基于PLC控制的饮料自动售货机设计.docx

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基于PLC控制的饮料自动售货机设计

四川工程职业技术学院

毕

业

设

计

论文题目:

饮料自动售货机

指导老师:

杨莉

作者：

蒋金鑫

专业：

12级电气自动化2班

摘要

本论文设计的是基于西门子S7-200系列PLC构成的自动售货机监控系统。

本文对自动售货机的方案进行了论证，介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理，对基于西门子S7-200系列PLC构成的自动售货机系统整体设计过程进行较为细致的论述。

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，然后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：

饮料自动售货机；可编程逻辑控制器（PLC）；PLC设计。

Abstract

Inthispaper,thedesignisbasedonavendingmachine

monitoringsystemconsistingofSiemensS7-200seriesPLC.Inthispaper,thevendingmachineprogramweredemonstratedPLCintroducesthebasiccomposition,characteristicsandworkingprinciple,conductamoredetaileddiscussionontheoverallsystemdesignprocessvendingSiemensS7-200seriesPLCconstitution.Introducesthebasicprinciplesandworkflowvendingmachineandthenoncethetransactionprocess,forexample,thetransactionprocessisdividedintoseveralblocks,andthenweretoblockprogramming.Specifytheroleoftheprogrammablecontrollerinthevendingmachine.Proceduresrelatedtothemajorityoftheworkprocessofvendingmachines.VendingmachineusePLCcontrolsystemtoimprovethestabilityandensurethelong-termstableoperationofthevendingmachine.

Keywords:

beveragevendingmachines;programmablelogiccontroller（PLC）;PLCdesign.

第一章绪论

1.1自动售货机的基本情况

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,又由原来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。

自动售货,给人们的生活带来了极大的方便。

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。

从广义来讲投入硬币、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。

据说世界上最早的自动售货机出现在公元前3世纪,那是埃及神殿里的投币式圣水出售机。

17世纪,英国的小酒吧里设有了香烟的自动售货机。

在自动售货机历史的长河中日本开发出实用型的自动售货机，那是在进入本世纪后的事。

日本第一台自动售货机是1904年问世的“邮票明信片自动出售机”它是集邮票明信片的出售和邮筒投函为一体的机器。

自动售货机的真正普及是在第二次世界大战以后。

50年代，“喷水型果汁自动售货机”大受欢迎，果汁被注入在纸杯里出售。

后来，由于美国的饮料大公司进入日本市场，1962年，出现了以自动售货机为主体的流通领域的革命。

1967年，100日元单位以下的货币全部改为硬币，从而促进了自动售货机产业的发展。

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。

在日本，70,的罐装饮料是通过自动售货机售出的。

全球著名饮料商可口可乐公司在全世界就布有50万台饮料自动售货机。

在日本全国各地，共设有550万台自动售货机,据1998年的统计，销售额达6兆8969亿4887万日元，为世界第一。

在售货机的显示屏幕上进行操作，输入商品号码和购买数量，并投入钱币后，商品就会从取货口出来，甚至从食品自动售货机上还能买到热呼呼的面条和米饭团。

可口可乐高级执行副总裁望月建树介绍，作为世界上最大的自动售货市场，日本拥有423万台自动售货机，通过自动售货机出售的商品多达6000余种，包括饮料、香烟、杂志、药品甚至牛仔裤等大件商品去年，仅饮料的销售额相当于1593亿元人民币。

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。

中国国内在1993年时,从日本、韩国等引进自动售货机并投放到中国市场。

1995年第一台国产自动售货机在北京诞生,1999年时国产自动售货机形成规模生产并批量投入市场。

相对于日本和美国等发达国家,中国目前市场上运行的自动售货机的数量还是很少的。

自动售货机在西方发达国家已经发展成为一个相对成熟的零售业态,但是中国还是处于导入期。

至2000年初,中国自动售货机研发、制造和运营的企业有10多家,以天津南开戈德集团规模最大,约占中国自动售货市场份额的80%。

在自动售货机运营商方面,主要是由制造企业的关联或下属企业运营,如戈德集团的戈德移动商务公司、澳珂玛集团澳鸿自动商务公司等,中国目前还没有产生独立的运营商。

据来自中国自动售货机市场行情分析报告表明:

目前中国自动售货机市场走势已逐渐明晰,自动售货机逐步从沿海经济发达地区和各大中城市向内陆和次发达地区延伸,逐步从高级宾馆、地铁、机场等豪华高档场所向高中档社区普及。

有关报道显示,戈德移动商务公司已经在上海地铁一号线、南京东路、人民广场、轻轨沿线、大中学校等地布放了约2000台,在上海地铁二号线布放了30台,并准备于2002年在商业街、旅游景点、车站码头、高档写字楼布放500台。

