基于PLC的自动售货机控制系统设计报告.doc

毕业设计题目: 基于PLC的自动售货机控制系统设计专 业 机电一体化 班 级 姓 名 指导教师 目 录第一部分 设计任务与调研1第二部分 设计说明3第三部分 设计成果8第四部分 结束语18第五部分 致谢19第六部分 参考文献20 第一部分 设计任务与调研1.1 研究自动售货机的目的从自动售货机的发展趋势来看，它的出现是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。大量生产、大量消费以及消费模式和销售环境的变化，要求出现新的流通渠道；而相对的超市、百货购物中心等新的流通渠道的产生，人工费用也不断上升；再加上场地的局限性以及购物的便利性等这些因素的制约。自动售货机行业长期以来在美国、日本等国家得到迅猛发展，目前已在多个国家得到广泛普及。据业内人士估计，但中国的自动售货机拥有量还不太多，相对于13亿的人口大国和零售业态发展的趋势而言，中国自动售货机行业的发展空间将更加广阔。1.2 本设计研究的内容本课题采用三菱FX2N系列PLC对饮料自动售货机控制系统进行设计。（1） 通过与单片机、继电器、液压在各个方面的比较，确定自动售货机的主控单元是PLC。（2） 通过对自动售货机的售货方法分析确定采用双弹簧出货机构，直流电动机驱动。（3） 根据系统需要确定饮料自动售货机的硬件，通过硬件框图选择硬件部分。根据自动售货机的功能选择货币识别器和电动机以及接触器的选择。通过I/O列表确定PLC类型，做出硬件连接图。（4） 根据控制功能图进行性梯形图设计，软件这几中要结合硬件的性质选择合适的数据寄存器以及根据功能使用合适的算法。并在软件中调试运行，用组态软件作出仿真。 第二部分 设计说明2.1 PLC的部分功能PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。因此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，它们相辅相成，缺一不可。PLC的硬件系统主要有主机、输入/输出扩展单元、外部设备组成，各部分之间通过总线连接。其中主机由中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出电路、外部设备接口、电源几大部分组成。中央处理单元是PLC的核心部件，它的功能是：（1）接受、存储用户通过变编程器等输入设备输入的程序和数据。（2）以扫描方式接收来自输入单元的输入变量、状态数据，并存入相应的数据存储区（3）利用错误校验技术监控存储和通信状态、诊断内部电路的工作状态、电源状态和用户编程中的语法错误。 (4)执行用户程序，完成各种数据处理、传输和存储，并根据数据处理结果，刷新有关标志的状态位的状态和输出状态寄存器的内容，产生相应内的内部控制信号，以完成用户指令规定的各种操作。（5）响应各种外围设备的要求。存储器是PLC的另一主要部分，存储器主要用来存放系统程序、用户程序和数据。根据存储器在在系统中的作用，可将其分为系统存储器和用户存储器。系统程序存储器用来存放制造商为用户提供的监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其他关，管理程序。系统程序直接影响着PLC的整机性能。系统程序需要永久保存在PLC中，不能因关机、停电或其它部分出现故障而改变其内容。因此，系统程序需固化在只读存储器ROM中，作为PLC 的一部分提供给用户，用户无法改变系统程序的内容。用户数据存储器是专门提供给用户存放程序和数据的，用户存储器游客分成用户程序存储器和用户数据存储器。用户程序存储器用来存储用户编写的程序，用户数据存储器用来存储控制过程成中不断改变的信息，如输入/输出信号、各种工作状态、计数值、定时值、运算的中间结果等。输入模块用来接受和采集输入信号，输入信号有两类：一类是按钮开关、行程开关、数字拨码开关、接近开关、压力继电器等提供的开关量输入信号；另一类是从电位器、热电、测速电机、各种变送器变送来的连续变化的模拟量输入信号。输入模块还需要将这些不同的电平信号转换成CPU能识别的数字信号。输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件能接收的信号，用来控制接触器、电磁阀、调节阀、调速装置等，控制的另一类负载是指示灯数字显示器和报警装置等。