1003自动售货机PLC控制系统设计.docx
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1003自动售货机PLC控制系统设计
毕业设计（论文）
题目：
自动售货机PLC控制系统设计
学生姓名：
学号：
所在学院：
机械与电子工程学院
专业班级：
机械1003班
届别：
2014届
指导教师：
黄仲佳贾伟建
皖西学院本科毕业设计（论文）创作诚信承诺书
1.本人郑重承诺：
所提交的毕业设计（论文），题目《自动售货机PLC控制系统设计》是本人在指导教师指导下独立完成的，没有弄虚作假，没有抄袭、剽窃别人的内容；
2.毕业设计（论文）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已标注说明来源；
3.毕业设计（论文）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况；
4.本人已被告知并清楚：
学校对毕业设计（论文）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业设计（论文）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果；
5.若在省教育厅、学校组织的毕业设计（论文）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学校按有关规定给予的处理，并承担相应责任。
学生（签名）：
日期：
2014年月日
自动售货机的PLC控制系统设计
学生：
（指导老师：
黄仲佳贾伟建）
（皖西学院机械与电子工程学院）
摘要：
本文概括介绍了自动售货机的发展现状,详细介绍了国内外自动售货机的技术研究现状,并且阐述了自动售货机在其他相关领域的应用,以及自动售货机基本原理和工作流程。
以一次交易过程为例，把交易过程分为几个部分，然后分别对每个部分进行PLC编程设计。
具体说明了PLC可编程序控制器在自动售货机中的作用。
梯形图程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分工作过程，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
PLCControlSystemDesignofVendingMachine
Student:
LiJie（Tutor：
HuangZhongJiaJiaWeiJian）
（FacultyofMechanicalandElectronicEngineering,WestAnhuiUniversity）
Abstract：
Thispaperintroducesthedevelopmentstatusofvendingmachines，especiallythestatusoftechnicalresearchesathomeandabroad，anddescribestheuseofvendingmachinesinotherrelatedfields,aswellasthebasicprinciplesandworkflowofvendingmachines.Inonetransaction,forexample,thetransactionprocessisdividedintoseveralparts,andthenseparatelydoesPLCProgramming.SpecifytheroleofPLCProgrammableLogicControllerinvendingmachines.Ladder-shapedpictureprograminvolvesmostoftheworkprocessesofvendingmachines.VendingmachinesusePLCcontrollertoimprovethestabilityofthesystem,thustoensurelong-termstableoperation.
Keywords：
Vendingmachine；ProgrammableLogicController；Ladder-shapedpicture
1、自动售货机简介
1.1自动售货机的发展
1.1．1自动售货机的发展现状
自动售货机是劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。
自动售货机最早出现在二十世纪五至六十年代的欧洲，英国是最早用自动售货机出售商品的国家之一。
1942年，在食品销售中率先推广了自动售货的销售方式。
现在，自动售货机产业正在向信息化靠拢，合理化程度大大提高。
如果再实行联机方式，可通过电话线路将自动售货机内的库存信息直接传送至各营业点的电脑中。
从而确保了自动售货机库存商品的发送、补充和商品选定的顺利进行。
为了防止温室效应以及能源枯竭，自动售货机未来的开发更致力于能源的节省。
