毕业设计（论文）-基于组态王和PLC自动售货机系统设计.doc

青 岛 工 学 院毕 业 论 文（设 计）基于组态王和PLC的自动售货机系统设计学生姓名 学号 指导教师 学 院 专 业 年级 答辩日期 2015 年 6 月 6 日 青 岛 工 学 院 基于组态王和PLC的自动售货机系统设计 完成日期： 指导教师签字： 评阅教师签字： 答辩小组组长签字： 答辩小组成员签字： 摘 要 随着社会的发展，对饮料类商品需求也在逐渐增加，现今劳动力成本也在逐渐上升。自动售货机是一种根据客户需求方便快捷购买物品的机器，自动售货机主要有占地面积小，容易操作，方便购物等优势。自动售货机的应用，不仅可以充分节省人力资源，而且还促进了商业贸易发展，给人们的生活带来诸多便利。 实验室PLC实验箱上有现成的售货机模块，用PLC设计自动售货机控制系统，结合实验箱上的售货机模块，模拟自动售货机的功能。用组态王设计人机界面、监控系统，实现自动售货机内的库存信息及时地传送到电脑中，从而确保组态王对实验箱的售货机达到全面的监控。 关键词： PLC； 组态王； 自动售货机； 通讯AbstractNowadays,the labor costs and the demand for beverage products are gradually increasing with the development of the society.Vending machine is a kind of machine which can purchase goods conveniently based on customers requirement.Vending machine has some advantages of small footprint,easy operation and shopping conveniently so on.It can not only save the human resources,but also promote the development of commercial trade and bring conveniences to peoples life in the application of the vending machine.The laboratory PLC experimental box has the ready-made vending machine module, with the PLC design automatic vending machine control system, with the experiment box on the machine module, simulation vending machine function.Use Kingview to design the man-machine interface, the monitor system, vending machines in the inventory information in a timely manner transmitted to the computer, so as to ensure that the configuration of the experimental box vending machine to achieve a comprehensive monitoring. Keywords: PLC; Kingview; Vending machine; Communication目 录1 绪论11.1 本设计研究的背景、目的和意义11.2 本设计所做的主要工作12 系统总体的设计方案32.1 自动售货机的工作原理32.2 自动售货机的功能介绍42.3 系统的设计思路43 自动售货机模块构造53.1 自动售货机的顺序功能53.2 PLC和售货模块接线54 自动售货机软件的设计74.1 梯形图设计规则74.2 程序设计74.3 组态王人机界面、监控画面设计125 售货机和组态王通讯175.1 上位机调试175.2 下位机调试175.3 上位机下位机通讯176 结语与展望18参考文献19致 谢20附 录 A21附 录 B24II基于组态王和PLC的自动售货机系统设计1 绪论1.1 本设计研究的背景、目的和意义自动售货机是一种投入现金购买物品的机器。