医院住院呼叫系统的设计与实现

毕业设计（论文）题 目：医院住院呼叫系统的设计与实现 系 别：专业班级：姓 名：学 号：指导教师：职 称：广西工学院鹿山学院本科生毕业设计（论文）摘 要随着科学与技术的发展，医院呼叫系统也成了医院的必须设备。为了丰富了医院呼叫系统的控制方式，使医生更加及时的了解病房动态及病人情况，同时也为了满足病人与护士取得实时联系，本论文采用了PLC可编程控制器为核心控制件，设计实现了新型PLC医院住院呼叫系统。所设计的PLC病床呼叫系统结构简单、易于管理、可靠性强，且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。此系统应用于病人呼叫护士寻求帮助，护士根据护士站内显示器上的指示灯及响铃获取到求助信息的来源，并且及时的给病人提供帮助，提高了医院的工作效率，也更好地服务了病人，使医院医疗更科学化与人性化，在现实生活中具有举足轻重的作用。关键词： 病床呼叫系统；PLC；S7-200AbstractWith the development of science and technology, the hospital call system has become the necessary equipment for the hospital. In order to enrich the control of the hospital call system, allowing physicians to more timely understanding of ward dynamic and patients, but also to meet the patients and nurses to obtain in real time, the paper adopts PLC programmable controller as the core control parts, Design and Implementation the new PLC hospital call system. PLC beds call system structure is simple, easy to manage, reliability, and programmable controller beds call system can be timely, accurate ward call management, and has good application prospects. This system is applied to the patient nurse call for help, nurse according to the indicators on the monitor in the nurses station and rings to get to the source of help information, and timely help to the patient, to improve the efficiency of the hospital, but also to better serve the patients, the hospital medical scientific and humane, has a pivotal role in real life.Key Words: Ward Calling System; PLC; S7-200目 录1 绪论11.1 选题的背景和意义11.2 国内外研究现状和发展趋势11.2.1 国外研究情况11.2.2 国内研究情况21.3 本文研究内容及安排22 可编程序控制器的组成与工作原理42.1 概述42.2 PLC的特点42.2.1 使用灵活、通用性强42.2.2 编程简单、易于掌握42.2.3 可靠性高、能适应各种工业环境42.2.4 接口简单、维护方便52.3 采用PLC控制的优点52.4 PLC的构成52.4.1 CPU的构成62.4.2 存储器62.4.3 输入/输出接口电路72.4.4 电源102.4.5 扩展接口和通信接口102.4.6 底板或机架102.4.7 PLC系统的其它设备102.4.8 PLC的通信联网112.5 PLC的工作原理112.5.1 扫描技术112.5.2 输入采样阶段112.5.3 用户程序执行阶段112.5.4 输出刷新阶段122.6 PLC的软件系统122.6.1 监控程序122.6.2 用户程序132.7 PLC的编程语言132.7.1 梯形图语言132.7.2 指令表语言142.7.3 状态转移图语言143 医院住院呼叫系统的设计与实现153.1 任务描述153.1.1 设计任务和要求163.1.2 系统的工作流程163.1.3 系统的运行环境183.2 I/O接线图213.3 S7-200编程223.4 梯形图程序设计233.4.1 主程序设计233.4.2 子程序设计243.5 系统说明244 程序调试与仿真254.1 程序的调试254.1.1 程序的模拟调试254.1.2 程序的现场调试254.2 程序的仿真264.2.1 准备工作264.2.2 程序仿真264.3仿真结果29结束语31致谢32参考文献33附录34IV1 绪论1.1 选题的背景和意义医院病床呼叫系统是一种应用于医院病房的专用呼叫系统，是医护人员和病人之间联系的重要桥梁。