基于PLC的病床呼叫器控制系统设计.docx
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基于PLC的病床呼叫器控制系统设计
摘要
信息化时代的发展，智能化的医院建设的将目前国内外先进的计算机技术、通信技术、网络技术、信息技术、自动化控制技术、办公自动化技术等运用在医院中。
而目前国内外的呼叫器系统都选用无线网络，受到地域的限制和环境的限制。
信号接收不是很好，这样有可能病人会呼叫不到医生，造成病人病情的恶化。
无线网络当然也有它的好处，呼叫方便，在一定的地域内可以随时呼叫医生，以便医生及时到达病人身边进行护理治疗。
为丰富病床呼叫系统的控制方式，在满足病房与护士站实时通信时，能够方便地了解各病房的情况，实现医院对全院的病房科学化管理。
采用PLC可编程控制器替代单片机作为核心控制件，设计实现新型PLC病床呼叫系统。
本文采用的PLC可编程控制器构成的病床呼叫系统结构更简单，更易于管理，可编程控制器病床呼叫系统可以及时，准确的实现病房呼叫管理，具有良好的应用前景。
关键词：
病床呼叫系统；PLC；病房管理
第一章绪论
1.1病床呼叫系统的概念
病房呼叫系统，简称呼叫仪或请护仪，它的作用是将病人的求助请求迅速而准确地通知医护人员，以便及时进行处治。
它的使用既可方便病人，又可减少医护人员的巡查次数，减轻其劳动强度，因而在临床上得到普遍的应用。
1.2呼叫系统的存在价值
患者在住院期间，可能会在任意时间请求医生或护士进行诊断或护理。
临床求助呼叫是传送临床信息的重要手段，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，要将患者的请求快速传送给值班医生或护士，并在护士站的监控中心留下准确完整的记录，是提高医院和病室护理水平的必备设备之一。
病床呼叫系统要求及时、准确、可靠，简便可行，利于推广，其性能的优劣直接关系到病员的安危，因此历来受到各大医院的普遍重视。
1.3呼叫系统的现状
目前，医院病床呼叫装置大多由单片机及低压电力线等传输媒质所构成，采用数字电路。
一般都具有声光报警功能，医护人员能够及时了解病人的请求。
病床呼叫系统的主机一般都设置在护士值班室，主机通过导线与各病房病床的终端呼叫器（一般为机械开关）相连，因此病房和值班室之间需要大量的连线，布线施工麻烦、成本也高。
1.4病床紧急呼叫系统的特点
医院病房中使用的呼叫装置有无线式和有线式两种形式。
其中，有线式一般是采用单片机作为核心控制部件。
本研究提出的呼叫系统也属于有线式，但是核心部件为PLC，该系统主要解决了目前呼叫系统中存在的以下问题：
（1）无线式呼叫系统由于需要“发射”和“接收”两个系统，存在传输距离、可靠性、设备体积与价格、占用无线频道资源以及发射的电磁波可能会影响医疗设备的正常使用等问题。
因此，目前医院中很少采用。
（2）单片机构成的呼叫系统如果采用低压电力线作为传输媒质，必须解决信息衰减、电平转换、信息耦合、滤波等问题，使得外围接口电路非常复杂。
在软件设计上还要确定单片机与外设之间的通信方式，以保证在任意时刻只要有呼叫源发出请求系统立刻响应。
软件设计和硬件设计的繁琐，给开发和维护带来了极大不便。
近年来，PLC的功能不断趋向于计算机化，价格不断下降，体积不断缩小。
特殊的I/O接口可以使呼叫按钮直接与PLC输入相接，输出可以直接带报警器显示装置等。
与计算机联网通信十分方便。
独具特色的编程方式，非常易于普及。
PLC的应用已不再局限于工业控制领域，在其他控制领域也获得广泛应用。
第二章设计任务及要求
2.1设计任务
本课程设计主要用于医院病务区的病人有紧急或自己不方便的事件时呼叫护士站寻求帮助，护士根据站内指示灯及响铃获取求助信息的来源，并能及时的给其提供帮助。
护士在站内发现信号时及时将站内灯及响铃复位，在处理完后再在病床前的开关将病床及病学生根据控制要求，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。
主要内容包括：
（1）设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；
（2）运用功能指令进行PLC控制程序设计；
（3）程序结构与控制功能自行创新设计；
（4）进行系统调试，实现病床呼叫系统的控制要求。
房的灯及铃复位。
2.2设计要求
（1）共有3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。
2.3PLC的选型
P根据设计要求可以得知，PLC的输入信号有：
一号病房呼叫信号1~4床位4个，一号病房复位信号1~4床4个，二号病房呼叫信号1~4床位4个，二号病房复位信号1~4床4个，三号病房呼叫信号1~4床位4个，三号病房复位信号1~4床4个，护士站1~3号病房复位信号3个，病床呼叫系统输入信号总共有27个；输出信号有：
一号病房1~4号床位显示4个，二号病房1~4号床位显示4个，三号病房1~4号床位显示4个，护士站1~3呼叫显示6个，输出信号总共有20个。
根据I/O信号数量、类型以及控制要求，所以选择FX2N-64MR型PLC,输入单元为64点。
2.4警报灯的选择
警报灯的选择分为两部分，一部分为病房警报灯的选择，另一部分为护士站警报的选择。
病房警报灯的选择：
