四种价格货物的自动售货机设计

- I - 苏州经贸职业技术学院 毕业设计 题目： 四种价格货物的自动售货机设计 系 部：机 电 系 班 级： 11 机电 31 专 业：机电一体化 姓 名： 学 号： 指导老师： 2013 年 5 月 - 摘 要 本文简要介绍了自动售货机的发展现状，分析了自动售货机的基本功能及工作方式，设计了一个基于 编程控制器） 的自动 售货机控制系统及用 其进行仿真。 通过对自动售货机的总体设计要求分析，给出了软、硬件设计与实现方案。在 制的设计部分中，详细介绍了自动售货机的系统 I/O 分配情况和外部连接线路，给出了 序采用了模块的编程思想，按照自动售货机系统的内部工作过程编制梯形图程序，很好的达到自动售货机的各项性能指标，可以在实际系统中进行应用。利用 态软件能够提供良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法的特点，设计出来交易画面，并配合相应的 序，以便实现购买的功能。 文章 以一次交易为例，把交易过程分为四个部分：初始状态、投币状态、购买状态和退币状态，各部分都设计出了相应的 序以及监控画面与 动画连接，达到设计要求。 关键词： 可编程控制器；自动售货机 ； 监控画面 - 目 录 摘 要 ······································································································· 1 章 绪论 ··································································································· 1 动售货机的发展背景 ········································································· 1 介 ·············································································· 1 介 ···················································································· 1 控组态软件 ··································································· 3 课题研究的主要内容 ········································································· 4 结 ··································································································· 4 第 2 章 课题任务分析 ······················································································· 5 计主要条件及技术参数 ······································································· 5 计方案的原理及要求 ·········································································· 5 制原理 ···················································································· 5 制要求 ···················································································· 5 结 ··································································································· 6 第 3 章 自动售货机控制系统的硬件设计 ···························································· 7 ····················································································· 7 性能指标及选型 ·········································································· 7 感器介绍和选择 ················································································ 9 感器的定义及作用 ····································································· 9 感器的组成及分类 ····································································· 9 位机硬件组态 ················································································· 10 位机组态项目 ················································································· 