节能新型清凉自动售货机成为各行业的主流。
在夏季耗电高峰期，这种新型的自动售货机即便在关闭冷却器的状态下也能短时间内保持低温。
它与传统的自动售货机相比，能够节约15％左右的能源。
进入21世纪，移动商务快速发展，自动售货机也将进一步向高功能化的方向发展。
自动售货机作为一种直观、方便的移动商务工具,开始迅速在全球范围内普及发展。
与自动售货机相关的研究领域中,其关键技术的研究，主要集中在以下3个方面:
1、系统内部销售动作实现方式的研究;2、资金结算及销售信息统计管理的实现方式研究;3、功耗节省模式的研究。
不过系统内部销售动作实现方式的研究已基本成熟,目前研究主要中于资金结算及销售信息统计管理的实现方式和功耗节省模式方面。
[1]
1.1．2自动售货机的研究展望
自动售货机作为现代社会生活中的一种商务工具,在现代生活中应用愈加广泛。
根据日本、美国等国家的发展经验,自动售货机在全球范围内将会得到更大的普及。
其未来的发展趋势主要有如下两个方向:
1、自动售货机内部结构已经相当完善,影响其普及的关键因素是:
在现有的通信网络平台上，让自动售货机形成一种销售连锁网,提供更为方便的管理机制和营销方式,能最大限度地降低生产、运营成本。
目前,无论是基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ还是基于移动通信网或其他网络平台,其运作的机制都不是很成熟，不过自动售货机的发展潜力并不因此受影响。
因此未来自动售货机的发展趋势是纳入到一个广阔、更便利的移动商务网络平台。
2、社会将会更加需要能够合理利用能源的工业产品,因此自动售货机的发展也会向着合理利用能源这个方向发展。
节能、环保型的自动售货机是未来社会的主流产品。
[1]
随着社会的进步和发展，市场对自动售货机的将需求越来越大，自动售货机的功能需求也越来越丰富。
市场前景也越来越广，销售商品种类也从最初单一的饮料、香烟等到现在琳琅满日常用品。
市场对自动售货机的需求，将引领着人们不断的研究和开发新一代更智能的自动售货机，自动售货机将有更加广阔的发展前景和市场潜力，这也是我们作为新一代大学生需要研究自动售货机的目的。
2、PLC的概述
2.1PLC简介
2.1.1PLC的产生
自20世纪20年代起，人们把各种继电器，定时器，接触器以及触点按一定的逻辑关系连接起来，组成控制系统，以控制机械生产，这就是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，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面非常广，在工业控制领域一直占主导地位。
但继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，难与实现较复杂的控制，尤其是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺和对象改变时，原有的接线和控制盘必须更换，所以通用性和灵活性都较差。
2.1.2PLC的定义
PLC可编程序控制器的定义由美国国际电工委员会（IEC）1987年对其做出：
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面向用户的指令，并且通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械和生产过程。
可遍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构成一个整体，易于拓展其功能的原则而设计。
定义强调PLC应直接应用于工业环境，它必须具有极强的抗干扰能力，广泛的适应能力以及应用范围。
这也是PLC与一般微机控制系统区别的一个重要特征。
[2]
定义强调了PLC不仅是“数字运算操作的电子系统”，也是一种计算机，它是在工业环境下运用的工业计算机。
这种计算机采用面向用户型指令，因此编程相对来说较为方便。
它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等运算操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”能力，并且非常容易与“工业控制系统构成一体”，易于“扩充”。
[3]
2.1.3PLC的发展趋势
PLC总的发展趋势是向集成度高、体积小、容量大、高速度、易使用、高性能的方向发展。
具体表现有以下几个方面。
（1）向小型化、专用化、低成本的方向发展
随着微电子技术发展，新型器件大幅度提高功能和降低价格，使PLC结构更为紧凑，相当与一本精装书本的大小，操作和使用都十分方便。
PLC的功能也在不断增加，原来大、中型PLC才有的功能已经部分地移植到小型PLC上。
（2）向大容量、高速度的方向发展
大型PLC采用多微处理器的系统，有的采用32位微处理器，可同时进行多任务的操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理功能。
