電氣控制與PLC自動售貨機的控制設計說明

1、電氣控制技術課程設計題目:自動售貨機的控制設計院系名稱：電氣工程學院專業(yè)班級：電氣F1201學生：鄒海宏學號：201223910311指導教師：王艷芳成績：指導老師簽名：日期：電氣控制與PLC課程設計任務書學生鄒海宏專業(yè)班級電氣F1201學號 201223910311題 目自動售貨機的控制設計課題性質(zhì)工程設計課題來源自擬課題指導教師王艷芳主要容運用所學的理論知識，進行自動售貨機運行原理設計、硬件、軟件系 統(tǒng)設計主要容包括：1. 設計出硬件系統(tǒng)的接線圖、梯形圖等；2. 系統(tǒng)有啟動、停止功能；3. 運用功能指令進行PLC控制程序設計；4. 進行系統(tǒng)調(diào)試，實現(xiàn)自動售貨機的控制要求。任務要求第1天：熟

2、悉課程設計任務及要求，針對課題查閱技術資料。第2天：確立方案，初步選定各部分框圖。第3-4天：電路控制原理設計，軟件編程，進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。第5天：撰寫課程設計報告。主要參 考資料1 程憲平主編機電傳動與控制M.:華中科技大學，2003.2 鄧星鐘.機電傳動控制M.:華中科技大學.3 王永華編.現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術M.北京：北京航空航天，20084 殷洪義主編.可編程控制器選擇設計與維護M.北京：機械工業(yè)，2002程子華，PLC原理與實例分析M.北京：國防工業(yè)，20066高欽和，可編程控制器應用技術及其設計實例M.北京:高等教育，2004審查意見系（教研室）主任簽字：年月日1系統(tǒng)概述12

3、方案論證 22.1 PLC系統(tǒng)控制介紹 22.2總體設計思路33硬件設計43.1系統(tǒng)的原理方框圖43.2主電路53.3 I/O 分配63.4 I/O接線圖63.5元器件選型73.5.1 PLC 的選型83.5.2 CD4511七段數(shù)碼管譯碼器 94 軟件設計104.1 主流程104.2梯形圖115 系統(tǒng)調(diào)試15設計心得 16參考文獻181系統(tǒng)概述自動售貨機是能根據(jù)投入的錢幣自動付貨的機器。自動售貨機是商業(yè)自動化的常用設備，它不受時間、地點的限制，能節(jié)省人力、方便交易。是一種全新的 商業(yè)零售形式，又被稱為24小時營業(yè)的微型超市。能分為三種：飲料自動售貨 機、食品自動售貨機、綜合自動售貨機。自動售

4、貨機最基本的功能是對投入的貨 幣進行運算，并根據(jù)所投入的貨幣數(shù)值判斷是否能夠購買某種商品，并做出相應的反映。本次設計的自動售貨機設有 6個按鈕，分別可以實現(xiàn)啟動、停止、選擇 三種飲料和退幣六種操作，并且有3個投幣孔，投入的錢的總額和剩余的錢的總 額可以通過外接的兩片LED數(shù)碼管顯示，同時可以根據(jù)消費者投入的總額限制可 購買的商品，可以退回多余的錢幣。本次設計能很好的完成對自動售貨機的控制， 使用起來快速方便，可以滿足使用者的需求?？删幊炭刂破鳎≒LC是一種專門用于工業(yè)環(huán)境的、以開關量邏輯控制為主 的自動控制裝置；它具有存儲控制程序的存儲器，能夠按照控制程序，將輸入 的開關量（或模擬量）進行邏輯

5、運算、定時、計數(shù)和算術運算等處理后，以開關 量（或模擬量）的形式輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。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(wǎng)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得發(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。PLC控制的自動售貨機系統(tǒng)主要有三個可以感受到投幣量的傳感器、六個按鈕開關（分別為啟動按鈕、停止按鈕、退幣按鈕、汽水選擇按鈕、花茶選擇按鈕 和咖

6、啡選擇按鈕）、三個指示燈（分別為汽水指示燈、花茶指示燈和咖啡指示燈）、 和兩個七段數(shù)碼管。傳感器用來接收投幣信號，傳送投幣量的多少；按鈕開關分 別對系統(tǒng)功能進行控制，當投入的錢幣夠某一種飲料時，按下這種飲料的選擇按 鈕時才會有飲料送出，有剩余錢幣時，還可以通過按下退幣按鈕來找回剩余錢幣； 三個指示燈分別用來只是哪種飲料可以選擇，只有投幣量大于或等于這種飲料的 價格時，這種飲料的指示燈才會亮；同時，還有兩個七段數(shù)碼管，用于顯示當前 剩余的總錢幣。具體對自動售貨機的控制要求如下：1 自動售貨機有3個投幣孔，分別為1元、5元和10元。2售貨共有3種飲料供選擇，分別為汽水、花茶和咖啡。3如投幣總額超過

