电气控制技术课程设计说明书Word下载.docx
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7．编写设计说明书。
三、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及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被重置。
主要参考资料
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机械工业出版社，2009。
教研室
意见
教研室主任：
（签字）
年月日
摘要
为了探讨病床呼叫系统的问题，文中从可编程控制器（PLC）的引用出发，采用三菱FX2N系列PLC控制3个病房，12个病床紧急呼叫按钮的响应。
根据系统的控制要求，主要从I/O地址的分配，PLC型号的选择，PLC系统硬件原理图，系统软件流程图，梯形图的设计以及现场调试等方面进行了详细的阐述，提出一种以PLC为核心的智能化病床紧急呼叫系统，全面建立起了一个用PLC来解决实际问题的系统模型。
系统可以实现对医院病床的智能化管理，能实现呼叫，报警以及LED灯显示等功能。
通过硬、软件系统的联调、测试，病床紧急呼叫系统的功能和性能指标完全符合设计任务书的要求。
而且设计的系统具有应用范围广、操作简单、可靠性高等优点，具有一定的推广价值。
关键词：
病床紧急呼叫系统；
可编程控制器；
智能化
1引言1
1.1国内外的概况及发展趋势1
1.2发展瓶颈1
1.3课题研究的目的和意义1
2总体方案的选择3
2.1控制方式的选择3
2.2信号检测装置的选择3
2.3工作方式的选择4
2.4显示方式的选择4
2.5保护措施的选择5
2.6控制线路电源的选择5
3PLC控制系统设计6
3.1系统硬件配置及组成原理6
3.2系统输入输出点分析6
3.3PLC选型7
3.3.1机型选择7
3.3.2输入输出模块选择7
3.3.3存储器容量选择7
3.4系统变量定义及I/O地址分配8
3.5PLC控制电路设计9
3.6主要参数计算及元器件选择10
3.7控制系统程序流程图设计11
3.8控制系统程序时序图设计11
3.9PLC控制程序设计12
4系统调试及结果分析13
4.1系统现场调试13
4.1.1GXDeveloper简介13
4.1.2操作步骤13
4.2结果分析13
5设计总结15
参考文献16
致谢17
附录A元器件清单18
附录B程序清单19
1引言
1.1国内外的概况及发展趋势
PLC自问世以来，经过几十年的发展，在西方一些发达国家已成为重要的产业之一，从研制、开发、生产到应用，已经形成一个完整的工业体系。
而我国PLC的发展却有所不同，虽然已经经过了多年的发展，但由于起步晚，基础低，只能从国外成套设备的引进、进而消化移植、合资生产到广泛应用，生产的PLC规模比较小，其适用范围也比较窄，精度不高，可靠性不强，所以国内PLC应用市场仍然是以国外产品为主。
随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。
在产品规模方面，高速度、大容量、技术完善的大型PLC得到了迅猛的发展，逐渐向通信网络化，模块化、智能化迈进；
在编程语言和编程工具上，多种编程语言的并存、互补及发展已经成为PLC软件进步的一种趋势，逐渐实现工业技术的规范化和标准化。
另外，各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。
如今，PLC已经成为了工业领域不可缺少的控制装置。
1.2发展瓶颈
针对我国PLC的发展所面临的问题进行探讨，我国PLC的起步出现在改革开放之后，相比于欧洲一些发达国家，已是相当的落后。
在近几年的发展中，虽有所改善，但任面临许多问题。
