基于PLC的自动售货机系统设计

哈尔滨理工大学课程设计机电技术综合设计2017/2018学年第一学期班级：机械电子工程14-2班姓名：刘智博刘天华刘双全刘国辉王欣唐利超学号：143012021814301202171430120216143012021414301202291430120225指导教师：宋鸣2018年1月11日哈尔滨理工大学机电技术综合设计PAGE荣成学院机电技术综合设计任务书题目名称基于西门子PLC的自动售货机系统设计专业名称机械电子工程班级机电14-2班第4组学生姓名刘智博学号1430120218学生姓名刘天华学号1430120217学生姓名刘双全学号1430120216学生姓名刘国辉学号1430120214学生姓名王欣学号1430120229学生姓名唐利超学号1430120225指导教师宋鸣专业机械电子工程职称讲师完成期限2018年1月1日至2018年1月11日一、主要内容1.自动售货机的控制系统总体方案设计2.自动售货机的控制系统主电路原理设计3.自动售货机的控制系统控制原理设计4.主要元器件参数选型5.PLC系统I/O口分配及外部电路设计6.按控制要求绘制顺序功能流程图设计或程序流程图7.在宇龙仿真软件平台上搭建电路，输入程序并调试，直至按控制要求完成仿真实验8.完成设计并撰写不少于4000字的实训总结报告；9.修改完善实训总结报告，准备答辩。二、参考文献1.陈宏钧.可编程控制器课程设计指导书[M].天津：天津大学出版社.20012.邓星钟.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社.20013.三菱电机株式会社.三菱PLC编程手册[Z].日本：三菱电机株式会社.20034.姜培刚，盖玉先.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社.2004.5.张海根.机电传动控制[M].北京：高等教育出版社.2001指导老师意见：指导老师签名：年月日PAGEI摘要“机电一体化综合实训”是机电专业的综合性实习训练，放在专业基础课程学完之后，利用实训两周的时间设计自动售货机的系统设计，通过运用宇龙机电一体化仿真软件实现对自动售货机的设计及仿真，达到可以正确选择PLC型号的方法，熟悉PLC程序设计常用的方法，掌握自动售货机的PLC控制系统设计的目的。设计过程中最大限度的满足被控对象的控制要求；保证系统的高可靠，安全；满足任务书要求的情况下力求是控制系统简单，经济实用和维修方便。最终达到熟练掌握PLC设计过程的目的。.关键词：自动售货机PLC哈尔滨理工大学机电一体化综合实训报告目录摘要 II目录 I第1章绪论 11.1实训主要内容 11.2实训目的 11.3实训任务 11.4实训与其它实践性教学环节的关系 1第2章控制系统设计 22.1自动售货机的控制要求 22.2自动售货机的工作方式 22.3PLC可编程控制器简介 22.3.1PLC的基本概念 22.3.2PLC的基本结构 32.3.3PLC的工作原理 32.3.4PLC目前的主要品牌 42.4控制系统构成图 4第3章硬件接线 53.1I/O接口的分配 53.2PLC的外部接线图 53.3电路图 63.4控制系统流程图 63.5系统梯形图 7第4章程序调试及运动仿真 124.1程序调试 124.2程序结果分析 164.2.1程序问题的解决 164.2.2设计结果分析 16总结 17致谢 18参考文献 19-PAGE10-PAGE18绪论实训主要内容1.讲解机电控制仿真软件使用及各项功能。2.掌握机电一体化装置的基本概念，明确机电一体化装置的构成，明确各部分的作用；3.掌握机电设备中常用的元气件的结构、特点、应用和安装方式；4.初步学会根据设备要求选择元器件；5.掌握典型机电设备的操作、安装与调试基本知识和基本技能；6.能够根据提供的控制回路、接线图、装配图等，在机电控制仿真软件上完成典型装置安装与调试；7.掌握PLC的程序编制方法（如欧姆龙、西门子、AB等厂家），在机电控制仿真软件上完成典型机电一体化装置的PLC控制程序编写；实训目的机电一体化综合训练是一个阶段性的综合训练环节，大学四年级上学期开设。通过综合训练，首先让学生了解一般机电控制系统的组成和控制方法，建立机电一体化系统控制的概念；其次通过学生综合运用所学机电专业相关理论知识，根据机电一体化系统上的机械结构及控制部分的工作原理，自己动手设计各个机械部件的动作控制流程，最后在典型机电一体化系统仿真试验台上进行仿真实验，锻炼学生的理论联系实际能力及综合应用知识的能力。实训任务根据实际要求，完成自动售货机的系统设计及仿真1、按下投币口按钮5角、1元、5元，数码显示投币金额为0.5、1.0、5.0。2、显示金额减去所买货物金额后，数码显示余额，可以一次多买，直到金额不足，灯L1亮提示余额不足。3、过4秒后，如果没有再次操作，则取物口灯亮，有余额则退币口灯亮。4、如不买货物，按退币钮则退出全部金额、数码显示为零，退币口灯亮。实训与其它实践性教学环节的关系通过机电一体化综合实训的环节，让学生液压技术、控制电机及电气控制技术、自动检测技术、PLC及其自动控制技术等理论专业知识。提高学生对机电一体化控制系统产品设计流程的意识。控制系统设计自动售货机的控制要求七段数码管：下面的接线端是A、B、C、D、E、F、G、DP接线端的公共端，可用来显示余额。选择按钮：相当于按钮开关，用来选则要买的物品。投币按钮：将投币按扭通电，点击“5角”相当于投币5角，依次类推。用PLC控制自动售货机，控制要求是：1、按下投币口按钮5角、1元、5元，数码显示投币金额为0.5、1.0、5.0。2、显示金额减去所买货物金额后，数码显示余额，可以一次多买，直到金额不足，灯L1亮提示余额不足。3、过4秒后，如果没有再次操作，则取物口灯亮，有余额则退币口灯亮。4、如不买货物，按退币钮则退出全部金额、数码显示为零，退币口灯亮。