自動售貨機原理

1、共享知識分享快樂目 錄第 1 章緒論 .01.1自動售貨機的理論背景與實際意義 .01.2自動售貨機設(shè)計的主要內(nèi)容 .11.3自動售貨機設(shè)計的基本思路 .1第 2 章 PLC 的概述 .22.1 PLC 的定義 .22.2 PLC 的簡介 .22.3 PLC 的工作原理 .22.4 PLC 的循環(huán)掃描工作 .02.5 PLC 的硬件組成 .12.6 PLC 的編程語言 .22.7 PLC 的特點 .2第 3 章 自動售貨機的設(shè)計 .33.1自動售貨機設(shè)計軟元件 .33.1.1定時器 .33.1.2數(shù)學(xué)運算指令 .33.2自動售貨機的基本功能 .43.3自動售貨機 I/O 點的分配 .53.4順

2、序功能圖（ SFC） .63.4.1什么是順序功能圖 （SFC） .63.4.2所選擇的順序功能圖 （SFC） .63.5梯形圖（ LAD） .73.5.1什么是梯形圖 （ LAD ） .73.5.2自動售貨機設(shè)計的梯形圖 （LAD） .83.6自動售貨機的相關(guān)說明 .163.7自動售貨機的外部接線圖 .163.8自動售貨機仿真 .17卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂摘 要本設(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發(fā)展，以及它在國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，對自動售貨機的方案進行了論證，介紹了PLC 的

3、基本組成、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)計過程進行較為細致的論述。文中詳盡地介紹了自動售貨機的各硬件組成，并完成了 PLC 外部接線圖。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 來進行編寫。介紹了自動售貨機的基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行編程。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部分過程。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)鍵詞智能搶答器； PLC；順

4、序功能圖；梯形圖；I/O 點的分配卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂第1章緒論1.1 自動售貨機的理論背景與實際意義自動售貨機是一種全新的商業(yè)零售形式， 20 世紀(jì) 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。在中國 ,自動售貨機 1999 年開始進人中國市場如今，在機場、地鐵、商場、公園等客流較大的場所，已不難發(fā)現(xiàn)自動售貨機的身影。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(chǎn)業(yè)構(gòu)造向技術(shù)密集型社會轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。 大量生產(chǎn)、大量消費以及消

5、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(yīng)運而生了它的售貨領(lǐng)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)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(zhǔn)確獲取自

6、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。本系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)可以使自動售貨機的經(jīng)營者可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計的銷售狀況進行商品銷售狀況分析，預(yù)測商品的銷售走勢，確定合理的采購和配送策略，以期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(yīng)運營人員，從而可以在第一時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并解決問題。卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂1.2 自動售貨機設(shè)計的主要內(nèi)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內(nèi)（ 2 分鐘）不按任何按鍵， 自動售貨機將退還所投硬幣；3.當(dāng)投入硬幣的總值等于或才超過物品價值時，對應(yīng)的物

7、品指示燈亮綠燈；4.當(dāng)物品對應(yīng)的指示燈亮綠燈時，按下按下相應(yīng)的按鍵，相應(yīng)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(dāng)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；9.當(dāng)物品不足時，對應(yīng)的物品指示燈亮紅燈， 顧客按下相應(yīng)的按鍵無反應(yīng) （不出物品，不減余額），并向總部發(fā)送所缺物品。1.3 自動售貨機設(shè)計的基本思路本次設(shè)計的題目是自動售貨機，主要是應(yīng)用西門子S7-200 型 PLC

8、的梯形圖來設(shè)計控制程序，并簡單介紹相關(guān)的知識，如：PLC 的定義、 PLC 的編程語言、PLC 的硬件組成等。根據(jù)設(shè)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(guān)知識設(shè)計出它的外部接線圖，結(jié)合梯形圖和外部接線圖分析說明該設(shè)計的控制原理過程。本次設(shè)計的重要部分是第三章的設(shè)計部分，即自動售貨機梯形圖的設(shè)計。首先就得根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和控制要求準(zhǔn)確畫出它的順序功能圖，再根據(jù)所畫出的順序功能圖準(zhǔn)確設(shè)計出它的梯形圖，這樣才能真正理解本次智能搶答器的控制原理。卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂第 2章 PLC的概述2.1 PLC 的定義PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電

