基于PLC的自动售货机系统

基于PLC的自动售货机系统班级机电812专业机电一体化所在系机电工程系指导老师目录1绪论 12自动售货机的相关说明 22.1自动售货机简介 22.2自动售货机设计的主要内容 32.3自动售货设计的基本思路 33PLC控制自动售货机的主要硬件及选型 43.1自动售货机的主要硬件系统组成 43.2PLC的选择 43.2.1PLC的机型选择 53.2.2PLC的容量选择 53.2.3I/O模块的选择 53.3自动售货机PLC硬件控制电路设计 63.3.1自动售货机的工作流程 63.3.2自动售货机I/O点的分配 73.3.3自动售货机的I/O接口图 83.4自动售货过程的控制子系统简述 4自动售货机的PLC控制系统设计 104.1PLC应用系统设计的内容和步骤 104.1.1PLC控制系统设计的基本原则 104.1.2PLC控制系统设计的一般步骤 114.2PLC总体设计流程 124.3自动售货机的软件设计 124.3.1定时器 124.3.2数学运算指令 134.4自动售货机PLC控制程序设计 134.5自动售货机的相关说明 215自动售货机PLC系统的仿真 225.1S7-200仿真软件的使用 225.2自动售货机仿真 22结论 24致谢 25参考文献 26摘要本论文此次设计的是西门子S7-200系列PLC构成的自动售货机，本文阐述了自动售货机的来源与发展，以及它在国内外的发展现状，对自动售货机的方案进行了论证，介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理，对基于西门子S7-200系列PLC构成的自动售货机系统整体设计过程进行了较为细致的论述。关键词：PLC；自动售货机；西门子1绪论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。自动售货机具有不受任何场地限制，方便快捷，可以每天24h售货的优点。传统的自动售货机控制系统采用单片机作为控制核心，这样不仅会在输入输出接口上做大量的工作，而且系统的抗干扰性也比较差。可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicalController），简称PLC，是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置，它具有可靠性高、编程简单、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服务的独立设施，要求它的结构必须可靠、稳定和执行效率高。PLC是以CPU为核心，综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，是现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。目前，可编程控制器在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保等各行各业。PLC的发展与计算机技术、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发展息息相关，这些高新技术的发展推动了PLC的发展，而PLC的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求，促进了他们的发展。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不足，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。2自动售货机的相关说明2.1现有自动售货机分析 自动售货机最早出现在二十世纪五、六十年代的西欧，英国是较早实行自动售货机售货的国家之一。1942年，在食品销售中首先推广了自动售货的销售方式。1950年。英国食品杂货行有500家采用自动售货机售货。1969年，采用自动售货机售货的商家增加到23000家，销售的商品扩展到文化用品、唱片、香烟、食品等多个方面。进入70年代后，约有40多万家香烟、饮料店采用自动售货机。1980年英国有50余万台自动售货机，年销售额达8.81亿英镑。70年代后，日本、欧美等发达国家和地区自动售货机迅猛的发展，短短30年，发达国家自动售货机产业已发展到相当大规模。自动售货机被广泛地布放于车站、油站、码头、机场、宾馆、写字楼、娱乐场所及大街小巷和公路旁，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，又由原来的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状态。目前自动售货机是集声、光、机电一体化的高新智能化产品，在我国也开始得到应用。在中国人们可以看到现代化的自动售货机摆放在一些大商场门口、繁华街道两旁、公园入口处以及其它热闹的场所。自动售货机的新奇、文明、高档、昼夜服务、占地小、灵活方便深受许多地区市民的青睐，甚至出现许多排队购买的现象。专家测算，中国的自动售货机在市场容量最保守算应该有四十七万台，一年的销售额可达三百五十亿元若按人均台数计算全年可达五百亿，自动售货机在日本达到平均每二三十人一台，在美国达到每四十人一台，在欧洲每六十人一台，由于中国经济与上述国家还有一定差距，按每五百人一台计算。因此，自动售货机在中国有着广阔的发展前景。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；再加上场地的局限性以及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便应运而生了。从广义来讲自动售货机就是在投入硬币、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。