自动售货机三菱PLC系统设计文档格式.docx
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自动售货机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。
采用可编程控制器实现自动售货机的系统设计，不仅编程方便，而且增强了系统的抗干扰能力。
1.2PLC的概述
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。
1.3PLC的发展趋势
PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。
具体表现在以下几个方面。
（1）向小型化、专用化、低成本方向发展
随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使PLC结构更为紧凑，相当与一本精装本书的大小，操作使用十分方便。
PLC的功能不断增加，将原来大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。
（2）向大容量、高速度方向发展
大型PLC采用多微处理器系统，有的采用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。
另外，存储容量大大增加。
（3）智能型I/O模块的发展
智能型I/O模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的CPU与PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。
（4）基于PC的编程软件取代编程器
随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机上的编程软件。
编程软件可以对PLC控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，例如设置各框架各个插槽上模块的型号、模块的参数、各串行通行接口的参数等。
（5）PLC编程语言的标准化
与个人计算机相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。
在硬件方面，各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用。
PLC的编程语言和指令系统的功能和表达式也不一致，因此各厂家的可遍程序控制器互不兼容。
为了解决这一问题，IEC制定了可遍程序控制器标准。
标准中共有5种编程语言，允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，这使编程能够选择不同的语言来适应特殊的工作。
（6）PLC通信的易用化
PLC的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中控制。
（7）组态软件与PLC的软件化
个人计算机（PC）的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。
（8）PLC与现场总线相结合
现场总线I/O与PLC可以组成功能强大的、廉价的DCS系统。
（9）开发新型特殊功能模块
I/O组件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大处理能力。
（10）CPU的处理速度进一步加快
目前，PLC的处理速度与计算机相比还比较慢，其高的CPU也不过80486，将来会全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU进行处理、分时处理或分任务处理方式，将各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可使PLC的处理速度达到纳秒级。
1.4PLC的特点
（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。
（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。
（4）功能完善
PLC的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。
由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。
（5）设计、施工、调试、的周期短
采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，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。
PLC的输入/输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。
（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，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。
第二章可编程控制器PLC
2.1PLC的工作原理
PLC的工作原理与计算机的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（见图2-1）
2.2PLC的循环扫描工作
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2-2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，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2-2PLC的扫描全过程
2.3PLC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2-3。
图2-3PLC硬件结构图
2.4PLC的选型原则
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。
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。
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电数。
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。
一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。
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。
2.5PLC的选型
PLC型号：
三菱FXON-232
控制点数：
16至256点（主单元：
32）输入16漏型输出16继电器
辅助继电器：
3072点，计时器：
256点，计数器：
235点，数据寄存器：
8000点。
超高速的运算速度：
（0.08μs/步）
内置8000步RAM可扩充至16000步
可使用FX系列组件
可8台主机联机
2.6其他硬件的选择
（1）电动机的选择
选择工作电动机的型号为XINX-37JS输入功率：
1.4~2.2W电压：
24VDC。
其计算额定电流IN为：
（经验法）
IN=3.5P=7.7A
（2）熔断器
熔断器对电气设备的电流起过载延时和短路瞬时保护作用。
熔断器的种类很多，其结构也不同，主要由插入式、螺旋式、填料封闭式等。
1、电路上、下两级都装设熔断器时，为使两级保护相互配合良好，两极熔体额定电流的比值不小于1.6：
1。
2、保护一台异步电动机时，考虑电动机起动冲击电流的影响，熔体的电流按下式计算：
Ifn＝（1.5～2.5）IN
式中，IN为电动机的额定电流。
3、多台异步电动机用一个熔断器保护时，若每台电动机不同时启动，考虑电动机启动冲击电流的影响，则应按下式计算：
