自動售貨機的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

-.z**航空航天大學(xué)課程設(shè)計〔論文〕題目自動售貨機的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計班級14070201學(xué)號13學(xué)生姓名黃元祥指導(dǎo)教師蘇曉雯-.z**航空航天大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱控制系統(tǒng)課程設(shè)計院〔系〕自動化學(xué)院專業(yè)自動化班級140702013**13學(xué)生**黃元祥課程設(shè)計題目自動售貨機的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計時間2014年12月15日至2014年12月26日課程設(shè)計內(nèi)容及要求：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2種飲料供選擇，分別為汽水和咖啡。3．如投幣總額超過銷售價格，將可由退幣鈕找回余額。4．投幣總額或當(dāng)前值顯示在7段數(shù)碼管上。5．投幣值等于或大于12元時，汽水和花茶指示燈亮，表示只可選擇汽水和花茶。6．投幣值等于或大于20元時，花茶和咖啡指示燈亮，表示2種均可選擇。7．按下要飲用的飲料按鈕，則相對應(yīng)的指示燈開場閃爍，3s后自動停頓，表示飲料已經(jīng)掉出。8．動作停頓后按退幣鈕，可以退回余額。具體要求如下：1.根據(jù)控制對象的控制要求完成PLC程序設(shè)計并調(diào)試成功。2.應(yīng)用組態(tài)王軟件完成上位機監(jiān)控程序。3.完成課程設(shè)計說明書。指導(dǎo)教師年月日負(fù)責(zé)教師年月日學(xué)生簽字年月日-.z目錄0.前言11.總體方案設(shè)計22.自動售貨機的硬件設(shè)計3的工作原理32.2.自動售貨機的I/O口分配42.3.自動售貨機的外部接線43.自動售貨機的軟件設(shè)計53.1編程軟件介紹53.2自動售貨機程序及設(shè)計53.2.1.投幣按鈕的設(shè)計6自動售貨機的購物設(shè)計6自動售貨機的金額顯示設(shè)計74.自動售貨機的監(jiān)控界面的設(shè)計84.1組態(tài)軟件的概述84.2定義數(shù)據(jù)詞典84.3用戶界面的制作95聯(lián)合調(diào)制105.1PCL的調(diào)制105.2組態(tài)的調(diào)試106課設(shè)小結(jié)及進一步設(shè)想13參考文獻14附錄I源程序清單15-.z自動售貨機的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計黃元祥**航空航天大學(xué)自動化學(xué)院摘要：本論文設(shè)計的是基于西門子S7-200系列PLC構(gòu)成的自動售貨機監(jiān)控系統(tǒng)，本文闡述了自動售貨機的來源與開展，以及它在國內(nèi)外開展的現(xiàn)狀，對自動售貨機的方案進展了論證，介紹了PLC的根本組成、特點以及工作原理，對基于西門子S7-200系列PLC構(gòu)成的自動售貨機系統(tǒng)整體設(shè)計過程進展較為細(xì)致的論述。在PLC梯形圖的編寫時，文中采用的是西門子PLC梯形圖專用編譯軟件STEP7來進展編寫。介紹了自動售貨機的根本原理以及工作流程，然后以一次交易過程為例，把交易過程分為幾個程序塊，然后分別對程序塊進展編程。具體說明了可編程序控制器在自動售貨機中的作用。程序涉及到了自動售貨機工作的絕大局部過程。利用PLC控制的自動售貨機提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證自動售貨機能夠長期穩(wěn)定運行。關(guān)鍵字：PLC；順序功能圖；梯形圖；I/O點的分配0.前言科學(xué)技術(shù)的迅猛開展帶動了我國工業(yè)的騰飛，機械制造業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)的重要組成局部也在快速的向前開展。