基于PLC的饮料自动售货机控制系统方案设计书.docx

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基于PLC的饮料自动售货机控制系统方案设计书

毕业设计（论文）

基于PLC的饮料

自动售货机控制系统设计

专业（系）电气工程系

班级铁道自动化101班

学生姓名彭未红

指导老师陈庆

完成日期2013.6月

2013届毕业设计任务书

一、课题名称：

基于PLC的饮料自动售货机控制系统设计

二、指导教师：

陈庆

三、设计内容与要求

1、课题概述：

本课题采用三菱FX2N系列PLC对饮料饮料自动售货机控制系统进行设计，首先对饮料饮料自动售货机结构进行简单介绍，然后根据系统的设计要求对饮料自动售货机控制系统、检测系统进行分析，给出饮料自动售货机控制系统的总体设计思路，并通过I/O列表、I/O接线图、梯形图、指令表等对其控制系统进行了程序设计，控制程序经上机调试运行，其结果基本符合要求。

2、设计内容与要求：

1）简单介绍饮料自动售货机结构；

2）分析饮料自动售货机的控制系统、检测系统，确定其控制系统的总体设计思路；

3）采用FX2N系列PLC作为饮料自动售货机控制PLC，正确选取PLC型号，设计出其控制程序。

4）控制程序上机调试。

5）所设计的饮料自动售货机控制程序，应符合饮料自动售货机运行规则。

如饮料自动售货机收到识币信号后，自动进行累计、外部金额显示、顾客按键后自动推出商品和发出退币找零等信号的电控系统。

6）设计说明书要有硬件原理连接图，I/O分配图，程序梯形图、指令表及相应的说明。

要求文字流畅，图形清晰，便于阅读。

有条件的设计方案要求在实验室验证其正确性。

四、设计参考书

1、《PLC控制系统设计与维护》刘小春华满香主编高等教育出版社

2、《流行PLC实用程序及设计（三菱FX2系列）》贺哲荣主编西安电子科技大学出版

3、《三菱FX系列PLC设计与开发--原理、应用与实训》张还主编机械工业出版社

五、设计说明书要求

1、封面

2、目录

3、内容摘要（200~400字左右，中英文）

4、引言

5、正文（设计方案原理、特点、分析、比较、论证，PLC程序的设计及调试，调试结果的说明及特点，实验结果的说明及特点）

6、结束语

7、附录（参考文献、图纸、材料清单等）

六、毕业设计进程安排

第1周：

资料准备与借阅，了解并熟悉课题思路。

第2周：

设计要求说明及课题内容辅导。

第3-6周：

进行毕业设计，完成说明书初稿。

第7周：

第一次检查，了解设计完成情况。

第8周：

修改完善设计，并作好毕业答辩准备。

七、毕业设计答辩及论文要求

1、毕业设计答辩要求

答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。

学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始数据或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。

答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。

2、毕业设计论文要求

文字要求:

说明书要求打印（除图纸外），不能手写。

文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。

图纸要求:

按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。

曲线图表要求：

所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。

第3章方案论证与设计..............................................................................................................14

3.1总体设计分析...................................................................................................................14

3.2方案的选择与设计...........................................................................................................14

3.2.1继电控制………………………………………………………………………...….14

3.2.2单片机控制………………………………………………………………………....15

3.2.3PLC控制…………………………………………………………………………….15

3.3方案确定.......................................................................................................................16

4.1硬件电路设计……………………………………………………………………….....17

4.1.1硬件系统组成………................................................................................................17

4.1.2电气设备的选择……………………………………………………………………17

4.2软件设计…………………………………………………………………………….…19

4.2.3I/O分配表..................................................................................................................21

4.2.4硬件接线图................................................................................................................22

4.2.5程序设计.....................................................................................................................23

5.1调试设备...........................................................................................................................27

附表一：

梯形图............................................................................................................................31

附表二：

指令表............................................................................................................................35

摘要

在今天的工业生产中，可编程逻辑控制器（PLC）已经成为实现工业自动化的关键。

本文简要介绍了有关可编程逻辑控制器的一些基础知识和简单的应用，而且还介绍了PLC的技术特点，并重点在硬件、软件和组态软件方面进行了介绍，对他们在工业自动化中的典型应用、最新的技术发展趋势也做了介绍。

自动售货机在中国有着广阔的发展前景，文中介绍了自动售货机的发展历史和现状。

在这次的毕业设计中，我查阅了大量的资料，以PLC原理为基础设计了自动售货机系统。

按照自动售货机的工作方式，把一次交易过程分为：

运行初期清零过程、投币过程、价格比较过程、选择商品过程、退币过程。

利用梯型图编制各个过程的程序完成了设计的基本要求。

关键词:

自动售货机；可编程逻辑控制器。

ABSTRACT

Intoday'sindustrialproduction,programmablelogiccontroller（PLC）hasbecomethekeytorealizeindustrialautomation.Thispaperbrieflyintroducestheprogrammablelogiccontrollersomebasicknowledgeandsimpleapplication,butalsointroducesthetechnicalcharacteristicsofPLC,andmainlyinhardware,softwareandconfigurationsoftwareareintroduced,thetypicalapplicationinindustrialautomation,thelatesttechnologydevelopmenttrendisalsointroduced.

