基于S7-200PLC的病床呼叫器系统设计
学号091401228
《电气控制与可编程控制技术》
课程设计
（2009级本科）
题目：基于S7-200PLC的病床呼叫器系统设计
系（部）院：物理与机电工程学院
专业：电气工程及其自动化
作者姓名：丁彩萍
指导教师：张静职称：副教授
完成日期： 2 0 1 2 年 1 2 月 1 4 日
课程设计任务2012年秋季学期学生姓名丁彩萍学号091401228 专业方向电力系统班级09级（2）班
题目名称基于S7-200PLC的病床呼叫器控制设计
一、设计要求：
设计一个基于s7-200PLC控制的病床呼叫系统，主要用于医院病务区的病人有紧急或自己不方便的事件时呼叫护士站寻求帮助，护士根据站内指示灯及响铃获取求助信息的来源，并能及时的给其提供帮助。护士在站内发现信号时及时将站内灯及响铃复位，在处理完后再在病床前的开关将病床及病房的灯及铃复位。（具体工作过程由设计者自己定）
二、设计任务：
1.完成控制系统的硬件设计，主要包括：电气元件的选择、电气原理图设计、可编程控制器输入输出接线图设计及控制面板设计等。
2.完成控制梯形图的软件设计，主要包括：控制程序流程图设计、梯形图程序设计及仿真调试。
3.完成课程设计说明书的撰写，主要包括：封面、目录、设计任务书、设计总体思路、硬件设计、软件设计、总结体会、参考文献等
三、设计进度及安排：
第一周星期一下达设计任务书，了解控制系统设计相关知识
星期二～星期四查阅文献资料，确定控制系统的总体设计方案，完成控制系统的硬件设计
星期五至第二周星期一～星期二完成控制系统的软件设计及调试
星期三～星期四撰写课程设计说明书
星期五答辩
指导教师签字：
目录
第1章设计病床呼叫系统目的和要求 (2)
第2章病床呼叫系统的硬件设计 (3)
2.1 I/O点数的确定 (3)
2.2 PLC的选型 (4)
2.3 病床呼叫系统原理图 (6)
第3章病床呼叫系统软件设计 (7)
3.1 控制流程图 (7)
3.2梯形图 (8)
第4章病床呼叫系统的仿真与调试 (15)
总结 (17)
谢辞 (18)
参考文献 (17)
第1章设计病床呼叫系统目的和要求
1、设计目的
本设计的目的是通过对病床呼叫系统PC－PLC控制系统的工作原理的分析、系统设计、编程、及上机调试工作的实践，了解电气控制系统的一般设计思路，熟悉和掌握外围电路系统和软件设计的方法，并掌握利用PC对PLC工作状况进行监控的方法。
本设计的指导思想是设计一个当病人紧急呼叫时，产生响铃提示，并显示病人所在病房及病床编号；护士根据显示的呼叫病床及病房的编号帮助需要帮助的病人。医护人员处理完呼叫后，清除已处理的呼叫信号，然后根据指示灯的指示据需帮助其他需要帮助的病人，直到所有的指示灯指示的病人全部帮助完，即所有的指示灯都熄灭为止。本设计的旨在能够更好的为病人进行护理，对病情严重者尤为重要。此设计在国内外均已投入生产使用，国内外已有多家厂商成产类似的设计产品用于医院的病房的紧急呼叫系统。在国内也已逐渐趋于成熟，系统在临床实践使用中已达到了相当不错的效果。此设计能让普通的乡村医院使用，价格便宜、安装方便、节约人力、财力资源，能更好的体现医院的本质---救死扶伤，为人民大众服务。
2、设计要求
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，设计要求如下：
1、设置三个病房每个病房4张床；
2、当无人呼叫时，医护站内七段数码显示管显示00，启动按钮指示灯点亮；
3、当有病人呼叫时，医护站内指示灯先亮，若5s内没有人员处理则电铃响起，若无人按下电铃复位开关则电铃响10s，间隔5s后电铃一直响直至有人按下任意复位按钮为止；
4、当有一人呼叫时，对应的病房号和病床号指示灯点亮；医护站内七段数码显示管显示对应的病房号和病床号；
5、当有多人呼叫时，各自对应的病房号和病床指示灯点亮；（同一病房的病人呼叫时只显示同一个病房所对应的指示灯)；
6、医护站内七段数码显示管指示灯显示最后一位呼叫病人所对应的病房号和病床号；
7、医护站内值班人员收到呼叫信号后，前往呼叫的病人所在单元，先复位病房号指示灯，待帮助完后复位病床指示灯，紧接着帮助下一个需要帮助的病人；当所有呼叫帮助完成且所有指示灯复位以后，值班人员会医护站复位站内七段数码显示管；
8、当医护人员不在值班室，而又有病人呼叫帮助时，医护人员可以根据指示灯的指引直接前往病房帮助需要帮助的病人并且熄灭指示灯和电铃；当帮助完所有需要帮助的病人之后回到护士值班室复位呼叫系统。