当病人需要医生帮助时，可以通过病床呼叫系统发出呼叫请求。当医生需要了解病人病情时，也可以通过病床呼叫系统来询问病人的状况。它的应用一方面提高了医院的工作效率 ，使医院医疗更科学化与人性化，另一方面也方便了病人，大大拉近了医院跟病人及其家属的距离，使病人更加安心与舒适，使家属更加放心。病床呼叫系统是提高医院和病房护理水平的必需的设备，由于它的性能及时、准确、可靠，简便可行，在医院中起着巨大的作用。随着科技与医疗水平的不断发展与提高，人们将先进的自动化控制技术、计算机技术、通信技术和信息技术等运用在医院中，使医疗技术的发展更加繁荣。病床呼叫系统可以让医护人员及时收到病人的呼叫信息，对迅速到达现场为病人进行帮助提供了技术保障，使病人得到及时的护理与诊断，以免延误了治疗的最佳时间。同时它还为医院医疗的管理体系提供了技术支持，使医疗管理更趋规范和合理，具有广泛的社会意义和重大的使用价值。1.2 国内外研究现状和发展趋势1.2.1 国外研究情况电子计算机应用在医院中已经有三十多年的历史，在60年代初，美国就开始了对HIS (Hospital Information System，医院信息系统)的研究。美国一家医院开发的COSTAR系统是60年代初开始并一直发展到现在，成为大规模的病人信息系统。由于计算机的不断发展，70年代，HIS有了更大的发展，在美国日本欧洲的各大医院，尤其是大学医院和医学中心，他们纷纷也研制出HIS，使得医药信息学得到了形成和发展。从70年代起到80年代，美国的HIS产业发展到了很大的规模。目前在国外无线医用呼叫系统也有了很大的发展，由于医院住院呼叫系统大多数是有线安装，而有线安装布线复杂、成本也很高,且在实际应用中信息传输的可靠性不是很高,因此设计出了一种基于ZigBee的无线呼叫系统:采用美国TI公司的SOC芯片CC2430完成系统中护士站主控制器、病床呼叫器和便携式应答器的硬件设计,在软件上则用了TI公司的Z-Stack协议栈和IAR Embedded Workbench开发工具。结果表明,该系统各项指标都较高,有效的替换了现在的有线式呼叫系统。1.2.2 国内研究情况医院住院呼叫系统是医院提高医护服务质量、提高工作效率的一种必不可少的基础设施。中国呼叫系统经历了三个阶段，即从早期的口头呼叫到后来的摇铃呼叫和现在的电子呼叫。在80年代时，医院开始使用比较简单的局域呼叫系统，用这个系统可以实现声光报警，但是该系统当时就暴露出很多弊端。随着科技的发展， 90年代，医院开始采用数字编码、扩频和单片机等控制技术，使医院住院呼叫系统有了进一步的发展，也得到了更加广泛的应用。近年来，医院住院呼叫系统不断向智能化、科学化、人性化的方向发展着。新型医院住院呼叫系统以PLC（Programmable logic Controller，可编程控制器）技术为基础核心，实现了医院现代化和科学化的管理。过去医院的呼叫系统采用的是接触继电控制系统。PLC是一种替代继电接触器而产生的一种新型的控制设备。PLC在60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量输出的接触器上，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。但是现在由可编程序控制器和微机组成的医院呼叫器控制系统，正以很快的速度发展着。采用PLC控制的呼叫器可靠性高、维护方便、开发周期短，这种呼叫器运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为呼叫系统的发展方向，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。总之， PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着PLC应用技术的不断发展，它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，抗干扰性能增强、机械与电气部件被有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。因此，它已经成为呼叫器运行中的关键技术。1.3 本文研究内容及安排本设计从可编程控制器PLC的应用出发，提出了一种以PLC为核心的医院住院呼叫系统。该系统利用PLC特殊的I/O接口，使系统结构更加简单，充分展示了它的特色和应用前景。该系统具有呼叫、指示灯报警、响铃、优先显示等功能，使医院对病房管理和护理的要求得到了满足。该系统还可以通过计算机将全院各病房区呼叫子系统连接在一起，构成病房监护管理中心，使病区管理更加合理和规范。 全文共分为如下五个章节：第一章是绪论，讲述了医院住院呼叫系统的背景和意义及它的发展趋势，介绍了目前国内外发展现状和所存在的问题，预测了医院住院呼叫系统的发展方向。并针对这些问题提出了一些基于PLC的医院呼叫系统的构想。第二章简述了PLC，讲述了它的应用特点及结构组成，介绍了它的工作原理，让我们很直观的感受到他的应用前景和优势。并通过制出直观的结构图，让我们很清晰的看到他的构成，展示出了它的控制优点。