基于PLC和组态王的自动售货机控制系统的设计设计.docx
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基于PLC和组态王的自动售货机控制系统的设计设计
基于PLC和组态王的自动售货机控制系统的设计
专业：
测控技术与仪器
学生姓名：
*****
学号：
*****
指导教师：
********
摘要
随着科技的发展及购物理念的不断更新，自动售货机的出现给我们提供了很多的方便，取代了一些传统的营销，让营销方式变得多样化，同时也适应了社会发展的需求。
为人们提供便利的同时，又能让人们体验新的购物方式
。
本文主要介绍了简易自动售货机的基本控制原理及工作流程，采用三菱PLC编程软件对售货机的售货过程进行了程序编写，并在组态王6.55上进行模拟交易的仿真。
设计中主要实现了普通售货机的基本功能，其包括投币累加、钱币不足提示、退币提示、选择购买商品以及自动结算等功能。
设计系统中，一次只能购买一种商品，为了不发生程序错误，在其中设计了较多了互锁。
其整个功能的实现均可在组态王上进行模拟交易。
关键字：
自动售货机；控制系统；监控系统；调试；仿真
Abstract
Constantlyupdatedwiththedevelopmentofscienceandtechnologyandtheconceptofshopping,vendingmachineprovidesuswithalotofconvenience,replacingthetraditionalmarketing,letmarketingbecomediversifiedway,butalsotoadapttotheneedsofsocialdevelopment.Tofacilitatethepeople,butalsoallowspeopletoexperienceanewwayofshopping.
Areintroducedinthispapersimplevendingmachine'sbasiccontrolprincipleandworkingprocess,usestheMitsubishiPLCprogrammingsoftwareofthevendingmachinesalesprocessofprogramming,andsimulatedtradingsimulationonKingview6.55.Thedesignmainlyrealizesthebasicfunctionofordinaryvendingmachine,whichcomprisesacoinaccumulation,coinshortageprompted,cointips,choosetobuygoodsandautomaticbillingandotherfunctions.Inthedesignsystem,onlyonekindofcommoditycanbepurchased,inordernottohavetheproceduremistake,inwhichthedesignhasbeenmoreinterlocking.Thewholefunctioncansimulatethetransactioninkingview.
Keywords:
vendingmachine;controlsystem;monitoringsystem;debugging;simulation
4.1PLC的基本工作原理14
第1章绪论
自动售货机作为一种先进的商业零售方式，已在全世界近50个经济较为发达的国家得到了迅速的发展，实现了商品需求化、性能多样化的发展，又原来只能有限商品品种，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。
据有关资料介绍，在美国，自动售货机的商业零售额每年高达293亿美元，而且每年都以较大的幅度在增长。
在日本和欧洲，自动售货机的发展势头同样非常迅猛，其获得的业绩同样零人瞩目。
但自动售货机在我国的起步比较晚，直至1993年才在广东、上海开始出现，机器分别从日本、韩国进口。
现在，自动售货机的在我国的发展已达
1000多台，主要分布在北京、上海、广州及沿海商品经济较为发达的地区。
由于自动售货机的便捷灵活和昼夜服务，受到当地人民的欢迎。
