自动售货机PLC系统设计.docx

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自动售货机PLC系统设计

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安徽汽车职业技术学院毕业设计（论文）

学生姓名：

王家伟

系部：

机电系

专业：

机电一体化

班级：

14-04班

指导老师；李明

自动售货机的PLC控制系统设计

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。

具体说明了可编程序控制器在自动售货机中的作用。

程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。

利用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。

关键词自动售货机；可编程序控制器；梯形图

Abstract:

Thispaperdescribesthebasicprincipleofthevendingmachineandtheworkingprocess,andthentakeatransactionprocess,thetransactionprocessisdividedintoseveralblock,thenrespectivelyforprogrammingblock.Theconcreteexpressionoftheroleofprogrammablecontrollerinthevendingmachine.Programinvolvesthevendingmachineworkmostoftheprocess.UsingPLCcontrolofautomaticvendingmachinetoimprovethestabilityofthesystem,andthevendingmachinetoensurethelong-termstableoperation.

Keywords:

Thevendingmachine;Programmablecontroller;Ladderdiagram

第一章：

自动售货机介绍极其发展方向

一.1.1自动售货机的发展历程

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。

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。

1.1.2自动售货机的基本机能

在进行上、下位机程序编写之前，首先要做的工作是确定自动售货机本身所具备的功能及在进行某种操作后所具有的状态。

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。

举一个简单的例子来说明，例如：

售货机中有8中商品，其中01号商品（代表第一种商品）价格为2.60元，02商品为3.50元，其余类推。

现投入1个1元硬币，当投入的货币超过01商品的价格时，01商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，其他商品同比。

当按下选择01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01商品的价格同时启动相应的电机，提取01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。

第二章：

PLC概述

1.2.1PLC的定义

PLC，又称可编程逻辑控制器。

可编程逻辑控制器，是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

1.1.3PLC的基本结构

可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为电源、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口电路、功能模块和通信模块。

1.1.4PLC的工作原理

当可编程逻辑控制器投入运行后，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，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

一、输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器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映象区中的相应的单元内。

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。

可编程逻辑控制器（2张）

二、用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器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。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

三、输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器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，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

如图1为西门子PLC的实物图，图2为三菱PLC实物图。

图1：

西门子PLC

图2：

三菱PLC

1.1.5PLC的功能特点

1.使用方便，编程简单

采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。

另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。

2.功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。

它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。

PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。

硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

4.可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。

PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

5.系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。

完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

6.维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。

PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

1.1.6几款PLC的功能介绍

1.西门子公司的PLC

德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。

西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性高。

S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。

可以分为高档机、中档机和低档机。

低档机这类可编程序控制器，具有基本的控制功能和一般的运算能力。

工作速度比较低，能带的输入和输出模块的数量比较少。

比如，德国SIEMENS公司生产的S7-200就属于这一类。

中档机这类可编程序控制器，具有较强的控制功能和较强的运算能力。

它不仅能完成一般的逻辑运算，也能完成比较复杂的三角函数、指数和PID运算。

工作速度比较快，能带的输入输出模块的数量也比较多，输入和输出模块的种类也比较多。

比如，德国SIEMENS公司生产的S7-300就属于这一类。

高档机这类可编程序控制器，具有强大的控制功能和强大的运算能力。

它不仅能完成逻辑运算、三角函数运算、指数运算和PID运算，还能进行复杂的矩阵运算。

工作速度很快，能带的输入输出模块的数量很多，输入和输出模块的种类也很全面。

这类可编程序控制器可以完成规模很大的控制任务。

在联网中一般做主站使用。

比如，德国SIEMENS公司生产的S7-400就属于这一类。

2.三菱PLC

三菱PLC英文名又称：

MitsubishiProgrammableLogicController，是三菱电机在大连生产的主力产品。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

三菱PLC在中国市场常见的有以下型号：

FR-FX1NFR-FX1SFR-FX2NFR-FX3UFR-FX2NCFR-AFR-Q）。

FX1S系列:

