PLC在自动售货机中的应用.docx
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PLC在自动售货机中的应用
南通纺织职业技术学院毕业设计（论文）
PLC在自动售货机中的应用
曹瑞
班级10电器一
专业
电气自动化
教学系
机电系
指导老师
陈群
完成时间2012年11月26日至2012年11月30日
摘要
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巨大的方便。
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FX2N-32R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，并用GXSimulator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：
PLC,自动售货机，梯形图
目录
摘要...............................................................................................................I
前 言1
第1章自动售货机简介2
1.1自动售货机的简介2
1.2采用PLC控制售货机的原因2
1.3自动售货机的功能3
1.4自动售货机工作原理5
1.5自动售货机设计思路5
第2章PLC自动售货机的硬件设计6
2.1设计目的6
2.2自动售货机的设计要求6
2.3自动售货机的外观设计7
2.4I/O分配表和PLC的选型8
2.5外部接线图9
2.6编程流程图.10
第3章PLC自动售货机的软件设计12
3.1系统涉及PLC指令简介12
3.1.1比较指令CMP12
3.1.2运算指令12
3.2部分程序注释13
3.2.1投币程序13
3.2.2价格比较程序14
3.2.3根据投入的钱数指示灯显示程序14
3.2.4选择商品和送出部分14
3.2.5找钱退币程序15
3.3梯形图和指令表16
第4章具体事例的仿真17
4.1GXSimulator软件的简介17
4.2具体事例的分析17
结 论22
谢辞23
参考文献24
附 录25
前 言
自动售货机是可完成无人自动售货,集光、机、电一体化的商业自动化设备。
自动售货机不受任何场地限制,方便快捷,很多城市的公共场所里面都放置有自动售货机。
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。
可编程序控制器（PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置,它具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点,已在工业控制领域得到广泛地应用。
本课题基于PLC实现自动售货机控制系统的硬件设计和软件设计。
自动售货机行业长期以来在美国、日本等国家得到迅猛发展，目前已在45个国家得到广泛普及。
据业内人士估计，中国的自动售货机拥有量仅有2万台，相对于13亿的人口大国和零售业态发展的趋势而言，中国自动售货机行业的发展空间将更加广阔。
可编程序控制器（PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置，它具有可靠性高、程序简单、维护方便等优点，已在工业控制领域得到广泛地应用，因为自动售货机作为社会上完成商品零售和综合服务的独立设施，要求它的结构必须可靠、稳定和执行效率高。
利用三菱FX-2NPLC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。
本文就详细地介绍一种用三菱FX-2NPLC实现的自动售货机控制系统的硬件设计和软件设计，并编写了系统程序总框图和一个具体的梯形图，经实践验证该控制系统是可行的
第1章自动售货机简介
1.1自动售货机的简介
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，并做出相应的反应，自动售货机是可完成无人自动售货,集光、机、电一体化的商业自动化设备。
自动售货机不受任何场地限制,方便快捷,很多城市的公共场所里面都放置有自动售货机。
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。
从广义来讲自动售货机就是在投入钱币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，有吸引人们购买的好奇心的自身性能，可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。
1.2采用PLC控制售货机的原因
价格仅是选择PLC品牌的一个因素，而可靠性是选择时需要考虑的又一个因素。
从设计、生产周期长短考虑，不论是老设备改造，还是设计新的生产机械设备，毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望能够边设计、边安装、边调试和生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。
这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。
如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而PLC则完全可以实现。
