自动售货机的设计.docx
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自动售货机的设计
湖南娄底职业技术学院
题目自动售货机的设计
专业机电一体化
班级10级机电大四班
学生
学号201004030427
指导教师
二〇一二年十二月十五日
摘要3
第1章绪论4
1.3PLC软件的介绍与分析...............................................................................5
1.5PLC的主要功能8
第2章自动售货机8
2.1自动售货机的发展及应用9
2.2自动售货机的基本功能9
第3章PLC的自动售货机设计12
3.2设计目的12
3.3控制要求12
3.4各电机主电路13
3.5PLC的I/O分配14
3.7自动售货机梯形图程序............................................................................16
3.8调试结果、调试中出现的问题及解决方法…………………….………..19
摘要
可编程逻辑控制器，简称PLC，是一种工业控制微型计算机。
它的编程方便、操作简单尤其是高通用性等优点，使它在工业生产过程中得到了广泛的应用。
其中的一个应用便是自动售货机的控制，主要用到的便是他的逻辑控制功能。
随着社会不断的进步，机械化程度的迅速发展，自动化控制已在人们的生活中得到了广泛的运用，给人们带来了便利。
本论文利用PLC自动控制具有功能完备、灵活性、通用性好，程序输入方法简化，操作简单等优点，设计出了PLC自动控制售货机，自动售货机是一种高智能化的产品，操作简便，可以充分补充人力资源的不足，这种自动售货机外型结构体积小，安置区域广，给人们的生活带来了具大的方便。
该论文设计介绍了自动售货机的结构组成，包括投币控制按钮、选择饮料按钮、退币按钮、输出饮料端口、找钱端口和一些对应的指示灯；根据设计需要和经济综合因素的考虑，选用FX1N-40MPR型PLC的控制，这样就能够满足输入与输出控制，在设计中给出了控制系统的软硬件设计，用软件进行对梯形图的输入、调试与仿真，能够完全符合设计需求。
关键词：
自动售货机，可编程序控制器，梯形图
第1章绪论
1.1PLC的定义
美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出如下定义：
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，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记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或输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可遍程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
定义强调了PLC应直接应用与工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。
这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征。
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、记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”。
1.2PLC的发展及其应用
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
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。
1.3PLC软件介绍与分析
PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。
系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。
系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。
用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。
STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
PLC的基本技术是扫描技术。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1、输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2、用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
3、输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
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。
具体措施主要有以下几个方面：
1）隔离：
这是抗干扰的主要措施之一。
PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。
这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于PLC的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。
2）滤波：
这是抗干扰的另一个主要措施。
在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。
3）对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。
另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。
5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。
6）对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。
7）采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。
8）以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。
而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。
（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。
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。
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
用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。
而采用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。
1.5PLC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、并联极其他各种逻辑连接，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。
第二章自动售货机
2.1自动售货机的发展及应用
由于大量生产、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。
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。
以及50年代的，“喷水型果汁自动售货机”等。
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。
