基于PLC的自动售货机控制.docx
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基于PLC的自动售货机控制
基于PLC的自动售货机控制
摘要:
随着PLC在日常生活中的广泛应用，它逐渐成为现代信息社会一个必不可少的存在，并为人们带来了许许多多的便利。
本次设计利用PLC操作简单，功能全面，灵活性高等特点来设计售货机控制系统。
自动售货机拥有高智能，便捷，覆盖范围广等特点，给人们的生活带来了具大的方便。
本次设计出的自动售货机拥有包括钱币识别，智能找币，按钮，选择饮料按钮，退币按钮，输出饮料端口，找钱端口以及相应的指示灯。
本次设计采用FX2N型可编程控制器，方便，简单。
关键词：
自动售货机；可编程控制器；梯形图
TheVendingMachineControlSystemBasedOnPLC
Abstract:
WiththewideapplicationofPLCindailylife,ithasgraduallybecomeanindispensableinthemoderninformationsociety,andbringslotsofconveniencetopeople.
ThedesignoftheuseofPLChastheadvantagesofsimpleoperation,completefunction,highflexibilitytodesignthecontrolsystemofvendingmachine.
Thevendingmachinehashighintelligence,convenience,widelycoveredscope,hasbroughtgreatconveniencetopeople'slife.
Thevendingmachineofthisdesignhavethecoinidentification,intelligentlookingforcoins,buttons,buttonselectionofdrinks,coinbutton,outputbeverageport,portandthecorrespondingindicatinglamp.ThedesignadoptFX2Nprogrammablecontroller,convenient,simple.
KeyWords:
VendingMachine;ProgrammableLogicControllerPLC;LadderDiagram
目录
前言1
1PLC的简要介绍2
1.1PLC的产生2
1.2PLC的特点2
1.3PLC的基本结构及原理3
2自动售货机设计4
2.1自动售货机功能分析4
2.2自动售货机的基本功能5
2.3自动售货机设计的主要内容6
2.4自动售货机设计的工作原理6
3PLC控制系统的设计7
3.1PLC自动售货机设计思路7
3.2I/O点的分配表8
3.3梯形图设计部分9
4结束语13
参考文献13
致谢13
前言
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。
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可以每天24h售货因此深受上班族的欢迎很多城市的公共场所里面都放置有自动售货机出售的商品五花八门从饮料、零食、香烟、糖果到牙刷、方便面、自动照相机。
近年来我国的自动售货机行业突飞猛进:
在汽车总站、商厦、医院、小区、学校等地区纷纷涌现出自动售货机的踪迹。
这种方便快捷的购物方式越来越受到人们的青睐同时也是现代化城市配套设施的需求。
自动售货机的新奇、文明、高档、灵活方便等深受广大市民青睐。
自动售货机最基本的功能是对投入的货币进行运算，并根据所投入的货币数值判断是否能够购买某种商品，并做出相应的反映。
因此，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，并提供所要购买的商品。
当按下选择商品的按钮时售货机根据投入的币值，起动电机，提取商品到出货口，顾客取出商品，完成此次交易。
它还具有识币系统、货物和货币的传送系统来实现完整的售货功能。
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，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。
1PLC的简要介绍
1.1PLC的产生
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。
1.2PLC的特点
1.2.1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、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、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。
1.2.2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。
1.2.3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。
1.3PLC的基本结构及原理
1.3.1PLC的系统结构
目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。
主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。
其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。
如图1-1所示，PLC控制系统由输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。
由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。
图1-1PLC硬件结构图
1.3.2PLC的基本工作原理
PLC采用的是循环扫描工作方式。
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。
（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，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。
2自动售货机设计
2.1自动售货机功能分析
这部分阐述了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，并介绍了自动售货机运行系统种所包括的人工操作步骤。
2.2自动售货机的基本功能
在进行上、下位机程序编写之前，首先要做的工作是确定自动售货机本身所具备的功能及在进行某种操作后所具有的状态。
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，并作出相应的反应。
举一个简单的例子来说明，例如：
售货机中有8中商品，其中01号商品（代表第一种商品）价格为2.60元，02商品为3.50元，其余类推。
现投入1个1元硬币，当投入的货币超过01商品价格时，01商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，其他商品同比。
