机电系统课程设计 基于PLC病房呼叫控制系统设计

1、广州学院广州学院机电综合课程设计说明书机电综合课程设计说明书基于基于 PLCPLC 的病床呼叫系统的病床呼叫系统院（系）院（系） 机械工程学院 专专 业业 机械电子工程 班班 级级 2010 级 学生姓名学生姓名 余明光 指导老师指导老师 朱鹰 2013 年 11 月 16 日 课 程 设 计 任 务 书兹发给 机电班 班学生 余明光 课程设计任务书，内容如下：1 设计题目： 基于 PLC 的病床呼叫系统 2 应完成的项目：（1）选题的背景和意义 （2）总体设计方案 （3）硬件设计，传感器、PL（和电机）选型，画出 PLC 接线控制端子连接图 （4）软件设计，编写控制程序流程图（或重要程序）3

2、 参考资料以及说明：（1）廖常初， FX 系列 PLC 编程及应用 ，北京 : 机械工业出版社, 2005 （2）周四六， FX 系列 PLC 项目教程 ，北京 : 机械工业出版社, 2011 （3）陈浩， PLC 控制技术快速入门：三菱 FX 系列 ，北京 : 中国电力出版社, 2010 （4）洪志育， 例说 PLC ，北京，人民邮电出版社，2006 4 本设计任务书于 2013 年 11 月 11 日发出，应于 2013 年 11 月 21 日前完成，然后进行答辩。指导教师 签发 年 月 日课程设计评语：课程设计总评成绩：指导教师签字： 年 月 病床呼叫系统0目目 录录摘要 1一、绪论.2

3、1、可编程控制器简介.22、可编程控制器的发展.23、可编程序控制器的基本结构及工作原理.3二、选题背景.41、课题背景.42、研究的目的和意义.4三、设计题目.51、已知情况与控制要求.52、控制要求.5四、总体设计方案.6 1、PLC 选型 6 2、PLC 系统的优势分析 6 3、方案设计 8五、硬件及软件设计.91、I/O 分配 .92、实现流程图.123、外部接线图.134、梯形图.16 5、程序模拟 17六、课程设计总结.18病床呼叫系统1七、参考文献.19八、附件.20病床呼叫系统2摘要摘要在现代医院的医疗程序管理当中，拥有先进及现代化的病床呼叫中心系统能够更好地去完善社会上各家医

4、院的医疗服务体系，从而提升医院的名誉、地位。在以往的医疗进程管理体系里，当发生紧急事故或者需要呼叫护士的服务时，病人可能会因为继电器机械腐蚀的原因而无法有效及时地向候命的护士发出求助信号，从而导致一些不可挽回的医疗事故。在本次机电综合课程设计中，我对医疗建设中的病床呼叫系统进行了基于可编程控制器的改良系统设计。众所周知，可编程序控制器，也就是 PLC，具有响应速度快，控制简单，易于编程等优点。利用这些优点，将 PLC 控制系统融入病床呼叫控制系统的设计，就能够大大提升护士处理病人需求、处理紧急病情的效率，同时减少医疗事故发生的几率。由于每一张病床的控制流程都是相同的，所以在进行系统程序设计的时

5、候，只需要设计出一个响应模式，其他的病床只要套用这个模式去编写程序了。关键词：医疗 病床呼叫 可编程控制器 病床呼叫系统3一、一、 绪论绪论1、可编程控制器简介、可编程控制器简介可编程序控制器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。可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程

6、控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称 PLC。随着技术的发展，其控制功能不断增强，现在的可能编程序控制还可进行算术运算、模拟理控制。当前 PLC 的著名生产厂家和产品有日本三菱 F 系列，OMRON 公司的 C 系列，松下电工 FP1，美国通用电气公司的 GE，德国西门子公司的S5、S7等产品。2、可编程控制器的发展、可编程控制器的发展21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会

7、进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统 DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及

8、工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。病床呼叫系统43、可编程序控制器的基本结构及工作原理、可编程序控制器的基本结构及工作原理PLC 主要是由输入与输出部件、中央处理单元（CPU） 、存储器、电源部件、通信接口、IO 扩展口组成。PLC 的结构框图如图 1-3-1 所示。图 1-3-1 PLC 结构图PLC 的基本工作原理PLC 采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式1每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。2输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出

9、刷新。4元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5扫描周期的长短由三条决定。 （1）CPU 执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数，现在的 PLC 扫描速度都是非常快的。6由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/病床呼叫系统5输出响应延迟。二、二、选题背景选题背景1、课题背景、课题背景随着社会的进步和科技的发展，医疗水平的不断提高，现代医院护理需要快速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。以往，由于技术条件、经济条件等问题，当医院病房区的病人有紧急情况或自己处于不方便处理事件的时候，病人难以方

