PLC课程设计 自动售货机

1、摘要 本论文基于三菱FX2N-48MR系列PLC进行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本原理及工作流程，然后以一次交易过程为例，把交易的过程分为几个程序块，分别对程序块进行编程。在PLC梯行图的编写时，文中采用的是三菱PLC梯行图专用编译软件来进行编写，并完成了PLC外部接线图。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。关键词：PLC；自动售货机；梯形图；控制系统191自动售货机介绍自动售货机是能根据投入的钱币自动付货的机器,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

2、业的微型超市。能分为三种：饮料自动售货机、食品自动售货机、综合自动售货机。1.1历史据说世界上最早的自动售货机出现在公元前3世纪，那是埃及神殿里的投币式圣水出售机。17世纪，英国的小酒吧里设有了香烟的自动售货机。日本第一台自动售货机是1904年问世的“邮票明信片自动出售机”，它是集邮票明信片的出售和邮筒投函为一体的机器。50年代，“喷水型果汁自动售货机”大受欢迎，果汁被注入在纸杯里出售。1967年，100日元单位以下的货币全部改为硬币，从而促进了自动售货机产业的发展。 1.2现状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

3、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。 1.3前景现在，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。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。2 PLC的概述 2.1PLC的类型现在世界上PLC的生产厂家有200多家，提供400多个品种的PLC供用户选择，目前我国市场上

4、主要的PLC产品有：西门子公司的 S7-400/300/200 系列， 施奈德公司的 momentum 等，还有就是日本的欧姆龙、三菱、松下等公司的产品。西门子公司生产的 PLC 可靠性高，特别适用于大的工业控制系统，造价比较高，对于小型的自动售货机的控制系统来说成本过高。相反，目前我国市场上主流的小型的三菱 PLC 就比较合适，三菱公司生产的小型 PLC 的代表为 FX-2N 系列的 PLC，它具有丰富的内部资源：程序存储器具有 16K 步的最大存储容量，128 种应用指令，还具有 184 点 8 进制编号的输入点数，184 点 8 进制编号的输出点数，普通型，掉电保持性和赋予特殊用途型三种

5、内部继电器，以及状态寄存器、定时器、计数器、数据寄存器、常数与指针等功能与资源。可靠性高，造价低，对于自动售货机的控制中心就特别的合适。因此，本次设计采用的 PLC 为三菱公司生产的 FX-2N 系列单片机。2.2PLC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wits 各种逻辑连接，进行开关控制。 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、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。 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

6、、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。 (2)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。 (3)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。 (4)运动控制功能 运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。 (5)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。 (6)扩展功能 扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即

7、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。 (7)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。 (8)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。 2.3 PLC 的系统结构 目前PLC 种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机。主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM 和ROM、输入

8、输出接口电路、电源、I/O 扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。 PLC 控制系统由输入量PLC输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC 的输入量，作为PLC 的输出量对外围设备进行各种控制。所以，PLC 的基本结构有控制部分输入和输出组成。 3自动售货机原理电路分析 3.1自动售货机设计要求 (1)自动售货机有3 个投币孔，分别为1 元、5 元和10 元。 (2)售货共有3 种饮料供选择，分别为汽水、花茶和咖啡。 (3)如投币总额超过销售价格，将可由退币按钮找回余额。 (4)投币总额或当前值显示在7 段数码管上。 (5)投

9、币值等于或大于12 元时，汽水指示灯亮，表示只可选择汽水。 (6)投币值等于或大于15 元时，汽水和花茶指示灯亮，表示只可选择汽水和花茶。 (7)投币值等于或大于20 元时，汽水、花茶和咖啡指示灯亮，表示3 种均可选择。 (8)按下要饮用的饮料按钮，则相对应的指示灯开始闪烁，3s 后自动停止，表示饮料已经掉出。 (9)动作停止后按退币钮，可以退回余额，退回金额如果大于10 元，则先退10 元再退 1 元，如果小于10 元则直接退1 元。 3.2 自动售货机的设计原理 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

