觸器KM1 線圈得電，照明及風(fēng)扇電路中的KM1 主觸頭閉合，則總電源接通，為照明和風(fēng)扇（還有插座，圖中未畫出）工作做準(zhǔn)備，同時(shí)窗簾繼電器回路中的KM1常開觸點(diǎn)也閉合，為窗簾的工作做準(zhǔn)備。當(dāng)要斷開總電源時(shí)，只需在手機(jī)上激活總電源“關(guān)”即可斷電。

照明及風(fēng)扇控制。當(dāng)總電源接通后，可以在手機(jī)上分別激活照明和風(fēng)扇的“開”或操作照明及風(fēng)扇控制按鈕，均可使得照明控制繼電器KA1和風(fēng)扇控制繼電器KA2 得電，使得圖3 所示的照明和風(fēng)扇電路中的KAI 和KA2 繼電器的常開觸點(diǎn)［4］閉合，照明和風(fēng)扇就可以工作，當(dāng)要斷電時(shí)，只需手機(jī)上輸入“關(guān)”即可。

窗簾控制。窗簾電機(jī)采用DC24V直流電機(jī)，可以保障人身安全。當(dāng)接通總電源控制接觸器KM1后，KM1常開觸點(diǎn)閉合，引入DC24V直流電源，在手機(jī)上激活“窗簾開”選項(xiàng)，則Q0.1輸出使得KA3窗簾開繼電器得電，窗簾電機(jī)電路中的KA3常開觸點(diǎn)閉合，電流從“+”流出，從電機(jī)M上方流入，下方流出，回到電源“-”極，電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)窗簾布打開。當(dāng)要合上窗簾時(shí)，在手機(jī)上激活“窗簾關(guān)”選項(xiàng)，則Q0.2輸出使得KA4窗簾關(guān)繼電器得電，窗簾電機(jī)電路中的KA4常開觸點(diǎn)閉合，電流從“+”流出，從電機(jī)M下方流入，上方流出，回到電源“-”極，電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)窗簾布關(guān)上。本設(shè)計(jì)設(shè)有KA3與KA4互鎖電路，保障窗簾電路不短路。

煙霧報(bào)警控制。煙霧報(bào)警主要由阿波羅煙霧傳感器檢測(cè)煙霧濃度，當(dāng)濃度達(dá)到一定程度時(shí)，傳感器的一對(duì)常開觸點(diǎn)閉合，使得I0.4有輸入，使得Q0.0產(chǎn)生輸出，向手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，這時(shí)操作手機(jī)上總電源“關(guān)”選項(xiàng)，立即斷開總電源，防止更大事故發(fā)生。

門禁控制。當(dāng)需要開實(shí)訓(xùn)室門時(shí)，只要在手機(jī)上操作門“開”選項(xiàng)，則PLC 上Q0.7 輸出信號(hào)使得YL門鎖電磁線圈得電，則開鎖，門即可打開，反之即可關(guān)門。

2.2 S7-200PLC與GM10-DTU模塊連接

2.2.1 連接電路設(shè)計(jì)

S7-200CPU224xp 的PLC 有兩個(gè)485通信口port0 和port1，兩個(gè)串口中port1 口做程序的下載和在線監(jiān)視，port0 做Modbus-RTU 從站與GM10-DTU模塊通訊，準(zhǔn)備一顆9針串口頭，用兩根導(dǎo)線分別焊接的3 和8 引腳（200PLC 系統(tǒng)手冊(cè)中有介紹，3 和8引腳為485 通訊口）。此時(shí)將PLC prot0 串口的3 引腳連接GM10模塊的“485A”端子，8引腳連接GM10模塊的“485B”端子（圖5）。

圖5 S7-200PLC與GM10-DTU模塊連線圖

接著設(shè)置好DTU 網(wǎng)關(guān)（這里選擇用藍(lán)蜂數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)）并連接天線、插上SIM 卡（移動(dòng)/聯(lián)通流量卡，大卡）、連接到12V或24V的電源即可。

2.2.2 創(chuàng)建S7-200 PLC作為從站

在Step7-MicroWin 編程軟件中新建工程，在主程序中添加Modbus Slave Port0 功能（MBUS_INIT，MBUS_SLAVE），如圖6 所示。西門子Modbus 從站協(xié)議庫(kù)包括兩條指令：MBUS_INIT 指令和MBUS_SLAVE 指令，其中MBUS_SLAVE 指令用于為Modbus 主設(shè)備發(fā)出求服務(wù)，而MBUS_INIT 指令用于啟用、初始化或禁止Modbus 從站通訊。在使用MBUS_SLAVE 指令之前，必須正確執(zhí)行MBUS_INIT 指令。

