自动售货机毕业设计论文

基于PLC的自动售货机监控系统设计摘要随着当前城市规模的增大，很多公共场合都放置有自动售货机，极大的满足了人们的即时性需求，为人们进行简单物品的采购提供了一种便利。传统的自动售货机多采用单片机控制方案，系统硬件设计复杂，抗干扰能力相对较差，很难保证系统的可靠性和稳定性，维护维修困难。本文设计一套基于PLC的自动售货机控制系统，阐述了自动售货机的发展背景与前景，详细分析其功能和特点，提出了总体设计方案；选用型号为L293D的步进驱动电机，设计了平面式贮币、电磁阀退币的货币处理装置，双螺旋式的送出机构，为降低成本和开发周期，创造性的选用了集成键盘、显示、设置功能的控制面板；以三菱FX2N48MR型PLC为主控制器，基于FXGP/WINC编程软件，采用顺序控制的程序设计思路，设计了系统控制程序，包括投币程序、比较选择购买程序和退币程序。该设计提高了自动售货机的可靠性和执行效率，且系统维护容易，维修简单，有一定的市场推广价值。关键词自动售货机，可编程序控制器，梯形图BASEDONPLCAUTOMATICVENDINGMACHINESYSTEMDESIGNABSTRACTTHEPRESENTPAPERDESIGNWASBYTHEMICROCOMPUTERPLCCONSTITUTIONAUTOMATSUPERVISORYSYSTEM,THISARTICLEELABORATEDAUTOMATANDTHEDEVELOPMENT,ASWELLASITINTHEDOMESTICANDFOREIGNDEVELOPMENTPRESENTSITUATION,THECHARACTERISTICASWELLASTHEPRINCIPLEOFWORKBASICALLY,TOCARRIEDONAMORECAREFULELABORATIONBYTHEMICROCOMPUTERPLCCONSTITUTIONVENDINGMACHINESYSTEMOVERALLDESIGNPROCESSCHOOSESPCMACHINEINTHEDESIGNTOTAKETHEHOSTWORKSTATIONONPOSITIONMACHINE,THELOWERPOSITIONMACHINEUSESPLCTOMAKETHECONTROLLER,THREEPLCCONTROLLERSRESPECTIVELYBEFROMTHEWORKSTATION1,FROMTHEWORKSTATION2,FROMTHEWORKSTATION3,INTHEARTICLEEXHAUSTIVELYINTRODUCEDTHEAUTOMATVARIOUSHARDWARECOMPOSITION,ANDHASCOMPLETEDTHEPLCEXTERIORWIRINGDIAGRAMINTHEARTICLEHASMANUFACTUREDONTHEPOSITIONMACHINEUSERMANAGEMENTCONTACTSURFACETHEPRESENTPAPERKEYPOINTPLACESTHEPLCVARIOUSHARDWAREPARTTHEDESIGNANDTHEINTRODUCTION,THEPLCTRAPEZOIDALCHARTDEFERSTOINTHEOVERALLDESIGNPROCESS“ASKSTHEQUESTION,THEANALYSISQUESTION,SOLVESTHEPROBLEM”THEGUIDINGIDEOLOGY,HASMADETHECAREFULELABORATIONTOTHEOVERALLSYSTEMDESIGNWORKKEYWORDSTHEVENDINGMACHINE，PROGRAMMABLECONTROLLER，LADDERDIAGRAM目录前言1第1章自动售货机的介绍211自动售货机概述212自动售货机功能分析313自动售货机前景分析4第2章总体设计方案621自动售货机系统需求622系统硬件结构框图723总体方案设计8第3章自动售货机硬件结构设计1031硬件选择10311电机的选择10312货币处理装置10313送出机构11314按钮装置11315显示装置11第4章自动售货机控制系统设计1341基于PLC的自动售货机控制系统13411自动售货机硬件系统的组成部分及工作流程13412自动售货过程的控制子系统简述14413基于PLC的自动售货机控制1542PLC控制系统设计编程要求及基本原则16421PLC控制系统设计编程要求16422PLC控制系统设计的基本原则1743自动售货机PLC控制方案设计1844PLC选型18441PLC概述18442I/O点估算21443PLC选型2145程序设计22451I/O地址设计22452流程设计23453PLC与现场器件的连接25454投币程序设计26455比较、选择、购买程序设计28456退币程序设计30457主程序设计32458梯形图程序调试34结论35谢辞36参考文献37附录39外文资料翻译45前言从自动售货机的发展趋势来看，它的出现是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。