基于PLC的自动售货机.docx
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基于PLC的自动售货机
物理与电子工程学院
《PLC原理与应用》
课程设计报告书
设计题目：
基于PLC的自动售货机
专业：
自动化
班级：
11级2班
学生姓名:
AAAAAA
学号:
201*******
指导教师：
AAAAAA
2014年11月25日
物理与电子工程学院课程设计任务书
专业：
自动化班级：
2班
学生姓名
学号
课程名称
PLC原理与应用
设计题目
基于PLC的自动售货机
设计目的、主要内容（参数、方法）及要求
设计目的：
1、掌握PLC功能指令的用法。
2、掌握PLC控制系统的设计流程。
设计主要内容及要求：
（1）自动售饮料机可投入1角、5角、1元的硬币。
（2）所售饮料标价：
汽水——2元，咖啡——3元。
（3）投币总额或现在值显示在7段数码管上。
（4）当投入的硬币总值超过所购饮料的标价时，所有可购买饮料的指示灯均亮，作可购买提示。
（如：
当投入的硬币总值超过2元，汽水指示灯亮；当投入的硬币总值超过3元时，汽水、咖啡指示灯均亮）。
工作量
2周时间，每天3学时，共计42学时
进度安排
第1天：
明确课程设计的目的和意义，根据课程设计要求查找相关资料
第2-3天：
学习课程设计中用到的PLC相关知识
第4-5天：
根据课程设计的要求画出程序流程图
第6天：
列出I/O分配表
第7-8天：
写出梯形图程序，并对程序进行注释
第9-10天：
学习西门子S7-200的编程软件STEP7MicroWINSP6，并在该软件中编写梯形图程序
第11天：
学习西门子S7-200仿真软件，并进行程序仿真和调试。
第12天：
将课程设计中用到的程序在PLC试验箱上进行运行和调试。
第13-14天：
撰写课程设计报告。
主要参考资料
[1]廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].北京:
机械工业出版社.2005.1～127.
[2]罗宇航.流行PLC实用程序及设计（西门子S7-200系列）[M].西安:
西安电子科技大学出版社.2006.246～252.
[3]高勤.可编程控制器原理及应用（三菱机型）[M].北京:
电子工业出版社.2006.41～46
指导教师签字
教研室主任签字
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。
论文阐述了自动售货机各主要部件的选择,具体说明了可编程序控制器在自动售货机中的作用。
本文程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。
利用西门子PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性,保证自动售货机能够长期稳定运行,可实现类似控制功能,还具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点。
关键词：
自动售货机；PLC设计；S7-200PLC
1课程设计的定义和目的
1.1课程设计的定义
课程设计是“针对某一门”课程的要求，对学生进行综合性训练的过程，其中包括参考资料的查找、相关工具的应用以及课程设计文本的撰写和设计的实现或仿真等。
1.2课程设计的目的及意义
设计目的：
1、掌握PLC功能指令的用法。
2、掌握PLC控制系统的设计流程。
意义：
课程设计的目的在于培养学生运用课程中所学到的理论知识，解决实际问题的能力，培养学生查阅资料文献的能力，培养学生使用相关软体的能力，培养学生动手的能力，培养学生规范撰写的能力等。
1.3自动售货机的发展情况
自动售货机最早出现在二十世纪五、六十年代的西欧,英国是较早实行自动售货机售货的国家之一。
1942年,在食品销售中首先推广了自动售货的销售方式。
1950年。
英国食品杂货行有500家采用自动售货机售货。
1969年,采用自动售货机售货的商家增加到23000家,销售的商品扩展到文化用品、唱片、香烟、食品等多个方面。
进入70年代后,约有40多万家香烟、饮料店采用自动售货机。
1980年英国有50余万台自动售货机,年销售额达8.81亿英镑。
70年代后,日本、美欧等发达国家和地区自动售货机迅猛发展,短短30年,发达国家自动售货机产业已发展到相当大规模。
