基于S7200PLC的病房呼叫系统设计.docx
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基于S7200PLC的病房呼叫系统设计
课程设计（论文）
基于S7-200PLC的病房呼叫系统设计
BASEDS7-200PLCHOSPITALROOMCALLSYSTEMDESIGN
学生姓名
李金堂
学院名称
信电学院
学号
20120502113
班级
12自动化
专业名称
电气工程及其自动化
指导教师
曹言敬
2015年
7月
2日
摘要
信息时代的医院管理已经从传统的人管理模式，向智能化、电子化、网络化的高科技管理模式的方向迅猛发展。
“PLC病床紧急呼叫系统”可以实现对医院病房的智能化管理，可实现呼叫、求救报警、信息储存、显示等等功能。
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，提高医院和病室护理。
为了丰富病床呼叫系统的控制方式，在满足病房与护士站实时通信同时，能够方便地了解各病区的情况，实现医院对全院的病房科学化管理。
采用可编程控制器替代单片机作为核心控制件，设计实现新型智能病床呼叫系统。
实验结果表明，用可编程控制器构成的病床呼叫智能系统结构更简单，更易于推广。
本设计采用S7-200系列PLC实现控制系统的设计，并通过MCGS组态软件仿真与实物模拟实验，验证了设计方案的可行性。
关键词PLC；病房呼叫系统；梯形图；S7-200；MCGS仿真
1绪论
1.1PLC简介
可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器[1]。
以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。
提出PLC概念的是美国通用汽车公司。
PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。
根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。
1.1.1 PLC的诞生
随着计算机控制技术的不断发展，可编程控制器的应用已广泛普及，成为自动化技术的重要组成。
编程控制器最先出现在美国，1968年，美国的汽车制造公司通用汽车公司（GM）提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备以下十大条件：
（1）编程简单，可在现场修改程序；
（2）维护方便，最好是插件式；
（3）可靠性高于继电器控制柜；
（4）体积小于继电器控制柜；
（5）可将数据直接送入管理计算机；
（6）在成本上可与继电器控制柜竞争；
（7）输入可以是交流115V（即用美国的电网电压）；
（8）输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀；
（9）在扩展时，原有系统只需要很小的变更；
（10）用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。
条件提出后，立即引起了开发热潮。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。
被取名为可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）
。
紧接着，美国MODICON公司也开发出同名的控制器，1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制成了日本第一台可编程控制器。
1973年，西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器[1,2]。
1.1.2PLC的发展史
随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，特别是进入80年代以来，PLC已广泛地使用16位甚至32位微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。
这时的PLC已不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（ProgrammableController）更为合适，简称为PC，但为了与个人计算机（Persona1 Computer）的简称PC相区别，一般仍将它简称为PLC（ProgrammableLogicController）。
PLC是微机技术与传统的继电器-接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。
根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。
继电器控制系统已有上百年历史，它是用弱电信号控制强电系统的控制方法，在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除困难，花费时间长，严重地影响工业生产。
在工艺要求发生变化的情况下，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，改造工期长、费用高，以至于用户宁愿另外制作一台新的控制柜。
而PLC克服了继电器-接触器控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点，并将控制器和被控对象方便的连接起来。
由于PLC是由微处理器、存储器和外围器件组成，所以应属于工业控制计算机中的一类。
对用户来说，可编程控制器是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此如果在初步设计阶段就选用可编程控制器，可以使得设计和调试变得简单容易。
从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。
由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。
