模拟自动售货机的PLC控制.docx

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模拟自动售货机的PLC控制

辽宁工业大学

PLC技术及应用课程设计（论文）

题目：

模拟自动售货机的PLC控制

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

（签字）

起止时间：

2013.12.09-2013.12.18

摘要

本论文设计的是基于西门子S7-200系列PLC构成的自动售货机系统，本文阐述了自动售货机的来源与发展，以及它在国内外发展的现状，对自动售货机的方案进行了论证，介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理，对基于西门子S7-200系列PLC构成的自动售货机系统整体设计过程进行较为细致的论述。

文中详尽地介绍了自动售货机的各硬件组成，并完成了PLC外部接线图。

在PLC梯形图的编写时，文中采用的是西门子PLC梯形图专用编译软件STEP7来进行编写。

介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，然后以一次交易过程为例，把交易过程分为几个程序块，然后分别对程序块进行编程。

具体说明了可编程序控制器在自动售货机中的作用。

程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。

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：

PLC；梯形图；I/O点的分配

第1章绪论

1.1自动售货机的理论背景与实际意义

自动售货机是一种全新的商业零售形式，20世纪70年代自日本和欧美发展起来。

它又被称为24小时营业的微型超市。

在日本，70％的罐装饮料是通过自动售货机售出的；全球著名饮料商可口可乐公司在全世界就布有50万台饮料自动售货机。

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。

它的售货领域非常广泛，是发达国家商品零售的一种主要方式。

近几年，自动售货机逐渐被越来越多的消费者所接受。

但由于售货机分布零散、范围广阔的特点，自动售货机在为消费者带来方便的同时，也为经营者在监控、管理、维护等方面带来很大的不便。

目前售货机运行的各种情况都需要由人工判断，包括缺货、缺零钱、币箱已满、售货机机械故障等，经营者普遍采用人工定时巡回视察的管理办法，既费时费力，又无法及时准确获取自动售货机状态报告，给经营者增加了管理成本和难度，也有可能给消费者的正常消费造成不便。

　　本系统的设计和实现可以使自动售货机的经营者可以根据网络统计的销售状况进行商品销售状况分析，预测商品的销售走势，确定合理的采购和配送策略，以期获得最高的投资回报率。

同时售货机的一些故障信息和警报信息可以实时的传送到相应运营人员，从而可以在第一时间内发现并解决问题。

1.2自动售货机设计的主要内容

1）此售货机可投入1元、2元和5元硬币（1元、2元、5元硬币用外部按钮模拟）；

2）当投入的硬币总值达到10元时，汽水按钮指示灯亮；投入的硬币总值达到12元时，咖啡按钮指示灯亮；投入的硬币总值达到15元时，奶茶按钮指示灯亮；

3）当汽水、咖啡、奶茶指示灯同时亮时，选择相对应的按钮，则相应的饮料排出，7s后自动停止，这段时间内，饮料指示灯闪动；

4）若投入硬币总值超过按钮所需的钱数（汽水10元，咖啡12元，奶茶15元）时，找钱指示灯亮，表示找钱动作，并退出多余的钱；

5）发生异常情况时可报警。

1.3自动售货机设计的基本思路

本次设计的题目是自动售货机，主要是应用西门子S7-200型PLC来设计控制程序，并简单介绍PLC相关的知识，如：

PLC的定义、PLC的编程语言、PLC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第三章的设计部分，即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，这样才能真正理解本次自动售货机的控制原理。

根据本次课设的要求设计出自动售货机的内部控制原理示意图（如图1.1所示）及外部操作顺序流程图（如图1.2所示）

图1.1自动售货机控制原理示意图

图1.2自动售货机工作流程图

第2章PLC的概述

2.1PLC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。

2.2PLC的简介

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。

目前，世界上生产PLC的主要厂家有65个，其中最有名气的厂家在日本、美国和德国。

日本的几个厂家为三菱、富士。

日立、东芝、横河、立石、光洋、夏普等公司。

美国的几个厂家为德州食品公司、通用电器公司、歌德公司、数字设备公司等。

还有德国的西门子，荷兰的飞利浦，香港的鹰达等公司也是很有名气的。

日本三菱电机公司（MITSUBISHI）于1971年开始研制PLC，目前主要有F1,F2,FX,K,A等十几个系列几十种产品，在我国（主要是华东和华南地区）的工业控制领域具有一定的市场占有率。

