【《基于PLC的自动售货机控制系统设计》8700字】

基于PLC的自动售货机控制系统设计中文摘要大数据时代打开了新零售的大门，新零售结合大数据可以根据不同人群的消费属性，制定适合的优化方案，更好的服务于广大消费者。随着国内二维码支付在我国全面普及。在高职及本科院校还有初中高中内自动售货机的市场情况调查中，学校里面商业情况是小型超市和小卖部数量少，学校内部多为教学办公区域和学术住宿趋于，距离小卖部较远；其二情况是消费者多为学生和老师，年纪区块集中，购买商品的种类多趋于饮料零食和文具类；这种消费环境造就了自动无人售货机非常适合在校园内应用，但是高级的自动无人售货机成本高售价更高，将此应用到校园非常不匹配。基于可编程控制器作为主要的控制核心来设计的自动无人售货机工程设计，以一个小系统的开发设计流程，硬软件系统集成，其目的是为了解决校园内广大师生对于平日生活类商品的需求，不但兼备实用，其市场也有现实的意义。本系统设计方案是以基于PLC的的一款简易自动控制售货控制系统,硬件总体设计主要内容包括自动售货机外形设计、I/O资源分配以及基于PLC控制的电气原理的设计;系统软件设计主要内容是基于PLC的梯形图程序设计,包括控制系统计币复位程序设计部分、缺货提示的程序设计部分、购买以后出货的程序设计部分、货币不足的程序设计部分、将投币金额数值显示在七段数码管上的程序设计部分，货币自动感应及币值累加的程序部分以及处理退币和找零的程序设计。关键词：PLC;自动售货机；新零售；软件设计；目录TOC\o"1-3"\h\u8895第一章引言 818401.1选题的背景和意义 8240291.1.1背景 8279721.1.2意义 880731.2国内外研究现状 8300711.2.1国外自动售货机的研究现状 8252941.2.2国内自动售货机的研究现状 9138431.3重点解决的问题和思路 9287601.3.1研究的主要问题 9213681.3.2解决思路 1010686第二章自动售货机的介绍 10183512.1自动售货机的功能介绍 10277762.1.1自动售货机的基本功能 1080122.1.2自动售货机设计的基本思路 1129712.2PLC的概述 11162012.2.1PLC的产生 11262072.2.2PLC的发展趋势 12263472.3PLC的选型原则 133923第三章自动售货机的硬件设计 14137353.1控制要求 14191873.2自动售货机电机的选型 15321013.2.1电机选型 15116473.2.2电机功率计算 15111493.3I/O分配表 166209自动售货机PLC的I/O地址分配表如图表1所示： 16101743.4I/O接口图 1766333.5电气原理图 18156643.6MCGS仿真 1948553.6.1仿真效果 19248883.6.2MCGS脚本介绍 2128773.6.3MCGS脚本程序 2352第四章自动售货机的软件设计 25113184.1设计思路 25254534.2流程状态图 26144014.3控制程序介绍 2714844.3.1计币复位 27181164.3.2售货机启停辅助继电器 2776834.3.3投入币值 27176704.3.4显示在七段数码管上 2861854.3.5选择饮料 2868884.3.6饮料的排出 2924613第五章参考文献 318755第六章总结 3228061附录 33第一章引言1.1选题的背景和意义1.1.1背景纵观自动售货机的发展趋势,它的出现是由于零售业所付出的人力成本大,耗时长,所消耗的劳动力成本以及单一繁琐的工作带给人们的负担大,而劳动力本身的回报小。而与之相对的中小型商品超市、大型商品百货店和购物中心商场等新的商品流通渠道的不断产生,这就造成了劳动力成本的进一步上升，而又随着人民生活水平的提高，生活成本也在不断提高，给商家带来的结果就是劳动力成本不断攀升;此外还有商场购物及小商店的地域局限性及其商场购物的交通便利性等这些客观因素的受限,自动售货机这样作为一种新型的贩卖日用商品的专用机器便随着人们的需求而生了。1.1.2意义自动售货机也就是需要投入大量硬币、纸币、进行扫描二维码等等在付款后便捷就可以进行销售各类商品的一种机械。