毕业设计（论文）-基于PLC的自动售货机控制系统的研究与设计.doc

第 页 共 45 页 0 摘 要 随着科技的不断发展，plc 在工程中的应用大家有目共睹，plc 在各个领域已占得一席之地，并将有更好的发展。我国人口数量庞 大，自动售货机在人们的生活中扮演越来越重要的角色，从长远来 看其具有广阔的发展空间。本次设计的自动售货机为饮料自动售货 机，贩卖的商品性质明确，适于放置在短时间人口流动比较大的地 方，比如餐厅。首先通过与单片机和液压等控制的对比，确定采用 plc 来控制自动售货机，然后分析自动售货机的结构和工作原理，明 白自动售货机的贩卖过程，以便为硬件的选择做准备。通过自动售 货机的功能分析作出硬件框图，根据硬件框图选择所需要的 plc、货 币识别器、电动机和接触器。根据 i/o 分配表对 plc 选型，并画出 外部接线图。根据控制系统流程图编写符合自动售货机功能的程序。 如果购物后有剩余金额，则可按退币按钮退币。梯形图的编写通过 gx developer 来完成，完成梯形图后可以在三菱 plc 仿真软件 gx simulator 6c 进行调试和仿真。最后用 mcgs 作出组态效果。组态仿 真图中自动售货机包括按钮、指示灯、投币口、取物口、退币口等 部分。 关键词：自动售货机； plc； 梯形图； mcgs 第 页 共 45 页 1 abstract with the development of science and technology, the application of plc in engineering everybody be obvious to people, plc has occupied a space for one person in every field, and will have a better development. because of the large number of population, the vending machine is playing a more and more important role in peoples life, in the long run it has broad space for development. the design of the automatic vending machine for beverage vending machine, the nature of the goods sold in the clear, adapted to be placed in a short time population flow of relatively large areas, such as restaurant. first, by comparing with the single chip microcomputer and hydraulic control, and adopt plc to control the vending machine, then analyzes the structure and working principle of automatic vending machines selling process, understand the vending machine, to prepare for the selection of hardware. through vending machine function analysis to make the hardware block diagram, according to the hardware block diagram, select the desired plc currency recognizer, motor and contactor. according to the i/o distribution list on the plc selection, and draw the external wiring diagram. according to the flow chart of control system prepared with vending machine program. if the shopping after the remaining amount, then press the coin button coin. trapezoidal chart compilation done by gx developer, complete ladder diagram can be debugged and simulated in mitsubishi plc simulation software gx simulator 6c. finally, mcgs made the configuration effect. configuration simulation diagram of the vending machine comprises a button, indicator light, the slot, fetching port, a coin refund part. keywords: vending machine; plc; ladder diagram; mcgs 第 页 共 45 页 2 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.5 1.1 自动售货机的研究背景及意义5 1.2 研究自动售货机的目的5 第二章第二章 可编程控制器可编程控制器 plcplc 的介绍的介绍. . 