基于plc的智能家居安防系统大学论文

内蒙古科技大学

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题目：基于PLC的智能家居安防系统

学生姓名：

学号： 0

专业：自动化

班级：自2005-3班

指导教师：

基于PLC的智能家居安防系统

摘要

随着我国经济的快速发展，生活水平的不断提高，人们对居家的概念已从最初满足简单的居住功能发展到注重对住宅的人性化需求。安全、舒适、快捷、方便的智能小区，已成为住宅发展的主流趋势，其中，安全性是首要目标。智能小区安全性的实现，除了人为的因素外，主要依靠小区的智能化安全防范系统。所以研究和开发智能家居安防系统具有很高的实用价值。在安防系统中，防火和防盗是主要的。因此，通过传感器把各种防火防盗的信号传输给小区报警中心，小区报警中心能迅速做出反应，阻止不法分子的得逞和火灾的发生。智能安防系统就是保障了人们居家的安全和利益，使人们的生活更加安全、舒适。所以设计和开发智能家居安防系统，不仅具有很强的现实意义，也有广泛的市场前景。

本设计介绍了西门子S7-300的通信协议和工控组态软件WinCC在家具安防系统中的应用,并讨论通过用MPI 网络实现S7-300与工控组态软件WinCC 之间通信和用PROFIBUS-DP总线实现S7-300与S7-300之间通信的方法。

关键字: 智能小区；安防系统；WinCC；住宅；报警

Based on PLC intelligent household security system

Abstract

With economy rapid developed and living standard continuous improved, people’s concept of home has changed from initial simple living function to the individual demands. The intelligent community, which is safe, convenient and comfortable, has become the housing development tendency. And safety is the primary target in that tendency. The safe of the intelligent community, except for human factors, mainly rely on safe guard system of intelligent community. So the research and development of intelligent household security system has high practical value. In the security system, fireproofing and security system is very important. Therefore, if transmit various fire-theft alarm signal to the community alarm centers through the sensor, community alarm centers can rapid reaction so that prevent the lawbreakers’actions and prevent fire occurrence. Intelligent surveillance system is the guarantee for the security and interests of the housing people and makes the life of people more safe and comfortable. So the design and development of intelligent household security system, not only has a strong practical significance, bur also has wide prospect of market.

This design introduces application of Siemens S7-300 communication protocol and the industrial control configuration software security system WinCC in furniture security system. Then the paper discusses the methods which use MPI network to realize the communicating between S7-300 and industrial control configuration software WinCC, and use PROFIBUS-DP to realize the communicating between S7-300 and S7-300.

Kye words:Intelligent village; Security systems; WinCC; House; alarm

目录

摘要 ............................................................................................................................................. I Abstract ...................................................................................................................................... II 第一章概述 (1)

1.1绪论 (1)

1.2PLC的应用领域和发展趋势 (2)

1.2.1PLC的应用领域 (2)

1.2.2PLC的发展趋势 (3)

1.3西门子S7-300简介 (4)

1.3.1一般特性 (4)

1.3.2模块的种类 (4)

1.3.3通信 (5)

1.3.4扩展功能 (6)

1.4监控软件WinCC简介 (6)

1.5STEP 7编程软件简介 (7)

1.6智能家居安防系统开发的必要性 (8)

1.7国内外发展现状 (8)

1.8论文的主要研究内容 (8)

本章小结 (9)

第二章智能家居安防系统 (10)

2.1智能家居安防系统的组成与工作原理 (10)

2.1.1智能家居安防系统的组成 (10)

2.1.2智能家居安防系统的工作原理 (11)

2.2智能家居安防系统的设计 (11)

2.2.1系统的硬件设计 (11)

2.2.1.1S7-300系列的PLC硬件系统 (11)

2.2.1.2PLC的选型 (15)

2.2.1.3PLC扩展机架和供电电源的设计 (15)

2.2.2系统的软件设计 (15)

2.2.2.1程序流程图 (15)

2.2.2.2PLC的I/O地址分配表 (15)

2.2.2.3 程序 (16)

本章小结 (17)

第三章WinCC对小区报警的组态 (18)

3.1 西门子S7-300及工程组态软件的应用 (18)

3.1.1S7-300、多点接口网络 ( MPI ) 及PROFIBUS-DP (18)

3.1.2S7-300与S7-300之间的通信连接 (19)

3.1.3 S7-300与工控组态软件WinCC之间的通信 (27)

3.2 组态小区报警 (28)

3.2.1 建立项目及项目管理器介绍 (28)

3.2.2 组态变量 (30)

3.2.3创建过程画面及组态项目 (35)

3.2.3.1 图形编辑器的布局 (35)

3.2.3.2. 建立过程画面 (36)

3.2.3.3. 创建及组态过程画面 (37)

本章小结 (45)