為順應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)開展生產(chǎn)出小批量，多品種、多規(guī)格的產(chǎn)品和降低產(chǎn)品的本錢，提高產(chǎn)品的質(zhì)量的要求，使我們的生產(chǎn)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和極強的靈活性?？删幊炭刂破黜槕?yīng)這一要求應(yīng)運而生，現(xiàn)在可編程控制器已經(jīng)廣泛的運用在各種機械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動化控制系統(tǒng)中?？删幊炭刂破?ProgrammableLogicController)簡稱PLC，是一種專門用于工業(yè)環(huán)境下的數(shù)字運算操作系統(tǒng)。PLC是在微電子技術(shù)的根底上，結(jié)合了自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)開展起來的一種用于自動控制的裝置，與繼電器控制相比它體積小，維護操作方便，抗干擾能力強，可靠性高，可在線更改程序，而且編程方便，通用性強，功能完善，設(shè)計、施工、調(diào)試的周期短，價格低廉，采用編程代替了大局部的連線給安裝調(diào)試省了不少的功夫，在其硬件上還設(shè)計了屏蔽電路、濾波電路和采用了光電隔離技術(shù)相對于繼電器控制而言抗干擾能力要強，可靠性也要高。軟件設(shè)計中采有故障檢測、信息保護與恢復(fù)等措施，使它的可靠性得到進一步提高。PLC控制技術(shù)在現(xiàn)代化工業(yè)控制中承擔(dān)著舉足輕重的作用。它不僅承擔(dān)從單機自動化和小型企業(yè)的整條流水生產(chǎn)線的自動化，還承擔(dān)著大企業(yè)整個企業(yè)的生產(chǎn)自動化控制?，F(xiàn)在PLC控制技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)代工業(yè)自動化控制的一個重要組成局部。給PLC通電后，PLC首先對硬件和軟件作初始化處理。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式,使PLC的輸出能夠及時的響應(yīng)各種輸入信號。PLC的用戶程序是按照先后順序存儲，執(zhí)行程序時CPU從第一條程序開場執(zhí)行直到遇到完畢指令后返回第一條程序。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。圖1西門子S7-200系列PLC隨著PLC技術(shù)的不斷開展,傳統(tǒng)的機械設(shè)備已經(jīng)逐步被新一代的智能化設(shè)備所代替。現(xiàn)代加工的工藝要求和穩(wěn)定性要求以及復(fù)雜的控制功能，傳統(tǒng)的控制柜控制已經(jīng)很難到達預(yù)定的控制要求尤其是在抗干擾能力和可靠性方面。PLC應(yīng)時而生順勢開展。在我國隨著制造業(yè)的開展，剪板機床的開展越來越成為機械制造行業(yè)的中流砥柱，通用型高性能剪板機，廣泛應(yīng)用于航空、汽車、農(nóng)機、電機、電器、儀器儀表、醫(yī)療器械、家電、五金等行業(yè)。此次設(shè)計的是剪板機控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)板材的自動進料、自動壓料、自動剪切功能。在板材加工的過程中，板材的進料、壓緊、剪切等過程都按一定的順序準(zhǔn)確控制。此次設(shè)計采用西門子PLCS7-200系列，如圖1，根據(jù)剪板機的工藝要求設(shè)計相應(yīng)的控制方案。1.總體方案設(shè)計自動售貨機的根本功能就是對投入的錢幣數(shù)進展計算，然后根據(jù)運算結(jié)果做出相應(yīng)的判斷，看看哪種商品可以進展購置，哪種商品不能購置，本次課程設(shè)計的要求是可識別三種錢幣，分別是1元、5元、10元，采用三個按鈕進展模擬，自動售貨機共出售兩種貨物，其價格分別定為12元、20元，當(dāng)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，表示可以進展購置，兩種貨物分別用兩個小燈代替進展模擬。