基于组态软件的PLC控制自动售货机系统的设计.docx
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基于组态软件的PLC控制自动售货机系统的设计
课程设计
设计名称可编程控制器原理课程设计.
学年学期 2014-2015（下）
课程名称可编程控制器原理
专业年级
姓名
学号
提交日期
成绩
指导教师 何自立许景辉吴凤娇
水利与建筑工程学院
目录
摘要1
1自动售货机系统概述2
1.1自动售货机的背景与实际意义2
1.2自动售货机的功能分析2
1.3自动售货机监控系统设计的基本思路3
2自动售货机系统3
2.1下位机PLC程序3
2.1.1PLC概念、功能及基本结构和原理3
2.1.2可编程序控制系统设计原则及步骤4
2.1.3程序设计以及说明5
2.2上位机组态监控画面10
2.2.1组态王软件10
2.2.2组态王监控画面的制作11
3结果分析20
3.1下位机PLC程序运行结果20
3.2上位机组态王画面仿真结果21
结论23
致谢24
参考文献25
基于组态软件的PLC控制自动售货机系统的设计
作者刁利杰
指导教师何自立
摘要：
随着社会的发展，越来越多方便人们使用的东西出现了，自动售货机就是其中之一。
自动售货机的新奇、高档、灵活、方便等深受广大人们的青睐。
为此，本文设计了一个基于组态王6.53作为上位机监控画面，PLC作为下位机的简易自动售货机的控制系统。
简易自动售货机能出售2.5元/瓶的可乐，1.5元/瓶的纯水，3元/瓶的牛奶和3.5元/瓶的酸奶。
机器有三个投币口，能识别5角、一元、5元的硬币。
当投入的钱足够购买饮料后，顾客可选择要购买饮料，售货机会自动售出等等。
设计实现了组态王画面能实时监控售货机，画面与实际控制同步，美观形象，功能齐全，画面易于切换，同时有实时报表，历史报表和报警记录等。
关键词：
自动售货机;组态软件;可编程序控制器
基于组态软件的PLC控制自动售货机系统的设计
1自动售货机系统
1.1自动售货机的背景与实际意义
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[2]。
在中国,自动售货机1999年开始进入中国市场。
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。
从广义来讲，自动售货机是投入硬币、纸币、信用卡等后便可以销售商品的机械；从狭义来讲，自动售货机就是自动销售商品的机械。
从供给的条件看，自动售货机可以充分补充人力资源的不足，适应消费环境和消费模式的变化，24小时无人售货的系统可以更省力，运营时需要的资本少、面积小，可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。
现在，自动售货机产业正在走向信息化并进一步实现合理化。
例如实行联机方式，通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。
并且，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展[3]。
1.2自动售货机的功能分析
1.自动售货机有3个投币孔，分别为5角、1元和5元。
2．售货共有4种饮料供选择，分别为纯水、可乐、牛奶和酸奶。
3．如投币总额超过销售价格，将可由退币钮找回余额。
4．投币总额或当前值显示在7段数码管上。
5．投币值等于或大于1.5元时，纯水指示灯亮，表示只可选择纯水。
6．投币值等于或大于2.5元时，纯水和可乐指示灯亮，表示只可选择纯水和可乐。
7．投币值等于或大于3元时，纯水、可乐和牛奶指示灯亮，表示3种饮料可选择。
8．投币值等于或大于3.5元时，纯水、可乐、牛奶和酸奶的指示灯都亮，表示4种饮料可选择。
9．按下要饮用的饮料按钮，则相对应的指示灯开始闪烁，2s后自动停止，表示饮料已经掉出。
10．动作停止后按退币钮，可以退回余额，退回金额如果大于1元，则先退1元再退5角，如果小于1元则直接退5角的。
1.3自动售货机监控系统设计的基本思路
上位机组态王监控画面和下位机PLC程序不必一口气完成，可以分步进行设计。
PLC程序设计思路如下：
编写硬币识别程序，识别投入硬币面值并保存，
编写数码管显示程序，能显示投入的钱数，
编写指示灯程序，自动判断投入钱数点亮相应指示灯，
编写售货程序，当投入钱数足够购买货物时，可选择购物，
编写计时程序，作指示灯亮灭的计时。
各步程序的编写都是基于上一步完成的程序上，最后修善可得完整的控制程序。
组态王监控画面设计思路如下：
建立监控主画面，设置相应变量及动画效果，
建立报表、报警等画面，并完成相关设置。
组态王各画面要美观形象、易于切换。
2自动售货机监控系统
2.1下位机PLC程序
2.1.1PLC概念、功能及基本结构和原理
1.PLC的概论
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具有体积小、结构简单、操作方便、可靠性好等特点[4]。
