毕业设计（论文）-基于PLC的医院病房呼叫系统设计

毕业设计（论文）类型：□毕业设计说明书□毕业论文题目：基于PLC病房呼叫系统设计学生姓名：指导教师：专业：时间：目录摘要 Abstract 1绪论 绪论1.1课题研究的现状分析随着人们对健康的重视和人口老龄化的加重，医院和各护理机构经常是人头攒动，各大医院病房也是一位难求，在这种极为显示的医护关系下，病房里的患者不定时的需求医护人员的帮助，医院病房中的医护人员也因此而忙的不可开交，时常耽误或者落下一些患者的诉求，这也并不是医护人员有意而为之，更多的是繁重的劳动频率和不调理的需求诉求中导致工作质量的下将以及不可避免的工作疏忽。当患者出现紧急情况或者普通需求时，病人家属往往需要亲自赶往医护办公室寻求帮助，这不可避免的造成时间的浪费，耽误患者生命的宝贵时间。随着信息系统的发展，为了解决这一现象，进而出现了医院病房呼叫系统，可以通过设立在病床旁的呼叫按钮，通过对呼叫按钮的点击操作，将需求信号穿至医护人员值班室，并显示相应床位与紧急程度，在声光报警提示后，医护人员可以更加有效和便捷的赶赴相应的病床进行处置，而且对呼叫信息进行录入保存，不仅减轻了医护人员的劳动强度而且为患者争取了宝贵的时间，是一种切实可行的而且意义巨大的系统，所以对医院病房呼叫系统的设计十分有必要，而且系统的设计也会越来越人性化、智能化、可操作性更强，可以集成语音通话以及可视视频通话，对前期患者的诉求进行提前预知与判断，保证患者的宝贵时间。1.2病房呼叫设计的内容及目的1.2.1病房呼叫设计的内容此次设计本次设计的基于PLC的病房呼叫控制系统硬件主要采用S7-200系列的可编程序逻辑控制器，通过逻辑顺序关系的方式对系统程序进行编写，并输入至可编程序逻辑控制器中，通过预设的逻辑关系命令，驱动相应的负载端进行动作，本次设计的负载端主要为声光报警系统等组成部分。各章主要内容如下：第一章为绪论，对病房呼叫控制系统控制进行了现状分析，并介绍病房呼叫未来发展趋势，同时简单介绍了论文各章的主要内容。以及对控制系统选择的确定，然后对PLC系统的特点组成及其发展趋势做了简要叙述，第二章是对系统硬件的设计。主要是对PLC的选型，变频器的选型方面做了详细分析。并绘制了硬件配置表。第三章是对软件的设计，主要通过对控制流程的分析，绘制流程图。根据PLC的选型以及流程图分配输入和输出点，最后绘制I/O表。通过S7-200编程软件对控制程序进行编写，并绘制梯形图。最后通过程序和I/O分配表，采用CAD软件绘制可编程序逻辑控制器I/O接线图。第四章是病房呼叫控制系统控制程序的模拟调试，通过模拟仿真软件对PLC进行模拟仿真，对程序进行修改、完善。1.2.2本次设计的目的本次设计的目的主要是通过平时对PLC的学习认知，通过自己所学的知识，系统的对病房呼叫控制系统控制系统进行设计，更多的是对所学知识的一种检验与查漏补缺。结合病房呼叫工作原理以及逻辑顺序等，对病房呼叫控制系统控制系统进行全面设计，掌握复杂条件下对PLC计时计数指令、置位复位指令、顺序控制的编程方式等知识。通过对病房呼叫控制系统控制系统硬件的选型与使用，掌握各种电器元件的原理以及使用方法，为以后的学习工作奠定基础。通过对程序的编写与程序的反复调试以及修改，更加熟悉程序的一般编写方法和对程序调试方法的熟悉和认知。进而提高自己的学习能力和知识储备，和发现问题、解决问题的一种方法，为以后的工作奠定更加坚实的基础。1.3系统控制的选择比较目前在控制领域较为常见的控制系统主要有：以单片机为主要控制方式的系统、以微小型计算机为控制手段的系统、以微处理可编程逻辑控制器（PLC）为主要控制手段的方式。