基于PLC的自動售貨機控制系統(tǒng)的設計

1、遼寧工程技術大學 電氣控制技術與PLC 課程設計 設 計 題 目 基于PLC的自動售貨機控制系統(tǒng)的設計指 導 教 師 陳偉華 院（系、部） 電氣與控制工程學院 專 業(yè) 班 級 學 號 姓 名 日 期 2014年6月23日 課程設計成績評定表學期2013/2014學年第2學期姓名專業(yè)班級課程名稱電氣控制技術與PLC設計題目基于PLC的自動售貨機控制系統(tǒng)的設計成績評分項目優(yōu)良中及格不及格設計表現(xiàn)1.設計態(tài)度非常認真認真較認真一般不認真2.設計紀律嚴格遵守遵守基本遵守少量違反嚴重違反3.獨立工作能力強較強能獨立設計完成基本獨立設計完成不能獨立設計完成4.上交設計時間提早或按時按時遲交半天遲交一天遲交

2、一天以上設計說明書5.設計內(nèi)容設計思路清晰，結構方案良好，設計參數(shù)選擇正確，條理清楚，內(nèi)容完整，結果正確設計思路清晰，結構方案合理，設計參數(shù)選擇正確，條理清楚，內(nèi)容較完整，極少量錯誤設計思路較清晰，結構方案基本合理，設計參數(shù)選擇基本正確，調(diào)理清楚，內(nèi)容基本完整，有少量錯誤設計思路基本清晰，結構方案基本合理，設計參數(shù)選擇基本正確，調(diào)理清楚，內(nèi)容基本完整，有些錯誤設計思路不清晰，結構方案不合理，關鍵設計參數(shù)選擇有錯誤，調(diào)理清楚，內(nèi)容不完整，有明顯錯誤6.設計書寫、字體、排版規(guī)范、整潔、有條理，排版很好較規(guī)范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規(guī)范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規(guī)范、整潔、有條理，

3、排版有問題較多不規(guī)范、不整潔、無條理，排版有問題很大7.封面、目錄、參考文獻完整較完整基本完整缺項較多不完整圖紙8.繪圖效果很出色較出色一般較差很差9.布局合理、美觀較合理基本合理有些混亂布局混亂10.繪圖工程標準符合標準較符合標準基本符合標準個別不符合標準完全不符合標準評定說明： 不及格標準：設計內(nèi)容一項否決制，即5為不及格，整個設計不及格，其他4項否決；優(yōu)、良、中、及格標準：以設計內(nèi)容為主體，其他項超過三分之一為評定標準，否則評定為下一等級；如優(yōu)秀評定，設計內(nèi)容要符合5，其余九項要有4項符合才能評定為優(yōu)，否則評定為良好，以此類推。最終成績： 評定教師簽字：電氣控制技術與PLC課程設計任務書

4、姓名朱秋明題目基于PLC的自動售貨機控制系統(tǒng)的設計設計要求（1）自動售貨機可投入5角、1元的硬幣。 （2）所售飲料標價：純凈水1元,汽水2.5元，咖啡3元。（3）當投入的硬幣總值超過所購飲料的標價時，所對應的可購買飲料的指燈亮，作可購買提示。（4）當物品對應的指示燈亮時，按下相應的按鍵，相應的物品排出，5s后自動停止,同時指示燈閃爍。（5）購買飲料后，系統(tǒng)自動計算剩余幣值，并根據(jù)剩余幣值提示可購買的飲料（指示燈亮）。（6）當顧客成功購買完一件物品后30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）如果顧客投入

5、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。（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）。設計的主要內(nèi)容（1） 擬定控制系統(tǒng)的設計的技術要求。（2） 深入了解和分析被控制對象的工藝條件及控制要求。（3） 選擇適合的的PLC類型。（4） 分配I/O點。（5） 設計控制系統(tǒng)梯形圖。（6） 輸入并調(diào)試程序。目錄摘要11系統(tǒng)概述22 控制要求及設計思路32.1控制要求32.2方案設計42.3控制流程圖43. 自動售貨機的相關設備參數(shù)的選定53.1PLC的選擇53.2硬幣識別器63.3開關電源63.4電磁閥63.5液位開關74軟件設計74.

