重庆科创职业学院-- 基于PLC自动售货机控制系统的设计

1、 摘 要基于PLC对自动售货机控制系统的设计，阐述了自动售货机系统设计的基理及工作流程，然后以一次交易过程为例，把交易过程分为几个程序块，分别对程序块进行编程。在PLC梯形图的编写时。利用PLC不但可以实现类似控制功能，还具有可靠性、功能强、能耗低、调试方便等优点。本售货机主要针对纯净水、汽水和果汁的自动销售。采用可编程序控制进行实际生产过程控制，顺序严格，可靠性高。关键词：自动售货机，PLC，梯形图ABSTRACTVending machine based on PLC control system design, this paper expounds the vending machin

2、e the base principle and working process of system design, and then take a transaction process, the transaction process is divided into several block, for programming block respectively. During the writing of the PLC ladder diagram. Using the PLC can realize not only the similar control function, bu

3、t also has the reliability, strong function, low energy consumption, convenient debugging. This vending machine is mainly designed for pure water, soda and juice of auto sales.Programmable control is adopted to improve the actual production process control, strict order, high reliability.Keywords: v

4、ending machine；PLC；ladder diagram 目 录中文摘要I英文摘要II1绪论11.1自动售货机的意义及目的11.2本文主要工作12系统总体设计方案32.1自动售货机的空间结构32.2 PLC的基本工作原理32.3 系统的具体实现方案53 系统的硬件设计73.1 控制电路硬件组成框图73.2 自动售货机电机及其它选择73.3 I/O地址定义表83.4 I/O接线图93.5继电器93.6纸币的识别原理104 系统的软件设计114.1 自动售货机控制系统114.2 PLC程序设计124.3程序调试仿真165结论19致谢20参考文献21论文原创性申明22 1绪论自动售货机是可

5、完成无人自动售货，集光、机电一体化的商业自动化设备。自动售货机不受任何场所限制，方便快捷，又被称为24小时营业的微型超市。自动售货机是台机电一体化得自动化装置，在接受到货币以输入的前提下，靠触摸控制按钮输入信号使控制器启动相关位置的机械装置完成规定动作，将货物输出。1.1自动售货机的意义及目的由于大量生产、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。 在自动售货机历史的长河中，日本开发实用型的自动售货机，那是在进入

6、本世纪后的事。日本第一台自动售货机是1904年问世的“邮票明信片自动售货机”，它是集邮票明信片的出售和邮筒为一体的机器。以及50年代的，“喷水型果汁自动售货机”等。 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

7、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。通过对自动售货机PLC控制系统的工作原理的分析、系统设计、编程、及上机调试工作的实践，了解电器控制系统的一般设计思路，熟悉和掌握外围电路系统和软件设计的方法。 1.2本文主要工作售货机的最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购买某种商品，并做出相应的反映。因此，售货机应能够辨识机内包含的商品：售货机应该能够显示已投入的币值，以及再投入货币累计显示；同时提示可以购买的商品(或商品的编号)。当按下选择商品的按钮时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去该商品的价格，同时起动相应的电机，提取该商品到出货口，此时售货机

8、继续等待外部命令，如继续交易，则同上，如果此时不再购买，则按下退币按钮，售货机进行退币操作，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到加法运算、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、以及货物和货币的传动系统，来实现完整的售货、退币功能。本文的主要工作：文中详尽地介绍了自动售货机的各硬件组成，并完成了PLC外部接线图。在PLC梯形图的编写时，文中采用的是PLC梯形图。介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，然后以一次交易过程为例，把交易过程分为几个程序块，然后分别对程序块进行编程。具体说明了可编程序控制器在自动售货机中的作用。程

