医院紧急呼叫系统及界面设计毕业设计论文

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (2)

0 引言 (4)

1 病床呼叫系统发展概况 (5)

1.1 课题研究的主要内容和意义 (6)

2 课题研究方案 (6)

2.1 继电器设计 (6)

2.2 基于单片机的控制系统 (7)

2.3 基于PLC可编程控制器控制系统 (9)

2.4 系统组成 (11)

2.5 系统流程 (11)

3 可编程控制器控制系统 (12)

3.1 PLC的主要原理 (12)

3.1.1 自诊断测试扫描过程 (13)

3.1.2 与网络进行通信的扫描过程 (13)

3.1.3 用户程序扫描过程 (13)

3.1.4 读输入与写输出扫描过程 (13)

3.2 可编程控制器的特点 (14)

4 S7-300系列PLC的配置及组态 (15)

4.1 S7-300的插槽地址 (15)

4.2医院紧急呼叫系统的硬件组态及程序设计 (15)

4.2.1 创建项目 (15)

4.3.2 硬件组态程序 (16)

4.3.3程序设计 (18)

4.4医院紧急呼叫系统的I/O分配表 (18)

4.5 课题所涉及到指令 (20)

4.5.1指令组成 (20)

4.5.2位逻辑指令 (20)

4.5.3 时钟存储器（Clock Memory） (20)

4.5.4计数器指令 (20)

4.5 医院紧急呼叫系统的PLC程序 (21)

4.5.1 部分程序控制功能 (21)

5 WINCC组态软件简要介绍 (24)

5.1 WinCC的系统构成 (24)

5.2 WinCC的性能特点 (26)

5.3建立项目 (27)

5.3.1 建立一个新项目 (27)

5.3.2 项目的设置 (28)

5.4 组态项目 (29)

5.4.1配置PLC驱动 (29)

5.4.2 建立连接 (30)

5.4.3建立过程变量 (30)

5.5 图形设计编辑器介绍 (31)

5.5.1 WinCC图形设计编辑器 (31)

5.5.2图形设计面板 (32)

5.5.3对象选项板一标准对象 (33)

5.5.4使用WinCC图库 (34)

5.6 生成动态对象 (35)

5.6.1 用图形设计器生成动态对象 (35)

5.6.2 理解WinCC中的图形对象 (40)

6 图形界面总述 (40)

6.1 图形界面介绍 (41)

6.1.1 登录界面 (41)

6.1.2 监控画面 (42)

6.1.3 病房3D图 (42)

6.1.4 2D线路图 (43)

6.1.5 PLC硬件接线图 (44)

6.2 与PLC的连接 (44)

6.3 运行设置和激活 (46)

7 结束语 (47)

7.1 总结 (47)

7.2 展望 (47)

7.3 致谢 (48)

参考文献 (50)

附录 (51)

译文 (64)

原文说明 (76)

摘要

当今时代的医院管理已经不再是简单的人工管理模式，而是逐渐向电子化、网络化、智能化的高端技术管理模式方向迅速发展。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。而病床求助呼叫是传送临床信息的重要手段，因此它要求及时、准确、可靠、简便可行。“医院紧急呼叫系统”可以实现对病房的智能化管理，可实现呼叫、求救警报、显示等等功能。

医院紧急呼叫系统使管理更为智能化。该控制系统采用西门子plc300作为下位机进行程序控制。采用WinCC人机界面作为上位机，有监控、组态、开发功能。根据控制要求可以利用PLC编写系统的控制程序，通过WINCC可以创建呼叫系统的界面，再利用WINCC与PLC之间建立通信，最终通过组态画面可以使病人的呼叫状况实时地反映在电脑上，从而实现护士站对医院中每个病房与其对应病床进行实时的远程监控和管理，从而更好地安排护士进行护理。

关键词：PLC，控制程序，WINCC，人机界面，远程监控和管理

PLC program and interface design of Hospital emergency call

system

ABSTRACT

In today's era,the Hospital management is no longer a simple manual management mode, but gradually towards to the rapid development of high technology management model to the direction of electronic, networked, intelligent. During the time of patients in the hospital, the doctor or nurse may be requested at any time to diagnosis or treatment. The beds are an important means of calling for help to send clinical information, so it requires timely, accurate, reliable, simple and feasible. " the Hospital emergency calling system" can be achieved on the ward intelligent management, enabling calls, distress alarm, display and so on.

