基于PLC的自动售货机的毕业设计.docx
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基于PLC的自动售货机的毕业设计
基于PLC的自动售货机的毕业设计
前言1
第1章自动售货机的介绍2
1.1自动售货机概述2
1.2自动售货机前景分析3
1.2自动售货机功能分析4
第2章总体设计方案5
2.1系统整体设计方案5
2.2自动售货机的组态设计方案5
2.3系统硬件结构框图6
2.4总体方案设计7
第3章自动售货机硬件结构设计9
3.1硬件选择9
3.1.1电机的选择9
3.1.2货币处理装置9
3.1.3送出机构9
3.1.4按钮装置10
3.1.5显示装置10
第4章自动售货机控制系统设计11
4.1基于PLC的自动售货机控制系统11
4.1.1自动售货机硬件系统的组成部分及工作流程11
4.1.2自动售货过程的控制子系统简述11
4.1.3基于PLC的自动售货机控制13
4.2PLC控制系统设计编程要求及基本原则13
4.2.1PLC控制系统设计编程要求13
4.2.2PLC控制系统设计的基本原则14
4.3自动售货机PLC控制方案设计15
4.4PLC选型16
4.4.1PLC的介绍16
4.4.2PLC概述17
4.4.3I/O点估算19
4.4.4PLC选型19
4.5程序设计19
4.5.1I/O地址设计19
4.5.2流程设计21
4.5.3投币程序设计22
4.5.4购买程序设计23
第五章上位机部分软件设计29
5.1WinCC软件简介29
5.2人机界面（HMI）设计30
5.2.1新建工程30
5.2.2自动售货机的界面设计31
5.3与PLC建立通信31
5.4变量的连接34
5.4.1对按钮进行变量连接34
第六章系统调试与运行监控38
6.1系统调试38
结 论39
参考文献 40
谢辞41
前 言
根据自动售货机目前的发展情况来说，它出现的主要原因是因为产业结构由劳动密集型向技术密集型发生转变。
由于消费环境、销售模式的转变以及大量消费和大量生产，使得新的流通渠道很有必要的出现；相对来说，由于购物中心，超市，百货公司等购买渠道的出现，伴随着往往是人工费的增加；而且，在场地上也会受到很大的限制，在一些环境里，比如说医院，学校之类购物的便利性很难得到体现，而无需人工售卖的自动售货机将会是一种应运而生的必要产物。
从狭义的角度来说就是一种可以实现无人贩卖的一种自动化贩卖，从广义角度来说进行信用卡、投币等操作后可以贩卖商品的一种机器。
按照供给条件来讲，自动售货机可以24小时不间断的无人售货的系统非常方便，适应消费模式和消费环境的变化，使得人力的不足得到充分补充，经营时所需要的面积小、资本少，人工费用增长的问题可以得到很好地解决，能够吸引人们好奇心从而促使他们购买的自身性能等各种优点。
目前，自动售货机正在进一步实现合理化、信息化。
例如，在通过线路将售货机的库存信息传输到营业点的计算机，以确保货物的补充，保证自动售货机，及时补充和发送商品，同时在某些时候还可远程控制售货机无偿贩卖，同时，为了防止全球气候变暖，在研究自动售货机时，在节能方面，将会投入更多，节能的自动售货机将成为业界的主流。
与此同时，在夏季用电高峰的时候、此节能型自动售货机可以在关闭冷却器的同时商品却还能保持足够的温度。
跟传统的自动售货机相比较，这种节能型的自动售货机将会节省差不多10%的电力资源。
进入21世纪后，自动售货机的发展方向将会是节约资源和能源，以及提供更多功能。
由于经济缓慢复苏，社会更为关注的是对在工作场合提供饮料、零食的福利事业。
自动售货机是提高职工工作效率最有效的手段，也是最廉价、最方便的手段，而且很好的保障了惬意的工休时间。
尤其是在一些全天无休、不间断工作的一些办公场所之中，为了解决能够不间断的喝道咖啡饮品的问题，使用方便快捷的小型饮料冲饮机变得尤为重要，而在这种情况之下导致咖啡饮品与自动售货机的快速融合。
