基于PLC控制的自动售货机毕业设计

基于PLC控制的自动售货机摘要本文设计一套基于PLC的自动售货机控制系统，阐述了自动售货机的开展背景与前景，详细分析其功能和特点，提出了总体设计方案；选用型号为L293D的步进驱动电机，设计了平面式贮币、电磁阀退币的货币处理装置，双螺旋式的送出机构，为降低本钱和开发周期，创造性的选用了集成键盘、显示、设置功能的控制面板；以三菱FX2N-32MR型PLC为主控制器，基于FXGP/WIN-C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，包括投币程序、比拟选择购置程序和退币程序。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，可编程序控制器，梯形图BasedonPLCautomaticvendingmachinesystemdesignABSTRACTChoosesPCmachineinthedesigntotakethehostworkstationonpositionmachine,thelowerpositionmachineusesPLCtomakethecontroller,threePLCcontrollersrespectivelybefromtheworkstation1,fromtheworkstation2,fromtheworkstation3,inthearticleexhaustivelyintroducedtheautomatvarioushardwarecomposition,andhascompletedthePLCexteriorwiringdiagram.Inthearticlehasmanufacturedonthepositionmachineusermanagementcontactsurface.ThepresentpaperkeypointplacesthePLCvarioushardwarepartthedesignandtheintroduction,thePLCtrapezoidalchartDeferstointheoveralldesignprocess“asksthequestion,theanalysisquestion,solvestheproblem〞theguidingideology,hasmadethecarefulelaborationtotheoverallsystemdesignwork.KEYWORDS:thevendingmachine，Programmablecontroller，Ladderdiagram目录第1章绪论11.1课题研究背景11.2自动售货机设计目的和意义21.3自动售货机功能分析21.3自动售货机开展趋势3第2章自动售货机硬件结构设计42.1PLC的硬件组成42.2电机的选择42.3货币处理装置72.4送出机构72.5按钮装置102.6显示装置102.7本章小结11第3章总体设计方案123.1自动售货机系统123.1.1硬件系统的组成局部及工作流程123.1.2控制子系统简述133.1.3PLC的选择133.2PLC控制系统设计编程要求及根本原那么143.2.1编程要求143.2.2根本原那么153.3系统硬件结构框图16第4章自动售货机控制系统设计184.1自动售货机控制方案设计184.2PLC选型184.2.1PLC概述184.2.2PLC的主要功能194.2.3I/O点估算和PLC选型204.3I/O地址设计214.4流程设计224.5PLC与现场器件的连接244.6程序设计254.6.1比拟指令和运算指令254.6.2投币程序264.6.3价格比拟程序264.6.4根据投入的钱数指示灯显示的程序274.6.5选择商品和送出局部程序274.6.6找钱退币程序284.6.7梯形图和指令表29第5章仿真305.1GX7CH软件的简介305.2具体事例的分析31结论38参考文献39致谢40附录41第1章绪论1.1课题研究背景自动售货机是可完成无人自动售货,集光、机、电一体化的商业自动化设备。随着当前城市规模的增大，很多公共场合都放置有自动售货机，极大的满足了人们的即时性需求，为人们进行简单物品的采购提供了一种便利。自动售货机行业长期以来在美国、日本等国家得到迅猛开展，目前已在45个国家得到广泛普及。据业内人士估计，中国的自动售货机拥有量仅有2万台，相对于13亿的人口大国和零售业态开展的趋势而言，中国自动售货机行业的开展空间将更加广阔。传统的自动售货机多采用单片机控制方案，系统硬件设计复杂，抗干扰能力相对较差，很难保证系统的可靠性和稳定性，维护维修困难。可编程序控制器(PLC)是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而开展起来的一种新型的工业控制装置，它具有可靠性高、程序简单、维护方便等优点，已在工业控制领域得到广泛地应用，因为自动售货机作为社会上完成商品零售和综合效劳的独立设施，要求它的结构必须可靠、稳定和执行效率高。利用三菱FX-2NPLC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。本文就详细地介绍一种用三菱FX-2NPLC实现的自动售货机控制系统的硬件设计和软件设计，并编写了系统程序总框图和一个具体的梯形图，经实践验证该控制系统是可行的。1.2自动售货机设计目的和意义面对当前快速商品社会，人们的时间观念越来越重，如何才能更快的购置到顾客自己所需的商品，这都是顾客和商家共同面临的问题。随着科技的开展及人们生活水平的提高，自动售货机市场的开展越来越呈现出多元化及个性化的需求。通过自动售货机进行自助购物正逐渐成为市民的一种新的消费时尚，快捷方便的购物方式满足了人们在当今科技高速开展的现代社会追求高品质生活的需要。自动售货机在城市商业区、写字楼大厅、风景区、车站、码头、繁华街道等公共场所的布设能够美化亮化城市环境，方便群众生活，已经成为城市各角落的一道亮丽风景线。自动售货机已在国内普及，并成为城市现代文明程度的一种象征性标志。PLC的开展与计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的开展息息相关，这些高新技术的开展推动了PLC的开展，而PLC得开展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了他们的开展。本次设计就在于结合PLC的种种优点联系实际情况来弥补原有系统的缺乏，利用PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性，保证了自动售货机能够长期稳定的运行。1.3自动售货机功能分析在进行上、下位机程序编写之前，首先要做的工作是确定自动售货机本身所具备的功能及在进行某种操作后所具有的状态。售货机的根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置某种商品，并作出相应的反响。举一个简单的例子来说明，例如：售货机中有8种商品，其中01号商品〔代表第一种商品〕价格为2.50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，提示可以购置，其他商品同此。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。此时售货机继续等待外部命令，如继续交易，那么同上，如果此时不再购置而按下退币按钮，售货机那么要进行退币操作，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1.1所示。图1-1自动售货机工作流程1.4自动售货机开展趋势现在，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，通过清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。在夏季电力消费顶峰时，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开展。从自动售货机的开展趋势来看，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，在加上场地的局限性和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也就有了其相当可观的前景。第2章自动售货机硬件结构设计2.1PLC的硬件组成PLC的硬件主要由中央处理器〔CPU〕、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等几局部组成。其中，CPU是PLC的核心；输入单元/输出单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路；通信接口用于连接编程器、上位计算机等外部设备，其硬件结构图如图2-1硬件结构图2-12.2电机的选择电动机选择的参考因素主要包括：电动机型式、电压与转速；电动机型式种类；电动机防护型式的选择；电动机电压和转速。1、电动机型式、电压与转速的选择

