病床呼叫系统的控制系统设计.docx

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病床呼叫系统的控制系统设计

第一章概述

1．1PLC简介

可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。

但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。

它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。

用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。

1.2可编程控制器的发展

1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。

随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。

在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的—离散量的数据采集监视。

由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。

1.3可编程序控制器的基本结构及工作原理

PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。

用可编程序控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现，应用于工业现场。

PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。

PLC的结构框图如图1.1所示。

图1-1

1.4设计课题简介

而随着社会的进步和发展，医疗水平的不断提高，现代医院护理需要简易及时地获知并处理病人的突发病况，实现患者在住院的任意时间可请求医生或护士进行诊断或护理。

基于PLC设计的医院病床呼叫系统是患者向值班医生或护士发出紧急呼叫的工具,能及时、准确、可靠地实现病房呼叫管理，避免了人工呼叫的不便与效果差等缺点，它是现代医院提高医院和病室护理水平必不可少的设备。

有了病床呼叫控制系统，医院的护理工作变得更加方便全面，不用再为值班医生和护士未能及时发现突发病况而烦恼。

基于可编程控制器PLC设计的病床呼叫系统可以及时、准确、可靠地实现病房呼叫管理,具有良好的应用前景。

本次课程设计教学的主要任务是在学生学完《PLC原理与实践》理论课程后，进行的实践教学。

通过课程设计一方面可验证所学的基本理论知识，同时培养同学们的基本操作技能与与设计能力，是的课堂上所学的理论知识在实践中灵活运用。

第二章设计任务和要求

2.1总体要求：

学生要按课程设计任务书内容要求执行，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行病床呼叫系统运行原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。

2.1．1设计原则

①最大限度的满足机械电气设备或生产过程的控制要求；

②在满足控制要求的情况下，力求使控制系统简单、经济；

③保证控制系统的安全可靠；

④考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应当留有余地。

2.1.2设计内容

①拟定控制系统设计的技术要求；

②选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行元件；

③选定PLC型号；

④编制PLC的输入/输出端子接线图；

⑤根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后在用相应的编程语言进行程序设计；

⑥设计操作台、电气柜及非标准电器元件；

⑦编写设计说明书和使用说明书。

2.1.3设计步骤

①深入了解和分析被控制对象的工艺条件及控制要求；

②选择适合的的PLC类型；

③分配I/O点；

④设计控制系统梯形图；

⑤输入并调试程序。

2.2具体任务要求：

2.2.1设计课题

病床呼叫系统

2.2．2控制要求

①共有6个病房，每间病房4个床位。

每一病床床头均有紧急呼叫按钮及重置按钮，以利病人不适时紧急呼叫；

②设每一层楼有一护士站，每一护士站均有该层楼病人紧急呼叫与处

理完毕的重置按钮；

③每一病床床头均有一紧急指示灯，一旦病人按下紧急呼叫按钮且未

在5s内按下重置按钮时，该病床床头紧急指示灯动作且病房门口紧急指示灯闪烁，同时同楼层的护士站显示病房紧急呼叫并闪烁指示灯；

④在护士站的病房紧急呼叫中心，每一病房都有编号，用指示灯显示

哪一病房先按下病人紧急呼叫按钮，并要具有优先级判别的能力；

⑤一旦护士看见护士站紧急呼叫闪烁灯后，须先按下护士处理按钮以取消闪烁情况，再依病房紧急呼叫顺序处理病房紧急事故，若事故处理妥当后，病房紧急闪烁指示灯和病床上的紧急指示灯方灯被重置。

第三章设计方案说明

通过对病床呼叫系统的PLC控制的设计任务和控制要求进行分析，可以初步得出设计方案：

该病床呼叫系统由从机、主机等两部分组成。

从机（呼叫源）即病床按钮，主机包括PLC及指示灯报警系统。

呼叫源每张病床配备一个，呼叫源一般放在病床床头。

患者有呼叫请求时，按下手持式按钮向护士站呼叫。

主机中PLC工作方式为循环扫描方式，在系统程序控制下，PLC顺序读入输入端口各呼叫源的状态,并且不断地循环扫描。

一旦有呼叫按钮按下且未在5秒内按下重置按钮，PLC立即响应,通过设置的程序实现对系统的控制：

点亮床头指示灯和护士站报警指示灯，并通过报警指示灯指出病房号；同时，病房门口报警指示灯也被点亮。

并通过互锁实现优先级别判断的能力（即只有在护士处理完首先呼叫的病床后进行按钮置位后，其他病床方可继续呼叫，以实现优先级）。

主机监控系统响应后，将出现相应的光报警指示，以便提示医护人员尽快赶到现场。

此外，系统采用主从结构形式后，主机中的PLC还可以通过网线与计算机相接，将多个护士站联网构成病房监护管理中心。

因此初步选定如下装置：

启动/复位开关30个（病床24个、护士站6个）、停止开关1个、指示灯36个（病床24个、病房门口6个、护士站6个），并带有计时功能；设计要求PLC控制器为31入/36出，可以选用SIMATIC-S7-200系列的CPU226、一个EM223扩展模块和一个EM222扩展模块。

