基于PLC的自動售貨機設計

1、目 錄1 緒論12 自動售貨機的相關說明22.1自動售貨機簡介22.2自動售貨機設計的主要內容32.3自動售貨設計的基本思路33 plc控制自動售貨機的主要硬件及選型43.1自動售貨機的主要硬件系統(tǒng)組成43.2 plc的選擇43.2.1 plc的機型選擇53.2.2 plc的容量選擇53.2.3 i/o模塊的選擇53.3自動售貨機plc硬件控制電路設計63.3.1自動售貨機的工作流程63.3.2自動售貨機i/o點的分配73.3.3自動售貨機的i/o接口圖8 3.4 自動售貨過程的控制子系統(tǒng)簡述4 自動售貨機的plc控制系統(tǒng)設計104.1 plc應用系統(tǒng)設計的內容和步驟104.1.1 plc控制

2、系統(tǒng)設計的基本原則104.1.2 plc控制系統(tǒng)設計的一般步驟114.2 plc總體設計流程124.3自動售貨機的軟件設計124.3.1定時器124.3.2數(shù)學運算指令134.4自動售貨機plc控制程序設計134.5自動售貨機的相關說明215 自動售貨機plc系統(tǒng)的仿真225.1 s7-200仿真軟件的使用225.2自動售貨機仿真22摘要本論文此次設計的是西門子s7-200系列plc構成的自動售貨機，本文闡述了自動售貨機的來源與發(fā)展，以及它在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀，對自動售貨機的方案進行了論證，介紹了plc的基本組成、特點以及工作原理，對基于西門子s7-200系列plc構成的自動售貨機系統(tǒng)整體設計過

3、程進行了較為細致的論述。 關鍵詞：plc；自動售貨機；西門子151 緒論自動售貨機是可完成無人自動售貨，集光、機、電一體化的商業(yè)自動化設備。 自動售貨機具有不受任何場地限制，方便快捷，可以每天24h售貨的優(yōu)點。傳統(tǒng)的自動售貨機控制系統(tǒng)采用單片機作為控制核心，這樣不僅會在輸入輸出接口上做大量的工作，而且系統(tǒng)的抗干擾性也比較差?？删幊踢壿嬁刂破鳎╬rogrammable logical controller），簡稱plc，是綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術而發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制裝置，它具有可靠性高、編程簡單、維護方便等優(yōu)點，已在工業(yè)控制領域得到廣泛地應用。 因為自動售貨機作為社會上

4、完成商品零售和綜合服務的獨立設施，要求它的結構必須可靠、穩(wěn)定和執(zhí)行效率高。plc是以cpu為核心， 綜合了計算機技術和通信技術發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置， 是現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（plc 、機器人和cad / cam ） 之一。目前，可編程控制器在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保等各行各業(yè)。plc的發(fā)展與計算機技術、半導體技術、控制技術、數(shù)字技術、通信網絡技術等高新技術的發(fā)展息息相關，這些高新技術的發(fā)展推動了plc的發(fā)展，而plc的發(fā)展又對這些高新技術提出了更高更新的要求，促進了他們的發(fā)展。本次設計就在于結合plc的種種優(yōu)點聯(lián)系實

5、際情況來彌補原有系統(tǒng)的不足，利用plc控制的自動售貨機提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證了自動售貨機能夠長期穩(wěn)定的運行。 2 自動售貨機的相關說明2.1現(xiàn)有自動售貨機分析自動售貨機最早出現(xiàn)在二十世紀五、六十年代的西歐，英國是較早實行自動售貨機售貨的國家之一。1942年，在食品銷售中首先推廣了自動售貨的銷售方式。1950年。英國食品雜貨行有500家采用自動售貨機售貨。1969年，采用自動售貨機售貨的商家增加到23000家，銷售的商品擴展到文化用品、唱片、香煙、食品等多個方面。進入70年代后，約有40多萬家香煙、飲料店采用自動售貨機。1980年英國有50余萬臺自動售貨機，年銷售額達8.81億英鎊。70年代后

