plc課程設(shè)計 病房呼叫系統(tǒng)

1、病床呼叫系統(tǒng)設(shè)計要求1、 控制要求：（1）共有3個病房，每間病房4個床位。每一病床床頭均有緊急呼叫按鈕及重置按鈕，以利病人不適時緊急呼叫。（2）設(shè)每一層樓有一護(hù)士站，每一護(hù)士站均有該層樓病人緊急呼叫與處理完畢的重置按鈕。（3）每一病床床頭均有一緊急指示燈，一旦病人按下緊急呼叫按鈕且未在5s內(nèi)按下重置按鈕時，該病床床頭緊急指示燈動作且病房門口緊急指示燈閃爍，同時同樓層的護(hù)士站顯示病房緊急呼叫并閃爍指示燈。（4）在護(hù)士站的病房緊急呼叫中心，每一病房都有編號，用指示燈顯示哪一病房先按下病人緊急呼叫按鈕，并要具有優(yōu)先級判別的能力。（5）一旦護(hù)士看見護(hù)士站緊急呼叫閃爍燈后，須先按下護(hù)士處理按鈕以取消閃爍

2、情況，再依病房緊急呼叫順序處理病房緊急事故，若事故處理妥當(dāng)后，病房緊急閃爍指示燈和病床上的緊急指示燈方燈被重置。2、設(shè)計任務(wù)：（1）設(shè)計出硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，接線圖等；（2）系統(tǒng)有啟動、停止功能；（3）運用功能指令進(jìn)行PLC控制程序設(shè)計；（4）程序結(jié)構(gòu)與控制功能自行設(shè)計；（5）進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，實現(xiàn)病床呼叫系統(tǒng)的控制要求。第1章 緒論1.1電氣控制技術(shù)概述電氣控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究以及其他各個領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)成為實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的重要技術(shù)手段之一。盡管電氣控制設(shè)備種類繁多、功能各異，但其控制原理、基本線路、設(shè)計基礎(chǔ)都是類似的。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸?shù)刃袠I(yè)中都要用到各類生產(chǎn)機(jī)械，這些機(jī)

3、械的電力拖動及設(shè)備主要使用電動機(jī)作為動力，例如各種生產(chǎn)流水線等。中國生產(chǎn)的電能約60用于電動機(jī)，其中的70以上又用于一般用途的交流異步和同步電動機(jī)。因此，掌握電氣控制技術(shù)的應(yīng)用很重要。電氣控制就是通過電氣自動控制方式來控制生產(chǎn)過程。電氣控制線路是把各種有觸點的接觸器、繼電器以及按鈕、行程開關(guān)等電氣元件，用導(dǎo)線按一定方式連接起來的控制線路。電氣控制線路能夠?qū)崿F(xiàn)對電動機(jī)及其他執(zhí)行電器的啟停、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速及制動等運行方式的控制，所以，電氣控制通常被我們稱為繼電接觸器控制，這種控制方式比較傳統(tǒng)。由于繼電接觸器控制線路圖簡單，裝置簡單容易，價格便宜，抗干擾能力強，它可以很方便地實現(xiàn)簡單和復(fù)雜的、集中和遠(yuǎn)

4、距離的生產(chǎn)過程的自動控制。但是繼電接觸器控制線路采用固定接線形式，其通用性和靈活性差，一旦做成不易改變，另外不能實現(xiàn)系列化生產(chǎn)。由于采用有觸電的開關(guān)電器，觸點易發(fā)生故障，盡管如此，電氣控制線路仍然應(yīng)用廣泛。雖然不同的生產(chǎn)工藝要求不同的電氣控制線路，但是大多數(shù)都是由一些典型控制環(huán)節(jié)組成的。因此，掌握基本環(huán)節(jié)的典型控制系統(tǒng)，結(jié)合具體的控制要求按照由淺入深、循序漸進(jìn)的步驟，電氣控制線路的閱讀及設(shè)計能大致掌握。電氣控制線路有兩種設(shè)計方法：一種是經(jīng)驗設(shè)計法；另一種是邏輯代數(shù)設(shè)計法。兩種設(shè)計方法各有利弊，使用時需要根據(jù)生產(chǎn)工藝及一些特殊要求選擇最佳的電氣控制線路。電氣控制線路的各種圖形及文字符號必須按國際

