基于PLC的自动售货机设计毕业设计论文.docx
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基于PLC的自动售货机设计毕业设计论文
基于PLC的饮料自动售货机的控制
摘要
随着人们生活节奏的加快和PLC技术与自动控制的不断发展，饮料自动售货机也已深入到人们的生活当中去。
本论文主要阐述了有关自动售货机的背景、目的和意义，以及目前在世界上的分布状况；对PLC的有关知识进行概述；完成饮料自动售货机的硬件结构和控制系统，运用西门子S7-200系列的PLC所编写的梯形图实现了自动售货机的货币累加、价格比较、商品选择和找零退币的功能。
采用PLC控制的饮料自动售货机，编程简单、维护方便、高效可靠，既保证了它的可靠运行也让它在市场上占据了优势地位，奠定了未来发展的基础。
关键词：
PLC；饮料自动售货机；硬件结构；控制系统
BasedonthecontrolofthePLCBeveragevendingmachine
Summary
WiththeacceleratedpaceoflifeandthecontinuousdevelopmentofPLCtechnologyandautomaticcontrol,thebeveragevendingmachinesarebecomingmoreandmorevisibletopeople'slives.Thispapermainlyelaboratesthebackground,purposeandsignificanceofthevendingmachine,andthecurrentdistributionintheworld.TheknowledgeofthePLCissummarized.Thehardwarestructureandcontrolsystemofthebeveragevendingmachinearecompleted.TheSiemensS7-200SeriesofPLCpreparedbytheladdertoachievethevendingmachine'scurrencyaccumulation,pricecomparison,commodityselectionandchangethefunctionofthecoin.PLC-basedbeveragevendingmachinesystem,simpleprogramming,easymaintenance,efficientandreliable,bothtoensureitsreliableoperationalsoletitoccupyadominantpositioninthemarket,laidthefoundationforfuturedevelopment.
Keywords：
PLC;beveragevendingmachine;hardwarestructure;controlsystem
第1章绪论
1.1研究背景
自动售货机作为国内的新兴产业之一，在实现了全天24h不间断无人售货的同时也为新时代下的我们提供了一种全新的销售理念,不仅充分地利用了人力资源，也能够很快地适应消费模式、减少运营资本和占地面积，同时解决了人工费上升的问题，引起人们购买的好奇心。
由于城市化进程的不断加快，随处可见的自动售货机在很多公共场合大大地解决了人们的需要。
这也就说明了它已经在社会上被很多人所接受了。
现在自动售货机已经在发达国家和发展中国家中被广为宣传和普及。
自动售货机经历了单片机控制和PLC控制两个阶段。
前者需要在输入输出接口做很多的准备，结构设计上也比较复杂；而以PLC作为控制系统的自动售货机输入输出接口电路编程简单、维护方便，在弥补了单片机控制系统抗干扰性、可靠性和稳定性差的缺点的同时也综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术的优点，提高了其在工业控制和社会生活上的应用。