2.1.1确定自动售货机的主控单元为PLC单片机可以作为自动售货机的核心结构，价格也不太高，但如果电压不稳的话，单片机就有可能被损坏，所以虽然价格是选择方案的一个因素，而可靠性是选择时需要考虑的又一个因素。从设计、生产周期长短考虑，不论是老设备改造，还是设计新的生产机械设备，毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望能够边设计、边安装、边调试和生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而PLC则完全可以实现。这是因为若用PLC不必改动外部设备接线，只要在软件上做文章就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的目的。众所周知，目前我国75%的生产机械设备，都是采用继电器控制，除了可靠性差外，设计程序也很繁杂。从方案的确立到技术、设计以及施工、图面等方面，工作量很大，这势必造成设计周期长。而采用PLC控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在EEPROM模块中去，需要加工哪个产品的程序，操作人员可以随时调用，这既方便、简单又可保密。开发这种软件对优化生产过程，提高产品数量和质量，提高劳动生产率，非常具有实际意义。仅此一点也深受生产及设计者的欢迎。在现在科技成果迅猛发展的今天，市场经济的竞争就是利用最小的投资获取最大的利润，为了使人们在生活购物中得到方便，就出现了自动售货机。对于一台自动售货机，如果采用电力机械来进行控制，会造成售货机有用价值空间少，浪费不必要的动力资源；如果采用液压系统控制，由于液压系统控制要求技术高，各种阀体和设备的组装较高，反应速度相对较慢，用于控制售货机的经济价值消费高，从利润价值观来考虑不适宜用于控制售货机。采用单片机作为控制核心，这样不仅会在输入输出接口上做大量的工作，而且系统的抗干扰性也比较差。但是PLC（即可编程序控制器）是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置，它不但可实现类似控制功能，还具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点，已在工业控制领域得到广泛地应用。因为自动售货机作为社会上完成商品零售和综合服务的独立设施，要求它的结构必须可靠、稳定和执行效率高。可以看出，采用PLC对自动售货机控制系统进行控制可以提高系统的稳定性和可靠性。因此选择PLC为自动售货机的主控单元。2.2 自动售货机的空间结构自动售货机中储存有一定量的饮料，每种饮料都要通过货道而出去，因为该设计中售2种饮料，所以该售货机可设置成2个货道，而且为单货道，即每种饮料占用一个货道，这样比较方便，如果以后需要扩展卖更多种商品的话，根据商品的摆放设置多个双推进弹簧。当需要够买某种饮料时，电动机会带动弹簧转动一圈，将饮料转出，掉如道出货通道中，滑落到取物口。饮料在售货机种的存放形式为每个弹簧间隔固定一个单位饮料，并且每种饮料都要与弹簧螺距尺寸匹配，这样可将饮料卡紧不致自动掉落。在自动售货机上饮料总体数量是有限的，所以自动售货机也需要及时的补货。图 2-1自动售货 机的空间结构示 意图 2.3 自动售货机的功能自动售货机能够对所投入的币值进行累计，货币识别器提供该自动售货机最基本的功能即从投币口送入货币，然后经过传感器采集数据、识别判断人民币的面值；然后，识别器把信息传给PLC；PLC根据所投入的硬币数值判断是否能够购买某种饮料，做出相应的反应。当按下选择饮料的按钮时，相应的电电动机启动，饮料开始供应，提取饮料到取物口，顾客取出饮料，完成此次交易。它具有投币系统、比较系统、选择和饮料供应系统、退币系统等来实现完整的售货功能。售货机的基本功能就是对投入的货币进行运算，并根据货币数值判断是否能够购买某种商品，并做出相应的反应。售货机中有2种商品， 6元一瓶的牛奶、8元一瓶的酸奶。先投入钱币：1.当投入的币值超过6元时，牛奶对应的指示灯亮，超过8元时，牛奶和酸奶的指示灯都亮。2.当牛奶指示灯亮时，按下牛奶按钮，指示灯闪烁，牛奶排出5秒后，停止。3.当酸奶指示灯亮时，按下酸奶按钮，指示灯闪烁，酸奶排出5秒后，停止。4.当投入币值大于商品价格时，找钱指示灯亮，并退钱。