PLC自动柜员售货控制系统设计剖析.docx

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PLC自动柜员售货控制系统设计剖析

成人高等教育本科毕业设计（论文）

自动柜员售货机控制系统设计

学院自动化学院

专业自动化

年级班别2014级

学号141010131830017

学生姓名梁杰锋

指导教师钟映春老师

2016年4月

摘要

自动柜员售货机是商业自动化的常用设备，它不受时间、地点、天气的限制，能节省人力、方便交易，受到商家和消费者的欢迎。

自动柜员售货机已经广泛应用于各种公共场合。

随着自动柜员售货机的功能越来越完善，智能化程度越来越高，它的应用将会越来越广泛，发展前景不可估量。

首先自动柜员售货机（vendingmachine）是能自动识别消费者投入的钱币和选择的商品，并自动付货的零售机器。

其次一个完善的自动柜员售货机系统，需要对各个功能模块实现良好的控制并加以整合，使其能有序、稳定地运行。

再次自动柜员售货机系统具有可支持顾客投退币、找零功能的投币模块，供顾客选择商品的选择模块，显示付费信息、存货信息、存币量、已选商品和故障情况等的显示模块，检测存货、实现出货的出货模块，商品标签自动检测模块和控制整合自动柜员售货机各项操作的控制模块等功能模块。

最后作为系统的控制核心，PLC对整个系统起着至关重要的作用，好比大脑对人的作用一样。

本文主要从自动柜员售货机的自动控制系统和外围电路出发，也涉及部分机械结构，从整体概念设计到各个模块的具体设计，再到系统仿真调试，在文中将详细分析。

关键词：

自动柜员售货机PLC标签自动检测仿真

Abstract

Vendingmachineisakindofcommercialautomationequipment.Itiswelcomedbybusinessmenandconsumersbecauseofitscost-efficiencyandhighefficiencyoperation,withbenefitsfromlessrestrictedbytheweather,timeandvenue,evennoextrapersonnel.Vendingmachinehasbeenwidelyappliedinpublicsite.Itisbecomingmoreandmorefunctional,intelligent.Asaresult,vendingmachinesaremoreandmorepopularamongthepublic.Itiseasytobepointedoutthatthevendingmachineownsitswideprospectofmarket.

Firstofautomatictellermachines（vendingmachine）isabletoautomaticallyidentifycoinsandselectedconsumergoodsintoandautomaticallyconsignorretailmachines.

Secondly,acomprehensiveautomatedtellermachinesystem,theneedtoachievegoodcontrolofeachmoduleandbeintegratedtoenableanorderlyandstableoperation.

Automatictellermachinesystemisdisplayedagainwithacustomersupportcastcoin,thecoinchangeforfunctionalmodules,selectthemoduleforcustomerstochooseitemstodisplaybillinginformation,inventoryinformation,theamountofdepositcurrency,commoditiesandselectedfaultconditions,etc.module,testinginventory,shippingmodulesachieveshipments,productlabelautomaticdetectionmoduleandacontrolmoduleintegratedautomatictellermachinecontrolfunctionmodulessuchastheoperation.

Finally,asthecontrolsystem,PLCforthewholesystemplaysavitalrole,suchastheroleofhumanbrain.

Thediscussionmainlyconcernstheautomaticcontrolsystemandperipheralcircuit,alsoinvolvesomemechanicalstructures,fromoverallconceptualdesigntoeachmoduleandthespecificdesigndebuggingofsystemsimulation.Adetailedbreakdownanalysisisdescribedinthispaper.

Keywords:

vendingmachinePLCautomatictagidentificationsystemsimulation

1绪论1

1.1背景简介1

1.2自动柜员机的发展状况2

1.3前景与展望3

2总体方案确定及理论分析3

2.1设计依据3

2.2设计内容4

2.3方案比较5

2.4方案选择5

2.5理论分析6

3系统硬件设计7

3.1系统整体设计7

3.2商品标签自动识别系统设计8

3.3配件设计14

3.4元器件设计14

4系统软件设计25

4.1程序设计25

4.2PLC运行转态设计25

4.3PLC程序流程设计26

4.4PLC编程软元件分配设计设计28

4.5界面设计30

5系统仿真与调试30

5.1调试工具30

5.2建立工程31

5.3程序调试31

5.4结果分析33

结论34

参考文献35

致谢37

附件：

PLC梯形图38

1绪论

1.1背景简介

自动柜员售货机（vendingmachine）是能自动识别消费者投入的钱币和选择的商品，并自动付货的零售机器。

自动柜员售货机的工作不受时间、地点、天气的限制，能节省人力、方便交易。

它因为全天候工的特点，所以被称为24小时营业的微型超市。

可编程控制器PLC（ProgrammableController）是专为在工业环境应用而设计的数字运算操作的电子系统。

长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的重要地位，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。