第一，在技术层面上，在国际上PLC迅速发展的形势下，我国还没有具有自主知识产权，能够参及国际竞争的PLC产品，原因主要在于我国的整个基础工业还有一定差距，如芯片制造、模具加工等方面限制了我们的发展；
第二，在竞争层面上，现在95%的国内市场由外国的PLC产品所占领，中、大型PLC中，几乎全部由国外几大公司垄断，随着我国使用PLC领域的不断扩大，市场越来越大，没有自主知识产权的产品，在经济竞争中就只能处于被动；
第三，在市场秩序层面上，随着我国改革开放的不断深入，特别是加入WTO后，我国巨大的市场份额极大的吸引了国外的大公司，给我国的PLC经销商带来了极大的竞争，这些无序的竞争为国际大公司分而治之、获取稳定的高额利润创造条件。
1.3课题研究的目的和意义
在这个瞬息万变，竞争激烈的时代，选择一个优越的工具往往能提升企业在这个市场上的竞争力。
病床呼叫系统是一种应用于医院病房、养老院等地方，用来联系沟通医护人员和病人的专用呼叫系统，是提高医院护理水平的必备设备，其优劣直接关系到病员的安危，历来受到各大医院的普遍重视。
它追求及时、准确可靠、简便可行、利于推广的特点，而且要具有呼叫，振铃，显示等功能的设计要求。
对于本课题的设计就显得非常具有现实意义了。
2总体方案的选择
2.1控制方式的选择
（1）单片机控制：
采用8051单片机控制病床呼叫系统。
其本身是比较经济实惠，成本相对较低的，但基于单片机本身的接口有限，需要外加作地址锁存的三态锁存器和译码器才能构成最基本的微机电路，若要实现病床呼叫系统的设计，就需要有更多接口电路及之匹配，这样就会让电路复杂化，而且不通用，抗干扰能力也比较差，很难形成一个真正的产品。
（2）继电器控制：
采用硬件接线电路控制病床呼叫系统。
利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。
而接触器控制主要用于频繁接通或分断交、直流电路，具有控制容量大，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作，联锁控制，各种定量控制和失压及欠压保护，其主要控制对象是电动，对于本课题不太适用。
（3）微机控制：
微机控制方式对外部环境具有低灵敏性，抗干扰性能好，可靠性高，具有很高的柔性，在不需要改动硬件的情况下，可以通过软件改变系统的功能，而且能实现多系统的协调工作及多任务的共同执行，实现复杂的控制。
但其微机的精度引入有误差，高性能控制算法的工程实现较复杂，不利用经济合理的设计要求。
（4）PLC控制：
PLC控制方式属于存储程序控制，通过存放在存储器内的程序来实现，若要对控制功能作必要修改，只需改变控制程序即可，实现了控制的软件化。
在当今工业领域中，PLC是使用最广泛的一种新型自动控制装置，具有高可靠性，强抗干扰能力，编程语言简单易学，适用性强以及调试维修方便等优点。
上述的几种控制方式都能实现病床呼叫系统的控制，但从经济性，功能性，实用性，安全性的设计原则出发，PLC控制是最合理的控制方式。
2.2信号检测装置的选择
（1）速度检测装置一般应用于机械联接的物体时，通过旋转角位置不同，产生过零脉冲数和正弦波信号的相位角的组合来检测转速。
本课题对速度的要求不高，可以不考虑其装置的选择。
（2）温度检测装置是一种用来检测某物体或环境温度的装置，对于本课题，根本不涉及到此物理量的变化,可以不考虑其装置的选择。
（3）位置检测装置由检测元件和信号处理装置组成，是数控机床伺服系统的重要组成部分，其通过检测长度，角度，位移等信息，并发出反馈信号，构成闭环控制，具有精度高，抗干扰性能好的特点。
病床呼叫系统是将病人所处病房病床号反映给护士站，然后护士站才能给出相应的响应，这是一个根据位置信息从而判断病人有无需求的实现。
这样就需要安装一个位置检测装置来检测病人的病房病床号，从而使病人能够得到及时的护理。
2.3工作方式的选择
工作方式的类型主要有手动控制工作方式、半自动控制工作方式和自动控制工作方式。
（1）手动控制工作方式：
