基于PLC的自动售货机控制系统的设计(毕业设计).doc
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基于PLC的自动售货机控制系统的设计
摘要
此次设计是基于PLC的自动售货机控制系统,首先分析了无人自动售货机的发展历程及发展前景,然后根据其的功能特点详细设计了在此次设计中所需要实现的功能,根据设计功能进行自动售货机的硬件及软件的设计和选型。
在进行硬件设计时选用型号为XINX的步进驱动电机,硬币和纸币识别两种货币处理装置,弹簧推送式的送出机构,需要用到的按钮及指示灯种类,以三菱FX-2N-48MR型PLC为主控制器,软件设计时,基于GXDeveloper编程软件,采用梯形图进行系统控制程序的设计,包括投币累加、比较选择购买和退币复位程序,并采用GX—Simulator来进行程序的调试,最后使用组态王软件进行自动售货机的仿真。
该设计是基于市场需要进行的相关功能的设计及仿真,提高了可靠性,符合市场的需求。
关键词：
自动售货机,可编程序控制器,梯形图
ThedesignofthecontrolsystemforvendingmachinebasedonPLC
ABSTRACT
ThedesignisavendingmachinebasedonPLCcontrolsystem,thefirstanalysisofthedevelopmentanddevelopmentprospectsofvendingmachine,thenaccordingtothefeaturesofthedetaileddesigninthedesignoftheneedtoimplementthefunction.Accordingtothefunctionaldesignofthedesignandselectionofhardwareandsoftwareoftheautomaticvendingmachine.InhardwaredesignselectsthetypeXINXintodrivingmotor,coinsandpapercurrencyrecognitiontwocurrencyhandlingapparatus,springpushthesendingmechanism,needtousethebuttonsandindicatorspecies,withMitsubishiFX-2N-48MRtypePLCbasedcontroller,softwaredesign,baseontheGXdeveloperprogrammingsoftwarebyladderdiagramofsystemcontrolprogramdesign,includingcoinaccumulation,comparisonandselectionofpurchaseandthecoinreductionprogram,andtheGXsimulatortocarryouttheprogramdebugging.Finally,Kingviewsoftwarevendingmachinesimulation.
Thedesignisbasedonthemarketneedfortherelevantfunctionaldesignandsimulation,improvethereliability,inlinewiththemarketdemand.
KEYWORDS:
Vendingmachine,Programmablecontroller,Ladderdiagram
目 录
前 言 1
第1章自动售货机介绍 3
1.1自动售货机功能分析 3
1.2本次设计的主要内容 4
第2章自动售货机硬件设计 5
2.1自动售货机控制子系统设计 5
2.2自动售货机硬件组成 6
2.3PLC介绍及选择 6
2.3.1PLC产生及发展 6
2.3.2PLC硬件组成 7
2.3.3PLC的工作原理 7
2.3.4PLC的功能 8
2.3.5PLC的选择 8
2.4货币识别器选型 10
2.4.1硬币识别 11
2.4.2纸币识别 11
2.5送出机构 12
2.6电机选择 12
2.7按钮与指示灯选择 13
2.8显示装置 13
第3章自动售货机软件设计 14
3.1自动售货机控制流程图 14
3.2自动售货机程序设计 14
3.2.1程序中所需要用到的部分主要指令 15
3.2.2自动售货机的控制程序 17