6、，日本、歐美等發(fā)達國家和地區(qū)自動售貨機迅猛的發(fā)展，短短30年，發(fā)達國家自動售貨機產業(yè)已發(fā)展到相當大規(guī)模。自動售貨機被廣泛地布放于車站、油站、碼頭、機場、賓館、寫字樓、娛樂場所及大街小巷和公路旁，人們通過自動售貨機可以買到食品、香煙、飲料、報紙、票、卡甚至鮮花和小寵物等物品。自動售貨機實現(xiàn)了商品需求化、性能多樣化的發(fā)展，又由原來的只能出售有限商品品種，轉變?yōu)槔^百貨公司、超級市場、便民店之后，以消費者與售貨機“一對一”自動售貨的無店鋪銷售狀態(tài)。目前自動售貨機是集聲、光、機電一體化的高新智能化產品，在我國也開始得到應用。在中國人們可以看到現(xiàn)代化的自動售貨機擺放在一些大商場門口、繁華街道兩旁、公園入口

7、處以及其它熱鬧的場所。自動售貨機的新奇、文明、高檔、晝夜服務、占地小、靈活方便深受許多地區(qū)市民的青睞，甚至出現(xiàn)許多排隊購買的現(xiàn)象。專家測算，中國的自動售貨機在市場容量最保守算應該有四十七萬臺，一年的銷售額可達三百五十億元若按人均臺數(shù)計算全年可達五百億，自動售貨機在日本達到平均每二三十人一臺，在美國達到每四十人一臺，在歐洲每六十人一臺，由于中國經濟與上述國家還有一定差距，按每五百人一臺計算。因此，自動售貨機在中國有著廣闊的發(fā)展前景。從自動售貨機的發(fā)展趨勢來看，它的出現(xiàn)是由于勞動密集型的產業(yè)構造向技術密集型社會轉變的產物。大量生產、大量消費以及消費模式和銷售環(huán)境的變化，要求出現(xiàn)新的流通渠道；而相對

8、的超市、百貨購物中心等新的流通渠道的產生，人工費用也不斷上升；再加上場地的局限性以及購物的便利性等這些因素的制約，無人自動售貨機作為一種必須的機器便應運而生了。從廣義來講自動售貨機就是在投入硬幣、紙幣、信用卡等后便可以銷售商品的機械，從狹義來講就是自動銷售商品的機械。從供給的條件看，自動售貨機可以充分補充人力資源的不足，適應消費環(huán)境和消費模式的變化，24小時無人售貨的系統(tǒng)可以更省力，運營時需要的資本少、面積小，有吸引人們購買好奇心的自身性能，可以很好地解決人工費用上升的問題等各項優(yōu)點。2.2 自動售貨機設計的主要內容（1）此自動售貨機可以投入五角、一元的硬幣；（2）如果顧客投入硬幣在限定的時間

9、內（20秒）不按任何按鍵，自動售貨機將退還所投硬幣；（3）當投入硬幣的總值等于或超過物品價值時，對應的物品指示燈亮綠燈；（4）當物品對應的指示燈亮綠燈時，按下相應的按鍵，相應的物品排出，同時指示燈綠燈閃爍；（5）如果顧客投入硬幣總值超過所選物品的價值時，自動售貨機會自動將余款退還顧客；（6）當顧客成功購買完一件物品后20秒無操作，自動售貨機會自動將余款退還顧客；（7）如果顧客投入硬幣后又不想買物品，按下退款按鍵，自動售貨機會自動將余款退還顧客；（8）找零時顧客可選擇退一元的還是五角的硬幣；（9）當物品不足時，對應的物品指示燈亮紅燈，顧客按下相應的按鍵無反應（不出物品，不減余額），并向總部發(fā)送所