大量生产、大量消费以及消费模式和销售环境的变化，要求出现新的流通渠道；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；再加上场地的局限性以及购物的便利性等这些因素的制约，无人自动售货机作为一种必须的机器便应运而生了。从广义来讲投入硬币、纸币、信用卡等后便可以销售商品的机械，从狭义来讲就是自动销售商品的机械。从供给的条件看，自动售货机可以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。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，通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型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。因经济复苏缓慢，社会对扩大就业与工作场所提供茶点饮料的福利事业更为关注。自动售货机不仅保障了惬意的工休时间，也是最廉价、提高职工工作效率最有效的手段。特别是在24小时无休工作状态中的办公场所，使用独具魅力的迷你型饮料冲饮机，解决了不间断提供咖啡饮品服务的问题，这种服务加速了自动售货机与咖啡饮品服务的融合。1999年的全美自动售货机协会和全美咖啡服务协会的合并使人们更直观地看到了这种融合现象。第1章自动售货机的介绍11自动售货机概述自动售货机是可完成无人售货、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24小时售货，因此深受上班族的欢迎。很多城市的公共场所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、自动照相机等。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。常见的自动售货机如图11所示。图11自动售货机自动售货机最早出现在二十世纪五、六十年代的西欧，当时在美国的地铁系统中，人们可以用1美分在自动售货机上买到一块口香糖。上个世纪60年代以来，随着电子计算机的应用和发展，以信息革命为中心的第四次产业革命引发了零售业巨大的变革，表现之一就是发达国家商品流通领域内自动售货机的出现与迅速发展。随着人们生活方式向快节奏、高效率变化，时间的价值显著提高，消费者在购物时更加注重便利性、即时性。随着自动售货机数量的增加、商品包装的定量化和标准化、出售商品的多样化，自动售货的便利性日益显现。同时，被称为“永不下班的超级营业”的自动售货机在满足人们的即时性需求方面是其它零售方式不可替代的。据美国2002年4月5日出版的幸福杂志介绍美国2001年自动售货业利润增长率为214，在发展最快的行业中居第四位；在19962001年年度中，自动售货业以784的年平均利润增长率雄居发展速度最快的行业榜首。如此多的优点使得自动售货机在世界范围内得到广泛的应用。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，通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型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世纪后，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。12自动售货机功能分析在进行上、下位机程序编写之前，首先要做的工作是确定自动售货机本身所具备的功能及在进行某种操作后所具有的状态。售货机的基本功能就是对投入的货币进行运算，并根据货币数值判断是否能够购买某种商品，并作出相应的反应。举一个简单的例子来说明，例如售货机中有8种商品，其中01号商品（代表第一种商品）价格为250元，02商品为350元，其余类推。现投入1个1元硬币，当投入的货币超过01商品的价格时，01商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，其他商品同此。当按下选择01商品的价格时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去01商品的价格同时启动相应的电机，提取01号商品到出货口。此时售货机继续等待外部命令，如继续交易，则同上，如果此时不再购买而按下退币按钮，售货机则要进行退币操作，退回相应的货币，并在程序中清零，完成此次交易。自动售货机的工作流程图如图12所示。初始状态投币状态购买状态退币状态按下退币按钮投入硬币按下选择按钮是否有剩余NY图12自动售货机工作流程图13自动售货机前景分析自动售货机是现代社会中的一种商务工具，2004年以后，中国的自动售货机产业实现了快速增长，奥运会和世博会为自动售货机市场带来了巨大商机，2008年后进入了发展期，自动售货即将在中国零售业掀起继百货商店、超市之后的第三次零售业革命。现在，中国自动售货机市场已经进入了发展期。