第四章WinCC与STEP 7对小区报警的监控 (46)

4.1 STEP 7对PLC的模拟 (46)

4.1.1 创建项目 (46)

4.1.2 硬件组态 (47)

4.1.3 在线调试 (47)

4.1.4 PLCSIM (48)

4.2 小区报警系统的模拟运行 (49)

4.2.1 在STEP 7中编写运行的模拟程序 (49)

4.2.2运行中的主画面 (50)

4.2.3 运行中的报警画面 (50)

4.2.3.1 运行中的报警原因画面 (50)

4.2.3.2 运行中的报警楼号画面 (50)

4.2.3.3 运行中的报警住户画面 (51)

4.2.4 运行中的报警记录画面 (53)

4.2.5 运行中的归档画面 (53)

4.2.6 运行中的报表画面 (53)

本章小结 (55)

总结与展望 (56)

参考文献 (57)

附录A 程序 (58)

致谢 (67)

第一章概述

1.1 绪论

随着智能家居的发展和人民生活水平的提高，人们对财产、人身安全的要求也越来越高，安防系统不再只局限于防盗，而且要能做到防火、防劫，以及即时解决突发事件，家居安防模式也由古老的铁门铁锁铁栏杆（被动式防盗）逐渐向各种电子探测器、报警中心（主动式防盗）方向发展。智能家居安防系统开始逐渐成为普通用户和智能家居设备提供商的关注重点，因此开发一套安全可靠的安防设备，成了当务之急。智能家居安防系统是指由各种先进的、智能化的电子保安设备对住宅各要害部位进行多种监测、一旦监测到异常情况就触发报警服务的智能系统；它集防盗、防劫、防火、防燃气泄漏等功能于一体，一遇异常即刻自动报警，系统中各安防设备相互通信配合，让居住者高枕无忧。家居安防系统主要由防盗、防火灾、防燃气泄漏报警系统组成。

安防报警系统必须具有稳定、可靠、易操作等特点，且能保证实现有警必报、无警不误报这两个主要目标。现在市场上已经有不少针对家居的安防系统出现，主要可分为两类。一种是较为传统的本地监控方式，主要是由一些报警探头和对讲门铃等组成，当用户出门以后，该系统就不能发挥应有的作用，这样在最需要监控的时刻设备反而不能发挥应有的作用。另一种对传统的方式进行了改进，当出现报警后，该信息可通过小区报警中心，由小区报警中心的工作人员派出保安人员去进行检查和通知主人。

通过小区联网，采用可编程控制器可实现对整个小区内所有安装家庭安全防范系统的用户进行集中的保安接警管理。每个家庭的安全防范系统通过总线都可将报警信号传送到管理中心，管理人员可确认报警的位置和类型，同时计算机还显示与住户相关的一些信息，以供保安人员及时和正确的进行接警处理。安防监控系统是智能化住宅小区的重要组成部分。其监控系统对小区重点区域采取实时监控、层层设防。让业主生活在无形防盗网之中。既安全，又人性化，使智能住宅小区具备了全方位的安全保障。

楼宇自动化的不断发展，由古老的家居安防模式（被动式防盗）远远不能满足住户要求。我们本次设计的家居安防系统就是采用可编程控制器S7-300系列，它不仅可靠性高，而且操作、修改、扩展极为方便，提高了安防系统的功能与性能。

可编程控制器与个人计算机、图形工作站、小型机等相结合，可实现屏幕显示、数据采集、记录保持、回路面板显示等功能亦即实现了分散型控制系统的功能。

可编程控制器的不断发展，使越来越多的工程人员认识到它的优越性。对于当今的可编程控制器来说，凡是需要自动化控制系统存在的地方，就需要可编程控制器。目前来说，可编程控制器主要应用于有大量开关和少量模拟量的控制系统方面。

本设计从掌握和规划家居安防自动控制系统入手，重点介绍如何实现小区的网络扩建和上位机监控的小区报警问题，了解家居安防系统控制工艺和流程，熟悉如何利用西门子WinCC监控软件实现对可编程控制器进行监控和STEP7软件对可编程控制器进行模拟控制，从而做到系统完善与实现。

1.2 PLC的应用领域和发展趋势

1.2.1PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、安全防范、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1.开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控制及自动化流水线。

2.模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3.运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如何驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4.数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定得控制操作，也可以利用通信功能传送到别的

智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

5.通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

1.2.2PLC的发展趋势

1.向高速度、大容量方向发展

为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。

2.向超大型、超小型两个方向发展

当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要。

3.PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力

为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围。

加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信，一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。

4.增强外部故障的检测与处理能力

根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故

障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。

5.编程语言多样化

在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

1.3 西门子S7-300简介

1.3.1一般特性

SIMATIC S7-300是一种通用型的PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。模块化、无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握的特点，使得S7-300在不少工业领域中成为一种既经济又切合实际的解决方案。

