基于PLC的病床呼叫器控制系統(tǒng)設計

1、學院（系）：工程技術學院信息系專業(yè)班級：電氣自動化三班姓名：孫向明學號：140723094指導教師：劉輝設計日期：題目七基于PLC的病床呼叫控制系統(tǒng)設計與調試一、控制要求：1共有3個病房，每間病房4個床位。每一病床床頭均有緊急呼叫按鈕及重置按鈕，以利病人不適時緊急呼叫。2設每一層樓有一護士站，每一護士站均有該層樓病人緊急呼叫與處理完畢的重置按鈕。3每一病床床頭均有一緊急指示燈，一旦病人按下緊急呼叫按鈕且未在5s內按下重置按鈕時，該病床床頭緊急指示燈動作且病房門口緊急指示燈閃爍，同時同樓層的護士站顯示病房緊急呼叫并閃爍指示燈。4在護士站的病房緊急呼叫中心，每一病房都有編號，用指示燈顯示哪一病房先

2、按下病人緊急呼叫按鈕，并要具有優(yōu)先級判別的能力。5一旦護士看見護士站緊急呼叫閃爍燈后，須先按下護士處理按鈕以取消閃爍情況，再依病房緊急呼叫順序處理病房緊急事故，若事故處理妥當后，病房緊急閃爍指示燈和病床上的緊急指示燈方町被重置。二、設計要求：1、根據控制要求，明確輸入/輸出信號；2、畫出各輸入和輸出信號的工作時序圖；3、畫出梯形圖；4、上機運行，檢查程序是否符合控制要求，進一步修改程序。目 錄第一章 緒論11.1 病床呼叫系統(tǒng)的概念11.2 呼叫系統(tǒng)的存在價值11.3 呼叫系統(tǒng)的現狀11.4 病床緊急呼叫系統(tǒng)的特點1第二章 設計任務及要求22.1 設計任務22.2 設計要求22.3 PLC的選

3、型22.4 警報燈的選擇3第三章 系統(tǒng)總體方案設計43.1 PLC簡介及工作原理43.2 設計方案說明83.3 病床呼叫系統(tǒng)的組成及工作方式83.4 I/O分配表910第四章 控制系統(tǒng)的設計114.1 控制程序流程圖設計114.2 病床呼叫系統(tǒng)時序圖114.3 程序設計（如圖）134.4 創(chuàng)新設計內容19第五章 程序調試和仿真205.1 調試205.2 仿真20第六章 心得與體會23參考文獻24第一章 緒論1.1 病床呼叫系統(tǒng)的概念病房呼叫系統(tǒng)，簡稱呼叫儀或請護儀，它的作用是將病人的求助請求迅速而準確地通知醫(yī)護人員，以便及時進行處治。它的使用既可方便病人，又可減少醫(yī)護人員的巡查次數，減輕其勞動

4、強度，因而在臨床上得到普遍的應用。1.2 呼叫系統(tǒng)的存在價值患者在住院期間，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要手段，病床呼叫系統(tǒng)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，是提高醫(yī)院和病室護理水平的必備設備之一。病床呼叫系統(tǒng)要求及時、準確、可靠，簡便可行，利于推廣，其性能的優(yōu)劣直接關系到病員的安危，因此歷來受到各大醫(yī)院的普遍重視。1.3 呼叫系統(tǒng)的現狀目前，醫(yī)院病床呼叫裝置大多由單片機及低壓電力線等傳輸媒質所構成，采用數字電路。一般都具有聲光報警功能，醫(yī)護人員能夠及時了解病

5、人的請求。病床呼叫系統(tǒng)的主機一般都設置在護士值班室，主機通過導線與各病房病床的終端呼叫器(一般為機械開關)相連，因此病房和值班室之間需要大量的連線，布線施工麻煩、成本也高。1.4 病床緊急呼叫系統(tǒng)的特點醫(yī)院病房中使用的呼叫裝置有無線式和有線式兩種形式。其中，有線式一般是采用單片機作為核心控制部件。本研究提出的呼叫系統(tǒng)也屬于有線式，但是核心部件為PLC，該系統(tǒng)主要解決了目前呼叫系統(tǒng)中存在的以下問題：(1)無線式呼叫系統(tǒng)由于需要“發(fā)射”和“接收”兩個系統(tǒng)，存在傳輸距離、可靠性、設備體積與價格、占用無線頻道資源以及發(fā)射的電磁波可能會影響醫(yī)療設備的正常使用等問題。因此，目前醫(yī)院中很少采用。(2)單片機