另外，各个大型城市的改造使得很多小店小铺消失，同时随着金融支付手段的增多，IC卡、手机移动支付等技术使自动售货机提供便利服务成为可能，这些自动售卖平台的创新模式无疑为国内的自动售货业迅速成长创造了条件。2009年中国自动售货机产品专项调研及未来五年投资分析预测报告是结合自动售货机产品历年供需关系变化规律，对自动售货机产品内的企业群体进行了深入的调查与研究，采用定量及定性的科学研究方法撰写而成的。对我国自动售货机产品的市场环境、生产经营、产品市场、品牌竞争、产品进出口、行业投资环境以及可持续发展等问题进行了详实系统地分析和预测，并在此基础上，对行业发展趋势做出了定性与定量相结合的分析预测，为企业制定发展战略、进行投资决策和企业经营管理提供了权威、充分、可靠的决策依据。报告数据主要采用国家统计数据、海关总署问卷调查数据、商务部采集数据等数据库，其中宏观经济数据主要来自国家统计局，部分行业统计数据主要来自国家统计局及市场调研数据，企业数据主要来自于国统计局规模企业统计数据库及证券交易所等，进出口数据主要来自海关及商务部，价格数据主要来自于各类市场监测数据库。第2章总体设计方案21自动售货机系统需求根据任务书要求，绘出自动售货机结构示意图如图21所示。123456789LCD显示屏投币指示灯报警灯25确定取消5角投币口1元投币口5元投币口饮料出口图21自动售货机结构示意图其中，1西瓜汁（1元）；2橙汁（1元）；3葡萄汁（1元）；4绿茶（2元）；5红茶（2元）；6奶茶（2元）；7咖啡（3元）；8可乐（3元）；9牛奶（3元）。用数字键代替商品按键，就能在某种商品缺货的时候能及时地补上其他的商品种类，并且不会使顾客混淆，使人机界面更加友好。其控制要求如下1货物种类共9种，这9种物品分别对应着9个不同的按键选择，其中1元、2元、3元价格不等的物品各3种；货币识别装置能够识别05元、1元、5元的货币。2在规定的30秒时间内可多次投入货币，能够实现货币累加功能，超过30秒投币无效。3如果累计投入的货币数目超过所购买物品的总价，机器能够实现找钱功能；如果投入的货币没有达到所选择物品的价格，投入的钱将全部退还；在投入一次累加货币后选择物品时，如果投入的累加货币数目大大超过所选择物品的预设单个价格时，能够实现选择同一件物品购买多个。4设计13个按键选择，其中9个是货物选择，2个多选键，还有一个确定键和一个取消键，如果没有按流程进行按键，自动售货机将启动报警系统，等待再次正确的按键选择。5应有购买货物的总花钱数和找零的货币数的显示。22系统硬件结构框图根据上述要求，制定合理方案首先，应该做上位机与下位机的任务分工，上位机主要用来完成仿真界面的制作过程，而下位机则主要用来完成PLC程序的编写；其次，要分别对上位机和下位机进行资料的查找与收集。例如在进行仿真界面的设计时可以去观看一下真正售货机的外观，必要时可以借助一些宣传图片来设计自动售货机的外型；在进行PLC程序的编写时需要先分配PLC的I/O点，确定上、下位机的接口；然后，分别对上、下位机分别进行设计工作；最后，进行上位机设计结果与下位机设计结果的配合工作，经调试后完成整个系统的设计。另外，上位机与下位机的设计工作是密切配合的，它们无论在通信中使用的变量，还是在仿真中控制的对象都应该是一致的。总体上讲，仿真界面是被控对象，利用PLC来控制这个仿真的自动售货机，仿真的自动售货机接受PLC的控制指令并完成相应的动作；另一方面，仿真界面中的仿真自动售货机的运行，都是由组态界面所提供的命令语言来完成的。这是整个仿真系统内部各大部件之间的内在关系。本设计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。由此绘出系统组成框图如22所示。PLC（主控制器）各种指示灯退币电动机出货电磁阀商品选择开关钱币识别传感器显示机构补料机构图22系统结构框图PLC控制系统接受人民币识别系统信息，确认已接受的人民币是否可购买消费者所指定的商品，确认后按要求售出商品。钱币识别传感器主要包括纸币识别器、硬币识别器、硬币找零系统等，它主要实现识别真假纸币一般为拾元、伍元和硬币壹元、伍角、拒收假币和残币、正确找零的功能。补料及出货系统货柜由多层货架组成，当购物者指定所需商品后，由控制系统启动出货系统出货；当某种货物被取出后，补料机构自动补料（在这里补料机构采用简单的倾斜式机构，即当某种货物被售出后，补料机构里面的货物直接向前滑至首位进行补位）。显示机构显示购买的瓶数、投入的钱数以及剩余的钱数。23总体方案设计由于设计中的货物品种不多，因此要求上没有现实中的自动售货机功能强大。本自动售货机的自动控制系统主要包括计币系统、比较系统、选择系统、饮料供应系统和退币系统。1计币系统当有顾客买饮料时，投入的钱币经过识别机构，记录5角、1元或5元钱的个数，通过个数与币值相乘或者相加，并将总钱币数据存放在D9（数据寄存器）中。2比较系统投入钱币完毕后，系统会把D9内的钱币数据和可以购买饮料的价格进行比较，当投入的钱币总值超过1元小于2元时，西瓜汁、橙汁、葡萄汁的指示灯亮；当投入的钱币总值超过2元小于3元时，西瓜汁、橙汁、葡萄汁、绿茶、红茶、奶茶的指示灯亮；当投入的钱币总值超过3元时，9种饮料的指示灯都亮，并且多选键“2”也亮；当投入的钱币总值超过5元时，所有的指示灯都亮，此时可以选择饮料或选择退币。