PLC自动售货机毕业设计.docx
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PLC自动售货机毕业设计
唐山工业职业技术学院
毕业设计说明书
题目基于PLC的自动售货机控制系统的设计
系别 自动化工程系 班级1班
姓名 学号 1
指导教师
2014年 5月 7 日
目 录
摘要………………………………………………………………………2
1、概述…………………………………………………………………3
1.1自动售货机课题目的及意义………………………………………3
1.2自动售货机的社会和技术背景,目前的发展现状…………………3
1.2.1自动售货机的历史…………………………………………………3
1.2.2自动售货机的发展趋势……………………………………………4
1.3自动售货机功能分析…………………………………………………4
二、功能需求分析…………………………………………………………4
2.1自动售货机设计的主要内容…………………………………………4
2.2设计的主要特点………………………………………………………5
2.3自动售货机设计的基本思路…………………………………………5
3、具体设计………………………………………………………………6
3.1自动售货机的基本功能………………………………………………6
3.2设备选型………………………………………………………………6
3.2.1PLC的选择…………………………………………………………6
3.2.2PLC重要参数………………………………………………………7
3.2.3硬币识别器的选择及识别原理……………………………………7
3.2.3电磁阀的选择………………………………………………………8
3.3I/O点的分配…………………………………………………………8
3.4自动售货机的外部接线图……………………………………………10
3.5自动售货机工作流程…………………………………………………10
3.6顺序功能图……………………………………………………………11
3.7程序……………………………………………………………………12
四、总结…………………………………………………………………19 参考文献…………………………………………………………………20
基于PLC的自动售货机的设计
（）
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，本文阐述了自动售货机的来源与发展，以及它在国内外发展的现状，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。
文中详尽地介绍了自动售货机的各硬件组成，并完成了PLC外部接线图。
在PLC梯形图的编写时，文中采用的是西门子PLC梯形图专用编译软件STEP7来进行编写。
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。
关键字：
西门子S7-200自动售货机梯形图
一、概述
1.1自动售货机课题目的及意义
随着社会不断的进步，人们的物质文化与精神文化都在明显的提高，这样表现在出入各个场所采用信用卡支付现金，一人一部手机，节假日看电影，坐地铁，听音乐会，逛步行街等等，这个现象都表明在物质生活提高的同时，精神生活也提高了，随处可见的出租车，还有随处可见的售货机，这在繁华的都市也已成为不可缺少的一个为市民提供方便的一部机器，只需要投几个币就可以选择自己想要的物品。
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，可以很好的解决人工费用上升的问题等各项优点。
自动售货机解放了人力，方便了生活，创造了效益，方便广大的市民。
所以设计自动售货机是非常必要的。
1.2自动售货机的社会和技术背景，目前的发展现状
1.2.1自动售货机的历史
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。
在自动售货机的历史长河中，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“邮票明信片自动售货机”，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，由于美国的饮料公司大规模进入日本市场，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日元以下的货币全改为硬币，从而促进了自动售货机产业的发展。
自动售货机是本世纪70年代在日本、欧美发展起来的高新技术现代应用产品，被称为24小时营业的微型超市，售货领域已扩展至小食品、小用品、香烟、电话卡、车票、邮票等。
目前在40多个国家已经广泛使用，日本平均每23人一台，，美国平均每40人一台，欧洲平均每60人一台。
在邻国日本，70%份额的罐装饮料市场是通过自动售货机出售的；美国可口可乐公司拥有五十余万台饮料自动售货机分布在世界各地。
通过自动售货机销售将成为商品零售业不可分割的重要组成部分。
1.2.2自动售货机的发展趋势
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，通过电话清凉饮料自动售货机成为该产业的主流。
在夏季，电力消费高峰时期，这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状态下也能保持低温，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。
从自动售货机的发展趋势来看，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和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也就有了其相当可观的前景。
1.3自动售货机功能分析
随着科技的发展和社会的进步，自动化商业机械有了越来越广泛的应用，自动售货机作为自动化商业机械的代表被广泛用于公共场所。
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变化。
自动售货机的新奇、文明、高档、灵活方便等深受广大市民青睐。
售货机的最基本的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购买某种商品，并作出相应的反应。
因此，售货机应能够辨识机内包含的商品：
售货机应该能够显示已投入的币值，以及再投入货币累计显示；同时提示可以购买的商品（或商品的编号）。
当按下选择商品的按钮时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去该商品的价格，同时启动相应的电机，提取该商品到出货口，此时售货机继续等待外部命令，如继续交易，则同上，如果此时不再购买，则按下退币按钮，售货机进行退币操作，退回相应的货币，并在程序中清零，完成此次交易。
二、功能需求分析
2.1自动售货机设计的主要内容
在实际生活中，我们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。
