【PLC在自动售货机控制系统中的应用探究8600字（论文）】

PLC在自动售货机控制系统中的应用研究摘要在科学技术水平日益发展的今天，PLC自动售货机已经成为自动控制技术发展中的一个产物，已经被人们广泛应用于日常生活，并且已经成为零售的新形式。它能使消费者获得商品信息及购买指导，同时还可以节省人力成本。经济高速增长带来了消费量上升，产生了大量消费品，它要求大量销售渠道去消费这些消费品，而且这些消费品以前多在超市出售。为了适应消费者需求，自动售货机必须向多样化发展。但自动售货机现在却提供另一种选择，由此带来消费模式，销售环境等方面的显着改变，相对于超市这样的销售模式，这些改变没有地方的约束。因此，如何实现自动售货功能已经成为一个重要研究课题。本文设计了一款基于PLC的自动售货机控制系统，选着了三菱FX-2N的PLC，其中包括自动控制系统硬件设计，软件设计等、I/O分配，并设计其上位机的监控界面，并且完成了系统仿真。关键词：自动售货机；三菱FX-2N；I/O分配目录TOC\o"1-3"\h\u16561第1章引言 VIII页第1章引言自动售货机属于无需人工售货，与传统收货相比，不受地点限制，让购物变得更方便，提高生活效率与质量。随着科学技术水平的不断提升以及经济的飞速发展，人们对商品的要求越来越高，自动售货机也成为了商家竞争市场的一个重要武器。当前，自动售货机在美国已、日本等发达国家发展迅速，分布于许多欧美国家，但在我国，自动售货机普及率却比那些发达国家要低很多，因此，我国自动售货机前景仍然看好。自动售货机具有自动化程度高、工作效率高等特点，可以给消费者带来极大的方便。但自动售货机工作环境种类多，工作周期长，日常工作中，自动售货机不能容易受到外界干扰，控制系统在工作时，应始终处于稳定状态。所以说对于自动售货机来说，其内部的控制系统的可靠性以及稳定性是至关重要的。采用PLC作为自动售货机控制系统，操作极其方便，而且一不小心就被破坏了的说法，维护起来也很容易。控制系统设计时，主要针对售货机售货方式也有其可能包括功能之需求而进行之。首先，利用编程软件绘制设计要求的梯形图，再调试一下，未查出问题的模拟，最后，考察实验效果是否与其设计预期存在差异，若有所出入，则重新修订。第2章自动售货机的功能分析2.1自动售货机的售货方法纵观目前国际上已投入运行的自动售货机，研究发现，目前自动售货机有3种形态。一，内含弹簧自动售货机，其用法为转动取货按钮，按钮旋转，弹簧随之旋转，从而通过弹簧将货物从货道中带走，消费者便能拿着自己想买的东西。二，自动售货机则主要是靠装卸车道上待售货后的推力机器人来完成。一切销售活动都是通过精密的传感器来控制的，这台售货机在售货过程中，相对来说出错率比较低，而且也最聪明。但与此同时，也存在着不足之处，它只能出售大小与品质相对较大的产品，并且商品的轮廓需要规整。三，升降式自动售货机，在很大程度上是一种系统，用于辅助商品分配，本实用新型能够降低坠落过程中的损伤，它连同弹簧分配方法，机器人推动方法，共同销售脆弱的货物。本设计分配器采用了双螺旋进给机构，也就是双弹簧出货机构。这样的结构使得顾客能够很容易地挑选某种商品，让他们一目了然地了解到哪些产品线是包括在内的，哪些产品线没有。设计软件部分无需建立不可用报警系统。该结构通常含有驱动机器工作的马达、外形呈螺旋式，吊轮也有螺旋体和其他零件。螺旋体用每一步空隙中填满货物，这时螺旋体以旋转方式输送货物。但双螺旋在上升，因此，作用于商品的力量一般都是来自顶端、双方也有正面的声音，才能保证平稳地运输。后期应用时，就算自动售货机出售那种不规则的液体的产品，也没有“卡货”可能。2.2自动售货机的空间结构自动售货机内储存着一定量的饮品，各种饮品通过其固定货道从机内流出。本设计依据所售饮料种类数来确定分配器有多条货道且每条货道为单货道。也就是一条货道可以和一种饮料相对应，所以比较容易。若售货商要增加所售商品品种，只需在现有结构基础上增加一条输出商品货道，并安装若干双推弹簧。