基于S7-200PLC的BAS系統(tǒng)設計

杜 欣，李長元，王長順

（天津職業(yè)技術師范大學，天津 300222）

0 引言

近些年來，電子技術（尤其是計算機技術）和網(wǎng)絡通信技術的高速發(fā)展使得社會高度信息化。在建筑物內部，常常將建筑技術和高科技相結合，于是產生了“樓宇智能化”，即利用計算機技術對建筑物內的設備進行自動控制，對信息資源進行管理，從而為用戶提供信息與服務。我國的樓宇智能化是在20世紀90年代才開始呈現(xiàn)規(guī)模化的發(fā)展，雖然起步相對較晚，但發(fā)展非常迅速，在大中型城市中，智能化系統(tǒng)已經(jīng)相當普及，成為住宅以及社區(qū)等地的必配設施。根據(jù)國外媒體的預測，近期在中國正在或者將要興建的大型建筑大約占了全球的一半，可見，智能建筑在我國有著極其重要的地位。

基于當今智能樓宇系統(tǒng)（Building Automation System，BAS）的快速發(fā)展及廣泛應用，加上PLC具有的穩(wěn)定特性，本文利用S7-200PLC設計了一套簡單的BAS模擬系統(tǒng)，其目的是讓更多的樓宇實現(xiàn)監(jiān)控智能化，從而提高人們的工作效率，保障人們的生活質量。

1 BAS系統(tǒng)設計

1.1 總體設計方案

在智能大樓中包含著各種各樣的環(huán)境信息，如照明信息、空調信息和消防信息等，分布在整個大廈的許多部位，這些信息光靠人為地一一監(jiān)控費工費時，因此有必要設計一套可以集中監(jiān)控的智能系統(tǒng)，將智能大樓里的環(huán)境信息由PLC采集上來，通過Modbus傳輸協(xié)議，將監(jiān)控信號傳輸?shù)竭h程上位終端，在上位機上集中監(jiān)控各個狀態(tài)；一旦大樓中某些系統(tǒng)發(fā)生故障，能及時發(fā)現(xiàn)，并解決和修復，大大減輕人工負擔。

1.2 BAS系統(tǒng)設計方框圖

智能樓宇系統(tǒng)設計方框圖如圖1所示。

圖1 智能樓宇系統(tǒng)方框圖

該設計首先將智能大樓中的環(huán)境信息即照明信息、空調信息、供水信息、消防信息和總閘開關信息等，由PLC的輸入接口采集到PLC中，然后將采集的環(huán)境信息經(jīng)過處理，由輸出接口直接控制現(xiàn)場指示燈，通過該方式完成現(xiàn)場監(jiān)控。在PLC中配置Modbus－RTU通信協(xié)議，將采集的環(huán)境信息參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C，由于PLC串口采用RS485協(xié)議，而上位計算機采用RS232串口協(xié)議，因此要用一個RS232轉RS485接口使傳輸暢通。上位機采用NK6000設計，其中包括數(shù)據(jù)庫配置和圖形界面監(jiān)控等功能，NK6000將PLC傳輸上來的環(huán)境信息存儲到數(shù)據(jù)庫中，再由組態(tài)界面調用數(shù)據(jù)庫中的信息，并在組態(tài)界面上顯示遠程樓宇環(huán)境信息，從而實現(xiàn)遠程集中監(jiān)控的目的。一旦HMI產生報警，就預示著樓宇環(huán)境出現(xiàn)異常，這時可以指派工作人員對相應的報警點進行檢修。

1.3 BAS系統(tǒng)工作流程

智能樓宇系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

開始，初始化系統(tǒng)各功能，掃描樓宇環(huán)境信息，包括照明系統(tǒng)開關狀態(tài)、空調系統(tǒng)開關狀態(tài)、供水系統(tǒng)開關狀態(tài)、消防系統(tǒng)開關狀態(tài)和總閘開關狀態(tài)。將采集到的樓宇環(huán)境信息在PLC內部做數(shù)據(jù)處理，在下位機上將工作狀態(tài)顯示出來，實現(xiàn)下位機的實時監(jiān)控。處理完的數(shù)據(jù)通過Modbus-RTU傳輸協(xié)議，以報文的形式傳輸?shù)絇C上位機，將實時監(jiān)控量顯示到HMI監(jiān)控界面，在HMI上實現(xiàn)遠程集中監(jiān)控。