另外，存储容量大大增加。
[3]
（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同时工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。
（4）基于个人计算机的编程软件取代编程器
随着计算机的日益普及，越来越多的用户开始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，如设置各框架各个插槽上模块型号、模块参数、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模块不通用。
PLC的编程语言和指令系统的功能和表达式也不一样，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，美国国际电工委员会制定了可遍程序控制器的标准。
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，使系统可以形成一个统一的整体，实现分散控制和集中控制的需求。
（7）组态软件与PLC的软件化
个人计算机的价格便宜，并且有很强的通信、数学运算、数据处理和人机交互的功能。
[3]
2.1.4PLC的特点
（1）抗干扰能力强，可靠性能好
PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上吸取了生产厂商长期积累的生产控制经验，主要模块都采用了大规模及超大规模的集成电路。
I/O系统设计都有完善的通道保护和信号调理电路；结构上耐热、防潮、防尘、抗震。
（2）控制系统的结构简单，通用性强。
PLC及外围模块的品种很多，可由各种组件灵活组合成各种大小和要求不同的控制系统。
（3）编程方便且易于使用。
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操作技能和使用习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或者面向工业控制的简单指令等形式。
梯形图与继电器原理图类似，这种编程语言直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和计算机语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员就可在短时间内学会。
（4）功能完善
PLC的输出/输入功能完善，性能强，能适应各种形式和性质的开关量及模拟量的输入/输出。
控制功能是PLC内部结构的组成部分，如时序、主控继电器、计算机、中间寄存器等寄存器以及移位控制功能。
因为PLC采用了微处理器，所以其能够很方便地实现延时、跳转、比较、锁存、强制I/O等功能。
不仅具有算术运算、逻辑功能、顺序控制和数制转换功能，而且具备显示、打印、监控、模拟运算、和报表生成等功能。
（5）设计、调试、施工周期短
传统的由接触器完成的控制工程，首先必须按照工艺的要求，画出电气的原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试后修改起来就十分麻烦。
然而，采用了PLC的控制系统，其硬件软件齐全，因此仅需按照性能、容量等选用标准进行组装。
大量而且具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行编程，因而缩短了设计所需时间，使得设计和施工可以同时进行。
（6）体积较小，操作和维护方便
PLC设备体积较小，质量较轻，所以安装十分方便。
现场总线信号的变化状态能够通过PLC设备的输入/输出系统直观的反映，并且还可以通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。
[3]
2.1.5PLC的主要功能
（1）条件控制功能
条件控制也称顺序控制和逻辑控制。
是指用PLC的或、与、非指令取代继电器接触的并联串联和及其他逻辑连接，进行的开关控制。
（2）记数/定时控制功能
记数/定时控制功能是指用PLC提供的记数器、定时器指令来实现对某种操作的记数或定时控制，以取代记数继电器和时间继电器。
（3）数据处理功能
数据处理的功能是指PLC可以进行数据比较、传送、移位、逻辑运算、算术运算、数制转换、编码和译码等操作。
（4）A/D与D/A的转换功能
A/D与D/A的转换功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间进行转换。
（5）运动控制功能[4]
运动控制功能是指通过高速记数模块及位置控制模块等进行单轴或多轴运动的控制。
（6）过程控制功能
过程控制功能指的是通过PLC的PID的控制指令和模块来实现对压力、流量、温度、速度等物理参数的闭环控制功能。
（7）扩展功能
