基于s7200PLC自动售货机.docx
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基于s7200PLC自动售货机
1PLC的概述
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。
1.2PLC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1-1。
图1-1PLC硬件结构图
1.3PLC的编程语言
PLC为用户提供了完善的编程语言来满足编制用户程序要求。
它提供的编程语言通常有以下5种：
梯形图（LAD）、语句表（STL）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）和结构文本（ST）。
1.4PLC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自动售货机的相关说明
2.1现有自动售货机分析
自动售货机最早出现在二十世纪五、六十年代的西欧，英国是较早实行自动售货机售货的国家之一。
1942年，在食品销售中首先推广了自动售货的销售方式。
1950年，英国食品杂货行有500家采用自动售货机售货。
1969年，采用自动售货机售货的商家增加到23000家，销售的商品扩展到文化用品、唱片、香烟、食品等多个方面。
进入70年代后，约有40多万家香烟、饮料店采用自动售货机。
1980年英国有50余万台自动售货机，年销售额达8.81亿英镑。
70年代后，日本、欧美等发达国家和地区自动售货机迅猛发展，短短30年，发达国家自动售货机产业已发展到相当大规模。
自动售货机被广泛地放于车站、油站、机场、宾馆、写字楼、娱乐场所及大街小巷和公路旁，人们通过自动售货机可以买到食品、香烟、饮料、报纸、票、卡甚至鲜花和小宠物等物品。
自动售货机实现了商品需求化、性能多样化的发展，有由原来的只能出售有限商品品种，转变为继百货公司、超级市场、便民店之后，以消费者与收获机“一对一”自动售货的无店铺销售状态。
目前自动售货机是集声、光、机电一体化的高新智能化产品，在我过也开始得到应用。
在中国人们可以看到现代化的自动售货机摆放在一些大商场门口、繁华街道两旁、公园入口处以及其他热闹的场所。
自动售货机的新奇、文明、高档、昼夜服务、占地小、灵活方便深受许多地区市民的青睐，甚至出现许多排队购买的现象。
专家测算，中国的自动售货机在市场容量最保守算应该有四十七万台，一年的销售额可达到三百五十亿元，若按人均台数计算全年可达五百亿，自动售货机在日本达到平均每二三十人一台，在美国达到每四十人一台，在欧洲每六十人一台，由于中国经济与上述国家还有一定差距，按每五百人一台计算。
因此，自动售货机在中国有着广阔的发展前景。
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密集型社会转变的产物。
大量生产、大量销售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。
从广义来讲自动售货机就是在投入硬币、纸币、信用卡等后变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。
2.2自动售货机设计的主要内容
（1）此自动售货机可以投入五角、一元的硬币；
（2）如果顾客投入硬币在限定的时间内（2分钟）不按任何按键，自动售货机将退还所投硬币；
（3）当投入硬币的总值等于或才超过物品价值时，对应的物品指示灯亮绿灯；
（4）当物品对应的指示灯亮绿灯时，按下相应的按键，相应的物品排出，同时指示灯绿灯闪烁；
（5）如果顾客投入硬币总值超过所选物品的价值时，自动售货机会自动将余款退还顾客；
（6）当顾客成功购买完一件物品后20秒无操作，自动售货机会自动将余款退还顾客；
（7）如果顾客投入硬币后又不想买物品，按下退款按键，自动售货机会自动将余款退还顾客；
（8）当物品不足时，对应的物品指示灯亮绿灯不亮，顾客按下相应的按键无反应（不出物品，不减余额），并向总部发送所缺物品。
2.3自动售货机设计的基本思路
本次设计的题目是PLC控制自动售货机，主要是用西门子S7-200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、PLC的硬件组成等。
根据设计内容和控制要求画出梯形图，再根据PLC的相关只是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。
3PLC控制自动售货机的主要硬件及选型
3.1PLC的选择
随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多，而且功能也日趋完善。
近年来，从德国、日本、美国等引进的PLC产品和国内厂家组装自行开发的产品，已有几十个、上百种型号。
PLC的种类繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有不同，，适用的场合也各有侧重。
因此，合理的选择PLC，对于提高PLC控制系统技术经济指标有着重要意义。
选择plc时应考虑的因素包括PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块等。
3.1.1PLC的机型选择
机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。
（1）合理的结构型式；
（2）安装方式的选择；
（3）相当的功能要求；
（4）响应速度的要求；
（5）系统可靠性的要求；
（6）急性统一。
3.1.2PLC的容量选择
PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。
（1）I/O点数
通常I/O点数是根据被控制对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%——15%的备用量来确定。
（2）用户存储容量
用户存储量是指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的决定。
