电气控制与PLC自动售货机的控制设计样本.doc

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电气控制技术
课程设计

题 目: 自动售货机的控制设计
院系名称: 电气工程学院
专业班级: 电气F1201
学生姓名: 邹海宏
学 号: 23910311
指导教师: 王艳芳

成绩:

指导老师签名:

日期:

电气控制与PLC课程设计任务书
学生姓名
邹海宏
专业班级
电气F1201
学号

题 目
自动售货机的控制设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟课题
指导教师
王艳芳
主要内容
运用所学的理论知识, 进行自动售货机运行原理设计、 硬件、 软件系统设计主要内容包括:
1. 设计出硬件系统的接线图、 梯形图等;
2. 系统有启动、 停止功能;
3. 运用功能指令进行PLC控制程序设计;
4. 进行系统调试, 实现自动售货机的控制要求。
任务要求
第1天: 熟悉课程设计任务及要求, 针对课题查阅技术资料。
第2天: 确立方案, 初步选定各部分框图。
第3-4天: 电路控制原理设计, 软件编程, 进行系统联调。
第5天: 撰写课程设计报告。
主要参
考资料
[1]程宪平主编.机电传动与控制[M].武汉: 华中科技大学出版社, .
[2]邓星钟.机电传动控制[M]. 武汉: 华中科技大学出版社.
[3]王永华编.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京: 北京航空航天出版社,
[4]殷洪义主编.可编程控制器选择设计与维护[M].北京: 机械工业出版社,
[5]程子华, PLC原理与实例分析[M].北京:国防工业出版社,
[6]高钦和, 可编程控制器应用技术及其设计实例[M].北京:高等教育出版社,
审查意见

系( 教研室) 主任签字: 年 月 日

目 录

1 系统概述 ........................................................1
2 方案论证 ........................................................2
2.1 PLC系统控制介绍 ................................................2
2.2 总体设计思路 ...................................................3
3 硬件设计 ........................................................4
3.1 系统的原理方框图 ...............................................4
3.2 主电路 .........................................................5
3.3 I/O分配 ........................................................6
3.4 I/O接线图 ......................................................6
3.5 元器件选型 .....................................................7
3.5.1 PLC的选型 ....................................................8
3.5.2 CD4511 七段数码管译码器 ......................................9
4 软件设计 .......................................................10
4.1 主流程 ........................................................10
4.2 梯形图 ........................................................11
5 系统调试 .......................................................15
设计心得 ..........................................................16
参考文献 ..........................................................18

1 系统概述
自动售货机是能根据投入的钱币自动付货的机器。自动售货机是商业自动化的常见设备, 它不受时间、 地点的限制, 能节省人力、 方便交易。是一种全新的商业零售形式, 又被称为24小时营业的微型超市。能分为三种: 饮料自动售货机、 食品自动售货机、 综合自动售货机。自动售货机最基本的功能是对投入的货币进行运算, 并根据所投入的货币数值判断是否能够购买某种商品, 并做出相应的反映。本次设计的自动售货机设有6个按钮, 分别能够实现启动、 停止、 选择三种饮料和退币六种操作, 而且有3个投币孔, 投入的钱的总额和剩余的钱的总额能够经过外接的两片LED数码管显示, 同时能够根据消费者投入的总额限制可购买的商品, 能够退回多余的钱币。本次设计能很好的完成对自动售货机的控制, 使用起来快速方便, 能够满足使用者的需求。
可编程控制器( PLC) 是一种专门用于工业环境的、 以开关量逻辑控制为主的自动控制装置 ; 它具有存储控制程序的存储器, 能够按照控制程序, 将输入的开关量( 或模拟量) 进行逻辑运算、 定时、 计数和算术运算等处理后, 以开关量( 或模拟量) 的形式输出, 控制各种类型的机械或生产过程。
PLC的发展与计算机技术、 半导体技术、 控制技术、 数字技术、 通信网络技术等高新技术的发展息息相关, 这些高新技术的发展推动了PLC的发展, 而PLC得发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求, 促进了她们的发展。本次设计就在于结合PLC的种种优点联系实际情况来弥补原有系统的不足, 利用PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性, 保证了自动售货机能够长期稳定的运行。
PLC控制的自动售货机系统主要有三个能够感受到投币量的传感器、 六个按钮开关( 分别为启动按钮、 停止按钮、 退币按钮、 汽水选择按钮、 花茶选择按钮和咖啡选择按钮) 、 三个指示灯( 分别为汽水指示灯、 花茶指示灯和咖啡指示灯) 、 和两个七段数码管。传感器用来接收投币信号, 传送投币量的多少; 按钮开关分别对系统功能进行控制, 当投入的钱币够某一种饮料时, 按下这种饮料的选择按钮时才会有饮料送出, 有剩余钱币时, 还能够经过按下退币按钮来找回剩余钱币; 三个指示灯分别用来只是哪种饮料能够选择, 只有投币量大于或等于这种饮料的价格时, 这种饮料的指示灯才会亮; 同时, 还有两个七段数码管, 用于显示当前剩余的总钱币。具体对自动售货机的控制要求如下:
1．自动售货机有3个投币孔, 分别为1元、 5元和10元。
2．售货共有3种饮料供选择, 分别为汽水、 花茶和咖啡。
3．如投币总额超过销售价格, 将可由退币钮找回余额。
4．投币总额或当前值显示在7段数码管上。
5．投币值等于或大于12元时, 汽水指示灯亮, 表示只可选择汽水。
6．投币值等于或大于15元时, 汽水和花茶指示灯亮, 表示只可选择汽水和花茶。
7．投币值等于或大于20元时, 汽水、 花茶和咖啡指示灯亮, 表示3种均可选择。
8．按下要饮用的饮料按钮, 则相对应的指示灯开始闪烁, 3s后自动停止, 表示饮料已经掉出。
9．动作停止后按退币钮, 能够退回余额, 退回金额如果大于10元, 则先退10元再退1元, 如果小于10元则直接退1元的。
2 方案论证
2.1 PLC控制系统介绍
PLC是一种专门用于工业环境的、 以开关量逻辑控制为主, 具有存储控制程序的存储器, 能够按照控制程序, 将输入的开关量( 或模拟量) 进行逻辑运算、 定时、 计数和算术运算等处理后, 以开关量( 或模拟量) 的形式输出, 控制各种类型的机械或生产过程的自动控制装置。具有以下特点:
1) 可靠性高, 抗干扰能力强; 无触点免配线, 采取了滤波、 屏蔽、 隔离等抗干扰措施, 适应于各种恶劣的工业环境 。
2) 编程简单, 容易掌握; 采用梯形图方式编写程序, 与继电器控制逻辑的设计相似 。
3) 功能完善, 灵活方便; 不但有开关量逻辑控制功能和步进、 计数功能, 还具有模拟量处理、 温度、 位置、 通信等功能。
4) 体积小, 质量小, 能耗低; 采用大规模集成电路芯片构成。

