自动售货机的PLC系统设计(沈良杰).doc

烟 台 南 山 学 院 毕 业 论 文题目 自动售货机设计 姓 名： 沈良杰 所在学院： 自动化学院 所学专业： 电气工程及其自动化 班 级： 08电气工程02班 学 号： 200806709048 指导教师： 苏凤 完成时间： 2012.3.23 摘要随着社会的发展，以前固定的人工售货方式在运用中暴露了许多劣势：服务地点比较固定；大量消费以及消费模式和销售环境的变化，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。而自动售货机的出现解决了上面这些难题，节省了能源，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。目前PLC渗透了我们生活的各个角落，几乎每个领域都能看见运用了PLC的运用，像平常的电梯、中央空调、自动化控制等等，今天我根据PLC的特性设计了一个自动售货机的工作原理。本文讨论的PLC自动售货机在清楚自动售货机运行工作过程的基础上，制定出设计方案，确定任务的目标，从而设计出合理的仿真系统。关键词：PLC，自动售货机，梯形图AbstractWith the development of society, previously fixed vending method in the use of exposed many disadvantages: service location relatively fixed; mass consumption and consumption patterns and the marketing environment changes, and the relative supermarket, department store shopping center new distribution channels, labor costs are rising. And the vending machine to solve the above problem, save the energy, the full complement of the lack of human resources, adapt to the consumption environment and changes in consumption patterns,24 hours self-service system can more easily, operation required less capital, small area, attract people to buy the curiosity of their performance, can be very good to solve the problem of artificial costs advantages.The current PLC permeated every aspect of our lives, almost every area, can see the use of the PLC application, like ordinary elevator, central air conditioning, automatic control and so on, today I according to the characteristics of PLC design a vending machine works.This article discusses the PLC vending machine in clear vending machine operation process based on, develop design options, determine the target, in order to design a reasonable simulation system.key words：MCU; vending machine, ladder diagram1 绪 论- 1 -1.1 课题背景- 1 -1.2 PLC简介- 1 -1.2.1 PLC的发展趋势- 1 -1.2.2 PLC的主要功能- 2 -1.2.3 PLC的应用前景- 3 -1.3PLC的组成与基本原理- 3 -1.3.1 PLC组成的控制系统- 4 -1.3.2 PLC的组成- 5 -1.3.2 PLC的基本工作原理- 5 -2 系统方案设计- 6 -2.1 设计思路- 6 -2.2 设计要求- 6 -2.2.1 PLC控制系统设计编程要求- 6 -2.2.2 PLC控制系统设计的基本原则- 6 -3 自动售货机程序设计83.1 仿真实验中售货机的分析83.2 程序设计部分93.2.1 PLC程序设计9结 论12参考文献13附 录14自动售货机PLC梯形图141 绪 论1.1 课题背景现在国内的自动售货机的普及率还远远低于外国的自动售货机普及率，主要是国内的自动售货机质量还不完善，成本比较高，导致收益不理想。