一般可只按下式估算，再按实际需要留适当的余量（20%——30%）来选择。
存储容量=开关量I/O点数*10+模拟量通道数*100
绝大部分PLC均能满足上式要求。
应当注意的是：
当控制系统较复杂、数据处理量较大时，可能会出现存储量不够的问题，这时候应特殊对待。
3.1.3I/O模块的选择
一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上。
不同的I/O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格。
下面仅介绍有关量I/O模块的选择。
（1）开关量输入模块的选择
PLC的输入模块是用来检测接收现场输入设备的信号，并将输入的信号转换为PLC内部接受的低电压信号。
1）输入信号的类型及电压等级的选择
常用的开关量模块的信号类型有三种：
直流输入、交流输入和交流/直流输入。
选择时一般根据现场输入信号及周围环境来决定。
接输入信号的电压大小分类有：
直流5V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。
选择是应根据现场输入设备与输入模块之间的距离来决定。
2）输入接线方式选择
接输入电路接线方式的不同，开关量输入模块可分为汇点式输入和分组式输入两种。
3）同时接通的输入电数量
对于选用高密度的输入模块，应考虑模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60%。
（2）开关量输出模块的选择
输出模块是将PLC内部低电压信号转换为外部输出设备所需的驱动信号。
选择时主要应考虑负载电压的种类和大小、系统对延时时间的要求、负载状态变化是否频繁等。
1）输出方式的选择
开关量输出模块有三种输出方式：
继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出。
2）输出接线方式的选择
接PLC的输出接线方式的不同，一般有分组时输出和分隔式输出两种。
3）输出电流的选择
输出模块的输出电流必须大于负载的额定电流。
用户应根据实际负载电流的大小选择模块的输出电流。
4）同时接通的输出点数量
选择输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。
同时接通输出的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值。
5）输出的最大负载电流与负载类型、环境温度等因素的关系。
根据本设计的复杂程度、所需完成的功能和输入输出点数，最终选择的PLC是S7-200系列中的cpu226cn。
3.2自动售货机PLC硬件控制电路设计
3.2.1自动售货机的工作流程
自动售货机是机电一体化的自动化装置，在接收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备来完成规定动作，将货物输出。
（1）用户将货币投入投币口，货币识别器对所投货币进行识别；
（2）控制器根据金额将商品可售卖信息通过选货按键指示灯提供给用户自主选择欲购买的商品；
（3）按下用户选择商品所对应的按键，控制器接收到按键所传递过来的信息，驱动相应部件，售出用户选择的商品到达出货口；
（4）如果还有足够的金额，则可继续购买。
在20秒之内，自动售货机将自动找出零币或用户退币按钮，退出零币；
（5）从退币口取出零币完成交易。
3.2.2自动售货机I/O点的分配
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对被控对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理的结果送给被控对象，以实现控制目的。
本次自动售货机I/O点的分配表如表3-1所示。
表3-1自动售货机PLC控制I/O地址分配表
输入信号
PLC地址
输出信号
PLC地址
找零按钮
I0.0
找零
Q0.0
五角食品按钮
I0.1
五角食品出口
Q0.1
一元食品按钮
I0.2
一元食品出口
Q0.2
一元饮料按钮
I0.3
一元饮料出口
Q0.3
二元饮料按钮
I0.4
二元饮料出口
Q0.4
二元日用按钮
I0.5
二元日用出口
Q0.5
三元日用按钮
I0.6
三元日用出口
Q0.6
投币按钮
I2.0
五角食品绿灯（可购买）
Q1.0
五角食品行程开关
I3.1
一元食品绿灯（可购买）
Q1.1
一元食品行程开关
I3.2
一元饮料绿灯（可购买）
Q1.2
一元饮料行程开关
I3.3
二元饮料绿灯（可购买）
Q1.3
二元饮料行程开关
I3.4
二元日用绿灯（可购买）
Q1.4
二元日用行程开关
I3.5
三元日用绿灯（可购买）
Q1.5
三元日用行程开关
I3.6
3.2.3自动售货机的I/O接口图
此次自动售货机的I/O接口如图3-1所示，SB2-SB7是物品选择按钮，当投入货币物品绿灯亮（Q1.0-Q1.5）。
按下SB2-SB7其中一个，对应的KM线圈得电，电机转动出相应的物品（Q0.1-Q0.6）；当有物品售完，其行程开关断开，物品绿灯不亮并同时向总部发送物品销售完的信息；当购买物品总值低于投入总值时，可按找零按钮SB1后KM1得电，电机转动找零（Q0.0）。
图3-1自动售货机PLC控制I/O接口图
3.3自动售货过程的控制子系统简述
控制子系统有以下四个部分组成
（1）预设售货价格系统
自动售货机售出的同类商品可分若干品牌，其售前设定价格须预先储存在控制系统内。
自动售货机的价格设置系统由按键和存储器组成。
通过按键选择被设价商品的种类及价格，并将价格写入存储器，该存储器本身具有断电保护功能，属于软件设置方式。
此外，在简易型售货机中，由于出售商品种类少，价格变化小，使用币单一，也可用硬件设置价格，采用拨码开关对应方式，结构简单、操作方便。
（2）金额累计、可售指示和退币系统
控制系统的核心CPU对识币、退币、无货检测及购货信号进行巡回检查，当有识币信号后，将金额数值送入金额累计存储器中进行累计，并通过串行扩展口进行显示，同时将金额累计存储器中的数值与预设价格存储器中的数值进行比较，如金额累计数值等于或大于预设价格数值，则通过串行接口时可售指示灯亮，提示购货。