例如：
售货机中有2种商品，A商品价格为0.5元，B商品为1元。
现投入1个1元硬币，当投入的货币超过A商品的价格时，A商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，B商品也提示。
当按下选择A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A商品的价格同时启动相应的电机，提取A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。
由此看来，售货机一次交易要涉及加法运算、减法运算以及在退币时的
除法运算，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。
2.2设计的主要特点
传统的自动售货机可靠性不高，编程、调试、检测等操作不方便等问题。
而PLC可以解决这些问题，PLC具有如下优点：
功能强、性能价格比高；硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强；可靠性高、抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量少，维修方便；体积小、功耗低，对电源要求不高（一般的PLC，如用直流24V电压供电，电压波动允许为16~14V，如用交流220V电压供电，电压波动允许为190-2600）。
由于这些优点使其已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。
其内部采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制定时、计数和算数运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各类类型的机械或生产过程。
可见，PLC在控制自动售货机上占有很大的优势，本设计采用PLC作为控制核心，对自动售货机控制系统进行设计，主要包括硬件设计和软件设计。
2.3自动售货机设计的基本思路
本次设计的题目是自动售货机，主要是应用西门子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，结合梯形图和外部接线图分析说明该设计的控制原理过程。
本次设计的重要部分是第三章的设计部分，即自动售货机梯形图的设计。
首先就得根据设计内容和控制要求准确画出它的顺序功能图，再根据所画出的顺序功能图准确设计出它的梯形图，这样才能真正理解本次自动售货机的控制原理。
3、具体设计
3.1自动售货机的基本功能
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。
在实际生活中，我们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。
例如：
售货机中有2种商品，A商品价格为0.5元，B商品为1元。
现投入1个1元硬币，当投入的货币超过A商品的价格时，A商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，B商品也提示。
当按下选择A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A商品的价格同时启动相应的电机，提取A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。
由此看来，售货机一次交易要涉及加法运算、减法运算。
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。
3.2设备选型
3.2.1PLC的选择
本次设计的题目应用西门子S7-200型，它的特点如下：
（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。
3.2.2PLC重要参数
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，另一方面是选择哪个的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，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或者是可控硅型。
控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之间既有交流220V的接触器、电磁阀、又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出端数有可能呢大于实际点数。
因为PLC的输出点一般是几个一组公用一个公共端，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，成本增加。
所以要尽可能所则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。
对于第二问题，则有以下几个方面的考虑:
（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与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；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素。
（3）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了。
3.2.3硬币识别器的选择及识别原理
本次采用的“硬币识别机”是用电磁的方式识别硬币真假。
装置设置有感应线圈，通过对硬币的材料、大小尺寸等各个要素进行感应并探明真伪。
据技术人员介绍，不同的材质具有不同的磁场变化，可以通过电子技术进行分析、探查和识别，更高级的检测还可以运用频谱分析。
我国目前发行的1元,5角硬币的金属原材料是为造币而专门使用的特殊合金,因此在它通过投币入口进入由电感和电容组成的特定高频振荡线路所产生的磁场时,金属材质和体积的差异对电感量的影响大小也出现微弱差异,电感量的变化引起振荡频率的变化;再通过检测频率的变化,与设定值进行比较,确定某种硬币种类后,经窄带选频电路将频率信号变成电压信号输出,完成对金属硬币的识别。
硬币识别器的识别原理
主要识别指标：
直径、材质、厚度。
材质是用电磁的方式测的，使用空心线圈或磁芯线圈，线圈组数少的只有一组，多的常见的是六组。
工作状态下，线圈及其外围电路会以一个特殊的频率振荡，当硬币以垂直或平行于线圈平面的方式穿过时，会引起振荡频率的变化。
材质不同所引起的频率变化幅度和方向（增加、减少）也不同，对某种硬币的变化特征进行记录后，就成为使用中识别该种硬币的依据。
厚度是没有东西专门测的，实际上这个指标是和材质一起测。
因为即使相同材质的硬币，如果厚薄不同，导致的频率变化差异也较大。
直径——老式的识别装置用光电管队列来识别直径，排列组合得当的话，识别精度也不低（可答0.5mm）。