合理选择电动机型式、电压与转速的具体内容及一般步骤

首先要根据生产机械对电力传动提出的要求，如起动与制动的频繁程度，有无调速要求等等来选择电动机的电流种类，即选用交流电动机还是选用直流电动机；其次应结合电源情况选择电动机额定电压的大小；再由生产机械所要求的转速及传动设备的要求选取它的额定转速；然后根据电动机和生产机械的安装位置和周围环境情况来决定电动机的结构型式和防护型式；最后由生产机械所需要的功率大小来决定电动机的额定功率〔容量〕。综合以上方面考虑，最后在电机产品目录中选择与要求相符的电动机，如果产品目录中所列电动机不能满足生产机械的某些特殊要求，那么可向电机生产厂家单独定制。

2.电动机型式种类的选择

选择电动机是从交流和直流、机械特性、调速与起动性能、维护及价格等方面来考虑的，所以选择时要遵循以下原那么：

①首先考虑选用三相鼠笼型异步电动机。因为它具有简单、巩固耐用、工作可靠、价格低廉和维护方便等优点，但是它的缺点是调速困难、功率因数低、起动电流较大和起动转矩较小。因此主要适用于作为机械特性较硬而无特殊调速要求的一般生产机械和拖动，如一般的机床和功率小于100KW的水泵或通风机等生产机械。