以单片机的控制方式的病房呼叫控制系统控制系统虽然价格成本较为便宜，但是使用众多电子元器件，电子元器件越多带了的系统稳定性大大降低，损坏和故障率也大大提高，增加了系统的不稳定性，而且在后期维修维护管理方面，工作量较大，检查故障点较难。单片机采用C语言的编程方式，对维护维修人员具有更高的要求，其编程方式较为难理解，而且不直观简明的，对初学者很难理解。所以本次设计不予采用。以PC微小型电子计算机为控制手段时，其系统庞大，而且成本较为昂贵。在系统便捷和可操作性上较为繁琐，其系统往往需要和电脑终端连接，给使用者和操作者带来了不简洁性，不适合本次病房呼叫控制系统规模小、互换性高的要求。以PLC为控制方式的自动化控制系统在目前的自动化控制领域较为常见，因其采用集成的电子控制器，具有众多功能，比如集成了计时器、计数器、逻辑运算指令、可扩展温度湿度等模拟量的控制模块，不仅可以简单的完成多种功能操作，而且大大减少了电子元器件的使用率，使得系统更加简洁、方便。在编程方面采用梯形图的编程方式，简单明了适用于初学者或者传统的电力工作者管理或者维护，不仅编写程序直观明了而且后期检查维修方便，对程序进行上传下载即可，并且优越的可扩展性能对以后的升级改造具有很重要的意义。经过以上分析对比，本次对病房呼叫控制系统的设计采用可编程逻辑控制器（PLC）为主要控制器的控制方式。1.4PLC定义及简述可编程序逻辑控制器是在工控行业内较为常用的一种控制方式，其英文名称为：ProgrammableLogicController，简称PLC。因其优越的稳定性和可扩展性受到设计人员的青睐，成为工业控制行业不可或缺的控制单元。目前较为常见的PLC品牌有西门子、三菱、欧姆龙、台达等品牌，随着我国技术水平的不断提高一些国产的PLC品牌也层出不穷并得到设计师们的认可，比如信捷、上海永宏等品牌。PLC采用可编程序的逻辑控制存储区，在其内部储存并执行设计师编写的逻辑运行程序，比如常见的顺序逻辑控制、计数计时程序、逻辑运算等程序及其操作指令，并通过单一的数字式或者模拟量进行对输入信号的采集和输出信号的控制，可以控制自动化机械设备、给水量以及温度等各行业的生产过程性控制。它可以集成众多外围设备以及模块，与控制程序形成一个整体，从而形成整合控制系统。在控制执行机构单元方面可以和步进电机、伺服电机、气缸、液压缸、电机马达等等执行机构连接，实现对执行机构的有效控制，从而实现对产品或者工况需求的自动化控制，提供工业控制解决方案。1.5PLC的基本结构组成PLC的硬件组成单元主要包括：中央处理单元、存储器、计数器、计时器、电源等单元。中央处理单元作为可编程序逻辑控制器的控制中枢。主要的任务有：诊断程序的语法及编程错误、检查电源的正常状态、监视检测存储器及其警戒定时器的状态信息。当执行RUN时，以循环扫描的方式对各输入装置的状态和数据进行检索，存入I/O映像区，然后对用户编写的程序进行逐条读取，当所有程序读取完成后将I/O映像区的数据或者状态输出至相应输出单元，然后进行下一次循环，如此循环往复，直到程序运行结束。其内部扫描循环主要包括以下几个过程：，输入采样、用户程序执行、输出刷新三个过程。这三个过程作为一个扫描周期，在PLC的运行过程中处理器根据固有的频率通过以上三个过程对PLC内部进行循环扫描。【3】其内部扫描循环方式主要如下图1-1所示：图1-1PLC内部循环方式过程图存储器主要包含三部分：（1）系统程序存储区、（2）用户编写的程序储存区、（3）系统RAM存储区。存储器的主要作用是存储程序、系统以及系统运行的周期扫描程序。计时器、计数器主要是PLC内部对时间以及次数的累计，在用户编写程序时可以调用，但每个品牌的plc都有其固定的存储单元，不可乱用。PLC主要硬件系统结构如图1-2所示:图1-2PLC系统硬件结构示意图