2.2自动售货机设计的主要内容（1）此自动售货机可以投入五角、一元的硬币；（2）如果顾客投入硬币在限定的时间内（20秒）不按任何按键，自动售货机将退还所投硬币；（3）当投入硬币的总值等于或超过物品价值时，对应的物品指示灯亮绿灯；（4）当物品对应的指示灯亮绿灯时，按下相应的按键，相应的物品排出，同时指示灯绿灯闪烁；（5）如果顾客投入硬币总值超过所选物品的价值时，自动售货机会自动将余款退还顾客；（6）当顾客成功购买完一件物品后20秒无操作，自动售货机会自动将余款退还顾客；（7）如果顾客投入硬币后又不想买物品，按下退款按键，自动售货机会自动将余款退还顾客；（8）找零时顾客可选择退一元的还是五角的硬币；（9）当物品不足时，对应的物品指示灯亮红灯，顾客按下相应的按键无反应（不出物品，不减余额），并向总部发送所缺物品。2.3自动售货机设计的基本思路本次设计的题目是基于PLC的自动售货机设计，主要是用西门子S7-200型PLC的梯形图来设计控制程序，并简单介绍相关的知识，如：PLC的编程语言、PLC的硬件组成等。根据设计内容和控制要求画出梯形图，再根据PLC的相关知识设计出它的外部接线图，结合梯形图和外部接线图分析说明该设计的控制原理过程。3PLC控制自动售货机的主要硬件及选型3.1自动售货机的主要硬件系统组成自动售货机的硬件系统主要由以下几个部分组成：（1）主控制板（2）温控模块温度采集和加热制冷控制。（3）货币识别模块判断所出售的物品是否是被允许贩卖的物品，并作出相应的处理。每一件被允许贩卖的物品都有一个电子身份证，当顾客选中的某件物品落入出货口时，将会被自动识别是否是被允许贩卖的物品，若是，则出货口的门可以被推开，绿色指示灯闪亮，让顾客取货；否则，出货口的门不能推开，红色指示灯闪亮，信息即时传送到遥控管理系统中心，同时，自动售货机停止工作，所有的门都被锁死，管理机构可以派专人去现场，使用专用手提识别机，对被怀疑的物品以及其他所有物品进行检查，并作出处理。物品电子身份证包含预先设定的多项信息编码，经加密处理，唯有自动售货机上的识别系统、管理机构的手提识别机或其他识别装置方可识别。（4）销售模块完成一个整体的销售动作，一般都是电机驱动特定的机构实现。（5）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。（6）通讯模块目前仅部分高端机器有此功能，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，以及一些会员服务。3.2PLC的选择随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从德国、日本、美国等引进的PLC产品和国内厂家组装自行开发的产品，已有几十个、上百种型号。PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理的选择PLC，对于提高PLC控制系统技术经济指标有着重要意义。下面从PLC的机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块选择等方面分别加以介绍。3.2.1PLC的机型选择机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。（1）合理的结构型式；（2）安装方式的选择；（3）相当的功能要求；（4）响应速度的要求；（5）系统可靠性的要求；（6）机型统一。3.2.2PLC的容量选择PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。（1）I/O点数通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%—15%的备用量来确定。（2）用户存储容量用户存储容量是指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。一般可只按下式估算，再按实际需要留适当的余量（20%—30%）来选择。存储容量=开关量I/O点数*10+模拟量通道数*100绝大部分PLC均能满足上式要求。应当注意的是：当控制系统较复杂、数据处理量较大时，可能会出现存储容量不够的问题，这时应特殊对待。3.2.3I/O模块的选择一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上。不同的I/O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格。下面仅介绍有关开关量I/O模块的选择。（1）开关量输入模块的选择PLC的输入模块是用来检测接收现场输入设备的信号，并将输入的信号转换为PLC内部接受的低电压信号。1）输入信号的类型及电压等级的选择常用的开关量模块的信号类型有三种：直流输入、交流输入和交流/直流输入。选择时一般根据现场输入信号及周围环境来决定。按输入信号的电压大小分类有：直流5V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。选择时应根据现场输入设备与输入模块之间的距离来决定。2）输入接线方式选择按输入电路接线方式的不同，开关量输入模块可分为汇点式输入和分组式输入两种。3）同时接通的输入点数量对于选用高密度的输入模块，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60%。（2）开关量输出模块的选择输出模块是将PLC内部低电压信号转换为外部输出设备所需的驱动信号。选择时主要应考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载状态变化是否频繁等。1）输出方式的选择开关量输出模块有三种输出方式：继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出。2）输出接线方式的选择按PLC的输出接线方式的不同，一般有分组式输出和分隔式输出两种。3）输出电流的选择输出模块的输出电流必须大于负载的额定电流。用户应根据实际负载电流的大小选择模块的输出电流。4）同时接通的输出点数量选择输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值。