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1、5 1234 PLC控制的自动售货机设计自动售货机的PLC系统设计摘要: 本文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。可编程序控制器（Programmable Logic Controller ）简称PLC, 是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似，只不过它比一般计算机具有更强

2、的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。硬件主要由中央处理单元CPU、存贮器、输入/输出单元以及编程器、电源和智能输入/输出单元等构成.PLC是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设设备之一。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

3、示屏、更节能。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，自动售货机在中国的横空出世，必将为国内的食品、香烟、饮料等诸多行业的发展带来新的契机，中国的现代文明又将以自动售货机的应用和普及开启一个新的里程碑！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，可以说是市场潜力无限。目录摘要.11 自动售

4、货机和PLC的介绍. 41.1 自动售货机功能分析.41.1.1 自动售货机的基本功能.41.2 PLC的选型原则.41.3 PLC的概论.61.3.1 PLC的产生.61.3.2 PLC的定义.61.3.3 PLC的发展趋势.71.3.4 PLC的特点 .81.3.5 PLC的基本功能.91.4 PLC的基本结构和原理.101.4.1 PLC各部分的作用.111.5 松下电工可变成序控制器产品-FP1-C24介绍131.5.1 FP1-C24的组成各部分.131.5.2 技术性能.132 PLC系统设计. .142.1 可编程序控制系统设计的基本原则152.1.1 控制系统设计原则 152.

5、1.2 控制系统设计的基本内容. 152.1.3 控制系统设计的一般步骤 162.1.4 编写梯形图的注意事项162.1.5 程序设计的步骤163自动售货机PLC程序设计.173.1 仿真实验中售货机的分析173.2 设计任务的确定183.3 程序设计部分.193.3.1 程序设计说明.193.3.2 PLC程序设计.193.4 仿真界面与PLC283.5 数据连接323.5.1 定义I/O设备.323.5.2 设计 343.5.3 运行 374 结束语.38参考文献 .38致谢.39 第一章 自动售货机和PLC的介绍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

6、的出现是劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。消费模式和销售环境的变化，要求新的流通渠道，相对于超市、百货购物中心等流通渠道而言，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。自动售货机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。采用可编程控制器实现自动售货机的系统设计，不仅编程方便，而且增强了系统的抗干扰能力。1.1自动售货机功能分析1.自动售货机有3个投币孔，分别为1元、5元和10元。2售货共有3种饮料供选择，分别为汽水、花茶和咖啡。3如投币总额超过销售价格，将可由退币钮找回余

7、额。4投币总额或当前值显示在7段数码管上。5投币值等于或大于12元时，汽水指示灯亮，表示只可选择汽水。6投币值等于或大于15元时，汽水和花茶指示灯亮，表示只可选择汽水和花茶。7投币值等于或大于20元时，汽水、花茶和咖啡指示灯亮，表示3种均可选择。8按下要饮用的饮料按钮，则相对应的指示灯开始闪烁，3s后自动停止，表示饮料已经掉出。9动作停止后按退币钮，可以退回余额，退回金额如果大于10元，则先退10元再退1元，如果小于10元则直接退1元的。1.1.1 自动售货机的基本功能1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等； 2. 系统有启动、停止功能； 3. 运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有

8、主程序、子程序和中断程序；4. 程序结构与控制功能自行创新设计；5. 进行系统调试，实现自动售货机的控制要求。1.2 PLC的选型原则当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的PLC ,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际电数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输

9、出只能有一种电源的种类和等级。所以一旦它们是交流220V的负载负载使用。则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。这样有可能造成输出点浪费，增加成本。所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。在选型方法上，应该考虑以下因素： （1）功能方面 所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控

10、制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。（2）价格方面 不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。1.3 PLC的概论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具有体积小、结构简单、操作方便、可靠性好等特点，1.3.1 PLC的产生20世纪20年代起，人们把各种继电器，定时器，接触器及其触

11、点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统。由于它结构简单，容易掌握，价格便宜，在一定的范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位。但是机电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与现实较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差。 20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置，1968年美国通

12、用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：1， 编程方便，可现场修改程序2， 维修方便，采用插件式结构3， 可靠性高于继电器控制盘4， 体积小于继电器控制盘5， 数据可直接送入管理计算机6， 成本可与继电器控制盘竞争7， 输入可以是交流150V以上8， 输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等9， 扩展时源系统改变最小 10，用户存储器至少能扩展到4KB（适应当时汽车装配过程的需要）1.3.2 PLC的定义美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器作出以下定义：可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统