3选择系统比较电路完成后选择电路指示灯亮，当按下西瓜汁或绿茶选择按钮时，相应的指示灯转为1秒为周期的闪烁。当相应的饮料供应完毕后，闪烁同时停止。此时可以按继续购买按钮，继续购买饮料，实现循环购买。4饮料供应系统当按下选择按钮时，相应的电机Y3Y7启动。在饮料输出的同时，减去相应的购买钱币数，当饮料输出达到10秒时，电机停机。5退币系统当顾客购完饮料后，多余的钱币只要按下退币按钮，系统就会把数据寄存器D9中的钱币退回。第3章自动售货机硬件结构设计31硬件选择311电机的选择自动售货机吐出饮料的过程实际为电机动作推饮料下来。由于电机都是电感性负载，在停转的时候会有反向电流，所以需要用PC847光电隔离器把控制和驱动信号隔离开来，然后用L293D步进驱动电机，电机驱动需24V电压，控制信号经过L293D后变为24V左右的电源信号才可驱动电机。电机有三根线电源、地线和反馈信号电机转一圈送出一个低电平。在机械制作中使电机转一圈刚好推出一瓶饮料，电机转一圈同时产生一反馈信号，此信号使电机停止转动，另外一种情况是红外检测到有货物落下则电机停止转动。312货币处理装置货币处理装置包括检测货币投入状态的投入状态检测装置；检测有无货币退还操作的退还操作检测装置；在投入状态及投入货币退还操作的有无达到规定的基准状态时，将说得到的基准状态信号利用所外部；连接装置向投入外部装置输出的状态输出装置。目前投入试用的“货币识别机”设置有感应线圈，通过对货币的材料、大小尺寸等各个要素进行感应并探明真伪。不同的材质具有不同的磁场变化，可以通过电子技术进行分析、探查和识别，更高级的检测还可以运用频谱分析。货币识别器种类繁多,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。根据设计中对自动售货机的要求，选择平面式贮币，电磁阀退币。当货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体内备用；当收到退币找零电信号后，通过退币电磁阀或退币电机拉杆，将贮币腔内下部货币依电信号程序推出，完成自动售货机的退币找零功能。313送出机构目前，应用于自动售货机上的商品送出机构种类较多，下面是一些较典型的送出机构。（1）旋转式送出机构此送出机构把饮料放在螺旋导轨上，并在货道底部开设出口槽，由电机带动螺旋导轨转动，当饮料转到开口槽时便出槽下货。这种送出机构应用最为广泛，它要求电机的转矩较大，造价成本较高。（2）转盘式送出机构上面是一个很大的喇叭状罐体存储容器，下面是一个周边有若干个圆槽的转盘，通过转盘的转动使罐体落入转盘周边的槽内而被售出。这种送出机构也需要较大的转矩来带动和占用较大的空间，而且会发生卡死现象。（3）滚筒送出机构该送出机构由一个阶梯梁和滚筒构成，滚筒内可以装若干瓶饮料，通过步进电机来带动滚筒的转动，利用梁的各阶梯段与滚筒之间不同的开口距离控制商品掉落的顺。这种机构要求电机有较高的转动精度。（4）弹簧推动式送出机构这种机构是由螺旋式弹簧和连在弹簧一端的电机构成的，电机转动一圈就带动弹簧转动一圈，同时推出一瓶饮料。根据设计中对自动售货机的要求，选择双螺旋式送出机构。314按钮装置自动售货机的按钮装置，其特征在于备有操作按钮和基板，操作按钮设置在面板上，基板设置在操作按钮侧的相反侧，具有显示部分和检测机构，显示部分显示与操作按钮对应的信息，检测机构用于检测操作按钮的操作，显示部分设在基板上的与操作按钮不相向的位置。315显示装置液晶显示器LCD是现在非常普遍的显示器,广泛应用于各种电子产品，具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。液晶显示器（LCD）的原理与阴极射线管显示器（CRT）大不相同，LCD是基于液晶电光效应的显示器件，包括段显示方式的字符段显示器件，矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件，矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。第4章自动售货机控制系统设计41基于PLC的自动售货机控制系统411自动售货机硬件系统的组成部分及工作流程（1）组成部分销售模块人机模块通讯模块温控模板货币识别模块自动售货机硬件系统主控制板图41自动售货机硬件系统组成部分其中，温控模块包括温度采集和加热制冷控制；销售模块完成一个整体的销售动作，一般都是电机驱动特定的机构实现；人机模块包括键盘和显示，有的机器还加上了显示屏，可以投放广告；目前仅部分高端机器有通讯模块的功能，一般都是采用GPRS模块，可以完成销售统计、原料补给、广告管理以及一些会员服务。（2）工作流程首先开机后要自检各个部件的状态是否正常，若不正常要显示错误信息，方便运营人员及时修复；若自检通过，检查商品信息，若缺少货物，停止销售该类商品；然后等待，等待消费者投钱和选择商品，若有人选择商品，等钱币投入后就开始执行销售模块，将产品送出，并找零钱。