毕业设计（论文）-基于PLC的自动售货机的设计.doc

本科毕业设计（论文） 题目 基于PLC的自动售货机的设计 学 院 电气与自动化工程学院 年 级 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 职 称 论文提交日期 基于PLC的自动售货机的设计摘 要随着现在城市的发展规模越来越大，在很多公共场所都放置了自动售货机，方便快捷的满足了人们的需求，为人们在对简单物品采购的时候提供了一种便利。传统的一些自动售货机大多采用的是单片机控制方式，抗干扰的能力相对较差，系统硬件设计比较复杂，系统的稳定性以及可靠性很难得到保证，维修和维护困难。本次设计一套基于PLC的自动售货机的控制系统，简单阐述了自动售货机的发展前景与背景，详细分析其主要功能和特点，提出了总的设计方案；此次设计基于WinCC和西门子S7-300PLC，主要是对自动售货机的硬件方面和软件方面进行仿真设计，采用了顺序控制的程序设计思路，设计了系统的控制程序，包括投币程序、购买程序和退币程序。 关键词：售货机 PLC 自动化 WinCCThe design of the vending machine based on PLCAbstract Now with the development of the city scale is more and more big, the vending machines were placed in many public places, convenient, satisfy peoples demand for people at the time of purchase of simple items provides a convenient.Some of the traditional vending machine is mostly USES a single-chip computer control mode, anti-interference ability is relatively poor, the system hardware design is more complex, it is hard to guarantee the stability and reliability of the system, repair and maintenance difficulties. The design of a vending machine based on PLC control system, simple expounds the development foreground and the background of the vending machine, detailed analysis of its main functions and characteristics, puts forward the total design scheme;This design based on WinCC and Siemens S7-300 PLC, mainly to the vending machine hardware and software aspects of simulation design, used the sequence control program design thinking, design the system control program, including the coin program, purchasing procedures and refund money. Key words:Vending machine; PLC;automation;WinCC目录前 言1第1章 自动售货机的介绍21.1自动售货机概述21.2自动售货机前景分析31.2自动售货机功能分析4第2章 总体设计方案52.1 系统整体设计方案52.2自动售货机的组态设计方案52.3系统硬件结构框图62.4总体方案设计7第3章 自动售货机硬件结构设计93.1 硬件选择93.1.1 电机的选择93.1.2货币处理装置93.1.3 送出机构93.1.4 按钮装置103.1.5 显示装置10第4章 自动售货机控制系统设计114.1 基于PLC的自动售货机控制系统114.1.1自动售货机硬件系统的组成部分及工作流程114.1.2自动售货过程的控制子系统简述114.1.3 基于PLC的自动售货机控制134.2 PLC控制系统设计编程要求及基本原则134.2.1 PLC控制系统设计编程要求134.2.2 PLC控制系统设计的基本原则144.3 自动售货机PLC控制方案设计154.4 PLC选型164.4.1 PLC的介绍164.4.2PLC概述174.4.3 I/O点估算194.4.4 PLC选型194.5程序设计194.5.1 I/O地址设计194.5.2 流程设计214.5.3 投币程序设计224.5.4购买程序设计23第五章 上位机部分软件设计295.1 WinCC软件简介295.2人机界面（HMI）设计305.2.1新建工程305.2.2自动售货机的界面设计315.3 与PLC建立通信315.4 变量的连接345.4.1 对按钮进行变量连接34第六章 系统调试与运行监控386.1系统调试38结论39参考文献40谢 辞41IV常熟理工学院毕业设计（论文） 前言根据自动售货机目前的发展情况来说，它出现的主要原因是因为产业结构由劳动密集型向技术密集型发生转变。