基于PLCS7300控制的智能家居系统.doc

河北建材职业技术学院
Hebei Vocational & Technical College of Building Materials

毕 业 设 计

（ 2016届 ）

题目：基于PLC（S7-300）控制的智能家居系统

所属系部 机 电 工 程 系
专 业 电气自动化技术
班 级 13 电 气
姓 名 吕 宁
学 号 0418130118
指导教师 邢 满 荣

完成日期： 2016 年 6 月13日

摘 要
随着社会的不断发展进步，人们不断去追求更舒适、方便、高效、安全的生活环境。传统的家居环境无法满足人们越来越高的要求。本文的设计思路是将家居自动化、家居安全防护等功能集中在一个综合管理系统上，采用模块化的编程方法，分为智能窗帘开合系统、智能车库系统、电动衣架系统、智能洗衣机系统、智能烧水系统、夜间模式和防盗模式，在保证稳定可靠、环保节能和降低成本的前提下，提高家居环境的安全性、舒适性、方便性。并且可以根据用户的实际需求，进行添加、删除和修改模块功能。

关键词：可编程控制器 智能家庭 PLC编程

目 录
绪 论 1
1.PLC选型 2
2.智能家庭系统设计 3
2.1智能家庭系统编程结构 3
2.2智能家庭系统编程方法 3
3.PLC编程部分 4
3.1总输入输出分配表和总符号表 4
3.2主程序部分 4
3.3智能窗帘开合系统 5
3.4智能车库系统 5
3.5电动衣架系统 5
3.6智能洗衣机系统 6
3.7智能烧水系统 8
3.8夜间模式系统 8
4.调试 8

结 论 9

致 谢 9

参考文献 10

附录1 主程序 11
附录2 智能窗帘程序 13
附录3 智能车库程序 15
附录4 电动衣架程序 18
附录5 智能洗衣机程序 20
附录6 智能烧水程序 26
附录7 夜间模式程序 28

表1 总输入输出分配表 29
表2 总符号表 30

绪 论
随着计算机技术、自动化技术的发展，智能家庭这种时代的产物应运而生。所谓智能家庭，就是综合利用这些技术，将与家居环境相关的各类子系统联系在一起，将本来被动静止的结构转变为具有智慧的体系，提供安全方面的信息交流功能，优化人们的生活方式，让家居生活更加舒适、安全、高效、可靠。
智能家庭，或称智能住宅，是以住宅为平台，兼备建筑设备、网络通讯、信息家电和设备自动化功能。集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。它在保持了传统的居住功能的基础上，摆脱了被动模式，成为具有能动性智能化的现代工具。智能家居不仅提供了全方位的信息交换功能，还优化了人们的生活方式和居住环境，帮助人们有效地安排时间、节约各种能源，实现了家电控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、计算机控制、定时控制以及电话远程遥控等功能。随着家庭智能化在世界范围内的日渐普及，智能家居在上个世纪末悄然走进了中国市场。近年来，智能家居频繁地出现在各大媒体上，一时之间成了人们耳熟能详的词汇。PLC 作为家庭网络，还非常便于在传统数据处理设备（如PC 机等）与计算机外设之间交换数据。信息家电也可与计算机进行对话。例如：利用PLC 网络可以很方便地从电视机或 VCR 向 PC机发送多媒体数据。PLC 还可以用于住宅安全方面，利用装在门口的摄像机把图像传送至电视机。
目前，PLC 家庭网络必须借助其它技术来向互联网发送数据以及与移动设备通信。美国大多数住宅最终将装用像 DSL 或 Cable Modem 之类的宽带连接。为了使PLC 设备能够共享宽带互联网连接，可以在PLC 网上添加一个 PLC 互联网路由器。需要与互联网上其它设备通信的设备将通过电力线向数据中心发送数据由它来决定是否向互联网发送数据。在将来，信息家电选路设备也许可以不要。研究人员正在开发利用外部配电线让PLC 家庭网络直接与其它住宅、电力厂和互联网对话的解决方案。这种用于互联网接入的网络基础设施对发展中国家特别有吸引力，因为不需要额外的支出。
从国家产业政策方向分析，智能家居行业作为高新技术产业，必定是国家产业扶持的对象。智能家居行业，是一个朝阳产业，处于行业的快速发展期。智能家居的潮流不可逆转。在中国13亿人口中大概有3.5亿个家庭，如果平均每个家庭在智能化装修的费用上作出6000元的预算，那么未来的整个智能家居的产业值将超过上千万，可以想象这样的市场会有多么的庞大。
1、PLC选型
国内外对智能家庭的研究有很多，但是多选用单片机和ARM作为主空器。智能家庭首要的问题就是稳定可靠性，PLC相对于单片机和ARM来说更加稳定实用。
S7-300 PLC是模拟式中小型PLC，电源、CPU和其他模块都是独立的，可以通过U形总线把电源（PS）、CPU和其他模块紧密固定在西门子S7-300的标准轨道上。每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后。电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块。CPU的右边是可以选择的IM接口模块。S7编程软件组态主架导轨硬件时，电源，CPU和IM分别放在导轨的1号槽、2号槽和3号槽上。一条导轨共有11个槽号：1号槽至11号槽，其中4号槽至11号槽可以随意放置除电源、CPU和IM以外的其他模块。如：DI（数字量输入）、DO（数字量输出）、AI（模拟量输入）、AO（模拟量输出）、FM（功能模块）和CP（通信模块）等。
该程序CPU选用常用的CPU 312，总共需要26个输入点（I0.0~I3.1）和21个输出点(Q0.0~Q2.4)，因此选用两个16位输入输出。输入地址这定为I0.0至I3.7，输出地址设定为Q0.0至Q3.7。
特别注意，因为程序中运用到了周期为1s占空比为50%的脉冲，因此在CPU设置中应对CPU周期/时钟存储器进行设置，定义初始地址为100。
PLC模块选择如图1-1所示。

