基于PLC控制的自动售货机毕业设计

河南城建学院本科毕业设计（论文）摘要第4章自动售货机控制方案设计4.1自动售货机控制方案设计（1）通过分析，由于程序内部的联锁、互动关系较为复杂，故采取步进指令较为简单。本自动售货机可使用5角硬币，给计总金额数带来麻烦，可对除5角识别器以外的所对应INC指令的计数器中的值乘2计算来方便计算总钱数，即将所有“元”转化为多少个“5角”。（3）由于实验室PLC型号三菱FX2N-48MR对某些指令无法识别，所以需将所有用脉冲执行型的功能指令都使用PLS指令进行转化，即通过PLS指令驱动辅助继电器M，实现程序功能。（4）找余时，可找1元与5角，故需对剩余总金额寄存器中的数目除以2和取模2，除2结果即为当前要找1元的数目，取模2结果即为当前要找5角数目。（5）PLC选用继电器输出型。（6）实现顾客的循环购买，故需实现控制程序的跳转（向后跳转）。当顾客再次购买时，余额寄存器（为了退币，该寄存器中值已除2）中值要先乘2，以便与商品价格比较（商品价格已转化为多少个5角），再进入下次购买。（7）退币结束时，使用SET指令恢复初始态，并置位所有寄存器，以准备下一个顾客购买饮料，防止出现错误4.2PLC选型4.2.1PLC概述（1）PLC的由来在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。继电器控制系统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的要求，以在激烈的竞争的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此特拟定了十项公开招标的技术要求，根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC（PDP—14型），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期。从此可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来，而且在工业发达国家发展很快。（2）PLC的定义在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（ProgrammableController），英文缩写为PC，并作如下定义：“可编程序控制器是一种数字式电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制以对各种机械或生产过程进行控制。”国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程序控制器标准的草案第一稿，1985年1月又发表了草案第二稿，1987年2月颁布了草案第三稿。该草案中对可编程序控制器的定义是：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备等都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充起功能的原则设计。”定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应和应用能力。4.2.2、PLC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、并联及其他各种逻辑连接，进行开关控制。（2）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、计数器指令实现对某种操作的定时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器。（3）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、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。（4）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。（5）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。（6）运动控制功能运动控制功能是指通过高速计数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。（7）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。（8）扩展功能扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即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。