PLC病房呼叫系統設計(共27頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上課程設計(論文)基于S7-200PLC的病房呼叫系統設計BASED S7-200PLC HOSPITAL ROOM CALL SYSTEM DESIGN學生姓名李金堂學院名稱信電學院學號班級12自動化專業(yè)名稱電氣工程及其自動化指導教師曹言敬2015年7月2日 專心-專注-專業(yè)摘要信息時代的醫(yī)院管理已經從傳統的人管理模式，向智能化、電子化、網絡化的高科技管理模式的方向迅猛發(fā)展。“PLC病床緊急呼叫系統”可以實現對醫(yī)院病房的智能化管理，可實現呼叫、求救報警、信息儲存、顯示等等功能?；颊咴谧≡浩陂g，可能會在任意時間請求醫(yī)生或護士進行診斷或護理。臨床求助呼叫是傳送臨床信息的重

2、要手段，病床呼叫系統是患者向值班醫(yī)生或護士發(fā)出緊急呼叫的工具，要將患者的請求快速傳送給值班醫(yī)生或護士，并在護士站的監(jiān)控中心留下準確完整的記錄，提高醫(yī)院和病室護理。 為了豐富病床呼叫系統的控制方式，在滿足病房與護士站實時通信同時，能夠方便地了解各病區(qū)的情況，實現醫(yī)院對全院的病房科學化管理。采用可編程控制器替代單片機作為核心控制件，設計實現新型智能病床呼叫系統。實驗結果表明，用可編程控制器構成的病床呼叫智能系統結構更簡單，更易于推廣。本設計采用S7-200系列PLC實現控制系統的設計，并通過MCGS組態(tài)軟件仿真與實物模擬實驗，驗證了設計方案的可行性。關鍵詞PLC；病房呼叫系統；梯形圖；S7-200

3、；MCGS仿真目 錄1緒論1.1 PLC簡介可編程控制器是60年代末在美國首先出現的，當時叫可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用來取代繼電器1。以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數等順序控制功能。提出PLC概念的是美國通用汽車公司。PLC的基本設計思想是把計算機功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結合起來，控制器的硬件是標準的、通用的。根據實際應用對象，將控制內容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內,使控制器和被控對象連接方便。 1.1.1 PLC的誕生隨著計算機控制技術的不斷發(fā)展，可編程控制器

4、的應用已廣泛普及，成為自動化技術的重要組成。編程控制器最先出現在美國，1968年，美國的汽車制造公司通用汽車公司(GM)提出了研制一種新型控制器的要求，并從用戶角度提出新一代控制器應具備以下十大條件：（1）編程簡單，可在現場修改程序；（2）維護方便，最好是插件式；（3）可靠性高于繼電器控制柜；（4）體積小于繼電器控制柜；（5）可將數據直接送入管理計算機；（6）在成本上可與繼電器控制柜競爭；（7）輸入可以是交流115V（即用美國的電網電壓）；（8）輸出為交流115V、2A以上，能直接驅動電磁閥；（9）在擴展時，原有系統只需要很小的變更；（10）用戶程序存儲器容量至少能擴展到4KB。條件提出后，立

5、即引起了開發(fā)熱潮。1969年，美國數字設備公司（DEC）研制出了世界上第一臺可編程序控制器，并應用于通用汽車公司的生產線上。被取名為可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）。緊接著，美國MODICON公司也開發(fā)出同名的控制器，1971年，日本從美國引進了這項新技術，很快研制成了日本第一臺可編程控制器。1973年，西歐國家也研制出他們的第一臺可編程控制器1,2。1.1.2 PLC的發(fā)展史   隨著半導體技術，尤其是微處理器和微型計算機技術的發(fā)展，到70年代中期以后，特別是進入80年代以來，PLC已廣泛地使用16位甚至32位微處理器作

6、為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，使PLC在概念、設計、性能價格比以及應用方面都有了新的突破。這時的PLC已不僅僅是邏輯判斷功能，還同時具有數據處理、PID調節(jié)和數據通信功能，稱之為可編程序控制器（Programmable Controller）更為合適，簡稱為PC，但為了與個人計算機（Persona1  Computer）的簡稱PC相區(qū)別，一般仍將它簡稱為PLC（Programmable Logic Controller）。   PLC是微機技術與傳統的繼電器-接觸器控制技術相結合的產物，其基本設計思想是把計算機功能