13 结 ································································································· 15 结 论 ······································································································ 16 参考文献 ····································································································· 17 致 谢 ······································································································ 18 - 1 - 第 1章 绪论 动售货机的发展背景 自动售货机是能根据投入的钱币自动付货的机器。自动售货机是商业自动化的常用设备，它不受时间、地点的限制，能节省人力、方便交易。是一种全新的商业零售形式，又被称为 24 小时营业的微型超市。 自动售货机 这 一种全新的商业零售形式， 是从 20 世纪 70 年 代自 日本 和欧美发展起来 ，并 正在走向信息化 和 进一步 的 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 10－ 15%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。 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 。 介 可编程序控制器 （ 现在一般简称为 它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。 在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位 ， 传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控 制盘（柜）就必须随之改变- 2 - 或更换，通用性和灵活性较差。 应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的 乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要 尤其近几年来 械、石油、化工、轻功、电力等各行业。 可编程序控制器，是以微处理器为核心的通用自动控制装置。它具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于扩展、通用性强等一系列优点，不仅可以取代继电器控制系统，还可以进行复杂的过程控制和应用于自动化网络，被誉为现代工业生产自动化的三大支柱产业之一。 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。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计 。 高可靠性是电气控制设备的关键性能。 于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性从 用 成控制系统，和同等 规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低 。 此外， 有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息 ， 在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品 ， 可以用于各种规模的工业控制场合 ， 除了逻辑处理功能以外，现代 多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域 ， 近年来 功能单元 大量涌现，使 透到了位置控制、温度控制、 各种工业控制中 ， 加上 信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 成各种控制系统变得非常容易。 为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备 ， 它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能 ， 为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 特点如下： 1、控 制程序可变 ： 具有很好的柔性 ， 在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变 硬设备，只需改变程序就可满足要求。因此，除单机控制外， 柔- 3 - 性制造单元（ 柔性制造系统（ 以致工厂自动化（ 也被大量采用 。 2、 具有高度可靠性 ： 适用于工业环境 ， 品的平均故障间隔时间（ 般可达到 5 年以上，因此是一种高度可靠的工业产品，大大提高了生产设备的运行效率 。 要求专用设备的机房，这为工业现场的大量直接使用提供了方便 。 3、 功能完善 ： 现代 有数字和模拟量输入 /输 出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、 节、各种智能模块、远程 I/O 模块、通信、人－机对话，自诊断，记录和图形显示、组态等功能。除了适用于离散型开关量控制系统外，现在也能应用于连续的流程控制系统，从而使设备的控制水平大大提高。 