基于西门子PLC的高层建筑安防系统的设计.doc

目录第1 章 绪论11.1本课题现状及发展方向11.2 高层建筑安防系统的现状及发展21.3 PLC 技术的发展41.3.1 PLC 的产生41.3.2 PLC 系统的特点51.4 PLC 在高层建筑安防系统中的应用现状51.5 本课题研究的主要内容6第 2 章 高层建筑安防系统研究62.1 高层建筑安防系统简介62.1.1 高层建筑安防系统的监控范围72.1.3 高层建筑安防系统的工作任务72.2 安防系统的构成72.2.1 上位机人机界面系统72.2.2 PLC 控制系统82.2.3 控制台、柜及附件82.2.4 设备就地操作、保护装置及信号传感器92.3 安防系统的控制方式92.3.1 程控自动控制方式102.3.2 联锁手动控制方式102.3.3 解锁手动控制方式102.3.4 上位机控制方式下的共有功能112.3.5 就地手动控制方式112.4 高层建筑安防系统的控制方式112.4.1 程序自动控制方式112.4.2 上位机手动控制方式122.4.3 就地手动控制方式12第3 章PLC在高层建筑安防系统中的应用123.1 高层建筑安防系统中常用的 PLC123.1.1 冗余配置的 PLC 系统123.1.2 常用于高层建筑安防系统的 PLC 简介133.2 SIEMENS S7 软件冗余系统的构架143.3 SIEMENS S7 软件冗余系统的设定143.4 SIEMENS S7 软件冗余系统的用户程序编制14第 4 章：基于西门子PLC的高层建筑安防系统的设计184.2 高层建筑安防系统组态方式184.2.1 系统结构184.3.1系统用到的设备的硬件选型：214.3.2系统主电路分析及设计：224.3.3.PLC控制系统的硬件选型机设计224.5.1组态软件简介304.5.2 监控系统的设计31参考文献33致谢3448第1 章 绪论1.1本课题现状及发展方向对于高层建筑安防系统而言，一般包括包括公共安防和家居安防两大部分，内容主要是入侵识别、围栏周界防范、园区摄像监控、停车场管理、保安电子巡更、访客可视对讲、单元门禁管理、家居安防等。随着通信技术，控制技术和计算机网络技术得飞速发展和普及应用，智能化建筑在逐步发展壮大，信息基础设施建设步伐也在加快，如何使小区拥有一个高效的舒适、温馨、便利的环境，又能满足不断变化得使用者得需要，对小区实现统一、有序、智能化、网络化管理，这是小区安全管理急需的问题。高层建筑安防系统的功能是利用现代化技术，现代计算机技术、现代通信技术和现代图形显示技术实现的，此系统以小区报警只指挥中心为枢纽，以出入口控制系统、家庭防盗报警系统、闭路电视监视系统、停车场管理系统、电梯控制系统等为主构成，形成一个有线和无线结合，固定目标与移动目标结合得多功能、全方位、智能化、系统化的报警指挥中心网络系统，向小区各个用户提供全方位优质可靠的安全服务。各个系统既能独立工作，又能在电脑控制下连成一个有机体，有效地实现技术防范和人员防范相结合得目标，达到住宅小区的保安智能化，确保小区安全。1.2 高层建筑安防系统的现状及发展1984年美国建成世界上第一座智能建筑，此后世界各国纷纷效仿，智能建筑迅速在世界各地展开。据统计，美国的智能建筑已经超过万座，日本新建的大楼中也有约60%是智能建筑。此外，法国、瑞典、英国等欧洲国家和香港、新加坡、马来西亚等地的智能建筑也方兴未艾。而且，这些智能建筑的智能化水平都较高，通常可以达到比较高的集成度6。 国际智能建筑的发展大概经历了四个阶段8，第一阶段是1985年1990年的单一功能专用系统阶段，这一阶段只能选择一种或几种最重要的设备在中央监控室内显示与操作，而大多数设备仍需在现场操作和记录；第二阶段是1990年1995年的多功能系统综合阶段，在这一阶段中，由于微电脑技术的发展，所有的设备状态都可以显示于中央控制室内，大大提高了效率，但大部分的系统运算及处理功能，需要集中到中央控制室内由计算机主机进行处理；第三阶段是1995年2000年系统集成阶段，这一阶段中，原来由中央监控主机完成的功能，可以由一些低价格、高处理能力的现场控制器所取代，因此，中央监控主机的功能也扩大到集中监视、集中管理、分散式控制。第四阶段是目前正在进行的一体化集成管理系统阶段，其体系结构分为中央监控管理级、部门监控（分层）管理级和现场信息采集与控制级三层，通过系统一体化的公共高速通讯网络，同时在整个大厦内采用统一的计算机操作平台，运行和操作在同一个界面环境下，以实现集中监视、控制和管理的功能。