7、銷售價格，將可由退幣鈕找回余額。4 投幣總額或當前值顯示在7段數(shù)碼管上。5投幣值等于或大于12元時，汽水指示燈亮，表示只可選擇汽水。6.投幣值等于或大于15元時，汽水和花茶指示燈亮，表示只可選擇汽水和 花茶。7 投幣值等于或大于20元時，汽水、花茶和咖啡指示燈亮，表示 3種均可選擇。8 按下要飲用的飲料按鈕，貝U相對應的指示燈開始閃爍，3s后自動停止，表示飲料已經(jīng)掉出。9動作停止后按退幣鈕，可以退回余額，退回金額如果大于10元，則先退10元再退1元，如果小于10元則直接退1元的。2 方案論證2.1 PLC控制系統(tǒng)介紹PLC是一種專門用于工業(yè)環(huán)境的、以開關量邏輯控制為主，具有存儲控制程序的存儲器

8、，能夠按照控制程序，將輸入的開關量（或模擬量）進行邏輯運算、定時、計數(shù)和算術運算等處理后，以開關量（或模擬量）的形式輸出，控制各種 類型的機械或生產(chǎn)過程的自動控制裝置。具有以下特點 ：1）可靠性高，抗干擾能力強；無觸點免配線，采取了濾波、屏蔽、隔離等抗 干擾措施，適應于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境 。2）編程簡單，容易掌握；采用梯形圖方式編寫程序，與繼電器控制邏輯的設 計相似。3）功能完善，靈活方便；不僅有開關量邏輯控制功能和步進、計數(shù)功能，還具有模擬量處理、溫度、位置、通信等功能。4）體積小，質(zhì)量小，能耗低；采用大規(guī)模集成電路芯片構成。圖2.1 PLC控制系統(tǒng)設計步驟流程圖2.2 總體設計思路自動售貨

9、機是可以完成無人自動售貨的商業(yè)自動化設備。他不受任何場地限制，方便快捷，在我國也越來越普及，傳統(tǒng)的自動售貨采用單片機作為控制核心， 但這樣在輸入輸出接口上消耗很大。PLC不但可以實現(xiàn)類似控制功能，還具有高 可靠性，編程簡單，功能強，能耗低，調(diào)試方便等優(yōu)點。自動售貨機的基本功能 就是對投入的錢幣數(shù)進行計算，然后根據(jù)運算結果做出相應的判斷， 看看哪種商 品可以進行購買，哪種商品不能購買，本次課程設計的要求是可識別三種錢幣， 分別是1元、5元、10元，采用三個按鈕進行模擬，自動售貨機共出售三種貨物， 其價格分別定為12元、15元、20元，當投幣數(shù)大于等于貨物價格時且售貨機里 有這種貨物時，指示燈亮，

10、表示可以進行購買，三種貨物分別用三個小燈泡代替 進行模擬。除此之外，本次設計還涉及了了顯示、找零、出貨等功能的實現(xiàn)，其 中顯示部分采用數(shù)碼管進行顯示，顯示投幣總數(shù)和購買后的余額；當按下找零 按鈕后，數(shù)碼管顯示進行清零退幣，且退幣指示燈閃爍。由于售貨機的全部功能 是在下位機上模擬的，而監(jiān)控是用上位機組態(tài)王進行實時監(jiān)控。 所以售貨機的部 分硬件是由計算機軟件來模擬替代的， 這些并不會影響實際程序的操作，完全能 模擬現(xiàn)實售貨機的運行。圖2.1自動售貨機的順序功能圖3硬件設計3.1 系統(tǒng)原理方框圖自動售貨機是售汽水、花茶和咖啡這三種飲料，它的售貨過程是：首先由顧客按下商品選擇開關，然后顧客投入的硬幣（

11、投入硬幣的面值和剩余值由PLC驅(qū)動數(shù)碼管顯示）經(jīng)過光傳感器感應，再由光傳感器驅(qū)動硬幣識別傳感器識別硬幣。然后由顧客選擇，同時PLC控制，使PLC的輸出口上有相應的信號輸出。最 后輸出飲料。自動售貨機控制系統(tǒng)硬件組成原理方框圖如圖所示：圖3.1自動售貨機控制系統(tǒng)硬件組成原理方框圖3.2 主電路圖3.2自動售貨機的主電路3.3 I/O 分配輸入輸出單元通常也叫I/O單元，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接部件。PLC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的結果送給被控對象， 以實 現(xiàn)控制目的。此次設計的PLC控制的自動