7 2.12.1 可编程控制器 plc 7 2.1.1 plc 概述7 2.1.2 plc 的发展前景7 2.1.3 plc 的工作原理7 2.1.4 plc 的循环扫描工作8 2.1.5 plc 的硬件组成8 2.1.6 plc 的编程语言9 2.1.7 plc 的特点9 2.1.8 plc 的应用场合9 2.2 plc 与其它工业控制装置的比较10 2.2.1 plc 与集散控制系统10 2.2.2 plc 与工业控制计算机.10 第三章第三章 自动售货机的简介及设计要求自动售货机的简介及设计要求.11 3.1 自动售货机简介11 3.2 自动售货机工作原理11 3.3 自动售货机功能设计要求11 3.4 自动售货机设计思路12 第四章第四章 plc 控制的自动售货机硬件选择控制的自动售货机硬件选择13 4.1 硬件电路组成框图13 4.2 主要硬件选择13 4.2.1 硬币识别器.13 4.2.2 纸币识别器14 4.2.3 饮料出罐执行机构.14 4.2.4 售完检测系统15 4.2.5 plc 的选型16 第 页 共 45 页 3 4.2.6 plc 输入输出设备的选择.18 4.2.7 饮料自动售货机外部硬件接线图及主电路.19 4.2.8 红外线传感器. . .21 4.2.9 晶体管显示. . .23 第五章第五章 饮料自动售货机控制系统的软件设计饮料自动售货机控制系统的软件设计.25 5.1 饮料自动售货机控制系统的工作流程25 5.2 饮料自动售货机各控制功能的程序设计26 第六章第六章 系统调试系统调试.37 6.1 调试主要内容37 6.2 调试结果37 第七章第七章 总结与展望总结与展望.38 7.1 总结38 7.2 展望38 致致 谢谢.39 参考文献参考文献.40 附录附录 指令表指令表.41 第 页 共 45 页 4 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 自动售货机的研究背景及意义 自动售货机最早出现在 20 世纪 60 年代的欧美，当时在美国的 地铁系统中。人们可以用 1 美分在自动售货机上购买到一块口香糖。 这便是最早的自动售货机。 作为一种全新的零售方式，20 世纪 80 年代以来，自动售货机在 美、日等发达国家得到了迅速的普及和发展。其产品特点是科技含 量高，集光、机、电、防伪识别、数字密码、智能软件等技术于一 体；24 小时服务，售货便利，无需专人盯守，省人工，省成本；售 货范围广，人们通过自动售货机不仅可以买到食品、香烟、饮料、 报纸、票、卡，甚至鲜花和小宠物等物品；此外它还是一种新颖独 特的广告媒体。目前，自动售货机已经在许多个国家和地区使用。 根据美国自动世代统计，日本每 23 人拥有一台自动售货机、美 国每 40 人一台、欧洲每 60 人一台。在邻国日本，全国市场 70%的罐 装饮料是通过自动售货机售出的，每个人一年投入自动售货机用于 购物的货币高达 400 多美元；根据日本麒麟啤酒公司调查，一台自 动售货机每年可售出上万罐清凉饮料，比一般不太繁忙的小商品销 量还要大，美国可口可乐公司则拥有分布于世界各地的几十万饮料 售货机；在西班牙，全国通过自动售货机售出的商品销售额占全国 零售业的六成以上，并以每年 10%的速度递增。全世界约有 1800 万 台自动售货机处于运营中，包括自动售货机制造与运营在内的整个 行业年销售额超过 2500 亿美元，自动售货业已成为零售业增长最快 的行业之一。 近几年，自动售货机在我国的大中城市发展势头非常迅猛，车站、 码头、酒店宾馆、大学校园、繁华的街道等地方随处可见自动售货 机的身影。据统计，广州市区就摆放了各种品牌的自动售货机，而 这还不足以满足地铁和公交车站的需要。自动售货机不但给人们的 生活带来了极大的方便，而且也成为现代化城市的一道亮丽的风景 线。随着我国零售业态的不断发展和 2010 年上海世博会举行的过程 中，我国无店铺销售业态的发展获得了良好的环境和契机。尤其是 跨国企业的加入，进一步刺激和带动我国自动售货机产业的发展。 第 页 共 45 页 5 1.2 研究自动售货机的目的研究自动售货机的目的 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。自动售货机 行业长期以来在美国、日本等国家得到迅猛发展，目前已在多个国 家得到广泛普及。据业内人士估计，但中国的自动售货机拥有量还 不太多，相对于 13 亿的人口大国和零售业态发展的趋势而言，中国 自动售货机行业的发展空间将更加广阔。 