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PLC自动售货机
专科毕业设计（论文）
设计题目：
自动售货机的PLC控制系统设计
系部
2017年4月南京
摘要
本论文设计的是瓶装饮料的自动售货机，选用三菱公司的FX系列型号为FX2N-48MTPLC。
首先，本文先介绍了自动售货机发展过程，工作原理，系统结构，讲述了自动售货机的贩卖商品的过程。
根据自动售货机的功能分配需要多少输入和输出点数，选择合适的PLC型号，绘制系统硬件接线图，然后选择所需的数码管显示、电动机和接触器等。
根据系统的功能来编写自动售货机的梯形图程序。
本次饮料自动售货机能够做到钱币的识别和累计、饮料种类的选择、饮料出货以及钱币找零退币等等功能。
关键字自动售货机PLC梯形图
Abstract
Thedesignofthevendingmachineforthebeveragevendingmachines,basedonJapan'sMitsubishiFXseriesPLC.ToFX2N-48MTmodelPLCasthecore,setupthevendingmachinecontrolsystem,thenatureofgoodssoldclearly.First,analyzethestructureandworkingprincipleofthevendingmachine,understandthevendingprocessofthevendingmachine,makethehardwarewiringdiagramthroughthefunctionanalysisofthevendingmachine,choosethePLC,thedigitaltubedisplay,themotorandthecontactoraccordingtothehardwareselection.SelectthePLCaccordingtotheI/Oallocationtable.Theladderprogramofthevendingmachineiswrittenbywritingaflowchartofthecontrolsystem.Thevendingmachinecanrealizetheidentificationandaccumulationofcoins,theselectionofbeveragegoodsandthefunctionofautomaticallyejectingthereceiptandthecoin.TheladderdiagramisdonebyGXDeveloper.AfterthecompletionoftheMitsubishiPLCsimulationsoftwareGXSimulator6cdebuggingandsimulation.
KeywordsvendingmachinePLCladderdiagram
1引言
1.1自动售货机的简介及发展现状
自动售货机，顾名思义,就是一台可以自动卖东西的不需要人看管的售货机器，属于智能机器。
自动售货机相比其他形式：
超市、商场等来说，它是一种商业自动化设备，一种新型的商业模式，它能够在无人看管下工作，节省人力，而且小型售货机可以摆放在任何需要的地方，不受时间、地点的限制，可以24小时营业。
按照售卖商品的类别可以分为三种：
综合自动售货机、饮料自动售货机、食品自动售货机。
自动售货机的出现，是自动化水平提高的结果，是技术产业革命的产物。
随着劳动力成本持续上涨以及销售环境和消费模式发生变化，新型的售货方式层出不穷，自动售货机最具代表性;随着物联网的发展，自动售货机也变得越来越智能，种类将会越来越多，可以卖饮料、水果、蔬菜和其他食品，甚至可以卖药，远程医疗，线上看病，线下自己去取药等。
还可以在线监控，实时的监控自动售货机库存的货物情况，如果有缺货及时向区负责人的电脑报告，以确保货物补充和更换等等。
1.2 本论文研究的内容
本课题的主要任务是基于PLC的自动售货机系统的设计，主要内容包括以下方面：
①、对自动售货机及可编程控制器（PLC）作较为全面的介绍；
②、确定自动售货机总体结构，完成对系统和可编程控制器等相关硬件的选型；
③、系统硬件元件选择、完成PLC的I/O的分配、PLC外围接线图设计；