10、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，自动售货机便应运而生了。 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。 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，并做出相应的反应。举一个简单的例子来说明，例如：售货机中有8 中商品，其中01 号商品价格为2

11、.60 元，02 商品为3.50 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，其他商品同比。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售货、退币

12、功能。自动售货机的外部结构图下图3.1所示。图3.1 自动售货机的外部结构图图3.2 自动售货机流程图3.3 PLC 的选型原则 从功能方面和价格方面两个方面的考虑，发现日本三菱FX2N 系列的可变成序控制器产品比较适合自动售货机。因为它是一种功能很强的小型机，在设计的过程中采用先进的方法及组件使其通常只有在大型PLC 中才具有的功能，且具有其他控制器所不具备的功能。虽然是小型机。但是其功能较完善，性能价格比高，较适合自动售货机。现在就对FX2N-MR48的组成各部分和技术性能做一个简单介绍。在日本三菱公司生产的FX系列产品中，FX2N属于小型PLC产品，其中M48是具有高级处理功能的型号。从

13、型号可以看出FX2N-MR48可编程控制器的输入和输出点数（即I/O点）之和为 48,还可以扩展到256点，结构紧凑，速度高，它的基本指令执行时间为0.08微妙每条指令，内置的用户存储器为8K步，可以扩展到16K步，而且有多种特殊功能模式后功能扩展板，可以实现多轴定位控制。 3.4 IO点的分配 表3.1 IO点分配表3.5 外部接线 图3.3 PLC外部接线图4程序设计部分 4.1程序设计说明 下位机程序的编制是利用三菱的PLC专用编程软件FxgpWIN 完成的。 在设计的过程中，就像上面所叙述的那样，并非孤立地分别进行上位机和下位机的设计工作，而是互相配合的。因此在以下的详细设计过程中，并

14、没有将上位机的设计与下位机的设计整体分开来写，而是相互交替，同时尽量清晰地叙述，在相应的设计部分中注明是上位机的设计还是下位机的设计。 (1)初始状态。此时不能购买任何商品。 (2)投币状态。顾客投币，显示投入总值，即余额数值，当所投币值超过商品价格时，相应价格选择按钮发生变化，提示可以购买。 (3)购买状态。按下可以购买的选择按钮，所选的商品出现在出货框中，同时显示屏上的金额数字根据消费情况相应变化。 (4)退币按钮。按下退币按钮，显示退币框，同时显示出应退币值及数量按下确认钮，则恢复初始状态。 到此为止，自动售货机的一个完整工作过程结束。 4.2 程序设计 我们可以把一次交易过程分为几个程

15、序块：运行初期清零过程；投币过程；价格比较过程；选择商品过程；退币过程。 (1)运行初期清零过程 图4.1 运行初期清零程序图该梯形图中，D0 是存放余额的数据寄存器，首先要对其进行清零。不仅需要在完成一次交易后自动清零，而且也能让卖主自己手动清零。所以用 X6 和 M8002 同时可以控制清零指令。 (2)投币过程 在投币的过程中，每投下一枚硬币，投入显示将增加相应的币值，余额也增加同样币制。先建立变量表，在编写程序。 当按下投入1元时，相当于M1接通，之所以用一个微分指令，就是要只在接通时检测一次，不能永远加下去。投入1元要投入显示、余额显示都相应增加相同数值，加法是由16位加法指令add

16、来实现的。投入5元、10元，原理同上。 钱投进去以后，需要将投进的数额显示出来，这里我们要用到七段译码指令SEGD。具体梯形图如下： 图4.2 投币显示程序图(3)价格比较和选择过程 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。这里只要选择灯来代表此信号。 在梯形图中，为了实现数据的实时比较，用了一个特殊内部继电器 M6,在程序执行过程中，M4始终保持闭合，CMP是16位数据比较指令，用它来比较余额和商品的价格，M6是大于价格，M5是等于标志。再用定时器和M8013 控制Y4，实现按下选择按钮并且余额大于等于某种商品价格时，程序使相应的指示灯闪

