基于S7200系列PLC的自动售货机系统的设计.docx
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基于S7200系列PLC的自动售货机系统的设计
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
XXX
学号
XXX
院系
XXX
专业
XXX
班级
XXX
指导教师
XXX
顾问教师
XXX
二〇一四年六月
摘要
本论文设计的是基于西门子S7-200系列PLC构成的自动售货机监控系统，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：
自动售货机、PLC、顺序功能图、梯形图、I/O点的分配
Abstract（外语专业的需要）
This thesis is the design of vending machine monitor system based on S7-200 series PLC Siemens form,This paper describes the origin and development of vending machine, and its development status at home and abroad, the scheme design of vending machines were demonstrated,Introduced the PLC basic composition, characteristics and work principle,The overall design of the vending machine system composed of PLC S7-200 series Siemens process based on a more detailed discussion.The paper describes in detail the various hardware components of vending machines, and completed the PLC external wiring diagram.When PLC trapezoidal chart compilation, this paper uses is the Siemens PLC ladder special compiler software STEP7 to write.Introduces the basic principle and working process of automatic vending machine, and then to a transaction process as an example, the transaction process is divided into several blocks,Then the block programming. Specify the programmable controller in the vending machine function.The procedure involved the vending machine work most of the process. To improve the system stability using the PLC control vending machine, vending machine can ensure the long-term stable operation.
Keywords:
The distribution of the vending machine, PLC, sequential function chart, ladder diagram, I/O point
第一章绪论
1.1自动售货机的理论背景
自动售货机在我国的出现源于1992年1元、5角、（及1角）金属硬币的发行，有眼光的海内外人士认识到这为自动售货机的出现提供了可能。
它作为一种24小时无店铺销售的商业形态，不止是方便快捷，更蕴藏着巨大的销售商机。
根据现存资料来看，“高技术”的自动售货机可以追溯到公元一世记，神秘而遥远的古希腊。
在古希腊神庙出现的一种圣水壶。
祈福的善男信女，向壶中扔一枚硬币，壶嘴就会吐出一定量的圣水。
此后，一直到公元1700年，市面上才再次出现自动售货机，其雏形是由一家英国酒馆设立的能用硬币购买的售烟盒。
此后的200年，自动售货机发展缓慢。
当历史的车轮辗转到20世纪初，自动售货机还仅仅用于香烟与邮票的贩卖。
目前，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。
自动售货机从1999年进入中国市场以来，受到了喜欢追逐时尚的年轻人的欢迎。
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的商机，2008年后进入了发展期。
1.2自动售货机设计的主要内容
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。
4）多次购物可以多次按购物按钮购物（取物后，在取物灯熄灭后再按），直到金额不足，红灯L1发光，表示余额不足。
5）取物过4s后，若再无按下购物按钮，取物口灯亮，示意取物。
6）退币若有余额退回，则退币口灯亮，此时按下退币按钮，退出全部金额，退出余额后，数码管显示为零，退币灯熄灭。
7）补充投币按下购物按钮后，若投币不足，L1灯发光，此时可选择补充投币或退币。
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的梯形图来设计控制程序，并简单介绍相关的知识，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智能抢答器的控制原理。
第二章PLC的简述
2.1PLC的定义
可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，它具有编程方法简单易学、功能强，性能价格比高、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强、可靠性高，抗干扰能力强、系统的设计，安装，调试工作量少、维修工作量小，维修方便、体积小，能耗低等特点，已经成为当代工业自动化的主要控制设备之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用，在其它领域（例如民用和家庭自动化）的应用也得到了迅速的发展。