从服务供给的基本条件上来看,它不仅可以充分起到补充系统人力资源的不足,适应国际消费市场环境和人们消费生活模式的不断变化,出现24小时无人人工售货的服务系统使它可以更好地省时省力,这也是使得系统运营时期所需要的商品成本少、面积小,有高的吸引力和人们对于购买各类商品的强烈好奇心的系统性质好处所在,可以很好地解决目前人工售货费用不断上升的成本问题等各项面的优点。1.2国内外研究现状1.2.1国外自动售货机的研究现状国外自动售货机最早出现在上世纪六十年代左右的欧美国家，那时在美国的地下交通上客口旁边，人们可以用硬币买到可口可乐饮料。这是一种新型零售方式，从上世纪八十年代开始，自动售货机在几个发达国家中有了普遍应用和发展。1942年,在推动全国现代食品市场整体销售中首先深入研究推广了自动送货入库网上售货的现代食品市场销售质量管理服务方式。1950年,英国目前全国杂货食品生产加工厂及杂货食品零售连锁行业只有500家,其门店必须采用一台大型自动售货机才能进行自动售货。1.2.2国内自动售货机的研究现状近十年来，中国的大中型城市开始应用自动售货机，车站，大学校园等场所都会出现自动售货机的身影。在七八年前，南方一线城市有大约不到两千台自动售货机，但这个数字远远满足不了人们的购买需求。进入二十一世纪以来，中国经济开始迅猛增长，零售商业持续发展和需求扩大刺激无人售货的发展。自动售货机所代表的新型销售模式、给人们带来的高级感科技感、24小时自动售货、机体自身远比商店及大型商场所占面积小得多，而且非常灵活，也具有可移动性等特点。这使得自动售货机收获了一二线城市市民的青睐。这一点也就使得无人自动停车售货在目前对于我国也已经可以开始逐渐的的得到广泛应用。1.3重点解决的问题和思路1.3.1研究的主要问题通过对国内外自动售货机研究现状的研究分析，得出国外自动售货机起步早，于欧、美、日等国家中很多早在上世纪六七十年代便开始流行于他们国家的大街小巷中。而我国对自动售货机的应用起步晚，好在我国人口基数大，购买力强劲，GDP先又稳居世界前列。基于上述问题分析,本文的设计以基于PLC系统作为商品控制系统核心的设计基础上又以设计开发出一款简易的小型自动售货机控制系统软件为主要目标,设计主要旨在研究两个基本方面的主要内容:一个就是应用硬件总体设计主要内容包括用于控制核心系统硬件总体设计、设备硬件选型、I/O资源分配以及基于PLC应用硬件系统接线图的总体设计;而是应用软件设计主要为基于PLC应用程序软件设计,包括用于系统初始和优化程序设计、缺货信息提示的应用程序软件设计、可具有购买性的商品应用程序的软件设计、货币不足的应用程序软件设计、货币自动感应及币值累加的应用程序软件设计以及用于退币后和找零的应用程序设计。1.3.2解决思路在系统硬件设计部分上,首先需要进行I/O接口图这一部分的设计,进而再去设计电气原理图的总体设计，初步地使用Solidworks软件给简易的自动售货机画出外形图并标明每个部分的名称及其尺寸。在系统软件设计部分上,首先自己设计并自行编写一个PLC梯形图,在整个设计PLC梯形图中,包括发货系统初始码优化程序设计,缺货信息提示的操作程序原理设计,可随时购买到的商品操作程序的原理设计,货币不足的程序设计,货币流量感应及币值累加的操作程序原理设计以及确定退币点和找零的操作程序设计。第二章自动售货机的介绍2.1自动售货机的功能介绍2.1.1自动售货机的基本功能在设计出符合需求的自动售货机之前，首先要做的事情是确定自动售货机的功能属性及其特性。在我们的日常生活中，身边经常能见到的售货机基本上主要都是贩卖些饮料和零食。自动售货机之所以能够进行自动售货，其最核心的地方就是可以将投入的货币的数值和客户要购买的商品价格进行比较并且进行算数运算，并根据货币数值判断是否能够购买某种商品。可以举一个简单的例子来说明自动售货机的算数功能，比如：自动售货机货架上摆放了好几种商品，其中一种商品价格为1元。现投入两个一元硬币，也就是现有金额为2元，当投入的货币大于等于这种商品的价格时，此商品的购买按钮处按下去会显示示可以购买。当按下选择这种商品的按钮时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去此商品的价格同时启动这种商品对应的出料电机，移动货架，将此商品运送到出货口。此时售货机继续进行等待外部命令，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。