消费者在选购某一种饮料后，电动机自动转动弹簧上的按钮，使得货道开启，取下饮料后投入分配通道内，再往下流入收集孔。自动售货机在储存货物时，其结构会随货物自身外形而变化，货物货道内所用弹簧大小会和货物匹配，所以不管货物外形如何，货物在平时不会随意脱落。尽管自动售货机商品储存类型可多种多样，但受机器尺寸限制，每件物品所能储存数量也是有限的，这就要求自动售货机商品必须得到及时的补充。自动售货机外部结构如图2.1所示。图2.1自动售货机的空间示意图2.3自动售货机的功能自动售货机能计算输入货币面值之和。货币识别设备为自动售货机提供了最为基本的功能，这一功能从硬币槽中提取金钱，再由传感器采集数据，对面值进行识别和判定。再向自动售货机传送凭据，自动售货机依据所插硬币面值来判断能否买到具体饮料，并作出相应反应。消费者在所需饮料对应按钮时，相应地启动发动机，控制饮料用弹簧转动，饮料在货道上滑入取货口，客户取出机内饮料，成交。这个装置装有硬币操作系统、对比所用货币和数值、饮料类型选择系统也有把硬币返还消费者，从而构成了商品销售全过程中的一环。自动售货机作用在于确定消费所输入的金钱，再从货币面值判断能买到这些东西，并做出了相应回应。2.4自动售货机的使用流程当你到自动售货机买东西的时候，你可以按下开始按钮，然后把硬币放好。如果你插上硬币之后没有选择饮料的话，马上按下硬币退款按钮就会把硬币完全掏出来。想买饮料时，先按下需要买饮料的位置，等东西捡到。取货时，触碰“退款”按钮，机器就会自动返还余额。抽取零钱是用硬币制成，由于钞票极易破损、皱褶、受潮。若要被设计为寻找纸币零钱将是很困难且费用昂贵的。硬币较纸币硬度大，不易破损，可多次重复利用。所以售货机退款时只用一元、五角硬币。使用过程见图2.2所示。图2.2自动售货机使用流程图第3章自动售货机控制系统硬件设计3.1自动售货机的控制要求分析由于对该自动售货机控制系统设计条件未作明确规定，故在设计时给出了一些具体假设。假定本次设计自动售货机运行流程为：（1）这台售货机里可以放一元、五元或者十元钱币。（2）当投币总额为2元，可以买纯净水按钮上的指示灯点亮；在投入金额大于等于5元的时候，全部纯净水及牛奶按钮指示灯亮。（3）在纯净水按钮灯点亮的时候，然后按动纯净水按钮，那么纯净水排完2s就会自动关闭，在这一时间里，纯净水的指示灯全部闪烁。（4）在牛奶按键灯点亮的时候，再次按动牛奶键钮，然后把牛奶排2s钟就会自动停止工作，排出的这2s期间，牛奶下指示灯亮。（5）在投入硬币总额大于按钮规定硬币数后，找钱指明灯亮，指示找钱行动，退出全部余币，找钱，指示灯都是6.3V。3.2PLC型号的选择（1）PLC的工作原理PLC用户的工作就是在系统程序管理之下完成应用程序的开发。从硬件到软件都有一些初始操作并且持续几个阶段（图3.1）。图3.1扫描过程（2）PLC的选型选择满足设计需要的PLC是至关重要的。国内外厂家均采用可编程PLC生产控制，达几百种，性能特点亦不尽相同。在设计时一定要兼顾方方面面，并且筛选出了目前最为合适的设计自动化系统。PLC容量选择要满足设计检查的要求，并且应该考虑避免今后对空间要求过高的必要性。逻辑语句在存储词中占据存储空间。同步，计数，偏移等、算术、数据传输及其他语句会占用存储空间。从整体上看，约需考虑1/4的实际需要。本文分析了自动售货机的系统设计与控制需求，本设计由一枚硬币，三张纸币投入组成，也就是投入1元硬币与纸币，投入5元纸币与10元纸币，和3个开关按钮。也就是买纯净水按钮、买牛奶按钮，退钱按钮，这3个输出均具有相应的一个个指示灯。该设计采用了小型电机来控制饮料，硬币找零。本设计采用三菱FX-2N系列PLC，达到了设计要求。该系统共包含7个输入点和6个输出点。3.3电机的选择电动机选型我们可参照电机驱动负载类型、电气模型、额定功率、电压、电流和转速。（1）电机型号、电流、转速针对自动售货机，装置所需速度要求选择最高速度、是否调速等，以选定电机额定电流型号（如直流电或者交流电）。