基于plc的自动售货机设计

毕业设计报告（论文）2012届题目基于PLC的自动售货机设计所属系自动化技术系班级自动化0913学生姓名周春学号2009201148同组成员杨秀指导教师刘凯摘要本文在PLC及MCGS的支持下对售货机进行了研究。利用PLC控制自动售货机，选择合适的方案，并进行合理的硬件选型、设计及I/O配置、MCGS组态的编辑、将程序输入PC机进行调试，最终确定设计方案。文中详尽的介绍了自动售货机的各硬件及软件组成，并完成了PLC外部接线图。在编辑PLC梯形图时专用编辑软件三菱PLC进行编写。本文介绍了自动售货机的工作原理及工作流程，具体说明了可编程控制器在自动售货机中的作用，程序涉及到了售货机的工作的绝大部分过程，利用PLC控制的售货机提高了系统的稳定性，确保自动售货机能够长期运行。关键字自动售货机、PLC、MCGS目录摘要II目录III一、绪论1二、自动售货机的简介221、自动售货机的起源222、自动售货机的现状与发展223、自动售货机的售货流程3三、硬件选型531、PLC的简介532、PLC的选型533、按钮的选型634、导线的选型735、信号指示灯的选型7四、PLC控制系统的设计841、硬件的分析8411、控制要求的分析8412、IO点的统计8413、PLC的I/O分配图942、程序编写9五、软件仿真的设计1351、组态王的简介1352、MCGS的简介1353、组态软件的选型1554、仿真画面的设计15541、组态与PLC联机设置17542、实时数据库定义17543、组态输入输出点设置17六、PLC及MCGS的联机仿真调试1861、仿真调试1862、仿真结果及分析1863、控制系统19结论20致谢21参考文献22附录自动售货机程序23一、绪论自动售货机最早出现在二十世纪五、六十年代的西欧。自动售货机适宜经营的场所比较广泛，机场、车站、码头、地铁口、商业街、校园、办公写字楼、居民生活小区、游乐场所等都是安装自动售货机的好地方，而适销的商品更是五花八门、种类繁多，只要是各种标准化的商品，都可通过自动售货机予以销售。我们相信，随着我国经济的持续发展，人民消费水平的不断提高，对自动售货机的需求必将越来越多、越来越广泛。自动售货机是可完成无人自动售货，集光、电、机一体化的商业自动化设备。自动售货机具有不受任何场地限制、方便快捷、可以每天24H售货的优点。传统自动售货机控制系统采用单片机作为核心，这样不仅会在输入输出接口上做大量的工作，而且系统抗干扰性比较差。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的应用。因为自动售货机作为社会上完成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。PLC是以CPU为核心，综合了计算机技术和通讯技术发展起来的工业控制装置，目前已广泛应用于各个行业。本文是基于PLC所设计的自动售货机，在本设计中将根据设计要求，完成自动售货机的基本功能，在组态仿真中能够仿真运行。并根据设计思想用PLC做出自动售货机的模拟实物，进行简单的运行。二、自动售货机的简介21、自动售货机的起源自动售货机的历史，可一直追溯到远古时代的埃及。亚历山大的科学家HERON在其所著的气体装置（PNEUMATIKA）中描述，只要将钱币投入该装置，水就会自动流出来。这就是自动售货机的起源，大约在公元前215年左右，埃及寺院中就安装了这种装置，用来销售“神圣之水（圣水）”。日常生活中最重要的是方便。自动售货机最早出现在二十世纪五六十年代的西欧，当时在美国的地铁中，人们可以用1美分在自动售货机上买到一块口香糖。第二次世界大战后，经济开始复兴的1957年，以日本作为代表，开发出了饮料自动售货机。只要在饮料自动售货机中投入10日元，就会在纸杯内注入一定量的果汁。由于机器的上部安装有引人注目的喷水装置，所以该自动售货机被称为“喷水型果汁自动售货机”，自此出现了爆发性的自动售货机狂潮。此种喷水型果汁自动售货机为消费者带来了新奇、前卫的购买方式，并对之后日本的自动售货机高度普及起到了很大的作用。之后登场的是可乐自动售货机。随着美国大型可乐公司正式进驻日本市场，到了1960年代中期，罐装饮料自动售货机也登场了。自动售货机的活跃表现对可乐销量的惊人增长贡献巨大。同时，优秀的自动售货机市场战略、操作技巧等都对日本的自动售货机产业的发展产生了很大的影响。22、自动售货机的现状与发展目前，自动售货机作为一种不同于传统的零售方式进入四十五个国家市场。在这四十五个国家中，美国和日本发展最快。在国外主要是以饮料厂引导，带动自动售货机的发展。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。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55万日元。