4、易于掌握，便于维修 ： 由于 用编程器进行编程和监控，使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言（或语句表、流程图）就可进行用户程序的编制和测试 ， 因此，即使不太懂得计算机的操作人员，也能掌握和使用 也由于 完善的自诊断功能，输入／输出均有明显的指示，在线监控 软件的功能很强，因此，很容易进行维修，能很快查找出故障的原因 ， 身高可靠性也保证了故障的几率是很低的。 5、体积小，省电 ： 与传统的控制系统相比， 体积很小，一台收录机一样大小的 有相当于三个 继电器控制柜的功能 ， 耗的功能只是传统控制系统的三分之一至二分之一。 6、价格低廉：随着集成电路芯片功能的提高，价格的降低，可编程控制器硬件的价格也一直不断地在下降。虽然 软件价格在系统中所占的比重在不断提高，但由于缩短了整个工程项目的设计，编程和投运费用以及缩短了整个投运周期 ，因此，使用 且还呈不断下降的趋势。 是第一个使用最新的 32 位技术的过程监视系统， 是西门子公司针对 等 过程控制系统及其它西门子控制系统中的人机界面组件 。 控组态软件 门子视窗控制中新 1996 年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国 志评为最佳 件，以最短的时间发展成为第三个在世界范围内成功的 统；而在欧洲，它无可争议地成为第一。 作为 集成自动化系统的重要组成部分， 保与 5， 505 系列的 接的方便和通讯的高效； 程软件的紧密结合缩短了项目的周期。此外， 有对 行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。 - 4 - 在使用 行工作时，既可以打印过程值，也可以对过程值进行电子归档。这使得过程的文档编 制更加容易，并允许以后访问过去的生产数据。 后台数据库采用了 005， 它的运行数据存放在数据片段（ 当中，工程师可以根据尺寸需求组态最大容量或根据时间周期启动新的数据库归档片段。将归档数据连续的写入数据库，单个数据片段的尺寸到达或者时间界限到达时，系统会自动开启另一个数据片段进行归档。当数据片段的总体尺寸达到最大时，最早的数据片段就会被覆盖，重新开始新的归档。 有一下性能特点： 1、创新软件技术的使用。 基于最新发展 的软件技术。西门子公司与司的密切合作保证了用户获得不断创新的技术； 2、使用 000 作为其组态数据和归档数据的存储数据库，可以使用 便地访问归档数据； 3、使用方便的脚本语言。 编写 本程序； 4、可选择语言的组态软件和在线语言切换。 课题研究的主要内容 本设计研究的内容是“ 四种价格货物的自动售货机设计 ”，针对 自动售货 机的 控制系统。采用西门子可编程控制器设计控制系统并完成 对硬币的识别、币值的累加、自动售货、自动找零 等控制任务，建立 自动售货 控制的系统模型。熟悉 自动售货的 控制面板布局，以达到更好的运行性能，使其具有良好的应用价值。 1、利用组态软件实现对 自动售货 机 写 2、实现组态软件 画面上的指示灯来显示来自 本章主要介绍了自动售货机 的发展背 景， 介绍了 并说明了本设计研究的主要 内容。 - 5 - 第 2章 课题任务分析 1、 硬件环境 00 以上＋ 512 内存＋ 2010/100 2、 软件环境 P＋ 上） 。 3、 开发环境 + 原理及 要求 制原理 本设计中 自动售货机只售 4 种商品 ； 可识别 1 元 、 5 角、 1 角硬币 ； 可退币 1 元、5 角、 1 角硬币 ， 其控制原理是 ： 首先由顾客按下商品选择开关 ,然后顾客投入钱币 ， 经钱币识别传感器后将信号送给 由用户编写的 序运行可以显示投入钱币的数值 ， 并同时与商品的价格比较 则可以购买该商品的指示灯亮 ； 过计算还可以显示出消费数值和余额数值 ， 商品驱动机构收到控制信号后即出货电磁阀动作 ， 送出商品若有余额 ,则退币电动机动作 ， 可以退出余额数值的相应币值 ， 同时完成内部清零过程 制要求 1、 自动售货机可以同时投入 1 角、 5 角 、 或 1 元硬币 ， 自动销售 啤酒、 面巾纸 、 香烟 、果汁 ； 2、 投入的硬币总值超过购买金额元时，相应物品指示灯都亮； 3、 当啤酒指示灯亮时，按啤酒按钮，则啤酒 从售货口自动售出， 啤酒从售货口显示 ，8S 后消失 ； 4、 当 面巾纸 指示灯亮时，按 面巾纸 按钮，则 面巾纸 从售货口 自动 售出， 面巾纸 从售货口显示， 8S 后消失 ； 5、 当 香烟 指示灯亮时，按 香烟 按钮，则 香烟 从售货口自动售出， 香烟 从售货口显示，8S 后消失 ； 6、 当果汁指示灯亮时，按果汁按钮，则果汁从售货口自动售出，果汁从售货口显示，8S 后消失 ； - 6 - 7、 当按下相应物品后，如果投入的硬币总值超过所需钱数时，找 出余额显示找出的钱数 ； 8、 如 果售货口发生故障，或顾客投入硬币后又不想买了（未按汽水 按钮或 香烟 按钮等按钮），可按退款 按钮，则售货机 如数退出顾客已投入得硬币。 自动售货机 系统工作流程图，如图 2示。 初 始 状 态投 币 状 态购 买 状 态退 币 状 态投入硬币按 下选 择按 钮是 否有 剩余退 币按 钮图 2动售货机系统工作图 在进行程序设计时，首先应明确对要设计对象的具体控制 原理和 要求， 硬件 设计 需要的 环境及参数 ， 然后绘制顺序功能图，之后再 按照顺序功能图编写程序。 - 7 - 第 3章 自动售货机控制系统的硬件设计 ， 售货机 控制系统共有 10个 4个 间变量，经过相应的地址分配，创建 I/ 表 3统 I/O 点表 输入点 地址 输出点 地址 启动 I 酒出 元 I 巾纸 出 角 I 烟 出 角 I 汁出 酒 I 面巾纸 I 香烟 I 果汁 I 停止 I 退款 I 能指标及 选型 在现代化的工业生产设备中，有大量的数字 量及模拟量的控制装置，例如电机的启停，电磁阀的开闭，以及立体车库的自动控制等，采用可编程序控制器（ 解决自动控制问题已成为最有效的方法之一。 