经过多年来不断的探索和发展，国外在智能建筑领域已经取得了相当大的成绩，智能化程度较高。其产品在系统实时性、可靠性、安全性等方面都达到了很高的水准，同时，在监控界面的显示、报表/趋势图的生成、实时数据的管理、与现场控制器的实时数据传递以及远程监控、智能化控制（专家控制）等方面都取得了突破性的进展并且发展日趋成熟，已经形成了包括美国霍尼韦尔、瑞士能得等公司在内的一系列智能楼宇监控系统产品，并已经应用于世界上很多国家的智能建筑中，且运行状况良好4。近年来我国智能建筑行业得到了迅速发展，呈现出巨大的市场潜力，社会效益和经济效益不断提高，对于改造和提升传统建筑产业和改善人民生活水平起了积极作用。经过多年对智能建筑的设计、评审、施工管理及验收评测，智能建筑在我国已经过了从无序到有序的发展过程，从知道不多到全面认识的过程，如今已进入发展阶段。我国智能建筑从整体上看分初级阶段和发展阶段6，1990年1995年为初始阶段是从单一功能专用系统开始，并有多功能系统综合出现；1995年2000年进入了系统集成阶段，主要是以楼宇管理系统为中心的集成，并已见成效，发展较快；2000年到目前为止是一体化集成管理系统，现正在进行中，发展较慢。1996年以来，我国的智能建筑进入发展阶段3，在全国范围内得到了推广应用，其对象由宾馆、商务楼向银行、证券、办公、图书馆、博物馆、展览馆以及住宅小区智能化等方向发展。在此期间,一些最新的国际先进技术和理念业已进入我国，而且，在我国工程技术领域中，技术人员对新知识、新技术如饥似渴的追求驱使下，很快就把这些最新技术学习到手，并应用于工程实践之中。几年实践之后，一批精心设计、精心施工而且建成后运转良好的智能建筑已经出现，它们对行业的发展起到了示范作用。经过实践的锻炼，我国的技术队伍趋于成熟，若干国外知名品牌产品进入我国，缩小了我国智能建筑行业与国际水平的差距。构建一个完善的智能大厦，能带给我们很多好处4，在一个智能化的商业大厦里办公，集成系统可以在一个中央监控室内实施对大厦内的保安、消防(对独立设置的火灾报警系统实行二次监控)、各类机电设备、照明、电梯等进行监视与控制；一方面可以提高管理和服务的效率，以及节省人丁成本；另一方面由于采用统一的监控与管理的界面环境，大厦内各职能部门的计算机终端都可以通过中央数据库得到大厦内所有的数据信息，实施全局事件和事务处理，使物业管理更趋现代化，同时可以进一步降低大厦的运行和维护费用，提高大厦的竞争力。随着计算机技术、现代通信技术和自动控制技术的迅速发展，智能化楼宇在世界发达国家应运而生，并得到迅速发展5。今后智能建筑的比重还将大幅增加；我国智能建筑的起步较晚，“七五”国家重点科技公关项目“智能化办公大楼可行性研究”，标志着我国智能建筑领域研究发展拉开了序幕。随后，我国智能建筑的研究、开发与实践开始深入，市场也逐渐形成。监控系统是智能建筑的一个重要组成部分，通过对各个子系统进行监测、控制、信息记录，实现分散节能控制和集中科学管理。智能建筑的发展是科学技术和经济水平的综合体现，它已成为一个国家、地区和城市现代化水平的重要标志之一，在我国步入信息社会和国内外正在加速建设信息高速公路的今天，智能建筑将成为城市中的“信息岛”，它是信息社会最重要的基础7。同时，随着信息时代的来临和信息产业的兴起，企业对智能建筑的需求和普通老百姓对智能建筑的认知都在悄悄地发生变化。智能建筑热潮正席卷着中国大地，建筑的智能化成为未来建筑业发展的必然趋势。随着我国住宅产业化的不断发展、推进，智能建筑市场已成为一个新兴的潜力巨大的体现IT业与建筑业紧密结合的高新技术市场，在我国智能化建筑有着巨大的发展前景，同时为众多相关厂商与企业提供了难得的发展机遇。另外8，由于北京申办2008年奥运会的成功，“数字奥运、数字北京”将成为北京今后几年发展的重中之重。大型体育场馆、运动员村的建设对智能建筑的要求也越来越迫切。信息技术以及网络技术的发展使得集成多种功能的智能建筑系统应运而生，如何将这些先进的智能楼宇建筑技术运用到奥运场馆的建设当中去，将是未来北京建设的主要目标，而智能楼宇保安监控系统的设计则是关键的关键。我们已进入一个数字化时代6，而“网络化“是智能楼宇监控系统的发展趋势，将控制系统、防盗报警系统、闭路监视系统等子系统集成在一个网络平台上，是智能楼宇保安监控工程方案的必然选择。最终有利于与智能楼宇里其他子系统融合成一体，使得智能大厦内的信息与资源可共享，便于从全局的角度管理和决策，提高服务质量。智能保安系统应把出入口控制系统、防盗系统、电视监控系统有机的结合在一起、并挂在计算机网络上，使保安系统所有的信息都汇总到控制中心的计算机上。