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1、江苏农林职业技术学院 毕 业 设 计（论 文）SNL/QR7.5.4-3 自动售货机PLC控制系统设计专 业 学生姓名 班 级 学 号 指导教师 完成日期 成绩评议学号姓名 题目 指导教师建议成绩： 评阅教师建议成绩： 答辩小组建议成绩： 院答辩委员会评阅意见及评定成绩：答辩委员会主任签字（盖章）： 年 月 日毕业设计（论文）任务书姓名学号班级题目设计(论文)主要内容重点研究问题主要技术指标其它要说明的问题指导老师意见 指导教师签字： 年 月 日指导教师意见 对论文的简短评价：1.指出论文存在的问题及错误2.对创造性工作评价3.建议成绩 优 良 中 及格 不及格 指导教师签字 年 月 日评阅教
2、师意见 对论文的简短评价：1.指出论文存在的问题及错误2.对创造性工作评价3.建议成绩 优 良 中 及格 不及格 评阅教师签字 年 月 日答辩小组评议意见学号姓名 题目 答辩小组意见： 1、对论文的评价2.建议成绩等级 优 良 中 及格 不及格3.需要说明的问题 答辩小组长签字 年 月 日自动售货机PLC控制系统设计摘要：本文介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，然后以一次交易过程为例，把交易过程分为几个程序块，然后分别对程序块进行编程。具体说明了可编程序控制器在自动售货机中的作用。程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。利用PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性，保证自动售货机能够长期
3、稳定运行。关键词 ： 自动售货机；可编程序控制器；梯形图。AbstractThis paper describes the basic principle of the vending machine and the working process, and then take a transaction process, the transaction process is divided into several block, then respectively for programming block. The concrete expression of the role of pr
4、ogrammable controller in the vending machine. Program involves the vending machine work most of the process. Using PLC control of automatic vending machine to improve the stability of the system, and the vending machine to ensure the long-term stable operation. Key words ：vending machine; Programmab
5、le controller; Ladder diagram目录中文摘要英文摘要第一章 绪论引言1.1自动售货机的生产与发展1.2 PLC的概述1.3 PLC的发展趋势1.4 PLC的特点第二章 可编程控制器PLC2.1 PLC的工作原理2.2 PLC的循环扫描工作2.3 PLC的硬件组成2.4 PLC的选型原则第三章 自动售货机的系统设计3.1自动售货机的控制要求3.2 自动售货机PLC控制方案3.3各电机主电路3.4 PLC接线图3.5 I/O地址分配及元件明细表3.6 PLC控制程序梯形图3.7 PLC控制程序指令参考文献致谢附录 第一章 绪论引言自动售货机（Vending Machine
6、）起源于公元前215年的古埃及，当时用于人们在神庙里用金币购买圣水。19世纪70年代，自动售货机在美国、日本迅猛发展，如今已成为世界上最大的现金交易市场。作为一种前卫的零售方式，自动售货机已在45个国家广泛普及。据统计，日本平均每23人就拥有一台自动售货机，美国平均每40人拥有一台自动售货机，美国自动售货机的零售营业额高达293亿美元，日本每个消费者每年在自动售货机上的消费金额达5.5元。全世界每年通过自动售货机销售商品的总额已达2000亿美元。近些年，随着我国商品市场的不断繁荣和城市现代化程度的不断提高，自动售货机也已悄然步入了我国的大中城市。自动售货机在北京、上海、大连、沈阳、西安开始出现
7、，成为不少年轻人时髦的购物选择。在国家相关政府部门的大力支持下，中国的自动售货机产业以超常规的速度迅猛发展，并带动了一批新的服务业、物流运输配送业的快速发展，丰富了中国的商业产业结构，开创了一个全新的自动销售和自助服务时代。本文设计自动售货机的目的在于，结合现实中的情况，在巩固和应用所学知识的前提下，充分发挥自己的动手和实际设计的能力，设计出一款简单实用的自动售货机。1.1自动售货机的生产与发展自动售货机是一种全新的商业零售形式，20世纪70年代自日本和欧美发展起来。它又被称为24小时营业的微型超市。在日本，70的罐装饮料是通过自动售货机售出的；全球著名饮料商可口可乐公司在全世界就布有50万台
8、饮料自动售货机。在中国,自动售货机1999年开始进人中国市场如今，在机场、地铁、商场、公园等客流较大的场所，已不难发现自动售货机的身影。从自动售货机的发展趋势来看，它的出现是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。大量生产、大量消费以及消费模式和销售环境的变化，要求出现新的流通渠道；而相对的超市、百货购物中心等新的流通渠道的产生，人工费用也不断上升；再加上场地的局限性以及购物的便利性等这些因素的制约，无人自动售货机作为一种必须的机器便应运而生了它的售货领域非常广泛，是发达国家商品零售的一种主要方式。近几年，自动售货机逐渐被越来越多的消费者所接受。但由于售货机分布零散、范围广阔的特点
9、，自动售货机在为消费者带来方便的同时，也为经营者在监控、管理、维护等方面带来很大的不便。目前售货机运行的各种情况都需要由人工判断，包括缺货、缺零钱、币箱已满、售货机机械故障等，经营者普遍采用人工定时巡回视察的管理办法，既费时费力，又无法及时准确获取自动售货机状态报告，给经营者增加了管理成本和难度，也有可能给消费者的正常消费造成不便。 本系统的设计和实现可以使自动售货机的经营者可以根据网络统计的销售状况进行商品销售状况分析，预测商品的销售走势，确定合理的采购和配送策略，以期获得最高的投资回报率。同时售货机的一些故障信息和警报信息可以实时的传送到相应运营人员，从而可以在第一时间内发现并解决问题。1