圖6 Modbus Slave Port0

創(chuàng)建S7-200 PLC Modbus 從站程序如圖7 所示。程序中我們將Modbus 保持寄存器區(qū)從VB1000 開始（HoldStart ＝VB1000），并且保持寄存器為100 個(gè)字（MaxHold＝100），因保持寄存器以字（兩個(gè)字節(jié)）為單位，實(shí)際上這個(gè)通信緩沖區(qū)占用了VB1000～VB1200 共200 個(gè)字節(jié)。

圖7 S7200 PLC Modbus從站程序

2.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)置

登錄EMCP云平臺(tái)［5］，進(jìn)入設(shè)備列表顯示頁(yè)面，點(diǎn)擊右上角的“后臺(tái)管理”按鈕，進(jìn)入EMCP 平臺(tái)的后臺(tái)，打開“后臺(tái)管理”中的“模塊管理”頁(yè)面，將DTU 綁定至管理員賬號(hào)，然后就可以使用“遠(yuǎn)程配置”功能來(lái)配置DTU 的各項(xiàng)通訊參數(shù)和功能參數(shù)，（最主要兩個(gè)地方需要配置，一是與PLC 通訊的串口參數(shù)，二是設(shè)置DTU 定時(shí)采集PLC 數(shù)據(jù)的MODBUS 通道參數(shù)。）以后點(diǎn)擊網(wǎng)頁(yè)左側(cè)選擇菜單“設(shè)備管理”中的“新增”新建一個(gè)設(shè)備“西門子S7-200PLC”，之后點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)規(guī)則”進(jìn)入規(guī)則設(shè)置頁(yè)面，點(diǎn)擊右上角的“新增”，在彈出的窗口中設(shè)置該數(shù)據(jù)規(guī)則的名稱“S7-200PLC”和展示樣式“列表展示”。然后再選中“讀寫數(shù)據(jù)”選項(xiàng)，在彈出對(duì)話框中設(shè)置各數(shù)據(jù)屬性，如圖8 所示，一一設(shè)置燈、風(fēng)扇等的讀寫屬性，注意設(shè)置寄存器地址時(shí)一定要和表1 所示的I/O點(diǎn)對(duì)應(yīng)。然后再在手機(jī)安裝《云聯(lián)物通》手機(jī)APP，這樣就可以使移動(dòng)終端和PLC 上的GM10 無(wú)線模塊通過(guò)短信的方式相互傳遞信息。手機(jī)下載APP登陸后的組態(tài)界面如圖9所示。

圖8 風(fēng)扇讀寫屬性設(shè)置圖

圖9 手機(jī)組態(tài)畫面圖

3 MCGS觸摸屏監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)觸摸屏采用MCGS 嵌入版組態(tài)軟件［6］，主要用來(lái)完成實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)。組態(tài)畫面主要有照明、風(fēng)扇、窗簾以及門的監(jiān)控，圖10所示為實(shí)訓(xùn)室觸摸屏主畫面。

圖10 MCGS觸摸屏主畫面

組態(tài)變量如圖11 所示。只要通過(guò)編寫腳本程序，即可實(shí)現(xiàn)燈、窗簾、門的動(dòng)畫，把寫好的腳本程序下載至觸摸屏，與PLC 聯(lián)機(jī)運(yùn)行，當(dāng)手機(jī)上操作對(duì)應(yīng)的用電設(shè)備開關(guān)時(shí)，觸摸屏上可以顯示出對(duì)應(yīng)用電設(shè)備的工作狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)訓(xùn)室的監(jiān)控。

圖11 MCGS組態(tài)變量圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于西門子的S7-200PLC 與帶SIM 卡的通信模塊連接，把數(shù)據(jù)傳輸給EMCP 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，用戶使用手機(jī)APP通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制實(shí)訓(xùn)室，并可通過(guò)MCGS 觸摸屏對(duì)實(shí)訓(xùn)室的用電設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。該系統(tǒng)可以減少實(shí)訓(xùn)室管理員的工作量，并且實(shí)訓(xùn)室管理員即使不在辦公區(qū)域也可以對(duì)實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行控制。本系統(tǒng)已經(jīng)得到實(shí)際驗(yàn)證，具有抗干擾能力強(qiáng)、控制實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。