此时可按下购货按钮，又CPU检测到购货信号后，如金额累计存储器中数值与预计价格相等，则通过并行扩展接口驱动电磁阀或微电机驱动出商品，并奖金额累计存储器消零，完成一次售货过程；如累计金额大于预设价格是，驱动商品后，相减差额由信号驱动退币，实现售货和退币找零功能。
（3）售完检测系统
在自动售货机商品贮存道下方安装有接触行程开关，当贮存道内有商品时，压下行程开关，售货机正常工作，当商品出售完毕时，行程开关被释放，向CPU发出无货信号，经检测通过串行扩展接口向相应的售完指示灯发出信号，使机身外部‘售完’指示灯亮，此种商品自动停售，即使投币累计金额达到该道商品预设价格数值，可售按钮仍然无启动信号，金额累计存储器也不清零。
（4）售出累计及自测功能系统
该机CPU在每次售出商品后，向售出累计存储器中累计售出数据，通过售货机内部的按键可在金额显示窗中读到累计结果。
此外，在按下自动功能健后，出现自测功能信号，由外部按键操作，可检测各商品存储道的驱动商品功能。
4自动售货机的PLC控制系统设计
4.1自动售货机的软件设计
4.1.1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系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触电，失点时，常闭触点闭合，常开触电打开，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，允许最大值为32767。
定时器指令表见表4-1。
4.1.2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4-2）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
TONRTxxx，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
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
+IINT1,OUT
整数加法
DIV_DI
/DINT1,OUT
双整数除法
SUB_I
-IINT1,OUT
整数减法
ADD_R
+RINT1,OUT
实数加法
MUL_I
*IINT1,OUT
整数乘法
SUB_R
-RINT1,OUT
实数减法
DIV_I
/IINT1,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
4.2自动售货机的基本功能
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（如图4-1），并介绍了自动售货机运行系统中所包括的人工操作步骤。
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，并作出相应的反应。
例如：
售货机中有2种商品，A商品价格为0.5元，B商品为1元。
现投入1个1元硬币，当投入的货币超过A商品的价格时，A商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，B商品也提示。
当按下选择A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A商品的价格同时启动相应的电机，提取A号商品到出货口。
此时售货机继续进行等待外部命令，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，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。
图4-1自动售货机流程图
4.3自动售货机PLC控制程序设计
本次设计的自动售货机主要销售食品、饮料、日用三大类，而食品有五角和一元，饮料有一元和二元，日用品有二元和三元共六种。
本次自动售货机PLC控制梯形图，如图4-2所示：
图4-2自动售货机PLC控制梯形图
结论
毕业论文是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的自动售货机系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。
这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。
虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。
我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。
提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。
在设计过程中投币的设计让我很头痛，原因是由于系统设计本身按键的抖动和扫描时间的框定，而又必须考虑本专业的一些要求规范，从而形成了一些矛盾点，这些矛盾在处理上让人很难斟酌，正是基于这种考虑我意识到，想要更为完美的设计，我花了大量时间在上面。
顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。
比如我的设计还有很多的不足之处，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国的四化服务。
主要参考文献
[1]刘永华，电气控制与PLC，北京航空航天大学出版社，2007
[2]伊宏业，PLC可编程控制器教程，航空工业出版社，1997
[3]刘洪涛、黄海编，PLC应用开发从基础到实践，电子工业出版社，2007
[4]刘小春、华满香，PLC控制系统设计与维护，高等教育出版社，2008
[5]肖峰，PLC编程100例，中国电力出版社，2009
[6]廖常初，PLC基础及应用，机械工业出版社，2007
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