它通过对系统设备传来的信息进行分析、过滤，做出正确的判断，输出相应的处理措施9。随着计算机网络的广泛应用，智能大厦内的保安系统应不在以一个单一的系统存在，其信息应该可以传送到单位的保安部门或公安部门，许多楼宇应该可以组成一个广泛的保安系统1。传送的信息应该不仅局限数据文件，还应该包括图象信息。传送的距离不仅是某个城市或国家，而是在世界范围内。多媒体技术让计算机能够显示并处理，实时的视频图象和声音，多台计算机之间要达到实时图象和声音共享，取决于高速信息网络的建立和图象压缩技术的发展101.3 PLC 技术的发展1.3.1 PLC 的产生在工业生产过程中，往往需要进行大量离散量数据的采集和开关量顺序控制，传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1969 年美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable ,是世界上公认的第一台 PLC。1.3.2 PLC 系统的特点 目前，随着生产自动化程度的日益提高，PLC 系统经常作为控制系统的核心进行使用，总结起来其主要有以下几个特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强。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。（2）配套齐全，功能完善，适用性强。PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小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，现代 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。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC 作为通用工业控制计算机，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，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便。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，同时维护也变得容易起来。（5）体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。1.4 PLC 在高层建筑安防系统中的应用现状目前，PLC 系统作为高层建筑安防系统的控制核心，已经得到了用户的认可和大范围的推广，总结其使用情况大致可归纳为如下几类：（1）单机冷备、单网冷备系统。PLC 系统中只设置一个 CPU 主机，各 PLC 的 I/O 站之间只靠一根通讯电缆连接，当 CPU 或通讯网络故障时，都必须把整个控制系统停下来，更换 CPU 或通讯网络。此种工作方式可靠性低，不能保证系统的不间断运行，但投资很低。（2）单机冷备、双网冗余热备系统。此类配置的 PLC 系统，虽然网络通讯采用冗余热备方式，但只设置一个 CPU 主机，一旦 CPU 故障，就必须把整个控制系统停下来，更换CPU。因此，该工作方式的网络通讯可靠性很高，但整个系统的可靠性改变不大，也不能保证系统的不间断运行，投资比第一种工作方式稍有提高。（3）双机冗余热备、双网冗余热备系统。此类 PLC 系统的可靠性、稳定性大大提高，最大限度地实现了系统的不间断运行，是目前主要采取的 PLC 运用方式。对于冗余系统来说，硬件冗余系统投资很高，软件冗余系统投资比第二种 PLC 工作方式有小幅度的提高。1.5 本课题研究的主要内容本课题主要进行了以下几个方面的研究工作：1. 高层建筑安防系统的构成、控制原则、控制功能及实现控制的手段。2. SIEMENS S7 系列 PLC 软件的配置：（1）CPU 主机部分的硬件选型；（2）现场数据采集 I/O 模块的具体配置方式，硬件选型；（3）PLC 软件冗余系统中几种不同的冗余网络通讯方式；（4）整体 PLC 网络的物理结构及软件设定方法；（5）整个 PLC 系统在软件中的配置方法和步骤；（6）对于在软件中设定好的 PLC 系统，进行硬件初始化的方法和步骤。3. 高层建筑中 PLC 系统的控制程序编制原则和方法。4. 以实际工程为例，编制 SIEMENS 软件使用的控制程序。