然后根据供电情况的具体情况，确定所选电压。然后根据电器和生产机械设备的组装，结合电机所需组装地点的周边环境，决定所选电动机型号。然后根据配电情况对输出功率进行选择。现有产品如无我们所需，可从厂商定购满足特定要求的电动机。（2）电动机型式种类的选择选电动机从供电为交流电或直流电、电动机运行环境、电动机运行模式、电动机功率及转速、是否需变速。①先选用用三相鼠笼型异步电动机。因其结构具有机器操纵简单，经久耐用的特点、管理工作安全，可靠、产品价格低廉，维护简单等特点，但其主要缺点在于机器调速比较复杂、输出功率因子小、起动扭矩高，起动转矩小。因此，它一般被用来作为一般制造设备传动，这些设备机械特性比较坚硬，或者没有具体调速要求，例如，生产一般发电机及效率在一百千瓦以下的自动水泵或者风力发电机等生产设备。②尽管绕线型电机价格高于马笼型电机，但其机械特性还可通过在转子上加上电流来调节，这样就可以在启动过程中控制输出电压，提高启动转矩，所以还可以适用于电源容量比较低的场合，但是在电机输出功率较大，且具有一定调速条件下运行的地方，例如某升降装置、卷扬提升装置等、锻压机及重型机械中梁的运动情况等。③调速范围比较大时，首先可以选择滑差电动机。这种电动机由于安装地点不同，有卧式与立式之别。一水平安装，一竖直安装，因此，这2种电机是无法替换使用的。通常，我们都尽可能选择卧式电动机，由于立式电动机的造价较高。（3）电动机防护型式的选择电机保护种类很多，在实际选择时需根据不同工况环境，选择适当保护类型的电机。电动机保护型式有启动式、保护型、全封闭和防爆型等、潜水式和其他一些类型。通常是开启式的，由于其价格较便宜，但是它仅适宜在干燥，清洁的环境中使用，全封闭类型电机，适合灰尘比较大的情况，比较凌乱的环境，还适合在较湿润环境中使用，在进行水下作业的时候，然后选择潜水式。在易燃易爆炸环境下作业时，应选用防爆型。（4）电动机电压和转速的选择自动售货机电机电压选取，应结合具体的配电情况进行选用，比如摆放在学校商场之类的场所，就应选用220V，出厂时采用380V的。电动机转速选择，由于按转速与转矩的关系选定，自动售货机用电机，其中最为重要的就是电机的尺寸大小，尽量选择小一些，由于转矩越小，一般最大转速越高，自动售货机的速度约2000，因此选用转速越高电动机越好，体积尺寸越小越好，那么经济性就越好，但若由此导致发电机与被驱动机最高转速相差太大，需要安装的减速装置，驱动级数越多，这将加大安装成本费用，同时也会加大传动系统电能消耗。因此，必须加以分析对比，择优决定。目前，人们普遍采用电动机，主要均为4极1500r/min电动机，由于这个最高速度的电动机适用广泛，并且它的功率因数高，工作效率高。自动售货机客户消费完之后，送出商品的方法就是通过电动机带动弹簧，然后弹簧把商品推落到客户能够得到的取物槽中。因此结合产品的送出方式选择步进驱动电机进行设计，步进电机控制器应与24V附近的电源连接，能发出一个平滑的脉冲信号并输入到步进电机驱动器中，再通过步进电机驱动器将其转换为电流信号来控制步进电机工作，准确的脉冲数量能控制电机的旋转角度，同时通过脉冲频率来控制旋转速度。电动机主要有三条线路：开关电源、接地线及反馈信息（电动机转圈送来一定的低电平）。机械制造中让电动机旋转，恰好有饮料，电动机在转圈过程中，构成反馈信号，这一消息使得电动机停转，也有些情况下，在红外探测时，会发现商品的坠落，然后电动机停转。综合概述电机选型应适应再次人流密集处因此噪音应低、震动应轻，又要节能，降低费用，步进电机的工作效率应该更高，要能较长的时间顺利地运行。因此本设计所选电机型号采用YCT200-4A型三相异步滑差减速电动机，它具有体积小、经济实惠、防水防潮等特点，在-25℃至40℃的环境中，均能正常工作。3.4货币处理装置对货币进行加工，共有三种装置，一是投币检测投入检测设备，二是假币检测设备，三是退币输出设备，在输入输出基本的情况下，基本状态信号（除此之外）将用于将装置连接到输出装置。