第三章则是介绍医院住院呼叫系统的设计与实现。着重介绍了以医院的需求而设计出的呼叫系统。通过医院在现实生活中的需求及现代医疗发展的需要，设计出一套符合现代化医院要求的呼叫系统。并详细的介绍了该系统的功能特点、所需的运行环境及使用方式，并画出了输入/输出接线图，使系统的运行方式更加直观明了的展示在我们眼前。使其在现代医院中能够更好的服务病患及家属，同时方便是病人得到及时有效的医护救助。第四章是介绍程序的调试方法以及仿真情况。着重介绍了程序仿真的过程及方法，最后得出仿真结果，与实际情况进行对比，得出该系统程序可行性较高，符合实际需求。第五章为结束语，对全文进行总结，对今后的技术发展，应用领域及研究工作进行了展望。2 可编程序控制器的组成与工作原理2.1 概述PLC（Programmable logic Controller，可编程控制器），是指以微处理器为基础，把计算机技术、自动控制技术和通讯技术综合起来而发展起来的一种新型工业控制装置。继电器控制和计算机技术是PLC的基础，同时它把继电器的控制技术和计算机信息处理技术两者的优点完美的结合在一起，成为现代工业中极为重要、应用最为广泛的控制设备，并已登上工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。PLC从诞生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；它的功能从弱到强，从逻辑控制发展到数字控制；它的应用领域从小发展到大，实现了从单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。如今的PLC可以更加有效的处理数字运算、模拟量和网络等方面，这些能力都得到了大幅度的提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业都占有极为重要的地位。2.2 PLC的特点2.2.1 使用灵活、通用性强PLC用程序代替了布线逻辑，生产工艺流程改变时，只需修改用户程序，不必重新安装布线，十分方便。结构上采用模块组合式，可像搭积木那样扩充控制系统规模，增减其功能，容易满足系统要求。2.2.2 编程简单、易于掌握PLC采用专门的编程语言，指令少，简单易学。通用的梯形图语言，直观清晰，对于熟悉继电器线路的工程技术人员和现场操作人员很容易掌握。对于熟悉计算机的人还有语言表编程语言，类似于计算机的汇编语言，使用非常方便。2.2.3 可靠性高、能适应各种工业环境PLC面向工业生产现场，采取了屏蔽、隔离、滤波等安全防护措施，可有效地抑制外部干扰，能适应各种恶劣的工业环境，具有极高的可靠性；其内部处理过程不依赖于机械触点，所用元器件都经过严格筛选，其寿命几乎不用考虑；在软件上有故障诊断与处理功能；以三菱F1、F2系列PLC为例，其平均无故障时间可达30万小时，A系列的可靠性又比之高几个数量级。多机冗余系统和表决系统的开发，更进一步提高了可靠性。这是继电器控制系统无法比拟的。2.2.4 接口简单、维护方便PLC的输入、输出接口设计成可直接与现场强电相接，有24V、48V、110V、220V交流、直流等电压等级产品，组成系统时可直接选用。接口电路一般为模块式，便于维修更换。有的PLC的输入、输出模块可带电插拔，实现不停机维修。大大缩短了故障修复时间。2.3 采用PLC控制的优点（1)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)控制系统结构较简单，外部线路比较简化，直观易懂；（3)可实现各种复杂的控制系统，方便增加或改变控制功能；（4)可以实现故障自动检测和报警提示，使运行更加安全，检修更加方便；（5)可用于群控调配及管理，并提高病床呼叫运行效率；（6)如果控制方案改变时，它的硬件接线不需要改动。2.4 PLC的构成PLC是专为工业生产过程控制而设计的控制器，实际上就是一种工业控制专用计算机。不同厂家的产品有不同的结构，但都包含硬件和软件两部分，本文以三菱系列PLC为例进行介绍。PLC的硬件基本组成包括CPU（CentralProcessingUnit，中央处理器）、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、电源、扩展接口及外部设备编程器，见图2-1。PLC内部通过控制总线、电源总线、数据总线和地址总线将各组成单元连接起来，外部则依据实际控制对象的相关配置和相应设备与控制装置形成PLC控制系统。图2-1 PLC结构框图2.4.1 CPU的构成中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。按照PLC系统程序所赋予的功能它可以接收同时存储用户程序和数据，并将这些数据和状态存入规定的寄存器中。同时它还能够诊断电源和PLC内部电路的工作状态等。等到进入运行状态后它从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按照指令规定的任务产生相应的控制信号，使有关的控制电路被指挥。为了使PLC的可靠性更加强大，大型PLC需要采用双CPU构成冗余系统，或者三CPU的表决式系统。这样的话，如果其中一个CPU出现故障，整个系统仍然可以正常运行。