当按下牛奶按钮时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去的牛奶价格同时启动相应的电机，提取牛奶到出货口。买酸奶商时也一样。操作完成后不再购买而按下退币按钮，售货机则要进行退币操作，退回相应的货币，并在程序中清零，完成此次交易。由此看来，自动售货机进行一次交易要涉及加法运算、减法运算，这是它的内部功能。还要有货币识别系统和货币的传动来实现完整的售货、退币功能。可通过操作属性把把自动售货机分为四个过程：(1) 投币过程 (2) 价格比较过程 (3) 选择商品过程 (4) 退币过程可把自动售货机工作过程分为5个状态： (1) 启动状态(2) 投币状态（3）可购买显示状态 (4) 购买状态(5) 退币状态初始状态，自动售货机内部各元件都处于复位状态，内部电机停止运转，等待投币操作。投币状态。自动售货机可以识别1元、5元、10元的货币，投入钱币后，自动售货机会进入货币比较状态，能够购买的饮料灯亮。购买状态。按下可以购买的选择按钮，所选的商品灯仍然亮，其它可选商品灯灭掉。驱动电机启动，商品通过货道掉落到取物口。退币按钮。自动售货机计算退币钱数并退币。到此为止，自动售货机的一个完整工作过程结束。2.4 自动售货机的购物使用流程在自动售货机上购物时，首先按下开始按钮，就可以接着投币了，如果，投币后，不选择饮料，可以直接按退币按钮，将会全额出币。如果买饮料，则按下所需购买饮料的按钮，按下后等待取物，取物后若需找币，再按下退币按钮即可。退出的钱都为硬币，因为纸币容易破损、褶皱、潮湿。若想设计成找纸币的情况，在体积、难度、成本会很大。而硬币有规则，不易损坏，而且能循环使用。图2-3 自动售货机的使用流程 第三部分 设计成果本次设计中最重要的部分是软件部分。首先做出能完成自动售货机要求的梯形图，然后对梯形图调试，最后，MCGS组态软件仿真。3.1 自动售货机的控制系统图3-1 自动售货机的控制系统流程图以上流程图表示的是程序可以实现的功能，按下开始按钮后，就可以开始进行投币操作了，投币时间结束后，系统根据投币的多少，与各种饮料的价格进行比较。 显示可购买，按下退币按钮可退币。3.2 自动售货机的程序部分 由于本设计主要用于课堂教学的使用，因此和现实中的自动售货机还有一定的差距。根据上述流程图.采用模块化设计，大致可分为以下几个模块:计币系统、比较系统、选择系统、饮料供应系统、退币系统和复位系统等。计币系统:当顾客投币买饮料时，投入的钱币经过传感器，记录1元,5元和10元的个数并进行累加，并把最终的结果放在某个数据寄存器中(本例采用DO)。在此模块设计中，主要涉及的指令有加法指令，在应用时要提醒学生注意脉冲指令及连续指令的用法区别。PLC编程梯形图如下(图3-2): 图3-2计币系统梯形图设计 比较系统:当投币结束后，系统就把数据寄存器DO中的钱币总值同各种饮料的价格进行比较，如果钱币总值大于等于6元且又小于8元，则汽水指示灯亮;若钱币总值大于等于8元，此时牛奶指示灯和酸奶指示灯全亮。此模块设计主要涉及的是比较指令，而比较指令包括了CMP和ZCP两条。两条指令在此均可应用，只不过用的时候注意区间段点的不同。下列梯形图中采用的是CMP指令。（图3-3） 图3-3比较系统梯形图设计 选择系统:比较完价格之后，此时可以选择买哪种饮料，若按下汽水选择按钮，在出汽水的同时相应的指示灯闪烁(此处可用特殊辅助继电器M8013来实现)。当饮料供应完毕，闪烁灯也停止。设计此模块时应提醒我们注意几个特殊辅助继电器的来历、用法，以及互锁的使用。PLC编程梯形图如下图3-4、图3-5)、 图3-4选择系统梯形图设计在设计闪烁部分时，比较方便的就是应用特殊辅助继电器M8013 ，可以产生一秒的时间脉冲。 图3-5闪烁部分梯形图设计饮料供应系统:当按下饮料选择按钮时，相应的电机YO或Y1启动，在饮料输出5秒后电机停止。此处的设计注意自锁的使用以及如何使电机停，本例采用定时器停止饮料供应，而对于指示灯的熄灭则采用了辅助继电器M5来实现、编程梯形图如下(图3-6、图3-7、图3-8) 图3-6牛奶供应系统梯形图设计 图3=7酸奶供应系统梯形图设计 图3-8饮料停止供应梯形图设计 退币系统:当顾客购完饮料后，将投币的总值与购买饮料的价格比较，如顾客购买的是牛奶，则将投币的总值先减去6元，所剩余的钱币伯存在数抓寄存器D1中，再将D1中的伯与0进行比较，若大于0，说明需要退币，此时系统找钱指示灯会亮，且找钱5秒完毕之后指示灯熄灭，否则指示灯不亮，即不需要找钱。