plc自动售货机控制系统的设计论文.doc

I 摘要摘要 自动售货机是可完成无人自动售货的商业自动化设备 它不受任何场地限制 方便快 捷 可以每天24h售货 在我国也越来越普及 传统的自动售货机采用单片机作为控制核 心 但这样在输入输出接口上消耗很大 PLC不但可实现类似控制功能 还具有可靠性高 编程简单 功能强 能耗低 调试方便等优点 本款售货机是基于汽水和咖啡的自动售 货设计的 论文以三菱PLC设计自动售货机控制系统 简要介绍PLC各硬件选型 软件的设计 PLC梯形图的编写和系统的调试方法 关键词 关键词 自动售货机 PLC 调试 Abstract Vending machine is a self service device that can automatically sell goods to customers It is not restricted to specific sites which is convenient and sells 24 hours a day Vending machines also become increasingly popular in China The traditional vending machines use Single Chip Microcomputer as the core of control which costs greatly on its input output interface PLC not only fulfill a similar controlling function but also has other advantages such as high reliability easiness to program strong function low energy consumption convenience to debug and so on This vending machine is based on the design of self service selling for soft drinks and coffee On the basis of Mitsubishi PLC this paper gives a brief introduction to the various hardware selection software design the compilation of PLC Ladder Diagram and the debugging method of the system Key words Vending Machine PLC Debugging II 目目 录录 摘要摘要 I I 目录目录 IIII 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 第第 2 2 章章 自动售货机的工艺流程自动售货机的工艺流程 1 1 第第 3 3 章章 自动售货机的硬件选型自动售货机的硬件选型 3 3 3 1 红外线传感器 3 3 2 红外检测器 3 3 3 红外传感器 4 3 4 数码管显示 4 3 5 敲击防盗报警器 5 3 6 硬币识别原理 6 3 7 硬币的贮存和退币机构 7 第第 4 4 章章 自动售货机的软件设计自动售货机的软件设计 7 7 4 1 控制要求 7 4 2 方案设计 8 4 3 控制接线图 9 4 4 I O 口分配 10 4 5 控制流程图 10 4 6 程序设计 11 4 6 1 计币部分 12 4 6 2 比较部分 12 4 6 3 选择和饮料供应部分 13 4 6 4 余额计算部分 13 4 6 5 退币部分 13 4 6 6 报警部分 15 第第 5 5 章章 梯形图程序调试梯形图程序调试 1515 结束语结束语 1616 致谢致谢 1717 参考文献参考文献 1818 附录附录 1919 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 自动售货机是可完成无人自动售货 集光 机 电一体化的商业自动化设备 自动 售货机不受任何场地限制 方便快捷 可以每天 24h 售货 因此深受上班族的欢迎 很 多城市的公共场所里面都放置有自动售货机 出售的商品五花八门 从饮料 零食 香 烟 糖果 到牙刷 方便面 自动照相机 近年来 我国的自动售货机行业突飞猛进 在汽车总站 商厦 医院 小区 学校等地区纷纷涌现出自动售货机的踪迹 