10、便地呼叫医生或护士寻求帮助。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，它是现代医院提高病室护理水平必不可少的设备。医院建设基于 PLC 的病床呼叫中心系统具有以下几个方面的重要现实意义：1、改善医院服务质量；2、提升医院的品牌优势；3、优化医院的服务流程；4、降低医院的服务成本；5、开辟新的收入来源；6、提升医疗信息化的水平等。2、研究的目的和意义、研究的目的和意义对于医院的经营，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。医

11、生或护士可根据站内指示灯及响铃获取求助信息的来源，并及时地为相应的病人提供帮助，减少人工寻找呼叫来源所耗费时间带来的不必要的损失与危害。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。对于学习，由于病床呼叫系统在生活上的实用性非常高，所以研究病床呼叫系统的 PLC 程序设计，有利于让学生去体会为社会做出自己的一份贡献，为以后的相关工作打下心理与实践坚实的基础。同时，又让学生更好地掌握所学的相关课程的知识、用途和意义，提高自身对相关行业的感悟和学以致用的能病床呼叫系统6力。三、三、设计题目设计题目1、已知情况、已知情况与控制要求与控制要求病

12、人按下按钮，护士处理按钮以取消闪烁，并记录信号来自哪个病房和病床，再依记录下的病房紧急呼叫顺序处理病房紧急事故。（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、病床都有编号，用指示灯显示哪一病房哪一病床先按下病人紧急呼叫按钮。（5）当护士看

13、见护士站紧急呼叫闪烁灯后，须在事故处理妥当后，护士方可将病房紧急闪烁指示灯和病床上的紧急指示灯重置。3、设计任务、设计任务学生根据控制要求，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、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、接线图等；（2）系统有启动、停止功能；（3）运用功能指令进行 PLC 控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；（4）程序结构与控制功能自行创新设计；病床呼叫系统7（5）进行系统调试，实现病床呼叫系统的控制要求。四、四、总体设计总体设计

14、方案方案1.PLC 选型选型三菱 FX2N-128MR 具有如下优点：最大范围地包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。三菱 FX2N-128MR 具有突出的寄存器容量：三菱 FX2N-128MR 包括8K 内置 RAM 寄存器，用一个寄存器盒可扩充到 16K 步 RAM 或 EEPROM。 丰富的元件资源：3072 点辅助继电器、256 点计时器、235 点计数器和 8000点数据寄存器、实时时钟、使用标准型号实时时钟满足时间灵敏度应用要求。根据本课题所设计的病床呼叫系统的需要，

15、将采用日本三菱公司生产的FX2N-128MR 小型 PLC 来实现整个自动系统的控制。2.2. PLCPLC 系统的优势分析系统的优势分析1) 功能强，性能价格比高一台小型 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件（如计时器，计数器，继电器等） ，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。2) 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC 有

16、很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。3) 可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC 用软件代替大量的中间继电器和时病床呼叫系统8间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的 1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC 已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。4) 系统的设计、安装、调试工作量少PLC 用软件功能取代

17、了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过 PLC 上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。5) 编程方法简单梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形

18、图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。6) 维修工作量少，维修方便PLC 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据 PLC 上的发光二极管或编程器提供的实时梯形图的状态迅速的查明故障的原因，用修改程序或更换模块的方法可以迅速地排除故障。7) 体积小，能耗低病床呼叫系统9对于复杂的控制系统，使用 PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器

19、，小型 PLC 的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确 1/2-1/10。PLC 的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。8) 与时俱变，能实现网络通讯 PLC 可以与电脑及智能仪表等通过通信联网，实现分散控制，集中管理。并能实现地显示出当前机械设备的工作状态和工作流程，对生产管理和现场维修带来极大的方便。9) 提升产品技术含量，增加产品形象！ 对于复杂的机械设备，如果还使用传统的继电器控制，则不单加大的控制电箱的配制难度，还让产品的最终客户觉得产品不够先进，使用信心不足，因为现在主流机械设备都用上 P

20、LC，有 PLC 的机械品质或许更有保证，同时使用 PLC 加大了同行的仿制难度！10) 对未来机械升级很方便对于复杂的机械设备，如果随着时间的推移而不能满足使用的话，就必须要进行机械设备升级改造，如果是用传统继电器控制的，则会很麻烦，基本上要把以前的控制电箱宣布报废，但是用 PLC 控制的电箱的话就很方便，只要扩展一个相关的 I/O 点，修改一下相关的控制程序就可以了！3.方案设计方案设计 基于课程设计题目提供的已知信息，初步设定病人置位按钮 12 个，病人复位按钮 12 个，护士站医护复位按钮 15 个，病房床头灯 12 个，病房灯 3 个，医护站内对应的房间灯 3 个，对应闪烁的病床灯