由此看来，售货机一次交易要涉及加法运算、减法运算以及在退币时的除法运算，这是它的内部功能。还要有货币识别系统和货币的传动来实现完整的售货、退币功能。自动售货机的工作流程图如图1所示： 投入硬币或初始状态投入硬币或初始状态投币状态投币状态按下选择按钮购买状态按下选择按钮购买状态按下退币按钮YN按下退币按钮YN是否剩余余退币状态退币状态图1自动售货机工作流程图2.1.2自动售货机设计的基本思路本次项目设计的研究题目主要是基于日本PLC的新型自动售货机远程控制管理系统,主要内容是通过应用日本三菱公司Fx2n型的图和PLC的梯形图模型来分析设计整个控制系统程序。如:PLC的基本定义、PLC的主要汇编语言、PLC的主要硬件结构组成等。根据产品设计主要内容和硬件控制功能要求首先编写出PLC梯形图,再根据外部硬件接口设计的一些相关基础知识进行设计绘制出它的内部I/O硬件接口梯形图和外部硬件接口布线图,结合梯形图和外部硬件接口布线图可以分析出并说明该产品设计的硬件控制工作原理和全过程。2.2PLC的概述2.2.1PLC的产生由于它系统结构简单、容易被工业人们所掌握、价格便宜,在一定工业应用领域范围里之内其功能完全能够满足各种工业远程控制驱动系统应用要求,因而广泛用于使用并且普及面甚广,在目前我国各种工业远程继电控制驱动系统应用领域中一直以来都是占据着市场主导地位.但是用在工业继电接触器上的这种控制系统驱动设备系统却使其具有明显的以下几个缺点:这种控制驱动设备需要工作时间体积大,可靠性差,动作速度慢,功能少,难与工业用户连接实现较复杂的工业远程控制,特别糟的一点是由于它主要应用是靠硬逻辑控制电路连线和软逻辑电路连接构成的一种控制驱动系统,接线复杂,当它的产品生产工艺或驱动控制系统对象功能发生重大改变时,原有的用于控制系统接线和用于驱动系统控制电路的键盘就要及时进行更换,所以它的系统通用性和实际操作上的灵活性都比较差。总结归纳PLC的优点就是:（1）编程方便，可现场修改程序。（2）维修方便，采用插件式结构。（3）可靠性高于继电器控制装置。（4）体积小于继电器控制盘。（5）数据可直接送入管理计算机。（6）成本可与继电器控制盘竞争。（7）输入可以是交流150V以上。（8）一个用户数据存储器至少必须能够被扩张大小到4kb(能够适应当时小型汽车设备装配继电过程的实际需要)是这十项设计指标的一个核心设计要求也就是是否采用一种软布局接线(编程)设计方式或是代替传统继电过程控制的一种硬接线设计方式,实现大中小规模汽车生产线的的全流程继电控制。2.2.2PLC的发展趋势PLC的趋势性发展总的来说在下面几个几点可以体现。(1)智能型I/O模块的发展智能型通用数字模拟I/O模块组它是以智能数字模拟微处理器和智能数字数据存储器两个模块为主要设计技术基础的一种属于功能型的集成部件,它们的两个使用CPU与它和它跟PLC的两个使用主CPU文字并行内存驱动同时工作,占用主CPU的文字内存运行时间很少,有利于不断进步提高它和它与PLC的文字数据处理扫描率和工作运行速度。(2)基于PLC的编程软件取代编程器随着移动计算机的日益广泛普及,越来越多的企业用户开始使用基于其在个人电脑计算机上的文件编程处理软件。编程控制软件用户可以对plPLC进行控制操作系统的各个硬件组态,即可以设置控制硬件的基本结构和硬件参数,例如可以设置各接口框架各个接口插槽上控制模块的硬件型号、模块的硬件参数、各串行接口通行控制接口的硬件参数等。（3）PLC编程语言的标准化与任何其他个人组织使用其在计算机中的软件过程相比,PLC

的所有相关硬件软件的内部功能管理体系以及系统结构都同样应该保持是完全相对封闭的而不是开放的。在企业通用系统硬件开发模块兼容方面,各通用硬件生产厂家等硬件模块和英特尔的通用I/O模块互不支持兼容较为通用这样就已经使得了一编程人员同时能够可以自由选择不同的各种编程通用语言进行格式输出来用以方便适应特殊的应用程序设计工作。2.3PLC的选型原则规模要适合：输入输出点所连接到的点数以及一个应用程序软件对一个存在