由于消费环境、销售模式的转变以及大量消费和大量生产，使得新的流通渠道很有必要的出现；相对来说，由于购物中心，超市，百货公司等购买渠道的出现，伴随着往往是人工费的增加；而且，在场地上也会受到很大的限制，在一些环境里，比如说医院，学校之类购物的便利性很难得到体现，而无需人工售卖的自动售货机将会是一种应运而生的必要产物。从狭义的角度来说就是一种可以实现无人贩卖的一种自动化贩卖，从广义角度来说进行信用卡、投币等操作后可以贩卖商品的一种机器。按照供给条件来讲，自动售货机可以24小时不间断的无人售货的系统非常方便，适应消费模式和消费环境的变化，使得人力的不足得到充分补充，经营时所需要的面积小、资本少，人工费用增长的问题可以得到很好地解决，能够吸引人们好奇心从而促使他们购买的自身性能等各种优点。目前，自动售货机正在进一步实现合理化、信息化。例如，在通过电话线路将售货机的库存信息传输到营业点的计算机，以确保货物的补充，保证自动售货机，及时补充和发送商品，同时在某些时候还可远程控制售货机无偿贩卖，同时，为了防止全球气候变暖，在研究自动售货机时，在节能方面，将会投入更多，节能的自动售货机将成为业界的主流。与此同时，在夏季用电高峰的时候、 此节能型自动售货机可以在关闭冷却器的同时商品却还能保持足够的温度。跟传统的自动售货机相比较，这种节能型的自动售货机将会节省差不多10%的电力资源。进入21世纪后，自动售货机的发展方向将会是节约资源和能源，以及提供更多功能。由于经济缓慢复苏，社会更为关注的是对在工作场合提供饮料、零食的福利事业。自动售货机是提高职工工作效率最有效的手段，也是最廉价、最方便的手段，而且很好的保障了惬意的工休时间。尤其是在一些全天无休、不间断工作的一些办公场所之中，为了解决能够不间断的喝道咖啡饮品的问题，使用方便快捷的小型饮料冲饮机变得尤为重要，而在这种情况之下导致咖啡饮品与自动售货机的快速融合。更为直观的体现在于1999年的全美咖啡服务协会和全美自动售货机协会的合并。第1章 自动售货机的介绍1.1自动售货机概述自动售货机是一种商业自动化设备，用来完成自动购买。自动售货机没有任何空间的限制，可以方便快捷的销售一整天，深受大家的喜爱。自动售货机在很多城市的各个角落都有放置，销售的商品也多种多样，从点心、饮料、牙膏牙刷，到药品、香烟等等。多年以来，自动售货机行业在中国快速发展，汽车站，商业建筑，广场，工厂，街道，学校，医院都有出现售货机的痕迹。这也变得越来越受人欢迎与喜爱的一种快捷购买方式，这也是一个现代城市发展设施的要求。常见的自动售货机如图1-1所示。图1-1 自动售货机 自动贩卖机首次出现在上世纪中期年代的欧洲和美国，那个时候在美国，人们可以使用在自动售货机上买到1美分一块的口香糖。从上世纪中期在到现在，由于迅速发展和应用的计算机，第四次工业革命在以信息技术革命作为中心使零售行业发生了翻天覆地的变化，其中之一就是发达国家的商品流通领域中自动售货机的出现以及迅速发展。随着人们生活方式的改变，在快节奏的，效率高的变化，表现在时间上的价值尤为重要，消费者更加注重购买时候的方便，直接。随着越来越多的自动售货机，货物的包装已经成为一种定量和标准化，销售商品的多样化，体现出自动售货机更多亮点。于此同时，自动售货机在即时性消费需求方面是其它零售方式无可替代的。2002年4月5日在美国出版的幸福杂志讲到美国在2001年自动售货行业利润增长率在发展最快的行业之中居第四位，具体增长率为21.4%；从1996年到2001年这几年当中，自动售货行业的平均年利润增长率为78.4%，是增长最快的行业。由于拥有如此巨大的优势所以使得自动售货机广泛应用于全世界。1.2自动售货机前景分析自动售货机是一种能够自动自动付货的机器，根据所投入的钱币，可以购买相应的商品。在商业自动化的设备中自动售货机是其中一种常用设备，它能方便交易、节省人力，不受地点、时间的限制。它被称作是24小时不间断营业的微型超市，是一种全新的商业零售形式。可以分成三种：综合自动售货机、食品自动售货机、饮料自动售货机。未来的发展趋势是自动化，不论是服务业、零售业还是制造业。我们相信越来越多的设备将会取代现在的人工。在这种情况之下，自动售货机行业的前途是无限光明的。