病床呼叫系统

《电气控制技术》课程设计说明书
病床呼叫系统
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电气控制技术课程设计课题任务书
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摘要
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的同事，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。

采用可编程控制器代替单片机作为核心控制件，设计实现新型智能病床呼叫系统。

分析了病床呼叫系统的设计要求，确定了以三菱PLC为核心，采用梯形图编程的总体方案，对输入输出信号进行了统计，共有38个。

根据PLC的选型原则，选择了FX2N-80-001型号的PLC和其他的电器元件，并对PLC外接电路进行了设计。

分析和比较了PLC的编程方法，利用图解法编程方法，编写了梯形图，设计病床呼叫程序。

最后利用GX Developer中的Simulator软件对程序进行了仿真，仿真的结果是病员按下床头的紧急按钮后护士站就能接收到请求信号显示房号及床号。

证明了完成设计的任务要求，满足设计的技术参数要求。

关键词：病床呼叫系统；PLC；设计；仿真
目录
1 绪论 (1)
1.1 背景和意义 (1)
1.2 病床呼叫系统的现状 (1)
1.3 设计的主要内容 (1)
2 病床呼叫系统的硬件设计 (2)
2.1 病床呼叫系统的控制要求 (2)
2.2 病床呼叫系统的I/O点统计 (2)
2.2.1 病床呼叫系统的输入点统计 (2)
2.2.2 病床呼叫系统的输出点统计 (2)
2.3 PLC选型及参数介绍 (2)
2.3.1 PLC选型原则 (2)
2.3.2 PLC选型 (3)
2.3.3 FX2N-80MR的参数介绍 (3)
2.4 I/O点分配与PLC外接线图 (3)
2.4.1 输入点的分配 (3)
2.4.2 输出点的分配 (5)
2.4.3 病床呼叫系统的接线原理图 (5)
2.4.4 PLC控制系统的接线图 (6)
3 病床呼叫系统的程序设计 (6)
3.1 常用编程方法介绍 (8)
3.2 病床呼叫系统程序设计 (8)
3.2.1 病床呼叫系统编程方法 (8)
3.2.2 病床呼叫系统梯形图 (9)
4 病床呼叫系统的程序仿真 (9)
4.1 仿真说明 (10)
4.2 仿真过程 (10)
4.3 仿真结果分析 (9)
结束语 (13)
参考文献 (14)
致谢 (15)
附录 (14)
附录A 病床呼叫系统梯形图 (14)
附录B 病床呼叫系统接线图 (21)
1绪论
1.1 背景和意义
PLC的应用领域已经拓展到了各个领域，在日常生活中，病床呼叫系统广泛的应用于各个医院。

越来越多的病床呼叫系统投入市场，可是大部分的病床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，而PLC具有适用性强、可靠性高的特点，能够适应恶劣环境。

其操作指令简单、编程方式简便易懂，同时还具有体积小、维修工作少、现场安装方便等优点，所以设计了PLC 病床呼叫系统，采用PLC设计的病床呼叫系统为了具有反应速度快，可靠性高，抗干扰能力强、方便后期维护等优点。

所以采用PLC设计的病床呼叫系统具有很重要的意义。

1.2 病床呼叫系统的现状
随着人们对医疗设施及服务要求的提高，为解决护理站护士到病室内进行治疗护理时，听不到其他病室患者呼叫的蜂鸣声，而造成危机患者得不到及时抢救的问题。

医用无线呼叫系统，通过无线信号发射模块发出呼叫信号传输至信息处里中心，处理后发送至大屏幕显示板，显示呼叫病房、床号，同事发出音乐提示音，使医护人员及时、准确得到病患者呼叫信号并迅速处理；同事，当病人寻呼护士站一定时间没有响应时系统将自动寻呼医生或者护士，并引入呼叫监督系统，从而保证护着的及时治疗，提高医院的治疗水平及管理水平。

传统的病床呼叫系统采用的都是有线传输，很难做到隐蔽和美观，而且布线复杂，布线费用较高，易出故障，安装维护都不方便，抗电气干扰能力也不强，目前医院使用的病床呼叫系统多为有线呼叫系统。

设计的无线呼叫系统没有上述缺点，安装方便，成本低，使用简单。

在人们生活水平日益提高，特别是健康，在人们生活中的地位越来越重要的前提下，人生病时对治疗的服务要求也今非昔比，现代化的医疗设施是医院必不可少的硬件设备，医护人员与患者之间的联系也不应该再是传统的方式，因此呼叫系统应运而生。

设计采用可编程控制器来设计病床控制系统，可编程控制器PLC诞生于20世纪60年代，它以微处理器为核心，并用软件手段来实现各种控制功能，逐步发展起来并成为一种新型工业控制装置。

