自动售货机在GT环境下的仿真设计毕业论.doc

华南农业大学珠江学院毕业设计自动售货机在GT环境下的仿真设计姓名1指导教师：系： 信息工程系 年级专业： 11级电气工程及其自动化 提交日期： 年 月 日 答辩日期： 年 月 日 答辩委员会主席（签名）： 评阅人（签名）： 年 月 日摘 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，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；可编程序控制器；梯形图Abstract The digest this text has introduced the basic principle and workflow of the dispenser ， then take transaction course as an example ， divide the trade course into several procedure ones， then carry on programming to the procedure one separately. It has stated the role in dispenser of the controller of can programme ing that concrete. The procedure has involved most course that the dispenser worked. The dispenser utilizing PLC to control has improved systematic stability， it can be steady in a long-term to guarantee the dispenser and run. Keyword dispenser ; Can programme the controller ; Ladder-shaped picture Keywords: dispenser ;vending machine ; Ladder-shaped picture 设计说明自动售货机是能够根据投入的钱币自动付货的机器，它是商业自动化的常用设备，不受时间、地点的限制，能节省人力、方便交易。现代的自动售货机的种类、结构和功能依出售的商品而异。钱币装置是售货机的核心，其主要功能是确认投入钱币的真伪，分选钱币的种类，计算金额。如果投入的金额达到购买物品的数值即发出售货信号，并找出余钱。自动售货机自动输出顾客所要的商品。因此，自动售货机在商业，食品行业越来越普及，更方便消费者购买自己所需的商品。使用方便、可靠、节省人力的自动售货机将在社会生活中成为一种趋势。面对当前快速发展的商品社会，人们的时间观念越来越重，如何才能更快的购买到顾客自己所需的商品，这都是顾客和商家共同面临的问题。随着科技的发展及人们生活水平的提高，自动售货机市场的发展越来越呈现出多元化及个性化的需求。通过自动售货机进行自助购物正逐渐成为市民的一种新的消费时尚，快捷方便的购物方式满足了人们在当今科技高速发展的现代社会追求高品质生活的需要。自动售货机在城市商业区、写字楼大厅、风景区、车站、码头、繁华街道等公共场所的布设能够美化亮化城市环境，方便群众生活，已经成为城市各角落的一道亮丽风景线。自动售货机已在国内普及，并成为城市现代文明程度的一种象征性标志。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。PLC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。在工厂自动化（FA）系统中，PLC因为具备价格便宜、系统稳定及环境适应性强的特点，一直为自动化业界所采用。关键词：可编程控制器；自动售货机；自动化目录1 引言12 自动售货机介绍32.1自动售货机功能分析32.1.1 自动售货机的基本功能32.2 PLC的选型原则42.3 PLC的概述52.3.1 PLC的产生52.3.2 PLC的定义62.3.3 PLC的发展趋势62.3.4 PLC的特点62.3.5 PLC的主要功能82.4 PLC的基本结构及原理92.4.1 PLC的系统结构92.4.2 PLC各部分的作用102.5 本章小结113 PLC系统设计123.1 可编程序控制系统设计的基本原则123.1.1 控制系统设计原则123.1.2 控制系统设计的基本内容123.1.3 PLC控制系统设计的一般步骤及内容133.1.4 程序设计的步骤133.1.5 编写梯形图的注意事项143.2 本章小结144 自动售货机PLC程序设计154.1自动售货机的设计过程分析154.1.1试验状态假设154.1.2一次交易过程分析154.2 分步程序设计164.2.1 PLC程序设计164.2.2设计174.3 本章小结185 自动售货机触摸屏仿真设计195.1三菱触摸屏编程软件 GT Designer 3195.2自动售货机界面设计195.2.1界面设计195.2.2功能设计215.3本章小结226 基于GT环境下仿真模拟236.1仿真模拟准备236.2仿真模拟调试246.2.1测试功能246.2.2模拟过程246.3本章小结257 控制系统分析与特点267.1控制系统的性能分析267.2控制系统的设计特点29结束语30参考文献31致谢32附录33附录A 梯形图33附录B 数据一览表351 引 言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。自动售货机从广义来讲是投入硬币、纸币、信用卡等后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。