1.6PLC的发展趋势分析（1）产品规模越来越大，功能越来越全面，在大型PLC的发展方向上，逐步向大型、功能自由扩展、高速度运算等方向发展。（2）在小型PLC领域逐步向体积小、应用便捷、可操作性强等方面发展。（3）编程语言逐步统一化，适合各大品牌的PLC之间相互传输信息，相互控制。（4）开始实现私人定制，以实现不同行业PLC的不同需求。（5）网络化，实现目前大数据下快速分享与控制的目的。（6）越来越强的容错技术，使系统更加稳定。（7）硬件及综合性服务解决方案更加完善，实现控制的多样性。2控制系统硬件的设计2.1病房呼叫控制系统控制的要求本次设计控制系统主要由按钮开关、工作指示、声光报警装置，PLC控制器等部分组成。本次设计的病房控制系统控制要求为：（1）当病房患者或者陪护人员需要医护人员到达护理或有紧急诉求时，按下设置在病房相应病床处的呼叫按钮，此时病房中提示并显示诉求信号已传输，此时在医护人员值班室中响起短促的铃声和灯光指示，此时医护人员可以点击值班室中的铃声消除按钮后，铃声消除，并计时20秒，待二十秒后光提示单元灭。（2）当有多个病房的多个病床信号同时接通时，各病床相应灯光指示单元均接通，并响起短促的声音提示，此时值班医护人员通过声音消除按钮可消除音频提醒，医护人员记录同时需求的信息后，在到达相应病房后可通过病房设置的信号消除按钮对光信号提示进行逐个消除。（3）房间数和床位数可自行设置。（4）用MCGS软件模拟系统的实际运行状态。2.2病房呼叫控制的系统组成病房呼叫控制系统控制系统的主要系统组件有：起主要控制做用的可编程序逻辑控制器（PLC），其信号输入功能的信号按钮、起执行作用的声光报警装置等主要控制组件。图2-1系统结构简图2.3硬件选型2.3.1PLC选型常用的PLC品牌主要有三菱和西门子，在此次控制系统中，主要采用顺序控制的方式对病房呼叫进行系统设计，在西门子的编程方式中主要运用模块的方式对逻辑程序进行编程，较三菱进行运动控制程序简洁，所以本次对病房呼叫系统控制采用西门子plc，选择S7-200的小型plc系列完全满足控制条件，其型号主要有221、222、224、226等CPU型号，本次选择具有14路输入10路输出的224型号作为控制器，其中兼容2个RS485通讯接口，可以兼容多种外围设备，支持多种通信协议，比如PPI、MPI等自由通讯方式。表2-1S7-200PLC参数表特性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226外形尺寸（）90×80×6290×80×62120.5×80×62140×80×62190×80×62最大扩展模块数量

0个模块2个模块7个模块7个模块7个模块I/O映象区256128入/128出256128入/128出256128入/128出256128入/128出256128入/128出最大扩展模块数量

0个模块2个模块7个模块7个模块7个模块程序存储器：

•可在运行模式下编辑

•不可在运行模式下编辑4096字节4096字节4096字节4096字节8192字节12288字节12288字节16384字节16384字节24576字节掉电保持时间50小时50小时100小时100小时100小时高速计数器•单相•双相4路30KHz2路20KHz4路30KHz2路20KHz6路30KHz4路20KHz4路30KHz

2路200KHz3路20KHz1路100KHz6路30KHz

4路20KHz脉冲输出（DC）2路20KHz2路20KHz2路20KHz2路100KHz2路20KHz数据存储区2048字节2048字节8192字节10240字节10240字节实时时钟配时钟卡配时钟卡内置内置内置浮点数运算有有有有有通讯口1×RS-4851×RS-4851×RS-4852×RS-4852×RS-485布尔指令执行速度0.22μs/指令0.22μs/指令0.22μs/指令0.22μs/指令0.22μs/指令本机I/O