可编程控制器具有适用性强、可靠性高的特点，能够适应恶劣的工业环境。

其操作指令简单、编程方式简便易懂，同时还具有体积小、维修工作少、现场安装方便等优点，正逐步取代传统的继电器控制系统。

1.3 设计的主要内容
设计分析了病床呼叫系统的设计要求，，对输入输出信号进行了统计，根据PLC的选型原则，选择了FX2N-80-001型号的PLC和其他的电器元件，并对PLC 外接电路进行了设计。

分析和比较了PLC的编程方法，利用图解法编程方法，编写了梯形图，设计病床呼叫程序。

最后利用GX Developer中的Simulator软件对程序进行了仿真，仿真的结果完成设计的任务要求，满足设计的技术参数要求。

设计说明书共分4章，各章节的内容安排如下：
第1章为绪论，主要介绍病床呼叫系统的背景和意义、现状以及主要内容；第2章为病床呼叫系统的硬件设计，主要介绍系统的控制要求、I/O点统计及分配、PLC选型及参数介绍以及系统的接线图；第3章为病床呼叫系统的程序设计，主要介绍常用编程方法的介绍、编程方法现状、编程方法以及梯形图设计；第4章为程序仿真，包括仿真软件的介绍，仿真的过程及结果分析。

2 病床呼叫系统的硬件设计
2.1 病床呼叫系统控制要求
（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与处理完毕的重置按钮。

（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，每一病房都有编号，用指示灯显示哪一病房先按下病人紧急呼叫按钮，并要具有优先级判别的能力。

（5）一旦护士看见护士站紧急呼叫闪烁灯后，须先按下护士处理按钮以取消闪烁情况，再依病房紧急呼叫顺序处理病房紧急事故，若事故处理妥当后，病房紧急闪烁指示灯和病床上的紧急指示灯方町被重置。

2.2 病床呼叫系统I/O点的统计
根据课题要求，初步设计I/O点为输入有39个，输出有22个，详细的统计如表1所示。

表1 病床呼叫系统输入点统计表
序号名称数量
1 病房紧急按钮12
2 病房重置按钮12
3 护士站复位按钮12
4 护士站取消呼叫及闪灯按钮 3
合计39
表2 病床呼叫系统输出点统计表
序号名称数量
1 护士站病房灯 3
2 护士站病房电铃 3
3 病房灯12
合计18
2.3 PLC选型及参数介绍
2.3.1 PLC选型原则
首先要确定所需的PLC的规模，要有够用的输入点与输出点数量，并且留有
10% ~20%的余量，还要确定用户程序存储器的容量，初略的可以用：（输入+输出）×（10~12）=指令步数来估算；其次，要根据要求选择所需档位的PLC,以开关量进行控制的系统，一般用低档机就可以满足要求，而对于控制量较复杂，控制要求比较高，就可以选择用中档甚至用高档机；第三要考虑PLC的输入输出形式，输入由输入信号决定，输出形式分为有触点和无触点两种形式，有触点的为继电器型，无触点的一般为晶体管型与可控硅型；最后还需考虑运行温度湿度等环境因素。

2.3.2 PLC选型
根据设计要求可知，PLC点数的选择，不管是输入点数还是输出点数都要留有10%的余量，根据I/O口分配情况可知：输入信号有39个，输出信号有18个，根据I/O点数可选择FX2N-80MR可编程控制器，以满足控制要求，而且输入输出都留有一定的余量。

2.3.3 FX2N-80MR的参数介绍
（1）外形参数
型号为FX2N-80MR的PLC包含有40点的漏型输入点和40点的继电器触点输出，外形尺寸为长宽高182*90*87（单位mm）。

（2）使用条件
环境：要求环境湿度在使用时为0~55℃，储存时为-20~70℃；环境湿度为使用时35%~89%RH(不结露)；抗振为JIS C0911标准10~55HZ 0.5mm（最大2G）3轴方向各2h（但用DIN导轨安装时为0.5G）；耐压为AC1500V/1min；绝缘电阻为5MΩ以上，且环境中无腐蚀性气体和尘埃。

其输入参数：输入点数为40，输入信号电压为DC24V±10%*2，输入信号电流为7mA/DC24V (X010以后为5mA/DC24V)，输入ON电流为4.5mA以上(X010以后为3.5mA/DC24V)，输入OFF电流为1.5mA以下，输入响应时间为约10ms。

其输出参数：输出类型为继电器输出，输出点数为40，外部电源为AC250V DC30V以下，回路绝缘为机械隔离，动作显示为继电器线圈通电时LED亮灯，最小负载为DC5V 2mA，响应时间为约10ms。