它是集声、光、电一体化的高新智能化产品。随着自动化技术的飞速发展，自动售货机在我国开始慢慢得到广泛的应用。在大型商场、繁华街道、公园以和其他热闹繁华的公共场所随处可见，自动售货机的使用，在一定程度上减少了人力物力消耗，也让消费者更加方便。 自动售货机会成为我国最有发展潜力的一种销售模式，也会是一个新的挑战内容。人们地生活水平在不断的提高，对大多数的商品需求也在不断地增加。根据这类需求，出现新的售货模式，相比现有的大型超市，购物中心等对劳动力需求比较多的售货模式要有优越。现今社会由于劳动力在不断的增加，还有现场控制比较局限和购物便捷等因素，自动售货机作为一种节省人力、又避免场地限制、购物便捷的一种机器，作为一种新的销售渠道很有优势。从国内巨大的销售市场可以看出，自动售货机有更大的发展空间。随着我国的经济飞速发展，自动售货机在我国的应用将会越来越普遍。从国内自动售货机市场的发展趋向来看，自动售货机从我国沿海的一些经济发达的地区向内陆和一线城市向二线城市三线城市发展，慢慢的从高级宾馆、地铁站、飞机场、火车站、汽车站等场所发展到各种人口密度比较大的公共场所，大有星火燎原之势，可以说是将来的自动售货机的发展空间非常大。随着社会不断发展，人们对时间的概念越来越重，消费者都希望能够用最少的时间最省事的方法买到自己所需要的物品。这样就可以看出自动售货机的优越了。自动售货机不仅不受时间地点的限制，而且节省人力、购物便捷，是一种全新的商业零售形式。在科技的不断发展中对自动售货机的要求也越来越高，自动售货机要不断的更新换代，让售货机达到更方便、更快捷的让消费者买到自己需要的物品。这样就更能突出在未来的市场上自动售货机的发展前景。在未来的消费市场上使用自动售货机购买商品将会逐步成为消费者购买物品的一种消费形式，自动售货机的这种快速购买商品的销售形势非常符合现今人们的生活需求。1.2 本设计所做的主要工作本设计是基于组态王和PLC的自动售货机系统设计进行研究。用PLC控制售货机模块，采取组态王为主要监控系统，使其可对自动售货机全面的监控，实现自动售货机内的库存信息及时地传送电脑中，从而实现组态王对售货模块的全面监控。研究的是一个PLC控制实验箱上的自动售货机，用组态王设计出人机画面，通过PLC和组态王进行通讯。达到实验箱上的售货机和组态王上的人机界面同步。这个系统主要要实现货物的单价设置、PLC数据计算和定时的功能。每完成一次购物操作所涉及到加法运算、减法运算等功能都用PLC梯形程序图完成。通过实验箱上的操作把数据传递给组态王监控系统。组态王的人机界面要求要要有实验箱上的所有的操作同步功能。本设计的自动售货机模块需要出售4种商品。纯净水单价定为1元，可乐、牛奶、酸奶的初始单价为0，根据市场的单价可以分别用三个按键设置。模拟投币，投币的面值为一元和五元，当投入的模拟金额不够买东西的单价时，设置一个LED灯亮，提示余额不足。当买完东西还有剩余金额时，有一个控制退币的按键，按下时退币，设置一个LED灯亮，提示退币。组态王的人机界面做到和试验箱上的售货机模块同步，设计隐藏管理员登陆，当管理员在画面的固定位置点击，出现管理员登陆入口。设计登陆管理员后才可看到的监控页面：监控售货机的历史货币交易额，可监控历史总营业额、投入一元张数、投入五元张数、投入总金额、退币总额，记录近一个月的数据，可进行打印；监控历史销售数据，可监控历史销售各种饮料的数量，记录近一周的数据，可进行打印；监控实时交易信息，可监控添加货物后的投币总额、退币总额、销售各种饮料的数量、销售总额，记录近十次的数据，可进行打印；监控售货机机身货物剩余，售货机库存不足时提示补充。设计管理员进入后才可操作的饮料单价设置。