通过互锁实现优先级别判断的能力。

第四章PLC控制器的选择及编程元件的地址分配

SIMATICS7-200系列是西门子公司的可编程控制器，这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制要求，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200 PLC可以满足小规模的控制要求。

此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的是适用性。

1台S7-200 PLC包括一个单独的S7-200 CPU，或者带有各种各样的可选扩展模块。

S7-200 CPU模块包括一个中央处理单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。

CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制；输入和输出是系统的控制点：

输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及控也过程中的其他设备；电源向CPU 及其所连接的任何设备提供电力；通讯端口允许将S7-200 CPU同编程器或其他一些设备连起来；状态信号灯显示了CPU 的工作模式（运行或停止），本机I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误；通过扩展模块可提供其通讯性能；通过扩展模块可增加CPU的I/O点数（CPU 221不扩展）；一些CPU有内置的实时时钟，或添加实时时钟卡；EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序送到另一个CPU中；通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间；最大I/O配置。

通过对病床呼叫系统的PLC控制的设计任务和控制要求进行分析，确定的设计方案要求PLC控制器为31入/36出，考虑到要留有一些可扩展的单元，故可以选用SIMATIC-S7-200系列的CPU226、一个EM223扩展模块和一个EM222扩展模块。

根据设计要求，最终设计的I/O分配表如表4-1所示。

PLC输入点

信号名称

PLC输出点

信号名称

I0.0

停止按钮开关

Q0.0

1房门口指示灯

I0.1

1房1床开关

Q0.1

1房1床指示灯

I0.2

1房2床开关

Q0.2

1房2床指示灯

I0.3

1房3床开关

Q0.3

1房3床指示灯

I0.4

1房4床开关

Q0.4

1房4床指示灯

I0.5

2房1床开关

Q0.5

2房门口指示灯

I0.6

2房2床开关

Q0.6

2房1床指示灯

I0.7

2房3床开关

Q0.7

2房2床指示灯

I1.0

2房4床开关

Q1.0

2房3床指示灯

I1.1

3房1床开关

Q1.1

2房4床指示灯

I1.2

3房2床开关

Q1.2

3房门口指示灯

I1.3

3房3床开关

Q1.3

3房1床指示灯

I1.4

3房4床开关

Q1.4

3房2床指示灯

I1.5

4房1床开关

Q1.5

3房3床指示灯

I1.6

4房2床开关

Q1.6

3房4床指示灯

I1.7

4房3床开关

Q1.7

4房门口指示灯

I2.0

4房4床开关

Q2.0

4房1床指示灯

I2.1

5房1床开关

Q2.1

4房2床指示灯

I2.2

5房2床开关

Q2.2

4房3床指示灯

I2..3

5房3床开关

Q2.3

4房4床指示灯

I2.4

5房4床开关

Q2.4

5房门口指示灯

I2.5

6房1床开关

Q2.5

5房1床指示灯

I2.6

6房2床开关

Q2.6

5房2床指示灯

I2.7

6房3床开关

Q2.7

5房3床指示灯

I3.0

6房4床开关

Q3.0

5房4床指示灯

I3.1

护士站对1房开关

Q3.1

6房门口指示灯

I3.2

护士站对2房开关

Q3.2

6房1床指示灯

I3.3

护士站对3房开关

Q3.3

6房2床指示灯

I3.4

护士站对4房开关

Q3.4

6房3床指示灯

I3.5

护士站对5房开关

Q3.5

6房4床指示灯

I3.6

护士站对6房开关

Q3.6

护士站1房指示灯

Q3.7

护士站2房指示灯

Q4.0

护士站3房指示灯

Q4.1

护士站4房指示灯

Q4.2

护士站5房指示灯

Q4.3

护士站6房指示灯

第五章PLC控制程序设计

5．1I/O接线图设计

5.2梯形图设计

梯形图设计如下

5.3指令表

Network1

//闭合启动1房1床开关，延时五秒

LDI0.1

ANI0.0

TONT101,50

Network2

//1房1床灯亮，1房门口灯亮

LDT101

LPS

ANI3.1

ANQ0.5

ANQ1.2

ANQ1.7

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q0.0

LPP

ANQ0.2

ANQ0.3

ANQ0.4

=Q0.1

Network3

//闭合启动1房2床开关，延时五秒

LDI0.2

ANI0.0

TONT102,50

Network4

