基于PLC的自动售货机的设计说明Word文档格式.docx
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继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。
触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和课维护性差。
而PLC采用微电子
技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。
PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；
还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
（4）控制速度
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。
另外，机械触点还会出现抖动问题；
而PLC是由程序
指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微妙数量级，且不会出现抖动。
（5）定时控制
继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。
一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。
PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时围最小可为0.001S，最长几乎没有限制，
用户可根据需要在程序中设置定时值，然后由软件来控制定时时间。
（6）设计和施工
使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。
工程越大，这一点就越突出。
而用PLC完成一项控制工
程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。
2.PLC与单片机控制系统的区别
PLC控制系统和单片机控制系统在很多方面有较大区别，是两个完全不同的概念。
（1）可靠性
单片机控制抗干扰能力较低，从理论所要求的I/O总数来看，不论是MCS51
系列还是MCS96系列单片机，都必须进行大规模的扩展，这样系统电路更加复杂，进一步降低了系统的可靠性。
而PLC应用于工业理论控制，PLC的可靠性得到了工控业界的认可。
（2）开发成本
单片机本身售价虽不高，但要购入单片机开发装置（如仿真器、烧录器、电源）和还要模拟制板等，都要不少的费用。
加上开发周期中所投入的人力物力，其价钱就远远地超过用PLC开发的费用。
另外，由于设备是专用特殊设备，其控制系统专用性强，通用性较差，为其投入过多的开发费用不划算。
而用PLC进行
的设备开发和控制费用都远远低于采用单片机的费用，其系统可大可小，小到几点，大到数千点，甚至上万点，很好解决工业控制过程。
（3）开发周期
从电路设计、模拟制板、编程、仿真、调试等经历非常长的周期，设计中往往要花大部分的时间在硬件设计和编程调试处理上，而对最为重要的工艺工程往往没有更多的时间考虑。
而用PLC进行设备控制，不会花太多精力在硬件处理上，采用积木式结构很快可以形成系统电路。
大部分精力集中在工艺的了解和程序编写上，有利于设备的快速开发，程序的编辑修改、调试都可随时进行，缩短了开发时间。
（4）修改和维护
利用单片机开发的设备往往是专用的特殊设备，在市场往往不能找到替代的配件，所以不便于维护。
而随微电子控制技术，PLC的处理能力也越来越强，其通信能力，运算处理、容量（I/O容量和程序容量）等都有充足的发展。
（三）方案选择
根据以上比较可知，PLC在性能上比继电器控制和单片机控制逻辑优异，特别
是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便等优点，我们决定选择方案三，以PLC为控制核心设计了自动售货
机装置PLC控制系统。
三、可编程控制器的简单介绍
（一）PLC的基本结构
1.PLC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输人输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。
其部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输.
如图3所示,PLC控制系统由输人量一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的输人量，它们经PLC外部
输人端子输人到部寄存器中，经PLC部逻辑运算或其他各种运算，处理后送到输出端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。
由此可见，PLC的基本结构由控制部分、输人和输出部分组成。