•数字量

•模拟量6入/4出-8入/6出-14入/10出-14入/10出2入/1出24入/16出-2.3.2触摸屏的选型触摸屏主要最为系统的上位机使用，用于呼叫系统信息的显示和信号输入等操作。对触摸屏的要求不是很高，屏幕选择大小也不是要求太高，本次选择较为常见，性价比较高的触摸屏，支持232和485通讯接口，本次选择步科的七寸彩色触摸屏，其型号为：ET070。图2-2触摸屏外观图2.4本次系统设计的主要硬件清单表2-2主要电气设备清单名称型号规格PLCS7-200224按钮开关mht15继电器YBLX-ME/8108声光指示SG-12KL触摸屏ET0703病房呼叫控制系统PLC程序的编写3.1病房呼叫的控制简述当病房患者或者陪护人员需要医护人员到达护理或有紧急诉求时，按下设置在病房相应病床处的呼叫按钮，此时病房中提示并显示诉求信号已传输，此时在医护人员值班室中响起短促的铃声和灯光指示，此时医护人员可以点击值班室中的铃声消除按钮后，铃声消除，并计时20秒，待二十秒后光提示单元灭。当有多个病房的多个病床信号同时接通时，各病床相应灯光指示单元均接通，并响起短促的声音提示，此时值班医护人员通过声音消除按钮可消除音频提醒，医护人员记录同时需求的信息后，在到达相应病房后可通过病房设置的信号消除按钮对光信号提示进行逐个消除。房间数和床位数可自行设置。用MCGS软件模拟系统的实际运行状态。3.2病房呼叫绘制控制流程图在程序的软件设计中，流程图的绘制十分重要，它能简明扼要的表示出程序控制的主要步骤以及顺序，可以使程序编写时更加调理有效，所以绘制控制流程图十分有必要。假设一个护士站管理2间病房，每间病房有3张病床，每张病床都配有一个紧急呼叫按钮通过呼叫器与护士站实现远距离呼叫。当有按钮按下，护士站蜂鸣器HA发出警报，同时每张病床对应的指示灯HL开始周期1S闪烁。本设计的控制流程图如下所示。图3-1控制流程图3.3病房呼叫配置I/O表在对病房呼叫控制系统进行思考后，计算输入输出点的数量并分配选择，对其输入输出点留有一定的设计余量，为了以后对程序进行升级或者功能改进。对此我们对I、O点进行分配，并绘制表格如下：表3-1I/O分配表序号PLC地址电气符号功能1I0.0SB11号病床按钮2I0.1SB22号病床按钮3I0.2SB33号病床按钮4I0.3SB44号病床按钮5I0.4SB55号病床按钮6I0.5SB66号病床按钮7I0.6SB7护士站响应按钮8Q0.0HL11号病床指示灯9Q0.1HL22号病床指示灯10Q0.2HL33号病床指示灯11Q0.3HL44号病床指示灯12Q0.4HL55号病床指示灯13Q0.5HL66号病床指示灯15Q0.6HA蜂鸣器3.4通过CAD软件绘制病房呼叫接线图本次设计中主要的接线为PLC外部接线图，在外部接线图的绘制过程当中，使用的软件和方法不一，具有多种方法，本次设计外部接线原理图采用CAD软件绘制，其作图方式相对较为简单，原理清晰，适用范围较广。本设计的接线原理图如下：图3-2PLC外部接线图3.5程序编写3.5.1梯形图编写根据3.1中内容，被设计选用顺序功能图法设计控制程序。根据设计要求、S7-200系列PLC的特性以及顺序功能图法的步骤，得到顺序功能图如下图：图3-3病床呼叫系统顺序功能图由图3-1可以很方便的编写出系统的梯形图程序。系统完整的梯形图程序见附录。