设计完进行调试，调试完毕进行通信，使组态王人机界面和实验箱上售货机同步进行操作。2 系统总体的设计方案2.1 自动售货机的工作原理图2-1 自动售货机模块图如图2-1为自动售货机模块图，本设计设计的自动售货机需要出售四种饮料，一种饮料对应一个按键和一个LED灯泡，用两个按键分别模拟顾客投入一元和五元现金，并用数码管显示出来。假设选择饮料的单价小于可消费金额时，按下饮料对应的按键，取物口上的LED灯泡亮，提示顾客取出货物。假设顾客投入的可消费金额不够购买饮料时按下了购物按键，余额显示的数码管旁会有一个LED灯亮，提醒顾客余额不足。当购买饮料结束后，有余额时，有一个按键控制退币系统，按下退币按钮就能退出余额。退币口有一个LED灯会闪烁5秒，提示顾客取出余额。本设计设计的自动售货机，用PLC控制售货模块的按键、LED灯和数码管。内部还有传感器、通讯模块等部件。分别实现售货机数据采集，和信息传递的功能。下面介绍自动售货机的工作原理1. 首先按模拟投币按钮，经过传感器采集信息数据。 把接收到的信息数据传送个通讯模块。 2. 通讯模块把接收到的数据传个控制系统，控制系统收到信息之后，启动售货模块的按键。显示那个饮料有货，那个饮料货量不足或售完。3. 顾客选取商品后，售货系统把饮料送出。4. 售货机界面显示余额，余额若大于饮料的单价，顾客还可继续买饮料。5. 买完饮料顾客按退币按键，监控将重新记录实时数据。2.2 自动售货机的功能介绍 1. 自动售货机出售四种饮料：纯净水单价设定为1元，可乐单价设定为2元，牛奶单价设定为3元，酸奶单价设定为4元。2. 自动售货机只可以模拟投入1元和5元币；投入现金总额小于顾客所需的商品价格，机器正常运行，并显示金额不足。3. 每按下退币按钮一次，退币口的提示灯闪烁5秒钟。4. 当顾客完成正常投币，选择商品后，取物口对应LED灯闪亮，提醒取物，即完成购买过程。5. 一次能购买一种商品中的一个，如果需要购买更多商品，需重复操作。2.3 系统的设计思路本自动售货机的设计，主要通过组态王人机界面和试验箱上的售货模块同步，实现指令的输入，用PLC作为核心控制器件，用RS485总线中的PPI协议，实现组态王对售货机的控制。这样就实现了自动售货机物品交易。本设计主要是PLC软件设计、组态王人机界面设计和组态王监控界面设计。PLC模块选西门子S7-200PLC，试验箱上的售货机模块为外部器件。PLC控制软件根据售货机的设计内容和控制要求精准的绘制出售货机的顺序功能图和梯形图。按照组态王人机界面的要求，设计出符合设计并可以和试验箱上同步的人机界面。设计出监控画面，连接到人机界面动态。实现自动售货机的模拟实验。3 自动售货机模块构造3.1 自动售货机的顺序功能开始 投币购买饮料是否有余额NY退币图3-1 自动售货机购物顺序功能图本设计的自动售货机的基本功能是对投入的现金进行加减，根据模拟投入现金面值进行加减，判断投入的总额能不能够买饮料的金额，做出相对应的操作。如图3-1自动售货机购物顺序功能图，售货机通电时处于初始状态，本设计售货机出售4种饮料，纯净水卖1元，可乐、牛奶、酸奶初始为0，经过对应的单价设置键设置可乐卖2元、牛奶卖3元、酸奶卖4元。设置完单价后，售货机处于正常工作状态。当购物者投入的现金超过购买饮料的单价时，买饮料的对应按键接通，按下相对应的饮料按键，出货口LED灯亮，提示购物成功。购买完成后，判断是否有余额。没有余额返回等待购物状态，有余额按下退币键，售货机余额清零，然后返回等待购物状态。3.2 PLC和售货模块接线现如今最常用的PLC种类有：西门子、欧姆龙、三菱、台达等。在这么多不同型号的PLC中，西门子S7-200型PLC具有实时性能高，运行速度快及通讯功能强大等特点。硬件上统一采用模块化设计，能够与很多种控制系统联系在一起来适应不同的控制规模、控制对象和控制功能，能够更容易、方便的组成各种系统。利用软件编程实现对售货模块电路的控制，实现不同的功能在PLC梯形程序中体现出来就能够实现。可以添加扩展模块，有设计需求。梯形图程序的编写语言也比较容易学习。