基于PLC的无人坚守点滴监控系统设计

摘要

本设计主要对医院无人坚守点滴自动监控系统进行设计，按照该无人坚守点滴自动监控的工艺要求，对计量泵进行控制。系统设计主要采用三菱FX3U系列的可编程控制器，按照无人坚守点滴自动监控的工艺要求，进行设计方案的分析，并完成该系统的硬件图纸设计和软件程序设计，通过程序的仿真调试，达到设计的要求，在系统设计中，充分考虑系统的安全保护功能和设备的联锁控制功能，使系统在运行过程中能够应对各种工况，达到基本的工艺系统设计要求。

 

关键词：无人坚守点滴监控；三菱FX3U；仿真调试

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

引 言

  在医院，病人经常需要进行点滴治疗，在传统的点滴治疗中，往往通过人工进行控制，对点滴的速度快慢、液体是否点滴完毕等问题，通过人工控制的效果比较差。比如在点滴速度快慢，对不同的病人，点滴速度要求不相同，通过传统的调节点滴的调节器，往往不能稳定可靠，当病人点滴输入完毕，护士无法及时发现，导致血液回流等意外情况，使护士不堪压力。本设计主要针对无人坚守点滴自动监控系统进行设计，主要解决点滴速度快慢控制以及液体点滴完毕呼叫控制功能。系统设计通过硬件图纸、软件程序进行设计，达到设计的工艺要求。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

目录

摘要 1

引 言 2

第1章 无人坚守点滴控制的工艺设计 4

1.1 无人坚守点滴控制的工艺要求 4

1.2 无人坚守点滴的控制方案 5

第2章 无人坚守点滴控制的硬件设计 7

2.1 系统的I/O分配设计 7

2.2 可编程控制器的接线图设计 7

2.3 计量泵的接线图设计 8

第3章 无人坚守点滴控制的软件设计 10

3.1 程序功能图的设计 10

3.2 程序的设计 11

第4章 无人坚守点滴的仿真设计 13

总 结 15

参考文献 16

致谢 17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第1章 无人坚守点滴控制的工艺设计

1.1 无人坚守点滴控制的工艺要求

   针对医院的点滴治疗采用的人工控制方式，往往对点滴速度控制不尽理想，并且在点滴完毕后，无法及时发现和处理等问题，设计一套无人坚守点滴自动监控系统。对点滴的速度进行控制，并且对点滴完毕后，进行及时呼叫，提醒护士进行处理。本设计的无人坚守点滴自动监控的设计示意图如下所示。

 

图1-1 无人坚守点滴自动监控的示意图

   按照以上的示意图可知，点滴通过计量泵进行速度调节和自动输液，具体工艺分析如下。

（1）在液体瓶的上方，安装有液检测传感器，当液体瓶有液时，有液检测传感器将输入信号给控制单元，表示当前有液；当液体瓶无液时，有液检测传感器将停止输入信号给控制单元；

（2）液体瓶通过液体管穿过计量泵，计量泵可以控制该液体管的液体流速，当计量泵启动后，液体管的液体开始流通，通过计量泵的脉冲控制，当脉冲增大时，液体管的流速越快，当脉冲减小时，液体管的流速越慢。从而达到控制液体管流速的目的；

（3）通过控制面板，输入命令，控制面板有启动按钮、停止按钮、速度增加按钮、速度减小按钮以及复位按钮。这些面板的按钮将信号输入到控制单元，控制单元根据输入信号进行计量泵的控制和流速的控制；

