基于plc控制的自动售货机本科学位论文.docx
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基于plc控制的自动售货机本科学位论文
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题目：
基于plc控制的自动售货机
学生：
系别：
机电工程系
专业班级：
机械设计制造及其自动化班
指导教师：
辅导教师：
时间：
目录
摘要2
关键词2
Abstract2
keywords2
前言2
目录I
1绪论5
1.1自动售货机研究的目的和意义5
1.2自动售货机的发展前景5
1.3自动售货机工作原理6
1.4本次设计的主要目的及主要内容7
1.5自动售货机设计思路7
2PLC的结构与特点7
2.1PLC的基本结构7
2.2PLC的特点7
2.3PLC的应用领域8
3自动售货机的硬件设计8
3.1控制要求8
3.2光传感器9
3.3数码管显示10
3.4金属硬币的识别原理10
3.5硬币的贮存和退币10
4自动售货机的软件设计11
4.1系统涉及PLC指令简介11
4.2设计思路12
4.3I/O口分配12
4.4总体流程图14
4.5控制接线图15
4.6程序开发15
4.6.1计币系统15
4.6.2比较系统16
4.6.3选择和饮料供应系统16
4.6.4退币系统17
4.6.5钱显示和制冷17
5调试18
5.1系统的连接18
5.2PLC程序调试18
6结论19
参考文献19
致谢20
附录20
摘要
本文介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，售货机的售货领域非常广泛，是发达国家商品零售的一种主要方式。
近几年，自动售货机逐渐被越来越多的消费者所接受。
但由于售货机分布零散、范围广阔的特点。
本文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，绘制梯形图对售货过程进行了分析。
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
自动售货机；可编程控制器；梯形图
Abstract
Thisarticleintroducedvendingmachine'sbasicprincipleaswellastheworkflow,Introducesthebasicprincipleofvendingmachinesandworkflow,andthentoatransactionprocess,forexample,theprocessisdividedintoseveralblocks,thenrespectivelyforprogramforprogrammingblock.thentakeatransactionprocessasexamples,dividesintoseveralblocksthetransactionprocess,thencarriesontheprogrammingseparatelytotheblock.Explainedtheprogrammablecontroller'sinvendingmachinefunctionspecifically.Theprocedureinvolvedthevendingmachineworkmajorpartprocess.Enhancedsystem'sstabilityusingthePLCcontrol'svendingmachine,theguaranteevendingmachinehasbeenablethelong-termstabilitymovement.
keywords
vendingmachine;Programmablecontroller;Trapezoidalchart
前言
自动售货机（VendingMachine）起源于公元前215年的古埃及，当时用于人们在神庙里用金币购买圣水。
19世纪70年代，自动售货机在美国、日本迅猛发展，如今已成为世界上最大的现金交易市场。
作为一种前卫的零售方式，自动售货机已在45个国家广泛普及。
据统计，日本平均每23人就拥有一台自动售货机，美国平均每40人拥有一台自动售货机，美国自动售货机的零售营业额高达293亿美元，日本每个消费者每年在自动售货机上的消费金额达5.5元。
全世界每年通过自动售货机销售商品的总额已达2000亿美元。
近些年，随着我国商品市场的不断繁荣和城市现代化程度的不断提高，自动售货机也已悄然步入了我国的大中城市。
自动售货机在北京、上海、大连、沈阳、西安开始出现，成为不少年轻人时髦的购物选择。
