多功能门铃的plc控制系统设计本科论文.docx
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多功能门铃的plc控制系统设计本科论文
学号：
常州大学
毕业设计（论文）
（2012届）
题目
学生
学院专业班级
校内指导教师专业技术职务
校外指导老师专业技术职务
二○一二年六月
多功能门铃的PLC控制系统设计
摘要：
智能小区的升温，驱使工程师将楼宇控制系统的智能化程度推向一个又一个高峰，然而其成本水涨船高，普通大众望其兴叹。
与其它工业控制系统相比，PLC控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强等突出优点，因而广泛应用于工业控制领域。
本设计旨在运用PLC设计一款关注性价比的多功能门铃。
本文设计的多功能门铃的PLC控制系统，以西门子S7-200CPU226为控制核心由PLC连接4×4矩阵键盘实现输入，通过密码锁程序实现限时密码输入，冻结键盘等安防功能。
在此基础上，进而运用组态王软件重点仿真了门铃闪烁报警，视频显示访客等功能。
实验结果表明，该设计具有成本低，性价比高、密码可靠性高、节约I/O口，界面界面友好等特征，用于经济适用楼，具有一定的市场竞争力，较好的应用前景。
关键词：
矩阵键盘；可编程逻辑控制器；组态王；多功能门铃
DesignofMulti-functionDoorbellControlSystemBasedonPLC
Abstract：
Atpresent,IntelligentCommunityisgatheringpopularity,whichdrivestheengineerstotryeverymeanstoimprovetheintellectuallevelofBuildingControlSystems.Theexpensesofthesesystemsaretoohightopullawaycommonconsumers.Comparedwithanyotherindustrialcontrolsystems,PLCcontrolsystem,byvirtueofhighreliabilityaswellasitshighlyvaluedanti-interferencecapability,isgatheringpopularityinindustrialcontroldiscipline.Thissystemaimstorealizethegoalofequippingthemulti-functiondoorbellwithhighcost-performance.
Themulti-functiondoorbellcontrolsystembasedonPLCmentionedinthispaperisdesignedbasedonSIEMENSS7-200CPU226.A4×4matrixkeyboardisadaptedtomakepossibleinput,aPLCcipherlockprogramisembeddedtorealizeananti-theftfunctionofbanningtheaccessofkeyboardifanindividualfailedtocomeupwiththeverycipherwithinadesignatedtimespan.Onthisbasis,theKingViewisusedtomainlysimulatethefunctionsofthebellflashingandalarming,videoofdisplayingvisitorsandother.
Theexperimentalresultsshowthatthedesignsystemisoflowcostandhighcost-effective,highreliability,andsavestheI/Oportsandhasafriendlyinterface,whichissuitableforaffordablefloorwithacertaindegreeofmarketcompetitivenessandagoodapplicationprospect.