第 2 章 高层建筑安防系统研究2.1 高层建筑安防系统简介2.1.1 高层建筑安防系统的监控范围安防系统监控的设备主要包括以下几类：（1）银频设备，如摄像头；（2）传感设备，如烟雾报警器、断电报警器等；（3）系统辅助设备，如旋转器、轨道衡、校验装置等；2.1.3 高层建筑安防系统的工作任务高层建筑安防系统一般需要完成以下几项任务：入侵识别、围栏周界防范、园区摄像监控、停车场管理、保安电子巡更、访客可视对讲、单元门禁管理、家居安防。2.2 安防系统的构成安防系统常由四部分组成：第一，上位机人机界面系统，包括上位计算机、人机界面操作软件、安防系统管理件；第二，PLC 控制系统，包括 PLC 主机及数据采集模块、PLC 控制软件、PLC 各分站之间的通讯网络及通讯协议、PLC 与上位机人机界面系统的通讯网络及通讯协议；第三，控制台、柜及附件，包括安放上位机的控制操作台、安放 PLC 的控制柜、安放信号隔离继电器的控制柜、控制电源分配柜等；第四，设备就地操作、保护装置及信号传感器，包括设备的一次和二次控制执行元件、皮带保护装置、信号检测装置等；2.2.1 上位机人机界面系统上位机人机界面系统，是高层建筑安防系统的监控和管理终端，是安防系统的人机互动部分，是人为操作指令的输入部分，也是现场控制信息和计算信息的存储场地。在绝大多数安防系统中，都配置两套上位机人机界面系统，一套作为系统运行的操作员站，另一套作为系统维护的工程师站（该站兼有备用操作员站的功能）。2.2.2 PLC 控制系统PLC 程序控制系统是安防系统的控制核心，主要用来采集现场设备的保护和状态信号，然后经过 CPU 进行逻辑和数学计算后，发出相应的控制指令，从而对安防系统的所有设备进行合理的控制。在安防系统中，PLC 控制系统大都配置有一个本地站（即含有工作主机 CPU 的数据采集机站）和若干个 I/O 远程分站（不含 CPU，仅含用于采集数据的输入、输出 PLC 模块），本地站与 I/O 分站之间根据不同的 PLC 品牌采用不同的冗余配置的数据总线进行连接和通讯；常用的包括SIEMENS 品牌的 PROFIBUS-DP 总线（通讯介质为屏蔽双绞线，传输速率根据传输距离在 187.5K 到 12M 之间可调）、AB 品牌的 CONTROLNET 总线（通讯介质为同轴电缆，传输速率可达到 5M）等。在PLC本地站中，常采用CPU冗余热备工作方式，即配置两台CPU同时工作，一台是主机，采集信号运算后输出指令到实际的 I/O 模块，一台是热备用辅机，采集信号运算后输出同样的控制指令，但指令不通过 I/O 模块输出，一旦主机有故障时，热备辅机指令立刻通过 I/O 模块进行实际输出，从而使自己变为主机继续工作。一般冗余配置的 CPU主、辅机切换时间在十几到几十毫秒。目前，PLC 控制系统的数据采集模块一般都选用DC24V 供电模式，数字量的输入、输出模块常选用 32 通道模块，模拟量输入模块选用8或16 通道模块，模拟量输出模块选用 4 或 8 通道模块。PLC 系统与上位人机界面系统的通讯网络，是操作员控制指令和受控设备工作状态的传输通道，如果此网络通讯不正常，就无法保证控制系统的真正受控。目前的输煤控制系统中，PLC 系统与上位机之间通常采用冗余的工业以太网进行通讯，通讯协议为 TCP/IP，通讯介质为普通网线或光纤，通讯速率采用 10/100M 自适应方式。该通讯方式组网方便，技术成熟，工作稳定，上位机通讯硬件采用普通以太网卡采购方便、成本低廉，且整个煤传输系统容易预留与电厂管理网络的通讯接口。2.2.3 控制台、柜及附件安防系统的控制台、柜是系统正常使用的辅助设施，给上位机及 PLC 元件提供了安装位置和必要的保护，包括操作台、电源柜、PLC 控制柜、信号隔离控制柜等。操作台通常设置在监控室内，根据功能和安放空间进行设计、制作，属于非标产品。一般采用前、后开门方式，在台上安置安防系统上位机显示器，台体内放置安防系统上位主机，台面上布置系统紧急停机按钮和电话、广播呼叫装置。操作台内都设有电源插座和通风冷却风扇。电源柜内设置程控系统所需的成套控制电源，随 PLC 本地站和 I/O 远程分站分别配置，一般系统有几个 PLC 站就有几套电源柜。电源柜内的供电装置都采用冗余配置，输入电源一般为 AC220V，输出电源一般为 AC220V 和 DC24V，为了保证电源系统的连续供电，电源柜的输入端常采用双路同时供电，一路是工作电源、一路是备用电源，在工作电源出现故障时，备用电源立即投入工作。