第4章程序的调试及仿真 24
4.1梯形图调试 24
4.1.1调试前期准备 24
4.1.2梯形图调试过程 25
4.2基于组态王的自动售货机仿真 29
4.2.1建立组态画面 30
4.2.2参数设置 31
结论 34
谢辞 35
参考文献 36
附录 37
外文资料翻译 44
前 言
公元前3世纪埃及神殿中的投币式圣水出售机是世界上出现最早的自动售货机。
以此为雏形的自动售货机开始进入大众消费市场,并且作为一种全新的零售方式在美、日等发达国家得到了迅速地普及和发展。
随着全球经济的快速发展和当前城市规模的不断扩大,人们对各类商品的需求量不断增大,但因为地域、时间等的限制购买多有不便。
自动售货机是可完成无人自动售货并集光、机、电一体化的商业自动化设备,摆脱了时间、地域限制,使人们可以更方便的购买自己所需要的简单的商品。
社会在发展,人们生活水平也在不断提高,人们对自动售货机的需求更趋向于多元化和个性化,而且通过自动售货机购物也已经逐渐成为一种新的消费时尚和一种城市文明的标志。
目前自动售货机已经在全球45个国家普及,但是据相关统计资料显示,2013年中国的自动售货机保有量达到30.2万台,但是这些都主要分布在东部经济发达地区,其他地区的普及率较低,零售业所占的市场份额不容小觑。
以此来看中国自动售货机行业的发展空间依旧广阔。
传统采用单片机控制的自动售货机,普遍存在系统硬件设计复杂系统可靠性及稳定性较低、维修困难的问题。
可编程控制器（PLC）是一种新的工业控制设备,它编程控制的发展不仅综合了多种工业控制、通讯技术,而且在可靠性、程序编写、设备维护等方面比起其他设备都具有相当高的优越性,从工业控制应用领域来看,可编程控制器已经被广泛应用,因为自动售货机是一种需要在无人看管情况下完成商品售卖以及其他相关服务的应用设备,要求他必须具有可靠的结构和高的执行效率。
设备更新方面来说,PLC的设计和生产周期都更快捷简单,在设计、安装、调试、生产方面都可以同时进行,不需要进行大的改动就可马上修改投入使用,经济快捷。
PLC的发展和计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关,这些高新技术的发展促进了PLC技术的创新,而PLC的发展也对这些高新技术的发展起到了很好的推动作用。
本文详细介绍了利用三菱FX-2N系列PLC控制的自动售货机控制系统的硬件设计及软件设计,并根据设计所要实现的功能进行模拟的动态仿真,目的在于不仅能够不断提高自动售货机的性能以满足更广大消费群众的需求,而且可以通过不断地仿真实践来验证该系统的可行性,使设计的产品能够在投入市场前进行一个可行性的分析,减少不必要的损失。
第1章自动售货机介绍
1.1自动售货机功能分析
自动售货机在功能上首先要能实现货币的累加计算,从投币口送入货币,货币经过货币识别器进行相关信息的采集,然后相应的信息被传给PLC,PLC根据所接收到的货币信息进行判断是否可以购买商品,然后根据结果做出应有的反应。
当消费者按下选择商品的按钮之后,顾客从商品提取口取出商品,售货机内部重新进行货币的金额计算,重复售货机的金额比较功能,对相关的指示灯进行调整,重新进行购买提示,如需再次进行购买饮料根据提示选择可购买的商品即可;如果不需要继续购买的时候消费者需要按下退币按钮给PLC传递退币信号进行退币,退币完成相关寄存器进行清零此次交易完成。
自动售货机售货完整操作主要有五大系统组成,分别为投币系统、比较系统、饮料选择和供应系统、退币系统,工作流程如下图1-1所示。
图1-1自动售货机工作流程图
1.2本次所设计的主要内容
本次自动售货机设计主要实现以下功能：
（1）该自动售货机主要销售矿泉水、可乐、雪碧、冰红茶、果粒橙、纯牛奶、罐装咖啡七种饮料,饮料价格分别为1元、2.5元、2.5元、2.5元、3.5元、3.5元、10元。
（2）在自动售货过程中,售货机具有货币识别功能,可投入五角、1元硬币和1元、5元、10元纸币,投币过程控制时间为30秒。
（3）当投入的货币总值大于饮料的售价时,相应的饮料的指示灯开始亮,做可购买提示。
（如:
当投入货币大于1元是矿泉水指示灯亮,当投入大于等于10元时所有饮料指示灯全亮。
）当总投入货币小于1元时,货币不足指示灯亮。
（4）根据可购买指示灯来选择需要购买的饮料,按下选择购买的饮料按钮,出货口的指示灯亮做取物提示,且所选择的饮料送出电磁阀打开,送出饮料,时间为8秒,之后出货结束,电磁阀关闭,出货指示灯熄灭。