②绕线型电动机的价格较笼型电动机高，但是它的机械特性可通过转子外加电阻的方法加以调节，因而能限制起动电流并提高起动转矩，故它可适用于电源容量较小，电动机功率较大或有调速要求的场合，如某些起重设备、卷扬提升设备、锻压机及重型机床的横梁移动等。

③当调速范围低于1：10，且又要求能平滑调速的场合，可先选用滑差电动机。该电动机的结构型式按其安装位置的不同可分为卧式和立式两种。卧式电动机的转轴是水平安装的，立式电动机的转轴那么是与地面垂直安装的，故两种电机不可以更换对调使用。在一般情况下应尽量选用卧式电动机，只有在需要垂直运转的场合〔如立式深井水泵以及钻床等〕，为了简化传动装置时才考虑采用立式电动机〔因为它的价格较贵〕。3.电动机防护型式的选择

电动机的防护型式有多种，实用中选择时必须根据不同的工作环境选择适宜的防护型式电动机。电动机的防护型式有开启式、防护式、封闭式、防爆式、潜水式等数种。通常情况下选用开启式，因为它廉价，但它只适用于枯燥清洁的环境，对于潮湿、易受风雨侵蚀、多灰尘、易燃、腐蚀性的环境应选用封闭式，而在灰尘多对电机绝缘无害且易被压缩空气吹净时，可选用防护式。至于潜水泵用电机，那么应采用完全密封式，以保证在水中工作时不被潮气侵入，当电动机在有火灾或爆炸危险的环境中时，应注意必须选用防爆式。

4.电动机电压和转速的选择

〔1〕现有工厂企业的生产机械选配电动机时，电动机的额定电压应与工厂配电电压一致，新建工厂的电动机，其电压选择要与工厂供配电电压的选择一起考虑，根据不同电压等级经技术经济比拟后择优决定。

我国规定的低电压标准为220/380V，高压配电电压大多数为10KV。一般中小容量的电动机大都是低压的，其额定电压分别为220/380V〔D/Y接法〕和380/660V(D/Y接法)两种。当电动机容量超过约200KW时，建议使用者选择3KV、6KV或10KV的高压电机。