PLC 控制柜主要用来安装 PLC 系统，分布在 PLC 本地站和 I/O 远程分站内。本地站的 PLC 控制柜内，安装有冗余配置的主机系统，一般包括主机架、电源模块、远程 I/O接口模块、CPU 控制器、与上位机通讯的以太网模块及冗余数据同步模块；另外，还装有本地站监控数据采集的 I/O 模块、模块安装机架、与 PLC 主机系统通讯的 I/O 适配装置等。在各 I/O 分站的 PLC 控制柜内，主要安装了远程监控数据采集的 I/O 模块、模块安装机架、与 PLC 主机系统通讯的 I/O 适配装置等。信号隔离控制柜，是信号隔离装置的安置空间。2.2.4 设备就地操作、保护装置及信号传感器设备控制的就地执行元器件、保护装置及传感器系统，是安防系统的重要组成部分，该部分元件如果选择不当或工作不正常，就要造成整个控制系统处于大脑发达四肢不灵的状态。设备控制的执行元器件通常选用优质的通用元器件，如空气开关、接触器、热继电器（电流综合保护器）、电流互感器、按钮、选择开关、信号继电器、就地指示灯及显示仪表等。2.3 安防系统的控制方式安防系统的控制方式一般可分为程控自动、联锁手动、解锁手动、就地手动四种控制方式。其中，程控自动和联锁手动是系统的主要控制方式；解锁手动一般用于单台设备的检修和测试；就地手动常用于单台设备的检修和测试，有时也作为无 PLC 控制的紧急上煤操作方式。29-32程控系统正常工作时，一般依照如下的控制原则：（1）正常运行时，安防系统顺序延时启动；（2）正常停机时，安防系统顺序延时停机；（3）故障停机时，从故障设备起所有设备顺序立即停机；（4）由于紧急情况需立即停所有设备时，操作台及上位机上均有急停按钮，此按钮一旦动作，主机能立即接到命令，使设备立即停下来；（6）当设备发生故障时，输出语音、文字报警。2.3.1 程控自动控制方式程控自动控制方式是煤传输系统的主要工作方式。此种方式下，所有设备的监控工作都通过上位机和 PLC 系统完成，设备自身保护齐全，设备启、停采用联锁自动控制，是一种高可靠性、高智能化的设备控制方式。2.3.2 联锁手动控制方式联锁手动控制方式是安防系统的重要工作方式。此种方式下，所有设备的监控工作都通过上位机和 PLC 系统完成，设备自身保护齐全，设备启、停采用一对一手动控制，是一种简单灵活的设备控制方式。2.3.3 解锁手动控制方式解锁手动控制方式通过上位机和 PLC 系统实现，是一种非常规控制方式，不允许带载运行，只适用于单台设备的调试、校正及试验。解锁手动时，被选中解锁的设备与整个系统将解除联锁关系，可以从上位机上一对一启动已经解锁的设备，此时设备的自身保护依然有效，但没有联锁保护功能。2.3.4 上位机控制方式下的共有功能在安防系统中，程控自动、联锁手动、解锁手动的控制都是经过上位机和 PLC 系统实现的，在这三种控制方式中，设备的自身保护信号都是齐全可靠的，并都有效参与了设备的停机保护。为了提高程控系统的利用率，最大限度地保障安防系统的连续性，系统一般都设有设备故障信号人为解除功能。故障信号解除功能常于设备故障情况时的紧急或临时处理。2.3.5 就地手动控制方式就地手动控制方式是安防系统的后备手操控制方式，此时的设备控制完全使用继电器硬线回路实现，而与上位机和 PLC 系统无关。就地操作时，设备的自身保护往往是不齐全的，设备间的联锁关系也没有程控操作时完整，但此种控制方式可以用作上位机与 PLC 系统损坏情况下的紧急启动。此时，需要运行人员依照设备的联锁关系，到就地操作箱一对一操作设备的启、停开关，从而实现设备的正常工作。通常，就地手动控制方式与程控方式的切换靠设备的“就地/程控”控制方式转换开关实现，此转换开关有的系统设在设备就地控制箱内，有的系统则直接将其设置在安防系统的控制柜内。该开关的位置没有标准可以遵循，一般是由系统的整体设计思路决定的。2.4 高层建筑安防系统的控制方式2.4.1 程序自动控制方式程序自动控制是一种全自动方式，一般包括重点区域优先监控，顺序时间循环执行和非重点区域监控三部分工作内容，整个过程由 PLC 程序控制，可大大降低值班人员的劳动强度。2.4.2 上位机手动控制方式上位机手动控制属于人工方式，此时，操作员通过参考各实际状况，并一对一点按上位机上的按钮来完成工作。2.4.3 就地手动控制方式就地手动方式，是安防系统的后备手操控制方式。此种操作方式与上位机和PLC 系统无关，完全依赖操作人员的运行经验实现。操作人员通过现场控制箱上的控制按钮控制设备，并根据现场巡查来决定配。就地手动的优先级别高于其它控制方式，当巡检人员发现其它方式下出现异常情况时，可以随时在就地对设备操作进行干预。