毕业设计基于PLC的自动售货机控制系统设计毕业论文.docx
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毕业设计基于PLC的自动售货机控制系统设计毕业论文
随着科技的不断发展，PLC在工程中的应用大家有目共睹，PLC在各个领域已占得一席之地，并将有更好的发展。
我国人口数量庞大，自动售货机在人们的生活中扮演越来越重要的角色，从长远来看其具有广阔的发展空间。
本次设计的自动售货机为饮料自动售货机，贩卖的商品性质明确，适于放置在短时间人口流动比较大的地方，比如餐厅。
首先通过与单片机和液压等控制的对比，确定采用PLC来控制自动售货机，然后分析自动售货机的结构和工作原理，明白自动售货机的贩卖过程，以便为硬件的选择做准备。
通过自动售货机的功能分析作出硬件框图，根据硬件框图选择所需要的PLC、货币识别器、电动机和接触器。
根据I/O分配表对PLC选型，并画出外部接线图。
根据控制系统流程图编写符合自动售货机功能的程序。
如果购物后有剩余金额，则可按退币按钮退币。
梯形图的编写通过GXDeveloper来完成，完成梯形图后可以在三菱PLC仿真软件GXSimulator6c进行调试和仿真。
最后用MCGS作出组态效果。
组态仿真图中自动售货机包括按钮、指示灯、投币口、取物口、退币口等部分。
关键词：
自动售货机；PLC；梯形图；MCGS
ABSTRACT
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theapplicationofPLCinengineeringeverybodybeobvioustopeople,PLChasoccupiedaspaceforonepersonineveryfield,andwillhaveabetterdevelopment.Becauseofthelargenumberofpopulation,thevendingmachineisplayingamoreandmoreimportantroleinpeople'slife,inthelongrunithasbroadspacefordevelopment.Thedesignoftheautomaticvendingmachineforbeveragevendingmachine,thenatureofthegoodssoldintheclear,adaptedtobeplacedinashorttimepopulationflowofrelativelylargeareas,suchasrestaurant.First,bycomparingwiththesinglechipmicrocomputerandhydrauliccontrol,andadoptPLCtocontrolthevendingmachine,thenanalyzesthestructureandworkingprincipleofautomaticvendingmachinessellingprocess,understandthevendingmachine,topreparefortheselectionofhardware.Throughvendingmachinefunctionanalysistomakethehardwareblockdiagram,accordingtothehardwareblockdiagram,selectthedesiredPLCcurrencyrecognizer,motorandcontactor.AccordingtotheI/OdistributionlistonthePLCselection,anddrawtheexternalwiringdiagram.Accordingtotheflowchartofcontrolsystempreparedwithvendingmachineprogram.Iftheshoppingaftertheremainingamount,thenpressthecoinbuttoncoin.TrapezoidalchartcompilationdonebyGXDeveloper,completeladderdiagramcanbedebuggedandsimulatedinMitsubishiPLCsimulationsoftwareGXSimulator6c.Finally,MCGSmadetheconfigurationeffect.Configurationsimulationdiagramofthevendingmachinecomprisesabutton,indicatorlight,theslot,fetchingport,acoinrefundpart.