5）输出的最大负载电流与负载类型、环境温度等因素的关系。3.3自动售货机PLC硬件控制电路设计3.3.1自动售货机的工作流程自动售货机是机电一体化的自动化装置，在接收到货币已输入的前提下，靠触摸控制按扭输入信号使控制器启动相关位置的机械装置来完成规定动作，将货物输出。（1）用户将货币投入投币口，货币识别器对所投货币进行识别；（2）控制器根据金额将商品可售卖信息通过选货按键指示灯提供给用户，由用户自主选择欲购买的商品；（3）按下用户选择商品所对应的按键，控制器接收到按键所传递过来的信息，驱动相应部件，售出用户选择的商品到达出货口；（4）如果还有足够的余额，则可继续购买。在20秒之内，自动售货机将自动找出零币或用户旋转退币旋钮，退出零币；（5）从退币口取出零币完成此次交易。3.3.2自动售货机I/O点的分配输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控对象，以实现控制目的。本次自动售货机I/O点的分配表如表3-1所示。表3-1自动售货机PLC控制I/O地址分配表输入信号PLC地址输出信号PLC地址找零按钮I0.0五角食品红灯（售完）Q0.0五角食品按钮I0.1一元食品红灯（售完）Q0.1一元食品按钮I0.2一元饮料红灯（售完）Q0.2一元饮料按钮I0.3二元饮料红灯（售完）Q0.3二元饮料按钮I0.4二元日用红灯（售完）Q0.4二元日用按钮I0.5三元日用红灯（售完）Q0.5三元日用按钮I0.6找零Q0.6五角投币按钮I0.7五角食品出口Q0.7一元投币按钮I1.0一元食品出口Q1.0五角找零按钮I1.1一元饮料出口Q1.1一元找零按钮I1.2二元饮料出口Q1.2五角食品行程开关I1.3二元日用出口Q1.3一元食品行程开关I1.4三元日用出口Q1.4一元饮料行程开关I1.5五角食品绿灯（可购买）Q1.5二元饮料行程开关I1.6一元食品绿灯（可购买）Q1.6二元日用行程开关I1.7一元饮料绿灯（可购买）Q1.7三元日用行程开关I2.0二元饮料绿灯（可购买）Q2.0二元日用绿灯（可购买）Q2.1三元日用绿灯（可购买）Q2.23.3.3自动售货机的I/O接口图此次自动售货机的I/O接口图如图3-1所示，SB2-SB7是物品选择按钮，当投入货币物品绿灯亮（Q1.5-Q2.2）。按下SB2-SB7其中一个，对应的KM线圈得电，电机转动出相应的物品（Q0.7-Q1.4）；当有物品售完，其行程开关断开，物品红灯亮并同时向总部发送物品销售完的信息；当购买物品总值低于投入总值时，可按找零按钮SB1选择找一元还是五角（SB10、SB11）后KM1得电，电机转动找零（Q0.6）。图3-1自动售货机PLC控制I/O接口图3.4自动售货过程的控制子系统简述控制子系统由以下四个部分组成：（1）预设售货价格系统自动售货机售出的同类商品可分若干品种，其售前设定价格须预先贮存在控制系统内。自动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，该存储器本身具有断电保护功能，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）金额累计、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较，如金额累计数值等于或大于预设价格数值，则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，则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）售完检测系统在自动售货机商品贮存道下方安装有接触行程开关，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，即使投币累计金额达到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）售出累计及自测功能系统该机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，可检测各商品存储道的驱动商品功能。4自动售货机的PLC控制系统设计4.1PLC应用系统设计的内容和步骤4.1.1PLC控制系统设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现生产设备或生产过程的控制要求和工艺需要，从而提高产品质量和生产效率。因此，在设计PLC应用系统时，应遵循以下基本原则：（1）充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求；（2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便；（3）保证控制系统安全可靠；（4）应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I/O点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。4.1.2PLC控制系统设计的一般步骤设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量、系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：（1）熟悉被控对象，制定控制方案分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。（2）确定I/O设备根据系统的控制要求，确定用户所需的输入（如按钮、行程开关、选择开关等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等），由此确定PLC的I/O点数。（3）选择PLC选择时主要包括PLC机型、容量、I/O模块、电源的选择。（4）分配PLC的I/O地址根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号，列出输入/输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I/O接线图和编程程序。