Keywords:
matrixkeyboard;PLC;KingView;multi-functiondoorbell
摘要┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈I
Abstract┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈II
目录┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈III
1绪论
本章主要介绍论文选题背景、多门铃控制系统的现状和发展趋势，并初步阐明基于PLC的多功能门铃控制系统的用途。
1.1论文的研究背景
最近五年左右的时间内，随着中国内地经济的稳步发展，人民生活水平有了很大程度的提高，大量商品房推向市场。
随着商品房的大量推出，地产商之间的竞争也愈演愈烈，要实现商品房销售的良好业绩，推向市场的楼盘开始需要有良好的概念才能的市场竞争中取得成功。
于是智能小区的概念几年前开始导入中国内地并迅速蔓延，以至于出现不是智能小区楼盘很难销售的情况。
楼宇对讲系统的发展很大程度上归功于智能小区概念的炒作。
早期的智能小区实际上智能化程度很低，一般也仅仅有电话、宽带网、有线电视、可视门铃等入户，应用功能都很简单。
开发商基本上是为了炒作智能小区概念才上这些子系统，同时为了控制成本，总是尽可能采用比较经济的产品和方案。
门铃控制系统可视一种为精简版的楼宇对讲系统。
楼宇对讲产品市场受地产行业发展影响很大，中国作为发展中国家，相对国外发达国家来说人民住房问题还没有完全解决，发展潜力巨大。
且中国内地智能建筑市场相对比较成熟，每年以30%的速度递增，相应带动了楼宇可视对讲产品市场的快速发展。
尽管如此，行业发展中仍然存在很多问题，主要表现在：
1）开发生产企业众多，规模普遍偏小，至今未有一家上市公司把楼宇可视对讲业务作为主业。
2）现有产品技术含量低，产品同质化严重，价格竞争激烈；
3）已有一部分企业开始开发数字化产品，但由于各种原因，市场开拓不理想；
市场上缺乏功能综合化，产品质量过硬，而又价格合理的产品供应商，造成现有产品不能很好地满足市场需求。
经过市场调研，发现市场对楼宇对讲产品的主要需求有：
1）安全性
可视对讲产品属于安防产品，其基本功能仍然是满足家庭和社区对安全的需要。
因此，用户希望可视对讲系统在提供可视通话和远程开锁的同时，提供进一步的安全功能。
如主人不在时可远程监视家里老人和小孩的活动情况，业主家里发生火警、煤气泄露或有窃贼进入业主家里时能即刻通知管理处或业主本人（比如以短信方式）。
2）稳定性
可视对讲产品属于要求24小时运行的安全系统，因此用户要求产品有卓越的稳定性，只有稳定才能保证安全。
3）实用性
只有实用的产品才有旺盛的生命力。
市场现有产品实用性不高，有的家庭装的可视门铃一两周可能都只会用一次，原因在于功能太简单，不实用。
如果让业主自主选择购买与否，相信很多消费者会选择“不”。
要使可视对讲产品能够受到家庭的欢迎，其实用性是关键。
如果能通过可视门铃浏览自己的照片集，查阅常用的电话，收取每月的费用支出信息等，其设备利用率和被关注程度将大大提高，也只有提高了设备利用率，该产品市场才能真正繁荣。
4）时尚化
市场现有对讲产品就外观和应用而言，和手机、彩电、游戏机等消费电子产品相比，都很难谈得上时尚。
作为家庭用的消费电子产品，可视对讲产品必须走时尚化的道路，实现外观上新颖别致，应用上丰富多彩，产业才能得到健康繁荣。
综上所述，可视对讲产品的发展将向安全、稳定、实用、标准、开放、时尚等方面发展，只有满足需求的产品，才能引领可视对讲产品的发展潮流。
从需求市场来看，总线结构技术层面产品已进入需求量平缓期，但总体市场需求仍然是持续升温。
语音求助系统产品的需求量始终和房地产业的发展紧密相关。
近年来，大城市新建商品楼盘90%以上都设计了这一系统，从发展趋势上来看，楼宇对讲系统是新建住宅小区的必配系统。
另外，一些旧楼、单位住宅等亦需要改造配置该系统，多数县城一级新建楼盘还未涉及这一系统。
由此可见，目前市场仍有许多空白点需开拓[1]。
楼宇对讲系统作为保障居住安全的最后一道屏障，被喻为居家生活的"守护神"。
选购楼宇对讲系统应该针对不同的住宅结构、小区分布和功能要求来选择，有些适宜于非封闭式管理的住宅，能够实现呼叫、对讲和开锁功能，并具有夜光指示的功能；还有适用于低层至高层的各种住宅结构；封闭式管理的小区则可选用带有安全报警功能的室内机，用户可根据各自需要安装门磁、红外探头、烟雾报警、煤气泄漏报警装置等。
1.2课题主要研究内容与论文组织结构
1.2.1课题主要研究内容
住宅小区的特点是用户集中，容量大，统一保安管理，而且国内大部分地区经济收入不高，因此小区安防系统必须满足"安全可靠、经济有效、集中管理"的要求，虽然目前市场上有各种各样的安防系统，但是真正符合小区特点、适合小区使用的产品并不多。
考虑到现代人注重个人隐私这一心理特点，则应尽量减少无线技术、摄像头的使用。
性价比是本设计的主要竞争力，力求用精简的配置，实现尽可能多的功能，然而系统的功能不打折。
考虑到为节约建筑占地面积，楼宇越建越高，其住户数量少可一、二十，多则近半百，每位住户需配备一个呼叫键，故需采用扫描键盘以节约I/O口。
刷卡式密码锁可以用自己的IC卡来开门，操作简单，但对IC卡的要求比较高，如果和强磁的物体接触，IC卡有可能磁性减弱，无法打开密码锁。
指纹在这个世界上很难找到一样的，所以就把指纹识别技术运用到了保险柜上，保密性强，易用。
不过对手的干湿度要求比较严！
对手指放的位置的识别也比较呆板！
就算是同一手指，如果输入指纹前和开门前放的位置不一样，就有可能会识别失败！
指纹锁的消毒工作需严格加以监督，否则手指感应处易滋生细菌。
电子密码锁具有操作快、修改密码比较简单随意、只需输入0—9数字即可开锁等优点。