目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。
我国从1974年也开始研制可编程序控制器，1977年开始工业应用。
目前它已经大量地应用在楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域，并涌现出大批应用可编程序控制器的新型设备。
掌握可编程序控制器的工作原理，具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。
1.1.3PLC的发展趋势
随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。
（1）、在产品规模方面，向两极发展。
一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC。
以适应单机及小型自动控制的需要。
另一方面，向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展。
随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高，要求用户存储器容量也越来越大。
（2）、向通信网络化发展
PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。
PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。
目前，PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。
各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。
PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的组成部分。
（3）、向模块化、智能化发展
为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来，PLC厂家先后开发了不少新器件和模块，如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了PLC的应用范围，还提高了系统的可靠性。
（4）、编程语言和编程工具的多样化和标准化
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。
PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP（制造自动化协议）靠拢，使PLC的基本部件，包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化。
1.2PLC的工作原理
1.2.1PLC的主要组成部分
CPU模块：
图1-1PLC的主要组成部分
CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。
在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据[3]。
I/O模块：
输入（Input）模块和输出（Output）模块统称I/O模块，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块主要用来接受和采集输入信号，输入信号包括两类：
一类是从按钮，选择开关，接近开关，光电开关等来的开关量输入信号；另一类就是由电位器，测速发电机等提供的连续变化的模拟量信号。
PLC通过输出模块控制接触器、电磁阀等执行机构，另外也可以驱动指示灯、数字显示装置等。
CPU模块的工作电压一般是5V，而其输入/输出信号电压一般较高，如DC24V和AC220V。
为防止外部引入的尖峰电压和干扰噪声损坏CPU模块，影响其正常工作，在I/O模块中，用光电耦合器、可控硅，小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载。
I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。
1.2.2PLC的扫描过程
PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使PLC的输出及时响应随时变化的输入信号，用户程序不是执行了一次，而是反复不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环中，PLC还要完成内部处理，通讯处理等工作，一次循环可分为5个阶段。
图1-2PLC扫描过程图
在内部处理阶段，进行PLC自检，检查内部硬件是否正常，对监视定时器（WDT）复位以及完成其它一些内部处理工作。
在通信服务阶段，PLC与其它智能装置实现通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。
当PLC处于停止（STOP）状态时，只完成内部处理和通信服务工作。
当PLC处于运行（RUN）状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。
PLC的扫描工作方式简单直观，便于程序的设计，并为可靠运行提供了保障。
当PLC扫描到的指令被执行后，其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用， 而且还可通过CPU内部设置的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。
1.2.3PLC执行程序的过程及特点
1.输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。
接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。
2.程序执行阶段
在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。
若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。