但随着经济的快速发展，自动售货机在生活中扮演着越来越重要的地位。1.2 PLC简介PLC它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。在生活中的应用也越来越广泛，在电子产品、工业自动化过程、家用电器、医用设备等等，所以对于PLC的学习刻不容缓，也是我们研究微型系统的一个简单途径。1.2.1 PLC的发展趋势随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的不断发展，PLC的结构和功能也不断改进，生产厂家不断推出功能更强的产品，平均35年更新换代一次。PLC的发展主要由两个趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的PLC发展，使之适应于复杂单机，数控机床和工业机器人等领域的控制要求。其二是向控制、管理一体化，并且具有更完善的通讯联网功能的高档大型PLC发展，使之于计算机组成单元控制系统。而在目前，PLC和个人计算机结合越来越密切。PLC都需要采用很强的微处理器和大容量储存器，这样PLC与个人计算机在功能和应用上互相渗透，使控制系统的性价比越来越高。智能I/O模块是以微处理器为基础的功能部件，它们的CPU与主CPU并行工作，占用主机CPU的时间很少，有利于提高PLC的扫描速度。智能模块主要有模拟量I/O、PID回路控制、通信控制、机械运动控制、高速计数、中断输入、BASIC与C语言组件等。由于智能I/O的应用，使过程控制功能大为增强，某些PLC的过程控制还具有自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。改善和发展新的编程语言、高性能的外部设备和图形监控技术构成的人/机对话技术，除梯形图、流程图、专用语言指令外，增加BASIC语言的编程功能。增加容错功能，如双机热备、自动切换I/O、双机表决（当输出状态与PC逻辑状态比较出错时，自动断开该输出）、I/O三重表决（对I/O状态进行软硬件表决，取两台相同的），以满足极高可靠性的要求。PLC通信的易用化、组态软件与PLC的软件化、PLC与现场总线相结合、开发新型特殊功能模块、CPU的处理速度进一步加快。1.2.2 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。1.2.3 PLC的应用前景PLC是以自动控制技术，微计算机技术，和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，随着微处理器技术的发展，PLC得到了迅速的发展，也在社会各领域的生产中得到了越来越多的应用。目前，PLC的应用领域包括：通用和专用机械。机床与工具，汽车制造，立体仓库，过程控制与装置仪表等等。PLC以其结构紧凑、可靠性高、功能强、速度快、价格低等优点将在工业自动化领域发挥不可替代的作用，他将推动整个工业领域的发展。1.3PLC的组成与基本原理可编程控制器是工业专用微机控制装置，具有典型的计算机结构。用其结构的控制系统也是典型的工业控制系统。1.3.1 PLC组成的控制系统由可编程控制器作为控制器构成的自动控制系统可实现开关量的控制，也可实现模拟量控制；可实现断续控制，也可构成闭环控制系统。该系统的组成可分为输入设备、输出设备、可编程控制器和外围设备等几部分。 图1 PLC组成的控制系统 1 输入设备输入设备的作用是产生输入控制信号送入可编程控制器。常用的输入设备包括控制开关和传感器。控制开关可以是按钮限位开关、行程开关、光电开关、继电器和接触器的接点等。传感器包括各种数字式和模拟式传感器，如光栅位移式传感器、热电阻、热电偶等。另外，常用的输入设备还有接点状态编程器和通信接口以及其它计算机等。2 输出设备输出设备的作用是将可编程控制器的输出控制信号转换为能够驱动被控对象工作的信号。常用的输出设备包括电磁开关、直流电动机、功率步进电机、交流电动机、电磁阀、电磁继电器、电磁离合器和加热器等。如需要也可接CRT显示器和打印机等。3 可编程控制器可编程控制器在控制系统中起控制器的作用。它将输入信号读入后按一定的控制规律进行处理，然后产生控制信号输出，驱动输出设备工作。4 外围设备外围设备可完成用户与可编程控制器对话、程序的存储及打印等功能。1.3.2 PLC的组成可编程控制器的外围设备可供选用的较多，有编程器、盒式磁带、EPROM写入器等。另外，外围设备还有复印机、个人计算机等。不同的系统根据系统功能需要选配外围设备。外围设备在很大程度上决定了可编程控制器的发展。可编程控制器的组成基本同计算机一样，有电源、中央处理器、输入输出接口及外围设备接口构成。如图为可编程控制器的结构框图。 图2 可编程控制器的基本结构1.3.2 PLC的基本工作原理可编程控自器与继电器逻辑控制电路类似，也是根据现场输入的特定状况和控制要求来完成控制任务的。