2.2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），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。
售货机中有2种商品，汽水价格12元，咖啡的价格为15元。
现投入硬币，当投入的货币超过汽水的价格时，汽水指示灯亮，提示可以购买，当投入的货币超过咖啡的价格时，咖啡指示灯亮。
当按下买汽水按钮时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去汽水的价格同时启动相应的电机，提取汽水到出货口。
汽水流出7秒，在此期间不能进行买汽水或咖啡操作。
但可找钱。
买咖啡操作同理。
操作完成后，如需继续交易，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，自动售货机进行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。
可通过操作属性把把自动售货机分为四个过程：
（1）.投币过程
（2）价格比较过程
（3）选择商品过程
（4）退币过程
可把自动售货机工作过程分为4个状态：
（1）初始状态
（2）投币状态
（3）购买状态
（4）退币状态
初始状态，自动售货机内部各元件都处于复位状态，内部电机停止运转，等待投币操作。
投币状态。
按下投币按钮，显示投币框，按下所投币值显示屏显示投入、消费、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。
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。
取走商品后出货框消失。
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。
自动售货机的工作流程图如图1所示：
图1自动售货机的工作流程图
第3章PLC的自动售货机设计
3.1PLC的选择
主机由CPU（微处理器）、存储器、输入／输出单元、电源等部分组成。
按结构形式可分为整体式和模块式。
整体式PLC是将电源、CPU、I／O部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点，一般小型PLC采用这种结构。
模块式PLC是将PLC各部分分成若干个单独的模块，如CPU模块、I／O模块、电源模块（有的包含在CPU模块中）以及各种功能模块。
模块插在框架的插座上，有的PLC没有框架，各种模块安装在底板上。
这种结构的特点是配置灵活，可根据需要选配不同模块组成一个系统，而且装配方便，便于扩展和维修。
一般大、中型PLC采用模块式结构。
I／O总点数可分为小型、中型和大型三类。
小型PLC的I／O点数为256点以下，其中小于64点为超小型或微型PLC。
中型PLC的I／O点数为256点到2048点以下。
大型PLC的I／O点数为2048点以上，其中I／O点数超过8192点为超大型PLC。
统计输入、输出信号点数并选择PLC型号：
输入信号有5个，考虑到有15%的备用点，即5×（1+15%）=7.75，取整数7，因此共需12个输入点。
输出信号有7个，考虑到有15%的备用点，即7×（1+15%）=8.05，取整数8，因此共需8个输出点。
因此可选用FX1N-40MPR类型可编程控制器，
3.2设计目的
通过对自动售货机PC－PLC控制系统的工作原理的分析、系统设计、编程、及上机调试工作的实践，了解电器控制系统的一般设计思路，熟悉和掌握外围电路系统和软件设计的方法。
3.3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，汽水按钮指示灯亮；又当投入的硬币总值超过15元时，汽水及咖啡按钮指示灯都亮。
3、当汽水按钮灯亮时，按汽水按钮，则汽水排出7秒后自动停止，这段时间内，汽水指示灯闪动。
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（汽水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、假设汽水排出、咖啡排出、找钱动作均由电机进行控制。
3.4各电机主电路
电机主电路由五台电机组成，分别为控制汽水出口的电机，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。
汽水指示灯，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，在不同的时刻不同的电机运转，已达到控制的目的。
图2自动售货机原理图
3.5PLC的I/O分配
自动售货机PLCI/O分配如下表所示：
输入
输出
说明
说明
X000
1元硬币识别器
Y000
汽水指示灯
X001
2元硬币识别器
Y001
汽水出口
X002
5元硬币识别器
Y002
咖啡指示灯
X003
汽水按钮
Y003
咖啡出口
X004
咖啡按钮
Y004
1元硬币退币口
X005
找钱按钮
Y005
2元硬币退币口
Y006
5元硬币退币口
Y007
余额指示
图3自动售货机I/O分配表
3.6PLC的外部接线
图4PLC外部接线图
本次知道售货机的外部接线图如下图所示，投入硬币x000.x001.x002为一元，二元，五元。
X003.x004为物品选择按钮，当投入货币物品y000或y002灯亮，按下x003.x004其中一个，对用的KM线圈得电电机转动出相应的物品y001.y003，当收买物品总值低于投入总值时，可按找零按钮x005选择找一元.二元或五元。
后有，Y004，Y005,Y006得电电机转动找零。
3.7自动售货机的梯形图程序
3.8调试结果、调试中出现的问题及解决方法
调试结束后，在我们的仿真图面上，按下硬币按钮投入硬币，当投入的一元，二元，五元硬币总数大于12元时，汽水指示灯亮。
当投入的硬币总数大于15元时，汽水指示灯和咖啡指示灯同时亮。
当按下咖啡指示按钮时，咖啡出口灯亮，同时咖啡指示灯闪亮，七秒之后停止。
在此期间不能进行买入操作。
调试过程中，应把各元件属性设置正确，中间继电器M应为只写属性。
D与Y应为只读属性，在调试过程中对各元件要进行正确的链接。
运行前要确保工程已经添加到组态，且PLC处于开机状态。
设计心得体会
通过这次比较完整的自动售货机系统设计，我对PLC这门课有了更深层的认识，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，通过和实际设计的结合，锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际问题的能力，我看到了理论知识在实践应用中的重要性，同时也看到理论并不等同于实践。
本次课程设计通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，在今后的学习和工作中我将会受益匪浅。
这将为将来我们走入社会，工作打下基础。
。
结束语
通过这次对自动售货机的PLC控制的设计，让我对基本的PLC梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理和工作原理。
虽然本次毕业设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。
多和同学讨论。
我们在做毕业设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向。
讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己处理问题快一些，少走弯路。
多改变自己的设计方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样才能使问题解决得更加完美！
在毕业设计的过程中，有很多困难，无论是在理论学习阶段，还是在实际操作的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。
借此机会我向老师表示衷心的感谢！
同时我也要感
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