智研数据研究中心发布的2013-2018年中国自动售货机市场调研与发展前景预测报告共十二章。首先介绍了中国的自动售货机产业运行环境、全世界自动售货机产业运行状况等，接着再介绍了自动售货机产业在中国的市场竞争格局，然后分析了自动售货机产业在中国的运行状况。随后，报告还对重点企业的经营状况进行了分析，最后分析了自动售货机产业在中国的投资预测与发展前景。 如今，自动售货机产业在中国已经开始迈向了蓬勃的发展阶段。此外，很多小店铺由于各个大城市的改造而被迫消失，同时随着各种各样的支付方式的出现，例如，手机移动支付、IC卡等技术使得自动售货机为人们提供服务成为了一种很好的方式，由于这种自动售货平台模式的创新，导致了国内自动售货行业的迅猛发展。在当今社会中自动售货机是一种购买工具，从2004年开始，自动售货机产业在中国发生了巨大的变化，发展的越来越快，由于世博会和奥运会的成功举办，导致自动售货机在中国拥有了巨大的商机，自动售货机进入了发展期是在2008年以后，以自动售货为主的第三次零售业革命也即将在中国的零售行业掀起一股飓风。2009年中国自动售货机产品专项调研及未来五年投资分析预测报告是总结了历年来自动售货机在中国市场的变化规律，同时，深入的调查和研究了自动售货机产品中的企业群体，采取定量以及定性的科学研究方法编撰而成的。对自动售货机产品在我国目前的行业投资环境、产品进出口、生产经营、品牌竞争、产品市场、可持续发展以及市场环境等问题进行十分详细地分析和预测，并且在此基础上，为企业经营管理、制定发展战略和进行投资决策提供了可靠、权威的决策依据。报告数据主要采用商务部采集数据、国家统计数据、海关总署问卷调查数据等数据库。1.2自动售货机功能分析 在编写程序之前, 首先是对自动售货机拥有的各种功能进行全面了解以及确定对其操作后所产生的状态。自动售货机的基本功能是对金钱的总额进行计算，并确定是否有足够金钱的购买售货机当中的商品，并且能够发生某种变化使得人们知道该商品可以购买。例如：售货机中有6种商品，其中一号商品价格为1元，二号商品为2元，以此类推。如果把 一个 一 元的硬币投进去，然后一号商品的可以购买的指示灯将会点亮，显示可以购买，但是二号商品的指示灯却不会点亮，继续投入一个一元硬币，那么二号商品指示灯将会点亮，另外的商品同样也是如此。当按下一元商品的购买按钮，自动售货机会将总金额减去一元，同时将一号商品提取到出货口。在这个时候，自动售货机将会继续等待外部命令，如想要继续购买商品，只要按下可够奶商品的按钮，商品将继续提取出来，如果你不想购买商品了，可以按下退币的按钮，自动售货机将会退出剩余金额，同时总金额将会清零，到此，完成了这次的所有交易。自动售货机的工作流程图如图1.2所示。图1-2 自动售货机工作流程图第2章 总体设计方案2.1 系统整体设计方案此次课题的主要任务为对自动售货机系统的进行仿真设计，具体要求如下：1）具有基于WinCC的操作方便且美观的自动售货机系统人机界面；2）实现WinCC与PLC之间的通信；3）顾客能够向售货机投不同的货币；4）顾客能够购买不同的商品并且商品的价格不全是一样的；5) 购买商品后，系统自动计算剩余金额；6）购买时间是有限的7）能够显示总金额的数值和售出商品总价格的数值；8）能够进行退币处理；根据设计任务要求，确定如图2-1所示的总体框图。图2-1系统总体框图自动售货机的控制系统由四部分组成，采用PLC作为控制器，上位机组态王界面可作为远程监控，按钮模块作为操作面板，使用信号灯、数码管作为输出显示。最终经过调试后能达到上位机控制下位机的目的。2.2自动售货机的组态设计方案根据任务书要求，绘出自动售货机结构示意图如图2-2所示，其中，11元矿泉水；22.元罐装汽水；32.5元汽水；43元果汁；54元罐装咖啡；65元咖啡。图2-2结构示意图2.3系统硬件结构框图根据课题的具体要求，合理的制定方案：第一步，应该做的是确定下位机与上位机的具体分工任务，下位机的主要工作是完成PLC程序的编写，而上位机的主要工作是制作完成完成仿真界面；第二步，查找与收集下位机和上位机所需要的资料。比如可以观看现实当中售货机的外观，然后再进行仿真界面的设计，在必要的时候，设计自动售货机的外形可以借助一些宣传图片来来完成；在进行PLC程序的编写之前，首先要做的是分配好PLC的I/O点，同时，确定上、下位机的接口；最后，再对上位机和下位机进行设计工作；第三步，实现上位机和下位机之间的通信，然后通过上位机来控制下位机，进过调试之后完成整个设计工作。此外，上、下位机之间紧密相连的的，它们无论在仿真中控制的对象，还是在通信中使用的变量都应该是一致的。总的来说，上位机上的仿真界面是利用下位机的PLC来控制从而实现自动售货机的仿真，在仿真过程当中，自动售货机根据PLC的指令来实现相应的动作；在另外一个方面，仿真界面中的仿真自动售货机的运行，都是由组态界面所提供的命令语言来完成的。