图3PLC硬件结构图
2.PLC各部分的作用
（1）中央处理器（centralprocessingunit,CPU）
CPU是由控制器和运算器组成的。
是整个PLC的核心，起着总指挥的作用，是PLC的运算和控制中心。
其主要功能：
1诊断PLC电源、部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。
2采集由现场输人装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。
3按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。
4将存于寄存器中的处理结果送至输出端。
5响应各种外部设备的工作请求。
（2）存储器
PLC的存储器分为两大部分：
一部分是系统程序存储器。
另一部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。
（3）输入输出接口电路
PLC通过输人输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。
（4）电源
为PLC提供CPU存储器、输人输出接口等部电路工作需要的电源。
（5）编程设备
编程设备是人与PLC联系和对话的工具，是PLC重要的外围设备。
用户可以利用编程设备来输入、读出、检查、修改和调试用户程序，也可用它监视PLC的
工作状态、显示错误代码或修改系统寄存器的设置参数等。
（6）输入输出I/O扩展接口
输入输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。
对软件来说，I/O地址分配以后才可进行编程；
对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后。
才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。
（二）PLC的基本工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式。
每一个循环称为一个扫描周期。
扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：
一是CPU执行指令的速度；
二是执行海条指令占用的时间；
三是程序中指令条数的多少。
一个循环扫描周期主要可分为3个阶段。
（1输入采样阶段
在输人采样阶段，CPU扫描全部输人端口，读取其状态并写人输人状态寄存器。
完成输人端采样工作后，将关闭输人端口，转人程序执行阶段。
（2程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输人的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存人对应的部辅助寄存器和输出状态寄存器。
当最后一条控制程序执行完毕后，即转人输出刷新阶段。
（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。
由此可见，输人采样、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC—个工作周期，由此环往复，因此称为循环扫描工作方式。
PLC的扫描工作过程如图4所示
图4PLC的扫描工作过程
采用循环扫描的工作方式是PLC区别干微机和其他控制设备的最大特点，在使用中应引起特别的注意。
（3）PLC的应用场合
随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降，而其功能却大大增强。
目前在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业企业，诸如钢铁、冶金、采矿、水泥、石油、化工、轻工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保、交通、建筑、食品、娱乐等各行各业。
特别是在轻工行业中，因生产门类多，加工方式多变，产品更新换代快，所以PLC
广泛应用在组合机床自动线、专用机床、塑料机械、包装机械、灌装机械、电镀自动线、电梯等电气设备中。
PLC已跃居现代工业自动化三大支柱（PLC,ROBOT,CAD/CA的）主导地位可编程控制器所具有的功能，使它既可用于开关量控制，又可用于模拟量控制既可用于单机控制，又可用于组成多级控制系统既可控制简单系统，又可控制复杂系统，甚至实现整个工厂生产的自动化。
它的应用可大致归纳为如下几类：
（1）逻辑控制
（2）运动控制
（3）过程控制
（4）数据处理
（5）多级控制
（4）可编程控制器的发展趋势
目前PLC技术发展总的趋势是系列化、通用化和高性能化，主要表现在：
（1）在系统构成规摸上向大、小两个方向发展
（2）功能不断增强，各种应用模块不断推出
（3）产品更加规化、标准化
（五）PLC的编程语言
