基于PLC自动售货机设计.docx
《基于PLC自动售货机设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC自动售货机设计.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于PLC自动售货机设计
编号
淮安信息职业技术学院
毕业论文
题目
基于S7-200系列PLC的自动售货机系统的设计
学生姓名
学号
院系
电气工程系
专业
机电一体化
班级
指导教师
顾问教师
二〇一六年十月
摘要
随着当前城市规模的增大，很多公共场合都放置有自动售货机，极大的满足了人们的即时性需求，为人们进行简单物品的采购提供了一种便利。
传统的自动售货机多采用单片机控制方案，系统硬件设计复杂，抗干扰能力相对较差，很难保证系统的可靠性和稳定性，维护维修困难。
本文设计一套基于PLC的自动售货机控制系统，阐述了自动售货机的发展背景与前景，详细分析其功能和特点，提出了总体设计方案；选用型号为L293D的步进驱动电机，设计了平面式贮币、电磁阀退币的货币处理装置，双螺旋式的送出机构，为降低成本和开发周期，创造性的选用了集成键盘、显示、设置功能的控制面板；以西门子CPU226CN型PLC为主控制器，基于S7-200PLC的编程软件，采用分布编写的设计思路，设计了系统控制程序，包括投币程序、选择购买程序和退币程序。
该设计提高了自动售货机的可靠性和执行效率，且系统维护容易，维修简单，有一定的市场推广价值。
关键词：
S7-200PLC自动售货机控制系统
Abstract
Withtheincreaseofthescaleofcity,manypublicplaceshaveplacedavendingmachine,greattomeetpeople'simmediateneeds,provideaconvenientforpeopletocarryoutsimplepurchase.UseSCMcontrolschemeoftraditionalvendingmachines,thesystemhardwaredesigncomplexity,anti-interferenceabilityisrelativelypoor.Itisdifficulttoguaranteethesystemreliabilityandstability,difficultmaintenancerepair.
ThispaperdesignsasetofPLCbasedvendingmachinecontrolsystem,describesthedevelopmentbackgroundandforegroundofvendingmachine.Adetailedanalysisofitsfunctionsandcharacteristics,andputsforwardtheoveralldesignscheme;ChoicemodelsintothedrivemotorfortheL293Dstep,currencyprocessingdeviceplanetypecoinstorage,electromagneticvalvecoindesign,Sendingmechanismofdoublespiraltype,inordertoreducethecostanddevelopmentcycle,creativeselectioncontrolpanelintegratedkeyboard,display,settingfunction;ToSiemenstypeCPU226CNPLCasthemaincontroller,basedonS7-200PLCprogrammingsoftware,writtenbyusingthedesignideaofdistribution,Thedesignofthesystemcontrolprogram,includingcoinprogram,choosetopurchaseproceduresandrefundprocedures.
Thedesignimprovesthereliabilityandtheefficiencyofthevendingmachine,andthesystemiseasytomaintain,repairsimple,haveacertainvalueformarketpromotion.
Keywords:
S7-200PLCThevendingmachineControlsystem
第一章绪论
1.1自动售货机的概述
全球每年通过自动售货机销售商品的总额已近2000亿美元。
自动售货机在美国、日本与欧洲的确取得了巨大的发展。
在美国平均每40人拥有一台自动售货机，欧洲每60人一台，日本每23人一台。
在日本，70%份额的罐装饮料是通过自动售货机售出的。
根据国外的发展经验，自动售货机作为一种先进的消费方式，已经成为城市现代文明发达程度的重要标志。
近年来，我国的自动售货机行业突飞猛进，在汽车站、商厦、医院、小区、学校等地区随处可见自动售货机的踪迹。
这种方便快捷的购物方式越来越受到人们的青睐，同时也是现代化城市配套设施的需求。
常见的自动售货机如图1-1所示。
图1-1自动售货机
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，可以每天24h售货。