9、序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。利用PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性，保证自动售货机能够长期稳定运行。 2系统总体设计方案2.1自动售货机的空间结构自动售货机中储存有一定量的饮料，每种饮料都要通过货道而出去，因为该设计中售8种饮料，所以该售货机可设置成3个货道，而且为单货道，即每种饮料占用一个货道，这样比较方便，如果以后需要扩展卖更多种商品的话，根据商品的摆放设置多个双推进弹簧。当需要够买某种饮料时，电动机会带动弹簧转动一圈，将饮料转出，掉如道出货通道中，滑落到取物口。饮料在售货机种的存放形式为每个弹簧间隔固定一个单位饮料，并且每种饮料都要与弹簧螺距尺寸匹配，这样可将饮料卡紧不

10、致自动掉落。在自动售货机上可以储藏多种饮料，但总体数量是有限的，所以自动售货机也需要及时的补货，如图2-1所示。图2-1 自动售货机的空间结构示意图2.2 PLC的基本工作原理PLC采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的扫描全过程如图2-2所示。 输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。 程序执行阶段

11、在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出,如图2-2所示。图2-2 PLC的扫描全过程显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此可见，若输入变量在I/O刷新期间状态

12、发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I/O刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成不利影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬间干扰而引起的误操作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些

13、特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响。2.3 系统的具体实现方案自动售货机的各种动作功能和控制要求，给出了完整的自动售货机操作规程并介绍了自动售货机运行系统中所包括的人工操作步骤在实际生活中，我们见到的售货机可以销售一些简单的纯净水、汽水、果汁、牛奶等。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。例如：售货机中有2种商品，A商品价格为2元，B商品为3元。现投入1个10元纸币，当投入的货币超过A商品的价格时，A商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，B商品也提示。当按下选择A商品的价格时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中

14、减去A商品的价格同时启动相应的电机，提取A号商品到出货口。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。自动售货机设计的主要使用流程如图2-3所示。 图2-3 自动售货机的使用流程1.此自动售货机可以投入1元、5元、10元的货币；2.如果顾客投入货币在限定的时间内2分钟不按任何按键，自动售货机将退还所投货币；3.当投入货币的总值等于或才超过物品价值时，

15、对应的物品指示灯亮绿灯；4.当物品对应的指示灯亮绿灯时，按下按下相应的按键，相应的物品排出，同时指示灯绿灯闪烁； 5.如果顾客投入货币总值超过所选物品的价值时，自动售货机会自动将余款退还顾客；6.如果顾客投入货币后又不想买物品，按下退款按键，自动售货机会自动将余款退还顾客； 7.找零时顾客可选择退5元的还有1元的；8.当物品不足时，对应的物品指示灯亮红灯，顾客按下相应的按键无反应不出物品，不减余额），并向总部发送所缺物品。 3 系统的硬件设计3.1 控制电路硬件组成框图 自动售货机的控制部分硬件包括PLC、货币识别器、各种按钮、各种指示灯和接触器，如图3-1所示。图3-1 自动售货机控制部分硬

16、件组成框图3.2 自动售货机电机及其它选择（1）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。但是要使用直流减速电机，这样可以增大扭矩，使饮料的弹出得到保证。虽然现在一般使用的电动机大部分为交流电机，但在自动售货机上，售货的时间很短，因此需要在很短的时间内启动，也需要在很短的时间内制动，交流电机不能满足这些要求，因此使用之路电动机比较好。表3-1 电动机选型减速电机额定电压额定功率转速

17、减速比XINX-37JSDC +12V3W16R.P.M1：10（2）接触器的选择因为使用的是直流电机，所以选用24V直流接触器。直流接触器的电磁机构无涡流和磁滞损耗，铁心由整块软钢组成，端面上无需装短路环，采用磁吹式灭弧装置，线圈匝数多。直流接触器的操作频率较高，如图3-2所示。图3-2 主要接线图3.3 I/O地址定义表此控制系统可采用自动工作方式，输入信号为汽水、果汁、咖啡按钮、5角、1元、5元钱币投入识别口记数；输出信号为汽水、果汁、咖啡排出电机、找钱电磁阀及相应指示灯等16个输入点，14输出点。I/O地址定义如表3-1所示。表3-2 自动售货机控制系统I/O地址定义表输入点地址功能输

