PLC在病床呼叫系统中的应用Word文件下载.docx
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第1章PLC的概述5
1.1PLC的由来5
1.2PLC的发展5
1.3PLC的应用6
1.4PLC的主要原理6
1.5PLC的组成部分7
第2章病床紧急呼叫系统设计概述9
2.1课题研究的内容及目标9
2.1.1课题研究的内容9
2.2.2课题研究的目标9
2.2方案的介绍9
2.4PLC的选型13
2.5PLC的硬件原理图15
第3章系统软件的设计17
3.1系统软件流程图17
3.2系统I/O分配19
3.3系统外部接线图21
3.4系统梯形图22
第4章系统常见故障分析及维护24
4.1系统故障的概念24
4.2系统故障分析及处理24
4.2系统抗干扰性的分析及维护25
结 论27
谢辞28
参考文献29
附 录30
外文资料翻译33
前 言
可编程序控制器（PLC）是一种新型的通用的自动控制装置,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,是功能加强、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。
近年来随着科技的飞速发展，PLC的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的PLC应用系统中，PLC往往是作为一个核心部件来使用，仅PLC方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。
PLC的应用领域已经拓宽到了各个领域，在日常生活中，病床紧急呼叫系统广泛的应用于各个医院。
越来越多的病床紧急呼叫系统投入市场，可是大部分的病床紧急呼叫系统主要采用的是单片机系统；
而单片机系统由于稳定性不高，所以我设想是否可以利用PLC进行病床紧急呼叫系统的设计，所以我针对此次毕业设计进行了软硬件的设计。
基于此采用了PLC来实现病床紧急呼叫控制系统的设计。
患者在住院期间,可能会在任意时间请求医生或护士进行诊断或护理。
临床求助呼叫是传送临床信息的重要手段,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,要将患者的请求快速传送给值班医生或护士,并在护士站的监控中心留下准确完整的记录,是提高医院和病室护理水平的必备设备之一。
病床呼叫系统要求及时、准确、可靠,简便可行,利于推广,其性能的优劣直接关系到病员的安危,因此历来受到各大医院的普遍重视。
目前,医院病床呼叫装置大多由单片机及低压电力线等传输媒质所构成。
本设计拟从可编程控制器（PLC）的应用出发,提出一种以PLC为核心的智能化病床呼叫系统。
该系统利用PLC特殊的I/O接口,使系统构成更加简单,充分展示了它的特色和应用前景。
该系统具有呼叫、灯光报警、振铃、设定等功能,可满足医院对病房管理和护理的要求。
该系统还可以通过计算机将全院各病区呼叫子系统连接一起,构成病房监护管理中心,使病区管理更趋规范和合理。
第1章PLC的概述
1.1PLC的由来
PLC早期主要应用于工业控制，但随着技术的发展，其应用领域正在不断扩大。
可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司（DEC）为美国通用公司（GM）研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。
随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。
现代PLC已经成为真正的工业控制设备。
1.2PLC的发展
虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：
1．早期的PLC（60年代末—70年代中期）
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。
它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。
装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。
另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。
在软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。
因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。
其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。
2．中期的PLC（70年代中期—80年代中后期）
在70年代微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。
这样，使PLC得功能大大增强。
在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。
在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。
3．近期的PLC（80年代中后期至今）
进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。
而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
1.3PLC的应用
自1969年第一台可控编程控制器问世以来，目前可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。
PLC所以被广泛应用，是由它的突出特点和优点的性能分不开的，为了满足工业生产对工业控制设备安全可靠的要求，PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触电的的半导体电路来完成，PLC选用的电子器件一般是工业机，有的甚至是军用机，平均无故障时间很长。
PLC具有良好的环境适应性，可用于十分恶劣的工业现场。
再电源瞬间断电的情况下仍可以正常工作，具有很强的的抗空间电磁干扰能力，可以抗峰值高达1000V、脉宽10us的矩形波空间电磁干扰，具有良好的抗震能力和抗冲击能力。
一般对环境温度要求不高，在环境温度-20—65度、相对湿度为35%-85%情况下仍可正常工作。
1.4PLC的主要原理
CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描，CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通信请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容。
PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。
它一直周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。
用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。
典型的PLC在一个周期中可完成以下5个扫描过程。
1．自诊断测试扫描过程
为保证设备的可靠性，及时反应所出现的故障，PLC都具有自监视功能。
自监视功能主要由时间监视器完成。
WDT是一个硬件定时器，每一个扫描周期开始前都被复位。
WDT的定时可由用户修改，一般在100～200ms之间。
其它的执行结果错误可由程序设计者通过标志位进行处理。
2．与网络进行通信的扫描过程
一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。
3．用户程序扫描过程
机器处于正常运行状态下，每一扫描周期内部包换扫描过程。
该过程在机器运行中是可控的，即用户可以通过软件进行设定。
用户程序的长短，会影响过程所用的时间。
1.5PLC的组成部分
PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。
其完成控制的实质是按一定算法进行I／O变换，并将这个变换物理实现，应用于工业现场。
1．输入寄存器
输入寄存器可按位进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由输入开关量驱动，并保持一个扫描周期。
CPU可以读其值，但不可以写或进行修改。
2．输出寄存器
输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值,表明的是上一时间段的真实输出值。
在程序执行过程中,CPU可以读其值,并作为条件参加控制,还可以修改其值,而中间的变换仅仅影响寄存器的值。
只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。
3．存储器
存储器分为系统存储器和用户存储器。
系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能更改，PLC要在系统程序的管理下运行。
