基于PLC的自动售货机控制系统的设计.docx

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基于PLC的自动售货机控制系统的设计

引言

自动售货机是自动化时代产物,它出现方便了人们生活购物。

由于地理位置限制，人工费用，以及时间差异，给人们购物限制了一定条件，为了方便人们生产生活，自动售货机便出现在人们生活中，自动售货机以长时间不间断工作，占地面积小，维修方便，无需人工监守，在国外得到了快速发展。

但是自动售货机在中国市场拥有量较小，相对于中国人口较大购买消费能力，自动售货机在中国市场有很大发展应用空间。

但自动售货机工作环境复杂工作周期长，这就需要自动售货机有较强抗干扰能力和稳定控制系统，目前市场上自动售货机多以PLC为控制系统，该种售货机操作方便，容易维修，购买操作方便，本设计通过分析自动售货机销售方式和功能要求，以确定控制系统设计。

通过编程软件编写出对应系统梯形图，调试分析确认系统无误后，导入PLC仿真软件中，对系统进行仿真模拟，检测系统能否满足设计要求。

并对系统不足之处进行修改，满足设计要求后，在试验台上进行接线模拟。

最终在试验台上模拟出自动售货机销售方式和购买流程。

随着科技发展，自动售货机还会不断地改进，能更好为人们提供服务，方便人们生活。

第一章绪论

自动售货机出现是自动化社会产物。

在社会消费水平迅速提高今天，大量购买消费可发生在任何时间任何地点。

由于时间，地理位置限制，给人们购物带来了不便，为了满足商业需求方便人们购物消费自动售货机便出现在人们生活中，自动售货机以其占地面积小，24小时不间断工作，后期投入少优势方便着人们生产生活，可放置在人流量较多车站，学校餐厅，人群密集小区，街道。

自动售货机在一定程度上为人们提供了购买可能，但在国内自动售货机数量还远远不足，人均占有量少，只能实现简单购买交易，人工智能欠缺，国内自动售货机还急待发展。

基于PLC自动售货机操作方便，性能稳定，销售种类丰富，在市场销售中有着良好发展前景。

1.2自动售货机国内外发展现状

随着自动化时代来临，以及商业销售发展需要，自动售货机出现在人们生活中，美国在二十世纪初期研究出销售香烟售货机，后来又逐渐出现了销售不同产品自动售货机。

现在自动售货机逐渐发展完善，销售种类多种多样，操作方便简单不仅能用货币交易们还支持在线付款网上交易。

国内自助售货行业起步晚，发展快，随着自动售货机不断发展其功能也会逐渐完善，人工智能也会做更好，目前市场上自动售货机主要由投币系统，通过货币识别器识别出货币面值、真伪，并通过内部系统对币值进行累加，当投入货币总数大于商品售价时，可以进行商品选择购买，购买结束后找出余额。

较为先进自动售货机在投币阶段可以进行付款方式选择，不仅能进行投币，还可选择在移动端进行网上支付。

在商品出货方式上有多种出货方式，可根据销售对象种类设置不同出货方式，目前较先进是通过机械手出货方式出货，能保证物品在销售过程中不受损伤，但由于技术及成本问题，目前市场上售货机还没有普及此种出货方式，由于国内自动售货机行业发展时间短，及先进国家还有一段差距。

国内自动售货机在稳定性方面，销售商品多样性还及国外有一定差距，在管理方面也有很大欠缺不足，不能很好监控到售货机状态。

随着行业发展售货机逐渐接近成熟支持多种付款方式线上和线下支付，支持较大金额支付及交易结算，根据销售商品不同商品出货方式也不同，根据气候地区不同自动售货机具有制冷，半制冷，制热功能，同时具有多种监控方式。

国内自动售货机不断发展以满足商业需求和人们购物需求，内部系统和智能方面也逐渐完善，自动售货机也逐渐出现在人们生活中，在一些城市校园中我们随处可见，它改变着人们购物方式。