9、子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。2.2 PLC 的簡介PLC 是以 CPU 為核心，綜合了計算機技術(shù)和通信技術(shù)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，世界上生產(chǎn) PLC 的主要廠家有 65 個，其中最有名氣的廠家在日本、美國和德國。日本的幾個廠家為三菱、富士。日立、東芝、橫河、立石、

10、光洋、夏普等公司。美國的幾個廠家為德州食品公司、通用電器公司、歌德公司、數(shù)字設(shè)備公司等。還有德國的西門子，荷蘭的飛利浦，香港的鷹達等公司也是很有名氣的。日本三菱電機公司（ MITSUBISHI ）于 1971 年開始研制 PLC，目前主要有F1,F2,FX,K,A 等十幾個系列幾十種產(chǎn)品，在我國（主要是華東和華南地區(qū)）的工業(yè)控制領(lǐng)域具有一定的市場占有率。2.3 PLC 的工作原理PLC 的工作原理與計算機的工作原理基本是一致的，可以簡單地表述為在系統(tǒng)程序的管理下，通過運行應(yīng)用程序完成用戶任務(wù)。PLC 通電后，首先對硬件和軟件作一些初始化操作，初始化反復(fù)不停地分階段處理各種不同的任務(wù)（見圖 2-

11、1）。但是 PLC 也有它自己的特點， PLC 在確定了工作任務(wù)，裝入了專用程序后成為一種專用機，它采用循環(huán)掃描工作方式，系統(tǒng)工作任務(wù)管理及應(yīng)用程序執(zhí)行都是用循環(huán)掃描方式完成的。卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂讀取輸入讀取輸入執(zhí)行用戶程序處理通信要求處理通信要求自診斷檢查自診斷檢查改寫輸出改寫輸出RUN 狀體STOP 狀體圖 2-1 各階段處理任務(wù)2.4 PLC 的循環(huán)掃描工作對每個程序， CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃

12、描周期。 PLC的掃描全過程如圖 2-2 所示。（ 1） 輸入刷新階段在輸入刷新階段， CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。2） 程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐條執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。3） 輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路，并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂圖 2-2 PLC的掃描全過程2.5 PLC 的硬件組成PLC 的硬件主

13、要由中央處理器（CPU）、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；輸入單元 /輸出單元是 CPU 與現(xiàn)場輸入 /輸出設(shè)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(shè)備，其硬件構(gòu)成圖如圖 2-3。圖 2-3 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂2.6 PLC 的編程語言PLC 為用戶提供了完善的編程語言來滿足編制用戶程序要求。它提供的編程語言通常有以下5 種：梯形圖（ LAD ）、語句表（ STL ）、順序功能圖（ SFC）、功能塊圖（ FBD ）和結(jié)構(gòu)文本（ ST）。2.7 PLC 的特點（1）抗干擾能

14、力強，可靠性好I/O 系統(tǒng)設(shè)計有完善的通道保護與信號調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對耐熱、 防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。（2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。（3）編程方便，易于使用PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。（4）功能完善在 PLC內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時序、計算機、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。（5）設(shè)計、施工、調(diào)試、的周期短PLC采用模塊化積木式結(jié)構(gòu)，故僅需按性能、容量等選用組裝，因而縮短了設(shè)計周期，使設(shè)計和施工可同時進行。（6）體積小，維護操作方便PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。

15、（7）易于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化PLC可連成功能很強的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。（8）可實現(xiàn)三電一體化PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制） 和電結(jié)（運動控制）這三電集于一體。卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂第 3 章 自動售貨機的設(shè)計3.1 自動售貨機設(shè)計軟元件定時器定時器是 PLC 中重要的編程元件，是累計時間增量的內(nèi)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，但它沒有瞬動觸點，失電時，常閉觸點閉合，常開觸點打開；定時器得電時，常閉觸點打開，常開觸點閉合。定時器的當(dāng)前值、設(shè)定值均為 10 位有符號整數(shù)（ INT ），允許的最大值為 32767。定時器指令表見表 3-1。表 3-1 定時器指