当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。
当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。
对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。
3.输出刷新阶段
当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。
在这一阶段里，PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。
图1-3PLC扫描周期
因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。
当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。
这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。
在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。
在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。
在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。
这种方式称为集中输出。
对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。
而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。
从上述分析可知，当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入／输出响应滞后。
对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。
应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟，同时还与程序设计有关。
滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。
2系统硬件设计
2.1设计要求
（1） 当某个病床发出救助信号（按下呼叫按钮）后，护士站的蜂鸣器发出短促音，与呼叫信号对应的指示灯闪烁（闪烁频率自定）。
（2）当医护人员听到呼叫后，可按下呼叫响应按钮，蜂鸣器停止工作，呼叫指示灯在20s后停止显示。
（3）如果同时或者在一段时间内有多个呼叫信号，护士站的蜂鸣器仍发出短促音，与这些呼叫信号对应的那些指示灯均闪烁，医护人员按下呼叫响应按钮后，蜂鸣器停止工作，呼叫指示灯在20s后停止显示。
（4）房间数和床位数可自行设置。
（5）用MCGS软件模拟系统的实际运行状态。
2.2任务流程描述
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。
当护士站值班人员按下响应按钮，蜂鸣器立即停止工作，同时指示灯20S之后停止工作。
任务的流程可以简单地用图2-1表示：
图2-1系统工作流程图
2.3PLC机型选择
选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题。
目前，生产PLC的厂家很多，如西门子、三菱、松下、欧姆龙、罗克韦尔、ABB等。
2.3.1PLC选型原则
PLC机型选择的基本原则是，在功能，，满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优的机型。
具体应考虑以下几方面的要求：
1、性能与任务相适应
选择的PLC性能应能满足设计任务的要求。
同时，性能最好不要过剩，以免造成硬件资源浪费，同时增加成本。
2、PLC的处理速度应满足实时控制的要求
PLC工作时从输入信号到输出控制存在着滞后现象，在选择PLC时应当考虑任务对实时性的要求，在实时性要求比较高的生产现场，不允许有较大的滞后时间。
3、PLC机型尽可能统一
在设计时应当考虑到设备今后的运行维护，为了减少编程和维修的工作量同时为了方便采购和管理，选择的PLC机型应尽可能统一。
4、指令系统
因为目前各个厂家生产的PLC所采用的指令系统不完全相同，所以在选择PLC机型时应从以下几个方面考虑：
1）指令系统的总语句数。
2）指令系统种类。
3）指令系统的表达方式。
4）应用软件的程序结构。
根据以上PLC选择原则并结合设计要求以及任务流程，本设计选用西门子S7-200系列CPU224型PLC。
2.3.2PLC技术参数
S7-200系统CPU224型PLC的主要技术参数见下表：
表2-1S7-200CPU224PLC主要技术参数表
指标
S7-200CPU224
电源电压/V
DC24V，AC100~230V
环境温度、湿度
0~55
，5~95%
数据存储器/B
8192
本机数字量I/O
14入/10出
数字量I/O映像区
128入/128出
续表2-1
模拟量I/O映像区
32入/32出
扩展模块数量
7
定时器/计数器
256/256
供电能力
/mA
DC5V
660
DC24V
280
2.3.3PLC端口功能分配与接线原理图
2.3.3.1PLC端口功能分配
PLC端口功能的分配与电气连接件下表：
表2-2PLC端口功能表
序号
PLC地址
电气符号
功能
1
I0.0
SB1
1号病床按钮
2
I0.1
SB2
2号病床按钮
3
I0.2
SB3
3号病床按钮
4
I0.3
SB4
4号病床按钮
5
I0.4
SB5
5号病床按钮
6
I0.5
SB6
6号病床按钮
7
I0.6
SB7
护士站响应按钮
8
Q0.0
HL1
1号病床指示灯
9
Q0.1
HL2
2号病床指示灯
10
Q0.2
HL3
3号病床指示灯
11
Q0.3
HL4
4号病床指示灯
12
Q0.4
HL5
5号病床指示灯
13
Q0.5
HL6
6号病床指示灯
15
Q0.6
HA
蜂鸣器
2.3.3.2PLC的I/O接线图