2000年仅广州市区就摆放各种品牌的自动售货机1500台,而这个数量还不足以满足地铁和公交车站的摆放。

自动售货机这种全新的零售方式已逐渐被国人所接受和信赖。

其实,自动售货机的技术壁垒并不高。

在中国一般的纸币器只能接收5元、10元或者20

元人民币不能接收更高面额的币。

但这只是一个应用的问题,因为目前中国市场上的自动售货机主要卖一些饮

料、小食品。

1.2自动售货机的发展前景

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。

在居季电力消费高峰时，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。

同时因经济复苏缓慢，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。

从自动售货机业的发展历程看，其具有快速发展的潜力：

1、自动售货技术的发展促进了自动售货机业的成长。

自动售货机作为一种集声、光、机电一体化的高新智能化产品，一般由识别系统、找零系统、传输系统、制冷（恒温）系统组成。

随着防伪识别技术、数码技术、软件技术和制冷技术的发展,自动售货机运行的可靠性大大提高，减少了货物出售和货币识别的误差，有效地维护了运营商和消费者双方的权益。

自动售货机从仅能识别硬币到准确的识别纸币，方便了消费者的购买行为，为自动售货机业的发展提供了基础保障。

2、自动售货机的分布密度高，满足了消费者的便利性和即时性需求。

随着人们生活方式向快节奏、高效率变化，时间的价值显著提高，消费者在购物时更加注重便利性、即时性。

随着自动售货机数量的增加，商品包装的定量化和标准化，出售的商品多样化，自动售货的便利性日益显现。

同时，被称为“永不下班的超级营业员”的自动售货机在满足人们的即时性需求方面是其它零售方式不可替代的。

3、满足运营商获取高收益的要求。

零售业各业态日趋激烈的竞争,使得商家不断寻求新的投资机会，而自动售货机业态恰好符合投资的风险——

收益原则。

由于自动售货机的销售效率高（平均每台自动售货机销售额达到1万美元）,运营商规模大（一般拥有10多万台甚至100多万台），加上自动售货机本身具有的节约劳动力与场地等优势，从而降低了经营成本,提高了投资收益。

专家预测,未来几年中国市场上的自动售货机将每年增加5—10万台。

中国沿海比较富裕的地区，将大约有3.5亿人口经常使用自动售货机。

目前按人均台数计算,自动售货机在日本达到每台25人，在美国达到50-60人,在欧洲每台50-120人，而中国的人均拥有量却很低,若按每台500人计算，中国城市人口3.6亿，中国自动售货机的潜在容量为73万台，以每天销售200元计，73万台自动售货机的全年销售额可达500亿。

因此加快发展中国自动售货机业，对提高投资效益具有重要的意义。

1.3本次设计的主要目的、基本思路

本次设计的主要目的能够实现自动售货机的自动控制系统的PLC设计，进一步增强和完善学生自我的创新与动手能力。

本次设计的题目是饮料自动售货机，基本思路是应用西门子S7-200型PLC的梯形图来设计控制程序，并简单介绍相关的知识，如：

PLC的定义、PLC的编程语言、PLC的硬件组成等。

根据设计内容和控制要求画出顺序功能图和梯形图，再根据PLC的相关知识设计出它的外部接线图，结合梯形图和PLC原理图分析说明该设计的控制原理过程。

第二章PLC概述

2.1PLC的定义

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是以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。

2.2PLC的特点

1、抗干扰能力强，可靠性好。

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。

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程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

4、功能完善。

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。

5、设计、施工、调试的周期短。

PLC采用模块化积木式结构，故仅需按性能、容量等选用组装，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。

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。

2.3PLC的工作原理

PLC的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的。

可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。

PLC通电后，首先对硬件和软件作一些初始化操作，初始化反复不停地分阶段处理各种不同的任务。

但是PLC也有它自己的特点，PLC在确定了工作任务装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。

工作原理图如图2.1示：

图2-1

2.4PLC的编程语言

PLC为用户提供了完善的编程语言来满足编制用户程序要求。

它提供的编程语言通常有以下5种：

梯形图LAD、语句表STL、顺序功能图SFC、功能块图FBD和结构文本ST。

2.5PLC的硬件组成

PLC的硬件主要由中央处理器CPU、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，输入单元/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。

其硬件构成图如图2-2所

示：

图2-2

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的工作，它的基本功能是从内存中取出指令和执行指令。

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。

而大部分使用户存储器，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扩展单元与主机单元相连接。

2.6PLC自动售货控制系统

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器装置以来，PLC得到了快速发展，在全世界各国得到了广泛应用。

