基于PLC的自动售货机控制系统的设计设计.docx
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基于PLC的自动售货机控制系统的设计设计
毕业论文（设计）
基于PLC的自动售货机控制
系统的设计
TheDesignofVendingMachinesControlSystem
BasedonPLC
徐州工业职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
课题名称基于PLC的自动售货机控制系统的设计
课题性质 工程设计类
班级电气自动化092班
一．选题意义及背景
自动售货机是可完成无人自动售货，集光、机、电一体化的商业自动化设备。
自动售货机不受任何场地限制，方便快捷，可以每天24h售货，因此深受上班族的欢迎。
随着科技发展和市场繁荣，很多城市的公共场所里面都放置有自动售货机，出售的商品五花八门，从饮料、零食、香烟、糖果，到牙刷、方便面、自动照相机。
近年来，我国的自动售货机行业突飞猛进：
在汽车总站、商厦、医院、小区、学校等地区纷纷涌现出自动售货机的踪迹。
这种方便快捷的购物方式越来越受到人们的青睐，同时也是现代化城市配套设施的需求。
在人口集中的学校、车站、医院等地方，瓶装的饮料造成大量资金与产品的浪费，本课题就研究用PLC实现散装饮料的自动销售，要求给出自动售货机控制系统的硬件电路设计和软件设计。
二．毕业设计（论文）主要内容：
合理选择PLC类型，设计自动售货机控制系统。
具体要求如下：
1、画出售货机控制流程图；
2、合理分配PLC的I/O接口；
3、画出相应的售货机连接线路图；
4、编写控制程序并进行仿真调试。
●售货机可投入不同币种。
●投入总币数进行等级划分，并通过不同的按钮指示灯指示。
●当货物排出后延时指示灯灭。
●钱币多通过找币系统找币。
●系统运行状态应有指示。
三．计划进度：
日期
毕业设计各阶段的任务
2011年10月17日~10月23日
下达任务书，动员，学生准备
2011年10月24日~10月30日
学生查阅资料，确定方案
2011年10月31日~11月20日
学生设计，老师指导
2011年11月21日~11月24日
调试，整理毕业论文
2011年11月25日
论文答辩
四．毕业设计（论文）结束应提交的材料：
1、毕业论文。
2、仿真运行系统程序。
指导教师教研室主任
年月日年月日
论文真实性承诺及指导教师声明
学生论文真实性承诺
本人郑重声明：
所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。
毕业生签名：
日期：
指导教师关于学生论文真实性审核的声明
本人郑重声明：
已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核，确定其内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。
指导教师签名：
日期：
摘要
自动售货机是可完成无人自动售货的商业自动化设备，它不受任何场地限制，方便快捷，可以每天24h售货，在我国也越来越普及。
传统的自动售货机采用单片机作为控制核心，但这样在输入输出接口上消耗很大。
PLC不但可以实现类似控制功能，还具有可靠性高、编程简单、功能强、能耗低、调试方便等优点。
本售货机系统主要是针对纯净水、汽水和咖啡的自动销售。
论文以三菱PLC设计自动售货机控制系统，简要介绍PLC各硬件选型，软件的设计，并具体的进行了PLC梯形图的编写和系统的调试，仿真证明该系统切实可行。
关键词:
自动售货机；PLC；调试
Abstract
Vendingmachineisaself-servicedevicethatcanautomaticallysellgoodstocustomers.Itisnotrestrictedtospecificsites,whichisconvenientandsells24hoursaday.VendingmachinesalsobecomeincreasinglypopularinChina.ThetraditionalvendingmachinesuseSingleChipMicrocomputerasthecoreofcontrol,whichcostsgreatlyonitsinput/outputinterface.PLCnotonlyfulfillasimilarcontrollingfunction,butalsohasotheradvantagessuchashighreliability,easinesstoprogram,strongfunction,lowenergyconsumption,conveniencetodebugandsoon.Thevendingmachinesystemismainlyvendingforpurewater,softdrinksandcoffee.
OnthebasisofMitsubishiPLC,thispapergivesabriefintroductiontothevarioushardwareselection,softwaredesign,ladderprogramWrittinganddebugging,thesimulationprovedthatthesystemisfeasible.