16、令語句描述TONTxxx ，PT接通延時定時器TOFTxxx ，PT斷開延時定時器TONRTxxx ，PT保持型接通延時定時器BITIMOUT起動間隔定時器CITIMIN,OUT計算間隔定時器數(shù)學(xué)運算指令在梯形圖中，整數(shù)、雙整數(shù)與浮點數(shù)的加、減、乘、除指令（見表3-2）分別執(zhí)行下列運算： IN1+IN2=OUT ，IN1 IN2=OUT ，IN1*IN2=OUT ，IN1/IN2=OUT 。表 3-2 加減乘除指令梯形圖語句表描述梯形圖語句表描述ADD_I+I整數(shù)加DIV_DI/D雙整數(shù)除INT1,OUT法INT1,OUT法SUB_I-I整數(shù)減ADD_R+R實數(shù)加法INT1,OUT法INT1,

17、OUTMUL_I*I整數(shù)乘SUB_R-R實數(shù)減法INT1,OUT法INT1,OUT卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂DIV_I/I整數(shù)除MUL_R*R實數(shù)乘法INT1,OUT法INT1,OUTADD_DI+D雙整數(shù)DIV_R/R實數(shù)除法INT1,OUT加法INT1,OUTSUB_DI-D雙整數(shù)MULMUL整數(shù)乘法INT1,OUT減法INT1,OUT產(chǎn)生雙整數(shù)MUL_DI*D雙整數(shù)DIVDIV帶余數(shù)的INT1,OUT乘法INT1,OUT整數(shù)除法在語句表中，整數(shù)、雙整數(shù)與浮點數(shù)的加、減、乘、除指令分別執(zhí)行下列運算：IN1+ OUT =OUT ，OUT IN1=OUT ， IN1* OUT =O

18、UT ， OUT /IN2=OUT 。3.2 自動售貨機的基本功能自動售貨機的各種動作功能和控制要求，給出了完整的自動售貨機操作規(guī)程 （如圖 3-1），并介紹了自動售貨機運行系統(tǒng)中所包括的人工操作步驟。在實際生活中，我們見到的售貨機可以銷售一些簡單的日用品，如飲料、常用藥品和小的生活保健用品等。售貨機的基本功能就是對投入的貨幣進行運算，并根據(jù)貨幣數(shù)值判斷是否能夠購買某種商品，并作出相應(yīng)的反應(yīng)。例如：售貨機中有 2 種商品， A 商品價格為 0.5 元，B 商品為 1 元?，F(xiàn)投入 1 個 1 元硬幣，當(dāng)投入的貨幣超過A 商品的價格時， A商品的選擇按鈕處應(yīng)有變化，提示可以購買， B 商品也提示。

19、當(dāng)按下選擇A 商品的價格時，售貨機進行減法運算，從投入的貨幣總值中減去A 商品的價格同圖 3-1自動售貨機工作流程圖時啟動相應(yīng)的電機，提取A 號商品到出貨口。此時售貨機繼續(xù)進行等待外部命令，如繼續(xù)交易，則同上，如果此時不再購買而按下退幣按鈕，售貨機則要進行退幣操作，退回相應(yīng)的貨幣，并在程序中卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂清零，完成此次交易。由此看來，售貨機一次交易要涉及加法運算、減法運算以及在退幣時的除法運算，這是它的內(nèi)部功能。還要有貨幣識別系統(tǒng)和貨幣的傳動來實現(xiàn)完整的售貨、退幣功能。3.3 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

20、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 對被控制對象進行控制的依據(jù)； 同時 PLC 又通過輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對象，以實現(xiàn)控制目的。本次智能搶答器I/O 點的分配如表 3-3 所示。表 3-3自動售貨機 I/O 點的分配表序號定義點符號功能1I0.0SB1找零按鈕2I0.1SB2食品五角按鈕3I0.2SB3食品一元按鈕4I0.3SB4飲料一元按鈕5I0.4SB5飲料二元按鈕6I0.5SB6日用二元按鈕7I0.6SB7日用三元按鈕8I2.0SB8投五角硬幣9I2.1SB9投一元硬幣10I2.5SB10找零五角11I2.6SB11找