2.PLC的基本功能
（1）.条件控制功能
（2）.定时/计数控制功能
（3）.数据处理功能
（4）.A/D与D/A转换功能
（5）.运动控制功能
（6）.过程控制功能
（7）.扩展功能
3.PLC基本结构和原理
PLC采用了典型的计算机结构，主要是由CPU，RAM，ROM，和专门设计的输入/输出接口电路组成[5]。
PLC的硬件结构如图2.1.1。
图2.1.1PLC硬件结构图
PLC采用循环扫描的工作方式，从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后返回第一条指令，如此周而复始不断循环。
2.1.2可编程序控制系统设计原则及步骤
1.控制系统设计原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控制对象（生产设备活生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
（1）最大限度的满足被控制对象的控制对象。
设计前，应深入现场进行调查研究，收集资料，并于机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
（2）在满足控制系统要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。
（3）保证控制系统的安全、可靠。
（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有裕量[6]。
2.控制系统设计的一般步骤
（1）根据生产的工艺过程分析控制要求。
（2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备、据此确定OLC的I/O点数。
（3）选择PLC系统。
（4）分配PLC和I/O点，设计I/O连接图。
（5）进行PLC程序设计，同时可进行控制态的设计和现场施工。
2.1.3程序设计以及说明
1.自动售货机的状态分析
图2.1.3
（1）为一次交易过程的状态分析
3.PLC梯形图程序设计
梯形图是用的最多的PLC图形编程语言。
梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。
它与电器控制线路图相似。
继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观、实用的特点。
因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言[6]。
本设计选用松下可编程控制器（PLC）FP0，编辑的部分PLC梯形图程序如图2.1.3
（2）。
图2.1.3
（1）一次交易过程的状态分析
2.PLC的I/O点定义
PLC的I/O点定义如表2.1.3
表2.1.3I/O点定义
输
入
（I）
类别
元件
plc元件
输
出
（O）
类别
元件
plc元件
一角钱入口
X1
汽车指示灯
L1
Y0
五角钱入口
X2
牛奶指示灯
L2
Y1
一块钱入口
X3
钱币不足
L3
Y2
汽水按钮
SB1
X10
汽水出口
KM1
Y3
牛奶按钮
SB2
X11
牛奶出口
KM2
Y4
不购物退币
SB3
X20
找钱指示
L4
Y5
退币出口
KM3
Y7
2.1.3PLC梯形图程序
2.2上位机组态监控画面
2.2.1组态王软件
组态王软件是一种通用的工业监控软件，它将过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理融于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。
它是运行于MicrosoftWindowsXP/NT/2000的人机界面软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件使用方便，功能强大，性能优异，运行稳定，质量可靠[7]。
采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。
它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。
组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。
工程管理器：
工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。
工程浏览器：
工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。
运行系统：
工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。
组态王与I/O设备