Keywords:
VendingMachine；PLC；Debugging
第一章绪论
1.1自动售货机的理论背景与实际意义
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。
在中国,自动售货机1999年开始进入中国市场。
如今，在机场、地铁、商场、公园等客流量较大的场所，已不难发现自动售货机的身影[1]。
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[2]。
本系统的设计和实现可以使自动售货机的经营者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的运营人员，从而可以在第一时间内发现并解决问题。
1.2自动售货机设计的基本思路
本次设计的题目是基于PLC的自动售货机控制系统的设计，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的定义、PLC的工作原理、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四章的设计部分，即自动售货机梯形图的设计。
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，这样才能真正理解自动售货机的系统控制原理。
第二章PLC的概述
2.1PLC的定义与硬件组成
美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出如下定义：
可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计[3]。
定义强调了PLC应直接应用与工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。
这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征。
定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，它也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。
这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。
它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作，它还具有
“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。
PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等几部分组成[4]。
其中，CPU是PLC的核心；输入单元/输出单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路；通信接口用于连接编程器、上位计算机等外部设备，其硬件构成图如图2.1所示。
图2.1PLC硬件结构图
2.2PLC的循环扫描工作
对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回到第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期[5]。
PLC的扫描全过程如图2.2所示。
（1）输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。
完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。
（2）程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
（3）输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
图2.2PLC的扫描全过程
2.3PLC的工作原理与特点
PLC的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。
PLC通电后，首先对硬件和软件作一些初始化操作，初始化反复不停地分阶段处理各种不同的任务如图2.3所示。
但是PLC也有它自己的特点，PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的
[6]。
图2.3各阶段处理任务
PLC专为在工业环境下应用而设计，以用户需要为主，又采用了先进的微型计算机技术，所以具有以下几个显著特点[7]。
（1）可靠性高
PLC由于选用了大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件和软件的设计制造过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，所以具有很高的可靠性。
PLC控制系统平均无故障时间可达2万小时以上。
高可靠性是PLC成为通用自动控制设备的首选条件之一。
（2）编程简单、使用方便
PLC的编程采用类似继电控制系统电器原理的梯形图，用串联、并联、定时、计数等人们所熟悉的概念，使计算机语言大众化，只要是比较熟练的电工和熟悉工业知识的人在几天内就能学会，这是PLC得到推广的重要原因之一。
（3）通用性好，具有在线修改能力
PLC的硬件采用模块化结构，可以灵活的组合以适应不同的控制对象、控制规模和控制功能的要求，为组成各种系统带来极大的方便。
同一台PLC装置用于不同受控对象时,只是输入输出组件、功能模块和应用软件不同。