除此之外，本次設(shè)計還涉及了顯示、找零、送貨等功能的實現(xiàn)，其中顯示局部采用數(shù)碼管進展顯示，顯示投幣總數(shù)和購置后的余額；當(dāng)按下找零按鈕后，數(shù)碼管顯示進展清零退幣，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)王進展實時監(jiān)控。所以售貨機的局部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自動售貨機的順序功能圖2.自動售貨機的硬件設(shè)計2.1.PLC的工作原理在PLC的存儲器中，有一片區(qū)域是用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)的，他們分別稱為輸入過程映像存放器和輸出映像存放器。在讀取輸入時，PLC把所有的輸入電路的1/0狀態(tài)讀入輸入過程映像存放器中。電路閉合輸入狀態(tài)為1，輸入斷開輸入狀態(tài)為0。PLC的用戶程序由假設(shè)干條指令組成，PLC的指令再存儲器中是按順序存儲的。執(zhí)行用戶程序時，在沒有跳轉(zhuǎn)指令的情況下，CPU按照從上到下，從左到右的執(zhí)行原則從第一條指令開場，按順序逐條執(zhí)行。在整個執(zhí)行階段，各個輸入點的狀態(tài)是固定不變的，程序執(zhí)行完成之后再用輸入過程映像存放器的值更新輸出點，使系統(tǒng)的運行更穩(wěn)定。在處理通信請求時，CPU處理從通信接口和智能模塊接收到的信息，并在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)⑿畔魉徒o通信請求方。PLC具有自診斷功能，自診斷包括定期的檢查CPU模塊的操作和擴展模塊的狀態(tài)是否正常，將監(jiān)控定時器復(fù)位以及一些別的內(nèi)部工作。輸出過程的狀態(tài)都存入到輸出過程映像存放器中，CPU在執(zhí)行完用戶程序后，將輸出過程映像存放器的0/1狀態(tài)傳送到輸出模塊并鎖存起來。當(dāng)PLC的操作模式由RUN模式變成STOP模式時，數(shù)字量輸出被置為系統(tǒng)塊中的輸出表定義的狀態(tài)，或保持原有的狀態(tài)，默認(rèn)的設(shè)置時將所有的數(shù)字量的輸出都清零。當(dāng)PLC程序中有中斷程序時，當(dāng)有中斷事件發(fā)生了時，CPU停頓正常的掃描工作方式，馬上跳入中斷立即執(zhí)行中斷程序，執(zhí)行完中斷程序后CPU又返回到正常的掃描工作中。PLC通過中斷可以大大的提高CPU對*些事件的響應(yīng)速度。2.2.自動售貨機的I/O口分配根據(jù)控制要求，系統(tǒng)的輸入量有：啟動、投幣一元、投幣五元、投幣十元、購置汽水、購置咖啡、退幣。系統(tǒng)的輸出量有：兩組LED數(shù)碼管、汽水指示燈、咖啡指示燈。共需實際輸入點數(shù)7個，輸出點數(shù)18個。配置表如表1所示：輸入I0.0啟動輸出LED數(shù)碼管I0.1投幣一元Q1.0汽水指示燈I0.2投幣五元Q1.1咖啡指示燈I0.3投幣十元LED數(shù)碼管I0.4購置汽水I0.5購置咖啡I0.6退幣表1系統(tǒng)I/O資源配置表2.3.自動售貨機的外部接線PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計中，雖然接線工作占的比重較小，大局部工作還是PLC的編程設(shè)計工作，但它是編程設(shè)計的根底，只要接線正確后，才能順利地進展編程設(shè)計工作。而保證接線工作的正確性，就必須對PLC內(nèi)部的輸入輸出電路有一個比較清楚的了解。。LED數(shù)碼管顯示LED數(shù)碼管顯示商品指示燈PLC啟動、投幣、購置退幣按鈕電源、圖3自動售貨機的外部接線圖3.自動售貨機的軟件設(shè)計3.1編程軟件介紹西門子S7-200采用的是STEP7-Micro/WIN編程軟件，本次設(shè)計也是采用這一軟件實現(xiàn)的。STEP7-Micro/WIN是在Windows平臺上運行的SIMATICS7-200PLC編程軟件，簡單易學(xué)，能夠解決復(fù)雜的自動化任務(wù)，適用于所有SIMATICS7-200PLC機型軟件編程。它可以使用包括中文在內(nèi)的多種語言，支持梯形圖、語句表和功能塊圖，還可以對三種語言進展切換。