基于PLC控制的自动售货机系统设计

机电一体化专业设计交流

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一、摘要

  自动售货机二十四小时不间断的服务，节约了大量的人力物力，而且占地面积小，投入较低。自动售货机的库 存情况能够远程监测，并及时精确地收集信息，可以确保货源的充裕。本文设计一款基于PLC(可编程逻辑控制器)的自动售货机控制系统，在硬件设计部分中，对系统应用的关键设 备进行参数计算和选型，同时，利用CAD软件设计PLC接线图。在软件设计部分，对系统的控制流程进行设计，确保 合理性和可操作性。并使用编程软件绘制由PLC运行的梯状图形。在此基础上，再利用软件的模拟功能实现系统的调 试和模拟，进而判断编程的合理性，验证系统的运行状况。
  关键词：PLC；自动售货机；控制系统

二、绪论

1.1 论文研究的目的和意义

   随着无人商店的诞生，自动售货机将会是一个应运而生的新时期的必然产品。自动售货机二十四小时不间断的 服务，节省了大批的人力物力，且占用建筑面积小，投资较低。而自动贩售机器的仓库也可远程监视，及时精确地 收集商品资讯，更可确保货源的充裕。自动售货机是一款智能化业务装置，能够为城市居民实现全天候不中断的产 品零售业务。销售商品类型也由原来单纯的饮品、香烟等到了现在琳琅满目的日用物资，也因而受到了城市居民们的青睐。而由于自动贩售机器功能的越来越丰富，它对核心系统的计算速度、安全性要求也更高。比较于传统的自 动售货机使用单片机为核心控制器，PLC为通用工业控制系统的设备拥有性能高、安全性强、维修简便等优点，也比 较适宜于在公共场合的复杂环境下应用。

1.2 本文的设计目标

   本文将设计一种采用PLC的自动售货机系统，具有以下功能：
(1)用于出售零食1至零食5共五种商品，零食1售价3元1份，零食2售价6元1份，零食3售价9元1份，零食4售价 12元1份，零食5售价15元1份。
(2)顾客可以投放1元、5元和10元三种货币。
(3)当投资的人民币钱数超过或低于三元时，零食1指示灯亮；当所投入的货币钱数大于或等于六元时，零食1 指示灯和零食2指示灯均亮；当投放的货币钱数大于或等于九元时，零食1指示灯、零食2指示灯、零食3指示灯响 亮；当投放的货币钱数大于或等于十五元时， 五个指示灯都亮。
(4)当商品灯亮后，按下对应的按钮，售出对应商品，并找出多余的零钱。

1.3 技术路线

   本设计的技术路线如下图所示。
   首先查阅相关文献资料，确定自动售货机的主要功能；其次，运用整体性的设计思想，对系统总体方案进行设 计，在此部分中，对PLC的型号进行选型，确定编程软件。
在硬件设计部分中，对系统应用的关键设备进行参数计算和选型，同时，利用CAD软件设计PLC接线图。
   在软件设计部分中，对系统的控制流程进行设计，确保合理性和可操作性。进行了程式编制,并使用编程软件绘 制由PLC运行的梯状图形。在此基础上，再利用软件的模拟功能实现调试和模拟，以实现对编程的合理、正确运行。 最后，对设计步骤进行归纳，对成果进行梳理，撰写毕业论文。

二、系统整体方案设计

2.1 系统结构设计

   本文设计的系统整体结构示意图如下图2.1所示。

图2.1 自动售货机系统整体结构示意图
   商品展示窗口用于展示可出售的商品，在本设计中包括零食1至零食5共五种商品。通过玻璃展柜向顾客展示。
   投钱口用于接收顾客投放的钱币，可识别和收纳包括纸币、硬币、美元、瑞士、法郎等多种钱币，并由特殊的 传感器进行识别和换算。找零口基于等价交换原则，用于对顾客进行找零。
   当投币数量不低于商品价格时，对应的商品指示灯亮起。顾客按下对应的商品按钮，即可从取货口取出对应的 商品。

