基于PLC的自动售货机的设计.docx
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基于PLC的自动售货机的设计
、绪论
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,因此深受上班族的欢迎。
很多城市的公共场所里面都放置有自动售货机。
出售的商品五花八门,从饮料、零食、香烟、糖果、牙刷、方便面、自动照相机。
近年来,我国的自动售货机行业突飞猛进:
在汽车总站、商厦、医院、小区、学校等地区都能找到自动售货机的踪迹。
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。
传统的自动售货机控制系统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。
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
泛地使用。
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。
本论文就详细地介绍一种用PLC实现的自动售货机控制系统的硬件设计和软件设计。
（一）自动售货机的使用和研究现状
自上世纪70年代以来,自动售货机在国际上迅速发展起来而成为一个新兴的产业,特别是在服务和商业领域日益发展。
随着自动售货机的普及,也逐渐被使用
于其他的领域
随着中国经济的发展、行业运作的变革和入世的到来，自动售货机在中国的
普及和使用是必然趋势。
纵观近年来国内自动售货机市场，从92年开始从日、韩等国引进旧机器摆放国内市场以来，到自行研制和生产国产化自动售货机，各厂
家、商家蹒跚起步、艰难守业，已为国内零售业撑起一片蔚蓝的晴空。
据来自国内自动售货机市场行情分析报告表明：
目前国内自动售货机市场走势已逐渐明晰，自动售货机逐步从沿海经济发达地区和各大中城市向内陆和次发达地区延伸，逐步从高级宾馆、地铁、机场等豪华高档场所向高中档社区普及，大有星火燎原之势。
自动售货机的普及在某种程度上能反映一个国家的科技发展水平，是一个国家文明程度的象征。
实践和直觉告诉我们，自助服务在中国的横空出世，必将为国内的电信、公用事业、食品、香烟、饮料等诸多行业发展带来新的契机，中国的现代文明又将自助服务设备的使用和普及开启一个新的里程碑！
（二）课题研究背景
从西欧、北美、日本和韩国等地区和国家的情况来看,自动售货机在人们日常生活中扮演越来越重要的角色。
其产品特点是科技含量高，24小时服务,售货便利，无需专人盯守，省人工,省成本，售货范围广泛；此外还是一种新颖独特的广告媒体。
目前，随着移动商务的发展，自动售货机作为一种方便、直观的移动商务工具，开始在全球各地迅速普及和发展。
在中国,自动售货机将成为一个潜在的巨大产业,继百货商店、超市之后掀起第三次零售业革命,其前景非常广阔。
售卖的商品可根据摆放场所的需要量身定制包括冷热饮料、零食、电话卡及国外进口的特色商品等。
并且,透过这种智能售货系统,存货、销售、物流信息可以准确、及时地反馈给客户和管理人员。
此外,还支持多种交易支付模式,同时方便实现较大金额的支付和交易结算。
自动售货机除了更方便售卖货品之外,还被视为一种传播广泛的广告媒介。
它一改往日客户和商家（或服务方）面对面交流或交易的方式，让客户更多地参和交易或交流中来，增强了交互性和自主性。
一方面它为客户带来了极大的便利，延拓了服务的空间和时间，使服务具有了无处不在、无时不在的新特征；一方面它也为商家带来了经营方式的变革，为他们的商业经营节省了大量的人力、物力和财力，并提高了操作的准确性和全天候性，使商业运作的信息化、电子化、网络化成为可能；另一方面，在公众社会服务方面，自助式信息查询，提高了社会公众服务的质量和形象，有利于社会精神文明建设。
在自助服务中，自动售货机成为了必不可少的主体设备。
二、总体方案设计
自动售货机设计中，从控制角度来说可采用继电器控制、单片机控制和可编程控制器控制。
（一）方案论证
1．方案一继电器控制它的控制思想是以继电器为核心，采用硬接线方式把各种继电器、定时器、接触器及其触点按照一定逻辑关系连接起来组成控制系统，控制相关生产机械工作。
例如要通过接触器实现两台电机设备的同步运行,采用继电器控制,其控制系统简图如图1。
SF1KF
电
SF2
电
源
源
KF
母
KF
QA1
母
线
线
KF
QA2
图1继电器控制系统简图
由图可知它的三条支路是并行工作的，当按下按钮SF1，中间继电器KF得电，
KF的两个触点闭合，接触器QA1、QA2同时得电并产生动作，所以其控制逻辑关系为由继电器、接触器硬接线（硬件）方式。
2．方案二单片机控制
它的控制系统是基于芯片级的系统，设计开发一个单片机系统，需要先设计硬件系统，画硬件电路图，制作印刷电路板，购置各种所需的电子元器件，焊接电路板，进行硬件调试，进行抗干扰设计和测试的大量工作；需要使用专门的开发装置和低级编程语言编制控制程序，进行系统联调。
3．方案三可编程控制器控制
它的控制思想是采用可编程的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，这种方案的控制功能接线图如图2。
Q0.1
图2用PLC实现控制功能的接线示意图
由图可知CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按顺序依次完成相应各电器的动作，其控制逻辑关系为由内部存储逻辑（软件）方式。
（二）方案比较
1．PLC和继电器控制系统的区别
继电器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。