21、12 个。然后经过分析研究，三个房间的情况一样，每间病房内 4 张病床的工作方式一致。所以只要突破一个病房内一张病床的呼叫的设计，则其他病床和病房的的设计难题就迎刃而解了。病床呼叫系统10五、五、硬件与软件设计硬件与软件设计1、I/O 分配分配输入X01 病房 1 床呼叫按钮X11 病房 1 床取消呼叫按钮X21 病房 1 床处理完毕复位按钮X31 病房 2 床呼叫按钮X41 病房 2 床取消呼叫按钮X51 病房 2 床处理完毕复位按钮X61 病房 3 床呼叫按钮X71 病房 3 床取消呼叫按钮X101 病房 3 床处理完毕复位按钮X111 病房 4 床呼叫按钮X121 病房 4 床取消呼叫按

22、钮X131 病房 4 床处理完毕复位按钮X142 病房 1 床呼叫按钮X152 病房 1 床取消呼叫按钮X162 病房 1 床处理完毕复位按钮X172 病房 2 床呼叫按钮X202 病房 2 床取消呼叫按钮X212 病房 2 床处理完毕复位按钮X222 病房 3 床呼叫按钮X232 病房 3 床取消呼叫按钮X242 病房 3 床处理完毕复位按钮X252 病房 4 床呼叫按钮X262 病房 4 床取消呼叫按钮病床呼叫系统11X272 病房 4 床处理完毕复位按钮X303 病房 1 床呼叫按钮X313 病房 1 床取消呼叫按钮X323 病房 1 床处理完毕复位按钮X333 病房 2 床呼叫按钮X3

23、43 病房 2 床取消呼叫按钮X353 病房 2 床处理完毕复位按钮X363 病房 3 床呼叫按钮X373 病房 3 床取消呼叫按钮X403 病房 3 床处理完毕复位按钮X413 病房 4 床呼叫按钮X423 病房 4 床取消呼叫按钮X433 病房 4 床处理完毕复位按钮X441 病房灯复位按钮X452 病房灯复位按钮X463 病房灯复位按钮 输出Y01 病房 1 床床头灯及报警Y1护士站 1 病房 1 床闪烁Y21 病房 2 床床头灯及报警Y3护士站 1 病房 2 床闪烁Y41 病房 3 床床头灯及报警Y5护士站 1 病房 3 床闪烁Y61 病房 4 床床头灯及报警Y7护士站 1 病房 4

24、床闪烁Y101 病房门外指示灯Y11护士站 1 病房灯Y122 病房 1 床床头灯及报警病床呼叫系统12Y13护士站 2 病房 1 床闪烁Y142 病房 2 床床头灯及报警Y15护士站 2 病房 2 床闪烁Y162 病房 3 床床头灯及报警Y17护士站 2 病房 3 床闪烁Y202 病房 4 床床头灯及报警Y21护士站 2 病房 4 床闪烁Y222 病房门外指示灯Y23护士站 2 病房灯Y243 病房 1 床床头灯及报警Y25护士站 3 病房 1 床闪烁Y263 病房 2 床床头灯及报警Y27护士站 3 病房 2 床闪烁Y303 病房 3 床床头灯及报警Y31护士站 3 病房 3 床闪烁Y32

25、3 病房 4 床床头灯及报警Y33护士站 3 病房 4 床闪烁Y343 病房门外指示灯Y35护士站 3 病房灯病床呼叫系统132、实现流程图实现流程图图 5-2-1 实现的流程图病床呼叫系统143、外部接线图、外部接线图图 5-3-1 图 5-3-1 病房 1 的外部接线图1 病房中 1 病床用到常开开关 SB1，常闭开关 SB2、SB3。其中SB1 是病人呼叫按钮，即呼叫开关，是置位按钮。SB2 是病人取消呼叫的按钮，即是呼叫动作的复位按钮。SB3 是医护站内医生或护士处理完病人的紧急呼叫后的床位报警复位按钮。SB37 是护士或者医生关闭病房指示灯按钮。1 病房中的 2 病床、病 3 床、病

26、 4 床的情况和 1 病床的情况一样。病床呼叫系统152 号病房接线号病房接线图 5-3-2 图 5-3-2 病房 2 的外部接线图2 病房中 1 病床用到常开开关 SB13，常闭开关 SB14、SB15。其中SB13 是病人呼叫按钮，即呼叫开关，是置位按钮。SB14 是病人取消呼叫的按钮，即是呼叫动作的复位按钮。SB15 是医护站内医生或护士处理完病人的紧急呼叫后的床位报警复位按钮。病床呼叫系统16SB38 是护士或者医生关闭病房指示灯按钮。2 病房中的 2 病床、病 3 床、病 4 床的情况和 1 病床的情况一样。3 号病房接线号病房接线 图 5-3-3 图 5-3-3 为病房 3 的外部