〔2〕电动机的〔额定〕转速选择，要根据拖动生产机械的要求及传动装置的配比情况来考虑。电动机每分钟的转数通常有3000、1500、1000、750及600等多种，异步电动机额定转速由于存在转差率，一般要比上述转速低2％～5%。从电动机制造角度讲，同样功率的电动机假设额定转速越高，其电磁转矩外形尺寸就愈小，本钱就愈低且重量亦轻，并且高速电机的功率因数及效率比低速电机都高。假设能选择转速愈高的电动机，那么经济性愈好，但假设由此而引起电动机与被拖动机械间的转速相差过大时，所需装设减速装置的传动级数就越多，这就会加大设备本钱及传动的能量损耗。故要经过分析比拟择优选定。我们通常应用的电机大局部是选用4极1500r/min的电机，因为这种额定转速的电机适应范围广，而且其功率因数和工作效率也较高。自动售货机吐出饮料的过程实际为电机动作推饮料下来。综合考虑选择电机为L293D步进驱动电机。由于电机都是电感性负载，在停转的时候会有反向电流，所以需要用PC847光电隔离器把控制和驱动信号隔离开来，然后用L293D步进驱动电机，电机驱动需24V电压，控制信号经过L293D后变为24V左右的电源信号才可驱动电机。电机有三根线：电源、地线和反响信号(电机转一圈送出一个低电平)。在机械制作中使电机转一圈刚好推出一瓶饮料，电机转一圈同时产生一反响信号，此信号使电机停止转动，另外一种情况是红外检测到有货物落下那么电机停止转动。2.3货币处理装置货币处理装置包括：检测货币投入状态的投入状态检测装置；检测有无货币退还操作的退还操作检测装置；在投入状态及投入货币退还操作的有无到达规定的基准状态时，将说得到的基准状态信号利用所外部；连接装置向投入外部装置输出的状态输出装置。目前投入试用的“货币识别机〞设置有感应线圈，通过对货币的材料、大小尺寸等各个要素进行感应并探明真伪。不同的材质具有不同的磁场变化，可以通过电子技术进行分析、探查和识别，更高级的检测还可以运用频谱分析。货币识别器种类繁多,但贮币退币机构根本上分为两类：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。根据设计中对自动售货机的要求，选择平面式贮币，电磁阀退币。当货币投入后经过识别识出电信号后，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零功能。货币处理装置流程如图2-2检测投入状态检测装置退还操作检测装置规定的基准状态外部装置外部装置外部输出装置2-2货币处理装置流程图2.4送出机构目前，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，造价本钱较高。〔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，下面是一个周边有假设干个圆槽的转盘，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，滚筒内可以装假设干瓶饮料，通过步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。本文所设计的罐体送出机构主要由槽轮、推拉杆、推拉销、直线步进电机和前后两边侧板构成,其中槽轮上槽弧的半径为罐体的半径,货道宽度为罐体的直径.如下送出机构示意图8所示.图8送出机构示意图送出机构主要通过直线步进电机带动推拉杆和推拉销,促使槽轮绕着转动中心作往返转动.直线步进电机运作一次,使槽轮上下各摆动一次.同时,在前后两边的侧板上有导向槽,推拉销在导向槽内来回运动,导向槽的作用是限定推拉杆的运动方向和槽轮摆动角度。送出机构的工作过程如图8所示,自动售货机正处在待售状态下,槽轮的槽开口朝下,利用阻货面来支撑和阻挡上面的罐体,起到阻止罐体下落的作用.当售货机接收到售货信号时,直线步进电机运行并作用于推拉杆,推拉杆同时推动槽轮上下摆动一次.在槽轮摆动的前半周,槽从开口向下转到开口向上,并有一个罐体装入到槽中;在槽轮摆动的后半周,槽的开口向上转到向下,并带动一个罐体向出货侧摆动,同时槽轮的阻货面挡住后面的罐体,电机停止工作,这样就完成一个罐体的售出。2.5按钮装置自动售货机的按钮装置，其特征在于备有操作按钮和基板，操作按钮设置在面板上，基板设置在操作按钮侧的相反侧，具有显示局部和检测机构，显示局部显示与操作按钮对应的信息，检测机构用于检测操作按钮的操作，显示局部设在基板上的与操作按钮不相向的位置。2.6显示装置液晶显示器(LCD)是现在非常普遍的显示器,广泛应用于各种电子产品，具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。液晶显示器〔LCD〕的原理与阴极射线管显示器〔CRT〕大不相同，LCD是基于液晶电光效应的显示器件，包括段显示方式的字符段显示器件，矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件，矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列那么变得混乱，阻止光线通过。液晶这一呈液体状的化学物质，象磁场中的金属一样，当受到外界电场影响时，其分子会产生精确的有序排列。如果对分子的排列加以适当的控制，液晶分子将会允许光线穿越。LCD显示屏都是由不同局部组成的分层结构。位于最后面的一层是由荧光物质组成的可以发射光线的背光层。背光层发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规那么的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。通常，在彩色LCD面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色，绿色，或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。