但它与继电器逻辑控制电路不同的是，它不是靠逻辑电路的固定组合和系统中器件并行运行的方式来实现控制要求，而是在其硬件系统的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务。这一点则和一般计算机的工作原理相一致。所以，从广的角度上讲，可编程控制器实质上也是一种计算机控制系统。但与计算机相比，它与工业控制相连的接口具有更强的性能，其编程语言也更易于编写。而更主要的区别则是PLC采用顺序的逐条的扫描用户程序的运行方式，具体说，如果根据程序运行的结果，一个输出线圈应接通或断开，该线圈的所有触点并不立即动作，而必须等用户程序全部扫描结束后，才会同时将输出动作信息全部送出执行，即是说，PLC采用了一种区别于一般计算机的运行方式扫描技术。2 系统方案设计2.1 设计思路首先，应该做到上位机与下位机的分工，上位机主要是用来完成仿真界面的制作过程，下位机则主要用来完成PLC程序的编写。上位机内装北京力控组态软件Forcecontrol 2.6和松下编程软件FPWINGR，下位机利用松下的FP1系列可编程控制器FP1C24。我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。2.2 设计要求2.2.1 PLC控制系统设计编程要求在设计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 2. 保证PLC控制系统安全可靠3. 力求简单、经济、使用及维修方便4. 适应发展的需要2.2.2 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2. 要使所编的程序尽可能简洁3. 要使所编的程序尽可能清晰4. 要使所编的程序合乎PLC的性能指标及工作要求3 自动售货机程序设计3.1 仿真实验中售货机的分析由于售货机的全部功能实在上位机上模拟的，所以售货机的部分硬件是由计算机软件来模拟代替的。如钱币识别系统可以用按压某个“仿真对象”输入一个脉冲直接给PLC发布命令，而传动系统由计算机来直接模拟的，这些并不会影响实际程序的操作，完全能模拟现实中自动售货机的运行。（1）由于是计算机上模拟进行，实验中有一些区别于实际情况的假设，本实验中假设：1、售货机共有4种饮料供选择，分别为雪碧、可乐、咖啡、奶茶。2、自自动售货机有3个投币孔，分别为1元、5元、10元的纸币识别装置3、投币值等于或大于2元时，01、02指示灯亮，表示只可选择雪碧和可乐。4、投币值等于或大于4元时，03指示灯亮，表示可选择咖啡。5、投币值等于或大于6元时，01、02、03、04指示灯都亮，表示4种均可选择6、实验中售货机忽略了各种故障和缺货等因素。（2）本次试验以一次交易过程为例1、初始状态：由电子标签显示各商品价格。2、投币状态：显示投币框，按下所投币值显示屏显示投入、消费、余额数值，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3、购买状态：按下要饮用的饮料按钮，则相对应的指示灯开始闪烁，4S后自动停止，表示饮料已经掉出4、退币按钮：动作停止后按退币按钮，可以退回余额，退回余额如果大于5元，则先退5元再退1元的，如果小于5元直接退1元的。这样一个完整的自动售货机工作过程结束。下图是设计概要图 图3 设计概要图3.2 程序设计部分这是整个设计的主体部分，是对仿真系统的上位机和PLC的下位机的程序设，下位机程序的编制则是利用松下PLC专用编程软件FPWIN-GR完成的。3.2.1 PLC程序设计上面讲到了，我是通过售货机的一次交易来完成实验的，通过运行期初电子标签价格的内部传递；投币过程；价格比较过程；选择商品过程；退币过程。（1） 运行初期电子标签价格的内部传递 初期，通过PLC向仿真系统传递原先已经储存好的价格，还要给投入显示、消费显示及余额显示寄存器清零，同时也要给存储退币币值的存储器清零。程序编制过程中，要用到运行初期闭合继电器R9013、16位数据传输指令F0，同时在上位机ForceControl中，必须定义相应的变量，来实现与PLC程序的连接。所定义的变量如下图2所示说明上位机ForceControl变量对应PLC地址投入显示POITR001.PVWR1消费显示POIXF002.PVWR2余额显示POIYE003.PVWR3雪碧价格JG01.PVWR4可乐价格JG02.PVWR5咖啡价格JG03.PVWR6奶茶价格JG04.PVWR7退币10元TB100.PVSV0退币5元TB50.PVSV1退币1元TB10.PVSV2图4（2）投毕过程 在投币过程中，每投下一个硬币，投入显示将增加相应的币值，余额也增加同样币值。先建立变量表，如图3所示。说明上位机ForceControl变量对应PLC地址投入1元TR.PVR200投入5角TR.PVR201投入10元TR0.PVR202图5 （3）价格比较过程 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的价格时候，就要输入一个信号，提示可以购买。