17、烁表示可以购买该种商品。一旦选择了相应的饮料，闪烁时间到，就驱动相应的饮料的电磁阀，电磁阀自己控制饮料流出时间。具体梯形图如下： 图4.3 价格比较和选择梯形图(4)退币过程 因为选择商品和退币是相互制约的，顾将这两个放在一起进行讨论。 顾客一旦选择了商品，就要用余额减去商品相应的价格，得出最新的余额，而且选择按钮必须是点动的，一次只有一次脉冲，保证SUB 指令不会一直减下去。而且不同商品的选择按钮是相互制约着减法指令的。减法运算后的结果任放在D0 中。 由于七段译码器始终是显示的是数据寄存器D0 中的数据，所以就满足了余额显示的要求。 图4.4 余额显示梯形图退币的过程我们用到了除法运算，除

18、法指令DIV 将余额D0 除以10，得到的商放在 D1 中，余数放在D2 中。然后将D1 和D2 分别赋值给计时器T3 和T4，再用一个周期为0.1 秒的时钟脉冲控制退币个数。具体梯形图如下： 图4.5 退币梯形图5系统调试分析 5.1硬件调试 首先按控制系统PLC接线图完成硬件接线，并仔细检查接线是否有误，特别要注意接线时不能出现短路、断路及反接等情况，否则会造成硬件损坏及人身意外。再接通电源，检查三菱FX2N-48MR 可编程控制器是否可以正常工作，然后把其与电脑的通信口连接。 5.2 软件调试 开始程序调试：首先将PLC控制程序写入到PLC机器中，再选择监控状态，使PLC处于“RUN”状

19、态，然后逐一按投币感应器（即硬币识别机构用复位按钮信号来表示硬币的输入），观察有没有进行累加币值；或按选择按钮，观察输出指示灯是否按预计效果闪灭（即显示饮料选择提示、饮料送出、送出时间和退币提示），并通过监控状态观察程序的运行过程及输入输出信号、内部描述实际出现的问题及解决方案。对报警部分进行调试，只需给相应的输入端口信号，然后相应的指示灯变亮即可。要对照设计控制要求，逐一检验设计功能是否能有效的实现，并对程序进行改进和完善。 根据以上的调试情况，本装置控制系统设计符合要求。 总 结通过两周的 PLC 的课程设计,在尹进田老师的指导和组员的努力下,最终完成 FX-2N 系列 PLC 控制自动售

20、货机系统的设计.本控制系统就是充分利用了 PLC,接口电路芯片以 及显示模块.实现了对自动售货机的控制,达到了设计的目的.这次设计的 PLC 控制自动售货机系统的主要内容包括设计出了硬件系统的接线图,梯形图等;并 且系统具有启动,停止功能;运用功能指令进行 PLC 控制程序设计;还进行了 系统调试,实现自动售货机的控制要求. 在设计中运用所学的理论知识,进行自动售货机运行原理设计,硬件系统设 计,软件系统设计,创新设计,提高理论知识工程应用能力,系统调试能力,分 析问题与解决问题的能力.综合运用了所学的知识,理论与实际相结合,提出并 论证设计方案,然后进行软,硬件的设计,制作与调试,最后获得正确的结果. 加深了对所学理论知识的巩固,加强了建立 PLC 控制工业机械和生产过程系统 的整体概念,初步掌握了 PLC 控制工业生产和社会生活的软,硬件开发方法, 为以后进行实际的 PLC 软,硬件应用开发奠定了良好的基础.与此同时,也加 强了我们对问题的分析解决能力, 为以后的毕业设计和毕业后的工作做了充分的准备. 在本次课程设计中受到尹老师的耐心指导, 使我们进一步学习到了对问题的整体把握，学会了分析及解决方法的能力;在此表示衷心的感