但起初的自动售货机，在国内的发展有一定的局限性，因为国内大部分人群都使用纸币，而当时的自动售货机只能识别金属硬币，而不能辨别纸币的真伪，特别是小额度的纸币。
鉴于自动售货机的发展前景，很多专家开始攻克这一难题，最终实现了自动售货机只能识别金属硬币的缺陷，同时也在国内得到了很好的发展。
目前的自动售货机功能更加强大，售货过程也各有不同。
现今自动售货机集声、光、机电为一体，能更高效、快捷、准确、安全的为消费者服务。
自动售货机的新奇、文明、高档、昼夜服务、占地小、灵活方便越来越受到各地区市民的喜爱，对于中国这个人口大国，这一种无需店铺和人员看管的销售模式，无非是一个创造高利润最直接的通道。
本文就详细地介绍一种用三菱FX2N系列的PLC和组态王6.55实现的自动售货机控制系统的软件设计和仿真界面的设计[1-2]。
1.1课题的研究目的和意义
对于当前这样一个快速发展与进步的社会，人们追求的不再是陈旧老套的销售模式，而对新事物的产生与发展反而更具有好奇心与接受能力，在这种情况下，人们习惯了能更加快捷的去购买到自己需要的商品，同时也在享受那样一个购物的方式。
就在人们需求的改变和科技不断更新发展的情况下，诞生出了一种新的科技产物，来满足人们对购物的一种体验，这就是自动售货机从诞生到至今都一直很受到消费者欢迎的重要原因。
它给人们提供了一种快捷，方便且24小时无间断的营业方式，适应各类人群对商品的购买需求。
它的小巧、方便既能作为城市的一道风景装饰又能为消费者人群解决对商品的需求。
久而久之，这样一个销售方式得到人们的认同，在许多热闹的街道，办公楼下，甚至住宅小区都可随处可见。
1.2自动售货机控制系统的研究现状
在中国，自动售货机具有广泛的发展前途。
随着中国经济的发展、行业运作的变革和入世的到来，自动售货机在中国的普及和应用是必然趋势。
纵观近年来国内自动售货机市场，从92年开始从日、韩等国引进旧机器摆放国内市场以来，到自行研制和生产国产化自动售货机，各厂家、商家蹒跚起步、艰难守业，已为国内零售业撑起一片蔚蓝的晴空。
由于我国目前的经济与美国、日本和欧洲发达国家相比还有很大距离，我国现有城市人口约4亿多人，如果按平均500人拥有一台自动售货机的话，那么，中国的自动售货机潜在市场需要量就要80万台。
据有关资料介绍，在天津，一台自动售货机每天销售额平均为200元，在大连平均为280元。
如以每台自动售货机每天销售额为200元计，全年通过自动售货机的销售额就可达到600亿元。
自动售货机的高（高技术）、新（新销售方式）、大（市场潜力巨大）、真（商品货真价实）等优点，决定了其具有广阔的发展前景。
根据有关专家测算，在中国，自动售货机的市场容量最保守的估计也可达47万台之巨。
所以自动售货机，在中国会越来越受到广大消费者的热捧，在这么如此巨大的一个数字面前，我们如果加大对自动售货机的研究，并通过自己的技术，制造和维护自动售货机，这将是一项很可观的利润获取。
也能体现我国的经济能力和快速发展的科学技术[3]。
1.3论文的结构
本文主要分章节对自动售货机进行介绍及设计，第1章主要介绍了自动售货机的研究现状及研究意义；第2章则是对自动售货机的方案选择的及所选方案的论证；第3章就是控制系统的硬件设计及选择，通过分小节介绍硬件的构成、选择、上位机的选择与设计以及对PLC的选型；第4章是说明下位控制系统的的实现，其中包括I/O地址的分配、PLC控制程序的设计、PLC控制程序的仿真调试；最后一章，也就是第五章的自动售货机上位监控系统的设计与实现，在组态王6.55上设计仿真界面，将上下位系统联机调试，实现预期设计所能达到的实验目的。
第2章自动售货机的控制方案论证及选择
2.1自动售货机简介
图2.1自动售货机的售货流程
本设计采用三菱PLC编程软件编写了自动售货机的售货过程的控制程序，实现逻辑的运算及选择可行性，不涉及自动售货机硬件的选型和连接。
然后再通过与组态王6.55进行上下位联机仿真，实现整个仿真过程中模拟交易的动态显示。
自动售货机的售货过程如图2.1所示。
1.启动和停止的程序编写是通过主控指令（MC/MCR）来实现启/停控制的；
2.通过选择钱币的按钮，通过加法运算上升沿有效指令（ADDP）来实现钱币累加；
3.钱币存放在寄存器D2中，通过比较指令（CMP）进行投币数与商品价格的对比；
4.在比较过程中，符合购买要求后则可以选择购买对应的商品，而通过减法指令上升沿有效（SUBP），系统会自动减去所购买商品的价格，然后回到3步骤重新比较，或者选择退币；