13、，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入活输出，控制各种类型的机械或产生过程。可编程序控制器及其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展的原则而设计。定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力。并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。1.3.3 P

14、LC的发展趋势PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下几个方面。（1）向小型化、专用化、低成本方向发展（2）向大容量、高速度方向发展（3）智能型I/O模块的发展（4）基于PC的编程软件取代编程器（5）PLC编程语言的标准化（6）PLC通信的易用化（7）组态软件与PLC的软件化（8）PLC与现场总线相结合（9）开发新型特殊功能模块(10) CPU的处理速度进一步加快1.3.4 PLC的特点（1）抗干扰能力强，可靠性好（2）控制系统结构简单，通用性强（3）编程方便，易于使用（4）功能完善（6）体积小，维护操作方便（7）易于实现网络化（8）可实现

15、三电一体化1.3.5 PLC的基本功能1， 条件控制功能2， 定时/计数控制功能3， 数据处理功能4， A/D与D/A转换功能5， 运动控制功能6， 过程控制功能7， 扩展功能1.4 PLC的基本结构和原理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1-4）1.4.1 PLC各部分的作用 （1）中央处理器 CPU是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。控制器的作用是控制整个计算机的各个

16、部件有条不紊的工作，它的基本功能是从内存中取出指令和执行性指令。它的重要功能如下：图1-4-11PLC硬件结构图（2）存储器PLC的存储器分为两大部分：一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。而大部分使用户存储器，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通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。 （4）电源PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工

17、作所需要的直流电源电路或电源模块。 （5）输入输出I/O扩展接口若主机单元的I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与主机单元相连接。 （6）PLC的基本工作原理PLC采用的是循环扫描工作方式。对每个程序,COU从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，知道遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的扫描周期全过程如图1-4-2所示。（一） 输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。（二）程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程

18、序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。（三） 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。图1-4-12 PLC的扫描全过程1.5 松下电工可变成序控制器产品-FP1-C24介绍1.5.1 FP1-C24的组成各部分1.5.2 技术性能2 PLC系统设计第二章 可编程序控制系统设计的基本原则2.1.1 控制系统设计原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控制对象（生产设备活生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计

19、PLC控制系统时，应遵循以下基本原则： （1）最大限度的满足被控制对象的控制对象。设计前，应深入现场进行调查研究，收集资料，并于机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。 （2）在满足控制系统要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。 （3）保证控制系统的安全、可靠。 （4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有裕量。2.1.2 控制系统设计的基本内容PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。，因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括：（1） 用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）

20、、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。这些设备属于一般的电器元件，其选择的方法在其他有关书籍中已有介绍。（2） PLC的选择。PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对语保证整个控制系统的技术经济性能指标起到重要的作用。选择PLC应包括机型选择、容量选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。（3） 分配I/O点，绘制I/O连接图。（4） 涉及控制程序。包括设计梯形图、语句表（及程序清单）和控制系统流程图。控制系统程序是控制整个系统工作的软件，是包子系统工作安全、可靠的关键。因此，控制程序设计必须是经过反复调试、修改，知道满足要求

21、为止。（5） 必要时还需要设计控制台。（6） 编制控制系统的技术文件。2.1.3 控制系统设计的一般步骤（1）根据生产的工艺过程分析控制要求。（2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备、据此确定OLC的I/O点数。（3）选择PLC系统。（4）分配PLC和I/O点，设计I/O连接图。（5）进行PLC程序设计，同时可进行控制态的设计和现场施工。2.1.4 编写梯形图的注意事项 （1）输入输出继电器、内部辅助继电器、定时器、计数器等器件的触点可以多次重复使用，无需复杂的程序结果来减少触点的使用次数。 （2）梯形图每一行都是从左母线开始，线圈终止于右母线。触点不能放在线圈的右边。除不经程序外，任何

22、线圈、定时器、计数器、高级指令等不能直接与左母线相连。如果需要任何时候都被执行的程序段，可以通过特殊内部常闭继电器或一个没有使用的内部继电器的常闭触点来连接。 （3）在程序中，不允许同一编号的线圈两次输出。 （4）不允许出现桥式电路。 程序的编写顺序应是自上而下。从左至右的方式。为了减少程序的执行步数，程序应为“左大右小，上大右小”。 图1-4-13 PLC外部接线图梯形图梯形图是用的最多的PLC图形编程语言。梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。它与电器控制线路图相似，如图3-3示。继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出