Tfn＝（1.5～2.5）INmax＋∑IN
式中，INmax为一台容量最大电动机的额定电流，∑IN为其余电动机额定电流的总和。
因此熔断器的型号应选为RT18-32/380V。
（3）热继电器的选择
热继电器用于过热保护。
型号为JR16-20/3D。
（4）按钮选择
按钮通常是用来短时间接通或断开小电流控制电路的开关。
按钮主要根据所需要的触点数、适用场合及颜色来选择。
目前机床中常用的按钮为LA系列。
在此之中我选择了LA19-11。
（5）指示灯
在自动售货机控制系统中需要用到一些指示灯来显示，所以本设计需要用到指示灯。
型号为HA系列,额定功率0.25W。
电源用直流24V。
第三章自动售货机的系统设计
3.1自动售货机的控制要求
自动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。
例如本设计将达到如下控制要求：
1、此售货机可投入1元、2元、或5元硬币。
2、当投入的硬币总值超过12元时，饮料按钮指示灯亮；
又当投入的硬币总值超过15元时，饮料及咖啡按钮指示灯都亮。
3、当饮料按钮灯亮时，按饮料按钮，则饮料排出7秒后自动停止，这段时间内，饮料指示灯闪动。
4、当咖啡按钮灯亮时，按咖啡按钮，则咖啡排出7秒后自动停止，这段时间内，咖啡指示灯闪动。
5、若投入硬币总值超过按钮所需的钱数（饮料12元，咖啡15元）时，找钱指示灯亮，表示找钱动作，并退出多余的钱。
6、假设饮料排出、咖啡排出、找钱动作均由电机进行控制。
3.2自动售货机PLC控制方案设计
1）通过分析，由于程序内部的联锁、互动关系较为复杂，故采取步进指令较为简单。
2）本自动售货机可使用5角硬币，给计总金额数带来麻烦，可对除5角识别器以外的所对应INC指令的计数器中的值乘2计算来方便计算总钱数，即将所有
“元”转化为多少个“5角”。
3）由于实验室PLC型号三菱FXOS—30MR对某些指令无法识别，所以需将所有用脉冲执行型的功能指令都使用PLS指令进行转化，即通过PLS指令驱动辅助继电器M，实现程序功能。
4）找余时可找1元与5角，故需对剩余总金额寄存器中的数目除以2和取模2，除2结果即为当前要找1元的数目，取模2结果即为当前要找5角数目。
5）PLC选用继电器输出型。
6）任务书要求实现顾客的循环购买，故需实现控制程序的跳转（向后跳转），参考书本（P196）可以使用OUT指令而非SET指令来实现。
当顾客再次购买时，余额寄存器（为了退币，该寄存器中值已除2）中值要先乘2，以便与商品价格比较，再进入下次购买。
6）退币结束时，使用SET指令恢复初始态，并置位所有寄存器，以准备下一个顾客购买饮料，防止出现错误。
自动售货机PLC控制流程图，如图3-2所示：
图3-2自动售货机工作流程图
3.3各电机主电路
电机主电路由五台电机和两个指示灯组成，分别为控制饮料出口的电机、控制咖啡出口的电机、控制五元出口的电机、控制二元出口的电机、控制一元出口的电机、饮料指示灯和咖啡指示灯（连接在单相电路中），通过控制电路的控制作用，实现对电机和指示灯的控制，从而达到控制的目的。
图3-3电机主电路图
3.4PLC接线图
本系统是一个小型集中控制系统,PLC选型主要取决于控制系统输入、输出开关信号的数量、用户程序的长短及相关的功能。
根据控制要求,I/O点数在30个左右,选择性能价格比较高的选择三菱FXOS—30MR,其中其输入点为15点,输出点为15点,该PLC为继电器输出型。
了解各个控制对象的驱动要求，分析对象的控制要求，确定所控制参数的精度及类型，如：
对开关量、模拟量的控制等，完成PLC硬件结构配置。
本设计中，退币按钮、各种饮料按钮、开始购买按钮、继续按钮退币机构和饮料出口（驱动电磁阀）等均为开关量。
根据上述要求，因条件所限输出均用指示灯代替，由此绘制出PLC控制电路接线图，如图3-4：
图3-4PLC外部接线图
3.5I/O地址分配及元件明细表
输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。
PLC通过输入接口可以检测被控对的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；
同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。
I/O点分配表如表3.1示：
表3.1I/O地址分配
输入
输出
X0：
启动按钮
Y0：
饮料指示灯
X1：
饮料确定按钮
Y1：
咖啡指示灯
X2：
咖啡确定按钮
Y2：
饮料电机
X3：
找钱按钮
Y3：
咖啡电机
X4：
一块硬币
Y4：
找一块钱指示灯
X5：
两块硬币
Y5：
找两块钱指示灯
X6：
五块硬币
Y6：
找五块钱指示灯
元件明细表如下：
表3.2元件明细表
名称
代号
型号
数量
电动机
IM
XINX-37JS
5
熔断器
FU
RT18-32/380V
3
按钮
SB
LA19-11
4
热继电器
FR
JR16-20/3D
指示灯
L
L系列
6
编程控制器
PLC
FXON-232
1
3.6PLC控制程序梯形图
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，如图3-6所示。
它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。
图3-6PLC程序控制梯形图
3.7PLC控制程序指令
结束语
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，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。
在夏季电力消费高峰时，这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状况下也能保持低温，与以往的自动售货机相比，它能够节约10－15%的电力。
进入21世纪时，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。
通过这次课程设计，我体会到了很多，也让我懂得了不少知识，让我知道在学习方面还是有欠缺的，这次课程设计包括许多方面的知识，主要是可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心的工业控制装置。
它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有高的可靠性，灵活通用，易于编程，使用方便等特点，因此在近年来在工业控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。
总结这次的毕业设计，它对我来说是对大学三年的学习成果的总结和考核，通过对本课题的设计，使自己学会调研和查阅文献资料，达到对所学知识的综合运用。
提高了分析问题的能力，解决问题和独立工作的能力，为将来的工作打下良好的基础。
我认真的撰写了毕业设计，针对老师提出的问题进行了调整和补充，完成了自动售货机系统设计。
致谢
首先感谢学院为本人提供学习机会和条件，以及对本人的悉心教育。
本文的工作是在导师郑辉的悉心指导下完成的。
从设计的选题，及研究工作的深入，最后到论文的撰写和修改都凝聚着老师的心血。
每当我遇到不懂、不会的地方，郑老师都会给我讲解。
他严谨的教学作风、渊博的知识、诲人不倦的精神，让我们深深敬佩，也正是在老师的帮助下，我的毕业设计才得以顺利完成。
在此，我对郑老师和所有帮助过我的老师和同学们表示衷心的感谢。
三年大学生活转眼即逝。
在这三年学习期间，四川职业技术学院的老师们无私耕耘、孜孜教诲，让我们学到了很多书里和书外的知识。
为我们即将进入社会打下了良好的基础。
在这里我向所有老师们表示深深得谢意和崇高的敬意。
你们辛苦了！
最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师、教授！
忠心地祝愿各位身体健康、工作顺利。
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