并且近年电子密码锁的价格降了，质量也提高了，但是因为比较复杂，所以稳定和耐用性不足。
然而PLC具有卓越的稳定性，故而本设计采用基于PLC的密码锁克服了电子密码锁的缺点[2]。
1.2.2课题设计的目的和意义
为符合人性化需求，权衡再三，以下诸项为多功能门铃控制系统必备模块：
1）呼叫业主，业主室内门铃响，同时楼宇外摄像头启动，室内电视机荧屏同步显示来访者形象。
业主可在室内为访客一键解锁。
2）使用PLC指令集编写密码锁的程序，实现限时输入，键盘冻结与自动解冻。
3）选用适宜硬件，编写正确程序，实现PLC连接4×4矩阵键盘。
4）由于PLC的输出仅仅涉及对继电器的控制，而某一个继电器，可以同时驱动多项功能，故而选用亚控公司的组态王，仿真多功能门铃控制系统，展示室内电视机屏幕显示来访者形象的功能。
1.2.3论文组织结构
第一章为多功能门铃的PLC控制系统的设计背景，目的和意义。
第二章为PLC的简介、选型，扫描键盘的硬件设计，I/O口分配。
第三章为程序分析，呼叫与解锁模块、矩阵键盘模块以及密码算法模块各自的流程图
第四章为控制系统的组态，及组态运行结果。
2开发软件PLC简介
基于PLC的控制系统核心部分是可编程逻辑控制器的开发使用，在多功能门铃控制系统和仿真设计中，使用西门子公司的PLC产品S7-200作为控制器，PLC具有控制可靠、组态灵活、体积小、功能强、速度快、扩展性好、维修方便等特点,不仅减少了系统的硬件接线,提高了可靠性,而且通过修改程序可适应新的要求。
2.1PLC的由来与发展
PLC是在激烈的市场竞争中产生的，20世纪60年代么末，美国汽车制造业竞争激烈。
为适应生产工艺不断更新的需要，美国通用汽车公司（GM）对控制系统提出要求为：
（1）能替代由各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑关系用导线连接起来的控制系统，由传统的继电——接触器控制，它简单易懂，价格低廉，能够满足生产工艺改动频繁的需要；
（2）编程简单；（3）模块式结构；（4）输入、输出电压为交流115V（美国标准），输出能直接驱动继电器和电磁阀；（5）抗电磁干扰强；（6）具有数据通信功能。
就是把继电——接触器控制的优点与计算机的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来，用计算机的编程软件逻辑易于修改来代替继电——接触器控制的硬接线逻辑不易修改。
美国数字设备公司（DEC）在1969年根据上述要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的汽车装配现上应用成功，实现了生产装配线的自动控制。
2.2PLC的结构
PLC和一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。
PLC的硬件系统由微处理器（CPU）、存储器（EPROM，ROM）、输入输出（I/O）部件、电源部件、编程器、I/O扩展单元和其他外围设备组成。
各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。
其结构简图如图1所示。
PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常分为系统程序和用户程序两大部分。
系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行，系统程序固化在EPROM中。
用户程序是由用户根据控制需要而编写的程序。
硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，他们是相辅相成，缺一不可[34]。
外部设备接口
RAM
接口
图1PLC硬件结构图
1）电源
可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
2）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。
它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像寄存器，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像寄存器或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像寄存器的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
3）存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
4）输入输出接口电路
（1）现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。
（2）现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
5）功能模块。
如计数、定位等功能模块。
6）通信模块。
当本身通信口不够使时，因为有可能PLC需要和多台第三方仪器进行通信。
这时需要用到通信模块，通信模块有很多类型，常见的有串口模块和以太网通信模块。
2.3PLC的扫描工作方式
为理解编程注意事项，首先必须理解PLC的扫描周期。
当CPU226处于“运行”模式时，任务的循环序列称为“扫描”，扫描周期包含以下任务。
1）读数字输入点的当前值，然后写到输入映像寄存器
2）第一条指令开始执行程序，在程序执行中，对I/O口的存取通常是通过映像寄存器，而不是实际的端口值，直接I/O指令允许对I/O口直接存取。
3）处理从通信端口接到的请求。
4）执行CPU自诊断测试。
