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1、基于PLC的自动售货机控制系统论文 乔永生 焦作大学 基于PLC的自动售货机控制系统论文专业名称:电气自动化技术学生姓名: 导师姓名: 职 称： 焦作大学二一二年 12 月 基于PLC的自动售货机控制系统姓 名 学制3年专 业电气自动化技术研究方向自动化技术导 师 职称讲 师论文提交日期2011.12.25论文答辩日期2012.01.04焦作大学摘要本论文设计的是基于西门子S7-200 系列PLC构成的自动售货机监控系统，本文阐述了自动售货机的来源与发展，以及它在国内外发展的现状，对自动售货机的方案进行了论证，介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理，对基于西门子S7-200 系列PLC构成的
2、自动售货机系统整体设计过程进行较为细致的论述。文中详尽地介绍了自动售货机的各硬件组成，并完成了PLC外部接线图。在PLC梯形图的编写时，文中采用的是西门子PLC梯形图专用编译软件STEP7来进行编写。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稳定运行。关键词: PLC；顺序功能图；梯形图；I/O点的分配目录摘要I目录II1自动售货机的实际意义11.1自动售货机的理论背
3、景与实际意义11.2自动售货机设计的主要内容21.3自动售货机设计的基本思路22 硬件的选择32.1 硬件电路组成框图32.2 主要硬件选择42.2.1硬币识别器42.2.2纸币识别器52.3电磁阀的选择52.4 PLC的选择63 PLC的概述73.1 PLC的定义73.2 PLC的简介73.3 PLC的工作原理73.3.1 PLC的循环扫描工作83.3.2 PLC的硬件组成93.3.3 PLC的编程语言103.3.4 PLC的特点104 PLC控制自动售货机设计124.1自动售货机的工作流程124.2自动售货机I/O点的分配124.3自动售货机的I/O接口图135 自动售货机的PLC控制系统
4、设计155.1控制系统设计的基本原则155.2定时器155.3 自动售货机PLC控制程序设计165.4 自动售货机的相关说明246 设计总结25致谢26参考文献271自动售货机的实际意义1.1自动售货机的理论背景与实际意义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
5、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，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，
6、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。1.2自动售货机设计的主要内容1.此自动售货机可以投入五角、一元的硬币；2.如果顾客投入硬币在限定的时间内（2分钟）不按任何按键，自动售货机将退还所投硬币；3.当投入硬币的总值等
7、于或才超过物品价值时，对应的物品指示灯亮绿灯；4.当物品对应的指示灯亮绿灯时，按下按下相应的按键，相应的物品排出，同时指示灯绿灯闪烁；5.如果顾客投入硬币总值超过所选物品的价值时，自动售货机会自动将余款退还顾客；6.当顾客成功购买完一件物品后20秒无操作，自动售货机会自动将余款退还顾客；7.如果顾客投入硬币后又不想买物品，按下退款按键，自动售货机会自动将余款退还顾客；8.找零时顾客可选择退一元的还是五角的；9.当物品不足时，对应的物品指示灯亮红灯，顾客按下相应的按键无反应（不出物品，不减余额），并向总部发送所缺物品。1.3自动售货机设计的基本思路本次设计的题目是自动售货机，主要是应用西门子S7
8、-200型PLC的梯形图来设计控制程序，并简单介绍相关的知识，如：PLC的定义、PLC的编程语言、PLC的硬件组成等。根据设计内容和控制要求画出顺序功能图和梯形图，再根据PLC的相关知识设计出它的外部接线图，结合梯形图和外部接线图分析说明该设计的控制原理过程。本次设计的重要部分是第三章的设计部分，即自动售货机梯形图的设计。首先就得根据设计内容和控制要求准确画出它的顺序功能图，再根据所画出的顺序功能图准确设计出它的梯形图，这样才能真正理解本次智能抢答器的控制原理。2 硬件的选择2.1 硬件电路组成框图 图2-1 当售货机有钱币投入时，会经过硬币识别器和纸币识别器，在真币的情况下将信号送到PLC的