CPU的内部电路由运算器、控制器、寄存器构成，运算器用于进行数字或逻辑方面的运算。控制器控制CPU工作，由它来读取指令、解释指令及执行指令。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器的指挥下工作的。 CPU的速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 2.4.2 存储器PLC的存储器有两种：一是单片机上带的存储器，主要用于存储系统监控程序及系统工作区间，生成用户环境。二是用户程序存储器，通常都是CMOS型的RAM，存储用户程序及参数，用锂电池做后备，调试起来也方便。还可用EPROM或EEPROM。2.4.3 输入/输出接口电路输入/输出接口电路是PLC与被控对象（机械设备或生产过程）联系的桥梁。现场信息经输入接口传送给CPU，CPU的运算结果、发出的命令经输出接口送到有关设备或现场。输入/输出信号分为开关量、模拟量、数字量。输入接口电路。PLC的输入接口电路可分为直流输入电路和交流输入电路。直流输入电路的延迟时间比较短，可以直接与接近开关，光电开关等电子输入装置连接；交流输入电路适用于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。交流输入电路和直流输入电路类似，外接的输入电源改为220V交流电源。由于生产过程中使用的各种开关、按钮、传感器等输入器件直接接在PLC的输入接口电路上，为了防止因为触点抖动或干扰脉冲所引起错误的输入信号，输入接口电路须拥有很强的抗干扰力。如图2-2所示，输入接口电路提高抗干扰能力的方法主要有：一是应用光电耦合器来增强抗干扰力。光电耦合器的工作原理是：发光二极管有驱动电流流过时，导通发光，光敏三极管接收到光线，由截止变为导通，将输入信号送入PLC内部。光电耦合器中的发光二极管是电流驱动元件，要有足够的能量才能驱动。而干扰信号虽然有的电压值很高，但能量较小，不能使发光二极管导通发光，所以不能进入PLC内，实现了电隔离。二是利用滤波电路提高抗干扰能力。最常用的滤波电路是电阻电容滤波，如图2-2中的R1、C。图2-2中，S为输入开关，当S闭合时，LED点亮，显示输入开关S处于接通状态。光电耦合器导通，将高电平经滤波器送到PLC内部电路中。当CPU在循环的输入阶段锁入该信号时，将该输入点对应的映像寄存器状态置1；当S断开时，则对应的映像寄存器状态置0。图2-2 可编程控制器输入电路根据常用输入电路电压类型及电路形式不同，可以分为干接点式、直流输入式和交流输入式。输入电路的电源可由外部提供，有的也可由PLC内部提供。输出接口电路。按输出开关器件的种类来分，PLC通常由三种形式的输出电路即：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。继电器输出形式：如图2-3所示。这种输出形式既可驱动交流负载，又可驱动直流负载。它的优点是适用电压范围比较宽，导通压降小，有很强的能力来承受瞬时性过电压和过电流。它的缺点是动作速度较慢，动作次数（寿命）有一定的限制。建议在输出量变化不频繁时优先选用。图2-3所示电路工作原理是：当内部电路的状态为1时，使继电器K的线圈通电，产生电磁吸力，触点闭合，则负载得电，同时点亮LED，表示该路输出点有输出。当内部电路的状态为0时，使继电器K的线圈无电流，触点断开，则负载断电，同时LED熄灭，表示该路输出点无输出。图2-3 小型继电器输出形式电路晶体管或场效应管输出形式：如图2-4所示。这种输出形式只可驱动直流负载。它的优点是可靠性强，执行速度快，寿命长。缺点是过载能力差。适合在直流供电、输出量变化快的场合选用。图2-4所示电路工作原理是：当内部电路的状态为1时，光电耦合器T1导通，使大功率晶体管VT饱和导通，则负载得电，同时点亮LED，表示该路输出点有输出。当内部电路的状态为0时，光电耦合器T1断开，大功率晶体管VT截止，则负载失电，LED熄灭，表示该路输出点无输出。当负载为电感性负载，VT关断时会产生较高的反电势，VD的作用是为其提供放电回路，避免VT承受过电压。图2-4 大功率晶体管输出形式电路晶闸管输出形式：如图2-5所示。这种输出形式适用于驱动交流负载。由于双向可控硅和大功率晶体管都属于半导体材料元件，因此它的优缺点和大功率晶体管或场效应管输出的形式相似，适合用于交流供电和输出量变化快的场合。图2-5所示电路工作原理是：当内部电路的状态为1时，发光二极管导通发光，相当于双向晶闸管施加了触发信号，无论外接电源极性如何，双向晶闸管T均导通，负载得电，同时输出指示灯LED点亮，表示该输出点接通；当对应T的内部继电器的状态为0时，双向晶闸管施加了触发信号，双向晶闸管关断，此时LED不亮，负载失电。图2-5 双向可控硅输出形式电路2.4.4 电源电源是PLC整机的能源供给中心。PLC系统中有两种电源：一种是内部电源，是PLC主机内部电路的工作电源。要求性能稳定、工作可靠，一般使用开关稳压电源。与普通稳压电源相比，具有以下优点：（1）体积小、重量轻；（2）功耗低、发热少；（3）能适应较大范围内的电压波动，稳压效果好；（4）具有良好的自动保护功能，而且保护动作灵敏、可靠；（5）电路集成化，外部元件少、成本低。另一种是外部电源（或称用户电源），用于传送现场信号或驱动现场执行机构，通常由用户另备。