6、構成的呼叫系統(tǒng)如果采用低壓電力線作為傳輸媒質，必須解決信息衰減、電平轉換、信息耦合、濾波等問題，使得外圍接口電路非常復雜。在軟件設計上還要確定單片機與外設之間的通信方式，以保證在任意時刻只要有呼叫源發(fā)出請求系統(tǒng)立刻響應。軟件設計和硬件設計的繁瑣，給開發(fā)和維護帶來了極大不便。近年來， PLC的功能不斷趨向于計算機化，價格不斷下降，體積不斷縮小。特殊的I/O接口可以使呼叫按鈕直接與PLC輸入相接，輸出可以直接帶報警器顯示裝置等。與計算機聯(lián)網通信十分方便。獨具特色的編程方式，非常易于普及。PLC的應用已不再局限于工業(yè)控制領域，在其他控制領域也獲得廣泛應用。第二章 設計任務及要求2.1 設計任務本課程

7、設計主要用于醫(yī)院病務區(qū)的病人有緊急或自己不方便的事件時呼叫護士站尋求幫助，護士根據站內指示燈及響鈴獲取求助信息的來源，并能及時的給其提供幫助。護士在站內發(fā)現信號時及時將站內燈及響鈴復位，在處理完后再在病床前的開關將病床及病學生根據控制要求，明確設計任務，擬定設計方案與進度計劃，運用所學的理論知識，進行病床呼叫系統(tǒng)運行原理設計、硬件系統(tǒng)設計、軟件系統(tǒng)設計、創(chuàng)新設計，提高理論知識工程應用能力、系統(tǒng)調試能力、分析問題與解決問題的能力。主要內容包括：（1） 設計出硬件系統(tǒng)的結構圖、接線圖、時序圖等；（2）運用功能指令進行PLC控制程序設計；（3）程序結構與控制功能自行創(chuàng)新設計；（4）進行系統(tǒng)調試，實現

8、病床呼叫系統(tǒng)的控制要求。房的燈及鈴復位。2.2 設計要求（1）共有3個病房，每間病房4個床位。每一病床床頭均有緊急呼叫按鈕及重置按鈕，以利病人不適時緊急呼叫。（2）設每一層樓有一護士站，每一護士站均有該層樓病人緊急呼叫與處理完畢的重置按鈕。（3）每一病床床頭均有一緊急指示燈，一旦病人按下緊急呼叫按鈕且未在5s內按下重置按鈕時，該病床床頭緊急指示燈動作且病房門口緊急指示燈閃爍，同時同樓層的護士站顯示病房緊急呼叫并閃爍指示燈。（4）在護士站的病房緊急呼叫中心，每一病房都有編號，用指示燈顯示哪一病房先按下病人緊急呼叫按鈕，并要具有優(yōu)先級判別的能力。（5）一旦護士看見護士站緊急呼叫閃爍燈后，須先按下護

9、士處理按鈕以取消閃爍情況，再依病房緊急呼叫順序處理病房緊急事故。2.3 PLC的選型P根據設計要求可以得知，PLC的輸入信號有：一號病房呼叫信號14床位4個，一號病房復位信號14床4個，二號病房呼叫信號14床位4個，二號病房復位信號14床4個，三號病房呼叫信號14床位4個，三號病房復位信號14床4個，護士站13號病房復位信號3個，病床呼叫系統(tǒng)輸入信號總共有27個；輸出信號有：一號病房14號床位顯示4個，二號病房14號床位顯示4個，三號病房14號床位顯示4個，護士站13呼叫顯示6個，輸出信號總共有20個。根據I/O信號數量、類型以及控制要求，所以選擇FX2N-64MR型PLC,輸入單元為64點。

10、2.4 警報燈的選擇 警報燈的選擇分為兩部分，一部分為病房警報燈的選擇，另一部分為護士站警報的選擇。護士站警報的選擇：因護士站警報燈的選擇是要提醒護士有病人呼叫，所以應選擇亮度功率較大的警報燈，所以其工作電壓使用PLC自帶的220V電源，警報燈的選擇為：AD38-22B-R/08,其光源為紅色LED光，工作電壓為AC,DC220V（交直流雙用），工作電流為18mA，以防值班護士沒注意警報燈的提示，另設一鈴聲警示，便于警報燈與警報鈴的同步，電鈴工作電壓為220V的PLC的自帶電源。病床呼叫系統(tǒng)的總體線路設計圖見PLC接線圖。第三章 系統(tǒng)總體方案設計 PLC簡介及工作原理3.1.1 PLC的概述可