6、1I/O口分配74.2 控制接線圖84.3 程序設計94.3.1計幣部分94.3.2比較部分104.3.3選擇和飲料供應部分114.3.4余額計算部分114.3.5退幣部分124.3.6報警部分135系統(tǒng)調(diào)試136結論14參考文獻15摘要自動售貨機是可完成無人自動售貨的商業(yè)自動化設備，它不受任何場地限制，方便快捷，可以每天24h售貨，在我國也越來越普及。傳統(tǒng)的自動售貨機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，還具有可靠性高、編程簡單、功能強、能耗低、調(diào)試方便等優(yōu)點。本售貨機系統(tǒng)主要是針對純凈水、汽水和咖啡的自動銷售。自動售貨機的普及在某種程度上能

7、反映一個國家的科技發(fā)展水平，是一個國家的文明程度的象征，實踐和直覺告訴我們，自動售貨機在中國的橫空出世，必將國內(nèi)的食品、香煙、飲料等諸多行業(yè)的發(fā)展帶來新的契機。設計以三菱PLC設計自動售貨機控制系統(tǒng)，簡要介紹PLC各硬件選型，軟件的設計，并具體的進行了PLC梯形圖的編寫和系統(tǒng)的調(diào)試，仿真證明該系統(tǒng)切實可行。關鍵詞:自動售貨機；PLC；調(diào)試1系統(tǒng)概述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。自動售貨機不受任何場地限制，方便快捷，可以每天24h售貨，因此深受上班族的歡迎。隨著科技發(fā)展和市場繁榮，很多城市的公共場所里面都放置有自動售貨機，出售的商品五花八門，從飲料、零食、香

8、煙、糖果，到牙刷、方便面、自動照相機。近年來，我國的自動售貨機行業(yè)突飛猛進：在汽車總站、商廈、醫(yī)院、小區(qū)、學校等地區(qū)紛紛涌現(xiàn)出自動售貨機的蹤跡。這種方便快捷的購物方式越來越受到人們的青睞，同時也是現(xiàn)代化城市配套設施的需求。在人口集中的學校、車站、醫(yī)院等地方，瓶裝的飲料造成大量資金與產(chǎn)品的浪費，本課題就研究用PLC實現(xiàn)散裝飲料的自動銷售。自動售貨機是一種全新的商業(yè)零售形式，20世紀70年代自日本和歐美發(fā)展起來。它又被稱為24小時營業(yè)的微型超市。在日本，70的罐裝飲料是通過自動售貨機售出的；全球著名飲料商可口可樂公司在全世界就布有50萬臺飲料自動售貨機。從自動售貨機的發(fā)展趨勢來看，它的出現(xiàn)是由于勞

9、動密集型的產(chǎn)業(yè)構造向技術密集型社會轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。大量生產(chǎn)、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，而相對的超市、百貨購物中心等新的流通渠道的產(chǎn)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。它的售貨領域非常廣泛，是發(fā)達國家商品零售的一種主要方式。近幾年，自動售貨機逐漸被越來越多的消費者所接受。但由于售貨機分布零散、范圍廣闊的特點，自動售貨機在為消費者帶來方便的同時，也為經(jīng)營者在監(jiān)控、管理、維護等方面帶來很大的不便。目前售貨機運行的各種情況都需要由人工判斷，包括缺貨、缺零錢、幣箱已滿、售貨機機械故障等，經(jīng)

10、營者普遍采用人工定時巡回視察的管理辦法，既費時費力，又無法及時準確獲取自動售貨機狀態(tài)報告，給經(jīng)營者增加了管理成本和難度，也有可能給消費者的正常消費造成不便2。 本系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)可以使自動售貨機的經(jīng)營者根據(jù)網(wǎng)絡統(tǒng)計的銷售狀況進行商品銷售狀況分析，預測商品的銷售走勢，確定合理的采購和配送策略，以獲得最高的投資回報率。同時售貨機的一些故障信息和警報信息可以實時的傳送到相應的運營人員，從而可以在第一時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并解決問題。而且本次設計的題目是基于PLC的自動售貨機控制系統(tǒng)的設計，主要是應用三菱FX-2N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的定義、PLC的工作原理、PLC的硬