这是最基本的功能描述，在实际的设计中，有很多的因素需要考虑，一定要保证机器工作的可靠性和稳定性。412自动售货过程的控制子系统简述控制子系统由以下四个部分组成（1）售货价格系统自动售货机售出的同类商品可分若干品种，其售前设定价格须预先贮存在控制系统内。售货机的价格设置系统由按键和存储器组成，通过按键选择被设价商品的种类及价格，并将价格写入存储器，该存储器本身具有掉电保护功能，属于软件设置方式。此外，在简易型售货机中，由于出售商品种类少，价格变化小，使用币种单一，也可用硬件来设置价格，采用拨码开关对应方式，结构简单、操作方便。（2）累计、可售指示和退币系统控制系统的核心CPU对识币、退币、无货检测及购货信号进行巡回检查，当有识币信号后，将金额数值送入金额累计存储器中进行累计，并通过串行扩展口进行显示，同时将金额累计存储器中的数值与预设价格存储器中的数值进行比较，如金额累计数值等于或大于预设价格数值，则通过串行接口使可售指示灯亮，提示购货。此时可按下购货按钮，由CPU检测到购货信号后，如金额累计存储器中数值与预设价格相等，则通过并行扩展接口驱动电磁阀或微电机驱动出商品，并将金额累计存储器清零，完成一次售货过程；如累计金额大于预设价格时，驱动商品后，相减差额由信号驱动退币，实现售货和退币找零功能。（3）检测系统在自动售货机商品贮存道下方安有接触行程开关，当贮存道内有商品时，压下行程开关，售货机正常工作；当商品出售完毕时，行程开关被释放，向CPU发出无货信号，经检测通过串行扩展接口向相应的售完指示灯发出信号，使机身外部“售完”指示灯亮，此种商品自动停售，即使投币累计金额达到该道商品预设价格数值，可售按钮仍然无启动信号，金额累计存储器也不清零。（4）累计及自测功能系统自动售货机CPU在每次售出商品后，向售出累计存储器中累计售出数据，通过售货机内部的按键可在金额显示窗中读到累计结果。此外，在按下自测功能键后，出现自测功能信号，由外部按键操作，可检测各商品贮存道的驱动商品功能。413基于PLC的自动售货机控制当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的PLC,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级，所以一旦它们是交流220V的负载使用，则直流24V的负载只能使用其他的输出端了，这样有可能造成输出点浪费，增加成本，所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。对第二个问题，则有以下几个方面要考虑（1）功能方面所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。（2）价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40以上。在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。42PLC控制系统设计编程要求及基本原则421PLC控制系统设计编程要求任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，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充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计过程中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计之前就要深入现场进行调查研究，充分收集控制现场的资料，同时收集相关国内、国外相关的资料。同时还要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员等紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。（2）保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程等方面要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如应该保证PLC控制程序不仅能在正常条件下运行，而且要在非正常情况下，也能正常工作。（3）力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。（4）适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。422PLC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的有关的规定主要是对指令要准确地理解，正确地使用。各种PLC指令多有类似之处，但还有些差异。对于有PLC使用经验的人，当选用另一种不太熟悉的型号进行编程设计时，一定要对新型号PLC的指令重新理解一遍，否则容易出错。