PLC作为专为工业控制而开发的自控装置，其主要使用者为工厂的广大电气技术人员，考虑到他们的传统习惯以利于使用推广普及，通常采用梯形图语言、指令助记符语言、控制系统流程图语言、布尔代数语言等。
在这些语言中，尤以梯形图、指令助记符语言最为常用。
（1）梯形图语言
PLC的梯形图在形式上沿袭了传统的继电器一接触器控制图，是在原继电器-
接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。
它将PLC部的
各种编程元件（如继电器的触点、线圈、定时器、计数器等）和各种具有特定功能的命令用专用图形符号、标号定义，并按逻辑要求及连接规律组合和排列，从而构成了表示PLC输人、输出之间控制关系的图形。
由于它在继电接触器的基础上加进了许多功能强大、使用灵活的指令，并将计算机的特点结合进去，使逻辑关系清晰直观、编程容易、可读性强，所实现的功能大大超过传统的继电接触控制电路，所以很受用户欢迎。
它是目前用得最多的PLC编程语言。
（2）指令助记符语言
助记符语言类似于计算机汇编语言，它用一些简洁易记的文字符号表达PLC
的各种指令。
对于同一厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。
助记符语言常用于手持编程器中，因其显示屏幕小不便输入和显示梯形图。
特别是在生产现场编制、调试程序时，经常使用手持编程器。
而梯形图语言则多用于计算机编程环境中。
（六）小结
通过本章对PLC的基本概念、基本结构、工作原理、功能及特点的分析，对自动售货机采用PLC控制的方案有了更明确的认识和目标，同时确立了方案实施的具体措施。
四、自动售货机控制系统的控制原理
在本控制系统中，自动售货机只售2种商品，即可乐和汽水。
自动售货机可识别1元、5角、1角硬币；
自动售货机可退币1角硬币。
其控制原理是：
首先由顾客投入钱币，然后顾客按下商品选择开关，经钱币识别器后将信号送给PLC。
由用户编写的PLC程序运行可以识别出钱币的真伪以及币值，并显示投入钱币的数值，同时与商品的价格比较。
当投入的钱币满足某商品的购买价格后，则可以购买
该商品的指示灯亮。
PLC通过计算还可以显示出余额数值，商品驱动收到控制信号后即出货电磁阀动作，送出商品，若有余额，则退币电动机动作，可以退出余额数值的相应币值，同时完成部清零过程。
这样就完成一次商品提货过程。
该自动售货机还具有售货口故障处理和商品低液位报警等功能。
整个过程由1台PLC控制。
自
动售货机控制原理示意图见图5。
图5自动售货机控制原理示意图
五、系统设计部分
（一）系统的硬件设计
1.操作面板设计
如图6所示：
图6控制面板图
图中：
1
—数码管显示
2-
-响铃（报警铃）
3
—汽水指示灯
4-
-—可乐指示灯
5
补余款灯
6-
-投币口
7
补余款出口
8-
-汽水选择按钮
9—-
-可乐选择按钮
10
――复位及消铃按钮
11—
-—汽水出口
12
可乐出口
2•机型选择
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。
根据此控制系统的要求，1/0点
数在34个,输入点为14点,输出点为20点。
并且考虑到为以后的I/O扩展,我们选择了性能价格比较高的西门子点数之和为24点的主机CPU224，其中输入点为
14点，输出点为10点；
可以有7个扩展模块，有置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理功能。
I/O扩展模块选择两个输出扩展模块EM222各模块在I/O链中的位置排列方式如图7所示:
图7模块连接方式
各模块的编址情况如图8所示：
主机I/O
模块1I/O
模块2I/O
I0.0
Q0.0
Q2.0
Q3.0
I0.1
Q0.1
Q2.1
Q3.1
I0.2
Q0.2
Q2.2
Q3.2
I0.3
Q0.3
Q2.3
Q3.3
I0.4
Q0.4
Q2.4
Q3.4
I0.5
Q0.5
Q2.5
Q3.5
I0.6
Q0.6
Q2.6
Q3.6
I0.7
Q0.7
Q2.7
Q3.7
I1.0
Q1.0
I1.1
Q1.1
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
图8各模块编址
3.I/O点配置
在选择好PLC的机型后，就可以进行该控制系统的硬件接口设计，考虑到编程简单、检查方便和接线容易等因素，我们编制了控制系统的输入输出I/O地址分配表,如表1所示：
表1输入输出地址分配
输入信号
输出信号
名称代码地址编号
人工复位
SF1
响铃
PB
选汽水按钮
SF2
10.1
汽水灯
PG1
选可乐按钮
SF3
10.2
可乐灯
PG2
汽水低位
BS1
PG3
可乐低位
BS2
汽水出口
QA1
汽水口故障
KF1
QA2
可乐口故障
KF2
10.6
找钱口
QA3
消铃按钮
SF
10.7
找钱器
QA4
投0.1元
KF3
11.0
小数点
投0.5元
KF4
11.1
a
A
投1元