目前市场上自动售货机根据操作方式分为两类，一类为先选择商品在投入钱币操作流程如下图：

图1.1操作流程图

此类售货机根据选择商品价格投入一定货币。

另一类为先投入钱币在选择商品，操作流程如下：

图1.2操作流程图

此类先投入一定货币，根据投入货币选择可购买商品，两类售货机在购买流程上有一定差别。

（1）当发生交易时，货币从投币入口投入，经过货币识别器识别出货币真伪。

当货币为真时，传感器给PLC传送指令。

（2）PLC接到指令把投入钱币币值累加到一起，再及商品价格形成对比，当投入币值大于等于商品售价时，对应商品显示灯亮可进行购买此类商品。

自动售货机内此种商品售空，则无法在进行此种商品购买，此种商品缺货指示灯亮。

（3）当某类商品可购买时，按下对应商品按钮，就可以在取货口进行取货。

（4）当一次购买结束后，余额会再次和商品价格进行比较，若余额仍大于某些商品售价，则还可进行购买。

购买结束则可按退币按钮，进行退币结束交易。

（5）系统复位，完成售货。

1.3本课题研究目及意义

在自动化时代，任何发展研究都是为更好服务人们生产生活。

由于时间和地理位置因素，商场和超市并不能很好满足人们购物要求。

为了满足商业销售，也为了更好满足人们购物需求，自动售货机便渐渐渗透到生活各个角落，如今在学校图书馆，餐厅，车站候车室，以及人员密集街道都能看到自动售货机身影。

简易购物操作，多方式支付方式，和稳定控制系统，能为用户带来良好体验。

研究主要内容

自动售货机是一种自动化设备，为人们提供24小时售货服务，其扮演角色不断方便着我们生活，也越来越受到人们喜爱。

相比以单片机为控制基础售货机，以PLC为控制基础售货机更能抵抗外部因素带来干扰，系统稳定性强，设备维修方便，在程序设计上也比较简便，更加适合在复杂公共环境下使用。

具体研究方法分以下步骤：

（1）硬件设计：

通过对自动售货机功能分析，了解自动售货机工作原理，分析出硬件组成结构。

（2）软件设计：

根据自动售货机功能要求，对系统进行模块分解，逐个分析系统模块，掌握模块系统基础上对整体系统进行研究分析，编写出所要求控制程序以实现自动售货机功能。

（3）仿真模拟：

通过编程软件STEP7-Micro_WINSP9编出对应功能梯形图，调试确认无误后导出程序，在S7-200仿真软件上，对系统进行仿真模拟以分析控制系统是否达到设计要求，并通过模拟反馈完善系统设计。

确认系统无误后在实验室进行接线模拟，确认系统在实际运用可行性。

第二章系统硬件设计

在自动售货机控制系统中，各种硬件设备及PLC连接，当硬币识别器，纸币识别器对钱币识别后给PLC一个信号，PLC内部进行货币加数计算。

通过各种按钮进行购买，退币控制。

当购买商品时，按下商品选择按钮，PLC输出指令通过接触器控制电机进行商品出货、退币。

该自动售货机可靠性强,使用方便,对投入钱币有自动识别真伪功能,并能对投入钱进行累计,根据投入钱币选择商品,当商品缺货时对应缺货指示灯亮,交易结束进行自动找零。

图2.1硬件结构图

2.2PLC选型设计

图2.2PLC控制系统图

本次设计以西门子S7-200为内部控制系统。

以西门子S7-200为基础控制系统自动售货机可根据销售对象种类来选择要扩展模块。

直接读写摸拟量I/O模块，不需要复杂编程，方便了开发人员程序设计。

普通PLC温度适用范围为0~55度，宽温型S7-200适用温度范围为-25~+70度，为自动售货机复杂销售环境提供了可能。

S7-200以其极高性价比，在工业控制中占有不可替代地位。

图2.3PLC外形图

根据自动售货机功能要求，对PLC进行模块化设计

（1）系统初始化功能模块。

每当发生一次交易时系统都要进行一定初始化以方便再次购买。

如钱币计数系统初始化，当售货机内存货不足时要及时补给商品，并对商品数量计数系统进行初始化。

（2）货币辨识功能模块。

当有货币投入时，通过货币识别模块进行对货币识别，当识别通过后会给PLC发送指令通过累计器对钱币计数。

（3）系统显示功能模块。

通过系统显示模块来识别投入钱币是否能够购买某种商品，和商品是否缺货无法购买。

（4）价格比较功能模块。

通过价格比较模块来比较投入货币是否能达到购买某种商品。

（5）商品选择功能模块。

自动售货机售有4种产品,分别为1元纯净水、2元山泉水、3元红茶,4元奶茶，当投入货币币值大于等于商品按钮时只要选择对应商品按钮就可以购买。

（6）退币功能模块。

当交易结束时按下退币按钮就可以退出余额结束购买。

硬币识别主要通过识别硬币材料和尺寸来判别硬币真伪，硬币材质是由特殊合金制作成，无法伪造出来，不同币值硬币在尺寸重量上有很明显差别。

当硬币投入后，硬币通过由电感和电容组成磁场，由于硬币材料和尺寸上不同，通过磁场时会影响电感电感量，电感量变化引起振荡频率变化，检测到振荡频率及系统中存在频率进行对比，就可判别出钱币真伪，如果钱币为真则给PLC发送信号，进行货币计算。