2.2 控制器选型

   当某一项控制任务决定由PLC来实现后，选用PLC就变成了最关键的事项。一方面要选择大容量的PLC，另外还要 考虑型号和外设。
   对于第一个问题，首先要对控制系统任务做出细致的分类，明确全部的I/O点，包含开关量I/O和模拟量I/O，以 及输出方式是选用继电器开关或晶体管或控制硅型。关于监控输入输出点的种类也十分重要，假设他们之间既有交 流220V的接触器和电磁阀，也有240V的指明灯，那么最后选择的PLC的输入输出点数就有可能超过了实际点数。但是 由于PLC的输入与出口端点通常是几组共用一台公共端，这一组输入输出只能有一种供电的种类或者级别。所以，一 旦它们都是交流220V的负载。则直流24V的负载就可以用到其他的输入与出口端点了。但是这有可能导致输入与出口 点数浪费，从而提高生产成本。所以要尽量选用相同级别和种类的负载，例如采用交流220V的指示灯等。在通常状 况下继电器开关输入输出的PLC应用最多，而针对需要高速输入输出的情形，就必须采用无触点的晶体管输入输出的 PLC了。
对于第二个问题，主要从以下几个方面考虑：
   (1)规模要适合
   投入、产出点数和软件对PLC控制功能和命令的需求，是选定PLC型号规模尺寸大小的关键。首先要保证有适当 的投入、产出点数，要预留一分的余地(要有百分之十的后备量)。若仅仅希望完成单机自动化，或机电一体化的生 产，则可以选用较小型PLC。若控制器很大，进入、出口个数也较多，且被控装置也比较离散，可采用中型或更大规 模PLC。还应明确程序存储器的容积大小。一般较粗略的估算方式为：(入口+出口)×(10~12)=指令的行走步数。尤 其要注意，因控制器比较复杂，且数据容积也很大，可能会出现存贮数不足的问题。
   (2)功能要相当，结构要合理
   对于以开关量进行监控的系统，普通的低档机器也可满足此要求。对于以开关数量限制居多，并带有一些模拟量控制器的系统，则应选用带有A/D、D/A切换、加减计算、数据传 递等功能的低档机。
   对控制单元设计要求比较复杂，或控制单元特性需求较大的控制单元，如需要进行PID计算、闭环控制、通信联 网等，可以视限制总体规模大小和复杂性的程度，选择中级或高级机。其中，高档机主要应用于人规模过程管理、 全PLC的分布式管理和整个工厂的智能化管理等。
   对于生产工艺相对稳定、环境要求较好(维修虽较小)的场合，采用组合式构造PLC，其余情形下可采用模块式构造PLC。
   (3)使用环境条件
   在选用PLC时，还要考虑应用现场的环境要求能否满足规定。一般考虑的环境要求有：环境温度、相对湿度、电 源允许波动范围和抗干扰等环境指标。
   三菱集团的FX系统产品样本中，包含FX1S、FX1N、FX2N和FX2NC四个型号， 能适应各种用户的需求。而随着新市 场的需要和科技的进展，日本三菱公司也已开发功能更强、可扩展性更丰富的FX3U和FX3UC两个型号产品。
   FX产品是目前国内外应用的最多的PLC系列产品之一，尤其是FX2N系列PLC产品，具有功能强大、使用范围广 泛、性能价格比高等特点，且具有强大的网络通信功能，最大可扩充至256个I/O点，能适应大多数用户的需求。

表2.1 PLC一般技术指标列表


表2.2输出技术指标
综述所述，本文选用FX2N系列PLC控制器。

2.3软件工具

   GX Works 2是一个功能齐全、数据类型丰富的PLC程序设计软件,GX Works 2软件专门使用于生产机械上的控制器代码程序,使用GX Works 2最新版可以使生产机器上具备进行逻辑计算,序列管理、定时器等面对使用者的命令,同 时也能够使用数值或模拟式进入/出口管理不同的机器及制造流程。软件初始界面如下图。

图2.2 软件界面
   该软件具有如下特点：
(1) GX Works 2官方版三菱电机新型PLC软件系统，包含简化工程项目(Simple Project)和构造化工程项目 (Structured Project)两个程序设计方法。
(2) 支持梯形图、指令表、SFC、ST及结构化梯形图等计算机编程语言。
(3) 可以进行程序编辑，系统参数设置，网络设置，程序监测、调试和在线更新，以及智能功能模块设置等功 能。
(4) 适合于生产Q、QnU、L、FX等一系列的可编程逻辑逻辑控制器。
(5) 兼容GX Developer软件。
(6) 提供技术支持三菱电机工控生产的iQ Platform及综合应用信息管理软件系统iQ Works。
(7) 三菱PLC GX Works2具备系统标签控制功能，可完成PLC数据信息和HMI、运动控制器的资源共享。

三、硬件设计

   在本部分中，对系统应用的关键设备进行参数计算和选型，同时分配I/O地址，利用CAD软件设计并绘制PLC接线图。 3.1 I/O地址分配
本文设计的PLC的I/O分配如下表3.1所示。
表3.1 I/O分配表

3.2 PLC接线图

   AutoCAD(Autodesk Computer Aided Design)是Autodesk(欧特克)有限公司最早在一九八二年研制的自动计算机 辅助设计软件，主要进行二维制图、细节制图、设计文件化以及基本的三维产品设计工作，现已然变成了全球市场 上最普遍流行的画图工具。由于AutoCAD具有完善的电脑用户，透过交互式菜单设计或指令行方法便能够迅速完成所 有作业。 它的多文件设计工作学习环境，使非计算机技术专业人员也能够更迅速地学习应用。在进一步实施的工作 学习过程中，更进一步地了解它的各项实际应用情况以及开发技能，以便于进一步提升产品设计效率。AutoCAD具有 广泛的使用环境适应性能力,并能够在所有操作系统都支持的微型计算机系统和工作站上执行。
本文利用AutoCAD软件设计的PLC接线图如下所示。