④、设计出软件流程图、程序梯形图的绘制；
⑤、对设计后的自动售货机系统进行模拟调试。
2本次自动售货机的总体设计
2.1售货方式设计
本次设计如下图操作界面所示，四种商品可以选择，分别是瓶装水、可乐、脉动、加多宝四种饮料，价格依次是2元、3元、4元、5元。
投币口可以投入1元，5元，10元的纸币，钱币进入箱体内识别并累计，当投入的钱币等于或者大于想要购买的商品，此商品旁边的指示灯亮，未达到商品价格的商品指示灯不亮，说明商品不能购买。
用两位数码管显示所放入的钱币金额。
例如：
顾客投入一张5元的纸币，金额显示区域显示05，5元大于等于所有商品价格，所以四种饮料的指示灯都亮起，即Y0，Y1，Y2，Y3都亮。
告知顾客都可以购买，顾客点击商品一（如商品一是瓶装水）下面的X3按钮，金额显示区域变为03，是5元减去瓶装水的价格。
过一秒钟，饮料从底部的出口推出。
按下零退币的按钮X7，零钱3元从退币口推出，结束交易，金额显示00。
图1功能示意图
2.2系统组成
本设计系统由PLC控制系统、钱币识别传感器、出货系统等部分组成。
PLC控制系统：
接受人民币识别系统信息，确认已接受的人民币是否可购买消费者所指定的商品，确认后按要求售出商品。
钱币识别传感器：
主要包括纸币识别器、硬币识别器、硬币找零系统等，它主要实现识别真假纸币、一般为拾元、伍元、一元、拒收假币和残币、正确找零的功能。
出货系统：
货柜由多层货架组成，当购物者指定所需商品后，由控制系统启动出货系统出货。
如图所示：
图2系统组成框图
3系统的硬件设计及组成原理
3.1PLC的简单介绍
3.1.1可编程控制器（PLC）的原理
PLC中文名字是可编程逻辑控制器，其工作原理与普通计算机基本上是一致的，都是在系统程序下运行不同的用户程序来工作的，但两者的工作方式有所不同。
PLC采用分时处理及扫描工作方式，其在正常工作是要完成如下的任务：
①、计算机内部各工作单元的试运行；
②、外部连接设备和计算机CPU之间的通讯；
③、用户所要完成的工作的程序。
这些工作都不是同时完成的，也就是说这个过程要分时的，简单来说就是分时间段扫描不同的硬件或者软件，扫描一次所需要的时间称为扫描周期，可以节省CPU时间。
扫描周期一般可分为输入处理阶段、程序执行阶段、输出处理阶段。
输入处理阶段：
也称输入采样。
在输入处理阶段中，可编程控制器处于读入调试的状态，程序段存放在输入数据暂存区。
在输入一状态时，需要注意的是调试状态有了新的变化，但是输入数据暂存区中的存储内容时不会变化的，直到等到下一个扫描周期开始的时候，输入数据时，才读入新的内容。
程序执行阶段：
在这个阶段中，编程控制器把这一过程输入的数据，依据编写好的程序依次执行。
执行的结果保存在输出状态暂存区内。
输出处理阶段：
也称为输出刷新阶段。
这是程序执行周期的最后阶段。
编程控制器一次将该程序的执行结果从输出状态临时存储区域发送到输出端口，并且重新排列输出状态。
这三个阶段也是分时完成的。
为了连续的完成PLC所承担的工作。
PLC必须一次又一次的依既定的顺序完成要求的具体工作。
这种工作方式叫做循环扫描工作方式。
PLC的CPU有两种状态，即运行（RUN）和停止（STOP）。
运行状态指的是执行用户编写程序。
停滞状态指的是编写或者修改程序时的状态。
PLC通电后系统内部处理后进入用户程序服务状态（即进入循环扫描处理用户程序的状态），每个扫描周期处理用户程序的过程包括外部输入数据和信息的处理与服务、刷新监事定时器扫描时间、程序处理、数据输出处理、系统状况自诊断处理。
3.1.2可编程序控制系统设计的基本内容
PLC控制系统设计的基本内容应包括：
（1）确定用户的输入设备和输出设备，输入设备包括按钮、限位开关、操作开关、传感器等，输出设备有信号灯、继电器、接触器等以及由输出设备驱动的控制对象包括电动机、电磁阀等。
（2）选择合适的PLC型号。
PLC是PLC控制系统的核心部件，选择PLC，包括I/O模块的选择、容量的选择、电源模块、机型选择的选择等。
选择正确PLC对于整个控制系统的技术和经济性能等方面都起到非常重要作用。
（3）分配I/O点，绘制I/O连接图。
（4）设计控制程序。
（5）编制控制系统的技术文件。
3.2电气设备的选择
3.2.1PLC的选择
现在市面上PLC的品牌种类有很多，常见的主要的PLC产品有：