扩展功能是指通过连接输入输出的扩展单元（I/O扩展单元）模块来增加输入输出的点数，也可通过附加的各种智能单或者特殊功能单元来提高PLC的控制功能。
（8）联网通信功能
通信联网功能是指通过在PLC之间的联网以及PLC与上位机的链接等，实现远程I/O控制和数据交换功能，完成大规模的复杂的控制系统。
2.2PLC的系统结构
目前PLC的种类繁多，功能和指令系统也各不相同。
但主要都是以微处理器为核心，用于工业控制专用的计算机，所以其系统结构及其工作原理都大致相同，硬件结构也与微型计算机相似。
主要包括CPU（中央处理单元）、RAM（存储器）和ROM、I/O扩展接口、输入输出接口电路、外部设备接口、电源等。
其内部也是采用总线结构来进行数据和指令传输的。
[4]
2.2.1PLC各部分的作用
（1）中央处理器
CPU是由控制器和运算器两部分组成的。
运算器也称为算术逻辑单元。
它的功能就是进行算术运算以及逻辑运算。
控制器的作用是控制整个计算机系统的各个部件有条不紊地工作。
它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。
（2）存储器
PLC的存储器有两大部分：
第一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序和系统内部数据。
第二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区和工作数据存储区两部分。
（3）输入输出接口电路
PLC通过输入输出（I/O）接口电路来实现与外围设备的连接，输入接口通过PLC的输入端接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。
（4）电源
PLC的电源是将外部输入的交流电通过整流、滤波、稳压等处理后转换成可以满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源的电路或电源模块。
（5）输入输出I/O扩展接口
当主机单元的I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可以通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与主机单元相连接。
[5]
3、PLC系统设计
3.1可编程序控制系统设计的基本原则
3.1.1控制系统设计原则
设计任何一个PLC控制系统，其目的都是通过控制被控对象（生产设备或生产过程）来实现工艺和生产要求，提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循一定的原则。
（1）为了实现PLC控制系统被控对象最大限度地满足工艺要求，设计前，应深入现场进行收集资料，调查研究。
并且要与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟订控制方案，协同解决设计中的各种问题。
（2）在满足控制系统要求的前提下，力求使控制系统经济、简单，使用和维护方便。
（3）保证整个控制系统的安全可靠。
（4）设计时，在配置PLC硬件设备时应适当留有一定裕量，为生产发展和工艺的改进留下充足空间。
3.1.2PLC控制系统设计的一般步骤及内容
（1）根据生产的工艺过程分析控制要求,需要完成的动作（动作条件、动作顺序、必须的保护和联锁等）、操作方式（自动、手动、单周期、连续、单步等）。
（2）根据控制控制系统的控制要求确定所需的用户输入、输出设备。
据此来确定PLC的I/O点数。
（3）选择自动售货机PLC的容量及机型。
（4）定义输入、输出点名称，分配PLC的I/O点以及设计I/O连接图。
（5）根据PLC所应具备的功能以及所要完成的任务，设计PLC程序，同时进行控制台设计和现场施工。
[6]
3.2PLC程序设计方法
（1）对于较为复杂的控制系统，要绘制系统控制流程图。
用以清楚地表明动作的条件和顺序。
而简单的控制系统，则可以省略这一过程。
（2）梯形图设计是程序设计中最关键的一步，也是最难的一步。
要把梯形图设计好，首先要十分清楚控制要求，同时还要有电气设计的实践经验基础。
（3）根据梯形图编写程序。
（4）用编程器将程序输入到PLC的用户存储器中，并检查输入的程序是否正确。
（5）对程序反复进行调试和修改，直到满足要求。
（6）待控制台和操作现场施工完成后，就可以进行联机调试。
[7]
（7）编写技术文件。
（8）交付使用。
[8]
4、自动售货机控制系统设计
4.1自动售货机的设计过程分析
4.1.1设计假设
我们在设计之前先得构思一下。
要设计的自动售货机系统的控制要求。
构思如下：
1本设计设计的自动售货机只售3种商品。
2自动售货机只能识别5角、1元硬币以及5元的纸币。
3自动售货机只能退币1元，5角的硬币。
4自动售货机有显示功能。
5实验中忽略了售货机缺货以及各种故障等因素。
[9]
4.1.2一次交易过程分析
为了方便分析过程，我们以一次交易过程为例。
先是进行对所投币值进行计数。