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。
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。
1.2自动售货机的功能分析
图1-2自动售货机的流程简图
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。
如图1-2就是自动售货机的流程简图，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。
举一个简单的例子来说明，例如：
自动售货机有4种商品，其中01号商品（代表第一种商品）价格为2.5元，02号商品为3.5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商品的选择按钮处显示灯应有变化，提示可以购买，其他商品同此。
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投币按钮，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。
1.3自动售货机的前景分析
自动售货机是现代社会中的一种商务工具，2004年以后，中国的自动售货机产业实现了快速增长，奥运会和世博会为自动售货机市场带来了巨大商机，2008年后进入了发展期，自动售货机将在中国零售业掀起继百货商店、超市之后的第三次零售业革命。
现在，中国自动售货机市场已经进入了发展期。
另外，各个大型城市的改造使得很多小店小铺消失，同时随着金融支付手段的增多，IC卡、手机移动支付等技术使自动售货机提供便利服务成为可能，这些自动售卖平台的创新模式无疑为国内的自动售货业迅速成长创造了条件。
《2009年中国自动售货机产品专项调研及未来五年投资分析预测报告》是结合自动售货机产品历年供需关系变化规律，对自动售货机产品内的企业群体进行了深入的调查与研究，采用定量及定性的科学研究方法撰写而成的。
对我国的自动售货机产品的市场环境、生产经营、产品市场、品牌竞争、产品进出口、行业投资环境以及可持续发展等问题进行了详实系统地分析和预测，并在此基础上，对行业发展趋势做出了定性与定量相结合的分析预测，为企业制度发展战略、进行投资决策依据。
报告数据主要采用国家统计数据、海关总署问卷调查数据、商务部采集数据等数据库，其中宏观经济数据主要来自国家统计局，部分行业统计数据主要来自国家统计局及市场调研数据，企业数据主要来自于国统计局规模企业统计数据库及证券交易所等，进出口数据主要来自海关及商务部，价格数据主要来自于各类市场监测数据库。
第二章总体设计方案
2.1编程思路
由于投币与购物的不确定性，这是一个随机控制的过程，因此不能用顺控程序来编写。
通过对自动售货机实验模块控制要求的理解，需要解决一下这个问题：
1、投币状态：
按下投币按钮，显示投币框，按下投币值，显示屏显示投入消费。
2、余额数值：
当所投币值超过某商品价格时，相应商品选择按钮发生变化，提示可以购买。
3、退币状态：
按下退币按钮显示退币框，同时显示相应的退币值和数量，按下确认按钮则恢复初始状态。
4、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，同时显示亮屏上的金额数字根据消费情况相应变化。
5、用数码管显示投入的金额。
1）当输入金额不足时，投币不足，投币金额显示在数码管上，指示灯L1发光，再过3s后若再无投币，即退币指示灯（Q0.2）发光，示意退币，退币金额显示在数码管上。
2）当投入金额与购物金额相等时，4s后取物指示灯（Q0.3）发光（表示只可购买某种物品）。
发光3s后自动熄灭，同时数据全部清零。
3）当投入金额大于购物金额时，4s后取物指示灯（Q0.3）发光（表示有物品推出）与退币指示灯（Q0.2）发光（示意退币），取物指示灯（Q0.3）发光3s后自动熄灭，退币指示灯（Q0.2）则要按下退币按钮后才熄灭。
退币指示灯发光应满足的条件是：
①当余额显示后，4s后接通。
②投币5s后仍不购买物品按钮时接通。
③投币金额不足时，3s后再无投币时接通。
6、按下退币按钮，退币指示灯熄灭，同时数据全部清零。
7、可以进行不断投币，但金额应控制在控制9.5元以内（若超过此数，2位数码管就不能显示但仍可执行购物。
8、投入金币后，可以进行多次购买，但要在上一次购物后的4s内完成，且金额要足够。
本此设计自动售货机主要不同价位的三大类饮料。
若投币后不想购物，5s内再没有按购物按钮，退币口指示灯发光，自动售货机将自动将余额退还给顾客。
投币后（I0.5、I0.6、I0.7其中一个接通），若在5s内没有按购物（I0.0-I0.3），不按任何键，自动售货机退币口指示灯发光，示意退币。
2.2系统硬件结构框图
根据上述要求，制定合理的解决方案：
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；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。
本设计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。
由此绘出系统组成框图如图2-2所示。
图2-2系统结构框图
PLC控制系统：
接受纸币识别系统信息，确认已接受的纸币是否可购买消费者所指定的饮料，确认后按购物需求售出饮料。
金币识别传感器：