这种方便 快捷的购物方式越来越受到人们的青睐 同时也是现代化城市配套设施的需求 传统的 自动售货机控制系统采用单片机作为控制核心 这样不仅会在输入输出接口上做大量的 工作 而且系统的抗干扰性也比较差 但是 PLC 即可编程序控制器 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 它不但可实现类 似控制功能 还具有可靠性高 编程简单 维护方便等优点 已在工业控制领域得到广 泛地应用 因为自动售货机作为社会上完成商品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 可以看出 采用 PLC 对自动售货机控制系统进行控 制可以提高系统的稳定性和可靠性 这在现代化商业社会的今天尤为重要 本论文采用的 PLC 是 FX2n 48MR 型号 编程软件是 SWOPC FXGP WIN C 设计的是一 款简单实用的自动售货机 该自动售货机最基本的功能是对投入的硬币进行感应 并根 据所投入的硬币数值判断是否能够购买某种饮料 并做出相应的反映 因此 售货机应 能够辨识机内包含的饮料 能够对所投入的币值进行累计 并提供所要购买的饮料 当 按下选择饮料的按钮时 相应的电磁阀起动 饮料开始供应 提取饮料到出货口 顾客 取出饮料 完成此次交易 它具有投币感应系统 比较系统 选择和饮料供应系统 退 币系统 报警系统等来实现完整的售货功能 第第 2 2 章章 自动售货机的工艺流程自动售货机的工艺流程 本文设计的是售汽水和咖啡这两种饮料的自动饮料机 它的售货过程是 首先由顾客 按下商品选择开关时 然后顾客投入的硬币 投入硬币的面值和剩余值由 PLC 驱动数码管 显示 经过光传感器感应 再由光传感器驱动硬币识别传感器识别硬币 由于能力有限 在识别硬币上不做具体研究 如果是无效币则使继电器打开阀门 将硬币退出 如果是 2 真币则系统将硬币自动传送到相应的硬币贮币腔 并经硬币识别传感器将信号送给 PLC 最后经顾客选择 同时 PLC 控制 使 PLC 的输出口上有相应的信号输出 若贮币腔内无 硬币 红外检测器感应 饮料的量位小于设定值 红外传感器感应 售货机遭损 系 统就报警 7 大体运行如图 2 1 商品选择开关 硬币感应器 PLC 各种指示灯 退币电动机 出货电磁阀 液位感应器 报警 图 2 1 自动售货机控制系统硬件组成示意图 图 2 2 是自动售货机简单示意图 在该机中有两种已经配制好的饮料储液桶 未画 出来 一种为汽水 另一种为咖啡 汽水出口和咖啡出口分别代表由两个电磁阀控制放 入杯中的饮料品种的饮料出口 退币按钮 汽水按钮 咖啡按钮 退币口 投币口 退币指示灯 汽水指示灯 咖啡指示灯投币不足指示灯 汽水出口 咖啡出口 图 2 2 自动售货机简单示意图 3 第第 3 3 章章 自动售货机的硬件自动售货机的硬件选型选型 3 13 1 红外线传感器红外线传感器 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 3 1 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 9 TLP947 不不不 不不不 R1 2k R3 240k R2 240k R4 62k IC1 VD7 R5 1 2k VD6 KA 2CW20 VD5 C2 220u 1 2 3 4 VD1 VD4 220V C1 0 47u R6 1M 2 3 4 1 7 5 8 16v 400V 图 3 1 红外线探测开关电路图 3 3 2 2 红外检测器红外检测器 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 4 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汽水 咖啡按钮或者退币按 钮 这时光线没有被硬币遮挡 有信号输出 产生无币报警 3 33 3 红外传感器红外传感器 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 10 红外传感器应用电路发光和受光方式如图 3 2 图 图 3 2 红外传感器应用电路图 3 43 4 数码管显示数码管显示 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 0 7 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 3 3 中使用一组输出 