2.4.5 扩展接口和通信接口PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要；通信接口的功能是通过这些通信接口可以和监视器、打印机、其他的PLC或是计算机相连，从而可以实现“机-机”或“人-机”间的对话。2.4.6 底板或机架有很多数模块式的PLC都会使用底板或机架，它的作用是可以分为两方面，在电气上，可以实现各模块之间的联系，能够使CPU访问底板上所有的模块；在机械上，可以实现各模块之间的连接，使各模块合为一体。 2.4.7 PLC系统的其它设备编程设备：编程器在PLC的应用主要是包含开发应用、检测、维护和检查其它部件，目前大多数编程器都是通过计算机软件实现运行。人机界面：最简单的人机操作接触界面是按钮指示灯等，目前随着科技的发展，使用计算机软件，触屏式的显示界面操作越来越广泛，用计算机来充当人机界面非常普及。 2.4.8 PLC的通信联网在PLC及其网络中有两种通信：一种是并行通信，另一种是串行通信。并行通信一般在发生在可编程控制器的内部，它指的是PLC中多台处理器之间的通信和PLC中CPU单元与智能模板CPU之间的通信。 这里所谓的通信方法就是存取控制方式和数据传送方式的结合。PLC的通信联网的功能，是它可以使PLC与PLC 间、PLC与上位计算机以及其他智能设备间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。2.5 PLC的工作原理2.5.1 扫描技术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，而PLC则采用循环扫描工作方式。当PLC投入运行后，其工作是以循环扫描的方式来完成的，一般有三个阶段，即：输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段。一个扫描周期就是完成以上三个阶段。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行以上三个阶段，一个周期所用时间为：T=(读入时间*输入点数)+(运算速度*程序步数)+(输出时间*输出点数)+自诊断时间 。2.5.2 输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端点和数据，并将它们的状态存入相对应的I/O映象寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段和输出刷新阶段。在这两个阶段中，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入状态和数据发生什么变化，其内容不会变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才能重新写入输入端的新内容。如果输入是脉冲信号，则输入信号的宽度必须要大于一个扫描周期，否则可能会造成信号的丢失。2.5.3 用户程序执行阶段依照PLC梯形图程序的扫描原则，一般来说PLC按从左到右、由上而下的步骤顺序来执行。只要指令中涉及输入、输出状态，PLC就会从输入映像寄存器中“读入”采集到的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件的当前状态。然后进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来讲，每一个元件的状态都会随着程序执行过程而变化。其执行程序过程如图2-6所示：2-6 PLC执行程序过程示意图2.5.4 输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态都在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过输出端子和外部电源来驱动外部负载。由此可见输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果，输出锁存器中的数据取决于上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据，而输出端子的接通和断开状态完全取决于输出锁存器。2.6 PLC的软件系统PLC的软件是其工作所需要的各种程序的集合，包括系统监控程序和用户程序。2.6.1 监控程序系统监控程序是由生产厂家编制，用于管理、协调PLC各部分工作，充分发挥系统硬件功能，方便用户使用的通用程序。监控程序通常固化在ROM中，一般具有如下功能：（1）系统配置登记及初始化：系统程序在PLC上电或复位时先对各模块进行登记、分配地址、作初始化，为系统管理及运行做好准备；（2）系统自诊断：对CPU、存储器、I/O模块、电源进行故障诊断测试，发现异常则停止执行用户程序，显示故障代码；（3）命令识别与处理：系统程序不断地监视键盘，接收操作命令并加以解释，按指令完成相应的操作，并显示结果；（4）用户程序编译：系统编译程序对用户编写的工作程序进行翻译，变成CPU可识别执行的指令码程序，存入用户程序存储器；对用户输入的程序作语法检查，发现错误便返回并提示；（5）模块化子程序及调用管理：厂家为方便用户编程提供了一些子程序模块，需要时只需按调用条件调用。