The Hospital emergency calling system makes management more intelligent. The control system uses Siemens plc300 as the next crew for program control.And HMI using WinCC as a PC, there is monitoring, configuration, development functions. According to the control system requirements the control program can be written by using PLC. Call system interface can be created by WINCC,and then establish communication between the PLC and WINCC, final configuration screen can make calls through the patient's condition in real time to reflect on the computer, In order

to achieve the nurses' station on the hospital beds in each ward and its corresponding real-time remote monitoring and management arrangements for nurses to better care.

Keywords: PLC，Control program ，WINCC，interface of man-machine，Remote monitoring and management

医院紧急呼叫系统PLC程序及界面设计

韦吉 011210228

0 引言

伴随着医疗体制改革的不断深化和医疗事业的飞速发展，越来越多的人们需要迅捷、方便地得到医院的各种各样的医疗服务，这必将使医院之间的竞争日趋激烈。这使得衡量一个医院的综合水平高低，不再仅仅局限于软、硬件的建设上，更要比服务。原有的服务体系已不足以适应现代社会需求，谋求适合现代社会需求的客户服务系统，是所有企事业单位计划做或正在做的工作。这些工作有利于改善服务量，提高效率并增加企业效益，从而赢得良好的社会声誉。如何利用先进的信息技术为医院服务，更大程度的提高医院的服务质量及利润，是医院信息化建设中的一个重要着眼点。

医院的竞争越来越激烈，商业医院的生存是第一位的，提升档次和服务质量迫在眉睫，陪护问题一直是医患矛盾的主体，也是长期困扰卫生系统服务质量的大问题，使用病房呼叫系统，方便病人更快找到医生，以节约病人的宝贵时间。病床呼叫系统是一种应用于医院病房、养老院等地方，用来联系沟通医护人员和病员的专用呼叫系统，是提高医院水平的必备设备之一。病床呼叫系统的优劣直接影响到病员的安危，历来受到各大医院的普遍重视。它要求及时、准确可靠、简便可行、利于推广。

目前市场上存在着许多种型号不一功能各异的医院病房呼叫系统，主

要为两大类：有线式和无线式。无线式病房呼叫系统不存在铺设线路的问题，但是可靠性差，而且无线电波会干扰其他医疗仪器设备。本文设计的是有线式的，适合较小的医院病房使用，具有成本低，易于操作、安装和维护，而且具有可靠稳定，对其他医疗设备不会产生干扰的特点；但受到布线较多，影响美观，故不适宜较大的医院。病床呼叫管理系统便于病员快捷的呼叫护士，缩短人工呼叫的时间。当今病房呼叫系统正在逐步地向智能化发展，它可以和录像机一起使用，当病人按下开关时，在护士值班室的大屏幕能够观察病人的需要。并且可以配备对讲机等设备，能够使病员及时快捷地与医护人员进行沟通。

1 病床呼叫系统发展概况

呼叫系统发展到今天，从应用层面可以说已经进入到商业化运营阶段。国内许多的呼叫中心其服务模式，已经从单纯的客户服务向服务与经营的混合型模式转变。这首先是呼叫市场需求的结果，也是呼叫技术及管理发展的必然结果。信息时代的医院管理已经从传统的人管模式，向智能化，电子化，信息化，网络化得高科技管理模式的方向迅速发展，“病房呼叫系统”可实现医院病房的智能化管理，可实现呼叫，报警，信息储存，显示等功能。为医院和患者都带来方便。在中国，约在 30，000 个医院中仅 30 ％的医院拥有自己的信息管理系统；拥有前端电话接入系统的医院就更少了。目前市场上存在着许多种型号不一功能各异的医院病房呼叫系统，主要为两大类：有线式和无线式。传统的有线式病房呼叫系统往往采用集中式结构，电源线、数据通信线、语音通信线分开传输，具

有铺设线路较多、成本高、安装调试困难、实时性差、故障率较高等缺点。无线式病房呼叫系统可靠性差，而且无线电波会干扰其它医疗仪器设备，目前大多数医院不采用无线呼叫系统。

1.1 课题研究的主要内容和意义

病床呼叫是传送病床信息的重要手段。信息时代的医院管理已经从传统的人工管理模式，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。病床呼叫系统可将病人的请求快递传送给值班医生和护士。因此呼叫系统的优劣直接关系到病人的安危，历来受到各大医院的普遍重视。它要求及时、准确、可靠、简便可行、利于推广。本课题通过建立医院紧急呼叫分布式控制系统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, ，用于病人在需要帮助的情况下对护士值班室进行呼叫，实现在值班室能得知病人所在病区号、病床号、床位号，在上位机中记录呼叫时间，应答时间等，可实现呼叫、求救报警、信息储存、显示等等功能，从而实现病房与医务人员之间的交互管理，以满足医院对全院的病房科学、化智能化管理。