在此期间饮料指示灯闪亮。
（5）当投入的货币金额超过所消费的金额时,剩余的货币会再次进行币值比较,功能重复,如果需要再次购买按之前购买方式即可;若是不购买按下退币按钮,退币指示灯亮,并执行退币程序,在10秒内退出多余币,自动售货机自动清零。
（6）购买结束后,自动售货机自动统计销售金额、销售量。
本章小结:
本章主要根据了解现有的自动售货机的功能,对此次自动售货机的功能设计进行确定,具体硬件设计及软件设计将会在以下章节中进行说明。
第2章自动售货机硬件设计
要了解自动化售货机的硬件组成则需要先对所设计的自动售货机的控制系统进行详细的了解根据控制系统进行各方面的硬件设计或者相关硬件的选型。
2.1自动售货机控制子系统设计
自动售货机相关控制系统主要有三部分组成：
（1）售货前期准备:
商品价格及储存系统
自动售货机可售卖多种商品,每种商品的价格会有不同,因此需要在售货前设定所售商品种类和价格,并将其贮存到控制系统内,另外还需将每次贮存的商品数量进行贮存,方便货物数量查询及货物的补给。
此部分可设计在售货机箱体内部,由售货机持有人进行每次设置。
这部分可由按键和存储器构成,使用按键输入相关需要保存的数据信息,而存储器则用来保存数据,存储器选择具有断电保持功能的型号。
（2）售货期间：
货币检测累计、可售指示及退币系统
该部分为此次售货机设计的重要部分,货币检测是来识别货币币值及真假,并将其累加与之前设置的商品价格进行比较,给予消费者相关的售货提示方便其自主消费,当消费完成后进行货币清算及退币,退回多余货币。
此部分设计详见本章其他小节。
在售货期间还要有检测系统,检测货物是否售出完毕,并给予消费者售货售完的提示,要实现此部分功能可以在自动售货机商品贮存道下方安装接触行程开关,贮存道有商品时,行程开关被压下,售货机正常工作,当此类商品售出完毕,相应的行程开关被释放并发出信号,CPU接收到无货信号后向相应指示灯发出信号,提示“售空”,商品指示灯停止响应可售信号。
（3）售货结束:
累计及自测功能
在顾客进行相关的商品选择并结束操作后,自动售货机内部的数据寄存器会对所卖出的商品进行销售额及销售量的统计,并于售货前期已保存的相关数据进行比较或者进行运算来完成历史的销售额及历史销量,可与电脑或者其他设备联机方便工作人员对相关数据的统计。
2.2自动售货机硬件组成
自动售货机主要由PLC控制器、内部显示装置、商品选择按钮、指示灯、电动机、货物送出电磁阀、货币识别器等组成,结构框图如下图2-1。
图2-1自动售货机硬件组成
2.3PLC介绍及选择
2.3.1PLC产生及发展
可编程控制器最早产生于美国的汽车制造行业,因当时竞争激烈,且在进行汽车制造时为生产适应市场的新型汽车,相应的生产线都要不时变化,这样就造成了相当庞大的浪费,因此为了适应汽车产业的相关发展,同时减少设计继电器控制系统所需要的成本和时间,美国通用公司提出了新型工业控制装置的10项技术指标要求：
（1）编程要简单,可即时进行修改。
（2）硬件维护方便,采用插件式结构。
（3）靠性要高于继电器控制装置。
（4）体积要比继电器控制装置小。
（5）实现数据与计算机的即时通信。
（6）尽可能的减少成本。
（7）输入可以是交流115V。
（8）输出为交流115V,2A以上,能直接驱动电磁阀。
（9）扩展时原有系统的改动要小。
（10）用户程序储蓄器容量至少可以扩展到4KB。
1969年美国数字设备公司以这些指标为依据,研制出了第一台可编程控制器并将其投入到通用汽车的生产线过程控制中,最终证明效果非常好，从此开创了可编程控制器的新纪元,并在以后得到快速发展及广大应用。
2.3.2PLC硬件组成
PLC的硬件组成有中央处理器（CPU）、存储器（RAM、EPROM等）、输入/输出I/O模块、外设I/O接口、I/O通道接口、编程器及电源部分等,如下图2-2所示。
其中,CPU是PLC的核心,输入/输出单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路,通信接口用于链接编程器、上位计算机等外部设备。
图2-2PLC硬件组成
2.3.3PLC的工作原理
PLC的工作程序都比较复杂,但是都采用不断循环的顺序扫描的工作方式,即PLC工作时对用户程序反复循环扫描,逐条地解释用户程序,并加以处理。
每个扫描周期大致可分为三个阶段:
输入采样、执行程序、输出刷新。
扫描周期即为扫描动作执行一周的时间,如下图2-3所示。