考虑到病房警报灯的亮度对病人休息的影响，所以病房警报灯的选择其功率不宜过大，因选择亮度较小功率小的LED灯，所以发光二极管选择型号为：
IN4007SOT-23。
发光二极管的压降为1.7~2.5V，工作电流为10~20mA,其使用的工作电源为PLC自带的24V电源，要发光二极管正常工作得串联一个电阻，根据工作电流（以10mA计算）与工作电压24V可计算串联的电阻大小为2.4KΩ。
护士站警报的选择：
因护士站警报灯的选择是要提醒护士有病人呼叫，所以应选择亮度功率较大的警报灯，所以其工作电压使用PLC自带的220V电源，警报灯的选择为：
AD38-22B-R/08,其光源为红色LED光，工作电压为AC,DC220V（交直流双用），工作电流为18mA，以防值班护士没注意警报灯的提示，另设一铃声警示，便于警报灯与警报铃的同步，电铃工作电压为220V的PLC的自带电源。
病床呼叫系统的总体线路设计图见PLC接线图。
第三章系统总体方案设计
3.1PLC简介及工作原理
3.1.1PLC的概述
可编程序控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字和模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
3.1.2PLC的组成
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块、电源和编程器（或编程软件）组成，如图3.1所示。
图3.1PLC控制系统的示意图
1、中央处理单元（CPU）
CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。
CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。
这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。
CPU的功能有以下一些：
从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。
2、输入输出模块（I/O模块）
I/O模块实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。
I/O模块有良好的电隔离和滤波作用。
接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。
PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。
3、编程器
编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。
手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。
它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。
使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。
程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。
程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。
4、电源
PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源。
内部的开关电源为各模块提供DC5V，±12V，±24V等直流点与昂。
小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。
5、编程器
编程器是PLC的最重要外围设备。
利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。
除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。
利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。
3.1.3PLC的工作方式
PLC虽然以微处理器为核心，具有微型计算机的许多特点，但它的工作方式却与微型计算机有很大的不同，微型计算机一般采用等待命令或中断的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，当有键按下或I/O动作，则转入相应的子程序或中断服务程序，无键按下，则继续扫描等待。
PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行的。
当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。
然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描；如此周而复始。
实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。
如图3.2所示。
图3.2PLC循环扫描示意图
1、自诊断
每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。