（9）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。（10）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。（11）监控功能监控功能是指PLC能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、计数器等的设定值。4.2.3I/O点估算和PLC选型PLC容量的选择除满足控制要求外，还应考虑留有适当的余量，以作备用。通常，一条逻辑指令占存储器一个字。计时、计数、移位以及算术运算、数据传送等指令需占存储器的空间。在选择存储器容量时，一般按实际需要的10%至25%考虑裕量。I/O点数按实际需要的10%至15%考虑备用。用户存储容量是指PLC用于存储用户程序的存储器容量。需要的用户存储容量的大小由用户程序的长短决定。I/O点数即PLC面板上连接输入、输出信号用的端子的个数，常称为点数,用输入的点数和输出的点数的和来表示。I/O点数越多，外部可接入的器件和输出的器件就越多，控制规模就越大。因此，I/O点数是衡量衡量PLC性能的重要指标之一。国际上流行将PLC的点数作为PLC规模分类的标准，I/O点数在256点以下的为小型PLC，64点及64点以下的为微型PLC，总点数在2048点以上的为大型机。PLC容量包括两个方面：一是I/O的点数；二是用户存储器的容量（字数）。本设计采用的是微型PLC，其中外部输入端有五角、一元、五元投入端口，可乐、绿茶、奶茶选择按钮，开始按钮，退币按钮；外部输出端有可乐、绿茶、奶茶指示灯，退币指示灯，可乐、绿茶、奶茶输出端口，退币端口，本设计采用一个小型电机控制电磁阀产生对饮料和钱币的输出，在选择饮料的同时会有相应的指示灯亮，其指示采用的电是经过变压器调制成的24V电压，安全可靠。由此可知，系统所需的输入点数为8点，输出点数为11点。根据以上分析，可选用32点（16I/16O）的PLC，现选用三菱公司的FX2N-32MR型PLC，这种类型的PLC能够满足功能的设计需要，又在经济上得到了节省，完全符合设计需求。表4-1三菱FX-2N系列PLC型号输入点数输出点数扩展模块点数继电器输入可挖硅输出晶体管输出FX2N—16MR-001FX2N—16MSFX2N—16MT8824—32FX2N—32MR-001FX2N—32MSFX2N—32MT161624—32FX2N—48MR-001FX2N—48MSFX2N—48MT242448—64FX2N—64MR-001FX2N—64MSFX2N—64MT323248—64FX2N—80MR-001FX2N—80MSFX2N—80MT404048—64FX2N—128MR-001FX2N—128MT646448—644.3.I/O地址设计一般讲，配置好的PLC其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际的也要相当），故I/O的分配实际上是把PLC的入、出点号分给实际的I/O电路，编程时按点号建立逻辑或控制关系，接线时按点号“对号入坐”进行接线。其PLC的I/O分配表如表4-2所示:表4-2I/O接线表输入输出设备输入设备输出开始按钮SB0X000可乐指示灯HL2Y0100.5元SB1X001绿茶指示灯HL3Y0111元SB2X002奶茶指示灯HL4Y0125元SB3X003找钱指示灯HL5Y016可乐按钮SB4X004可乐输出YV1Y013绿茶按钮SB5X005绿茶输出YV2Y014奶茶按钮SB6X006奶茶输出YV3Y015退币按钮SB7X0070.5元退币口YV4Y0201元退币口YV5Y0215元退币口YV6Y0224.4流程设计按下开始按钮，通过系统自检，系统初始化。顾客按下所选择的商品按钮，看是否有货，若没有，则会报警提示，否则投入钱币，然后辨别真伪，如有假币则推出伪币，若无假币，通过钱币累加并显示，并与商品价格比较，若满足看是否有余，若有送出商品同时找零并退币。PLC控制的自动售货机的程序流程图如图4-4所示。图4-4自动售货机程序流程图4.5PLC与现场器件的连接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。根据控制要求，I/O点数在32个左右，选择性能价格比较适宜的三菱FX2n-32MR，其中其输入点为16点，输出点为16点，该PLC为继电器输出型。了解各个控制对象的驱动要求，分析对象的控制要求，完成PLC硬件结构配置。本设计中输入有开始按钮、钱币的投入按钮、选择饮料按钮、退币按钮；输出有指示灯显示输出、饮料输出、退币输出。这些功能都能够通过PLC进行得到很好的控制；电机提供动力进行对饮料的输出。根据上述要求，因条件所限输出均用指示灯代替，由此绘制出PLC控制电路接线图，如图2-1所示：图4-3PLC外部I/O接线图该PLC自动售货机I/O接线图中，PLC元件X004，X005，X006，X007是选择控制按钮，选择可乐，绿茶，奶茶。