自动售货机被广泛地布放于车站、油站、码头、机场、宾馆、写字楼、娱乐场所及大街小巷和公路旁,人们通过自动售货机可以买到食品、香烟、饮料、报纸、票、卡甚至鲜花和小宠物等物品。
自动售货机实现了商品需求化、性能多样化的发展,又由原来只能出售有限商品品种,转变为继百货公司、超级市场、便民店之后,以消费者与售货机“一对一”自动售货的无店铺销售业态。
自动售货,给人们的生活带来了极大的方便。
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。
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。
据说世界上最早的自动售货机出现在公元前3世纪,那是埃及神殿里的投币式圣水出售机。
17世纪,英国的小酒吧里设有了香烟的自动售货机。
在自动售货机历史的长河中日本开发出实用型的自动售货机，那是在进入本世纪后的事。
日本第一台自动售货机是1904年问世的“邮票明信片自动出售机”它是集邮票明信片的出售和邮筒投函为一体的机器。
自动售货机的真正普及是在第二次世界大战以后。
50年代，“喷水型果汁自动售货机”大受欢迎，果汁被注入在纸杯里出售。
后来，由于美国的饮料大公司进入日本市场，1962年，出现了以自动售货机为主体的流通领域的革命。
1967年，100日元单位以下的货币全部改为硬币，从而促进了自动售货机产业的发展。
日本是自动售货机的天堂。
除鸡蛋、米饭之外，报纸、杂志、一次性相机、干电池、磁带、刮胡刀、袜子、花及宠物食品等各种商品都通过自动售货机进行销售。
连熟知自动售货机的美国游客在日本看到10台自动售货机排成一列的景象后，也是连声称奇。
在日本，70,的罐装饮料是通过自动售货机售出的。
全球著名饮料商可口可乐公司在全世界就布有50万台饮料自动售货机。
在日本全国各地，共设有550万台自动售货机,据1998年的统计，销售额达6兆8969亿4887万日元，为世界第一。
在售货机的显示屏幕上进行操作，输入商品号码和购买数量，并投入钱币后，商品就会从取货口出来，甚至从食品自动售货机上还能买到热呼呼的面条和米饭团。
可口可乐高级执行副总裁望月建树介绍，作为世界上最大的自动售货市场，日本拥有423万台自动售货机，通过自动售货机出售的商品多达6000余种，包括饮料、香烟、杂志、药品甚至牛仔裤等大件商品去年，仅饮料的销售额相当于1593亿元人民币。
韩国大约有78万台自动售货机，是除了日本、美国、英国之外自动售货机使用数量最多的国家。
从不同的种类来看，咖啡茶的自动售货机约占全部售货机的40%以上另外，还有冰饮料自动售货机、听装饮料自动售货机、办公咖啡自动售货机和照片胶粘标签自动售货机、票类自动售货机、手机充电自动售货机、成人用品自动售货机、生活用品自动售货机、烟、方便面自动售货机等多种。
主要的设置场所包括学校、楼房、公共机关、地铁等，公共汽车站、公园、体育场、展示场、工厂等。
运营自动售货机产业的公司在全国大约有800余个，而销售自动售货机原料、商品流通、机械销售的公司大约达到了1150个。
中国国内在1993年时,从日本、韩国等引进自动售货机并投放到中国市场。
1995年第一台国产自动售货机在北京诞生,1999年时国产自动售货机形成规模生产并批量投入市场。
相对于日本和美国等发达国家,中国目前市场上运行的自动售货机的数量还是很少的。
自动售货机在西方发达国家已经发展成为一个相对成熟的零售业态,但是中国还是处于导入期。
至2000年初,中国自动售货机研发、制造和运营的企业有10多家,以天津南开戈德集团规模最大,约占中国自动售货市场份额的80%。
在自动售货机运营商方面,主要是由制造企业的关联或下属企业运营,如戈德集团的戈德移动商务公司、澳珂玛集团的澳鸿自动商务公司等,中国目前还没有产生独立的运营商。
据来自中国自动售货机市场行情分析报告表明:
目前中国自动售货机市场走势已逐渐明晰,自动售货机逐步从沿海经济发达地区和各大中城市向内陆和次发达地区延伸,逐步从高级宾馆、地铁、机场等豪华高档场所向高中档社区普及。
有关报道显示,戈德移动商务公司已经在上海地铁一号线、南京东路、人民广场、轻轨沿线、大中学校等地布放了约2000台,在上海地铁二号线布放了30台,并准备于2002年在商业街、旅游景点、车站码头、高档写字楼布放500台。
2000年仅广州市区就摆放各种品牌的自动售货机1500台,而这个数量还不足以满足地铁和公交车站的摆放。
自动售货机这种全新的零售方式已逐渐被国人所接受和信赖。
其实,自动售货机的技术壁垒并不高。
在中国一般的纸币器只能接收5元、10元或者20元人民币不能接收更高面额的纸币。
