毕业设计：病床呼叫系统的PLC控制设计(欧姆龙).doc

毕业设计摘 要PLC（可编程控制器）作为一种工业控制微型计算机，它是采用软件编制程序来实现控制要求的。编程时要使用到各种编程元件，它们可提供无数个动合和动断触点。编程元件是指输入寄存器、输出寄存器、位存储器、定时器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能存储器等。它以其编程方便、操作简单尤其是它的高可靠性等优点，在工业生产过程中得到了广泛的应用。它应用大规模集成电路，微型技术和通讯技术的发展成果，逐步形成了具有多种优点和微型，中型，大型，超大要型等各种规格的系列产品，应用于继电器控制系统到监控计算机之间的许多控制领域。随着社会的不断发展，医学的发展，而病床呼叫器也成为了医院的必须设备。由以前手动摇铃发展到今天的按钮操纵，为医院的管理做出了不可磨灭的贡献。目录摘 要0第1章 绪论11.1 引言11.2可编程控制器的由来与发展21.3可编程控制器(PLC)的特点41.3.1硬件的可靠性41.3.2编程简单，使用方便41.3.3接线简单，通用性好41.3.4易于安装，便于维护51.4 PLC的工作原理51.5采用PLC控制的优点61.6 PLC的编程语言6第二章 基本方案分析72.可编程控制器控制系统设计方法72.PLC的编程方法72.1. 2经验法编程82.2系统流程图分解10第三章 病床呼叫系统控制设计113.1病床呼叫器的示意图113.2控制要求123.3呼叫控制系统的I/O通道分配123.4 PLC的I/O接线图1335梯形图的程序设计143.6指令语句153.7程序调试17总结18第1章 绪论1.1 引言随着科学技术的发展、近年来，我国的PLC技术得到了迅速发展及应用一些病床呼叫器也在不断改进设计、修改工艺。更新换代生产更新型的病床呼叫器，它主要由操作系统和PLC控制系统组成.PLC控制系统运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强,设计和调试周期较短等优点，倍受人们重视等优点，已成为目前在呼叫控制系统中使用最多的控制方式，目前也广泛用于传统控制系统的技术改造。目前国内七八十年代安装的许多呼叫控制系统，线路复杂，接线多，故障率高，维修保养难，许多已处于闲置状态，速，效率低，调速性能指标较差，严重影响运行质量。因此对呼叫控制技术进行研究，寻找适合我国现代呼叫的改造方法具有十分重要的意义。病床呼叫器作为医院的重要呼叫工具与医院人员的工作和生活日益紧密联系。PLC作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在许多领域中得到广泛应用，从而使病床呼叫器由传统的控制方式发展为计算机控制的一个重要方向，成为当前医院控制和技术改造的热点之一。PLC是一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统。由于PLC具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点。因此在工业控制方面得到了广泛应用。自80年代后期PLC引入我国电梯行业以来，由PLC组成的呼叫控制系统被许多厂家普遍采用。并形成了一系列的定型产品。在传统继电器系统的改造工程中，PLC系统一直是主流控制系统。病床呼叫控制系统分为控制部分和逻辑控制部分。为了改善速度和运行的可靠性，现在都改为用PLC来控制其运行，这样大大提高了呼叫的可靠性能。可编程控制器（Programmable Logic controller，简称PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具，是当前先进工业自动化的三大支柱之一。所以，综上所述，本设计就以PLC作为工具对呼叫的各种操作进行控制。1.2可编程控制器的由来与发展第一台可编程控制器的设计规范是美国通用公司提出的。当时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序、可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。这一设想提出后，美国数字设备公司（DEC）于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。第一台PLC具有模块化、可扩充、可重编程及用于工业环境的特性。这些控制器易于安装，占用空间小，可重复使用。尽管控制器编程有些琐碎，但它具有公共的工厂标准梯形图编程语言，这样使得不熟悉计算机的人也能方便的使用它。在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。到70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出了其实用化阶段的第一步。70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，使可编程控制技术产生了飞跃。在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算、闭环控制、提高了运算速度，扩大了输入输出规模。在这个时期，日本、西德（原）和法国相继研制出了自己的PLC，我国在1974年也开始研制。70年代由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。这是面向工程技术人员的编程语言发展成熟，出现了工艺人员使用的图形语言。在功能上，PLC可以代替某些模拟控制装置和小型机DDC系统。进入八九十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产生，可诊断自身故障及机器故障。这些改进使PLC符合今天对高质量高产出的要求。尽管PLC功能越来越强，但他仍然保留了先前的简单与易于使用的特点。随着PLC的应用，经过了近年的发展，它对提高设备的运转率起到了重要的作用。它在工业领域的应用非常广泛，既有单片机作为继电器逻辑电路的替代品，又有作为控制设备的核心部件。随着自动化程序的提高，它既可以作为现场控制的部件，又可以作为现场更高一级管理的控制部件。随着网络技术的发展，作为成熟技术，可编程序控制器已被广泛应用到机械，冶金，化工，石化，水泥，食品饮料，制药等各个领域，极大地提高了劳动生产率和自动化程度。随着时间的推移，PLC已经不再局限于最初设计的逻辑和顺序控制领域，越来越多的PLC产品向着满足更多更复杂的控制需求迈进。随着现场总线和工业以太网技术出现和推广，更加有力地促进了PLC产品在工业领域的广泛应用。1.3可编程控制器(PLC)的特点1.3.1硬件的可靠性PLC是在工业环境的恶劣条件下应用而设计的，一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固，简化安装，使它易于抗振动冲击，对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。例如，在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，用提高了抗干扰性能；各个I/O端口都除采用了常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了较合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行。由于PLC本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上。