日本的欧姆龙、三菱、施奈德公司的momentum、西门子公司的S7-400/300/200系列等。
西门子公司生产的PLC造价比较高，可靠性好，非常适和用于大型工业控制系统，但是对于小型的自动售货机的控制系统来说性价比不高，大材小用。
相反，日本小型的三菱PLC则更合适对于小型系统、低成本的设备的使用，同时用PLC系统来作CPU，相比单片机等其他系统来说，可靠性好，易于改动和维护，是单项重复性少的项目。
本此论文设计的饮料自动动售货机是售卖4件商品，采用三个按钮模拟投币，一个按钮模拟找零，四个按钮模拟选购相应的商品，因此来说最少要八个输入；另外，用led灯来指示商品能否购买，四种商品，一共四个LED灯。
钱币投入系统要现实金额，用两位数码管，需要8个输出点，因此至少需要十七个输出，综合算起来所需的输入与输出口，最终选用了三菱的FX2N-48MR型的PLC，它包含二十四输入二十四输出的PLC。
满足要求且性价比比较高。
3.2.2钱币金额数码管驱动芯片选择
本次设计采用两位数码管来显示顾客投入钱币的金额以及退币清零等，一位显示十位、一位显示个位，本次设计支持的最大面额是10元纸币，所以不需要三位。
数码管在于PLC连接时，如果直接相连，将会降低PLC输出效率，为此在PLC和数码管之间加一个解码芯片，本次选用解码芯片CD4511，此芯片由BCD代码驱动，CD4511含有四个BCD码输入，四个输入端接PLC输出接线，CD4511的输出端与两位数码管相连。
芯片如下图：
图3自动售货机数码管解码芯片
3.3自动售货机的系统PLC的I/O分配
表1是自动售货机的系统PLC的I/O分配表，X0-X2代表投币的模拟量，X3-X6代表选购饮料的的模拟量，X7是模拟找零，Y0到Y3是计算价格的模拟量，Y4到Y7是饮料出口指示，Y10-Y17是金额显示，Y20是找零指示。
表1自动售货机系统PLC的I/O分配表
系列号
定义点
符号
相应功能
1
X0
SB0
模拟1元投币
2
x1
SB1
模拟5元投币
3
X2
SB2
模拟10元投币
4
X3
SB3
模拟选购瓶装水按钮
5
X4
SB4
模拟选购可乐按钮
6
X5
SB5
模拟选购脉动按钮
7
X6
SB6
模拟选购加多宝按钮
8
X7
SB7
模拟找零按钮
9
Y0
指示当投币金额大于瓶装水水价格
10
Y1
指示当投币金额大于等于可乐价格
11
Y2
指示当投币金额大于等于脉动价格
12
Y3
指示当投币金额大于等于加多宝价格
13
Y4
指示瓶装水从商品出口处出来
14
Y5
指示可乐从商品出口处出来
15
Y6
指示脉动从商品出处口出来
16
Y7
指示加多宝从商品出口处出来
17
Y10-Y13
与CD4511芯片相连进而驱动数码管1
18
Y14-Y17
与CD4511芯片相连进而驱动数码管2
18
Y20
指示零钱从找零出口出来
3.4自动售货机的系统硬件连接图
如图4所示，左边是三菱PLC模块，型号为FX2N-48MR。
在PLC底部是电源输入端L、N，220v输入电压供整个系统使用。
PLC左侧上部分是输入点，下面是COM端。
其中X0、X1、X2三个输入点与SB0，SB1，SB2普通按钮开关相连接，与COM端形成回路，X0，X1，X2分别模拟的是1元、5元、10元的输入；同样X3、X4、X5、X6与四个按钮相连分别模拟的四种商品的购买键按下过程；X7是找零按钮。
PLC模块右边为系统输出点，COM1，COM2，COM3,COM4，COM5仍然为公共端，输出点Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7驱动LED灯，要求直流电24V输出，所以把5个COM端短接在一起。
Y0、Y1、Y2、Y3指示灯亮说明相对应的饮料可以按下购买按钮；Y4、Y5、Y6、Y7驱动的LED灯指示的饮料出口处的灯，灯亮说明正在出货。
右侧下方输出点通过连接数码管解码芯片CD4511来驱动两个数码管，数码管用来显示钱币金额。
图4自动售货机整机硬件连接图
4系统的软件设计
4.1流程图
1投币，2判断钱币的真假，3识别是不是1元5元10元里面的任意一种币值，如果是其中一种，继续购买，如果不是则退币，重新投币，4如果价格大于或者等于相应商品的价格，则相应的商品灯亮，代表可以购买，5购买商品，出货6，然后是否继续购买，是则重复4，不是则退币结束。