图2.1 PLC控制系统设计步骤流程图
2.2 总体设计思路
自动售货机是能够完成无人自动售货的商业自动化设备。她不受任何场地限制, 方便快捷, 在中国也越来越普及, 传统的自动售货采用单片机作为控制核心, 但这样在输入输出接口上消耗很大。PLC不但能够实现类似控制功能, 还具有高可靠性, 编程简单, 功能强, 能耗低, 调试方便等优点。自动售货机的基本功能就是对投入的钱币数进行计算, 然后根据运算结果做出相应的判断, 看看哪种商品能够进行购买, 哪种商品不能购买, 本次课程设计的要求是可识别三种钱币, 分别是1元、 5元、 10元, 采用三个按钮进行模拟, 自动售货机共出售三种货物, 其价格分别定为12元、 15元、 20元, 当投币数大于等于货物价格时且售货机里有这种货物时, 指示灯亮, 表示能够进行购买, 三种货物分别用三个小灯泡代替进行模拟。除此之外, 本次设计还涉及了了显示、 找零、 出货等功能的实现, 其中显示部分采用数码管进行显示, 显示投币总数和购买后的余额; 当按下找零按钮后, 数码管显示进行清零退币, 且退币指示灯闪烁。由于售货机的全部功能是在下位机上模拟的, 而监控是用上位机组态王进行实时监控。因此售货机的部分硬件是由计算机软件来模拟替代的, 这些并不会影响实际程序的操作, 完全能模拟现实售货机的运行。

图2.1 自动售货机的顺序功能图
3 硬件设计
3.1 系统原理方框图
自动售货机是售汽水、 花茶和咖啡这三种饮料, 它的售货过程是: 首先由顾客按下商品选择开关, 然后顾客投入的硬币( 投入硬币的面值和剩余值由PLC驱动数码管显示) 经过光传感器感应, 再由光传感器驱动硬币识别传感器识别硬币。然后由顾客选择, 同时PLC控制, 使PLC的输出口上有相应的信号输出。最后输出饮料。
自动售货机控制系统硬件组成原理方框图如图所示:

图3.1 自动售货机控制系统硬件组成原理方框图
3.2 主电路

图3.2 自动售货机的主电路

3.3 I/O分配
输入输出单元一般也叫I/O单元, 是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC经过输入接口能够检测被控对象的各种数据, 以这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据; 同时PLC又经过输出接口将处理的结果送给被控对象, 以实现控制目的。此次设计的PLC控制的自动售货机控制系统的I/O分配表如下:

表3.3 自动售货机 I/O分配表
输入
输出
输入点
功能
输出点
功能
X0
1元投币孔ST1
Y0
够买汽水指示灯
X1
5元投币孔ST2
Y1
够买花茶指示灯
X2
10元投币孔ST3
Y2
够买咖啡指示灯
X3
选择汽水SB1
Y3~Y9
数码管显示
X4
选择花茶SB2
Y10
送出汽水
X5
选择咖啡SB3
Y11
送出花茶
X6
退币
Y12
送出咖啡
X7
启动
Y13
退出10元
X8
停止
Y14
退出1元

3.4 I/O接线图
根据要求, 将输出均用指示灯代替, 由此绘出PLC控制电路接线图, 如图所示。

图3.4 自动售货机I/O接线图

3.5 元器件选型
自动售货机的基本功能就是对投入的钱币数进行计算, 然后根据运算结果做出相应的判断, 看看哪种商品能够进行购买, 哪种商品不能购买, 本次课程设计的要求是可识别三种钱币, 分别是1元、 5元、 10元, 采用三个按钮进行模拟, 自动售货机共出售3种货物, 其价格分别定为12元、 15元、 20元, 当投币数大于等于货物价格时, 该种货物的指示灯亮, 表示能够进行购买, 3种货物分别用3个信号灯进行指示。除此之外, 本次设计还涉及了显示、 找零等功能的实现, 其中显示部分采用数码管进行显示, PLC的外围接口由两个CD4511连接两个数码显示管, 以显示投币总数和购买后的余额; 当按下找零按钮后, 数码管显示进行清零。整个系统由三个能够感受到投币量的传感器、 六个按钮开关、 三个指示灯、 和两个七段数码管和两片CD4511组成。

图3.5.1 PLC硬件结构图

3.5.1 PLC的选型
PLC的硬件主要由中央处理器, 存储器, 输入单元, 输出单元, 通信接口, 扩展接口, 电源等几部分组成。其中, CPU是PLC的核心; 输入/输出单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路; 通信接口用于连接编程器, 上位计算机等外部设备。
现在世界上PLC的生产厂家有200多家, 提供400多个品种的PLC供用户选择, 当前中国市场上主要的PLC产品有: 西门子公司的S7-400/300/200系列、 施奈德公司的momentum等、 还有就是日本的欧姆龙、 三菱、 松下等公司的产品。西门子公司生产的PLC可靠性高, 特别适用于大的工业控制系统, 造价比较高, 对于小型的自动售货机的控制系统来说成本过高。
相反, 当前中国市场上主流的小型的三菱PLC就比较合适, 三菱公司生产的小型PLC的代表为FX-2N系列的PLC、 它具有丰富的内部资源: 程序存储器具有16K步的最大存储容量, 128种应用指令, 还具有184点8进制编号的输入点数, 184点8进制编号的输出点数, 普通型、 掉电保持性和赋予特殊用途型三种内部继电器, 以及状态寄存器、 定时器、 计数器、 数据寄存器、 常数与指针等功能与资源。可靠性高、 造价低, 对于自动售货机的控制中心就特别的合适。因此, 本次设计采用的PLC为三菱公司生产的FX-2N系列单片机。
3.5.2 CD4511七段数码管译码器
CD4511是一组用来作为BCD对共阴极LED七段显示器译码的包装。其引脚图, 其各引脚功能如下:
LT: 做灯泡测试用, 当LT=0, 则不论其它输入状态为何, 其输出abcdefg=1111111, 使七段显示器全亮, 即显示8, 以便观测七段显示器是否正常。当LT=1, 则正常解码。
BI: 空白输入控制, 当BI=0 (LT 为1 时) 则不论DCBA 之输入为何, 其输出abcdefg皆为0, 即七段显示器完全不亮, 此脚可供使用者控制仅对有效数据译码, 避免在无意义的数据输入时显示出来造成字型的系乱。
LE: 数据栓锁致能控制; 在CD4511 中, 不但具译码功能, 更具有数据栓锁的记忆功能。当LE=0 时(LT=1 且 BI=1), DCBA 数据会被送入IC 的缓存器中保存, 以供译码器码; 当LE=1 时, 则IC 中的暂存器会关闭, 仅保存原来在LE=0 时的DCBA数据供译码器译码。换句话说当LE=1 时, 不论DCBA 的输入数据为何, 皆不影响其输出, 其输出abcdefg 仍保留原来在LE 由0转为1以前的资料。

图3.5.2 CD4511引脚图

4 软件设计
4.1 主流程
系统的总体结构流程图如下:

图4.1 系统总体结构流程图
4.2 梯形图
系统梯形图如下图所示:

5 系统调试
首先接好系统的硬件电路, 然后将梯形图下载到PLC中, 再运行程序。在整个程序的调试过程中, 我遇到了一些问题, 最初的设计比较简单, 只是将投币, 购买的过程考虑进去, 而没有将投币后显示模块加进设计的方案中, 后来在仔细阅读设计要求后, 我又将显示模块加进设计的方案中, 用了两个七段数码管和两个CD4511七段数码管译码器构成了PLC的外接显示部分, 这样投入的总钱币和剩余的钱币数量就能够在数码管上显示出来。
在数码显示的过程中也遇到了一些问题, 数码显示需要两片七段数码管, 如果使PLC直接连接七段数码管的话, 需要14个输出, 输出接口过多, 系统变得复杂化, 在查找各方面的资料后, 决定采用两片七段数码管译码器CD4511来驱动两片七段数码管, 大大减少了输出点数, 程序运行也简单得多, 数码显示功能顺利实现。
在找零阶段, 按下找零按钮后直接没有设计将数码显示清零功能, 后来经过思考和仔细探讨整个系统, 将找零部分又逐步进行了完善, 将找零的过程在数码管上显示了出来, 找零时只找两种钱币, 即10元的和1元的, 先找大面额的10元的钱币, 后找小面额的1元的钱币, 其内部进行减法运算, 使得整个找零的过程清晰可见。
经过认真的调试, 使整个系统能够按照要求完成各种工作, FX-2N系列PLC控制的自动售货机的设计工作也最终完成。

图5.1 自动售货机调试图

设计心得

经过这一周的控制系统课程设计, 能够说感受颇深啊! 在自己的努力下, 最终完成FX-2N系列PLC控制自动售货机系统的设计。本控制系统就是充分利用了PLC、 接口电路芯片以及显示模块。实现了对自动售货机的控制, 达到了设计的目的。这次设计的PLC控制自动售货机系统的主要内容包括设计出了硬件系统的接线图、 梯形图等; 而且系统具有启动、 停止功能; 运用功能指令进行PLC控制程序设计; 还进行了系统调试, 实现自动售货机的控制要求。这设计中的酸甜艰辛与成功的喜悦并不能用言语去表示。与其说完成这次课程设计, 不如说学会关于PLC的一点点皮毛, 因为在这一周的时间里, 自己能够明显的感觉到认知的改变。之前从PLC和工程组态的老师那了解一些关于工程上的应用, 现在经过大家的课程设计题目上, 能够发现PLC的确离我们的生活很近。
在设计中运用所学的理论知识, 进行自动售货机运行原理设计、 硬件系统设计、 软件系统设计、 创新设计, 提高理论知识工程应用能力、 系统调试能力、 分析问题与解决问题的能力。综合运用了所学的知识, 理论与实际相结合, 提出并论证设计方案, 然后进行软、 硬件的设计、 制作与调试, 最后获得正确的结果。加深了对所学理论知识的巩固, 加强了建立PLC控制工业机械和生产过程系统的整体概念, 初步掌握了PLC控制工业生产和社会生活的软、 硬件开发方法, 为以后进行实际的PLC软、 硬件应用开发奠定了良好的基础。与此同时, 也加强了我们对问题的分析解决能力, 为以后的毕业设计和毕业后的工作做了充分的准备。作为一位电气工程及其自动化专业的学生, 控制系统是我们的必修课, 怎样使我们所控制变得更简便而又不影响控制效果, 这是我们不论在工作还是在学习上都应该时刻注意的问题。关于这个问题, 在这次的课程设计中, 自己是深有体会。首先是分析课程设计要求, 画出相应的流程图, 这是所有设计都必须考虑, 它的明确与否关系到后面的编程思路是否正确简便。其次是在编程的过程中使用简便的语句, 在这次课程设计的编程中, 对于这点, 我可伤透脑筋。由于我在编程时是从单个模块开始的, 因此导致之前设计好的各个组合在一起时就变得不那么的让人满意。好在我有一颗好奇摸索的心, 尝试去解决问题, 只有这样才能最终从根本上解决所有的难题。重要的不是结果而是在过程中学会了什么! 总体来说,这次课设我受益匪浅。在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力.在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐。这次控制系统课程设计,虽然短暂可是让我得到多方面的提高。同时,非常感谢老师的指导和同学们的帮助,我才能顺利完成这次的课程设计,谢谢大家!

参考文献

[1] 阎石.数字电子技术基础.北京: 高等教育出版社, .
[2] 康华光.电子技术基础模拟部分.北京: 高等教育出版社, .
[3] 冯博琴, 吴宁.微型计算机原理与接口技术.北京: 清华大学出版, .
[4] 朱玉玺, 崔如春, 邝小磊.计算机控制技术.北京: 电子工业出版社, .
[5] 夏路易, 石宗义.电路原理图与电路板设计教程protel 99se.北京:
北京希望电子出版社, .
[6] 常晓玲.电气控制系统与可编程控制器.北京: 机械工业出版社, .
[7] Microsoft Office Visio SP3简体中文版.微软,