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。
PLC的历史只有30多年，但发展极为迅速。
为了确定它的性质，国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）多次发布及修订有关PLC的文件。
在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义：
“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按照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设计。
”
①可编程控制器是“数字运算操作的电子装置”，它其中带有“可以编制程序的存储器”，可以进行“逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算”工作，可以设想可编程控制器具有计算机的基本特征。
事实上，可编程控制器无论从内部构造、功能及工作原理上看都是不折不扣的计算机。
可变程序控制器简称为PLC，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，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。
②可编程控制器是“为在工业环境下应用”而设计的计算机。
工业环境和一般办公环境有较大区别。
PLC具有特殊的构造，使它能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作；为了能控制“机械或生产过程”，它又要能“易于与工业控制系统形成一个整体”。
这些都是办公环境中工作的个人计算机不可能做到的。
可编程控制器不是普通的计算机，它是一种工业现场用计算机。
③可编程控制器能控制“各种类型”的工业设备及生产过程。
它“易于扩展其功能”，它的程序并不是不变的，而是能根据控制对象的不同要求，让使用者“可以编制程序”的。
也就是说，可编程控制器较其以前的工业控制计算机，如单片机工业控制系统，具有更大的灵活性，它可以方便地应用在各种场合，它是一种通用的工业控制计算机。
通过以上定义还可以了解到，相对一般意义上的计算机，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它实质上是经过一次开发的工业控制用计算机。
但是，从另一方面来说，它是一种通用机，不经过二次开发，它不能在任何具体的工业设备上使用。
不过，自其诞生以来，电气过程技术人员们感受最强的也正是可编程控制器二次开发十分容易。
它在很大程度上使得工业自动化设计从专业设计院走进了工厂和矿山，变成了普通过程技术人员甚至普通电气工人力所能及的工作。
再加上体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善，适应性强，安装接线简单等众多优点，可编程控制器在短短的30多年中获得了突飞猛进的发展，已经广泛应用在各种机械设备和生产过程的电气控制装置中。
如图2-1所示PLC实物图。
图2-1PLC实物图
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（见图2-2）。
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。
图2-2各阶段处理任务
2.4PLC的结构
PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、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2-3。
图2-3PLC的硬件结构图
2.5PLC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。
2.6PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：
1）开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2）模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3）数字控制
PLC能和机械加工中的数字控制系统（NC）及计算机数字控制系统（CNC）组成一体，有的PLC含有NC处理单元，直接连接步进电机或伺服电机驱动器实现数控加工，如欧姆龙公司的C200H-NC211单元。
4）运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机器的控制。
5）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
6）机器人控制
随着工厂自动化网络的形成，使用机器人的领域越来越广，许多机器人选用PLC控制，完成各种工作。
7）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
8）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
第三章自动售货机的简述
3.1自动售货机的简介
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。
虽然日本的自动售货机总台数低于美国（据1997年的统计为689万台），但是，从人口占有数来看却是世界上最高的，美国平均35人占有一台，而日本为23人占有一台。
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。
3.2自动售货机的组成
根据售货机自动控制系统的流程可以知道自动售货机的主要系统包括：
计币系统、比较系统、选择系统、饮料供应系统、退币系统和报警系统。
1）计币系统：
当有顾额色买饮料时，投入的钱币经过感应器，感应器记忆投币的个数关且传送到检测系统（即电子天平）和计币系统。
