基于PLC的自動售貨機系統(tǒng)設計

哈爾濱理工大學課程設計機電技術綜合設計2017/2018學年第一學期班級：機械電子工程14-2班姓名：劉智博劉天華劉雙全劉國輝王欣唐利超學號：143012021814301202171430120216143012021414301202291430120225指導教師：宋鳴2018年1月11日哈爾濱理工大學機電技術綜合設計PAGE榮成學院機電技術綜合設計任務書題目名稱基于西門子PLC的自動售貨機系統(tǒng)設計專業(yè)名稱機械電子工程班級機電14-2班第4組學生姓名劉智博學號1430120218學生姓名劉天華學號1430120217學生姓名劉雙全學號1430120216學生姓名劉國輝學號1430120214學生姓名王欣學號1430120229學生姓名唐利超學號1430120225指導教師宋鳴專業(yè)機械電子工程職稱講師完成期限2018年1月1日至2018年1月11日一、主要內容1.自動售貨機的控制系統(tǒng)總體方案設計2.自動售貨機的控制系統(tǒng)主電路原理設計3.自動售貨機的控制系統(tǒng)控制原理設計4.主要元器件參數(shù)選型5.PLC系統(tǒng)I/O口分配及外部電路設計6.按控制要求繪制順序功能流程圖設計或程序流程圖7.在宇龍仿真軟件平臺上搭建電路，輸入程序并調試，直至按控制要求完成仿真實驗8.完成設計并撰寫不少于4000字的實訓總結報告；9.修改完善實訓總結報告，準備答辯。二、參考文獻1.陳宏鈞.可編程控制器課程設計指導書[M].天津：天津大學出版社.20012.鄧星鐘.機電傳動控制[M].武漢：華中科技大學出版社.20013.三菱電機株式會社.三菱PLC編程手冊[Z].日本：三菱電機株式會社.20034.姜培剛，蓋玉先.機電一體化系統(tǒng)設計[M].北京：機械工業(yè)出版社.2004.5.張海根.機電傳動控制[M].北京：高等教育出版社.2001指導老師意見：指導老師簽名：年月日PAGEI摘要“機電一體化綜合實訓”是機電專業(yè)的綜合性實習訓練，放在專業(yè)基礎課程學完之后，利用實訓兩周的時間設計自動售貨機的系統(tǒng)設計，通過運用宇龍機電一體化仿真軟件實現(xiàn)對自動售貨機的設計及仿真，達到可以正確選擇PLC型號的方法，熟悉PLC程序設計常用的方法，掌握自動售貨機的PLC控制系統(tǒng)設計的目的。設計過程中最大限度的滿足被控對象的控制要求；保證系統(tǒng)的高可靠，安全；滿足任務書要求的情況下力求是控制系統(tǒng)簡單，經(jīng)濟實用和維修方便。最終達到熟練掌握PLC設計過程的目的。.關鍵詞：自動售貨機PLC哈爾濱理工大學機電一體化綜合實訓報告目錄摘要 II目錄 I第1章緒論 11.1實訓主要內容 11.2實訓目的 11.3實訓任務 11.4實訓與其它實踐性教學環(huán)節(jié)的關系 1第2章控制系統(tǒng)設計 22.1自動售貨機的控制要求 22.2自動售貨機的工作方式 22.3PLC可編程控制器簡介 22.3.1PLC的基本概念 22.3.2PLC的基本結構 32.3.3PLC的工作原理 32.3.4PLC目前的主要品牌 42.4控制系統(tǒng)構成圖 4第3章硬件接線 53.1I/O接口的分配 53.2PLC的外部接線圖 53.3電路圖 63.4控制系統(tǒng)流程圖 63.5系統(tǒng)梯形圖 7第4章程序調試及運動仿真 124.1程序調試 124.2程序結果分析 164.2.1程序問題的解決 164.2.2設計結果分析 16總結 17致謝 18參考文獻 19-PAGE10-PAGE18緒論實訓主要內容1.講解機電控制仿真軟件使用及各項功能。2.掌握機電一體化裝置的基本概念，明確機電一體化裝置的構成，明確各部分的作用；3.掌握機電設備中常用的元氣件的結構、特點、應用和安裝方式；4.初步學會根據(jù)設備要求選擇元器件；5.掌握典型機電設備的操作、安裝與調試基本知識和基本技能；6.能夠根據(jù)提供的控制回路、接線圖、裝配圖等，在機電控制仿真軟件上完成典型裝置安裝與調試；7.掌握PLC的程序編制方法（如歐姆龍、西門子、AB等廠家），在機電控制仿真軟件上完成典型機電一體化裝置的PLC控制程序編寫；實訓目的機電一體化綜合訓練是一個階段性的綜合訓練環(huán)節(jié)，大學四年級上學期開設。