这是整个仿真系统内部各大部件之间的内在关系。本设计主要是对自动售货机中的下位机，也就是主要是对PLC在其中的程序进行设计。由此绘出系统组成框图如2-3所示。图2-3系统结构框图PLC控制系统： 首先进行投币，所投货币是否能够购买消费者所指定的商品，确认后按要求售出商品。数值计算机构：主要是计算系统中金额的变化以及统计消费总金额。补料机构：整个货柜由两层货架组成，一旦消费者选择购买某件商品，并且该商品排出以后，商品数量就会减少，可以通过补料机构增加商品的数量。显示机构：显示商品的数量、投入的金额、剩余的金额以及消费总金额。2.4总体方案设计在整个设计当中，由于货物种类比较少，并且，由于仿真条件有限，因此该设计出的自动售货机的功能没有现实中的那么强大。其中，主要的自动控制系统有：饮料供应系统、比较系统、计币系统、选择系统和退币系统。(1) 计币系统：当消费者想要购买商品之前，由于使用整数寄存器，所以会将所投5角、1元、5元或10元在数值上乘10，然后加在总金额寄存器当中。(2) 比较系统：投币完成之后，系统会将总金额寄存器中的数值和所有饮料的价格相比较，当所投如的总金额超过某种商品之后，那么该商品的可购买指示灯亮；(3) 选择系统：在进行比较之后，如果选择指示灯亮的某件商品，该商品的指示灯就会有闪烁现象产生。当该商品出货结束之后，那闪烁也随之停止。在这个时候，购买条件满足的情况可以继续购买饮料，实现循环购买。在不满足购买情况下，按购买按钮则会出现报警。(4) 饮料供应系统：可以按下数量按钮，就可增加饮料的数量，同时，购买了某种饮料之后，会有两秒钟的出货时间。(5) 退币系统：不管消费者有没有购买商品，只要选择退币就可以退还剩余的金钱。第3章 自动售货机硬件结构设计3.1 硬件选择3.1.1 电机的选择自动售货机实际上是用电动机把商品推出来的。由于所有电机的负载都是电感性，当它们停止转动的时候就会产生反向电流，所以为了把控制和驱动信号隔离开来就需要用PC847光电隔离器，接着使用L293D步进驱动电机，电机驱动需24 V电压，控制信号经过L293D后变为24 V左右的电源信号才可驱动电机。电机有三根线：反馈信号(电机转一圈送出一个低电平)、地线和电源。在机械制作中推出一瓶饮料刚好只要电机转一圈，同时，由于一个反馈信号会在电机转动一圈后产生，而这个信号就会控制电机停止，除了这种情况当红外检测到有货物落下的时候，电机也会停止转动。3.1.2货币处理装置货币处理装置包括：检测有无货币退还操作的退还操作检测装置；检测货币投入状态的投入状态检测装置；连接装置向投入外部装置输出的状态输出装置；在投入状态及投入货币退还操作的有无达到规定的基准状态时，将说得到的基准状态信号利用所外部。“货币识别机”当中的感应线圈，通过对大小尺寸、货币的材料等方面进行识别真伪。不同的材质具有不同的磁场变化，可以通过电子技术进行分析、探查和识别，更高级的检测还可以运用频谱分析。 货币识别器品种繁多,但退币贮币机构主要分为两类：一类是步进电机退币，圆筒式贮币；另一类是电磁阀退币，平面式贮币。3.1.3 送出机构现在，自动售货机上的送出机构多种多样，简单介绍一些典型的送出机构。（1）弹簧推动式送出机构这种机构是由连在弹簧一端的电机构成和螺旋式弹簧的，同时，弹簧转动一圈电机转动也只要转动一圈就可以，同时推出一瓶饮料。（2）旋转式送出机构这种送出机构先把饮料放在螺旋导轨上，并在货道底部开设出口槽，由电机带动螺旋导轨转动，当饮料转到开口槽时便出槽下货。虽然它要求电机的转矩较大，造价成本较高，但是这种送出机构应用却最为广泛。（3）滚筒送出机构该送出机构由一个滚筒和阶梯梁构成，可以先装若干瓶饮料在滚筒内中，滚筒通过步进电机来转动，商品掉落的顺序则是由梁的各阶梯段与滚筒之间不同的开口距离来控制。 3.1.4 按钮装置按钮装置在自动售货机中，具体的表现在于用有基板和操作按钮，基板设置在操作按钮侧的相反侧，操作按钮设置在面板上，具有检测机构和显示部分，操作按钮与显示部分显示对应的信息，显示部分设在基板上的与操作按钮不相向的位置，检测机构用于检测操作按钮的操作。3.1.5 显示装置现在，在显示器当中普遍使用的是液晶显示器(LCD)，具有易于携带、辐射低、重量轻、体积小、省电等优点,广泛应用于各种电子产品。阴极射线管显示器（CRT）与LCD的原理大不相同，LCD是基于液晶电光效应，其中包括矩阵显示方式的大屏幕液晶投影，电视液晶屏段显示方式的字符段显示器件，矩阵显示方式的图像、字符、图形显示器件等。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过；通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过。