只有当电子天平测量的重量少于误差值时，允许计币系统进行叠加钱币，叠加的钱币数据存放在数据寄存器D2中。
如果不正确时，认为是假币。
既定出投币，既定出系统，等待新顾客。
2）比较系统：
投入完毕后，系统会把D2内钱币数据和可以购买饮料的价格进行区间比较，当投入的钱币小于2元时，指示灯Y0亮，显示投入的钱币不足。
此时可以再投币或选择退币。
当投稿的钱币在2~3元之间时，汔水选择指示灯长亮。
当大于3元时，汔水和咖啡的指示灯同时长亮。
此时可以选择饮料或选择退币。
1）选择系统：
比较电路完成后选择电路指示灯是长亮的，当按下汽水或咖啡选择时，相应的选择指示灯由长亮转为以1秒为周期闪烁。
当饮料供应完毕时，闪烁同时停止。
2）饮料供应系统：
当按下选择按钮时，相应的电磁阀（Y4或Y6）和电机（Y3或Y5）同时启动。
在饮料输出的同时，减去相应的购买钱币数。
当饮料输出达到8秒时，电磁阀首先关断，小电机继续工作0.5秒后停机。
此小电机的作用是：
在输出饮料时，加快输出。
在电磁阀关断时，给电磁阀加压作用，加速电磁阀的关断。
（注：
由于该售货机是长期使用，电磁阀使用过多时，返回弹力减少，不能完全关断会出现漏饮料的现象。
此时电机Y3和Y5延长工作0.5秒起到电磁阀加压的作用，使电磁阀可以完好的关断。
）
3）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D2内的钱币数首先除以10得到整数部分，是1元钱需要退回的数量，存放在D10里。
余数存放在D11里。
再用D11除以5得到的整数部分是5角钱需要退回的数量，存放在D12里。
余数存放在D13里。
最后D13里面的数值，就是1角钱需要退回的数量。
在选择退币的同时启动3个退币电机。
3个感应器开始计数，当感应器记录的个数等于数据寄存器退回的币数时，退币电机停止运转。
4）报警系统：
报警系统如果是非故障报警，只要通过网络通知送液车或者送币车即可。
但是如果是故障报警则需要通知维修人员到现声进行维修。
同时停止服务，避免造成顾客的损失。
3.3自动售货机的未来发展
自动售货机现已遍布国内各大城市，在机场、火车站、广场、小区、学校等公共场合，人流量大的地方随处可见它的身影。
它不仅仅给社会和消费者带来了文明、新奇、便利和时尚，更给广大商家和投资者带来了商机。
我国是个人口大国，同时也会是个消费大国，根据有关专家的预测，国内自动售货机的社会需求量将达到47万台，自动收货即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。
自动售货机具有科技含量高、24h服务，售货便利、无需专人盯守，省人工，省成本、售货范围广泛等优点。
此外，它本身还是一种广告媒体，这些独特的优点决定了它广阔的发展前景。
而精明的商人更是从中嗅出了巨大的商机，使自动售货机制造商和运营商信心大增。
随着人们的需要，自动售货机也在发生着改变，一步一步的在完善中。
而PLC控制自动售货机是比较常见的，它无人监控，带给我们很多的方便。
当然，随着时代不断的在进步，我相信，在不久的将来，PLC控制自动售货机讲会被新产品取代，但在这种产品出来之前，PLC控制将给我们带来一个简单方便的消费。
2004年，出现了一种手机购物的自动售货机，在缴纳话费时付买东西的费用。
2005年，推出了全新e时代智能自动售卖平台，是一种基于无线通讯技术的实时库存管理系统、电子结算、LCD互动广告等几大功能。
如今中国信息与经济水平的迅速提高，人们的消费观念、消费方式也发生了巨大的改变。
按照国际零售业的普遍观点，中国大中城市已经进入到自动售货机快速发展阶段，人均GDP水平超过4000美元。
而随着自动售货机技术的成熟、消费者了解的加强，将会使它进入快速发展的阶段。
目前，中国许多大中城市已经成为自动售货机的发展市场，相信不出几年，它将成为广大厂商关注的对象。
现在，自动售货机产业正在走向信息化并进一步实现合理化。
例如实行联机方式，通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。
并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。
在夏季电力消费高峰时，这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状况下也能保持低温，与以往的自动售货机相比，它能够节约10－15％的电力。
进入21世纪时，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展。
另外，自动售货机已作为一种不同于传统的零售方式进入四十五个国家市场。
如图3-1所示
图3-1自动售货机供给现况表
在这四十五个国家中,美国和日本发展最快,在日本达到平均每18人一台,年产量达70万台;在美国达到每46人一台,年产量100万台;在欧洲达到每60人一台。
目前，中国的自动售货机拥有量约为2万余台，相对于13亿的人口大国，这个数字微不足道。
作为世界上最大的自动售货市场，日本通过自动售货机出售的商品多达6000余种。
去年，仅饮料的销售额就达1593亿人民币。
在欧洲每台自动售货机日销售额达到50到100美元不等,以巴黎地铁车站为例,在各个站点总计摆放了1500台,每月销售额达600万法郎。
美国自动售货机的零售营业额高达293亿美元，日本每个消费者每年在自动售货机上的消费金额达5．5万日元。
全世界每年通过自动售货机销售商品的总额已达2000亿美元。
事实上,伴随收入水平的提高,人们追求灵活、方便、快捷以及自助式服务是自动售货机得以如此迅猛发展的主要原因。
在发达国家自动售货机已经成为零售业一个不可分割的部分,特别是对青年一代,这种伴随其成长的前卫零售方式更可谓是一种新的消费时尚。
自动售货机是集声、光、机、电于一体的智能科技产物,进入21世纪，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展。
使未来的自动售货机不仅仅具有售货功能，而是更加多元化,及人性化;如：
手机支付、远程联机管理、个性的LCD广告显示屏、更节能。
随着中国经济的高速发展，自动售货机在中国的普及和应用已是必然趋势。
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
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