图 1-1 PLC模块选择

I/0模块地址如图1-2所示。

图 1-2 I/O模块地址
CPU模块时钟寄存器配置如图1-3所示。

图 1-3 CPU时钟存储器设置
2、智能家庭系统设计
2.1智能家庭系统编程结构
智能家庭控制系统由PLC控制。主程序中包含防盗报警系统完整程序、智能窗帘程序块、智能车库程序块、电动衣架程序块、智能洗衣机程序块、智能烧水程序块和夜间模式程序块。
结构示意图如图2-1所示。
由PLC控制
智能窗帘开合程序
智能车库程序
电动晾衣架程序
智能洗衣机程序
智能烧水程序
夜间模式
主程序
图2-1 编程结构示意图

由PLC控制
智能窗帘开合系统
智能车库系统
电动晾衣架系统
智能洗衣机系统
智能烧水系统
夜间模式
智能家庭系统
图2-1

由PLC控制
智能窗帘开合系统
智能车库系统
电动晾衣架系统
智能洗衣机系统
智能烧水系统
夜间模式
智能家庭系统
图2-1

2.2智能家庭系统编程方法
基于S7-300型PLC的智能家庭控制系统，总共分为智能窗帘开合系统、智能车库系统、电动晾衣架系统、智能洗衣机系统、智能烧水系统和夜间模式六个部分。编程部分使用西门子S7-300型PLC编程系统，采用模块化编程方法。首先将不同功能编入FB功能块中，再将各个FB功能块编入主程序，构成整个智能家庭系统。
运用模块化的编程方法，可以使原本复杂的编程思路变得简单、清晰、有条理。减少了不同功能程序之间的干扰便于调试，很大程度上提高了编程的成功率。同时便于在使用中随时修改不同模块的不同功能，减小对其他功能的影响，提高了智能家庭系统的整体稳定性。
3、PLC编程部分
3.1总输入输出分配表和总符号表
总输入输出分配表包含全部输入点和输出点所对应的功能。总符号表标示了程序中各程序块的功能名称。
总输入输出分配表和总符号表分别见表1和表2。
3.2主程序部分
主程序是智能家庭系统编程中的主体部分。它包括了总开关程序、防盗报警触发系统程序、窗帘控制子程序、智能车库控制子程序、电动晾衣架子程序、智能洗衣机子程序、智能烧水子程序和夜间模式子程序。主程序中，除六个子程序外，包含总开关程序和防盗报警触发程序。
总开关程序是全部智能家庭系统的开关，家中有人时总开关I0.0导通，无人时总开关I0.0断开。如图3-1所示。