为了保证系统正常工作，少出事故，有的系统对就地手动方式与上位机的控制方式实施了并列共存。第3 章PLC在高层建筑安防系统中的应用 3.1 高层建筑安防系统中常用的 PLC3.1.1 冗余配置的 PLC 系统冗余配置的 PLC 系统，多是指双网冗余热备、双机冗余热备系统。双网冗余热备，即双通道冗余通讯模式，是指在 PLC 系统中，各 PLC 的 I/O 站及CPU 之间通过两根通讯电缆连接，占用两个参数完全相同的通道进行数据通讯，两个通道同时工作，一主一辅互为备用，当一条通讯线故障时，另一通讯网络可以瞬间投入运行，充分保障了网络数据的不间断传输，降低了数据传输的故障率。双机冗余热备，是指在 PLC 系统中配置两个完全相同的 CPU 同时工作，一个 CPU为主，另一个 CPU 为辅，主 CPU 负责驱动实际的系统输出；当 PLC 系统检测到主 CPU故障或 CPU 切换命令时，立即把辅 CPU 的输出链接到系统实际输出上，把原主 CPU 替换下来，以便对其故障进行处理。双机冗余热备系统中，CPU 的切换分为两种方式，一种是通过专用同步模块进行切换，即硬件冗余系统，切换时间一般在十几到几十毫秒，此种 PLC 配置方式投资较高；一种是通过程序数据检测进行切换，即软件冗余系统，切换时间在一百毫秒左右，SIEMENS S7-300/S7-400 系列 PLC 正是可以进行软件冗余配置的典型 PLC，此种 PLC配置方式的投资较硬件冗余系统低很多，系统的运行性价比很高。从 CPU 切换的时间上来看，软件冗余系统的切换时间较长，系统控制的跟随性要比硬件冗余系统差一些；但实际上，高层建筑安防系统的监控信号多为开关量信号，PLC 系统主要进行的是逻辑运算，所以软件冗余系统的切换时间完全能够满足高层建筑系统连续控制的需要。为此，研究 SIEMENS S7-300/S7-400 系列 PLC 的软件冗余配置就变得十分重要。3.1.2 常用于高层建筑安防系统的 PLC 简介目前，高层建筑安防系统中常用的 PLC 主要有三种：（1）美国 MODICON 品牌 QUANTUM140 系列产品。主机部分采用冗余配置，各 PLC 分站与主机采用 RIO 冗余网络通讯，PLC 系统与上位机系统采用冗余以太网方式通讯。（2）德国SIEMENS品牌S7-400S7-300系列产品。主机部分采用S7-300产品，冗余配置；数据采集模块采用 S7-300 产品，并以 SIEMENS 产品特有的 ET200M扩展方式与主机系统相连；各 PLC 分站与主机系统间采用 PROFIBUS-DP 冗余网络通讯，PLC 系统与上位机系统采用冗余以太网方式通讯。（3）美国 AB 品牌 CONTROLLOGIX5500 系列产品。主机部分采用冗余配置，各 PLC 分站与两个主机站采用 CONTROLNET 冗余网络通讯，PLC 系统与上位机系统采用冗余以太网方式通讯。综上可见，高层建筑安防系统中的 PLC 系统一般选择冗余配置 CPU 工作方式。3.2 SIEMENS S7 软件冗余系统的构架SIEMENS S7 系列 PLC 软件冗余系统，在主机部分的配置中，往往因 CPU 的型号不同而有所差别，但对于 I/O 分站的配置则完全相同。在所有的软件冗余系统中，I/O 分站都是按照 ET200M 的方式进行扩展，每个分站配有一对冗余的通讯模块 IM153-2，且所有分站与主机系统的两个 CPU 都以 PROFIBUS-DP 方式进行通讯，每个分站最多只允许配置 8 个 I/O 模块，每个 PLC 系统则可以配置 127 个 I/O 分站。对于 SIEMENS S7 系列 PLC 软件冗余系统的主机部分，本文将按S7-300机型分别进行介绍。S7-300 系列的 PLC，在构成软件冗余系统时，其 CPU 主机部分主要包括以下几种组成构件：（1）PLC 主机安装导轨（2）PLC 主机 CPU 模块（3）PLC 冗余数据检测模块（4）PLC 数据传送网络3.3 SIEMENS S7 软件冗余系统的设定目前，实际工程中常用的 SIEMENS S7 软件冗余系统有两种，一种是 MPIPROFIBUS 冗余方式，另一种是 TCP/IP 冗余方式。软件冗余系统是一种特殊的 PLC 冗余系统，不但在硬件构成上特点鲜明，其软件设定更是举足是轻重，如果没有正确的软件组态和设定，软件冗余系统就无法正常工作，甚至无法组建。对于 SIEMENS S7-300 系列的 PLC 软件冗余系统，用到的软件有用户编程的专用软件STEP 7 和进行软件冗余配置的专用冗余软件SIMATIC SoftwareRedundancy。