图2-3PLC程序扫描示意图
2.3.4PLC的功能
（1）条件控制功能
（2）定时/记数控制功能
（3）数据处理功能
（4）步进控制功能
（5）A/D与D/A转换功能
（6）运动控制功能
（7）过程控制功能
（8）扩展功能
（9）远程I/O功能
（10）通信联网功能
（11）监控功能
2.3.5PLC的选择
现已决定用PLC来作为中心控制,现在就要选择PLC的容量、品牌及外设,PLC的容量就是具体分析现在所要设计的自动售货机上所有需要的I/O点。
关于PLC的品牌选择,主要参考自己所设计的售货机的功能,对PLC有无特殊要求,如计算速度、用户程序容量等;还需要根据实际情况考虑价格问题,因为不同的品牌价格差别较大。
根据设计要求共有13个输入点,分别为:
5个货币输入点、7个饮料选择按钮、1个退币按钮;输出点共有18个,分别为:
7个饮料指示灯、7个饮料输出电磁阀、2个退币口、1个退币指示灯、1个取物指示灯。
选择PLC时除了需要满足控制要求,还需要考虑留有适当的裕量以备补充扩展使用。
通常裕量的选择是有存储器裕量和I/O点数裕量,存储器裕量为10%至25%,I/O点数裕量为10%至15%。
现在可供选择的PLC有三菱、西门子、欧姆龙、施耐德等多种品牌,但是根据现有实际情况及学校可供模拟实验台的情况,我选择了三菱FX-2N系列的PLC来完成此次设计,之前已经计算过I/O口数量所以本次设计选择PLC的型号为FX-2N-48MR,具体的I/O分配如下表:
表2-1I/O接口分配表
输入
输出
设备
输入
设备
输出
0.5元硬币
SB1
X001
矿泉水指示灯
HL6
Y006
1元硬币
SB2
X002
可乐指示灯
HL7
Y007
1元纸币
SB3
X003
雪碧指示灯
HL10
Y010
5元纸币
SB4
X004
冰红茶指示灯
HL11
Y011
10元纸币
SB5
X005
果粒橙指示灯
HL12
Y012
矿泉水按钮
SB6
X006
纯牛奶指示灯
HL13
Y013
可乐按钮
SB7
X007
咖啡指示灯
HL14
Y014
雪碧按钮
SB10
X010
矿泉水出货阀
YV6
Y016
冰红茶按钮
SB11
X011
可乐出货阀
YV7
Y017
果粒橙按钮
SB12
X012
雪碧出货阀
YV10
Y020
纯牛奶按钮
SB13
X013
冰红茶出货阀
YV11
Y021
咖啡按钮
SB14
X014
果粒橙出货阀
YV12
Y022
退币按钮
SB15
X015
纯牛奶出货阀
YV13
Y023
咖啡出货阀
YV14
Y024
0.5元退币口
YV1
Y001
1元退币口
YV2
Y002
退币指示灯
HL3
Y003
货币不足指示灯
HL4
Y004
取物口指示灯
HL5
Y005
我们已经根据需要确定了PLC的型号,并完成了对各个接口的分配,接下来需要设计PLC与外部设备的连接,具体接线图如下:
图2-4PLC的I/O接口接线图
2.4货币识别器选型
自动售货机的投币只有硬币和纸币两种,因此需要选择两种货币识别器分别进行硬币识别和纸币识别,因为现在市场上已有货币识别器的相对我的本次设计来说已经足够使用且更加合适,因此我此次选用了现成的货币识别器。
2.4.1硬币识别
硬币识别主要分为投币、进币和退币三个阶段,其主要识别原理是当真假币通过两种传感器时电容和电感的改变量不同,通过改变量可以辨别硬币的真假。
现在市场上已经出现多种硬币识别器可供我们选择,但是根据多种比较及各方面考虑,我选择了复合式硬币识别器这种价格便宜、功能稳定可靠的识别器来完成硬币识别工作。
复合式硬币识别器主要是由感应线圈、平板电容传感器,通过对货币的材料、大小厚薄等各个要素进行检测,来辨别硬币的真伪和币值大小,当然其中还要单片机、交流电桥、A/D转换器等协助工作,共同完成信号的采集、转换及最后的识别和任务的分配完成。
当硬币识别完成后,已经通过识别的硬币根据币值的不同将会被单片机控制系统来利用电磁阀分配到不同的硬币储存装置中留作备用,当顾客在完成购买操作且钱币有剩余的时候按下退币按钮,硬币识别器收到退币信号将会控制电磁阀将之前储存的硬币根据退币信号来退还多余的钱币,此时硬币识别器就完成了自主退币找零的功能。
硬币识别器通过设备之间的通信将相应的信号送达到PLC。
在本次设计中所选用的硬币识别器经过多方面考虑,最终选择储存硬币数为500枚的BD-8G型的复合式硬币识别器来完成一元、五角硬币的识别。
该硬币识别器相关信息如下表:
表2-2硬币识别器选型