目前在试验过程中操作的货币标识符带有感应线圈，感应线圈能探测个别要素（例如物质，尺寸等物质）的真伪，磁场变化不一，能以电子方式分析、研究、鉴别，较先进的试验也能用聚酯光谱分析。货币的识别符号很多，但是货币退给机制实质上有两种类型：平面货币与电磁货币退回的另一类为圆柱形水箱、步进电机、反向器。针对自动售货机需求，选用平面备用装置，确定货币后，便放出了退款电磁铁等东西；当你为了找到零电子信号而接受金钱，会把真硬币分在不同值备用零件上；按照信号的过程在储存库中发起一种底部货币，并且利用回线或者马达手柄，在自动售货机上完成退换。货币处理装置的程序见图3.2所示。图3.2货币处理装置流程图3.5送出机构目前市场上自动售货机的种类很多，其各自形式千差万别，送出商品的方式更不尽相同，大体可分为如下几种。（1）旋转式送出机构该送出装置将饮料置于螺旋导轨内，以及自动售货机最底端的取物槽设计，通过电机驱动螺旋导轨旋转，在饮料流入开口的时候，便落入下面取物槽。这种槽式分配机构应用最为广泛，要求转矩大，价格昂贵。（2）转盘式送出机构上有大型喇叭形饮品存放容器，底部为一金属转盘，其四周设有多个圆槽，可通过转盘旋转使饮品落入转盘四周凹槽内销售。这使得送出机构必须具有较大扭矩，才能驱动并占用大量空气，甚至会出现卡死的情况。（3）滚筒送出机构传输机构由阶梯梁及滚轮组成，可以把几个饮料瓶放在里面，饮料瓶用步进电机带动，这些饮料瓶是由梁体与滚轮间要求较高旋转精度的开口距离不等，从而达到控制制品下落。该设备要求脉冲频率较准确，以实现对电机旋转角度的准确控制。（4）弹簧推动式送出机构该机构包括螺旋弹簧以及与所述弹簧端部相连的电机，本机构带动弹簧绕圆周转动，并且压在饮料瓶里，所设计产品传递装置由凹槽、杆件、拉伸销等组成，直线步进电机与前侧面板，后侧面板。下图3.3所示为送出机构示意图。图3.3送出装置示意图图3.3显示了送出装置的运行过程，在所述销售机构在所述下方开槽且所述顶部饮料被阻力锁定的情况下进行销售，在销售机构任职。自动售货机收到讯号后，直接步进电机开始工作，以及驱动齿轮上下运动的杠杆作用。位于所述链轮上部，凹槽会由开口下移至凹槽内，再将一饮料插入槽下部，槽口会往上转动，以及移动饮料到供给侧，由此将一饮品导向出货侧摇晃，并且槽轮的阻货面堵住了后面的饮品，发电机也停了，从而达到饮品的输出。3.6按钮装置自动售货机按键设备其特征在于，它既装有操纵按键，又装有基板，操纵按键安装于控制面板，基板安装于操纵按键一侧的反面，既装有代表部门，又装有检查机关，显示部门代表相对于操纵按键发出的信息，检查机关用于检查操纵按键是否正常工作，指示部门安装于基板上同操纵按键走向不相面对的位置。第4章自动售货机控制系统软件设计4.1软件设计方法软件系统设计方法主要有图形编程，实验编程，计算机辅助编程等。图形化编程以设计大小PLC程序为主。设计前，先选择满足你设计需要的程式，再按本身的设计规格调整程式。计算机辅助编程多采用PLC编程软件，在线仿真软件进行计算机编程与编程。本设计采用梯形图的方式进行。4.2I/O口的分配I/O口分配如表4.1所示。表4.1I/O口的分配表输入输出M0购买纯净水Y0可以找钱指示灯M1购买牛奶Y1纯净水指示灯M2Y2牛奶指示灯M3退钱按钮Y3找钱指示灯M41元Y4出纯净水M55元Y5出牛奶M610元M7M8M94.3自动售货机控制流程图设计图4.1自动售货机控制流程图4.4自动售货机控制梯形图设计依据自动售货机控制系统，我们可把自动售货机控制系统任务划分为几大设计部分，其中包括对货币的测量部分进行了设计、比较部分设计、选择部分设计、余额计算部分及退币部分。（1）投币程序M4、M5和M6是投币识别的，每次投币都要进行鉴定，3个信号之一要连接1次，投币数量将累积到寄存器，在投币过程中不得进行退币操作。