手动模式下，用户可根据控制柜操作面板上的按钮指示手动控制现场设备。
（2）半自动控制工作方式：
可以设置循环，但需一步一步的按下按钮，才能实现控制要求。
（3）自动控制工作方式：
自动模式下，通过程序的逻辑运算，输出中间继电器于接点信号，驱动设备的控制单元，达到控制目的。
对操作人员的技术要求较低，而且系统运行安全可靠，维护方便，成本也较低。
就医院的重要性而言，采用自动控制工作方式是非常重要的。
因病人的素质各异，若采用手动或半自动的控制，这样较为复杂的操作，对病人的紧急呼叫就会造成阻碍影响。
从这方面考虑，就需要设计一个极为简单的操作（例如按按钮）来提示护士，病人在紧急呼叫。
这样，自动控制的工作方式在设计中应当首选。
2.4显示方式的选择
病床呼叫系统的输出响应需要显示病人呼叫的具体位置，其显示方式有四种，分别为指示灯，LCD，LED以及触摸屏显示。
（1）指示灯显示：
指示灯的电阻极大，使电路中的电流极小，当达不到额定电压的时候就不能亮，而且一般情况下这种指示灯内有一个电容。
这种指示灯体积较大，对电压电流的要求很高，实用性不高，也不经济，对于本课题的研究对象不太适用。
（2）LCD显示：
LCD显示器是一种新型的显示器，在生活当中已经有了广泛的应用，但其结构非常复杂，硬件外部接线也比较复杂，驱动程序也比较繁琐，在病床呼叫这种小型系统中，没有必要考虑成本较高的LCD显示器。
（3）LED显示：
LED（发光二极管）是一种低成本，对电压电流要求不高，同时能具备具有简单要求的显示，在很多简单的场合应用广泛，例如病床呼叫系统。
（4）触摸屏显示：
触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
它是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，其功能强大，性能好，但病床呼叫系统的设计要求并不需要如此强大功能的显示装置。
设计要求中有床头指示灯，病房门口闪烁灯，护士站闪烁灯的显示，而且结合现有的实验器材，根据经济合理，性能合理的原则，即在设计中采用LED来显示床头指示灯，病房门口闪烁灯和护士站闪烁灯，关于护士站的报警信号用蜂鸣器来提示。
2.5保护措施的选择
整个系统的正常运行离不开保护装置的保驾护航，在外部电源AC220V及开关电源DC24V的变压线路中，需在变压器一次侧加装电流型保护装置，以防止因短路故障造成变压器烧坏，在控制电路设计中，为了使输出线圈能持续得电，需要在按钮上并联接触器自锁，形成具有失压保护的电压型保护装置。
另外，在输出LED显示上，发光二极管的额定电压很小，而PLC的开关电源为DC24V，若直接串联在发光二极管上，发光二极管承受不了如此高的高电压，会马上击穿烧毁，必须在发光二极管后加上一个限流电阻，形成具有过电压保护的电压型保护装置。
2.6控制线路电源的选择
提供给PLC的工作电源即有，外部输入电源以及内部开关电源。
外部输入电源主要来自三相四线制经变压器降压得到的AC220V，内部开关电源为DC24V,经变压器降压，整流，滤波以及稳压得到。
电源线路如图1所示。
图1电源线路
3PLC控制系统设计
3.1系统硬件配置及组成原理
病床呼叫系统硬件配置主体为PLC，输入部分为各病床的呼叫按钮以及护士站的处理按钮，其输出部分为病房的床头指示灯，门口LED闪烁灯和护士站的LED闪烁灯，蜂鸣器报警，系统总体上的组成框图如图2所示。
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。
一旦有病人按下呼叫按钮，PLC立即响应，通过设置的程序实现对系统的控制，从而点亮病床床头指示灯，病房门口闪烁灯，护士站的闪烁指示灯和发出报警信号。
当护士站的护士人员发现有病人呼叫，会立即按下处理按钮作出应答，取消LED灯的闪烁和警报，迅速为病人提供最佳服务。
图2系统组成框图
3.2系统输入输出点分析
