PLC自动售货机的控制设计.docx
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PLC自动售货机的控制设计
第1章自动售货机控制工艺流程分析
1.1自动售货机控制过程描述
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。
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商品的价格时，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商品的价格时，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售货、退币功能。
自动售货机的外部结构图1-1所示。
图1-1自动售货机结构图
1.2自动售货机工艺分析
自动售货机的出现是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会的转变。
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，自动售货机便应运而生了。
从广义来讲投入硬币、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，有吸引人们购买好奇心的自身性能，可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。
自动售货机工艺流程如图1-2所示
图1-2自动售货机流程图
第2章自动售货机控制系统总体方案设计
2.1系统硬件组成
当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。
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。
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。
选择一方面要选择多大容量的PLC,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。
对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。
控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。
因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。
所以一旦它们是交流220V的负载使用。
则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。
这样有可能造成输出点浪费，增加成本。
所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。
对第二个问题，则有以下几个方面要考虑：
（1）功能方面所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。
如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。
这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。
（2）价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。
在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。
经过从功能方面和价格方面两个方面的考虑，发现日本三菱FX2N系列的可变成序控制器产品比较适合自动售货机。
因为它是一种功能很强的小型机，在设计的过程中采用先进的方法及组件使其通常只有在大型PLC中才具有的功能，且具有其他控制器所不具备的功能。
虽然是小型机。
但是其功能较完善，性能价格比高，较适合自动售货机。
现在就对FX2N-MR48的组成各部分和技术性能做一个简单介绍。
在日本三菱公司生产的FX系列产品中，FX2N属于小型PLC产品，其中M48是具有高级处理功能的型号。
从型号可以看出FX2N-MR48可编程控制器的输入和输出点数（即I/O点）之和为48,还可以扩展到256点，结构紧凑，速度高，它的基本指令执行时间为0.08微妙每条指令，内置的用户存储器为8K步，可以扩展到16K步，有多种特殊功能模式后功能扩展板，可以实现多轴定位控制。
PLC的主要功能：
（1）条件控制功能：
条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联及wits各种逻辑连接，进行开关控制。
（2）定时/记数控制功能：
定时/记数控制功能指用PLC提供的定时器、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。
（3）数据处理功能：
数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。
（4）步进控制功能：
步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。
（5）A/D与D/A转换功能：
A/D与D/A转换功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。
（6）运动控制功能：
运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。
（7）过程控制功能：
过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。
（8）扩展功能：
扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制功能。
（9）远程I/O功能：
远程I/O功能是指通过I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。
（10）通信联网功能：
通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位机的链接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。
（11）监控功能：
监控功能是指PLC能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制I/O状态。
2.2控制方法分析
自动售货机设计要求：
1．自动售货机有3个投币孔，分别为1元、5元和10元。
2．售货共有3种饮料供选择，分别为汽水、花茶和咖啡。
3．如投币总额超过销售价格，将可由退币按钮找回余额。
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12元时，汽水指示灯亮，表示只可选择汽水。
6．投币值等于或大于15元时，汽水和花茶指示灯亮，表示只可选择汽水和花茶。
7．投币值等于或大于20元时，汽水、花茶和咖啡指示灯亮，表示3种均可选择。
8．按下要饮用的饮料按钮，则相对应的指示灯开始闪烁，3s后自动停止，表示饮料已经掉出。
9．动作停止后按退币钮，可以退回余额，退回金额如果大于10元，则先退10元再退1元，如果小于10元则直接退1元。
2.3I\O点的分配
表2-1I/O分配
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（一元）
Y3
五元投入按钮
X4
退币电磁阀（十元）
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
2.4外部接线
外部接线图如图2-1所示：
图2-1 PLC外部接线图
第3章程序设计部分
3.1程序设计说明
下位机程序的编制是利用三菱的PLC专用编程软件FxgpWIN完成的。
在设计的过程中，就像上面所叙述的那样，并非孤立地分别进行上位机和下位机的设计工作，而是互相配合的。
因此在以下的详细设计过程中，并没有将上位机的设计与下位机的设计整体分开来写，而是相互交替，同时尽量清晰地叙述，在相应的设计部分中注明是上位机的设计还是下位机的设计。
现在我们具体分析一下程序过程：
为了方便分析，我们以一次交易过程为例。
（1）初始状态。
此时不能购买任何商品。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
3.2程序设计
我们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；价格比较过程；选择商品过程；退币过程。
⑴运行初期清零过程
图3-1运行初期清零过程
该梯形图中，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。
⑵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3-2：
图3-2投币过程
（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。
这里只要选择灯来代表此信号。
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3-3：
图3-3价格比较和选择过程
⑷退币过程
因为选择商品和退币是相互制约的，顾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。
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3-4：
图3-4退币过程
第4章系统调试分析
4.1硬件调试
接通电源，检查三菱FX2N-48MR可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。
4.2软件调试
按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器ROM中，进行下一步的调试。
运行调试：
在硬件调试和软件调试正确的基础上，打开三菱FX2N-48MR可编程控制器的“RUN”开关进行调试；观察运行的情况，看是否是随时按下停止按钮可以停止系统运行，或者等待100个脉冲后，系统是否停止运行。
根据以上的调试情况，本装置控制系统设计符合要求。
第5章心得体会
通过这次设计实践。
我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。
能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
通过此次课设，让我了解了plc梯形图、指令表、顺序功能图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。
有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。
经过这次设计我学到很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
而且通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正的学到知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。
在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。
做事要学思结合。
参考文献
[1]廖常初.《PLC基础及应用》.北京:
机械工业出版社2004.
[2]王兆义.《可编程序控制器教程》.北京:
机械工业出版社2005.
[3]S7-200PLC编程原理与工程实训/李辉主编.北京:
北京航空航天大学出版社2008.
[4]S7-200PLC编程及应用/廖常初主编.北京:
机械工业出版社2007.
[5]S7-200PLC原理与实用开发指南/李艳杰,[等]编著.北京:
机械工业出版社2009.
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