这是因为若用PLC不必改动外部设备接线，只要在软件上做文章就可以了。
也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。
这既经济又简捷，可以达到事半功倍的目的。
众所周知，目前我国75%的生产机械设备，都是采用继电器控制，除了可靠性差外，设计程序也很繁杂。
从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。
而采用PLC控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。
设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。
编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在EEPROM模块中去，需要加工哪个产品的程序，操作人员可以随时调用，这既方便、简单又可保密。
开发这种软件对优化生产过程，提高产品数量和质量，提高劳动生产率，非常具有实际意义。
仅此一点也深受生产及设计者的欢迎。
在现在科技成果迅猛发展的今天，市场经济的竞争就是利用最小的投资获取最大的利润，为了使人们在生活购物中得到方便，就出现了自动售货机。
对于一台自动售货机，如果采用电力机械来进行控制，会造成售货机有用价值空间少，浪费不必要的动力资源；如果采用液压系统控制，由于液压系统控制要求技术高，各种阀体和设备的组装较高，反应速度相对较慢，用于控制售货机的经济价值消费高，从利润价值观来考虑不适宜用于控制售货机。
采用单片机作为控制核心，这样不仅会在输入输出接口上做大量的工作，而且系统的抗干扰性也比较差。
但是PLC（即可编程序控制器）是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置，它不但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，已在工业控制领域得到广泛地应用。
因为自动售货机作为社会上完成商品零售和综合服务的独立设施，要求它的结构必须可靠、稳定和执行效率高。
可以看出，采用PLC对自动售货机控制系统进行控制可以提高系统的稳定性和可靠性，这在现代化商业社会的今天尤为重要。
1.3自动售货机的功能
自动售货机应能够辨识机内包含的饮料，能够对所投入的币值进行累计，并提供该自动售货机最基本的功能即对投入的硬币进行感应，并根据所投入的硬币数值判断是否能够购买某种饮料，做出相应的反映。
当按下选择饮料的按钮时，相应的电磁阀起动，饮料开始供应，提取饮料到出货口，顾客取出饮料，完成此次交易。
它具有投币感应系统、比较系统、选择和饮料供应系统、退币系统、报警系统等来实现完整的售货功能。
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，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，并做出相应的反应。
售货机中有4种商品，雪碧2.5元，冰红茶3元，奶茶4元，红牛6元。
现投入钱币，当投入的货币超过雪碧的价格时，雪碧指示灯亮，提示可以购买，当投入的货币超过冰红茶的价格时，冰红茶指示灯亮，当投入的货币超过奶茶的价格时，奶茶指示灯亮，当投入的货币超过红牛的价格时，红牛指示灯亮提示可以购买。
当按下雪碧按钮时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去雪碧的价格同时启动相应的电机，提取雪碧到出货口。
买冰红茶、奶茶和红牛操作同理。
操作完成后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六个过程：
（1）顾客投币
（2）判断真假币
（3）钱币识别并进行累加
（4）根据钱币的数量使相应指示灯变亮
（5）顾客按下相应的按钮
（6）自动售货机出货并找零
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，按下所投币显示屏显示投入、消费、余额数值，当所投币超过商品价格时，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。
1.4自动售货机工作原理
本文设计的是售可乐、绿茶和奶茶三种饮料的自动饮料机，它的售货过程原理是：
（1）从投币口送入货币，然后经过传感器采集数据、识别器判别人民币的真假和面值。
（2）识别器把信息数据传给通信模块。
（3）通信模块与售货机的主控系统通信，主控系统显示面值，启动售货机的面板键，显示出哪个通道有货，哪个通道已售完，并等待顾客按键选择商品。
（4）顾客选择商品后，根据售出的商品包装类型的不同，采用不同的驱动技术把商品送出。
（5）显示余额，如果金额足够多，顾客可以选择退币或继续买商品；如果款额不足，售货机经过延时予以退币。
退币时是采取由大额面值到小额面值输出钱币的顺序。
（6）系统复零，完成售货。
1.5自动售货机设计思路
本次设计的题目是自动售货机，主要是应用三菱FX-2N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的编程语言、自动售货机的硬件组成等。
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，并反复调试做到程序无误。
具体的设计控制要求流程、软硬件组成图、梯形图将会在后面进行详细介绍。
第二章PLC自动售货机的硬件设计
2.1设计目的
