《基于PLC控制的自动售货机》毕业设计

1、机电工程学院毕业设计课题：自动售货机控制系统专业：班级：学号：姓名：指导教师：日期：自动售货机控制系统设计摘要随着科技的快速发展，自动化控制已经在生活中得到广泛的应用，给人们生活带来很多便利。而自动售货机就是一种自动化控制下的产物，其操作简单，可以充分的补充人力资源的不足，当前我国人口数量庞大，自动售货机在人们的生活中扮演越来越重要的角色，从长远来看其具有广阔的发展空间。本次设计的自动售货机为饮料自动售货机，详细介绍了自动售货机的结构组成，包括记币系统、比较系统、选择系统、饮料供应系统、推币系统以及报警系统。通过自动售货机的功能分析列出I/O分配表以及控制系统流程图。并且根据控制系统流程图编写

2、符合自动售货机功能的程序。如果购物后有剩余金额，则可按退币按钮退币。本设计以三菱FX2N-48MR 型PLC 为主控制器，基于GX-Developer 编程软件，采用顺序控制的程序设计思路，设计了系统控制程序，完成梯形图后可以在三菱PLC 仿真软件进行调试和仿真。该设计提高了自动售货机的可靠性和执行效率，且系统维护容易，维修简单，有一定的市场推广价值。关键词：自动售货机、PLC 、梯形图Design of control system of automatic vending machineAbstract With the rapid development of science and t

3、echnology, automation and control has been widely used in life, bring a lot of convenience to people's life. And the vending machine is an automatic control product, its operation is simple,problems can be fully complementary to human resources, the number of China's huge population, the ven

4、ding machine is playing a more and more important role in people's life, in the long run it has broad space for development.The design of a vending machine for beverage vending machine, the architecture of the vending machine was introduced in detail, including the currency system, comparison an

5、d selection system, beverage supply, pushing currency system and alarm system. By analyzing the function of the vending machine I/O allocation list and flow chart of control system. And according to the flow chart of control system of programs written in vending machine function. If the remaining am

6、ount after shopping, can press work button to work. This design is given priority to with Mitsubishi FX2N - 48 Mr Type PLC controller, based on the GX - Developer programming software, the sequence control program design idea, design the system control program, after completion in Mitsubishi PLC lad

7、der diagram simulation software debugging and simulation. The design improves the reliability of the vending machine and the execution efficiency, and system maintenance easy, maintenance simple, have certain market value.Keywords : vending machine, PLC, ladder diagram目录内容摘要.2前言.5第一章 自动售货机的简介.61.1、自

8、动售货机的概述.61.2、自动售货机的功能分析.61.3、自动售货机的前景分析.7第二章 总体设计方案.82.1、设计目的.82.2、系统控制要求.82.3、自动售货机结构示意图.9第三章 PLC 的概述.103.1、PLC 的定义.103.2、PLC 的基本组成.103.3、PLC 基本原理.103.4、PLC 的功能和特点.113.5、PLC 内部软元件.12第四章 自动售货机硬件结构设计.144.1、控制电路的硬件组成.,144.2、PLC 的选型.144.2.1、PLC 选用的依据.144.2.2、PLC 选型.154.2.3、I/O点的估算.154.3、其他硬件的选择选择.164.3

9、.1、电机的选择.164.3.2、货币识别装置.164.3.3、商品送出机构的选择.17第五章 自动售货机程序设计.185.1、I/O分配表.185.2、程序控制流程图.195.3、程序设计.19结论.21参考文献.22前言自动售货机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。随着社会的不断进步，消费水平的不断提高以及销售模式的变化，自动售货机这种新型的销售渠道渐渐发展了起来。可编程控制器（PLC ）是综合计算机技术，自动控制技术和通信技术的一门新兴技术。它具有通用性强、可靠性高、能适应恶劣的工业环境、维修简单等优点，广泛应用于机械制造、电力、化工等行业的控制中。本设计实际是基