设计此模块应用到的指令为减法指令和比较指令、应提醒我们注意脉冲指令的使用及指令的复位、具体PLC编程梯形图如h(图3-9、图3-10)、 图3-9退币系统梯形图设计 图3-10找钱指示灯部分梯形图设计 复位系统:若系统有故障时可以按卜复位按钮X5对数据寄存器DO和D1进行清零，除此之外在初始状态和找钱结束之后DO和D1的值也应该清零。编程梯形图如h(图4-11) 图3-11复位系统梯形图设计3.3GX DeveloperGX Developer是三菱PLC的编程软件。Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、ST、及FB、Label语言从程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。在调试时不用和可编程控制器连接，不制作按条使用的顺序程序，因为运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。数据制作中发生错误时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短。此次使用到的调试软件是GX-Simulator6-c，它是GX Developer的一部分。3.4 基于MCGS组态的自动售货机仿真MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。MCGS组态软件包括三个版本，分别是网络版、通用版、嵌入版。此次使用的是通用版。包括MCGS组态环境和MCGS运行环境。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。这种软件一般应用于工程上，像沥青库自动控制系统、天然气CIMS系统。虽然软件中有图库，库里面都是工程商用的设备，比如电机，阀、储藏罐。因此自动售货机所用的道的图片都要自己做好，加载进去。使用组态软件做自动售货机，最后想要得到的效果是，按下一个按钮时，相应的指示灯亮。3.4.1 建立组态画面因为在软件中没有自动售货机所用的图片，因此要先建立图片。打开MCGS组态环境后新建工程。在新建的工程中点击用户窗口，然后点击新建窗口0，选中窗口0，点击鼠标右键选择属性，在窗口名称处更改名字为自动售货机。设计好自动售货机的格局，点击动画组态按钮，开始创建画面。创建自动售货机画面的主要难题在于图库中没有所需要的图。需要自己创建。在百度上搜索相关饮料的图片，放到ACDSee软件中，调整大小后保存为256色位图*bmp格式，将所有需要的图片制作好放到一个文件夹中。回到动画组态界面，点击工具箱中的位图选项，在自动售货机窗口中画大小合适的位图，选中画好得位图，点击右键选择装载位图，存放制作图片的文件夹，将图片加载进去。以此方法将2种可选饮料的图片做好。接下来为各种饮料配置按钮，选用工具箱种的标准按钮，画好按钮后双击该按钮，更改按钮标题即可。工程中所用的灯可以在工具箱中的插入元件中选择。根据设想，调整各个部分的位置，最后做出效果图如下图3-12自动售货机的组态下效果图3.4.2 设置各元件的参数制作好效果图之后，对各个部分进行参数设置。回到之前的工作台页面，点击实时数据库，点击新增对象，将所有的元件命名并注释。因为后其选择通道时不能用汉字作为首字符，所以为每个元件命一个名，如灯就按HLx命名，其余输出以YVx命名，因为输入都是按钮性质，以SBx命名。 图3-13 工作台 图3-14 实时数据库设置对按钮和灯进行设置。以可乐为例，在动画组态中电机可乐指示灯，其设置如下图 图3-15 可乐指示灯参数在动画组态中点击可乐按钮，在基本操作栏设置按钮属性为按1松0，点击其后面的“？”，选择SB6。其它按钮以此为参照设置。 图3-16 按钮设置在工作台页面点击设备窗口，进入后点击设备工具箱，点击设备管理，要先选择通用串口父设备，然后再选相应择PLC设备。图3-17 设备窗口的选择 点击进入三菱系列串口，对设备属性进行设置。根据PLC的I/O分配表对通道连接进行设计。通道的设置中要注意输入和输出通道不能混淆。点击进入设备0后在点击设置设备内部属性后的带有三个点的按钮即可增加通道的数量。图3-18 通道量设置图3-19 通道设计至此，参数设置完毕，打开MCGS运行环境，点击下相应按钮，观察变化情况。可能应为其中有些参数的设置有误，没有显示相应的动作。 