18、出点地址功能X0启动Y0纯净水选择灯X1暂停Y1纯净水出货电机控制X21元输入Y2果汁选择灯X35元输入Y3果汁出货电机控制X410元输入Y4牛奶选择灯X5纯净水选择Y5牛奶出货电机控制X6果汁选择Y61元传动电机控制X7牛奶选择Y75元传动电机控制X101元退币感应器Y10出币选择灯X115元退币感应器Y11制冷控制X12出币选择Y12照明控制X13温度传感器Y131元缺币报警X14光度传感器Y145元缺币报警X151元硬币传感器Y15缺货报警X165元硬币传感器X17缺货传感器3.4 I/O接线图自动售货机控制系统I/O接线如图3-3所示。图3-3自动售货机控制系统的PLC输入输出的接线3

19、.5继电器继电器输入触点寿命对于接触器、电磁阀等感性负载的额定寿命，当负载为20VA时为50万次。测试提供的继电器使用寿命指标如表3-3所示。测试条件为接通1秒/切断1秒。如果电流太大，则继电器触点的寿命会显著缩短，因此，应引起足够的重视。 表3-3 PLC的继电器触点寿命测试表负载容量触点寿命适用负载举例200.2A/AC100V300S-K10-S-K950.1A/AC200V350.35A/AC100V100S-K100-S-K1500.17A/AC200V800.8A/AC100V20S-K180-S-K4000.4A/AC100V3.6纸币的识别原理纸币识别器是由主控部分、传感器、去

20、等组件、A/D转换器、外部存储、电机、模式选择、电源版等组成的一个单片机控制系统。通过多个接口把紫外、磁性、红外穿透引入主控器。把正常钞票在个传感器中的信号进行统计取样、识别，并寄存下来，作为检测的依据。当识别纸币时，把在各通道接口接收到的信号参数与原来寄存的信号进行比较、判断。若有较大差异，则使电机反转。纸币相对于硬币来说，识别会麻烦一些，纸币中常常会出现一些假币，所以能够识别货币的真假时之比识别器的一项重要功能。人民币的制作一般采用的时专门的纸张，假钞通常是采用经过漂白处理的普通纸张。经过漂白处理的纸张在紫外线的照射下通常会有荧光反映，而人民币则没有。因此，紫外线可以检测纸币真伪。利用红外

21、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。纸币识别器由双向微型电机和捻纸皮带组成传动机构，检测则由荧光检测、光敏电阻和红外线对管等组成。当由纸币投入时，入口处红外线被遮挡，接受管发出信号电机正转，捻纸皮带将纸币送入，在此过程中，各种检测元件对纸币进行全面检测，如果被判定与原有储存参数不符，则电机反转，将纸钞退出，如果符合内部参数信息，则进入纸钞进入内部贮钞箱。也通过通信传达给PLC以实现控制，纸币的识别器选型如下表3-4所示。表3-4 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 55C4 系统的软件设

22、计4.1 自动售货机控制系统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，在软件仿真。如图4-1 控制系统流程图4-1 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。显示可购买如下图4-2外部设备，按下退币可退币。图4-2外部设备4.2 PLC程序设计一自动售货机系统主要包括：记币系统、比较系统、选择系统、提货系统和退币系统，还有就是其他的运行监控系统和报警系统。1.记币系统当有顾客购买时，每投入一次钱币都得经过感应器进行真假监辨后，再给P

23、LC进行计币的指令。当发现伪币时，感应器不给PLC累计投币值的指令，同时自行退出伪币。而当PLC接收到感应器传来的记币的指令时，PLC自动把接收来的货币对应的数据累加到寄存器D0中。PLC编程梯形图如图4-3。 图4-3 PLC进行记币过程的梯形图梯形图是使用了三菱PLC专用的PC编程软件FXGO_WIN-C（中文版）所编出来的，下面的梯形图将也会是这样出来的。由图可以知道我是把投进的不同货币，进行不同的记录，并把总数目都寄存到寄存器D0中。为了避免小数点的影响，我是把货币的数据化成整数进行处理的，这样可以减少自己在编程时会出现的差错。X002X004为设置为高电平的输入，这样中间继电器M1M