PLC中的硬件接口功能及一个应用程序指令的软件配置功能要求等都可以是我们判断如何选择一个存在于PLC中的应用软件机型及其硬件接口规模大小及其硬件大小的重要依据首先也就是你还需要特别注意如何确保自己有一个时间足够的点数选择时间输入、输出和其中的每个点数,并且注意保留自己有一点的点数选择时间余地(比如符合要求的点数有10%的产品备用量)。如果只是为了能够实现较简单机床的自动化,或机电设备一体化型的产品,可考虑选用小型化PLC。自动售货机的硬件设计3.1自动售货机外形图自动售货机外形图如图2所示：3.2控制要求对于自动售货机控制系统的控制运行，首先客户投入硬币，在经过纸币或硬币感应器识别出投入金额数量后，用户可对足够金额的商品进行选择，次数PLC的控制系统自主判别金额能否足够购买该商品，并判断料仓内商品数量是否足够出货，能出货则启动出货电机进行出货操作，在出货之后，点击退币按钮，此时退币电机器，进行退币操作。大体运行如图3所示：PLC商品选择开关各种指示灯PLC商品选择开关各种指示灯退币电机数量感应退币电机数量感应硬币或纸币感应出货电机硬币或纸币感应出货电机图3售货总体流程图3.2自动售货机电机的选型3.2.1电机选型自动售货机出料过程实际为电机带动皮带继而带动货架将饮料倒入出料道的过程。在此使用L293D步进驱动电机。电机驱动需要24V电压，同时控制信号需要经过L293D后变为24V左右的电源型号才可以驱动电机。3.2.2电机功率计算本次设计的自动售货机同步带直径300mm，减速比10:1，负载重量0.6KG，负载与步进电机传送带摩擦系数µ=0.6，负载最高运动速度0.4m/min。（1）计算折算到电机轴上的负载惯量JM===0.486按照负载惯量,JM<6（2）计算电机驱动负载所需要的扭矩克服摩擦力所需转矩：===0.0882加速时所需转矩：===0.0027伺服电机额定转矩>，最大扭矩>+（3）计算电机所需要转速N==0.4/(3.14*0.3)*10=4.25rpm<16rpm，按16rpm计算。（4）电机功率3.3I/O分配表自动售货机PLC的I/O地址分配表如图表1所示：表1自动售货机的I/O地址分配表输入信号输出信号名称代号输入点名称代号输入点复位开关SQ1X000矿泉水指示灯HL1Y0041元投币感应器SQ2X001可乐指示灯HL2Y0055元投币感应器SQ3X005果汁指示灯HL3Y006启动按钮开关SB1X002矿泉水接触器KM1Y000停止按钮开关SB2X003可乐电动机KM2Y001矿泉水选择按钮SB3X011果汁电动机KM3Y002可乐选择按钮SB4X012找钱电动机KM4Y003果汁选择按钮SB5X013找钱指示灯HL4Y007退币按钮SB6X014报警指示灯HL5Y0107段数码管HL6~HL12Y020~Y0263.4I/O接口图自动售货机I/O接口图如图4所示：图4I/O接口图3.5电气原理图自动售货机电气原理图如图5所示：图5电气原理图3.6MCGS仿真3.6.1仿真效果点击投入10元按钮如图6。图6选择左边矿泉水按钮，可以按到投币金额从10元变成8元，矿泉水数量从初始值20瓶减少了1瓶。出料口显示矿泉水的图样。如图7。图7此时继续选择中间可乐按钮，可以按到投币金额从8元变成5元，可乐数量从初始2瓶减少瓶。出料口显示可乐的图样。如图8。图8在此基础上，再继续选择右边果汁按钮，可以按到投币金额从5元变成0元，果汁数量从初始值20瓶减少了1瓶。出料口显示果汁的图样。如图9。图93.6.2MCGS脚本介绍投币口：①一元的按钮：投币金额=投币金额+1。即：当投入一元时，投币金额会在原有金额数值的基础上加1。②五元的按钮：投币金额=投币金额+5。即：当投入五元时，投币金额会在原有金额数值的基础上加5。③十元的按钮：投币金额=投币金额+10。即：当投入十元时，投币金额会在原有金额数值的基础上加10。退币：①退币按钮脚本程序：IF投币金额>0THEN，退币按钮=1，ENDIF。即：如果投币金额数值显示器显示当前金额大于0元，按下退币按钮，则将金额数值显示器显示的所有钱找零给客户。②退币脚本程序：IF退币按钮=1THEN，退币按钮=0，退币计时=5，退币金额=投币金额，投币金额=0，ENDIF。即：按下退币按钮，退币按钮倒计时五秒，将现在的投币金额数值赋给退币金额，现有投币金额清零。③退币判断计时脚本程序：IF退币计时<=0THEN，退币金额=0，ENDIF即：判断退币计时是否已到，当退币计时从上一个脚本设置计时的初值5秒到达时，执行退币金额清零操作。饮料选择按钮：①矿泉水：IF食品A价格<=投币金额AND食品A步骤流程=0AND食品A数量>0THEN，投币金额=投币金额-食品A价格，食品A步骤流程=10，食品A取料计时=3，食品A数量=食品A数量-1，ENDIF。