PLC的梯形图和传统的电气原理图非常相似，主要原因是PLC梯形图大致上沿用了继电器控制的电路元件符号和术语，同时，信号的输入/输出形式及控制功能基本上也是相同的；但PLC的控制和继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面：
（1）控制逻辑
继电器控制逻辑采用硬件接线逻辑，利用继电器机械触点的穿了或并联，及时间继电器等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。
另外，继电器触点数目有限，每个只有4–8对触点，因此灵活性和扩展性很差。
而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称做“软接线”，因此灵活性和扩展性都很好。
（2）工作方式
电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的
都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。
而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的前后顺序计算的出，所以它属于串行工作方式。
（3）可靠性和可维护性
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。
触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和课维护性差。
而PLC采用微电子
技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性
高。
PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
（4）控制速度继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。
另外，机械触点还会出现抖动问题；而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微妙数量级，且不会出现抖动。
（5）定时控制继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。
一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。
PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围最小可为0.001S，最长几乎没有限制，
用户可根据需要在程序中设置定时值，然后由软件来控制定时时间。
（6）设计和施工
使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。
工程越大，这一点就越突出。
而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。
2．PLC和单片机控制系统的区别
PLC控制系统和单片机控制系统在很多方面有较大区别，是两个完全不同的概念。
（1）可靠性
单片机控制抗干扰能力较低，从理论所要求的I/O总数来看，不论是MCS51系列还是MCS96系列单片机，都必须进行大规模的扩展，这样系统电路更加复杂，进一步降低了系统的可靠性。
而PLC使用于工业理论控制，PLC的可靠性得到了工控业界的认可。
（2）开发成本
单片机本身售价虽不高，但要购入单片机开发装置（如仿真器、烧录器、电源）和还要模拟制板等，都要不少的费用。
加上开发周期中所投入的人力物力，其价钱就远远地超过用PLC开发的费用。
另外，由于设备是专用特殊设备，其控制系统专用性强，通用性较差，为其投入过多的开发费用不划算。
而用PLC进行
的设备开发和控制费用都远远低于采用单片机的费用，其系统可大可小，小到几点，大到数千点，甚至上万点，很好解决工业控制过程。
（3）开发周期从电路设计、模拟制板、编程、仿真、调试等经历非常长的周期，设计中往往要花大部分的时间在硬件设计和编程调试处理上，而对最为重要的工艺工程往往没有更多的时间考虑。
而用PLC进行设备控制，不会花太多精力在硬件处理上，采用积木式结构很快可以形成系统电路。
大部分精力集中在工艺的了解和程序编写上，有利于设备的快速开发，程序的编辑修改、调试都可随时进行，缩短了开发时间。
（4）修改和维护
利用单片机开发的设备往往是专用的特殊设备，在市场往往不能找到替代的配件，所以不便于维护。
而随微电子控制技术，PLC的处理能力也越来越强，其通信能力，运算处理、容量（I/O容量和程序容量）等都有充足的发展。
（三）方案选择
根据以上比较可知，PLC在性能上比继电器控制和单片机控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便等优点，我们决定选择方案三，以PLC为控制核心设计了自动售货机装置PLC控制系统。
三、可编程控制器的简单介绍
（一）PLC的基本结构
1．PLC的系统结构
目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构和微机相似。
主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM,输人输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。
其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输.