2 课题研究方案

根据本课题的研究内容，共设计了三种不同的方案：(1)基于固态继电器的控制系统；(2)基于单片机的控制系统；(3)基于PLC可编程控制器的控制系统。

2.1 继电器设计

继电器是一种电控制器件，是当输入量的变化达到规定要求时，在电

气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统和被控制系统之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；因此，通过在护士站和病房之间建立电路连接，利用继电器对电路的“通”“断”来实现病房与护士站之间的联系。

因继电器具有寿命、可靠度较高，其灵敏度高，控制的功率小，干扰小，切换速度快等特点，并且市场上的继电器种类多，价格低廉，功能强大，因此利用继电器的控制方案可以很好地实现病房与护士站之间的信息传递。

但继电器同时也具有其自身的缺点，通常固体继电器设计成单刀单掷形式，这样比较容易实现，多组和多组转换结构需要用几个相互连接和适当连锁的固体继电器，这些固体继电器基本上是积木式堆叠在一起，形成一个占地较大空间的复杂装置。大功率固体继电器，由于需用散热片，就进一步增加了所有空间和成本。

2.2 基于单片机的控制系统

相对于继电器的控制系统，单片机控制具有其自身的优势。

根据设计目标，初定选择51系列的单片机，该系统以AT89C51单片机为核心，辅以矩阵键盘、LED显示电路和部分简单模拟和数字电路组成

的能够实现病人和医护人员之间信息的传递。每个病人要呼叫可以按键，不同的数码管显示床位号，相应的指示灯亮。这里主要矩阵键盘输入信号。

在该设计中每个病房都有一个按键，当患者有需要时，按下按键，此时值班室的显示屏可显示此患者的床位号，多人使用时可实现循环显示，医护人员按下“响应”键取消当前呼叫。系统结构框图与系统原理示意图如下图。

图2.1 系统结构框图

图2.2系统原理示意图

此系统能够为医院提供一个成本低、效率高、操作方便和易于安装维护的快捷系统。但是用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强,开发周期长。因此对于医院这种对故障率和抗干扰能力要求相对较高的条件下，单片机系统也具有自身的不足之处。

2.3 基于PLC可编程控制器控制系统

相对于单片机，本课题选择了更具优势的PLC可编程控制器的控制系统。由PLC可编程控制器构成的病床呼叫系统结构更简单，更易于管理，具有良好的应用前景。

PLC主要是由输入与输出部件、中央处理单元（CPU）、存储器、电源部件、编程器组成。其结构框图如下：

图2.3 PLC结构图

（1）中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O 以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O 映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。

为了进一步提高PLC 的可靠性近年来对大型PLC 还采用双CPU 构成冗余系统或采用三CPU 的表诀式系统，这样即使某个CPU 出现故障整个系统仍能正常运行。

（2）存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

（3）电源

PLC 的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将PLC 直接连接到交流电网上去。

2.4 系统组成

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:点亮病床警示灯和病房闪烁指示灯，护士站显示呼叫病床号，启动振铃，同时报警闪烁指示灯也被点亮，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。

2.5 系统流程

a、病人按下病床紧急按钮时，病床警示灯亮提示患者已发出呼叫请求。监控系统则立即响应，如果是患者误操作，则可以按下复位按钮可解除呼叫，同时关断病床指示灯。但是为了安全起见，在病人按下复位按钮后，在护士站内的监控系统上则仍旧会显示病人的呼叫，即使是病人的误操作，护士站内的护士也需要到相应的呼叫病房中询问。

b、在患者呼叫时监控系统启动，护士站病房报警指示灯开始闪烁，振铃启动，同时护士站显示器显示呼叫病床号，指示医护人员立即响应。执行医护人员首先按动响应按钮切断振铃，将闪烁病房报警指示灯变为常亮，同时启动对讲机，可以向患者发出询问或直接到现场处理。常亮的病

