基于S7-200PLC与手机物联网的智能实训室远程监控系统的实现

曾喜娟，吴志华

（黎明职业大学，福建 泉州 362000）

0 引言

智能实训室控制系统集控制与监视于一体，是现代实训室管理不可或缺的部分，可以减轻实训室管理人员的工作负担。其集成了安全防范技术、自动控制技术、综合布线技术、网络通信技术等，将实训室的用电设备进行集中控制，搭建便捷、高效的实训室日常事务的管理系统，提升现代实训室环保节能的应用环境，并综合保障实训室的安全性、便利性、舒适性。随着IT 技术、网络技术的发展，智能实训室的控制技术日趋完善。智能实训室系统多种多样，但工作忙碌的实训室管理人员不能时时监控各个实训室的运行情况，因此有一种可远程控制、可实时监控的智能实训室控制系统显得至关重要。

基于以上情况，并参考现有智能家居的设计方案［1］，本文设计了以西门子S7-200PLC 为核心的智能实训室远程监控系统。此系统应用实训室现有的S7-200 CPU 为224XP 的PLC 做下位机，通过带SIM卡的通信模块把数据传输给EMCP 物联网云平台，用户使用手机APP通过物联网平台实现远程控制实训室的总电源、门、照明、电动窗帘等的运行，还可以实现对实训室烟雾及温度报警，再通过对MCGS 触摸屏进行组态画面的设计，综合监视实训室环境安全及启停实训室各用电设备，方便实训室管理人员的操作，对减轻实训室管理人员的工作负担起到一定的作用，对保障实训室的安全性、实时性有一定的应用价值。

1 智能实训室控制系统组成

智能实训室PLC 控制系统的基本结构如图1所示。系统总共分为总电源控制系统、门禁系统、照明系统、窗帘系统和报警系统五个部分［2］，每一部分均可与手机实现通讯，可进行远程监控，并且可通过MCGS触摸屏实现集中控制及监视各用电设备的状态，西门子的S7-200PLC 连接到EMCP 物联网云平台（简称EMCP），实现手机APP 对PLC 的远程控制。

图1 智能实训室控制PLC 控制系统的基本结构图

图2 智能实训室PLC外接线图

图3 照明及风扇电路图

图4 窗帘电机控制电路图

2 系统实现的方案设计

2.1 智能实训室控制系统的硬件电路设计

根据上述系统组成，设计了智能实训室控制系统的硬件电路图。如图2-4所示。

其中可编程逻辑控制器选用西门子的S7-200CPU224XPDC/DC/DC 的PLC ，该款PLC 有14 点输入、10点输出，本系统只要4点输入、7点输出，因此该PLC满足设计需求，剩余点数可作为今后系统功能扩展使用。电路中I/O分配表及各点对应的功能如表1所示。

表1 I/O分配表

图中照明和风扇及插座（电路中未画出）采用单相交流220V 电源，窗帘电机电源为直流24V［3］，PLC 工作电源、输入、输出负载均采用直流电，电压均为24v，另外烟雾传感器采用阿波罗烟雾传感器，型号为ORB-RB-1004-APO，电源也是直流24V。这款传感器底座带有一对常开和一对常闭触点，方便与PLC 连接，当烟雾浓度达到一定值，常开和常闭触点动作，而当烟雾解除，常开和常闭触点自动复位。因此本设计采用DC24V直流开关电源，既安全又可简化电路。

本设计电路各部分的工作原理如下：

总电源控制。如图3、4 所示，照明及风扇电路电源是AC220v，窗帘继电器电源为24V。其控制原理是当烟雾传感器检测电路正常，则常开触点断开，I0.4没输入信号，手机上激活总电源“开”则Q0.4有输出，接触器KM1 线圈得电，照明及风扇电路中的KM1 主触头闭合，则总电源接通，为照明和风扇（还有插座，图中未画出）工作做准备，同时窗帘继电器回路中的KM1常开触点也闭合，为窗帘的工作做准备。当要断开总电源时，只需在手机上激活总电源“关”即可断电。

照明及风扇控制。当总电源接通后，可以在手机上分别激活照明和风扇的“开”或操作照明及风扇控制按钮，均可使得照明控制继电器KA1和风扇控制继电器KA2 得电，使得图3 所示的照明和风扇电路中的KAI 和KA2 继电器的常开触点［4］闭合，照明和风扇就可以工作，当要断电时，只需手机上输入“关”即可。

窗帘控制。窗帘电机采用DC24V直流电机，可以保障人身安全。当接通总电源控制接触器KM1后，KM1常开触点闭合，引入DC24V直流电源，在手机上激活“窗帘开”选项，则Q0.1输出使得KA3窗帘开继电器得电，窗帘电机电路中的KA3常开触点闭合，电流从“+”流出，从电机M上方流入，下方流出，回到电源“-”极，电机正转，带动窗帘布打开。当要合上窗帘时，在手机上激活“窗帘关”选项，则Q0.2输出使得KA4窗帘关继电器得电，窗帘电机电路中的KA4常开触点闭合，电流从“+”流出，从电机M下方流入，上方流出，回到电源“-”极，电机反转，带动窗帘布关上。本设计设有KA3与KA4互锁电路，保障窗帘电路不短路。