Keywords:
vendingmachine;PLC;ladderdiagram;MCGS
1绪论
1.1自动售货机的研究背景及意义
自动售货机最早出现在20世纪60年代的欧美，当时在美国的地铁系统中。
人们可以用1美分在自动售货机上购买到一块口香糖。
这便是最早的自动售货机。
作为一种全新的零售方式，20世纪80年代以来，自动售货机在美、日等发达国家得到了迅速的普及和发展。
其产品特点是科技含量高，集光、机、电、防伪识别、数字密码、智能软件等技术于一体；24小时服务，售货便利，无需专人盯守，省人工，省成本；售货范围广，人们通过自动售货机不仅可以买到食品、香烟、饮料、报纸、票、卡，甚至鲜花和小宠物等物品；此外它还是一种新颖独特的广告媒体。
目前，自动售货机已经在许多个国家和地区使用。
根据美国《自动世代》统计，日本每23人拥有一台自动售货机、美国每40人一台、欧洲每60人一台。
在邻国日本，全国市场70%的罐装饮料是通过自动售货机售出的，每个人一年投入自动售货机用于购物的货币高达400多美元；根据日本麒麟啤酒公司调查，一台自动售货机每年可售出上万罐清凉饮料，比一般不太繁忙的小商品销量还要大，美国可口可乐公司则拥有分布于世界各地的几十万饮料售货机；在西班牙，全国通过自动售货机售出的商品销售额占全国零售业的六成以上，并以每年10%的速度递增。
全世界约有1800万台自动售货机处于运营中，包括自动售货机制造与运营在内的整个行业年销售额超过2500亿美元，自动售货业已成为零售业增长最快的行业之一。
近几年，自动售货机在我国的大中城市发展势头非常迅猛，车站、码头、酒店宾馆、大学校园、繁华的街道等地方随处可见自动售货机的身影。
据统计，广州市区就摆放了各种品牌的自动售货机，而这还不足以满足地铁和公交车站的需要。
自动售货机不但给人们的生活带来了极大的方便，而且也成为现代化城市的一道亮丽的风景线。
随着我国零售业态的不断发展和2010年上海世博会举行的过程中，我国无店铺销售业态的发展获得了良好的环境和契机。
尤其是跨国企业的加入，进一步刺激和带动我国自动售货机产业的发展。
1.2研究自动售货机的目的
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。
自动售货机行业长期以来在美国、日本等国家得到迅猛发展，目前已在多个国家得到广泛普及。
据业内人士估计，但中国的自动售货机拥有量还不太多，相对于13亿的人口大国和零售业态发展的趋势而言，中国自动售货机行业的发展空间将更加广阔。
1.3本设计研究的内容
本课题采用三菱FX2N系列PLC对饮料自动售货机控制系统进行设计。
（1）通过与单片机、继电器、液压在各个方面的比较，确定自动售货机的主控单元是PLC。
（2）通过对自动售货机的售货方法分析确定采用双弹簧出货机构，直流电动机驱动。
（3）根据系统需要确定饮料自动售货机的硬件，通过硬件框图选择硬件部分。
根据自动售货机的功能选择货币识别器和电动机以及接触器的选择。
通过I/O列表确定PLC类型，做出硬件连接图。
（4）根据控制功能图进行梯形图设计，软件选哪种要结合硬件的性质选择合适的数据寄存器以及根据功能使用合适的算法。
并在软件中调试运行，用组态软件作出仿真。
2自动售货机的功能分析
2.1自动售货机主控单元的确定
实现自动售货机到的售货功能最主要的是依靠主控单元。
可以作为主控单元的元件有很多，但最适合的要通过比较才能确定。
2.1.1PLC的部分功能
PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。
因此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。
硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，它们相辅相成，缺一不可。
PLC的硬件系统主要有主机、输入/输出扩展单元、外部设备组成，各部分之间通过总线连接。
其中主机由中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出电路、外部设备接口、电源几大部分组成。
中央处理单元是PLC的核心部件，它的功能是：
（1）接受、存储用户通过编程器等输入设备输入程序和数据。
（2）以扫描方式接收来自输入单元的输入变量、状态数据，并存入相应的数据存储区
（3）利用错误校验技术监控存储和通信状态、诊断内部电路的工作状态、电源状态和用户编程中的语法错误。