部分梯形图程序如下：初始化程序一号床呼叫程序二号床呼叫程序三号床呼叫程序四号床呼叫程序五号床呼叫程序六号床呼叫程序报警应答程序动作输出蜂鸣器输出图3-4梯形图3.5.2病房呼叫程序语句表编写LDSM0.0CALL上电初始化:SBR0LDSM0.0CALL一号呼叫:SBR1LDSM0.0CALL二号呼叫:SBR3LDSM0.0CALL三号呼叫:SBR4LDSM0.0CALL四号呼叫:SBR5LDSM0.0CALL五号呼叫:SBR6LDSM0.0CALL六号呼叫:SBR7LDSM0.0CALL报警确认:SBR2LDSM0.0CALL输出:SBR8LD初始化:M0.0EUR一号病床指示灯亮:M0.1,1R二号病床指示灯亮:M0.2,1R三号病床指示灯亮:M0.3,1R四号病床指示灯亮:M0.4,1R五号病床指示灯亮:M0.5,1R六号病床指示灯亮:M0.6,1LD初始化完成:M2.2LPSA一号病床按钮:I0.0S一号病床指示灯亮:M0.1,1LRDA一号病床指示灯亮:M0.1TONT38,20LRDAT38S一号病床指示灯灭:M1.1,1R一号病床指示灯亮:M0.1,1LPPLPSA一号病床指示灯灭:M1.1TONT39,20LPPAT39R一号病床指示灯灭:M1.1,1LD初始化完成:M2.2LPSA二号病床按钮:I0.1S二号病床指示灯亮:M0.2,1LRDA二号病床指示灯亮:M0.2TONT40,20LRDAT40S二号病床指示灯灭:M1.2,1R二号病床指示灯亮:M0.2,1LPPLPSA二号病床指示灯灭:M1.2TONT41,20LPPAT41R二号病床指示灯灭:M1.2,1LD初始化完成:M2.2LPSA三号病床按钮:I0.2S三号病床指示灯亮:M0.3,1LRDA三号病床指示灯亮:M0.3TONT42,20LRDAT42S三号病床指示灯灭:M1.3,1R三号病床指示灯亮:M0.3,1LPPLPSA三号病床指示灯灭:M1.3TONT43,20LPPAT43R三号病床指示灯灭:M1.3,1LD初始化完成:M2.2LPSA四号病床按钮:I0.3S四号病床指示灯亮:M0.4,1LRDA四号病床指示灯亮:M0.4TONT44,20LRDAT44S四号病床指示灯灭:M1.4,1R四号病床指示灯亮:M0.4,1LPPLPSA四号病床指示灯灭:M1.4TONT45,20LPPAT45R四号病床指示灯灭:M1.4,1LD初始化完成:M2.2LPSA五号病床按钮:I0.4S五号病床指示灯亮:M0.5,1LRDA五号病床指示灯亮:M0.5TONT46,20LRDAT46S五号病床指示灯灭:M1.5,1R五号病床指示灯亮:M0.5,1LPPLPSA五号病床指示灯灭:M1.5TONT47,20LPPAT47R五号病床指示灯灭:M1.5,1LD初始化完成:M2.2LPSA六号病床按钮:I0.5S六号病床指示灯亮:M0.6,1LRDA六号病床指示灯亮:M0.6TONT48,20LRDAT48S六号病床指示灯灭:M1.6,1R六号病床指示灯亮:M0.6,1LPPLPSA六号病床指示灯灭:M1.6TONT49,20LPPAT39R六号病床指示灯灭:M1.6,1LD护士站响应按钮:I0.6LPSS报警声停:M2.0,1A报警声停:M2.0TONT37,1LPPAT37R报警声停:M2.0,1LD初始化完成:M2.2LPSA一号病床指示灯亮:M0.1=一号病床指示灯:Q0.0LRDA二号病床指示灯亮:M0.2=二号病床指示灯:Q0.1LRDA三号病床指示灯亮:M0.3=三号病床指示灯:Q0.2LRDA四号病床指示灯亮:M0.4=四号病床指示灯:Q0.3LRDA五号病床指示灯亮:M0.5=五号病床指示灯:Q0.4LPPA六号病床指示灯亮:M0.6=六号病床指示灯:Q0.5LD初始化完成:M2.2LD一号病床指示灯亮:M0.1O二号病床指示灯亮:M0.2O三号病床指示灯亮:M0.3O四号病床指示灯亮:M0.4O五号病床指示灯亮:M0.5O六号病床指示灯亮:M0.6ALD=蜂鸣器:Q0.63.6病房呼叫控制画面组态设计在控制流程的基础上通过上位机触摸屏的使用对病房呼叫控制画面进行组态，其主要的功能是实现手动的操作，以减少手动执行各机构对控制器输入点数量要求较多的要求，通过手动点选按钮，实现人工手动动作的作用，在特殊情况下和设备在检修调试运行时手动执行命令，对不同的而机构单元进行逐一检修调试等要求。