当投入假币时，由于假币在振荡频率不同无法通过硬币识别器被弹了出来。

图2.4硬币识别器

2.4纸币识别

在纸币投币过程中，纸币要先经过纸币识别器进行识别。

在市场上纸币识别通常为紫外线识别，由于纸币是由特殊纸张制作而成，在紫外线下没有荧光反射，可以根据荧光强度辨别钱币真伪。

不同币值纸币面积大小有所不同，可通过红外装置来辨别钱币纸张大小来区分币值，当钱币为真时，钱币可通过纸币识别器，并给PLC一个信号，进行货币累加计算。

如果钱币为假，则吐出假币，无信号输出。

图2.5纸币识别器

当发生购买后，自动售货机要自动出货，市场上售货机出货方式多种多样，根据售货种类不同，出货方式也有所不同。

市场上售货机大都是通过电机提供动力出货，在自动售货机内部每种产品出货都需要一个电机来实现，但自动售货机中电机功率并不需要多大，但当要求电机通电后能迅速动作，因此在电机选择方面我们选择低电压功率较小直流电机。

在市场上自动售货机出货种类方式较多，不同出货方式都有其优缺点，下面是市场上两种种出货机构。

目前市场上出现了一种机械臂出货方式，该方式相对于传统掉落式出货方式更加智能，当发生购买时，自动售货机内部机械手便上升到对应商品位置，在抓取商品后，送到取货口出，即可取出货物，这种出货方式很大程度上保护了商品。

适用于易碎易损商品出售，但成本较高不适合以饮料为出售对象售货机。

旋转式送出机构，把出售商品放置在螺旋轨道上，当购买时电机动作带动螺旋轨道旋转，当商品转到货到底部开设口槽时，便从槽口下货，这种出货方式在市场上占有很大份额，它要求电机转矩较大，不适用于易碎易损商品出货方式。

但本次销售对象为抗摔抗破碎商品因此选择旋转式出货机构。

第三章系统软件设计

自动售货机内部系统工作是从投币开始，从退币结束。

当投入货币时开始对币值进行累加计数，然后判断投入币值是否大于等于商品售价，是否能购买商品，购买后计算出余额，若交易结束按下选择按钮即可结束交易，若继续购买余额继续及商品售价比对，判断是否可以购买。