12、售貨機控制系統(tǒng)的I/O分配表如下：表3.3自動售貨機I/O分配表輸入輸出輸入點功能輸出點功能X01元投幣孔ST1Y0夠買汽水指示燈X15元投幣孔ST2Y1夠買花茶指示燈X210元投幣孔ST3Y2夠買咖啡指示燈X3選擇汽水SB1Y3Y9數(shù)碼管顯示X4選擇花茶SB2Y10送出汽水X5選擇咖啡SB3Y11送出花茶X6退幣Y12送出咖啡X7啟動Y13退出10元X8停止Y14退出1元3.4 I/O 接線圖根據(jù)要求，將輸出均用指示燈代替，由此繪出PLC控制電路接線圖，如圖所示。自動售貨機I/O接線圖P * - 3-3 F1前 L-LrCV-L-DJc1OUT:gw 在圖3.4IDCCT.:孟；uM 4LE

13、 41u.:.4iDi：LE0LT4CD45113.5 元器件選型自動售貨機的基本功能就是對投入的錢幣數(shù)進行計算， 然后根據(jù)運算結果做 出相應的判斷，看看哪種商品可以進行購買，哪種商品不能購買，本次課程設計 的要求是可識別三種錢幣，分別是1元、5元、10元，采用三個按鈕進行模擬， 自動售貨機共出售3種貨物，其價格分別定為12元、15元、20元，當投幣數(shù)大 于等于貨物價格時，該種貨物的指示燈亮，表示可以進行購買，3種貨物分別用3個信號燈進行指示。除此之外，本次設計還涉及了顯示、找零等功能的實現(xiàn)， 其中顯示部分采用數(shù)碼管進行顯示，PLC的外圍接口由兩個CD4511連接兩個數(shù) 碼顯示管，以顯示投幣總

14、數(shù)和購買后的余額； 當按下找零按鈕后，數(shù)碼管顯示進行清零。整個系統(tǒng)由三個可以感受到投幣量的傳感器、六個按鈕開關、三個指示燈、和兩個七段數(shù)碼管和兩片 CD4511組成。編程器中央處理單元CPU存儲器系統(tǒng)程 序用戶程 序數(shù)據(jù)圖3.5.1 PLC 硬件結構圖3.5.1 PLC的選型PLC的硬件主要由中央處理器，存儲器，輸入單元，輸出單元，通信接口， 擴展接口，電源等幾部分組成。其中，CPU是 PLC的核心；輸入/輸出單元是CPU 與現(xiàn)場輸入/輸出設備之間的接口電路；通信接口用于連接編程器，上位計算機 等外部設備?，F(xiàn)在世界上PLC的生產(chǎn)廠家有200多家，提供400多個品種的PLC供用戶選 擇，目前我國

15、市場上主要的 PLC產(chǎn)品有：西門子公司的S7-400/300/200系列、 施奈德公司的momentun等、還有就是日本的歐姆龍、三菱、松下等公司的產(chǎn)品。 西門子公司生產(chǎn)的PLC可靠性高，特別適用于大的工業(yè)控制系統(tǒng)，造價比較高， 對于小型的自動售貨機的控制系統(tǒng)來說成本過高。相反，目前我國市場上主流的小型的三菱 PLC就比較合適，三菱公司生產(chǎn)的 小型PLC的代表為FX-2N系列的PLC它具有豐富的部資源：程序存儲器具有16K 步的最大存儲容量，128種應用指令，還具有184點8進制編號的輸入點數(shù)，184 點8進制編號的輸出點數(shù)，普通型、掉電保持性和賦予特殊用途型三種部繼電器， 以及狀態(tài)寄存器、定

16、時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器、常數(shù)與指針等功能與資源?？?靠性高、造價低，對于自動售貨機的控制中心就特別的合適。因此，本次設計采 用的PLC為三菱公司生產(chǎn)的FX-2N系列單片機。3.5.2 CD4511七段數(shù)碼管譯碼器CD4511是一組用來作為BCD對共陰極LED七段顯示器譯碼的包裝。其引腳 圖，其各引腳功能如下：LT：做燈泡測試用，當LT=O,則不論其它輸入狀態(tài)為何，其輸出 abcdefg=1111111，使七段顯示器全亮，即顯示 8,以便觀測七段顯示器是否正 常。當LT=1，則正常解碼。BI:空白輸入控制，當BI=0 (LT為1時) 則不論DCBA之輸入為何，其 輸出abcdefg皆為0,即七

17、段顯示器完全不亮，此腳可供使用者控制僅對有效數(shù) 據(jù)譯碼，避免在無意義的數(shù)據(jù)輸入時顯示出來造成字型的系亂。LE:數(shù)據(jù)栓鎖致能控制；在 CD4511中，不但具譯碼功能，更具有數(shù)據(jù)栓鎖 的記憶功能。當LE=0時(LT=1且BI=1)，DCBA數(shù)據(jù)會被送入IC的緩存器中保 存，以供譯碼器碼；當LE=1時，則IC中的暫存器會關閉，僅保存原來在 LE=0 時的DCBA據(jù)供譯碼器譯碼。換句話說當LE=1時，不論DCBA的輸入數(shù)據(jù)為何， 皆不影響其輸出，其輸出abcdefg仍保留原來在LE由0轉為1以前的資料。4軟件設計4.1 主流程系統(tǒng)的總體結構流程圖如下:圖4.1系統(tǒng)總體結構流程圖4.2 梯形圖系統(tǒng)梯形圖