1.3.2编程简单，使用方便用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目前打多数PLC均采用的梯形图语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在PLC内部增加了解释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说，这是微不足道的。1.3.3接线简单，通用性好PLC的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与PLC输入端子连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与PLC输出端子连接。接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。这种性能使PLC具有很高的经济效益。用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于是用。1.3.4易于安装，便于维护PLC安装简单而且功能有效，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到PLC系统的情况下，PLC小的模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端，其实改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。长距离站通过同轴电缆获双扭线连向CPU,这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示器是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。PLC的这些及其他特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性。1.4 PLC的工作原理PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。PLC则采用循环扫描工作方式。在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条。如此周而不断循环。每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描周期大致可分为I/O刷新和执行指令两个阶段。所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器，同时将新的运算结果送到输出端。这实际是将存入输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新，故称为“I（输入）/O(输出) 刷新”。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化，或者说输出队输入产生了响应。反之，若在本次I/O刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，即不响应，而要到下一次扫描期间输出才会产生响应。由于PLC采用循环扫描的工作方式，所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响。扫描周期的长短主要取决于这几个因数：一是CPU执行指令的速度，二是每条指令占用的时间，三是指令条数的多少，即程序的长短。对于慢速控制系统，响应速度常常不是主要的，故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。因为干扰常是脉冲式的、短时的，而由于系统响应较慢，常常要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少，故增加了抗干扰能力。但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，这一问题就需慎重考虑。应对响应时间作出精确的计算，精心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响。1.5采用PLC控制的优点(1)在采用PLC控制，主要是用软件实现对其运行的自动控制，可靠性大大提高。 (2)控制系统结构简单，外部线路简化。 (3)PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。(4)PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。 (5)用于群控调配和管理，并提高病床呼叫运行效率。 (6)更改控制方案时不需改动硬件接线。1.6 PLC的编程语言PLC提供了较完整的编程语言，以适应PLC在工业环境中的应用。利用编程语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器的硬接线线路，这就是所谓的“可编程序”。程序由编程器送到PLC内部的存储器中，它也能方便地读出、检查与修改。PLC提供的编程语言通常由三种：梯形图、功能图、及布尔逻辑编程。梯形图(Ladder Programming)是应用最广的，梯形图编程有时称为继电器梯形图逻辑图编程。它使用的最广是因为它和以往的继电器控制线路很接近。梯形图是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的，它与电气操作原理相呼应。它的最大优点是形象、直观和实用，为广大电气技术人员所熟知。PLC的梯形图与电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。PLC的梯形图使用的时内部继电器、定时器/计数器，都是由软件实现的，其主要特点为使用方便、修改灵活。功能图编程（Function Chart Programming）是一种较新的编程方法。它的作用使用功能图来表达一个顺序控制过程。布尔逻辑编程(Boolean Logic Programming)包括“与”（AND）、或(OR)、非(NOT)以及定时器、计数器、触发器等。每一种编程方法都有它的优点和缺点，根据每一种特殊的控制要求，根据编程者的熟练程度正确合理应用编程方法。第二章 基本方案分析2.可编程控制器控制系统设计方法2.PLC的编程方法图解法编程 图解法是靠画图进行PLC程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。 (1) 梯形图法：梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。这是一种模仿继电器控制系统的编程方法。其图形甚至元件名称都与继电器控制电路十分相近。这种方法很容易地就可以把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。这对于熟悉继电器控制的人来说，是最方便的一种编程方法。 ( 2) 逻辑流程图法：逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反应输入与输出的关系。逻辑流程图法是把系统的工艺流程，用逻辑框图表示出来形成系统的逻辑流程图。这种方法编制的PLC控制程序逻辑思路清晰、输入与输出的因果关系及联锁条件明确。逻辑流程图会使整个程序脉络清楚，便于分析控制程序，便于查找故障点，便于调试程序和维修程序。有时对一个复杂的程序，直接用语句表和用梯形图编程可能觉得难以下手，则可以先画出逻辑流程图，再为逻辑流程图的各个部分用语句表和梯形图编制PLC应用程序。 (3) 时序流程图法：时序流程图法使首先画出控制系统的时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图），再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把程序框图写成PLC程序。时序流程图法很适合于以时间为基准的控制系统的编程方法。 (4) 步进顺控法：步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比较复杂的程序，都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序段可以看成整个控制过程中的一步。从整个角度去看，一个复杂系统的控制过程是由这样若干个步组成的。系统控制的任务实际上可以认为在不同时刻或者在不同进程中去完成对各个步的控制。为此，不少PLC生产厂家在自己的PLC中增加了步进顺控指令。在画完各个步进的状态流程图之后，可以利用步进顺控指令方便地编写控制程序。 2.1. 2经验法编程 经验法是运用自己的或别人的经验进行设计。多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。这里所说的经验，有的是来自自己的经验总结，有的可能是别人的设计经验，就需要日积月累，善于总结。2.2病床呼叫器控制系统设计流程图在系统设计之前,我们对系统的控制流程与设计的步骤做一个思想的统筹,以下是我们的设计一个病床呼叫器控制系统的流程图。开始 分析控制要求确定用户I/O设备PLC硬件系统配置配分配I/O点绘制流程表设计梯形图修改程序程序输入PLC 软件测试满足要求？整体测试满足要求?交付使用图2-1病床呼叫器控制流程图2.2系统流程图分解（1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求 a 被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。 b 控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。 （2）确定I/O设备 根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。 （3）选择合适的PLC类型 根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型，包括机型的选择、容量的选择、 I/O模块的选择、电源模块的选择等。 （4）分配I/O点 分配PLC的输入输出点，编制出输入 / 输出分配表或者画出输入 / 输出端子的接线图。接着就可以进行PLC程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。 （5）设计应用系统梯形图程序 根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。这一步是整个应用系统设计的最核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。 （6）将程序输入PLC 当使用简易编程器将程序输入PLC时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到PLC中去。 （7）进行软件测试 程序输入PLC后，应先进行测试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。因此在将PLC连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。 （8）应用系统整体调试 在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。 （9）编制技术文件 系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、 PLC梯形图。第三章 病床呼叫系统控制设计3.1病床呼叫器的示意图3.2控制要求1. 当某个病床发出求助信号（按下呼叫按钮）后，护士站的蜂鸣器发出短促音，与呼叫信号对应的指示灯闪烁（闪烁频率自定）。2. 当医护人员听到呼叫后，可按下呼叫响应按钮SBO，蜂鸣器停止工作，呼叫指示灯在20S后停止显示。3. 如果同时或者在一段时间内有多个呼叫信号，护士站的蜂鸣器仍然发出短促音，与这些呼叫信号对应的那些指示灯均闪烁，医护人员按下呼叫响应按钮后，蜂鸣器停止工作 ，呼叫指示灯在20S后停止显示。3.3呼叫控制系统的I/O通道分配类别元件端子号作用输入SB00000一号病房一号床的置位按钮SB10001一号病房一号床的复位按钮SB20002一号病房二号床的置位按钮SB30003一号病房二号床的复位按钮SB40004医护室一号病房一号床的复位按钮SB50005医护室一号病房二号床的复位按钮SB60006二号病房一号床的置位按钮SB70007二号病房一号床的复位按钮SB80008二号病房二号床的置位按钮SB90009二号病房二号床的复位按钮SB100010医护室二号病房一号床的复位按钮SB110011医护室二号病房二号床的复位按钮SB120012三号病房一号床的置位按钮SB130013三号病房一号床的复位按钮SB140014三号病房二号床的置位按钮SB150015三号病房二号床的复位按钮SB160016医护室三号病房一号床的复位按钮SB170017医护室三号病房二号床的复位按钮 输出HL01000一号病房一号床的指示灯HL11001一号病房二号床的指示灯HL21002一号病房的指示灯HL31003医护室一号病房一号床的指示灯HL41004医护室一号病房二号床的指示灯HL51005二号病房一号床的指示灯HL61006二号病房二号床的指示灯HL71007二号病房的指示灯HL81008医护室二号病房一号床的指示灯HL91009医护室二号病房二号床的指示灯HL101010三号病房一号床的指示灯HL111011三号病房二号床的指示灯HL121012三号病房的指示灯HL131013医护室三号病房一号床的指示灯HL141014医护室三号病房二号床的指示灯HL151015蜂鸣器3.4 PLC的I/O接线图35梯形图的程序设计3.6指令语句1LD00002OR10003AND NOT00014OUT10005TIM000#00206LD00027OR10018ANDNOT00039OUT100110TIM001#002011LD100012OR100113LD NOT TIM00014AND NOT TIM00115OR NOTTIM00616AND LD17OUT 100218LD100019ANDNOT000420LD NOTTIM00021ORNOTTIM00622ANDLD23OUT100424LD000625OR100526ANDNOT000727OUT100528TIM002#002029LD000830OR100631ANDNOT000932OUT100633TIM003#002034LD100535OR100636LDNOTTIM00237ANDNOTTIM00338ORNOTTIM00639ANDLD40OUT100741LD100542ANDNOT001043LDNOTTIM00244ORNOTTIM00645ANDLD46OUT100847LD100648ANDNOT001149LDNOTTIM00350ORNOTTIM00651ANDLD52OUT100953LD001254OR101055ANDNOT001356OUT101057TIM004#002058LD001459OR101160ANDNOT001561OUT101162TIM005#002063LD101064OR1011