基于PLC的自动售货机的设计.docx

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基于PLC的自动售货机的设计

一、绪论

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。

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、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、学校等地区都能找到自动售货机的踪迹。

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。

传统的自动售货机控制系统采用单片机作为控制核心,这样不仅会在输入输出接口上做大量的工作,而且系统的抗干扰性也比较差。

可编程序控制器（PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置,它具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点,已在工业控制领域得到广泛地使用。

因为自动售货机作为社会上完成商品零售和综合服务的独立设施,要求它的结构必须可靠、稳定和执行效率高。

本论文就详细地介绍一种用PLC实现的自动售货机控制系统的硬件设计和软件设计。

（一）自动售货机的使用和研究现状

自上世纪70年代以来,自动售货机在国际上迅速发展起来而成为一个新兴的产业,特别是在服务和商业领域日益发展。

随着自动售货机的普及,也逐渐被使用于其他的领域。

随着中国经济的发展、行业运作的变革和入世的到来，自动售货机在中国的普及和使用是必然趋势。

纵观近年来国内自动售货机市场，从92年开始从日、韩等国引进旧机器摆放国内市场以来，到自行研制和生产国产化自动售货机，各厂家、商家蹒跚起步、艰难守业，已为国内零售业撑起一片蔚蓝的晴空。

据来自国内自动售货机市场行情分析报告表明：

目前国内自动售货机市场走势已逐渐明晰，自动售货机逐步从沿海经济发达地区和各大中城市向内陆和次发达地区延伸，逐步从高级宾馆、地铁、机场等豪华高档场所向高中档社区普及，大有星火燎原之势。

自动售货机的普及在某种程度上能反映一个国家的科技发展水平，是一个国家文明程度的象征。

实践和直觉告诉我们，自助服务在中国的横空出世，必将为国内的电信、公用事业、食品、香烟、饮料等诸多行业发展带来新的契机，中国的现代文明又将自助服务设备的使用和普及开启一个新的里程碑！

（二）课题研究背景

从西欧、北美、日本和韩国等地区和国家的情况来看,自动售货机在人们日常生活中扮演越来越重要的角色。

其产品特点是科技含量高，24小时服务,售货便利，无需专人盯守，省人工,省成本，售货范围广泛；此外还是一种新颖独特的广告媒体。

目前，随着移动商务的发展，自动售货机作为一种方便、直观的移动商务工具，开始在全球各地迅速普及和发展。

在中国,自动售货机将成为一个潜在的巨大产业,继百货商店、超市之后掀起第三次零售业革命,其前景非常广阔。

售卖的商品可根据摆放场所的需要量身定制,包括冷热饮料、零食、电话卡及国外进口的特色商品等。

并且,透过这种智能售货系统,存货、销售、物流信息可以准确、及时地反馈给客户和管理人员。

此外,还支持多种交易支付模式,同时方便实现较大金额的支付和交易结算。

自动售货机除了更方便售卖货品之外,还被视为一种传播广泛的广告媒介。

它一改往日客户和商家（或服务方）面对面交流或交易的方式，让客户更多地参和交易或交流中来，增强了交互性和自主性。

一方面它为客户带来了极大的便利，延拓了服务的空间和时间，使服务具有了无处不在、无时不在的新特征；一方面它也为商家带来了经营方式的变革，为他们的商业经营节省了大量的人力、物力和财力，并提高了操作的准确性和全天候性，使商业运作的信息化、电子化、网络化成为可能；另一方面，在公众社会服务方面，自助式信息查询，提高了社会公众服务的质量和形象，有利于社会精神文明建设。

在自助服务中，自动售货机成为了必不可少的主体设备。

二、总体方案设计

自动售货机设计中，从控制角度来说可采用继电器控制、单片机控制和可编程控制器控制。

（一）方案论证

1．方案一继电器控制

它的控制思想是以继电器为核心，采用硬接线方式把各种继电器、定时器、接触器及其触点按照一定逻辑关系连接起来组成控制系统，控制相关生产机械工作。

例如要通过接触器实现两台电机设备的同步运行,采用继电器控制,其控制系统简图如图1。

SF1KF

电SF2电

源KF源

母KFQA1母

线线

KFQA2

图1继电器控制系统简图

由图可知它的三条支路是并行工作的，当按下按钮SF1，中间继电器KF得电，KF的两个触点闭合，接触器QA1、QA2同时得电并产生动作，所以其控制逻辑关系为由继电器、接触器硬接线（硬件）方式。

