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内容简介：

本科生毕业（设计）论文基于组态监控的自动售货机的控制系统的设计Design of the control system of a vending machine based on configuration monitoring摘要自助售货机被称为无人便利店，由于具有设置方便、管理成本低、经营场所灵活等优点，自助售货机已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。自动售货机在人们的生活中扮演越来越重要的角色，从长远来看其具有广阔的发展空间。本文设计了基于PLC 的自动售货机控制系统，介绍了功能及硬件系统的简单构成、各功能模块软件程序设计的实现，重点介绍纸币识别、通信模块等功能的实现。通过实验验证，证实了系统的可行性。基于PLC所设计的自动售货机，在本设计中，我们按照收货的工作方式，将其分为了外部控制端启动模块、夜光灯控制模块、投币模块、余额比较模块、余额不足报警模块、商品选择模块、找零模块、缺货报警模块 8 大模块。通过三菱软件进行编程，梯形图的编写通过GX Developer来完成，完成梯形图后可以在三菱PLC仿真软件 GX Simulator 6c进行调试和仿真。最后用MCGS作出组态效果。组态仿真图中自动售货机包括按钮、指示灯、投币口、取物口、退币口等部分。完成自动售货机的基本功能并再进行仿真运行。关键词：自动售货机；PLC；梯形图；组态监控；电路仿真IIABSTRACTSelf-service vending machine is known as the convenience store， because it has the advantages of convenient installation， low cost， flexible operation and other advantages， self-service vending machines have become an indispensable part of peoples daily lives. Vending machine plays a more and more important role in peoples life. It has a wide development space in the long run. This paper designed a PLC based vending machine control system， introduces the module software design simple structure， function and hardware system of each function， focuses on the realization of paper currency recognition and communication module etc. The feasibility of the system is verified by experiments. The vending machine based on PLC design， in this design， we follow the receipt of the work， which is divided into external control terminal starting module， control module， a luminous lamp module， a comparison module， the balance of the balance of the alarm module， commodity selection module， Zhao Lingmo block， shortage alarm module 8 modules. Through the MITSUBISHI software programming， ladder diagram of the preparation by GX Developer to complete， after the completion of the ladder diagram can be in MITSUBISHI PLC simulation software GX Simulator 6C debugging and simulation. Finally， using MCGS to make configuration