它的具体梯形图见图4.2：图4.2投币梯形图（2）价格比较程序整个销售过程，价格的比较须贯穿始终，前提是，余额大于商品价格，表示什么商品可供选购的标志。比较控制器运行原理为：比较数1、2闭合后，所述后端电路接通；如相对联系中断等，后端电路则没有接通。比较触点相当于建立了比较关系后闭合的条件驱动触点；无直接触点时触点断裂。本文所设计的自动售货机，在总价格超过或等于2时，纯净水指示灯点亮，当总价大于等于5时，汽水牛奶的指示灯被同事点亮，它的价格对比梯形图见图4.3：图4.3价格比较与指示灯梯形图（3）选择商品和送出部分程序在投入的数额符合商品价格的情况下，与商品按钮相对应的指示灯点亮，只在指示灯亮的时候按一下按钮，商品才能送来，按钮不亮，则运行无效。常闭触点的互锁也是必须的，避免了两种饮品同时被选用。部分梯形图见下图4.4：图4.4选择商品程序图纯净水按钮的灯点亮的时候，按动纯净水按钮就会在纯净水流出2s的时候自动停止工作，在这个过程中纯净水指示灯会亮。图4.5出纯净水程序图牛奶按钮灯点亮的时候，按下牛奶按钮就会在牛奶流出7s时自动停奶，K70即代表延时7s，期间牛奶指示灯会亮。图4.6出牛奶程序图（4）找钱退币程序机内出现余额，退币灯点亮，在M3按钮的控制下，M8013为常开开关并自锁，确保选择退币之后，能继续发挥它的作用，例如T=30，就是指示灯点亮3秒。它的找钱程序见图4.7。图4.7找钱程序梯形图检查余款，退币分为两种方式，一是余额超过5的先退还5元，在测试其余，大于1小于5时，从1元纸币或者硬币中退。它的退币程序见图4.8：图4.8退币程序梯形图第5章自动售货机控制系统仿真调试5.1触摸屏和软件选择触摸屏为三菱GOT1000系列触摸屏GT1575-VTBA触摸屏。触摸屏是一种将计算机处理后的数据信息直接传递给用户的输入设备。由于其具有体积小、重量轻、使用方便等特点，在工业控制领域得到广泛地应用。其配备10.4寸TFT彩色显示屏分辨率为640x480，其显示及操作界面可由组态软件GTDesigner3定制，三菱FX系列PLC采用FX2N-232BD拓展接口板以实现与触摸屏进行通讯。监控软件采用三菱公司触摸屏编程软件GTDesigner3.GTDesigner3为三菱自动化GOT1000系列图形操作终端最新采用画面设计软件并集成了GTSimulator仿真软件进行仿真模拟。通过该该软件可以很方便地将触摸屏上显示的控制参数转换为PLC中相应的输入信号来驱动控制系统，从而完成对被控制对象的运行状态进行实时监视与调控。另外，GTDesigner3中仿真软件GTSimulator可以与PLC仿真软件GXSimulator无缝对接，可实现仿真系统中操作员站（OS）与自动化站（AS）的通讯。5.2界面设计系统主界面的设计，单击五角星按钮可进入系统的监控界面如附图所示：图5.1主界面图5.2监控界面5.3系统仿真然后开始GTDesigner3上设计的组态界面并单击模拟按钮，进入仿真界面。图5.3仿真界面在进行系统仿真之前，需将设计好的程序运行在仿真调试中，调试结束后，启动仿真软件进行连接的建立，程序调试结果如图5.4所示：图5.4程序调试点一元，再点五元键，可见余额已变为6元，并能点亮找钱按钮，并在60秒内不进行任何操作，系统会自动退币。如图5.5所示。图5.5自动售货机投币仿真投币数量为12枚后可发现汽水指示灯点亮，如图5.6所示。图5.6自动售货机汽水指示灯仿真点击纯净水按钮时，系统左下倒计时，经过7s的延时，纯净水就出来了，如图5.7所示。图5.7购买汽水仿真图当余额超过16时纯净水牛奶指示灯也同时亮起，如图5.8所示。图5.8购买汽水仿真图点击退币按钮后，退币指示灯亮起，系统中余额清0，退币操作结束，如图5.9所示：图5.9退币仿真图设计总结本文在国内自动化售货机发展的基础上，对自动售货机控制系统进行了分析和设计。主要完成了以下工作：1.了解和分析自动售货机控制系统的要求。2.根据自动售货机控制系统的要求和原理，识别所需的输入输出设备，识别系统的I/O部分。3.