2．方案二单片机控制

它的控制系统是基于芯片级的系统，设计开发一个单片机系统，需要先设计硬件系统，画硬件电路图，制作印刷电路板，购置各种所需的电子元器件，焊接电路板，进行硬件调试，进行抗干扰设计和测试的大量工作；需要使用专门的开发装置和低级编程语言编制控制程序，进行系统联调。

3．方案三可编程控制器控制

它的控制思想是采用可编程的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。

PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，这种方案的控制功能接线图如图2。

SF2

I0.0I0.1I0.0M0.0220VAC

SF1I0.1M0.0QA1

Q0.0

M0.0Q0.0

DC24V

MM0.0Q0.1220VAC

QA2

Q0.1

图2用PLC实现控制功能的接线示意图

由图可知CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按顺序依次完成相应各电器的动作，其控制逻辑关系为由内部存储逻辑（软件）方式。

（二）方案比较

1．PLC和继电器控制系统的区别

继电器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。

PLC的梯形图和传统的电气原理图非常相似，主要原因是PLC梯形图大致上沿用了继电器控制的电路元件符号和术语，同时，信号的输入/输出形式及控制功能基本上也是相同的；但PLC的控制和继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面：

（1）控制逻辑

继电器控制逻辑采用硬件接线逻辑，利用继电器机械触点的穿了或并联，及时间继电器等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。

另外，继电器触点数目有限，每个只有4–8对触点，因此灵活性和扩展性很差。

而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称做“软接线”，因此灵活性和扩展性都很好。

（2）工作方式

电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。

而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的前后顺序计算的出，所以它属于串行工作方式。

（3）可靠性和可维护性

继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。

触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和课维护性差。

而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。

PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

（4）控制速度

继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。

另外，机械触点还会出现抖动问题；而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微妙数量级，且不会出现抖动。

（5）定时控制

继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。

一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。

PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围最小可为0.001S，最长几乎没有限制，用户可根据需要在程序中设置定时值，然后由软件来控制定时时间。

（6）设计和施工

使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。

工程越大，这一点就越突出。

而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。

2．PLC和单片机控制系统的区别

PLC控制系统和单片机控制系统在很多方面有较大区别，是两个完全不同的概念。

（1）可靠性

单片机控制抗干扰能力较低，从理论所要求的I/O总数来看，不论是MCS51系列还是MCS96系列单片机，都必须进行大规模的扩展，这样系统电路更加复杂，进一步降低了系统的可靠性。

而PLC使用于工业理论控制，PLC的可靠性得到了工控业界的认可。

（2）开发成本

单片机本身售价虽不高，但要购入单片机开发装置（如仿真器、烧录器、电源）和还要模拟制板等，都要不少的费用。

加上开发周期中所投入的人力物力，其价钱就远远地超过用PLC开发的费用。

另外，由于设备是专用特殊设备，其控制系统专用性强，通用性较差，为其投入过多的开发费用不划算。

而用PLC进行的设备开发和控制费用都远远低于采用单片机的费用，其系统可大可小，小到几点，大到数千点，甚至上万点，很好解决工业控制过程。

（3）开发周期

从电路设计、模拟制板、编程、仿真、调试等经历非常长的周期，设计中往往要花大部分的时间在硬件设计和编程调试处理上，而对最为重要的工艺工程往往没有更多的时间考虑。

而用PLC进行设备控制，不会花太多精力在硬件处理上，采用积木式结构很快可以形成系统电路。

大部分精力集中在工艺的了解和程序编写上，有利于设备的快速开发，程序的编辑修改、调试都可随时进行，缩短了开发时间。

（4）修改和维护

利用单片机开发的设备往往是专用的特殊设备，在市场往往不能找到替代的配件，所以不便于维护。

而随微电子控制技术，PLC的处理能力也越来越强，其通信能力，运算处理、容量（I/O容量和程序容量）等都有充足的发展。

（三）方案选择

根据以上比较可知，PLC在性能上比继电器控制和单片机控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便等优点，我们决定选择方案三，以PLC为控制核心设计了自动售货机装置PLC控制系统。

三、可编程控制器的简单介绍

（一）PLC的基本结构

1．PLC的系统结构

目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构和微机相似。

主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM,输人输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。

其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输.

如图3所示,PLC控制系统由输人量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输人量，它们经PLC外部输人端子输人到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算，处理后送到输出端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。

由此可见，PLC的基本结构由控制部分、输人和输出部分组成。

图3PLC硬件结构图

2．PLC各部分的作用

（1）中央处理器（centralprocessingunit,CPU）

CPU是由控制器和运算器组成的。