n 0 3 D1 中的数据依次送到 Y0 Y3 选通信号由 Y4 Y7 提供 1 LED 驱动电路 放大器 LED 光敏 晶体管 施密特 触发器 输出 5 图 3 3 带锁存的 7 段显示接线图 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 3 4 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 时输出高电平 图 3 4 正负逻辑图 7 段显示器的数据输入 由 Y0 Y3 和 Y10 Y13 提供 和选通信号 由 Y4 Y7 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 3 1 组数12 PLC 与数据 输入类型 相同不同相同不同 PLC 与选通 脉冲类型 相同不同相同不同相同不同相同不同 n01234567 表 3 1 参数 n 的确定 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 6 型相同 所以 n 0 3 53 5 敲击防盗报警器敲击防盗报警器 在本设计中 采用 BS 02 压电式传感器作为检测售货机遭破坏的一种传感器 它利用 压电元件对振动敏感的特性来感知售货机受破坏时产生的振动波 传感器把振动波转换 成电压输出 输出电压经放大 滤波 比较等处理后提供给 PLC 然后由 PLC 输出控制报 警系统 BS 02 压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图 3 5 所示 传感器的最小输出电压为 100mV 是大输出电压为 100V 内阻阻抗为 15 20K 工 作温度为 10 60 图 3 5BS 02 传感器外形及内部电路图 使用时传感器用胶贴在售货机上 通过电缆和 PLC 相连 然后再通过 PLC 与报警电路 相连 为了提高报警器的灵敏度 信号经放大后 需经带通滤波器进行滤波 要求它对 选定的频谱通带的衰耗要小 而带外衰耗要尽量大 由于售货机振动的波长在音频和超 声波的范围内 这就使滤波器成为电路中的关键 为了提高报警的可靠性 电路中设置有比较器 只有在传感器信号高于设定的阈值时 它才会输出报警信号 驱动 PLC 再由 PLC 驱动报警执行机构工作 报警器电路框图如图 3 6 所示 7 带通 滤 波PLC比较放大 执行 机 构 自动售货机 传感器 图3 6报警器电路框图 3 63 6 硬币识别原理硬币识别原理 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 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 我国目前发行的1元 5角和1角硬币的金属原材料是为造币而专门使用的特殊合金 因此在它通过投币入口进入由电感和电容组成的特定高频振荡线路所产生的磁场时 金 属材质和体积的差异对电感量的影响大小也出现微弱差异 电感量的变化引起振荡频率 的变化 再通过检测频率的变化 与设定值进行比较 确定某种硬币种类后 经窄带选 频电路将频率信号变成电压信号输出 完成对金属硬币的识别 3 73 7 硬币的贮存和退币机构硬币的贮存和退币机构 金属硬币识别器种类繁多 但贮币退币机构基本上分为两类 一类是平面式贮币 电 磁阀退币 另一类是圆筒式贮币 步进电机退币 8 在本设计中 采用的是圆筒式贮币 步进电机退币 当硬币投入后经过识别识出电信 号后 伪币和异物被排出 真币按面值由几组分布电磁阀分配到不同贮币腔内备用 当 收到退币找零电信号后 通过退币电机拉杆 将贮币腔内下部硬币依电信号程序退出 完成自动售货机的退币找零功能 第第 4 4 章章 自动售货机的软件设计自动售货机的软件设计 本次设计的重要部分是第 4 章的设计部分 即自动售货机梯形图的程序设计 根据控 制要求和工作流程图准确设计出它的梯形图 这样才能真正理解本次自动售货机控制系 统的控制原理 4 14 1 控制要求控制要求 1 自动售饮料机可投入 1 角 5 角 1 元的硬币 2 所售饮料标价 汽水 2 元 咖啡 3 元 3 投币总额或现在值显示在 7 段数码管上 4 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 如 当投入的硬币总值超过 2 元 汽水指示灯亮 当投入的硬币 总值超过 3 元时 汽水 咖啡指示灯均亮 5 当汽水指示灯亮时 按选择汽水按钮 则排出汽水 7s 