图 3-1 主程序总开关程序段
主程序见附录1。
3.3智能窗帘开合系统
自动窗帘开合系统，装有光敏电阻，可以根据外部光线强弱判断白天和黑夜，从而自动控制窗帘白天打开夜晚关闭。同时可根据实际情况选择手动控制窗帘开启关闭。
对智能窗帘开和系统的编程，采用对控制线圈Q0.0和Q0.1的置复位和线圈互锁的方式实现电机正反转，使编程简单化，同时不会相互影响。
I0.1和I0.2分别为窗帘手动开和窗帘手动关，分别控制窗帘正转电机Q0.0和窗帘反转电机Q0.1。I0.3是光敏电阻，通过对光敏电阻高低电平的检测，来控制窗帘的开合。其中，I0.3的上升沿控制窗帘打开，I0.3的下降沿控制窗帘合上。T0和T1为窗帘电机正反转定时。采用定时控制的优点是可以根据窗帘滑轨长度来调节时间长短，使窗帘完全开合。同时减少了限位开关的使用，节约成本，节省输入地址。
智能窗帘程序见附录2。
3.4智能车库系统
智能车库系统，包括车库门、车库外灯和车库内灯。当汽车通过车库门的光学传感器时，车库门自动打开，车库内灯亮。同时，车库门外装有光敏电阻。当室外光线过暗汽车到达光学传感时，车库外灯也会亮起。当汽车到达车库门传感器I0.4时，车库门自动打开，车库内灯Q0.4点亮。同时，如果外部光线过暗I1.0导通，车库外灯Q0.5点亮5s。当车库门到达上限位开关时，正转电机Q0.2停止转动。按下车库门关闭按钮I0.5，车库门关闭。如果外部光线充足，则I1.0不通，车库外灯不会点亮。
智能车库程序见附录3。

图 3-2 单按扭启停程序段
3.5电动衣架系统
电动晾衣架系统采用单按钮控制晾衣架上升和下降，极大简便了使用者的操作，同时使编程更加简单。当按下I1.1按钮，Q0.6控制电动机正转，晾衣架下降。再按下I1.1按钮，Q0.7控制电动机反转，晾衣架上升。如图3-2所示。T3为晾衣架电动机转动定时器。采用定时器控制下降高度的优点是节省了限位开关的使用，节约成本，便于随时修改高度。
电动衣架程序见附录4。
3.6智能洗衣机系统
智能洗衣机程序是全部智能家庭系统中最为复杂的程序。智能洗衣机的具体工作过程分为如下几步：
进水。当洗衣机盖在关闭的状态下，按下启动按钮I1.3，洗衣机进水阀Q1.0开启，开始进水。当水位到达上限位开关I1.4时，进水阀Q1.0关闭，洗衣准备定时器T4开始定时3s。同时漂洗计数器C0复位。洗衣机进水过程结束。
漂洗正转。洗衣准备定时器T4定时3s结束后，洗衣机正转电机Q1.1置位，启动正转定时器T5开始定时3s。同时，在计数次数小于指定次数时，反转间隔定时器T8自复位。正转电机Q1.1每通电一次，都会接通一次计数器C0。
正转间隔。当正转定时器T5定时3s结束后，启动正转间隔定时器T6，定时3s。同时，洗衣机正转电机Q1.1和正转定时T5复位。
漂洗反转。当正转间隔定时T6定时3s结束后，反转电机Q1.2置位，启动反转定时T7定时3s。T6自复位。
反转间隔。当反转定时器T7定时3s结束后，反转电机Q1.2复位，同时启动反转间隔定时器T8定时3s。T7自复位。一个完整的漂洗过程结束。
漂洗循环。在计数次数小于预设时，漂洗过程循环。
排水。当计数次数大于等于预设时，正转电机Q1.1和反转电机Q1.2复位。启动甩干准备定时器T9定时3s。当定时器T9定时3s结束后，排水阀Q1.3置位，T9自复位。
甩干。当水位到达下限位开关I1.5时，甩干电机Q1.4置位，同时启动甩干定时器T10。
铃音。当甩干定时器T10定时3s停止时，甩干电机Q1.4、甩干定时T10复位，铃声Q1.5置位，铃声定时T11定时3s。定时结束后，排水阀Q1.3、铃声Q1.5复位，T11自复位。
急停。当按下急停按钮I1.6或洗衣机盖打开时，复位所有智能洗衣程序中的输出点和所有定时器。
洗衣过程如图3-3所示。
循 环
正