21、零一元12I3.1SB12食品五角行程開關(guān)13I3.2SB13食品一元行程開關(guān)14I3.3SB14飲料一元行程開關(guān)15I3.4SB15飲料二元行程開關(guān)16I3.5SB16日用二元行程開關(guān)17I3.6SB17日用三元行程開關(guān)18Q3.1食品五角紅燈 (物品售完 )19Q3.2食品一元紅燈 (物品售完 )20Q3.3飲料一元紅燈 (物品售完 )21Q3.4飲料二元紅燈 (物品售完 )22Q3.5日用二元紅燈 (物品售完 )23Q3.6日用三元紅燈 (物品售完 )24Q0.0找零25Q0.1出食品五角卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂26Q0.2出食品一元27Q0.3出飲料一元28Q0.4出飲料

22、二元29Q0.5出日用二元30Q0.6出日用三元31Q2.1食品五角綠燈（可以購買）32Q2.2食品一元綠燈（可以購買）33Q2.3飲料一元綠燈（可以購買）34Q2.4飲料二元綠燈（可以購買）35Q2.5日用二元綠燈（可以購買）36Q2.6日用三元綠燈（可以購買）3.4 順序功能圖（ SFC）什么是順序功能圖（ SFC）順序功能圖是一種位于其他編程語言之上的圖形語言，使用它可以對具有并發(fā)、選擇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進行編程。順序功能圖提供了一種組織程序的圖形方法，在順序功能圖中允許和別的語言編程的程序嵌套。順序功能圖由步、轉(zhuǎn)換和動作三種步 1轉(zhuǎn)換 1步 2動作 1轉(zhuǎn)換 2動作 2步 3主要元件組成，

23、如圖3-2 所示?？梢杂庙槇D 3-2 順序功能圖序功能圖來描述系統(tǒng)的功能，根據(jù)它可以很容易地設(shè)計出梯形圖程序。所選擇的順序功能圖（ SFC）由于順序功能圖（ SFC）有五種基本結(jié)構(gòu)：順序結(jié)構(gòu)、選擇性分支結(jié)構(gòu)、并發(fā)性分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)。本次自動售貨機的SFC 圖，根據(jù)控制要求選用選擇性分支結(jié)構(gòu)和并發(fā)性分之結(jié)構(gòu)。因為選擇性分支結(jié)構(gòu)是一個控制流可以轉(zhuǎn)入多個可能的控制流中的某一個且不允許多路分支同時執(zhí)行。具體進入哪個分支，取決于控制流前面的轉(zhuǎn)移條件哪一個為真。而并發(fā)性分之結(jié)構(gòu)是一個工作步執(zhí)行完后，需要同時開啟若干條分之，并采用雙水平線相連且要有一個公共轉(zhuǎn)移條件，這兩種順序功能圖結(jié)構(gòu)符合本次自

24、動售貨機的控制要求，所以選擇這卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂兩種結(jié)構(gòu)。本次自動售貨機的SFC 圖如下圖 3-3 所示： 圖 3-3 自動售貨機順序功能圖3.5梯形圖（ LAD）什么是梯形圖（ LAD ）梯形圖是用的最多的PLC 圖形編程語言。梯形圖語言是在傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器等圖形表達符號的基礎(chǔ)上演變而來的。它與電器控制線路圖相似，如圖3-4 所示。繼承了傳統(tǒng)電器控制邏輯中使用的框架結(jié)構(gòu)、邏輯運算方式和輸入輸出形式，具有形象、直觀、實用的特點。因此，這種編程語言為廣大電氣技術(shù)人員所熟知，是應(yīng)用最廣泛的PLC 的編程語言，是PLC 的第一編程語言。卑微如螻蟻、堅強似大象

25、共享知識分享快樂圖 3-4傳統(tǒng)繼電器控制線路圖和PLC 梯形圖a 傳統(tǒng)繼電器控制線路圖b PLC 梯形圖在梯形圖中，有兩根豎直的直線，被稱為母線，現(xiàn)在很多PLC 只保留了左邊的母線，而把右邊的母線略去不寫。在梯形圖中引入了“能流”的概念。左邊的母線就如電源的“正極”，而右邊的母線就如電源的“負極”。如果有“能流”從左至右流向線圈，則線圈被激勵。如果沒有能流，則線圈未被激勵，“能流”在任何時刻都不會通過接點自右向左流。自動售貨機設(shè)計的梯形圖（LAD）本此設(shè)計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。本次自動售貨機的梯形圖如下所示：卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂卑微如螻蟻、堅強似大象共享知識分享快樂卑微如螻蟻、