根据课程设计要求，基于PLC控制病床呼叫系统，还需满足实验室设备的要求，设定的输入点数为15个，输出点数为16个，并且所有的输入点和输出点都是直流的。
各病床的紧急呼叫和重置按钮用一个按钮，护士站的处理完毕按钮设定三个按钮分别来控制三个病房里所对应的四个病床；
病房门口闪烁灯和对应护士站闪烁灯采用一个LED灯来显示，所有报警铃声均用一个蜂鸣器。
病床呼叫系统的输入输出信号统计表如表1所示。
表1病床呼叫系统的输入输出信号统计表
输入点
输出点
名称数量（个）
病床呼叫按钮（重置按钮）12
病床指示灯（恒亮）12
护士站病房指示灯处理按钮3
病房门口闪烁灯（护士站闪烁灯）3
护士站报警蜂鸣器1
总计15
总计16
3.3PLC选型
3.3.1机型选择
在结构选择方面，PLC主要有整体式和模块式两种结构型式，病床呼叫系统是一种在工艺过程较为固定的小型控制系统，基于体积相对较小，成本不高，经济划算等优点，采用整体式PLC作为系统的控制器。
在功能选择方面，一般低档型PLC本身就具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于病床呼叫系统这种以开关量控制的设备就可以满足要求。
3.3.2输入输出模块选择
（1）输入模块主要是指电源输入，病房的设计范围是固定的，传输距离短，线损不严重，即可以直接选用DC24V供电，以满足PLC工作的正常电压。
（2）输出模块有继电器输出，双向晶闸管输出和晶体管输出三种输出方式。
1）继电器输出通常应用于自动控制电路中，是一种用弱电控制强电的自动开关，它可以驱动AC24V负载和DC24V负载，没有极性要求；
但继电器输出的响应时间也比较慢，因此，在要求快速响应的场合不适合使用此种类型的电路输出形式。
2）双向晶闸管输出只能驱动交流负载，响应速度也比继电器输出电路形式要快，寿命要长。
但驱动能力要比继电器输出的要小，允许负载电压一般为AC85V～242V；
3）晶体管输出相比于继电器输出响应快，适用于要求快速响应的场合；
由于晶体管是无机械触点，因此比继电器输出电路形式的寿命长。
但晶体管输出的外接电源只能是直接电源，这在实际应用中就会受到局限。
另外，晶体管输出驱动能力也要小于继电器输出，允许负载电压一般为DC5V～30V，允许负载电流为0.2A～0.5A。
在实际应用中，大部分的电器都是使用交流电，对于晶体管输出，它由于外接电源只能是直流电源的这一局限性，就不宜采用晶体管输出来作为输出模块得选择。
对于双向晶闸管输出，驱动能力要比继电器输出的要小，而且其允许所带负载只能为交流负载，那么所导致PLC的内部就不能正常工作，这样双向晶闸管输出也不宜采用。
继电器输出可以驱动AC24V负载和DC24V负载，而且没有极性要求，对于病床呼叫系统这种对响应时间没有极高要求的系统，可以采用继电器输出来作为输出模块的选择。
3.3.3存储器容量选择
存储器容量是PLC本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量，为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
设计的系统中只含有开关量，不含有模拟量，即以开关量输入输出点数为参考量对系统的存储器容量进行经验值估算。
估算公式如下：
总存储字数=（开关量输入点数+开关量输出点数）×
10
以输入输出点分析的点数为依据，总存储字数为310，为了考虑其可能有的扩展模块，需要再多考虑存储器字数的25%的余量，才能作为存储器容量的选择。
通过分析紧急病床呼叫系统的工作原理和系统流程，确定了PLC控制系统应具备的全部功能和控制范围，从以上三点的分析，可以采用三菱FX2N系列的PLC。
从机型的选择、系统输入输出点、输入输出模块分析以及存储器容量的估算这几大指标考量，控制系统选用输入输出点均为16点的FX2N-32MR型号的PLC。
3.4系统变量定义及I/O地址分配