据说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、美欧等发达国家和地区自动售货机迅猛的发展，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布放于车站、油站、码头、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，但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，以消费者与售货机“一对一”自动售货的无店铺销售业态。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1015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。因经济复苏缓慢，社会对扩大就业与工作场所提供茶点饮料的福利事业更为关注。自动售货机不仅保障了惬意的工休时间，也是最廉价、提高职工工作效率最有效的手段。特别是在24小时无休工作状态中的办公场所，使用独具魅力的迷你型饮料冲饮机，解决了不间断提供咖啡饮品服务的问题，这种服务加速了自动售货机与咖啡饮品服务的融合。1999年的全美自动售货机协会和全美咖啡服务协会的合并使人们更直观地看到了这种融合现象。 日本是自动售货机的天堂。除鸡蛋、米饭之外，报纸、杂志、一次性相机、干电池、磁带、刮胡刀、袜子、花及宠物食品等各种商品都通过自动售货机进行销售。连熟知自动售货机的美国游客在日本看到10台自动售货机排成一列的景象后，也是连声称奇。韩国大约有78万台自动售货机，是除了日本、美国、英国之外自动售货机使用数量最多的国家。从不同的种类来看，咖啡茶的自动售货机约占全部售货机的40%以上；另外，还有冰饮料自动售货机、听装饮料自动售货机、办公咖啡自动售货机和照片胶粘标签自动售货机、票类自动售货机、手机充电自动售货机、成人用品自动售货机、生活用品自动售货机、烟、方便面自动售货机等多种。主要的设置场所包括学校、楼房、公共机关、地铁等，公共汽车站、公园、体育场、展示场、工厂等。运营自动售货机产业的公司在全国大约有800余个，而销售自动售货机原料、商品流通、机械销售的公司大约达到了1150个。342 自动售货机介绍2.1自动售货机功能分析 这部分阐述了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，并介绍了自动售货机运行系统中所包括的人工操作步骤。2.1.1 自动售货机的基本功能在实际生活中，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。举一个简单的例子来说明，例如：售货机中有3种商品，其中01号商品价格为3元，02商品为2元，其余类推。现投入1个5元硬币，当投入的货币超过01商品的价格时，01商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，其他商品同比。当按下选择01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01商品的价格同时启动相应的电机，提取01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。自动售货机的工作流程图如图1所示。YN退币状态投入硬币购买状态投币状态初始状态按下选择按钮是否有剩余按下退币按钮图1 自动售货机工作流程图2.2 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。对第一个问题，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，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，如果它们之中既有交流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点数。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。对第二个问题，则有以下几个方面要考虑： 1规模要适合输入、输出点数以及软件对PLC功能及指令的要求是选择PLC机型规模大小的重要依据。首先要确保有足够的输入、输出点数，并留有一点的余地（要有10%的备用量）。如果只是为了实现单机自动化，或机电一体化产品，可选用小型PLC。如果控制系统较大，输入、输出点数较多，被控设备较分散，可以选用中型或大型PLC。还应确定程序存储器的容量。一般粗略的估计方法是：（输入+输出）（1012）=指令步数。特别要注意因控制较复杂，数据处理量较大，可能出现存储量不够的问题。2功能要相当，结构要合理对于以开关量进行控制的系统，一般的低档机就能满足要求。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，应选用带A/D、D/A转换，加减运算、数据传送功能的低档机。对于控制比较复杂，控制性能要求较高的系统，例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可视控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体式结构PLC。其他情况则选用模块式结构PLC。3输入、输出功能及负载能力的选择选择哪一种功能的输入、输出形式或模块，取决于控制系统中输入和输出信号的种类、参数要求和技术要求，选用具有相应功能的模块。为了提高抗干扰能力，输入、输出均应选用具有光电隔离的模块。对于输出形式，分为无触点和有触点两种形式。无触点输出大多使用大功率三级管（直流输出）或双向可控硅（交流输出）电路，其优点是可靠性高、响应速度快、寿命长，缺点是价格高、过载能力差。