TFTLCD技术能够显示更加清晰，明亮的图象。早期的LCD由于是非主动发光器件，速度低，效率差，比照度小，虽然能够显示清晰的文字，但是在快速显示图象时往往会产生阴影，影响视频的显示效果，受LCD液晶层中实际单元格数量的影响，LCD显示器一般只能提供固定的显示分辨率。如果用户需要将800X600的分辨率提升到1024X768的话，只能借助于特定软件的帮助实现模拟分辨率。与传统的CRT显示器一样，应用于桌面系统的LCD也被设计成接收波形模拟信号，而非直接由PC产生的数字脉冲信号。这主要是因为目前桌面系统中的绝大多数标准显卡仍然是在将视频信息由最初的数字信号转化为模拟信号之后再传送给显示器显示。虽然桌面系统的LCD被设计成可以接收模拟信号，但是LCD本身仍然只能处理数字信息，因此当从显卡接收到模拟信号之后，LCD需要将模拟信号再复原为数字信号后进行处理。为了解决上述问题带来的显示上的缺乏，最新的桌面LCD采用了一种特殊的带有数字连接器图形卡直接向LCD显示器传送数字信号。2.7本章小结本章详细的讲解了自动售货机的硬件结构，从而对自动售货机的组成有了一个更深的认识，为更好地完成设计打下了良好的根底。第3章总体设计方案3.1自动售货机控制系统3.1.1硬件系统的组成局部及工作流程组成局部通讯模块温控模块通讯模块温控模块自动售货机硬件系统货币识别模块销售模块货币识别模块销售模块主控模块主控模块人机模块图3-1自动售货机硬件系统组成局部温控模块：温度采集和加热制冷控制。销售模块：完成整体的销售动作，一般都是电机驱动特定的机构实现。3.人机模块：包括键盘和显示，有的机器还加上了显示屏，可以投放广告。4.通讯模块：目前仅局部高端机器有通讯模块的功能，一般都是采用GPRS模块，可以完成销售统计、原料补给、广告管理以及一些会员效劳。5.货币识别模块：主要包括纸币识别器、硬币识别器、硬币找零系统等，它主要实现识别真假纸币(一般为拾元、伍元)和硬币(壹元、伍角)、拒收假币和残币、正确找零的功能。6.主控模块：接受人民币识别系统信息，确认已接受的人民币是否可购置消费者所指定的商品，确认后按要求售出商品。〔2〕工作流程首先开机后要自检各个部件的状态是否正常，假设不正常要显示错误信息，方便运营人员及时修复；假设自检通过，检查商品信息，假设缺少货物，停止销售该类商品；然后等待，等待消费者投钱和选择商品，假设有人选择商品，等钱币投入后就开始执行销售模块，将产品送出，并找零钱。这是最根本的功能描述，在实际的设计中，有很多的因素需要考虑，一定要保证机器工作的可靠性和稳定性。3.1.2控制子系统简述控制子系统由以下四个局部组成:〔1〕售货价格系统自动售货机售出的同类商品可分假设干品种，其售前设定价格须预先贮存在控制系统内。售货机的价格设置系统由按键和存储器组成，通过按键选择被设价商品的种类及价格，并将价格写入存储器，该存储器本身具有掉电保护功能，属于软件设置方式。此外，在简易型售货机中，由于出售商品种类少，价格变化小，使用币种单一，也可用硬件来设置价格，采用拨码开关对应方式，结构简单、操作方便。〔2〕累计、可售指示和退币系统控制系统的核心CPU对识币、退币、无货检测及购货信号进行巡回检查，当有识币信号后，将金额数值送入金额累计存储器中进行累计，并通过串行扩展口进行显示，同时将金额累计存储器中的数值与预设价格存储器中的数值进行比拟，如金额累计数值等于或大于预设价格数值，那么通过串行接口使可售指示灯亮，提示购货。此时可按下购货按钮，由CPU检测到购货信号后，如金额累计存储器中数值与预设价格相等，那么通过并行扩展接口驱动电磁阀或微电机驱动出商品，并将金额累计存储器清零，完成一次售货过程；如累计金额大于预设价格时，驱动商品后，相减差额由信号驱动退币，实现售货和退币找零功能。〔3〕检测系统在自动售货机商品贮存道下方安有接触行程开关，当贮存道内有商品时，压下行程开关，售货机正常工作；当商品出售完毕时，行程开关被释放，向CPU发出无货信号，经检测通过串行扩展接口向相应的售完指示灯发出信号，使机身外部“售完〞指示灯亮，此种商品自动停售，即使投币累计金额到达该道商品预设价格数值，可售按钮仍然无启动信号，金额累计存储器也不清零。〔4〕累计及自测功能系统自动售货机CPU在每次售出商品后，向售出累计存储器中累计售出数据，通过售货机内部的按键可在金额显示窗中读到累计结果。此外，在按下自测功能键后，出现自测功能信号，由外部按键操作，可检测各商品贮存道的驱动商品功能。3.1.3PLC的选择当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的PLC,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，那么最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级，所以一旦它们是交流220V的负载使用，那么直流24V的负载只能使用其他的输出端了，这样有可能造成输出点浪费，增加本钱，所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比方使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。对第二个问题，那么有以下几个方面要考虑：〔1〕功能方面所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。〔2〕价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。PLC主机选定后，如果控制系统需要，那么相应的配套模块也就选定了。3.2PLC控制系统设计编程要求及根本原那么3.2.1PLC控制系统设计编程要求任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下根本原那么。