基于PLC的自动售货机大学毕业论文.docx

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基于PLC的自动售货机大学毕业论文

类别     编号     

大学

毕业论文

基于PLC的自动售货机

系别电气工程与自动化系

专业电气工程与自动化

年级2009级电气一班

学号005

姓名易铭

指导教师韬

大学珞珈学院

2013年4月16日

摘　　要

研究开发基于PLC的自动售货机，售货机的主要组成部分包括钱币识别系统，找零系统，商品驱动机构，商品贮存装置以与控制系统。

钱币识别系统将钱币转化为信号并交给PLC处理，通过PLC完成钱币的加减找零。

用户投足币并选择产品，PLC通过程序控制以与外部元件动作完成自动售货的整个过程。

考虑产品总数，设定面板样品以与按钮预留位置。

设定自动售货机部储物通道数量，根据储物通道数量统计商品驱动装置数量。

总体统计PLC输入点输出点大致使用数量，设定PLC输入点与钱币识别信号、按钮等的对应关系，输出点与指示灯、马达、继电器、找零器等的对应关系。

使用S7-200编程软件完成程序编写，使用AUTOCAD设计PLC控制柜，设计自动售货机整体机身以与部构造，设计电气图。

关键词：

西门子S7-200编程　AutoCAD　钱币识别器找零器电气图

Summary

ResearchanddevelopmentofPLC-basedvendingmachine.Integralpartofvendingmachineconsistofcoinidentificationsystem,changesystem,thedrivingmechanismofgoods,productstorageequipment,andacontrolsystem.CoinrecognitionsystemschangecoinsintosignalandabandonPLCtodisposepletedtheadditionandsubtractionofcoinsviaPLC.Usersputenoughcoinintovendingmachineandselectproducts.PLCcontrolthewholeautomaticsellprocessthroughtheprogrammingandexteriororgan.

Considerallproductstosettingthebuttonsofthegoodssamples.Setthenumberofchannelstokeepinstorageofthevendingmachine.Statisticsthenumberofgoodspowerplantaccordingtothenumberofchannels.OverallstatisticsPLCinputandoutputpointsroughlyandsetthecorrespondencebetweenthePLCinputpointandthecoinidentificationsignal、buttonsandsoon.Thecorrespondencebetweenoutputpointandtheindicator、motor、relay、givechangeandsoonpletetheprogrammingusetheS7-200software.DesignthePLCcontrolcabinet、vendingmachineandElectricaldiagramusetheAutoCADsoftware.

Keywords:

SiemensS7-200ProgrammingAutoCADthecoinidentifierchangeforElectricaldiagram

第1章绪论

1.1自动售货机简介…………………………………………………………………1

1.2采用PLC控制售货机……………………………………………………………2

1.3自动售货机设计的主要容……………………………………………………3

1.4自动售货机设计的基本思路……………………………………………………3

第2章自动售货机的结构组成

2.1自动售货机的设计要求…………………………………………………………4

2.2箱体外观……………………………………………………………………………4

2.3商品样品展示窗……………………………………………………………………5

2.4商品贮存部分………………………………………………………………………6

2.5商品驱动机构………………………………………………………………………6

第3章PLC控制柜设计

3.1PLC的简介…………………………………………………………………………7

3.2PLC的工作原理……………………………………………………………………7

3.3PLC的硬件组成……………………………………………………………………8

3.4PLC选型以与I/O点分配表……………………………………………………9

3.5控制柜部设计……………………………………………………………………10

3.6电气接线图设计……………………………………………………………………10

第4章自动售货机的PLC程序设计

4.1自动售货机控制系统总体设计…………………………………………………17

4.2复位程序设计………………………………………………………………………18

4.3投币程序设计………………………………………………………………………18

4.4找零程序设计………………………………………………………………………20

4.5商品选购和出货程序设计………………………………………………………21

4.6报警程序设计………………………………………………………………………23

第5章模拟仿真运行调试

5.1仿真软件简介……………………………………………………………………24

5.2现实情况仿真……………………………………………………………………24

5.3仿真情况分析……………………………………………………………………29

结论………………………………………………………………………………………30

参考文献…………………………………………………………………………………31

附录…………………………………………………………………………………………32

后记…………………………………………………………………………………………56

第1章绪论

在实际生活中，我们见到的售货机可以销售一些简单的常用物品，如饮料、矿泉水和小的生活保健用品等。

售货机的基本功能就是对投入的货币进行运算，并根据货币数值判断是否能够购买某种商品，并做出相应的反应，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，很多城市的公共场所里面都放置有自动售货机。

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。

从广义来讲自动售货机就是在投入钱币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。

从供给条件看，自动售货机可以充分补充人力资源的不足，使用消费环境和消费模式发生变化，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、有吸引人们购买的好奇心的自身性能，可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。