这里用选择灯来代表此信号。所建立的变量表如图4所示。说明上位机ForceControl变量对应PLC地址雪碧灯亮D01.PVY0可乐灯亮D02.PVY1咖啡灯亮D03.PVY2奶茶灯亮D04.PVY3翻译结果重试抱歉，系统响应超时，请稍后再试 支持中英、中日在线互译 支持网页翻译，在输入框输入网页地址即可 提供一键清空、复制功能、支持双语对照查看，使您体验更加流畅图6（4）选择商品过程当投入的币值可以购买某种商品的时候，按下相应的“选择”按钮即可在出货框中出现该种商品，同时消费显示栏中显示出已经消费掉的余额，余额也将扣除已消费的币值，接着余额继续与价格比较，判断是否能继续购买。出现在出货口的商品在没有取走之前，一直保持显示状态，用鼠标点击该商品代表该商品已经取走，出货口的商品隐藏。建立的变量表如图5。说明上位机ForceControl变量对应PLC地址选择雪碧XZ01.PVR205选择可乐XZ02.PVR206选择咖啡XZ03.PVR207选择奶茶XZ04.PVR208雪碧出现CX01.PVY8可乐出现CX02.PVY9咖啡出现CX03.PVYA奶茶出现CX04.PVYB取雪碧Q01.PVR230取可乐Q02.PVR231取咖啡Q03.PVR232取奶茶Q04.PVR233图7（5）退币过程在退币过程中，最重要的是要完成退币的运算过程，根据结果输出相应的钱币，退币结束时候还要给程序中使用到的某些寄存器重新赋零。所建立的变量表如图6所示。说明上位机ForceControl变量对应PLC地址退币按钮TENTERR20F退币1元TB10.PVSV2退币5元TB50.PVSV1退币十元TB100.PVSV0退币确认按钮TUIBIOK.PVR0图7退币过程结束后，PLC要将寄存器中的数值置回原定的初值0，完成一次交易，防止下一次交易时出错。梯形图3-6用来完成对数据的初始化。完成了以上5个过程，自动售货机的PLC控制程序基本完成。结 论首先要感谢指导老师苏老师的悉心指导，我从选题，编写过程到完成，老师一直默默的支持着我，帮我细心的修改，指出我的不足之处。通过这次设计是我认识到了自己对课本知识掌握的薄弱，感觉到PLC知识的广泛，我会在今后努力学习课本知识，因为书本是实践的前提，如果自己肚子里没有墨水，谈何去社会实践呢。通过这次毕业论文设计，锻炼了自己的思维，扩展了自己的知识面，对PLC编程又有了更加深入的了解，特别是对PLC的定义，基本概念，发展情况，未来发展趋势有了一定的了解。在老师的帮助下，自己完成了本次设计，通过这次设计，让我意识到了以后工作学习中要有一丝不苟的态度，要加倍的努力，才能取得自己理想的成绩。最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师、教授！忠心地祝愿各位身体健康、工作顺利。参考文献1朱绍祥等编译，可编程序控制器原理及应用，上海交通大学出版社，1988年。2王维亚等编，可编程序控制器及其应用，南宁，广西教育出版社，1990年。3林晓峰编，可编程序控制器原理及应用，北京，高等教育出版社，1991年。4吴建强，姜三勇可编程控制器原理及应用哈尔滨工业大学出版社，20005吴中俊，黄永红可编程序控制器原理及应用北京：机械工业出版社，20036张万忠，刘明芹电器与PLC控制技术北京：化学工业出版社。20037王兆义可编程序控制器教程北京：机械工业出版社，2001附 录自动售货机PLC梯形图R9013 0 FO MV , K 0 , WR1 FO MV , K 0 , WR2 FO MV , K 0 , WR3 FO MV , K 250 , WR4 FO MV , K 170 , WR5 FO MV , K 180 , WR6 FO MV , K 150 , WR7 FO MV , K 1200 , WR8 FO MV , K 320 , WR9 FO MV , K 300 , WR10 FO MV , K 230 , WR11 FO MV , K 0 , WR12 FO MV , K 0 , WR13 FO MV , K 0 , WR14 FO MV , K 0 , WR15 FO MV , K 0 , WR16 FO MV , K 0 , WR17 FO MV , K 0 , WR18 FO MV , K 0 , WR19 FO MV , K 0 , WR20 FO MV , K 0 , SV0 FO MV , K 0 , SV1 FO MV , K 0 , SV2 FO MV , K 0 , SV3 FO MV , K 0 , SV4 106 FO MV , K 0 , WR 1 FO MV , K 0 , WR 2 FO MV , K 0 , WR 3 FO MV , K 0 , WR 13 FO MV , K 0 , WR 15 FO MV , K 0 , WR 17 FO MV , K 0 , WR 19 FO MV , K 0 , WR20 FO MV , K 0 ,