当按下选择01商品价格时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去01商品的价格同时启动相应的电机，提取01号商品到出货口。
此时售货机继续进行等待外部命令，如继续交易，则同上，如果此时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，售货机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。
自动售货机的工作流程图。
如图2-1，自动售货机的工作流程图。
图2-1自动售货机的工作流程图
2.3自动售货机设计的主要内容
（1）此自动售货机可以投入十元、五元纸币，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。
2.4自动售货机设计的工作原理
由于本设计为课程设计因此要求上没有现实中的自动售货机功能强大没有过多的商品选择和各种报警系统。
本自动售货机的自动控制系统主要包括:
投币计数系统、比较系统、选择系统、饮料供应系统和退币系统。
（1）从投币口送入货币，然后经过传感器采集数据、识别器判别人民币的真伪并判别面值。
（2）识别器把信息数据传给通信模块。
（3）通信模块与售货机的主控系统通信，主控系统显示面值，启动售货机的面板键，显示出哪个货道有货，哪个货道已售完，并等待顾客按键选择商品。
（4）顾客选择商品后，根据售出的商品包装类型的不同，采用不同的驱动技术把商品送出。
此次设计的售货机主要出售易拉罐装饮料，是利用电磁阀带动翻版驱动的。
（5）显示余额，如果金额足够多，顾客可以选择找币或继续买商品；如果款额不足，售货机经过延时予以退币。
退币分两种情况：
一种是由纸币识别器完成退纸币，另一种是由硬币的通信模块完成退硬币。
（6）系统复零，完成售货。
如图2-1自动售货机程序流程示意图。
图2-1自动售货机程序流程示意图
3PLC控制系统的设计
3.1PLC自动售货机设计思路
本次设计的自动售货机，主要是应用三菱FX-2N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，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（图3-1），再根据所画出的顺序功能图准确设计出它的梯形图，并反复调试做到程序无误。
图3-1售货机示意图
3.2I/O点的分配表
表3-1系统I/O分配表
输入信号
输出信号
汽水按钮
X0
汽水排出电磁阀
Y0
花茶按钮
X1
花茶排出电磁阀
Y1
咖啡按钮
X2
咖啡排出电磁阀
Y2
一元投入按钮
X3
退币电磁阀（1元）
Y3
五元投入按钮
X4
退币电磁阀（10元）
Y7
十元投入按钮
X5
汽水指示灯
Y4
复位按钮
X6
花茶指示灯
Y5
退币按钮
X7
咖啡指示灯
Y6
七段译码显示
Y10——Y17
3.3梯形图设计部分
3.3.1程序设计说明
现在我们具体分析一下程序过程：
初始状态：
此时不能购买任何商品。
投币状态：
顾客投币，显示投入总值，即余额数值，当所投币值超过商品价格时，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。
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。
3.3.2梯形图
可以把一次交易过程分为几个程序块：
运行初期清零过程；投币过程；价格比较与选择商品过程；退币过程。
（1）运行初期清零过程
从梯形图可以看出，D0是存放余额的数据寄存器，首先要对其进行清零。
不仅需要在完成一次交易后自动清零，而且也能让卖主自己手动清零。
所以用X6和M8002同时可以控制清零指令，如图3-2所示。
图3-2清零过程梯形图
（2）投币过程
在投币的过程中，每投下一枚硬币，投入显示将增加相应的币值，余额也增加同样币制。
先建立变量表，在编写程序。
当按下投入1元时，相当于M1接通，之所以用一个微分指令，就是要只在接通时检测一次，不能永远加下去。
投入1元要投入显示、余额显示都相应增加相同数值，加法是由16位加法指令add来实现的。
投入5元、10元，原理同上。
钱投进去以后，需要将投进的数额显示出来，这里我们要用到七段译码指令SEGD。
具体梯形图，如图3-3所示。
图3-3投币过程梯形图
（3）价格比较和选择过程
价格的比较要贯穿实验过程的始终，只要余额大于某种商品价格时，就需要输出一个信号，提示可以购买。
这里用指示灯来代表此信号。
在梯形图中，为了实现数据的实时比较，用了一个特殊内部继电器M6在程序执行过程中，M4始终保持闭合，CMP是16位数据比较指令，用它来比较余额和商品的价格，M6是大于价格，M5是等于标志。
再用定时器和M8013控制Y4，实现按下选择按钮并且余额大于等于某种商品价格时，程序使相应的指示灯闪烁表示可以购买该种商品。
一旦选择了相应的饮料，闪烁时间到，就驱动相应的饮料的电磁阀，电磁阀自己控制饮料流出时间。
具体梯形图，如图3-4所示。
图3-4价格比较和选择过程梯形图
（4）退币过程
因为选择商品和退币是相互制约的，将这两个放在一起进行讨论。
顾客一旦选择了商品，就要用余额减去商品相应的价格，得出最新的余额，而且选择按钮必须是点动的，一次只有一次脉冲，保证SUB指令不会一直减下去。
而且不同商品的选择按钮是相互制约着减法指令的。
减法运算后的结果任放在D0中。
由于七段译码器始终是显示的是数据寄存器D0中的数据，所以就满足了余额显示的要求，如图3-5所示。
图3-5余额显示梯形图
退币的过程我们用到了除法运算，除法指令DIV将余额D0除以10，得到的商放在D1中，余数放在D2中。
然后将D1和D2分别赋值给计时器T3和T4，再用一个周期为0.1秒的时钟脉冲控制退币个数。
具体梯形图，如图3-6所示。
图3-6退币过程梯形图
4结束语
在这次设计中我也遇到了不少问题，例如：
找钱的最后一次闪烁因为时间太短，肉眼无法看出，当然指示灯也就不闪烁。
后来通过加上了辅助继电器、时间继电器，成功实现了最后一次闪烁。
还有饮料出来的时候我原本的设计是出水的同时指示灯在闪烁，后来经过老师的矫正，我才知道是出来完了之后闪烁。
还有整个电路的开关控制，原本我是在各个环节都加上常闭开关来实现关闭，后来发现还有更加简单的方式那就是主控触点指令，通过一开始加上的MCNOM21和结尾的MCRNO来实现整个电路的开关控制。
在进行投币和购买饮料的时候需要用到加减法的指令ADD、SUB还有比较指令CMP，这些指令的应用可以说是第一次，所以刚刚开始做的时候还不是很熟悉。
投币的时候，投币按钮要设置成上升沿的开关，不然按一次就会计数N次，扣钱也是同样的原理。
本设计的结果能够满足设计需求，课题的效果明确，虽然售货品种少，但是理论明确且统一，在此基础上可以增加输入与输出端口，以满足人们在生活中的需求！
参考文献
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致谢
衷心地感谢指导老师李娜老师的悉心指导和帮助，无论是在理论学习阶段，还是在实际操作的每一个环节，无不得到李老师提点。
在课题准备阶段，李老师给了很多宝贵的设计意见，让我获益匪浅。
答辩前准备阶段，李老师百忙之中抽出时间帮我修改、完善，让我能完成这篇设计。
在此，对李老师表示衷心的感谢。
最后感谢参与评阅的各位老师！
祝老师们工作顺利，身体健康！
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