9、输入端，此时，可以按下各选择按钮，选择按钮的信号送到PLC后相应的输出端子得电，使输出继电器得电输出饮料。同时七段数码管也会显示出实时的金额提醒顾客。当购买完毕按下退币按钮退币。若有顾客忘记退币，售货机会自动报警提醒顾客退币。 2.2 主要硬件选择2.2.1硬币识别器 1、硬币识别原理主要识别指标：材质、厚度、直径。 材质是用电磁的方式测的，使用空心线圈或磁芯线圈，线圈组数少的只有一组，多的常见的是六组。工作状态下，线圈及其外围电路会以一个特殊的频率振荡（多个线圈的话频率各不相同），当硬币以垂直或平行于线圈平面的方式穿过时（不同产品方式不同），会引起振荡频率的变化。材质不同所引起的频率变化幅度
10、和方向（增加、减少）也不同，对某种硬币的变化特征进行记录后，就成为使用中识别该种硬币的依据。 厚度是没有东西专门测的，实际上这个指标是和材质一起测。因为即使相同材质的硬币，如果厚薄不同，导致的频率变化差异也较大。 直径老式的识别装置用光电管队列来识别直径，排列组合得当的话，识别精度也不低（可答0.5mm）。新一点的都用偏心或异形线圈来测量，依据是直径小的硬币与线圈的重合部分也少，由此也带来频率变化的不同 2、产品型号适用硬币：直径18mm-32mm；厚度1.2mm-3.2mm。适用于人民币。工作电压：DC+12V 。功耗：静能0.5mW ；动能0.5W 工作温度：-20+50 2.2.2纸币识
11、别器1、纸币识别原理 图2-2把正常的钞票在各传感器接收到的信号进行统计取样、识别，并寄存起来，作为检测的依据。当识别纸币时，把在各通道接口接收到的信号参数与原寄存起来的信号参数进行比较、判断，若有明显差异时就立即送出报警信号并截停电机，同时送出对应的信号提示。 2、型号电压：DC +12V +-5% 电流：待机0.12A 工作2A工作温度： 0C 55C保存温度： -20C 60C 湿度：30% 85% RH ( no condensation ) 重量：0.8kg 插入方向：任意方向 图2-3 识别时间：2.5秒2.3电磁阀的选择 国内外的电磁阀从原理上分为三大类(即：直动式、分步直动式、
12、先导式)，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类(直动膜片结构、分步膜片结构、先导式膜片结构、直动活塞结构、分步活塞结构、先导活塞结构) 。 本设计主要采用的是直动势电磁阀。 直动式电磁阀 原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧力把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但一般通径不超过25mm。2.4 PLC的选择 目前，自动售货机的核心是单片机，可是一但输出电压不稳定，单片机就容易发热造成爆裂，可靠性低等缺点，而PLC不但可以实现类似的控制功能，还具有性能可靠、电压使用范围广、灵活通用、易于编程
13、、使用方便等特点，并且提高了自动售货机系统的稳定性，能够保证自动售货机能够长期稳定运行；因此近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。所以，本文选择PLC来控制自动售货机。此次，我选择的是西门子S7-200的PLC。3 PLC的概述3.1 PLC的定义PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计
14、。3.2 PLC的简介PLC是以CPU为核心，综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，是现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。目前，世界上生产PLC的主要厂家有65个，其中最有名气的厂家在日本、美国和德国。日本的几个厂家为三菱、富士。日立、东芝、横河、立石、光洋、夏普等公司。美国的几个厂家为德州食品公司、通用电器公司、歌德公司、数字设备公司等。还有德国的西门子，荷兰的飞利浦，香港的鹰达等公司也是很有名气的。日本三菱电机公司（MITSUBISHI）于1971年开始研制PLC，目前主要有F1,F2,FX,K,A等十几个系列几十种产品，在我国（主要是华
15、东和华南地区）的工业控制领域具有一定的市场占有率。3.3 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。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3-1 各阶段处理任务3.3.1
16、 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
17、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3-2 PLC的扫描全过程 3.3.2 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。图3-3 PLC硬件结构图3.3.3 PLC的编程语言PLC为用户提供了完善的编程语言来满足编制用户程序要求。它提供的编程语言通常有以下5种：梯形图（LA
18、D）、语句表（STL）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）和结构文本（ST）。3.3.4 PLC的特点（1）抗干扰能力强，可靠性好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、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。（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不同要求的控制系统。（3）编程方便，易于使用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。（4）功能完善在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。（5）设计、施工、调试、的周期短PLC采用模块化积木式结构，故仅需按性能、容
19、量等选用组装，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。（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。4 PLC控制自动售货机设计4.1自动售货机的工作流程自动售货机是机电一体化的自动化装置，在接收到货币已输入的前提下，靠触摸控制按扭输入信号使控制器启动相关位置的机械装置来完成规定动作，将货物输出。 （1）用户将货币投入投币口，货币识别器对所投货币进行识别； （2）控制器根据金额将商品可售卖信息通过选货按键指示灯提供给用户，由用户自
20、主选择欲购买的商品； （3）按下用户选择商品所对应的按键，控制器接收到按键所传递过来的信息，驱动相应部件，售出用户选择的商品到达出货口； （4）如果还有足够的余额，则可继续购买。在20秒之内，自动售货机将自动找出零币或用户旋转退币旋钮，退出零币； （5）从退币口取出零币完成此次交易。4.2自动售货机I/O点的分配输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控对象，以实现控制目的。本次自动售货机I/O点的分配表如表4-1所示。表4-
21、1自动售货机PLC控制I/O地址分配表输入信号PLC地址输出信号PLC地址找零按钮I0.0五角食品红灯（售完）Q0.0五角食品按钮I0.1一元食品红灯（售完）Q0.1一元食品按钮I0.2一元饮料红灯（售完）Q0.2一元饮料按钮I0.3二元饮料红灯（售完）Q0.3二元饮料按钮I0.4二元日用红灯（售完）Q0.4二元日用按钮I0.5三元日用红灯（售完）Q0.5三元日用按钮I0.6找零Q0.6五角投币按钮I0.7五角食品出口Q0.7一元投币按钮I1.0一元食品出口Q1.0五角找零按钮I1.1一元饮料出口Q1.1一元找零按钮I1.2二元饮料出口Q1.2五角食品行程开关I1.3二元日用出口Q1.3一元食
22、品行程开关I1.4三元日用出口Q1.4一元饮料行程开关I1.5五角食品绿灯（可购买）Q1.5二元饮料行程开关I1.6一元食品绿灯（可购买）Q1.6二元日用行程开关I1.7一元饮料绿灯（可购买）Q1.7三元日用行程开关I2.0二元饮料绿灯（可购买）Q2.0二元日用绿灯（可购买）Q2.1三元日用绿灯（可购买）Q2.24.3自动售货机的I/O接口图此次自动售货机的I/O接口图如图4-1所示，SB2-SB7是物品选择按钮，当投入货币物品绿灯亮（Q1.5-Q2.2）。按下SB2-SB7其中一个，对应的KM线圈得电，电机转动出相应的物品（Q0.7-Q1.4）；当有物品售完，其行程开关断开，物品红灯亮并同时
23、向总部发送物品销售完的信息；当购买物品总值低于投入总值时，可按找零按钮SB1选择找一元还是五角（SB10、SB11）后KM1得电，电机转动找零（Q0.6）。图4-1自动售货机 PLC控制I/O接口图5 自动售货机的PLC控制系统设计5.1控制系统设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现生产设备或生产过程的控制要求和工艺需要，从而提高产品质量和生产效率。因此，在设计PLC应用系统时，应遵循以下基本原则：（1）充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求；（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便；（3）保证控制系统安全可靠；（4）应考虑生产的发展和工艺的
24、改进，在选择PLC的型号、I/O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。5.2定时器定时器是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。定时器的工作过程与继电器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触电，失电时，常闭触点闭合，常开触电打开;定时器得电时，常闭触点打开，常开触点闭合，定时器的当前值、设定值均为10位有符号整数（INT），允许最大值为32767。定时器指令表见表5-1。表5-1 定时器指令梯形图功能、注释TON 接通延时定时器TOF断开延时定时器TONR 保持型接通延时定时器BITIM起动间隔定时器CITIM计算间隔定时器5.3 自动售货机PL
25、C控制程序设计本次设计的自动售货机主要销售食品、饮料、日用三大类，而食品有五角和一元，饮料有一元和二元，日用有二元和三元共六种。本次自动售货机PLC控制梯形图，如图5-1示：5.4 自动售货机的相关说明上面梯形图中ADD_DI是双整数加法，5角时加5，投入1元时加10；SUB_DI是双整数减法，当成功购买物品时就减去物品对应的数；T37-T56表示通电延时定时器，按下物品按钮时T37-T42延时8秒，无操作时T43启动计时20秒，T44与T43配合组成投币2分钟无操作找零，T46-T56两两配合形成闪烁电路。图5-2 自动售货机模拟操作面板本设计统一采用按钮开关模拟物品选择，按钮内有绿灯和红灯
26、分别表示可购买物品和物品销售完；指示灯模拟物品输出及找零如图4-1所示6 设计总结论文在讲述了自动售货机的发展过程，以及国内外发展的现状。在此基础上进行了方案论证，介绍了PLC的基本组成、特点、工作原理以及PLC的选型，并对基于PLC的自动售货机系统的构成进行了详尽的论述。根据毕业设计任务书的设计要求，以S7-200型PLC为主控制器，采用顺序控制的程序设计思路，设计了系统控制程序，包括投币程序、比较选择购买程序和退币程序等等，通过本次论文设计，使我对 PLC控制的知识有了更深层次的认识，同时通过多次上机操作，我对计算计的运用能力也有很大的提高，而在论文设计中通过查阅文献，搜集资料，综合分析等
27、方面的训练，使我综合运用各方面知识，分析解决实际问题的能力也得到了很大的提高。在具体的设计过程中，通过老师和同学的帮助和自己的不断摸索，掌握了不少的工程设计方法，同时也培养了自己的工程设计思想，为以后的实际工作打下了一定的基础 。PLC B本次自动售货机设计方案比较简单，造价也比较便宜，操作简便，适合投放在学校、医院、超市等公共场合。但本系统还存在一些不完善的地方，例如在对硬币识别的功能上不够完善，用户使用上有一定的局限。不完善的部分和功能的增加有待于进一步的设计和调试。致谢本文是在梁老师的精心指导下完成的，从论文选题、构思到最后定稿，每个环节都有老师的细心指导。在学习中，老师严谨求实的教学风
28、范、认真的工作态度都是值得我学习的，他的这种精神也将永远激励我向前进。在此，向老师表示衷心的感谢。同时还要感谢帮助我的其他同学和老师们，正是由于他们给予了我耐心的帮助和关心支持，我才能在学习和其他方面有更一步的提高，才能更加丰富和完善自己。参考文献1 王淑英主编.电气控制与PLC应用.北京：机械工业出版社，2007.12 余雷声.电气控制与PLC应用M.北京:机械工业出版社，1999 3 何衍庆.可编程控制器原理及应用技巧M.北京:化学工业出版社，1998 4 廖常初主编. PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，2002 5 西门子公司.SIMATIC S7-200可变程序控制器系统手册.2000.116 王宏文主编.自动化专业英语北京：机械工业出版社，2000.57 赵相宾.可编程控制器技术与应用系统设计.机械工业出版社，2002.78 孙平主编.可编程控制器原理及应用.北京：机械工业出版社，20039 陈金华.可编程序控制器(PC)应用技术.北京电子工业出版社，1995