线圈Y010，Y011，Y012，Y016，是作为指示灯的输出线圈。当你投币，选择可乐、绿茶，或奶茶时的指示引导购物作用。按钮和指示灯，直接明了，方便简单，易于操作。4.6程序设计4.6.1比较指令和运算指令比较指令在PLC控制系统中是一条十分重要的功能指令，它将[S1]、[S2]中的数据进行比较，比较结果送到目的操作数[D]中，如下图4-4所示，当X000为OFF时，不执行CMP指令，M10，M11，M12保持不变；当X000为ON时，执行CMP指令，[S1]、[S2]中的数据进行比较，即C10计数器值与K10（数值K10）比较。如果C10当前值小于10，则M10=1；如果C10当前值大于10，则M12=1；如果C10当前值等于10，则M11=1。图4-4CMP指令使用说明运算指令有加法运算和减法运算，运用运算指令是用来计算钱币的总值和剩余的钱币。加法运算：加法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加，结果送到指定的目标元件中，如图4-5所示。当X000为1时，（D0）+（D5）=（D6），运算是代数运算图4-5加法运算使用说明图减法运算：减法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加，结果送到指定的目标元件中，如图4-6所示。当X000为1时，（D10）+（D12）=（D14），运算为代数运算。图4-6减法运算使用说明图4.6.2投币程序X001、X002、X003为投币识别，每识别一次，即X001、X002或X003接通一次，往寄存器D10中累加按键代表的相应金额，但是在报警和退币的时候不可投币，此时继电器M206和M208会分别断开，此时投币无效，只有在退币过程结束4s后，再投币才有效，若在4s内投币则直接退币。M204在系统上电按下启动键X000后接通后，M205接通时方可开始下一次操作。其具体梯形图如图4-7所示：图4-7投币梯形图4.6.3价格比较程序寄存在D10中的货币金额和商品的单价相比较，如第一句中如果（D10）>45，则M6=1；（D10）=45，则M7=1；（D10）<45，则M8=1。以此类推，其价格比较梯形图如下图4-8所示：图4-8价格比较梯形图4.6.4根据投入的钱数指示灯显示的程序根据选择的饮料价格不同，投入的钱币多少，则饮料的指示灯亮的情况也不一样，指示灯分别有Y010，Y011和Y012分别表示三种饮料的指示灯，具体表现将会在后面具体实例中体现，指示灯的编程梯形图如下图4-9所示：图4-9指示灯显示梯形图4.6.5选择商品和送出部分程序选择商品的输出，当投入的钱币达到规定的价格时，相对应商品的指示灯就会亮，当按下所对应的按钮，则对应的商品就会输出。例如当钱币足够时，选择可乐按钮即X004，其中X005和X006的常闭触点起到互锁的作用，这样的目的就是保证不能同时选择两种饮料，其具体的部分梯形图如下图4-10所示：图4-10选择商品输出程序图4.6.6找钱退币程序自动售货机的退币键为X007，当接通自动售货机X007按钮后，线路构成闭合，退币指示灯Y016亮，以表示系统退币正在进行中，这种显示结果能够表明系统执行的完善性。其中常开开关M34作为自锁作用，目的是在退币按钮选择以后，能够使时间继电器继续执行其要求的功能，即亮的时间由T6设置，这里设置T6=40，就是亮4s。其找钱程序如图4-11所示：图4-11找钱程序梯形图自动售货机退币时，其系统根据用户所剩余额进行比较，当余额大于或者等于5元时，先退币面值为5元的货币，然后再根据大于或者等于1元的余额退1元的货币，最后再退回0.5元的用户余额退回给用户。其控制的过程就是先进行钱币的比较，如果剩余钱币满足大于五元，Y022就会有结果，并且在总的剩余币值里面减去5元；如果剩余钱币不够5元，而大于一元，其结果就是Y021会显示动作，并且从总的钱币值中减去所统计的一元的面值；有5角的，其Y020就会显示动作，并减去5角的面值。在梯形图中，常开开关Y020、Y021、Y022所起的作用是自锁作用，这样能够较为准确的控制钱币的输出。其退币程序如图4-12所示：图4-12退币程序梯形图4.6.7梯形图和指令表本设计的总梯形图和指令表见附录。河南城建学院本科毕业设计（论文）仿真第5章仿真5.1GX7CH软件的简介GX7CH是一种模拟调试PLC梯形图的一种软件，它的出现给现代电子行业带来了巨大的进步，它可以编写程序，调试程序，还可以显示效果，利用这些功能可以仿真自己所设计的梯形图，看看是否能够达到预期的效果，可以反复的修改、调试、运行，一直达到自己所要实现的目的，这样可以在设计中节约成本，提高经济利用率，总之在模拟电路中起到了良好的运用。它具体的操作效果及步骤将会在下面设计中体现，具体一些显示图框如图5-1和5-2及所示。