组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的PLC、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等通过常规通讯接口（如串口方式、USB接口方式、以太网、总线、GPRS等）进行数据通讯。
组态王软件与I/O设备进行通讯一般是通过调用*.dll动态库来实现的，不同的设备、协议对应不同的动态库。
工程开发人员无须关心复杂的动态库代码及设备通讯协议，只须使用组态王提供的设备定义向导，即可定义工程中使用的I/O设备，并通过变量的定义实现与I/O设备的关联，既简单又方便[8]。
本设计选用组态王6.53软件设计简易售货机组态画面。
2.2.2组态王监控画面的制作
（1）售货机主画面
新建工程，工程名称为“简易售货机”。
新建画面，画面名称“售货机主画面”。
售货机主画面如图2.2.2
（1）所示，售货机表面由按钮、指示灯、文字、多边形图形、点位图等组成。
画面是经过各种图形的堆叠，组合而成。
本设计中的自动售货机的画面是由四种饮料的选择按钮、四种饮料的指示灯、退币按钮和出货口和退币口组合而成。
图2.2.2
（1）售货机主画面
在画面中，选择对象后，单击右键，在弹出的选项中选择“图素位置——图素前移（图素后移）”，可以设置各单元图的层次。
（2）定义I/O设备
程序在实际运行中是通过I/O设备和下位机交换数据的，当程序在调试时，可以使用仿真I/O设备模拟下位机向画面程序提供数据，为画面程序的调试提供方便。
组态王提供一个仿真PLC设备，用来模拟实际设备向程序提供数据，供用户调试。
在数据词典下新建相关变量，如图2.2.2
（2）。
在此图中可以看到所建立的相关变量，可以查看所属的变量类型。
变量类型分为实型变量、离散变量、字符串型变量、整数变量和机构变量。
图2.2.2
（2）定义I/O设备
（3）售货机主画面的动态设置
通过组态王开发系统，技术人员可以开发出静态的画面。
但是如果仅仅是静态的画面是不能够完全反映出工程现场的实际情况的，因此需要通过建立实时数据库，通过数据库内变量的变化和现场状况的变化同步才能真正反映出来。
“动画连接”就是建立画面的图素和数据库变量的对应关系，通过这样的对应关系，此埃及到的现场数据在变化时通过I/O接口，引起实时数据库内变量的变化，从而引起画面的变化动作[9]。
（4）售货机主实时售货报表
数据报表是反映销售过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式。
它既能反映系统销售实时的情况，也能对长期的销售过程进行统计、分析，是人们能够实时掌握和分析整个销售情况。
组态王不仅为工程人员提供了内嵌式报表系统，实现任意设置报表格式和对报表进行组态，还提供了丰富的报表函数，实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等[10]。
新建画面，画面名称为“实时售货报表”，在画面里插入报表窗口Report0，并设置成如图2.2.2（3）
图2.2.2（3）实时售货报表
（1）
点击报表工具箱上保存按钮，将此报表存于电脑本工程文件夹下，名为“实时售货报表模板.rtl”。
在报表窗口Report0中连接实时变量，如图2.2.2（4）。
图2.2.2（4）实时售货报表
（2）
（5）历史售货报表
新建画面，画面名称为“历史售货报表”，在画面里插入报表窗口Report2，并设置成如图2.2.2（5）
图2.2.2（5）历史售货报表
点击报表工具箱上保存按钮，将此报表存于电脑本工程文件夹下，名为“历史售货报表模板.rtl”。
（6）报警记录
新建画面，画面名称为“报警记录”，在画面里插入两个报警窗口，一个设置成实时报警窗，一个设置成历史报警窗。
在“工程浏览器的”——“系统配置”——“报警配置”，打开“报警配置属性页”对话窗口，将“文件配置”下的“记录报警事件到文件”、“记录操作事件到文件”、“记录登陆事件到文件”和“记录工作站事件到文件”打上钩[11]。
设置如图2.2.2（6）
图2.2.2（6）报警配置
在“工程浏览器的”——“数据库”——“报警组”，在监控系统中，为了方便查看、记录和区别，往往要将变量产生的报警信息归类到同的组中，即使变量的报警信息属于某个规定的报警组。
报警组是按树状组织的结构，缺省时只有一个根节点。
可以通过报警组定义对话框为这个结构加入多个节点和子节点。
这类似于树状的目录结构，即每个子节点报警组下所属的变量，属于该报警组的同时，也属于其上一级父节点报警组。
在“报警组定义”对话窗中设置如图2.2.2（7）。
图2.2.2（7）报警组定义
图2.2.2（8）报警记录设置
（7）画面切换
在每本工程中的每一个画面中都插入“菜单”，双击菜单，在“菜单定义”——“菜单项”中用除了本画面外的每一个画面名称作为菜单项[13]，如图2.2.2（9），
图2.2.2（9）菜单定义
3结果分析
简易自动售货机的控制系统基本实现其预想功能。
3.1下位机PLC程序运行结果
按下启动按钮后