为了使设计的程序能够及硬件系统进行联接，需对程序设计的变量进行定义并给出地址分配。
系统变量定义及I/O地址分配表如表2所示。
表2系统变量定义及I/O地址分配表
输入信号
输出信号
信号名称
编号
代号
说明
第一病房
1-1病床紧急（重置）按钮
X000
SB1
常开
触点
1-1床头紧急
指示灯
1病房门口闪烁灯
Y000
LED1
LED灯
1-2病床紧急（重置）按钮
X001
SB2
1-2床头紧急
Y001
LED2
1-3病床紧急（重置）按钮
X002
SB3
1-3床头紧急
Y002
LED3
1-4病床紧急（重置）按钮
X003
SB4
1-4床头紧急
Y003
LED4
第二病房
2-1病床紧急（重置）按钮
X004
SB5
2-1床头紧急
2病房门口闪烁灯
Y004
LED5
2-2病床紧急（重置）按钮
X005
SB6
2-2床头紧急
Y005
LED6
2-3病床紧急（重置）按钮
X006
SB7
2-3床头紧急
Y006
LED7
2-4病床紧急（重置）按钮
X007
SB8
2-4床头紧急
Y007
LED8
续表2
信号说明
第三病房
3-1病床紧急（重置）按钮
X010
SB9
3-1床头紧急
3病房门口闪烁灯
Y010
LED9
3-2病床紧急（重置）按钮
X011
SB10
3-2床头紧急
Y011
LED10
3-3病床紧急（重置）按钮
X012
SB11
3-3床头紧急
Y012
LED11
3-4病床紧急（重置）按钮
X013
SB12
3-4床头紧急
Y013
LED12
护士站
1病房护士站
处理按钮
X014
SB13
常闭
护士站闪烁灯及
Y014
LED13
LED14
2病房护士站
X015
SB14
Y015
LED15
LED16
3病房护士站
X016
SB15
Y016
LED17
LED18
护士站紧急呼叫
报警
Y017
HA
蜂鸣器
3.5PLC控制电路设计
根据系统的设计要求，PLC控制电路如图3所示。
硬件系统的外部输入电源通过L、N点输入，输入端X0～X16外接呼叫按钮，因为外接按钮的电位相同，所以将所有按钮并联在一起，输出端Y0～Y17外接发光二极管LED1～LED18，但开关电源DC24V电压过高，为了保证发光二极管能正常显示，需串联限流电阻R1～R18。
图3控制电路
3.6主要参数计算及元器件选择
在电源电路中，为了保证变压器能正常工作不被烧毁，需在其一、二侧装设保护装置，变压线路中主要是低压断路器以及熔断器的保护，同时变压器也需要选择合适的变压比。
在控制电路中，发光二极管、限流电阻的阻值大小以及蜂鸣器三者也要合理选择，选型原则是：
（1）低压断路器的选择
1）额定电压和额定电流选择：
大于或等于电路的正常工作电压和电流。
2）热脱扣器动作电流选择：
及所控制的电动机或负载额定电流一致。
3）电磁脱扣器的瞬时动作整定电流：
一般负载：
或
DZ5系列塑料外壳式断路器适用于交流50HZ、380V、额定电流0.15～50A的电路中，配电网络中用来分配电能和作线路及电源设备的过载和短路保护之用，亦可作为线路的不频繁转换之用。
DZ5-20型号的额定电压为AC380V，额定电流20A，脱扣器整定电流在配电中选用15A，对于线路中正常工作电压电流的要求，完全可以满足。
即在电源电路中变压器一次侧的OF1、QF2、QF3可以采用DZ5-20断路器。
（2）熔断器的选择
RM10系列熔断器适用于交流50Hz、额定电压为220V、380V的低压配电装置作短路和过负荷保护。
在配电变压器低压侧，熔体额定电流=（1.0～1.5）×
变压器低压侧额定电流，PLC的额定电流为5A，即熔断器额定电流为If>
IN，熔体额定电流为7.5A。
即在变压器的一二次侧FU1～FU6装设RM10系列熔断器能够保证变压器的正常运行。
（3）变压器的选择
BK控制变压器容量为5
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