5.系统中设计了复位按钮，通过指令（ZRST）对数据进行清零；
6.系统实现了60秒无任何操作自动退币的功能。
2.2自动售货机的控制要求
本次设计是主要应用三菱FX2N型PLC来编写控制程序的，并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与组态王6.55的相关知识设计自动售货机的仿真界面，其中通过PLC将数据传输到组态王上，在组态界面上完成模拟的购物过程。
对于本次设计而言，设计出准确无误的梯形图是最主要的，所以我们在设计完梯形图之后，要在三菱FX-2N型PLC上进行仿真，有错则要修改，在确保程序无误的情况下，才能下载到PLC内与组态联机调试。
本设计自动售货机所要满足的要求如下：
（1）自动售货机能出售2元、3.5元、6.5元、12元的4种商品；
（2）顾客可投入的面值最大不超过20元的纸币；
（3）投币结束后，系统自动将钱币数据与可以购买的价格进行比较，比较后大于或等于其中任
意商品价值后，可以选择购买或退币，当比较后小于其中最低商品价值时，可以选择继续投币或者退币；
（4）当顾客购买商品后，售货机自动结算所剩余额（送出的货物用相应的图片来显示模拟），这时可以选择继续购买或者按退币按钮选择退币；
（5）顾客一次只能购买一种商品的一个，若需要更多商品，需要重复操作；
（6）当顾客投入金额大于等于最低价商品，小于等于最高价商品时，其指示灯对应亮起，可以选择指示灯对应按钮，购买该价值区间内的任意一件商品。
2.3自动售货机的控制方案论证及选择
自动售货机的设计中，必须考虑到自动售货机开发成本、可靠性、可维护性、执行速率及程序的易修改性方面进行售货机的最终方案的选择。
而从控制方式来说，可采用继电器控制、单片机控制和可编程控制器控制对售货机实现自动控制，而以下就是对各方案的优缺点比较，并最终确定所选方案。
2.3.1控制方案论证及比较
1.基于继电器的控制
它的控制思想是以继电器为核心，采用硬接线方式把各种继电器、定时器、接触器及其触点按照一定逻辑关系连接起来组成控制系统，控制相关机械工作。
在控制系统过程中，继电器只能作为一个执行机构，是一个控制器件。
图2.2继电器分布接线图
由图2.2所示，继电器控制，所需要复杂的接线和数量相当庞大的继电器。
相对于继电器控制系统而言，虽然对外界的抗干扰能力比较强，但是在设计中使用的机械触点比较多，从而连线较为复杂，并且这些机械触点在开关闭合或断开时，会产生电弧，电弧对元件损害很大，会严重影响元器件的使用寿命，从而降低了系统的可靠性；并且它的控制方式是并行控制，吸合和不吸合都要受到某种限制才能完成，再加上每个继电器只有4-8个触点，在完成售货机设计的过程中，我使用的输入/输出点较多，从而也需要用到许多的触点，如果选择继电器控制，则需要大量的继电器，就会加大实际投入，反而降低了设计中性价比较高的要求。
总体而言，继电器控制不适合运用到多触点的设计中，连接线路也很复杂，增加了施工的难度而且施工完成，却很难再做修整，针对这些可以说明其稳定性、可靠性及程序执行速率都远远不足。
不能满足售货机设计中所要满足性能要求。
2.基于单片机的控制
单片机控制系统是基于芯片级的系统，设计开发一个单片机系统，需要先设计硬件系统，画硬件电路图，制作印刷电路板，购置各种所需的电子元器件，焊接电路板，进行硬件调试，进行抗干扰设计和测试的大量工作；需要使用专门的开发装置和低级编程语言编制控制程序，进行系统联调。
单片机控制自动售货机的基本实现连接，如图2.3所示。
图2.3单片机控制系统
基于单片机控制，虽然它本身价格不贵，但需要购入单片机开发装置（如仿真器、烧录器、电源）和模拟制板等等，都需要不少的费用，再加上开发过程中所投入的人力物力，其开发成本会相当大，而且单片机的控制抗干扰能力较差；对于每块单片机而言，所持有的I/O总数也严重性不足，在自动售货机的设计中，同样需要大规模的扩展，这样也是系统电路更加的复杂，从而降低了系统的可靠性；从开发周期上讲，单片机控制从电路设计、模拟制板、编程、仿真、调试等都要经历非常长的周期，在设计的过程中需要花费很长的时间在硬件设计和编程调试上，对于自动售货机设计而言，应该把大量时间花在工艺过程的分析上，但单片机控制却对最为重要的工艺过程没有太多的时间考虑，且单片机控制对程序修改或者维修都相对复杂，因为它的开发基本上是专用的特殊设备，
在市场很难找到替代的配件。