10、缺物品。2.3 自動售貨機設計的基本思路本次設計的題目是基于plc的自動售貨機設計，主要是用西門子s7-200型plc的梯形圖來設計控制程序，并簡單介紹相關的知識，如：plc的編程語言、plc的硬件組成等。根據(jù)設計內容和控制要求畫出梯形圖，再根據(jù)plc的相關知識設計出它的外部接線圖，結合梯形圖和外部接線圖分析說明該設計的控制原理過程。3 plc控制自動售貨機的主要硬件及選型3.1 自動售貨機的主要硬件系統(tǒng)組成自動售貨機的硬件系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：（1）主控制板（2）溫控模塊溫度采集和加熱制冷控制。（3）貨幣識別模塊判斷所出售的物品是否是被允許販賣的物品，并作出相應的處理。每一件被允許販賣

11、的物品都有一個電子身份證，當顧客選中的某件物品落入出貨口時，將會被自動識別是否是被允許販賣的物品，若是，則出貨口的門可以被推開，綠色指示燈閃亮，讓顧客取貨；否則，出貨口的門不能推開，紅色指示燈閃亮，信息即時傳送到遙控管理系統(tǒng)中心，同時，自動售貨機停止工作，所有的門都被鎖死，管理機構可以派專人去現(xiàn)場，使用專用手提識別機，對被懷疑的物品以及其他所有物品進行檢查，并作出處理。物品電子身份證包含預先設定的多項信息編碼，經加密處理，唯有自動售貨機上的識別系統(tǒng)、管理機構的手提識別機或其他識別裝置方可識別。（4）銷售模塊完成一個整體的銷售動作，一般都是電機驅動特定的機構實現(xiàn)。（5）人機模塊包括鍵盤和顯示，有

12、的機器還加上了顯示屏，可以投放廣告。（6）通訊模塊目前僅部分高端機器有此功能，一般都是采用gprs模塊，可以完成銷售統(tǒng)計，原料補給，廣告管理，以及一些會員服務。3.2 plc的選擇隨著plc技術的發(fā)展，plc產品的種類也越來越多，而且功能也日趨完善。近年來，從德國、日本、美國等引進的plc產品和國內廠家組裝自行開發(fā)的產品，已有幾十個、上百種型號。plc的品種繁多，其結構形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等各有不同，適用的場合也各有側重。因此，合理的選擇plc，對于提高plc控制系統(tǒng)技術經濟指標有著重要意義。下面從plc的機型選擇、容量選擇、i/o模塊選擇、電源模塊選擇等方面分別加以介紹

13、。3.2.1 plc的機型選擇機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。（1）合理的結構型式；（2）安裝方式的選擇；（3）相當?shù)墓δ芤?；?）響應速度的要求；（5）系統(tǒng)可靠性的要求；（6）機型統(tǒng)一。3.2.2 plc的容量選擇plc的容量包括i/o點數(shù)和用戶存儲容量兩個方面。（1）i/o點數(shù)通常i/o點數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，再加上10%15%的備用量來確定。（2）用戶存儲容量用戶存儲容量是指plc用于存儲用戶程序的存儲器容量。需要的用戶存儲容量的大小由用戶程序的長短決定。一般可只按下式估算，再按實際需要留適當?shù)挠嗔浚?0%30

14、%）來選擇。存儲容量=開關量i/o點數(shù)*10+模擬量通道數(shù)*100絕大部分plc均能滿足上式要求。應當注意的是：當控制系統(tǒng)較復雜、數(shù)據(jù)處理量較大時，可能會出現(xiàn)存儲容量不夠的問題，這時應特殊對待。3.2.3 i/o模塊的選擇一般i/o模塊的價格占plc價格的一半以上。不同的i/o模塊，其電路及功能也不同，直接影響plc的應用范圍和價格。下面僅介紹有關開關量i/o模塊的選擇。（1）開關量輸入模塊的選擇plc的輸入模塊是用來檢測接收現(xiàn)場輸入設備的信號，并將輸入的信號轉換為plc內部接受的低電壓信號。1）輸入信號的類型及電壓等級的選擇 常用的開關量模塊的信號類型有三種：直流輸入、交流輸入和交流/直流輸