但这只是一个应用的问题,因为目前中国市场上的自动售货机主要卖一些饮料、小食品。
2PLC的介绍
2.1PLC的产生
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，在一定的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。
但是机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，难与现实较复杂的控制，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，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盘
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，扩展时源系统改变最小
10，用户存储器至少能扩展到4KB（适应当时汽车装配过程的需要）
2.2PLC的定义
美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器作出以下定义：
可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入活输出，控制各种类型的机械或产生过程。
可编程序控制器及其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展的原则而设计。
定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。
这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。
它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力。
并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。
2.3PLC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
（2）向大容量、高速度方向发展
（3）智能型I/O模块的发展
（4）基于PC的编程软件取代编程器
（5）PLC编程语言的标准化
（6）PLC通信的易用化
（7）组态软件与PLC的软件化
（8）PLC与现场总线相结合
（9）开发新型特殊功能模块
（10）CPU的处理速度进一步加快
2.4PLC的特点
（1）抗干扰能力强，可靠性好
（2）控制系统结构简单，通用性强
（3）编程方便，易于使用
（4）功能完善
（5）体积小，维护操作方便
（6）易于实现网络化
（7）可实现三电一体化
2.5PLC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自动售货机的任务要求
3.1任务描述
自动售货机是可完成无人自动售货的商业自动化设备，它不受任何场地限制，方便快捷，在我国也越来越普及。
传统的自动售货机采用单片机作为控制核心，但这样在输入输出接口上消耗很大。
PLC不但可实现类似控制功能，还具有可靠性高、编程简单、功能强、能耗低、调试方便等优点。
本文设计的是售汽水和咖啡这两种饮料的自动饮料机，它的售货过程是：
首先由顾客按下商品选择开关时，然后顾客投入的硬币（投入硬币的面值和剩余值由PLC驱动数码管显示）经过光传感器感应，再由光传感器驱动硬币识别传感器识别硬币（由于能力有限，在识别硬币上不做具体研究）。
如果是无效币则使继电器打开阀门，将硬币退出；如果是真币则系统将硬币自动传送到相应的硬币贮币腔，并经硬币识别传感器将信号送给PLC。
最后经顾客选择，同时PLC控制，使PLC的输出口上有相应的信号输出。
若贮币腔内无硬币（红外检测器感应）、饮料的量位小于设定值（红外传感器感应）、售货机遭损，系统就报警【7】。
大体运行如图2-1：
图2-1自动售货机控制系统硬件组成示意图
图2-2是自动售货机简单示意图。
在该机中有两种已经配制好的饮料储液桶（未画出来），一种为汽水，另一种为咖啡。
汽水出口和咖啡出口分别代表由两个电磁阀控制放入杯中的饮料品种的饮料出口。
退币按钮汽水按钮咖啡按钮
退币口投币口
退币指示灯汽水指示灯咖啡指示灯投币不足指示灯
汽水出口咖啡出口
图2-2自动售货机简单示意图
3.2自动售货机控制要求
（1）自动售饮料机可投入1角、5角、1元的硬币。
（2）所售饮料标价：