KF5
11.2
b
B
结帐按钮
SF4
c
C
投假币
KF6
d
D
总价显清按钮
SF6
e
E
f
F
g
G
数码管的个位PG4Q3.0
数码管的十位PG5Q3.1
数码管的百位PG6
数码管的千位PG7Q3.3
4.PLC及扩展模块外围接线图
（2）程序的设计
1.软件结构
其主要由初始化、投币过程、价格比较过程、商品选择、显示、退币和报警等模块组成,其中一些主要模块的功能如下：
（1）初始化模块
①硬件初始化。
对系统中各硬件资源设定明确的初始化状态，包括对可编程器件初始化,各I/O口初始状态设定等。
②软件初始化。
包括堆栈初始化、状态变量初始化、各软件标志初始化、各变量存储单元初始化、系统参数初始化。
（2）投币模块
在投币过程中，每投下一枚硬币，经钱币识别器把信号传递给PLC该模块将完成辨别硬币的真伪和判定具体的币值，可以进行钱币的累加，并显示出相应的币值余额也增加同样的币值。
（3）价格比较模块
投币完成后，系统会将在总额中钱币数据和可以购买的商品价格进行区间比
较：
若大于或等于商品1的价格,则可以购买商品1,指示灯1亮；
若大于或等于
商品2的价格,则指示灯2亮,以此类推。
（4）商品选择系统
此模块可以实现用户对商品的选择购买。
（5）退币模块
系统可在顾客购买完商品后退回余币。
在退币过程中，最主要的是要完成退币的运算过程，运算结果放在数据寄存器，根据结果起动退币电动机工作，输出相应的钱币，退币结束时还要给程序中使用到的某些寄存器重新赋零。
（6）报警模块
当货物低位或投入硬币是伪币时，系统就报警。
（7）显示模块
可以实现币值显示、余额显示和累计金额显示等。
2•程序总框图
根据系统控制要求，编写了控制系统的程序总框图，如图10所示：
上
图10程序总的流程图
3.主程序的设计
根据西门子公司提供的STEP—Micro/WINV4.0编程软件,在一台PC机上编写了上述模块的程序。
这个主程序主要完成系统复位、币值识别、币值累加、累加值比较、商品的选择、售货口故障判断、余款计算以及低液位判断等功能。
利用上面的系统程序总的流程图编写出主程序的梯形图（见附录：
程序清单）。
4.子程序的设计
该程序一共有四个子程序，分别是显示程序、售货口故障处理程序、余款处理程序、液体低位处理程序（所有程序见附录：
程序清单），下面对各子程序做一简单的介绍：
（1）显示程序：
用于显示投入的总的币值、退币的数量和每天售出的总金额。
（2）售货口故障处理程序：
若某种液体对应的售货口出现故障时，此时就会报警响铃并且对应液体指示灯亮，最后消铃。
（3）余款处理程序：
当购买完成后若有余款，则找钱灯闪烁，余款额显示在数码
管上同时补余款口打开。
补余款后，灯灭，数码管显示0.0。
（4）液体低位处理程序：
当某种液体出现低位时，就会报警即响铃，对应液体的
指示灯就会闪烁，数码管显示77。
由工作人员加入液体后，消铃及灯灭。
（3）程序编译修改
利用STEP7—Micro/WINV4.0软件编写程序完成以后，进行了程序编译。
根据编译结果，对程序中的错误进行了改正。
其修改容是：
（1）个别功能指令的数据类型表达不正确；
如：
主程序中的网络1中的第三
行第六列的传送指令，在编写程序时我用的是“MOV-R;
在进行编译是出现错误：
指令操作数的数据长度或类型无效。
我把它修改成“MOV-；
之后就正确了。
像这
样类似的错误，还有几个。
进过修改都正确了。
（2）网络复杂的问题；
如果出现两条或两条以上指令在同一个网络中，在编译时就会出现“网络太大，无法编译”的错误。
当把它分开成几个网络后，就能编译正确了。
经过修改，程序编译获得成功。
六、系统调试
（1）PLC硬件调试
台西门子公司生产的S7-200LC实验台，CPU是S7-200系列中的CPU224
还有一台安装有STEP7-Micro/WINV4.0编程软件的计算机，编程电缆线一根。
（二）PLC程序调试
程序编写完毕后，借助STEP7—Micro/WINV4.0版本自带的虚拟运行功能，在PC机中运行该程序，观察各输入输出继电器、状态继电器、辅助继电器的状态，分析在程序运行下各继电器应该出现的状态，再和观察到的状态相比较，
若一致则程序基本无误，可以将程序下载到PLC中。
（三）联机调试
首先在PLC试验台上连接好本试验中要用到的输入/输出接口，然后连接计算机与PLC设备之间的通讯线，连接好之后各自都接通电源。
接着在计算机中打开STEP7-Micro/WINV4.0编程软件，输入该自动售货机的相关梯形图，然后进行保存、综合、编译、调试、修改等过程确定无误后，下载至PLC中，最后进行硬件调试，在PLC的操作台上进行，一边调试一边观察试验台，看是否可以按我们事先预计的效果运行。
此次自动售货机的联机调试中，出现了三个主要问题是：
（1）投币逻辑失控的问题：
调试中发现，正在进行假币处理时，如再投入真币将会出现计算显示投币值的现象，造成投币逻辑失控。
（2）对应液指示灯控制的时候，指示灯闪烁的时间不好控制。
（3）数码管显示不亮的问题。
在调试中对以上
升级会员 