（2）要使所编的程序尽可能简洁简短的程序可以节省内存，简化调试，而且还可节省执行指令的时间，提高对输入的响应速度。要使所编的程序简短，就要注意编程方法，用好指令，用巧指令，还要能优化结构。要实现某种功能，一般而言，在达到目的的相同时，用功能强的指令比用功能单一的指令，程序步数可能会少些。（3）要使所编的程序尽可能清晰这样既便于程序的调试、修改或补充，也便于别人了解和读懂程序。要想使程序清晰，就要注意程序的层次，讲究模块化、标准化。特别是在编制复杂的程序时，更要注意程序的层次，可积累自己的与吸收别人的经验，整理出一些标准的具有典型功能的程序，并尽可能使程序单元化，像计算机中的常用的一些子程序一样，移来移去都能用，这样，设计起来简单，别人也易了解。（4）要使所编的程序合乎PLC的性能指标及工作要求所编程序的指令条数一定少于所选用的PLC内存的容量，即程序在PLC中能放得下，所用的输入、输出点数要在所选用PLC的I/O点数范围之内，PLC的扫描时间要少于所选用PLC的程序运行监测时间。PLC的扫描时间不仅包括运行用户程序所需的时间，而且还包括运行系统程序，如I/O处理、自监测所需的时间。（5）所编程序能够循环运行PLC的工作特点是循环反复、不间断地运行同一程序。它的运行从初始化后的状态开始，待控制对象完成了工作循环（完整程序执行一次），则又返回初始化状态继续运行。因为只有这样才能使控制对象在新的工作周期中也得到相同的控制。43自动售货机PLC控制方案设计（1）通过分析，由于程序内部的联锁、互动关系较为复杂，故采取步进指令较为简单。（2）本自动售货机可使用5角硬币，给计总金额数带来麻烦，可对除5角识别器以外的所对应INC指令的计数器中的值乘2计算来方便计算总钱数，即将所有“元”转化为多少个“5角”。（3）由于实验室PLC型号三菱FX2N48MR对某些指令无法识别，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。（4）找余时，可找1元与5角，故需对剩余总金额寄存器中的数目除以2和取模2，除2结果即为当前要找1元的数目，取模2结果即为当前要找5角数目。（5）PLC选用继电器输出型。（6）任务书要求实现顾客的循环购买，故需实现控制程序的跳转（向后跳转）。当顾客再次购买时，余额寄存器（为了退币，该寄存器中值已除2）中值要先乘2，以便与商品价格比较（商品价格已转化为多少个5角），再进入下次购买。（7）退币结束时，使用SET指令恢复初始态，并置位所有寄存器，以准备下一个顾客购买饮料，防止出现错误。44PLC选型441PLC概述（1）PLC的由来在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。继电器控制系统有着十分明显的缺点体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的要求，以在激烈的竞争的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此特拟定了十项公开招标的技术要求，根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC（PDP14型），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期。从此可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来，而且在工业发达国家发展很快。（2）PLC的定义在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER），英文缩写为PC，并作如下定义“可编程序控制器是一种数字式电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制以对各种机械或生产过程进行控制。”国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程序控制器标准的草案第一稿，1985年1月又发表了草案第二稿，1987年2月颁布了草案第三稿。该草案中对可编程序控制器的定义是“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备等都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充起功能的原则设计。”定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应和应用能力。4、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、并联及其他各种逻辑连接，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、计数器指令实现对某种操作的定时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器。