烟雾报警控制。烟雾报警主要由阿波罗烟雾传感器检测烟雾浓度，当浓度达到一定程度时，传感器的一对常开触点闭合，使得I0.4有输入，使得Q0.0产生输出，向手机发送报警信号，这时操作手机上总电源“关”选项，立即断开总电源，防止更大事故发生。

门禁控制。当需要开实训室门时，只要在手机上操作门“开”选项，则PLC 上Q0.7 输出信号使得YL门锁电磁线圈得电，则开锁，门即可打开，反之即可关门。

2.2 S7-200PLC与GM10-DTU模块连接

2.2.1 连接电路设计

S7-200CPU224xp 的PLC 有两个485通信口port0 和port1，两个串口中port1 口做程序的下载和在线监视，port0 做Modbus-RTU 从站与GM10-DTU模块通讯，准备一颗9针串口头，用两根导线分别焊接的3 和8 引脚（200PLC 系统手册中有介绍，3 和8引脚为485 通讯口）。此时将PLC prot0 串口的3 引脚连接GM10模块的“485A”端子，8引脚连接GM10模块的“485B”端子（图5）。

图5 S7-200PLC与GM10-DTU模块连线图

接着设置好DTU 网关（这里选择用蓝蜂数据网关）并连接天线、插上SIM 卡（移动/联通流量卡，大卡）、连接到12V或24V的电源即可。

2.2.2 创建S7-200 PLC作为从站

在Step7-MicroWin 编程软件中新建工程，在主程序中添加Modbus Slave Port0 功能（MBUS_INIT，MBUS_SLAVE），如图6 所示。西门子Modbus 从站协议库包括两条指令：MBUS_INIT 指令和MBUS_SLAVE 指令，其中MBUS_SLAVE 指令用于为Modbus 主设备发出求服务，而MBUS_INIT 指令用于启用、初始化或禁止Modbus 从站通讯。在使用MBUS_SLAVE 指令之前，必须正确执行MBUS_INIT 指令。

图6 Modbus Slave Port0

创建S7-200 PLC Modbus 从站程序如图7 所示。程序中我们将Modbus 保持寄存器区从VB1000 开始（HoldStart ＝VB1000），并且保持寄存器为100 个字（MaxHold＝100），因保持寄存器以字（两个字节）为单位，实际上这个通信缓冲区占用了VB1000～VB1200 共200 个字节。

图7 S7200 PLC Modbus从站程序

2.3 物联网平台设置

登录EMCP云平台［5］，进入设备列表显示页面，点击右上角的“后台管理”按钮，进入EMCP 平台的后台，打开“后台管理”中的“模块管理”页面，将DTU 绑定至管理员账号，然后就可以使用“远程配置”功能来配置DTU 的各项通讯参数和功能参数，（最主要两个地方需要配置，一是与PLC 通讯的串口参数，二是设置DTU 定时采集PLC 数据的MODBUS 通道参数。）以后点击网页左侧选择菜单“设备管理”中的“新增”新建一个设备“西门子S7-200PLC”，之后点击“数据规则”进入规则设置页面，点击右上角的“新增”，在弹出的窗口中设置该数据规则的名称“S7-200PLC”和展示样式“列表展示”。然后再选中“读写数据”选项，在弹出对话框中设置各数据属性，如图8 所示，一一设置灯、风扇等的读写属性，注意设置寄存器地址时一定要和表1 所示的I/O点对应。然后再在手机安装《云联物通》手机APP，这样就可以使移动终端和PLC 上的GM10 无线模块通过短信的方式相互传递信息。手机下载APP登陆后的组态界面如图9所示。

图8 风扇读写属性设置图

图9 手机组态画面图

3 MCGS触摸屏监控组态设计

本设计触摸屏采用MCGS 嵌入版组态软件［6］，主要用来完成实训室现场数据的采集与监测。组态画面主要有照明、风扇、窗帘以及门的监控，图10所示为实训室触摸屏主画面。

图10 MCGS触摸屏主画面

组态变量如图11 所示。只要通过编写脚本程序，即可实现灯、窗帘、门的动画，把写好的脚本程序下载至触摸屏，与PLC 联机运行，当手机上操作对应的用电设备开关时，触摸屏上可以显示出对应用电设备的工作状态，即可实现对实训室的监控。

图11 MCGS组态变量图

4 结语

本文提出了一种基于西门子的S7-200PLC 与带SIM 卡的通信模块连接，把数据传输给EMCP 物联网云平台，用户使用手机APP通过物联网平台实现远程控制实训室，并可通过MCGS 触摸屏对实训室的用电设备状态进行监视。该系统可以减少实训室管理员的工作量，并且实训室管理员即使不在办公区域也可以对实训室进行控制。本系统已经得到实际验证，具有抗干扰能力强、控制实时准确、稳定性好的特点。