通過綜合訓練，首先讓學生了解一般機電控制系統(tǒng)的組成和控制方法，建立機電一體化系統(tǒng)控制的概念；其次通過學生綜合運用所學機電專業(yè)相關理論知識，根據(jù)機電一體化系統(tǒng)上的機械結構及控制部分的工作原理，自己動手設計各個機械部件的動作控制流程，最后在典型機電一體化系統(tǒng)仿真試驗臺上進行仿真實驗，鍛煉學生的理論聯(lián)系實際能力及綜合應用知識的能力。實訓任務根據(jù)實際要求，完成自動售貨機的系統(tǒng)設計及仿真1、按下投幣口按鈕5角、1元、5元，數(shù)碼顯示投幣金額為0.5、1.0、5.0。2、顯示金額減去所買貨物金額后，數(shù)碼顯示余額，可以一次多買，直到金額不足，燈L1亮提示余額不足。3、過4秒后，如果沒有再次操作，則取物口燈亮，有余額則退幣口燈亮。4、如不買貨物，按退幣鈕則退出全部金額、數(shù)碼顯示為零，退幣口燈亮。實訓與其它實踐性教學環(huán)節(jié)的關系通過機電一體化綜合實訓的環(huán)節(jié)，讓學生液壓技術、控制電機及電氣控制技術、自動檢測技術、PLC及其自動控制技術等理論專業(yè)知識。提高學生對機電一體化控制系統(tǒng)產(chǎn)品設計流程的意識?？刂葡到y(tǒng)設計自動售貨機的控制要求七段數(shù)碼管：下面的接線端是A、B、C、D、E、F、G、DP接線端的公共端，可用來顯示余額。選擇按鈕：相當于按鈕開關，用來選則要買的物品。投幣按鈕：將投幣按扭通電，點擊“5角”相當于投幣5角，依次類推。用PLC控制自動售貨機，控制要求是：1、按下投幣口按鈕5角、1元、5元，數(shù)碼顯示投幣金額為0.5、1.0、5.0。2、顯示金額減去所買貨物金額后，數(shù)碼顯示余額，可以一次多買，直到金額不足，燈L1亮提示余額不足。3、過4秒后，如果沒有再次操作，則取物口燈亮，有余額則退幣口燈亮。4、如不買貨物，按退幣鈕則退出全部金額、數(shù)碼顯示為零，退幣口燈亮。自動售貨機的工作方式隨著科技的發(fā)展和社會的進步,自動化商業(yè)機械有了越來越廣泛的應用,自動售貨機作為自動化商業(yè)機械的代表被廣泛用于公共場所。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業(yè)態(tài)。自動售貨,給人們的生活帶來了極大的方便。自動售貨機的新奇、文明、高檔、靈活方便等深受廣大市民青睞。售貨機的最基本功能就是對投入的貨幣進行運算，并根據(jù)貨幣數(shù)值判斷是否能購買某種商品，并做出相應的反映。因此，售貨機應能夠辨識機內包含的商品:售貨機應該能夠顯示已投入的幣值，以及再投入貨幣累計顯示;同時提示可以購買的商品(或商品的編號)。當按下選擇商品的按鈕時，售貨機進行減法運算，從投入的貨幣總值中減去該商品的價格，同時起動相應的電機，提取該商品到出貨口，此時售貨機繼續(xù)等待外部命令，如繼續(xù)交易，則同上，如果此時不再購買，則按下退幣按鈕，售貨機進行退幣操作，退回相應的貨幣,并在程序中清零，完成此次交易。PLC可編程控制器簡介PLC的基本概念可編程控制器(ProgrammableController)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(PersonalComputer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。PLC的基本結構PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，如圖所示：中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。電源PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去PLC的工作原理當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。輸出刷新階段當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。PLC目前的主要品牌松下，西門子，三菱，歐姆龍，臺達，富士，施耐德，AB等?？刂葡到y(tǒng)構成圖自動售貨機控制系統(tǒng)構成圖如圖2-1所示：圖2-1自動售貨機控制系統(tǒng)構成圖硬件接線I/O接口的分配系統(tǒng)I/O口分配如表3-1所示。