能更好的实现设计的要求。所以本设计选择了西门子S7-200型PLC。本设计是利用西门子S7-200型PLC来对自动售货机进行设计。自动售货机中出售的四种饮料。设计过程中用到的输入、输出地址如表3-1所示。表3-1 PLC外部端口分配表功能PLC输入端口 功能 PLC输出地址 单价复位I0.0数码管显示1Q0.0 设置可乐单价I0.12Q0.1设置牛奶单价I0.24Q0.2设置酸奶单价I0.38Q0.31元按钮I0.4余额不足Q0.4退币按钮I0.5取物口Q0.55元按钮I0.6退币口Q0.6买纯水按钮I0.7买可乐按钮I1.0买牛奶按钮I1.1买酸奶按钮I1.2 PLC通过PPI-RS485通讯端口与组态王人机界面通讯，然后实现组态王和试验箱操作同步。Q0.0-Q0.3连接数码管口的1、2、4、8实现数码管显示功能，从而实现自动售货机余额显示功能。Q0.4连接余额不足的LED灯，Q0.5连接取物口提示的LED灯，Q0.6连接退币口的LED灯。PLC输入端口连接对应按键，进行相关购物操作。4 自动售货机软件的设计4.1 梯形图设计规则 本设计用西门子S7-200型PLC作为控制软件，为了能够快速的按照设计功能完成程序编写。了解梯形图程序的基本编写规则和基本的编写方法是很重要的。S7-200型PLC梯形图设计规则如下： 1.梯形图没有实际的电流流动，被假设的“能流”实际是控制系统的信号流，它只能单方向流动，不能产生反流。即梯形图必须符合从上至下、从左到右的执行原则，否则不能直接编程。 2.梯形图中的触点应画在水平线上，不能画在垂直线上。 3.梯形图每一“梯级”都是从左边母线开始，输出线圈或指令接在右边母线上，所有触点不能画在输出线圈的右边。输出线圈不能直接连接在左母线上，若必须的话，则可通过插入常闭触点将线圈连于左母线上。 4.同一编号的线圈在一个程序中只能出现一次，两个线圈不能串联使用，但是可以并联使用。 5.若几个并联回路串联，应将触点最多的回路放在梯形图的最左面；若几个串联回路并联，应将触点最多的回路放在梯形图的最上面，这样可以提高CPU的扫描速度。4.2 程序设计 根据设计要求完成设计的程序部分。图4-1 设置可乐单价程序图 图4-1用K2按键连接I0.1端口，连接增计数指令C0的CU端口设置可乐的出售单价。用K1按键连接I0.0端口，连接C0的R端口实现可乐单价复位功能。图4-2 设置牛奶单价程序图 图4-2用K3按键连接I0.2端口，连接增计数指令C1的CU端口实现牛奶的出售单价设置功能。用K1按键连接I0.0端口，连接C0的R端口实现牛奶单价复位功能。图4-3 设置酸奶单价程序图 图4-3用K4按键连接I0.3端口，连接增计数指令C2的CU端口实现酸奶的出售单价设置功能。用K1按键连接I0.0 端口，连接C0的R端口实现酸奶单价复位功能。图4-4 投币找零购物功能程序图 图4-4用一元投币按键连接I0.4端口，连接增减计数器指令C3的CU端口，实现一元投币功能。用购买纯水按键连接I0.7端口，连接增减计数器指令C3的CD端口，实现购买纯水功能。用退币按键连接IO.5端口，连接增减计数器指令C3的R端口，实现退币找零功能。图4-5 五元投币功能程序图 图4-5用五元投币按键连接 I0.6 端口，通过上升沿有效连接到加法计数指令ADD_I，实现五元投币功能。图4-6 购买可乐功能程序图 图4-6通过判断投入现金是否大于可乐单价C0，当投入现金大于可乐单价时，用购买可乐按键连接I1.0端口，通过上升沿有效到减法指令SUB_I，实现购买可乐后从投币总数C3中减去可乐单价C0。实现购买可乐功能。图4-7 购买牛奶功能程序图 图4-7通过判断投入现金是否大于牛奶单价C1，当投入现金大于牛奶单价时，用购买牛奶按键连接I1.1端口，通过上升沿有效到减法指令SUB_I，实现购买牛奶后从投币总数C3中减去牛奶单价C1。实现购买牛奶功能。图4-8 购买酸奶功能程序图 图4-8通过判断投入现金是否大于酸奶单价C2，当投入现金大于酸奶单价时，用购买酸奶按键连接I1.2端口，通过上升沿有效连接到减法指令SUB_I，实现购买酸奶后从投币总数C3中减去酸奶单价C2。