本设计的接线原理图如下：
图2-2PLC接线原理图
3系统程序设计
3.1PLC控制系统梯形图程序设计
应用程序设计过程中，应正确选择能反映生产过程的变化参数作为控制参量进行控制，应正确处理各执行电器、各编程原件之间的互相制约、互相配合的关系，即联锁关系。
应用程序的设计方法有多种，常用的有经验设计法、顺序功能图法等。
3.1.1经验设计法
某些简单的开关量控制系统可以沿用继电器-接触器控制系统的设计方法来设计梯形图程序，即在某些典型电路的基础上，根据被控对象的具体要求，不断地修改和完善梯形图。
有时需要多次反复地进行调试和修改梯形图，不断地增加中间编程元件和辅助触点，最后才能得到一个较为满意的结果。
这种方法没有普遍的规律可以遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与编程者的经验有很大关系，所以这种设计方法称为经验设计法，一般用于逻辑关系比较简单的梯形图程序设计。
这种方法对于一些比较简单程序的设计是比较奏效的，可以收到快速、简单的效果。
但由于这种方法主要是依靠设计人员的经验进行设计，所以对设计人员的要求比较高。
如果用来设计复杂系统梯形图程序，则存在以下问题：
1、考虑不周、设计麻烦、设计周期长
2、梯形图的可读性差、系统维护困难
3.1.2顺序控制设计法与顺序功能图
3.1.2.1顺序功能图
顺序功能图（SequenceFunctionChart，SFC）是IEC标准规定的用于顺序控制的标准化语言。
顺序功能图用以全面描述控制系统的控制过程、功能和特性，而不涉及系统所采用的具体技术，这是一种通用的技术语言，可供进一步设计和不同专业的人员进行技术交流使用。
顺序功能图以功能为主线，表达准确、条理清晰、规范、简洁，是设计PLC顺序控制程序的重要工具。
顺序功能图主要由步、有向连线、转换和转换条件及动作（或命令）组成。
顺序功能图有以下几种基本结构：
1、单序列结构
2、选择序列结构
3、并行序列结构
3.1.2.2顺序功能图法
顺序功能图法首先根据系统的工艺流程设计顺序功能图，然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。
在顺序功能图中，实现转换时使前级步的活动结束而使后续步的活动开始，步之间没有重叠。
这使系统中大量复杂的联锁关系在步的转换中得以解决。
而对于每步的程序段，只需处理极其简单的逻辑关系。
因而这种编程方法简单易学、规律性强，设计的控制程序结构清晰、可读性好，程序的调试、运行也很方便，可以极大地提高工作效率。
3.2梯形图程序设计
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3-1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：
4系统调试
PLC的系统调试是检查、优化PLC控制系统硬件和软件设计，提高控制系统可靠性的重要步骤。
为了防止调试过程中可能出现的问题，确保调试工作的顺利进行，系统调试应在完成控制可靠性试验、实际运行试验等规定的步骤进行。
在调试阶段，一些均应满足控制要求，确保系统安全、可靠运行为最高准则，它是检验硬件、软件设计正确的唯一标准，任何影响系统安全性与可靠性的设计，都必须予以修改，绝不能遗留事故隐患，以免导致严重后果。
仿真验证与实物模拟是工程中最常用的两种验证方法。
4.1MCGS组态软件仿真
在使用MCGS软件仿真前，我们可以先了解一下MCGS的特点，这有利于加深我们队系统仿真的认识。
4.1.1MCGS组态软件简介
MCGS（MonitorandControlSystem）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系统。
MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。
MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点。
同时与同类产品相比，MCGS软件有以下几个显著特点：
1、全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求。
2、庞大的标准图形库，完备的绘图工具以及丰富的多媒体支持。
3、可运行于多种操作系统，兼容性好。
4、支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令相结合，是硬件设备与软件系统能很好地配合。
4.1.2仿真试验过程及结果
在仿真前要配置MCGS组态软件，配置过程如图4-1和图4-2：
图4-1MCGS组态软件通信串口部分配置图
图4-2MCGS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。
4.2实物联机模拟
将S7-200PLC的I/O接口与试验台上实物进行连接，模拟真实医院中的病房呼叫系统，验证设计方案的电气特性是否满足设计要求。
实物连接如下：
图4-4病床呼叫系统实物模拟连接图
经过实物联机模拟，程序可以可靠运行。
4.3设计结论
通过仿真试验与实物试验，设计方案是可行的。
5结论
通过本次课程设计，使我加深了对S7-200PLC梯形图、指令表、外部接线图的理解，以及对MCGS组态软件的使用与使用过程中应该注意的问题。
还有经过在网上查找资料以及到图书馆学习，也使我更好的理解和认识了关于PLC设计原理和实际中的应用过程。
而且我学到了很多书本上面学不到的知识，加深了我对书本知识掌握的程度，增强了我们独立思考、主动查阅资料的能力，明白光有课本的知识是远远不够的，只有通过实践，才能更完善的了解并掌握所学知识，同时提高了综合运用知识的能力，巩固和扩展知识领域、培养自己的严谨的科学态度和独立工作的能力。
这次的课程设计得到了曹言敬老师的细心指导，如果没有老师的指导，本次课程设计很难完成，曹言敬老师严谨细致的教学态度潜移默化地感染了我，使我能够端正态度，独立认真地完成本次课程设计。
还要感谢实验室老师细心地为我们准备的实验器材。
同时也要
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