反

停

停
按下启动按钮，洗衣机进水。到达水位上限时停止进水。
洗衣机停止三秒后，开始漂洗
漂洗过程
排水
甩干
铃声响起，洗衣停止
洗衣过程中，如果洗衣机盖被打开，或者按下急停按钮，洗衣过程立即停止
放入衣物、关闭洗衣机盖

图3-3 洗衣过程示意图

智能洗衣机程序见附录5。
3.7智能烧水系统
智能烧水系统，一键控制烧水机注水、烧水，并且具有水开报警功能。电动水壶可以根据市场销售的水壶改造，这样既省去了PID调节的编程部分，又使编程更加简便。特别说明，智能烧水子程序是在总开关控制之下的。当总开关未开启（家中无人）时，智能烧水系统不会被启动。
按下启动按钮I2.4，注水阀Q2.0启动，直到水位到达上限位开关I2.5，注水停止。水位到达上限位后，在下限位开关I2.6和注水阀Q2.0断开的条件下，烧水Q2.1启动。当水烧开时Q2.1自动断开（仿真模拟时需要手动断开Q2.1），同时蜂鸣器Q2.2置位并启动定时器T12。当定时器定时3s结束后，蜂鸣器Q2.2复位，T12自复位。按下停止按钮I2.7，注水阀Q2.0、烧水Q2.1复位。
智能烧水程序见附录6。
3.8夜间模式系统
夜间模式主要控制夜间的室内灯光开启延时关闭，以及对防盗系统的控制。
当夜间在家中行走时，夜间地灯传感器I3.0触发，夜间地灯Q2.3自动点亮，当人离开时传感器I3.0断开，并启动定时器T13定时5s，定时结束后灯自动熄灭。当夜间有人进入厕所时，传感器I3.1触发，厕所灯自动点亮。当人离开厕所时I3.1断开，并启动定时器T14定时5s后，厕所灯自动熄灭。
当夜间模式开启时，窗防盗传感器I1.7、门防盗传感器I2.0全部打开。此时门窗被打开时传感器触发，防盗警笛Q1.6报警，防盗警灯I1.7闪烁。按下防盗复位按钮I2.3，Q1.6和Q1.7复位。（防盗程序截图见第7页，主程序截图部分）
夜间模式程序见附录7。
4、调试
利用STEP7编程软件自带的模拟软件，对智能家庭系统主程序及各个子程序进行调试。调试过程对程序设计中的错误予以改正、各个子程序之间冲突部分进行调整、检查符号表是否有冲突、添加或删去某些功能以及改用更加简便的编程方法。
由于受到个人能力水平所限制，程序设计不够完善，存在诸多不正确、不方便、不合理之处。例如在调试过程中，首次运行模拟软件会出现输出点Q0.1闪烁现象，以及在智能车库系统中存在汽车出车库的设计缺陷等。真诚希望老师和同学们对于本文中设计不合理之处予以批评指正。
调试过程如图4-1。

图 4-1 调试软件

结 论
本设计采取了由PLC和多种其他设备组成的控制系统，可编程控制器（PLC）负责处理各种信号的逻辑关系，PLC是系统的核心。程序的成功运行，表明运用PLC来实现家庭智能化具有很高的可行性，这将是未来智能家庭的发展方向。
基于PLC控制的智能家庭系统，包含智能窗帘开合系统、智能车库系统、电动衣架系统、智能洗衣机系统、智能烧水系统、夜间模式和防盗系统。该系统的长处在于其方便、造价相对便宜，尽管功能不是很多，但是基本满足和能够保障一定的家居安全。而且不需要对已经装修好的家居做过多的改动，就可以实现相对的智能，保障了家居的智能化和安全化，实现早上下午自动开关窗、防盗等功能，在一定程度上解决了外界环境给人们日常生活中带来的烦恼。