軟件界面包括程序塊、數(shù)據(jù)塊、系統(tǒng)快、符號表、狀態(tài)表、穿插引用表、通信和設(shè)置PG/PC接口組成。程序塊由編程代碼和注釋組成，注釋是方便我們讀程序而設(shè)的是可選量，代碼有主程序代碼、子程序代碼和中斷程序代碼，代碼下載到PLC中使PLC運行既定的控制。數(shù)據(jù)塊是設(shè)定程序塊中程序中的參數(shù)用的，它由數(shù)據(jù)和注釋組成。系統(tǒng)塊是用來設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)的，一般情況下系統(tǒng)參數(shù)都采用默認(rèn)值。我們只有在用戶程序處于運行狀態(tài)時才用狀態(tài)表，狀態(tài)表可用來監(jiān)視、修改和強制程序執(zhí)行時指定的變量的狀態(tài)。穿插引用表列舉出程序中使用的各編程元件的觸點、線圈等在程序的哪個具體位置出現(xiàn)。通信和設(shè)置PG/PC接口主要用來設(shè)置PLC與計算機通信參數(shù)。STEP7-Micro/WIN編程軟件為用戶提供了三種編程語言，分別是梯形圖、功能塊圖和指令表。本次課設(shè)使用的編程語言是梯形圖。3.2自動售貨機程序及設(shè)計3.2.1.投幣按鈕的設(shè)計自動售貨機的投幣按鈕分別表示1元、5元、10元的投幣金額，每次投幣金額存在PLC的內(nèi)部存放器的MW20中，且用加法計算器ADD_I分別進展累加。但是在操作PLC的按鈕時存在抖動問題，導(dǎo)致按一次而進展了屢次加法操作。所以在PLC程序的加法計算器之前就必須加一個上升沿對其進展觸發(fā)，就可以消除這類屢次操作的現(xiàn)象，使設(shè)計變得更準(zhǔn)確。圖3投幣程序3.2.2自動售貨機的購物設(shè)計自動售貨機的購物按鈕用I0.4和I0.5分別表示汽水和咖啡購置鍵，其原理與投幣按鈕的原理一樣，都是對PLC的內(nèi)部存放器MW20進展加減操作。只是在購置后多了一個貨物指示燈的閃爍設(shè)計，當(dāng)投幣金額大于或等于商品價格后，該商品的指示燈亮起，如果購置該商品之后，商品指示燈就會閃爍3秒以表示該商品已被購置且正在出貨。其程序設(shè)計是利用兩個定時器和一個計數(shù)器對指示燈進展一個脈沖控制。圖4商品指示燈閃爍程序3.2.3自動售貨機的金額顯示設(shè)計在自動售貨機的實際操作中，需要對投幣金額進展實時顯示，以方便購置者。本次設(shè)計LED數(shù)碼管顯示控制是利用PLC中的SEG語句進展輸出的，但是SEG語句有特殊的要求，它必須要求輸入是Bit字節(jié)8位存放器，而我們用的加減法計算器是對MW20存放器里的數(shù)據(jù)進展操作的，且要求有個位和十位同時顯示。所以就先要對MW20存放器進展除法運算，除以10，且將商和余數(shù)存入VD30存放器中，這里VD30存放器是由VW30和VW32兩個存放器組成，在將這兩個存放器分別用轉(zhuǎn)換指令I(lǐng)_B把W字節(jié)轉(zhuǎn)換為B字節(jié)，再用SEG指令。SEG指令會自動講輸入存放器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8段的數(shù)字量，且輸出必須是連續(xù)的8位Q口，而在這次課設(shè)是用Q0.0—Q0.7表示個位，Q2.0—Q2.7表示十位。還要特別要注意，如果在組態(tài)王中不用許多小燈代表PLC控制的LED數(shù)碼管，而直接使用數(shù)字顯示時，那就要對PLC程序就行處理，使之能轉(zhuǎn)換為組態(tài)王能識別的存放器中。圖4LED數(shù)碼顯示程序圖5組態(tài)顯示程序4.自動售貨機的監(jiān)控界面的設(shè)計4.1組態(tài)軟件的概述MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)即監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)，它是由昆侖通態(tài)自動化軟件科技**研發(fā)的一款組態(tài)軟件。MCGS主要為工程技術(shù)人員快速構(gòu)造和生成上位機人機界面，它可在MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系統(tǒng)下良好運行。