10、.2 PLC的概述 20世纪20年代起，人们把各种继电器。定时器。接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统.由于它结构简单。容易掌握。价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位.但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差. 20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然
11、要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置.为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：（1） 编程方便，可现场修改程序（2） 维修方便，采用插件式结构（3） 可靠性高于继电器控制装置（4） 体积小于继电器控制盘（5） 数据可直接送入管理计算机（6） 成本可与继电器控制盘竞争（7） 输入可以是交流150V以上（8） 输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器，电磁阀等（9） 扩展时原系统改变最小（10） 用户存储器至少能扩张到4KB（适应当时汽车装配过程的需
12、要） 十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。1.3 PLC的发展趋势PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下几个方面。（1）向小型化、专用化、低成本方向发展随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使PLC结构更为凑，相当与一本精装本书的大小，操作使用十分方便。PLC的功能不断增加，将原来大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。（2）向大容量、高速度方向发展 大型PLC采用多微处理器系统，有的采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增
13、强了过程控制和数据处理的功能。另外，存储容量大大增加。（3）智能型I/O模块的发展 智能型I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。（4）基于PC的编程软件取代编程器 随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机上的编程软件。编程软件可以对PLC控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，例如设置各框架各个插槽上模块的型号、模块的参数、各串行通行接口的参数等。（5）PLC编程语言的标准化 与个人计算机相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。在硬件方面，各厂家的CPU模块
14、和I/O模块互不通用。PLC的编程语言和指令系统的功能和表达式也不一致，因此各厂家的可遍程序控制器互不兼容。为了解决这一问题，IEC制定了可遍程序控制器标准。标准中共有5种编程语言，允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，这使编程能够选择不同的语言来适应特殊的工作。（6）PLC通信的易用化PLC的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中控制。（7）组态软件与PLC的软件化 个人计算机（PC）的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。（8）PLC与现场总线相结合现场总线I/O与PLC可以组成功能强大的、廉价的D
15、CS系统。（9）开发新型特殊功能模块I/O组件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大处理能力。(10) CPU的处理速度进一步加快目前，PLC的处理速度与计算机相比还比较慢，其高的CPU也不过80486，将来会全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU进行处理、分时处理或分任务处理方式，将各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可使PLC的处理速度达到纳秒级。1.4 PLC的特点（1）抗干扰能力强，可靠性好PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热
16、、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。具体措施主要有以下几个方面：1）隔离：这是抗干扰的主要措施之一。PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于PLC的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。 2）滤波：这是抗干扰的另一个主要措施。在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。3）对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。4）内部设置了连锁、环境检测与诊断、
17、watchdog（“看门狗”）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证CPU可靠运行。5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。6）对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。7）采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。8）以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。（2）控制系统结构简单，通用性强PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和
18、不同要求的控制系统。（3）编程方便，易于使用PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。（4）功能完善PLC的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制I/O等诸多
19、功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。（5）设计、施工、调试、的周期短用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。（6）体积小，维护操作方便PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC的输入/输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能