后自动停止 在这段时 间内 汽水指示灯闪烁 6 当咖啡指示灯亮时 按选择咖啡按钮 则排出咖啡 7s 后自动停止 在这段时 间内 咖啡指示灯闪烁 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 投币不足则给出提示 8 购买饮料后 系统自动计算剩余币值 并根据剩余币值提示可购买的饮料 指示 灯亮 9 若投入的硬币总值超过所需的钱数 汽水 2 元 咖啡 3 元 则找钱指示灯亮 当按退币控制按钮时 退出找回的钱 10 在报警系统中 PLC 只起到开关连接的作用 4 24 2 方案设计方案设计 1 通过分析 取最有把握的思路 故采取一般梯形图进行程序设计 9 2 注意一点 程序运行开始阶段要有上电复位 让机子清零 3 本自动售货机可使用1角 5角 1元硬币 计币时用ADD指令进行累加从而得到一个 投币总额 比较币值时使用CMP指令来判断是否符合汽水排出或咖啡排出的条件 余额计算时用SUB指令从投币总额中扣除顾客所消费的币值总额 退币计算时用到 触点型比较指令 4 由于实验室PLC型号三菱FX2n 48MR对某些指令可能无法识别 所以需将所有用脉冲 执行型的功能指令都使用PLS指令进行转化 即通过PLS指令驱动辅助继电器M 实 现程序功能 5 PLC选用继电器输出型 6 要求实现顾客的循环购买 故需实现控制程序的跳转 7 退币结束时 使用ZRST指令进行购买完成的复位 以准备下一个顾客购买饮料 防 止出现错误 4 34 3 控制接线图控制接线图 本系统是一个小型集中控制系统 PLC 选型主要取决于控制系统输入 输出开关信号 的数量 用户程序的长短及相关的功能 根据控制要求 I O 点数在 48 个左右 选择性 能价格比较高的三菱 FX2n 48MR 其中其输入点为 24 点 输出点为 24 点 该 PLC 为继电 器输出型 了解各个控制对象的驱动要求 分析对象的控制要求 完成 PLC 硬件结构配置 本 设计中 退币按钮 各种饮料按钮和饮料出口 驱动电磁阀 等均为开关量 根据上述要求 因条件所限输出均用指示灯代替 由此绘制出 PLC 控制电路接线图 如图 4 1 所示 10 X16 X15 X12 X14 X11 X13 X10 不不不不不不不不不 不不不不不不不 不不不不不不不 1不不不不不不不不 5不不不不不不不不 COM 1不不不不不不不不 不不不不不不 1不不不不不不 5不不不不不不 1不不不不不不 不不不不 不不不不 1不不不不不 5不不不不不 1不不不不不X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 Y24 Y23 Y12 Y13 Y14 Y15 Y16 Y17 Y20 Y21 Y22 Y10 Y11 Y0 Y7 COM4 COM3 COM2 COM1 Port 220V 不不 不不不不不 不不不不不 Port 不不不不不 不不不不不 不不不不不不 不不不不不不 不不不不不不 不不不不不不不不 1不不不不不不不 5不不不不不不不 1不不不不不不不 不不不不不 不不不不不不不 图 4 1 控制接线图 4 4I O4 4I O 口分配口分配 列出 I O 口分配表 如表 4 1 输入信号输出信号 名称代号输入点编号名称代号输出点编号 1 角投币感应器ST1X0显示指示灯HL1Y0 Y7 5 角投币感应器ST2X1汽水指示灯HL2Y10 1 元投币感应器ST3X2咖啡指示灯HL3Y11 汽水按钮SB1X3汽水电磁阀YV1Y12 11 咖啡按钮SB2X4咖啡电磁阀YV2Y13 1 角退币感应器ST4X5无币报警控制YV3Y14 5 角退币感应器ST5X6没有汽水报警YV4Y15 1 元退币感应器ST6X7没有咖啡报警YV5Y16 退币控制按钮SB3X10售货机遭破坏 报警 YV6Y17 1 角剩余钱币感应器ST7X111 角传动电机 控制 YV7Y20 5 角剩余钱币感应器ST8X125 角传动电机 控制 YV8Y21 1 元剩余钱币感应器ST9X131 元传动电机 控制 YV9Y22 汽水液位感应器ST10X14退币指示灯HL4Y23 咖啡液位感应器ST11X15投币不足指示 灯 HL5Y24 售货机遭破坏感应器ST12X16 表4 1I O口分配表 4 54 5 控制流程图控制流程图 绘出自动售货机 PLC 控制流程图 表达出各控制对象的动作顺序 相互间的制约关 系 自动售货机 PLC 控制流程图 如图 4 2 所示 12 投币计数 比 较 币价 累加币价 选 择 饮 料 汽水选择 咖啡选择 减去咖啡用币 