7、完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結合起來，控制器的硬件是標準的、通用的。根據實際應用對象，將控制內容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內。繼電器控制系統已有上百年歷史，它是用弱電信號控制強電系統的控制方法，在復雜的繼電器控制系統中，故障的查找和排除困難，花費時間長，嚴重地影響工業(yè)生產。在工藝要求發(fā)生變化的情況下，控制柜內的元件和接線需要作相應的變動，改造工期長、費用高，以至于用戶寧愿另外制作一臺新的控制柜。而PLC克服了繼電器-接觸器控制系統中機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用微處理器的優(yōu)點，并將控制器和被控對象方便

8、的連接起來。由于PLC是由微處理器、存儲器和外圍器件組成，所以應屬于工業(yè)控制計算機中的一類。   對用戶來說，可編程控制器是一種無觸點設備，改變程序即可改變生產工藝，因此如果在初步設計階段就選用可編程控制器，可以使得設計和調試變得簡單容易。從制造生產可編程控制器的廠商角度看，在制造階段不需要根據用戶的訂貨要求專門設計控制器，適合批量生產。由于這些特點，可編程控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的應用。   我國從1974年也開始研制可編程序控制器，1977年開始工業(yè)應用。目前

9、它已經大量地應用在樓宇自動化、家庭自動化、商業(yè)、公用事業(yè)、測試設備和農業(yè)等領域，并涌現出大批應用可編程序控制器的新型設備。掌握可編程序控制器的工作原理，具備設計、調試和維護可編程序控制器控制系統的能力，已經成為現代工業(yè)對電氣技術人員和工科學生的基本要求。1.1.3 PLC的發(fā)展趨勢 隨著PLC應用領域日益擴大，PLC技術及其產品結構都在不斷改進，功能日益強大，性價比越來越高。    （1）、在產品規(guī)模方面，向兩極發(fā)展。一方面，大力發(fā)展速度更快、性價比更高的小型和超小型PLC。以適應單機及小型自動控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技術完善的

10、大型PLC方向發(fā)展。隨著復雜系統控制的要求越來越高和微處理器與計算機技術的不斷發(fā)展，人們對PLC的信息處理速度要求也越來越高，要求用戶存儲器容量也越來越大。    （2）、向通信網絡化發(fā)展    PLC網絡控制是當前控制系統和PLC技術發(fā)展的潮流。PLC與PLC之間的聯網通信、PLC與上位計算機的聯網通信已得到廣泛應用。目前，PLC制造商都在發(fā)展自己專用的通信模塊和通信軟件以加強PLC的聯網能力。各PLC制造商之間也在協商指定通用的通信標準，以構成更大的網絡系統。PLC已成為集散控制系統（DCS）不可缺少的組成部分。

11、0;   （3）、向模塊化、智能化發(fā)展    為滿足工業(yè)自動化各種控制系統的需要，近年來，PLC廠家先后開發(fā)了不少新器件和模塊，如智能I/O模塊、溫度控制模塊和專門用于檢測PLC外部故障的專用智能模塊等，這些模塊的開發(fā)和應用不僅增強了功能，擴展了PLC的應用范圍，還提高了系統的可靠性。    （4）、編程語言和編程工具的多樣化和標準化     多種編程語言的并存、互補與發(fā)展是PLC軟件進步的一種趨勢。 PLC廠家在使硬件及編程

12、工具換代頻繁、豐富多樣、功能提高的同時，日益向MAP(制造自動化協議)靠攏，使PLC的基本部件，包括輸入輸出模塊、通信協議、編程語言和編程工具等方面的技術規(guī)范化和標準化。1.2 PLC的工作原理1.2.1 PLC的主要組成部分CPU模塊：圖1-1 PLC的主要組成部分CPU模塊主要由微處理器（CPU芯片）和存儲器組成。在PLC控制系統中，CPU模塊相當于人的大腦和心臟，它不斷的采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統的輸出；存儲器用來儲存程序和數據3。I/O模塊：輸入(Input)模塊和輸出（Output）模塊統稱I/O模塊，是聯系外部現場和CPU模塊的橋梁。輸入模塊主要用來接受和采集輸入信號，輸

13、入信號包括兩類：一類是從按鈕，選擇開關，接近開關，光電開關等來的開關量輸入信號；另一類就是由電位器，測速發(fā)電機等提供的連續(xù)變化的模擬量信號。PLC通過輸出模塊控制接觸器、電磁閥等執(zhí)行機構，另外也可以驅動指示燈、數字顯示裝置等。CPU模塊的工作電壓一般是5V，而其輸入/輸出信號電壓一般較高，如DC24V和AC220V。為防止外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲損壞CPU模塊，影響其正常工作，在I/O模塊中，用光電耦合器、可控硅，小型繼電器等器件來隔離外部輸入電路和負載。I/O模塊除了傳遞信號外，還有電平轉換與隔離的作用。1.2.2 PLC的掃描過程PLC有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（