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。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。现代都市生活的节奏日趋加快，追求方便、快捷的服务成为人们的一种时尚，以麦当劳、肯德基为代表的的西式快餐在我国的迅速发展就是很好的例子。随着对外开放的不断扩大，传统的零售业发展成百货商店、连锁超市、电视直销、厂家直销等多种方式并存的局面，极大地方便了人们的生活。自动售货机如图21图21自动售货机23、自动售货机的售货流程自动售货机的售货流程如图22投币计数比较钱币钱币不足选择饮料饮料选择减去饮料用币是否退币减去饮料用币退币计算结束开始YN图22自动售货机的售货流程图三、硬件选型31、PLC的简介PLC是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。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由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性；配套齐全，功能完善，适用性强，易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、建造工作量小；维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低。PLC如图31图31PLC32、PLC的选型根据输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加1020的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。根据所需控制要求点数、经济方面考虑，故选择三菱FX2N48MR。33、按钮的选型根据颜色根据使用要求和用途选择适合要求的颜色。根据类型开启式按钮一般用于开关柜、控制台、控制柜的面板上。保护式按钮带有保护外壳，可防止内部的零件受机械损伤或操作者触及带电部分。防水式按钮带有密封外壳，防止雨水浸入，户外使用。防爆事按钮适用于煤矿等有爆炸性气体和尘埃的环境使用。防腐式按钮适用于有化工腐蚀性气体的环境使用。紧急式按钮有红色大蘑菇头突出于按钮螺帽之外，供需要紧急切断电源时使用。钥匙式按钮只有用钥匙插入按钮才可操作，防止误动作。旋转式按钮用手把旋转操作触头，接通或分断电路。带灯按钮带有指示灯的按钮，尚可兼做指示灯。自持按钮按钮内装有自持装置，一般为面板操作。双速按钮触头机构的操作可以通过接触器对具有2个绕组的双速电机进行无间歇的转换，保证电机及其他起重机在转速变换时的机械性能。根据使用要求选择相应的类型按钮。根据经济在经济及控制允许的前提下故选择开启式按钮。34、导线的选型根据载流量选择计算或者估算线路最大电流的承受范围，在满足要求的前提下选择合适导线。根据经济选择在经济及控制的要求下1平方厘米的导线。35、信号指示灯的选型根据使用信号灯大小小型机械只要装36直径，直径42，直径50的信号灯就可以，中型机械（一般都为中性机械）选择直径60或者直径70的，大型机械（很少）那就选择直径80以上的，但一般情况下直径70为标准直径。根据信号灯类型一般分为组合式信号灯和一体式信号。根据发光源信号灯一般分为LED灯泡和普通灯泡。根据安装方式分为直立式安装、侧壁安装、内螺纹安装。根据经济及控制要求的条件和使用要求选择LED信号指示灯。四、PLC控制系统的设计41、硬件的分析在基于设计要求和综合因素的考虑下，采用三菱FX2N48MR型号的PLC。411、控制要求的分析售货机可以出售矿泉水1元、可乐2元、冰红茶25元。此售货机可投入1角、5角和1元硬币当投入的硬币总值超过1元时，矿泉水灯亮；当投入的硬币总值超过2元时，矿泉水灯和可乐灯亮；当投入的硬币总值超过25元时，矿泉水灯、可乐灯和冰红茶灯亮。当按钮矿泉水灯亮时，按动矿泉水按钮，开始售货，同时矿泉水灯闪3S后熄灭。可乐和冰红茶售货与矿泉水售货相同。可以进行找钱。412、IO点的统计IO如表41输入输入点输出输出点1角开关X0矿泉水指示灯Y05角开关X1可乐指示灯Y11元开关X2冰红茶指示灯Y2矿泉水按钮X3矿泉水输出灯Y3可乐按钮X4可乐输出灯Y4冰红茶按钮X5冰红茶输出灯Y5退币按钮X6找钱机构Y6413、PLC的I/O分配图PLC的I/O分配图如图42X6X5X4X3X2X1COMCOM1Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0FX2N1角开关24V找钱冰红茶输出可乐输出矿泉水输出冰红茶指示灯可乐指示灯矿泉水指示灯找钱冰红茶按钮可乐按钮矿泉水按钮1元开关5角开关X7COM2图42PLC的I/O分配图42、程序编写根据设计要求进行程序编写。