第2章病床呼叫系统的硬件设计
2.1 I/O点数的确定
根据估算的结果本系统的I/O点数为输入21个，输出26个，如表2—1所示。
表 2—1 病床呼叫系统输入/输出地址表
输入点
名称地址说明
启动按钮I0.0开始
医护站内复位按钮I0.1复位
病房一①号床呼叫信号I1.0 检测是否呼叫
病房一②号床呼叫信号I1.1 检测是否呼叫
病房一③号床呼叫信号I1.2 检测是否呼叫
病房一④号床呼叫信号I1.3 检测是否呼叫
病房二①号床呼叫信号I1.4 检测是否呼叫
病房二②号床呼叫信号I1.5 检测是否呼叫
病房二③号床呼叫信号I1.6 检测是否呼叫
病房二④号床呼叫信号I1.7 检测是否呼叫
病房三①号床呼叫信号I2.0 检测是否呼叫
病房三②号床呼叫信号I2.1 检测是否呼叫
病房三③号床呼叫信号I2.2 检测是否呼叫
病房三④号床呼叫信号I2.3 检测是否呼叫
医护站内病房一复位按钮I3.1 检测是否复位
医护站内病房二复位按钮I3.2 检测是否复位
医护站内病房三复位按钮I3.3 检测是否复位
①号床复位按钮I4.1 检测是否复位
②号床复位按钮I4.2 检测是否复位
③号床复位按钮I4.3 检测是否复位
④号床复位按钮I4.4 检测是否复位
输出点
名称地址说明
七段数码管Q0.0-Q0.6 显示呼叫的房号
七段数码管Q1.0-Q1.6 显示呼叫的床号
启动指示信号灯Q2.0 检测系统是否启动
一号病房指示灯Q2.1 检测一号房是否有人呼叫
二号病房指示灯Q2.2 检测二号房是否有人呼叫
三号病房指示灯Q2.3 检测三号房是否有人呼叫
电铃指示灯Q2.5 提醒医护人员有病人需要帮助医护站复位指示灯Q2.7 检测医护站内数码管是否复位
①床床头指示灯Q3.1 一号床是否呼叫
②床床头指示灯Q3.2 二号床是否呼叫
③床床头指示灯Q3.3 三号床是否呼叫
④床床头指示灯Q3.4 四号床是否呼叫
2.2 PLC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40个，输出32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。
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。
S7-200PLC它有四种不同的型号，由于设计要求有21个输入点和26个输出点，因而选择S7-CPU226最为合适。
S7-200系列PLC主要有六种扩展模块，它本身没有CPU，只能与CPU模块相连接使用，用于扩展I/O点数。根据本设计需要，增加两个数字量模块，即EM223。
即综上所述，本设计采用西门子公司推出整体式小型编辑器S7-CPU226和两扩展模块EM223来实现整个自动系统的控制。
2.3 病床呼叫系统原理
医护呼叫系统发展到现在，已经不再是简单的医患之间沟通的工具，在实际应用当中应兼顾到医院的整体设计，既有特色具有良好实用性、装饰性的设备将得到越来越广泛的应用。我们设计的医护呼叫系统是引进国际最新理念，并为国内领先的系统，系统可实现护士站人员与住院患者之间直接、可靠的资讯联络。紧急呼叫先进功能，采用数位加密编码无线传输、呼叫资料与数位显示板联网、传输距离远传输速度快速、先进兼具行业特色之功能。
1
.00.0I I 3
.22.21.20.27.16.15.14.13.12.11.10.1I I I I I I I I I I I I 3
.32.31.3I I I 4
.43.42.41.4I I I I COM
1
.20.2Q Q 3
.22.2Q Q 5
.2Q 7
.2Q 2
.31.3Q Q 4
.33.3Q Q COM
V
2201
SB 2
SB 一房一床呼叫一房二床呼叫一房三床呼叫
一房四床呼叫
二房一床呼叫
二房二床呼叫二房三床呼叫二房四床呼叫三房一床呼叫三房二床呼叫三房三床呼叫三房四床呼叫
一房复位二房复位三房复位
一床复位
二床复位
三床复位
四床复位
数码管显示房号
数码管显示床号
启动显示灯
一房呼叫显示灯二房呼叫显示灯三房呼叫显示灯
医护站电铃
医护站复位显示灯一床呼叫床头灯二床呼叫床头灯三床呼叫床头灯
四床呼叫床头灯
226
CPU 223
EM 6
.05.04.03.02.01.00.0Q Q Q Q Q Q Q 6
.15.14.13.12.11.10.1Q Q Q Q Q Q Q M
L
V 24COM
COM
第3章 病床呼叫系统软件设计