常用的几款三菱plc三菱PLC是一种集成型小型单元式PLC。

且具有完整的性能和通讯功能等扩展性。

如果考虑安装空间和成本是一种理想的选择。

FX1N系列:

是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC。

具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。

是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱PLC。

FX2N系列:

在当时，是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。

具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

FX3U系列：

是三菱电机公司新近推出的新型第三代三菱PLC,可能称得上是小型至尊产品。

基本性能大幅提升，晶体管输出型的基本单元内置了3轴独立最高100kHz的定位功能，并且增加了新的定位指令，从而使得定位控制功能更加强大，使用更为方便。

FX3U系列产品为FX2N替代产品，FX2N系列产品2012年12月三菱电机不再供货。

以后大家都会选用FX3U系列产品。

1.1.7PLC的发展趋势

PLC自诞生以来也是在不断发展改进创新的。

采用新的、先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间；

小型的、低成本的PLC，可以替代4到10个继电器，获得更大的发展动力；      

高密度的I/O系统，以低成本提供了节省空间的接口；    

基于微处理器的智能I/O接口，扩展了分布式控制能力。

典型的接口如：

PID，网络，CAN总线，现场总线，ASCII通信，定位，主机通讯模块，和支持高级语言编程的模块（如BASIC，PASCAL）；      

包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成； 特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等；  并且由于工控机，DCS等控制系统的出现，将迫使PLC向着功能更多，开放性兼容性更强的方向不断发展。

PLC市场份额不但不会减少，反而将会增加。

许多年前开始，就有人预言，PLC将要被PC-BASED控制系统取代。

但是，PLC的销售每年都在以一个十分稳定的增长率在上升，目前的PLC已经与十年前的PLC有着很大的区别，十年后的PLC与当前的PLC也将有着很大的不同。

但是，有两个方面是不变的：

首先，PLC会提供稳定的控制响应，第二，高度的可靠性。

PLC有着其它控制产品，如工控机，DCS，单片机等控制产品所无法替代的特性。

2.1PLC控制系统的设计

2.1.1PLC系统设计的基本原则

1.最大限度地满足被控对象的控制要求

2.保证PLC控制系统安全可靠

3.力求简单、经济、使用及维修方便

4.适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

2.1.2PLC控制系统的基本步骤与内容

1.基本内容：

（ 1 ）拟定控制系统设计的技术条件。

技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；   

（ 2 ）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；   

（ 3 ）选定 PLC 的型号；   

（ 4 ）编制 PLC 的输入 / 输出分配表或绘制输入 / 输出端子接线图；   

（ 5 ）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；   

（ 6 ）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系；   

（ 7 ）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件；  

 （ 8 ）编写设计说明书和使用说明书；   根据具体任务，上述内容可适当调整。

1.基本步骤：

（ 1 ）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求   a ．被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。

   b ．控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。

对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。

（ 2 ）确定 I/O 设备   根据被控对象对 PLC 控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。

常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。

 （ 3 ）选择合适的 PLC 类型   根据已确定的用户 I/O 设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的 PLC 类型，包括机型的选择、容量的选择、 I/O 模块的选择、电源模块的选择等。

（ 4 ）分配 I/O 点   分配 PLC 的输入输出点，编制出输入 / 输出分配表或者画出输入 / 输出端子的接线图。

接着九可以进行 PLC 程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。

（ 5 ）设计应用系统梯形图程序   根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。

这一步是整个应用系统设计的最核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。

（ 6 ）将程序输入 PLC   当使用简易编程器将程序输入 PLC 时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。