新一点的都用偏心或异形线圈来测量，依据是直径小的硬币与线圈的重合部分也少，由此也带来频率变化的不同。
3.2.3电磁阀的选择
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。
用于控制气压流动方向，工厂的机械装置一般都由气压缸控制，所以就会用到它的工作原理，里面有密闭的腔，在不同的位置开有通孔，每个孔都通向不同的气管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排气孔，而进气孔是常开的，气体就会进入不同的排气管，然后通过气体的压力来推动气刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。
这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。
电磁阀是利用电磁线圈通电后产生的磁场来实现动作的，因此电磁阀只有开、关两个位置，即常闭（不通电时关闭状态）、常开（不通电时打开状态）。
由于开启时间少于关闭时间，所以选用常闭型电磁阀。
选用交流型电磁阀，电压规格用尽量优先选用AC220V。
3.3自动售货机I/O点的分配
输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。
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被控制对象，以实现控制目的。
本次智能抢答器I/O点的分配如表3-3所示。
表3-3自动售货机I/O点的分配表
序号
定义点
符号
功能
1
I0.0
SB1
找零按钮
2
I0.1
SB2
食品五角按钮
3
I0.2
SB3
食品一元按钮
4
I0.3
SB4
饮料一元按钮
5
I0.4
SB5
饮料二元按钮
6
I0.5
SB6
日用二元按钮
7
I0.6
SB7
日用三元按钮
8
I2.0
SB8
投五角硬币
9
I2.1
SB9
投一元硬币
10
I2.5
SB10
找零五角
11
I2.6
SB11
找零一元
12
I3.1
SB12
食品五角行程开关
13
I3.2
SB13
食品一元行程开关
14
I3.3
SB14
饮料一元行程开关
15
I3.4
SB15
饮料二元行程开关
16
I3.5
SB16
日用二元行程开关
17
I3.6
SB17
日用三元行程开关
18
Q3.1
食品五角红灯（物品售完）
19
Q3.2
食品一元红灯（物品售完）
20
Q3.3
饮料一元红灯（物品售完）
21
Q3.4
饮料二元红灯（物品售完）
22
Q3.5
日用二元红灯（物品售完）
23
Q3.6
日用三元红灯（物品售完）
24
Q0.0
找零
25
Q0.1
出食品五角
26
Q0.2
出食品一元
27
Q0.3
出饮料一元
28
Q0.4
出饮料二元
29
Q0.5
出日用二元
30
Q0.6
出日用三元
31
Q2.1
食品五角绿灯（可以购买）
32
Q2.2
食品一元绿灯（可以购买）
33
Q2.3
饮料一元绿灯（可以购买）
34
Q2.4
饮料二元绿灯（可以购买）
35
Q2.5
日用二元绿灯（可以购买）
36
Q2.6
日用三元绿灯（可以购买）
3.4自动售货机的外部接线图
本次知道售货机的外部接线图如图3-4所示，SB2—SB7为物品选择按钮，当投入货币物品绿灯亮（Q2.1—Q2.6），按下SB2—SB7其中一个，对用的KM线圈得电电机转动出相应的物品（Q0.1—Q0.6），当有物品销售完其行程开关断开，物品红灯亮并同时向总部发送物品销售完的信息；当收买物品总值低于投入总值时，可按找零按钮SB1选择找一元还是五角（SB10、SB11）后KM1得电电机转动找零（Q0.0）。
图3-4PLC接线图
3.5自动售货机工作流程
1.此自动售货机可以投入五角、一元的硬币；
2.如果顾客投入硬币在限定的时间内（2分钟）不按任何按键，自动售货机将退还所投硬币；
3.当投入硬币的总值等于或才超过物品价值时，对应的物品指示灯亮绿灯；
4.当物品对应的指示灯亮绿灯时，按下按下相应的按键，相应的物品排出，同时指示灯绿灯闪烁；
5.如果顾客投入硬币总值超过所选物品的价值时，自动售货机会自动将余款退还顾客；
6.当顾客成功购买完一件物品后20秒无操作，自动售货机会自动将余款退还顾客；
7.如果顾客投入硬币后又不想买物品，按下退款按键，自动售货机会自动将余款退还顾客；
8.找零时顾客可选择退一元的还是五角的；
9.当物品不足时，对应的物品指示灯亮红灯，顾客按下相应的按键无反应（不出物品，不减余额），并向总部发送所缺物品。
3.6顺序功能图
由于顺序功能图（SFC）有五种基本结构：
顺序结构、选择性分支结构、并发性分支结构、循环结构、复合结构。
本次自动售货机的SFC图，根据控制要求选用——选择性分支结构和并发性分之结构。
因为选择性分支结构是一个控制流可以转入多个可能的控制流中的某一个且不允许多路分支同时执行。
具体进入哪个分支，取决于控制流前面的转移条件哪一个为真。
而并发性分之结构是一个工作步执行完后，需要同时开启若干条分之，并采用双水平线相连且要有一个公共转移条件，这两种顺序功能图结构符合本次自动售货机的控制要求，所以选择这两种结构。
图3-3自动售货机顺序功能图
3.7自动售货机设计的梯形图
四、总结
通过几个月的学习研究以及常老师的指导，终于按时完成了毕业设计。
设计主要研究的是自动售货机中有关于PLC的部分。
自动售货机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。
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。
所以说，自动售货机是今后小商品和饮料销售方式的一个很好的发展趋势。
它的出现将极大地方便人们购买所需要的小商品。
从接受课题到完成论文，衷心的感谢我的指导常老师给予了精心的指导和热情的帮助。
常老师在PLC方面具有丰富的经验，对我的设计工作给予了很多的指导和帮助，使我能够将理论中的结果与实际相结合。
尤其在课题设计的前期准备阶段，常老师提出许多宝贵的设计意见，在最后的测试修改阶段老师在百忙之中抽出时间为我们提供了必要的帮助，这样使得我得以顺利的完成毕业设计开发工作，在短暂的相处时间里，老师渊博的知识，敏锐的思路和实事求是的工作作风给我留下了深刻的印象，这将使我终身受益，谨此向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。
最后，衷心的感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师！
衷心的祝愿各位身体健康、工作顺利。
参考文献
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机械上业出版社，2005，第60页--第120页
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机械工业出版社，2000,第30页--第84页
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