其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。

在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有PLC（张斯珩，等，2011）。

PLC已经成为现代工业控制的三大支柱之一。

相对于单片机来说，PLC具有高可靠性，易于开发，扩展性好，通讯简单的优点。

这些优点使控制单元为PLC的自动柜员售货机拥有更稳定的性能、更完善的功能和更迅速的升级速度。

无线射频识别技术RFID（RadioFrequencyIdentification）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和电感耦合或电磁耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别。

RFID是一种提高识别效率和准确性的工具,该技术将完全替代条形码。

RFID替代条形码的最大优势就是磁条所带来的无线识别,以及信息的可网络化（乔强，2005）。

利用RFID技术可以实现标签自动检测，具有比现在的人工条形码识别更强大的功能，它将会带领自动柜员售货机进入物联网时代。

商品标签自动识别技术大大提高了商品信息追踪的实时性，为商品供应方式和销售策略的制定提供及时的支持。

自动售货机是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变而出现的。

大量生产、大量消费以及消费模式和销售环境的变化，要求出现新的商品流通渠道。

在技术密集型社会中，超市、百货购物中心等商品流通渠道的人工费用不断上升，再加上场地的局限性以及购物的便利性等这些因素的影响，自动柜员售货机作为一种新的商品零售方式应运而生了。

自动柜员售货机提供了一种节约成本的商品零售方式，而且自动柜员售货机还有不受时间、场地、天气限制等特点，可以为消费者提供便捷的服务。

集合了PLC及商品标签自动识别的优点后，自动柜员售货机可以为商家提供更加节约成本和易于管理的零售途径，为消费者提供更加便捷和更加可靠的消费方式。

随着我国人力、地租等成本价格的不断上升，自动柜员售货机的优势进一步体现，将会拥有越来越广阔的市场空间。

而一款功能齐备、运行成本低、自动化程度高的自动柜员售货机，必将在市场上拥有强大的竞争力，因此，分析自动柜员售货机的设计具有重大意义。

1.2对自动柜员机的发展状况

1.2.1发展历程

自动柜员售货机的历史可一直追溯到远古时代埃及圣水机。

大约在公元前215年左右，埃及寺院出现了一种用来销售圣水的自动售货机。

最早的普及型自动售货机是1924年由日本中山小一郎制作的袋装零食自动售货机（卢振，2006）。

现代的自动柜员售货机出现在1920年代的美国，当时其贩卖的货品为香烟。

逐渐地，用于贩卖饮料、食品、车票、报纸的自动柜员售货机也被制造出来了。

而真正将自动柜员售货机发扬光大的是日本。

自动柜员售货机在日本的鼎盛时期是上世纪70年代中期后，有些大型自动柜员售货机，其营业额相当于一间小型商店。

截止上世纪末，全日本共有550万台自动柜员售货机，销售额达6兆8969亿4887万日元。

日本平均每23人占有一台自动柜员售货机。

这两项数据都排名世界第一。

我国第一台无人自动售货机诞生于后晋末年（约964年），它是汝州（今河南临汝县）一位不愿透露姓名的高士发明的，人们尊他为“笔仙”（粟新华，2004），因为他自己生产毛笔并用竹筒制作出自动售笔机。

1999年，现代的自动柜员售货机作为一种新型商业形态和广告媒体进入中国市场，由当时纯属的代理销售国外产品，发展到现在主要由自主开发生产及代理销售国外自动柜员售货机两类并存的状况。