第4章 自动售货机控制系统设计4.1 基于PLC的自动售货机控制系统4.1.1自动售货机硬件系统的组成部分及工作流程（1）组成部分图4-1 自动售货机硬件系统组成部分如图4-1，人机模块包含了显示和键盘，在有些机器上会装有显示屏，可以在上面放置广告，也是一种增加收入的手段；销售模块一般都是电机驱动特定的机构用来实现并且完成一个整体的销售动作；温控模块包含了加热制冷控制和温度采集；就目前来说，只有一些高端的机器拥有通讯模块，GPRS是采用最多的一种模块，可以完成广告管理、销售统计、原料补给以及提供部分会员服务。（2）工作流程首先，在打开机器后要自动检查各个部件是否能够正常工作，如果不正常，为了运营人员能够尽快修复，需要及时的显示出错误信息；如果检查通过后，那么就要检查商品的库存信息，假如货物短缺，则应停止该类商品的销售；接下来就是等待，等待人们投钱购买商品，一旦有人选择了商品，如果金额足够就立刻开始执行销售模块，送出产品，如果选择退币则马上找零钱。以上是最基本的一些功能说明，在实际的设计过程中，需要考虑的因素有很多，要确保机器工作的稳定性和可靠性。4.1.2自动售货过程的控制子系统简述控制子系统由以下四个部分组成:（1）累计、可售指示和退币系统控制系统的核心CPU会巡回检查购货信号、无货检测、退币信号、识币信号。一旦发现有识币信号，那么就会金额累计存储器就会累计金额数值，并且通过串行扩展口显示出来，同时会比较预设价格存储器中的数值与金额累计存储器中的数值，如果预设价格数值等于或小于金额累计数值，那么通过串行接口点亮可售商品指示灯，提示可以购买。与此同时，如果按下购买按钮，购货信号被CPU检测到之后，如果预设价格与金额累计存储器中数值相等，就会通过并行扩展接口驱动电磁阀或微电机驱动出商品，并且金额累计存储器中的数值将会清零，完成了一次购买过程；如预设价格小于累计金额时，驱动出商品之后，会进行数额相减由信号驱动退币，实现了售货和退币功能。（2）售货价格系统在自动售货机中出售商品有很多种，在它们出售之前就会设定好价格，然后要预先存储到控制系统中。用按键和存储器来设置售货机中商品的价格，被设价商品的种类及价格是通过按键来选择，并且将价格的数值存入存储器，而且该存储器自身拥有断电保护功能。另外，在某些简易型的自动售货机当中，因为出售的商品比较单一，价格产生的变化小，而且使用货币种类少，所以设置价格也可以使用硬件来实现，操作方便、结构简单。（3）检测系统在自动售货机中接触行程开关装在商品贮存道的下方，如果贮存道中还装有商品的情况下，行程开关就会被压下，售货机的工作就会正常运行；但是当贮存道中没有商品时，就会释放行程开关，然后发出无货信号给CPU，经过检测后，就会通过串行扩展接口发出信号给相应的售完指示灯，机身外部 的“售完”指示灯就会点亮，并且无法购买该商品 ，即使该商品的预设价格数值等于或小于投币累计金额，购买按钮不会有启动信号，也不会清零金额累计存储器的数值。（4）累计及自测功能系统每次出售商品后，自动售货机的CPU会累计售出数据到售出累计存储器中去，如果想要知道累计结果，则可以通过售货机内部的按键然后在金额显示窗中读到。另外，自测的功能键被按下之后，就会出现自测功能信号，然后由外部按键进行操作，可以检测各个商品贮存道的驱动商品功能。4.1.3 基于PLC的自动售货机控制决定由PLC来完成某一个控制任务之后，最重要的事情就是选择PLC了。一方面要选择什么公司的PLC， ,另一方面是选择容量有多大的PLC。对于第一个问题，则有以下几个方面要考虑：（1） 功能方面 常规的一些功能一般所有PLC都有，不过对于一些特殊的要求，就要看看准备使用的PLC能否完成这些控制要求。如对PLC的用户程序容量、计算速度等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求；或对PLC与智能仪表、PLC与PLC以及和上位机之间的通信要求要灵活方便等。为了做出正确的选择，就要求使用者详细的了解市场上流行的PLC品种。（2） 价格方面 公司与公司之间的PLC产品价格有很大的差别，有些质量相当、I/O点数相当、功能类似的PLC能相差40%以上的价格。如果将要大量使用PLC的时候，具体的价格也是需要关注和考虑的因素。对于第二个问题，首先要详细的分析控制任务，找出所有的I/O点来，其中包括模拟量I/O和开关量I/O以及是否使用继电器还是可控硅型或是晶体管来作为输出。其中的关键是控制系统输出点的类型，在它们当中既有使用交流220V的电磁阀和接触器，而指示灯又是24V，那么最后选用的PLC的实际点数有可能小于输出点数。一般情况下，由于一个公共端是由输出点几个一组共用，所以这一组的输出只能有一种电源的等级和种类，一旦使用交流220V的负载，则只能使用其他的输出端输出直流24V的负载了，这种情况就会造成输出点浪费，从而导致成本增加，所以选择相同等级和种类的负载是很有必要的，例如改用交流220V的指示灯等。