即：如果购买食品A（矿泉水）需要的金额小于等于客户已经投入的金额，且食品A步骤流程到0且食品A数量大于0个，那么执行现有投币金额减去食品A价格的步骤，对食品A进行取料，在取料计时3秒后进行出料。②可乐：IF食品B价格<=投币金额AND食品B步骤流程=0AND食品B数量>0THEN，投币金额=投币金额-食品B价格，食品B步骤流程=10，食品B取料计时=3，食品B数量=食品B数量-1，ENDIF。即：如果购买食品B（可乐）需要的金额小于等于客户已经投入的金额，且食品B步骤流程到0且食品B数量大于0个，那么执行现有投币金额减去食品B价格的步骤，对食品B进行取料，在取料计时3秒后进行出料。③果汁：IF食品C价格<=投币金额AND食品C步骤流程=0AND食品C数量>0THEN，投币金额=投币金额-食品B价格，食品C步骤流程=10，食品C取料计时=3，食品C数量=食品C数量-1，ENDIF。即：如果购买食品C（果汁）需要的金额小于等于客户已经投入的金额，且食品C步骤流程到0且食品C数量大于0个，那么执行现有投币金额减去食品C价格的步骤，对食品C进行取料，在取料计时3秒后进行出料。模拟定时器IF缓存秒<>$SecondTHEN，缓存秒=$Second，退币计时=退币计时-1，食品A取料计时=食品A取料计时-1，食品B取料计时=食品B取料计时-1，食品C取料计时=食品C取料计时-1。ENDIF。即：如果缓存秒数处于变量$Second范围内，则将变量值赋给缓存秒，循环执行退币计时，食品ABC取料计时各减1，直到循环计时减为0。3.6.3MCGS脚本程序MCGS脚本程序如图10，图11图10图11第四章自动售货机的软件设计4.1设计思路（1）在自动售饮料机投币口放入1元或5、10元面值的硬币或纸币。（2）由数码管显示投币金额数值以及现在自动售货机内现有金额的数值。（3）当数码管显示的现有金额数值1元时，矿泉水按钮按下有亮起；当数码管显示的现有金额数值3元时，矿泉水和可乐按钮按下都会有亮起；当数码管显示的现有金额数值5元时，矿泉水、可乐和果汁按钮按下都会有亮起。（4）当按下矿泉水按钮时，指示灯亮，则电机带动货架，出料矿泉水一瓶。（5）当按下可乐按钮时，指示灯亮，则电机带动货架，出料可乐一瓶。（6）当按下果汁按钮时，指示灯亮，则电机带动货架，出料果汁一瓶。（7）若投币总值超过所购商品的价格（矿泉水2元，可乐3元，果汁5元），按下退币按钮，可退还售货机内剩余的钱。4.2流程状态图自动售货机的状态流程图如图12所示：投币计数投币计数累加币价累加币价D1>=2D1>=3D1>=2D1>=3可乐选择矿泉水选择比较币价可乐选择矿泉水选择比较币价D1>=5D1>=5果汁计数果汁计数减去相应的钱币减去相应的钱币退币退币退币计数退币计数结束结束图12自动售货机状态流程图4.3控制程序介绍4.3.1计币复位当它与x000接通,在第一个复位脉冲扫描信号开始到来时,m0产生一个脉冲扫描时间周期的复位单脉冲,它的常闭断开触点自动闭合一个脉冲扫描时间周期,常开断闭触点自动断开,实现了D1的脉冲复位扫描功能。其梯形图结构如如下图13所示。图134.3.2售货机启停辅助继电器当同时用户继续按下启动按钮x002时,辅助电机M2得电;当按下停止按钮时,自动售货机停止电机继续运行工作,该电机辅助继电器M2失电。其梯形图如下图14所示：图144.3.3投入币值在自动售货机已经启动的情况下,当投币口X001,X005由从关闭状态变化到开启状态时,投币计数器D1的值会自加1，即将投入币值进行累加作为计数器的当前值，并且随后会显示到七段数码管中，其梯形图如图15所示：图154.3.4显示在七段数码管上在自动售货机已经开启的状态下,将投入的金额的数值与5进行比较,并将计数器D1的数值送到位于Y020～Y026的7段数码管进行显示,即将投入币值的数值在求短数码管上显示出来。若投币总额小于3元，则报警信号灯会亮。其梯形图如图16所示：图164.3.5选择饮料在程序中，将投币总额与矿泉水的价格1元比较，若确定是3则M3或M4接通，确定排出的是矿泉水，则矿泉水按钮按下时指示灯会亮。将投币总额与可乐的价格3元比较，若确定是3，则M10或M11接通，确定排出的是可乐，则可乐按钮按下时指示灯亮。将投币总