汽水——2元，咖啡——3元。
（3）投币总额或现在值显示在7段数码管上。
（4）当投入的硬币总值超过所购饮料的标价时，所有可购买饮料的指示灯均亮，作可购买提示。
（如：
当投入的硬币总值超过2元，汽水指示灯亮；当投入的硬币总值超过3元时，汽水、咖啡指示灯均亮）。
（5）当汽水指示灯亮时，按选择汽水按钮，则排出汽水，7s后自动停止。
在这段时间内，汽水指示灯闪烁。
（6）当咖啡指示灯亮时，按选择咖啡按钮，则排出咖啡，7s后自动停止。
在这段时间内，咖啡指示灯闪烁。
（7）系统根据顾客投入的硬币，判断硬币是否足够，若足够则根据顾客的要求自动售货，投币不足则给出提示。
（8）购买饮料后，系统自动计算剩余币值，并根据剩余币值提示可购买的饮料（指示灯亮）。
（9）若投入的硬币总值超过所需的钱数（汽水2元，咖啡3元），则找钱指示灯亮,当按退币控制按钮时，退出找回的钱。
（10）在报警系统中，PLC只起到开关连接的作用。
4心系统配置及输入/输出继电器地址分配
4.1I/O口分配
列出I/O口分配表，如表所示：
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点编号
名称
代号
输出点编号
1角投币感应器
ST1
X0
显示指示灯
HL1
Y0～Y7
5角投币感应器
ST2
X1
汽水指示灯
HL2
Y10
1元投币感应器
ST3
X2
咖啡指示灯
HL3
Y11
汽水按钮
SB1
X3
汽水电磁阀
YV1
Y12
咖啡按钮
SB2
X4
咖啡电磁阀
YV2
Y13
1角退币感应器
ST4
X5
无币报警控制
YV3
Y14
5角退币感应器
ST5
X6
没有汽水报警
YV4
Y15
1元退币感应器
ST6
X7
没有咖啡报警
YV5
Y16
退币控制按钮
SB3
X10
售货机遭破坏报警
YV6
Y17
1角剩余钱币感应器
ST7
X11
1角传动电机控制
YV7
Y20
5角剩余钱币感应器
ST8
X12
5角传动电机控制
YV8
Y21
1元剩余钱币感应器
ST9
X13
1元传动电机控制
YV9
Y22
汽水液位感应器
ST10
X14
退币指示灯
HL4
Y23
咖啡液位感应器
ST11
X15
投币不足指示灯
HL5
Y24
售货机遭破坏感应器
ST12
X16
I/O口分配表
4.2控制接线图
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48个左右，选择性能价格比较高的三菱FX2n-48MR，其中其输入点为24点，输出点为24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，完成PLC硬件结构配置。
本设计中，退币按钮、各种饮料按钮和饮料出口（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，如图所示：
控制接线图
4.3系统的流程图
5程序设计
5.1记币部分
当有顾客购买饮料时，投入硬币时经过光传感器感应，然后由光传感器驱动硬币识别器识别硬币,如果是假币则系统自动退出硬币,如果是真币则系统将硬币自动传送到相应的硬币贮存腔,并经光传感器感应，然后在PLC内进行数据运算，否则认为是假币并退出系统，梯形图如图4-3：
5.2比较部分
投币完成后，系统会将D1内钱币数据和可以购买的饮料价格进行区间比较：
若投币<2元，则指示灯Y24亮，显示投币不足，此时可以继续投币或退币；若2元≤投币<3元，则汽水选择指示灯长亮，此时可以选择汽水或退币；若投币≥3元,则汽水和咖啡指示灯长亮,此时可以选择汽水、咖啡或退币。
梯形图如图：
5.3选择和饮料供应部分
比较完成后，按下指示灯长亮的选择按钮，相应的电磁阀（Y12或Y13）起动，并且相应的选择指示灯由长亮转为以1s为周期的闪烁直至饮料供应完毕后闪烁停止。
当饮料输出达到7s时，电磁阀关断。
梯形图如图：
5.4余额计算部分
饮料输出的同时减去相应的购买币数。
梯形图如图：
5.5退币部分
顾客可在购完饮料后，由退币指示灯Y23可知是否可以退币，指示灯亮，则可以退币，当按下退币控制按钮后，数据寄数器D1内的币数除以10，商的整数部分是需要退回1元的个数并储存在D2中；D3的数据除以5，商的整数部分是需要退回的5角钱的个数，并储存在D4中，依次类推选择退币的同时起动3个退币电动机。
3个感应器开始计数，当感应器记币的个数等于数据寄存器退回的币数时，退币电动机停止运转。
PLC编程梯形图如图：
5.6报警部分