（4）执行用户程序，完成各种数据处理、传输和存储，并根据数据处理结果，刷新有关标志的状态位的状态和输出状态寄存器的内容，产生相应的内部控制信号，以完成用户指令规定的各种操作。
（5）响应各种外围设备的要求。
存储器是PLC的另一主要部分，存储器主要用来存放系统程序、用户程序和数据。
根据存储器在在系统中的作用，可将其分为系统存储器和用户存储器。
系统程序存储器用来存放制造商为用户提供的监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其他有关管理程序。
系统程序直接影响着PLC的整机性能。
系统程序需要永久保存在PLC中，不能因关机、停电或其它部分出现故障而改变其内容。
因此，系统程序需固化在只读存储器ROM中，作为PLC的一部分提供给用户，用户无法改变系统程序的内容。
用户数据存储器是专门提供给用户存放程序和数据的，用户存储器分成用户程序存储器和用户数据存储器。
用户程序存储器用来存储用户编写的程序，用户数据存储器用来存储控制过程中不断改变的信息，如输入/输出信号、各种工作状态、计数值、定时值、运算的中间结果等。
输入模块用来接受和采集输入信号，输入信号有两类：
一类是按钮开关、行程开关、数字拨码开关、接近开关、压力继电器等提供的开关量输入信号；另一类是从电位器、热电、测速电机、各种变送器变送来的连续变化的模拟量输入信号。
输入模块还需要将这些不同的电平信号转换成CPU能识别的数字信号。
输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件能接收的信号，用来控制接触器、电磁阀、调节阀、调速装置等，控制的另一类负载是指示灯数字显示器和报警装置等。
2.1.2确定自动售货机的主控单元为PLC
单片机可以作为自动售货机的核心结构，价格也不太高，但如果电压不稳的话，单片机就有可能被损坏，所以虽然价格是选择方案的一个因素，而可靠性是选择时需要考虑的又一个因素。
从设计、生产周期长短考虑，不论是老设备改造，还是设计新的生产机械设备，毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望能够边设计、边安装、边调试和生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。
这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。
如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而PLC则完全可以实现。
这是因为若用PLC不必改动外部设备接线，只要在软件上做文章就可以了。
也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。
这既经济又简捷，可以达到事半功倍的目的。
众所周知，目前我国75%的生产机械设备，都是采用继电器控制，除了可靠性差外，设计程序也很繁杂。
从方案的确立到技术、设计以及施工、图面等方面，工作量很大，这势必造成设计周期长。
而采用PLC控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。
设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。
编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在EEPROM模块中去，需要加工哪个产品的程序，操作人员可以随时调用，这既方便、简单又可保密。
开发这种软件对优化生产过程，提高产品数量和质量，提高劳动生产率，非常具有实际意义。
仅此一点也深受生产及设计者的欢迎。
在现在科技成果迅猛发展的今天，市场经济的竞争就是利用最小的投资获取最大的利润，为了使人们在生活购物中得到方便，就出现了自动售货机。
对于一台自动售货机，如果采用电力机械来进行控制，会造成售货机有用价值空间少，浪费不必要的动力资源；如果采用液压系统控制，由于液压系统控制要求技术高，各种阀体和设备的组装较高，反应速度相对较慢，用于控制售货机的经济价值消费高，从利润价值观来考虑不适宜用于控制售货机。
采用单片机作为控制核心，这样不仅会在输入输出接口上做大量的工作，而且系统的抗干扰性也比较差。
但是PLC（即可编程序控制器）是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置，它不但可实现类似控制功能，还具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点，已在工业控制领域得到广泛地应用。