主要包括纸币识别器、硬币识别器、硬币找零系统等。
补料及出货系统：
货柜由多层货架组成，当购物者指定所需商品后，由控制系统启动出货系统出货；当某种货物被取出后，补料机构自动补料，即当某种货物被售出后，补料机构里面的货物直接向前滑至首位进行补位。
显示机构：
显示购买的瓶数、投入的钱数以及剩余的钱数。
2.3总体方案设计
本自动售货机的自动控制系统主要包括：
计币系统、比较系统、选择系统、饮料供应系统和退币系统。
1、计币系统：
当有客人购买商品时时，投入的钱币经过金币识别机构，记录5角、1元或5元钱的个数，通过个数与金币相乘或者相加，并将总金币数据存放在D9（数据寄存器）中。
2、比较系统：
投入钱币完毕后，系统会把D9内的钱币数据和可以购买饮料的价格进行比较，当投入的钱币总值超过1元小于2元时，纯净水的指示灯亮；当投入的钱币总值超过2元小于3元时，可乐的指示灯亮；当投入的钱币总值等于3元时，牛奶的指示灯亮；当投入的钱币总值超过3.5元时，4种饮料的指示灯都亮，可以选择饮料或选择退币。
3、选择系统：
当电路完成后选择电路指示灯亮，选择相应的饮料，此时可以按继续购买按钮，如果购物额不足时也可以再投币继续购买其他饮料，实现循环购买。
4、饮料供应系统：
当按下选择按钮时，电机Y3—Y7启动。
在饮料输出的同时，减去相应的购买钱币数，过4s后，若再无按下购物按钮，则取物口灯亮，可以取物。
5、退币系统：
当顾客购完饮料后，多余的钱币只要按下退币按钮，系统就会把数据寄存器D9中的钱币退回。
2.4自动售货机系统需求
根据设计要求，绘出自动售货机结构示意图如图2-3所示。
图2-3自动售货机结构示意图
其中，购物按钮1——纯净水（1.5元）；购物按钮2——可乐（2.5元）；购物按钮3——牛奶（3元）；购物按钮4——酸奶（3.5元）。
从左到右，从上到下依次为购物按钮1、2、3、4，这样可以在某种商品缺货时能及时地补上其他种类商品。
其控制要求如下：
1、投币按下投币口按钮（5角、1元、5元），数码管显示投币金额（0.5元、1.0元、5.0元）。
2、多次投币多次投币可将金额累加，购物额不足时也可以再投币。
3、选择购物按下购物按钮，机器会将投入的金额减去购物的金额，将余款显示在数码管上。
第三章自动售货机的硬件设计
3.1电机的选择
自动售货机吐出饮料的过程实际为电机动作推饮料下来。
由于电机都是电感性负载，在停转的时候会有反向电流，所以需要用PC847光电隔离器把控制和驱动信号隔离开来，然后用L293D步进驱动电机，电机驱动需24V电压，控制信号经过L293D后变为24V左右的电源信号才可驱动电机。
电机有三根线：
电源、地线和反馈信号（电机转一圈送出一个低电平）。
在机械制作中使电机转一圈刚好推出一瓶饮料，电机转一圈同时产生一反馈信号，此信号使电机停止转动，另外一种情况是红外检测到有货物落下则电机停止转动。
3.2货币处理装置
货币处理装置包括：
检测货币投入状态的投入状态检测装置；检测有无货币退还操作的退还操作检测装置；在投入状态及投入货币退还操作的有无达到规定的基准状态时，将说得到的基准状态信号利用所外部；连接装置向投入外部装置输出的状态输出装置。
目前投入试用的“货币识别机”设置有感应线圈，货币识别机也有不同型号，此自动售货机选择了MICROCOIN型号，通过对货币的材料、大小尺寸等各个要素进行感应并探明真伪。
不同的材质具有不同的磁场变化，可以通过电子技术进行分析、探查和识别，更高级的检测还可以运用频谱分析。
货币识别器种类繁多,但贮币退币机构基本上分为两类：
一类是平面式贮币，电磁阀退币；另一类是圆筒式贮币，步进电机退币。
根据设计中对自动售货机的要求，选择平面式贮币，电磁阀退币。
当货币投入后经过识别识出电信号后，伪币和异物被排出，真币按面值由几组分布电磁阀分配到不同贮币腔体内备用；当收到退币找零电信号后，通过退币电磁阀或退币电机拉杆，将贮币腔内下部货币依电信号程序推出，完成自动售货机的退币找零功能。
3.3送出机构
目前，应用于自动售货机上的商品送出机构种类较多，下面是一些较典型的送出机构。
1、旋转式送出机构此送出机构把饮料放在螺旋导轨上，并在货道底部开设出口槽，由电机带动螺旋导轨转动，当饮料转到开口槽时便出槽下货。
这种送出机构应用最为广泛，它要求电机的转矩较大，造价成本较高。
2、转盘式送出机构上面是一个很大的喇叭状罐体存储容器，下面是一个周边有若干个圆槽的转盘，通过转盘的转动使罐体落入转盘周边的槽内而被售出。
这种送出机构也需要较大的转矩来带动和占用较大的空间，而且会发生卡死现象。
3、滚筒送出机构该送出机构由一个阶梯梁和滚筒构成，滚筒内可以装若干瓶饮料，通过步进电机来带动滚筒的转动，利用梁的各阶梯段与滚筒之间不同的开口距离控制商品掉落的顺。
这种机构要求电机有较高的转动精度。
4、弹簧推动式送出机构这种机构是由螺旋式弹簧和连在弹簧一端的电机构成的，电机转动一圈就带动弹簧转动一圈，同时推出一瓶饮料。
根据设计中对自动售货机的要求，选择双螺旋式送出机构。
3.4按钮装置
自动售货机的按钮装置选择了KY29型号，其特征在于备有操作按钮和基板，操作按钮设置在面板上，基板设置在操作按钮侧的相反侧，具有显示部分和检测机构，显示部分显示与操作按钮对应的信息，检测机构用于检测操作按钮的操作，显示部分设在基板上的与操作按钮不相向的位置。
3.5显示装置
液晶显示器（LCD）是现在非常普遍的显示器,广泛应用于各种电子产品，具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。