14、STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，PLC通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現控制功能。為了使PLC的輸出及時響應隨時變化的輸入信號，用戶程序不是執(zhí)行了一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直至PLC停機或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)中，PLC還要完成內部處理，通訊處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段。圖1-2 PLC掃描過程圖在內部處理階段，進行PLC自檢，檢查內部硬件是否正常，對監(jiān)視定時器（WDT）復位以及完成其它一些內部處理工作。在通信服務階段，PLC與其它智能裝置實現通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容等。當PLC處于停止（STOP）狀態(tài)時，只完成內部處理和通信服

15、務工作。當PLC處于運行（RUN）狀態(tài)時，除完成內部處理和通信服務工作外，還要完成輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新工作。PLC的掃描工作方式簡單直觀，便于程序的設計，并為可靠運行提供了保障。當PLC 掃描到的指令被執(zhí)行后，其結果馬上就被后面將要掃描到的指令所利用，  而且還可通過CPU內部設置的監(jiān)視定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時間，避免由于CPU內部故障使程序執(zhí)行進入死循環(huán)。1.2.3 PLC執(zhí)行程序的過程及特點1. 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描工作方式按順序對所有輸入端的輸入狀態(tài)進行采樣，并存入輸入映象寄存器中，此時輸入映象寄存器被刷新。接著進入程序處理階段

16、，在程序執(zhí)行階段或其它階段，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內容也不會改變，輸入狀態(tài)的變化只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被采樣到。 2. 程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，PLC對程序按順序進行掃描執(zhí)行。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的順序進行。當遇到程序跳轉指令時，則根據跳轉條件是否滿足來決定程序是否跳轉。當指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映像寄存器和元件映象寄存器中讀出，根據用戶程序進行運算，運算的結果再存入元件映象寄存器中。對于元件映象寄存器來說，其內容會隨程序執(zhí)行的過程而變化。3. 輸出刷新階段 當所有程序執(zhí)行完畢后，進入輸出處理階段。在這一階段里

17、，PLC將輸出映像寄存器中與輸出有關的狀態(tài)（輸出繼電器狀態(tài)）轉存到輸出鎖存器中，并通過一定方式輸出，驅動外部負載。圖1-3 PLC掃描周期因此，PLC在一個掃描周期內，對輸入狀態(tài)的采樣只在輸入采樣階段進行。當PLC進入程序執(zhí)行階段后輸入端將被封鎖，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才對輸入狀態(tài)進行重新采樣。這方式稱為集中采樣，即在一個掃描周期內，集中一段時間對輸入狀態(tài)進行采樣。 在用戶程序中如果對輸出結果多次賦值，則最后一次有效。在一個掃描周期內，只在輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)從輸出映象寄存器中輸出，對輸出接口進行刷新。在其它階段里輸出狀態(tài)一直保存在輸出映象寄存器中。這種方式稱為集中輸出。 對于小

18、型PLC，其I/O點數較少，用戶程序較短，一般采用集中采樣、集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統的響應速度，但使PLC工作時大多數時間與外部輸入/輸出設備隔離，從根本上提高了系統的抗干擾能力，增強了系統的可靠性。 而對于大中型PLC，其I/O點數較多，控制功能強，用戶程序較長，為提高系統響應速度，可以采用定期采樣、定期輸出方式，或中斷輸入、輸出方式以及采用智能I/O接口等多種方式。 從上述分析可知，當PLC的輸入端輸入信號發(fā)生變化到PLC輸出端對該輸入變化作出反應，需要一段時間，這種現象稱為PLC輸入輸出響應滯后。對一般的工業(yè)控制，這種滯后是完全允許的。應該注意的是，這種響應滯后不僅

19、是由于PLC掃描工作方式造成，更主要是PLC輸入接口的濾波環(huán)節(jié)帶來的輸入延遲，以及輸出接口中驅動器件的動作時間帶來輸出延遲，同時還與程序設計有關。滯后時間是設計PLC應用系統時應注意把握的一個參數。2系統硬件設計2.1 設計要求（1） 當某個病床發(fā)出救助信號（按下呼叫按鈕）后，護士站的蜂鳴器發(fā)出短促音，與呼叫信號對應的指示燈閃爍（閃爍頻率自定）。  （2）當醫(yī)護人員聽到呼叫后，可按下呼叫響應按鈕，蜂鳴器停止工作，呼叫指示燈在20s后停止顯示。  （3）如果同時或者在一段時間內有多個呼叫信號，護士站的蜂鳴器仍發(fā)出短促音，與這些呼叫信號對應的那些指