4.2 PLC控制系统设计编程要求及基本原则4.2.1 PLC控制系统设计编程要求所有的PLC都是为了实现被控制对象的工艺要求，以提高产品质量和生产效率。因此，在设计PLC 控制系统时，应遵循以下基本原则。（1）最大限度地满足被控对象的控制要求设计PLC控制系统的首要前提是最大限度地满足被控对象的控制要求，充分发挥PLC 的功能，这也是设计过程中最重要的一条原则。深入现场进行调查研究是设计人员在设计之前所必须要做的事情，收集国内和国外的相关资料，同时充分收集控制现场的资料，与此同时，还要注意现场操作人员、工程技术人员、工程管理人员等紧密配合，制定控制方案，同时解决设计中的疑难问题和重点问题。（2）保证PLC 控制系统安全可靠设计控制系统的重要原则是保证PLC 控制系统能够长期稳定、可靠、安全的运行。这就要求设计者要全面考虑软件编程、系统设计、元器件选择等方面，确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC 控制程序要在非正常情况下，能正常运行，当然，在正常情况下，也能正常运行。（3）力求简单、经济、使用及维修方便使用新的控制工程虽然能有效增加产品的数量和提高产品的质量，从而带来的社会效益和经济效益也会很大，但是投入一个新的工程，设备的维护和技术的培训也会使得运行资金的增长。所以在满足了控制要求的大前提之下，一方面要不停地降低工程的成本，另一方面也要不停地扩大工程的效益。这就要求设计者不宜盲目追求高指标和自动化，不仅要使控制系统经济、简单，而且要使控制系统的维护和使用方便，同时成本也要尽量降低。（4）适应发展的需要现在，因为技术的日新月异，将来也会不断地提高控制系统的要求，所以设计过程中要考虑到以后控制系统的完善和发展需要。这就要求在选择PLC、I/O 点数和内存容量、输入/输出模块时，要适当留有裕量，从而满足今后工艺的改进和生产的发展。4.2.2 PLC控制系统设计的基本原则（1）所编的程序要合乎所使用的PLC的有关的规定主要是对指令能够正确地使用和充分的理解。很多PLC指令都有相似的地方，但还是有细微的差别。如果想要使用其他不太熟练的型号进行程序设计的时候，再次之前一定要对该型号的PLC指令充分理解一遍，不然很容易发生错误。（2）要使所编的程序尽可能简洁程序简短可以简化调试、节省内存，同时也可以提高对输入的响应速度，节约执行指令的时间。如果想要编写出简短的指令，就应该注意编程细节和方法，用巧指令，用好指令，同时也要能够优化结构。想要实现某种功能，在最后能够达到的目的相同的时候，用功能单一的指令比用功能强的指令，程序步数可能会多不少。（3）要使所编的程序尽可能清晰这样有利于程序的调试、补充和修改，同时别人读懂和了解程序也会更加方便。如果想要程序清晰，就要讲究标准化和规模化，注重程序的层次。尤其是在编写复杂的程序时，更要注重程序的层次，并尽量使程序单元化，同时，根据以往编写的经验，可以整理出一部分拥有经典的程序。这样，别人也易了解，同时设计起来也简单。（4）要使所编的程序合乎PLC的性能指标及工作要求所编写程序一定要在所选定的PLC中能够放得下，即程序当中的指令条数一定要少于所选用的PLC内存的容量，程序中的输出、输入点数一定不能超出所选用PLC的I/O点数范围，PLC的扫描时间也是有限制，所选用PLC的程序运行监测时间一定要大于PLC的扫描时间。（5）所编程序能够循环运行PLC能够不间断、循环反复地运行同一个程序。它从初始化之后的状态开始运行，待完整的执行了程序一次，即控制对象完成了工作循环，则又从初始化状态重新开始运行。只有这样才能保证控制对象能够得到相同的控制。4.3 自动售货机PLC控制方案设计（1）本次自动售货机设计中可以使用5角货币，为了能够在计总金额数值的时候一直是整数，所以在程序设计的时候直接把原本的数值乘10，例如，把0.5元定义成数值5，而1元则是10，总钱数计算起来比较方便。（2）在找钱的时候，可找5角与1元，所以说总金额在找钱的时候，找5角是减少总金额中数值的5，找一元是减少总金额中数值的10。（3）按照任务书的要求商品出货是有时间限制的，故而使用接通延时定时器，如果能够购买，按下购买开关，定时器接通开始工作，2秒后，将会控制程序断开。（4）为了使该程序满足能够循环购买，在出货结束后，继续按购买开关，会重新执行一遍购买程序，同时，总金额也会相应的减少。（5）为了程序能够模拟实现商品数量，有一专门开关控制数量，按一下开关，数量加一，同时当购买某种商品的时候，出货时，商品数量会减一。（6）在运行程序的时候可以通过置位开关直接恢复至初始状态，同时，所有寄存器置位。4.4 PLC选型4.4.1 PLC的介绍可编程控制器早期又称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），其主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术的飞速发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，现在这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。