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现在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。而现在国内外的呼喊器系统都选用无线网络，受到地区的限制和环境的限制。信号接受不是较好，这样有可能病人会呼喊不到医生，造成病人病情的恶化。无线网络固然也有它的好处，呼喊方便，在一定的地区内能够随时呼喊医生，方便医生及时达成病人身边进行护理治疗。为丰富病床呼喊系统的控制方式，在满足病房与护士站实时通信时，能够方便地理解各病房的状况，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病床呼喊系统。本文采用的PLC可编程控制器构成的病床呼喊系统构造更简朴，更易于管理，可编程控制器病床呼喊系统能够及时，精确的实现病房呼喊管理，含有良好的应用前景。核心词：病床呼喊系统；PLC；病房管理目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章绪论 11.1病床呼喊系统的概念 11.2呼喊系统的存在价值 11.3呼喊系统的现状 11.4病床紧急呼喊系统的特点 1第二章设计任务及规定 32.1设计任务 32.2设计规定 32.3PLC的选型 42.4警报灯的选择 4第三章系统总体方案设计 63.1PLC介绍及工作原理 63.2设计方案阐明 113.3病床呼喊系统的构成及工作方式 123.4I/O分派表 133.5系统接线图设计 15第四章控制系统的设计 164.1控制程序流程图设计 164.2病床呼喊系统时序图 174.3程序设计（如图） 184.4创新设计内容 24第五章程序调试和仿真 255.1调试 255.2仿真 25第六章结论与体会 29致谢 30参考文献 31附录一 32附录二 33第一章绪论1.1病床呼喊系统的概念病房呼喊系统，简称呼喊仪或请护仪，它的作用是将病人的求助请求快速而精确地告知医护人员，方便及时进行处治。它的使用既可方便病人，又可减少医护人员的巡逻次数，减轻其劳动强度，因而在临床上得到普遍的应用。1.2呼喊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疗或护理。临床求助呼喊是传送临床信息的重要手段，病床呼喊系统是患者向值班医生或护士发出紧急呼喊的工具，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精确完整的统计，是提高医院和病室护理水平的必备设备之一。病床呼喊系统规定及时、精确、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，因此一向受到各大医院的普遍重视。1.3呼喊系统的现状现在，医院病床呼喊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。普通都含有声光报警功效，医护人员能够及时理解病人的请求。病床呼喊系统的主机普通都设立在护士值班室，主机通过导线与各病房病床的终端呼喊器(普通为机械开关)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病床紧急呼喊系统的特点医院病房中使用的呼喊装置有无线式和有线式两种形式。其中，有线式普通是采用单片机作为核心控制部件。本研究提出的呼喊系统也属于有线式，但是核心部件为PLC，该系统重要解决了现在呼喊系统中存在的下列问题：(1)无线式呼喊系统由于需要“发射”和“接受”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，现在医院中极少采用。(2)单片机构成的呼喊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。在软件设计上还要拟定单片机与外设之间的通信方式，以确保在任意时刻只要有呼喊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的功效不停趋向于计算机化，价格不停下降，体积不停缩小。特殊的I/O接口能够使呼喊按钮直接与PLC输入相接，输出能够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，在其它控制领域也获得广泛应用。第二章设计任务及规定2.1设计任务本课程设计重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喊护士站谋求协助，护士根据站内批示灯及响铃获取求助信息的来源，并能及时的给其提供协助。护士在站内发现信号时及时将站内灯及响铃复位，在解决完后再在病床前的开关将病床及病学生根据控制规定，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，进行病床呼喊系统运行原理设计、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。重要内容涉及：（1）设计出硬件系统的构造图、接线图、时序图等；（2）运用功效指令进行PLC控制程序设计；（3）程序构造与控制功效自行创新设计；（4）进行系统调试，实现病床呼喊系统的控制规定。房的灯及铃复位。2.2设计规定（1）共有3个病房，每间病房4个床位。每一病床床头都有紧急呼喊按钮及重置按钮，以利病人不适时紧急呼喊。（2）设每一层楼有一护士站，每一护士站都有该层楼病人紧急呼喊与解决完毕的重置按钮。（3）每一病床床头都有一紧急批示灯，一旦病人按下紧急呼喊按钮且未在5s内按下重置按钮时，该病床床头紧急批示灯动作且病房门口紧急批示灯闪烁，同时同楼层的护士站显示病房紧急呼喊并闪烁批示灯。（4）在护士站的病房紧急呼喊中心，每一病房都有编号，用批示灯显示哪一病房先按下病人紧急呼喊按钮，并要含有优先级鉴别的能力。（5）一旦护士看见护士站紧急呼喊闪烁灯后，须先按下护士解决按钮以取消闪烁状况，再依病房紧急呼喊次序解决病房紧急事故。2.3PLC的选型P根据设计规定能够得知，PLC的输入信号有：一号病房呼喊信号1~4床位4个，一号病房复位信号1~4床4个，二号病房呼喊信号1~4床位4个，二号病房复位信号1~4床4个，三号病房呼喊信号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，病床呼喊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呼喊显示6个，输出信号总共有20个。根据I/O信号数量、类型以及控制规定，因此选择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，因此病房警报灯的选择其功率不适宜过大，因选择亮度较小功率小的LED灯，因此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种电阻，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示护士有病人呼喊，因此应选择亮度功率较大的警报灯，因此其工作电压使用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时，电铃工作电压为220V的PLC的自带电源。