从整体设计可行而言，单片机控制虽然控制速度达到了要求，但是其可靠性，抗干扰能力相对较差，而且设计所需费用较高，修改和维护起来都比较复杂。
3.可编程控制器控制
它的控制思想是采用可编程的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
相对可编程控制器控制，有硬件的可靠性高、接线简单、通用性好、可连接为控制网络系统、编程简单、使用方便、易于安装和便于维护等诸多优势，基本满足了售货机设计过程中所需要达到的要求[4-5]。
2.3.2方案选择
根据PLC与继电器控制和单片机控制的比较可知，PLC在性能上比继电器控制和单片机控制逻辑都有一定的优势，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便等优点，我们决定选择PLC作为控制核心来设计自动售货机的工作运行程序。
2.4本章小结
本章主要对自动售货机的工艺进行了简单的介绍，了解其能实现的各个功能，并对自动售货机的设计做出了方案的论证，最终通过对比论证，选择了可编程控制作为自动售货机的程序设计；简单的阐述了所设计的自动售货机所要实现的基本控制要求。
第3章控制系统的硬件构成及选型
3.1自动售货机控制系统的硬件构成
其系统硬件组成如图3.1所示。
图3.1硬件电路组成框图
当售货机有钱投入时，会经过纸币识别器，通过识别，确定是真币和面值大小的情况下，会将该信号传输给PLC，PLC就会做出相应的控制，确定输入信号是触动PLC控制程序内的哪个投币按钮闭合，表示投入了相应的钱币并在显示屏上显示出所投金额。
当所投钱币满足购物要求时，对应购物提示灯会亮起，这时可选择对应按钮购物或者选择退币。
3.2PLC的选型
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，目前我国市场上主要的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，目前我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FX2N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FX2N系列可编程控制器。
1.输入/输出点数
在本次设计中，总共选用了13个输入点，10个输出点，具体如表3.1和表3.2所示。
表3.1系统输入点数
输入点名称
输入点数
总点数
启动
1
输入总点数：
13
停止
1
投币选择
5
选择商品
4
复位
1
退币
1
表3.2系统输出点数
输出点名称
输出点数
总点数
商品可选择
4
输出总点数：
10
售出商品
4
钱币不足提示
1
退币提示
1
从输入/输出点数上看，我们选择FX2N-32MR系列的PLC所带的输入/输出点数各有16个，满足有5%—10%的输入/输出点裕量。
2.电源的要求
一般三菱PLC的所需的供电电源一般都是220VAC电源，与我国国内电网电压一致，不需要对其做电源修改的工作，在我国的诸多地区可以得到广泛的使用。
所以采用三菱FX2N的PLC作为自动售货机的控制系统，能满足我国电源220VAC的要求。
3.经济性的考虑
选择自动售货机的控制系统，必须考虑性价比，如果选择一些比较高端的控制设备，不但使自动售货机的生产价格提高，而且维护成本也会随之增加，因为越高端的控制设备，其零件售价也是相当昂贵的。
对于自动售货机而言，控制器所需要完成的控制不是很复杂，而三菱的控制器也有128种应用指令，完全满足自动售货机设计中所需要的指令要求。
4.处理速度
在自动售货机中，其要求对控制的处理速度有一定的要求，毕竟自动售货机是能给人们提供快捷的购物方式，才得到人们的亲睐。
而三菱PLC采用的是循环扫描的工作方式，从实时性看，它的处理速度比较快，而且随着科技的不断发展，PLC的处理和运行速度越来越快。
5.储存空间
三菱PLC的程序存储器最大存储容量有16K步，而我设计的自动售货机程序总的只有208步，远远大于我所用到的步数，而且如果要修改程序，也足够操作员的使用。
综上几点说明，选择三菱FX2N的PLC，作为自动售货机的主控器设备，完全可以实现自动售货机的控制功能，也提高了自动售货机性价比。
3.3工控机的选型
上位机即工业控制计算机简称工控机，工程机通俗的说就是专门为工业现场设计的计算机。
而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁力干扰等特点，而一般工厂均是连续作业，一年中一般没有休息时间。
