《基于PLC的自动售卖控制系统设计》6000字（论文）

页基于PLC的自动售卖控制系统设计【摘要】伴随着科学技术的不断进步和发展，自动售货机也逐渐普及到了人们日常的生活当中。自动售货柜是商业自动化的常用设备。因PLC具有较高的可靠性和抗干扰性，所以被广泛应用到多个领域作为最基本的控制设备。本文将PLC应用到自动售货机，作为自动售货机的控制器，实现售货整个流程的自动化。选择PLC300为控制器，对指定的弹簧柜、格子柜和称重柜，进行对货柜自动售货的控制系统的设计，以实现自动售卖功能。【关键词】PLC自动化售卖控制系统电机一、绪论随着人工成本的日渐提高，越来越多的企业需要降低在生产上支付的成本以提高利润并提高企业自身的竞争力。迫于这样的需求，自动控制系统（AutomaticControlSystem）在社会中的各个方面与领域得到了的应用和推广。（一）课题的研究背景及意义随着科技的进步与发展，自动售货机已经逐渐在人们的日常生活中普及开来。它不仅方便快捷，而且还不受时间地点的限制。由于PLC可靠性高，抗干扰能力强，其被广泛应用到多个领域作为最基本的控制设备。本文将PLC应用到自动售货机的控制，作为自动售货机的控制器，实现售货的自动化，同时可以学习并了解自动售货系统，并能提高自己对PLC的理解以及自我综合能力。（二）国内外研究现状从行业的发展历程看，由于我国自助售货机起步较晚，因而与发达国家相比在该行业的各个方面上的差距还是比较大。从国外发达国家的情况来看，自动售货机在人们平常生活中所占的比重越来越大，反观我国是自助售货机存量寥寥无几。2020年初随着新冠肺炎疫情的爆发，一方面是封城封道给自动售卖机带来供应链断裂、销量骤降和出口受阻等难题，另一方面伴随着疫情形势好转和无接触购物习惯的养成，市民普遍认可和习惯了无人守值的生活方式，相关厂商也加大了自助售货机在学校、社区和工厂的投放力度，以往未明确自动售货需求的一些场景，受疫情影响需求呈明显增长趋势。所以，现在正是我国发展自动售货机的大好时机。（三）论文主要研究内容及章节安排本文拟设计一款自动售卖控制系统，主要设计系统中的PLC以及根据售货柜的不同而改变的出货执行模块。以PLC300为控制器，对指定的弹簧柜、格子柜和称重柜，进行货柜自动售货的控制系统的设计，以实现自动售卖出货功能。本文的主体内容分别为：第二章对自动控制售卖系统进行了总体的介绍。第三章介绍了PLC的选型以及售卖机的硬件设计。第四章在了解自动控制售卖系统的工作运行方式后将其与PLC编程综合起来，对其进行设计。第五章是对本文的总结以及对该行业的未来展望。

二、自动售卖系统的介绍整个自动售卖系统由五部分组成，分别是：人机交互模块、支付模块、S7-300PLC、出货模块以及报警模块。顾客可通过人机交互模块来选择自己需要的商品并通过支付模块来支付对应商品的价格。报警模块能够实时监控自动售货机的库存信息，当自动售货发生故障或缺货等情况时报警模块会将问题信息传递回后台，方便维护人员及时维修或保护。出货模块根据售货柜的形式选用马达变速齿轮箱，智能电控锁等设备作为机械传动结构，当接收到出货指令时，齿轮箱或电控锁做出相应的动作来使顾客拿到货品。图2.1总体框图本文主要研究与设计的是自动售卖系统当中的PLC与出货模块部分在三种不同类型售卖机中的应用。（一）自动售卖机的分类自动售卖机在日常生活中常见的有三种柜体，分别是弹簧柜、格子柜和称重柜。下面是这三种柜体的简单介绍。如图2-2所示的弹簧柜主体由商品陈列区和人机交互区组成。顾客可以在人机交互界面选择自己所需要的商品。