更为直观的体现在于1999年的全美咖啡服务协会和全美自动售货机协会的合并。
第1章自动售货机的介绍
1.1自动售货机概述
自动售货机是一种商业自动化设备，用来完成自动购买。
自动售货机没有任何空间的限制，可以方便快捷的销售一整天，深受大家的喜爱。
自动售货机在很多城市的各个角落都有放置，销售的商品也多种多样，从点心、饮料、牙膏牙刷，到药品、香烟等等。
多年以来，自动售货机行业在中国快速发展，汽车站，商业建筑，广场，工厂，街道，学校，医院都有出现售货机的痕迹。
这也变得越来越受人欢迎与喜爱的一种快捷购买方式，这也是一个现代城市发展设施的要求。
常见的自动售货机如图1-1所示。
图1-1自动售货机
自动贩卖机首次出现在上世纪中期年代的欧洲和美国，那个时候在美国，人们可以使用在自动售货机上买到1美分一块的口香糖。
从上世纪中期在到现在，由于迅速发展和应用的计算机，第四次工业革命在以信息技术革命作为中心使零售行业发生了翻天覆地的变化，其中之一就是发达国家的商品流通领域中自动售货机的出现以及迅速发展。
随着人们生活方式的改变，在快节奏的，效率高的变化，表现在时间上的价值尤为重要，消费者更加注重购买时候的方便，直接。
随着越来越多的自动售货机，货物的包装已经成为一种定量和标准化，销售商品的多样化，体现出自动售货机更多亮点。
于此同时，自动售货机在即时性消费需求方面是其它零售方式无可替代的。
2002年4月5日在美国出版的《幸福》杂志讲到美国在2001年自动售货行业利润增长率在发展最快的行业之中居第四位，具体增长率为21.4%；从1996年到2001年这几年当中，自动售货行业的平均年利润增长率为78.4%，是增长最快的行业。
由于拥有如此巨大的优势所以使得自动售货机广泛应用于全世界。
1.2自动售货机前景分析
自动售货机是一种能够自动自动付货的机器，根据所投入的钱币，可以购买相应的商品。
在商业自动化的设备中自动售货机是其中一种常用设备，它能方便交易、节省人力，不受地点、时间的限制。
它被称作是24小时不间断营业的微型超市，是一种全新的商业零售形式。
可以分成三种：
综合自动售货机、食品自动售货机、饮料自动售货机。
未来的发展趋势是自动化，不论是服务业、零售业还是制造业。
我们相信越来越多的设备将会取代现在的人工。
在这种情况之下，自动售货机行业的前途是无限光明的。
智研数据研究中心发布的《2013-2018年中国自动售货机市场调研与发展前景预测报告》共十二章。
首先介绍了中国的自动售货机产业运行环境、全世界自动售货机产业运行状况等，接着再介绍了自动售货机产业在中国的市场竞争格局，然后分析了自动售货机产业在中国的运行状况。
随后，报告还对重点企业的经营状况进行了分析，最后分析了自动售货机产业在中国的投资预测与发展前景。
如今，自动售货机产业在中国已经开始迈向了蓬勃的发展阶段。
此外，很多小店铺由于各个大城市的改造而被迫消失，同时随着各种各样的支付方式的出现，例如，手机移动支付、IC卡等技术使得自动售货机为人们提供服务成为了一种很好的方式，由于这种自动售货平台模式的创新，导致了国自动售货行业的迅猛发展。
在当今社会中自动售货机是一种购买工具，从2004年开始，自动售货机产业在中国发生了巨大的变化，发展的越来越快，由于世博会和奥运会的成功举办，导致自动售货机在中国拥有了巨大的商机，自动售货机进入了发展期是在2008年以后，以自动售货为主的第三次零售业革命也即将在中国的零售行业掀起一股飓风。
《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》是总结了历年来自动售货机在中国市场的变化规律，同时，深入的调查和研究了自动售货机产品中的企业群体，采取定量以及定性的科学研究方法编撰而成的。
对自动售货机产品在我国目前的行业投资环境、产品进出口、生产经营、品牌竞争、产品市场、可持续发展以及市场环境等问题进行十分详细地分析和预测，并且在此基础上，为企业经营管理、制定发展战略和进行投资决策提供了可靠、权威的决策依据。