11、件組成等。根據(jù)設計內(nèi)容和控制要求畫出順序功能圖和梯形圖，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。2 控制要求及設計思路2.1控制要求（1）自動售貨機可投入5角、1元的硬幣。 （2）所售飲料標價：純凈水1元,汽水2.5元，咖啡3元。（3）當投入的硬幣總值超過所購飲料的標價時，所對應的可購買飲料的指燈亮，作可購買提示。（4）當物品對應的指示燈亮時，按下相應的按鍵，相應的物品排出，5s后自動停止,同時指示燈閃爍。（5）購買飲料后，系統(tǒng)自動計算剩余幣值，并根據(jù)剩余幣值提示可購買的飲料（指示燈亮）。（6）當顧客成功購買完一件物品后30秒無操作，自動

12、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）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。（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）。2.2方案設計（1）通過分析，取最有把握的思路，故采取一般梯形圖進行程序設計。（2）注意點，程序運行開始階段要有上電復位，讓機子清零。（3）本自動售貨機可使用5角、1元硬幣，計幣時用ADD指令進行累加從而得到一個投幣總額；比較幣值時使用CMP指令來判斷是否符合純凈水排出或汽水排出或咖啡排出的條件；余額計算時用SUB

13、指令從投幣總額中扣除顧客所消費的幣值總額；退幣計算時用到觸點型比較指令。（4）PLC選用繼電器輸出型。（5）要求實現(xiàn)顧客的循環(huán)購買，故需實現(xiàn)控制程序的跳轉(zhuǎn)。（6）退幣結束時，使用ZRST指令進行購買完成的復位，以準備下一個顧客購買飲料，防止出現(xiàn)錯誤。2.3控制流程圖自動售貨機PLC的控制流程圖，如圖2.1所示。開始比 較幣價投幣計數(shù)是否退幣純凈水選擇咖啡選擇減去咖啡用幣退幣計數(shù)錢幣倒入退幣箱結束減去純凈水用幣汽水選擇減去汽水用幣錢幣不足NY圖2.1 控制流程圖3. 自動售貨機的相關設備參數(shù)的選定3.1PLC的選擇目前的PLC品牌很多，比較有名的有美國AB，ABB，松下，西門子，三菱，歐姆龍，臺

14、達，富士，施耐德，信捷等。而不同的PLC其產(chǎn)品價格差價也是很大，在質(zhì)量和I/O點數(shù)幾乎相同的情況下可以相差較多10。三菱FX2N系列是作為一種小型機，其功能較為完善，性能價格比高，較為適合自動售貨機。另外在本設計中PLC需要接11個輸入點和12個輸出點，以及為了以后的擴展需要，由以上三點因素，選擇了三菱PLC，F(xiàn)X2N-48MR型。三菱PLC，F(xiàn)X2N-48MR是具有高級處理功能的型號，其輸入和輸出點數(shù)之和為48點，還可以擴展到256點，結構緊湊，速度高。三菱PLC FX2N-48MR性能規(guī)格：（1）運轉(zhuǎn)控制方式：通過儲存的程序周期運轉(zhuǎn)。（2）運轉(zhuǎn)處理時間：基本指令：0.8µs/指令

15、，應用指令：1.52至幾百µs/指令。（3）編程語言：邏輯梯形圖和指令清單。（4）程式容量：8000步內(nèi)置。（5）指令數(shù)目：基本順序指令 27，步進梯形指令 2，應用指令 128。（6）I/O配置：最大硬件I/O配置點256。（7）輔助繼電器（M線圈）：一般：500點，鎖定：2572點，特殊：256點。（8）狀態(tài)繼電器（S線圈）：一般：490點，鎖定：400點，初始：10點，信號報警器：100點。（9）定時器（T）：100毫秒，范圍0至3276.7秒（200點）；10毫秒，范圍0至327.67秒（46點）；1毫秒保持型，范圍0至32.767秒（4點）。（10）計數(shù)器（C）:一般16位

