自动售货机在gt环境下的仿真设计本科学位论文.docx
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自动售货机在gt环境下的仿真设计本科学位论文
华南农业大学珠江学院
毕业设计
自动售货机在GT环境下的仿真设计
姓名1
指导教师：
系：
信息工程系年级专业：
11级电气工程及其自动化
提交日期：
年月日答辩日期：
年月日
答辩委员会主席（签名）：
评阅人（签名）：
年月日
摘要
本文介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，然后以一次交易过程为例，把交易过程分为几个程序块，分别对程序块进行编程。
具体说明了可编程序控制器在自动售货机中的作用。
程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。
利用PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性，保证自动售货机能够长期稳定运行。
关键词：
自动售货机；可编程序控制器；梯形图
Abstract
Thedigestthistexthasintroducedthebasicprincipleandworkflowofthedispenser，thentaketransactioncourseasanexample，dividethetradecourseintoseveralprocedureones，thencarryonprogrammingtotheprocedureoneseparately.Ithasstatedtheroleindispenserofthecontrollerofcanprogrammeingthatconcrete.Theprocedurehasinvolvedmostcoursethatthedispenserworked.ThedispenserutilizingPLCtocontrolhasimprovedsystematicstability，itcanbesteadyinalong-termtoguaranteethedispenserandrun.Keyworddispenser;Canprogrammethecontroller;Ladder-shapedpicture
Keywords:
dispenser;vendingmachine;Ladder-shapedpicture
设计说明
自动售货机是能够根据投入的钱币自动付货的机器，它是商业自动化的常用设备，不受时间、地点的限制，能节省人力、方便交易。
现代的自动售货机的种类、结构和功能依出售的商品而异。
钱币装置是售货机的核心，其主要功能是确认投入钱币的真伪，分选钱币的种类，计算金额。
如果投入的金额达到购买物品的数值即发出售货信号，并找出余钱。
自动售货机自动输出顾客所要的商品。
因此，自动售货机在商业，食品行业越来越普及，更方便消费者购买自己所需的商品。
使用方便、可靠、节省人力的自动售货机将在社会生活中成为一种趋势。
面对当前快速发展的商品社会，人们的时间观念越来越重，如何才能更快的购买到顾客自己所需的商品，这都是顾客和商家共同面临的问题。
随着科技的发展及人们生活水平的提高，自动售货机市场的发展越来越呈现出多元化及个性化的需求。
通过自动售货机进行自助购物正逐渐成为市民的一种新的消费时尚，快捷方便的购物方式满足了人们在当今科技高速发展的现代社会追求高品质生活的需要。
自动售货机在城市商业区、写字楼大厅、风景区、车站、码头、繁华街道等公共场所的布设能够美化亮化城市环境，方便群众生活，已经成为城市各角落的一道亮丽风景线。
自动售货机已在国内普及，并成为城市现代文明程度的一种象征性标志。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
PLC以CPU为核心，综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，是现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。
目前，世界上生产PLC的主要厂家有65个，其中最有名气的厂家在日本、美国和德国。
日本的几个厂家为三菱、富士。
日立、东芝、横河、立石、光洋、夏普等公司。
美国的几个厂家为德州食品公司、通用电器公司、歌德公司、数字设备公司等。
还有德国的西门子，荷兰的飞利浦，香港的鹰达等公司也是很有名气的。
日本三菱电机公司（MITSUBISHI）于1971年开始研制PLC，目前主要有F1,F2,FX,K,A等十几个系列几十种产品，在我国（主要是华东和华南地区）的工业控制领域具有一定的市场占有率。
在工厂自动化（FA）系统中，PLC因为具备价格便宜、系统稳定及环境适应性强的特点，一直为自动化业界所采用。
关键词：
可编程控制器；自动售货机；自动化
1引言
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，无人自动售货机作为一种必须的机器便应运而生了。
自动售货机从广义来讲是投入硬币、纸币、信用卡等后便可以销售商品的机械，从狭义来讲就是自动销售商品的机械。
从供给的条件看，自动售货机可以充分补充人力资源的不足，适应消费环境和消费模式的变化，24小时无人售货的系统可以更省力，运营时需要的资本少、面积小，有吸引人们购买好奇心的自身性能，可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。
据说自动售货机最早出现在二十世纪五、六十年代的西欧，英国是较早实行自动售货机售货的国家之一。
1942年，在食品销售中首先推广了自动售货的销售方式。
1950年。
英国食品杂货行有500家采用自动售货机售货。
1969年，采用自动售货机售货的商家增加到23000家，销售的商品扩展到文化用品、唱片、香烟、食品等多个方面。
进入70年代后，约有40多万家香烟、饮料店采用自动售货机。
1980年英国有50余万台自动售货机，年销售额达8.81亿英镑。
70年代后，日本、美欧等发达国家和地区自动售货机迅猛的发展，短短30年，发达国家自动售货机产业已发展到相当大规模。
自动售货机被广泛地布放于车站、油站、码头、机场、宾馆、写字楼、娱乐场所及大街小巷和公路旁，人们通过自动售货机可以买到食品、香烟、饮料、报纸、票、卡甚至鲜花和小宠物等物品。
自动售货机实现了商品需求化、性能多样化的发展，但只能出售有限商品品种，转变为继百货公司、超级市场、便民店之后，以消费者与售货机“一对一”自动售货的无店铺销售业态。
现在，自动售货机产业正在走向信息化并进一步实现合理化。
例如实行联机方式，通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。
并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。
在夏季电力消费高峰时，这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状况下也能保持低温，与以往的自动售货机相比，它能够节约10－15％的电力。
进入21世纪时，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展。
因经济复苏缓慢，社会对扩大就业与工作场所提供茶点饮料的福利事业更为关注。
自动售货机不仅保障了惬意的工休时间，也是最廉价、提高职工工作效率最有效的手段。
特别是在24小时无休工作状态中的办公场所，使用独具魅力的迷你型饮料冲饮机，解决了不间断提供咖啡饮品服务的问题，这种服务加速了自动售货机与咖啡饮品服务的融合。
1999年的全美自动售货机协会和全美咖啡服务协会的合并使人们更直观地看到了这种融合现象。
日本是自动售货机的天堂。
除鸡蛋、米饭之外，报纸、杂志、一次性相机、干电池、磁带、刮胡刀、袜子、花及宠物食品等各种商品都通过自动售货机进行销售。
连熟知自动售货机的美国游客在日本看到10台自动售货机排成一列的景象后，也是连声称奇。
韩国大约有78万台自动售货机，是除了日本、美国、英国之外自动售货机使用数量最多的国家。