5、標(biāo)準(zhǔn)繪制，典型環(huán)節(jié)需要牢固掌握，以便設(shè)計出最省電器設(shè)備元件且控制性能最佳的電氣控制線路。目前，電氣控制技術(shù)將與其他高新技術(shù)相結(jié)合，以便更好地控制生產(chǎn)線。1.2 可編程控制器簡介 可程序邏輯控制器（PLC，Programmable Logic Controller），乃是一種固態(tài)電子裝置，主要利用輸入輸出裝置的回授信號及儲存程序，控制機(jī)械或程序的操作。在工廠自動化（FA）系統(tǒng)中，PLC因為具備價格便宜、系統(tǒng)穩(wěn)定及環(huán)境適應(yīng)性佳的特點，故一直為自動化業(yè)界所采用。近幾年來，各PLC制造廠家無不致力于新機(jī)種的研發(fā)，所以在CPU 處理速度、擴(kuò)展模塊及通訊的功能上，相較于早期PLC控制器，已有長足的進(jìn)展。在

6、工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國通用汽車公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller(PC)。 個人計算機(jī)(簡稱PC)發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller(PLC)。 為了避免與

7、個人計算機(jī)（ Personal Computer ）PC 這一簡寫名稱術(shù)語混亂，仍沿用早期的PLC 表示可編程控制器，但PLC 并不意味著只具有邏輯運算的功能。國際電工委員會在1987年頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了定義：“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外部設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計?！蔽覀冞@一次所設(shè)計的病床呼叫系統(tǒng)的PLC控制設(shè)

8、計采用了日本著名的三菱公司生產(chǎn)的FX2N-48MR作為核心的控制器件，充分發(fā)揮了PLC的優(yōu)越性能，比企鵝考慮了PLC的擴(kuò)展功能驚醒梯形圖程序的設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)病床呼叫系統(tǒng)的所有功能。本系統(tǒng)所涉及的定時器與中間繼電器軟組件完美組合，完全符合PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般設(shè)計方法，能激發(fā)我們的學(xué)習(xí)興趣。1.3 PLC工作原理1.3.1 PLC主要組成部分執(zhí) 行 機(jī)構(gòu) 圖1-1 PLC的結(jié)構(gòu)組成CPU模塊：CPU模塊主要由微處理器（CPU芯片）和存儲器組成。在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷的采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲器用來儲存程序和數(shù)據(jù)。I/O模塊：輸入(In

9、put)模塊和輸出（Output）模塊統(tǒng)稱I/O模塊，是聯(lián)系外部現(xiàn)場和CPU模塊的橋梁。輸入模塊主要用來接受和采集輸入信號，輸入信號包括兩類：一類是從按鈕，選擇開關(guān)，接近開關(guān)，光電開關(guān)等來的開關(guān)量輸入信號；另一類就是由電位器，測速發(fā)電機(jī)等提供的連續(xù)變化的模擬量信號。PLC通過輸出模塊控制接觸器、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，另外也可以驅(qū)動指示燈、數(shù)字顯示裝置等CPU模塊的工作電壓一般是5V，而其輸入/輸出信號電壓一般較高，如DC24V和AC220V。為防止外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲損壞CPU模塊，影響其正常工作，在I/O模塊中，用光電耦合器、可控硅，小型繼電器等器件來隔離外部輸入電路和負(fù)載。I/O模塊除