PLC自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大5。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。 可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点： 1）可靠性高，抗干扰能力强； 2）适应性好；3）编程直观、简单；4）功能完善，接口功能强。PLC是一种专门为工业控制设计的计算机，它的硬件结构基本和微型计算机相同，其主要是通过CPU、存储器、输入输出接口、电源等部分组成。PLC结构框图如图4-2所示。图4-2 PLC结构框图4.4.2PLC概述一、 PLC的由来在PLC还没有出现的时候，在工业控制领域中占主导地位的是继电器控制。但是继电器控制系统却有很多明显的缺点：耗电多、寿命短、体积大、适应性差、运行速度慢、可靠性差，由于当时的生产限制，当工艺发生改变的时候，就必须重新设计，重新生产，严重造成资金和时间上的浪费。为了使这种情况发生改变，在1968年的时候，为了适应汽车型号不断的更新，美国通用汽车公司为了在竞争激烈的汽车工业中占具优势，为了取代继电器控制装置，提出了要研制一种新型的工业控制装置，同时制定了十项技术要求来公开招标， 1969年的时候，美国数字设备公司根据招标要求研制出了世界上第一台PLC（PDP14型），同时在通用汽车公司的自动装配线上试用，并且获得了成功，工业控制的新时期由此而开创。从此可编程控制器得到了迅猛的发展，特别是在工业发达国家发展很快。二、PLC的定义在1980年的时候，美国电气制造商协会把这种控制器正式命名为可编程序控制器（Programmable Controller），简称PC，并且作出了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字式电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制以对各种机械或生产过程进行控制。”在1982年11月，国际电工委员会（IEC）曾颁布了可编程序控制器标准的草案第一稿，1985年1月又发表了草案第二稿，1987年2月颁布了草案第三稿。该草案中对可编程序控制器的定义是：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备等都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充起功能的原则设计。”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、广泛的适应和应用能力。三、 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、并联及其他各种逻辑连接，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、计数器指令实现对某种操作的定时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器。（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计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、计数器等的设定值。4.4.3 I/O点估算本次是设计一个小型的控制系统，选择PLC的主要因素在于用户程序的长短，以及控制系统输入、输出开关信号的数量等相关的功能。初步根据控制要求估计，一共需要50个左右的I/O点数，包括24个输入点、输26个输出点。4.4.4 PLC选型 西门子的PLC在编程方面相对简单易懂，同时西门子S7系列的PLC 速度快、体积小，功能也十分强大可靠性更高。在S7系列当中，有中、高性能要求的PLC（如S7-400），有规模性能要求的PLC（如S7-300），也有微型PLC（如S7-200）。在本次设计当中选择S7-300完全可以满足要求。