基于PLC的自动售货机设计Word格式文档下载.docx
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1.3自动售货机设计的基本思路
本次设计的题目是自动售货机，主要是应用西门子S7-200型PLC的梯形图来设计控制程序，并简单介绍相关的知识，如：
PLC的定义、PLC的编程语言、PLC的硬件组成等。
根据设计内容和控制要求画出顺序功能图和梯形图，再根据PLC的相关知识设计出它的外部接线图，结合梯形图和外部接线图分析说明该设计的控制原理过程。
本次设计的重要部分是第三章的设计部分，即自动售货机梯形图的设计。
首先就得根据设计内容和控制要求准确画出它的顺序功能图，再根据所画出的顺序功能图准确设计出它的梯形图，这样才能真正理解本次智能抢答器的控制原理。
第2章PLC的概述
2.1PLC的定义
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及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
2.2PLC的简介
PLC是以CPU为核心，综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，是现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。
目前，世界上生产PLC的主要厂家有65个，其中最有名气的厂家在日本、美国和德国。
日本的几个厂家为三菱、富士。
日立、东芝、横河、立石、光洋、夏普等公司。
美国的几个厂家为德州食品公司、通用电器公司、歌德公司、数字设备公司等。
还有德国的西门子，荷兰的飞利浦，香港的鹰达等公司也是很有名气的。
日本三菱电机公司（MITSUBISHI）于1971年开始研制PLC，目前主要有F1,F2,FX,K,A等十几个系列几十种产品，在我国（主要是华东和华南地区）的工业控制领域具有一定的市场占有率。
2.3PLC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）。
但是PLC也有它自己的特点，PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。
2.4PLC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
2.5PLC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
2.6PLC的编程语言
PLC为用户提供了完善的编程语言来满足编制用户程序要求。
它提供的编程语言通常有以下5种：
梯形图（LAD）、语句表（STL）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）和结构文本（ST）。
2.7PLC的特点
（1）抗干扰能力强，可靠性好
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程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。
（4）功能完善
在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。
（5）设计、施工、调试、的周期短
PLC采用模块化积木式结构，故仅需按性能、容量等选用组装，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。
（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。
第3章自动售货机的设计
3.1自动售货机设计软元件
3.1.1定时器
定时器是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。
定时器的工作过程与继电器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触点，失电时，常闭触点闭合，常开触点打开；
定时器得电时，常闭触点打开，常开触点闭合。
定时器的当前值、设定值均为10位有符号整数（INT），允许的最大值为32767。
定时器指令表见表3-1。
表3-1定时器指令
语句
描述
TONTxxx，PT
接通延时定时器
TOFTxxx，PT
断开延时定时器
TONRTxxx，PT
保持型接通延时定时器
BITIMOUT
起动间隔定时器
CITIMIN,OUT
计算间隔定时器
3.1.2数学运算指令
在梯形图中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令（见表3-2）分别执行下列运算：
IN1+IN2=OUT，IN1—IN2=OUT，IN1*IN2=OUT，IN1/IN2=OUT。
表3-2加减乘除指令
梯形图
语句表
ADD_I
+IINT1,OUT
整数加法
DIV_DI
/DINT1,OUT
双整数除法
SUB_I
-IINT1,OUT
整数减法
ADD_R
+RINT1,OUT
实数加法
MUL_I
*IINT1,OUT
整数乘法
SUB_R
-RINT1,OUT
实数减法
DIV_I
/IINT1,OUT
整数除法
MUL_R
*RINT1,OUT