如图3所示,PLC控制系统由输人量—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的输人量，它们经PLC外部输人端子输人到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算，处理后
PLC的
送到输出端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。
由此可见，基本结构由控制部分、输人和输出部分组成。
图3PLC硬件结构图
2．PLC各部分的作用
（1）中央处理器（centralprocessingunit,CPU）
CPU是由控制器和运算器组成的。
是整个PLC的核心，起着总指挥的作用，是PLC的运算和控制中心。
其主要功能：
1诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。
2采集由现场输人装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。
3按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。
4将存于寄存器中的处理结果送至输出端。
5响应各种外部设备的工作请求。
（2）存储器
PLC的存储器分为两大部分:
一部分是系统程序存储器。
另一部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。
（3）输入输出接口电路
PLC通过输人输出（I/O）接口电路实现和外围设备的连接。
（4）电源
为PLC提供CPU、存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的电源。
5）编程设备
编程设备是人和PLC联系和对话的工具，是PLC重要的外围设备。
用户可以利用编程设备来输入、读出、检查、修改和调试用户程序，也可用它监视PLC的工作状态、显示错误代码或修改系统寄存器的设置参数等。
（6）输入输出I/O扩展接口
输入输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。
对软件来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后。
才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。
（二）PLC的基本工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式。
每一个循环称为一个扫描周期。
扫描周期的长短主要取决于以下几个因素:
一是CPU执行指令的速度；二是执行海条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。
一个循环扫描周期主要可分为3个阶段。
（1）输入采样阶段
在输人采样阶段，CPU扫描全部输人端口，读取其状态并写人输人状态寄存器。
完成输人端采样工作后，将关闭输人端口，转人程序执行阶段。
（2）程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输人的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存人对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
当最后一条控制程序执行完毕后，即转人输出刷新阶段。
（3）输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
由此可见，输人采样、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此环往复，因此称为循环扫描工作方式。
PLC的扫描工作过程如图4所示。
图4PLC的扫描工作过程
采用循环扫描的工作方式是PLC区别干微机和其他控制设备的最大特点，在使用中应引起特别的注意。
（3）PLC的使用场合
随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降，而其功能却大大增强。
目前在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，使用面几乎覆盖了所有工业企业，诸如钢铁、冶金、采矿、水泥、石油、化工、轻工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保、交通、建筑、食品、娱乐等各行各业。
特别是在轻工行业中，因生产门类多，加工方式多变，产品更新换代快，所以PLC广泛使用在组合机床自动线、专用机床、塑料机械、包装机械、灌装机械、电镀自动线、电梯等电气设备中。
PLC已跃居现代工业自动化三大支柱（PLC,ROBOT,CAD/CAM）的主导地位可编程控制器所具有的功能，使它既可用于开关量控制，又可用于模拟量控制既可用于单机控制，又可用于组成多级控制系统既可控制简单系统，又可控制复杂系统，甚至实现整个工厂生产的自动化。
它的使用可大致归纳为如下几类:
（1）逻辑控制
（2）运动控制
（3）过程控制
（4）数据处理
（5）多级控制
四）可编程控制器的发展趋势
目前PLC技术发展总的趋势是系列化、通用化和高性能化，主要表现在
（1）在系统构成规摸上向大、小两个方向发展
（2）功能不断增强，各种使用模块不断推出
（3）产品更加规范化、标准化
（五）PLC的编程语言
PLC作为专为工业控制而开发的自控装置，其主要使用者为工厂的广大电气技术人员，考虑到他们的传统习惯以利于使用推广普及，通常采用梯形图语言、指令助记符语言、控制系统流程图语言、布尔代数语言等。
在这些语言中，尤以梯形图、指令助记符语言最为常用。
（1）梯形图语言
