毕业设计自动售货机的PLC控制.doc

毕业设计（论文）作 者： 学 号： 40911235 系 部： 电气工程系 专 业： 自动化（电气的运行与控制） 题 目： 自动售货机的plc控制 指导者：评阅者： 目 录摘要4绪论61.1 自动售货机设计目的和意义61.2自动售货机的发展历史和前景71.3自动售货机的plc控制设计原理81.4 自动售货机设计的基本思路9第2章 plc的概述102.1 plc的定义102.2 plc的简介102.3 plc的工作原理102.4 plc的循环扫描工作112.5 plc的编程语言122.6 plc的特点122.7plc的硬件组成13第3章 自动售货机plc控制设计方案研究153.1工控机自动售货控制系统151）机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。152）机箱内有专用底板，底板上又ipc和isa插槽。153）机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。154）要求具有长时间工作能力。153.2 plc自动售货控制系统153.3 自动售货机设计的基本思路163.4 自动售货机设计的主要内容17第4章 自动售货机plc控制（系统）设计174.1 plc各i/o地址分配174.2什么是梯形图（lad）194.3投入货币累加显示电路194.4自动售货机设计的梯形图214.5 mcgs组态程序设计说明284.6调试结果、调试中出现的问题及解决方法29结论31致谢32参考文献33 摘要本文主要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，然后分别对程序块进行编程。具体的说明了可编程控制器在自动售货机中的作用。在接收到货币已输入的前提下，靠触摸或者控制按钮输入信号使控制器启动相关位置的机械装置完成规定动作，将货物输出。自动售货机是台机电一体化的自动化装置，再接收到货币已输入的前提下，靠触摸控制按钮输入信号使控制器启动相关位置的机械装置完成规定动作，将货物输出。当顾客按下需要买的商品所对应的按键时，数码管上显示出该商品的的价格，然后顾客需要将货币投入投币口，数码管上显示出所投币额。当按下确认键，则自动售货机将对投入的货币与商品的价格进行比较。如果投入的币额足够时，则自动送出商品，并且把多余的钱找回，在数码管上显示出来。如果两者币的相等，则直接送出商品。如果投入的币额不足时。则报警，报警时间3秒。当顾客一旦按下确认键3秒后，自动售货机将自动恢复到初始状态，此时顾客才可以进行下一次购货操作。本次设计用到了以前学过的plc编程设计，参考了电子电路的设计方法关键字：自动售货机 plc 编程 abstractthis paper describes the basic principle of automatic vending machines and work processes, and then a course of dealing, for example, the transaction process is divided into several blocks, and then program the block respectively. specific instructions of the programmable controllers role in the vending machines. receiving the money has been entered under the premise of control buttons or by touching the input signal to the controller starts the location of the mechanical devices related to complete the action, the goods output. vending machines are electromechanical integration, automation devices, stop receiving money under the premise has been entered, by touching the control button input signal to the controller starts the location of mechanical equipment related to complete the action, the goods output. when customers need to buy a product when it pressed the corresponding key, the led display on the price of the goods, then the customer will need to invest money slot, the digital display on the amount of the coin. when you press the enter key, then the vending machine will be put into the currency and commodity prices were compared. if the amount invested enough money, then automatically send goods, and the extra money back, in the digital tube display. if the two currencies are equal, then send goods directly. if the amount of money invested is less than the alarm time, alarm time, 3 seconds. when customers press the enter key once for 3 seconds, vending machines will automatically revert to the initial state, then the customer can purchase the next operation. this design uses a previously learned plc programming design, reference design of electronic circuits. keywords: vending machine plc programming 绪论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，又原来只能有限商品品种，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。目前自动售货机是集声、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。自动售货机的新奇、文明、高档、昼夜服务、占地小、灵活方便深受许多地区市民的青睐，甚至出现许多排队购买的现象。