15、入。選擇時一般根據(jù)現(xiàn)場輸入信號及周圍環(huán)境來決定。按輸入信號的電壓大小分類有：直流5v、24v、48v、60v等；交流110v、220v等。選擇時應根據(jù)現(xiàn)場輸入設備與輸入模塊之間的距離來決定。2）輸入接線方式選擇 按輸入電路接線方式的不同，開關量輸入模塊可分為匯點式輸入和分組式輸入兩種。3）同時接通的輸入點數(shù)量 對于選用高密度的輸入模塊，應考慮該模塊同時接通的點數(shù)一般不要超過輸入點數(shù)的60%。（2）開關量輸出模塊的選擇輸出模塊是將plc內部低電壓信號轉換為外部輸出設備所需的驅動信號。選擇時主要應考慮負載電壓的種類和大小、系統(tǒng)對延遲時間的要求、負載狀態(tài)變化是否頻繁等。1）輸出方式的選擇 開關量輸出

16、模塊有三種輸出方式：繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出。2）輸出接線方式的選擇 按plc的輸出接線方式的不同，一般有分組式輸出和分隔式輸出兩種。3）輸出電流的選擇 輸出模塊的輸出電流必須大于負載的額定電流。用戶應根據(jù)實際負載電流的大小選擇模塊的輸出電流。4）同時接通的輸出點數(shù)量 選擇輸出模塊時，還應考慮能同時接通的輸出點數(shù)量。同時接通輸出的累計電流值必須小于公共端所允許通過的電流值。5）輸出的最大負載電流與負載類型、環(huán)境溫度等因素的關系。3.3 自動售貨機plc硬件控制電路設計3.3.1 自動售貨機的工作流程自動售貨機是機電一體化的自動化裝置，在接收到貨幣已輸入的前提下，靠觸摸控制按扭輸入信號

17、使控制器啟動相關位置的機械裝置來完成規(guī)定動作，將貨物輸出。 （1）用戶將貨幣投入投幣口，貨幣識別器對所投貨幣進行識別； （2）控制器根據(jù)金額將商品可售賣信息通過選貨按鍵指示燈提供給用戶，由用戶自主選擇欲購買的商品； （3）按下用戶選擇商品所對應的按鍵，控制器接收到按鍵所傳遞過來的信息，驅動相應部件，售出用戶選擇的商品到達出貨口； （4）如果還有足夠的余額，則可繼續(xù)購買。在20秒之內，自動售貨機將自動找出零幣或用戶旋轉退幣旋鈕，退出零幣； （5）從退幣口取出零幣完成此次交易。3.3.2 自動售貨機i/o點的分配輸入/輸出單元通常也稱i/o單元或i/o模塊，是plc與工業(yè)生產現(xiàn)場之間的連接部件。p

18、lc通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為plc對被控對象進行控制的依據(jù)；同時plc又通過輸出接口將處理結果送給被控對象，以實現(xiàn)控制目的。本次自動售貨機i/o點的分配表如表3-1所示。表3-1自動售貨機plc控制i/o地址分配表輸入信號plc地址輸出信號plc地址找零按鈕i0.0五角食品紅燈（售完）q0.0五角食品按鈕i0.1一元食品紅燈（售完）q0.1一元食品按鈕i0.2一元飲料紅燈（售完）q0.2一元飲料按鈕i0.3二元飲料紅燈（售完）q0.3二元飲料按鈕i0.4二元日用紅燈（售完）q0.4二元日用按鈕i0.5三元日用紅燈（售完）q0.5三元日用按鈕i0.6找零q0.6五角

19、投幣按鈕i0.7五角食品出口q0.7一元投幣按鈕i1.0一元食品出口q1.0五角找零按鈕i1.1一元飲料出口q1.1一元找零按鈕i1.2二元飲料出口q1.2五角食品行程開關i1.3二元日用出口q1.3一元食品行程開關i1.4三元日用出口q1.4一元飲料行程開關i1.5五角食品綠燈（可購買）q1.5二元飲料行程開關i1.6一元食品綠燈（可購買）q1.6二元日用行程開關i1.7一元飲料綠燈（可購買）q1.7三元日用行程開關i2.0二元飲料綠燈（可購買）q2.0二元日用綠燈（可購買）q2.1三元日用綠燈（可購買）q2.23.4 自動售貨過程的控制子系統(tǒng)簡述控制子系統(tǒng)由以下四個部分組成：（1） 預設售