24、3侧为一周期内都会保证了X002X004的输入有效。一方面避免了扫描漏了有投币的有效反应；另一方面也可以避免了不良输入对记数的不良影响。2.价格比较系统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价格时，就需要输出一个信号，提示可以购买。投币完成后，系统会将D0内钱币数据和可以购买的饮料价格进行比较：当投币2元，则没有可购买的商品指示灯亮，表示所投钱币不能购买任何东西，此时可以继续投币或退币；只有投币在2元或以上时会见到汽水选择的指示灯长亮，此时可以选择购买纯净水或退币；同样，大于3元的就有果汁的选择显示，4元就出现牛奶的选择显示，此时都是可以选择购买或退币。PLC编程梯形图如图4-4

25、。图4-4 PLC进行价格比较过程的梯形图 在梯形图4-4中，为了实现数据的实时比较，用了一个特殊内部继电器M8000,在程序执行过程中，M800始终保持闭合，FNC10 CMP是16位数据比较指令，用它来比较余额和商品的价格。当余额大于等于某种商品价格时，程序使相应的指示灯亮起来表示可以购买该种商品。为了优化程序，我都设计了比较的价格是比商品的价格少1角的。因为余额都是五的倍数，少一就可以达到等于或大于商品价格的意图了，还可以用上中间继电器来辅助显示可选商品的等亮起来。3. 选购商品系统当投入的币值可以购买某种商品时，即商品下相应的指示等亮了，按下相应的“选择”按纽即可在出货框中出现该种商品

26、，同时消费显示栏中显示出扣除已经消费掉的金额的余额币值，接着余额继续与价格相比较，判断是否能继续购买。 若余额还能符合上面比较过程的条件时，相应商品的指示灯还会亮的，不然灯不亮了。PLC编程梯形图如图4-5。图4-5 PLC进行选购商品过程的梯形图在梯形图4-5中，一是要使商品出现在出货框中，二是要实现内部货币的运算。以第一步为例，按下选择汽水相应键，X005施加一个脉冲的信号（只能接受一次的脉冲信号），X006，X007的常闭可以保证了汽水的选购时就不能同时执行其他商品的选购运作。当X005接收到一个脉冲信号时，在这个工作周期内，系统就会只对汽水进行出货的操作，同时也会对余额进行扣除汽水价格

27、的处理。这样就完成了一次购买的执行。这时，系统又跑回了比较的过程中去了。4.退币系统系统可在顾客购买完饮料后退回余币。按下退币按钮后，数据寄数器D0内的币数除以10，商的整数部分就是需要退回1元硬币的个数并储存在D1上，余数就自动的默认在D2上；在把D2的数据除以5，商的整数部分就是需要退回5角钱的个数，并储存在D3中（这里由所可投的货币限制来看，5角钱个数就只有两种情况，0或1，故在选PLC时可以只给这里的留一个端口就行了。）选择退币的同时起动2个退币电动机。2个感应器开始记数，当感应器记币的个数等于数据寄存器的退币数时，退币电动机停止运转。PLC编程梯形图如图4-6。图4-6 PLC进行退

28、币过程的梯形图4.3程序调试仿真以投入5个1元，买牛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4-7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（表示牛奶）。图4-8 X001接通5次后状态 图4-9 按下牛奶按钮后状态图4-10 选择牛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4-11 退币前的状态图4-12 退币后状态5结论 通过本次PLC设计使得我对PLC的操作更加的熟练，同时掌握了自动售货机的基本工作原理，对自动售货机的发展也有了一定的了解更加充分的体会到了PLC在实际生活中的重要应用与在当今控制领域的重要地位。与此同时，我对PLC有了更进一步的了解，同时对PLC的高效性和