PLC的优点刚好都能够满足作为独立服务设施的自动售货机的设计要求。
因此，将PLC系统应用于自动售货机，不仅保证了它的稳定运行，也促进了它的飞速发展。
1.2自动售货机的目的和意义
科学技术的不断成熟和发展不仅提高了人们的生活质量也刺激了人们对自动化设备的依赖。
在日常的生活当中，我们在公共场合都可以看到自动售货机出现在我们的身边。
它是一种能够根据钱币支付的多少自动给货的机器设备，一整天不停歇的营业是它的主要优点，而且还不用设专人看管，方便又快捷。
同时由于其产品种类繁多，结构多样，出售商品的不同等特点逐渐被社会广泛使用，使用时将足够钱币投入自动售货机，便能够选择售货机里面的商品，并根据是否有剩余的钱自动找余。
自动售货机的出现，俨然已成为了文明城市的标志之一，它不仅为我们的生活带来便利，也为我们的城市带来美化，受到了人们的欢迎。
目前，在美国、日本等国家中，人们已经潜移默化的将自动售货机当做他们生活中的一部分，其发展速度可见非常之快。
因此，对于拥有14亿人口的中国来说，这是一个巨大的市场发展空间。
PLC控制系统不仅需要用到通信网络技术，也需要用到控制技术和数学技术等高新技术。
将PLC应用于自动售货机，同时结合高新技术，不仅能够更好地推动它们之间的发展也能够更好的推动自动售货机在未来的发展。
1.3国内外自动售货机的发展现状
从自动售货机最开始的出现（1962年），到它在发达国家（如日本，美国）被广泛使用仅仅只需要20来年的时间，之后就被开始散布于世界各地。
由此可见人们对它的依赖和喜欢。
随着贸易全球化的不断加快，自动售货机因其快捷方便的特点现已应用于各个行业，在许多国家和地区快速发展和普及。
在中国,百货商店和超市也正在面临着严峻的考验。
2004年开始，自动售货机便开始在中国生根发芽，它不仅可以出售货物，还可以做广告传播。
人们称自动售货机在国内的发展是中国的第三次零售业革命，可想而知它在中国的市场有多大。
每年自动售货机的需求量都在增加，截止2015年中国饮料和食品的自动售货机投入使用的台数已达到18万台，但相比于整体零售环境，还是滞后的。
因此，还存在着巨大的市场空缺。
但我们也相信，市场需求的不断扩大，自动售货机功能的不断完善，以及政府企业之间的合作等，定能让自动售货机在中国的发展有一个革新的变化。
对比国内，国外的发展则成熟很多，主要消费群体是年轻人，已在全世界近64个国家和地区得到了发展和应用。
20世纪70年代日本便开始普及自动售货机，发展到今天，已拥有了五百万台，其中两千多种机型，六千多种商品，单单销售饮料就有一万多亿元，这是一个惊人的数目。
比起日本，美国也是不相上下，目前来说也有差不多五百万台被人们所使用。
在法、意、英、德等欧盟国家也已达到了三百多万台，每年可达一百多亿欧元的销售额。
由此可见，在众多的零售业当中，自动售货业在几年之后也将是零售行业当中的佼佼者，它的发展是势不可挡的。
第2章PLC概述
2.1PLC的简介
PLC全称为ProgrammableLogicController，中文名为可编程逻辑控制器。
20世纪60年代末美国GM公司根据他们提出取代继电器控制装置的要求成功研制出了世界上公认的第一台采用程序化手段应用于电气控制的PLC。
从此，PLC在世界上被广泛应用于工业领域，开创了工业领域的新时代。
目前德、美、日是生产PLC的主要厂家。
美国的PLC厂家主要有GE公司、A-B公司等，如图2.1所示的美国GEFanucPLC模块输出输入模块；日本的主要PLC品牌有三菱、富士、日立等，图2.2所示为三菱PLC；德国主要是西门子，图2.3所示。
经过了几十年的发展，PLC功能越来越强大，种类越来越多。
其应用领域非常广泛，包括了逻辑控制、运动控制、闭环工程控制、数据处理以及通信联网等领域。