10、了傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。1.3.2 PLC的掃描過程PLC有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，PLC通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使PLC的輸出及時響應(yīng)隨時變化的輸入信號，用戶程序不是執(zhí)行了一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至PLC停機(jī)或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)中，PLC還要完成內(nèi)部處理，通訊處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段。圖1-2 PLC的掃描過程在內(nèi)部處理階段，進(jìn)行PLC自檢，檢查內(nèi)部硬件是否正常，對監(jiān)視定時器（WDT）復(fù)位以及完成其它一些內(nèi)部處理工作。在通信服務(wù)階段，PLC與其

11、它智能裝置實現(xiàn)通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等。當(dāng)PLC處于停止（STOP）狀態(tài)時，只完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作。當(dāng)PLC處于運行（RUN）狀態(tài)時，除完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作外，還要完成輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新工作。PLC的掃描工作方式簡單直觀，便于程序的設(shè)計，并為可靠運行提供了保障。當(dāng)PLC 掃描到的指令被執(zhí)行后，其結(jié)果馬上就被后面將要掃描到的指令所利用，  而且還可通過CPU內(nèi)部設(shè)置的監(jiān)視定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時間，避免由于CPU內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)。1.3.3 PLC執(zhí)行程序的過程及特點1. 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PL

12、C以掃描工作方式按順序?qū)λ休斎攵说妮斎霠顟B(tài)進(jìn)行采樣，并存入輸入映象寄存器中，此時輸入映象寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序處理階段，在程序執(zhí)行階段或其它階段，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內(nèi)容也不會改變，輸入狀態(tài)的變化只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被采樣到。 2. 程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，PLC對程序按順序進(jìn)行掃描執(zhí)行。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的順序進(jìn)行。當(dāng)遇到程序跳轉(zhuǎn)指令時，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序是否跳轉(zhuǎn)。當(dāng)指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映像寄存器和元件映象寄存器中讀出，根據(jù)用戶程序進(jìn)行運算，運算的結(jié)果再存入元件映象寄存器中。對于

13、元件映象寄存器來說，其內(nèi)容會隨程序執(zhí)行的過程而變化。 圖1-3 PLC執(zhí)行程序過程示意圖3. 輸出刷新階段 當(dāng)所有程序執(zhí)行完畢后，進(jìn)入輸出處理階段。在這一階段里，PLC將輸出映像寄存器中與輸出有關(guān)的狀態(tài)（輸出繼電器狀態(tài)）轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，并通過一定方式輸出，驅(qū)動外部負(fù)載。 因此，PLC在一個掃描周期內(nèi)，對輸入狀態(tài)的采樣只在輸入采樣階段進(jìn)行。當(dāng)PLC進(jìn)入程序執(zhí)行階段后輸入端將被封鎖，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才對輸入狀態(tài)進(jìn)行重新采樣。這方式稱為集中采樣，即在一個掃描周期內(nèi)，集中一段時間對輸入狀態(tài)進(jìn)行采樣。 在用戶程序中如果對輸出結(jié)果多次賦值，則最后一次有效。在一個掃描周期內(nèi)，只在輸出刷新

14、階段才將輸出狀態(tài)從輸出映象寄存器中輸出，對輸出接口進(jìn)行刷新。在其它階段里輸出狀態(tài)一直保存在輸出映象寄存器中。這種方式稱為集中輸出。 對于小型PLC，其I/O點數(shù)較少，用戶程序較短，一般采用集中采樣、集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但使PLC工作時大多數(shù)時間與外部輸入/輸出設(shè)備隔離，從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。 而對于大中型PLC，其I/O點數(shù)較多，控制功能強，用戶程序較長，為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，可以采用定期采樣、定期輸出方式，或中斷輸入、輸出方式以及采用智能I/O接口等多種方式。 從上述分析可知，當(dāng)PLC的輸入端輸入信號發(fā)生變化到PLC輸出端對該