图5-1GX7CH操作图写入梯形图程序，选择FX2N系列，然后运行。图5-2GX7CH输出显示图上图为其输出显示图的页面5.2具体事例的分析例如向自动给售货机里面投入一个1元和5元的钱币，则Y010、Y011和Y012都会显示亮，当按下奶茶按钮之后，则奶茶输出，即Y015显示亮，买过之后退出钱币，找钱币灯亮，然后会退出钱币，即Y020和Y021显示亮，梯形图的动作情况及输出结果的显示如下图所示：图5-3投入1元后的调试梯形图投入一元后，X002亮.图5-4投入5元后的程序调试梯形图投入5元后X003亮. 图5-5显示灯亮的梯形图可乐指示灯-Y010灯亮，绿茶指示灯-Y011，灯亮奶茶指示灯-Y012灯亮。图5-6灯亮软元件显示图可乐指示灯-Y010灯亮，绿茶指示灯-Y011，灯亮奶茶指示灯-Y012灯亮，在软件中的显示图5-7Y软元件测试图上图为奶茶选择按钮在软元件中的测试图5-8选择奶茶后的程序动作梯形图5-9输出奶茶程序动作梯形图图5-10软元件输出奶茶显示图选择奶茶按钮后，输出奶茶的动作梯形图，以及在软元件输出奶茶显示图图5-11找钱的程序梯形图在执行过购物程序后，Y020为5角投币出口，Y021为1元投币出口，执行退币。图5-12退币指示灯和找钱动作软元件梯形图5-13退币指示灯程序梯形图电动机M33动作，找钱指示灯Y016亮图5-14清零动作程序梯形图执行退币程序后，退币从1元投币出口出来，然后复位清零河南城建学院本科毕业设计（论文）结论结论论文在讲述了自动售货机的发展过程，以及国内外发展的现状。在此基础上进行了方案论证，介绍了PLC的基本组成、特点、工作原理以及PLC的选型，并对基于PLC的自动售货机系统的构成进行了详尽的论述。（1）通过分析，由于程序内部的联锁、互动关系较为复杂，故采取步进指令较为简单。（2）本自动售货机可使用5角硬币，给计总金额数带来麻烦，可对除5角识别器以外的所对应INC指令的计数器中的值乘2计算来方便计算总钱数，即将所有“元”转化为多少个“5角”。（3）由于实验室PLC型号三菱FX2N-48MR对某些指令无法识别，所以需将所有用脉冲执行型的功能指令都使用PLS指令进行转化，即通过PLS指令驱动辅助继电器M，实现程序功能。（4）找余时，可找1元与5角，故需对剩余总金额寄存器中的数目除以2和取模2，除2结果即为当前要找1元的数目，取模2结果即为当前要找5角数目。（5）PLC选用继电器输出型。（6）实现顾客的循环购买，故需实现控制程序的跳转（向后跳转）。当顾客再次购买时，余额寄存器（为了退币，该寄存器中值已除2）中值要先乘2，以便与商品价格比较（商品价格已转化为多少个5角），再进入下次购买。（7）退币结束时，使用SET指令恢复初始态，并置位所有寄存器，以准备下一个顾客购买饮料，防止出现错误通过本次论文设计，使我对PLC控制的知识有了更深层次的认识，同时通过多次上机操作，我对计算计的运用能力也有很大的提高，而在论文设计中通过查阅文献，搜集资料，综合分析等方面的训练，使我综合运用各方面知识，分析解决实际问题的能力也得到了很大的提高。在具体的设计过程中，通过老师和同学的帮助和自己的不断摸索，掌握了不少的工程设计方法，同时也培养了自己的工程设计思想，为以后的实际工作打下了一定的基础。本次自动售货机设计方案比较简单，造价也比较便宜，操作简便，适合投放在学校、医院、超市等公共场合。但本系统还存在一些不完善的地方，例如在对硬币识别的功能上不够完善，没有设置5角以及纸币的的识别系统，用户使用上有一定的局限。不完善的部分和功能的增加有待于进一步的设计和调试。河南城建学院本科毕业设计（论文）参考文献参考文献[1]陈建民.电气控制与PLC应用（第二版）.电子工业出版社，2001.(3):76-90[2]邓星钟.机电传动控制（第三版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2001[3]贺贾德胜.PLC应用开发实用子程序（第一版）[M].人民邮电出版社，2006:135-136[4]三菱股份有限公司编.FX可编程控制器编程手册[Z].北京：研华科技股份有限公司，2004.5]邹金慧.可编程控制器及其系统[M].重庆：重庆大学出版社，2002.11[6]翁维勤.过程控制系统及工程[M].北京：化学工业出版社，1996[7]李景学.等.可编程序控制器应用系统设计方法[M].北京：电子工业出版社，1995[8]余雷声.电气控制与PLC应用[M].北京：机械工业出版社，1998.[9]童伟，刘树道.气动PLC顺序控制系统的设计[J].液压与气动，2004，（10）：12-13[10]王兆义.可编程控制器教程[M].北京：机械工业出版社，1997[11]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，2001[12]三菱电机株式会社.三菱PLC编程手册[Z