16、，范圍0至32767數(shù)（200點），鎖定16位，范圍100點，一般32位，范圍15點,鎖定32位，范圍15點。3.2硬幣識別器硬幣識別器主要識別現(xiàn)在國家發(fā)行的一元、五角、一角的硬幣。我國目前發(fā)行的一元，五角和一角硬幣的金屬原材料是為制造硬幣而專門使用的特殊合金，因此在它通過投幣入口進入由電感和電容組成的特定傳感器，金屬材質(zhì)和體積的差異對電容量和電感量的影響大小也出現(xiàn)微弱差異。電容量、電感量的變化引起電壓的變化，再通過檢測電路將信號放大，與設定值進行比較，確定某種硬幣種類并對PLC的輸入單元發(fā)出信號，PLC根據(jù)接收到的信號,對硬幣值進行累加計數(shù)。根據(jù)對硬幣識別器的了解及選擇，確定使用側投類CPU

17、硬幣識別器。3.3開關電源在自動售貨機中指示燈、警鈴、等電源為DC 24V，因此需要配備直流24V開關電源，本文選擇了WP10-S-24。關電源的性能規(guī)格如下： （1）交流電壓輸入范圍：170264VAC。（2）直流調(diào)整范圍：額定輸出電壓± 10 。（3）輸出過載保護：110 150 。（4）工作溫度：-10+50。3.4電磁閥電磁閥是用來控制流體的自動化基礎元件，屬于執(zhí)行器；并不限于液壓，氣動。用于控制液壓流動方向，工廠的機械裝置一般都由液壓缸控制，所以就會用到它的工作原理，里面有密閉的腔，在不同的位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通

18、電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。追朔的發(fā)展史，到目前為止，國內(nèi)外的從原理上分為三大類(即：直動式、分布直動式、先導式)，而從閥瓣結構和材料上的不同與原理上的區(qū)別又分為六個分支小類(直動膜片結構、分步重片結構、先導膜式結構、直動活塞結構、分步直動活塞結構、先導活塞結構)，本次設計采用直動式電磁閥。通電時，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，關閉

19、。3.5液位開關液位開關，也稱水位開關，液位傳感器，顧名思義，就是用來控制液位的開關。從形式上主要分為接觸式和非接觸式。常用的非接觸式開關有電容式液位開關,接觸式的浮球式液位開關應用最廣泛。電極式液位開關，電子式液位開關，電容式液位開關也可以采用接觸式方法實現(xiàn)。本次設計電子式液位開關，電子式液位開關通過內(nèi)置電子探頭對水位進行檢測，再由芯片對檢測到的信號進行處理，當判斷到有水時，芯片輸出高電平24V或5V等(PNP型或NPN型均可），當判斷到無水時，芯片輸出0V。高低電平的信號通過PLC或其它控制電路來讀取，并驅(qū)動水泵等用電器工作。 4軟件設計4.1I/O口分配列出I/O口分配表，如表4.1所示

20、。表4.1 I/O口分配表輸入輸出輸入點功能輸出點功能X0五角投幣器Y0純凈水電磁閥X1一元投幣器Y1汽水電磁閥X2純凈水按鈕Y2咖啡電磁閥X3汽水按鈕Y3純凈水指示燈X4咖啡按鈕Y4汽水指示燈X5找錢按鈕Y5咖啡指示燈X6急停按鈕Y6余錢指示燈X7啟動按鈕Y10無純凈水報警燈X10純凈水液位開關Y11無汽水報警燈X11汽水液位開關Y12無咖啡報警燈X12咖啡液位開關Y13一元退幣馬達Y14五角退幣馬達4.2 控制接線圖本系統(tǒng)是一個小型集中控制系統(tǒng)，PLC選型主要取決于控制系統(tǒng)輸入、輸出開關信號的數(shù)量、用戶程序的長短及相關的功能。根據(jù)控制要求，I/O點數(shù)在24個左右，選擇性能價格比較高的三菱F

21、X2N-48MR，其中其輸入點為24點，輸出點為24點，該PLC為繼電器輸出型。本設計中，退幣按鈕、各種飲料按鈕和飲料出口（驅(qū)動電磁閥）等均為開關量。根據(jù)上述要求，繪制出PLC控制電路接線圖，如圖4.2所示。圖4.2 控制接線圖4.3 程序設計由于本設計為畢業(yè)設計, 因此要求上要有現(xiàn)實中的自動售貨機的多種功能。根據(jù)自動售貨機控制系統(tǒng)的流程可以知道自動售貨機的主要系統(tǒng)包括：計幣部分、比較部分、選擇和飲料供應部分、余額計算部分、退幣部分、報警部分。計幣部分當有顧客購買飲料時，投入硬幣時由硬幣識別器識別硬幣, 如果是真幣則系統(tǒng)將硬幣自動傳送到相應的硬幣貯存部分,然后在PLC內(nèi)進行數(shù)據(jù)運算，如果是假幣