自诊断内容包括I/O部分、存储器、CPU等，并通过CPU设置定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，如果发现异常，则停机并显示出错。
若自诊断正常，则继续向下扫描。
2、通讯服务
PLC检查是否有与编程器、计算机等的通讯要求，若有则进行相应处理。
3、输入处理
PLC在输入刷新阶段，首先以扫描方式按顺序从输入缩存器中写入所有输入端子的状态或数据，并将其存入内存中为其专门开辟的暂存区——输入状态映像区中，这一过程称为输入采样，或是如刷新，随后关闭输入端口，进入程序执行阶段，即使输入端有变化，输入映像区的内容也不会改变。
变化的输入信号的状态只能在下一个扫描周期的输入刷新阶段被读入。
4、输出处理
同输入状态映像区一样，PLC内存中也有一块专门的区域称为输出状态映像区。
当程序的所有指令执行完毕，输出状态映像区中所有输出继电器的状态就在CPU的控制下被一次集中送至输出锁存器中，并通过一定的输出方式输出，推动外部的相应执行器件工作，这就是PLC输出刷新阶段。
5、程序执行
PLC在程序执行阶段，按用户程序顺序扫描执行每条指令。
从输入状态映像区读出输入信号的状态，经过相应的运算处理等，将结果写入输出状态映像区。
通常将自诊断和通讯服务合称为监视服务。
输入刷新和输出刷新称为I/O刷新。
可以看出，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的扫描只是在输入采样阶段进行，对输出赋的值也只有在输出刷新阶段才能被送出，而在程序执行阶段输入、输出会被封锁。
这种方式称作集中采样、集中输出。
3.1.4PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：
1、开关量逻辑控制
取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、工业过程控制
在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
3、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4、数据处理
PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
5、通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
3.2设计方案说明
（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考虑到实际情况和工艺的改进，在选择PLC容量时，应当留有余地。
（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。
（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。
3.3病床呼叫系统的组成及工作方式
共有3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。
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。
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。
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。
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被重置。
出现相应的声、光报警指示，以便提示医护人员尽快赶到现场。
3.4I/O分配表
表3.1分配表
输入：
名称
1房1-4床紧急按钮
输入变量
K0-K3
PLC对应输入
X0000-X0003
2房1-4床紧急按钮
K4-K7
X0004-X0007
3房1-4床紧急按钮
K8-K11
X0010-X0013
1房1-4床重置按钮
K12-K15
X0014-X0017
2房1-4床重置按钮
K16-K19
X0020-X0023
3房1-4床重置按钮
K20-K23
X0024-X0027
护士站1房1-4床取消紧急呼叫及闪灯按钮
K24
X0030
护士站2房1-4床取消紧急呼叫及闪灯按钮
K25
X0031
护士站3房1-4床取消紧急呼叫及闪灯按钮
K26
X0032
输出：
名称
护士站显示1房闪灯
输出变量
LD0
PLC对应输出
Y0001
护士站显示2房闪灯
LD1
Y0002
护士站显示3房闪灯
LD2
Y0003
护士站显示1房响铃
P1
Y0004
护士站显示2房响铃
P2
Y0005
护士站显示3房响铃
P3
Y0006
1房1-4床灯亮
LD3-LD6
Y0010-Y0013
2房1-4床灯亮
LD7-LD10
Y0014-Y0017
3房1-4床灯亮
LA11-LD4
Y0020-Y0023
1房灯闪
LD15
Y0024
2房灯闪
LD16
Y0025
3房灯闪
LD17
Y0026
3.5系统接线图设计
3.3系统接线图设计
第四章控制系统的设计
4.1控制程序流程图设计
图4.1控制程序流程图设计
4.2病床呼叫系统时序图
以1床病人为例：
病人5秒中未按下重置按钮：