10、于PLC 对自动售货机进行软件设计和硬件设计。近几年来人们生活水平的提高和生活节奏的加快，对物质的要求也越来越高。方便、快捷已经成为当今社会的生活方式。在这种生活方式下，自动售货机显然受到很多人的喜爱。自动售货机不仅节省了时间，也是提高工作效率最有效的手段。随着自动售货机的快速发展，其成本小、操作简单、占地面积小等优点，使其在其他领域的应用也越来越广泛。自动化是未来的发展趋势，不论是制造业、服务业还是零售业。我们都将看到更多的设备取代人工。在这样一个大的趋势下，自动售货机行业的前景时光明的。第一章 自动售货机的介绍1.1、自动售货机的概述： 自动售货机是能根据投入的钱币自动付货的商业自动化设备

11、。它的使用不受时间和地点的限制，且方便快捷，深受上班族的喜爱。又被称为24小时营业的微型超市。自动售货机的应用很广泛，涉及到食品、生活用品、商业用途等等。近几年来，自动售货机在我国的发展突飞猛进，在学校、车站、小区、医院等都能见到它们的身影。这种方便快捷的购物方式越来越受到人们的青睐，同时也是现代化城市配套设施的需求。世界上最早的自动售货机出现于公元1世纪，由希腊人制造的自动出售圣水的装置。上个世纪60年代以来，随着电子计算机的应用和发展，自动售货机迅速发展，自动售货机的种类也越来越多。随着人们生活方式向快节奏、高效率变化，消费者在购物时更加注重便利性、快速性。随着自动售货机数量的增加、出售商

12、品的多样化，自动售货的便利性日益显现，并且自动售货机成本小、操作简单、占地面积小，因此被称为24小时营业的“微型超市”。这些优点使得自动售货机在世界范围内得到广泛的应用。1.2、自动售货机的功能分析：自动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。下面拿自动饮料售货机举例说明。例如：售货机中有可乐、雪碧、橙汁3种饮料，其中可乐的价格为2元，雪碧的价格为3元，橙汁的价格为4元。现投入3个1元硬币，因为投入的钱币超过可乐的价格，所以可乐选择按钮处提示可以购买，雪碧也可以购买，橙汁就无法购买。当按下选择购买可乐的按钮时，售货机就会进行运算，从投

13、入的3元硬币中减去可乐价格2元，送至商品到出货口。此时售货机继续等待外部命令，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。自动售货机的工作流程图如图1-2所示：第 7 页 图1-2 自动售货机工作流程图1.3、自动售货机的前景分析：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

14、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世纪后，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。自动化是未来的发展趋势，不论是制造业、服务业还是零售业。我们都将看到更多的设备取代人工。在这样一个大的趋势下，自动售货机行业的前景时光明的。第二章 总体设计方案2.1、设计目的：本课题主要的目的是为了通过课程设计，了解PLC 控制的应用背景，掌握PLC 控制系统设计的基本步骤，程序设计的基本方法，理论联系实际。培养分析问题和解决问题的能力.2.2、系统的控制要求：自动售货机的主要系统包括：计币系统

15、、比较系统、选择系统、饮料供应系统、退币系统和报警系统。第 8 页（1）、计币系统当有顾客买饮料时，投入的钱币经过感应器，感应器记忆投币的个数关且传送到检测系统（即电子天平）和计币系统。只有当电子天平测量的重量少于误差值时，允许计币系统进行叠加钱币，叠加的钱币数据存放在数据寄存器D2中。如果不正确时，认为是假币。既定出投币，既定出系统，等待新顾客。（2）、比较系统投入完毕后，系统会把D2内钱币数据和可以购买饮料的价格进行区间比较，当投入的钱币小于2元时，指示灯Y0亮，显示投入的钱币不足。此时可以再投币或选择退币。当投稿的钱币在23元之间时，汔水选择指示灯长亮。当大于3元时，汽水和咖啡的指示灯同

16、时长亮。此时可以选择饮料或选择退币。（3）、选择系统比较电路完成后选择电路指示灯是长亮的，当按下汽水或咖啡选择时，相应的选择指示灯由长亮转为以1秒为周期闪烁。当饮料供应完毕时，闪烁同时停止。（4）、饮料供应系统当按下选择按钮时，相应的电磁阀（Y4或Y6）和电机（Y3或Y5）同时启动。在饮料输出的同时，减去相应的购买钱币数。当饮料输出达到8秒时，电磁阀首先关断，小电机继续工作0.5秒后停机。此小电机的作用是：在输出饮料时，加快输出。在电磁阀关断时，给电磁阀加压作用，加速电磁阀的关断。（注：由于该售货机是长期使用，电磁阀使用过多时，返回弹力减少，不能完全关断会出现漏饮料的现象。此时电机Y3和Y5延