1.1自动售货机简介

据说世界上最早的自动售货机出现在公元1世纪，那是希腊科学家希罗为教堂发放圣水设置的投币式圣水出售机。

17世纪，英国的小酒吧里设有了香烟的自动售货机。

日本第一台自动售货机是1904年问世的―邮票明信片自动出售机，它是集邮票明信片的出售和邮筒投函为一体的机器。

1925年美国研制出售香烟的自动售货机，50年代，―喷水型果汁自动售货机大受欢迎，果汁被注入在纸杯里出售。

1967年，100日元单位以下的货币全部改为硬币，从而促进了自动售货机产业的发展。

现代自动售货机的种类、结构和功能依出售的物品而异，主要有食品、饮料、香烟、邮票、车票、日用品等自动售货机。

售货机由钱币装置和售货装置两部分组成。

钱币装置是售货机的核心，其主要功能是确认投入钱币的真伪，分选钱币的种类，计算金额；售货装置是售货机的根本，售货装置的可靠性关系到运营商与用户的利益，售货装置接收出售指示信号，把顾客选择的商品送至付货口。

贮藏装置保存商品，指示装置用以指示顾客所选商品的品种。

自动售货机是一种全新的商业零售形式，是商业自动化的常用设备，20世纪70年代自日本和欧美发展起来，它不受时间、地点的限制，能节省人力、方便交易。

是一种全新的商业零售形式，省时方便快捷，又被称为24小时营业的微型超市。

图1.1自动售货机

1.2采用PLC控制售货机

采用PLC控制售货机，是通过传感器和按钮向PLC输入检测信号和动作信号，通过PLC的CPU处理后向指示灯和马达发出动作命令。

各部分协调配合实现自动售货机的功能。

选择PLC控制售货机的因素很多，价格仅是选择PLC品牌的一个重要因素，而可靠性是选择时需要考虑的又一个重要因素。

从设计、生产周期长短考虑，不论是老设备改造，还是设计新的生产机械设备，生产、设计周期都是越短越好，甚至希望能够边设计、边安装、边调试和生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需要改动现有生产设备与其外部接线，就能马上修改并投入使用。

这不仅节约了劳动力，而且能即时的投入市场使用。

这无疑给商家增加了活力，提高了经济效益。

如果采用继电器或者半导体来做，都不能实现这些要求，而且继电器或半导体远没有PLC可靠性高，而且出现故障不易查找，发现故障不易排出。

而如果用PLC来控制售货机就不需要改动外部设备接线，只要在软件上进行添加或修改就可以了。

也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。

这既经济又简捷，可以达到事半功倍的效果。

目前我国老的生产机械设备大多采用自动控制系统，可靠性差，设计程序繁杂。

从方案确立到技术条件的设计和施工设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长的弊端。

外资企业的先进设备都是采用PLC控制的，可靠性极高，设计周期大大缩短了，有些文件资料的设计要简单得多。

设计人员完全可以利用编程器屏幕上的显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反应生产要求。

在需要添加产品类型或者修改动作时，编程人员也可以根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在子程序模块中，需要加工哪个产品的程序，操作人员可随时用换型开关来换型。

这对于优化生产过程，提高产品数量和质量，提高劳动生产效率，非常具有实际意义。

PLC必将在更多的领域得以发展推广，比如PLC控制的自动售货机。

1.3自动售货机设计的主要容

（1）此自动售货机可以投入5角、一元的硬币和5元、十元的纸币；

（2）如果顾客投入钱币在限定时间（20秒）不做出任何操作，自动售货机报警并退还所投钱币；

（3）当投入钱币的总值等于或超过物品价值时，对应的物品购买指示灯亮绿灯；

（4）当物品对应的购买指示灯亮绿灯时，按下该按键，相应的物品排出，同时购买指示灯短暂闪烁（2秒）表示购买成功；

（5）如果顾客完成购买操作后还有余额，顾客可选择继续购买或者退币，自动售货机会将余额退还给顾客，可退出一元、5角的硬币；

（6）当顾客成功购买后如20秒无操作，自动售货机将报警并将余额退还给顾客。

（7）当物品不足时，对应的物品指示灯亮红灯，顾客按下相应的按键无反应（不出物品，不减余额）。

（8）当投入假币时报警并自动退还假币，当自动售货机遭到破坏时自动报警。

1.4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，主要是应用西门子S7-200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的编程语言、PLC的硬件组成等。