是否 退币 退币计数 钱币倒入退币箱 结束 饮料不足 报警 减去汽水用币 硬币不足 售货机遭破坏 钱币 不足 N Y 图 4 2 控制流程图 4 64 6 程序程序设计设计 由于本设计为毕业设计 因此要求上要有现实中的自动售货机的多种功能 根据自 动售货机控制系统的流程可以知道自动售货机的主要系统包括 计币部分 比较部分 选择和饮料供应部分 余额计算部分 退币部分 报警部分 13 4 6 14 6 1 计币计币部分部分 当有顾客购买饮料时 投入硬币时经过光传感器感应 然后由光传感器驱动硬币识别 器识别硬币 如果是假币则系统自动退出硬币 如果是真币则系统将硬币自动传送到相应 的硬币贮存腔 并经光传感器感应 然后在PLC内进行数据运算 否则认为是假币并退出 系统 梯形图如图4 3 图4 3计币部分 4 6 24 6 2 比较比较部分部分 投币完成后 系统会将D1内钱币数据和可以购买的饮料价格进行区间比较 若投币 2 元 则指示灯Y24亮 显示投币不足 此时可以继续投币或退币 若2元 投币 3元 则 汽水选择指示灯长亮 此时可以选择汽水或退币 若投币 3元 则汽水和咖啡指示灯长 亮 此时可以选择汽水 咖啡或退币 梯形图如图4 4 图4 4比较部分 14 4 6 34 6 3 选择选择和饮料供应部分和饮料供应部分 比较完成后 按下指示灯长亮的选择按钮 相应的电磁阀 Y12或Y13 起动 并且 相应的选择指示灯由长亮转为以1s为周期的闪烁直至饮料供应完毕后闪烁停止 当饮料 输出达到7s时 电磁阀关断 梯形图如图4 5 图4 5选择和饮料供应部分 4 6 44 6 4 余额计算部分余额计算部分 饮料输出的同时减去相应的购买币数 梯形图如图4 6 图4 6余额计算部分 4 6 54 6 5 退币退币部分部分 顾客可在购完饮料后 由退币指示灯Y23可知是否可以退币 指示灯亮 则可以退 币 当按下退币控制按钮后 数据寄数器D1内的币数除以10 商的整数部分是需要退回1 元的个数并储存在D2中 D3的数据除以5 商的整数部分是需要退回的5角钱的个数 并 储存在D4中 依次类推选择退币的同时起动3个退币电动机 3个感应器开始计数 当感 应器记币的个数等于数据寄存器退回的币数时 退币电动机停止运转 PLC编程梯形图如 图4 7 15 图4 7退币部分 16 4 6 64 6 6 报警报警部分部分 PLC在报警系统中 只起到开关连接的作用 具体梯形图如图4 8 图4 8报警部分 第第 5 5 章章 梯形图程序调试梯形图程序调试 由于实验室没有相应的实物控制模型 自动售货机 因此 在调试系统控制程序时 所有的输入信号均用开关信号和复位按钮来代替 所有的输出均用指示灯来表示 调试 时 首先按控制系统 PLC 接线图完成硬件接线 并仔细检查接线是否有误 特别要注意 接线时不能出现短路 断路及反接等情况 否则会造成硬件损坏及人身意外 开始程序调试 首先将 PLC 控制程序写入到 PLC 机器中 再选择监控状态 使 PLC 处于 RUN 状态 然后逐一按投币感应器 即硬币识别机构用复位按钮信号来表示硬币 的输入 观察有没有进行累加币值 或按选择按钮 观察输出指示灯是否按预计效果闪 灭 即显示饮料选择提示 饮料送出 送出时间和退币提示 并通过监控状态观察程序 的运行过程及输入输出信号 内部描述实际出现的问题及解决方案 对报警部分进行调 试 只需给相应的输入端口信号 然后相应的指示灯变亮即可 要对照设计控制要求 逐一检验设计功能是否能有效的实现 并对程序进行改进和完善 例如 调试过程中 发现重复线圈问题 需将程序进行合并 避免重复线圈等等 总而言之 对程序必须要反复调试 不断改进 以获得既完全实现功能 而又简单 严 谨性高的PLC控制程序 17 结束语结束语 毕业论文是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会 通过这次比较 完整的自动售货机控制系统设计 我摆脱了单纯的理论知识学习状态 和实际设计的 结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识 解决实际问题的能力 同时也提高我 查阅文献资料 设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平 而且通过对整体的掌控 对局部的取舍 以及对细节的斟酌处理 都使我的能力得到了锻炼 经验得到了丰富 并且意志品质力 抗压能力也都得到了不同程度的提升 这是我们都希望看到的也正 是我们进行毕业设计的目的所在 虽然毕业设计