实现购买酸奶功能。图4-9 整型转换功能图 图4-9中的网络9到网络12，利用整型转换为字节型指令，把C0、C1、C2、C3中的字从整型转换成字节型，并显示在数码管上。图4-10 余额不足显示功能程序图 图4-10通过判断投入总金额，当总金额C30时，余额不足的LED灯亮，提醒消费者余额不足。图4-11 出货图示功能程序图 图4-11中的网络14到网络15，实现了购买饮料有剩余，按下对应的够物按键，出货口的LED灯亮，提醒取货。图4-12 退币提示功能程序图 图4-12中的网络16到网络18，用退币按键连接I0.5端口，经过脉冲连接到定时器，实现退币后退币口的LED灯闪烁5秒功能，提醒取币。4.3 组态王人机界面、监控画面设计 本设计用的是组态王6.55版本，首先要考虑到设备连接问题，建立一个新的设备，根据PLC型号西门子（S7-200）的参数如表4-1所示。表4-1 西门子（S7-200）参数表生产厂家西门子设备名称S7-200系列逻辑名称CPU224连接的串口COM1通信方式PPI设备地址2尝试恢复间隔30s最长恢复时间24h使用动态优化是如图4-13建立设备选择S7-200系列选择PPI。点击下一步之后给新建立的设备取个名字，然后设备所连接的串口和西门子中的相同选择COM1，设备地址为2。最终完成如图4-14的设备创建。图4-13 创建设备页面图图4-14 完成设备创建图 分析售货机所需要的数据，在系统栏找到数据词典，建立好对应的数据词典。如图4-15所示。图4-15 建立数据词典页面图 在工程管理器中，根据提示新建一个工程，如图4-16所示。图4-16 建立工程文件 参考试验箱上的自动售货机模块，从工具箱中找到对应的工具，新建售货机的人机界面，布局画面。把对应的按键、指示灯和数据词典进行关联如图4-17。图4-17 售货机人机界面根据售货机需要监控的信息，新建一个监控画面，如图4-18所示。让监控画面能够及时的监控到售货机的实时、历史数据。当饮料、硬币机存量不足时，做到及时的提醒卖家尽快添加。让对应的数据关联数据词典。图4-18 监控画面图 根据按键控制的功能，编写相应的命令语言，达到控制要求，如图4-19所示。编写所有的控制命令语言，完成上位机的设置。图4-19 按键指令设置 最后编写主画面程序关联本页面的所有数据如图4-20所示。图4-20 主画面关联数据程序图5 售货机和组态王通讯5.1 上位机调试本设计在上位机的调试方面，首先检查一遍各个数据关联，命令语言编写的情况。然后切换到 View状态，模拟购物。根据模拟的情况，测试售货机上位机能够正常运行。监控信息能做到实时监控。再根据测试中发现的问题，及时修改，反复进行测试，最终使上位机能够实现本设计要求的功能。5.2 下位机调试本设计下位机PLC控制试验箱售货机模块，通过售货机模块的硬件按钮来实现购买物品。首先把PLC梯形控制程序下载到试验箱上，根据程序编写的输入/输出端口，连接到售货模块的各个硬件上。连接好线路之后进行模拟。进行多次的购物模拟，在模拟中发现存在的不足，及时修改，反复进行测试，最终能够使全部的如入按键能够按照设计的要求的功能，使售货机实现该按键的操作。输出端的各个显示能够按照设计要求的功能，使显示提示功能实现。5.3 上位机下位机通讯PPI-RS485PC/PPI+组态王RS232/PPICableRS232/RS485IsolatcdFor SERIES S7-200PLC试验箱图5-1 PPI-RS485通讯线连接PLC和组态王如图5-1用PPI-RS485通讯线连接PLC和电脑。PPI通信协议是组态软件与PLC的通信的重要桥梁。这个协议采用串行通讯，使用电脑中的串行通信口COM1和PLC的编程口(PPI)相连接。组态王的数据词典里新建的数据I/O端口上的地址与PLC上的I/O端口的地址一致，完成连接即可达到通讯。