PLC在报警系统中，只起到开关连接的作用，具体梯形图如图：
5.6梯形图程序调试
由于实验室没有相应的实物控制模型（自动售货机），因此，在调试系统控制程序时，所有的输入信号均用开关信号和复位按钮来代替，所有的输出均用指示灯来表示。
调试时，首先按控制系统PLC接线图完成硬件接线，并仔细检查接线是否有误，特别要注意接线时不能出现短路、断路及反接等情况，否则会造成硬件损坏及人身意外。
开始程序调试：
首先将PLC控制程序写入到PLC机器中，再选择监控状态，使PLC处于“RUN”状态，然后逐一按投币感应器（即硬币识别机构用复位按钮信号来表示硬币的输入），观察有没有进行累加币值；或按选择按钮，观察输出指示灯是否按预计效果闪灭（即显示饮料选择提示、饮料送出、送出时间和退币提示），并通过监控状态观察程序的运行过程及输入输出信号、内部描述实际出现的问题及解决方案。
对报警部分进行调试，只需给相应的输入端口信号，然后相应的指示灯变亮即可。
要对照设计控制要求，逐一检验设计功能是否能有效的实现，并对程序进行改进和完善。
例如，调试过程中，发现重复线圈问题，需将程序进行合并，避免重复线圈等等。
总而言之，对程序必须要反复调试，不断改进，以获得既完全实现功能，而又简单、严谨性高的PLC控制程序。
6心得体会
在本次设计的过程中，我发现很多的问题，有关于可编程控制器方面的，也有关于人与人之间相互帮助方面的。
虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，可编程控制器课程设计重点就在于梯形图的设计，需要有很巧妙的设计方法，虽然以前也设计过类似的梯形图，但我觉的设计出一个好的梯形图并不是一件简单的事；有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。
至于排错，出错了，多观察、对错误重复n次，估计是由什么原因引起的，从电路整体来看、分析可能是什么错误，再缩小范围。
如果实再找不出来，就出去吹吹风吧，不能急于求成，但不要放弃；要保持你的头脑清醒。
另外，我在程序方面的总结是1）、写程序注释写得越详细越好、不要怕麻烦。
2）、画流程图绝对有助于写程序以及日后查错。
3）、随时备份，最好以版本形式备份，并写清楚该版本实现了什么，改进了什么，还没有实现什么。
在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。
有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。
自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。
为以后的工作积累了经验，增强了信心。
参考文献
[1]廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].北京:
机械工业出版社.2005.1～127.
[2]罗宇航.流行PLC实用程序及设计（西门子S7-200系列）[M].西安:
西安电子科技大学出版社.2006.246～252.
[3]高勤.可编程控制器原理及应用（三菱机型）[M].北京:
电子工业出版社.2006.41～46.
[4]钱锐.PLC应用技术[M].北京:
科学出版社.2006.112～113.
[5]黄继昌等.传感器工作原理及应用实例[M].北京:
人民邮电出版社.1998.
[6]朱军等.自动售货机中的纸钞及硬币识别原理[J].
[7]董淑冷等.PLC在自动售货机控制系统中的应用[J].上海师范大学学报.2007,36
（2）:
47～51.
[8]赵红梅等.自动售货机PLC控制系统的设计[J].
[9]孙余凯等.传感器应用电路300例[M].北京:
电子工业出版社.2008.157～158.
[10]何希才等.实用传感器接口电路实例[M].北京:
中国电力出版社.2007.218～219.
附录
课程设计中的程序如下：
课程设计成绩评定表
院系：
物理与电子工程学院班级：
姓名：
学号：
项目
分值
优秀
（x≥90%）
良好
（90%>x≥80%）
中等
（80%>x≥70%）
及格
（70%>x≥60%）
不及格（x<60%）
评分
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
平时考核
20
学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作。
学
升级会员 