1、PLC的特点
PLC实质上是一种数字运算操作电子系统[1]。
之所以能够广泛应用主要依赖于其具有以下的特点：
（1）编程简单，使用方便；
（2）高效可靠，抗干扰强度高；
（3）功能强大，性价比高；
（4）硬件齐全，应用灵活；
（5）低功耗，小体积；
（6）功能完善，维修量小。
因此，对现在越来越复杂的工业生产，PLC都能够根据不同的控制要求去适应。
2、PLC的基本功能
PLC具有以下的基本功能：
（1）定时和计数功能；
（2）数据处理和联网通信功能；
（3）数模转换和模数转换功能；
（4）逻辑控制功能；
（5）控制系统监控。
3、PLC的分类
目前市场上PLC的品牌、结构、种类很多，将其进行分种类一般来说是根据其大小、型号或者功能的不同进行大概的分类。
（1）按开关量的点数分类（如表2.1所示）
表2.1按开关量的点数分类
PLC的大小
输入/输出点数
小型PLC
128点以下
中型PLC
128～512点之间
大型PLC
512点以上
（2）按结构型式分类（如表2.2所示）
表2.2按结构型式分类
结构型式
优点
整体式结构
输入/输出点数少、体积小
模块式结构
输入/输出点数自由配置、模块组合灵活
叠装式结构
集合了整体式和模块式两种优点于一身
2.2PLC的基本组成
市场上PLC种类繁多，组成结构各有不同。
但是一般组成主要包括这五大部分：
中央处理器（CPU）、存储器、电源、输入/输出接口和编程器[1]。
其组成结构如图2.4所示，各个结构的功能和分类如表2.3所示。
表2.3各个结构的功能和分类
编程器
（PLC最重要的外围部分）
简易编程器
（用于小型PLC）
功能：
将程序送入存储器，检查程序和修改程序以及监视PLC的工作状态
智能编程器
（用于大型PLC）
存储器
（半导体集成电路）
系统程序存储器
功能：
主要存放系统软件，由厂家编写的能够控制和完成PLC功能的程序
用户程序存储器
功能：
主要存放应用软件，由用户根据生产过程和设计要求进行编写程序
中央处理器CPU（PLC的控制中枢）
在PLC的运行过程中完成以下任务：
1）接收和存储程序和数据
2）诊断工作状态，检查程序语法错误
3）扫描接收输入信号，存入I/O和数据寄存器
4）从程序存储器逐条读取程序，执行逻辑运算和算数运算
5）将运算结果传送到相应的输出装置
6）循环运行，直到停止运行
输入输出接口（I/O接口，实现电平转换）
输入接口
作用：
现场接口界面和PLC之间的输入通道
组成：
光电耦合电路和微机输入接口电路两部分
类型：
直流输入型和交流输入型
输出接口
作用：
通过PLC控制输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号
组成：
微电脑输出接口电路、隔离电路和功率放大电路
电源
（PLC的重要部分）
组成：
滤波电路和集成电压调整器
作用：
变换交流电压为直流信号同时保证PLC的稳定运行和正常工作
2.3PLC的工作原理
“顺序扫描，不断循环”是PLC的工作方式。
即当PLC上电运行后，CPU就会将已经编写好并且已经写入PLC里面的程序按照指令序号进行扫描，一直扫描到程序结束，除非在中间编写了一个跳转指令，当CPU扫描到跳转指令时，就会跳到跳转指令对应的程序扫描，扫描完成后再跳回刚才跳转指令那，继续往下扫描。
在扫描到程序结束后，又会回到程序第一条指令，重新扫描，一直以此循环，其主要目的就是要及时地读取到最新的输入状态和更新输出状态。
因此，PLC的扫描主要是以下三个流程。
1、输入采样
PLC每次扫描都要进行一次输入采样，当输入端子发生变化时，无论是它的状态还是数据，都会依次被读取，而上一次扫描的输入状态将会被这一次扫描所覆盖，同时与输入对应的映像寄存器也会采集这次扫描的状态。
而后面两个流程所需要用到的输入信号，都是读取此次扫描的输入状态。