同时，PLC控制系统中的控制电路是由软件编程完成的，只要对应用程序进行修改就可以满足不同的控制要求，因此PLC具有在线修改能力，功能易于扩展，给生产带来了“柔性”，具有工业通用性。
（4）设计、施工、投产试制周期短，维护容易
目前PLC产品已实现了系列化、标准化，正朝着通用化方向发展，设计人员只需要根据控制系统的需要，选用相应的模块进行组件设计。
同时，用软件编程代替了机电控制的硬连线，大大的减轻了繁重的安装和接线工作，这不仅提高了可靠性，还极大的缩短了施工周期。
PLC还具有故障检测及显示的功能，使故障处理时间可缩短为10分钟，对维护人员的技术水平要求也不太高。
（5）体积小
由于采用了微型计算机技术，使PLC达到了小型和超小型化，很容易装入机械设备内部，便于实现机电一体化。
由于上述特点，PLC作为通用自动化控制设备，可用于单一机电设备的控制也可用于工艺过程的控制，而且控制精度相当高，操作简便，又具有很大的灵活性和扩展性，使得PLC的应用越来越广泛。
2.4PLC与其它工业控制装置的比较
（1）PLC与集散控制系统
PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，初期的功能是以数字量的顺序控制为主。
随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的发展，PLC在逻辑运算、璧还调节的功能，运算速度提高，输入输出规模扩大，并开始与小型计算机联成网络，构成以PLC为重要部件的初级分散控制系统[8]。
集散控制系统是由回路仪表控制系统发展而来，初期的功能以回路调节为主。
随着微处理器和单片机的出现，他把顺序控制技术、数据采集、过程控制的模拟量仪表和过程监控装置等有机的结合在一起，形成了新一代的集散型控制系统。
可见，不论是PLC还是集散系统，在发展过程中，始终是互相渗透，互相补充。
新一代的PLC增强了模拟量控制功能，可配备各种智能模块，具有了PID调节功能和构成网络系统、组成分级控制的功能。
集散系统既有单回路控制功能，也有多回路控制功能，同时也有顺序控制功能。
因此，当今的PLC与集散控制系统的发展越来越接近，很多生产过程的控制既可用PLC实现，也可用集散系统来实现。
（2）PLC与工业控制计算机
工业控制计算机是指能够提供各种数据采集和控制功能，能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口，能够在恶劣的工业环境可靠运行的计算机系统。
工业控制机是由通用微机推广应用发展而来，硬件结构方面总线标准化程度高，品种兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速，实时性强，模型复杂的工业对象的控制占有优势。
但是，使用工业控制机的人员的技术水平要求较高，一般具有一定的计算机专业知识。
工业控制机在整机结构上尚不能适应恶劣的工作环境，因而，不如PLC那样容易推广。
PLC是专为工厂现场应用环境而设计的，结构上采用整体密封或插件组合型，并采用了一系列抗干扰措施，在工业现场使用有很高的可靠性；PLC是由电气控制厂家研制出来的，采用梯形图语言编程，使熟悉电器控制的人员易学易懂，易于推广。
但是，由于PLC的运行方式不同于工业微机，微机的很多软件还不能直接应用，且PLC的标准化程度较低，各厂家的产品不通用，因此在开发上不如工业控制机那样有基础。
2.5PLC的应用场合与选择
随着电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，而其功能却大大增强。
目前在先进工业国家中PLC已经成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有的工业企业，诸如钢铁、冶金、采矿、水泥、石油、化工、轻工、电力、机械制造、汽车等等各行各业、特别是在轻工业中，因生产门类多，加工方式多变，产品更新换代快，所以PLC广泛应用在组合机床自动线、专用机床、塑料机械、包装机械、电梯等电器设备中。
PLC已经跃居现代工业自动化三大产柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的主导地位[9]。
目前的PLC品牌很多，比较有名的有美国AB，ABB，松下，西门子，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷等。
而不同的PLC其产品价格差价也是很大，在质量和I/O点数几乎相同的情况下可以相差较多[10]。
三菱FX2N系列是作为一种小型机，其功能较为完善，性能价格比高，较为适合自动售货机。
另外在本设计中PLC需要接11个输入点和12个输出点，以及为了以后的扩展需要，由以上三点因素，选择了三菱PLC，FX2N-48MR型。
三菱PLC，FX2N-48MR是具有高级处理功能的型号，其输入和输出点数之和为48点，还可以扩展到256点，结构紧凑，速度高。
其外观如图2.4所示。
图2.4三菱PLCFX2N-48MR
三菱PLCFX2N-48MR性能规格：
（1）运转控制方式：
通过储存的程序周期运转。
（2）运转处理时间：
基本指令：
0.8µs/指令，应用指令：
1.52至几百µs/指令。
（3）编程语言：
逻辑梯形图和指令清单。
（4）程式容量：
8000步内置。
（5）指令数目：
基本顺序指令27，步进梯形指令2，应用指令128。
（6）I/O配置：
最大硬件I/O配置点256。
（7）辅助继电器（M线圈）：
一般：
500点，锁定：
2572点，特殊：
256点。
（8）状态继电器（S线圈）：
一般：
490点，锁定：
400点，初始：
10点，
信号报警器：
100点。
（9）定时器（T）：
100毫秒，范围0至3276.7秒（200点）；10毫秒，范围0至327.67秒（46点）；1毫秒保持型，范围0至32.767秒（4点）。