要性能指标有 存储容量 、 I/O 点数 、 扫描速度 、 指令的功能与数量 、 内部元件的种类与数量 、 特殊功能单元可扩展能力 。 1、 存储容量 存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。一般来说，小型 用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字。 2、 I/O 点数 输入 /输出（ I/O）点数是 以接受的输入信 号和输出信号的总和，是衡量 I/O 点数越多，外部可接的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。 3、 扫描速度 扫描速度是指 行用户程序的速度，是衡量 能的重要指标。一般以扫描- 8 - 1K 字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以 字为单位。 户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种 行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢 。 4、 指令的功能与数量 指令功能的强弱、数量的多少也是衡量 能的重要指标。编程指令的功能越强、数量越多， 处 理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。 5、 内部元件的种类与数量 在编制 序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些元件的种类与数量越多，表示 存储和处理各种信息的能力越强。 6、 特殊功能单元 特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量 品的一个重要指标。近年来各商非常重视特殊功能单元的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能越来越强，使 控制功能日益扩大 。 7、 可扩展能力 可扩展能力包括 I/O 点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。在选择 ，经常需要考虑 可扩展能力。 对控制系统硬件的选择主要是 选择，包括 型的选择、 量的选择和模块的选择三个方面。 (1) 型的选择 面对众多厂家提出的多种系列、功能各异的 品，其结构、性能、价格各不相同。因此，在选择机型的时候，应本着在满足控制功能原则的前提下，保证系统可靠、维护方便和最佳的性价比。 (2) 量的选择 通常讲的 量是指输入输出点 O 八的 点数和用户存储器的容量。对于 I/O 点的选择原则是应保有适当的裕量，但是因为 数与价格成正比，若留有太多的空余点，会使成本大大增加，因此在实际的应用过程中，一般是根据输入、输出信号的总点数，并考虑以后的扩充，选用的备用量 10%~15%；用户的存储量在满足基本的控制要求外，一般留有 10%~25%的考虑裕量。 (3) 模块的选择 I/O 控口模块用来实现 工业过程的控制。在控制过程中， I/O 控口模块检测控- 9 - 制现场的各种参数，以此作为 现现场控制的依据，同时，它将 处理结果传送到被控设备 ，驱动各种执行机构来实现 设备的控制。 对于小的系统，如 80 点以内的系统，一般不需要扩展 ;当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块的数量都有限制，当扩展不能满足要求时，可采用网络结构 ;同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编制时要注意。当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，因此注意相关的技术手册。 扩展模块种类很多，如单输入模块、单输出模块、输入输出模块、温度模块、高速输入模块等。 这种模块化设计为用户的产品开发提供了方便。 本设计应用的 件选型如下： 1、电源 A 定货号： 6071 块 2、 15) 定货号： 615 1 块 3、数字量输入 模块 定货号： 6211 块 4、数字量输出 模块 定货号： 6221 块 绍和 选择 感器的定义及作用 传感器可有如下定义： (1)它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成检测装置； (2)输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； (3)能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量； (4)传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。 按使用场合不同又称为：发送器、传送器、变送器、检测器、探头。 传感器功用：一感二传 ,即感受被测信息 ,并传送出去。 感器的组成及分类 大部分传感器可由三部分组成： 敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件； 转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量； 基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。 传感器的分类： - 10 - (1)按传感器的工作原理： 结构型：取决于几何尺寸和形状； 物性型：取决于材料性质； 化学型：利用电化学反应原理； 生物型：利用生物活性物质选择性。 (2)按被测量的变量分类： 温度、 流量、压力、湿度、浓度、力学量、磁学 量、光学量、气体成分等等。 (3)其他分类： 根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号； 根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器； 传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器； 按可变电参量：电阻型、电感型或电容型； 按传感器技术发展：聋哑传感器 (智能传感器 (网络化传感器 ( 本设计所用的传感器是 涡流传感器 ， 具有高分辨率和高采样率；可自行调整零位、增益和线性；可选择延长电缆、温度补偿等功能；可测铁磁 和非铁磁所有金属材料；具有多传感器同步功能；不受潮湿、灰尘的影响，对环境要求低等特点。 1、新建项目双击 软件的图标 ，进入 编程软件，系统会自动弹出 新建项目窗口，如图 3示。 - 11 - 图 3建向导 2、点击“下一个”进入下一窗口，如图 3示，用户可以选择将要使用的 点接口）地址。根据功能要求选择 号为 15P， 址为 2，如图 3示。 图 3建向导 2 - 12 - 3、在下一个窗口 可以选择需要生成的逻辑块（在逻辑块中编写程序），选择主程序组织 块 环扫描），并选择编程语言“ 形程序图）”。 如图 3示。 图 3建向导 3 4、进入下一窗口，如图 3示，输入项目的名称“自动售货机 ”，单击“完成”按钮，结束向导。 如图 3示。 图 3建向导 4 - 13 - 1、添加逻辑连接 要组态 用与 窗自动化中心）之间通过 议的通讯，首先在 目管理器中用 鼠标右键单击变量管理图标，选择添加新驱动管理程序，加入一个新的驱动，在弹出的“添加新的驱动程序”对话框列表中选择“ 7 单击打开，这时可以看到所选的协议集已添加在变量管理图标下面，如图3示。 图 3加驱动程序 用鼠标右键单击“ 道单元，在快捷菜单中选择“新驱动程序的连接”菜单项。在打开的“连接属性”对话框中给新建驱动起名 单击属性为该连接分配地址，这里“站地址”和“插槽号”都设为 2，然后确定。这时可以看见一个握手 图标出现在 议下，表明 接已成功建立，如图 3示。 - 14 - 图 3立 接 3、创建变量 下面我们将创建信息变量，首先右键单击“ 手图标选择“新建变量”，添加一个新变量，并为新变量命名及设置数据类型。与机械手控制系统相关的变量如表3示。 表 3量表 变量名 类型 参数 进制变量 0.0 进制变量 0.1 进制变量 0.2 进制变量 0.3 进制变量 0.4 进制变量 0.5 进制变量 0.6 进制变量 0.7 进制变量 1.0 进制变量 1.1 进制变量 进制变量 进制变量 15 - 续表 3量表 变量名 类型 参数 进制变量 进制变量 进制变量 进制变量 进制变量 进制变量 点数 32 位 54 点数 32 位 54 点数 32 位 54 符号 16 位数 符号 16 位数 符号 16 位数 系统共 有 10 个输入点和 4 个输出 点。为了保证在紧急情况下（包括 生故障时），能可靠地切断 负载电源，设置了交流接触器 始运行时按下“电源”按钮，使 圈得电并自锁， 主触点接通，给输出设备提供电源；出现紧急情况时，按下“急停”按钮， 点断开电源，系统立即停止运行。只有确定好 I/O 点才能为接下来的编程奠定良好的基础，让思路更清晰，减少了编程中出现的错误，便于编程之后的调试。 - 16 - 结 论 本课题是基于 四种价格货物自动 售货机的设计，设计包括了下位 机编程，以及上位机 组态监控。 文中详细论述了控制方案和要求，根据控制要求实现了 I/O 点确定，绘制了顺序功能图并编辑了梯形图程序，通过画面的组态、变量的连接、脚本的编制等实现了上位机的设计，在下位机和上位机结合仿真调试的环境下，完成了系统的控制要求。 本课题只是实现了自动售货机的仿真过程，在实际生产过程中，往往没有这么简单，所以这就需要我们在以后的道路上理论结合实际，深化设计思想，从而实现自动售货机的便利性和节能性。 - 17 - 参考文献 [1] 陈瑞阳 ,席巍等 实践 [M]机械工业出版社 ,2009. [2] 田淑珍 M]机械工业出版社 ,2005. [3] 廖常初 程及应用 [M]机械工业出版社 ,2002. [4] 廖常初 00用技术 [M]机械工业出版社 ,2005. [5] 西门子 (中国 )有限公司自动化与驱动集团编 6[M]北京航空航天大学出版社 ,2004. [6] 覃娴 动售货机的实践教学法探讨 [J]2011,8(52):166[7] 王锦 序设计 [J]2011,8(3):190[8] 张生果 J]2003,3(1):37[9] 苗红蕾 同 [J]):21. [10] 贾德胜等 用子程序 [M]人民邮电出版社 ,[11] G. 形编辑器手册 [S][12] G. 编程手册 [S]1- 18 - 致 谢 本次论文已经接近尾声了，大学四年也要走向终点了，起初的那一点点不忿随着时间的推移也已经烟消云散，所以，首先我要感谢我的 苏州经贸 学院，在过去的四年里它不知不觉的改变了我很多，使我走出了青涩，步入了成熟与稳重。同时也让我明白：自律成人、自强成才、自信成功道理，值得我一生受用。 设计是在 指导 老师的悉心指导下完成的。导师为论文课题的研究提出了许多指导性的意见，为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。老师的严谨治学、不断探索的科研作风 ，敏锐深邃的学术洞察力，孜孜不倦的敬业精神，给我留下了深刻的印象，使我受益良多。在本文结束之际，特向我敬爱的导师致以最崇高的敬礼和深深的感谢！ 鉴于本人所学知识有限，经验不足，又是初次研究这种复杂的设计，在此过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请老师给予批评和指正 。