商品在货道内的弹簧上，每一圈弹簧中夹着一个商品，弹簧选择了闭合弹簧，旋转时是不断循环往复的向前，就像坦克的履带一般。当柜体接收到选定商品的信号时，在商品陈列区找到对应商品的货道，将信号传递给货道后方的电机。电机接收到信号之后开始旋转，带动弹簧旋转并将货道内的商品带出，使处于货道最前端的商品掉落至出货口中。图2.2弹簧柜如图2-3所示的格子柜主体是一个商品陈列柜，由十九个格子组成，每个格子作为一个单独售卖窗口，每个格子内只能放置一个商品。顾客选定好对应柜门后，柜体接收到选定信号，将信号传递给对应柜门的电控锁，电控锁锁头瞬间打开，柜门随之弹开。当无电信号时锁头自动锁定。根据其物理结构可在锁头锁定的情况将柜门关闭。图2.3格子柜如图2-4所示的称重柜主体是一个商品陈列柜。顾客可自由选取所需商品。每件商品的托盘下有一个称重传感器，称重传感器实时计数然后对其进行数据采集，并用PLC程序对采集回来的数据进行处理。根据顾客选购前后的数据差值计算出顾客应支付价格并等待支付。图2.4称重柜（二）自动售卖系统的组成与主要部件自动售卖控制系统中包含电机、称重传感器、可编程序控制器和各种电源装置。根据售卖机的不同，各售卖机内的主要部件也各不相同。弹簧柜的主要控制部件是弹簧电机，格子柜的主要控制部件是电控锁，称重柜的主要部件是称重传感器。在弹簧柜中选用如图2-5所示的售货机类减速电机盒。当电机收到电信号时，开始旋转带动弹簧旋转将商品推出。在5*10的弹簧柜中，每个货道后有一个齿轮箱，故共需50个该型号电机。共需50个DI点，50个DO点。图2.5售货机类减速电机盒在格子柜中选用如图2-6所示的智能电控锁。当电控锁收到开锁信号时，锁头松开，打开柜门。当闭合柜门时锁头自动锁定。在1*3+4*4的格子柜中，每个柜门通过一个电控锁控制开关，故共需19个该型号电机。共需19个DI点，19个DO点。图2.6智能电控锁在称重柜中选用如图2-7所示的电子秤称重传感器。将货品重量信号转变为电信号并输出至PLC。在2*4的称重柜中，每个托盘下方都需要一个称重传感器传递模拟量信号，故共需8个该型号传感器。共需8个AI点。图2.7电子秤称重传感器

三、自动售卖控制系统的硬件设计（一）PLCS7-300可编程序控制器，即PLC是顺应现代社会工业发展水平而诞生的一种控制器。目前西门子、和利时、三菱等公司生产的PLC都具有较好的性能，出于对实际应用的考虑，本文中采用的就是西门子公司的S7-300，该PLC通过在机架之上的各个模块的组装来传递控制信号，从而实现控制其设备结构如图3-1所示。其主要模块的选型与配置如下表3.1所示。图3.1设备结构图（1）电源模块(PS)电源模块负责为S7-300提供电源，将220V交流电压转变为24V直流工作电压以供PLC内部各模块设备使用。本系统中选用的电源模块为PS30710A（307-1KA02-0AA0），额定输出电流为10A。（2）CPU模块CPU模块是PLC最主要的一个模块，就如人类的心脏和大脑一样。其功能为接收输入信号，将其带入程序执行最后进行输出，并且可以储存相应的数据以供用户使用。本系统中选用的CPU模块为CPU315-2DP（6ES7315-2AG10-0AB0）。（3）信号模块(SM)信号模块分为输出和输入模块，相当于是系统的眼、耳、手、脚用于接收信息和对经过CPU模块执行处理过的信息进行输出。其又分为模拟量输出输入模块和开关量输出输入模块，用来分别接收处理相应的信号。根据第二章设计的内容，I/O点数如表3.2所示。