本文中用到的软件版本为 STEP 7 V5.2+SP1 和 Redundancy V1.2。当STEP 7 V5.2+SP1 和 Redundancy V1.2安装完成后，即可根据实例中提到的硬件构成，来创建和组态软件冗余系统的应用程序。3.4 SIEMENS S7 软件冗余系统的用户程序编制在 SIEMENS 的 PLC 系统中，当 CPU 采用 S7-300/400 产品时，使用的软件编辑程序都是 STEP7，该软件最常用的语言表达方式为梯形图（LAD）和语句表（STL）。为了提高编制 SIEMENS 用户程序的灵活性，强大用户程序的功能，提高程序的可读性，STEP7 采用多种程序块共同来组成用户程序。总结起来，程序块主要包括以下几种：（1）OB 块（Organization Block），即程序组织块，用户程序的执行都是靠 CPU 扫描OB 块来实现的。（2）DB 块（Data Block），即存储程序数据的块，数据块的格式和内容可以根据用户的需要进行设定，数据块支持的数据类型包括 BOOL、BYTE、WORD、DWORD、INT、DINT、REAL、S5TIME、TIME、DATE、CHAR、TIME_OF_DAY，数据块常用的定义结构为数组结构。数据块是用户程序计算数据的存放空间，其内没有程序语句，对于不同的 CPU 来说，可以定义的数据块数量也不同。（3）FB 块（Function Block），即带有存储数据的程序功能块，此类功能块需依附数据块工作，每个 FB 块都需定义一个 DB 块与之配合使用，并通过 OB 块的调用来执行。FB 块有两种，一种是用户自行编制的，具有某种通用功能的程序块；一种是软件系统自带的具有特定功能的程序块，即 SFB 块，在软件冗余系统中，即用到了块 SFB04IEC 接通延时计时器功能块。（4）FC 块（Function），即不带有存储数据的程序功能块，此类功能块单独存在，不需依附数据块工作，是用户开发程序时最常用的程序块，通过 OB 块的调用来执行。一个软件冗余系统的 PLC 程序往往由两部分组成，一部分是具有特定意义的系统自带的程序功能块，包括相应的 OB 块、FB 块、FC 块、DB 块，一般此类程序块不需要用户自己编制，只要把对应的程序块从软件程序库中复制到用户程序中即可；另一部分是用户自己编制或配置的程序块，包括 OB 块、FB 块、FC 块、DB 块等。（1）来自程序库的特定程序块图 3.6 CP 400 文件夹内的程序块显示图 3.7 SWR_AGSEND_400 文件夹内的程序块显示图 3.8 SWR_400_MIN 项中含有的程序块显示（2）用户自行编制的程序块图 3.9 数据块传输指令图 3.10 IEC 计时器指令图 3.11 自行编制的计时器指令功能块 第 4 章：基于西门子PLC的高层建筑安防系统的设计4.1 工程简介本设计中的高层建筑安防系统中，系统要求在程控室内设置一个PLC 本地站，在楼道间设置一个 PLC 远程 I/O 分站。本地站内设有 PLC 系统的 CPU 和部分 I/O 模块,主要监控的设备包括楼外视频设备及楼内所有设备；远程 I/O 分站只设有 PLC 系统的 I/O 模块，主要监控的设备是传感器、探测器等的信号。控制计算机则作为上位机与PLC 互相配合，共同完成高层建筑安防系统的监控功能。本系统的上位机人机界面监控、管理系统包括：两台上位监控机（操作员站）和一台工程师工作站。4.2 高层建筑安防系统组态方式4.2.1 系统结构整个系统由上位机系统、网络通信系统、PLC系统、就地设备控制系统组成，分为程控程控两大部分。设有一个主控制室，实现主要的控制任务。下设四个远程工I/0站，在本系统中，由于系统设备比较分散，所以在楼道间又设置一个远程站，对整个系统起辅助监视作用。整个系统配备了两台上位机，其中一台可以兼做工程师站。上位机与PLC之间采用冗余结构环型工业以太网进行通讯。在PLC系统与各远程1/0设备(ET一200、传动设备、执行器、传感器)等各网络之间采用冗余的PROF工BUS一DP现场总线进行通信。整个系统的系统配置如下图所示：图4.1 高层建筑安防系统配置图4.2.2 通讯方式1.通过分析对比，上位机与PLC主站之间选用德国西门子公司研发的 SIMATICNET100Mbit/S工业以太网。它是利用带传输技术，基于IEEESO2.3，利用CSMA/CD介质访问方法的单元级和控制级传输网络。