根据设计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。

本次设计的基础准备部分是第一、二章，对相关知识的简单介绍，对自动售货机的外观、部结构设计。

重要部分是第三、四章，对PLC控制柜的设计，PLC的选型，I/O点的统计和分配以与电气接线图的设计和绘制。

并根据需求设计划分主、子程序部分，并编写各部分程序。

最后一章是对程序的模拟调试，主要检验其能不能可靠的完成自动售货机的全部功能。

第2章自动售货机的结构组成

2.1自动售货机的设计要求

设计本着经济、实用、可靠、节能、安全、人性化的宗旨。

设计包括箱体外观、展示窗、贮存槽、出货仓等多个组成部分。

设计PLC部分时本着可添加产品、可修改要求、可快速排除故障等宗旨。

设计时预留适当的备用输出输出点，方便添加产品和应急修理。

将各功能程序划分为子程序，方便修改要求。

本次设计涉与金钱，售货机应当做好防爆，防恶意破坏的防工作，设置3个方向的振动感应器，机器表面遭到严重撞击时触发报警，同时可以借助城市监控摄像头，尽量将售货机放置在摄像头的监控围。

2.2箱体外观

本次设计的自动售货机，为满足绝大部分顾客的需求，设计方面力求人性化。

外观设计如下：

图2.1箱体外观设计

高度为两米，宽度为一米二，纵深一米。

上沿留有5cm边框，两边留有10cm边框。

上方预留了长一米，宽十五厘米的区域，供运营商贴置名称。

右手边1.3米处设计了投币口和找零按钮与盒子。

下方50cm高度处为长50cm宽30cm的取物口。

2.3商品样品展示窗

展示窗设计如图所示：

图2.2展示窗设计

展示窗部分留有三行瓶装矿泉水展示栏，两行罐装饮料和香烟展示栏。

每个展示商品的下方设置红绿两个灯，其中绿灯为带灯按钮。

每个灯的直径为3cm，符合人指的大小，运营商可随意添加或减少产品，只需简单的修改程序里的数值设定。

右手边1.3米高处设计了投币口和找零按钮与盒子。

符合一般人右手投币取零的舒适高度。

2.4商品贮存部分

为方便出货，商品的贮存部分主要是垂直固定，下方设置有出货装置。

如图：

图2.3贮存与出货装置示意图

根据不同商品尺寸设计不同的贮存通道。

根据运营商所要装载的商品数量设计贮存通道的长度。

2.5商品驱动机构

本次设计的商品驱动机构主要是以低转速马达为动力的带槽圆柱体。

如图：

图2.4出货装置示意图

商品半径为3.5cm带槽圆柱体的槽刚好够一个商品落入，驱动马达转动接近180°时商品掉落，下一件商品会在刚好180°时落入另一个槽，由于传感器的中断信号作用，马达此时停止。

第3章PLC控制柜设计

3.1PLC的简介

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，全称为ProgrammablelogicController（程序逻辑控制器）。

它采用可编程的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC与其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

PLC是以CPU为核心，综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，是现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。

目前，世界上生产PLC的主要厂家有65个，其中最有名气的厂家在德国、美国、法国和日本。

日本的几个厂家为三菱、富士。

还有包括日立、东芝、横河、立石、光洋、夏普等公司。

美国的几个厂家为通用电器公司，歌德公司，数字设备公司，RockwellAllen-Bradley等。

德国的SIEMENS。

法国的Schneider。

使用最广泛的是SIEMENS和Allen-Bradley以与Schneider的人机界面。

在我国沿海地区日本的三菱也应用的非常广泛。

图3.1西门子S7-200PLC与8I/8O模块

3.2PLC的工作原理

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，基本流程如图？

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，系统工作任务管理与应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。