17、长工作0.5秒起到电磁阀加压的作用，使电磁阀可以完好的关断。）（5）、退币系统当顾客购完饮料后，多余的钱币只要按下退币按钮。系统就会把数据寄存器D2内的钱币数首先除以10得到整数部分，是1元钱需要退回的数量，存放在D10里。余数存放在D11里。再用D11除以5得到的整数部分是5角钱需要退回的数量，存放在D12里。余数存放在D13里。最后D13里面的数值，就是1角钱需要退回的数量。在选择退币的同时启动3个退币电机。3个感应器开始计数，当感应器记录的个数等于数据寄存器退回的币数时，退币电机停止运转。（6）、报警系统报警系统如果是非故障报警，只要通过网络通知送液车或者送币车即可。但是如果第 9 页

18、是故障报警则需要通知维修人员到现声进行维修。同时停止服务，避免造成顾客的损失。2.3、自动售货机结构示意图：根据系统控制要求，绘出自动售货机结构示意图如图2-1所示：图21 自动售货机结构示意图第三章 PLC的概述3.1、PLC 的定义:PLC 是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。PLC 及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。3.2、PLC 的基本组成：PL

19、C 主要由中央处理器、存取器、输入输出接口电路、电源等组成。第 10 页 中央微处理器是PLC 的核心部分，它多为16位或32位的微处理器。它从输入设备中读取输入信号，并按用户程序对它进行逻辑运算。数学运算，并把运算结果通过输出设备接口电路送到输出装备，控制其运行。存取器是存放系统程序、用户程序和数据的器件，它包括只读存取器ROM 和随机读写存取器RAM 两类。输入接口电路时PLC 与外部输入设备的连接部件，其作用是将从输入设备来的信号送到PLC 。PLC 的CPU 处理的是标准电平，因此输入接口电路是将不同的电压电流的输入信号转变为CPU 所能接受的电平。输入接口电路是PLC 与控制对象的连

20、接电路，作用是将输出电平转变为控制对象所需的电流电压信号。由于控制对象不同，输出接口电路可分为继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出等。电源是一种将交流电压转变为PLC 内部各模块所需电压的开关稳压电源，它具有较高的抗干扰能力、性能稳定、安全可靠。3.3、PLC 的基本原理：PLC 的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。PLC 通电后，首先对硬件和软件作一些初始化操当PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的CPU 以一定的

21、扫描速度重复执行上述三个阶段。1、输入采样：PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。2、程序执行：PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图 。然后根据逻辑运算的结果，将程序执行结果写入到输出印象寄存器中。3、输出刷新：当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。PLC 就是以这种周期循环扫描、集中采样、集中输出的方式工作的。3.4、PLC 的功能特点：随着计算技术的发展，PLC 的优点

22、也是显而易见的，主要表现在以下几个方面。1、使用方便，编程简单采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。2、功能强，性能价格比高一台小型PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC 可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。3、可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输

23、入和输出有关的少量硬件元件，因触点接触不良造成的故障大为减少。4、系统的设计、安装、调试工作量少PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。5、维修工作量小，维修方便PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC 上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故。3.5、PLC 内部软元件：本次设计的自动售货机采用的是FX2N 系列的PLC ，其内部软元件主要包括输入输出继电器、辅助继电器、状态继电器、定时器、计数

24、器以及数据存取器等。 1、输入继电器（X ）：输入继电器是PLC 中用来专门存储系统输入信号的内部虚拟继电器。这类继电器的状态不能用程序驱动，只能用输入信号驱动。FX 系列PLC 的输入继电器采用八进制编号。FX2N 系列PLC 带扩展时，输入继电器最多可达184点，其编号为X0X7、X10X17等。2、输出继电器（Y ）：输出继电器是PLC 中专门用来将运算结果信号经输出接口电路及输出端子送达并控制外部负载的虚拟继电器。外部信号无法直接驱动输出继电器，它只能用程序驱动。FX 系列PLC 的输出继电器采用八进制编号。FX2N 系列PLC 带扩展时，输出继电器最多可达184点，其编号为Y0Y26