当输入端子在被扫描后发生了改变，映像寄存器不会受到干扰，只能在下次扫描时再被读取。
2、执行程序
当输入采样流程完成后，就进入到了执行程序的流程，此时CPU就会将已经编写好并且已经写入PLC里面的程序按照指令序号进行扫描。
假如用户程序是梯形图，则每次扫描的过程中，按照一定的扫描规律，先左后右、先上后下，对触点所构成的控制线路进行逻辑运算，并在元件映像寄存器内存放运算结果。
前面梯形图的运算结果假如在后面的梯形图中被用到，则对后面梯形图的运算起作用，而后面的梯形图结果则需要在下一次扫描时才能被前面的梯形图所用到。
3、输出刷新
当PLC完成了前面两个流程后，就到了最后一个流程——输出刷新。
在执行程序每一次完成后，其所有结果都被存入到元件的映像寄存器，此时将其结果刷新输出到各个锁存电路，并驱动外部设备。
当完成这个流程后，CPU又回到了程序的第一条指令，再次扫描。
PLC的工作原理可以用如下图2.5的工作流程来表示。
第3章饮料自动售货机的硬件结构设计
3.1机体外观设计
饮料自动售货机的机体外观是消费者直观看到的外表面，一般来说，机体的外观设计主要体现在机体的正面。
它的主要任务是在面向消费者的同时完成向消费者介绍商品价格、接受投币、显示金额、推出商品和退币整个售出过程[6]。
机体正面包括了饮料展示窗、价格标签、投币口、退币口、饮料选择按钮、找零按钮、出货口这几个部分。
饮料展示窗和价格标签主要分布在机体正面的左边，为消费者展示饮料自动售货机出售的商品和价格。
展示窗包含了机板窗、展示架，照明灯等，用于商品展示并结合我们的价格标签来招揽消费者；饮料选择按钮可设置在相应价格标签的下边；右边上边则安装显示金额的显示器，显示器选用目前应用最广泛的液晶显示器（LCD）；其次是则硬币投入口，再下来设置纸币投入口；投入口下面设找零按钮和退币口；机体下面主要是出货口。
其机体外观简图如图3.1所示。
3.2PLC的型式设计
市场上PLC种类繁多，不同的结构特点、场合应用和功能要求对应了不同的PLC型号。
因此，在选择PLC的型式时，可以从以下几个方面进行选择。
1、结构型式
PLC按结构型式可分为整体式、模块式和叠装式三种结构【1】。
通常来说，整体式结构是将所有的基本单元结构集中在一个机箱内，价格便宜，适用于系统工艺方面；模块式结构是将基本单元作出独立组建模块再安装起来的，这种模块在种类方面选择余地较大且维修方便，适用于复杂过程控制的场合；叠装式结构是在基本单元的基础上，再增加了扩展模块和特殊功能两个模块组合起来的，适用于大型PLC的场合。
2、安装方式
PLC的安装方式主要分为以下三种方式。
如表3.1所示。
表3.1PLC的结构型式分类
结构型式
优点
适用场合
集中式
安装方式成本低、系统反应快，不需要远程I/O硬件
通常对应于我们的整体式PLC
远程I/O式
增设驱动器和远程I/O电源来分散安装远程I/O以缩短之间的连线
主要适用于系统装置分布范围很广的大型系统
多台PLC联网式
多台设备分别用PLC独立控制，通过通讯模块保证之间的通信和联系
适用于需要相互联系的场合
3、响应速度
PLC是一种数字运算操作电子系统[1]。
因此，其响应速度比较快，能够满足一般PLC的响应要求。
除了某些部分或者应用有要求需要特殊的响应速度或者跨范围使用PLC，那么在选择时便可根据实际情况，选用具有快速响应的模块或选用具有高速I/O处理能力的PLC。
4、功能要求
PLC的功能要求主要是简单控制要求和复杂控制要求。
简单控制要求一般包括定时计数、逻辑运算等；复杂控制要求则要求PLC在运行的过程能够进行PID运算，同时还要求要具有闭环控制和联网通信的功能。
对于一般的单体设备来说，简单控制要求就可满足，通常选用低档型的PLC；对于除了要求简单控制以外还要有少数模拟量的系统设备，可选用增强型PLC；若是在复杂控制的场合，则可以选用中、高档PLC或集散控制系统。