23、形式，具有形象、直观、实用的特点。因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言。图1-1-14传统继电器控制线路图和PLC梯形图 a传统继电器控制线路图 b PLC梯形图 在梯形图中，有两根竖直的直线，被称为母线，现在很多PLC只保留了左边的母线，而把右边的母线略去不写。在梯形图中引入了“能流”的概念。左边的母线就如电源的“正极”，而右边的母线就如电源的“负极”。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。如果没有能流，则线圈未被激励，“能流”在任何时刻都不会通过接点自右向左流。2.1.5 程序设计的步骤第三章 自动售货机PLC程序设计3

24、.1 仿真实验中售货机的分析由于售货机的全部功能是在上位机上模拟的，所以售货机的部分硬件是由计算机软件来模拟代替的。如钱币识别系统，可以用按某个“仿真对象”输出一个脉冲直接给PLC发布命令，而传动系统也是由计算机直接模拟的，这些并不会影响实际程序的操作，完全能模拟实际自动售货机的运行。(1)实验状态假设a、由于是在计算机上模拟运行的，实验中有些区别于实际情况的假设：b、自动售货机只售出三种商品；c、自动售货机可以识别10元、5元、1元；d、自动售货机可以退币10元、5元、1元；e、自动售货机有液晶显示功能；f、试验中售货机忽略了各种故障以及缺货等因素；(2)一次交易过程分析为了方便分析，以一次

25、交易过程为例a、初始状态：有电子标签显示各商品价格，显示屏显示界面，此时不能购买任何商品；b、投币状态：按下投币按钮，显示投币框，按下所投币值，显示屏显示投入、消费、余额数值，当所投币值超过某商品价格时，相应商品选择按钮发生变化，提示可以购买。c、购买状态：按下可以购买的选择按钮，所选的 出现在出货框中，同时显示屏上的金额数字根据消费情况相应变化。取走商品则出货框消失。d、退币状态：按下退币按钮显示退币框，同时显示相应的退币值和数量，按下确认按钮则恢复初始状态。到此为止，自动售货机的一个完整工作结束。这也是本仿真系统的设计思想。3.2 设计任务的确定根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进

26、度计划，运用所学的理论知识，进行自动售货机运行原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。主要内容包括： 1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等； 2. 系统有启动、停止功能； 3. 运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；4. 程序结构与控制功能自行创新设计；5. 进行系统调试，实现自动售货机的控制要求。3.3 程序设计部分仿真程序的编写利用利用组态软件FORCECONTROL2.6，下位机程序的编制则利用PLC专用编程软件欧姆龙完成的。PLC程序已经介绍，现在我们看一下仿真界面设计。(1

27、)销售机背景的设计售货机背景是一个不动的画面，可以利用图片处理的方法按照制定样式的功能画出售货机的整体。先分几部分进行仿真设计，如图6-1所示。(2)显示屏部分的设计显示屏部分的设计利用了组态软件设计两个显示画面，一个是未交易时初始状态的欢迎界面如图6-2，在交易过程中的币值显示画面如图6-3所示 ，其中图6-1中的欢迎字符是可以闪烁变化的，aaaa字符可以显示系统时间，图3-2中的8888用来显示币值，它们均是可以定义的变量。图1-3-13售货机背景 图1-3-14 欢迎界面 图1-3-15 币值界面（3）标签设计电子标签用来显示程序中传上来的价格，所以其中要有可以定义的字符，所以标签设计为

28、，其中“J.03显示03商品价格的变量。（4）按钮设计“选择”按钮的设计要反映出可以购买和不可以购买的差异，所以其中也要有可以变化的字符，设计如右图，其中字符“选择”在满足条件下可以闪烁变色，退币按钮设计成样式，按钮均可以动作。（5）投退币提示框设计投退币提示框要有可已投入的硬币，确认按钮以及框架，其中硬币、确认按钮和字符“a”均是可以定义的变量 图1-3-16投币提示框 图1-3-17 退币提示框（6）出货框的设计出货框中要有01-03商品的示意图以及框架，其中商品在满足条件后可以出现，鼠标点击后可以消失，因此也是可定义的变量效果如图6-6所示图1-3-18出货框3.3.1 程序设计说明实验证明： 该系统程序设计较全面地演示自