（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计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、计数器等的设定值。442I/O点估算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40个左右，其中其输入点为20点、输出点为20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，确定所控制参数的精度及类型，如对开关量、模拟量的控制等，完成PLC硬件结构配置。本设计中，退币按钮、各种饮料按钮、开始购买按钮、继续按钮和饮料出口（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，编制I/O接口功能表。443PLC选型三菱PLC相较于西门子价格便宜，性价比较高，适于机电设备的自动化控制。而三菱FX系列是中小型机，FX2N系列又是三菱FX家族中最先进的PLC系列，适用于本设计中的控制要求，其基本单位有16/32/48/64/80/128点，六个基本FX2N单元中的每一个单元都可以通过I/O扩展单元扩充为256I/O点，其基本单元如表41所示表42三菱FX2N系列PLC型号继电器输入可挖硅输出晶体管输出输入点数输出点数扩展模块点数FX2NFX2NFX2N88243216MR00116MS16MTFX2N32MR001FX2N32MSFX2N32MT16162432FX2N48MR001FX2N48MSFX2N48MT24244864FX2N64MR001FX2N64MSFX2N64MT32324864FX2N80MR001FX2N80MSFX2N80MT40404864FX2N128MR001FX2N128MT6464486445程序设计451I/O地址设计一般讲，配置好的PLC其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际的也要相当），故I/O的分配实际上是把PLC的入、出点号分给实际的I/O电路，编程时按点号建立逻辑或控制关系，接线时按点号“对号入坐”进行接线。表43I/O信号地址分配表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5角投币光电开关ST1X0005角退币光电开关YA1Y0001元投币光电开关ST2X0011元退币光电开关YA2Y0015元投币光电开关ST3X002报警灯HL1Y002西瓜汁按钮SB1X003西瓜汁指示灯HL2Y003橙汁按钮SB2X004橙汁指示灯HL3Y004葡萄汁按钮SB3X005葡萄汁指示灯HL4Y005绿茶按钮SB4X006绿茶指示灯HL5Y006红茶按钮SB5X007红茶指示灯HL6Y007奶茶按钮SB6X008奶茶指示灯HL7Y008咖啡按钮SB7X009咖啡指示灯HL8Y009可乐按钮SB8X010可乐指示灯HL9Y010牛奶按钮SB9X011牛奶指示灯HL10Y011确定按钮SB10X012投币指示灯HL11Y012取消按钮SB11X013推出饮料电磁阀YVY013多选按钮“2”SB12X014多选按钮“5”SB13X015452流程设计PLC控制的自动售货机的程序流程图如图44所示。开始系统初始化顾客按下所选择的商品按钮投入钱币钱币累加并显示找零、退币、送出商品系统自检有货吗辨别真伪满足商品价格是否有余额报警报警并退出伪币送出商品NYNYNYYNYN图44自动售货机程序流程图453PLC与现场器件的连接PLC与现场器件的连接图如图45所示。ST1ST2ST3SB1SB2HL1HL2SB3SB4SB5SB6SB8SB9SB10SB11SB12SB13SB7X000X001X002X003X004X005X006X007X008X009X010X011X012X013X014X015HL5HL6HL3HL11HL10HL8HL7HL9HL4YVYA1YA2COMFUDC24VCOM1Y002Y003Y004Y005Y006Y007Y008Y009Y010Y011Y012Y013COM2Y000Y001图45PLC与现场器件的连接图454投币程序设计在投币的过程中，每投入一次钱币，投入显示将增加相应的币值，余额也增加同样币制。在下图46中，主要是数据传输程序和数据累加程序。接通电源后，M8013、M0闭合一个扫描周期，5角、1元、5元的信息被传送至D0、D1、D2中。光电开关ST1、ST2、ST3分别检测5角、1元、5元钱币的投入数，并将检测结果累加至D5中，程序产生一个周期为400MS的比较脉冲，比较D5中硬币的累加值。