针对以上的考虑并结合此次设计的饮料自动售货机，整体型式的西门子PLC符合此次设计的要求，价格相对便宜，也能满足此次设计中响应速度和功能的要求。
3.3电机的设计
电机设计主要考虑的方面有四个，分别如下。
1、电动机结构型式
首先要根据设计对电力传动的要求，选择直流还是交流，而后根据机械特性、起动性能和维护价格等方面考虑[2]。
一般来说，选择电机型式遵循三点原则：
（1）首选三相鼠笼型异步电动机主要是因为它的价格便宜，再者它的结构简单又耐用，在日常的运行过程中维护也很方便。
但受其功率因数低，运转速度调节困难等缺陷只能用于一些普通的生产机械。
（2）当要求电源容量小、电机功率大且能提高启动转矩以及能够进行调速的生产设备时，则可以考虑选用绕线型电动机，它不仅能满足以上的要求而且还能够限制启动电流，价格较笼型电动机高。
（3）以上两种电机适用于有级调速的场合，当要求平滑无级调速时则不能满足，此时可考虑滑差电动机。
根据其电机转轴安装方式的不同分为卧式滑差电动机（转轴水平安装）和立式滑差电动机（转轴垂直安装）。
不过，由于其价格较贵，一般不会作为首选，除非有严格要求。
2、电动机防护型式
日常生活中常见电动机的防护型式有以下五种。
表3.1所示不同的防护型式应用的不同环境。
表3.1电机不同防护型式的工作环境
防护型式
工作环境
开启式
价格便宜，适用于干燥清洁的环境
防护式
灰尘多但对电机绝缘无害且易被压缩空气吹净的环境
密封式
潮湿、易受风雨侵蚀、多灰尘、易燃、腐蚀性的环境
封闭式
水中工作时为保证不被潮气侵入的环境
防爆式
在有火灾或爆炸危险的易爆环境
3、电动机的电压
一般来说，电压的等级和配电电压两者的不同是影响选用电动机额定电压的主要因素。
非特殊情况下与线路配电电压相同，特殊情况则需要考虑以上两个方面来决定。
根据国家规定，220/380V为低电压标准，超过或等于10KV为高压配电电压。
因此，低电压标准应用于日常生活中最常用的中、小容量的电动机，而3KW以上的高压电机主要应用于有特殊要求的工作场合或要求电机的容量比较大（一般超过200KW）时，才会考虑。
4、电动机的转速
目前市场上的同步电动机和异步电动机额定转速主要有8极、6极、4极和2极共四种极速。
其转速如下表3.2所示。
表3.2电动机的转速
极速
同步电动机
异步电动机
8极
750转/分钟
735转/分钟
6极
1000转/分钟
980转/分钟
4极
1500转/分钟
1475转/分钟
2极
3000转/分钟
2970转/分钟
通常来说，我们选用的是日常生活中最常用的且功率因数和工作效率都比较高的4极同步电动机。
当然了，具体的转速要求则直接按转速选择。
除了以上列举的四个重要因素外，对于电机的设计，工作方式以及功率（容量）等都是需要考虑的因素。
综合以上方面考虑，可以得出：
在选择电机时，一般的步骤是先确定电动机的种类；其次是选择电机的额定电压；由生产设计要求的转速来确定电机的额定转速；然后由工作环境确定电机的防护型式；之后再由机械功率决定电机的额定功率；最后再结合其它因素选择符合设计要求的电动机。
针对此次设计的饮料自动售货机可知，电机的作用是将消费者所选择的饮料推送出来，饮料自动售货机的安放环境一般来说也不会很恶劣，因此我们选择了步进驱动电机，能够满足此次的设计要求。
3.4商品送出机构设计
自动售货机由于其出售商品的不同因而采用的送出机构也是多种多样的。
在应用上，典型的送出机构则主要有四种：
滚筒式送出机构、旋转式送出机构、弹簧推送式送出机构、转盘式送出机构。
滚筒式送出机构：
由一个阶梯梁和一个滚筒组成。
商品的送出主要依靠梁的各阶梯段与被电机带动的滚筒在转动的过程当中之间形成的开口大小来控制，要求电机转动精度较高。
旋转式送出机构：
主要通过螺旋导轨将商品送出到出货槽。
螺旋导轨上放着商品，消费者按下某商品按钮后，通过电机运转将螺旋导轨上的商品转动到出货槽出货。