第 页 共 45 页 6 第二章第二章 可编程控制器可编程控制器 plcplc 的介绍的介绍 2.1 可编程控制器可编程控制器 plc 2.1.1 plc 概述概述 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。 2.1.2 plc 的发展前景的发展前景 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。 向小型化、专用化、低成本方向发展 向大容量、高速度方向发展 智能型 i/o 模块的发展 基于 pc 的编程软件取代编程器 plc 编程语言的标准化 plc 通信的易用化 第 页 共 45 页 7 组态软件与 plc 的软件化 plc 与现场总线相结合 开发新型特殊功能模块 cpu 的处理速度进一步加快 2.1.3 plc 的工作原理的工作原理 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 2-1） 图 2-1 各阶段处理任务 2.1.4 plc 的循环扫描工作的循环扫描工作 对每个程序，cpu 从第一条指令开始执行，按指令步序号做周 期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条 顺序执行用户程序，直至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 的扫描全过 程如图 2-2 所示 第 页 共 45 页 8 图 2-2 plc 的扫描全过程 2.1.5 plc 的硬件组成的硬件组成 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 2-3。 图 2-3 plc 硬件结构图 2.1.6 plc 的编程语言的编程语言 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 第 页 共 45 页 9 （stl）、顺序功能图（sfc）、功能块图（fbd）和结构文本 （st）。 2.1.7 plc 的特点的特点 抗干扰能力强，可靠性好 控制系统结构简单，通用性强 编程方便，易于使用 功能完善 体积小，维护操作方便 易于实现网络化 可实现三电一体化 2.1.8 plc 的应用场合的应用场合 随着电子技术的快速发展，plc 的制造成本不断下降，而其功 能却大大增强。目前在先进工业国家中 plc 已经成为工业控制的标 准设备，应用面几乎覆盖了所有的工业企业，诸如钢铁、冶金、采 矿、水泥、石油、化工、轻工、电力、机械制造、汽车等等各行各 业、特别是在轻工业中，因生产门类多，加工方式多变，产品更新 换代快，所以 plc 广泛应用在组合机床自动线、专用机床、塑料机 械、包装机械、电梯等电器设备中。plc 已经跃居现代工业自动化 三大产柱（plc、robot、cad/cam）的主导地位。 2.22.2 plcplc 与其它工业控制装置的比较与其它工业控制装置的比较 2.2.1 plc 与集散控制系统与集散控制系统 plc 是由继电器逻辑控制系统发展而来，初期的功能是以数字 量的顺序控制为主。随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的发 展，plc 在逻辑运算、璧还调节的功能，运算速度提高，输入输出 规模扩大，并开始与小型计算机联成网络，构成以 plc 为重要部件 的初级分散控制系统。 集散控制系统是由回路仪表控制系统发展而来，初期的功能以 回路调节为主。随着微处理器和单片机的出现，他把顺序控制技术、 数据采集、过程控制的模拟量仪表和过程监控装置等有机的结合在 一起，形成了新一代的集散型控制系统。 第 页 共 45 页 10 可见，不论是 plc 还是集散系统，在发展过程中，始终是互相 渗透，互相补充。新一代的 plc 增强了模拟量控制功能，可配备各 种智能模块，具有了 pid 调节功能和构成网络系统、组成分级控制 的功能。集散系统既有单回路控制功能，也有多回路控制功能，同 时也有顺序控制功能。因此，当今的 plc 与集散控制系统的发展越 来越接近，很多生产过程的控制既可用 plc 实现，也可用集散系统 来实现。 2.2.2 plc 与工业控制计算机与工业控制计算机 工业控制计算机是指能够提供各种数据采集和控制功能，能够 和工业对象的传感器、执行机构直接接口，能够在恶劣的工业环境 可靠运行的计算机系统。工业控制机是由通用微机推广应用发展而 来，硬件结构方面总线标准化程度高，品种兼容性强，软件资源丰 富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速，实时性强，模 型复杂的工业对象的控制占有优势。但是，使用工业控制机的人员 的技术水平要求较高，一般具有一定的计算机专业知识。工业控制 机在整机结构上尚不能适应恶劣的工作环境，因而，不如 plc 那样 容易推广。 plc 是专为工厂现场应用环境而设计的，结构上采用整体密封 或插件组合型，并采用了一系列抗干扰措施，在工业现场使用有很 高的可靠性；plc 是由电气控制厂家研制出来的，采用梯形图语言 编程，使熟悉电器控制的人员易学易懂，易于推广。