图5自动售货机功能流程图
4.2梯形图程序的编写及分析
首先选用两个数据寄存器D3和D4，用来存储投币的金额，其中数据寄存器D4用于存放投币金额总数的个位，数据寄存器D3用于存放投币金额总数的十位。
在运行程序之前要先进行初始化，选用辅助继电器M8002，用MOV语句给D3和D4分配0，系统初始化。
图6系统初始化
本设计用按钮模拟钱币的投入，上升沿X0、X1、X2分别模拟一元纸币、五元纸币、十元纸币。
当按下X0时，上升沿X000接通，置位中间继电器M0。
同时使用ADD语句来实现钱币金额的累加，用上升沿按钮X0来模拟1元的投币，投入一次1元，同理用上升沿X1和X2按钮来模拟5元和10元的钱币，投入后累计到数据寄存器D0中。
例如投入一元纸币即在按下X0的一瞬间，中间继电器M0置位，用于后续动作实现。
D0寄存器内部数据加1。
如图7
图7投币、金额累计梯形图
使用比较命令AND>=来确定投入的金额是否超过购买商品的价格，例如当钱币金额大于或等于2时，瓶装水底部的指示灯Y000灯，表示可以买一瓶瓶装水，再用一个X3的上升沿模拟购买瓶装水的按钮。
例如当投入钱币金额累积在寄存器D0数值大于等于2时，按下购买2元的饮料X3按钮，上升沿X003闭合瞬间，置位中间继电器M3和M20，同时SUB语句作减法处理，数据寄存器D0数值减去相应的饮料的价钱（2元），然后数码管显示剩余金额。
当投入钱币金额累积寄存器D0大于等于3、4、5时，过程同上。
图8价格比较PLC梯形图
把六个中间继电器M0，M1，M2，M3，M4，M5，M6并联，只要其中有一个继电器导通，定时器T7就开始定时，0.5秒钟后T7接通，然后T0定时器开始计时0.1秒，同时T1定时器也开始计时0.2秒，0.1秒后T0接通，继电器M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16都接通，0.2秒后T1定时器断开，T0失电也断开，继电器M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16都断开，T0的下降沿使得RST指令使T1复位，定时器T1又恢复原始常闭状态，再次等待中间继电器M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6的其中一个闭合，就这样一直循环，同时，下降沿的中间继电器M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16闭合，只要M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6中有一个闭合，与之对应的计数器C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6其中一个将计数，计数1后计数器闭合。
图9实现按钮多次使用PLC梯形图
计数器C0接通时，DIV语句，D0中的数据除以10，得到的商放入数据寄存器D3，得到的余数存入数据寄存器D4中。
同时利用RST语句使中间继电器M0和计数器C0复位，保证了再次按下按钮X0时，能够实现显示的钱币能够继续加1。
计数器C1接通时，DIV语句，D0中的数据除以10，得到的商放入数据寄存器D3，得到的余数存入数据寄存器D4中。
同时利用RST语句复位中间继电器M1和计数器C1。
保证了再次按下按钮X2时，能够实现显示的钱币能够继续加2。
计数器C2接通时，DIV语句，D0中的数据除以10，得到的商放入数据寄存器D3，得到的余数存入数据寄存器D4中。
同时利用RST语句复位中间继电器M2和计数器C2。
保证了再次按下按钮X2时，能够实现显示的钱币能够继续加5。
计数器C3接通时，DIV语句，D0中的数据除以10，得到的商放入数据寄存器D3，得到的余数存入数据寄存器D4中。
同时利用RST语句复位中间继电器M3和计数器C3。
保证了再次按下按钮X3时，能够实现显示的钱币能够继续减2。
计数器C4接通时，DIV语句，D0中的数据除以10，得到的商放入数据寄存器D3，得到的余数存入数据寄存器D4中。
同时利用RST语句复位中间继电器M4和计数器C4。
保证了再次按下按钮X3时，能够实现显示的钱币能够继续减3。
计数器C5接通时，DIV语句，D0中的数据除以10，得到的商放入数据寄存器D3，得到的余数存入数据寄存器D4中。