报告数据主要采用商务部采集数据、国家统计数据、海关总署问卷调查数据等数据库。
1.2自动售货机功能分析
在编写程序之前,首先是对自动售货机拥有的各种功能进行全面了解以及确定对其操作后所产生的状态。
自动售货机的基本功能是对金钱的总额进行计算，并确定是否有足够金钱的购买售货机当中的商品，并且能够发生某种变化使得人们知道该商品可以购买。
例如：
售货机中有6种商品，其中一号商品价格为1元，二号商品为2元，以此类推。
如果把一个一元的硬币投进去，然后一号商品的可以购买的指示灯将会点亮，显示可以购买，但是二号商品的指示灯却不会点亮，继续投入一个一元硬币，那么二号商品指示灯将会点亮，另外的商品同样也是如此。
当按下一元商品的购买按钮，自动售货机会将总金额减去一元，同时将一号商品提取到出货口。
在这个时候，自动售货机将会继续等待外部命令，如想要继续购买商品，只要按下可够奶商品的按钮，商品将继续提取出来，如果你不想购买商品了，可以按下退币的按钮，自动售货机将会退出剩余金额，同时总金额将会清零，到此，完成了这次的所有交易。
自动售货机的工作流程图如图1.2所示。
图1-2自动售货机工作流程图
第2章总体设计方案
2.1系统整体设计方案
此次课题的主要任务为对自动售货机系统的进行仿真设计，具体要求如下：
1）具有基于WinCC的操作方便且美观的自动售货机系统人机界面；
2）实现WinCC与PLC之间的通信；
3）顾客能够向售货机投不同的货币；
4）顾客能够购买不同的商品并且商品的价格不全是一样的；
5）购买商品后，系统自动计算剩余金额；
6）购买时间是有限的
7）能够显示总金额的数值和售出商品总价格的数值；
8）能够进行退币处理；
根据设计任务要求，确定如图2-1所示的总体框图。
图2-1系统总体框图
自动售货机的控制系统由四部分组成，采用PLC作为控制器，上位机组态王界面可作为远程监控，按钮模块作为操作面板，使用信号灯、数码管作为输出显示。
最终经过调试后能达到上位机控制下位机的目的。
2.2自动售货机的组态设计方案
根据任务书要求，绘出自动售货机结构示意图如图2-2所示，其中，1——1元矿泉水；2——2.元罐装汽水；3——2.5元汽水；4——3元果汁；5——4元罐装咖啡；6——5元咖啡。
图2-2结构示意图
2.3系统硬件结构框图
根据课题的具体要求，合理的制定方案：
第一步，应该做的是确定下位机与上位机的具体分工任务，下位机的主要工作是完成PLC程序的编写，而上位机的主要工作是制作完成完成仿真界面；第二步，查找与收集下位机和上位机所需要的资料。
比如可以观看现实当中售货机的外观，然后再进行仿真界面的设计，在必要的时候，设计自动售货机的外形可以借助一些宣传图片来来完成；在进行PLC程序的编写之前，首先要做的是分配好PLC的I/O点，同时，确定上、下位机的接口；最后，再对上位机和下位机进行设计工作；第三步，实现上位机和下位机之间的通信，然后通过上位机来控制下位机，进过调试之后完成整个设计工作。
此外，上、下位机之间紧密相连的的，它们无论在仿真中控制的对象，还是在通信中使用的变量都应该是一致的。
总的来说，上位机上的仿真界面是利用下位机的PLC来控制从而实现自动售货机的仿真，在仿真过程当中，自动售货机根据PLC的指令来实现相应的动作；在另外一个方面，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。
这是整个仿真系统部各大部件之间的在关系。
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2-3所示。
图2-3系统结构框图
PLC控制系统：
首先进行投币，所投货币是否能够购买消费者所指定的商品，确认后按要求售出商品。
数值计算机构：
主要是计算系统中金额的变化以及统计消费总金额。
补料机构：
整个货柜由两层货架组成，一旦消费者选择购买某件商品，并且该商品排出以后，商品数量就会减少，可以通过补料机构增加商品的数量。