共有8个AI点，69个DI点以及70个DO点，如表3.2所示。DI模块选择SM321型号（6ES7321-1BH02-0AA0)，根据所需点数以及该模块实际可携带点数得出共需5个该型号DI模块。DO模块选择SM322型号（6ES7322-1BH01-0AA0)，根据所需点数以及该模块实际可携带点数得出共需5个该型号DO模块。AI模块选择SM331型号（6ES7331-1KF01-0AB0），根据所需点数以及该模块实际可携带点数得出共需1个该型号AI模块。（4）扩展模块表3.1给出了PLC的硬件配置清单，由于PLC300-2DP的机架最多配置8模块，须进行机架扩展。选择一个IM361扩展机架。（5）编程设备编程设备可以使用户编辑程序并对程序进行检查和修改，在本次设计主要使用的S7-300就是通过安装有STEP7软件的个人计算机来完成程序。在程序编写并修改完成之后，用户即可将程序下载到PLC中投入使用。表3.1I/O点数AIAODIDO数量806970表3.2PLC硬件配置清单设备名型号数量备注S7-300CPU-3151DI模块SM3215DO模块SM3225AI模块SM3311电源模块PS3071扩展模块IM3611扩展机架（二）硬件设备分析与设计硬件设备是由PLC连接控制以达到所需要的控制要求。由于每个货柜内电机单一且数量繁多，故各选取一个电机作为示例来讲解。1.售货机类减速电机盒在弹簧柜中，负责主要控制的是售货机类减速电机盒。弹簧柜中售货机类减速电机盒PLC外部接线图如图3.2所示。当接收到出货指令之后，电机开始旋转，根据其外部物理构造，旋转一周后自动停止。正转一圈推出货道内最前端的货物。售货机类减速电机盒PLC外部接线图如图3.3所示。图3.2售货机类减速电机盒PLCSM321外部接线图图3.3售货机类减速电机盒PLCSM322外部接线图2.智能电控锁电磁锁采用了输入为24V的电磁锁，当PLC接收到对应柜门的开门信号时，将电压输出至对应电控锁，电控锁开启随之柜门打开。当没有电流通过后，锁头锁死，根据其物理结构，人可以手动将柜门闭合，完成闭门功能。电控锁PLC外部接线图如图3.4所示。图3.4智能电控锁PLCSM321外部接线图图3.5智能电控锁PLCSM322外部接线图3.称重传感器称重传感器选用HX711模块，该传感器使用电阻应变仪形成测量桥，其工作原理如图3.6所示。在力的作用下电阻丝被拉伸并变细，使电阻增加。称重传感器将重量信号转换为电量信号并将实时测得的电量信号传递至PLC当中。图3.6称重传感器电路图通过称重传感器将每个托盘上的重量实时记录到PLC中，当重量产生变化后，PLC计算出差值并进行运算得出最终的价格，并将价格传输到人机交互界面当中。称重传感器PLC外部接线图如图3.7所示。图3.7称重传感器PLCSM331外部接线图四、PLC程序设计在本文中所研究的基于PLC搭建一个自动控制售卖系统，根据不同的柜体设计出相对应的程序。（一）I/O点的分配输入/输出单元，一般又称为IO单元，简称IO模块，它是连接PLC和工业生产现场的元件。接收输入信号并对其进行处理，最后又输出给被控对象，以完成控制动作。本次自动售货机选用的CPU的类型为S7-300CPU315。根据上文分析得出：自动售卖机的输入部分是：出货信号，开柜门信号以及托盘重量的模拟量信号。输出部分是：电机旋转，电磁锁开锁以及得出总价。（二）梯形图设计由于每个货柜内电机单一且数量繁多，故各选取一个电机作为示例来讲解。1.弹簧柜梯形图弹簧柜程序的功能是接收人机界面发出的出货信号，控制电机转动，将货物顶出。