对每一个程序，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。

PLC的扫描全过程如图所示。

图3.2PLC程序循环扫描示意

（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，这就形成了PLC的实际输出。

3.3PLC的硬件组成

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。

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。

图3.3PLC控制柜

3.4PLC的选型以与I/O点分配表

PLC的选型，综合考虑PLC的价格，可靠性，大小等多方因素。

决定选择SIMATICS7-200中CPU型号为224的，拓展输入输出模块选择8I/8Q的。

I/O点分配表如下：

图3.4自动售货机I/O点分配表

3.5控制柜部设计

控制柜部包括有空气开关，24VDC电压源，PLC与其IO模块，柜照明灯，接线端子，插座和走线槽。

控制柜部设计如下图：

图3.5控制柜设计图

3.6电气接线图设计

电气接线图的设计主要包括主电路图，PLC接线图，I/O对应电气元件接线示意图。

主电路图如下：

图3.6控制柜主电路图

PLC接线示意图如下：

图3.7PLC接线示意图

I/O对应电气元件示意图如下：

图3.8I0.0-I0.7接线示意图

图3.9I1.0-I1.5接线示意图

图3.10I2.0-I2.7接线示意图

图3.11I3.0-I3.7接线示意图

图3.12I4.0-I4.7接线示意图

图3.13O0.0-O0.7接线示意图

图3.14O1.0-O1.1接线示意图

图3.15O2.0-O2.7接线示意图

图3.16O3.0-O3.7接线示意图

图3.17O4.0-O4.7接线示意图

第4章自动售货机的PLC程序设计

4.1自动售货机控制系统总体设计

自动售货机控制部分包括，投币，购买，出货，找零，指示灯，报警以与复位。

为了方便程序的修改以与商品的添加，使用主程序和调用子程序的形式编程。

主程序部分如下：

图4.1PLC程序块

其中main_program是自动售货机控制系统的主程序，其中包括了开机初始化、手动复位、投币系统、找零程序调用、商品购买程序调用、报警程序调用。

运营商可在主程序中添加相应商品购买程序调用，添加子程序并仿照其他商品来添加商品购买的出货、扣钱、指示灯，从而完成商品的添加。

去除产品时可直接屏蔽相应的子程序调用程序。

Change是找零程序，goods_1~goods_8为商品购买动作程序。

其中包括了购买按键、商品出货驱动、指示灯、扣钱计算器等。

Alarm为报警程序。

当自动售货机遭到撞击或被翻倒时，报警系统发出灯光和蜂鸣器报警。

运营商亦可在报警子程序中添加其他条件的报警系统。

通过主、子程序的调用实现了程序的易读性和灵活性。

略懂PLC的人也能看懂程序，也能模仿着去添加商品。

4.2复位程序设计

本次设计提供了两个复位程序，1.开机自动复位2.手动复位。

作用对象一样，功能略有不同。

开机自动复位程序如下：

图4.2自动复位程序

First_Scan~:

SM0.1是S7-200的系统符号。

功能固定，意思是仅在第一个扫描周期中接通为ON。

开机的第一个扫描周期将所有的输出点Q和所有的中间位M复位，同时将余额VD0赋值为0.

手动复位程序如下：

图4.3手动复位程序

输入点I3.0是售货机置复位按钮。

方便运营商检修或遇设备故障时手动复位，按下后作用于开机复位作用一样

4.3投币程序设计

投币程序时自动售货机的关键程序，在运营的任何时间都必须处于可用状态，直接放在main_program中.

程序如下：

图4.4投币程序

投币器作为配件选购，选用硬币投币器和纸币投币器两种。

硬币投币器支持5角、一元面值，纸币投币器支持5元、十元面值。

投币器信号线作为PLC的输入信号。

硬币投币器5角和一元信号线分别对应I1.1和I1.2。

纸币投币器5元和10元信号线分别对应I1.3和I1.4。

为方便PLC程序部计算，余值以余额的十倍计算。

以一元投币计数为例。

开机状态下，投币器接收到一元硬币，向I1.2输入一个型号，有一个脉冲给余值累加器，在当前余值VD0基础上累加10个余值。

如投入其他面值可相应在当前余值VD0基础上累加对应余值。

4.4找零程序设计

找零程序在主程序中直接调用，如下：

图4.5找零调用程序

在子程序中执行找零动作，程序如下：

图4.6找零程序

当按下找零按钮I1.0时，置位优先触发器将M0.0置位，开始调用找零动作。

当没有余值时即VD0=0时M0.0被置位优先触发器直接复位；当余值大于等于10即VD0≥10时M0.0保持置位状态，一元找零程序工作。

当完成一元找零后还有5角余额即VD0=5时调用5角找零程序。

Clock：

_1s：

SM0.5是系统部通断器，每秒的循环周期接通时间为0.5秒，断开时间为0.5秒，不停的向上升沿发送触发型号，如果保持余值VD0≥10上升沿每0.5秒会被触发一次，减法计数器完成每0.5秒计算一次余值并同时发出找零信号。

找零信号给找零器，找零器作为配件选购，Q1.0向找零器输出找零5角触发信号，Q1.1向找零器输出找零1元触发信号。

4.5商品选购和出货程序设计

商品分类在主程序中完成并直接调用对应子程序。

部分程序如下：

图4.7商品购买调用程序

运营商可模仿并在主程序中添加商品种类。

商品选购和出货程序以1.5元商品为例，如下：

图4.8一元五角商品购买动作程序

顾客投币后余值VD0≥15即可调用。

当余值VD0≥15，而且一元五角商品到位传感器I2.0检测到有一元五角商品时，一元五角商品绿灯亮告诉顾客可选购一元五角商品。

余值VD0≥15顾客按下一元五角商品按钮I0.0时，一元五角商品驱动马达Q4.0接通并保持，此时商品正在出货。

出货动作的中断条件有