20、通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。（7）易于实现网络化PLC可连成功能很强的网络系统。（8）可实现三电一体化PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。第二章 可编程控制器PLC2.1 PLC的工作原理PLC的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。PLC通电后，首先对硬件和软件作一些初始化操作，初始化反复不停地分阶段处理各种不同的任务（见图2-1）。但是PLC也有它自己的特点，PLC在确定了工作任务，装入了专用
21、程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。4读取输入执行用户程序处理通信要求自诊断检查改写输出RUN状体读取输入处理通信要求自诊断检查改写输出STOP状体图2-1 各阶段处理任务2.2 PLC的循环扫描工作对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的扫描全过程如图2-2所示。（1） 输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入
22、状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。（2） 程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。（3） 输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。 图2-2 PLC的扫描全过程 显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定
23、程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对于控制时间要
24、求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响。2.3 PLC的硬件组成PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等几部分组成。其中，CPU是PLC的核心；输入单元/输出单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路；通信接口用于连接编程器、上位计算机等外部设备，其硬件构成图如图2-3。5图2-3 PLC硬件结构图2.4 PLC的选型原则当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的PLC ,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。
25、对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际电数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。所以一旦它们是交流220V的负载负载使用。则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。这样有可能造成输出点浪费，增加成本。所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，
26、但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。对第二个问题，则有以下几个方面要考虑： 1规模要适合输入、输出点数以及软件对PLC功能及指令的要求是选择PLC机型规模大小的重要依据。首先要确保有足够的输入、输出点数，并留有一点的余地（要有10%的备用量）。如果只是为了实现单机自动化，或机电一体化产品，可选用小型PLC。如果控制系统较大，输入、输出点数较多，被控设备较分散，可以选用中型或大型PLC。还应确定拥护程序存储器的容量。一般粗略的估计方法是：（输入+输出）（1012）=指令步数。特别要注意因控制较复杂，数据处理量较大，可能出现存储量不够的问题。2功能要相当，结构要合理对于
27、以开关量进行控制的系统，一般的低档机就能满足要求。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，应选用带A/D、D/A转换，加减运算、数据传送功能的低档机。对于控制比较复杂，控制性能要求较高的系统，例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可视控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体式结构PLC。其他情况则选用模块式结构PLC。3输入、输出功能及负载能力的选择选择哪一种功能的输入、输出形式或模块，取决于控制系统中输入和输出信号的种类、参数要求和技
28、术要求，选用具有相应功能的模块。为了提高抗干扰能力，输入、输出均应选用具有光电隔离的模块。对于输出形式，分为无触点和有触点两种形式。无触点输出大多使用大功率三级管（直流输出）或双向可控硅（交流输出）电路，其优点是可靠性高、响应速度快、寿命长，缺点是价格高、过载能力差。有触点输出是使用继电器触点输出，其优点是使用电压范围宽、导通压降损失小、价格便宜，缺点是寿命短、响应速度慢。此外，还应考虑输入、输出的负载能力，要注意承受的电压值和电流值。应该指出的是，输出电流和导通负载电流值是不同概念。输出电流值是指美意个输出点的驱动能力。导通负载电流值是指整个输出模块驱动负载是所允许的最大电流值，即整个输出模
29、块的满负荷能力。4使用环境条件在选择PLC时，要考虑使用现场的环境条件是否符合他的规定。一般考虑的环境条件有：环境温度、相对湿度、电源允许波动范围和抗干扰等指标。第三章 自动售货机的系统设计3.1 自动售货机的控制要求（1）该自动售货机可以同时投入5角、1元、或5元纸币,自动销售汽水、果汁和咖啡.（2）当投入的硬币总值等于或超过2元时,汽水按钮指示灯亮;当投入的硬币总值等于或超过2.5元时,汽水按钮和果汁按钮同时亮;当投入的硬币总值等于或超过3元时,汽水按钮、果汁按钮和咖啡按钮同时亮. 指示灯 按纽 投币口 5角 1元 5元 出币口 出货口汽水2元果汁2.5元咖啡3元找钱图9 自动售货机示意图（3）当汽水按钮灯亮时,按汽水按钮,则汽水会滚出到取货槽。（4）当果汁按钮灯亮时,按果汁按钮,则果汁会滚出到取货槽。（5）当咖啡按钮灯亮时,按咖啡按钮,则咖啡会滚出到取货槽。（6）若投入的硬币总值超过所购商品的价格(汽水2元,果汁2.5元,咖啡3元),则找钱指示灯亮,同时进行找钱动作.