致 谢
本论文是在导师邢满荣教授的悉心指导下完成的，邢老师严谨的治学态度和科学的工作方法给我极大的影响和帮助。还记得刚刚接触PLC时，我对它毫无了解，对于PLC编程一窍不通，连续几节课都没有听懂，心里十分着急。正是邢老师在课堂上的细致讲解和耐心的指导，使我快速掌握了PLC的编程方法，在课堂上能够较快的完成一个项目，并最终能够顺利地完成毕业设计。在此，衷心感谢邢满荣老师对我的关心和指导。
基于PLC（S7-300）控制的智能家庭系统，程序编写与调试用时四天，论文编写用时一个月。通过这次毕业设计，使我在课堂上学到的东西得以实践，并且可以加入自己的思想，打破了在课堂上思维的局限性。通过这次的毕业设计我学习到了很多的东西，同时也发现了自身的许多不足。今后我还会继续努力，去学习更多的东西。
在本人编程及编写论文期间，室友何思洋同学对程序中的电动衣架系统、论文编制和格式给予了热情帮助，在此向他表达我的感激之情。

参考文献
1、王芹，王浩 可编程控制器技术及应用，天津大学出版社，2014，2第2版
2、网络文献 可编程控制器介绍
3、曹飞 传感检测课程设计计划实验报告，南通大学
4、网络文献 智能家居和PLC
5、宋有才 智能家庭的PLC应用，安徽省阜阳师范学院计算机与信息学院
附录1 主程序

附录2 智能窗帘程序

附录3 智能车库程序

附录4 电动衣架程序

附录5 智能洗衣机程序

附录6 智能烧水程序

附录7 夜间模式程序

表1 总输入输出分配表
输入
输出
总开关
I 0.0
窗帘电机正转
Q 0.0
窗帘手动开
I 0.1
窗帘电机反转
Q 0.1
窗帘手动关
I 0.2
车库门电机正转
Q 0.2
窗帘光传感
I 0.3
车库门电机反转
Q 0.3
车库门开启传感器
I 0.4
车库内灯
Q 0.4
车库门关闭按钮
I 0.5
车库外灯
Q 0.5
车库门上限位开关
I 0.6
晾衣架电机正转
Q 0.6
车库门下限位开关
I 0.7
晾衣架电机反转
Q 0.7
车库光敏传感器
I 1.0
洗衣机进水阀
Q 1.0
晾衣架按钮
I 1.1
洗衣机电机正转
Q 1.1
洗衣机门检测
I 1.2
洗衣机电机反转
Q 1.2
洗衣机启动
I 1.3
洗衣机排水阀
Q 1.3
洗衣机水位上限
I 1.4
洗衣机甩干电机
Q 1.4
洗衣机水位下限
I 1.5
洗衣机铃声
Q 1.5
洗衣机急停
I 1.6
防盗警笛
Q 1.6
窗防盗传感器
I 1.7
防盗警灯
Q 1.7
门防盗传感器
I 2.0
水壶注水阀
Q 2.0
夜间模式
I 2.1
水壶烧水
Q 2.1
车库防盗传感
I 2.2
水壶蜂鸣器
Q 2.2
防盗复位
I 2.3
夜间地灯
Q 2.3
水壶注水启动
I 2.4
夜间厕所灯
Q 2.4
水壶注水上限
I 2.5

水壶注水下限
I 2.6

水壶手动停止
I 2.7

夜间地灯传感
I 3.0

夜间厕所灯传感
I 3.1

表2 总符号表
名称
符号
智能窗帘开合系统
FB 1
智能车库系统
FB 2
电动晾衣架系统
FB 3
智能洗衣机系统
FB 4
智能烧水系统
FB 5
夜间模式系统
FB 6
窗帘正转定时
T 0
窗帘反转定时
T 1
车库外灯定时
T 2
晾衣架上升定时
T 3
晾衣架下降定时
T 4
洗衣机正转
T 5
洗衣机正转间隔
T 6
洗衣机反转
T 7
洗衣机反转间隔
T 8
洗衣机甩干准备
T 9
洗衣机甩干
T 10
洗衣机铃音定时
T 11
水壶蜂鸣器定时
T 12
地灯延时
T 13
厕所灯延时
T 14