1.2.2发展历程

目前，日本70%以上的罐装饮料是通过自动售货机出售的，日本可口可乐公司的2/3的产品，都是由公司所属的近70万台自动售货机销售出去的。

除饮料外，自动售货机还出售其它各种商品。

在日本，出售香烟的自动售货机共有60万台。

还有一些自动柜员售货机专营从大米、汉堡包、服装到电池及酒类的各类商品。

进入本世纪以来，自动柜员售货机在我国得到不断推广，目前在一线城市已形成比较成熟的市场，而在二三线城市的发展势头也非常迅猛。

据粗略统计，目前自动柜员售货机市场已经吸引了国内开发生产商10家，市场运营商40多家。

南开戈德（自2000年）和青岛澳柯玛（自2001年）分别投入了1.6亿元和6000多万元，进行自主生产、销售和经营自动售卖机业务。

海尔等企业也在盯着这块市场。

但是，目前大部分市场份额都被南开戈德和青岛澳柯玛这两家所占据（白丽，2005）。

自动售货机在当代零售领域发挥着越来越巨大的作用。

1.3前景与展望

由于自动柜员售货机具有全天候提供服务，运营成本低，受天气、场地等制约因素少等优点，为消费者提供一种创新、时尚、方便的购物方式，可预见在趋于产业信息化、生活智能化的未来将受到越来越多人的欢迎，发展前景难以估量。

展望将来，随着科技的发展与进步，自动柜员售货机的功能将会得到多角度的扩展。

很多自动化技术已经在其他领域有较成熟的应用。

例如广州市公交车电子钱包羊城通已实现从公共交通领域到小额消费领域的成功突破，在原便利店的基础上再发展到超市、饼屋、餐饮、菜市场等都可使用羊城通刷卡支付。

只要在现有的普通自动柜员售货机上装上羊城通读卡机，就可以实现用羊城通进行电子支付的功能了。

随着电子钱包、手机支付、无线通信、电子标签、人工智能和物联网等技术的发展进步，以及人们对现代生活提出的新要求，自动柜员售货机必将出现一种更低碳节能、更方便可靠、更节约成本的面貌。

2总体方案确定及理论分析

2.1设计依据

自动柜员售货机的核心功能就是通过机器实现商品的交易。

在使用自动柜员售货机的过程中，商家关心如何获取货款、降低成本及安全防盗；而消费者则关心如何取得商品、商品的价格和质量。

据此，可知所设计的自动柜员售货机要求有足够的贮存空间、友好的用户界面、安全稳定的交易系统和合理的生产成本。

下面用一种市面上较为常见的自动柜员售货机——澳柯玛AVM-AE20CH饮料综合自动售货机为例，加以说明。

澳柯玛AVM-AE20CH饮料综合自动售货机如图1.1所示。

图1.1澳柯玛AVM-AE20CH饮料综合自动售货机

如图所示，自动柜员售货机正面左上方是大面积的矩形商品展示橱窗，可同时展示多种商品，每种商品下方是对应的选择按钮和缺货指示灯。

商品展示橱窗既起到广告的作用，同时又方便消费者选择商品。

商品展示橱窗右边是投币器、数字显示屏等用户界面。

最下方是取物口，把它设计在较低的位置是为了在出货的过程中可以利用商品自身的重力。

取物口右侧是退闭口。

以上部件都嵌在正面可打开的柜门上，而打开柜门后可见PLC、控制面板、货道和储币器等部件，商家可以通过打开柜门直接向货道补充商品，这样的设计不但方便消费者的购买操作，同时也方便了商家运营维护。

2.2设计内容

本文将分析以PLC为核心进行自动柜员售货机系统的设计。

所设计的自动柜员售货机系统具有投币模块、选择模块、显示模块、控制模块等功能模块。

基本功能包括投币退币、显示投币金额、选择商品种类、判断投币是否足额、送出货物等，并且能实现商品标签自动检测的附加功能。

在分析设计过程中，先进行系统的整体功能和工作原理的分析，再给出具体各个模块的分析与设计、PLC的主要程序流程图和程序设计，最后还会进行PLC梯形图的仿真调试，并得出最终的结果。

2.3方案比较

根据各个模块或者零部件的不同，自动柜员售货机的设计有多个可选的方案。

以下分别对各个模块或者零部件进行方案比较。

（1）投币模块的方案比较。

投币模块可以选择只能投硬币、退硬币找零的硬币投币方案。

这种设计可以使投币模块的硬件选择和控制程序的设计都很简单，方便开发者的设计过程，但是对消费者使用的局限性很大，因为在日常生活中身上常备硬币的人不多；投币模块的第二个方案是选择既可以投纸币又可以退纸币找零的高级纸币投币器。