20、示燈均閃爍，醫(yī)護人員按下呼叫響應按鈕后，蜂鳴器停止工作，呼叫指示燈在20s后停止顯示。（4）房間數和床位數可自行設置。（5）用MCGS軟件模擬系統的實際運行狀態(tài)。2.2 任務流程描述假設一個護士站管理2間病房，每間病房有3張病床，每張病床都配有一個緊急呼叫按鈕通過呼叫器與護士站實現遠距離呼叫。當有按鈕按下，護士站蜂鳴器HA發(fā)出警報，同時每張病床對應的指示燈HL開始周期1S閃爍。當護士站值班人員按下響應按鈕，蜂鳴器立即停止工作，同時指示燈20S之后停止工作。任務的流程可以簡單地用圖2-1表示：圖2-1 系統工作流程圖2.3 PLC機型選擇選擇合適的機型是PLC控制系統硬件配置的關鍵問題。目前，生

21、產PLC的廠家很多，如西門子、三菱、松下、歐姆龍、羅克韋爾、ABB等。2.3.1 PLC選型原則PLC機型選擇的基本原則是，在功能，滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格比最優(yōu)的機型。具體應考慮以下幾方面的要求：1、性能與任務相適應選擇的PLC性能應能滿足設計任務的要求。同時，性能最好不要過剩，以免造成硬件資源浪費，同時增加成本。2、PLC的處理速度應滿足實時控制的要求PLC工作時從輸入信號到輸出控制存在著滯后現象，在選擇PLC時應當考慮任務對實時性的要求，在實時性要求比較高的生產現場，不允許有較大的滯后時間。3、PLC機型盡可能統一在設計時應當考慮到設備今后的運行維護，為了

22、減少編程和維修的工作量同時為了方便采購和管理，選擇的PLC機型應盡可能統一。4、指令系統因為目前各個廠家生產的PLC所采用的指令系統不完全相同，所以在選擇PLC機型時應從以下幾個方面考慮：1）指令系統的總語句數。2）指令系統種類。3）指令系統的表達方式。4）應用軟件的程序結構。根據以上PLC選擇原則并結合設計要求以及任務流程，本設計選用西門子S7-200系列CPU224型PLC。2.3.2 PLC技術參數S7-200系統CPU224型PLC的主要技術參數見下表：表2-1 S7-200 CPU224PLC主要技術參數表指標S7-200 CPU224電源電壓/VDC 24V，AC 100230V環(huán)

23、境溫度、濕度055，595%數據存儲器/B8192本機數字量I/O14入/10出數字量I/O映像區(qū)128入/128出 續(xù)表2-1模擬量I/O映像區(qū)32入/32出擴展模塊數量7定時器/計數器256/256供電能力/mADC5V660DC24V2802.3.3 PLC端口功能分配與接線原理圖2.3.3.1 PLC端口功能分配PLC端口功能的分配與電氣連接件下表：表2-2 PLC端口功能表序號PLC地址電氣符號功能1I0.0SB11號病床按鈕2I0.1SB22號病床按鈕3I0.2SB33號病床按鈕4I0.3SB44號病床按鈕5I0.4SB55號病床按鈕6I0.5SB66號病床按鈕7I0.6SB7護士

24、站響應按鈕8Q0.0HL11號病床指示燈9Q0.1HL22號病床指示燈10Q0.2HL33號病床指示燈11Q0.3HL44號病床指示燈12Q0.4HL55號病床指示燈13Q0.5HL66號病床指示燈15Q0.6HA蜂鳴器2.3.3.2 PLC的I/O接線圖本設計的接線原理圖如下：圖2-2 PLC接線原理圖3系統程序設計3.1 PLC控制系統梯形圖程序設計應用程序設計過程中，應正確選擇能反映生產過程的變化參數作為控制參量進行控制，應正確處理各執(zhí)行電器、各編程原件之間的互相制約、互相配合的關系，即聯鎖關系。應用程序的設計方法有多種，常用的有經驗設計法、順序功能圖法等。3.1.1 經驗設計法某些簡單