显示机构：
显示商品的数量、投入的金额、剩余的金额以及消费总金额。
2.4总体方案设计
在整个设计当中，由于货物种类比较少，并且，由于仿真条件有限，因此该设计出的自动售货机的功能没有现实中的那么强大。
其中，主要的自动控制系统有：
饮料供应系统、比较系统、计币系统、选择系统和退币系统。
（1）计币系统：
当消费者想要购买商品之前，由于使用整数寄存器，所以会将所投5角、1元、5元或10元在数值上乘10，然后加在总金额寄存器当中。
（2）比较系统：
投币完成之后，系统会将总金额寄存器中的数值和所有饮料的价格相比较，当所投如的总金额超过某种商品之后，那么该商品的可购买指示灯亮；
（3）选择系统：
在进行比较之后，如果选择指示灯亮的某件商品，该商品的指示灯就会有闪烁现象产生。
当该商品出货结束之后，那闪烁也随之停止。
在这个时候，购买条件满足的情况可以继续购买饮料，实现循环购买。
在不满足购买情况下，按购买按钮则会出现报警。
（4）饮料供应系统：
可以按下数量按钮，就可增加饮料的数量，同时，购买了某种饮料之后，会有两秒钟的出货时间。
（5）退币系统：
不管消费者有没有购买商品，只要选择退币就可以退还剩余的金钱。
第3章自动售货机硬件结构设计
3.1硬件选择
3.1.1电机的选择
自动售货机实际上是用电动机把商品推出来的。
由于所有电机的负载都是电感性，当它们停止转动的时候就会产生反向电流，所以为了把控制和驱动信号隔离开来就需要用PC847光电隔离器，接着使用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：
反馈信号（电机转一圈送出一个低电平）、地线和电源。
在机械制作中推出一瓶饮料刚好只要电机转一圈，同时，由于一个反馈信号会在电机转动一圈后产生，而这个信号就会控制电机停止，除了这种情况当红外检测到有货物落下的时候，电机也会停止转动。
3.1.2货币处理装置
货币处理装置包括：
检测有无货币退还操作的退还操作检测装置；检测货币投入状态的投入状态检测装置；连接装置向投入外部装置输出的状态输出装置；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。
“货币识别机”当中的感应线圈，通过对大小尺寸、货币的材料等方面进行识别真伪。
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。
货币识别器品种繁多,但退币贮币机构主要分为两类：
一类是步进电机退币，圆筒式贮币；另一类是电磁阀退币，平面式贮币。
3.1.3送出机构
现在，自动售货机上的送出机构多种多样，简单介绍一些典型的送出机构。
（1）弹簧推动式送出机构
这种机构是由连在弹簧一端的电机构成和螺旋式弹簧的，同时，弹簧转动一圈电机转动也只要转动一圈就可以，同时推出一瓶饮料。
（2）旋转式送出机构
这种送出机构先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。
虽然它要求电机的转矩较大，造价成本较高，但是这种送出机构应用却最为广泛。
（3）滚筒送出机构
该送出机构由一个滚筒和阶梯梁构成，可以先装若干瓶饮料在滚筒中，滚筒通过步进电机来转动，商品掉落的顺序则是由梁的各阶梯段与滚筒之间不同的开口距离来控制。
3.1.4按钮装置
按钮装置在自动售货机中，具体的表现在于用有基板和操作按钮，基板设置在操作按钮侧的相反侧，操作按钮设置在面板上，具有检测机构和显示部分，操作按钮与显示部分显示对应的信息，显示部分设在基板上的与操作按钮不相向的位置，检测机构用于检测操作按钮的操作。
3.1.5显示装置
现在，在显示器当中普遍使用的是液晶显示器（LCD），具有易于携带、辐射低、重量轻、体积小、省电等优点,广泛应用于各种电子产品。