病床呼喊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介绍及工作原理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、次序控制、定时、计数与算术操作等面对顾客的指令，并通过数字和模拟式输入/输出控制多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种整体、易于扩充其功效的原则设计。3.1.2PLC的构成PLC重要由CPU模块、输入模块、输出模块、电源和编程器（或编程软件）构成，如图3.1所示。图3.1PLC控制系统的示意图1、中央解决单元（CPU）CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。CPU普通由控制电路、运算器和寄存器构成。这些电路普通都被封装在一种集成电路的芯片上。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的功效有下列某些：从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，解决中断。2、输入输出模块（I/O模块）I/O模块事实上是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多种开关、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顾客程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视顾客程序的执行状况。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，普通用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。使用编程软件能够在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功效块图和次序功效图程序，并能够实现不同编程语言的互相转换。程序被编译后下载到PLC，也能够将PLC中的程序上传到计算机。程序能够存盘或打印，通过网络，还能够实现远程编程和传送。4、电源PLC普通使用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普通都可觉得输入电路和外部的电子传感器（如靠近开关）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源普通由顾客提供。5、编程器编程器是PLC的最重要外围设备。运用编程器将顾客程序送入PLC的存储器，还能够用编程器检查程序，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合适的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。运用微机作为编程器，能够直接编制并显示梯形图。3.1.3PLC的工作方式PLC即使以微解决器为核心，含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，微型计算机普通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，则转入对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，即次序扫描，不停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根据顾客按控制规定编写好并存于顾客存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条次序执行顾客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。事实上，PLC扫描工作除了执行顾客程序外，还要完毕其它工作，整个工作过程分为自诊疗、通讯服务、输入解决、输出解决、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、自诊疗每次扫描顾客程序之前，都先执行故障自诊疗程序。自诊疗内容涉及I/O部分、存储器、CPU等，并通过CPU设立定时器来监视每次扫描与否超出规定的时间，如果发现异常，则停机并显示出错。若自诊疗正常，则继续向下扫描。2、通讯服务 PLC检查与否有与编程器、计算机等的通讯规定，若有则进行对应解决。3、输入解决PLC在输入刷新阶段，首先以扫描方式按次序从输入缩存器中写入全部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，随即关闭输入端口，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变化。变化的输入信号的状态只能在下一种扫描周期的输入刷新阶段被读入。4、输出解决同输入状态映像区同样，PLC内存中也有一块专门的区域称为输出状态映像区。当程序的全部指令执行完毕，输出状态映像区中全部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，推动外部的对应执行器件工作，这就是PLC输出刷新阶段。5、程序执行PLC在程序执行阶段，按顾客程序次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，通过对应的运算解决等，将成果写入输出状态映像区。普通将自诊疗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。能够看出，PLC在一种扫描周期内，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干被送出，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的应用领域现在，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，使用状况重要分为以下几类：1、开关量逻辑控制取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、次序控制，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，存在某些如温度、压力、流量、液位和速度等持续变化的量（即模拟量），PLC采用对应的A/D和D/A转换模块及多种各样的控制算法程序来解决模拟量，完毕闭环控制。PID调节是普通闭环控制系统中用得较多的一种调节办法。过程控制在冶金、化工、热解决、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。3、运动控制PLC能够用于圆周运动或直线运动的控制。普通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，广泛用于多种机械、机床、机器人、电梯等场合。4、数据解决PLC含有数学运算（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、位操作等功效，能够完毕数据的采集、分析及解决。