房号指示灯用来表明医护人员已经响应患者的呼叫，或正在现场处理中。医护人员处理完毕，通过复位按钮清除所有信号。被清除信号包括病床指示灯、护士站病房报警指示灯。护士站显示器和通道显示器可以显示当前的时间或被消隐。

c、为增加实时处理能力，当医护人员在响应某一呼叫时，允许其他患者呼叫。此时护士站相应的病房报警指示灯开始闪烁、振铃启动，同时显示出新的病床号。而前一次呼叫的病房报警指示灯仍然常亮。闪烁和常亮指示灯的区别为：闪烁灯告知相应的病房有患者呼叫，常亮灯记录了另一病房有医护人员正在现场处理中。

d、为提高医院的科学化管理，掌握所辖病区患者护理情况，也便于了解当医护人员的工作强度，本系统增加了在某个时间段内对患者呼叫次数统计。可以根据院方要求，任意设定统计时间，如8h或24h等。在锁定时间内将随时显示该病区的呼叫次数。呼叫次数加“1”信号取自医护人员处理完呼叫后的复位按钮，以保证记录的准确性。

3 可编程控制器控制系统

可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称为PC或PLC。3.1 PLC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。

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。

3.1.1 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。

3.1.2 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。

3.1.3 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。

3.1.4 读输入与写输出扫描过程

机器在正常运行状态下，每一时间。个扫描周期内都包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。CPU在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的运算的结果也不直接送到实际输出点，而是在内存中设置了两个映像寄存器：一个为输入映像寄存器，另

一个为输出映像寄存器。用户程序中所用的输入值是输入映像寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器中。在输入扫描过程中，CPU把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器；在输出过程中，CPU把输出映像寄存器的值锁定到实际输出点。为了现场调试方便，PLC具有I/O控制功能，用户可以通过编程器封锁或开放I／O。封锁I／O就是关闭I／O扫描过程。

3.2 可编程控制器的特点

PLC主要具有以下特点：

（1）可靠性高

为了满足工业生产对控制设备安全性和可靠性的要求，PLC采用了微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成。PLC选用的电子器件一般是工业级的，有的甚至是军用级的，平均无故障时间很长。（2）环境适应性强

PLC具有良好的环境适应性，可应用于十分恶劣的工业现场。在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作。

（3）灵活通用

在完成一个控制任务时，PLC具有很高的灵活性。在被控对象的控制逻辑需要改变时，利用PLC可以很方便地实现新的控制要求，这在一般继电器控制中是很难做到的。

（4）使用方便、维护简单

PLC控制的输入模块、输出模块和特殊功能模块都具有即插即用功能，连接十分容易。对于逻辑信号，输入和输出采用开关方式，不需要进行电

平转换和驱动放大；对于模拟信号，输入和输出采用传感器、仪表和驱动设备的标准信号。PLC控制系统的维护非常简单，利用PLC的诊断功能和监控功能，可以迅速查找到故障点，对大多数故障都可以及时予以排除。

4 S7-300系列PLC的配置及组态

4.1 S7-300的插槽地址

S7-300的各个模板安装在机架的插槽上，不同的模板在插槽的安装位置是固定的。如果选择了电源模板PS307，必须安装在1号槽位上。CPU 模板的安装位置紧挨着电源模板，安装在2号槽位上。用于连接扩展机架的接口模板IM，安装在3号槽位上。各种信号模板SM，安装在4号～11号槽位上。从4号槽位开始，CPU为信号模板分配I／O地址，且根据信号模板的类型递增I／O地址。

4.2医院紧急呼叫系统的硬件组态及程序设计

4.2.1 创建项目

打开【SIMATIC Manager】，系统会自动弹出“新建项目”向导（图7-8），同时，也可以通过选择菜单【文件】|【新建项目”向导】打开。这里，我们不使用“新建项目”向导。通过单击按钮【取消】关闭该向导。如图4.1所示。

图4.1 新建项目

在工具栏中单击按钮或在【文件】菜单下单击【新建】，可以直接创建一个新项目。在弹出的对话框中输入项目名称及路径，单击确定完成。这里建立了一个名为毕业设计的项目。

直接建立的项目只包含一个MPI子网对象，用户需要通过【插入】菜单来手动添家对象.用户可以插入一个PLC站，先进行硬件组态，完成硬件组态后，再在相应CPU的S7程序目录下编辑用户程序；也可以先插入一个独立的S7程序，编写用户程序，再进行硬件组态，等组态完成后将程序复制到相应的CPU中。

4.3.2 硬件组态程序

打开前面建立的项目毕业设计，在项目的根接点下插入一个“SIMATIC 300 站点”，将站点命名为SIMATIC300，选中左边窗口的“SIMATIC 300”，在右边窗口可以看到“硬件”的图标。

图4.2 PLC界面

双击“硬件”图标，就可以打开硬件组态界面。PLC的硬件配置如下。

图4.3 PLC硬件配置