11、編程序控制器（PLC）是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字和模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程可編程序控制器及其有關外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。3.1.2 PLC的組成PLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源和編程器（或編程軟件）組成，如圖3.1所示。 圖3.1 PLC控制系統(tǒng)的示意圖1、中央處理單元（CPU）CPU作為整個PLC的核心，起著總指揮的作用。CPU一般由控制電路、運算器和寄存器組成

12、。這些電路通常都被封裝在一個集成電路的芯片上。CPU通過地址總線、數據總線、控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路連接。CPU的功能有以下一些：從存儲器中讀取指令，執(zhí)行指令，取下一條指令，處理中斷。2、輸入輸出模塊（I/O模塊）I/O模塊實際上是PLC與被控對象間傳遞輸入輸出信號的接口部件。I/O模塊有良好的電隔離和濾波作用。接到PLC輸入接口的輸入器件是各種開關、按鈕、傳感器等。PLC的各輸出控制器件往往是電磁閥、接觸器、繼電器，而繼電器有交流和直流型，高電壓型和低電壓型，電壓型和電流型。3、編程器編程器用來生成用戶程序，并用它進行編輯、檢查、修改和監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況。手持式編程器不能直接

13、輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。它的體積小，價格便宜，一般用來給小型PLC編程，或者用于現場調試和維護。使用編程軟件可以在計算機的屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實現不同編程語言的相互轉換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網絡，還可以實現遠程編程和傳送。4、電源PLC一般使用220V交流電源或24V直流電源。內部的開關電源為各模塊提供DC5V，±12V，±24V等直流點與昂。小型PLC一般都可以為輸入電路和外部的電子傳感器（如接近開關）提供24V直流電

14、源，驅動PLC負載的直流電源一般由用戶提供。5、編程器編程器是PLC的最重要外圍設備。利用編程器將用戶程序送入PLC的存儲器，還可以用編程器檢查程序，修改程序，監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。除此以外，在個人計算機上添加適當的硬件接口和軟件包，即可用個人計算機對PLC編程。利用微機作為編程器，可以直接編制并顯示梯形圖。3.1.3 PLC的工作方式PLC雖然以微處理器為核心，具有微型計算機的許多特點，但它的工作方式卻與微型計算機有很大的不同，微型計算機一般采用等待命令或中斷的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式，當有鍵按下或I/O動作，則轉入相應的子程序或中斷服務程序，無鍵按下，則繼續(xù)掃描等待。

15、PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，即順序掃描，不斷循環(huán)這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下進行的。當PLC運行時，CPU根據用戶按控制要求編寫好并存于用戶存儲器中的程序，按序號作周期性的程序循環(huán)掃描，程序從第一條指令開始，逐條順序執(zhí)行用戶的程序直到程序結束。然后重新返回第一條指令，再開始下一次掃描；如此周而復始。實際上，PLC掃描工作除了執(zhí)行用戶程序外，還要完成其他工作，整個工作過程分為自診斷、通訊服務、輸入處理、輸出處理、程序執(zhí)行五個階段。如圖3.2所示。 圖3.2 PLC循環(huán)掃描示意圖1、自診斷 每次掃描用戶程序之前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。自診斷內容包括I/O部分、存儲器、CPU等，并通過CPU設

16、置定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定的時間，如果發(fā)現異常，則停機并顯示出錯。若自診斷正常，則繼續(xù)向下掃描。 2、通訊服務 PLC檢查是否有與編程器、計算機等的通訊要求，若有則進行相應處理。3、輸入處理 PLC在輸入刷新階段，首先以掃描方式按順序從輸入縮存器中寫入所有輸入端子的狀態(tài)或數據，并將其存入內存中為其專門開辟的暫存區(qū)輸入狀態(tài)映像區(qū)中，這一過程稱為輸入采樣，或是如刷新，隨后關閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段，即使輸入端有變化，輸入映像區(qū)的內容也不會改變。變化的輸入信號的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入刷新階段被讀入。4、輸出處理 同輸入狀態(tài)映像區(qū)一樣，PLC內存中也有一塊專門的區(qū)域稱為輸出狀態(tài)映像