专辑测算，中国的自动售货机在市场容量最保守算应该有四十七万台，一年的销售额可达三百五十亿元若按人均台数计算全年可达五百亿，自动售货机在日本达到平均每二三十人一台，在美国达到每四十人一台，在欧洲每六十人一台，由于中国经济与上述国家还有一定差距，按每台五百人计算。因此，自动售货机在中国有着广阔的发展前景。本文选择plc作为控制器，来控制售货机子系统。1.1 自动售货机设计目的和意义面对当前快速商品社会，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1.2自动售货机的发展历史和前景据说世界上最早的自动售货机出现在公元前3世纪，那是埃及神殿里的投币式圣水出售机。17世纪，英国的小酒吧里设有了香烟的自动售货机。在自动售货机历史的长河中，日本开发出实用型的自动售货机，那是在进入本世纪后的事。日本第一台自动售货机是1904年问世的“邮票明信片自动出售机”，它是集邮票明信片的出售和邮筒投函为一体的机器。自动售货机的真正普及是在第二次世界大战以后。50年代，“喷水型果汁自动售货机”大受欢迎，果汁被注入在纸杯里出售。后来，由于美国的饮料大公司进入日本市场，1962年，出现了以自动售货机为主体的流通领域的革命。1967年，100日元单位以下的货币全部改为硬币，从而促进了自动售货机产业的发展。自动售货机是本世纪70年代在日本、欧美发展起来的高新技术现代应用产品，被称为24小时营业的微型超市，售货领域已扩展至小食品、小用品、香烟、电话卡、车票、邮票等。目前在40多个国家已经广泛使用，日本平均每23人一台，美国平均每40人一台，欧洲平均每60人一台。在邻国日本，70%份额的罐装饮料市场是通过自动售货机售出的；美国可口可乐公司拥有五十余万台饮料自动售货机分布在世界各地。通过自动售货机销售将成为商品零售业不可分割的重要组成部分。二)售货机的前景 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。1.3自动售货机的plc控制设计原理 自动售货机是台机电一体化的自动化装置，在接受到货币已输入的前提下，靠触摸控制按 扭输入信号使控制器启动相关位置的机械装置完成规定动作，将货物输出用户将货币投入投币口，货币识别器对所投货币进行识别； 控制器根据金额将商品可售卖信息通过选货按键指示灯提供给用户，由用户自主选择欲购买的商品； 按下用户选择商品所对应的按键，控制器接收到按键所传递过来的信息，驱动相应部件，售出用户选择的商品到达取物口； 如果还有足够的余额，则可继续购买。在15秒之内，自动售货机将自动找出零币或用户旋转退币旋钮，退出零币。 从退币口取出零币完成此次交易。自动售货机系统流程图：1.4 自动售货机设计的基本思路本次设计的题目是自动售货机，主要是应用西门子s7-200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的定义、plc的编程语言、plc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第三章的设计部分，即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第2章 plc的概述2.1 plc的定义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。2.2 plc的简介plc是以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。2.3 plc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）。但是plc也有它自己的特点，plc在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。2.4 plc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。（1） 输入刷新阶段在输入刷新阶段，cpu扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。（2） 程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。（3） 输出刷新阶段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。 plc的扫描全过程：2.5 plc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（stl）、顺序功能图（sfc）、功能块图（fbd）和结构文本（st）。2.6 plc的特点（1）抗干扰能力强，可靠性好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。（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程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。（4）功能完善在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。（5）设计、施工、调试的周期短plc采用模块化积木式结构，故仅需按性能、容量等选用组装，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。（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。2.7plc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：第 15 页 共 35 页第3章 自动售货机plc控制设计方案研究3.1工控机自动售货控制系统工控机即工业控制计算机，但现在更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑，英文简称ipc。工程机通俗的说就是专门为工业现场设计的计算机。而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁力干扰等特点，而一般工厂均是连续作业，一年中一般没有休息时间。因此，工控机与普通计算机相比有以下特点：1）机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。 2）机箱内有专用底板，底板上有ipc和isa插槽。 3）机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。 4）要求具有长时间工作能力。对于工控机作为自动售货机控制系统，由于自动售货控制系统的环境相对工业控制的环境要好的多，而且自动售货控制系统对连续工作的能力要求不是很高。用工控机设计自动售货机控制实属大材小用。而且工控机的价格较同层次的pc机偏高，这样就增加了系统的成本，降低了整体的性价比。3.2 plc自动售货控制系统自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（programmable logic controller，plc）取代传统继电器装置以来，plc得到了快速发展，在全世界各国得到了广泛应用。 