自动售货机的工作方式随着科技的发展和社会的进步,自动化商业机械有了越来越广泛的应用,自动售货机作为自动化商业机械的代表被广泛用于公共场所。人们通过自动售货机可以买到食品、香烟、饮料、报纸、票、卡甚至鲜花和小宠物等物品。自动售货机实现了商品需求化、性能多样化的发展,又由原来只能出售有限商品品种,转变为继百货公司、超级市场、便民店之后,以消费者与售货机“一对一”自动售货的无店铺销售业态。自动售货,给人们的生活带来了极大的方便。自动售货机的新奇、文明、高档、灵活方便等深受广大市民青睐。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。PLC可编程控制器简介PLC的基本概念可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户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以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。输入采样阶段在输入采样阶段，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映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。输出刷新阶段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PLC的真正输出。PLC目前的主要品牌松下，西门子，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，AB等。控制系统构成图自动售货机控制系统构成图如图2-1所示：图2-1自动售货机控制系统构成图硬件接线I/O接口的分配系统I/O口分配如表3-1所示。表3-1I/O接口分配表按钮输出I输出II输出III退币I0.0数码管1-AQ0.0数码管2-AQ1.0投币口灯Q2.0投五角I0.1数码管1-BQ0.1数码管2-BQ1.1投一块I0.2数码管1-CQ0.2数码管2-CQ1.2退币口灯Q2.1投五元I0.3数码管1-DQ0.3数码管2-DQ1.3可乐I0.4数码管1-EQ0.4数码管2-EQ1.4酷儿I0.5数码管1-FQ0.5数码管2-FQ1.5取物口灯Q2.2雪碧I0.6数码管1-GQ0.6数码管2-GQ1.6橙汁I0.7数码管1-DPQ0.7数码管2-DPQ1.7PLC的外部接线图外部接线图如图3-1所示：图3-1外部接线图电路图系统电路图如图3-2所示：图3-2系统电路图控制系统流程图系统流程图如图3-3所示：图3-3系统流程图系统梯形图

程序调试及运动仿真程序调试1、打开宇龙机电控制仿真软件，调入西门子PLCS7-226，调入自动售货机模型，根据电路图完成接线。2、右键PLC，编辑程序，键入所需程序。经编译检查无误后，把编写好的程序导入到西门子PLC中进行调试；3、程序调试：（1）初始状态自动售货机在初始时金额存储器中存储为0，数码管时钟现实金额储存器中的实数，所以在刚启动自动售货机时，数码管显示0.0，转换为线圈时为Q0.0至Q0.5，Q0.7，Q1.0至Q1.5为置位状态，其他数码管为复位状态，梯形图如图4-1所示。4-1初始数码管显示投币按键整个系统中，剩余金额数存储在VD0存储器中，所以在整个过程中投币按钮分别触发加法运算指令，将指定的数字送入VD0中，I0.1，I0.2，I0.3分别为投入0.5元，1元，5元，当I0.1，I0.2，I0.3闭合时出发实数加法运算指令，完成累加运算，在整个操作过程中可以随时投币。梯形图如图4-2所示。4-2加法运算指令梯形图购买按键同投币按键相似，购买按键相似，I0.4，I0.5，I0.6，I0.7触发减法运算指令，分别为减去1.5元，2.5元，3元，5元，采用减法运算指令，在VD0中减去相应的商品价格，同时置位M1.5，复位M0.0。梯形图如图4-3所示。4-3减法运算指令梯形图判断投币金额是否大于商品单价及退币当小于商品单价时投币灯L1亮，四秒内可进行投币，若四秒内无任何操作，退币灯亮，完成退币。当余额大于商品单价时可多次购买或退币，将M1.5复位，M1.2置位，四秒内无任何操作则取物口灯亮，如有余额，则退币灯亮，完成退货退币指令。梯形图如图4-4所示。4-4退币系统程序结果分析程序问题的解决整个仿真过程中问题主要出现在如下两个位置：1.通过软件的调试发现了梯形图中设计时的一些错误，比如7段数码管的清零问题，开始设计时用的是RESET指令，后来通过调试得知此指令只能置位位，考虑到实质是把通道清零，用MOVE指令即可。2.在整个实训过程中对其他一些平时实验用不到的指令及程序设计，经过梯形图的设计及调试加深了理解，比如七段译码指令的使用。设计结果分析实验证明：该系统程序设计较全面地演示自动售货机的使用功能；通过修改PLC控制程序，可在自动售货机上实现多种控制方式、销售方式、销售种类。自动售货机可以根据投入的钱币自动付货。它根据投入钱币的多少，购买相应的商品，购买的饮料就可以从出口处提出，出货口灯提示用户将物品拿走，不买东西了就按下退币按钮，将多余的钱币取回。数码管显示为零，回到初始状态。总结经过两周的奋战，我们的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次设计过程，我发现学习过程中不容得半点马虎和随意。首先，程序设计过程中，要按主电路、控制电路、辅助电路、联锁与保护、总体检查反复修改与完善的先后顺序进行。PLC控制程序既要满足生产机械和工艺的各种控制，又要满足电气控制装置本身的制造、使用和维修的需要。原理设计决定着生产机械设备的合理性与先进性，考虑其是否具有生产可行性、经济性、美观、使用维修方便等特点PLC控制系统设计