effect. In the simulation diagram， the vending machine includes buttons， indicator light， coin slot， mouth， coin mouth and so on. Complete the basic functions of vending machines and then run simulation.Key words: vending machine; PLC; ladder diagram; MCGS; circuit simulationIII目 录摘要IABSTRACTII1. 前言11.1研究意义11.2自动售货机功能设计要求1（4）投入金额大于某件商品单价则对应的LED指示灯会点亮，选择该商品时，灯就会闪烁3次，并且数码管会显示，按退币按钮退币。11.3主要研究内容12、自动售货机硬件设计32.1可编程逻辑控制器【PLC】的选型32.2.1货币识别器32.2.2电机的控制模块42.3RS-232串行通信电路42.4 I/O口分配53. 自动售货机的软件设计6.1 自动售货机的控制系统63.2 自动售货机的程序部分73.2.1 程序中用到的部分指令73.2.2 自动售货机的控制程序83.3 程序的调试部分83.3.1 STEP783.3.2 程序调试84. 基于组态王的自动售货机仿真124.1 组态王软件124.2建立组态画面12134.3设置各元件的参数144.4仿真效果20图4-14 找零仿真图254.3设置各元件的参数264.4仿真效果32总结37参考文献37致 谢38附 录39（一）PLC接线图39（二）PLC梯形图39V1. 前言1.1研究意义近几年，自动售货机行业在我国有了飞速的发展，青岛澳柯玛自动售货机股份有限公司经过多年的努力发展，成为中国自动售货领域的领军企业，研究开发出具有自主知识产权的新型自动售货机，并成功向市场推出了综合机、售报机、饮料机等多种规格和型号的产品，并不断的完善产品的功能。为了满足生活中不同消费群体对自动售货机的使用需求，体现社会的公平与关爱，将共用性设计的理念应用在自动售货机的设计中就成为了大势所趋。本课题的现实意义在于根据市场变化、商品的变化以及季节的变化，在监测中心对自劝售货机的货物售价、工作模式和参数进行远程设定和控制可大大提高工作效率。监测中心根据采集到的营销动态，对那些长期处于闲置状态的机器，发送控制命令，使其进入休眠，可节省大量的电力消耗。目的是为自动售货机运营商提供了一种集约化、自动化的经营管理方式，降低管理经营成本，堵塞销售漏洞，给自动售货机管理模式带来历史性的变革。1.2自动售货机功能设计要求（1）接受三种面值的货币，0.5元、1元、5元、10元、20元。一次最多接受金额在50元以内，否则报警，并自动退回用户所投货币。 （2）在本次设计中只设有3种商品，即奶茶、可乐、雪碧，价格分别为4.5元、3.5元、3元。（3）可以显示金额。（4）投入金额大于某件商品单价则对应的LED指示灯会点亮，选择该商品时，灯就会闪烁3次，并且数码管会显示，按退币按钮退币。1.3主要研究内容本课题采用西门子S7-200系列PLC对饮料自动售货机控制系统进行设计。（1）通过与单片机、继电器、液压在各个方面的比较，确定自动售货机的主控单元是PLC。（2）通过对自动售货机的售货方法分析确定采用双弹簧出货机构，步进电动机驱动。（3）根据系统需要确定饮料自动售货机的硬件，通过硬件框图选择硬件部分。根据自动售货机的功能选择货币识别器和电动机以及接触器的选择。通过I/O列表确定PLC类型，做出硬件连接图。（4）根据控制功能图进行性梯形图设计，软件这几中要结合硬件的性质选择合适的数据寄存器以及根据功能使用合适的算法。并在软件中调试运行，用组态软件作出仿真。22、自动售货机硬件设计2.1可编程逻辑控制器【PLC】的选型可编程序控制器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。综合考虑后，系统选择了西门子公司生产的S7-200系列 PLC。西门子PLC 的功能强大，该系列产品素以高性能闻名，并且具有相当好的扩展和不错的通信能力，西门子的工业控制总线也是相当流行。我们在该系列产品中选择了S7-200。该机集成14输入/10输出口。可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。PLC耗电小，产生热量极小，电气柜可以设计密封，防灰尘不必经常维护。