PLC是由模仿源继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造业。

它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。

用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。

运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。

一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点。

对于自动售货机这样的系统，被控制对象是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。

PLC由于采用通用监控软件，在组态软件设计方面要容易一些。

且PLC通常都支持现场总线，会使得系统通信得到有利保障，更适合实现上位机的远程监控。

目前使用于自动售货机控制的中小型PLC种类繁多，价格低廉。

使设计者会有更多的选择余地。

系统整体造价会比工控机低，而且不会降低系统的稳定性。

所以PLC实现自动售货控制的设计是最佳设计，本文中采用，因为售货机的全部功能是在上位机上模拟的，所以控制起来很方便。

第三章硬件选型

3.1PLC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点找出来看看是继电器还是晶体管或是可控硅型。

如果他们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能小于或大于实际输出数。

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。

对第二个问题，则主要从两个方面要考虑：

1、功能方面：

所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。

如对PLC与PLC的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求。

或对PLC的位置控制有特殊要求等。

这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。

2、价格方面：

不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。

在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。

PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定。

3.2本次设计PLC的选型

PLC控制比继电器控制在逻辑上更改方便、控制速度更高、更灵活且便于维护。

PLC是建立在单片机上的产品。

单片机是一种集成电路，不具可比性。

单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可，PLC是单片机应用系统的一个特例。

从工程角度上说：

对于单项或重复极少的项目，采用PLC是更明智、快捷的途径。

功率高，可靠性好！

通过对各种控制的优缺点分析，各适用于不同控制要求的场合。

对于自动售货机的设计来说。

要求控制速度快、灵活、可靠性高、易于维护和改动、属于单项重复数少的项目。

用PLC来控制是最好的选择。

它少了几点控制的笨重和单片机控制的复杂性。

通过分析各种厂家生产的PLC,结合I/O点数、质量、功能等情况，再分析应用场合发现三菱PLC大多用于大型、超大型的场合。

所以我决定选用了西门子S7200CPU224型PLC来进行自动售货机的控制。

3.3元件清单表

本次设计所需的元器件如表3-1所示：

设备名称

型号

个数

西门子PLC

S7-200CPU224型

1台

继电器

JZX-22F（D）/4Z型

5个

接触器

CJX20910型

5个

指示灯

ZSD型

4个

按钮

LA19型

9个

硬币识别器

KM308型

1台

纸币识别器

MSM-3024型

1台

光电传感器

E3F-DS30C4型

4个

表3-1

第四章饮料自动售货机的设计

4.1基本功能

1、记币功能：

此自动售货机可以投入1元、5元、10元的纸币和1元的硬币；当有币投入时，将相应的币值存放到一个已清零的寄存器VD4中，再次投入时进行累加。

2、比较功能

投币完成后，当投币的面值大于等于2元时，农夫山泉指示灯亮；当投币的面值大于等于3元时，农夫山泉、芬达和可口可乐指示灯亮；当投币的面值大于等于5元时，农夫山泉、芬达、可口可乐和雀巢咖啡的指示灯均亮。

3、选择功能

当按下农夫山泉、可口可乐、芬达、雀巢咖啡按钮时,按N下，就是需要N瓶。

4、饮料供应功能

按下出货按钮时，相应的继电器动作，饮料输出。

同时面值减去相应的购买数额。

5、报警功能

当饮料缺货时，该饮料对应的指示灯闪烁报警。

顾客按下相应的按键无反应（不出物品，不减余额）。

6、退币功能

顾客投入钱币后，如果不想买了可以按退币按钮，自动售货机将退还所投钱币；如果顾客投入硬币在限定的时间内（1分钟）不按任何按钮，自动售货机将退还所投钱币。

4.2控制要求

1、当投入的钱币小于2元时，所有饮料的指示灯均不亮，按下饮料按钮无反应；按下退币按钮，自动售货机退还钱币。

2、当投入的钱币等于2元时，仅有农夫山泉指示灯亮。

按下农夫山泉按钮，农夫山泉出货装置动作（2S）。

自动售货机出货，并于15S后自动找零，指示灯熄灭，恢复初始。

3、当投入的钱币等于3元或4元时，农夫山泉、可口可乐、芬达指示灯亮，按下相应饮料的按钮，对应饮料出货装置动作（2S）。

自动售货机出货，并于15S后自动找零,指示灯熄灭，恢复初始。

4、当投入的钱币大于等于5时，农夫山泉、可口可乐、芬达、雀巢咖啡指示灯亮。

按下相应饮料的按钮，对应饮料出货装置动作（2S），自动售货机出货，并于15S后自动找零，指示灯熄灭，恢复初始。

4.3工作流程图

饮料自动售货机工作流程图如图4-1所示：

图4-1

4.4控制面板图

饮料自动售货机的控制面板图如图4-2所示：

图4-2

4.5I/O分配表

饮料自动售货机的I/O分配表如表4-1所示：

输入信号

名称

地址

符号

作用