2.6.2 用户程序用户程序又称为应用程序，由用户根据控制需要用PLC的编程语言（梯形图、指令表、高级语言、汇编语言）编制而成。同一厂家生产的同一型号PLC，其监控程序相同。但不同用户，不同的控制对象其用户程序不同。软件系统与硬件系统结合就构成了PLC系统。2.7 PLC的编程语言用户程序是PLC的使用者针对具体控制对象编制的程序。在小型PLC中，用户程序有三种形式：梯形图、指令表和状态转移图（SFC）。2.7.1 梯形图语言梯形图语言是以继电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图为基础，从而演变出来，它与继电器控制系统的原理图相呼应。PLC的梯形图与继电器控制系统的梯形图的基本思想是统一的，区别就在于使用符号和表达方式。梯形图中常用 和图形符号分别表示PLC编程元件的闭合和断开触点；用 （ ） 表示它们的线圈，这些图形直观易懂。梯形图的设计应注意到以下三点：（1）梯形图按照从左到右、由上而下的次序排列。所有逻辑行（或称梯级）都起始于左母线，接下来是触点的串联或并联，最后是线圈；（2）梯形图中每个梯级流过都是“概念电流”，从左方流向右方，其两端不存在电源。所谓的“概念电流”就是为了形象地表达用户程序执行过程中应满足线圈接通的条件；（3）输入寄存器用来接收外部输入信号，不能用PLC内部其它继电器的触点来驱动。所以，梯形图中只有输入寄存器的触点，而没有其线圈。输出寄存器则输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出寄存器线圈得电时，就会输出信号，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。输出寄存器的触点也可供内部编程使用。2.7.2 指令表语言指令表语言是一种类似于计算机中的助记符语言，它是PLC最为基础的编程语言。所谓的指令表编程，就是用一个或几个容易记忆的字符来代表PLC的某种操作功能。PLC的指令分为基本逻辑指令、步进顺控指令和应用指令。指令表比汇编语言易懂易学，很多指令组成的程序就是一个指令语句表。其中每一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成。2.7.3 状态转移图语言状态转移图（SFC）语言是一种较新的编程语言。它的作用是用顺序功能流程图来表达一个顺序控制过程。SFC可以对一个控制过程进行控制，并显示该过程的状态。将用户应用的逻辑分成状态和转移条件，来代替一个长的梯形图程序。这些状态和转移条件的显示使用户可以看到在某个给定时间中机器处于什么状态。3 医院住院呼叫系统的设计与实现3.1 任务描述在很多医院中，病房的每一张病床与护士站都需要随时进行联系，通过病床呼叫系统可实现远距离呼叫，以便使病人在急需时向医护人员发出救助信号。病房呼叫系统由安装在病区护士站的呼叫主机和设置在病房床头的呼叫分机、走廊显示屏组成，一旦病房床头或卫生间有人按呼叫按钮，护士站的主机就发出声光报警信号，同时，走廊显示屏同步显示呼叫床位号，护士人员便可以立刻赶往病房处理紧急情况。另外，为方便病区工作人员工作，治疗师可以安装通话和显示装置，以便在治疗师的时候可以及时了解情况。病房呼叫系统是在为提高医院管理水平和服务水平的辅助设施，该系统需要24小时连续工作，要求故障率要低，性能要稳定，质量要可靠。在某医院每层楼有12间病房，且每层楼分为两个区：A区和B区，则每个区域中有6间病房。在A区和B区中每个区都有一个护士站来管理所在病房。在每个区中根据病人的病情设置一号和二号病房为重病房，每间重病房内分别有两张病床。其余三号病房至六号病房为轻病房，每间病房内有四张病床。编号由房间号和病床号组成，分别为101，102，201，202601,602,603，604,。每张病床配有一个呼叫按钮，与病床编号相应，分别为SB101，SB102，SB201SB604。住院呼叫系统框图如图3-1所示：PLC 病房通道病房号显示呼叫次数统计显示病床指示灯护士站病床号指示灯护士站病床报警指示灯手柄按钮指示灯护士站病床号显示呼叫源呼叫源从机医护人员响应按钮复位按钮图3-1 病床呼叫系统框图3.1.1 设计任务和要求（1）医生可以和任意病床随时呼叫和对讲，并且可以储存所呼叫的病房号码和病床号码；（2）护士站内的显示屏上在正常情况下显示时间，如果有病人呼叫，则护士站内的显示屏对应指示灯闪烁及响铃。每次呼叫时间为15秒，15秒之内如果有护士按下复位键，则指示灯及响铃关闭。如果没人应答，15秒之后指示灯及响铃自动停止，且在显示屏上循环显示该病房号和病床号；（3）如果同时有几个病房床位同时呼叫，在医生不多的情况下则根据病人病情设置优先级别，重病房的优先应答，且重症病房的指示灯闪烁频率比其他病房快，同时通过呼叫对讲功能知会其他病人，请他稍等一下；（4）该系统具有复位功能和报警功能；3.1.2 系统的工作流程医院住院呼叫系统的工作流程图如图3-2所示：设定统计时间，清除呼叫次数工作时间到否点亮床头和手柄指示灯15秒开启对讲机，指示灯变为常亮处理结束自动 停止开始第1次按下呼叫按钮存储呼叫次数医护人员响应，解除报警关闭床头和手柄指示灯YN启动复位按钮YN关断各指示灯、对讲机显示当前时间或消隐呼叫次数加1，并显示护士站显示呼叫病床号通道显示呼叫病床号病房报警灯闪烁启动振铃过后图3-2 医院住院呼叫系统工作流程3.1.3 系统的运行环境在设计PLC系统时，控制方案应该被首先确定下来，接下来的工作就是PLC工程设计选型。