S7-300由多种模块部件所组成，各种模块能以不同方式组合在一起，从而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。各模块安装在DIN标准导轨上，并用螺丝固定。这种结构形式既可靠，又能满足电磁兼容要求。背板总线集成在各模块上，通过将总线连接器插在模块的背后，使背板总线连成一体。在一个机架上最多可并排安装8个模块（不包括CPU模块和电源模块）。

S7-300有各种不同性能档次的CPU模块可供使用。标准CPU提供范围广泛的基本功能，如指令执行、I/O读写、通过MPI和CP模块的通讯，紧凑型CPU本机集成I/O，并带有高速计数、频率测量、定位和PID调节等技术功能。部分CPU还集成了点到点或PROFIBUS通讯接口。

S7-300的指令集包含350多条指令，包括了位指令、比较指令、定时指令、计数指令、整数和浮点数运算指令等。CPU的集成系统功能提供了例如中断处理和诊断处理等这样一类系统功能，由于它们是集成在CPU的操作系统中，因此也省了很多RAM空间。

1.3.2模块的种类

S7-300的模块品种齐全，因此，它能适合各种类型的应用场合。有以下类型的模块可供选用：

●数字量和模拟量I/O模块，几乎对所有类型的现场信号都适用，包括具有中断

处理和诊断功能的模块。

●数字量和模拟量ExI/O模块，可用于危险防爆场所。

●功能模块，供测量、计数、各种定位控制、凸轮控制和闭环控制使用。

●通讯模块，供点对点的连接，或通过AS—i、PROFIBUS和工业以太网进行通

讯。

●电源模块，提供24V直流工作电压。

●接口模块，当用于SIMATIC S7-300多层机架配置时，连接主机架和扩展机架。

信号模块是SIMATIC S7-300和生产过程之间的接口。有各种不同类型的数字量和模拟量模块可供选择，因此可以按扩展功能所需的输入和输出的要求做出正确选择。S7-300的模块具有以下特点。

①安装容易

传感器和执行机构是通过前连接器连接到模块的，如果模块被置换，只需将该连接器插入相同类型的新模块就可，其连线保持不变。前连接器上的机械编码能起到防止插入其他类型的模块的作用。

②组装密度高

S7-300节省空间的原因之一在于每个模块上带有大量的通道。带有8~32个数字量通道或者2~8个模拟量通道的模块可供选用。

③组态简单

利用STEP7，就可以对模块进行组态和参数赋值，不用做复杂的开关设定动作。

数据是集中存储的，在一个模块被置换后，数据就被自动传送到新的模块上以防止传送出错。

④诊断/中断功能

许多模块还监视信号的采集（诊断）和来自过程的信号（过程中断）。这表明，系统能对任何采集出错或过程事件做出快速响应。对于控制器是否应该做出响应以及做出什么样的响应，用户能在STEP7中进行组态。

1.3.3通信

S7-300支持的通讯网络包括：

●工业以太网（IEEE802.3和802.3u）—供扩展级和单元级联网使用的国际标准。

●PROFIBUS（IEC61158/EN50170）—供单元级和现场使用的国际标准。

●AS-Interface（EN50295）—与传感器和执行机构进行通讯的国际标准。

●EIB（EN50090，ANSI EIA776）—供楼宇安装系统和楼宇自动化使用的国际标

准。

●MPI-多点连接—供两个节点（站）之间，以专用的通讯协议进行通讯使用。点

到点的连接是最简单通讯方式，有多种专用通讯协议可供选择，如RK512、3964

（R）和ASCⅡ。

①过程或现场通讯

过程或现场通讯用来将执行机构和传感器连接到CPU，这种连接可以通过集成在CPU上的接口或接口模块（IM）、功能模块（FM）和通讯模块（CP）来实现。另外，AS-i和PROFIBUS-DP网也支持过程或现场通讯。

②数据通讯

数据通讯是指可编程控制器相互之间的数据传送，或一台可编程控制器和智能设备（如PC机）之间的数据传送。数据通讯是经由MPI、PROFIBUS或工业以太网来完成的。

1.3.4扩展功能

若控制任务需要使用的模块数多于8个，则S7-300的中央控制器可用扩展机架加以扩展（CPU312IFM、CPU312、CPU312C和CPU313除外）。最多可有32个模块与中央控制器相连，每个扩展机架最多可以放置8个模块。各机架之间的通讯是由接口模块IM自动处理。若工厂设备分布较分散，则中央控制器和扩展机架可以分开安装，距离最远为10m。也就是说，单机架配置时，最大配置是256个I/O；而多机架配置时，最多可达1024个I/O。对于使用PROFIBUS-DP的分布式系统，最多可以连接65536个I/O。