当顾客投相应售货机所识别的三种币后，分别接通X1、X2、X3，所投面值不同的硬币，均累计显示在D0中。程序需投币计数，程序如图41图41投币计数程序图在顾客投入相应数量钱币后，钱币的数额综合跟程序设定好的饮料数值进行比较，当钱币比较结束后，如所投钱币数额在规定范围内，满足购买币值，即可进入选择饮料环节。钱币需识别比较，程序如图42图42钱币识别比较程序图在投币程序比较后，顾客即可选择自己欲购买的饮料，按下饮料相对应按钮后，触动X4、X5、X6任意其中之一，即可完成选择步骤。客户需选择购买饮料，程序如43图43饮料选择程序图当顾客选择好饮料的同时，所选饮料所对应的指示灯开始动作，即Y0、Y1、Y2其一动作，触发对应指示灯亮。在选择饮料后，对应指示灯会作出相应动作即为亮，程序如44图44饮料选择指示灯程序图顾客在购买饮料结束后，如有余额，售货机会自动退还余额。退换程序如图45图45退币程序图将程序组合，即可实现自动售货机的自动售货需求。五、软件仿真的设计51、组态王的简介组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用WINDOWS的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。52、MCGS的简介MCGSMONITORANDCONTROLGENERATEDSYSTEM，监视与控制通用系统是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于WINDOWS平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于MICROSOFTWINDOWS95/98/ME/NT/2000/XP等操作系统。MCGS组态软件包括三个版本，分别是网络版、通用版、嵌入版。具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。MCGS软件的版面如图51图51MCGS软件的版面图MCGS的软件结构如图52MCGS主控窗口系统参数自动参数设备构件N设备构件1设备窗口用户窗口图符图元实时数据库运行策略动画构件N数据对象存盘处理报警处理启动策略循环策略自定义策略退出策略图52MCGS的软件结构相比组态王，MCGS的性能更加稳定，出于方便、性能稳定故选择MCGS。53、组态软件的选型随着自动化产品的不断升级，在选择软件产品时的要求也越来越高。相比以前，对软件产品各方面的性能都有更多的关注。现在看来，各种标准之间的重要性差别不是很大。总体而言，使用时更加关注软件的性能和运行效率，例如软件运行可靠性、可维护性、口碑以及可操作性。54、仿真画面的设计点击用户窗口中的，点击下方的窗口属性，在弹出窗口中更改名称，点确定。返回点击，根据要求进行动画画面的设计。动画如图53图53组态画面当画面设计好之后，进行画面定义。双击所需定义动画，填出窗口后切换到动画连接，点击后，出现，点击问号，会弹出如图54图54动画定义图在窗口中选择所需对象后点击确定。以此编辑各动画。541、组态与PLC联机设置打开MCGS组态软件，找到设备窗口双击，弹出页面后在空白处右击鼠标点开设备工具箱，点开弹出窗口中的，当添加好后，再次点击，添加完成后显示为即可。542、实时数据库定义点击，双击添加好的对象进行设置，全部设置如图61图51对象设置图543、组态输入输出点设置打开设备窗口再次双击，在弹出来的窗口中点击进行输入输出点设置。当全部设置如图62图52组态输入输出点设置图六、PLC及MCGS的联机仿真调试61、仿真调试将程序输入计算机编程软件后，点开，点击写入，在弹出画面中写入相应步数，点击运行。再点击中的开始监控。将相对应的PLC外部接线接好。打开组态画面，再打开仿真监控程序，进行运行仿真。62、仿真结果及分析由于实验室没有相应的实物控制模型（自动售货机），因此在调试程序时，所有的输入输出均用按钮及指示灯来代替。在调试前仔细检查接线是否有误，注意不可以短路、断路，否则会造成硬件损害及人身意外。在调试过程中出现了程序显示跟组态不同步和程序不能实现退币功能等一些现象，经过同组人员的检查导师的指导，修改了程序和组态定义数据后。满足了所需设计要求，成功的完成了课题设计。63、控制系统在整个设计中，控制系统的整体设计图如图61PLC商品选择开关钱币识别感应器退币电动机各种指示灯MCGS组态软件出币电磁阀图61控制系统图结论通过本次PLC课程设计使我对PLC的操作更加熟练，同时掌握了自动售货机的基本工作原理，对自动售货机的发展也有了一定的了解，更加深刻的体会到PLC在现实生活中的重要性，以及在当今社会控制领域的重要地位。与此同时我也对三菱FX2N48MR系列的PLC有了更进一步的了解。在整个设计过程中我学会了在遇到困难的时候如何借助外界的帮助和自己的努力来解决实