25、的開關量控制系統可以沿用繼電器-接觸器控制系統的設計方法來設計梯形圖程序，即在某些典型電路的基礎上，根據被控對象的具體要求，不斷地修改和完善梯形圖。有時需要多次反復地進行調試和修改梯形圖，不斷地增加中間編程元件和輔助觸點，最后才能得到一個較為滿意的結果。這種方法沒有普遍的規(guī)律可以遵循，具有很大的試探性和隨意性，最后的結果不是唯一的，設計所用的時間、設計的質量與編程者的經驗有很大關系，所以這種設計方法稱為經驗設計法，一般用于邏輯關系比較簡單的梯形圖程序設計。這種方法對于一些比較簡單程序的設計是比較奏效的，可以收到快速、簡單的效果。但由于這種方法主要是依靠設計人員的經驗進行設計，所以對設計人員的要

26、求比較高。如果用來設計復雜系統梯形圖程序，則存在以下問題：1、考慮不周、設計麻煩、設計周期長2、梯形圖的可讀性差、系統維護困難3.1.2 順序控制設計法與順序功能圖3.1.2.1 順序功能圖順序功能圖（Sequence Function Chart，SFC）是IEC標準規(guī)定的用于順序控制的標準化語言。順序功能圖用以全面描述控制系統的控制過程、功能和特性，而不涉及系統所采用的具體技術，這是一種通用的技術語言，可供進一步設計和不同專業(yè)的人員進行技術交流使用。順序功能圖以功能為主線，表達準確、條理清晰、規(guī)范、簡潔，是設計PLC順序控制程序的重要工具。順序功能圖主要由步、有向連線、轉換和轉換條件及動作

27、（或命令）組成。順序功能圖有以下幾種基本結構：1、單序列結構2、選擇序列結構3、并行序列結構3.1.2.2 順序功能圖法順序功能圖法首先根據系統的工藝流程設計順序功能圖，然后再依據順序功能圖設計順序控制程序。在順序功能圖中，實現轉換時使前級步的活動結束而使后續(xù)步的活動開始，步之間沒有重疊。這使系統中大量復雜的聯鎖關系在步的轉換中得以解決。而對于每步的程序段，只需處理極其簡單的邏輯關系。因而這種編程方法簡單易學、規(guī)律性強，設計的控制程序結構清晰、可讀性好，程序的調試、運行也很方便，可以極大地提高工作效率。3.2 梯形圖程序設計根據3.1中內容，被設計選用順序功能圖法設計控制程序。根據設計要求、S

28、7-200系列PLC的特性以及順序功能圖法的步驟，得到順序功能圖如下圖：圖3-1 病床呼叫系統順序功能圖由圖3-1可以很方便的編寫出系統的梯形圖程序。系統完整的梯形圖程序見附錄。部分梯形圖程序如下：4系統調試PLC的系統調試是檢查、優(yōu)化PLC控制系統硬件和軟件設計，提高控制系統可靠性的重要步驟。為了防止調試過程中可能出現的問題，確保調試工作的順利進行，系統調試應在完成控制可靠性試驗、實際運行試驗等規(guī)定的步驟進行。在調試階段，一些均應滿足控制要求，確保系統安全、可靠運行為最高準則，它是檢驗硬件、軟件設計正確的唯一標準，任何影響系統安全性與可靠性的設計，都必須予以修改，絕不能遺留事故隱患，以免導致

29、嚴重后果。仿真驗證與實物模擬是工程中最常用的兩種驗證方法。4.1 MCGS組態(tài)軟件仿真在使用MCGS軟件仿真前，我們可以先了解一下MCGS的特點，這有利于加深我們隊系統仿真的認識。4.1.1 MCGS組態(tài)軟件簡介MCGS（Monitor and Control System）是一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統的組態(tài)軟件系統，可運行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系統。MCGS為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網絡等功能。MCGS具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點。同時與同類產品相比，MCGS軟件有以下幾個顯著特點：1、全中文、可視化、面向窗口的組態(tài)開發(fā)界面，符合中國人的使用習慣和要求。2、龐大的標準圖形庫，完備的繪圖工具以及豐富的多媒體支持。3、可運行于多種操作系統，兼容性好。4、支持目前絕大多數硬件設備，同時可以方便地定制各種設備驅動；此外，獨特的組態(tài)環(huán)境調試功能與靈活的設備操作命令相結合，是硬件設備與軟件系統能很好地配合。4.1.2 仿真試驗過程及結果在仿真前要配置MCGS組態(tài)軟件，配置過程如圖4-1和圖4-2：圖4-1 MCGS組態(tài)軟件通