有触点输出是使用继电器触点输出，其优点是使用电压范围宽、导通压降损失小、价格便宜，缺点是寿命短、响应速度慢。此外，还应考虑输入、输出的负载能力，要注意承受的电压值和电流值。应该指出的是，输出电流和导通负载电流值是不同概念。输出电流值是指美意个输出点的驱动能力。导通负载电流值是指整个输出模块驱动负载是所允许的最大电流值，即整个输出模块的满负荷能力。4使用环境条件在选择PLC时，要考虑使用现场的环境条件是否符合他的规定。一般考虑的环境条件有：环境温度、相对湿度、电源允许波动范围和抗干扰等指标。2.3 PLC的概述2.3.1 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。由于它结构简单。容易掌握。价格便宜，在一定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.但是继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，难与实现较复杂的控制，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。为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出十项指标，核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。2.3.2 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做出如下定义：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，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记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或输出，控制各种类型的机械或生产过程。可遍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，易于扩展其功能的原则而设计。定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，它也是一种计算机，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、记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”。2.3.3 PLC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。2.3.4 PLC的特点（1）抗干扰能力强，可靠性好PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。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。具体措施主要有以下几个方面：1）隔离：这是抗干扰的主要措施之一。PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于PLC的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。 2）滤波：这是抗干扰的另一个主要措施。在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。3）对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。4）内部设置了连锁、环境检测与诊断、watchdog（“看门狗”）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证CPU可靠运行。5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。6）对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。7）采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。8）以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。（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是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，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。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。（4）功能完善PLC的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。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。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。（5）设计、施工、调试、的周期短用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，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。PLC的输入/输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。