应用要求和工艺流程的特点是设计选型的根本依据。所以，在工程设计选型和进行估算时，需要详细的分析工艺过程的特征和控制要求，一定要明确所控制的任务和范围，确定所需要的操作，然后根据控制要求，估算出输入和输出的点数、所需存储器的容量及确定PLC的功能等，最后选择较高性价比的PLC和设计相应的控制系统。3.1.3.1 输入输出（I/O）点数的估算在估算I/O点数时应该考虑恰当的余量，通常根据计算的输入和输出点数，然后再增加10%20%的可扩展量，然后可以作为输入输出点数估算的数据。在现实生活中订货时，必须根据制造厂商PLC产品的特点，需要对输入和输出点数进行圆整。根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入50个，输出60个。3.1.3.2 存储器容量的估算存储器的容量是可编程控制器本身能够提供硬件存储单元的大小，程序所占用的容量是在存储器中用户应用项目所使用的存储单元的大小，所以程序容量比存储器的容量小。在设计过程中，因为用户的应用程序还没有进行编制，所以，程序的容量在设计过程中是一个未知数，只有在程序调试后才能知道。为了在设计选型时能对程序的容量有一定的估算，通常我们用存储器容量的估算来代替。对存储器的内存容量进行估算时没有固定的公式，很多资料中给出的公式都不统一，总体上来讲都是按照数字量I/O点数的1015倍然后再加上模拟量I/O点数的100倍，以此数目来作为内存的总字数，另外再按此数的25%来考虑余量。所以本设计的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才可以保证在以后的改正过程中有足够的空间。3.1.3.3 控制功能的选择控制功能的选择包括控制功能、运算功能、编程功能、诊断功能及通信功能等特性的选择。根据医院住院呼叫系统的需要，现在主要介绍以下三种功能的选择：（1）控制功能由于PLC主要是用于顺序逻辑控制，所以，在很多时候是采用单回路或多回路的控制器来解决模拟量的控制，但在有些时候也需要用到专用的智能输入输出单元来完成所需的控制功能，从而提高了PLC的处理速度同时还可以节省存储器的容量。（2）编程功能从经济的角度出发，本系统需要采用离线编程方式。PLC和编程器共用一个CPU，当编程器处于编程模式时，CPU仅为编程器提供服务，对现场设备不进行控制。当编程完成后，编程器就切换到了运行模式，现场设备被CPU控制着，使编程不能进行。采用离线编程方式可以降低系统的成本。而在线编程方式和离线编程方式正好相反：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU来负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC控制系统中常采用。标准化编程语言有以下五种即：梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能模块图（FBD）和语句表（IL）、结构文本（ST），其中前三者是图形化语言，后两者是文本语言。（3）诊断功能PLC的诊断功能包含硬件诊断和软件诊断。硬件诊断需要通过硬件的逻辑判断从而来确定硬件故障的位置。软件诊断又分外诊断和内诊断，外诊断就是通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件的信息交换功能进行诊断，内诊断则是通过软件对PLC内部的性能和功能来进行诊断。PLC诊断功能的强弱，直接影响到对操作和维护人员技术能力的要求，且影响到平均维修时间。3.1.3.4 机型的选择（1）PLC的类型按照结构PLC可以分为整体型和模块型两类；按照应用环境PLC可以分为现场安装和控制室安装两类；按照CPU的字长可分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。按应用角度来说，一般可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此供给用户选择的余地较小，经常被用于小型控制系统；模块型PLC提供很多的I/O插卡和卡件，因此用户可以合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。（2）经济性的考虑在挑选PLC时，应该考虑性价比。在考虑经济性时，我们还应考虑到应用的可操作性、可扩展性和投入产出比等因素，最后进行比较，选择较合适的产品。输入输出点数和价格成正比。当点数增加到一定数值时，所对应的存储器容量相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。本课题所设计的病床呼叫系统属于中型控制系统，结合经济性的考虑因此选择整体型PLC。综合以上因素，本课题的设计采用西门子公司S7-200系列PLC来实现整个自动系统的控制，如图33所示。所采用的是CPU226。它具有24输入/16输出共40个数字量I/O点。