硬币识别器
工作电压
工作电流
工作温度
BD-8G
DC+12V
2A
-20°C～60°C
2.4.2纸币识别
纸币识别跟硬币识别相似,但是只有投币和进币两个阶段,因为纸币易磨损且退币麻烦,所以在选择退币时只设计了硬币退币功能。
纸币识别器在硬件构成上与硬币识别器大部分相似,也需要传感器、A/D转换器、外部存储等部分,同时也是单片机控制系统,但是纸币识别器需要紫外、红外、磁性穿透装置来通过对投入纸币进行各种取样,并将投入纸币的各部分信号参数与已经设置存储的真的纸币信号参数样本进行比较来判断投入纸币的真假。
当然我国人民币的制作也是相当复杂,无论是纸张还是印刷材料都与假钞有很大区别,关于纸币识别器的工作原理在这里也不多加赘述。
另外纸币识别器与PLC之间也是通过通信连接。
纸币识别器的类型也多样,根据价格等多方面因素,我此次选择的是型号为TCN-7-3B,纸币储存容量为400张的纸币识别器来识别1元、5元、10元纸币。
该型号纸币识别器的相关信息见下表:
表2-3纸币识别器选型
纸币识别器
工作电压
工作电流
工作温度
TCN-7-3B
DC+12V
2A
0°C～55°C
2.5送出机构
从市场来看目前自动售货机上应用的送出机构种类繁多,较为典型的有旋转送出机构、转盘式送出机构、滚筒式送出机构、弹簧推送式机构。
因为旋转式送出机构虽说应用广泛但是相应的成本较高,转盘式送出机构需要较大的转矩来带动和占用较大的空间容易发生卡死现象,滚筒式送出机构对电机的转动精度要求较高,所以比较而言我选择了弹簧推送式送出机构。
2.6电机选择
自动售货机上需要多个电机来驱动,因此需要选择合适的电机。
对自动售货机来说,电动机的功率参数要求不大,但是要使用直流减速电机,因为使用直流减速电机可以增大扭矩保证饮料的输出。
虽然说现在一般使用的是交流电动机,但是在自动售货机上使用直流电机比较好,因为其自动售货时间很短,电动机的启动和制动时间都比较短,因此直流电机比较容易满足这些要求。
选择的电动机相关参数见下表:
表2-4电动机选型
减速电机
额定电压
额定功率
转速
减速比
XINX-37JS
DC+12V
3W
16R.P.M
1：
10
2.7按钮与指示灯选择
在自动售货机上按钮是为了方便消费者选择自己所需商品而设置,按钮一般都嵌装在操作基板上的,按钮按防护方式也分为多种类型,因为无人自动售货机一般无人看管,只是定期维护,因此在选择具有保护作用的按钮来进行操作。
指示灯的种类多样,自动售货机上的指示灯是给予消费者提示信息的,因此从经济适用性方面考虑的话,寻常LED指示灯就可以满足要求,当指示灯没有接收到相关信号是显示绿色或者不显示,当接收到显示信号的时候就显示出红色,提醒消费者可以购买,或者进行其他操作。
2.8显示装置
在自动售货机内部需要设置显示装置用于输入商品价格、数量、销售量、销售金额等,现在市场上多用的是液晶（LCD）显示装置,因为液晶显示装置经济方便,显示效果好,所以此次设计中内部的显示装置我也选用液晶类型的。
本章小结:
在本章中主要是对硬件结构进行设计,并且选择合适的型号，有些硬件已经进行清楚的介绍及选型,但是有些没有进行过多描述,在这方面有欠缺。
第3章自动售货机软件设计
3.1自动售货机控制流程图
根据自动售货机所需要实现的功能,自动售货机控制系统需要完成币值累加,币值比较,货物选择及退币过程,则具体的流程图如下：
图3-1自动售货机控制流程图
3.2自动售货机程序设计
所谓自动售货机的软件设计实质上就是运用PLC规定的编程语言,将控制对象的控制条件将控制对象的控制跳进啊与动作要求转化成PLC可识别的指令的过程,三菱系列PLC可使用的编程语言有指令表、梯形图和SFC编程3类,此次设计中我选用梯形图来编程。
3.2.1程序中所需要用到的部分主要指令
1、比较指令
指令格式：
（D）CMP（P）
（S1.）
（S2.）
（D.）
比较指令CMP是将两个源操作数（S1.）和（S2.）进行比较,比较的结果送到目的操作数中（D.）去。
例如图3-2所示的梯形图,当X001接通时执CMP指令通电执行,D10中的数据和K23（数值23）比较,比较结果存放于M3开始的连续3个元件中。
当D10>23时,M3=1;当D10=23时,M4=1;当D10<23,M5=1。
图3-2CMP指令使用说明
2、加法运算
指令格式:
（D）ADD（P）
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