阴极射线管显示器（CRT）与LCD的原理大不相同，LCD是基于液晶电光效应，其中包括矩阵显示方式的大屏幕液晶投影，电视液晶屏段显示方式的字符段显示器件，矩阵显示方式的图像、字符、图形显示器件等。
液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过；通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过。
第4章自动售货机控制系统设计
4.1基于PLC的自动售货机控制系统
4.1.1自动售货机硬件系统的组成部分及工作流程
（1）组成部分
图4-1自动售货机硬件系统组成部分
如图4-1，人机模块包含了显示和键盘，在有些机器上会装有显示屏，可以在上面放置广告，也是一种增加收入的手段；销售模块一般都是电机驱动特定的机构用来实现并且完成一个整体的销售动作；温控模块包含了加热制冷控制和温度采集；就目前来说，只有一些高端的机器拥有通讯模块，GPRS是采用最多的一种模块，可以完成广告管理、销售统计、原料补给以及提供部分会员服务。
（2）工作流程
首先，在打开机器后要自动检查各个部件是否能够正常工作，如果不正常，为了运营人员能够尽快修复，需要及时的显示出错误信息；如果检查通过后，那么就要检查商品的库存信息，假如货物短缺，则应停止该类商品的销售；接下来就是等待，等待人们投钱购买商品，一旦有人选择了商品，如果金额足够就立刻开始执行销售模块，送出产品，如果选择退币则马上找零钱。
以上是最基本的一些功能说明，在实际的设计过程中，需要考虑的因素有很多，要确保机器工作的稳定性和可靠性。
4.1.2自动售货过程的控制子系统简述
控制子系统由以下四个部分组成:
（1）累计、可售指示和退币系统
控制系统的核心CPU会巡回检查购货信号、无货检测、退币信号、识币信号。
一旦发现有识币信号，那么就会金额累计存储器就会累计金额数值，并且通过串行扩展口显示出来，同时会比较预设价格存储器中的数值与金额累计存储器中的数值，如果预设价格数值等于或小于金额累计数值，那么通过串行接口点亮可售商品指示灯，提示可以购买。
与此同时，如果按下购买按钮，购货信号被CPU检测到之后，如果预设价格与金额累计存储器中数值相等，就会通过并行扩展接口驱动电磁阀或微电机驱动出商品，并且金额累计存储器中的数值将会清零，完成了一次购买过程；如预设价格小于累计金额时，驱动出商品之后，会进行数额相减由信号驱动退币，实现了售货和退币功能。
（2）售货价格系统
在自动售货机中出售商品有很多种，在它们出售之前就会设定好价格，然后要预先存储到控制系统中。
用按键和存储器来设置售货机中商品的价格，被设价商品的种类及价格是通过按键来选择，并且将价格的数值存入存储器，而且该存储器自身拥有断电保护功能。
另外，在某些简易型的自动售货机当中，因为出售的商品比较单一，价格产生的变化小，而且使用货币种类少，所以设置价格也可以使用硬件来实现，操作方便、结构简单。
（3）检测系统
在自动售货机中接触行程开关装在商品贮存道的下方，如果贮存道中还装有商品的情况下，行程开关就会被压下，售货机的工作就会正常运行；但是当贮存道中没有商品时，就会释放行程开关，然后发出无货信号给CPU，经过检测后，就会通过串行扩展接口发出信号给相应的售完指示灯，机身外部的“售完”指示灯就会点亮，并且无法购买该商品，即使该商品的预设价格数值等于或小于投币累计金额，购买按钮不会有启动信号，也不会清零金额累计存储器的数值。
（4）累计及自测功能系统
每次出售商品后，自动售货机的CPU会累计售出数据到售出累计存储器中去，如果想要知道累计结果，则可以通过售货机部的按键然后在金额显示窗中读到。
另外，自测的功能键被按下之后，就会出现自测功能信号，然后由外部按键进行操作，可以检测各个商品贮存道的驱动商品功能。
4.1.3基于PLC的自动售货机控制
决定由PLC来完成某一个控制任务之后，最重要的事情就是选择PLC了。
一方面要选择什么公司的PLC，,另一方面是选择容量有多大的PLC。
