机电系统课程设计-基于PLC病房呼叫控制系统设计

广州学院机电综合课程设计说明书基于PLC的病床呼叫系统院〔系〕机械工程学院专业机械电子工程班级2010级学生姓名余明光指导老师朱鹰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：设计题目：基于PLC的病床呼叫系统应完成的工程：〔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〕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工程教程》，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，然后进行辩论。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：年月目录摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1TOC\o"1-2"\h\z\u一、绪论 21、可编程控制器简介 22、可编程控制器的开展 23、可编程序控制器的根本结构及工作原理 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、情况与控制要求 52、控制要求 5四、总体设计方案 61、PLC选型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．62、PLC系统的优势分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63、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 165、程序模拟．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17六、课程设计总结 18七、参考文献 19八、附件 20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院的医疗效劳体系，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效劳时，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进系统设计。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绪论1、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根底上开发的产品，逐渐开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〔ProgrammableLogicController〕简称PLC。随着技术的开展，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、可编程控制器的开展21世纪，PLC会有更大的开展。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，会进一步向超小型及超大型方向开展；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；从网络的开展情况来看，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开展方向。目前的计算机集散控制系统DCS〔DistributedControlSystem〕中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的开展，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局部，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。3、可编程序控制器的根本结构及工作原理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、I\O扩展口组成。PLC的结构框图如图1-3-1所示。图1-3-1PLC结构图PLC的根本工作原理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，输出刷新。4．元件映象存放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/输出响应延迟。选题背景1、课题背景随着社会的进步和科技的开展，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，防止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、改善医院效劳质量；2、提升医院的品牌优势；3、优化医院的效劳流程；4、降低医院的效劳本钱；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消耗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奉献，为以后的相关工作打下心理与实践坚实的根底。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力。设计题目1、情况与控制要求病人按下按钮，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、设计任务学生根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度方案，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；〔5〕进行系统调试，实现病床呼叫系统的控制要求。总体设计方案PLC选型三菱2N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2N具有突出的存放器容量：三菱2N包括8K内置RAM存放器，用一个存放器盒可扩充到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点数据存放器、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，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。PLC系统的优势分析功能强，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。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。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，平均无故障时间到达数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广阔用户公认为最可靠的工业控制设备之一。系统的设计、安装、调试工作量少PLC用软件功能取代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。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。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。体积小，能耗低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，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确实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。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。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，那么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，使用信心缺乏，因为现在主流机械设备都用上PLC，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！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，那么会很麻烦，根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！方案设计基于课程设计题目提供的信息，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，那么其他病床和病房的的设计难题就迎刃而解了。硬件与软件设计1、I/O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X272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X343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Y13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Y323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2、实现流程图图5-2-1实现的流程图3、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4床的情况和1病床的情况一样。2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。SB38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号病房接线图5-3-3图5-3-3为病房3的外部接线图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。SB39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。假设该床位病人5s内按下取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病人后，或许还有另外床位的病人需要处理，故应保存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〔1〕运行假设按下呼叫按钮SB1，那么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，那么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，回到护士站使病房指示灯关闭。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。假设按下呼叫按钮SB13，那么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，那么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。假设按下呼叫按钮SB25，那么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，那么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