图3.1 PLC接线图
   如图3.1所示，考虑到实际的I/O资源占用情况和实际成本，本设计选择PLC的具体型号为FX2N-32MR，该CPU有16 个输入口，16个继电器输出口，可满足本设计的需求，同时有适量的扩展口留作备用。

四 软件设计

4.1 软件流程设计

本文设计的系统运行流程如下。

图4.1 系统运行流程图
如图4.1所示，系统运行开始后，进行投钱金额的检测。当大于等于3元时，零食1指示灯亮，顾客可以购买零食 1；当大于等于6元时，零食1和零食2指示灯都亮，顾客可以选择购买零食1或者购买零食2；当大于等于九元时，零 食1、零食2或者零食3的指示灯均亮，消费者即可自由选择购买零食1、零食2或者零食3当价格大于等于十五元时， 零食1至零食5指示灯都亮，顾客可以选择购买任意一种零食。
当购买后，出货口动作，将产品送出，并且延时7s关闭，给顾客充足的取货时间。顾客取货后，系统计算余额并进 行找零。找零后，当前购买行为结束，进入下一次等待。

4.2 钱币累加程序模块

为了对钱币投放数目进行累加，采用ADDP指令。ADDP就是一个脉冲加一次。而ADD是每扫描一个周期就执行一次 加法。
图4.2 钱币累加程序梯形图
在本程序模块中，X000导通一次，则触发ADDP指令，D0寄存器中的数值加1；X001导通一次，则触发ADDP指令， D0寄存器中的数值加5；X002导通一次，则触发ADDP指令，D0寄存器中的数值加10。

4.3 钱币比较与商品指示灯模块

图4.3 钱币比较与商品指示灯程序梯形图
为了对投放钱币是否大于等于商品售价进行比较判别， 采用CMP指令。
CMP指令的功能是将一个源操作数[S1 ·]的数值与另一个源操作数[S2 ·]的数据进行比较，结果送到目标操作元 件[D ·]中。
当D0中的数值小于2时，M0导通；当D0中的数值等于2时，M1导通；当D0中的数值大于2时，M2导通。
当D0中的数值小于5时，M3导通；当D0中的数值等于5时，M4导通；当D0中的数值大于5时，M5导通。 当D0中的数值小于8时，M6导通；当D0中的数值等于8时，M7导通；当D0中的数值大于8时，M8导通。
当D0中的数值小于11时，M9导通；当D0中的数值等于11时，M10导通；当D0中的数值大于11时，M11导通。 当D0中的数值小于14时，M12导通；当D0中的数值等于14时，M13导通；当D0中的数值大于14时，M14导通。
因此，当M2、M5、M8、M11、M14导通时，Y005导通，零食1指示灯亮；当M5、M8、M11、M14导通时，Y005、Y006 导通，零食1、零食2指示灯亮；当M8、M11、M14导通时，Y005、Y006、Y007导通，零食1、零食2、零食3指示灯亮； 当M11、M14导通时，Y005、Y006、Y007、Y010导通，零食1、零食2、零食3、零食4指示灯亮；当M14导通时，Y005、 Y006、Y007、Y010、Y011导通，零食1、零食2、零食3、零食4、零食5指示灯都亮。

4.4 出货模块

图4.4 出货程序梯形图
   当用户选择商品后，对应的线圈导通，并且延时7秒后关闭。分别使用T0~T4进行定时。定时器线圈参数设定为 70，表示70*100ms。同时，利用定时器的常闭触点进行出货线圈的关断。

4.5 找零及计算模块

图4.5 找零及计算程序梯形图

总结

   本文设计一款基于PLC的自动售货机控制系统。分别从硬件与软件两个部分进行说明。在硬件设计部分中，对系 统应用的关键设备进行参数计算和选型，利用AutoCAD软件设计出对应的PLC接线图。在软件设计部分，根据操作规 则对系统的控制流程进行设计。并使用编程软件绘制程序梯形图。在此基础上，再利用软件的模拟功能实现系统的 调试和模拟，确认了编程的合理性，验证了系统的运行状况。

目 录

目录
1前言 1
1.1 论文研究的目的和意义 1
1.2 本文的设计目标 1
1.3 技术路线 1
2 系统整体方案设计 2
2.1 系统结构设计 2
2.2 控制器选型 3
(1)规模要适合 3
(2)功能要相当，结构要合理 3
(3)使用环境条件 4
2.3软件工具 5
(5) 兼容GX Developer软件。 6
3 硬件设计 6
3.2 PLC接线图 7
4 软件设计 8
4.1 软件流程设计 8
4.2 钱币累加程序模块 9
4.3 钱币比较与商品指示灯模块 9
4.4 出货模块 10
4.5 找零及计算模块 11
4.6售出成功后复位模块 12
5调试与仿真 12
5.1 钱数为13 12
5.2钱数为18 13
6总结 14
参考文献 15
致 谢 16