2.3PLC的工作原理

PLC的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。

PLC通电后，首先对硬件和软件作一些初始化操作，初始化反复不停地分阶段处理各种不同的任务（如图2.1所示）。

但是PLC也有它自己的特点，PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。

2.4PLC的特点

1、抗干扰能力强，可靠性好I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。

2、控制系统结构简单，通用性强,PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。

3、编程方便，易于使用.PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

4、功能完善，在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。

5、设计、施工、调试、的周期短,PLC采用模块化积木式结构，故仅需按性能、容量等选用组装，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。

6、体积小，维护操作方便,PLC体积小，质量轻，便于安装。

7、易于实现网络化,PLC可连成功能很强的网络系统。

8、可实现三电一体化,PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体。

2.5PLC的硬件组成

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等几部分组成。

其中，CPU是PLC的核心；输入单元/输出单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路；通信接口用于连接编程器、上位计算机等外部设备，其硬件构成图如图2.2所示。

图2.2PLC硬件结构图

2.6PLC的基本工作方式

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。

2.7PLC的选择

在本次课程设计中所选用的PLC为西门子公司生产的S7系列中S7-200PLC，所选用的I/O点数为CPU224，其特点是结构紧凑，扩展性良好，指令功能强大，价格低廉，适合小规模的控制系统。

第3章自动售货机的设计

3.1自动售货机的PLC设计

本次课程设计中最重要的部分便是自动售货机的PLC系统，根据课程设计需要按照PLC一般工作过程流程图（如图3.1所示），对本次的自动售货机的PLC进行设计及其编程，其中包括PLC的I/O口分布，梯形图，指令操作符等。

图3.1PLC一般工作过程图

3.2介绍自动售货机的软元件

3.2.1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3.1）。

本次课程设计中自动售货机的报警系统和自动售机选择待机系统中都应用了定时器，其中主要应用的是TON即接通延时定时器

表3.1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

TONRTXXX,PT

保持接通延时定时器

BITIMOUT

启动间隔定时器

CITIMIN,OUT

计算间隔定时器

3.2.2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3.2）分别执行下列运算：

IN1+IN2=OUT，IN1—IN2=OUT，IN1*IN2=OUT，IN1/IN2=OUT。

在语句表中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令分别执行下列运算：

IN1+OUT=OUT，OUT—IN1=OUT，IN1*OUT=OUT，OUT/IN2=OUT。

表3.2加减乘除指令

梯形图

语句表

描述

提形图

语句表

描述

ADD_I

+1INT1,OUT

整数加法

DIV_DI

/DINT1,OUT

双整数除法

SUB_I

-1INT1,OUT

整数减法

ADD_R

+RINT1,OUT

实数加法

MUL_I

*1INT1,OUT

整数乘法

SUB_R

-RINT1,OUT

实数减法

DIV_I

/1INT1,OUT

整数除法

MUL_R

*RINT1,OUT

实数乘法

ADD_DI

+DINT1,OUT

双整数加法

DIV_R

/RINT1,OUT

实数除法

SUB_DI

-DINT1,OUT

双整数减法

MUL

MULINT1,OUT

整数乘法产生双整数

MUL_DI

*DINT1,OUT

双整数乘法

DIV

DIVINT1,OUT

带余数的整数除法

3.2.3I/O点的分配

本次课程设计的主要I/O点分配如表3.3

表3.3I/O点的分配

输入单元

PLC地址

输出单元

PLC地址

投币1元

I0.1

汽水货物显示

Q1.0

投币2元

I0.2

咖啡货物显示

Q1.1

投币5元

I0.3

奶茶货物显示

Q2.0

送货（汽水）

I0.4

货物指示灯

Q2.1

送货（咖啡）

I0.5

找零指示灯

Q2.2

送货（奶茶）

I0.6

故障指示灯

Q2.6

故障信号

I1.0

数码个位显示

I0.0—I0.3

试灯按钮

I1.1

数码十位显示

I0.4—I0.7

消铃按钮

I1.2

复位按钮

I0.0

3.2.4自动售货机的控制系统程序总框图

根据系统控制要求,编写了控制系统的程序总框图,如图3.2

图3.2控制系统总框图

3.3硬件接线图