5秒钟内按下重置按钮
图4.2病床呼叫系统时序图
4.3程序设计（如图）
以病房为例：
当1~4号床按下呼叫按钮时，护士房中的一号房指示灯亮起，相应的计时器（T0~T3）记时，计时5秒内按下相应重启按钮（X14~X17）计时停止，计时5秒相应床位灯与病房门口指示灯亮起。
护士按下重启按钮，护士房指示灯熄灭同时计时器T30计时开始，计时20秒后断开床位与病房门口的指示灯，系统恢复原始状态。
图4.3程序设计图
`
4.4总体PLC控制程序
图4.4总体PLC控制程序
4.4创新设计内容
本设计加入了以下两项创新内容：
此设计中在护士房中加入了三个电铃，在病人按下紧急呼叫按钮时，护士房中的对应三个病房的相应电铃会响起，提示值班护士有人按下紧急呼叫按钮，从而防止值班护士未注意亮灯情况而引发的意外事故。
此设计中还加入了延时熄灭病房门口的指示灯的延时设计，当病人按下紧急呼叫按钮后，5秒内没按下重置按钮时，该病房门口的指示灯亮起，护士房中的护士按下该病房的重置按钮后，该病房门口的指示灯不会立即熄灭，它会延时20秒后再熄灭，在此期间该指示灯可以为到来的护士及医生指示按下紧急呼叫按钮的病人所在的病房。
第五章程序调试和仿真
5.1调试
先将程序输入试验机，再用模拟信号调试，调试成功后再投入使用，再模拟调试时，我们最常用的是输入短接法调试。
用输入短接法调试程序
用一根导线将电”+”和PLC输入端的COM端短接；另用一根导线的一端接电源“-”,另一端做活动端。
将一根活动端与00000短接，观察到所对应的HL灯亮，然后将活动端与00001接通。
5.2仿真
程序测试是检验所设计的程序是否达到了设计的要求。
测试结果：
以1号病房1号床为例说明
当1号床病人按下呼叫按键5S内没有按下1号房1号床的复位按键时，按下呼叫按键时，护士站中的1号病房所对应的灯亮起同时所对应的电铃响起，提示护士病人呼叫，5S后1号病房1号床的床头灯亮起，同时1号病房房门灯亮起，提示护士与医生呼叫病人所在的位置。
当护士在护士站按下相应的复位按钮时，护士站亮起的灯与响起的铃声关闭，同时1号病房1号床的床头灯熄灭，提示病人护士已接收到呼叫，此时1号病房房门灯继续亮20S，以便为护士与医生指明呼叫病房，20S后此灯自动熄灭，程序结束。
当1号床病人按下呼叫按键5S内按下1号房1号床的复位按键时，按下呼叫按键时，护士站中的1号病房所对应的灯亮起同时所对应的电铃响起，提示护士病人呼叫，在5S内病人按下复位按键时，护士站亮起的灯与响起的铃声关闭，提示护士此次呼叫属于误按。
在这种情况下，1号病房1号床的床头灯与1号病房房门灯均都不亮，程序结束。
其他病床与其他病房的病床同1号病房1号床情况相同。
仿真图如下：
当1号病房1号床呼叫时程序响应如图所示：
图5.1呼叫程序响应图
当1号病房1号床病人呼叫完后，护士按下复位按键时程序响应如图所示：
图5.2病床呼叫后按下复位响应图
第六章结论与体会
通过本次医院病床系统的毕业设计，我熟悉了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，提高了我的理论知识，工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。
通过在网上查找资料以及到图书馆学习，也使我更好的理解和认识了关于PLC设计原理和实际中的应用过程。
在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。
能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
从动手调试的过程中，增加了我们对这项技术的了解，使我们体会到了只有好好学习，才能解决问题，才能让我们更能站在工作岗位上。
作为学生面对的无非是同学、老师、家长，而工作后就要面对更为复杂的关系。
无论是和领导、同事还是客户接触，都要做到妥善处理，要多沟通，并要设身处地从对方角度换位思考，而不是只是考虑自己的事。
同时我也懂得了理论和实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正的学到知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在本次毕业设计中，培养了我们实际动手能力和解决问题的能力，这使我们更深层次的接触到了我们以后的工作方向，而且这次实习更接近于我们以后的工作内容，所以这些都为我们以后的学习和工作打下了坚实的基础。
致谢
经过一个多月的努力，本次设计已将近尾声。
在此首先要感谢我的导师。
老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，都给予了我悉心的指导。
除了敬佩老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。
此外，还要感谢在校几年来所有的老师，同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了他们的支持和鼓励，此次毕业设计才会得以顺利完成。
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梅丽凤电托与控制[M]机械工业出版社，2003
附录一
PLC病床呼叫系统病房平面示意图
附录二
程序指令
升级会员 