实数乘法
ADD_DI
+DINT1,OUT
双整数加法
DIV_R
/RINT1,OUT
实数除法
SUB_DI
-DINT1,OUT
双整数减法
MUL
MULINT1,OUT
整数乘法产生双整数
MUL_DI
*DINT1,OUT
双整数乘法
DIV
DIVINT1,OUT
带余数的整数除法
在语句表中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令分别执行下列运算：
IN1+OUT=OUT，OUT—IN1=OUT，IN1*OUT=OUT，OUT/IN2=OUT。
3.2自动售货机的基本功能
自动售货机的各种动作功能和控制要求，给出了完整的自动售货机操作规程（如图3-1），并介绍了自动售货机运行系统中所包括的人工操作步骤。
在实际生活中，我们见到的售货机可以销售一些简单的日用品，如饮料、常用药品和小的生活保健用品等。
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：
售货机中有2种商品，A商品价格为0.5元，B商品为1元。
现投入1个1元硬币，当投入的货币超过A商品的价格时，A商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，B商品也提示。
当按下选择A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A商品的价格同时启动相应的电机，提取A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的售货、退币功能。
3.3自动售货机I/O点的分配
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象的各种数据，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。
本次智能抢答器I/O点的分配如表3-3所示。
表3-3自动售货机I/O点的分配表
序号
定义点
符号
功能
1
I0.0
SB1
找零按钮
2
I0.1
SB2
食品五角按钮
3
I0.2
SB3
食品一元按钮
4
I0.3
SB4
饮料一元按钮
5
I0.4
SB5
饮料二元按钮
6
I0.5
SB6
日用二元按钮
7
I0.6
SB7
日用三元按钮
8
I2.0
SB8
投五角硬币
9
I2.1
SB9
投一元硬币
10
I2.5
SB10
找零五角
11
I2.6
SB11
找零一元
12
I3.1
SB12
食品五角行程开关
13
I3.2
SB13
食品一元行程开关
14
I3.3
SB14
饮料一元行程开关
15
I3.4
SB15
饮料二元行程开关
16
I3.5
SB16
日用二元行程开关
17
I3.6
SB17
日用三元行程开关
18
Q3.1
食品五角红灯（物品售完）
19
Q3.2
食品一元红灯（物品售完）
20
Q3.3
饮料一元红灯（物品售完）
21
Q3.4
饮料二元红灯（物品售完）
22
Q3.5
日用二元红灯（物品售完）
23
Q3.6
日用三元红灯（物品售完）
24
Q0.0
找零
25
Q0.1
出食品五角
26
Q0.2
出食品一元
27
Q0.3
出饮料一元
28
Q0.4
出饮料二元
29
Q0.5
出日用二元
30
Q0.6
出日用三元
31
Q2.1
食品五角绿灯（可以购买）
32
Q2.2
食品一元绿灯（可以购买）
33
Q2.3
饮料一元绿灯（可以购买）
34
Q2.4
饮料二元绿灯（可以购买）
35
Q2.5
日用二元绿灯（可以购买）
36
Q2.6
日用三元绿灯（可以购买）
3.4顺序功能图（SFC）
3.4.1什么是顺序功能图（SFC）
顺序功能图是一种位于其他编程语言
之上的图形语言，使用它可以对具有并发、
选择等复杂结构的系统进行编程。
顺序功
能图提供了一种组织程序的图形方法，在
顺序功能图中允许和别的语言编程的程序
嵌套。
顺序功能图由步、转换和动作三种
主要元件组成，如图3-2所示。
可以用顺
序功能图来描述系统的功能，根据它可以很容易地设计出梯形图程序。
3.4.2所选择的顺序功能图（SFC）
由于顺序功能图（SFC）有五种基本结构：
顺序结构、选择性分支结构、并发性分支结构、循环结构、复合结构。
本次自动售货机的SFC图，根据控制要求选用——选择性分支结构和并发性分之结构。
因为选择性分支结构是一个控制流可以转入多个可能的控制流中的某一个且不允许多路分支同时执行。
具体进入哪个分支，取决于控制流前面的转移条件哪一个为真。
而并发性分之结构是一个工作步执行完后，需要同时开启若干条分之，并采用双水平线相连且要有一个公共转移条件，这两种顺序功能图结构符合本次自动售货机的控制要求，所以选择这两种结构。
本次自动售货机的SFC图如下图3-3所示：
图3-3自动售货机顺序功能图
3.5梯形图（LAD）
3.5.1什么是梯形图（LAD）
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3-4所示。
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3-4传统继电器控制线路图和PLC梯形图a传统继电器控制线路图bPLC梯形图
在梯形图中，有两根竖直的直线，被称为母线，现在很多PLC只保留了左边的母线，而把右边的母线略去不写。