表3.1自动售货机I/O分配表

功能名称

定义点

符号

投1元硬币

SB1

投5元纸币

SB2

投10元纸币

SB3

纯净水选择按钮

SB4

山泉水选择按钮

SB5

找零按钮

SB6

红茶选择按钮

SB7

果汁选择按钮

SB8

纯净水出货

山泉水出货

红茶出货

果汁出货

找零

纯净水绿灯（可购买）

山泉水绿灯（可购买）

红茶绿灯（可购买）

果汁绿灯（可购买）

纯净水红灯（售空）

山泉水红灯（售空）

红茶红灯（售空）

果汁红灯（售空）

在上表中SB1,、SB2、SB3为货币投入模拟按钮，SB3、SB5、SB7、SB8为相应商品选择按钮，当投入钱币满足购物时只需要按下相应按钮即可购买。

SB6为找零按钮。

在投入货币后，当货币值大于等于某商品时，此时满足购买此物条件，对应指示绿灯亮，表示可以购买。

如果商品对应指示红灯亮表示该商品缺货无法购买。

3.3PLC外部接线图

图3.2自动售货机外部接线图

3.4PLC程序设计

钱币计数系统

当出现交易时，顾客每次投入钱币都需要经过货币真假识别系统进行识别，若货币为伪假币则系统不给PLC传递计币指令。

若钱币为真则传感器给PLC发送计币指令，PLC把接收来信号指令进行系统处理，累加币值，当投入1元货币累加1，投入5元货币累加5，投入10元货币累加10。

下图3.3是当投入钱币，或购买商品后币值发生变化时，C1值改变。

当投入1元时I0.0闭合，C1累加1，投入5元时M0.1闭合5次C1值加5，投入10元时M0.3闭合10次，C1值加10。

当发生购买后，根据对应商品售价值其对应控制按钮闭合，C1值减去对应商品值。

图3.3币值计数

下图是当五元时，I0.1闭合，M0.0闭合，系统处于自锁状态。

且当T51计时时间到时系统断开。

图3.4多元投币梯形图

当M0.0闭合后，T51，T52开始计时，当T51计时结束时系统断开停止计时。

在T52计时时间到时M0.1输出一个信号，同时T53开始计时，T53计时时间到后T52断开，并开始计时。

此时系统完成一个输出周期。

在T51结束计时期间M0.1共输出5次，C1值加5。

只要改变T51值就可完成其它多元投币。

商品购买系统

当投币完成后，系统把所投入货币值累加到一起，系统内部进行货币及商品售价对比，当投币币值大于等于某商品时，该商品可购买指示灯亮，此时可以进行购买该商品。

按下相应商品选择按钮即可在自动售货机出货口内取货，接着再进行价格及余额比较，若余额符合购物条件还可再次进行购买，相应指示灯亮，若再一次购买后余额仍大于一些商品价格则还可以继续购物。

不然商品指示灯不亮。

如下图3.5，当投入金额或余额大于等于该商品售价时则可以摁下商品选择按钮I0.3就可购买此商品，然后通过加减计数器指令计算出余额并存入C1中。

当购买该商品时，按下此商品选择按钮，T57开始计时，M1.3常开触点闭合，当计时结束后，M1.3断开经过下降沿触发Q0.1输出，电机工作商品被抛出。

图3.5商品购买出货

图3.6商品差价计算

当按下购买按钮后，T57开始计时，同时T58也开始计时，0.5S后T59开始计时，T58常开触点闭合M0.4输出一个信号，加减计数器减1，再过0.5S后T59常开触点闭合，常闭触点断开。

此时一个周期结束C1值减1，在T57计时结束期间共有一个周期，M0.4一次输出，C1值减1。

商品计数系统

自动售货机内商品一次存放数量都是有限，当自动售货机内商品销售缺货时，则无法再进行此类商品购买。

以下是纯净水数量计数，每发生一次购买Q0.1闭合一次，商品数量减少一次，当购买五次后，则无法再进行购买，需要补充商品。

图3.7商品计数

商品可购买显示

当投入金额大于商品售价时且自动售货机内有该商品时则该商品显示绿灯，Q0.7闭合商品可以购买。

图3.8商品可购买显示

缺货显示系统

当商品被多次购买后，C2从设定商品数量值减到0则C2常闭触点断开，常开触点闭合，则该商品对应售空不可购买红灯亮，即使投入钱币大于等于商品售价，也无法进行购买，商品可购买绿灯不再显示。

找零系统

当购买结束后，按下找零按钮I0.5，Q0.5闭合，找零电机动作，即可把余额退出。

图3.10退币找零系统

第四章仿真模拟

学习PLC最有效手段就是手动编程和上机调试,由于一些条件限制缺乏实验条件,编写程序后无法检测是否正确，仿真软件出现解决了这一现状。

S7-200仿真软件能模拟S7-200大多数指令和功能，PLC编程过后通过编译确认系统无误后可通过该软件进行仿真模拟，并确认系统正确可行性。

在系统配置中选择此次试验CPU型号，CPU224。

在CPU右边是拓展模块，可根据要添加I/O点拓展模块数量。

仿真软件不能直接接受S7-200程序代码，程序编译成功后，在编程软件中导出文件，将程序转换成扩展名为“awl”文本文件。

打开仿真软件，在“程序”中选择“装载程序”，选择要装载文件。

如果仿真软件支持程序中全部指令和功能，单击工具栏“运行”按钮，切换到RUN模式，此时可对程序进行监控。

图4.1仿真软件设置

4.2系统仿真

在系统仿真中，系统处于RUN状态，并对程序块进行监控。

初始状态下，币值计数C1值为0。

图4.2投币计数系统模拟

图4.3一元投币计数

当按下I0.0投币按钮后，I0.0常开闭合C1值加1。

当按下5元投币按钮后，I0.1常开闭合，M0.1输出，C1值加5。

图4.4多元投币计数

当投入钱币大于等于商品售价时商品可购买指示灯亮。

图4.5商品可购买提示

当商品可购买按下商品选择按钮，通过计时器，控制M0.4输出，商品售价为1则M0.4输出1次，加减计数器值减1。

同时Q0.1有输出，电机工作商品被送出。

当一次购买出货后，自动售货机内，商品库存量减一。

图4.6商品计数

当商某一商品被售空对应缺货指示灯亮，此时无法再进行购买该商品。

且当余额小于商品售价时，此商品对应可购买指示灯熄灭，该商品无法购买。

当交易结束时，余额大于0，按下找零按钮I0.5，Q0.5输出，电机工作找零出币，C1值清零，交易结束。

图4.7退币找零

图4.8系统复位

4.3接线模拟