表3-1I/O接口分配表按鈕輸出I輸出II輸出III退幣I0.0數(shù)碼管1-AQ0.0數(shù)碼管2-AQ1.0投幣口燈Q2.0投五角I0.1數(shù)碼管1-BQ0.1數(shù)碼管2-BQ1.1投一塊I0.2數(shù)碼管1-CQ0.2數(shù)碼管2-CQ1.2退幣口燈Q2.1投五元I0.3數(shù)碼管1-DQ0.3數(shù)碼管2-DQ1.3可樂I0.4數(shù)碼管1-EQ0.4數(shù)碼管2-EQ1.4酷兒I0.5數(shù)碼管1-FQ0.5數(shù)碼管2-FQ1.5取物口燈Q2.2雪碧I0.6數(shù)碼管1-GQ0.6數(shù)碼管2-GQ1.6橙汁I0.7數(shù)碼管1-DPQ0.7數(shù)碼管2-DPQ1.7PLC的外部接線圖外部接線圖如圖3-1所示：圖3-1外部接線圖電路圖系統(tǒng)電路圖如圖3-2所示：圖3-2系統(tǒng)電路圖控制系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)流程圖如圖3-3所示：圖3-3系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)梯形圖

程序調試及運動仿真程序調試1、打開宇龍機電控制仿真軟件，調入西門子PLCS7-226，調入自動售貨機模型，根據(jù)電路圖完成接線。2、右鍵PLC，編輯程序，鍵入所需程序。經(jīng)編譯檢查無誤后，把編寫好的程序導入到西門子PLC中進行調試；3、程序調試：（1）初始狀態(tài)自動售貨機在初始時金額存儲器中存儲為0，數(shù)碼管時鐘現(xiàn)實金額儲存器中的實數(shù)，所以在剛啟動自動售貨機時，數(shù)碼管顯示0.0，轉換為線圈時為Q0.0至Q0.5，Q0.7，Q1.0至Q1.5為置位狀態(tài)，其他數(shù)碼管為復位狀態(tài)，梯形圖如圖4-1所示。4-1初始數(shù)碼管顯示投幣按鍵整個系統(tǒng)中，剩余金額數(shù)存儲在VD0存儲器中，所以在整個過程中投幣按鈕分別觸發(fā)加法運算指令，將指定的數(shù)字送入VD0中，I0.1，I0.2，I0.3分別為投入0.5元，1元，5元，當I0.1，I0.2，I0.3閉合時出發(fā)實數(shù)加法運算指令，完成累加運算，在整個操作過程中可以隨時投幣。梯形圖如圖4-2所示。4-2加法運算指令梯形圖購買按鍵同投幣按鍵相似，購買按鍵相似，I0.4，I0.5，I0.6，I0.7觸發(fā)減法運算指令，分別為減去1.5元，2.5元，3元，5元，采用減法運算指令，在VD0中減去相應的商品價格，同時置位M1.5，復位M0.0。梯形圖如圖4-3所示。4-3減法運算指令梯形圖判斷投幣金額是否大于商品單價及退幣當小于商品單價時投幣燈L1亮，四秒內可進行投幣，若四秒內無任何操作，退幣燈亮，完成退幣。當余額大于商品單價時可多次購買或退幣，將M1.5復位，M1.2置位，四秒內無任何操作則取物口燈亮，如有余額，則退幣燈亮，完成退貨退幣指令。梯形圖如圖4-4所示。4-4退幣系統(tǒng)程序結果分析程序問題的解決整個仿真過程中問題主要出現(xiàn)在如下兩個位置：1.通過軟件的調試發(fā)現(xiàn)了梯形圖中設計時的一些錯誤，比如7段數(shù)碼管的清零問題，開始設計時用的是RESET指令，后來通過調試得知此指令只能置位位，考慮到實質是把通道清零，用MOVE指令即可。2.在整個實訓過程中對其他一些平時實驗用不到的指令及程序設計，經(jīng)過梯形圖的設計及調試加深了理解，比如七段譯碼指令的使用。設計結果分析實驗證明：該系統(tǒng)程序設計較全面地演示自動售貨機的使用功能；通過修改PLC控制程序，可在自動售貨機上實現(xiàn)多種控制方式、銷售方式、銷售種類。自動售貨機可以根據(jù)投入的錢幣自動付貨。它根據(jù)投入錢幣的多少，購買相應的商品，購買的飲料就可以從出口處提出，出貨口燈提示用戶將物品拿走，不買東西了就按下退幣按鈕，將多余的錢幣取回。數(shù)碼管顯示為零，回到初始狀態(tài)?？偨Y經(jīng)過兩周的奮戰(zhàn)，我們的課程設計終于完成了。在沒有做課程設計以前覺得課程設計只是對這幾年來所學知識的單純總結，但是通過這次設計過程，我發(fā)現(xiàn)學習過程中不容得半點馬虎和隨意。首先，程序設計過程中，要按主電路、控制電路、輔助電路、聯(lián)鎖與保護、總體檢查反復修改與完善的先后順序進行。PLC控制程序既要滿足生產(chǎn)機械和工藝的各種控制，又要滿足電氣控制裝置本身的制造、使用和維修的需要。原理設計決定著生產(chǎn)機械設備的合理性與先進性，考慮其是否具有生產(chǎn)可行性、經(jīng)濟性、美觀、使用維修方便等特點PLC控制系統(tǒng)設計