6 结语与展望本设计做的是基于组态王和PLC的自动售货机系统设计，设计做到中期的时候出现了无法通信问题，开始找同学讨论，在之前上课用的PLC课本上找相关通信内容，进行理论分析，通过和好几个同学的讨论分析，还是没有实现通信，最终去实验室连接好上下位机，上位机下位机的端口设置全部都是相对应的，就是不能通信。最终上百度查找，有很多人也遇到了相关问题，有人说是COM串口坏了，换台电脑就可以通信。还有人说PPI数据总线坏了或不配套，换一根新的配套的PPI数据总线。实验室换了几台电脑还是不能通信，最后只能换COM串口，把PLC的串口从以前默认的COM2串口调成COM1，组态王上建立的设备信息串口全部调成COM1的信息一致。串口更换之后测试了下按键和灯泡，发现可以通信。然后把组态王和PLC连接通信。本设计还存在一些不足，比如组态王人机界面布局不够美观、监控画面没有分模块等。本设计完成了单项通讯，在实验箱上售货机的单价设置、投币、购物、退币等操作，通过数据采集组态王人机界面可以显示。由于考虑到PLC只有I/O离散数据，没有实现操作组态王人机界面售货机，同步到PLC上。自动售货机是现代社会中的一种商务工具，在生活中应用愈加广泛，综合分析现代自动售货机的研究现状和研究重点，并辅助说明了自动售货机所处的市场现状和对社会的影响。根据日本、美国等 国家的经验，自动售货机将在全球范围内得到更大 的普及，其未来的发展趋势主要有如下 三点：1.自动售货机的机体内部结构已经相当完善，影响其普及的关键因素：在现有的各种通信网络平台上如何让自动售货机形成一种销售连锁网，为其降低成本。目前，无论是基于Internet还是基于移动通信网或其他网络平台提供更方便的营销方式和管理机制，其运作的机制都不太成熟，不过这并不影响自动售货机的发展潜力。 因此，自动售货机未来的发展趋势是将其纳入到一个更广阔、更便利的移动商务网络平台。2.社会将会更加需要能够合理利用能源的工业产品，因此自动售货机的发展也会向着这个方向发展所需要的主流产品。节能、环保型的自动售货机将是未来社会来最大的便利，这就要求不但要具备实现其本身固有的功能，更重要的是要求不会给社会和日常生活带来各种各样的负面影响。 3.自动售货机的发展目标是为社会和生活带来诸多便利。参考文献1李林鹏,房亚民,张金兰.可编程控制器应用技术M.北京:电子工业出版社,2012.2齐占庆,王振臣.电气控制技术M.北京:机械工业出版社,20023王永华.现场总线技术及应用教程M.北京:机械工业出版社,2007.4 穆亚辉.组态王软件实用技术M.郑州:黄河水利出版社,2012 5 史国生.电气控制与可编程控制器技术M.北京:化学工业出版社,2003 6 李道霖.电气控制与PLC原理及应用M.北京:电子工业出版社,20047 张万忠.可编程控制器应用技术M.北京:化学工业出版社,20018 王业民.工业组态软件使用技术M.北京:清华大学出版社,2005.9 http:/itcof.web.cern.ch/itcofe/Services/PLC/WhatIsPLC/welcome.html,2006.10 Ren Seng-le. Development of PLC-based Tension Control System. Chinese Journal of Aeronautics20 (2007) 266-271.致 谢 首先，我要特别感谢我的指导老师于春晓老师和帮我的舍友。做设计的过程是艰辛的，但是在我的努力之下还是完成了。在这个过程中于老师给了我很大的的帮助，没有他的尽心指导和严格的要求，我也不会顺利完成这次设计。每次遇到难题，我最先做的就是向舍友寻求帮助，讨论各自的看法，然后一起商量解决的办法。于老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。在此谨向于老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 其次，还要感谢这四年来教我知识的每位老师们，毕业论文能够顺利完成，你们也都有很大的功劳。 最后，要向这四年大学生活期间所有帮助过我的同学们以及各位朋友们说一声谢