1.4 监控软件WinCC简介

西门子公司的WinCC是Windows Control Center（视窗控制中心）的简称。它集成了SCADA、组态、脚本（Script）语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统（Windows 2000 或XP）环境下使用的各种通用软件功能。WinCC继承了西门子公司的全集成自动化（TIA）产品的技术先进和无缝集成的特点。

WinCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方法灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监控画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂的、形象直观

的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。WinCC的另外一个特点在于其整体的开放性，它可以方便地与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需求。用户也可将WinCC作为系统扩展的基础，通过开放式接口，开发其自身需求的应用系统。

WinCC因其具有独特的设计思想而具有广泛的应用前景。借助于模块化的设计，能以灵活的方式对其加以扩展。它不仅能应用于单用户系统，而且能构成多用户系统，甚至包括多个服务器和客户机在内的分布式系统。WinCC集生产过程和自动化于一体，实现了相互间的集成。

1.5 STEP 7编程软件简介

STEP 7编程软件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。为了在个人计算机上使用STEP 7，应配置MPI通信卡或PC/MPI通信适配器，将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络，来上载和下载PLC的用户程序和组态数据。STEP 7允许两个或多个用户同时处理一个工程项目，但是禁止两个或多个用户同时写访问。

STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数配置、通信组态、测试、编程、启动和维护、文件建档、运行和诊断等功能。在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的软件和硬件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。

STEP 7提供了几种不同的版本以适应不同的应用和需求。

●STEP 7 Micro/DOS, STEP 7 Micro /WIN:适用于S7-200系列PLC的编程、组态

软件包；

●STEP 7 Lite：适用于S7-300、C7系列PLC、ET200X和ET200S系列分布式I/O

的编程、组态软件包；

●STEP 7 Basis：适用于S7-300/S7-400、M7-300/M7-400和C7系列编程、组态

软件包；

●STEP 7 Professional:除包含了STEP 7 Basis版本中标准组件外，还包含了STEP 7

扩展软件包，如SCL、GRAPH和PLCSIM。

1.6 智能家居安防系统开发的必要性

近年来，随着贫富差距的不断增大，各地入室盗抢案件和火灾的时有发生，造成了无数家庭巨大的经济损失甚至人员伤亡。如何加强门窗防护，把匪徒挡在家外，是避免入室命案的关键所在！目前最为先进的智能化家庭安防系统的出现，为居室的使用者营造了一个安全、舒适、高效、便利的居住环境，必将以不可逆转之势席卷千家万户。

统计表明，未来5年内，智能门窗总盈利空间达到38亿元之巨，如果加上各地写字楼、宾馆酒店、高校学府、体育馆、展馆、科研机构等，实在是难以计算！未来几年内，一个又一个百万富翁乃至千万富翁将因此而产生。据此，尽快研制开发出一套适合我国国情的智能家居安防系统并投运市场，具有广泛的应用前景。

1.7 国内外发展现状

随着智能家居的发展，安防系统在智能家居中显得越来越重要，国外的许多大公司早已进入到该领域中，如微软公司投资一家Itran公司，专业从事家庭安防和家庭自动化的开发设计；IBM公司与建筑商合作，为用户提供装备有先进的安防系统的智能化住宅。美国联邦政府和IBM、AT$T等大型IT企业，联合投资4000亿美元，为全国500万个小区和9000万个家庭提供全面的小区和家庭的安全防护和信息服务。在国内外关于智能家居系统相关的示范工程和研究就有：IBM的网络化家居和梦幻空间（dream space）工程；HoneyWell的家庭自动化工程；Cisco的网络社区工程；Motorola智能家居工程；Invensys的网络化家居工程；MIT的智能厨房研究项目；亚利桑那大学的WA VES 和I2SEE项目；中美科龙智控联合中心（中科院、广东科龙和美国亚桑那大学）的智能家居项目；北京恒生新创的智能家居系统工程等。

1.8 论文的主要研究内容

结合国内一些智能家居安防系统设计经验，我们主要做了以下几个方面的研究工作: （1）介绍了智能家居安防的组成结构与工作原理。

（2）对智能家居安防系统进行设计。

（3）S7-300软件编程，工控组态软件WinCC，S7-300与S7-300之间和S7-300与工控组态软件WinCC之间的通信。

（4）WinCC对小区报警的组态。

（5）WinCC与STEP 7对小区报警的调试与监控。

本章小结

本章首先介绍了智能家居安防系统的定义及其功能，然后介绍智能家居安防系统目前在国内外的发展情况并着重分析了现阶段智能家居安防系统的必要性，从而引出了PLC控制技术。接着从PLC的发展历史、体系结构、特点以及优势等方面对PLC技术做了全面的论述。最后提出了本课题研究的主要内容：使用PLC技术实现基于PLC的智能家居安防系统。