4.5程序设计4.5.1 I/O地址设计 根据本次设计，PLC的输入、输出量的分配地址为表4-3所示输入信号输出信号名称代号地址名称代号地址5角投币按钮SB1M0.41元矿泉水排出指示灯HL1Q0.01元投币按钮SB2M0.52元罐装汽水排出指示灯HL2Q0.45元投币按钮SB3M1.1.2.5元汽水排出指示灯HL3Q0.110元投币按钮SB4M0.63元果汁排出指示灯HL4Q0.21元矿泉水按钮SB5M0.04元罐装咖啡排出指示灯HL5Q0.52元罐装汽水按钮SB6M1.25元咖啡排出指示灯HL6Q0.32.5元汽水按钮SB7M0.11元矿泉水指示灯绿HL7Q3.03元果汁按钮SB8M0.22元罐装汽水指示灯绿HL8Q3.04元罐装咖啡按钮SB9M1.42.5元汽水指示灯绿HL9Q0.65元咖啡按钮SB10M0.33元果汁指示灯绿HL10Q3.21元矿泉水行程开关SB11M2.04元罐装咖啡指示灯绿HL11Q0.72元汽水行程开关SB12M1.35元咖啡指示灯绿HL12Q3.32.5元罐装汽水行程开关SB13M2.11元矿泉水指示灯红HL13Q3.43元果汁行程开关SB14M2.22元罐装汽水指示灯红HL14Q1.24元罐装咖啡行程开关SB15M1.52.5元汽水指示灯红HL15Q3.55元咖啡行程开关SB16M2.33元果汁指示灯红HL16Q3.61元矿泉水数量控制按钮SB17M3.04元罐装咖啡指示灯红HL17Q1.32元汽水数量控制按钮SB18M3.15元咖啡指示灯红HL18Q3.72.5元罐装汽水数量控制按钮SB19M3.21元矿泉水报警指示灯HL19Q2.03元果汁数量控制按钮SB20M3.32元罐装汽水报警指示灯HL20Q2.14元罐装咖啡数量控制按钮SB21M3.42.5元汽水报警指示灯HL21Q2.25元咖啡数量控制按钮SB22M3.53元果汁报警指示灯HL22Q2.3找零按钮SB23M1.04元罐装咖啡报警指示灯HL23Q2.4找0.5元按钮SB24M2.45元咖啡报警指示灯HL24Q2.5找1元按钮SB25M2.5复位按钮SB26M3.6表4-3 I/O信号地址分配表4.5.2 流程设计PLC控制的自动售货机的程序流程图如图4-4所示 图4-4 自动售货机程序流程图4.5.3 投币程序设计本次程序设定的投币功能是随时进行投币，累加金额。每进行一次投币，相应的金额就会增加。在图4-5中，主要是数据累加程序和数据传输程序。接通电源后，只要按下投币开关，程序就会执行一次，由于使用的是整数相加，所以按照之前的定义，相应的MW30就会增加相应货币乘10的数值。例如，如果按下5角开关，那么MW30就会加5.同样的1元、5元和10元也是相同的原理。图4-54.5.4购买程序设计如果想要购买矿泉水，首先要满足三个条件，第一所投货币的总金额要大于或等于矿泉水的价格也就是1元，而在程序当中MW30的数值就应该大于或等于10.第二矿泉水的数量不能为0 ，也就是MW20大于或等于1。第三就是行程开关没有被按下。只有同时满足这三个条件，才能够购买到矿泉水。按下购买矿泉水按钮的时候，矿泉水会排出，同时，排出的时间也是有限制的，总共会持续两秒，在这两秒钟之内，是不能再次购买矿泉水的，两秒之后就能够正常的购买，如此，只要满足之前的三个条件，就能不断购买。在每次购买之后，总金额会减去矿泉水的价格，也就是MW30的数值会减去10，同样，矿泉水数量会减1，也就是MW20的数值减去1。同时设计可以查看售出的所有商品的总金额，在每次购买之后能够自动增加MW90的数值，也就是售出的总金额，具体如图4-6所示。图4-64.5.5比较程序设计当余额大于或等于一元时，没按下一元矿泉水按钮，矿泉水绿灯常亮，出食品则绿灯闪烁，无矿泉水则绿灯不闪不亮。同时可以控制在购买的时候商品的绿色指示灯将会闪烁。同时也可以用形成开关直接控制是否能够购买矿泉水。一旦行程开关被按下，那么矿泉水的绿色指示灯将会熄灭，同时，红色指示灯将会亮起，具体如图4-7所示。图4-74.5.6 货物数量程序设计此次设计由于是在仿真下完成的，所以矿泉水的数量是可以直接通过开关增加矿泉水的数量，按一次开关，那么MW20将会加1，也就是说，矿泉水的数量是1，如果继续按开关，每按一次，MW20加1，具体如图4-8所示。图4-84.5.7报警程序设计此次设计了一个简单的报警程序，通过该程序，如果总金额比矿泉水小的时候，不足以购买矿泉水，那么当按下购买矿泉水的开关的时候则会出现报警，并且，该警报可以持续2秒钟。同样的，如果矿泉水的数量为0的时候，即使有足够的金额，但是，按下购买开关的时候，同样会报警，提示不能购买，具体如图4-9所示。图4-94.5.8 无操作退币的程序设计一旦投币之后，如果在10秒钟内没有进行任何的购买动作，那么在10s之后就会进入找零倒计时阶段，如果，在接下来的20秒之后，那么找零指示灯将会亮起，但是不会自动找零，起到的是一个提示功能。另外，每一次购物之后，如果总金额还有剩余的话，那么会直接进入找零倒计时，也就是说，购买商品之后，如果在20秒的时间没有购买商品的动作，即使继续投币也不会打断倒计时，具体如图4-10所示。图4-104.5.9 找零的程序设计当总金额大于0的时候，可以进入找零阶段，即使没有购买任何商品，也可以至今退币。退币有两种方式，其中一种就是通过退5角和1元来实现退，每按一次找5角开关，总金额就会减少5角，也