在仿真前要配置MCGS组态软件，配置过程如图3-5和图3-6：图3-5MCGS组态软件通信串口部分配置图图3-6MCGS组态软件设备属性部分设置图通过编写MCGS上位机程序进行仿真，仿真结果如下：图4-3MCGS组态软件仿真前面板通过调试仿真，程序在可在MCGS组态软件上可靠运行。4程序仿真4.1环境要求在可编程序逻辑控制器的使用中，主要是针对不同的工况条件而设计，具有良好的抗燥性能，一般不需要特别的方式对其进行特殊保护，适用与工况条件恶劣的情况下使用。但是如果在强磁场的干扰下，会对逻辑控制器的使用产生影响，尤其是脉冲信号的干扰，在控制步进电机、伺服电机时容易出现丢步的现行。所以对其安装的环境和强磁场的干扰环境下安装和接线具有较高要求，用于确保逻辑控制器的正常运行。因此，讨论PLC设计和调试非常重要。1.PLC控制安装和接线1.输入接线（1）输入接线不应超过30m。但是，如果环境干扰小并且电压降不大，则输入布线可以更长。（2）输入和输出线不能使用相同的电缆，输入和输出线应分开。2.在电源接入时，对其也是有一定的要求，比如使用电压波动小的电源接入、使用电磁干扰小的屏蔽线接入。用于提高可编程序逻辑控制的抗干扰能力。3.正确良好的接地对可编程序逻辑控制的正常运行也十分关键，正常可靠的接地可以减少电磁干扰的重要方式之一，系统接地方式主要有浮动解读和直接接地、电容方式的接地形式。良好的接地是确保PLC可靠运行的重要条件，可避免意外的电压冲击危险。4.2程序调式在程序调式的环节由于自己水平有限，加之程序前期存在较多错误，所以在程序调试方面耗时比较多，主要原因为自己对许多指令熟练度不够，对程序指令的运用不够灵活，导致很多基础性的错误发生，经过自己搜集材料和对编程指令的学习分析对比后，从众多指令中选择适合本程序的指令，是程序越来越简洁越来越优化，增加程序的稳定性能，本次调试的画面如图4-1所示。程序载入，PLC打开RUN模式启动程序。图4-1程序调试画面首先对参数进行设定，通过不断的对程序的调试与修改，使系统的状态更加稳定，有序的执行梯形图指令，使程序的调节更加稳定、准确。程序调试是一个查漏补缺的过程，在期间多次对程序进行修改，以及完善，再此不再一一列举。致谢通过毕业设计，是对我大学学习专业课程知识的检验，通过对基S7-200PLC的病房呼叫控制系统的设计，查阅相关资料，了解PLC可编程序逻辑控制器的用途以及未来发展的趋势有了更细致的认识。从而提高了运用所学知识的能力，全面锻炼了我驾御知识的能力,使我对大学以来所学的理论知识进行了系统化、条理化、全面化的回顾,让我明白了如何运用自己所学的知识，同时又学到了其他获取知识的方法；从而使我获得了一次大规模检索相关资料的机会，提高了运用网络和对专业计算机软件辅助的能力。这些都是我的专业技术知识和能力有一定提高，也为我今后的工作奠定了坚实的基础。毕业设计的完成，即使这个毕业设计并不完美，我也懂得了学习是一个长期积累的过程，我不仅收获了知识而且也锻炼了品质，通过这次认真而又细致的毕业设计，我对待事情的态度更加严谨更加有耐心，并且我更希望把所做的事情做好做完美，我想这将是一种很重要的财富。逝者如斯夫转眼界我们的学习生活到了这个季节将要画上一个圆满的句号（更多的是对老师同学的不舍与感谢），而对于