（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，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。 2.3.5 PLC的主要功能1.条件控制功能条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联极其他各种逻辑连接，进行开关控制。2.定时/记数控制功能定时/记数控制功能指用PLC提供的定时器、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。3.数据处理功能 数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。4.步进控制功能 步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。5.A/D与D/A 转换功能 A/D与D/A 转换功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。6.运动控制功能 运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。7.过程控制功能 过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。8.扩展功能扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制功能。9.远程I/O功能远程I/O功能是指通过I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。10.通信联网功能通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位机的链接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。11.监控功能监控功能是指PLC能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制I/O状态。2.4 PLC的基本结构及原理2.4.1 PLC的系统结构目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。如图2所示，PLC控制系统由输入量PLC输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。用户程序数据存储器系统程序中央处理器输入接口输出接口I/O扩展接口外部编程器外部设备接口图2 PLC硬件结构图2.4.2 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部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。(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。二大部分是用户存储器，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，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。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。 显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。2.5 本章小结 本章详细的讲解了PLC的具体情况，从而初步认定了，用PLC来控制自动售货机的自动运作的方案是可行的。从而根据自己的情况，我先认定用三菱牌子的PLC来进行下面的设计，一方面，自己只接触过三菱牌子的PLC；另一方面，学校实验室的PLC都是三菱牌子，方便检验。3 PLC系统设计3.1 可编程序控制系统设计的基本原则3.1.1 控制系统设计原则 设计任何一个PLC控制系统，如同设计任何一种电气控制系统一样，其目的都是通过控制被控对象（生产设备或生产过程）来实现工艺要求，提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则。(1) PLC控制系统被控对象最大限度地满足工艺要求。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，共同拟订电气控制方案，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，在配置PLC硬件设备时应适当留有一定裕量。3.1.2 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以下内容：（1）选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、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气元件，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对于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、容量的选择以及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）设计控制程序。包括控制系统流程图、梯形图、语句表（即程序清单）和控制系统流程图。控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。因此，设计的控制程序必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。（5）必要时还需设计控制台（6）编制控制系统的技术文件。包括说明书、电气图及电气元件明细表。传统的电气图，一般包括电气原理图、电器布置图及电气安装图。在PLC控制系统中，这一部分图统称为“硬件图”。它在传统电气图的基础上增加了PLC部分，因此在电气原理图中应增加PLC部分的I/O连接图。另外，在PLC控制系统中的电气图中还应包括程序图（梯形图），通常称它为“软件图”。向用户提供“软件图”，可便于用户在生产发展或工艺改进时修改程序，并有利于用户在维修时分析和排除故障。3.1.3 PLC控制系统设计的一般步骤及内容（1）根据生产的工艺过程分析控制要求，需要完成的动作（动作顺序、动作条件、必须的保护和联锁等）、操作方式（手动、自动；连续、单周期、单步等）。（2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备。据此确定PLC的I/O点数。（3）选择PLC机型及容量。（4）定义输入、输出点名称，分配PLC的I/O点，设计I/O连接图。（5）根据PLC所要完成的任务及应具备的功能，进行PLC程序设计，同时可进行控制台的设计和现场施工。3.1.4 程序设计的步骤（1）对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可以省这一步。（2）设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。（3）根据梯形图编制程序清单。（4）用编程器将程序输入到PLC的用户存储器中，并检查输入的程序是否正确。（5）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。（6）待控制台及现场施工完成后，就可以进行联机调试。若未满足要求，再从新修改程序或检查接线，直到满足为止。（7）编写技术文件。（8）交付使用。3.1.5 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，无需复杂的程序结构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。除步进程序外，任何线圈、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。程序的编写顺序应按自上而下、从左至右的方式编写。为了减少程序的执行步数，程序应为“左大右小，上大下小”。3.2 本章小结 本章介绍的是PLC系统设计的基本原则，是每个PLC设计者都应该遵循的，而且也是设计者设计PLC方案的一种依据。4 自动售货机PLC程序设计4.1自动售货机的设计过程分析4.1.1试验状态假设 在设计之前先得构思一下，要设计的自动售货机该有的系统的控制要求。构思如下；1.自动售货机只售3种商品。2.自动售货机可识别5元硬币，五元、十元纸币。3.自动售货机可退币5元。4.投币总额或现在值显示屏幕上。5.实验中售货机忽略了各种故障以及缺货等因素。6.当投入的硬币总值超过所购饮料的标价时，所有可购买饮料的指示灯均亮，作可购买提示。7.系统根据顾客投入的硬币，判断硬币是否足够，若足够则根据顾客的要求自动售货，投币不足则不出商品。8.购买饮料后，系统自动计算剩余币值，并根据剩余值提示可购买的饮料。 9.若投入的硬币总值超过所需的钱数，则找钱指示灯亮，当按退币控制按钮时，退出找回的钱。4.1.2一次交易过程分析为了方便分析，以一次交易过程为例。 先是进行对投币的记数，把投进的不同面值的货币进行统计并存放到PLC中。 价格与所投的货币比较，当所投币值超过商品价格时，相应价格选择按钮发生变化，提示可以购买。 在有操作显示的条件下，进行对商品选购的操作。 选购操作进行同时，同时PLC自动进行余额的处理，并对所选商品进行提取。 按下退币的按钮，PLC会把余额以5元硬币的形式进行退币处理，并同时把PLC里寄存的余额清零，返回到初始状态。到此为止，自动售货机的一个完整工作过程结束。4.2 分步程序设计4.2.1 PLC程序设计自动售货机系统主要包括：记币系统、比较系统、选择系统、提货系统和退币系统。 1.记币系统当有顾客购买时，每投入一次钱币都得经过感应器进行真假鉴辨后，再给PLC进行计币的指令。当发现伪币时，感应器不给PLC累计投币值的指令，同时自行退出伪币。而当PLC接收到感应器传来的记币的指令时，PLC自动把接收来的货币对应的数据累加到寄存器D0中。2.价格比较系统价格的比较要贯穿实验过程的始终，只要余额大于某种商品价格时，就需要输出一个信号，提示可以购买。投币完成后，系统会将D0内钱币数据和可以购买的饮料价格进行比较：当投币2元，则没有可购买的商品指示灯亮，表示所投钱币不能购买任何东西，此时可以继续投币或退币；只有投币在2元或以上时会见到纯净水选择的指示灯长亮，此时可以选择购买可乐或退币；同样，大于3元的就有可乐的选择显示，5元就出现咖啡的选择显示，此时都是可以选择购买或退币。3.选购商品系统当投入的币值可以购买某种商品时，即商品下相应的指示灯亮起，按下相应的“选择”按纽即可在出货框中出现该种商品，同时消费显示栏中显示出扣除已经消费掉的金额的余额币值，接着余额继续与价格相比较，判断是否能继续购买。 若余额还能符合上面比较过程的条件时，相应商品的指示灯还会亮的，不然灯不亮了。4.退币系统系统可在顾客购买完饮料后退回余币。按下退币按钮后，数据寄数器D0内的币数除以10，商的整数部分就是需要退回5元硬币的个数并储存在D1上，余数就自动的默认在D2上。4.2.2设计 1.自动售货机控制要求（1）该自动售货机可以投入5元硬币或5元、10元纸币，自动销售可乐、纯净水和咖啡。（2）当投入的硬币总值等于或超过2元时，纯净水按钮指示灯亮，当投入的硬币总值等于或超过3元时，可乐按钮和纯净水按钮同时亮，当投入的硬币总值等于或超过5元时，可乐按钮、纯净水按钮和咖啡按钮同时亮。如图4所示。找零按钮十元按钮一元按钮五元按钮纯水2元咖啡5元可乐3元（3）当可乐按钮灯亮时，按可乐按钮，则可乐会滚出到取货槽。（4）当纯净水按钮灯亮时，按纯净水按钮，则纯净水会滚出到取货槽。（5）当咖啡按钮灯亮时，按咖啡按钮，则咖啡会滚出到取货槽。（6）若投入的硬币总值超过所购商品的价格(可乐3元，纯净水2元，咖啡5元)，则找钱指示灯亮，同时进行找钱动作。 2.I/O地址定义表此控制系统可采用自动工作方式，输入信号为可乐、纯净水、咖啡、按钮、1元、5元、10元钱币投入识别口记数；输出信号为可乐、纯净水、咖啡排出电机、找钱电磁阀及相应指示灯等16个输入点，14输出点。I/O地址定义如表1所示。表1 自动售货机控制系统I/O地址定义表输入点地址功 能输出点地址功 能X0启动Y0可乐选择灯X1暂停Y1可乐出货X21元输入Y2纯净水选择灯X35元输入Y3纯净水出货X410元输入Y4咖啡选择灯X5可乐选择Y5咖啡出货X6纯净水选择Y61元退币X7咖啡选择Y75元退币X101元退币Y1010元退币X115元退币Y11出币选择灯X125元退币Y123. 本次自动售货机的梯形图见附录一：梯形图4.3 本章小结在本章详细的介绍了PLC的设计过程。有针对性的把自动售货机的主要运作步骤都分开一一分析，讲解。在设计过程中，不断积累资料，最后综合了几个方案才设计出这个程序。由于自动售货机的几个I/O点是不跟售货机的货数增加而增加，故设计一个出售三种商品的系统就可以适用于其他的系统设计了。5 自动售货机触摸屏仿真设计5.1三菱触摸屏编程软件 GT Designer 3三菱触摸屏编程软件GT Designer 3是用于三菱电机自动化GOT1000系列图形操作终端的画面设计软件，并且集成有GT Simulator3仿真软件，具有仿真模拟的功能。GT Designer3进行工程和画面创建、图形绘制、对象配置和设置、公共设置以及数据传输等的软件。GT Simulator3在PC机上模拟 GOT 运行的仿真软件。5.2自动售货机界面设计根据需求，图形界面需要有110元投币以及找零按钮，商品选择按钮，商品展示栏，余额显示栏。5.2.1界面设计1.新建工程，如图6示，绘图界面如图7所示。图6新建工程图7绘图界面2.通过右侧工具栏添加位开关，实现投币，选商品按钮的功能，如图8示。图8按钮的设计3.通过右侧工具栏添加位指示灯，实现购物指示灯功能如图9示。图9指示灯的设计4.通过右侧工具栏添加数值显示，并设置对应的软元件，实现余额显示功能如图10示。图10余额的实现5.最后添加文字说明，商品图片，并放在相应位置，如图11示。图11界面设计5.2.2功能设计根据各个按钮功能，添加之前梯形图设计好的对象ID(软元件)，实现投币按钮，找零按钮，商品选择按钮，余额显示灯，购物显示灯。以一元投币功能举例，双击位开关，设置软元件为X0011、样式、文本“一元按钮”，如图12示。图12按钮功能的设计设置完投币按钮，找零按钮，商品选择按钮，余额显示灯，购物显示灯后可得到数据一览表，见附录二。5.3本章小结在本章详细的介绍了仿真界面的设计和功能实现过程。新建好工程后，使用的都是gt designer3的一些基本功能，所以设计起来不会很困难，只要把需要的功能按钮添加到界面上，再设置好对应功能就行了。所以在设计过程中，并不需要所有的按钮都详细介绍一遍。最后界面虽然有些简陋，但把自动售货机的基本功能都设计出来了。6 基于GT环境下仿真模拟6.1仿真模拟准备1.打开设计好的PLC程序，触摸屏程序。2.GX works2程序工具栏上选择，调试模拟开始。3.在gt designer3程序的工具栏上选择，工具模拟器设置，然后选择通讯设置连接方法GT Simulator2。4.在gt designer3程序的工具栏上选择，工具模拟器启动。5.得到仿真模拟界面，如图14所示。图14仿真模拟界面6.2仿真模拟调试6.2.1测试功能仿真模拟界面出来后就可以直接测试了。需要测试的内容有：界面完整性。 投币计数功能。 余额计数/显示功能。 找零功能。 商品选择功能。 商品选购指示灯。6.2.2模拟过程1.投币以及余额模拟：投币1元，5元，10元，此时余额显示16元，并且可乐，纯净水，咖啡商品灯亮起。如图15所示。图15投币以及余额模拟2.选购以及余额计数模拟：选购咖啡一个，可乐两个，纯净水一个，此时余额显示3元，并且咖啡商品灯熄灭。如图16所示。图16选购以及余额计数模拟3.找零模拟：点击找零按钮，此时余额显示为0，商品灯全部熄灭，如图17示。图17找零模拟6.3本章小结在本章详细模拟了自动售货机基于GT环境下的仿真。第一次模拟的时候并没有成功，在上网查阅gt designer3软件的时候查明了问题所在，是模拟器的连接方式没有选择正确，导致触摸屏程序与PLC程序没有连接起来。程序设置好后就开始测试和模拟调试了，模拟器运行后，就要检查：界面完整性、投币计数功能、余额计数/显示功能、找零功能、商品选择功能、商品选购指示灯。7 控制系统分析与特点7.1控制系统的性能分析1运行调试（1）初始检查电源端子的错误联接，直流输入端和电源端子之间的短路，输出导线之间的短路都会严重地损坏PLC。因此，在接通电源之前，应检查电源，接地及输入/输出导线的联接情况；用万用表测试PLC的绝缘电阻；断开PLC的输入/输出导线和电源电缆，并通过各接线端和接地端中的公共点进行测试等。（2）程序写入及检查接通电源，将PLC置于停止状态，写入程序。读程序确认其写入的正确性，并通过外不设备的程序检查功能检查程序的电路和语法是否错误。即使PLC处于停止状态，仍可通过手持式简易编程器实行各输出的强制ON/OFF。（3）运行及调试接通电源运行PLC。即将小盖板下方的RUN/STOP开关设置在RUN时