它可以连接7个扩展模块，最大可以扩展至248路的数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。2个RS485通讯/编程口，6个独立的高速计数器。I/O端子排可以整体拆卸。多被用于有较高要求的控制系统，需要更多的输入/输出点，要求更加强大的模块扩展能力，高速的运行速度和功能。完全适用于一些复杂的中小型控制系统。图33 西门子PLC S7-200系列（3）西门子S7-200 PLC具有以下优点(A) 可靠性PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件，使它的连线减少。同时，系统的维修简单，维修时间短。PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计。PLC是为工业生产过程控制而设计的控制装置，它有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，使得编程出错率大大降低。(B)易操作性PLC的易操作性非常高。它操作方便、编程简单、维修容易，一般不易发生操作失误。对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。程序的输入直接可接显示，更改程序的操作也可以直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或程序寻找，然后进行更改。PLC有多种程序设计语言可供使用。因为梯形图和电气原理图非常相似，易于掌握和理解。PLC的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，便于维修人员快速找到故障部位。(C) 灵活性PLC采用梯形图、功能表图、功能模块和语句描述作为编程语言。编程方法的多样性使编程更加简单、应用得到了拓展。操作十分灵活方便，监视和控制变量十分容易。3.2 I/O接线图3.3 S7-200编程STEP7编程软件是一个用于SIMATIC可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包。STEP7标准软件包提供一系列的应用工具，STEP7编程软件可以对硬件和网络实现组态，具有简单、直观、便于修改等特点。该软件提供了在线编程和离线编程，可对PLC在线上载或下载。利用STEP7可以方便地创建一个自动化解决方案。项目可用来存储为自动化任务解决方案而生成的数据和程序。这些数据包括：硬件结构的组态数据及模板参数；网络通讯的组态数据以及为可编程模板编制的程序。它们都被收集在一个项目下。编程步骤：（1）打开S7-200编程软件，新建项目工程，项目名为医院住院呼叫系统设计，如图3-4所示：图3-4 新建项目工程（2）定义变量窗口如下图3-5：图3-5 定义变量窗口（3）下面就可以在程序块部分进行编程了。3.4 梯形图程序设计3.4.1 主程序设计（1）当医生需要了解病房动态及病人情况时，只需按下床位号就可以及时和病人取得联系，提高了医院的工作效率也为医生提供了方便。这里拿一号病房一号病床来举例，医生只需按下101号键就可以和病人取得联系，其部分相应程序如下，完整程序见附录：（2）如果多个病房同时呼叫医生，本系统实现了重症病房指示灯闪烁频率比普通病房快，且重症病房优先应答，同时自动知会普通病房请他稍等一下。其部分程序如下：（3）当病人需要医生帮助时，只需按下床边的呼叫按钮，护士站就可以收到病人的呼叫信息，15秒之内如果有护士按下复位键，则指示灯及铃响关闭。如果没人应答，15秒之后指示灯及响铃自动停止，且在显示屏上循环显示该病房号和病床号。其部分程序如下所示：3.4.2 子程序设计护士站内的显示屏上在正常情况下显示时间，其部分程序如下所示：3.5 系统说明系统主要以PLC为核心，经实验验证，呼叫及时、准确、可靠、可以满足医院的病房管理和护理要求，利用可编程控制器控制，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当建筑物的层楼增加时，硬件接线上只需增加楼层，病房相应的输入信号。原来的接线不需改变，软件上只需增加相应楼层，房间，床位的功能，要改动的地方也较少。故该系统可满足一般医院的呼叫需求。4 程序调试与仿真4.1 程序的调试总体来说，PLC的调试分为两个调试过程：模拟调试和现场调试，但是在此之前，有一个环节不能少，否则就可能发生问题，那就是对PLC外部接线作仔细检查，一定要保证外部接线的准确无误。为安全着想，最好是将电路断开，在确定接线没有错误后再连接主电路，将模拟调试好的程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止。4.1.1 程序的模拟调试将设计好的程序写入PLC后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各部被驱动的负载是否发生相应的变化。在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、有选择序列的功能表图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC