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1、 摘要随着社会不断的进步，机械化程度的迅速发展，自动化控制已在人们的生活中得到了广泛的运用，给人们带来了便利。 本论文利用PLC自动控制具有功能完备、灵活性、通用性好，程序输入方法简化，操作简单等优点，设计PLC自动控制售货机控制系统，自动售货机是一种高智能化的产品，操作简便，可以充分补充人力资源的不足，这种自动售货机外型结构体积小，安置区域广，给人们的生活带来了具大的方便。 本设计介绍了自动售货机的结构组成，PLC的组成和工作方式，自动售货机的介绍包括了从顾客投币开始到自动售货机出货的全过程，涉及了LED数码显示和指示灯显示，钱币真伪判断，按键需要设计的矩阵式按键。设计从需要和经济综合因素的
2、考虑，选用了FX2N-64D型PLC的控制，这样就能够满足输入与输出控制，在设计中给出了控制系统的软硬件设计，在关键的部分如假币判断和商品选择部分着重讲解了程序的运用。整个控制程序采用GX7CH软件进行对梯形图的输入,完全能够符合设计需求。 为了更好的进行控制系统的模拟，最后还进行了力控组态模拟，力控组态模拟是一款身具多种功能的监控软件，可以实时的模拟动画，本次设计最后就进行了力控组态模拟动画演示，使整个设计要达到的目的一目了然。关键词：自动售货机，可编程序控制器，梯形图，力控组态ABSTRACT As society continues to progress, the rapid deve
3、lopment of mechanization, automation and control has been in peoples lives has been widely used, to bring the convenience. This thesis has featured PLC automatic control, flexibility, versatility, and simplify program input method, simple operation, the design control system PLC automatic control ma
4、chines, vending machines is a highly intelligent products, easy to operate , can fully complement the lack of human resources, this vending machine exterior structure, small size, placement region wide, has brought to peoples lives with great convenience. This design describes the structure and comp
5、osition of vending machines, PLC composition and working methods, including the introduction of vending machine coin from the beginning to the vending machine customer shipments of the entire process, involving the LED digital display and LED display, determine the authenticity of coins, keys need t
6、o design matrix button. Integrated design from needs and economic considerations, the choice of FX2N-64D type PLC control, so it can satisfy the input and output control, are given in the design of hardware and software design of the control system, such as counterfeit money in the crucial part of t
7、he judgment and product selection section focused on the use of the program. The whole control program using the ladder GX7CH software input, fully able to meet the design requirements. In order to better control system simulation, and finally carried out Forcecontrol Configuration simulation, simul
8、ation is a power control configurations with a variety of body functions monitoring software that can simulate real-time animation, this design has been finally Forcecontrol Configuration simulation animation, so that the whole purpose of the design to achieve a glance.Keywords: vending machines, pr
9、ogrammable logic controllers, ladder, power control configuration目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 研究背景11.1.1 自动售货机起起源及发展历程11.1.2 国内外研究现状及发展趋势21.2 研究的目的和意义31.3 研究内容及章节安排31.3.1 研究内容31.3.2 章节安排3第二章 总体方案设计52.1 总体分析设计52.2 方案的选择与设计52.2.1方案一：采用西门子S7-200系列PLC52.2.2方案二：采用三菱FX2N系列PLC52.3 方案比较确定6第三章 自动售货机的概况83.1本次设计自
10、动售货机概述83.2 自动售货机的功能实现103.3 PLC概述123.3.1 PLC的定义123.3.2本次设计为什么使用PLC控制器12 3.3.3 PLC的特点及应用领域133.3.4 PLC的工作原理和硬件组成143.3.4.2 PLC的循环扫描工作15第四章 硬件系统设计184.1 人机交互设备184.1.1 显示器选择184.1.2输入设备选择194.2 钱币识别设备194.2.1 硬币识别194.2.2 纸币的识别204.3 信息反馈设备204.4 电磁阀的选择214.4.1直动式电磁阀224.5 I/O地址分配224.6 硬件接线图24第五章 程序设计255.1 程序设计流程图
11、255.2 系统中的PLC指令简介255.2.1比较指令 CMP255.2.2 计数指令265.2.3运算指令275.3 部分中要程序分析275.3.1 判别假币真伪程序275.3.2 计币比较系统程序28 5.3.3 商品选择系统程序31 5.3.4 商品供应程序32 5.3.5 找零退币程序33第六章 力控组态模拟366.1 力控组态模拟简介366.2 力控组态软件的优点366.3 自动售货机动画模拟41 6.3.1 投币过程模拟426.3.2 购买显示模拟426.3.3 选择商品模拟436.3.4 找零模拟43第七章 总结45参考文献46致谢 47附录1 程序梯形图48附录2 指令表58
12、第一章 绪论1.1 研究背景从西欧、北美、日本和韩国等地区和国家的情况来看, 自动售货机在人们日常生活中扮演越来越重要的角色。 1962年, 出现了以自动售货机为主体的流通领域的革命。到了 20世纪 80年代, 自动售货机在美国和日本被广泛使用, 后逐渐散布世界各地,主要是发达国家。其产品特点是科技含量高; 24 h服务, 售货便利; 无需专人盯守, 省人工, 省成本; 售货范围广泛; 此外还是一种新颖独特的广告媒体。目前, 随着移动商务的发展, 自动售货机作为一种方便、直观的移动商务工具, 开始在全球各地迅速普及和发展。1.1.1 自动售货机起起源及发展历程 自动售货机(Vending Ma
13、chine)是一种全新的商业零售形式，其起源可以追溯到古埃及时代，亚历山大的科学家Hero在其所著的气体装置中描述只要将钱币投入该装置，水就会自动流出来。这就是自动售货机的起源，大约在公元前215年左右，埃及寺院中就安装了这种装置，用来销售“神圣之水（圣水）”。自动售货机最早出现是在20世纪五六十年代的西欧，20世纪70年代自日本和欧美发展起来。自动售货机是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
14、人自动售货机作为一种必须的机器便应运而生了。自动售货机的发展是围绕着其核心技术“货币识别技术”的演进而展开的，其发展历程如图1-1所示图1-1 自动售货机的发展历程 原始自动售货机：依靠物理手段进行硬币识别，以硬币驱动的最简单的自动售货装置 近代自动售货机：能够识别纸币自动售货装置 现在自动售货机：综合应用了控制论、系统论和信息论等现代科学理论的最新成果，是精密的机械制造技术、电子技术、传感技术、计算机技术、通讯技术、网络技术于一体的的高科技产品。它在保留的硬币盒纸币的识别功能的基础上，实现了对各种形式电子货币的识别，并且逐步过渡到利用信用卡和无限移动工具进行结算，是自助手段更佳简洁。 全自动
15、商店：在美国等发达国家，自动商店（Smarts Tore)正在兴起。其实自动商店就是一个规模超大的自动售货机。在这个收获机内，顾客可以在完全自助的情况下实现商品信息的查询、挑选、获取和货币支付。1.1.2 国内外研究现状及发展趋势 1993年我国开始从日本和韩国引进自动售货机，1995年第一台国产自动售货机在北京诞生l，由于我国的国情和消费观念与日本和欧美的不同,严重阻碍了我国自动售货机的行业的发展，国内的自动售货机生产厂家有湖南金码科技发展有限公司，天津南开戈德，澳柯玛集团及艾丝明自动售货机设备(上海)有限公司等。目前国内从自动售货机的制造、销售到运营管理都还不成熟,还未能形成完整的产业链，
16、这些问题主要体现在产品制造研发上,特别是一些控制管理系统的落后,致使运营商对自动售货机管理的效率低下,从而影响了我国自动售货机的行业发展。进入 21 世纪，自动售货机进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展，随着中国经济的平稳、和谐、快速增长,劳动者工资增加,人民生活水平提高,消费观念的改变，从2008年以后,城市改造和建设步伐加快,中国自动售货机行业终于迎来了难得的发展机遇，回顾中国自动售货机行业的发展过程,我们看到目前有本土企业经过近十年的努力,已经全面掌握了自动售货机的核心技术,主要包括VMC软硬件设计，MDB协议应用、自动出货、机器故障自诊断及容错设计、制冷电脑温控、纸币/硬币识别
17、及非现金(IC卡和手机购物)支付、以及整机设计制造和测试等多项技术。同时我们也看到随着信息技术，无线通信技术和互联网的普及以及环保节能技术的应用,自动售货机也在朝高的机电一体化水平发展，即娱乐化、智能化、信息化、网络化、节能化、环保化方向发展,同时能低成本远程监控售货机运营，及时发现机器内商品库存不足和机器故障的售货机网络集群运营管理系统，能满足中国市场需要的，具有收钱、出货、找零基本功能且质量稳定可靠的、运营成本低的、能大批量生产的、有售后服务左保证的、大批量投入运营后能保证更快回收投资的售货机这种机器应该是中国售货机运营商喜欢的售货机。但是要生产这样的售货机,其中的售货机控制管理系统则成为
18、我们研发的重点和难点。1.2 研究的目的和意义在中国, 自动售货机将成为一个潜在的巨大产业, 继百货商店、超市之后掀起第三次零售业革命,其前景非常广阔 2 。作为现代精密技术的结合体,自动售货机有其自身特点:分散性(分布在城市各处)，工作过程比较复杂(如货币识别、结算、找零、退币等操作)，故而极易发生各种故障而停售，所以一个稳定可靠的控制系统显得尤为重要。就控制系统而言，PLC控制系统是一个相当好的选择，PLC 是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性的可编程
19、控制系统。由于 PLC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点，使得 PLC 在工业控制上备受欢迎和推广。在自动售货机的控制上选用PLC非常合理，PLC的安全可靠和低成本对于自动售货机来说恰到好处，即满足了商家的利益最大化的同时也保证了商业的正常运转，PLC控制的自动售货机将是这一时段的主流。1.3 研究内容及章节安排1.3.1 研究内容 自动售货机是一种可完成无人自动售货，集光、机、电一体化的商业自动化设备。传统的自动售货机采用单片机作为控制核心，在输入输出端口做了大量的工作，但抗干扰能力比较差3。本文提出一种基于PLC 控制的自动售货机。主要研究内容是PL
20、C控制，选用西门子S7-200型PLC的梯形图来设计控制程序，根据设计内容和控制要求画出顺序功能图和梯形图，然后根据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，最后进行力控组态模拟。1.3.2 章节安排第一章 绪论介绍了自动售货机的产生和发展历程,分析了当前国内外自动售货机行业技术的研究状况,指出了本课题的研究目的和现实意义第二章 总体方案设计 比较两种PLC，并选择。第三章 自动售货机的概况介绍本次设计自动售货机功能及其实现方式和PLC的介绍。第四章 PLC的硬件设计人机交互设备、钱币识别器的、指示灯、电磁阀的选择。第五章 程序梯形图设计第六章
21、组态模拟第七章 总结 第二章 总体方案设计2.1 总体分析设计本次设计是以基于PLC控制的自动售货机设计，PLC的选择非常重要，结合实际情况，自动售货机的PLC应该具备可靠性高，适应性好，抗干扰能力强，电压适用范围广，编程方便，性价比高等特点。2.2 方案的选择与设计2.2.1方案一：采用西门子S7-200系列PLC 西门子S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 其优点是1.极高的可靠性 2.极丰富的指令集 3.易于掌握 4.便捷的操作 5.丰富的内置集成功
22、能 6.实时特性 7.强劲的通讯能力 8.丰富的扩展模块S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。2.2.2方案二：采用三菱FX2N系列PLC 三菱FX2N系列PLC是小形化，高速度，高性能等方面都是相当FX系列中最高档次的超小程序装置，除输入出1625 点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC4。其最大的优点是：1. 系统配
23、置即固定又灵活；2. 编程简单，备有可自由选择，丰富的品种；3. 令人放心的高性能；4. 高速运算；5. 使用于多种特殊用途；6. 外部机器通讯简单化；7. 共同的外部设备FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点；FX2N拥有从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。FX2N系列在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点
24、的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送，ASCII code印刷，HEX ASCII变换，校验码等。时计控制内置时钟的数据比较
25、、加法、减法、读出、写入等。2.3 方案比较确定相对于西门子PCL，西门子的功能比三菱的强大，但三菱PCL更适合用于小机型，更稳定更易于上手。大型的设备趋向于西门子，价格昂贵，三菱的较便宜，小型化5。其主要特点如下：1、 体积小FX1S、FX1N和FX2N系列的PLC的高度为90mm,深度为75mm（ FX1S和FX1N）和87mm(FX2N和FX2NC系列），体积小的微型PLC适合在机电一体化产品中使用。其内置的24V DC电源可做输入回路的电源和传感器的电源。2、 先进美观的外部结构三菱的FX系列PLC吸收了整体式和模块式PLC的优点，它的基本单元、扩展单元和合扩展模块的高度和深度相同，宽
26、度不同。他们之间用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方形。3、 提供多个子系列供用户选用FX1S、FX1N和FX2N的外观、高度、深度差不多，但是性能和价格有很大差别。FX1S系列是一种集成型小型单元式PLC，最多30个I/0点，且具有完整得性能和通讯功能等扩展性。如果考虑安装空间和成本是一种理想的选择。FX1N系列是三菱电机退出的功能强大的普及型PLC。具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱PLC。FX2N系列：是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活
27、性和控制能力。FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案。4、 灵活多变的系统配置FX系列PLC系统配置灵活，用户除了可选不同的子系列外，还可以选用多种基本单元，扩展单元和扩展模块，组成不同I/0点和不同功能的控制系统，买各种配置都可以得到很高的性能价格比。FX系列的配置就像模块式PLC那样灵活，因为它的基本单元采用整体式结构，又具有比模块式PLC更高的性能价格比。5、 功能强，使用方便FX系列的体积虽小，却具有很强的功能。其内置高速计数器，有输入输出刷新、中断、输入滤波时间调整、恒定扫描时间等功能，有高速计数器的专用比较指令。其基本单元和扩展单元一般采用插接式的接线端子排，更
28、换单元方便快捷。 经过反复的比较，最终设计选用三菱公司的FX2N-64MR-D型PLC。本次设计共有14个输入点，24个输出点，三菱的PLC具有16256点的灵活输入输出组合，考虑到后续售货机可能会增加商品等发展，所以选用了FX2N-64MR-D型PLC，拥有32/32个输入输出接口，能够满足本次设计要求。下图2-3为三菱FX1N型PLC： 图2-3 三菱FX2N型PLC第三章 自动售货机的概况3.1本次设计自动售货机概述在实际生活中，我们见到的售货机可以销售一些简单的日用品，如饮料、常用药品和小的生活保健用品等。售货机的基本功能就是对投入的货币进行运算，并根据货币数值判断是否能够购买某种商品
29、，并做出相应的反应，自动售货机是可完成无人自动售货,集光、 机、电一体化的商业自动化设备。自动售货机不受任何场地限制,方便快捷,很多城市的公共场所里面都放置有自动售货机。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。下图2-1为本次设计的自动售货机概图图2-1 自动售货机概图自动售货机应能够辨识机内包含的商品，能够对所投入的币值进行累计，并提供该自动售货机最基本的功能即对投入的钱币进行感应，并根据所投入的钱币数值判断是否能够购买某种商品，做出相应的反映。当按下选择商品的按钮时，相应的电磁阀起动，商品开始供应，提取商品到出货口，顾客取出商品，完成此次交
30、易。它具有投币感应系统、比较系统、选择和商品供应系统、退币系统、报警系统等来实现完整的售货功能。自动售货机的各种动作功能和控制要求，给出了完整的自动售货机操作规程，售货机的基本功能就是对投入的货币进行运算，并根据货币数值判断是否能够购买某种商品，并做出相应的反应6。售货机中有9种商品，价格依次从1元到8元和10元，矿泉水1元、奶糖2元、绿茶3元，奶茶4元，果汁5元，咖啡6元，泡鸡脚7元，方便饭8元，香烟10元，先投入钱币，当投入的前币超过1元的价格时，1元指示灯亮，提示可以购买，当投入的货币超过3元的价格时，3元指示灯亮，当投入的货币超过10元的价格时，10元指示灯亮，提示可以购买。当按下1元
31、按钮时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去1元的价格同时启动相应的电机，提取1元商品到出货口。买其他商品操作同理。操作完成后不再购买而按下退币按钮，售货机则要进行退币操作，退回相应的货币，并在程序中清零，完成此次交易。由此看来，自动售货机进行一次交易要涉及加法运算、减法运算以及在退币时的除法运算，这是它的内部功能。还要有货币识别系统和货币的传动来实现完整的售货、退币功能。可通过操作属性把把自动售货机分为四个过程：(1) 投币过程 (2) 价格比较过程 (3) 选择商品过程 (4) 退币过程可把自动售货机工作过程分为4个状态： (1) 初始状态(2) 投币状态(3) 购买状态(4) 退币
32、状态初始状态，自动售货机内部各元件都处于复位状态，内部电机停止运转，等待投币操作。投币状态。按下投币按钮，显示投币框，按下所投币显示屏显示投入、消费、余额数值，当所投币超过商品价格时，相应价格选择按钮发生变化，提示可以购买。购买状态。按下可以购买的选择按钮，所选的商品出现在出货框中，同时显示屏上的金额数字根据消费情况相应变化。取走商品后出货框消失。退币按钮。按下退币按钮，显示退币框，同时显示出应退币值及数量。按下确认钮，则恢复初始状态。到此为止，自动售货机的一个完整工作过程结束。如图3.1 图2.1.1 自动售货机工作流程图3.1自动售货机的一个完整工作过程3.2 自动售货机的功能实现 自动售
33、货机是一种可完成无人自动售货，集光、机、电一体化的商业自动化设备。传统的自动售货机采用单片机作为控制核心，在输入输出端口做了大量的工作，但抗干扰能力比较差。本文提出一种基于PLC 控制的自动售货机。 自动售货机自动控制系统主要包括检测和计币系统、比较和选择系统、饮料供应系统、退币系统和报警系统 5 个基本模块。 （1）检测和计币系统。检测和计币系统主要负责校验钱币是否正确。投入的钱币送入感应器，感应器记忆投币的个数传送到检测系统（即电子天平）和计币系统。电子天平测量的重量少于误差值时，计币系统允许进行累加钱币，累加的钱币数据存放在数据寄存器中。如果检测结果不正确时，认为是假币，退出系统。 （2
34、）比较和选择系统。比较和选择系统主要负责钱币数据与购买饮料的价格进行区间比较选择。当投入的钱币小于 1 元时，错误警示灯亮，显示投入的钱币不足。当投入的钱币在 13 元之间时，1元物品选择指示灯长亮。当大于 3 元时，1元3元的指示灯同时长亮。比较电路完成后选择电路指示灯长亮，当按下商品选择时，相应的选择指示灯由长亮转为以 1 s 为周期闪烁。当商品供应完毕时，闪烁同时停止。 （3）商品供应系统。商品供应系统主要负责商品的输出。当按下选择按钮时，相应的电磁阀和电机同时启动。在商品输出的同时，减去相应的购买钱币数。当商品输出达到 8s 时，电磁阀首先关断，小电机继续工作 0.5 s 后停机，保证
35、电磁阀可以完好的关断。 （4）退币系统。退币系统主要负责多余钱币的退回。当顾客按下退币按钮时，系统把数据寄存器内的钱币数除以 10 取整数部分，得到需退回 1 元钱的数量，在选择退币的同时启动退币电机。感应器开始计数，当感应器记录的个数等于数据寄存器退回的币数时，退币电机停止运转。 报警系统。报警系统主要负责系统的维护。如果是非故障报警，通知送液车或者送币车即可。如果是故障报警，则通知维修人员检修，免造成顾客的损失。下图3-2为自动售货机功能实现硬件组成图。 图3-2 自动售货机功能实现硬件组成图3.3 PLC概述3.3.1 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
36、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。 3.3.2本次设计为什么使用PLC控制器 可编程序控制器（programmable controller）,简称PC，为了与个人计算机（personal computer）的PC相区别，又称可编程逻辑控制器（programmable logic controller），简称PLC。它是在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新
37、型工业控制设备。由于它具有控制功能强、可靠性高、配置灵活、体积小、重量轻以及使用方便等优点，目前在我国已广泛地应用于自动化控制的各个领域。它应用的深度和广度成为了衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。 1985年国际电工委员会（IEC）的可编程序控制器标准草案第三稿对可编程序控制器作出了定义：“PLC是一种数字运算操作的电子系统，专门为工业电气控制而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其相关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的
38、原则设计。”可编程控制器从诞生至今，在短短的30来年里，得到了异常迅猛的发展，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。 在设计之初，考虑了单片机和PLC两种方案来设计自动售货机的控制系统部分,但考虑到自动售货机的输入电压不稳定,作为CPU的MCS51型单片机超压发热容易造成爆裂,而PLC不但可实现类似控制功能,还具有可靠性高、适应面广、抗干扰能力强、编程方便、电压使用范围宽及编程方便等特点,所以根据自动售货机的使用要求,本次设计就采用了PLC。3.3.3 PLC的特点及应用领域3.3.3.1 PLC的特点1.可靠性高、抗干扰能力强 可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。PLC的平均无故
39、障时间可达到几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施。硬件方面，其主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，具有屏蔽、滤波、隔离、电源调整与保护功能，出现故障时还可以在短时间内修复。软件方面，PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起的故障，具有故障检测、自诊断程序、信息保护与恢复功能。2.编程简单、使用方便 目前，大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生存、面向用户的编程语言。梯形图语言与电气控制电路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易让广大工程技术人员掌握，当生产流程需要改变时，
40、可以在现场就改变程序，使用方便、灵活。同时，PLC的操作和使用也很简单，这也是PLC广泛使用的主要原因之一。3.配套齐全、功能完善、通用性强 PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品。现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计算及顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A 转换、数值运算、数据处理等许多功能。正因为功能完善PLC大量应用于各种工业控制中。4.设计安装简单、维护方便 由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计周期大为缩短，同时维护起来也变得容易的多。5.体积小、重量轻、能耗小 由于PLC采用集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而
41、是实现机电一体化的理想控制设备。3.3.3.2 PLC的应用领域随着PLC性价比的提高，其应用的领域越来越广，从应用的类型看，大致可分为以下几个方面：1. 开关量逻辑控制：利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器接触器控制系统，常用于单机控制，多机群控制及自动生产线控制等。如：机床、注塑机、印刷机、电梯及装配生产线的控制等。这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域、2. 运动控制：大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能广泛用于各种机械设备。如各种机床、装配机械以及机器人等进行运动控制。3. 过程控制:大、中型PL
42、C都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有得小型PLC也具有模拟量I/O模块，所以PLC可实现模拟量控制。其中具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制这一功能在锅炉、水处理、酿酒以及速度控制等方面得到广泛应用。4. 数据处理:现代的PLC都具有数学运算、数据传输、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采样、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其他智能装置。如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。5.通信联网:PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其他智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，
43、以实现信息的交换，并构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，从而满足工厂自动化系统发展的需要。3.3.4 PLC的工作原理和硬件组成3.3.4.1 PLC的工作原理 PLC工作原理与计算机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图3-3。但是PLC也有它自己的特点，PLC在确定了工作任务，装入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。图3-3 各个处理阶段3.3.4.2 PLC的循环扫描工作
44、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3-4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，将输出状态寄存器中的内容，
45、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3-4 PLC扫描过程3.3.4.3 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3-5. 图3-5 PLC硬件结构图3.3.4.4 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（LAD）、语句表（ST
46、L）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）和结构文本（ST）。3.3.4.5 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。 第四章 硬件系统设计 4.1 人机交互设备 人机交互设备，顾名思义就是指的人与机器之间的沟通设备，常见的人机交互设备有显示器、键盘、打印机、影音设备等。正式有了这些人