在国家相关政府部门的大力支持下，中国的自动售货机产业以超常规的速度迅猛发展，并带动了一批新的服务业、物流运输配送业的快速发展，丰富了中国的商业产业结构，开创了一个全新的自动销售和自助服务时代。
本文设计自动售货机的目的在于，结合现实中的情况，在巩固和应用所学知识的前提下，充分发挥自己的动手和实际设计的能力，设计出一款简单实用的自动售货机。
1绪论
1.1自动售货机研究的目的和意义
自动售货机（VendingMachine）起源于公元前215年的古埃及，当时用于人们在神庙里用金币购买圣水，20世纪70年代自日本和欧美发展起来。
它又被称为24小时营业的微型超市。
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。
自动售货机是集声、光、机电一体化的高新智能化产品，在我国也开始得到应用。
在中国人们可以看到现代化的自动售货机摆放在一些大商场门口、繁华街道两旁、公园入口处以及其它热闹的场所。
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。
从广义来讲自动售货机就是在投入硬币、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。
自动售货机在中国有着广阔的发展前景,自动售货机1999年开始进人中国市场．如今，在机场、地铁、商场、公园等客流较大的场所，已不难发现自动售货机的身影。
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
它的售货领域非常广泛，是发达国家商品零售的一种主要方式。
近几年，自动售货机逐渐被越来越多的消费者所接受。
但由于售货机分布零散、范围广阔的特点，自动售货机在为消费者带来方便的同时，也为经营者在监控、管理、维护等方面带来很大的不便。
目前售货机运行的各种情况都需要由人工判断，包括缺货、缺零钱、币箱已满、售货机机械故障等，经营者普遍采用人工定时巡回视察的管理办法，既费时费力，又无法及时准确获取自动售货机状态报告，给经营者增加了管理成本和难度，也有可能给消费者的正常消费造成不便。
自动售货机的经营者可以根据网络统计的销售状况进行商品销售状况分析，预测商品的销售走势，确定合理的采购和配送策略，以期获得最高的投资回报率。
同时售货机的一些故障信息和警报信息可以实时的传送到相应运营人员，从而可以在第一时间内发现并解决问题。
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度的电力。
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、找币系统、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业,对提高投资效益具有重要的意义。
1.3自动售货机工作原理
（1）从投币口送入货币，然后经过传感器采集数据、识别器判别人民币的真伪并判别面值。
（2）识别器把信息数据传给通信模块。
（3）通信模块与售货机的主控系统通信，主控系统显示面值，启动售货机的面板键，显示出哪个货道有货，哪个货道已售完，并等待顾客按键选择商品。
（4）顾客选择商品后，根据售出的商品包装类型的不同，采用不同的驱动技术把商品送出。
此次设计的售货机主要出售易拉罐装饮料，是利用电磁阀带动翻版驱动的。
（5）显示余额，如果金额足够多，顾客可以选择找币或继续买商品；如果款额不足，售货机经过延时予以退币。
退币分两种情况：
一种是由纸币识别器完成退纸币，另一种是由硬币的通信模块完成退硬币。
（6）系统复零，完成售货。
1.4本次设计的主要目的及主要内容
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。
主要内容是首先整个控制系统的设计思路，从硬件到软件的资料收集，对一些硬件以及自动售货机内部接线电路都逐一进行了研究学习。
包括投币系统、验钞系统、交易系统以及退币系统的制作，在某些环节都有相应的保护设置，这样对机器本身和顾客都有了安全保障。
其中钱币装置是售货机的核心，其主要功能是确定投入钱币的真伪，分类钱币的种类，计算金额，在程序设计里都有介绍。
1.5自动售货机设计思路
本次设计的题目是自动售货机，主要是应用三菱FX-2N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的编程语言、自动售货机的硬件组成等。
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，并反复调试做到程序无误。
2PLC的结构与特点
2.1PLC的基本结构
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成
2.2PLC的特点