从不同的种类来看，咖啡茶的自动售货机约占全部售货机的40%以上；另外，还有冰饮料自动售货机、听装饮料自动售货机、办公咖啡自动售货机和照片胶粘标签自动售货机、票类自动售货机、手机充电自动售货机、成人用品自动售货机、生活用品自动售货机、烟、方便面自动售货机等多种。
主要的设置场所包括学校、楼房、公共机关、地铁等，公共汽车站、公园、体育场、展示场、工厂等。
运营自动售货机产业的公司在全国大约有800余个，而销售自动售货机原料、商品流通、机械销售的公司大约达到了1150个。
2自动售货机介绍
2.1自动售货机功能分析
这部分阐述了自动售货机的各种动作功能和控制要求，给出了完整的自动售货机操作规程，并介绍了自动售货机运行系统中所包括的人工操作步骤。
2.1.1自动售货机的基本功能
在实际生活中，见到的售货机可以销售一些简单的日用品，如饮料、常用药品和小的生活保健用品等。
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，并作出相应的反应。
举一个简单的例子来说明，例如：
售货机中有3种商品，其中01号商品价格为3元，02商品为2元，其余类推。
现投入1个5元硬币，当投入的货币超过01商品的价格时，01商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，其他商品同比。
当按下选择01商品的价格时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去01商品的价格同时启动相应的电机，提取01号商品到出货口。
此时售货机继续进行等待外部命令，如继续交易，则同上，如果此时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。
自动售货机的工作流程图如图1所示。
Y
N
退币状态
投入硬币
购买状态
投币状态
初始状态
按下选择按钮
是否有剩余
按下退币按钮
图1自动售货机工作流程图
2.2PLC的选型原则
当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。
一方面要选择多大容量的PLC，另一方面是选择什么公司的PLC及外设。
对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。
控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。
因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。
所以一旦它们是交流220V的负载使用。
则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。
这样有可能造成输出点浪费，增加成本。
所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。
一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。
对第二个问题，则有以下几个方面要考虑：
1．规模要适合
输入、输出点数以及软件对PLC功能及指令的要求是选择PLC机型规模大小的重要依据。
首先要确保有足够的输入、输出点数，并留有一点的余地（要有10%的备用量）。
如果只是为了实现单机自动化，或机电一体化产品，可选用小型PLC。
如果控制系统较大，输入、输出点数较多，被控设备较分散，可以选用中型或大型PLC。
还应确定程序存储器的容量。
一般粗略的估计方法是：
（输入+输出）×（10~12）=指令步数。
特别要注意因控制较复杂，数据处理量较大，可能出现存储量不够的问题。
2．功能要相当，结构要合理
对于以开关量进行控制的系统，一般的低档机就能满足要求。
对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，应选用带A/D、D/A转换，加减运算、数据传送功能的低档机。
对于控制比较复杂，控制性能要求较高的系统，例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可视控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机。
其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。
对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体式结构PLC。
其他情况则选用模块式结构PLC。
3．输入、输出功能及负载能力的选择
选择哪一种功能的输入、输出形式或模块，取决于控制系统中输入和输出信号的种类、参数要求和技术要求，选用具有相应功能的模块。
为了提高抗干扰能力，输入、输出均应选用具有光电隔离的模块。
对于输出形式，分为无触点和有触点两种形式。
无触点输出大多使用大功率三级管（直流输出）或双向可控硅（交流输出）电路，其优点是可靠性高、响应速度快、寿命长，缺点是价格高、过载能力差。
有触点输出是使用继电器触点输出，其优点是使用电压范围宽、导通压降损失小、价格便宜，缺点是寿命短、响应速度慢。
此外，还应考虑输入、输出的负载能力，要注意承受的电压值和电流值。
应该指出的是，输出电流和导通负载电流值是不同概念。
输出电流值是指美意个输出点的驱动能力。
导通负载电流值是指整个输出模块驱动负载是所允许的最大电流值，即整个输出模块的满负荷能力。
4．使用环境条件
在选择PLC时，要考虑使用现场的环境条件是否符合他的规定。
一般考虑的环境条件有：
环境温度、相对湿度、电源允许波动范围和抗干扰等指标。
2.3PLC的概述
2.3.1PLC的产生
20世纪20年代起，人们把各种继电器。
定时器。
接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械。
由于它结构简单。
容易掌握。
价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位.但是继电接触器控制系统有明显的缺点：
设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差.
20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置。
为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出十项指标，核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。
2.3.2PLC的定义
美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出如下定义：
可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可遍程序控制器及其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。
这也是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。
定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，它也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。
这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。
它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。
2.3.3PLC的发展趋势
PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。
具体表现在以下几个方面：
1.向小型化、专用化、低成本方向发展。
2.向大容量、高速度方向发展。
3.智能型I/O模块的发展。
4.基于PC的编程软件取代编程器。
5.PLC编程语言的标准化。
6.PLC通信的易用化。
7.组态软件与PLC的软件化。
8.PLC与现场总线相结合。