因此，工控机与普通计算机相比有以下特点：
（1）机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。
（2）机箱内有专用底板，底板上有IPC和ISA插槽。
（3）机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。
（4）要求具有长时间工作能力。
对于工控机作为自动售货机控制系统，能很好的提高自动售货机的持续工作和适应各种复杂的环境，自动售货机的稳定性得到很好的提高，也就能为顾客提供更安全可靠的服务。
而且研华生产的原装机IPC-610H除了有以上的几种特性之外，还是4U上架式机箱，支持LED指示和声音警报通知，能在售货过程中出现问题时，及时发出警报，告知工作人员，及时处理。
其IPC-610H原装机如图3.2所示。
图3.2IPC-610H原装机
3.4本章小结
本章首先是对自动售货机所需要的硬件及各组成部分做了简单的介绍；其次是对设计过程中所使用到的输入/输出点数、性价比、存储量等方面对PLC的选型做了对比说明，实现相同功能的同时，选择三菱FX2N的PLC，既能提高售货机的性价比，也同时能支持自动售货机的各项服务，况且三菱PLC系列中的FX2N具有丰富的内部资源，且能扩展无穷多个点，方便工程人员维护。
第4章自动售货机PLC控制系统的设计与实现
4.1PLC的基本工作原理
在对用PLC进行程序设计前，我们先来了解一下PLC的基本工作原理。
PLC采用的是循环扫描工作方式。
对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。
①输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。
完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。
②程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
4.2PLCI/O地址的分配
设计一个PLC程序，首先就是要对输入/输出单元进行地址分配，而所谓的输入/输出单元通常也称之为I/O单元，是PLC与工业生产之间的连接部件。
PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给本控制对象，已实现控制目的。
本设计的PLCI/O分配表如表4.1所示。
表4.1I/O地址分配表
序号
定义点
符号
功能
1
X000
SB1
启动按钮
2
X001
SB2
停止按钮
续表4.1
序号
定义点
符号
功能
3
X002
SB3
投币5角按钮
4
X003
SB4
投币1元按钮
5
X004
SB5
投币5元按钮
6
X005
SB6
投币10元按钮
7
X006
SB7
投币20元按钮
8
X007
SB8
复位按钮
9
X011
SB9
选择矿泉水按钮
10
X012
SB10
选择汽水按钮
11
X013
SB11
选择果汁按钮
12
X014
SB12
选择咖啡按钮
13
X015
SB13
退币选择按钮
14
Y000
XB1
矿泉水选择灯
15
Y001
XB2
汽水选择灯
16
Y002
XB3
果汁选择灯
17
Y003
XB4
咖啡选择灯
18
Y004
YH1
售出矿泉水
19
Y005
YH2
售出汽水
20
Y006
YH3
售出果汁
21
Y007
YH4
售出咖啡
22
Y010
XB6
出币提示灯
23
Y011
XB7
钱币不足显示灯
4.3自动售货机PLC控制程序的设计
本设计自动售货机主要销售四种不同的饮料，有2元矿泉水，3.5元汽水，6.5元果汁，12元咖啡。
只有当顾客投入的钱币大于或等于最下商品的价格时，对应的指示灯才会亮起，才能购买对应的商品。
投币完成后，也可以不购买，直接选择退币或无操作等待60秒可自动退币。
4.3.1整体程序设计
整个自动售货机程序分为几个小的模块，有启动停止的设计、有投币累加的设计、有比较币值的设计、有选择及饮料供应的设计、有退币及复位的设计；本设计基本上实现了售货机在售货过程中的自动控制要求[6-8]。
如程序流程图
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