当货物顶出后，货道，即电机的状态信号回馈给人机界面或后台。人机界面和PLC的交互信号为M变量。以一号货道为例，其梯形图如图4-1所示。当顾客选择一号货道内的商品时，人机交互界面将出货信号M0.0传递至PLC，即M0.0接收到有效信号并接通，随后Q0.0也通电，即PLC将信号传递至一号货道后的电机当中使电机开始旋转。当货道出货完成后，其状态信号I0.0输入PLC，并传输到人机界面或后台。图4.1弹簧柜梯形图2.格子柜梯形图格子柜程序的功能是接收人机界面发出的开门信号，控制电控锁打开。当柜门打开后，电控锁的状态信号回馈给人机界面或后台。人机界面和PLC的交互信号为M变量。以一号格子为例，其梯形图如图4.2所示。当顾客选择一号格子内的商品时，人机交互界面将出货信号M1.0传递至PLC，即M1.0接收到有效信号并接通，随后Q1.0也通电，即PLC将信号传递至一号格子内的电控锁。当开锁完成后，其状态信号I1.0输入PLC，并传输到人机界面或后台。图4.2格子柜梯形图3.称重柜梯形图使用FC105功能块将传递来的模拟量转化成数字量。以一号托盘为例，其中PIW256是AI模拟量的地址，HI_LIM是量程的高限，LO_LIM是量程的低限。最终将转化好的数字量寄存到MD100当中。等待调用。图4.3AI转化PLC实时监控称重传感器传回的模拟量信号转化为数字量信号，并每过30s更新一次数字。将数字量传输到对应托盘的计算程序当中，并开始进行接下来的数据处理。称重柜中处理转换而来的数字量的流程如图4-3所示。先计算出各个托盘上应支付的价格，然后再通过分组两两相加的方式最终得出总价。图4.4称重柜计算价格流程图这里采用了MUL_R功能块，这里以第一个托盘为例，将转化并储存的数字量信号MD100与设置的默认单价相乘，得出该托盘上顾客取走商品的价格，并存储到MD0中。同理，其他七个托盘将各自价格存储到对应中间量中。图4.5称重柜梯形图（1）随后，将各个托盘的价格两两相加，得出四组价格。对这四组价格再次两两相加得出两组价格。最后将这两组价格进行最后一次相加得出最后的价格并输出。图4.6称重柜梯形图（2）图4.7称重柜梯形图（3）图4.8称重柜梯形图（4）总价计算出后记录并将计算出的总价与30s之前计算出的总价相减得出顾客应支付价格，实时输入至人机交互界面。

五、总结及展望（一）总结在社会发展和科技进步的背景下，自动化设备必将在社会生活生产方面占据更大的比重从而便利人们的生活。自动售卖机正好顺应了时代的潮流，在人们日常生活当中最习以为常的买卖关系当中，取代传统人工进行简单而又重复的工作，解放人们的双手，提升社会工作效率。本文对自动售货控制系统的分析设计，与PLC的综合编程相结合，在学习了PLC基本知识和基本编程等原理之后，由PLC实现自动售货机控制。在本设计的过程当中，我复习了所有的科目，并且从中得到很多启示。另外，在本设计过程中，我上网查了很多的材料，及有关专业文献，深入了解和领悟PLC这门课程。其实，当我面对自动收货系统这个新触及的领域时，第一时间就上网搜索和研究有关概念，经过对有关概念的理解和梳理，最后明确操作的基本原则。在学习了PLC与自动售货机的相关知识后，本人通过实验不断地探索，将二者结合起来，终于顺利完成本次的毕业设计。并且在本次毕业设计过程中，本人不但对PLC有了更深刻的认识，同时了解自动售货机原理，通过强化自身对知识的研究和梳理程度，提高了自己查阅文献获得知识的能力，并将理论知识在实践中运用，增强了动手能力。（