表2-1 S7-200PLC模块的技术参数项目电压输入电流输入四通道模拟量电压或电流的输入，可通过对其输入端子的选择实现模拟量输入范围DC：-10-10V（输入阻抗：200k）（绝对最大量程15V DC）DC：-2020mA（输入阻抗：250）（绝对最大量程32mA）数字量输出范围12位转换结果，以16位二进制补码方式存储，其输出范围为：-2048+2047分辨率5mV（10V默认范围：1/2000）20A(20mA默认范围：1/1000)转换速度常速：15ms/通道；高速；6ms/通道外界输入电源24（110）V，55mA，可由PLC基本单元或扩展单元内部供电；5V，30mA模拟量用电源-1010V-420mA或-2020mAI/O占有点数8个输入或输出点均可隔离方式模拟量与数字量之间为光电隔离；4个模拟通道之间没有隔离2.2.1货币识别器货币识别器有硬币识别器和纸币识别器。硬币识别器的总体思想是通过真假硬币通过两种传感器时电容和电感参数的改变量不同来辨别。（1）当硬币识别器识别硬币后，通过电感式传感器配用的交流电桥电路使电感的改变转换为电压信号，当硬币识别器识别硬币后，硬币按面值被电磁阀分配到不同的贮币腔内备用，当收到退币找零信号后，完成自动售货机的退币找零功能。表2-2 硬币识别器选型硬币识别器工作电压工作电流工作温度BD-8GDC +12V2A-20C60C（2）纸币的识别。紫外线可以检测纸币真伪。利用红外激光照射人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，透过对此激光的检测可辨出纸币的真伪。表2-3 纸币识别器选型纸币识别器工作电压工作电流工作温度TCN-7-3BDC +12V2A0C 55C2.2.2电机的控制模块自动售货机上有多个电动机，在饮料的输出部分，是由电动机带动弹簧旋转一圈将饮料转出，每种饮料输出都要有一个电动机驱动， 因此，需要选择适当的电动机。但是在自动售货机上使用的电动机一般功率不大，像小罐的饮料自动售货机一般使用额定电压为1224V，额定功率为3W。表3-4 电动机选型减速电机额定电压额定功率转速减速比XINX-37JSDC +12V3W16R.P.M1：102.3RS-232串行通信电路本设计中RS-232串口仅用于实现上位机与PLC控制模块之间的点对点异步串行短距离通信。串行通信有两种方式，异步串行通信和同步串行通信，异步串行通信是设计中通常采用的方式。异步通信的特点：对收发双方的时钟一致要求不严格，容易实现，但传输速率不高，一般应用于50bit 19200bit之间的数据传输。本系统串行通信接口选用了最常用的9针RS-232接口。由于串口线上电平较高，容易易损坏开发板接口电路芯片，为了达到异步串口通信接口的电气通信兼容，将5V逻辑与一个RS-232端口连接时需要电平转换，来实现与 TTL 电路的连接。下面是串口电路结构，如图2-8所示： 图2-8 串口电路结构图2.4 I/O口分配所谓I/O口便是PLC的接入接出去口，是PLC和被控对象或生产线的接头连线端。让PLC输入接口与按钮开关相接，输出口连接被制对象，组成以PLC为心脏的控制系统。用户可以方便的操作PLC输入端的按钮，能够方便快速的控制PLC，PLC通过内部程序运行通过输出端控制被控对象的工作状态。主动售货机的I/O口配置如表4-1。表4-1自动售货机大的I/O口分配表输入输出设备输入点设备输出点复位按钮SB10.00纯水指示灯LED1.000.5元SB20.01可乐指示灯LED1.011元SB30.02牛奶指示灯LED1.025元SB40.03酸奶指示灯LED1.03按钮可乐SB50.04纯水输出LED1.04纯水按钮SB60.05可乐输出LED1.05牛奶按钮SB70.06牛奶输出LED1.06酸奶按钮SB80.07酸奶输出LED1.07退币按钮SB80.08找钱指示灯LED1.0853 自动售货机的软件设计3. 自动售货机的软件设计本次设计中最重要的部分是软件部分。首先做出能完成自动售货机要求的梯形图，然后对梯形图调试，最后，组态王软件仿真。.1 自动售货机的控制系统图3-1 自动售货机的控制系统流程图以上流程图表示的是程序可以实现的功能，按下开始按钮后，就可以开始进行投币操作了，投币时间结束后，系统根据投币的多少，与各种饮料的价格进行比较。 显示可购买，按下退币按钮可退币。3.2 自动售货机的程序部分3.2.1 程序中用到的部分指令比较指令在PLC控制系统中是一条十分重要的功能指令，它将S1、S2中的数据进行比较，比较结果送到目的操作数D中，如下图3-2所示，当X000为OFF时，不执行CMP指令，M10，M11，M12保持不变；当X000为ON时，执行CMP指令，S1、S2中的数据进行比较，即C10计数器值与K10（数值K10）比较。