（10）计数器（C）:
一般16位，范围0至32767数（200点），锁定16位，范围100点，一般32位，范围15点,锁定32位，范围15点。
第三章自动售货机的硬件
3.1硬币识别器
一、硬币识别器的原理
硬币识别器主要识别现在国家发行的一元、五角、一角的硬币。
我国目前发行的一元，五角和一角硬币的金属原材料是为制造硬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传感器，金属材质和体积的差异对电容量和电感量的影响大小也出现微弱差异。
电容量、电感量的变化引起电压的变化，再通过检测电路将信号放大，与设定值进行比较，确定某种硬币种类并对PLC的输入单元发出信号，PLC根据接收到的信号,对硬币值进行累加计数。
二、硬币识别器的特点
根据对硬币识别器的了解及选择，确定使用侧投类CPU硬币识别器（多币值
），其外观结构如图3.1所示。
图3.1侧投类CPU硬币识别器
该硬币识别器的特点：
（1）根据硬币的材质、直径来识别真假币，准确度高。
（2）可随意设定所需币种，无须夹取样币来做比较，CPU自动记忆所设定的样币。
（3）最多可设定3种不同规格的硬币（即可同时识别3种不同的硬币）。
可设定一个硬币输出1-99个脉冲信号，或几个（1-9个）硬币输出一个脉冲信号。
（4）防钓鱼效果好。
可连接计数器，方便计数。
（5）可根据需要，增加累计输出功能、时间控制及禁止接收硬币等功能。
三、侧投类CPU硬币识别器性能
适用硬币:
直径φ18mm-φ32mm；厚度1.2mm-3.2mm。
适用于人民币、各种外币等。
工作电压:
AC220V，功耗：
静能0.5mW；动能0.5W。
工作温度:
-20℃～+50℃。
3.2开关电源
在自动售货机中指示灯、警铃、等电源为DC24V，因此需要配备直流24V开关电源。
本文选择了WP10-S-24，其外观如图3.2所示。
图3.2WP10-S-24外观图
本开关电源的性能规格
（1）交流电压输入范围：
170～264VAC。
（2）直流调整范围：
额定输出电压±10％。
（3）输出过载保护：
110％〜150％。
（4）工作温度：
-10～+50℃。
3.3电磁阀
电磁阀的工作原理
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。
用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压缸控制，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油管，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油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，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。
追朔的发展史，到目前为止，国内外的从原理上分为三大类（即：
直动式、分布直动式、先导式），而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类（直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构）。
一、直动式：
原理：
通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，关闭。
特点：
在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。
二、分布直动式：
原理：
它是一种直动式和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。
当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使关闭。
特点：
在零压差或真空、高压时亦能可动作，但功率较大，要求必须水平安装。
三、先导式：
原理：
通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭。
特点：
流体压力范围上限较高，可任意安装但必须满足流体压差条件。
本文采用的是直动式电磁阀，如图3.3所示。
图3.3直动式电磁阀
3.4液位开关
液位开关，也称水位开关，液位传感器，顾名思义，就是用来控制液位的开关。
从形式上主要分为接触式和非接触式。
常用的非接触式开关有电容式液位开关,接触式的浮球式液位开关应用最广泛。
电极式液位开关，电子式液位开关，电容式液位开关也可以采用接触式方法实现。
一、电容式液位开关
电容式液位开关是采用侦测液位变化时所引起的微小电容量（通常为PF）差值变化，并由专用的ADA电容检测芯片进行信号处理（可以输出多种信号通讯协议，如：
IO,BCD,PWM,UART,IIC…），从而检测出水位，并输出信号到输出端。
电容式液位检测的最大优势在于可以隔着任何介质检测到容器内的水位或液体的变化，大大扩展了实际应用，同时有效避免了传统液位检测方式的稳定性、可靠性差的弊端。
在某些特殊领域不能检测的问题，使用内置MCU双核处理的ADA电容检测芯片的电容式液位开关，就可以实现很多特殊控制功能，甚至实现更多的集成化、智能化水位检测功能，诸如太阳能热水器、咖啡壶等应用中掉电后的水位变化也能可靠检测当前水位，电容式液位检测是目前液位开关中最有优势的检测方法。
二、电缆浮球液位开关
浮球液位开关是利用微动开关做接点输出。
当水平面以上扬线角度超过28°时，浮球液位开关内部
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