用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。
4．CPU单元
CPU单元控制着I／O寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中程序的解释执行工作，是PLC的大脑。
5．其它接口单元
其它接口单元用于提供PLC与其它设备和模块进行连接通信的物理条件。
PLC结构图如图1-1所示：
图1-1PLC结构图
第2章病床紧急呼叫系统设计概述
2.1课题研究的内容及目标
2.1.1课题研究的内容
1．理解PLC的编程方法，熟悉并使用PLC完成其他的设计，建立系统逻辑的知识体系。
2．硬件的研究。
用以前所学知识全面系统的对硬件进行设计并设有保护器件。
3．软件的研究。
用PLC程序开发实现了设计、调试、等功能。
2.2.2课题研究的目标
1．希望通过这次毕业设计，能够让自己对PLC有更深刻的更系统的了解。
2．综合自己的专业知识，让自己对学过的知识加深印象，进行一次全面性的复习。
3．锻炼动手和动脑的能力，让自己的思维更加的慎密。
4．通过设计要让自己多学一些和本设计有关的知识，以及多种软件的应用和操作。
2.2方案的介绍
就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：
单片机控制、可编程序控制器控制。
1．单片机控制
单片机作为一个超大规模的集成电路，结构上包括CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路。
其低功耗、低电压和很强的控制功能，成为功控领域、尖端武器、日常生活中最广泛的计算机之一。
但是，单片机是一个集成电路，不能直接将它与外部I/O信号连接，要将它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、控制和程序设计的工作量相当大。
2．可编程序控制器控制
可编程序控制器配备各种硬件装置供用户选择，用户不要自己设计和制作硬件装置，只须确定可编程序控制器的硬件配置和设计外部接线图，同时采用梯形图语言编程，用软件取代继电器系统中的触点和接线，通过修改程序适应工艺条件的改变。
可编程控制器（PLC）从上世纪70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置，可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统，随着30多年来微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级换代大大增强了其功能。
现状PLC已经发展成不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、连网通讯功能等多种功能，是名副其实的多功能控制器。
由PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点，是目前工业自动化的首选控制装置。
2.3系统设计方案
病床呼叫系统由从机、主机等两部分组成。
从机（呼叫源）即病床按钮,主机包括PLC及显示和监护系统。
呼叫源每张病床配备一个,呼叫源一般安放在病床床头。
患者有呼叫请求时,按下手持式按钮向护士站呼叫。
主机中PLC工作方式为循环扫描方式,在系统程序控制下,PLC顺序读入输入端口各呼叫源的状态,并且不断地循环扫描。
一旦有呼叫按钮按下,PLC立即响应,通过设置的程序实现对系统的控制点亮床头指示灯和手柄按钮指示灯,护士站显示呼叫病床号,启动振铃,并通过报警指示灯指出病房号。
此外,还将显示某个时间段内患者呼叫次数。
主机监控系统响应后,将出现相应的声、光报警指示,以便提示医护人员尽快赶到现场。
系统采用主从结构形式后,主机中的PLC还可以通过网线与计算机相接,将多个护士站联网构成病房监护管理中心。
其病床管理示意图如图2-1所示：
图2-1病床管理示意图
2.3.1病床呼叫系统控制要求
根据本课题的控制要求和安全要求，所设计的病床呼叫系统的控制要求，以达到本系统的最佳设计要求和完成系统的最终设计
1．设置一个病房每个病房4张床；
2．在4张床都没人时，监控显示区上无灯亮；
3．当有病人按下呼叫按钮时，护士站警报灯亮，同时振铃启动，显示器显示病床号；
4．护士站护士响应后，切断电铃按钮，但警报灯仍亮；
5．在处理过程中允许有其他病床呼叫。
其呼叫示意图如图2-2所示：
图2-2呼叫示意图
2.4PLC的选型
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
1．输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展。
余量后，作为输入输出点数估算数据。
实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
根据估算的方法故本课题的I/O点数为输入43个，64个。
2．存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。
3．控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
根据本课题所设计的病床呼叫系统的需要，主要介绍以下几种功能的选择。
（1）控制功能
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
（2）编程功能
离线编程方式：
PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。
完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。
离线编程方式可降低系统成本。
在线编程方式：
CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU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中常采用。
五种标准化编程语言：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。
选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
（3）诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。
硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。
通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
4．机型的选择
（1）PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；
按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
从应用角度出发，通常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，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；
模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较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
选择PLC时，应考虑性能价格比。
考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
当点数增加到某一数值后，相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小型控制系统，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，如图2-3所示：
图2-3FX2N可编程控制器（PLC）
三菱FX2N-128MR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FX2N-128MR具有突出的寄存器容量：
三菱FX2N-128MR包括8K步内置RAM寄存器，用一个寄存器盒可扩充到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点数据寄存器、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。
2.5PLC的硬件原理图
根据系统设计方案和设计要求，画出PLC硬件原理图。
如图2-4所示：
图2-4硬件原理图
第3章系统软件的设计
3.1系统软件流程图
系统软件流程图如图3-1所示：
图3-1系统流程图
3.1.1流程图概要
1．目前病房中使用的呼叫按钮大多为双按钮,一个呼叫,另一个关断。
为方
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