把投进的不同面值的货币进行统计并存放到PLC中。
商品出售价格与所投的货币进行比较，当所投币值超过商品价格时，相应出售指示灯亮，选择按钮发生变化，提示可以购买。
在可以购买状态下，人为进行对商品选购的操作。
选购操作进行同时，PLC自动进行余额的处理。
并对选购商品做出出货处理。
当人为按下退币的按钮，PLC会自动把余额以1元硬币和5角硬币的形式进行退币处理。
并把PLC里寄存的余额清零，返回到初始状态。
至此，自动售货机的一个工作过程结束。
[9]
4.2自动售货机控制系统的控制原理
在实际生活中，自动售货机已经成为我们生活的一部分，自动售货机出售的常见商品如饮料、香烟和生活保健用品等。
自动售货机的基本功能就是对投入的货币进行运算，然后对货币数值进行判断，判断其是否能购买某种商品，最后作出相应的出货反应。
例如自动售货机中有3中商品，01号商品（代表第一种商品）价格为2元，02商品为2.5元，03商品3元。
现投入1元硬币，当投入的货币总数值超过01商品的价格时，01商品的选择按钮处灯亮，提示可以购买，其他商品同理。
当按下选择01商品的选择按钮时，PLC将进行减法运算。
从投入钱币总数值中减去01商品的价格，同时启动出货电动机，提取商品。
售货机这时继续等待外部操作命令，如果继续交易，则同上。
如果商品交易结束，按下退币按钮，自动售货机会进行退币操作。
退回剩余的货币，并在程序中清零，完成一次交易过程。
在一次交易过程中，自动售货机涉及加法运算、减法运算、退币时的除法运算，这都是是它的内部功能。
自动售货机还有报警等功能。
4.2.1自动售货机控制原理示意图
自动售货机控制原理示意图见图所示：
图1自动售货机控制原理示意图[4]
4.2.2自动售货机的硬件组成：
自动售货机由多个硬件模块部分组成。
有钱币扫描识别部分，plc控制部分，输出继电器部分，七段数码显示器部分，警报部分，以及各种选择按钮，退币按钮，指示灯等。
各组成部分按照逻辑电路标准准确连接，以让自动售货机正常工作，并实现其各种功能。
硬件部分组成图如下：
图2自动售货机硬件电路组成框图[6]
4.2.3自动售货机的工作流程图
自动售货机的工作流程图如图1所示：
无货
·
有货
否
是
否否
是
是
是
否
图3自动售货机工作流程图[9]
4.2.4PLC的基本结构及原理
如图所示，PLC控制系统由输入量—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的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。
由此可见，PLC的基本结构有控制部分输入和输出组成。
[2]
图4PLC硬件系统结构图[5]
5、PLC控制系统设计
5.1PLC程序设计
自动售货机plc系统主要包括：
记币系统、比较系统、选择系统、提货系统和退币系统。
以及监控系统和报警系统。
1.记币系统
当有顾客购买时，每次投入钱币都要经过感应器进行真假鉴别定，鉴定为真币后，PLC进行计币的指令。
若鉴定伪币时，PLC进行累计记币的指令，同时自行退出伪币。
当PLC接收到感应器传来的记币的指令时，会自动把接收货币的数据累加到寄存器D0中。
记币系统的PLC编程梯形图如图：
图5PLC进行记币过程的梯形图
本梯形图以及下文的梯形图都是通过三菱PLC专用的编程软件：
FXGO_WIN-C（中文版）编出来的。
该软件编写的。
梯形途中程序，在人为投入不同的币值后，会进行不同的记录。
并把总币值、寄存到寄存器D0中。
为了避免小数点的影响，把货币数据化成整数进行处理。
这样可以减少编程时会出现的差错。
X002~X004为设置为高电平的输入。
这样中间继电器M1~M3侧为一周期内都会保证了X002~X004的输入有效。
一方面避免了扫描漏了投币时的有效反应；另一方面也可以避免不良输入对记数的影响。
[10]
2.价格比较系统
价格的比较要贯穿整个实验过程，当余额大于某种商品价格时，就会提示可以购买某种商品。
投币完成后，系统会将D0内钱币数值和饮料价格进行比较。
当投币<2.5元时,只可以继续投币或退币。
只有投币在2.5元或2.5以上时，汽水选择的指示灯长亮，此时可以选择购买汽水或选择退币。
同样，当投币大于3元的就有果汁选择灯长亮，3.5元及其以上时就出现咖啡的选择灯长亮，此时所有商品都可以选择购买或者退币。
价格比较系统的PLC编程梯形图如图6所示：
图6PLC进行价格比较过程的梯形图
在梯形图6中，为了实现数据的实时比较，用了一个特殊内部继电器M8000—通电保持继电器。
在程序执行过程中，M8000始终保持闭合，FNC10CMP是16位数据比较指令。
它用来比较投币数额和商品的价格大小。
当投币数额大于等于某种商品价格时，程序使相应的指示灯长亮，表示可以购买该商品。
为了优化程序，设计时设计的比较价格比商品的价格少1角。
因为余额都是五的倍数，少1角就可
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