18、如下圖所示:m卜ri01-s ffl<e%jC1'ICMM>5系統(tǒng)調(diào)試首先接好系統(tǒng)的硬件電路，然后將梯形圖下載到PLC中，再運行程序。在整 個程序的調(diào)試過程中，我遇到了一些問題，最初的設計比較簡單，只是將投幣， 購買的過程考慮進去，而沒有將投幣后顯示模塊加進設計的方案中， 后來在仔細 閱讀設計要求后，我又將顯示模塊加進設計的方案中，用了兩個七段數(shù)碼管和兩 個CD4511七段數(shù)碼管譯碼器構成了 PLC的外接顯示部分，這樣投入的總錢幣和 剩余的錢幣數(shù)量就可以在數(shù)碼管上顯示出來。在數(shù)碼顯示的過程中也遇到了一些問題， 數(shù)碼顯示需要兩片七段數(shù)碼管，如 果使PLC直接連接七段數(shù)碼管的話

19、，需要14個輸出，輸出接口過多，系統(tǒng)變得 復雜化，在查找各方面的資料后，決定采用兩片七段數(shù)碼管譯碼器CD4511來驅(qū)動兩片七段數(shù)碼管，大大減少了輸出點數(shù)，程序運行也簡單得多，數(shù)碼顯示功能 順利實現(xiàn)。在找零階段，按下找零按鈕后直接沒有設計將數(shù)碼顯示清零功能， 后來經(jīng)過 思考和仔細探討整個系統(tǒng)，將找零部分又逐步進行了完善，將找零的過程在數(shù)碼 管上顯示了出來，找零時只找兩種錢幣，即 10元的和1元的，先找大面額的10 元的錢幣，后找小面額的1元的錢幣，其部進行減法運算，使得整個找零的過程 清晰可見。經(jīng)過認真的調(diào)試，使整個系統(tǒng)能夠按照要求完成各種工作，F(xiàn)X-2N系列PLC控制的自動售貨機的設計工作也最

20、終完成。自動售貨機II (IB“ ra “O|q 3 a圖5.1自動售貨機調(diào)試圖設計心得通過這一周的控制系統(tǒng)課程設計， 可以說感受頗深?。≡谧约旱呐ο?，最 終完成FX-2N系列PLC控制自動售貨機系統(tǒng)的設計。本控制系統(tǒng)就是充分利用了 PLG接口電路芯片以及顯示模塊。實現(xiàn)了對自動售貨機的控制，達到了設計的 目的。這次設計的PLC控制自動售貨機系統(tǒng)的主要容包括設計出了硬件系統(tǒng)的接 線圖、梯形圖等；并且系統(tǒng)具有啟動、停止功能；運用功能指令進行PLC控制程序設計；還進行了系統(tǒng)調(diào)試，實現(xiàn)自動售貨機的控制要求。這設計中的酸甜艱辛 與成功的喜悅并不能用言語去表達。與其說完成這次課程設計，不如說學會關于 P

21、LC的一點點皮毛，因為在這一周的時間里，自己可以明顯的感覺到認知的改 變。之前從PLC和工程組態(tài)的老師那了解一些關于工程上的應用，現(xiàn)在通過大家 的課程設計題目上，可以發(fā)現(xiàn) PLC的確離我們的生活很近。在設計中運用所學的理論知識，進行自動售貨機運行原理設計、 硬件系統(tǒng)設 計、軟件系統(tǒng)設計、創(chuàng)新設計，提高理論知識工程應用能力、系統(tǒng)調(diào)試能力、分 析問題與解決問題的能力。綜合運用了所學的知識，理論與實際相結合，提出并 論證設計方案，然后進行軟、硬件的設計、制作與調(diào)試，最后獲得正確的結果。 加深了對所學理論知識的鞏固，加強了建立PLC控制工業(yè)機械和生產(chǎn)過程系統(tǒng)的 整體概念，初步掌握了 PLC控制工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的軟、 硬件開發(fā)方法，為以 后進行實際的PLC軟、硬件應用開發(fā)奠定了良好的基礎。 與此同時，也加強了我 們對問題的分析解決能力，為以后的畢業(yè)設計和畢業(yè)后的工作做了充分的準備。 作為一位電氣工程及其自動化專業(yè)的學生， 控制系統(tǒng)是我們的必修課，怎樣