（4）当液体输完后，液体瓶无液体，此时有液传感器将信号给控制单元，表示当前液体输入完毕。此时系统将关闭计量泵，并进行呼叫输出，等待护士处理。

按照以上的工艺要求，对无人坚守点滴自动控制进行设计，系统设计主要进行硬件图纸设计和软件程序设计，并且对控制单元的程序进行仿真调试，达到此工艺的要求。

1.2 无人坚守点滴的控制方案

     通过无人坚守点滴控制的工艺要求，需要进行控制方案的设计，控制方案的选择主要考虑现场的应用环境、系统的功能要求以及经济成本的投资考虑等进行分析。系统设计的要求务必做到控制稳定、适应现场工业环境、并且能够为后期升级改造提供空间。控制方案的选择直接关系到系统运行的稳定性，功能实现的完整性以及控制方便快捷。单片机的功能比较强大，能够应对现场各种控制功能，控制精度高，自动化程度也高，而且能够根据现场的工艺要求，实现各种功能，达到控制的工艺目的。但是单片机系统方案对现场的抗干扰要求比较严格，扩展性能比较差，不能适应于作业恶劣的工业环境，后期系统升级困难。所以按照本系统的设计要求，需要为后期升级改造留有空间，因此单片机系统方案无法满足本系统的工艺要求，故此方案不作考虑。可编程控制器的开发设计本身是针对工业控制环境的特定要求而研制，可编程控制器结合当前研究最新成果，特别是计算机的技术发展、通信技术发展、传感器应用发展等领域的研究，都可以通过可编程控制器的特定功能模块得以实现。面对复杂的工业环境，可编程控制器设计最初，就考虑抗干扰能力性能、高可靠性能、高稳定性能等，所以可编程控制器的应用比较广泛。对于可编程控制器的大量普及和应用，本次设计就考虑采用可编程控制器作为总控制单元，进行该系统的工艺设计。

   按照设计方案比较，选用可编程控制器作为本设计的方案，通过工艺的分析可知，本设计的控制方案如下图所示。

 

图1-2 无人坚守点滴自动监控的设计方案图

   按照以上的设计方案可知，对于无人坚守点滴自动监控的设计，输入部分主要包括启动按钮、停止按钮、加速按钮、减速按钮、复位按钮、有液传感器输入、选用的可编程控制器为三菱的FX3U-48MR进行设计，系统输出部分主要由运行输出、加速输出、减速输出、运行指示、有液指示、呼叫输出等。控制的主要对象为计量泵的控制。本系统选用的计量泵为小型点滴专用计量泵，可以通过脉冲控制输液管的流速大小。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第2章 无人坚守点滴控制的硬件设计

2.1 系统的I/O分配设计

  对于无人坚守点滴控制设计，需要对系统的输入部分和输出部分进行设计。为了后期的PLC接线图设计和软件程序设计，都后期的程序仿真调试起到方便。在程序设计中，通过I/O分配，可以明确外部输入部分和输出部分的地址，对编程有很大的帮助，能够减小程序设计的周期，杜绝程序设计过程中变量地址的设置错误，本设计的I/O分配表如下表2-1所示。

表2-1 I/O分配表

X输入点

功能

Y输出点

功能

 

X000

启动按钮

Y000

运行输出

 

X001

停止按钮

Y001

计量加速

 

X002

加速按钮

Y002

计量减速

 

X003

减速按钮

Y003

运行指示

 

X004

有液传感器

Y004

有液指示

 

X005

呼叫复位

Y005

呼叫输出

 

2.2 可编程控制器的接线图设计

通过FX3U系列的PLC，电源端子为N和L，接入交流AC220V电源，采用的电压等级为AC220V，通过小型断路器的动作，对输入电源进行接通和断开操作，外部输入点和输出点的电压等级也为AC220V，所选用的输出电气执行元件的电压要负荷输出点的电压等级。。在X输入部分，公共端为COM1，接入电源的N极，按钮等电器元件的一端接入L极，另一端接入PLC的相应的端子。当按钮接通时，相应的输入端子指示灯亮，表示该回路输入点接通。在Y输出部分，公共端子有COM1， COM1端与N极接通。对于继电器线圈，线圈的一端从PLC的输出端子接入，另一端与负极接通。具体的接线图如下图所示。

 

图2-1 PLC的接线设计图

2.3 计量泵的接线图设计

对于计量泵控制，采用FU01熔断器进行保护，将单相电输入到计量泵内部，输出为泵体。通过调节泵体的脉冲大小来达到控制点滴流速控制的目的。具体接线图如下所示。

 

图2-2 计量泵的接线设计图

计量泵输入包括运行信号、加速信号和减速信号，当KA1接通，计量泵开始运行，当KA1断开，计量泵停止运行。当运行时，减速信号输入，计量泵的脉冲输出减小，加速信号输入，计量泵的脉冲输出增加。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第3章 无人坚守点滴控制的软件设计

3.1 程序功能图的设计

  对于无人坚守点滴监控控制系统，按照工艺设计的基本要求，对该系统进行流程图设计如下所示。

 