图4Y007Y010Y011Y012SETS0X011STLS0ZRSTD1D10ZRSTT0T6ZRSTC0C3SETS20S20STLX001M0X002M1X003M2S20T0PLSM0INCD1PLSM1INCD2PLSM2INCD3PLSM3T0K30M3M4M5M50MULD2K2D4PLSM5PLSM50PLSM4SETS21MULD3K10D6MULD4D6D8ADDD8D6D9S21STLM6M8M9M7M7X004S21M10M12M13M11M11X005S21M14PLSM6CMPK5D9M7RSTY000SETS22PLSM10CMPK6D9M11RSTY000SETS23PLSM14CMPK11D9M15M16M17M15M15X006S21M18M20M21M19M19X007RSTY000SETS24PLSM18CMPK20D9M19RSTY000SETS25启动设备5角计数1元计数5元计数将1元转化为多个5角总钱数可乐指示灯橙汁指示灯红茶指示灯咖啡指示灯6投币程序设计相应的指令为STLS20LDX001PLSM0LDM0INCD1LDX002PLSM1LDM1INCD2LDX003PLSM2LDM2INCD3LDS20OUTT0K60LDT0PLSM3MPSANDM3MULD2K2D4MPPPLSM4MPSANDM4MULD3K10D6MPPPLSM5MPSANDM5ADDD4D6D8MPPPLSM50MPSANDM50ADDD8D1D9MPPSETS21455比较、选择、购买程序设计价格的比较要贯穿购买过程的始终，只要余额大于某种商品价格时，就需要输出一个信号，提示可以购买，这里只要选择指示灯来代表此信号；当投入的币值可以购买某种商品时，按下相应的“选择”按钮即可在出货框中出现该种商品，同时液晶显示屏中显示出已经消费掉的金额，余额也将扣除已消费的币值，接着余额继续与价格相比较，判断是否能继续购买。出现在出货口的商品在没有取走前，一直保持显示状态，用鼠标点击该商品代表已经取走，出货口中的商品隐藏。在下图46中，当D5中的累加值2元3元时，M12接通，Y010、Y011接通闭合，橙汁指示灯、红茶指示灯亮，相应的常开触点闭合。当按下可乐按钮时，X007常开触点闭合，M20、Y007、T2接通，推出饮料电磁阀YV通电，推出可乐，同时T2、T3产生占空比为50、周期为400MS的闪烁程序，即Y000接通200MS、断开200MS，可乐指示灯闪烁。由于X004闭合，T6接通，经过8S后YV失电，停止动作，同时D5中的数据减去可乐费用3元，剩余值存于D5中，作为需找钱的数值。T2K100Y004STLS23T2S0Y010S21T2PLSM28M28SUBD9K6D9PLSM29M29CMPD9K0M30M31M30RSTY010SETY000SETS31STLS31M8013X000X010SETS34S31PLSM33M33DIVD9K2D9X010X000PLSM49M49MULD9K2D13ADDD13D10D9剩余钱数继续购买T1K100Y003S0Y007S21STLS22T1T1PLSM22M22SUBD9K5D9PLSM23M23CMPD9K0M24M25M24RSTY007SETY000SETS30STLS30M8013X000X010SETS34S30PLSM27M27DIVD9K2D9X010X000PLSM48M48MULD9K2D11ADDD11D10D9剩余钱数西瓜汁指示灯继续购买图47比较、选择、购买程序设计相应的指令为STLS21PLSM6LDM6CMPK5D9M7LDM8PLSM10LDM10CMPK6D9M11LDM12ORM13LDM14CMPK11D9M15LDM16ORM17OUTY011CMPK20D9M19LDM20ORM21OUTY012ORM9OUTY007LDM7RSTY000LDIM7ANDX004SETS22LDS21OUTY010LDM11RSTY000LDIM11ANDX005SETS23LDS21PLSM14LDM15RSTY000LDIM15ANDX006SETS24LDS21PLSM18LDM18LDM19RSTY000LDIM19ANDX007SETS25456退币程序设计在退币过程中，最主要的是完成退币的运算过程，根据结果输出相应的钱币，退币结束时还要使用到的某些寄存器重新赋零。在下图48中，T6动作，使得Y004接通，找钱执行机构动作，YA为找钱光电计数开关，找出5角的钱币经过C1技术，其数字为D5中的剩余值。当C1计数至D5中的值时，C1动作，使得M33动作，Y004断开，找钱完毕。D5、C1复位，为下一次自动销售饮料做好了准备。当投币数大于3元时，其控制过程与按可乐按钮时的控制过程类似，不再赘述。Y012S21T5K20C1D11Y002Y001Y000S34STLS33M8013X000X010SETS34S33PLSM45M45DIVD9K2D9X010X000PLSM51M51MULD9K2D17ADDD17D10D9STLS34T5SETS35STLS35C1C2S35PLSM46S35PLSM47M46M47ADDD9K1D11ADDD10K1D12S35C2D12T6K20C3D9C3C1C2T6C1C2T6SETS0RETEND继续购买每2秒退出一次硬币恢复初始状态T3K100Y005S0STLS24T3T3PLSM34M34SUBD9K11D9