选用46寸彩色LCD的显示屏，其型号为LV205Y-46G，液晶显示器（LCD）的原理与阴极射线管显示器（CRT）大不相同，LCD是基于液晶电光效应的显示器件，包括段显示方式的字符段显示器件，矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件，矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。
液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。
第四章自动售货机的软件设计
4.1自动售货机设计软元件
4.1.1PLC的定义
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
PLC是以CPU为核心，综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，是现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。
4.1.2定时器
定时器是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。
定时器的工作过程与继电器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触点，失电时，常闭触点闭合，常开触点打开；定时器得电时，常闭触点打开，常开触点闭合。
定时器的当前值、设定值均为10位有符号整数（INT），允许的最大值为32767。
定时器指令表见表4-1。
表4-1定时器指令
语句
描述
TONTxxx，PT
接通延时定时器
TOFTxxx，PT
断开延时定时器
TORNTxxx，PT
保持型接通延时定时器
BITIMOUT
起动间隔定时器
CITIMIN,OUT
计算间隔定时器
4.1.3数学运算指令
在梯形图中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令（见表4-2）分别执行下列运算：
IN1+IN2=OUT，IN1—IN2=OUT，IN1*IN2=OUT，IN1/IN2=OUT。
表4-2加减乘除指令
梯形图
语句表
描述
梯形图
语句表
描述
ADD_I
+I
INT1,OUT
整数加法
DIV_DI
/D
INT1，OUT
双整数除法
SUB_I
-I
INT1,OUT
整数减法
ADD_R
+R
INT1,OUT
实数加法
MUL_I
*I
INT1,OUT
整数乘法
SUB_R
-R
INT1,OUT
实数减法
DIV_I
/I
INT1,OUT
整数除法
MUL_R
*R
INT1,OUT
实数乘法
ADD_DI
+D
INT1,OUT
双整数加法
DIV_R
/R
INT1,OUT
实数除法
SUB_DI
-D
INT1,OUT
双整数减法
MUL
MULINT1，OUT
整数乘法产生双整数
MUL_DI
*D
INT1,OUT
双整数乘法
DIV
DIV
INT1,OUT
带余数的整数除法
4.2自动售货机的基本功能
自动售货机是一种自动售出饮料的设备，它能自动识别投入的币值面额，判断所投入的币值面额是否足够，并根据所投入的币额推出投币人要求的饮料，若有余额还可以退币。
在很多商场、公众娱乐场所等，都有自动售货机服务。
输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。
PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。
本次智能抢答器I/O点的分配如表4-3所示。
表4-3I/O分配表
输入端（I）
输出端（O）
输入点
外接元件
输出点
外接元件
I0.0
购物按钮1（纯净水1.5元）
Q1.0
2
位
数
码
管
A0
I0.1
购物按钮2（可乐2.5元）
Q1.1
B0
I0.2
购物按钮3（牛奶3元）
Q1.2
C0
I0.3
购物按钮4（酸奶3.5元）
Q1.3
D0
I0.4
退币按钮
Q1.4
A1
I0.5
投币按钮1（5角）
Q1.5
B1
I0.6
投币按钮2（1元）
Q1.6
C1
I0.7
投币按钮2（5元）
Q1.7
D1
Q0.0
红灯（L1）
Q0.1
绿灯（L2）
Q0.2
退币口指示灯（L3）
Q0.3
取物口指示灯（L4）
4.3自动售货机的流程设计
PLC控制的自动售货机的程序流程如图4-4所示。
图4-4自动售货机的具体流程图
4.4PLC与现场器件的连接
PLC与现场器件的连接图如图4-5所示。
图4-5PLC与现场器件的连接图
4.5PLC程序的编写
由于自动售货机要解决的控制问题较多，程序可分布编写，并逐步完善。
1、编写程序自动售货机对投币金额、购物金额与剩余金额数据的处理。
1）自动售货机的投币金额、购物金额与剩余金额的数据处理的程序如图4-6所示。
2）图4-6所示程序的说明
①图4-6所示程序中，对投币金额、购物金额与购物后的剩余金额是同一个数据寄存器（VW0）作统计的。
程序中网络4是用加法指令将投币金额存入VW0的；程序中网络5是用减法指令将购物金额减去后存入VW0；程序中网络6将VW0转换为BCD码传送给数码管显示。
这样，就能达到数据计算的一致性。
由于各投币按钮与购物按钮是在不同时刻单独操作的，所以只用一个数据寄存器就不会造成数
升级会员 