25、7。 3、辅助继电器(M：PLC内有很多辅助继电器，由PLC 内各软元件的触点驱动。这些元件不直接对外输入、输出，但经常用作状态暂存、移位运算等。FX2N 系列PLC 的辅助继电器按照其功能分成以下三类。（1）、通用辅助继电器：通用辅助继电器元件是按十进制进行编号的，其编号为M0M499。（2）、断电保持辅助继电器：编号为M500M1024。（3）、特殊辅助继电器：编号M8000-M8255。M8000：运行监视、M8002：初始脉冲、M8013：1s 时钟脉冲、M8034：是指禁止全部输出、M8039：是指定时扫描。 4、内部状态继电器（S ）：状态继电器是PLC 在顺序控制系统中实现控制的

26、重要内部元件。它与步进顺序控制指令STL 组合使用。其编号为十进制。 初始状态：S0S9（10点）； 回零：S10S19（10点）； 通用：S20S499（480点）； 保持：S500S899（400点）； 报警：S900S999（100点）。 5、定时器（T ）：定时器在PLC 中相当于一个时间继电器，它是根据时钟脉冲累计计时的。FX 系类定时器有100ms 、10ms 和1ms 三种时钟脉冲，分为通用定时器（T0-T245）和积算定时器(T246-T255。 6、计数器（C ）：计数器是PLC 重要内部部件，它是在执行扫描操作时对内部元件X 、Y 、M 、S 、T 、C 的信号进行计数。当

27、计数达到设定值时，计数器触点动作。计数器的动合、动断触点可以无限使用。7、数据寄存器（D ）：数据寄存器是存储数据的软元件。这些数据寄存器都是16位，其中最高位为符号位，可以用两个数据寄存器合并起来存放32位数据（最高位为符号位）。 （1）、通用数据寄存器D0D199 （2）、停电保持数据寄存器D200D7999 （3）、特殊数据寄存器D8000D8255第四章 自动售货机硬件结构设计4.1、控制电路硬件组成：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4-1所示：图4-1 控制电路硬件组成图4.2、PLC 选型： 4.2.1、PLC 选用的依据：在选择

28、PLC 的机型时，在满足控制要求的前提下，保证工作可靠，使用维护方便，已获得最佳的性能比。PLC 的型号种类很多，选用的时候应考虑一下几个问题：（1）、PLC 的性能应与控制要求相适应； （2）、PLC 的机型系列应统一；（3）、PLC 控制的速度满足实时控制的要求； （4）、应考虑是否在线编程。 4.2.2、PLC 选型：三菱PLC 相较于西门子价格便宜，性价比较高，适于机电设备的自动化控制。而三菱FX 系列是中小型机，FX-2N 系列又是三菱FX 家族中最先进的PLC 系列，适用于本设计中的控制要求，其基本单位有16/32/48/64/80点，六个基本FX-2N 单元中的每一个单元都可以通

29、过I/O扩展单元扩充为256 I/O点，其基本单元如表4-2所示： 表4-2 三菱FX-2N 系列PLC4.2.3、I/O点的估算：I/O的点数是衡量PLC 规模大小的重要标志，根据控制要求估算出所需I/O的点数是硬件设计的重要内容。一般来说，输入点和输入信号、输出点和输出控制是一一对应的。比如用PLC 控制交流电动机时，以主令信号和反馈信号作为PLC 的输入信号，用PLC 的输出信号驱动执行元件来实现对交流电动机的控制；控制电磁阀所需的I/O点数时，由电磁阀的动作可知，1个单线圈用PLC 控制时需要2和输入点和1个输出点，1个双线圈电磁阀用PLC 控制时需要3个输入点和2个输出点；而一般的输

30、入输出设备用PLC 控制时，通常只需1或者2个输入输出点进行控制。估算出控制对象的I/O点数后，即可选择相应的PLC 型号。本系统是一个小型集中控制系统，PLC 选型主要取决于控制系统输入、输出开关信号的数量、用户程序的长短及相关的功能。根据系统控制要求，I/O点数在30个左右，其中其输入点为17点、输出点为15点，该PLC 为继电器输出型，根据表4-2可选用三菱FX2N-48MR 型号的PLC 。4.3、其他硬件的选择：4.3.1、电机的选择：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