9.开发新型特殊功能模块。
10.CPU的处理速度进一步加快。
2.3.4PLC的特点
（1）抗干扰能力强，可靠性好
PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。
I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。
具体措施主要有以下几个方面：
1）隔离：
这是抗干扰的主要措施之一。
PLC的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。
这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于PLC的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。
2）滤波：
这是抗干扰的另一个主要措施。
在PLC的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。
3）对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。
另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。
4）内部设置了连锁、环境检测与诊断、watchdog（“看门狗”）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证CPU可靠运行。
5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。
6）对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。
7）采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。
8）以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。
而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。
（2）控制系统结构简单，通用性强
PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。
（3）编程方便，易于使用
PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。
梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。
（4）功能完善
PLC的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。
在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。
由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。
（5）设计、施工、调试、的周期短
用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。
而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。
（6）体积小，维护操作方便
PLC体积小，质量轻，便于安装。
PLC的输入/输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。
（7）易于实现网络化
PLC可连成功能很强的网络系统。
（8）可实现三电一体化
PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。
2.3.5PLC的主要功能
1.条件控制功能
条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联极其他各种逻辑连接，进行开关控制。
2.定时/记数控制功能
定时/记数控制功能指用PLC提供的定时器、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。
3.数据处理功能
数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。
4.步进控制功能
步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。
5.A/D与D/A转换功能
A/D与D/A转换功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转换。
6.运动控制功能
运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。
7.过程控制功能
过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。
8.扩展功能
扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即I/O扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制功能。
9.远程I/O功能
远程I/O功能是指通过I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。
10.通信联网功能
通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位机的链接等，实现远程I/O控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。
11.监控功能
监控功能是指PLC能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制I/O状态。
2.4PLC的基本结构及原理
2.4.1PLC的系统结构
目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。
主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。
其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。
如图2所示，PLC控制系统由输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。
用户
程序
数据
存储器
系统
程序
中央处理器
输入接口
输出接口
I/O扩展
接口
外部编程器
外部设备接口
图2PLC硬件结构图
2.4.2PLC各部分的作用
（1）中央处理器
CPU是由控制器和运算器组成的。
运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。
控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。
（2）存储器
PLC的存储器分为两大部分：
一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据。
二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。
（3）输入输出接口电路
PLC通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。
输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。
（4）电源
PLC的电源是指将外部输入的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。
（5）输入输出I/O扩展接口
若主机单元的I/O点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与主机
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