使用的物理传输介质是光纤。2.PLC主站与各I/0分站之l选用冗余的PROFIBUS一DP现场总线。PROFIBUS一DP用于将现场层的数据高速传送到PLC主站，PLC主站周期地读取各分站的输入信息并周期地向分站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。除周期性数据传输外，PROFIBUS一DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。3.高层建筑安防系统通讯网络图：图4.2 高层建筑安防系统网络通讯图 4.2.3冗余系统实例中的硬件及网络组态安装STEP 7 V5.2+SP1 和 Redundancy V1.2后。根据系统的硬件构成，来创建和组态冗余系统的应用程序。（1）应用程序的创建（2）应用程序的硬件及网络组态图 3.1 CPU 配置 PROFIBUS-DP 网后的程序显示界面图 3.2 配置第一个 I/O 分站后的程序显示界面（3）应用程序的冗余数据检测网络组态图 3.3 含链接配置表的网络编辑界面图 3.4 配置 FDL 数据链接后的链接表显示界面图 3.5 配置 TCP/IP 数据链接后的链接表显示界面4.3系统的硬件设计4.3.1系统用到的设备的硬件选型： 系统元器件选型：序号元器件名称元器件代号型号数量1刀开关QSHR1-60132按钮开关SBLA19-11B/D63转换开关SASZLW5-1634拉绳开关SLRN5-II145热继电器FRJR16-20126熔断器FUNGT00367烟雾探测器8温度传感器9电视摄像机10触摸报警器图4.3 系统元器件选型表 4.3.2系统主电路分析及设计： 系统主电路： 图 4.5 系统主电路图 4.3.3.PLC控制系统的硬件选型机设计1.PLC控制系统的硬件选型：序号设备部件名称型号数量主要技术参数生产厂家1S7-300CPU模块S7-300CPU模块CPU313C-2DPCPU313C-2DP22最多处理模拟通量248通道，数字量992，模块继集成多个高速输入计数通道和输出脉冲通道。德国SIEMENS2S7-300数字输量输入模块SM321116通道，24VDC信号德国SIEMENS3S7-300数字量输出模块SM322116通道，24VDC信号德国SIEMENS4S7-300模拟量输出模块SM33212通道，电流电压信号德国SIEMENS5S7-300以太网模块CP343-11支持TCP/IP协议德国SIEMENS6S7-300PROFIBUS模块CP342-51支持PROFIBUS从站协议德国SIEMENS7分布式I/O站接口模块IM153-11支持PROFIBUS从站协议德国SIEMENS8PROFIBUS电缆CABLE10PROFIBUS标准电缆德国SIEMENS9PROFIBUS通讯卡CP56111程序编程调试，PROFIBUS通讯等德国SIEMENS10总线连接器BUS-CONNECTOR390度被插式德国SIEMENS11模块前连接器20PIN420PIN德国SIEMENS12德国SIEMENS13图 4.6 PLC控制系统硬件选型2.PLC控制系统的I/O口分配：名 称代码地址编码输 入 信 号自动/手动按钮S0I0.0启动按钮SB0I0.1停止按钮SB1I0.2急停按钮SB2I0.3电磁阀I0.41#摄像头I0.52#摄像头I0.63#摄像头I0.7自动/手动按钮S1I1.0启动按钮SB3I1.1停止按钮SB411.2急停按钮SB5I1.3AD/BD运行选择按钮S2I1.4电机（AD）I1.5电机 (BD)I1.64#A电机I1.75#A电机I2.06#A电机I2.17#A电机I2.24#B电机I2.35#B电机I2.46#B电机I2.57#B电机I2.60#电机IO.27图 4.7 输入信号表名称代码地址编码输 出 信 号输 出 信 号启动预告电铃HA1Q0.0启动预告电铃HA2Q0.1故障电铃HA3Q0.2故障电铃HA4Q0.31#摄像头Q0.52#摄像头Q0.63#摄像头Q0.7电机（AD）Q1.0电机 (BD)Q1.14#A电机Q1.25#A电机Q1.36#A电机Q1.47#A电机Q1.54#B电机Q1.65#B电机Q1.76#B电机Q2.07#B电机Q2.10#电机Q2.24.PLC控制系统I/O口连线图图 4.8 PLC控制系统I/O口连线图4.4 系统软件设计以下是系统软件设计分析：图4.9 系统程序控制流程图如下梯形图：4.5 监控系统的设计4.5.1组态软