当负载为电阻负载时最大为2A/1点COM，8A/4点COM，8A/8点COM。

当负载为感性负载时最大为80VA。

当负载为灯负载时最大为100W。

2.4 I/O点分配与PLC外接线图
2.4.1 输入点的分配
病床呼叫系统的输入点分配如表3所示。

表3 病床呼叫系统的输入点分配表
序号输入所接器件输入点
1 1房1-4床紧急按钮X0、X1、X2、X3
2 2房1-4床紧急按钮X4、X5、X6、X7
3 3房1-4床紧急按钮X10、X11、X12、X13
4 1房1-4床重置按钮X14、X15、X16、X17
5 2房1-4床重置按钮X20、X21、X22、X23
6 3房1-4床重置按钮X24、X25、X26、X27
7 护士站1房1-4床复位按钮X30、X31、X32、X33
8 护士站2房1-4床复位按钮X34、X35、X36、X37
9 护士站3房1-4床复位按钮X40、X41、X42、X43
10 护士站1房1-4床取消紧急呼
叫及闪灯按钮X44
11 护士站2房1-4床取消紧急呼
叫及闪灯按钮X45
12 护士站3房1-4床取消紧急呼
叫及闪灯按钮X46
2.4.2 输出点的分配
病床呼叫系统的输出点分配如表4所示。

表4 病床呼叫系统的输出点分配表
序号输出所接器件输出点
1 护士站显示1房闪灯Y0
2 护士站显示2房闪灯Y1
3 护士站显示3房闪灯Y2
4 护士站显示1房响铃Y3
5 护士站显示2房响铃Y4
6 护士站显示3房响铃Y5
7 1房1-4床灯亮Y6、Y7、Y10、Y11
8 2房1-4床灯亮Y12、Y13、Y14、Y15
9 3房1-4床灯亮Y16、Y17、Y20、Y21
10 1房灯闪Y22
11 2房灯闪Y23
12 3房灯闪Y24
13 输出保持Y25
2.4.3 病床呼叫系统的接线原理图
病床呼叫系统的原理图如图1所示。

X0～X13分别为1～3房中1～4床的紧急按钮，X14～X27分别为1～3房中1～4床的重置按钮，X30～X43分别为1～3房中1～4床的复位按钮，X44～X46分别为1～3房中1～4床的消紧急呼叫及闪灯按钮，按钮的符号是SB，型号为Y22-P10R。

Y0为护士站显示1房闪灯，输出指示灯型号为XB2-E,Y1护士站显示2房闪灯，输出电铃型号为BDL-125。

输出
图1 病床呼叫系统的原理图
指示灯型号为XB2-E，Y2为护士站显示3房闪灯，输出指示灯型号为XB2-E。

Y3为护士站显示1房响铃，Y4为护士站显示2房响铃，Y5为护士站显示1房响铃，响铃型号为BDL-125。

Y6～Y21分别为1～3房中1～4床的床头灯，Y22～Y24分别为1～3房门口闪灯，灯型号为XB2-E。

Y25为输出保持指示灯。

采用24V电源供电。

3 病床呼叫控制系统的程序设计
3.1 常用编程方法介绍
翻译法：用PLC中软元件，代替原继电器—接触器控制线路图中的元器件，直接翻译成梯形图的方法。

主要用于对旧设备、旧控制系统的技术改造。

如电机的正反转，时间控制等。

经验法：在PLC发展的初期，沿用了设计继电器电路图的方法来设计梯形图，即在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，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，最后的结果不是惟一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系，所以有人把这种设计方法叫做经验设计法，它可以用于较简单的梯形图的设计，
逻辑代数法：以布尔逻辑代数为理论基础，以逻辑变量“0”或“1”作为研究对象，以“与”、“或”、“非”三种基本逻辑运算为分析依据，对电气控制线路进行逻辑运算，把触点的“通、断”状态用逻辑变量“0”或“1”来表示。

时序图法：根据控制要求分配输入输出，以及内部定时器、计数器和辅助继电器，再分析逻辑关系，画出时序图，并根据时序图，列出逻辑表达式，绘制出梯形图。

图解法：图解法是靠画图进行设计。

常用的方法有梯形图法、波形图法及流程法。

梯形图法是基本方法，无论是经验法还是解析法，若将PLC程序转化成梯形图后，就要用到梯形图法。

波形图法适合于时间控制电路，将对应信号的波形画出后，再依时间逻辑关系去组合，就可很容易把电路设计出。

流程法是用框图表示PLC程序执行过程及输入条件与输出关系，在使用步进指令的情况下，用它设计是很方便的。

根据设计要求及个人水平，设计选用图解法中的流程图法来编写程序。

3.2 病床呼叫系统程序设计
3.2.1 病床呼叫系统编程方法
病床呼叫系统的流程框图如图2所示。

当系统接收第一次病房按键呼叫时，等待5S，看是否有按键重置信号，若有，停止呼叫。

若没有，则护士站呼叫病床号电铃启动，接着医护人员响应消除电铃，若处理结束，则按下复位按钮，若没有就继续处理。

图2 病床呼叫系统的流程框图
3.2.2 病床呼叫系统梯形图
根据病床呼叫系统的流程框图以及基本指令编写了病床呼叫控制系统梯形图，病床呼叫控制系统梯形图见附录A。