//1房2床灯亮，1房门口灯亮

LDT102

LPS

ANQ3.1

ANQ0.5

ANQ1.2

ANQ1.7

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q0.0

LPP

ANQ0.1

ANQ0.3

ANQ0.4

=Q0.2

Network5

//闭合启动1房3床开关，延时五秒

LDI0.3

ANI0.0

TONT103,50

Network6

//1房3床灯亮，1房门口灯亮

LDT103

LPS

ANI3.1

ANQ0.5

ANQ1.2

ANQ1.7

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q0.0

LPP

ANQ0.1

ANQ0.2

ANQ0.4

=Q0.3

Network7

//闭合启动1房4床开关，延时五秒

LDI0.4

ANI0.0

TONT104,50

Network8

//1房4床灯亮，1房门口灯亮

LDT104

LPS

ANI3.1

ANQ0.5

ANQ1.2

ANQ1.7

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q0.0

LPP

ANQ0.1

ANQ0.2

ANQ0.3

=Q0.4

Network9

//护士站1房对应灯亮

LDT101

OT102

OT103

OT104

ANI3.1

ANI3.2

ANI3.3

ANI3.4

ANI3.5

ANI3.6

=Q3.6

Network10

//闭合启动2房1床开关，延时五秒

LDI0.5

ANI0.0

TONT105,50

Network11

//2房1床灯亮，2房门口灯亮

LDT105

LPS

ANI3.2

ANQ0.0

ANQ1.2

ANQ1.7

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q0.5

LPP

ANQ0.7

ANQ1.0

ANQ1.1

=Q0.6

Network12

//闭合启动2房2床开关，延时五秒

LDI0.6

ANI0.0

TONT106,50

Network13

//2房2床灯亮，2房门口灯亮

LDT106

LPS

ANI3.2

ANQ0.0

ANQ1.2

ANQ1.7

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q0.5

LPP

ANQ0.6

ANQ1.0

ANQ1.1

=Q0.7

Network14

//闭合启动2房3床开关，延时五秒

LDI0.7

ANI0.0

TONT107,50

Network15

//2房3床灯亮，2房门口灯亮

LDT107

LPS

ANI3.2

ANQ0.0

ANQ1.1

ANQ1.7

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q0.5

LPP

ANQ0.6

ANQ0.7

ANQ1.1

=Q1.0

Network16

//闭合启动2房4床开关，延时五秒

LDI1.0

ANI0.0

TONT108,50

Network17

//2房4床灯亮，2房门口灯亮

LDT108

LPS

ANI3.2

ANQ0.0

ANQ1.2

ANQ1.7

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q0.5

LPP

ANQ0.6

ANQ0.7

ANQ1.0

=Q1.1

Network18

//护士站2房对应灯亮

LDT105

OT106

OT107

OT108

ANI3.1

ANI3.2

ANI3.3

ANI3.4

ANI3.5

ANI3.6

=Q3.7

Network19

//闭合启动3房1床开关，延时五秒

LDI1.1

ANI1.0

TONT109,50

Network20

//3房1床灯亮，3房门口灯亮

LDT109

LPS

ANI3.3

ANQ0.0

ANQ0.5

ANQ1.7

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q1.2

LPP

ANQ1.4

ANQ1.5

ANQ1.6

=Q1.3

Network21

//闭合启动3房2床开关，延时五秒

LDI1.2

ANI0.0

TONT110,50

Network22

//3房2床灯亮，3房门口灯亮

LDT110

LPS

ANI3.3

ANQ0.0

ANQ0.5

ANQ1.7

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q1.2

LPP

ANQ1.3

ANQ1.5

ANQ1.6

=Q1.4

Network23

//闭合启动3房3床开关，延时五秒

LDI1.3

ANI0.0

TONT111,50

Network24

//3房3床灯亮，3房门口灯亮

LDT111

LPS

ANI3.3

ANQ0.0

ANQ0.5

ANQ1.7

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q1.2

LPP

ANQ1.3

ANQ1.4