〔1〕最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计过程中最重要的一条原那么。这就要求设计人员在设计之前就要深入现场进行调查研究，充分收集控制现场的资料，同时收集相关国内、国外相关的资料。同时还要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员等紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。〔2〕保证PLC控制系统平安可靠保证PLC控制系统能够长期平安、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原那么。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程等方面要全面考虑，以确保控制系统平安可靠。例如：应该保证PLC控制程序不仅能在正常条件下运行，而且要在非正常情况下，也能正常工作。〔3〕力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的本钱。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、本钱低，不宜盲目追求自动化和高指标。〔4〕适应开展的需要由于技术的不断开展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统开展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的开展和工艺的改良。3.2.2PLC控制系统设计的根本原那么〔1〕所编的程序要符合所使用的PLC的有关的规定主要是对指令要准确地理解，正确地使用。各种PLC指令多有类似之处，但还有些差异。对于有PLC使用经验的人，中选用另一种不太熟悉的型号进行编程设计时，一定要对新型号PLC的指令重新理解一遍，否那么容易出错。〔2〕要使所编的程序尽可能简洁简短的程序可以节省内存，简化调试，而且还可节省执行指令的时间，提高对输入的响应速度。要使所编的程序简短，就要注意编程方法，用好指令，用巧指令，还要能优化结构。要实现某种功能，一般而言，在到达目的的相同时，用功能强的指令比用功能单一的指令，程序步数可能会少些。〔3〕要使所编的程序尽可能清晰这样既便于程序的调试、修改或补充，也便于别人了解和读懂程序。要想使程序清晰，就要注意程序的层次，讲究模块化、标准化。特别是在编制复杂的程序时，更要注意程序的层次，可积累自己的与吸收别人的经验，整理出一些标准的具有典型功能的程序，并尽可能使程序单元化，像计算机中的常用的一些子程序一样，移来移去都能用，这样，设计起来简单，别人也易了解。〔4〕要使所编的程序符合PLC的性能指标及工作要求所编程序的指令条数一定少于所选用的PLC内存的容量，即程序在PLC中能放得下，所用的输入、输出点数要在所选用PLC的I/O点数范围之内，PLC的扫描时间要少于所选用PLC的程序运行监测时间。PLC的扫描时间不仅包括运行用户程序所需的时间，而且还包括运行系统程序，如I/O处理、自监测所需的时间。〔5〕所编程序能够循环运行PLC的工作特点是循环反复、不间断地运行同一程序。它的运行从初始化后的状态开始，待控制对象完成了工作循环〔完整程序执行一次〕，那么又返回初始化状态继续运行。因为只有这样才能使控制对象在新的工作周期中也得到相同的控制。3.3系统硬件结构框图根据上述要求，制定合理方案：首先，应该做上位机与下位机的任务分工，上位机主要用来完成仿真界面的制作过程，而下位机那么主要用来完成PLC程序的编写；其次，要分别对上位机和下位机进行资料的查找与收集。例如在进行仿真界面的设计时可以去观看一下真正售货机的外观，必要时可以借助一些宣传图片来设计自动售货机的外型；在进行PLC程序的编写时需要先分配PLC的I/O点，确定上、下位机的接口；然后，分别对上、下位机分别进行设计工作；最后，进行上位机设计结果与下位机设计结果的配合工作，经调试后完成整个系统的设计。另外，上位机与下位机的设计工作是密切配合的，它们无论在通信中使用的变量，还是在仿真中控制的对象都应该是一致的。总体上讲，仿真界面是被控对象，利用PLC来控制这个仿真的自动售货机，仿真的自动售货机接受PLC的控制指令并完成相应的动作；另一方面，仿真界面中的仿真自动售货机的运行，都是由组态界面所提供的命令语言来完成的。这是整个仿真系统内部各大部件之间的内在关系。本设计主要是对自动售货机中的下位机，也就是主要是对PLC在其中的程序进行设计。由此绘出系统组成框图如3-2所示。图3-2系统结构框图PLC控制系统：接受人民币识别系统信息，确认已接受的人民币是否可购置消费者所指定的商品，确认后按要求售出商品。钱币识别传感器：主要包括纸币识别器、硬币识别器、硬币找零系统等，它主要实现识别真假纸币(一般为拾元、伍元)和硬币(壹元、伍角)、拒收假币和残币、正确找零的功能。补料及出货系统：货柜由多层货架组成，当购物者指定所需商品后，由控制系统启动出货系统出货；当某种货物被取出后，补料机构自动补料〔在这里补料机构采用简单的倾斜式机构，即当某种货物被售出后，补料机构里面的货物直接向前滑至首位进行补位〕。显示机构：显示购置的瓶数、投入的钱数以及剩余的钱数。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，故需对剩余总金额存放器中的数目除以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〕实现顾客的循环购置，故需实现控制程序的跳转〔向后跳转〕。当顾客再次购置时，余额存放器〔为了退币，该存放器中值已除2〕中值要先乘2，以便与商品价格比拟〔商品价格已转化为多少个5角〕，再进入下次购置。