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、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种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。
目前，自动售货机的核心是单片机，可是一但输出电压不稳定，单片机就容易发热造成爆裂，可靠性低等缺点，而PLC不但可以实现类似的控制功能，还具有性能可靠、电压使用范围广、灵活通用、易于编程、使用方便等特点，并且提高了自动售货机系统的稳定性，能够保证自动售货机能够长期稳定运行；因此近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。
所以，本文选择PLC来控制自动售货机，我选择的是三菱FX-2N的PLC。
，编程软件采用的是SWOPC-FXGP/WIN-G。
2.3PLC的应用领域
在发达的工业国家，PLC已经广泛的应用于所用的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围也不断扩大。
PLC主要用于以下方面
（1）开关量逻辑控制
（2）运动控制
（3）闭环过程控制
（4）数据处理
（5）通信联机
3自动售货机的硬件设计
3.1控制要求
本文设计的是售可乐和雪碧这两种饮料的自动售饮料机,它的总体售货过程是：
当顾客购买饮料时,投入的硬币（投入硬币的面值和剩余值由PLC驱动数码管显示）经过光传感器感应，然后由光传感器驱动硬币识别器识别硬币，如果是假币则被排出，如果是真币则系统将硬币自动传送到相应的硬币贮币腔,并经光传感器感应，由光传感器驱动PLC运行。
然后经顾客选择、PLC进行控制，使在PLC的输出口上有相应的信号输出。
大体运行如图3-1
图3-1大体运行图
箱体大体外观如图3-2
图3-2箱体外观图
3.2光传感器
在本设计中，用到光传感器：
当硬币投入开始由光传感器感应，然后由光传感器驱动硬币识别器；硬币经识别后进入贮存腔时，由光传感器感应，给PLC一个信号，进行硬币的相加运算；当退币时，退出的硬币经光传感器感应，给PLC一个信号，进行退币的相减运算。
光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器件，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。
光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其它传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可，本设计是运用红外线传感器的原理对投币进行检测。
图3-3所示是红外线传感器的工作原理图。
它是由光源、接收器和PLC运行电路三部分组成。
光源使用普通的白炽灯泡，当点亮灯泡时，由于灯丝的温度很高，能产生较强的红外辐射，灯泡发出的可见光经滤光片滤掉，红外光便可向外发射。
在距光源发射点一定距离处，设置有红外接收器。
这样，在红外光源和接收器之间就形成一条用肉眼看不见的红外界线。
无硬币遮挡红外线时，红外线经凸透镜聚光后直接照射在光敏二极管VD1上，光敏二极管的电阻变小，从而使V1导通、V2处于截止状态，接在V2集电极的继电器K不工作，输出为低电平，因此，PLC得不到相应的信号。
当有硬币通过红外界线时，红外线被硬币遮挡，光敏二极管因无光照射其内阻增大，于是VT1截止，VT2变为导通，则输出为高电平，使PLC得到相应的信号。
图3-3光传感器工作原理图
3.3数码管显示
在本设计中，显示部分，以7段显示指令SEGD来实现，对于指令SEGD，将源操作数指定的元件的低4位中的十六进制数译码后送给7段显示器显示，译码的信号存于目标操作数指定的元件中，输出时要占用7个输出点。
原操作数可以选所有的数据类型，目标操作数位KnY、KnM、KnS、T、C、D、V和Z，只有16位运算。
指定的元件的低4位中的十六进制数经译码后驱动7段显示器，译码信号存于[D]指定的元件中，[D]的高8位不变。
右图中7段显示器的B0～B6分别对应于[D]中的最低位～第六位，某段应亮时[D]中对应的位为1，反之为0。
3.4金属硬币的识别原理
我国目前发行的1元、5角和1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.
3.5硬币的贮存和退币
在本设计中，采用的是圆筒式贮币，步进电机退币，当硬币投入后经过识别识出电信号后，伪币和异物被排出，真币按面值由几组分布电磁阀分配到不同贮币腔内备用。
当收到退币找零电信号后，通过退币电机，将贮币腔内下部硬币依电信号程序退出，完成自动售货机的退币找零功能。
4自动售货机的软件设计