4 病床呼叫系统的程序仿真
4.1 仿真说明
采用三菱全系列PLC仿真调试软件GX Simulator对程序进行仿真，在安装GX Simulator之前需先安装好编程软件GX Developer并将程序编好变换，GX Simulator安装完后是嵌入到GX Developer中的，没有单独的快捷方式，需要仿真时，点击菜单栏中的“工具”->”梯形图逻辑测试”即可启动仿真。

4.2 仿真过程
因为病床呼叫系统的输入信号比较多，且三个病房控制原理相同，即用X44代表护士站1、2、3房1-4床取消紧急呼叫及闪灯按钮，就不一一仿真，设计选择用1号病房来仿真。

即用X44代表护士站1、2、3房1-4床取消紧急呼叫及闪灯按钮，用X0、X1、X2、X3代表1、2、3房1-4床紧急按钮。

下面是1号病房4个病床的仿真。

设计设定1号病房1号床按下置位按钮X000，且在5s内没有按重置按钮
X014，理论则1号床头灯Y006亮，1号病房门口灯Y022闪烁，医护站1号病房灯Y000闪烁。

仿真结果如图3所示。

X000动作，5S不按下X014，Y006动作，Y022及Y000闪烁动作。

仿真结果与理论结果相符，满足设计要求。

图3 1号病房1号床仿真结果
设计设定1号病房2号床按下置位按钮X001，且在5s内没有按重置按钮X015，理论则2号床头灯Y007亮，1号病房门口灯Y022闪烁，医护站1号病房灯Y000闪烁。

仿真结果如图4所示。

X001动作，5S不按下X015，Y007动作，Y022及Y000闪烁动作。

仿真结果与理论结果相符，满足设计要求。

图4 1号病房2号床仿真结果
设计设定1号病房3号床按下置位按钮X002，且在5s内没有按重置按钮X016，理论则3号床头灯Y010亮，1号病房门口灯Y022闪烁，医护站1号病房灯Y000闪烁。

仿真结果如图5和图6所示。

X002动作，5S不按下X016，Y010动作，Y022及Y000闪烁动作。

仿真结果与理论结果相符，满足设计要求。

图5 1号病房3号床仿真结果
图6 1号病房3号床仿真结果
设计设定1号病房4号床按下置位按钮X003，且在5s内没有按重置按钮X017，理论则3号床头灯Y011亮，1号病房门口灯Y022闪烁，医护站1号病房灯Y000闪烁。

仿真结果如图7所示。

X003动作，5S不按下X017，Y011动作，Y022及Y000闪烁动作。

仿真结果与理论结果相符，满足设计要求。

图7 1号病房4号床仿真结果
课程设计，使我加深了对PLC梯形图、指令表、外部接线图的理解，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。

病床呼叫系统主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了对病床的呼叫控制。

利用梯形图程序可以很直观的看出运行过程。

利用可编程控制器控制，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。

当建筑物的层楼增加时，硬件接线上只需增加楼层，病房相应的输入信号。

原来的接线不需改变，软件上只需增加相应楼层，房间，床位的功能，要改动的地方也较少。

调试结果表明，在适应性、精确性和可靠性方面，到达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。

病床呼叫系统设计是一个很大的考验，但也是一个很大的学习机会，了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。

因为现在医院中的已经广泛应用病床呼叫系统，所以未来的功能会病床呼叫系统越来越多。

身边有许多能够用所学的专业知识来解决的问题，将理论知识与生活实际结合，会学到更多理解得更深。

课程设计虽然艰难但是学到了很多。

以后要更努力的学习，运用自己所学的知识来运用的实际中，解决实际问题。

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致谢
感谢陆老师对我的教学与指导和对我文档的修改提出了宝贵的意见，不仅提高了我的PLC方面的知识，还提高了我得综合运用能力和理论运用到实际的能力。

感谢同学在从文献资料的收集到具体程序设计的各个阶段他们都给予了我莫大的帮助，让我更顺利的完成本次课程设计。

感谢我的家人在生活上对我的关心和照顾以及对我的学业的莫大支持。

感谢所有关心和帮助过我的人。

附录附录A 病床呼叫系统梯形图
一房1-4号病床·
二房1-4号病床
三房1-4号病床
附录B 病床呼叫系统接线图
25。