22、則系統(tǒng)自動退出硬幣,梯形圖如圖4.3所示。圖4.3 計幣部分比較部分投幣完成后，系統(tǒng)會將D0內(nèi)錢幣數(shù)據(jù)和可以購買的飲料價格進行區(qū)間比較：若1元投幣<2.5元，則純凈水選擇指示燈長亮，此時可以選擇純凈水或退幣；若2.5元投幣<3元，則純凈水和汽水指示燈長亮，此時可以選擇純凈水、汽水或退幣；投幣3元,則純凈水、汽水和咖啡指示燈長亮,此時可以選擇純凈水、汽水、咖啡或退幣。梯形圖如圖4.4所示:圖4.4 比較部分選擇和飲料供應部分比較完成后，按下指示燈長亮的選擇按鈕，相應的電磁閥起動，并且相應的選擇指示燈由長亮轉(zhuǎn)為以1s為周期的閃爍直至飲料供應完畢后閃爍停止。當飲料輸出達到5s時，電磁閥關

23、斷。梯形圖如圖4.5所示：圖4.5 選擇和飲料供應部分余額計算部分飲料輸出的同時減去相應的購買幣數(shù)。梯形圖如圖4.6所示：圖4.6 余額計算部分退幣部分顧客可在購完飲料后，由退幣指示燈Y6可知是否可以退幣。指示燈亮，則可以退幣，當按下退幣控制按鈕后，數(shù)據(jù)寄數(shù)器D1內(nèi)的幣數(shù)除以10，商的整數(shù)部分是需要退回1元的個數(shù)并儲存在D10中；D11的數(shù)據(jù)除以5，商的整數(shù)部分是需要退回的5角錢的個數(shù)，并儲存在D12中，依次類推選擇退幣的同時起動2個退幣電動機。2個感應器開始計數(shù)，當感應器記幣的個數(shù)等于數(shù)據(jù)寄存器退回的幣數(shù)時，退幣電動機停止運轉(zhuǎn)。PLC編程梯形圖如圖4.7所示：圖4.7 退幣部分報警部分PLC

24、在報警系統(tǒng)中，只起到開關連接的作用，當售貨機里面沒有飲料時，對應的指示燈就會亮紅燈，作報警提示。具體梯形圖如圖4.8所示：圖4.8 報警部分5系統(tǒng)調(diào)試由于實驗室沒有相應的實物控制模型(自動售貨機)，因此，在調(diào)試系統(tǒng)控制程序時，所有的輸入信號均用開關按鈕來代替，所有的輸出均用指示燈來表示。調(diào)試時，首先按控制系統(tǒng)PLC接線圖完成硬件接線，并仔細檢查接線是否有誤，特別要注意接線時不能出現(xiàn)短路、斷路及反接等情況，否則會造成硬件損壞及人身意外。開始程序調(diào)試：首先將PLC控制程序?qū)懭氲絇LC機器中，再選擇監(jiān)控狀態(tài)，使PLC處于“RUN”狀態(tài)，然后逐一按投幣感應器（即硬幣識別機相對應的輸入開關），觀察有沒有進行累加幣值；或按選擇按鈕，觀察輸出指示燈是否按預計效果閃滅（即顯示飲料選擇提示、飲料送出、送出時間和退幣提示），并通過監(jiān)控狀態(tài)觀察程序的運行過程及輸入輸出信號、內(nèi)部描述實際出現(xiàn)的問題及解決方案。對報警部分進行調(diào)試，只需給相應的輸入端口信號，然后相應的指示燈變亮即可。要對照設計控制要求，逐一檢驗設計功能是否能有效的實現(xiàn)，并對程序進行改進和完善。調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)了很多在設計之初沒有考慮到的問題，經(jīng)過反復的調(diào)試和不斷的改進，問題逐個被解決?？偠灾瑢Τ绦虮仨氁磸驼{(diào)試，不斷改進，以獲得既完全實現(xiàn)功能，而又簡單、嚴謹性高的PLC控制程序。6結論經(jīng)過一個星期的