20、貨價格系統(tǒng)自動售貨機售出的同類商品可分若干品種，其售前設定價格須預先貯存在控制系統(tǒng)內。自動售貨機的價格設置系統(tǒng)由按鍵和存儲器組成。通過按鍵選擇被設價商品的種類及價格，并將價格寫入存儲器，該存儲器本身具有斷電保護功能，屬于軟件設置方式。此外，在簡易型售貨機中，由于出售商品種類少，價格變化小，使用幣種單一，也可用硬件來設置價格，采用撥碼開關對應方式，結構簡單、操作方便。（2） 金額累計、可售指示和退幣系統(tǒng)控制系統(tǒng)的核心cpu對識幣、退幣、無貨檢測及購貨信號進行巡回檢查，當有識幣信號后，將金額數(shù)值送入金額累計存儲器中進行累計，并通過串行擴展口進行顯示，同時將金額累計存儲器中的數(shù)值與預設價格存儲器中的

21、數(shù)值進行比較，如金額累計數(shù)值等于或大于預設價格數(shù)值，則通過串行接口使可售指示燈亮，提示購貨。此時可按下購貨按鈕，由cpu檢測到購貨信號后，如金額累計存儲器中數(shù)值與預設價格相等，則通過并行擴展接口驅動電磁閥或微電機驅動出商品，并將金額累計存儲器清零，完成一次售貨過程;如累計金額大于預設價格時，驅動商品后，相減差額由信號驅動退幣，實現(xiàn)售貨和退幣找零功能。（3） 售完檢測系統(tǒng)在自動售貨機商品貯存道下方安裝有接觸行程開關，當貯存道內有商品時，壓下行程開關，售貨機正常工作;當商品出售完畢時，行程開關被釋放，向cpu發(fā)出無貨信號，經檢測通過串行擴展接口向相應的 售完指示燈發(fā)出信號，使機身外部 “售完”指示

22、燈亮，此種商品自動停售，即使投幣累計金額達到該道商品預設價格數(shù)值，可售按鈕仍然無啟動信號，金額累計存儲器也不清零。（4） 售出累計及自測功能系統(tǒng)該機cpu在每次售出商品后，向售出累計存儲器中累計售出數(shù)據(jù) ，通過售貨機內部的按鍵可在金額顯示窗中讀到累計結果。此外，在按下自測功能鍵后，出現(xiàn)自測功能信號，由外部按鍵操作，可檢測各商品存儲道的驅動商品功能。4 自動售貨機的plc控制系統(tǒng)設計4.1 plc應用系統(tǒng)設計的內容和步驟4.1.1 plc控制系統(tǒng)設計的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)生產設備或生產過程的控制要求和工藝需要，從而提高產品質量和生產效率。因此，在設計plc應用系統(tǒng)時，應遵循以

23、下基本原則：（1）充分發(fā)揮plc功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求；（2）在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經濟、使用及維修方便；（3）保證控制系統(tǒng)安全可靠；（4）應考慮生產的發(fā)展和工藝的改進，在選擇plc的型號、i/o點數(shù)和存儲器容量等內容時，應留有適當?shù)挠嗔?，以利于系統(tǒng)的調整和擴充。4.1.2 plc控制系統(tǒng)設計的一般步驟設計plc應用系統(tǒng)時，首先是進行plc應用系統(tǒng)的功能設計，即根據(jù)被控對象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進行plc應用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出plc控制系統(tǒng)的結構形式，控制信號的種類、數(shù)量、系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最