同时利用RST语句复位中间继电器M5和计数器C5。
保证了再次按下按钮X3时，能够实现显示的钱币能够继续减4。
计数器C6接通时，DIV语句，D0中的数据除以10，得到的商放入数据寄存器D3，得到的余数存入数据寄存器D4中。
同时利用RST语句复位中间继电器M6和计数器C6。
保证了再次按下按钮X3时，能够实现显示的钱币能够继续减5。
参见下图10：
图10数据显示PLC梯形图
常闭的中间继电器M30让后面命令行一直运行；选用BCD语句功能是将数据寄存器D3和D4中的数值转换成BCD码，用来驱动数码管。
图11数码管驱动PLC梯形图
当数码管显示金额等于或大于2时，也就是数据存储器D0中的累计金额等于或大于2时，然后按下购买按钮X3时，中间继电器M20接通，商品出货口处瓶装水指示灯Y4亮，来模拟把瓶装水推出来，同一时刻定时器T2开始定时，5秒后，T2接通，用RST语句复位Y4，指示灯灭，表示饮料已经出来，RST语句复位M20，使指示灯Y4回到原来的状态，以便下次购买。
当数码管显示金额等于或超过3时，也就是数据存储器D0中的累计金额等于或大于3时，然后按下购买按钮X5时，中间继电器M21接通，商品出货口处可乐的指示灯Y4亮，来模拟可乐推出来，同一时刻定时器T3开始定时，5秒后，T3接通，用RST语句复位Y5，指示灯灭，表示饮料已经出来，RST语句复位M21，使指示灯Y5回到原来的状态，以便下次购买。
当数码管显示金额等于或大于4时，也就是数据存储器D0中的累计金额等于或大于4时，然后按下购买按钮X4时，中间继电器M20接通，商品出货口处的脉动指示灯Y6亮，来模拟脉动推出来，同一时刻定时器T4开始定时，5秒后，T4接通，用RST语句复位Y6，指示灯灭，表示饮料已经出来，RST语句复位M22，使指示灯Y6回到原来的状态，以便下次购买。
当数码管显示金额等于或大于5时，也就是数据存储器D0中的累计金额等于或大于5时，然后按下购买按钮X6时，中间继电器M23接通，商品出货口处的加多宝指示灯Y7亮，来模拟加多宝推出来，同一时刻定时器T5开始定时，5秒后，T5接通，用RST语句复位Y7，指示灯灭，表示饮料已经出来，RST语句复位M23，使指示灯Y7回到原来的状态，以便下次购买。
图12商品出口指示PLC梯形图
选用ZRST是全部复位指令。
当上升沿按钮X007接通瞬间，ZRST使得定时器T0-T5，计数器C0-C6，中间继电器M0-M23以及YO-Y20全部重置。
选用AND>命令判断存储在数据中的D0值是否大于零，当上升沿按钮X7按下模拟找零时，如果D0大于零，中间继电器M24被置位，定时器T6开始定时，指示灯Y20亮，经过一秒钟定时器T6关闭，中间继电器M24由RST语句复位，同时MOV语句向数据寄存器D0，D3，D4分配0。
以便下次交易存储钱币总额。
图13找零系统PLC梯形图
结论
这次毕业设计我的主要任务是用PLC实现自动售货机的功能。
看似简单使用方便的自动售货机，其实并不是那么容易就做成的。
本论文中介绍了自动售货机的基本原理和组成系统，可编程逻辑控制器（PLC）的原理及编程方法、步骤。
本设计中采用GXDeveloper软件绘制梯形图同时使用组态王软件模拟仿真。
在此过程学习研究中，从中查阅学习了很多知识以及GXDeveloper应用等。
本次设计所做的重点是PLC编程部分，实现四种饮料的自动售货简单功能。
本次设计还是有很多缺陷，比如纸币识别是用按钮模拟的等等，还需在以后加以改进。
本次设计给自己很多启发，自己在以后工作中还要更加努力。
致谢
感谢大学三年学习生活，在此期间学到了很多，特别是感谢江苏海事技术学院为我提供了良好的学习环境，感谢老师三年的关心和指导，让我能在过去三年中学到很多有用的知识。
同时，我也要感谢班上的同学和朋友，给予我支持和鼓励，谢谢。
特别感谢我的指导老师，在本次自动售货机PLC系统的开发中给予我悉心指导，从查找资料、到自动售货机的系统的敲定都给与很多建议，让我能够很快的进入论文当中，准确的把握核心问题，以便很快的完成本次设计。
在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
谢谢!
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