MCGS操作簡單，它不需要你具有專業(yè)的計算機編程技術(shù)，就算你對計算機編程一點也不明白你也能夠通過短時間的學(xué)習(xí)編譯一個運行可靠的人機界面。此次設(shè)計選用MCGS做上位機界面主要是因為他的可靠性以及簡單易學(xué)。MCGS組態(tài)軟件使用廣泛，現(xiàn)已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處理、環(huán)境監(jiān)測、機械制造、交通運輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域，并在這些領(lǐng)域里面發(fā)揮了積極的作用。4.2定義數(shù)據(jù)詞典組態(tài)王的數(shù)據(jù)詞典是PLC與組態(tài)之間通信的橋梁，只有數(shù)據(jù)詞典設(shè)置正確，才能使上位機控制下位機，上位機監(jiān)測下位機。這里應(yīng)該注意，在PLC中所以開關(guān)量都是以I來控制的，但是在組態(tài)王中，如果同樣選擇相應(yīng)的存放器I，是不能到達用哪個組態(tài)控制PLC的目的。所以在PLC程序中就要在所以開關(guān)量處加上相應(yīng)的M存放器，假設(shè)原程序的開關(guān)量I處是常開觸點，那就用相應(yīng)的M存放器與之并聯(lián)，假設(shè)是原程序的開關(guān)量I處是常閉觸點，那就用相應(yīng)的M存放器與之串聯(lián)。這樣在組態(tài)王中數(shù)據(jù)詞典定義中的存放器選擇就與之對應(yīng)。如圖6所示：圖6組態(tài)數(shù)據(jù)詞典列表4.3用戶界面的制作在組態(tài)王中，用戶界面是操作人員通過組態(tài)上位機監(jiān)控PLC工作最直接的窗口，它的功能關(guān)系到對PLC監(jiān)控的全面性。如果用PLC實現(xiàn)的功能特別復(fù)雜，那在組態(tài)王用戶界面的制作過程就變得相對復(fù)雜，因為它涉及到對用戶界面的畫面屬性進展編程。而且用戶界面的制作是否美觀、應(yīng)用得體，也關(guān)系到組態(tài)監(jiān)控PLC是否得心應(yīng)手。圖7用戶界面制作圖5聯(lián)合調(diào)制5.1PCL的調(diào)制在完成下位機PLC程序的設(shè)計之后，我們要對PLC程序進展調(diào)試檢驗編寫的程序的能否完成此次設(shè)計要**現(xiàn)的功能，并對程序中的缺乏之處進展修改。首先，在單獨運行PLC中看看所編程序是否滿足本次課程設(shè)計的根本要求，如是否能正確顯示投幣金額、是否能讓商品指示燈閃爍、是否按退幣按鈕后能將金額顯示清零等等。圖8外部調(diào)試圖5.2組態(tài)的調(diào)試組態(tài)的調(diào)試確實費時費事，因為它不像PLC調(diào)試那樣可以單步調(diào)試。當(dāng)翻開運行窗口是發(fā)現(xiàn)并不能按照預(yù)先設(shè)計的那樣工作時，就得慢慢的在制作界面中一點點的檢查。特別是當(dāng)兩者波特率不一樣的時候，組態(tài)王與PLC之間就不能通信，更談不上用組態(tài)對PLC的監(jiān)控。一切就緒后，如下列圖表示組態(tài)界面剛開場時，等待投幣顯示，其中投幣金額LED顯示是為了對應(yīng)S7-200模擬實驗掛箱上的7段數(shù)碼管，而右邊的投幣金額則是數(shù)字顯示。如圖9所示：圖9用戶界面當(dāng)操作組態(tài)王用戶界面時，如投幣15元和31元時，可以看到指示燈亮起，如圖10和11所示：圖10投幣15元圖11投幣31元當(dāng)購置商品時，指示燈會閃爍，且投幣金額會減去所購置的金額。如圖12所示：圖12購置后余額6課設(shè)小結(jié)及進一步設(shè)想通過這兩周的控制系統(tǒng)課程設(shè)計，可以說感受頗深啊！其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(shè)計，不如說學(xué)會關(guān)于PLC和組態(tài)王的一點點皮毛，因為在這兩周的時間里，自己可以明顯的感覺到認(rèn)知的改變。之前從PLC和工程組態(tài)的教師那了解一些關(guān)于工程上的應(yīng)用，現(xiàn)在通過大家的課程設(shè)計題目上，可以發(fā)現(xiàn)PLC確實離我們的生活很近。作為一