（5）设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。（6）联机调试联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统试。开始时，先带上输出设备（接触器线圈、信号指示灯等），在带负载进行调试。利用编程器的监控功能，采用分段调试的方法进行。各部分到调试正常后，再带上实际负载运行。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部分程序即可。全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改则应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。（7）整理技术文件包括设计说明书、电气安装图、电气元件明细表及使用说明书等。4.2PLC总体设计流程PLC的一般工作过程流程图见图4-1。图4-1PLC工作过程流程图4.3自动售货机的软件设计4.3.1定时器定时器是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。定时器的工作过程与继电器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触电，失电时，常闭触点闭合，常开触电打开;定时器得电时，常闭触点打开，常开触点闭合，定时器的当前值、设定值均为10位有符号整数（INT），允许最大值为32767。定时器指令表见表4-1。4.3.2数学运算指令在梯形图中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令（见表4-2）分别执行下列运算：IN1+IN2=OUT，IN1-IN2=OUT，IN1*IN2=OUT，IN1/IN2=OUT。在语句表中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令分别执行下列运算：IN1+OUT=OUT，OUT-IN1=OUT，IN1*OUT=OUT，OUT/IN2=OUT。表4-1定时器指令梯形图功能、注释TON接通延时定时器TOF断开延时定时器TONR保持型接通延时定时器BITIM起动间隔定时器CITIM计算间隔定时器表4-2加减乘除指令梯形图语句表描述梯形图语句表描述ADD_I+IINT1,OUT整数加法DIV_DI/DINT1,OUT双整数除法SUB_I-IINT1,OUT整数减法ADD_R+RINT1,OUT实数加法MUL_I*IINT1,OUT整数乘法SUB_R-RINT1,OUT实数减法DIV_I/IINT1,OUT整数除法MUL_R*RINT1,OUT实数乘法ADD_DI+DINT1,OUT双整数加法DIV_R/RINT1,OUT实数除法SUB_DI-DINT1,OUT双整数减法MULMULINT1,OUT整数乘法产生双整数MUL_DI*DINT1,OUT双整数乘法DIVDIVINT1,OUT带余数的整数除法4.4自动售货机PLC控制程序设计本次设计的自动售货机主要销售食品、饮料、日用三大类，而食品有五角和一元，饮料有一元和二元，日用有二元和三元共六种。本次自动售货机PLC控制梯形图，如图4-2所示：图4-2自动售货机PLC控制梯形图（1）图4-2自动售货机PLC控制梯形图（2）图4-2自动售货机PLC控制梯形图（3）图4-2自动售货机PLC控制梯形图（4）图4-2自动售货机PLC控制梯形图（5）图4-2自动售货机PLC控制梯形图（6）图4-2自动售货机PLC控制梯形图（7）图4-2自动售货机PLC控制梯形图（8）4.5自动售货机的相关说明上面梯形图中ADD_DI是双整数加法，5角时加5，投入1元时加10；SUB_DI是双整数减法，当成功购买物品时就减去物品对应的数；T37-T56表示通电延时定时器，按下物品按钮时T37-T42延时8秒，无操作时T43启动计时20秒，T44与T43配合组成投币2分钟无操作找零，T46-T56两两配合形成闪烁电路。5自动售货机PLC系统的仿真根据第4章的内容，要将已经设计好的程序进行调试。在这里用S7-200仿真软件对设计好的程序进行调试。该软件不能模拟S7-200的全部功能，但对于开关量的模拟运行调试还是足够的。5.1S7-200仿真软件的使用（1）硬件设置执行菜单命令“配置”→“CPU型号”，在“CPU型号”对话框的下拉式列表框中选择CPU型号。用户还可以修改CPU的网络地址，一般使用默认的地址。（2）生成ASCLL文本文件仿真软件不能直接接受S7-200的程序代码，S7-200的用户程序必须用“导出”功能装换为ASCLL文本文件后，在下载到仿真软件中去。（3）下载程序生成文本文件后，点击仿真软件佛工具条中左边第二个按钮可以下载程序。（4）模拟调试程序用鼠标点击CPU模块下面的开关板上小开关上面黑色部分，可以使小开关的手柄向上，触点闭合，PLC输入点对应的LED变为绿色。点击小开关下面的黑色部分，触点断开，PLC输入点对应的LED变为灰色。与用“正真”的PLC做实验相同，对于数字量控制，在RUN模式用鼠标切换各个小开关的通断状态，改变PLC输入变量的状态，通过模块上的LED观察PLC输出点的状态变化，可以了解程序执行的结果是否正确。5.2自动售货机仿真（1）CPU的选择和扩展模块选择本次自动售货机的仿真，首先配置CPU的型号，此次自动售货机的设计共有17点输入和19点输出，从实用角度和经济角度考虑，我选用了CPU226，扩展模块我选用了1个4点输入4点输出的EM223(4I/4Q)，如图5-1所示。图5-1自动售货机选用CPU和扩展模块（2）自动售货机仿真模拟选择好CPU型号和扩展模块后，将梯形图程序编译引出，在仿真软件中把引出的ASCLL文件引入仿真软件，开启仿真软件就可以仿真。图5-2出五角食品仿真如图5-2所示，先按下五角投币按钮I0.7，双整数加法指令加五，此时余额大