27、接线图3 病房中 1 病床用到常开开关 SB16，常闭开关 SB17、SB20。其中SB16 是病人呼叫按钮，即呼叫开关，是置位按钮。SB17 是病人取消呼叫的按钮，即是呼叫动作的复位按钮。SB20 是医护站内医生或护士处理完病人的紧急呼叫后的床位报警复位按钮。病床呼叫系统17SB39 是护士或者医生关闭病房指示灯按钮。3 病房中的 2 病床、病 3 床、病 4 床的情况和 1 病床的情况一样。4.梯形图梯形图图 5-4-1 为病房 1 病床 1 号的响应程序图 5-4-1当 1 病房 1 号病床按下呼叫按钮，1 病房 1 号病床的床头灯闭合并报警，同时计时 5s。若该床位病人 5s 内按下取

28、消呼叫按钮或护士处理完毕并按下复位按钮，计时结束并复位。5s 后，床头灯保持闭合，计时器驱动辅助继电器 M0，使 M0 自锁。M0 自锁后，驱动 1 号病房灯闭合，同时由于 M8013 的作用，护士站内对应病房床号的指示灯闪烁，直至护士处理完毕，回到护士站并按下完毕复位按钮。当护士站内相应床位灯开始闪烁不久，而病人身体恢复平静，或刚好有护士病床呼叫系统18和医生经过并处理了情况 护士或医生可按下取消呼叫按钮使护士站内相应床位闪烁复位。图 5-4-2 为 1 病房门外指示灯工作程序图 5-4-2当护士处理完毕某一床位的病人时，并不可立即复位病房灯。由于同一病房有 4 个床位，当处理完毕一个床位的

29、病人后，或许还有另外床位的病人需要处理，故应保留病房外的指示灯提醒护士病房内仍有情况需要处理。而 X44 的 1病房灯复位键应安装在护士站控制箱。5、程序模拟程序模拟（1）运行1) 若按下呼叫按钮 SB1，则 1 病床的床头灯闭合和护士站对应的报警器报警，并未在 5 秒内按下呼叫复位（取消）按钮，则病房门外信号灯亮起、医护站内和病房对应的灯亮起、和病床对应的灯闪烁。当护士站收到床位闪烁信号时，按下 SB3 以复位闪烁，然后前往病房进行处理。处理完毕后按下 SB2 复位床头灯。SB37 是护士或者医生关闭病房指示灯按钮，当医生或护士确认病房内再无病人需要帮助，回到护士站使病病床呼叫系统19房指示

30、灯关闭。1 病房中的 2 病床、病 3 床、病 4 床的情况和 1 病床的情况一样。2) 若按下呼叫按钮 SB13，则 1 病床的床头灯亮和护士站对应的报警器报警，并未在 5 秒内按下呼叫复位（取消）按钮，则病房门外信号灯亮起、医护站内和病房对应的灯亮起、和病床对应的灯闪烁。当护士站收到床位闪烁信号时，按下 SB15 以复位闪烁，然后前往病房进行处理。处理完毕后按下 SB14 复位床头灯。SB38 是护士或者医生关闭病房指示灯按钮，当医生或护士确认病房内再无病人需要帮助，回到护士站使病房指示灯关闭。2 病房中的 2 病床、病 3 床、病 4 床的情况和 1 病床的情况一样。3) 若按下呼叫按钮

31、 SB25，则 1 病床的床头灯亮和护士站对应的报警器报警，并未在 5 秒内按下呼叫取消按钮，则病房门外信号灯亮起、医护站内和病房对应的灯亮起、和病床对应的灯闪烁。当护士站收到床位闪烁信号时，按下 SB27 以复位闪烁，然后前往病房进行处理。处理完毕后按下 SB26 复位位床头灯。SB39 是护士或者医生关闭病房指示灯按钮，当医生或护士确认病房内再无病人需要帮助，回到护士站使病房指示灯关闭。3 病房中的 2 病床、病 3 床、病 4 床的情况和 1 病床的情况一样。（2）调试在输入梯形图时误把 1 病房 2 号病床的常开 X3 的自锁 Y002 输入成 M002，造成呼叫系统工作不正常的情况。经过检查，发现错误改正后，呼叫系统可以正常工作。病床呼叫系统20六、六、课程设计总结课程设计总结