在本设计中,核心部分是软件设计,以下就针对这一方面做具体的研究:
4.1系统涉及PLC指令简介
（1）比较指令CMP
比较指令在PLC控制系统中是一条十分重要的功能指令，它将[S1]、[S2]中的数据进行比较，比较结果送到目的操作数[D]中，如下图所示，当X0为OFF时，不执行CMP指令，M0，M1，M2保持不变；当X0为ON时，执行CMP指令，[S1]、[S2]中的数据进行比较，即C20计数器值与K100（数值K100）比较。
如果C20当前值小于100，则M0=1；如果C20当前值大于100，则M2=1；如果C20当前值等于100，则M1=1。
CMP指令使用说明
（2）计数指令
计数器使用两条指令完成计数任务，其指令编程格式如图所示
计数指令C的使用说明
（3）运算指令
1）加法运算
加法运算使用说明
加法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加，结果送到指定的目标元件中，如图2-6所示。
当X0为1时，（D10）+（D12）=（D14），运算是代数运算。
2）减法运算
减法运算使用说明
减法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加，结果送到指定的目标元件中，如图所示。
当X0为1时，（D10）+（D12）=（D14），运算为代数运算。
（4）BCD指令
BCD码变换功能指令使用说明
BCD码变换指令是将源操作数中的二进制数变换成BCD码送至目标操作数中，如上图所示。
当X0为ON时，将D12中的二进制数变换成BCD码送到输出口Y7～Y0中。
之后的BCD码可送到LED七段显示器显示D12中的值。
4.2设计思路
（1）自动售饮料机可投入5角、1元的硬币。
（2）由7段数码管显示投币总额或现在值。
（3）当投入的硬币总值超过2元时，可乐指示灯亮，当投入的硬币总值超过3元时，可乐和雪碧指示灯亮。
（4）当可乐指示灯亮时，按选择可乐按钮，则排出可乐一瓶。
（5）当雪碧按钮指示灯亮时，按选择雪碧按钮，则排出雪碧一瓶。
（6）若当前有钱则退钱指示灯亮,当按退币按钮时，退出所显示的钱。
4.3I/O口分配
如表4-1：
输入信号
输出信号
名称
输入点编号
名称
输出点编号
1元投币感应器
X0
显示指示灯
Y0-Y7
Y20-Y27
5角投币感应器
X1
可乐指示灯
Y10
可乐选择按钮
X2
雪碧指示灯
Y11
雪碧选择按钮
X3
可乐出电磁阀
Y12
退币控制按钮
X4
雪碧出电磁阀
Y13
1元退币感应器
X5
1元退币电机控制
Y14
5角退币感应器
X6
5角退币电机控制
Y15
制冷感应器
X7
退币显示灯
Y16
制冷指示灯
Y17
表4-1I/O分配图
4.4总体流程图
图4-2
4.5控制接线图
图4-3
4.6程序开发
自动售货机程序的编写主要涉及6大系统:
计币系统、比较系统、选择系统、饮料供应系统、退币系统、钱显示和制冷系统。
4.6.1计币系统
当有顾客购买饮料时，投入硬币时经过光传感器感应，然后由光传感器驱动硬币识别器识别硬币,如果是假币则系统自动退出硬币,如果是真币则系统将硬币自动传送到相应的硬币贮存腔,并经光传感器感应，然后在PLC内进行数据运算，否则认为是假币并退出系统，梯形图如图4-2
图4-4记币系统梯形图
4.6.2比较系统
投币完成后，系统会将D5内钱币数据和可以购买的饮料价格进行区间比较：
若2元≤投币<3元，则可乐选择指示灯长亮，此时可以选择可乐；若投币≥3元,则可乐和雪碧指示灯长亮,此时可以选择可乐和雪碧。
梯形图如图4-3
图4-5比较系统梯形图
4.6.3选择和饮料供应系统
比较完成后，按下指示灯长亮的选择按钮，相应的电磁阀（Y12或Y13）起动并且相应的指示灯亮，饮料输出的同时减去相应的购买币数。
当饮料输出达到1s时，电磁阀关断同时指示灯灭。
梯形图如图4-4
图4-6供应系统梯形图
4.6.4退币系统
顾客可在购完饮料后，由退币指示灯可知是否可以退币，指示灯亮，则可以退币，当按下退币按钮后，数据寄数器D5内的币数除以10，商的整数部分是需要退回1元的个数并储存在D10中；D11的数据除以5，商的整数部分是需要退回的5角钱的个数，并储存在D20中，同时起动2个退币电动机。
2个光感应器开始计数，每各退一个币D10减一或D20减一，直到为零时，退币电动机停止运转，各个电机独自工作。
PLC编程梯形图如图4-5所示。
图4-7退币系统梯形图
4.6.5钱显示和制冷
显示中由D2显示十位、D3显示个位。
在制冷中，由温度传感器控制，当温度超过某一值时。
开关x7闭合并制冷一段时间。
具体梯形图如图4-6
图4-8钱显示和制冷梯形图
5
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