5）在扫描周期的结尾，CPU把输出映像寄存器中的数据传送给数字输出点。
从1）、2）、5）可看出，CPU226在一个扫描周期内，其对I/O口的存取主要通过映像寄存器，这点不同于单片机，这也决定了其编程方式不同于其他控制系统。
当PLC处于“RUN”工作模式下时，除上电初始化外，其它程序都采取周而复始的循环扫描方式，称之为“PLC的扫描工作方式”，其执行流程如图1所示。
图2PLC的扫描工作流程
在设计键盘时可暂不考虑通信和自诊断，则在一个扫描周期内剩下以下三个主要阶段:
1）输入采样阶段，CPU将所有物理输入点的状态存入对应的过程映像寄存器中，到下次输入采样前，过程映像寄存器的内容均保持不变;
2）程序执行阶段，CPU按照从左到右、从上到下的顺序执行程序，将运算结果写到输出映像寄存器或数据存储区内;
3）输出刷新阶段，在程序执行完后，CPU将过程输出映像寄存器的状态几乎同时的更新到物理输出点。
4）CPU自诊断测试。
5）描周期的结尾，CPU把输出映像寄存器中的数据传送给数字输出点[6]。
2.4PLC的应用特点
1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统将极高的可靠性。
2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。
4）系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
这特别适合多品种、小批量的生产场合[5]。
2.5PLC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、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：
1）开关量逻辑控制
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，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2）工业过程控制
在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
3）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4）数据处理
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。
数据处理一般用于如造纸、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。
随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便[7]。
3多功能门铃的PLC控制系统设计
本章主要介绍了系统的硬件与软件。
硬件方面，对PLC的选型原则，I/O口分配，PLC的I/O口连接矩阵键盘的原理作了详细解说。
软件方面，把整个系统分为三大模块，一一设计算法，并编写程序。
3.1多功能门铃控制系统总体设计
控制系统模块图如图3所示。
图3控制系统模块图
矩阵键盘实现输入，根据访客的选择，PLC执行呼叫解锁功能或密码解锁功能。
运用组态王实现系统的组态。
3.2硬件设计
3.2.1PLC型号的选择
PLC产品的种类繁多。
PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也各有侧重。
因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。
选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。
1）合理的结构型式
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。
整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。
2）安装方式的选择
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。
集中式不需要设置驱动远程I/O硬件,系统反应快、成本低；远程I/O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程I/O可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。
3）相应的功能要求
一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。
对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可选用能带A/D和D/A转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。
对于控制较复杂,要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能,可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或高档PLC。
但是中、高档PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。
4）响应速度要求
PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。
如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时,则应该慎重
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