PLC的梯形图在形式上沿袭了传统的继电器一接触器控制图，是在原继电器-接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。
它将PLC内部的各种编程元件（如继电器的触点、线圈、定时器、计数器等）和各种具有特定功能的命令用专用图形符号、标号定义，并按逻辑要求及连接规律组合和排列，从而构成了表示PLC输人、输出之间控制关系的图形。
由于它在继电接触器的基础上加进了许多功能强大、使用灵活的指令，并将计算机的特点结合进去，使逻辑关系清晰直观、编程容易、可读性强，所实现的功能大大超过传统的继电接触控制电路，所以很受用户欢迎。
它是目前用得最多的PLC编程语言。
（2）指令助记符语言
助记符语言类似于计算机汇编语言，它用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令。
对于同一厂家的PLC产品，其助记符语言和梯形图语言是相互对应的，可互相转换。
助记符语言常用于手持编程器中，因其显示屏幕小不便输入和显示梯形图。
特别是在生产现场编制、调试程序时，经常使用手持编程器。
而梯形图语言则多用于计算机编程环境中。
（六）小结
通过本章对PLC的基本概念、基本结构、工作原理、功能及特点的分析，对自动售货机采用PLC控制的方案有了更明确的认识和目标，同时确立了方案实施的具体措施。
四、自动售货机控制系统的控制原理
在本控制系统中,自动售货机只售2种商品，即可乐和汽水。
自动售货机可识别1元、5角、1角硬币；自动售货机可退币1角硬币。
其控制原理是：
首先由
顾客投入钱币,然后顾客按下商品选择开关,经钱币识别器后将信号送给PLC。
由用户编写的PLC程序运行可以识别出钱币的真伪以及币值,并显示投入钱币的数
值,同时和商品的价格比较。
当投入的钱币满足某商品的购买价格后,则可以购买该商
品的指示灯亮。
PLC通过计算还可以显示出余额数值,商品驱动机构收到控制信号后即出货电磁阀动作,送出商品,若有余额,则退币电动机动作,可以退出余额数值的相应币值,同时完成内部清零过程。
这样就完成一次商品提货过程。
该自动售货机还具有售货囗故障处理和商品低液位报警等功能。
整个过程由1台PLC控制。
自动售货机控制原理示意图见图5。
图5自动售货机控制原理示意图
五、系统设计部分
一）系统的硬件设计
3——汽水指示灯4
5——补余款灯6
7——补余款出口8
9——可乐选择按钮10
11——汽水出口12
可乐指示灯投币口汽水选择按钮
复位及消铃按钮
可乐出口
2．机型选择
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。
根据此控制系统的要求,I/O点数在34个,输入点为14点,输出点为20点。
并且考虑到为以后的I/O扩展,我们
选择了性能价格比较高的西门子点数之和为24点的主机CPU224,其中输入点为
14点,输出点为10点；可以有7个扩展模块，有内置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理功能。
I/O扩展模块选择两个输出扩展模块EM222。
各模块在I/O链中的位置排列方式如图7所示：
模块2
EM222
DO8
DC24V
图7模块连接方式
各模块的编址情况如图8所示：
主机
I/O
模块1I/O
模块2I/O
I0.0
Q0.0
Q2.0
Q3.0
I0.1
Q0.1
Q2.1
Q3.1
I0.2
Q0.2
Q2.2
Q3.2
I0.3
Q0.3
Q2.3
Q3.3
I0.4
Q0.4
Q2.4
Q3.4
I0.5
Q0.5
Q2.5
Q3.5
I0.6
Q0.6
Q2.6
Q3.6
I0.7
Q0.7
Q2.7
Q3.7
I1.0
Q1.0
I1.1
Q1.1
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
3．I/O点配置
图8各模块编址
在选择好PLC的机型后,就可以进行该控制系统的硬件接口设计,考虑到编程
简单、检查方便和接线容易等因素,我们编制了控制系统的输入输出I/O地址分配表,如表1所示：
表1输入输出地址分配
输入信号
名称
代码
地址编号
人工复位
SF1
I0.0
选汽水按钮
SF2
I0.1
选可乐按钮
SF3
I0.2
汽水低位
BS1
I0.3
可乐低位
BS2
I0.4
汽水口故障
KF1
I0.5
可乐口故障
KF2
I0.6
消铃按钮
SF
I0.7
投0.1元
KF3
I1.0
投0.5元
KF4
I1.1
投1元
KF5
I1.2
结帐按钮
SF4
I1.3
投假币
KF6
I1.4
总价显清按钮
SF6
I1.5
输出信号
名称
代码
地址编号
响铃PB
Q0.0
汽水灯PG1
Q0.1
可乐灯
PG2
Q0.2
补余款灯
PG3
Q0.3
汽水出口
QA1
Q0.4
可乐出口
QA2
Q0.5
找钱口
QA3
Q0.6
找钱器
QA4
Q0.7
小数点
PG3
Q1.0
a
A
Q2.0
b
B
Q2.1
c
C
Q2.2
d
D
Q2.3
e
E
Q2.4
f
F
Q2.5
g
G
Q2.6
数码管的个位
PG4
Q3.0
数码管的十位
PG5
Q3.1
数码管的百位
PG6
Q3.2
数码管的千位
PG7
Q3.3
4.PLC及扩展模块外围接线图
PLC及扩展模块接线图
图9自动售货机系统
二）程序的设计
1．软件结构
包括对可编程
其主要由初始化、投币过程、价格比较过程、商品选择、显示、退币和报警等模块组成,其中一些主要模块的功能如下:
1）初始化模块
①硬件初始化。
对系统中各硬件资源设定明确的初始化状态
器件初始化,各I/O口初始状态设定等。
②软件初始化。
包括堆栈初始化、状态变量初始化、各软件标志初始化、各变量存储单元初始化、系统参数初始化。
（2）投币模块
在投币过程中,每投下一枚硬币,经钱币识别器把信号传递给PLC，该模块将完
成辨别硬币的真伪和判定具体的，币值,
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