在梯形图中引入了“能流”的概念。
左边的母线就如电源的“正极”，而右边的母线就如电源的“负极”。
如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。
如果没有能流，则线圈未被激励，“能流”在任何时刻都不会通过接点自右向左流。
3.5.2自动售货机设计的梯形图（LAD）
本此设计自动售货机主要销售食品、饮料、日用三大类，而食品有五角和一元，饮料有一元和二元，日用有二元和三元。
本次自动售货机的梯形图如下所示：
3.6自动售货机的相关说明
上面梯形图中ADD_DI双整数加法当投入五角时加5投入1元是加10，SUB_DI是双整数减法当成功购买物品时就减去物品对应的数；
T37—T56表示通电延时定时器,按下物品按钮时T37—T42延时8秒，无操作时T43启动计时20秒，T44与T43配合组成投币2分钟无操作找零，T46—T56两两配合形成闪烁电路。
图3-5自动售货机模拟操作面板
本设计统一采用按钮开关模拟物品选择，按钮内有绿灯和红灯分别表示可购买物品和物品销售完；
指示灯模拟物品输出及找零如图3-5所示。
3.7自动售货机的外部接线图
本次知道售货机的外部接线图如图3-6所示，SB2—SB7为物品选择按钮，当投入货币物品绿灯亮（Q2.1—Q2.6），按下SB2—SB7其中一个，对用的KM线圈得电电机转动出相应的物品（Q0.1—Q0.6），当有物品销售完其行程开关断开，物品红灯亮并同时向总部发送物品销售完的信息；
当收买物品总值低于投入总值时，可按找零按钮SB1选择找一元还是五角（SB10、SB11）后KM1得电电机转动找零（Q0.0）。
图3-6售货机的外部接线图
3.8自动售货机仿真
程序编写好后无法验证程序的正误，编程能力很难提高，而仿真时解决这一问题的理想方法。
本次自动售货机的仿真，首先配置CPU的型号，为了自动售货机的仿真方便好看，我们选用CPU224，扩展模块我们选用2个8点输入8点输出的EM223（8I/8Q），如图3-7所示。
图3-7自动售货机选用CPU和扩展模块
接下来将梯形图程序编译导出，在仿真软件中把导出的ASCLL文件导入仿真软件，开启仿真软件就可以仿真。
致谢
从十月份接受课题到现在完成毕业设计论文，衷心的感谢我的指导李老师给予了精心的指导和热情的帮助。
李老师在PLC方面具有丰富的实经验，对我的设计工作给予了很多的指导和帮助，使我能够将理论中的结果与实际相结合。
尤其在课题设计的前期准备阶段，李老师提出许多宝贵的设计意见，在最后的测试修改阶段老师在百忙之中抽出时间为我们提供了必要的帮助，这样使得我们得以顺利的完成毕业设计开发工作，在短暂的一个月的相处时间里，老师渊博的知识，敏锐的思路和实事求是的工作作风给我留下了深刻的印象，这将使得我终身受益，谨此向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。
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！
忠心地祝愿各位身体健康、工作顺利。
参考文献
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7王兆义·
可编程序控制器教程·
机械工业出版社，2001
8廖常初·
S7-200PLC基础教程·
自动售货机的PLC系统设计
摘要:
本文介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，然后以一次交易过程为例，把交易过程分为几个程序块，然后分别对程序块进行编程。
绪论
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。
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。
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。
因经济复苏缓慢，社会对扩大就业与工作场所提供茶点饮料的福利事业更为关注。
自动售货机不仅保障了惬意的工休时间，也是最廉价、提高职工工作效率最有效的手段。
特别是在24小时无休工作状态中的办公场所，使用独具魅力的迷你型饮料冲饮机，解决了不间断提供咖啡饮品服务的问题，这种服务加速了自动售货机与咖啡饮品服务的融合。
1999年的全美自动售货机协会和全美咖啡服务协会的合并使人们更直观地看到了这种融合现象。
1控制任务和要求
如图所示为一自动售货机示意图，其工作要求如下：
此售货机可投入0.1元、0.5元或1元硬币。
当投入的硬币总值超过1.2元时，汽水按钮指示灯亮;
当投入的硬币总值超过1.5元时，汽水及咖啡按钮指示灯都亮。
当汽水按钮灯亮时，按汽水按钮，则汽水排出8s后自动停止，这段时间内，汽水指示灯闪动。
当咖啡按钮灯亮时，按咖啡按钮，则咖啡排出,8s后自动停止，这段时间内，咖啡指示灯闪动。
若投入硬币总值超过按钮所需的钱数（汽水12元，咖啡15元）时，找钱指示灯亮，表示，找找钱动作，并退出多余的钱，8秒后自动停止
如果售货口发生故障，或顾客投入硬币后又不想买了，可按下复位按钮，则售货机可如数退还顾客以投入的硬币。
2控制系统的I/O点及地址分配
名称
代码
地址编号
输入信号
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