15、輸入變化作出反應(yīng)，需要一段時間，這種現(xiàn)象稱為PLC輸入輸出響應(yīng)滯后。對一般的工業(yè)控制，這種滯后是完全允許的。應(yīng)該注意的是，這種響應(yīng)滯后不僅是由于PLC掃描工作方式造成，更主要是PLC輸入接口的濾波環(huán)節(jié)帶來的輸入延遲，以及輸出接口中驅(qū)動器件的動作時間帶來輸出延遲，同時還與程序設(shè)計有關(guān)。滯后時間是設(shè)計PLC應(yīng)用系統(tǒng)時應(yīng)注意把握的一個參數(shù)。第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 病床呼叫系統(tǒng)方框圖病床呼叫系統(tǒng)由從機(jī)、主機(jī)等兩部分組成。從機(jī)(呼叫源)即病床按鈕，主機(jī)包括PLC及顯示和監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，如圖5所示。呼叫源每長病床配備一個，呼叫源一般放在病床床頭?；颊哂泻艚姓埱髸r，按下按紐向護(hù)士站呼叫。主機(jī)中PLC工作方式為

16、循環(huán)掃描方式，在系統(tǒng)程序控制下，PLC順序讀入輸入端口各呼叫源的狀態(tài)，并且不斷地循環(huán)掃描。一旦有呼叫按紐按下，PLC立即響應(yīng)，通過設(shè)置的程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的控制，啟動振鈴，并通過報警指示燈指出病號房；同時。在病房通道顯示呼叫病床號。此外，還將顯示某個時間段內(nèi)患者呼叫次數(shù)。主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)后，將出現(xiàn)相應(yīng)的聲、光報警指示，以便提示醫(yī)護(hù)人員盡快趕到現(xiàn)場。系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)形式后，主機(jī)中的PLC還可以通過網(wǎng)線與計算機(jī)相連，將多個護(hù)士站連網(wǎng)構(gòu)成病房監(jiān)護(hù)管理中心，這里不作此設(shè)計。圖5 病床呼叫系統(tǒng)原理方框圖2.2 病床呼叫系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計2.2.1 控制要求分析根據(jù)控制要求，呼叫源和重置按鈕每床配置一個，一

17、般放在病床床頭。每個病床配置一個緊急指示燈，病房緊急呼叫中心配置所有病床的緊急指示燈。每個病房外配置一個緊急指示燈?；颊哂泻艚姓埱髸r，按下按紐向護(hù)士站呼叫，一旦有呼叫按紐按下，PLC立即響應(yīng)，通過設(shè)置的程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的控制，并通過病房緊急呼叫中心報警指示燈指出病號房。同時，在病房通道顯示呼叫病床號，以便醫(yī)護(hù)人員盡快趕到現(xiàn)場。醫(yī)務(wù)人員處理完畢，通過復(fù)位按鈕消除所有信號。被消除信號包括病床指示燈、護(hù)士站病房報警指示燈。按設(shè)計要求選好PLC型號，務(wù)必要切合實際的狀況。按設(shè)計的實際工程要求做好PLC的I/O分配情況。連接好硬件電路和寫好程序下載到PLC芯片上。2.2.2 I/O點統(tǒng)計與I/O分配表由表

18、1可知輸入有36個，輸出有19個。有此可以知道PLC的I/O最低要求。以很快的了解PLC的控制功能與實現(xiàn)的具體功能，從而可以得出IO分配表，見表2。表2中總共有54個接線端子，全是24V直流的電源供電端子。表1 I/O點統(tǒng)計輸入輸出輸入點數(shù)量輸出點數(shù)量緊急呼叫按鈕12緊急指示燈19重置按鈕12復(fù)位按鈕12合計36合計19表格 2 I/O分配表序號PLC地址（PLC端子）電器符號（面板端子）功能說明1X000SB11房1床緊急按鈕2X001SB21房2床緊急按鈕3X002SB31房3床緊急按鈕4X003SB41房4床緊急按鈕5X004SB52房1床緊急按鈕6X005SB62房2床緊急按鈕7X00