数据解决普通用于如造纸、冶金、食品工业中的某些大型控制系统。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都含有通信接口，通信非常方便。3.2设计方案阐明（1）设计原则①最大程度的满足机械电气设备或生产过程的控制规定；②在满足控制规定的状况下，力求使控制系统简朴、经济；③确保控制系统的安全可靠；④考虑到实际状况和工艺的改善，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规定；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根据系统设计的规定编写软件规格阐明书，然后在用对应的编程语言进行程序设计。（3）设计环节①进一步理解和分析被控制对象的工艺条件及控制规定；②选择适合的的PLC类型；③分派I/O点；④设计控制系统梯形图；⑤输入并调试程序。3.3病床呼喊系统的构成及工作方式共有3个病房，每间病房4个床位。每一病床床头都有紧急呼喊按钮及重置按钮，以利病人不适时紧急呼喊。设每一层楼有一护士站，每一护士站都有该层楼病人紧急呼喊与解决完毕的重置按钮。每一病床床头都有一紧急批示灯，一旦病人按下紧急呼喊按钮且未在5s内按下重置按钮时，该病床床头紧急批示灯动作且病房门口紧急批示灯闪烁，同时同楼层的护士站显示病房紧急呼喊并闪烁批示灯。在护士站的病房紧急呼喊中心，每一病房都有编号，用批示灯显示哪一病房先按下病人紧急呼喊按钮，并要含有优先级鉴别的能力。一旦护士看见护士站紧急呼喊闪烁灯后，须先按下护士解决按钮以取消闪烁状况，再依病房紧急呼喊次序解决病房紧急事故，若事故解决妥当后，病房紧急闪烁批示灯和病床上的紧急批示灯被重置。出现对应的声、光报警批示，方便提示医护人员尽快赶到现场。3.4I/O分派表表3.1分派表输入：名称1房1-4床紧急按钮输入变量K0-K3PLC对应输入X0000-X00032房1-4床紧急按钮K4-K7X0004-X00073房1-4床紧急按钮K8-K11X0010-X00131房1-4床重置按钮K12-K15X0014-X00172房1-4床重置按钮K16-K19X0020-X00233房1-4床重置按钮K20-K23X0024-X0027护士站1房1-4床取消紧急呼喊及闪灯按钮K24X0030护士站2房1-4床取消紧急呼喊及闪灯按钮K25X0031护士站3房1-4床取消紧急呼喊及闪灯按钮K26X0032输出：名称护士站显示1房闪灯输出变量LD0PLC对应输出Y0001护士站显示2房闪灯LD1Y0002护士站显示3房闪灯LD2Y0003护士站显示1房响铃P1Y0004护士站显示2房响铃P2Y0005护士站显示3房响铃P3Y00061房1-4床灯亮LD3-LD6Y0010-Y00132房1-4床灯亮LD7-LD10Y0014-Y00173房1-4床灯亮LA11-LD4Y0020-Y00231房灯闪LD15Y00242房灯闪LD16Y00253房灯闪LD17Y00263.5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病床呼喊系统时序图以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病床呼喊系统时序图4.3程序设计（如图）以病房为例：当1~4号床按下呼喊按钮时，护士房中的一号房批示灯亮起，对应的计时器（T0~T3）记时，计时5秒内按下对应重启按钮（X14~X17）计时停止，计时5秒对应床位灯与病房门口批示灯亮起。护士按下重启按钮，护士房批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批示灯，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下列两项创新内容：此设计中在护士房中加入了三个电铃，在病人按下紧急呼喊按钮时，护士房中的对应三个病房的对应电铃会响起，提示值班护士有人按下紧急呼喊按钮，从而避免值班护士未注意亮灯状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批示灯的延时设计，当病人按下紧急呼喊按钮后，5秒内没按下重置按钮时，该病房门口的批示灯亮起，护士房中的护士按下该病房的重置按钮后，该病房门口的批示灯不会立刻熄灭，它会延时20秒后再熄灭，在此期间该批示灯可觉得到来的护士及医生批示按下紧急呼喊按钮的病人所在的病房。第五章程序调试和仿真5.1调试先将程序输入实验机，再用模拟信号调试，调试成功后再投入使用，再模拟调试时，我们最惯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仿真程序测试是检查所设计的程序与否达成了设计的规定。测试成果：以1号病房1号床为例阐明当1号床病人按下呼喊按键5S内没有按下1号房1号床的复位按键时，按下呼喊按键时，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，提示护士病人呼喊，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，提示护士与医生呼喊病人所在的位置。当护士在护士站按下对应的复位按钮时，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，提示病人护士已接受到呼喊，此时1号病房房门灯继续亮20S，方便为护士与医生指明呼喊病房，20S后此灯自动熄灭，程序结束。当1号床病人按下呼喊按键5S内按下1号房1号床的复位按键时，按下呼喊按键时，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，提示护士病人呼喊，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，提示护士本次呼喊属于误按。在这种状况下，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。其它病床与其它病房的病床同1号病房1号床状况相似。仿真图以下：当1号病房1号床呼喊时程序响应如图所示：图5.1呼喊程序响应图当1号病房1号床病人呼喊完后，护士按下复位按键时程序响应如图所示：图5.2病床呼喊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的基本编程办法，对PLC的工作原理和使用办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，也使我更加好的理解和认识了有关PLC设计原理和实际中的应用过程。在没有做实践设计以前，我们对懂得的撑握都是思想上的，对某些细节不加重视，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，就是运行的成果和规定的成果不相符合。能过解决一种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理解，使我们体会到了只有好好学习，才干解决问题，才干让我们更能站在工作岗位上。作为学生面对的无非是同窗、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、