ANQ1.6

=Q1.5

Network25

//闭合启动3房4床开关，延时五秒

LDI1.4

ANI0.0

TONT112,50

Network26

//3房4床灯亮，3房门口灯亮

LDT112

LPS

ANI3.3

ANQ0.0

ANQ0.5

ANQ1.7

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q1.2

LPP

ANQ1.3

ANQ1.4

ANQ1.5

=Q1.6

Network27

//护士站3房对应灯亮

LDT109

OT110

OT111

OT112

ANI3.1

ANI3.2

ANI3.3

ANI3.4

ANI3.5

ANI3.6

=Q4.0

Network28

//闭合启动4房1床开关，延时五秒

LDI1.5

ANI0.0

TONT113,50

Network29

//4房1床灯亮，4房门口灯亮

LDT113

LPS

ANI3.4

ANQ0.0

ANQ0.5

ANQ1.2

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q1.7

LPP

ANQ2.1

ANQ2.2

ANQ2.3

=Q2.0

Network30

//闭合启动4房2床开关，延时五秒

LDI1.6

ANI0.0

TONT114,50

Network31

//4房2床灯亮，4房门口灯亮

LDT114

LPS

ANI3.4

ANQ0.0

ANQ0.5

ANQ1.2

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q1.7

LPP

ANQ2.0

ANQ2.2

ANQ2.3

=Q2.1

Network32

//闭合启动4房3床开关，延时五秒

LDI1.7

ANI0.0

TONT115,50

Network33

//4房3床灯亮，4房门口灯亮

LDT115

LPS

ANI3.4

ANQ0.0

ANQ0.5

ANQ1.2

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q1.7

LPP

ANQ2.0

ANQ2.1

ANQ2.3

=Q2.2

Network34

//闭合启动4房4床开关，延时五秒

LDI2.0

ANI0.0

TONT116,50

Network35

//4房4床灯亮，4房门口灯亮

LDT116

LPS

ANI3.4

ANQ0.0

ANQ0.5

ANQ1.2

ANQ2.4

ANQ3.1

=Q1.7

LPP

ANQ2.0

ANQ2.1

ANQ2.2

=Q2.3

Network36

//护士站4房对应灯亮

LDT113

OT114

OT115

OT116

ANI3.1

ANI3.2

ANI3.3

ANI3.4

ANI3.5

ANI3.6

=Q4.1

Network37

//闭合启动5房1床开关，延时五秒

LDI2.1

ANI0.0

TONT117,50

Network38

//5房1床灯亮，5房门口灯亮

LDT117

LPS

ANI3.5

ANQ0.0

ANQ0.5

ANQ1.2

ANQ1.7

ANQ3.1

=Q2.4

LPP

ANQ2.6

ANQ2.7

ANQ3.0

=Q2.5

Network39

//闭合启动5房2床开关，延时五秒

LDI2.2

ANI0.0

TONT118,50

Network40

//5房2床灯亮，5房门口灯亮

LDT118

LPS

ANI3.5

ANQ0.0

ANQ0.5

ANQ1.2

ANQ1.7

ANQ3.1

=Q2.4

LPP

ANQ2.5

ANQ2.7

ANQ3.0

=Q2.6

Network41

//闭合启动5房3床开关，延时五秒

LDI2.3

ANI0.0

TONT119,50

Network42

//5房3床灯亮，5房门口灯亮

LDT119

LPS

ANI3.5

ANQ0.0

ANQ0.5

ANQ1.2

ANQ1.7

ANQ3.1

=Q2.4

LPP

ANQ2.5

ANQ2.6

ANQ3.0

=Q2.7

Network43

//闭合启动5房4床开关，延时五秒

LDI2.4

ANI0.0

TONT120,50

Network44

//5房4床灯亮，5房门口灯亮

LDT120

LPS

ANI3.5

ANQ0.0

ANQ0.5

ANQ1.2

ANQ1.7

ANQ3.1

=Q2.4

LPP

ANQ2.5

ANQ2.6

ANQ2.7

=Q3.0

Network45

//护士站5房对应灯亮

LDT117

OT118

OT119

OT120

ANI3.1

ANI3.2

ANI3.3

ANI3.4

ANI3.5

ANI3.6

=I3.7

Network46

//闭合启动6房1床开关，延时五秒

LDI2.5

ANI0.0

TONT121,50

Network47

//6房1床灯亮，6房门口灯亮

LDT121

LPS

ANI3.6

ANQ0.0

ANQ0.5

ANQ1.2

ANQ1.7

ANQ2.4

=Q3.1

LPP

ANQ3.3

ANQ3.4

ANQ3.5

=Q3.2

N