基于S7-200PLC的BAS系统设计

2014-12-31李长元王长顺

机械工程与自动化 2014年2期

杜欣，李长元，王长顺

（天津职业技术师范大学，天津 300222）

0 引言

近些年来，电子技术（尤其是计算机技术）和网络通信技术的高速发展使得社会高度信息化。在建筑物内部，常常将建筑技术和高科技相结合，于是产生了“楼宇智能化”，即利用计算机技术对建筑物内的设备进行自动控制，对信息资源进行管理，从而为用户提供信息与服务。我国的楼宇智能化是在20世纪90年代才开始呈现规模化的发展，虽然起步相对较晚，但发展非常迅速，在大中型城市中，智能化系统已经相当普及，成为住宅以及社区等地的必配设施。根据国外媒体的预测，近期在中国正在或者将要兴建的大型建筑大约占了全球的一半，可见，智能建筑在我国有着极其重要的地位。

基于当今智能楼宇系统（Building Automation System，BAS）的快速发展及广泛应用，加上PLC具有的稳定特性，本文利用S7-200PLC设计了一套简单的BAS模拟系统，其目的是让更多的楼宇实现监控智能化，从而提高人们的工作效率，保障人们的生活质量。

1 BAS系统设计

1.1 总体设计方案

在智能大楼中包含着各种各样的环境信息，如照明信息、空调信息和消防信息等，分布在整个大厦的许多部位，这些信息光靠人为地一一监控费工费时，因此有必要设计一套可以集中监控的智能系统，将智能大楼里的环境信息由PLC采集上来，通过Modbus传输协议，将监控信号传输到远程上位终端，在上位机上集中监控各个状态；一旦大楼中某些系统发生故障，能及时发现，并解决和修复，大大减轻人工负担。

1.2 BAS系统设计方框图

智能楼宇系统设计方框图如图1所示。

图1 智能楼宇系统方框图

该设计首先将智能大楼中的环境信息即照明信息、空调信息、供水信息、消防信息和总闸开关信息等，由PLC的输入接口采集到PLC中，然后将采集的环境信息经过处理，由输出接口直接控制现场指示灯，通过该方式完成现场监控。在PLC中配置Modbus－RTU通信协议，将采集的环境信息参数传输到上位机，由于PLC串口采用RS485协议，而上位计算机采用RS232串口协议，因此要用一个RS232转RS485接口使传输畅通。上位机采用NK6000设计，其中包括数据库配置和图形界面监控等功能，NK6000将PLC传输上来的环境信息存储到数据库中，再由组态界面调用数据库中的信息，并在组态界面上显示远程楼宇环境信息，从而实现远程集中监控的目的。一旦HMI产生报警，就预示着楼宇环境出现异常，这时可以指派工作人员对相应的报警点进行检修。

1.3 BAS系统工作流程

智能楼宇系统工作流程图如图2所示。

开始，初始化系统各功能，扫描楼宇环境信息，包括照明系统开关状态、空调系统开关状态、供水系统开关状态、消防系统开关状态和总闸开关状态。将采集到的楼宇环境信息在PLC内部做数据处理，在下位机上将工作状态显示出来，实现下位机的实时监控。处理完的数据通过Modbus-RTU传输协议，以报文的形式传输到PC上位机，将实时监控量显示到HMI监控界面，在HMI上实现远程集中监控。

图2 智能楼宇系统工作流程图

2 BAS构架

2.1 底层环境采集

底层采用西门子公司的S7-200型PLC，用PLC的I/O口进行环境状态信息采集，环境状态包括：照明系统开关状态、空调系统开关状态、供水系统开关状态、消防系统开关状态以及总闸开关状态量。由于条件有限，本设计采用模拟形式完成，采用按钮开关模拟上述开关状态量。

2.2 下位数据处理

PLC采集的状态量通过I/O口进入CPU内部，用STEP编程软件设计程序，将采集到CPU内的状态量通过输出线圈用指示灯显示出来。下位实时监控图如图3所示。

图3 下位实时监控图

2.3 中间传输协议

传输协议采用西门子S7-200的Modbus-RTU，在STEP 7-micro/WIN编程软件环境下配置协议参数。Modbus参数配置情况如图4所示。

在MBUS＿INIT中，Mode设为1，表示启动Modbus的RTU传输模式；Addr设为2，表示设定PLC从站地址为2。Baud即波特率为9 600b/s，Parity为0表示无奇偶校验，Delay＝0表示不延时，MaxIQ＝128表示可使用的I和Q点数为128个。MaxAI＝32表示最大通道个数为32，MaxHold＝100表示保持100个寄存器。在使用MBUS＿SLAVE之前，必须先配置MBUS＿INIT的参数。如果数据配置完成后通信正常，MB11和MB12输出均为0，即无错误。

图4 Modbus参数配置

2.4 上层界面监控

人机界面采用组态软件NK6000设计，该组态软件伴随有强大的数据库连接功能，且通信协议兼容性强，能使用Modbus-RTU协议，与下位机S7-200形成通信并读取下位机传送上来的数据，将实时数据显示到HMI上，从而实现远程实时集中监控。

对于Modbus-RTU而言，它有相对应的库文件，可以在STEP7编程软件中添加库文件以实现通信参数配置。在调试S7-200PLC令其能正常发送数据时，我们可以用MODCAN作为主站软件，用访问串口的形式读取PLC的状态值，即线圈、触电、保持寄存器等等。若想查看PLC传输数据报文情况，可采用BUS串口助手，通过收发功能码来实现采集和控制PLC的目的。

组态监控界面由凯发公司的NK6000实现，NK6000伴有数据库匹配功能，所有下位机上传的数据都传输到数据库中，然后利用关联组态软件实现数据显示；并且NK6000也有串口监视功能，可以查验报文，与理想数据作比较。

最终的设计结果非常好，达到了理想的远程集中监控的目的。