〔7〕退币结束时，使用SET指令恢复初始态，并置位所有存放器，以准备下一个顾客购置饮料，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清楚显的缺点：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，以在剧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开展起来，而且在工业兴旺国家开展很快。〔2〕PLC的定义在PLC的开展过程中，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月公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月公布了草案第三稿。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那么设计。〞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。、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、比拟、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能监视系统各局部的进行状态和进程，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，平安可靠。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，那么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，假设没有，那么会报警提示，否那么投入钱币，然后区分真伪，如有假币那么推出伪币，假设无假币，通过钱币累加并显示，并与商品价格比拟，假设满足看是否有余，假设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，选择性能价格比拟适宜的三菱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比拟指令和运算指令比拟指令在PLC控制系统中是一条十分重要的功能指令，它将[S1]、[S2]中的数据进行比拟，比拟结果送到目的操作数[D]中，如以下图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]中的数据进行比拟，即C10计数器值与K10〔数值K10〕比拟。如果C10当前值小于10，那么M10=1；如果C10当前值大于10，那么M12=1；如果C10当前值等于10，那么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，往存放器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，假设在4s内投币那么直接退币。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价格比拟程序存放在D10中的货币金额和商品的单价相比拟，如第一句中如果〔D10〕>45，那么M6=1；〔D10〕=45，那么M7=1；〔D10〕<45，那么M8=1。以此类推，其价格比拟梯形图如以下图4-8所示：图4-8价格比拟梯形图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，那么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表达，指示灯的编程梯形图如以下图4-9所示：图4-9指示灯显示梯形图4.6.5选择商品和送出局部程序选择商品的输出，当投入的钱币到达规定的价格时，相对应商品的指示灯就会亮，当按下所对应的按钮，那么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，其具体的局部梯形图如以下图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，这种显示结果能够说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拟，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拟，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。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，看看是否能够到达预期的效果，可以反复的修改、调试、运行，一直到达自己所要实现的目的，这样可以在设计中节约本钱，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表达，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，那么Y010、Y011和Y012都会显示亮，当按下奶茶按钮之后，那么奶茶输出，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以下图所示：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，然后复位清零结论论文在讲述了自动售货机的开展过程，以及国内外开展的现状。在此根底上进行了方案论证，介绍了PLC的根本组成、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。