3.1 控制流程图
启动
有无呼叫房号灯、床号灯亮医护站显示床号，房号
延时5s 电铃响起
有无复位操作有无复位操作响铃10s 电铃熄灭
有无复位操作延时5s 电铃一直响
停止
无
无
无
有
有
有
无
有
有
有
有
医护站复位
医护站复位
医护站复位
病房复位
病房复位
病房复位
医护站复位
病房，病床灯灭，医护站显示00
床灯，房灯灭床灯，房灯灭电铃熄灭
床灯，房灯灭
医护站复位显示00
3.2 梯形图
第4章病床呼叫系统的仿真与调试
1、按下启动按钮，启动指示灯点亮，同时医护站显示00
2、有一个病人呼叫时，医护站显示对应病人的床号，房号，同时病人所在的病房，病床指示灯亮
3、有多个病人呼叫时，护士处理过程中指示灯的变化情况
（1）一房一床，二房三床，三房四床病人呼叫帮助
（2）护士处理完三房四床的指示结果
（3）护士处理二房三床的指示结果
（4）护士处理完一房一床的指示结果
（5）护士帮助完病人之后复位护士站内的复位按钮的指示结果
通过对任务书的解读及程序的编写和最后结果的仿真，能从仿真结果得到预想的结果，能基本实现病床呼叫的过程。
总结
本系统旨在能够实现病患与医务人员之间对于病情信息的双向交互从而实现医院病房的科学化、人性化管理。并且要清楚的是本系统所涉及的对象是病患，所以一切应从病患的角度考虑充分满足病患的需要。
分析完控制对象，明白了控制要求，接下来应对PLC的型号进行选择。PLC分为整体式与模块式2种结构。整体式（又称箱体式）结构的PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在同一机体内。这种结构的特点是结构简单、体积小、价格低、输入/输出点数固定、实现的功能和控制规模固定，但灵活性较低；模块式（又称组合式）结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线互相联系。其中PLC的CPU和存储器设计在一个模块上，有时把电源也放在这一模块上，该模块在总线上的安装位置一般是固定的。模块式的PLC安装完成后，需进行登记，以便PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认。模块式的特点是系统构成的灵活性高。可以构成不同控制规模和功能的PLC。
根据控制要求和使用的实际条件进行主程序的编写，之后就是编写远程I/O程序。这段程序用来进行模拟屏上显示设备的运行情况和模拟数据采集等功能。
谢辞
本文是在张静老师的悉心指导下完成的。老师为论文课题的研究提出了许多指导性的意见，为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。张老师的严谨治学、不断探索的科研作风，敏锐深邃的学术洞察力，孜孜不倦的敬业精神，给我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本文结束之际，特向我敬爱的导师张老师致以最崇高的敬礼和深深的感谢！
经过近段的努力，我顺利的完成了我的毕业设计。这份毕业设计既是对过去三年所学知识的总结，又是对自己知识的提高的良机。
实践是最好的老师。通过毕业设计，一方面可以发现自己的不足，纠正学习中的错误；另一方面又可以积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的基础。毕业设计中既动脑、又动手，是一个理论与实际结合的过程。仅仅有理论是不够的，更重要的是实践经验。对设计方案的优越化，也需要我们综合各方面的因素考虑，尤其是实际，最后我还想向教育我、支持我的各位老师及帮助过我的各位同学朋友表以真挚的谢意！
参考文献
[1]张晓锋，张静.电气控制与可编程控制技术及应用.北京：国防工业出版社，2010.
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[3]史国生.电气控制与可编程控制技术.北京：化学工业出版社，2004.
[4]张万忠.可编程控制器入门与应用实例（西门子S7-200系列).北京：清华大学出版社，2007.
[5]王鑫.PLC机电控制系统应用设计技术.北京：电子工业出版社，2010.
[6] 赵化启，王越男，于贵文.电气控制与可编程控制器.北京：电子工业出版社，2009.
[7]王阿根.电气可编程控制原理与应用.北京：清华大学出版社,2007.
[8]何文雪.刘华波.吴贺荣.LIC编程与应用.北京:机械工业出版社2010.