由于螺旋导轨转动需要较大的转矩，因此对电机要求比较高，制造该机构的成本也不低。
弹簧推送式送出机构：
先在螺旋式弹簧上放置好一种商品，弹簧另一端连着电机。
当有消费者需要时，对应商品的电机启动，弹簧和电机都转动一圈，同时连接商品的弹簧将商品送出。
假如当商品种类较多时，则螺旋式弹簧的数目对应饮料的种类，需要的电机也就多了，提高了造价成本。
转盘式送出机构：
由一个形似喇叭的大罐装存储容器和若干个圆槽转盘组成。
容器安装在上面，转盘在下面。
当有商品出售时，商品由转盘转到相对应的圆槽内出售。
由于存储容器较大，转动起来需要比较大的力矩，而且该机构占用空间也比较大，在运转过程也有可能会出现卡死的现象。
在本文设计当中，自动售货机出售的饮料均为圆柱形罐体。
因此，本次设计的商品送出机构为罐装送出机构，主要由直线步进电机、推拉销、推拉杆、槽轮以及前后两边侧板构成[7]。
其示意图如图3.2所示：
当饮料售货机在没有售卖饮料时，槽轮的槽口朝下，而槽轮的的挡货工作面刚好可以挡住饮料的下落。
当有饮料出售时，推拉杆被直线步进电机带动，进而推动了槽轮的逆时针转动，槽口由下往上运转，当饮料进了槽口后，槽轮继续逆时针运转，转向出货口，由于槽口只能容纳一个饮料，因此后面的饮料就被槽口后面的工作面挡住了，当饮料转出出货口，槽轮转动一圈后，电机停转。
3.5货币处理装置的设计
货币处理装置主要包括钱币识别、钱币贮存和找零退币这三个部分。
本文的饮料自动售货机，设计了硬币投入口和纸币投入口。
因此，钱币识别部分又分为了硬币识别和纸币识别两个部分。
硬币识别主要是对投入的硬币经过特定的的高频振荡线路所产生的磁场和频率的变化，通过与设定值的比较对硬币进行辨伪和确定面值大小；纸币识别是先将正常纸币在纸币识别器内的参数进行统计并寄存，投入运营后通过将收到的纸币进行检测并与原先寄存的参数进行比较，若差异明显则进行退币或者报警等动作。
目前市场上的贮币机构和退币机构主要有两类：
一类是平面式贮币，电磁阀退币；另一类是圆筒式贮币，步进电机退币[13]。
在本次设计当中的退币环节，省去了纸币退币，统一用硬币退币。
这是因为退纸币的系统复杂，而且此次设计的这款饮料自动售货机的找零退币的面值也不会很大。
因此省去纸币退币不仅简化系统设计，也能够降低造价成本。
受此次饮料自动售货机的设计要求和经济原因，选择平面式贮币，电磁阀退币[13]。
消费者投入的货币将被钱币识别器识别，若是假币则退出钱币，识别为真币后若是硬币则直接贮存，若是纸币则根据纸币大小分配在几组分布有不同电磁阀的贮币腔体内；当消费者购买后需找零，由退币电磁阀将贮存的硬币按照程序要求推出。
货币处理装置的流程一般如图3.3所示。
第4章饮料自动售货机的控制系统设计
4.1饮料自动售货机的功能分析
设计一个饮料自动售货机，需要先对饮料自动售货机的功能进行分析和确定，以及饮料自动售货机在受到某种操作后所对应的状态。
饮料自动售货机的主要功能就是在完成货币识别的同时，通过累积货币总值，达到饮料价格时能够出售饮料并进行找零退币等的操作。
在这次设计当中，自动售货机售卖三种饮料，分别是2元饮料、3元饮料、5元饮料。
假如消费者投入两个硬币或一张面值超过2元纸币，因为投入的货币总值已经达到或超过了2元饮料的价格，此时2元饮料指示灯变亮，表示现在可以购买2元饮料，其余饮料的购买操作也是如此。
2元饮料指示灯亮后可按下购买2元饮料的按钮，饮料自动售货机将会从货币总值中减去2元，同时将2元饮料运送到出货口，若有余钱可选择继续购买，或按下找零按钮，自动售货机就会将剩余的钱币退回，同时在程序中进行清零操作。
其运作流程如图4.1所示。
4.2PLC控制系统的设计原则
任何电气控制系统的制任务，都是以满足被控
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