17、區(qū)。當程序的所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)映像區(qū)中所有輸出繼電器的狀態(tài)就在CPU的控制下被一次集中送至輸出鎖存器中，并通過一定的輸出方式輸出，推動外部的相應執(zhí)行器件工作，這就是PLC輸出刷新階段。 5、程序執(zhí)行PLC在程序執(zhí)行階段，按用戶程序順序掃描執(zhí)行每條指令。從輸入狀態(tài)映像區(qū)讀出輸入信號的狀態(tài)，經過相應的運算處理等，將結果寫入輸出狀態(tài)映像區(qū)。通常將自診斷和通訊服務合稱為監(jiān)視服務。輸入刷新和輸出刷新稱為I/O刷新。可以看出，PLC在一個掃描周期內，對輸入狀態(tài)的掃描只是在輸入采樣階段進行，對輸出賦的值也只有在輸出刷新階段才能被送出，而在程序執(zhí)行階段輸入、輸出會被封鎖。這種方式稱作集中采樣、集中輸出

18、。 3.1.4 PLC的應用領域目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類：1、開關量邏輯控制取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。2、工業(yè)過程控制在工業(yè)生產過程當中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量（即模擬量），PLC采用相應的A/D和D/A轉換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的

19、一種調節(jié)方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。3、運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊，如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。4、數據處理PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。數據處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。5、通信及聯(lián)網PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著工廠自動化網絡的發(fā)展，現在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3.

20、2 設計方案說明（1）設計原則 最大限度的滿足機械電氣設備或生產過程的控制要求； 在滿足控制要求的情況下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經濟； 保證控制系統(tǒng)的安全可靠； 考慮到實際情況和工藝的改進，在選擇PLC容量時，應當留有余地。（2）設計內容 擬定控制系統(tǒng)設計的技術要求； 選擇電氣傳動形式等執(zhí)行元件； 選定PLC型號； 編制PLC的輸入/輸出端子接線圖； 根據系統(tǒng)設計的要求編寫軟件規(guī)格說明書，然后在用相應的編程語言進行程序設計。 （3）設計步驟 深入了解和分析被控制對象的工藝條件及控制要求； 選擇適合的的PLC類型； 分配I/O點； 設計控制系統(tǒng)梯形圖； 輸入并調試程序。3.3 病床呼叫系統(tǒng)的組成及

21、工作方式共有3個病房，每間病房4個床位。每一病床床頭均有緊急呼叫按鈕及重置按鈕，以利病人不適時緊急呼叫。設每一層樓有一護士站，每一護士站均有該層樓病人緊急呼叫與處理完畢的重置按鈕。每一病床床頭均有一緊急指示燈，一旦病人按下緊急呼叫按鈕且未在5s內按下重置按鈕時，該病床床頭緊急指示燈動作且病房門口緊急指示燈閃爍，同時同樓層的護士站顯示病房緊急呼叫并閃爍指示燈。在護士站的病房緊急呼叫中心，每一病房都有編號，用指示燈顯示哪一病房先按下病人緊急呼叫按鈕，并要具有優(yōu)先級判別的能力。一旦護士看見護士站緊急呼叫閃爍燈后，須先按下護士處理按鈕以取消閃爍情況，再依病房緊急呼叫順序處理病房緊急事故，若事故處理妥當

22、后，病房緊急閃爍指示燈和病床上的緊急指示燈被重置。出現相應的聲、光報警指示，以便提示醫(yī)護人員盡快趕到現場。3.4 I/O分配表 表3.1 分配表輸入：名稱1房1-4床緊急按鈕輸入變量K0-K3PLC對應輸入X0000-X00032房1-4床緊急按鈕K4-K7X0004-X00073房1-4床緊急按鈕K8-K11 X0010-X00131房1-4床重置按鈕K12-K15X0014-X00172房1-4床重置按鈕K16-K19X0020-X00233房1-4床重置按鈕K20-K23X0024-X0027護士站1房1-4床取消緊急呼叫及閃燈按鈕K24X0030護士站2房1-4床取消緊急呼叫及閃燈按鈕

23、K25X0031護士站3房1-4床取消緊急呼叫及閃燈按鈕K26X0032輸出：名稱護士站顯示1房閃燈輸出變量LD0PLC對應輸出Y0001護士站顯示2房閃燈LD1Y0002護士站顯示3房閃燈LD2Y0003護士站顯示1房響鈴P1Y0004護士站顯示2房響鈴P2Y0005護士站顯示3房響鈴P3Y00061房1-4床燈亮LD3-LD6Y0010-Y00132房1-4床燈亮LD7-LD10Y0014-Y00173房1-4床燈亮LA11-LD4Y0020-Y00231房燈閃LD15Y00242房燈閃LD16Y00253房燈閃LD17Y0026系統(tǒng)接線圖設計3.3 系統(tǒng)接線圖設計第四章 控制系統(tǒng)的設計4