但是，由于 plc 的运行方式不同于工业微机，微机的很多软件还不能直接应用； 且 plc 的标准化程度较低，各厂家的产品不通用，因此在开发上不 如工业控制机那样有基础。 第 页 共 45 页11 第三章第三章 自动售货机的简介及设计要求自动售货机的简介及设计要求 3.13.1 自动售货机简介自动售货机简介 自动售货机是集声、光、机电一体化的高新智能化产品，在我 国也开始得到应用。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、公园入口处以及其它热闹的场 所。 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。 从广义来讲自动售货机就是在投入硬币、纸币、信用卡等方便 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的不足，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。 3.23.2 自动售货机工作原理自动售货机工作原理 （1）从投币口送入货币，然后经过传感器采集数据、识别器判 别人民币的真伪并判别面值。 （2）识别器把信息数据传给通信模块。 （3）通信模块与售货机的主控系统通信，主控系统显示面值， 启动售货机的面板键，显示出哪个货道有货，哪个货道已售完，并 等待顾客按键选择商品。 （4）顾客选择商品后，根据售出的商品包装类型的不同，采用 不同的驱动技术把商品送出。此次设计的售货机主要出售易拉罐装 饮料，是利用电磁阀带动翻版驱动的。 第 页 共 45 页12 （5）显示余额，如果金额足够多，顾客可以选择找币或继续买 商品；如果款额不足，售货机经过延时予以退币。 退币时用一元硬 币来完成退币。 （6）系统复零，完成售货。 3.33.3 自动售货机功能设计要求自动售货机功能设计要求 1、接受三种面值的货币，1 元、5 元、10 元。投币后 60s 无操 作则报警 5s，再过 10s 无人操作时报警并自动退回用户所投货币。 2、在本次设计中只设有 4 种商品，即纯净水、果汁、营养快线、 咖啡，价格分别为 2 元、3 元、5 元、6 元。 3、可以显示金额。 4、投入金额大于某件商品单价则对应的 led 指示灯会点亮，选 择该商品时，该商品指示灯就会闪烁，并且数码管会显示剩余的金 额，按退币按钮退币。 3.43.4 自动售货机设计思路自动售货机设计思路 本次设计的题目是自动售货机，主要是应用三菱 fx-2n 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、自动售货机的硬件组成等。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，并反复调试做到程序无误。 第 页 共 45 页 13 图 4-2 硬币识别器 第四章第四章 plcplc 控制的自动售货机硬件选择控制的自动售货机硬件选择 4.14.1 硬件电路组成框图硬件电路组成框图 当售货机有钱币投入时，会经过硬币识别器和纸币识别器，在真币 的情况下将信号送到 plc 的输入端，此时，可以按下各选择按钮，选择 按钮的信号送到 plc 后相应的输出端子得电，使输出继电器得电输出饮 料。同时七段数码管也会显示出实时的金额提醒顾客。当购买完毕按下 退币按钮退币。若有顾客忘记退币，售货机会自动报警提醒顾客退币。 硬件电路组成框图见下图 4-1。 图 4-1 硬件电路组成框图 4.24.2 主要硬件选择主要硬件选择 4.2.1 硬币识别器硬币识别器 1、硬币识别原理 硬币识别器见图 4-2。主要识别指标： 材质、厚度、直径。 材质是用电磁的方式测的，使用空 心线圈或磁芯线圈，线圈组数少的只有 第 页 共 45 页 14 一组，多的常见的是六组。工作状态下，线圈及其外围电路会以一个特 殊的频率振荡（多个线圈的话频率各不相同），当硬币以垂直或平行于 线圈平面的方式穿过时（不同产品方式不同），会引起振荡频率的变化。 材质不同所引起的频率变化幅度和方向（增加、减少）也不同，对某种 硬币的变化特征进行记录后，就成为使用中识别该种硬币的依据。 厚度是没有东西专门测的，实际上这个指标是和材质一起测。因为 即使相同材质的硬币，如果厚薄不同，导致的频率变化差异也较大。 直径老式的识别装置用光电管队列来识别直径，排列组合得当 的话，识别精度也不低（可达 0.5mm）。新一点的都用偏心或异形线圈 来测量，依据是直径小的硬币与线圈的重合部分也少，由此也带来频率 变化的不同。 2、产品型号 适用硬币：直径 18mm-32mm；厚度 1.2mm-3.2mm。 工作电压：dc+12v 。功耗：静能 0.5mw ；动能 0.5w 工作温度：-20+50 4.2.2 纸币识别器纸币识别器 1、纸币识别原理 把正常的钞票在各传感器接收到的信号进行统计取样、识别，并寄 存起来，作为检测的依据。当识别纸币时，把在各通道接口接收到的信 号参数与原寄存起来的信号参数进行比较、判断，若有明显差异时就立 即送出报警信号并截停电机，同时送出对应的信号提示。 2、型号 电压：dc +12v +-5% 电流：待机 0.12a 工作 2a 工作温度： 0c 55c 保存温度： -20c 60c 湿度：30% 85% rh ( no condensation ) 重量：0.8kg 插入方向：任意方向 识别时间：2.5 秒 图 4-3 纸币识别器 第 页 共 45 页 15 4.2.3 饮料出罐执行机构饮料出罐执行机构 本出罐机构主要由前侧板、后侧板、扭力弹簧、三根固定轴、旋转 卡片、电机、曲柄、传感器、连杆和摆臂组成。如图 4-4 所示。 图 4-4 出罐机构结构图 出罐机构动作主要是通过电动机 7 带动与之紧配合的曲柄 8 转动， 从而使与曲柄短轴连接的连杆 11 做来回往返运动，连杆 11 的来回运动 通过摇臂凸轴 12 传递到摇臂 15 做前后摆动，电动机 7 转动一周，摆臂 15 前后各摆动一次，既出罐一次，同时传感器 9 动作一次，出罐机构就 完成一个动作。 出罐机构的整个工作过程是：初始时摇臂 15 上的阻货工作面 16 处 于挡住来罐位置如图 4-5a）所示。当接受到出罐信号时电动机开始运行， 随电机运行至前半周时，使摇臂向承货侧摆动，将前面的第一个罐体盛 入摇臂 15 上的承货工作面 17 内，如图 4-5b）。所示电机继续下半周运 行时摇臂 15 上的承货工作面 17 盛着罐体向出货侧摆动，此时摆臂 15 的阻货工作面 16 挡住后面一个罐体，如图 4-5c）所示，最后，当电机 运行至一周期时，摇臂摆动到载货工作面 17 将罐体可滚出工作面位置 时，如图 4-5d）此时传感器 9 开始动作，电机停止，出货完成。 第 页 共 45 页 16 图 4-5 出罐过程示意图 4.2.4 售完检测系统售完检测系统 在自动售货机商品贮存通道内下方安装有传感器，当贮存道内有商 品时，传感器发出有货的信号，售货机正常工作当商品出售完毕时,传感 器向售货机发出无货信号，相对应的商品指示灯再不亮，此种商品自动 停售，即使投币累计金额达到该商品预设价格数值，可售按钮仍然无启 动信号，金额累计存贮器也不清零。 4.2.5 plc 的选型的选型 （1）饮料自动售货机控制系统输入输出端的确定 根据饮料自动售货机的控制要求及功能，可知其输入输出信号如下： 假币传感器：假币传感器检测投入的是否为假币，可直接连接在 plc 主机的数字量输入端口。 一元硬币传感器：一元硬币传感器用来检测输入的一元硬币的数量， 可直接连接在 plc 主机的数字量输入端口。 一元纸币传感器：一元纸币传感器用来检测输入的一元硬币的数量， 可直接连接在 plc 主机的数字量输入端口。 五元传感器：五元传感器用来检测输入的五元硬币的数量，可直接 连接在 plc 主机的数字量输入端口。 十元传感器：十元传感器用来检测输入的十元硬币的数量，可直接 连接在 plc 主机的数字量输入端口。 纯净水按钮：按下纯净水按钮，表示顾客选择购买纯净水，自动售 货机将选择送出纯净水，可直接连接在 plc 主机的数字量输入端口。 果汁按钮：按下果汁按钮，表示顾客选择购买果汁，自动售货机将 选择送出果汁，可直接连接在 plc 主机的数字量输入端口。 第 页 共 45 页 17 营养快线按钮：按下营养快线按钮，表示顾客选择购买营养快线， 自动售货机将选择送出营养快线，可直接连接在 plc 主机的数字量输入 端口。 咖啡按钮：按下咖啡按钮，表示顾客选择购买咖啡，自动售货机将 选择送出咖啡，可直接连接在 plc 主机的数字量输入端口。 退币按钮：按下退币按钮，售货机将执行退币动作，可直接连接在 plc 主机的数字量输入端口。 纯净水已送出传感器:用来检测纯净水已送出,可直接连接在 plc 主 机的数字量输入端口。 果汁已送出传感器:用来检测果汁已送出, 可直接连接在 plc 主机的 数字量输入端口。 营养快线已送出传感器:用来检测营养快线已送出,可直接连接在 plc 主机的数字量输入端口。 咖啡已送出传感器:用来检测咖啡已送出，可直接连接在 plc 主机 的数字量输入端口。 假币指示灯：假币指示灯指示输入的钱币为假币。 假币退出继电器：假币退出继电器控制执行机构将假币退出。 纯净水指示灯：纯净水指示灯指示顾客投入的币值可购买纯净水。 果汁指示灯：果汁指示灯指示顾客投入的币值可购买果汁。 营养快线指示灯：营养快线指示灯指示顾客投入的币值可购买营养 快线。 咖啡指示灯：咖啡指示灯指示顾客投入的币值可购买咖啡。 纯净水出货继电器：纯净水出货继电器线圈执行纯净水的出货。当 按下纯净水按钮，plc 主机发出控制信号，纯净水出货线圈控制商品执 行机构送出纯净水。纯净水出货继电器可直接连接在 plc 主机的数字量 输出端口。 果汁出货继电器：果汁出货线圈执行果汁的出货。当按下果汁按钮， plc 主机发出控制信号，果汁出货线圈控制商品执行机构送出果汁。果 汁出货继电器可直接连接在 plc 主机的数字量输出端口。 营养快线出货继电器：营养快线出货线圈执行营养快线的出货。当 按下营养快线按钮，plc 主机发出控制信号，营养快线出货线圈控制商 第 页 共 45 页 18 品执行机构送出营养快线。营养快线出货继电器可直接连接在 plc 主机 的数字量输出端口。 咖啡出货继电器： 咖啡出货线圈执行咖啡的出货。当按下咖啡按 钮，plc 主机发出控制信号，咖啡出货线圈控制商品执行机构送出咖啡。 营养快线出货继电器可直接连接在 plc 主机的数字量输出端口。 退币指示灯：退币指示灯提示顾客购买结束或钱币不足，按下退币 按钮，退币执行机构执行退币动作。 退 1 元硬币驱动继电器： 退 1 元驱动继电器是在退币按钮按下后， 则控制执行机构执行退出 1 元的动作，可直接连接在 plc 主机的数字量 输出端口。 报警器：在投币后 60s 无人操作时，报警 5s 提醒顾客，再过 10s 后无人操作，自动退币。 （2）plc 主机的比较选择 相对于西门子 plc，西门子的功能比三菱的强大，但三菱 plc 更 适合用于小型机，更稳定更易上手。大型的设备趋向于西门子，价格昂 贵，三菱的较便宜，小型化。其主要特点如下： 1）体积小 fx1s、fx1n 和 fx2n 系列的 plc 的高度为 90mm，深度为 75mm（fx1s 和 fx1n 系列）和 87mm（fx2n 和 fx2nc 系列），体积 小的微型 plc 适合在机电一体化产品中使用。其内置的 24v dc 电源可 做输入回路的电源和传感器的电源。 2）先进美观的外部结构 三菱的 fx 系列 plc 吸收了整体式和模块式 plc 的优点，它的基 本单元、扩展单元和合扩展模块的高度和深度相同，宽度不同。它们之 间用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体。 3）提供多个子系列供用户选用 fx1s、fx1n 和 fx2n 的外观、高度、深度差不多，但是性能和价 格有很大差别。fx1s 系列是一种集成型小型单元式 plc，最多 30 个 i/o 点，且具有完整的性能和通讯功能等扩展性。如果考虑安装空间和 成本是一种理想的选择。 第 页 共 45 页 19 fx1n 系列是三菱电机推出的功能强大的普及型 plc。具有扩展输 入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用于一 般的顺序控制三菱 plc。fx2n 系列:是三菱 plc 是 fx 家族中最先进的 系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点， 为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。fx2n 是从 16 路到 256 路输入/输出的多种应用的选择方案。 4）灵活多变得系统配置 fx 系列 plc 系统配置灵活，用户除了可选不同的子系列外，还可 以选用多种基本单元，扩展单元和扩展模块，组成不同 i/o 点和不同功 能的控制系统，各种配置都可以得到很高的性能价格比。fx 系列的配 置就像模块式 plc 那样灵活，因为它的基本单元采用整体式结构，友具 有比模块式 plc 更高的性能价格比。 （5）功能强，使用方便 fx 系列的体积虽小，却具有很强的功能。其内置告诉计数器，有 输入输出刷新、中断、输入滤波时间调整、恒定扫描时间等功能，有高 速计数器的专用比较指令。其基本单元和扩展单元一般采用插接式的接 线端子排，更换单元方便快捷。 通过对各输入输出信号的分析可知，该饮料自动售货机系统共有 20 个数字量输入和 27 个数字量输出，需 47 个 i/o 点。三菱 plc 具有结构 灵活、传输质量高、速度快、使用范围广、低成本等优点，考虑到留有 余量的原则，可选择三菱系列的 fx2n-64mr 的 plc 作为主机。 4.2.6 plc 输入输出设备的选择输入输出设备的选择 （1）根据对饮料自动售货机的输入输出端的分析确定，其共有 20 个输入端，30 个输出端，对所选用的 fx2n-64mr 的 plc 进行 i/o 地址 分配。如表 4-1 所示。 第 页 共 45 页 20 表 4-1 饮料自动售货机控制系统 i/o 地址分配 名称地址说明 输入信号 假币传感器 sq0x0检测钱币的真伪 1 元硬币传感器 sq1x1检测投入 1 元硬币的数量 1 元纸币传感器 sq2x2检测投入 1 元纸币的数量 5 元传感器 sq3x3检测投入 5 元钱币的数量 10 元传感器 sq4x4检测投入 10 元钱币的数量 纯净水已送出传感器 sq5 x5检测纯净水有没有出货 果汁已送出传感器 sq6 x6检测果汁有没有出货 营养快线已送出传感 器 sq7 x7检测营养快线有没有出货 咖啡已送出传感器 sq8 x10检测咖啡有没有出货 纯净水按钮 sb0x11选择购买纯净水 果汁按钮 sb1x12选择购买果汁 营养快线按钮 sb2x13选择购买营养快线 咖啡按钮 sb3x14选择购买咖啡 退币按钮 sb4x15选择退币 纯净水无货传感器 sq9 x16纯净水已售完 果汁无货传感器 sq10 x17果汁已售完 营养快线无货传感器 sq11 x20营养快线已售完 咖啡无货传感器 sq12 x21咖啡已售完 启动按钮x22使自动售货机开始工作 停止按钮x23使自动售货机停止工作 输出信号 假币指示灯 l0y0指示投入的为假币 纯净水指示灯 l1y1指示投入的钱币可购买纯净水 果汁指示灯 l2y2指示投入的钱币可购买果汁 营养快线指示灯 l3y3指示投入的钱币可购买营养快线 咖啡指示灯 l4y4指示投入的钱币可购买咖啡 退币指示灯 l5y5指示钱币不足 第 页 共 45 页 21 假币退出继电器 km0 y6控制执行机构退出假币 纯净水出货继电器 km1 y7控制执行机构执行送出纯净水的 动作 果汁出货继电器 km2 y10控制执行机构执行送出果汁的动 作 营养快线出货继电器 km3 y11控制执行机构执行送出营养快线 的动作 咖啡出货继电器 km4 y12控制执行机构执行送出咖啡的动 作 找 1 元继电器 km5y13控制退币机构执行退 1 元动作 报警器y14控制报警器报警 数码管y15-y35显示钱数 4.2.7 饮料自动售货机外部硬件接线图及主电路饮料自动售货机外部硬件接线图及主电路 根据 i/o 地址分配表，连接各输入输出端子，画 plc 硬件接线图， 如图 2-3 所示。 第 页 共 45 页 22 图 4-6 饮料自动售货机控制系统的 plc 硬件接线图 电机主电路由七台电机组成，分别为控制汽退出假币的电机，控制 纯净水出口的电机，控制营养快线出口的电机，控制营养快线出口的电 机，控制咖啡出口的电机。控制找 1 元出口的电机。如图 4-7 所示。 第 页 共 45 页 23 图 4-7 主电路 4.2.8 红外线传感器 在本设计中，当硬币投入开始由红外线传感器感应，然后由红外线 传感器驱动硬币识别传感器，硬币经识别后进入贮存腔时，由硬币识别 传感器送给 plc 一个信号，进行硬币的叠加运算；当退币时，退出的硬 币经红外线传感器感应，给 plc 一个信号，进行退币的相加运算。 本设计是运用红外线传感器的原理对投币进行检测的。图 4-8 所示 是由红外线传感器构成的红外线探测开关电路图。它是以单运放为主构 成，plc 与之联系。探测头采用一体化红外线传感器发射接收组件。当 发射管与接收管之间无硬币时，接收管集电极与发射极间的电阻值变小， 因此会使 ic1 反相信号输入端 3 脚电压下降，ic1 的同相输入端 2 脚上 的基准电压是由 r3 和 r4 分压后得到的，由此使其 7 脚输出变为高电平， ka 继电器不工作，所以 plc 得不到相应的信号。当发射管与接收管之间 有硬币时时，硬币遮挡红外线，接收管集电极和发射极之间的电阻变大， ic1 的 3 脚电压大于 2 脚电压，其 7 脚输出为低电平使 vd7 导通发光， ka 继电器工作，使 plc 得到相应的信号。 第 页 共 45 页 24 图 4-8 红外线探测开关电路图 对贮存腔没有硬币的报警，在本设计中采用红外检测器给 plc 的输 入端一个信号,然后由 plc 的输出端驱动报警系统。在贮存腔底部安装 了红外遥控发射装置。当没有投币时，系统正常运行，给出了运行指示； 当没有投币时而按了商品按钮或者退币按钮，这时光线没有被硬币遮挡， 有信号输出，产生无币报警。 在本设计中，当饮料的量位小于设定值时，由红外传感器感应，光 敏二极管接收到 led 发射出的光，给 plc 一个报警信号，然后 plc 驱动 报警器。红外传感器应用电路发光和受光方式如图 4-9。 第 页 共 45 页 25 图 4-9 红外传感器应用电路图 4.2.94.2.9 晶体管显示晶体管显示 在本设计中，显示部分，以带锁存的 7 段显示指令 segl 来实现， 对于指令 segl，用 12 个扫描周期显示一组 4 位数据，占用 8 个输出点。 源操作数可以选所有的数据类型，目标操作数为 y，只有 16 位运算， n=07，该指令用 12 个扫描周期显示一组或两组 4 位数据，占用 8 个 或 12 个输出点，该指令可以是使用两次。segl 指令用 12 个扫描周期显 示一组或两组 4 位数据，plc 的扫描周期应大于 10ms，若小于 10ms，应 使用恒定扫描方式。该指令的执行条件一旦接通，指令反复执行，若执 行条件变为 off，停止执行。图 4-10 中使用一组输出（n=03），d1 中的数据依次送到 y0y3。选通信号由 y4y7 提供。 4-10 带锁存的 7 段显示 对于晶体管输出电路有漏输出（即集电极输出）和源输出（即发射极输 出）两种（见图 4-11），前者为负逻辑，梯形图中的输出继电器为 on 时输出低电平；后者为正逻辑，梯形图中的输出继电器为 on 时输出高 第 页 共 45 页 26 电平。7 段显示器的数据输入（由 y0y3 和 4-11 正负逻辑图 y10y13 提供）和选通信号（由 y4y7 提供）也有正逻辑和负逻辑 之分。若数据输入以高电平为“1”，则为正逻辑；反之为负逻辑。选 通信号若在高电平时锁存数据，则为正逻辑；反之为负逻辑。参数 n 的 值由显示器的组数、plc 与 7 段显示器是否相同来确定（见表 4-2）。 在本设计中，因需显示一组 4 位数据，plc 与数据输入类型相同， plc 与选通脉冲类型相同，所以 n=0。 表 4-2 参数 n 的确定 第 页 共 45 页 27 第五章第五章 饮料自动售货机控制系统的软件设计饮料自动售货机控制系统的软件设计 5.15.1 饮料自动售货机控制系统的工作流程饮料自动售货机控制系统的工作流程 饮料自动售货机控制系统工作过程主要包括判断钱币的真伪、计币 比较显示可买饮料、选择、饮料供应、退币五个步骤。 1）判别钱币的真伪 当顾客投入的钱币为假币时，假币指示灯亮，驱动假币退出继电器 线圈动作将假币退出，5s 之后结束。 2）计币比较 顾客投入的钱币通过传感器，将其存储在寄存器 d0 中并累加。钱 币投入完成后，系统会将寄存器中的钱币数据与可买饮料价格进行区间 比较，如果投入的钱币不足，则退币指示灯亮，要求继续投币或退币。 第 页 共 45 页 28 当投入钱币大于等于 2 元时，纯净水指示灯亮；若大于等于 4 元，纯净 水和营养快线指示灯亮；若大于等于 5 元，纯净水、营养快线和营养快 线指示灯亮；若大于等于 6 元，四种饮料指示灯全亮。此时可选择饮料。 3）选择饮料 比较电路完成后，可选择饮料。当按下按钮时，相应的指示灯闪烁。 4）饮料供应 当按下按钮时，相应的继电器启动输出所选择的饮料，输出地同时 寄存器减去购买的饮料的钱币数。 5）退币 购买结束后，若还剩余钱币，按下退币按钮，系统会把数据寄存器 中的钱币退回。 根据对饮料自动售货机的工作过程描述，可以设计出饮料自动售货 机控制系统 plc 程序的程序流程图。其流程如图 5-1 所示： 第 页 共 45 页 29 图 5-1 自动售货机控制系统 plc 程序的程序流程图 5.25.2 饮料自动售货机各控制功能的程序设计饮料自动售货机各控制功能的程序设计 1) 启动停止程序 第 页 共 45 页 30 在自动售货机投入使用时要先按启动按钮 x22，售货机才能使用， 在检测到有投币信号时程序开始启动处理用户的操作，按下停止按钮 x23 后售货机停止工作。在其程序梯形图如图 5-2 所示 第 页 共 45 页 31 图 5-2 启动停止程序 1）判别钱币真伪的程序 当投入的钱币为假币时，假币传感器感应到一触发脉冲，假币指示 灯 y0 接通亮，直接驱动假币继电器线圈 y6，将假币退出，2s 之后恢 复正常。其程序梯形图如图 5-3 所示 。 图 5-3 判断真假币的梯形图程序 第 页 共 45 页 32 2）计币显示系统的程序 存储钱币寄存器 d0 清零。当投入 1 元硬币或 1 元纸币时，数据寄 存器做加 1 计算，当投入 5 元时，数据寄存器做加 5 计算，当投入 10 元时，数据寄存器做加 10 计算，并且将钱币总数用两个数码管显示出 来，最大能显示 99 元，如果钱数超过两位数那么百位将不显示,只显示 后两位。其程序梯形图如图 5-4 所示。 图 5-4 计币显示系统的程序 第 页 共 45 页 33 3)钱币与价格比较系统的程序 将顾客投入的钱币与购买饮料所需要的钱币进行比较，若小于 2 元， 则退币指示灯 y5 长亮，表示钱币不足；若大于或等于 2 元，则纯净水 指示灯 y1 长亮，表示可以购买纯净水；若大于或等于 3 元，则果汁指 示灯 y2 和纯净水指示灯 y1 长亮，表示可买果汁或纯净水；若大于或 等于 5 元，则营养快线指示灯 y3、果汁指示灯 y2 和纯净水指示灯 y1 长亮，表示可买营养快线、营养快线或纯净水；若大于或等于 6 元，则 咖啡指示灯 y4、营养快线指示灯 y3、果汁指示灯 y2 和纯净水指示灯 y1 长亮，表示可买咖啡、营养快线、果汁或纯净水。 第 页 共 45 页 34 图 5-5 钱币与价格比较系统的程序 第 页 共 45 页 35 图 5-5 钱币与价格比较系统的程序 4）选择饮料的程序 当选择纯净水时，按下纯净水按钮 x11，中间继电器 m20 得电，纯 净水指示灯 y1 闪烁；当选择果汁时，按下营养快线果汁按钮 x12，中 间继电器 m21 得电，果汁指示灯 y2 闪烁；当选择营养快线时，按下营 养快线按钮 x13，中间继电器 m22 得电，营养快线指示灯 y3 闪烁；当 选择咖啡时，按下咖啡按钮 x14，中间继电器 m23 得电，咖啡指示灯 y4 闪烁。其程序梯形图如图 3-5 所示。 第 页 共 45 页 36 图 5-6 选择饮料的程序 5）供应系统的程序 当选择纯净水时，m20 得电，驱动继电器 y7 接通，输出纯净水， 送出纯净水之后 y7 断开停止供应。当选择营养快线时，m101 得电，驱 动继电器 y10 接通，输出营养快线， 7s 之后 y10 断开停止供应。当选 择营养快线时，m102 得电，驱动继电器 y11 接通，输出纯营养快线， 7s 之后 y11 断开停止供应。当选择咖啡时，m103 得电，驱动继电器 第 页 共 45 页 37 y12 接通，输出咖啡， 7s 之后 y12 断开停止供应。其程序梯形图及指 令表如图 3-6 和表 3-4 所示。 图 5-7 供应系统的程序 6）退币系统的程序 当饮料输出结束后，寄存器中数据进行减去所用钱币计算（纯净水 减 2 元，果汁减 3 元，营养快线减 5 元，咖啡减 6 元），按下退币按钮 x15，y5、y13 得电，退币指示灯 l5 亮，找一元继电器 y13 接通，驱 第 页 共 45 页 38 动找出一元硬币，5s 后退币完成，同时数据寄存器 d0 进行清零；在投 币不足并且五秒没人操作时自动退币；在投币后 60s 无人操作时，先报 警 5s 如果 10s 后还无人操作则再次报警并退币。其程序梯形图所示