第四部分 结束语这次毕业设计我的主要任务是用PLC实现自动售货机的功能。一个平常看似简单使用方便的自动售货机，其实并不是那么容易就做成的。设计中使用Visio画图，使用抓图软件抓图，在制作组态时还用到ACDSee软件制作位图。在此过程中不断的学习改进，从中学习到好多有用的知识和经验。本次设计所做的重点是PLC编程部分，通过调试以实现它的功能。设计的自动售货机的功能主要是对饮料进行自动交易，通过对PLC的程序输入达到自动售货的目的。这次设计课题的效果是：当投入钱币时，根据投入钱币的多少，自动售货机会自动判断，然后做出相应的结果即灯亮的变化，根据顾客的选择，会自动输出要选择的饮料，并退还余额。本设计的优点与缺点是：通过程序的自锁与互锁，能够正确的做出判断，给出结果，设计出的自动售货机装置简单、易操作，结构线路设置容易，耗能低，能够满足在一些商店和工厂无人售货的需要，老人和孩子都能够运用：本设计的缺点有售货品种较少，自动售货机容量较小，识别的钱币种类也有些限制。没有显示器显示所投入的钱币总值。本设计的结果能够满足设计需求，课题的效果明确，虽然售货数量较少，但是理论明确且统一，在此基础上可以增加货道及商品的数量，以满足人们在生活中的需求！ 此次设计的自动售货机还有很多地方不完善，比如没有货币显示部分，识别的币种也比较少。这种售货机适合放在工厂或学校的餐厅。短时间人流比较大的时候，它可以起到很大的作用，而且，服务范围不大，离工作人员的视线范围比较近，许多突发性问题都可以向工作人员反映。 第五部分 致谢毕业的设计从定题到现在已经有两个月时间了，当初定的基于PLC控制的自动售货机控制系统设计时，仅仅见自动售货机，感觉很新奇，竟然还会找钱。经过这么长时间的学习，这些基本的功能自己竟然也能设计出来了。在做毕业设计的过程中，从定题开始刘丽敏老师就给我们建议，从那些方面下手。定题之后，刘老师每周定期对我们的课题进行辅导，提出问题和建议，帮助我们解决问题。在刘老师的监督与辅导下，毕业设计才能如期完成。刘老师严格要求，力求完美。我也从刘老师那学到了严谨、务实、认真、不畏劳苦的工作态度和极强的敬业精神。我再次对刘丽敏敏老师的耐心和帮助表示感谢。在平时做毕业设计的时候，看似简单的问题，遇到一个小小的麻烦，甚至设计就没有办法进行了。 一个人思考不出来的时候，就会和同学讨论，大家集思广益，有时候就会豁然开朗。他们在我苦无头绪之时帮我找资料，在我有疑难时耐心给予解答，并一直给予我鼓励和支持，支持我认真细致的完成这次毕业设计。我也要向他们致以谢意。可以说，没有同学们的无私帮助帮助，很难在规定时间内完成这次毕业设计。我向各位同学表示由衷的感谢！最后，再次向帮助我完成这次毕业设计的 老师和同学们表示最诚挚的感谢。 第六部分 参考文献 【2】 廖常初.FX系列PLC编程及应用M.北京机械工业出版社，2005.1127【2】高勤.可编程控制器原理及应用（三菱机型）M.北京电子工业出版社，2006.4146【2】钱锐.PLC应用技术M.北京:科学出版社，2006.112113【2】 董淑玲.PLC在自动售货机控制系统中的应用J.上海师范大学学报，2007,36(2):4751【2】 王国海.可编程序控制器及其应用第二版M.中国劳动社会保障出版社.2007.5678【2】瞿彩萍.PLC应用技术（三菱）M.中国劳动社会保障出版社.2006.32127【2】 程周.可编程序控制器原理与应用M.北京高等教育出版社,2003.5683【2】 王永华.现代电气控制及PLC应用技术M .北京北京航空航天大学出版社，2000.4781【2】 周美兰，周封，忘岳宇.PLC电气控制与组态设计M.北京科学出版社，2003.7643【2】吴建强，姜三勇.可编程控制器原理及应用M.哈尔滨工业大学出版社，2000.8286【2】 吴中俊，黄永红.可编程序控制器原理及应用M.北京机械工业出版社，2003.4952【2】 张万忠，刘明芹.电气与PLC控制技术M.北京化学工业出版社, 2003.6745【2】 王兆.编程序控制器教程M.北京机械工业出版社，2001.7887【2】 贺哲荣，石帅军.PLC实用程序及设计（三菱FX2系列）M.北京机械工业出版社，2001.7373【2】 刘恒娟. 基于MCGS组态软件的液位定值控制系统J. 电工技术 , 2011.2【2】葛波,沈文杰,赵旎. 工控组态软件的对比及应用 -计算机测量与控制2002.8