（1）如果投入的硬币总值等于或超过1.5元，纯水指示灯亮，如果投入的硬币总值等于或超过2.5元，则纯水和可乐的指示灯亮。
如果投入的硬币总值等于或超过3元，纯水、可乐和牛奶的指示灯亮，如果投入的硬币总值等于或超过3.5元，则纯水、可乐、牛奶和酸奶的指示灯都亮。
数码管同时显示所投入的总钱数。
（2）纯水指示灯亮时，若按下“纯水”按钮，则纯水从售货口自动售出。
纯水指示灯闪烁（闪烁频率为1sNO,1sOFF）,5s后自动停止。
（3）可乐指示灯亮时，若选择“可乐”按钮，则可乐从售货口自动售出。
可乐指示灯闪烁（闪烁频率为1sNO,1sOFF）,5s后自动停止。
（4）牛奶指示灯亮时，若按下“牛奶”按钮，则牛奶从售货口自动售出。
牛奶指示灯闪烁（闪烁频率为1sNO,1sOFF）,5s后自动停止。
（5）酸奶指示灯亮时，若选择“酸奶”按钮，则酸奶从售货口自动售出。
酸奶指示灯闪烁（闪烁频率为1sNO,1sOFF）,5s后自动停止。
（6）当按下任意饮料的按钮后，如果投入的硬币总值超过所需钱数时，找钱指示灯亮，售货机以1元和5角硬币的形式自动退出多余的钱（每1秒钟退1个币），数码管显示清0。
（7）如果售货口发生故障，或顾客投入硬币后又不想买了（未按饮料选择按钮），可按复位按钮，售货机以1元和5角硬币的形式如数退出顾客已投入的硬币，数码管显示清0。
3.2上位机组态王画面仿真结果
3.2.1售货机主画面
（1）单击投币口按钮（投币时投币口会闪动表示投币），如果投入的硬币总值等于或超过1.5元，纯水指示灯亮，如果投入的硬币总值等于或超过2.5元，则纯水和可乐的指示灯亮。
如果投入的硬币总值等于或超过3元，纯水、可乐和牛奶的指示灯亮，如果投入的硬币总值等于或超过3.5元，则纯水、可乐、牛奶和酸奶的指示灯都亮。
数码管同时显示所投入的总钱数。
（2）纯水指示灯亮时，若按下“纯水”按钮，纯水从售货口自动售出（售货口显示纯水瓶，5秒后消失）。
纯水指示灯闪烁（闪烁频率为1sNO,1sOFF）,5s后自动停止。
（3）可乐指示灯亮时，若按下“可乐”按钮，可乐从售货口自动售出（售货口显示可乐瓶，5秒后消失）。
可乐指示灯闪烁（闪烁频率为1sNO,1sOFF）,5s后自动停止。
（4）牛奶指示灯亮时，若按下“牛奶”按钮，牛奶从售货口自动售出（售货口显示牛奶瓶，5秒后消失）。
牛奶指示灯闪烁（闪烁频率为1sNO,1sOFF）,5s后自动停止。
（5）酸奶指示灯亮时，若按下“酸奶”按钮，酸奶从售货口自动售出（售货口显示酸奶瓶，5秒后消失）。
酸奶指示灯闪烁（闪烁频率为1sNO,1sOFF）,5s后自动停止。
（6）当按下任意饮料的按钮后，如果投入的硬币总值超过所需钱数时，找钱指示灯亮（5秒后灭掉），售货机以5角和1元硬币的形式自动退出多余的钱（退币口钱币闪烁显示，0.1秒显示，0.1秒隐藏，5秒后消失），数码管显示清0。
（7）如果售货口发生故障，或顾客投入硬币后又不想买了（未按任意饮料选择按钮），可按复位按钮，售货机以5角和1元硬币的形式如数退出顾客已投入的硬币，数码管显示清0。
（8）图3.2.1为售货机的主画面
此画面中，投入了五元的硬币，并且选择购买了可乐，自动售货机根据顾客的需求做出了反映。
可乐出现在售货口。
顾客仍可以选择点击退币按钮，自动售货机会自动识别客户要求，退出剩余货币。
图3.2.1售货机主画面
（9）图3.2.2实时售货报表画面，从实时报表中可以直接查看售货机实时销售状态。
可以看到某个时间里所购买的商品和投入的货币数量。
图3.2.2实时售货报表画面
（10）图3.2.3历史售货报表画面，从历史报表中可以实时查看最近的交易记录。
可以查看，某段时间里自动售货机售出商品的数量以及投入货币的总数。
图3.2.3历史售货报表画面
结论
本设计完成后得出如下结论，可编程序逻辑控制器（PLC）可以实现逻辑判断、计时、计数等的功能，也可以实现数据传送、计算等的功能。
利用PLC控制的自动售货机会提高系统的稳定性，保证自动售货机能够更长时间的稳定运行。
组态王（Kingview6.53）能够建立更丰富的人际交互界面，而且有强大的通信功能和先进的报警以及报表功能。
本设计是基于组态软件的PLC控制自动售货机的系统。
系统实现了用PLC来控制自动售货机的投币、计算、出货和退币等功能，用组态软件实现了售货机运行状态的上位机监控系统的设计，自动生成报表，有利于管理人员了解收获情况等。
系统运行良好。
致谢
本设计在何自立老师的悉心指导和严格要求下本设计已完成，从课题选择、方案论证到具体设计和修改，无不凝聚着何老师的心血和汗水，在四年的本科学习和生活期间，也始终感受着老师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。
在此向导师表示深深的感谢和崇高的敬意。
本设计的完成也凝聚了同学们的辛勤汗水，是他们无私的帮助和支持，才使我的毕业设计工作顺利完成，在此向何老师及同学们表示由衷的谢意。
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