如果C10当前值小于10，则M10=1；如果C10当前值大于10，则M12=1；如果C10当前值等于10，则M11=1。图3-2 CMP 指令使用说明加法运算：加法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加，结果送到指定的目标元件中。 当X000为1时，（D0）+（D5）=（D6），运算是代数运算图3-3 加法运算使用说明图 减法运算：减法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加，结果送到指定的目标元件中，如图3-3所示。当X000为1时，（D10）-（D12）=（D14），运算为代数运算。图3-4 减法运算使用说明图3.2.2 自动售货机的控制程序程序部分可分为5个部分。分别为：启动部分、投币比较部分、可购买显示部分和饮料选择部分、货币相减部分和退币部分。程序见附录。投币比较部分：投币的时候由货币识别器识别币种，投入的一个币相当于按一次按钮，T10表示在10s投币，可累加币值，所以使用的数据寄存器为停电保持型D200。3.3 程序的调试部分3.3.1 STEP7STEP7是西门子PLC的编程软件。支持梯形图、指令表、SFC、ST、及FB、Label语言从程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。在调试时不用和可编程控制器连接，不用制作按条使用的顺序程序，因为运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。数据制作中发生错误时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短。3.3.2 程序调试以投入3个1元，买酸奶为例进行程序调试。按下梯形图逻辑测试启动/结束按钮，等待程序写入PLC中，然后梯形图中就会显示有蓝色部分，一般常闭触点都为蓝色，表示接通，数据存储器为显示为0图3-5 进入调试数据寄存器的初始状态在菜单栏的“在线”栏中选择调试-软元件测试。因为此次设计的自动售货机上都是按钮设置，所以当按钮按下去为1，松开即为0，因此要在软元件测试中的位软元件中写入X000后强制ON（表示开始按钮接通）然后再强制OFF（表示松开按钮）。在10s内迅速按X001按钮5次（标志投入5元），再按下X015按钮（表示买酸奶）。图3-6 X001接通5次后状态图3-7 按下酸奶按钮后状态图3-8 选择酸奶部分操作完之后还有剩余的钱，按下退币按钮X016，然后再强制off，因为退币按钮也是按下为1接通，松开为0断开。图3-9 退币前的状态图3-10 退币后状态454. 基于组态王的自动售货机仿真4.1 组态王软件本文选用组态王软件作为上位PC机软件开发监控平台，实现车库状况的远程监控，选用嵌入式组态编程软件作为上位触摸屏软件开发人机操作界面，实现车库状况的现场调试。组态软件一般有图形界面系统、实时数据库系统、第三方程序接口组件和控制功能组件。使用组态软件做自动售货机，最后想要得到的效果是，按下一个按钮时，相应的指示灯亮。4.2建立组态画面因为在软件中没有自动售货机所用的图片，因此要先建立图片。打开组态王组态环境后新建工程。在新建的工程中点击用户窗口，然后点击新建窗口0，选中窗口0，点击鼠标右键选择属性，在窗口名称处更改名字为自动售货机。设计好自动售货机的格局，点击动画组态按钮，开始创建画面。创建自动售货机画面的主要难题在于图库中没有所需要的图。需要自己创建。在百度上搜索相关饮料的图片，放到ACDSee软件中，调整大小后保存为256色位图*bmp格式，将所有需要的图片制作好放到一个文件夹中。回到动画组态界面，点击工具箱中的位图选项，在自动售货机窗口中画大小合适的位图，选中画好得位图，点击右键选择装载位图，存放制作图片的文件夹，将图片加载进去。以此方法将8种可选饮料的图片做好。接下来为各种饮料配置按钮，选用工具箱种的标准按钮，画好按钮后双击该按钮，更改按钮标题即可。工程中所用的灯可以在工具箱中的插入元件中选择。根据设想，调整各个部分的位置，最后做出效果图如下图图4-2 自动售货机的组态下效果图4.3设置各元件的参数制作好效果图之后，对各个部分进行参数设置。回到之前的工作台页面，点击实时数据库，点击新增对象，将所有的元件命名并注释。因为后其选择通道时不能用汉字作为首字符，所以为每个元件命一个名，如灯就按HLx命名，其余输出以YVx命名，因为输入都是按钮性质，以SBx命名。图4-3 工作台设置实时数据库如下图所示图4-4（a） 实时数据库设置图4-4（b） 实时数据库设置对按钮和灯进行设置。以可乐为例，在动画组态中电机可乐指示灯，其设置如下图图4-5 可乐指示灯参数在动画组态中点击可乐按钮，在基本操作栏设置按钮属性为按1松0，点击其后面的“？”