31、在自动售货机上使用的电动机一般功率都不大，像小罐的饮料自动售货机一般使用额定电压为12-24V ，额定功率为1.4-2.2W 。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。目前市场上使用的电动机大部分为交流电机，但在自动售货机上，因为售货时间很短，因此电动机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，因此自动售货机一般使用的是直流电动机。表4-3列出一种适合自动售货机使用的电动机。 表4-3 电动机选型4.3.2、货币识别装置：货币识别器有硬币识别器和纸币识别器。货币识别器是自动售货机中的重要部分，几乎所有的操作都是在识别器工作正常的前提下才

32、能发生的。本次设计的自动售货机采用的是硬币识别器。硬币识别器分为三部分，一是投币段，一是进币段，再是退币段。硬币识别器的总体思想是真假硬币通过两种传感器时电容和电感参数的改变量不同来辨别。在硬币识别器中复合式硬币识别器识别器结构简单，造价低廉，识别精度高且能够广泛应用在各种领域。因此选用此种硬币识别器来完成硬币方面的识别。复合式硬币识别器主要是由平板电容传感器、和电感线圈传感器、检测电路、单片机控制电路组成。变间隙式平板电容传感器是是通过检验硬币的厚度来辨别真伪的，当硬币通过投币口进入平板电容传感器时会引起传感器电容的变化，这个传感器也可以实现对硬币材质的检测但这只是一个附加功能。通过电容传感

33、器配用的交流电桥将电容的变化转换为电压信号，再通过放大电路将信号放大进入整流电路将交流变为直流。再通过有源低通电路滤去干扰信号在通过电压比较器后输入AD 转换器将模拟信号转换为数字信号传入单片机控制电路。从而可以识别真假硬币。货币识别器种类繁多, 但贮币退币机构基本上分为两类：一类是平面式贮币，电磁阀退币；另一类是圆筒式贮币，步进电机退币。根据系统控制要求本设计中采用平面式贮币，电磁阀退币。当硬币识别器识别硬币后，伪币和异物被排出，真币按面值由几组分布电磁阀分配到不同贮币腔体内备用；当收到退币找零电信号后，通过退币电磁阀或退币电机拉杆，将贮币腔内下部货币依电信号程序推出，完成自动售货机的退币找

34、零功能。4.3.3、商品送出机构的选择：目前，应用于自动售货机上的商品送出机构种类较多，下面是一些较典型的送出机构。（1）旋转式送出机构此送出机构把饮料放在螺旋导轨上，并在货道底部开设出口槽，由电机带动螺旋导轨转动，当饮料转到开口槽时便出槽下货。这种送出机构应用最为广泛，它要求电机的转矩较大，造价成本较高。（2）转盘式送出机构上面是一个很大的喇叭状罐体存储容器，下面是一个周边有若干个圆槽的转盘，通过转盘的转动使罐体落入转盘周边的槽内而被售出。这种送出机构也需要较大的转矩来带动和占用较大的空间，而且会发生卡死现象。（3）滚筒送出机构该送出机构由一个阶梯梁和滚筒构成，滚筒内可以装若干瓶饮料，通过步

35、进电机来带动滚筒的转动，利用梁的各阶梯段与滚筒之间不同的开口距离控制商品掉落的顺。这种机构要求电机有较高的转动精度。（4）弹簧推动式送出机构这种机构是由螺旋式弹簧和连在弹簧一端的电机构成的，电机转动一圈就带动弹簧转动一圈，同时推出一瓶饮料。根据系统的控制要求，本设计采用旋转式送出机构。第五章 程序设计5.1、I/O分配表：根据系统的控制要求，其输入输出分配表如表5-1所示： 图5-1 自动售货机系统I/O分配表5.2、程序控制流程图：5-2所示： 图5-2 程序控制流程图5.3、程序设计：开始 自动售货机控制系统毕业设计 结论 经过几个星期的努力，终于完成了这篇毕业设计。回想其整个过程颇有感触。从一 开始的无从下手到后来的思路渐渐清晰，到最终的成果，感觉自己收益颇多。这次毕业 我设计了自动售货机控制系统，这个设计对我将来踏上工作岗位是非常有帮助的。 本次设计的主要任务是用 PLC 实现对自动售货机系统的控制。 一个平常看似简单使 用方便的自动售货机，其实并不是那么容易就做成的。论文首先讲述了自动售货