当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到 PLC 中去。

（ 7 ）进行软件测试   程序输入 PLC 后，应先进行测试工作。

因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。

因此在将 PLC 连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。

（ 8 ）应用系统整体调试   在 PLC 软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。

调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。

（ 9 ）编制技术文件   系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、 PLC 梯形图。

1.1.3编写梯形图的注意事项

（1）输入/输出继电器、内部辅助继电器、定时器、记数器等器件的触点可以多次重复使用，无需复杂的程序结构来减少触点的使用次数。

（2）梯形图每一行都是从左母线开始，线圈终止于右母线。

触点不能放在线圈的右边。

除步进程序外，任何线圈、定时器、计数器、高级指令等不能直接与左母线相连。

如果需要任何时候都被执行的程序段，可以通过特殊内部常闭继电器或一个没有使用的内部继电器的常闭触点来连接。

（3）在程序中，不允许同一编号的线圈两次输出。

（4）不允许出现桥式电路。

程序的编写顺序应按自上而下、从左止右的方式编写。

为了减少程序的执行步数，程序应为“左大右小，上大右小”。

1.2程序设计

如上图为自动售货机的PLC控制程序。

（1）试验状态假设

由于是在计算机上模拟运行，试验中有一些区别于实际情况的假设，本试验中假设：

1自动售货机只售8种商品。

2自动售货机可识别10元、5元、1元、5角、1角硬币。

3自动售货机可退币10元、5元、1元、5角、1角硬币。

4自动售货机有液晶显示功能。

5实验中售货机忽略了各种故障以及缺货等因素。

（2）一次交易过程分析

为了方便分析，我们以一次交易过程为例。

1初始状态。

由电子标签显示各商品价格，显示屏显示友好界面，此时不能购买任何商品。

2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。

3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。

4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。

2.2.1设计任务的确定

在清楚自动售货机运行工作过程的基础上，制定出设计方案，确定任务的目标，以设计出合理的仿真系统。

首先，应该做上位机与下位机的任务分工：

上位机主要用来完成仿真界面的制作过程，而下位机则主要用来完成PLC程序的编写。

其次，要分别对上位机和下位机进行资料的查找与收集。

例如在进行仿真界面的设计时可以去观看一下真正售货机的外观，必要时可以借助一些宣传图片来设计自动售货机的外型；在进行PLC程序的编写时需要先分配PLC的I/O点，确定上、下位机的接口。

然后，分别对上、下位机分别进行设计工作。

最后，进行上位机设计结果与下位机设计结果的配合工作，经调试后完成整个系统的设计

另外，上位机与下位机的设计工作是密切配合的。

它们无论在通信中使用的变量，还是在仿真中控制的对象都应该是一致的。

总体上讲，仿真界面是被控对象，利用PLC来控制这个仿真的自动售货机，仿真的自动售货机接受PLC的控制指令并完成相应的动作；另一方面，仿真界面中的仿真自动售货机的运行，都是由组态界面所提供的命令语言来完成的。

这是整个仿真系统内部各大部件之间的内在关系。

我主要是对自动售货机中的下位机，也就是主要是对PLC在其中的程序进行设计。

仿真程序只做了解，虽然只做了解，但是也将在下面有所介绍。

清楚了仿真实验的整体设计思路，下面就可以开始着手设计了。

2.2.2程序设计部分

这部分内容是整个系统设计的主体部分。

所要完成的任务是仿真系统的上位机与下位机的程序设计，即在上述功能分析的基础上，有针对性地进行设计。

1程序设计说明

下位机程序的编制则是利用松下PLC专用编程软件FPWIN-GR完成的。

在设计的过程中，就像上面所叙述的那样，并非孤立地分别进行上位机和下位机的设计工作，而是互相配合的。

因此在以下的详细设计过程中，并没有将上位机的设计与下位机的设计整体分开来写，而是相互交替，同时尽量清晰地叙述，在相应的设计部分中注明是上位机的设计还是下位机的设计。

2PLC程序设计

可以把一次交易过程分为几个程序块：

运行初期电子标签价格的内部传递；投币过程；价格比较过程；选择商品过程；退币过程。

（1）运行初期电子标签价格的内部传递程序的设计

仿真系统运行初期，要由PLC向仿真画面相应对象传递已经存储好的价格，还要给投入显示、消费显示及余额显示存储器清零，同时也要给存储退币币值的存储器清零。

程序编制过程中，要用到运行初期闭合继电器R9013、16位数据传送指令FO,同时在上位机Forc