因为自动售货机作为社会上完成商品零售和综合服务的独立设施，要求它的结构必须可靠、稳定和执行效率高。
可以看出，采用PLC对自动售货机控制系统进行控制可以提高系统的稳定性和可靠性。
因此选择PLC为自动售货机的主控单元。
2.2自动售货机的售货方法
目前自动售货机常用的售货方法有三种。
一种是弹簧出货型售货机，主要通过货道弹簧的旋转来出货，是最为常见的商品输出方式。
出货准确率高，实时性强。
只要商品尺寸与出货弹簧匹配，就可以采用这种出货方式。
另一种使机械手推货型售货机，主要依靠货道商品后面的机械手推货装置进行售卖。
每个售货动作均由精确的传感器来控制，整个收获过程精确、高效、自动化。
该出货方式适合售卖尺寸和重量比较大，形状较为规则，可以用于正立放置的商品。
第三种是升降台出货型售货机，是一种辅助出货系统，可以与弹簧出货方式或者机械手推货方式组合使用，减少商品掉货时的损伤，用于易碎商品的售卖。
本次设计的自动售货机采用的是双螺旋体出货机构，即双弹簧出货机构。
这种结构可以一目了然哪个货道有货无货，既方便顾客选货，又方便工作人员即使发现货物剩余情况,在软件部分也不用设置无货报警。
这种结构主要由驱动电机、螺旋体挂轮，螺旋体、货道等组成。
左右两个螺旋体通过一对齿轮啮合，一个螺旋体顺时针旋转则另一个螺旋体逆时针旋转。
当螺旋体每个螺距间隔放满货物后，螺旋体旋转一圈，即可退出一个货物。
由于采用双螺旋体向上旋转，对货物的作用力除了有向前推力外还有向上和向货到两侧的分力，能够保证出货的可靠性。
即使将来自动售货机售卖液体软包装的货物，也不容易出现“卡货”的现象。
2.3自动售货机的空间结构
自动售货机中储存有一定量的饮料，每种饮料都要通过货道而出去，因为该设计中售8种饮料，所以该售货机可设置成8个货道，而且为单货道，即每种饮料占用一个货道，这样比较方便，如果以后需要扩展卖更多种商品的话，根据商品的摆放设置多个双推进弹簧。
当需要够买某种饮料时，电动机会带动弹簧转动一圈，将饮料转出，掉落到出货通道中，滑落到取物口。
饮料在售货机种的存放形式为每个弹簧间隔固定一个单位饮料，并且每种饮料都要与弹簧螺距尺寸匹配，这样可将饮料卡紧不致自动掉落。
在自动售货机上可以储藏多种饮料，但总体数量是有限的，所以自动售货机也需要及时的补货。
图2-1为自动售货机的空间结构示意图。
图2-1自动售货机的空间结构示意图
2.4自动售货机的功能
自动售货机能够对所投入的币值进行累计，货币识别器提供该自动售货机最基本的功能即从投币口送入货币，然后经过传感器采集数据、识别判断人民币的面值；然后，识别器把信息传给PLC；PLC根据所投入的硬币数值判断是否能够购买某种饮料，做出相应的反应。
当按下选择饮料的按钮时，相应的电动机启动，饮料开始供应，提取饮料到取物口，顾客取出饮料，完成此次交易。
它具有投币系统、比较系统、选择和饮料供应系统、退币系统等来实现完整的售货功能。
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，并做出相应的反应。
售货机中有8种商品，可乐2元，雪碧2元，纯牛奶4.5元，东方树叶3.5元，芬达2元，加多宝3.5元，健力宝2元，雀巢咖啡4.5元。
现投入钱币，当投入的货币超过可乐的价格时，可乐、雪碧、芬达、健力宝指示灯亮，提示可以购买，当投入的货币超过3.5元但小于4.5元时，只有纯牛奶和雀巢咖啡的灯不亮，当投入的货币超过4.5元时，所有商品的灯都亮，提示可以购买。
当按下可乐按钮时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去可乐的价格同时启动相应的电机，提取可乐到出货口。
买其它商品时也一样。
操作完成后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，自动售货机进行一次交易要涉及加法运算、减法运算，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。
可通过操作属性把自动售货机分为四个过程：
（1）投币过程
（2）价格比较过程
（3）选择商品过程
（4）退币过程
可把自动售货机工作过程分为5个状态：
（1）启动状态
（2）投币状态
（3）可购买显示状态
（4）购买状态
（5）退币状态
初始状态，自动售货机内部各元件都处于复位状态，内部电机停止运转，等待投币操作。