圖2 智能樓宇系統(tǒng)工作流程圖

2 BAS構架

2.1 底層環(huán)境采集

底層采用西門子公司的S7-200型PLC，用PLC的I/O口進行環(huán)境狀態(tài)信息采集，環(huán)境狀態(tài)包括：照明系統(tǒng)開關狀態(tài)、空調系統(tǒng)開關狀態(tài)、供水系統(tǒng)開關狀態(tài)、消防系統(tǒng)開關狀態(tài)以及總閘開關狀態(tài)量。由于條件有限，本設計采用模擬形式完成，采用按鈕開關模擬上述開關狀態(tài)量。

2.2 下位數(shù)據(jù)處理

PLC采集的狀態(tài)量通過I/O口進入CPU內部，用STEP編程軟件設計程序，將采集到CPU內的狀態(tài)量通過輸出線圈用指示燈顯示出來。下位實時監(jiān)控圖如圖3所示。

圖3 下位實時監(jiān)控圖

2.3 中間傳輸協(xié)議

傳輸協(xié)議采用西門子S7-200的Modbus-RTU，在STEP 7-micro/WIN編程軟件環(huán)境下配置協(xié)議參數(shù)。Modbus參數(shù)配置情況如圖4所示。

在MBUS＿INIT中，Mode設為1，表示啟動Modbus的RTU傳輸模式；Addr設為2，表示設定PLC從站地址為2。Baud即波特率為9 600b/s，Parity為0表示無奇偶校驗，Delay＝0表示不延時，MaxIQ＝128表示可使用的I和Q點數(shù)為128個。MaxAI＝32表示最大通道個數(shù)為32，MaxHold＝100表示保持100個寄存器。在使用MBUS＿SLAVE之前，必須先配置MBUS＿INIT的參數(shù)。如果數(shù)據(jù)配置完成后通信正常，MB11和MB12輸出均為0，即無錯誤。

圖4 Modbus參數(shù)配置

2.4 上層界面監(jiān)控

人機界面采用組態(tài)軟件NK6000設計，該組態(tài)軟件伴隨有強大的數(shù)據(jù)庫連接功能，且通信協(xié)議兼容性強，能使用Modbus-RTU協(xié)議，與下位機S7-200形成通信并讀取下位機傳送上來的數(shù)據(jù)，將實時數(shù)據(jù)顯示到HMI上，從而實現(xiàn)遠程實時集中監(jiān)控。

對于Modbus-RTU而言，它有相對應的庫文件，可以在STEP7編程軟件中添加庫文件以實現(xiàn)通信參數(shù)配置。在調試S7-200PLC令其能正常發(fā)送數(shù)據(jù)時，我們可以用MODCAN作為主站軟件，用訪問串口的形式讀取PLC的狀態(tài)值，即線圈、觸電、保持寄存器等等。若想查看PLC傳輸數(shù)據(jù)報文情況，可采用BUS串口助手，通過收發(fā)功能碼來實現(xiàn)采集和控制PLC的目的。

組態(tài)監(jiān)控界面由凱發(fā)公司的NK6000實現(xiàn)，NK6000伴有數(shù)據(jù)庫匹配功能，所有下位機上傳的數(shù)據(jù)都傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，然后利用關聯(lián)組態(tài)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示；并且NK6000也有串口監(jiān)視功能，可以查驗報文，與理想數(shù)據(jù)作比較。

最終的設計結果非常好，達到了理想的遠程集中監(jiān)控的目的。

3 結論

本文以西門子S7-200型PLC為下位機采集系統(tǒng)，以凱發(fā)公司的NK6000設計上位機監(jiān)控系統(tǒng)，以Modbus-RTU為主要通訊模式，設計了一套BAS。其目的是實現(xiàn)智能大樓的環(huán)境信息遠程集中監(jiān)控，減輕工人進行樓宇復雜檢查與監(jiān)控的工作量。

本設計尚有不足，僅對單個站址的通信進行了模擬，其實一套真正的BAS要求比較嚴格，其監(jiān)控節(jié)點遠遠大于本設計，需要更多下位機站點；另外Modbus-RTU的傳輸距離有一定限制，所以真正的實際現(xiàn)場可以采用更為妥善的傳輸模式，例如Profibus總線模式等。

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