通过对自动售货机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。
2.2自动售货机的设计要求
自动售货机是机电一体化的自动化装置，在接受到货币已输入的前提下，靠触摸控制按钮输入信号使控制器启动相关位置的机械装置完成规定动作，将货物输出，自动售货机的实际要求如下：
（1）自动售货机可投入五角、一元和五元的钱币。
（2）所售饮料的价格为：
雪碧——2.5元，冰红茶——3元，奶茶——4元，红牛——6元。
（3）当投入的钱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，作为购买提示（当投入的钱币总值超过2.5元，雪碧指示灯亮；当投入的钱币总值超过3元时冰红茶和雪碧指示灯亮；当投入的钱币总值超过4元时奶茶、冰红茶雪碧的指示灯亮；当投入的钱币总值超过6元时红牛、奶茶、冰红茶、雪碧的指示灯都会亮）。
（4）当雪碧指示灯亮时，按选择雪碧按钮，则排出雪碧，7s后自动停止。
（5）当冰红茶指示灯亮时，按选择冰红茶按钮，则排出冰红茶，7s后自动停止。
（6）当奶茶指示灯亮时，按选择奶茶按钮，则排出奶茶，7s后自动停止。
（7）当红牛指示灯亮时，按选择红牛按钮，则排出红牛，7s后自动停止。
（8）系统根据顾客投入的钱币，判断钱币是否足够，若足够则根据顾客的要求自动售货，投币不足则给出提示。
（9）购买饮料后，系统自动计算剩余钱币，若投入的钱币总值超过所需的钱数且不再买，动作停止后按退币按钮，可以退回余额，退回余额如果大于5角，则先退1元，再比较余额如果小于1元，再退5角。
2.3自动售货机的外观设计
自动售货机的外观主要分为以下几个部分。
饮料展示区，价格表，指示灯，按钮，投币口，饮料出口，钱币出口。
饮料展示区主要展示四种商品，即雪碧，冰红茶，奶茶，红牛供顾客选择。
价格表列出各种饮料的价格。
指示灯的亮灭显示可购买的饮料。
按钮按下选择饮料。
有两个投币口，可投五角，一元和五元。
找钱出口可找出五角和一元。
其外如图2-1所示：
图2-1饮料自动售货机的外观
2.4I/O分配表和PLC的选型
PLC容量的选择除满足控制要求外，还应考虑留有适当的余量，以作备用。
通常，一条逻辑指令占存储器一个字。
计时、计数、移位以及算术运算、数据传送等指令需占存储器的空间。
在选择存储器容量时，一般按实际需要的10%至25%考虑裕量。
I/O点数按实际需要的10%至15%考虑备用。
用户存储容量是指PLC用于存储用户程序的存储器容量。
需要的用户存储容量的大小由用户程序的长短决定。
I/O点数即PLC面板上连接输入、输出信号用的端子的个数，常称为点数,用输入的点数和输出的点数的和来表示。
I/O点数越多，外部可接入的器件和输出的器件就越多，控制规模就越大。
因此，I/O点数是衡量衡量PLC性能的重要指标之一。
国际上流行将PLC的点数作为PLC规模分类的标准，I/O点数在256点以下的为小型PLC，64点及64点以下的为微型PLC，总点数在2048点以上的为大型机。
PLC容量包括两个方面：
一是I/O的点数；二是用户存储器的容量（字数）。
PLC物理结构的选择
本设计采用的是微型PLC，其中外部输入端有五角、一元、五元投入端口，雪碧、冰红茶茶、奶茶、红牛选择按钮，退币按钮；外部输出端有雪碧、冰红茶、奶茶、红牛指示灯，退币指示灯，雪碧、冰红茶、奶茶、红牛输出端口，退币端口，本设计采用一个小型电机控制电磁阀产生对饮料和钱币的输出，在选择饮料的同时会有相应的指示灯亮，其指示采用的电是经过变压器调制成的24V电压，安全可靠。
由此可知，系统所需的输入点数为10点，输出点数为13点。
根据以上分析，可选用32点（16I/16O）的PLC，现选用三菱公司的FX2N-32MR型PLC，这种类型的PLC能够满足功能的设计需要，又在经济上得到了节省，完全符合设计需求。
表2-2PLCI/O分配表如图所示
名称
地址
说明
输入信号
假币传感器SQ0
X0
检测钱币的真伪
5角传感器SQ1
X1
检测投入5角硬币的数量
1元传感器SQ2
X2
检测投入1元的硬币的数量
5元传感器SQ3
X3
检测投入5元钱币的数量
10元传感器SQ4
X4
检测投入10元钱币的数量
雪碧按钮SB0
X5
选择购买雪碧
冰红茶按钮SB1
X6
选择购买冰红茶
奶茶按钮SB2
X7
选择购买奶茶
红牛按钮SB3
X10
选择购买红牛
找钱按钮SB4
X11
选择退币
输出信号
假币指示灯L0
Y0
指示投入的为假币
雪碧指示灯L1
Y1
指示投入的钱币可购买雪碧
冰红茶指示灯L2
Y2
指示投入的钱币可购买冰红茶
奶茶指示灯L3
Y3
指示投入的钱币可购买奶茶
红牛指示灯L4
Y4
指示投入的钱币可购买红牛
找钱指示灯L5
Y5
指示钱币不足
假币退出继电器KM0
Y6
控制执行机构退出假币
雪碧出货继电器KM1
Y7
控制执行机构执行送出雪碧的动作
冰红茶出货继电器KM2
Y10
控制执行机构执行送出冰红茶的动作
奶茶出货继电器KM3
Y11
控制执行机构执行送出奶茶的动作
红牛出货继电器KM4
Y12
控制执行机构执行送出红牛的动作
找五角继电器KM5
Y13
控制执行机构执行退1元动作
找1元继电器KM6
Y14
控制执行机构执行退5元动作
2.5外部接线图
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32个左右，选择性能价格比较适宜的三菱FX2n-32MR，其中其输入点为16点，输出点为16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。