plc是由模仿源继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的plc只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入plc的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。一个plc的控制器，可以接收几千个i/o点。对于自动售货机这样的系统，被控制对象是设备连锁、回路很少，采用plc较为合适。plc由于采用通用监控软件，在组态软件设计方面要容易一些。且plc通常都支持现场总线，会使得系统通信得到有利保障，更适合实现上位机的远程监控。目前使用于自动售货机控制的中小型plc种类繁多，价格低廉。使设计者会有更多的选择余地。系统整体造价会比工控机低，而且不会降低系统的稳定性。所以plc实现自动售货控制的设计是最佳设计，本文中采用，因为售货机的全部功能是在上位机上模拟的，所以控制起来很方便。3.3 自动售货机设计的基本思路自动售货机的基本功能就是对投入的钱币数进行计算，然后根据运算结果做出相应的判断，看看哪种商品可以进行购买，那种商品不能购买，本次设计的要求是可识别三种钱币，分别是1元、2元、5元，采用三个按钮进行模拟，自动售货机共出售四种货物，其价格分别定为1元、3元、4元、6元，当投币数大于等于货物价格时且售货机中有这种货物时，指示灯亮，表示可以进行购买，四种货物分别用四个小灯代替进行模拟。除此外，本次设计还涉及了显示、找零、送货等功能的实现，其中显示部分采用数码管进行显示，显示投币总数和购买后的余额；当按下找零按钮后，数码管显示进行清零，采用从高到低的形式进行清零。3.4 自动售货机设计的主要内容1.此自动售货机可以投入五角、一元的硬币；2.如果顾客投入硬币在限定的时间内（2分钟）不按任何按键，自动售货机将退还所投硬币；3.当投入硬币的总值等于或超过物品价值时，对应的物品指示灯亮绿灯；4.当物品对应的指示灯亮绿灯时，按下相应的按键，相应的物品排出，同时指示灯绿灯闪烁；5.如果顾客投入硬币总值超过所选物品的价值时，自动售货机会自动将余款退还顾客；6.当顾客成功购买完一件物品后20秒无操作，自动售货机会自动将余款退还顾客；7.如果顾客投入硬币后又不想买物品，按下退款按键，自动售货机会自动将余款退还顾客；8.找零时顾客可选择退一元的还是五角的；9.当物品不足时，对应的物品指示灯亮红灯，顾客按下相应的按键无反应（不出物品，不减余额），并向总部发送所缺物品。第4章 自动售货机plc控制（系统）设计4.1 plc各i/o地址分配 输入/输出单元通常也称i/o单元，是plc与工业生产之间的连接部件。plc通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为plc对被控制对象进行控制的依据；同时plc又通过输出接口将处理结果送给本控制对象，已实现控制目的。本次设计的主要i/o分配：表一 序号定义点符号功能1i0.0sb1找零按钮2i0.1sb2食品五角按钮3i0.2sb3食品一元按钮4i0.3sb4饮料一元按钮5i0.4sb5饮料二元按钮6i0.5sb6日用二元按钮7i0.6sb7日用三元按钮8i2.0sb8投五角硬币9i2.1sb9投一元硬币10i2.5sb10找零五角11i2.6sb11找零一元12i3.1sb12食品五角行程开关13i3.2sb13食品一元行程开关14i3.3sb14饮料一元行程开关15i3.4sb15饮料二元行程开关16i3.5sb16日用二元行程开关17i3.6sb17日用三元行程开关18q3.1食品五角红灯(物品售完)19q3.2食品一元红灯(物品售完)20q3.3饮料一元红灯(物品售完)21q3.4饮料二元红灯(物品售完)22q3.5日用二元红灯(物品售完)23q3.6日用三元红灯(物品售完)24q0.0找零25q0.1出食品五角26q0.2出食品一元27q0.3出饮料一元28q0.4出饮料二元29q0.5出日用二元30q0.6出日用三元31q2.1食品五角绿灯（可以购买）32q2.2食品一元绿灯（可以购买）33q2.3饮料一元绿灯（可以购买）34q2.4饮料二元绿灯（可以购买）35q2.5日用二元绿灯（可以购买）36q2.6日用三元绿灯（可以购买）4.2什么是梯形图（lad）梯形图是用的最多的程plc图形编程语言。梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。它与电器控制线路图相似，如图3-4所示。继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观、实用的特点。因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的plc的编程语言，是plc的第一编语言.图3-4 传统继电器控制线路图和plc梯形图 a传统继电器控制线路图 b plc梯形图 在梯形图中，有两根竖直的直线，被称为母线，现在很多plc只保留了左边的母线，而把右边的母线略去不写。在梯形图中引入了“能流”的概念。左边的母线就如电源的“正极”，而右边的母线就如电源的“负极”。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。如果没有能流，则线圈未被激励，“能流”在任何时刻都不会通过接点自右向左流4.3投入货币累加显示电路该电路与商品价格显示电路大致相同，投入钱币的种类分别用四个开关来表示，仍然通过bcd码编码器，七段码译码器，七段码显示器来显示出来。但有一点不同。由于投入的钱币应该累加起来计算器总和，因此应该第一次投入的钱币转化的bcd码储存在寄存器中，让其反馈到加法器的输入端，让其与第二次投入的钱币相加输出。反馈相加电路图：4.4自动售货机设计的梯形图本此设计自动售货机主要销售食品、饮料、日用三大类，而食品有五角和一元，饮料有一元和二元，日用有二元和三元。本次自动售货机的梯形图如下所示：4.5 mcgs组态程序设计说明在组态软件中，新建一个主控窗口。选中设备窗口，并双击“通用串口父设备0”,并选择子设备“三菱fx-232”，分别对其属性进行设计。新建用户窗口，得到的参考界面如下图，然后再在“设备窗口”中添加所需的原件，进行通道连接后将其关闭，在“实时数据库”中查看所添加的元件。回到用户窗口对图中的各元件进行链接。检查无误后把该组态与plc相链接，运行该组态。所出现的运行界面就是所得组态。4.6调试结果、调试中出现的问题及解决方法调试结束后，在我们的mcgs仿真图面上，按下硬币按钮投入硬币，当投入的一元，二元，五元硬币总数大于12元时，汽水指示灯亮。当投入的硬币总数大于15元时，汽水指示灯和咖啡指示灯同时亮。当按下咖啡指示按钮时，咖啡出口灯亮，同时咖啡指示灯闪亮，七秒之后停止。在此期间不能进行买入操作。调试过程中，应把各元件属性设置正确，中间继电器m应为只写属性。d与y应为只读属性，在调试过程中对各元件要进行正确的链接。运行前要确保工程已经添加到组态，且plc处于开机状态。结论通过这次对自动售货机plc控制设计制作，让我了解了plc设计的基本步骤，也让我了解了关于自动售货机的原理与设计理念，要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。plc设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在短短的一个月的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中