24、后根據(jù)系統(tǒng)分析的結果，具體的確定plc的機型和系統(tǒng)的具體配置。plc控制系統(tǒng)設計可以按以下步驟進行：（1）熟悉被控對象，制定控制方案 分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對plc控制系統(tǒng)的控制要求。（2）確定i/o設備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入（如按鈕、行程開關、選擇開關等）和輸出設備（如接觸器、電磁閥、信號指示燈等），由此確定plc的i/o點數(shù)。（3）選擇plc 選擇時主要包括plc機型、容量、i/o模塊、電源的選擇。（4）分配plc的i/o地址 根據(jù)生產設備現(xiàn)場需要，確定控制按鈕，選擇開關、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設

25、備的型號、規(guī)格、數(shù)量；根據(jù)所選的plc的型號，列出輸入/輸出設備與plc輸入輸出端子的對照表，以便繪制plc外部i/o接線圖和編程程序。（5）設計軟件及硬件 進行plc程序設計，進行控制柜（臺）等硬件的設計及現(xiàn)場施工。由于程序與硬件設計可同時進行，因此，plc控制系統(tǒng)的設計周期可大大縮短，而對于繼電器系統(tǒng)必須先設計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設計。（6）聯(lián)機調試 聯(lián)機調試是指將模擬調試通過的程序進行在線統(tǒng)試。開始時，先帶上輸出設備（接觸器線圈、信號指示燈等），在帶負載進行調試。利用編程器的監(jiān)控功能，采用分段調試的方法進行。各部分到調試正常后，再帶上實際負載運行。如不符合要求，則對硬件和程

26、序作調整。通常只需修改部分程序即可。全部調試完畢后，交付試運行。經過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改則應將程序固化到eprom中，以防程序丟失。（7）整理技術文件 包括設計說明書、電氣安裝圖、電氣元件明細表及使用說明書等。4.3 自動售貨機的軟件設計4.3.1 定時器定時器是plc中重要的編程元件，是累計時間增量的內部器件。定時器的工作過程與繼電器控制系統(tǒng)的時間繼電器基本相同，但它沒有瞬動觸電，失電時，常閉觸點閉合，常開觸電打開;定時器得電時，常閉觸點打開，常開觸點閉合，定時器的當前值、設定值均為10位有符號整數(shù)（int），允許最大值為32767。定時器指令表見表4-1。ton 接通

27、延時定時器tof斷開延時定時器4.4 自動售貨機plc控制程序設計本次設計的自動售貨機主要銷售食品、飲料、日用三大類，而食品有五角和一元，飲料有一元和二元，日用有二元和三元共六種。本次自動售貨機plc控制梯形圖，如圖4-2所示：圖4-2 自動售貨機plc控制梯形圖（1）5 自動售貨機plc系統(tǒng)的仿真根據(jù)第4章的內容，要將已經設計好的程序進行調試。在這里用s7-200仿真軟件對設計好的程序進行調試。該軟件不能模擬s7-200的全部功能，但對于開關量的模擬運行調試還是足夠的。5.1 s7-200仿真軟件的使用（1）硬件設置執(zhí)行菜單命令“配置”“cpu型號”，在“cpu型號”對話框的下拉式列表框中選

28、擇cpu型號。用戶還可以修改cpu的網絡地址，一般使用默認的地址。（2）生成ascll文本文件仿真軟件不能直接接受s7-200的程序代碼，s7-200的用戶程序必須用“導出”功能裝換為ascll文本文件后，在下載到仿真軟件中去。（3）下載程序生成文本文件后，點擊仿真軟件佛工具條中左邊第二個按鈕可以下載程序。（4）模擬調試程序用鼠標點擊cpu模塊下面的開關板上小開關上面黑色部分，可以使小開關的手柄向上，觸點閉合，plc輸入點對應的led變?yōu)榫G色。點擊小開關下面的黑色部分，觸點斷開，plc輸入點對應的led變?yōu)榛疑?。與用“正真”的plc做實驗相同，對于數(shù)字量控制，在run模式用鼠標切換各個小開關的通斷狀態(tài)，改變plc