投币状态。
自动售货机可以识别硬币1元和5角，识别纸币5元、10元、20元纸币，投入钱币后，自动售货机会进入货币比较状态，能够购买的饮料灯亮。
购买状态。
按下可以购买的选择按钮，所选的商品灯仍然亮，其它可选商品灯灭掉。
驱动电机启动，商品通过货道掉落到取物口。
退币按钮。
自动售货机计算退币钱数并退币。
到此为止，自动售货机的一个完整工作过程结束。
2.5自动售货机的购物使用流程
在自动售货机上购物时，首先按下开始按钮，就可以接着投币了，如果，投币后，不选择饮料，可以直接按退币按钮，将会全额出币。
如果买饮料，则按下所需购买饮料的按钮，按下后等待取物，取物后若需找币，再按下退币按钮即可。
退出的钱都为硬币，因为纸币容易破损、褶皱、潮湿。
若想设计成找纸币的情况，在体积、难度、成本会很大。
而硬币有规则，不易损坏，而且能循环使用。
因此本次设计中只退1元和5角的硬币。
图2-2为自动售货机的使用流程。
图2-2自动售货机的使用流程
3自动售货机的硬件部分
自动售货机的硬件部分包括主电路部分和控制电路部分的硬件。
控制部分中PLC的选型和货币识别器的选型是最重要的。
根据I/O分配表选择出PLC，并列出外部接线图。
根据之前对自动售货机的功能介绍，选择货币识别器。
最后选择自动售货机上的主电路部分的硬件。
3.1控制电路硬件组成框图
自动售货机的控制部分硬件包括PLC、货币识别器、各种按钮、各种指示灯和接触器。
图3-1为自动售货机控制部分硬件组成框图。
图3-1自动售货机控制部分硬件组成框图
3.2确定自动售货机使用的PLC类型
表3-1PLC的I/O分配表
输入
输出
设备
输入
设备
输出
开始按钮
SB0
X000
0.5元灯
HL1
Y001
0．5元
SB1
X001
1元灯
HL2
Y002
1元
SB2
X002
5元灯
HL3
Y003
5元
SB3
X003
10元灯
HL4
Y004
10元
SB4
X004
20元灯
HL5
Y005
20元
SB5
X005
可乐灯
HL6
Y006
可乐按钮
SB6
X006
雪碧灯
HL7
Y007
雪碧按钮
SB7
X007
纯牛奶灯
HL10
Y010
纯牛奶按钮
SB10
X010
东方树叶灯
HL11
Y011
东方树叶按钮
SB11
X011
芬达灯
HL12
Y012
芬达按钮
SB12
X012
加多宝灯
HL13
Y013
加多宝按钮
SB13
X013
健力宝灯
HL14
Y014
健力宝按钮
SB14
X014
雀巢咖啡灯
HL15
Y015
雀巢咖啡按钮
SB15
X015
可乐出口
YV1
Y016
退币按钮
SB16
X016
雪碧出口
YV2
Y017
——
——
——
纯牛奶出口
YV3
Y020
——
——
——
东方树叶出口
YV4
Y021
——
——
——
芬达出口
YV5
Y022
——
——
——
加多宝出口
YV6
Y023
——
——
——
健力宝出口
YV7
Y024
——
——
——
雀巢咖啡出口
YV8
Y025
——
——
——
1元退币
YV13
Y026
——
——
——
0.5元退币口
YV14
Y027
——
——
——
退币口灯
HL16
Y030
——
——
——
货币不足灯
HL17
YO31
——
——
——
取物口灯
HL18
Y032
PLC控制在逻辑上方便、控制速度高、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。
它少了几点继电器控制的重复性和单片机控制的复杂性。
但分析各种厂家生产的PLC。
西门子PLC多用于大型、超大型的场合。
所以我选用了三菱型PLC来进行自动售货机的控制。
又根据对自动售货机的I/O分配表确定该自动售货机有15个输入点和26个输出点，15个输入包括开始按钮、货币识别按钮和饮料选择按钮以及退币按钮。
输出点包括5个货币识别指示灯、8个饮料指示灯、8个饮料输出、2个退币以及3个特殊的指示灯。
因此选用FX2N-64MR型的PLC。
关于PLC的具体分配如上表3-1所示。
因为PLC的输入端内部本身有24V的电源，所以输入部分不用外接电源，而在输出端需要外接电源。
各种指示灯和接触器可以用同一个电源，因此，不用将各个输出分开个供电。
选择的电源是根据电动机的额定电压选的，详见3.4节。
虽然PLC输出端有多个COM口，但由于各个点所接电压相同，所以，图中未显示所有的COM口
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