对于第一个问题，则有以下几个方面要考虑：
（1）功能方面常规的一些功能一般所有PLC都有，不过对于一些特殊的要求，就要看看准备使用的PLC能否完成这些控制要求。
如对PLC的用户程序容量、计算速度等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求；或对PLC与智能仪表、PLC与PLC以及和上位机之间的通信要求要灵活方便等。
为了做出正确的选择，就要求使用者详细的了解市场上流行的PLC品种。
（2）价格方面公司与公司之间的PLC产品价格有很大的差别，有些质量相当、I/O点数相当、功能类似的PLC能相差40%以上的价格。
如果将要大量使用PLC的时候，具体的价格也是需要关注和考虑的因素。
对于第二个问题，首先要详细的分析控制任务，找出所有的I/O点来，其中包括模拟量I/O和开关量I/O以及是否使用继电器还是可控硅型或是晶体管来作为输出。
其中的关键是控制系统输出点的类型，在它们当中既有使用交流220V的电磁阀和接触器，而指示灯又是24V，那么最后选用的PLC的实际点数有可能小于输出点数。
一般情况下，由于一个公共端是由输出点几个一组共用，所以这一组的输出只能有一种电源的等级和种类，一旦使用交流220V的负载，则只能使用其他的输出端输出直流24V的负载了，这种情况就会造成输出点浪费，从而导致成本增加，所以选择相同等级和种类的负载是很有必要的，例如改用交流220V的指示灯等。
4.2PLC控制系统设计编程要求及基本原则
4.2.1PLC控制系统设计编程要求
所有的PLC都是为了实现被控制对象的工艺要求，以提高产品质量和生产效率。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则。
（1）最大限度地满足被控对象的控制要求
设计PLC控制系统的首要前提是最大限度地满足被控对象的控制要求，充分发挥PLC的功能，这也是设计过程中最重要的一条原则。
深入现场进行调查研究是设计人员在设计之前所必须要做的事情，收集国和国外的相关资料，同时充分收集控制现场的资料，与此同时，还要注意现场操作人员、工程技术人员、工程管理人员等紧密配合，制定控制方案，同时解决设计中的疑难问题和重点问题。
（2）保证PLC控制系统安全可靠
设计控制系统的重要原则是保证PLC控制系统能够长期稳定、可靠、安全的运行。
这就要求设计者要全面考虑软件编程、系统设计、元器件选择等方面，确保控制系统安全可靠。
例如：
应该保证PLC控制程序要在非正常情况下，能正常运行，当然，在正常情况下，也能正常运行。
（3）力求简单、经济、使用及维修方便
使用新的控制工程虽然能有效增加产品的数量和提高产品的质量，从而带来的社会效益和经济效益也会很大，但是投入一个新的工程，设备的维护和技术的培训也会使得运行资金的增长。
所以在满足了控制要求的大前提之下，一方面要不停地降低工程的成本，另一方面也要不停地扩大工程的效益。
这就要求设计者不宜盲目追求高指标和自动化，不仅要使控制系统经济、简单，而且要使控制系统的维护和使用方便，同时成本也要尽量降低。
（4）适应发展的需要
现在，因为技术的日新月异，将来也会不断地提高控制系统的要求，所以设计过程中要考虑到以后控制系统的完善和发展需要。
这就要求在选择PLC、I/O点数和存容量、输入/输出模块时，要适当留有裕量，从而满足今后工艺的改进和生产的发展。
4.2.2PLC控制系统设计的基本原则
（1）所编的程序要合乎所使用的PLC的有关的规定
主要是对指令能够正确地使用和充分的理解。
很多PLC指令都有相似的地方，但还是有细微的差别。
如果想要使用其他不太熟练的型号进行程序设计的时候，再次之前一定要对该型号的PLC指令充分理解一遍，不然很容易发生错误。
（2）要使所编的程序尽可能简洁
程序简短可以简化调试、节省存，同时也可以
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