本设计中输入有开始按钮、钱币的投入按钮、选择饮料按钮、退币按钮；输出有指示灯显示输出、饮料输出、退币输出。
这些功能都能够通过PLC进行得到很好的控制；电机提供动力进行对饮料的输出。
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2-1所示：
图2-3PLC外部I/O接线图
该PLC自动售货机I/O接线图中，PLC元件X005，X006，X007，X0010,X011是选择退币按钮，选择雪碧，冰红茶，奶茶，红牛。
线圈Y070，Y010，Y011，Y012，是作为指示灯的输出线圈。
当你投币，选择雪碧、冰红茶，奶茶，红牛时的指示引导购物作用。
按钮和指示灯，直接明了，方便简单，易于操作。
2.6编程流程图
绘制出自动售货机PLC控制流程图，表达各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。
本文的流程图如图2-4所示：
第3章PLC自动售货机的软件设计
3.1系统涉及PLC指令简介
3.1.1比较指令CMP
比较指令在PLC控制系统中是一条十分重要的功能指令，它将[S1]、[S2]中的数据进行比较，比较结果送到目的操作数[D]中，如下图3-1所示，当X000为OFF时，不执行CMP指令，M10，M11，M12保持不变；当X000为ON时，执行CMP指令，[S1]、[S2]中的数据进行比较，即C10计数器值与K10（数值K10）比较。
如果C10当前值小于10，则M10=1；如果C10当前值大于10，则M12=1；如果C10当前值等于10，则M11=1。
图3-1CMP指令使用说明
3.1.2运算指令
运算指令有加法运算和减法运算，运用运算指令是用来计算钱币的总值和剩余的钱币。
加法运算：
加法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加，结果送到指定的目标元件中，如图3-2所示。
当X000为1时，（D0）+（D5）=（D6），运算是代数运算
图3-2加法运算使用说明图
减法运算：
减法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加，结果送到指定的目标元件中，如图3-3所示。
当X000为1时，（D10）+（D12）=（D14），运算为代数运算。
图3-3减法运算使用说明图
3.2部分程序注释
3.2.1投币程序
X000、X001、X002、X003、X004为投币识别，每识别一次，即X000、X001、X002、X003或X004接通一次，X000接通进行识别真假币往寄存器，X001、X002、X003、X004接通D0中累加按键代表的相应金额，但是在退币的时候不可投币，此时投币无效，只有在退币过程结束1s后，再投币才有效，若在1s内投币则直接退币。
其具体梯形图如图3-4所示：
图3-4投币梯形图
3.2.2价格比较程序
寄存在D0中的货币金额和商品的单价相比较，如第一句中如果（D0）<25，则M200=1；（D0）=25，则M201=1；（D0）>25，则M202=1。
以此类推，其价格比较梯形图如下图3-5所示：
图3-5价格比较梯形图
3.2.3根据投入的钱数指示灯显示程序
根据选择的饮料价格不同，投入的钱币多少，则饮料的指示灯亮的情况也不一样，指示灯分别有Y001，Y002,Y003和Y004分别表示四种饮料的指示灯，具体表现将会在后面具体实例中体现，指示灯的编程梯形图如下图3-6所示：
图3-6指示灯显示梯形图
3.2.4选择商品和送出部分
选择商品的输出，当投入的钱币达到规定的价格时，相对应商品的指示灯就会亮，当按下所对应的按钮，则对应的商品就会输出。
例如当钱币足够时，选择雪碧按钮即X005，其中M101、M102和M103的常闭触点起到互锁的作用，这样的目的就是保证不能同时选择两种饮料，其具体的部分梯形图如下图3-7所示：
图3-7选择商品输出程序图
3.2.5找钱退币程序
自动售货机的退币键为X011，当接通自动售货机X011按钮后，线路构成闭合，退币指示灯Y013、用Y014亮，以表示系统退币正在进行中，这种显示结果能够表明系统执行的完善性。
其中常开开关M50作为自锁作用，目的是在退币按钮选择以后，能够使时间继电器继续执行其要求的功能，即亮的时间由T5设置，这里设置T5=10，就是亮1s。
其找钱程序如图3-8所示：
图3-8找钱程序梯形图
自动售货机退币时，其系统根据用户所剩余额进行比较，当余额大于或者等于1元时，先退币面值为1元的货币，然后再根据等于5角的余额退5角的货币，一直退完为止。
其控制的过程就是先进行钱币的比较，如果剩余钱币满足大于五角，Y014就会有结果，并且在总的剩余币值里面减去1元；如果剩余钱币不够1元，而等于五角，其结果就是Y013会显示动作，并且从总的钱币值中减去所统计的五角的面值。
在梯形图中，常开开关M52、M53所起的作用是互锁锁作用，这样能够较为准确的控制钱币的输出。
其退币程序如图3-9所示：
图3-9退币程序梯形图
3.3梯形图和指令表
本设计的总梯形图和指令表见附录。
第4章具体事例的仿真
4.1GXSimulator软件的简介
GXSimulator是一种模拟调试PLC梯形图的一种软件，它的出现给现代电子行业带来了巨大的进步，它可以编写程序，调试程序，还可以显示效果，利用这些功能可以仿真自己所设计的梯形图，看看是否能够达到预期的效果，可以反复的修改、调试、运行，一直达到自
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