VendingmachineinChinahasawidedevelopmentprospect,thispaperintroducesthevendingmachinedevelopmenthistoryandcurrentsituation.Inthisgraduationdesign,Irefertoalargeamountofmaterial,withPLCprincipleforfoundationdesignthevendingmachinesystem.Accordingtothevendingmachineworkingway,atransactionprocessisdividedinto:

earlyoperationperiodresetprocess,coinprocess,pricecomparisonprocess,choosegoodsprocess,returnmoneyprocess.Useofladdertypeplanningeachprocessprocedurescompletedthebasicrequirementsofdesign.

Keywords:

Vendingmachine。

Programmablelogiccontroller.

第1章任务与要求

1.1课题概述

本课题采用三菱PLC-FX2N-32MR对饮料饮料自动售货机控制系统进行设计，首先对饮料饮料自动售货机结构进行简单介绍，然后根据系统的设计要求对饮料自动售货机控制系统、检测系统进行分析，给出饮料自动售货机控制系统的总体设计思路，并通过I/O列表、I/O接线图、梯形图、指令表等对其控制系统进行了程序设计，控制程序经上机调试运行，其结果基本符合要求。

1.2设计内容与要求

1）简单介绍饮料自动售货机结构；

2）分析饮料自动售货机的控制系统、检测系统，确定其控制系统的总体设计思路；

3）采用FX2N系列PLC作为饮料自动售货机控制PLC，正确选取PLC型号，设计出其控制程序。

4）控制程序上机调试。

5）所设计的饮料自动售货机控制程序，应符合饮料自动售货机运行规则。

如饮料自动售货机收到识币信号后，自动进行累计、外部金额显示、顾客按键后自动推出商品和发出退币找零等信号的电控系统。

6）设计说明书要有硬件原理连接图，I/O分配图，程序梯形图、指令表及相应的说明。

要求文字流畅，图形清晰，便于阅读。

有条件的设计方案要求在实验室验证其正确性。

1.3FX2N-32MR产品说明：

　　FX系列PLC拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点；　　FX2N是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；　　FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。

　　除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等　　特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

　　在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。

可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。

可根据电源及输出形式，自由选择。

程序容量：

内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。

丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。

便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。

数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。

特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。

外部设备相互通信，串行数据传送，ASCIIcode印刷，HEXASCII变换，校验码等。

时计控制内置时钟的数据比较、加法、减法、读出、写入等。

我本次设计所选用的是三菱PLC-FX2N-32MR。

32点，16输入，16输出的。

第2章引言

2.1研究背景

2.1.1PLC的产生和发展

1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；　　1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP—14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。

　　1969年，美国研制出世界第一台PDP-14；　　1971年，日本研制出第一台DCS-8；　　1973年，德国研制出第一台PLC；　　1974年，中国研制出第一台PLC。

20世纪70年代初出现了微处理器。

人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。

此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。

　　20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

　　20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

　　20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

　　20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。

2.1.2PLC的组成

PLC的组成有中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）电路、电源、编程器等几方面组成。

2.1.2PLC的特点

1.使用方便，编程简单　　采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。

另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。

2.功能强，性能价格比高　　一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。

它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。

PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强　　PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。

　　硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

4.可靠性高，抗干扰能力强　　传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。

PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

　　PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

5.系统的设计、安装、调试工作量少　　PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

　　PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。

　　PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。

完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

6.维修工作量小，维修方便　　PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。

PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故。

2.2论文研究目标和意义

2.2.1自动售货机

自动售货机是一种全新的商业零售形式，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。

在日本全国各地，共设有550万台自动售货机（据1998年的统计），销售额达6兆8969亿4887万日元，为世界第一。

在售货机的显示屏幕上进行操作，输入商品号码和购买数量，并投入钱币后，商品就会从取货口出来，甚至从食品自动售货机上还能买到热呼呼的面条和M饭团。

虽然日本的自动售货机总台数低于美国（据1997年的统计为689万台），但是，从人口占有数来看却是世界上最高的，美国平均35人占有一台，而日本为23人占有一台。

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。

2.2.1目的和意义

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。

第三章方案论证与设计

3.1总体方案设计分析

3.1控制系统设计原则

任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

（1）最大限度地满足被控对象的控制对象。

设计前，应深入现场进行调查研究，收集资料，并于机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟订电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

（2）在满足控制系统要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。

（3）保证控制系统的安全、可靠。

（4）考虑到生产的发展和工艺和改进，在选择PLC容量时，应适当留有裕量。

3.2方案的选择与设计

3.2.1继电控制

利用具有继电特性的元件进行控制的自动控制系统。

所谓继电特性是指在输入信号作用下输出仅为通、断等几个状态的特性。

继电控制也称通断控制。

例如，电炉温度调节中根据炉温是否超过规定值而断开或接通电源。

这种只有通、断两个状态的控制又称双位式控制。

对于继电控制型伺服系统，继电控制是指驱动电源的全部电压按照控制偏差值符号的正负，正向或反向地加到执行电动机上。

为避免正反向之间的持续振荡，在正向和反向之间常设置一个死区。

继电控制中使用的元件并不限于电磁式继电器，也可用别的手段来实现继电特性。

例如，在双位式温度调节中，常采用双金属片作为敏感元件，温度变化时双金属片因两部分金属的膨胀系数不同而弯曲变形，接通或断开触点。

其他如液压和气动阀等也是具有继电特性的元件。

继电控制系统的主要分析方法有相平面法和描述函数法。

继电控制的缺点：

继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。

他们比以往的产品具有更高的可靠性。

但是，这也是随之带来的一些问题。

如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。

而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。

再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。

在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。

并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。

3.2.2单片机控制

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。

因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

　　单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，

3.2.3PLC控制

在工业自动化领域，可编程控制器（PLC）作为自动控制以成为大多数自动化系统的设备