图3-1 无人坚守点滴控制流程工艺图

      按照以上程序流程图可知，当系统初始化后，首先进行是否有液体的判断，当有液体后，可以按下系统启动按钮，计量泵运行；当无液体时，系统启动按钮无效。当计量泵运行后，可以通过加速按钮和减速按钮进行液体的流速调节，当调节好后，将对流速进行稳定的控制。当无液体时，表示当前液体已经输完，此时系统自动停止，计量泵停止工作，将输出呼叫，并且延时1分钟，当1分钟到后，呼叫自动停止。当按下复位按钮，呼叫自动复位。

3.2 程序的设计

当有液传感器X4信号输入时，表示当前有液体输入，按下X0系统启动按钮，将M0运行位置位，系统开始运行。

 

  当系统运行后，通过X2输入，进行加速输出，通过X3输入，进行减速输出，调节计量泵的脉冲，从而达到流速控制的目的。

 

当M0置位后，输出Y0和Y3，表示当前运行状态。当X4输入后，表示当前有液状态，输出Y4有液指示。

 

   当按下停止按钮，或者当X4输入，表示当前无液，将系统自动停止，M0复位，并将M1置位，表示开始执行呼叫。

 

当M1置位后，输出Y5呼叫，并且进行T0的延时，延时时间为60秒，当延时时间到后，将M1自动复位。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第4章 无人坚守点滴的仿真设计

系统程序的仿真运行通过GX-Works2软件进行仿真，当打开程序后，在程序的工具栏选择“梯形图的启动测试”图标，将会出现对话框如下图5-1所示。

 

图5-1程序写入对话框

   当仿真运行后，可以通过鼠标右键，点击“软元件测试”，相应的对话框如下图5-2所示。

 

图5-2 软元件测试对话框

通过 “强制ON/OFF取反”的选择，来改变软元件的状态，按照以上的操作，并且通过工艺流程图和I/O分配表进行程序测试仿真。仿真结果如下：

 

 

 

 

图5-3 仿真调试效果图

总 结

  按照无人坚守点滴自动监控工艺的详细分析，采用可编程控制器的设计方案，选用FX3U-48MR。通过总体方案的确定，进行图纸的设计。在程序流程分析中，重点对各个逻辑控制进行详细设计，完成程序的设计和调试。通过系统的调试，本系统设计符合无人坚守点滴自动监控系统的工艺方案。通过最终的系统测试，本设计的系统稳定可靠，扩展性强，易于理解和升级，符合设计的要求。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献

[1] 郁汉琪.可编程序控制器原理及应用 [M].中国电力出版社,2010:132-135.

[2] 郑凤翼.怎样看电气控制电路图 [M].人民邮政出版社,2015:32-36.

[3] 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例[M].人民邮电出版社,2012:71-73.

[4] 郑凤翼.图解PLC控制系统梯形图和语句表[M].人民邮政出版社,2016:119-121.

[5] 徐科军.传感器与检测技术[M].电子工业出版社,2011:54-57.

[6] 唐介.电机与拖动 [M]. 高等教育出版社,2007:51-52.

[7] 王学东.PLC在点滴监控系统中的应用[J].医学科技学报,2014.17(1)，22-25．

[8] 李春辉.无人坚守自动点滴的设计与实现[J].长春大学学报,2014(39):79-81.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

致谢

经过这段时间的努力，我的毕业设计基本完成，期间每一步，对我来说，都是一个很大的挑战，每次都是面对新的问题，这个设计是学习的一个总结，是我目前为止真正完成的整机项目。这段时间里，经理了很多，最重要的是对大学所学知识进行了系统总结，同时也学会了新东西，尤其是论文写作，在老师的指导下，我受益匪浅。所以，我首先感谢我的指导老师。老师不仅给我的论文研究指明了方向，还在论文写作期间给与无尽的帮助，在此向老师说声：老师，您辛苦了！不管在生活还是学习上，家人都给了我很大的支持，没有他们就没有我，家人是我学习的动力，为了不辜负他们期望，我还会更加努力的。在父母眼里，不管我变成什么样，我都是他们眼里长不大的孩子，是他们孩子的同时我也不会让他们失望的。还有我的同学们，大学的时光，一起学习一起成长，我们的感情永远不褪色。我会坚强的面对各种压力，努力学习，让自己成为社会有用之才。