，选择SB6。其它按钮以此为参照设置。图4-6 可乐按钮设置在工作台页面点击设备窗口，进入后点击设备工具箱，点击设备管理，要先选择通用串口父设备，然后再选相应择PLC设备。点击进入西门子系列串口，对设备属性进行设置。根据PLC的I/O分配表对通道连接进行设计。通道的设置中要注意输入和输出通道不能混淆。点击进入设备0后在点击设置设备内部属性后的带有三个点的按钮即可增加通道的数量。图4-8 通道量设置图4-9通道设计至此，参数设置完毕，打开组态王运行环境，点击下相应按钮，观察变化情况。可能应为其中有些参数的设置有误，没有显示相应的动作。4.4仿真效果不要关闭上面的窗口，双击打开状态王软件，双击工程2，点击工程浏览器左边栏中的画面，双击右边栏中的画面3进入开发系统界面，点击文件，点击切换到View，在弹出的窗口中，点击画面，再点击打开，在弹出的窗口中，双击击3画面，进入仿真，仿真效果图如下。按下2元投币按钮后的仿真图4-10。图4-10 投币2元仿真图在上面的基础上，再按下1元投币按钮后的仿真图4-11。图4-12 投币3元仿真图按下选购矿泉水按钮后的仿真图4-13。图4-13 购买矿泉水仿真图按下找零按钮后的仿真图。图4-14 找零仿真图创建自动售货机画面的主要难题在于图库中没有所需要的图。需要自己创建。在百度上搜索相关饮料的图片，放到ACDSee软件中，调整大小后保存为256色位图*bmp格式，将所有需要的图片制作好放到一个文件夹中。回到动画组态界面，点击工具箱中的位图选项，在自动售货机窗口中画大小合适的位图，选中画好得位图，点击右键选择装载位图，存放制作图片的文件夹，将图片加载进去。以此方法将8种可选饮料的图片做好。接下来为各种饮料配置按钮，选用工具箱种的标准按钮，画好按钮后双击该按钮，更改按钮标题即可。工程中所用的灯可以在工具箱中的插入元件中选择。根据设想，调整各个部分的位置，最后做出效果图如下图图4-2 自动售货机的组态下效果图4.3设置各元件的参数制作好效果图之后，对各个部分进行参数设置。回到之前的工作台页面，点击实时数据库，点击新增对象，将所有的元件命名并注释。因为后其选择通道时不能用汉字作为首字符，所以为每个元件命一个名，如灯就按HLx命名，其余输出以YVx命名，因为输入都是按钮性质，以SBx命名。图4-3 工作台设置实时数据库如下图所示图4-4（a） 实时数据库设置图4-4（b） 实时数据库设置对按钮和灯进行设置。以可乐为例，在动画组态中电机可乐指示灯，其设置如下图图4-5 可乐指示灯参数在动画组态中点击可乐按钮，在基本操作栏设置按钮属性为按1松0，点击其后面的“？”，选择SB6。其它按钮以此为参照设置。图4-6 可乐按钮设置在工作台页面点击设备窗口，进入后点击设备工具箱，点击设备管理，要先选择通用串口父设备，然后再选相应择PLC设备。图4-7 设备窗口的选择点击进入三菱系列串口，对设备属性进行设置。根据PLC的I/O分配表对通道连接进行设计。通道的设置中要注意输入和输出通道不能混淆。点击进入设备0后在点击设置设备内部属性后的带有三个点的按钮即可增加通道的数量。图4-8 通道量设置图4-9通道设计至此，参数设置完毕，打开MCGS运行环境，点击下相应按钮，观察变化情况。可能应为其中有些参数的设置有误，没有显示相应的动作。4.4仿真效果不要关闭上面的窗口，双击打开状态王软件，双击工程2，点击工程浏览器左边栏中的画面，双击右边栏中的画面3进入开发系统界面，点击文件，点击切换到View，在弹出的窗口中，点击画面，再点击打开，在弹出的窗口中，双击击3画面，进入仿真，仿真效果图如下。按下2元投币按钮后的仿真图4-10。图4-10 投币2元仿真图在上面的基础上，再按下1元投币按钮后的仿真图4-11。图4-12 投币3元仿真图按下选购矿泉水按钮后的仿真图4-13。图4-13 购买矿泉水仿真图按下找零按钮后的仿真图。 图4-14 找零仿真图致 谢总结通过调试后在设备上的反复实验结果表明:展示型自动售货机设计与制调工作已经取得成功，整个加工过程安全平稳，产品完全满足要求，在市场上销售具有适应广，容易操作，展示性强等较大优势。由于本人专业知识储备、时间精力以及能力的限制，本文只是对自动售货机的相关装置以及控制系统做了尝试性的研究，在课题的研究过程中存在不足之处，主要有：（1）针对本课题设计的控制器只适用于食品机(无冷藏箱)的欠缺，需要继续完善程序，使其可以通过手动设置从而任意更换机器类型；（2）随着机器功能不断增强，代码数量给小的存储器带来了压力，下一步需要进行的工作是改进算法缩小代码体积，或扩展存储器；（3）在产品设计中的用户研究和交互设计方法方面，根据自动售货机产品的人机交互研究，满足用