19、6SB72房3床緊急按鈕8X007SB82房4床緊急按鈕9X008SB93房1床緊急按鈕10X009SB103房2床緊急按鈕11X010SB113房3床緊急按鈕12X011SB123房4床緊急按鈕13X012SB131房1床重置按鈕14X013SB141房2床重置按鈕15X014SB151房3床重置按鈕16X015SB161房4床重置按鈕17X016SB172房1床重置按鈕18X017SB182房2床重置按鈕19X018SB192房3床重置按鈕20X019SB202房4床重置按鈕21X020SB213房1床重置按鈕22X021SB223房2床重置按鈕23X022SB233房3床重置按鈕24X0

20、23SB243房4床重置按鈕25Y000HL11房1床閃燈26Y001HL21房2床閃燈27Y002HL31房3床閃燈28Y003HL41房4床閃燈29Y004HL52房1床閃燈30Y005HL62房2床閃燈31Y006HL72房3床閃燈32Y007HL82房4床閃燈33Y008HL93房1床閃燈34Y009HL103房2床閃燈35Y010HL113房3床閃燈36Y011HL123房4床閃燈37Y012HL13護(hù)士站1房閃燈38Y013HL14護(hù)士站2房閃燈39Y014HL15護(hù)士站3房閃燈40Y015HL161房閃燈41Y016HL172房閃燈42Y017HL183房閃燈43Y018HL19

21、輸出保持2.2.3 PLC選擇現(xiàn)在世界上PLC的生產(chǎn)廠家有200多家，提供400多個品種的PLC供用戶選擇，目前我國市場上主要的PLC產(chǎn)品有：西門子公司的S7-400/300/200系列、施奈德公司的momentum等、還有就是日本的歐姆龍、三菱、松下等公司的產(chǎn)品。西門子公司生產(chǎn)的PLC可靠性高，特別適用于大的工業(yè)控制系統(tǒng)，造價比較高，對于小型的自動售貨機(jī)的控制系統(tǒng)來說成本過高3。目前我國市場上主流的小型的三菱PLC比較合適此設(shè)計控制，三菱公司生產(chǎn)的小型PLC的代表為FX-2N系列的PLC4、它具有豐富的內(nèi)部資源：程序存儲器具有16K步的最大存儲容量，128種應(yīng)用指令，還具有184點8進(jìn)制編號

22、的輸入點數(shù)，184點8進(jìn)制編號的輸出點數(shù)，普通型、掉電保持性和賦予特殊用途型三種內(nèi)部繼電器，以及狀態(tài)寄存器、定時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器、常數(shù)與指針等功能與資源?？煽啃愿摺⒃靸r低，對于自動售貨機(jī)的控制中心就特別的合適。因此，本次設(shè)計采用的PLC為三菱公司生產(chǎn)的FX-2N系列PLC軟組件，控制系統(tǒng)選用FX2N-32MR-001，I/O點數(shù)各為16點，可以滿足要求，且有一定裕量。2.2.4 硬件接線圖該模塊圖65硬件接線圖根據(jù)控制系統(tǒng)的I/O分配表接線，左邊是開關(guān)輸入量，接開關(guān)按鈕。右邊是輸出量，接燈泡作為輸出顯示。圖6 控制電路接線圖3 軟件設(shè)計分析3.1 系統(tǒng)流程圖流程圖概要如下，流程圖如下圖7。1.目前病房中使用的呼叫按鈕大多為雙按鈕，一個呼叫，另一個關(guān)斷。為方便患者使用，呼叫按鈕采用手持式雙按鈕。當(dāng)患者第一次按下呼叫按鈕時病床指示燈、手柄按鈕指示燈亮，提示患者已發(fā)出呼叫請求。但監(jiān)控系統(tǒng)不立即響應(yīng)，延遲5秒后監(jiān)控系統(tǒng)才自行啟動。如果是患者誤操作，在5秒時間內(nèi)第二次按