24、.1 控制程序流程圖設計圖4.1 控制程序流程圖設計4.2 病床呼叫系統(tǒng)時序圖以1床病人為例：病人5秒中未按下重置按鈕：5秒鐘內按下重置按鈕圖4.2 病床呼叫系統(tǒng)時序圖4.3 程序設計（如圖）以病房為例：當14號床按下呼叫按鈕時，護士房中的一號房指示燈亮起，相應的計時器（T0T3）記時，計時5秒內按下相應重啟按鈕（X14X17）計時停止，計時5秒相應床位燈與病房門口指示燈亮起。護士按下重啟按鈕，護士房指示燈熄滅同時計時器T30計時開始，計時20秒后斷開床位與病房門口的指示燈，系統(tǒng)恢復原始狀態(tài)。圖4.3 程序設計圖圖4.4 總體PLC控制程序4.4 創(chuàng)新設計內容本設計加入了以下兩項創(chuàng)新內容：此設

25、計中在護士房中加入了三個電鈴，在病人按下緊急呼叫按鈕時，護士房中的對應三個病房的相應電鈴會響起，提示值班護士有人按下緊急呼叫按鈕，從而防止值班護士未注意亮燈情況而引發(fā)的意外事故。此設計中還加入了延時熄滅病房門口的指示燈的延時設計，當病人按下緊急呼叫按鈕后，5秒內沒按下重置按鈕時，該病房門口的指示燈亮起，護士房中的護士按下該病房的重置按鈕后，該病房門口的指示燈不會立即熄滅，它會延時20秒后再熄滅，在此期間該指示燈可以為到來的護士及醫(yī)生指示按下緊急呼叫按鈕的病人所在的病房。第五章 程序調試和仿真5.1 調試先將程序輸入試驗機，再用模擬信號調試，調試成功后再投入使用，再模擬調試時，我們最常用的是輸入

26、短接法調試。用輸入短接法調試程序用一根導線將電”+”和PLC輸入端的COM端短接；另用一根導線的一端接電源“-”,另一端做活動端。將一根活動端與00000短接，觀察到所對應的HL燈亮，然后將活動端與00001接通。5.2 仿真程序測試是檢驗所設計的程序是否達到了設計的要求。測試結果：以1號病房1號床為例說明 當1號床病人按下呼叫按鍵5S內沒有按下1號房1號床的復位按鍵時，按下呼叫按鍵時，護士站中的1號病房所對應的燈亮起同時所對應的電鈴響起，提示護士病人呼叫，5S后1號病房1號床的床頭燈亮起，同時1號病房房門燈亮起，提示護士與醫(yī)生呼叫病人所在的位置。當護士在護士站按下相應的復位按鈕時，護士站亮起

27、的燈與響起的鈴聲關閉，同時1號病房1號床的床頭燈熄滅，提示病人護士已接收到呼叫，此時1號病房房門燈繼續(xù)亮20S，以便為護士與醫(yī)生指明呼叫病房，20S后此燈自動熄滅，程序結束。當1號床病人按下呼叫按鍵5S內按下1號房1號床的復位按鍵時，按下呼叫按鍵時，護士站中的1號病房所對應的燈亮起同時所對應的電鈴響起，提示護士病人呼叫，在5S內病人按下復位按鍵時，護士站亮起的燈與響起的鈴聲關閉，提示護士此次呼叫屬于誤按。在這種情況下，1號病房1號床的床頭燈與1號病房房門燈均都不亮，程序結束。其他病床與其他病房的病床同1號病房1號床情況相同。仿真圖如下：當1號病房1號床呼叫時程序響應如圖所示：圖5.1 呼叫程序響應圖 當1號病房1號床病人呼叫完后，護士按下復位按鍵時程序響應如圖所示：第六章 心得與體會通過本次醫(yī)院病床系統(tǒng)的畢業(yè)設計，我熟悉了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運用中，提高了我們的工程素質，提高了我的理論知識，工程應用能力、系統(tǒng)調試能力、分析問題與解決問題的能力。通過在網上查找資料以及到圖書館學習，也使我更好的理解和認識了關于PLC