该方案同样可以简化开发者的工作，而且消费者使用起来也方便，但是对投币器硬件和所投纸币新旧程度要求较高，会增加自动柜员机售货机的生产成本；投币模块还可以选择既能投硬币又能投纸币、只退硬币找零的综合方案。

这种方案虽然增加了开发者的工作量和开发难度，但是消费者使用起来较便捷，对硬件要求比第二种方案低，可以节约生产成本。

目前市场上应用最多的是第三种方案。

（2）货物感应的方案比较。

货物感应包括存货感应和取物口出货感应，可选用行程开关和红外探测开关电路两种方案。

行程开关在自动控制领域中应用非常广泛。

在自动柜员售货机货道中安装行程开关，可能会对货物流动造成阻碍甚至把货物卡在货道中。

安装在取物口的行程开关频繁地受到出货的撞击，容易受到损坏；红外探测是新兴的物品感应技术。

无论安装在货道里还是安装在取物口里，红外探测开关电路都不影响货物的正常流动，红外探测开关电路自身也不会受到货物的损坏。

（3）货物收容方式的方案比较。

目前使用较多的货物收容方式是弹簧托盘抽屉式货道和蛇形堆积式货道两种。

弹簧托盘抽屉式货道适用于收容袋装、盒装商品；蛇形堆积式货道适用于听装或者瓶装商品。

2.4方案选择

投币模块的方案、货物感应的方案和货物收容方式的方案组合在一起可产生十几种整体方案。

综合考虑方便消费者使用、节约生产成本和自动柜员售货机运行稳定可靠等要求，决定本设计中的自动柜员售货机选择既能投硬币又能投纸币、只退硬币找零，红外传感器货物感应，蛇形堆积式货道的整体方案。

2.5理论分析

一个完善的自动柜员售货机系统，需要对各个功能模块实现良好的控制并加以整合，使其能有序、稳定地运行。

从自动柜员售货机的工作过程分析，其工作可分解为以下步骤：

（1）待机状态。

虽然待机状态是与顾客关系最小的工作过程，但它是对整个自动柜员售货机系统最重要的工作过程，它是系统运行的基础。

在待机状态中，各货道上的传感器检测货道上是否有货物。

若有，则其对应的选择按钮亮起，以示可进行交易；反之，则熄灭按钮，表示无存货。

PLC还会计算顾客是否操作超时，一旦超时就进入退币处理阶段。

自动柜员售货机系统在待机状态的工作还包括在出现故障时发出故障报警并禁止投币、判断找零器是否还有足够存币和显示已投币值或者剩余币值。

（2）投币过程。

当顾客向投币器投入钱币，投币器将判断所投币是否符合接收标准。

若符合，则对PLC给予一个信号；若不符合，则自动在投币器的退币口退回。

PLC根据投币器给予的信号统计所投币值。

一旦所投币值超过设定的上限，自动柜员售货机发出停止接收投币信号，并亮起禁止投币指示灯。

（3）商品选择。

当顾客按下一种商品对应的按钮时，自动柜员售货机将判断该种商品是否缺货，若却货，则点亮所选商品缺货提示灯；若有货，则将该商品对应单价设定为应投币值，点亮对应的已选商品指示灯，进入价值判断阶段。

（4）价值比较。

自动柜员售货机比较已投币值是否小于应投币值。

若不小于，则进入可出货状态；否则，则点亮追加投币指示灯，退回投币过程，等待顾客追加投币，直到已投币值不小于应投币值再进入可出货状态或者超时。

（5）出货处理。

当顾客确认要交易时，按下出货按钮，在可出货状态下，出货机构动作，送出相应商品，同时自动检测送出商品的标签，并判断出货是否成功，并将已投币值减去应投币值得出余额。

（6）退币处理。

若顾客在投币后希望中止交易，则可按下退币按钮，进入退币处理阶段；当顾客投币后操作超时也会进入退币处理阶段。

此时投币模块将应退的钱币退回并判断退币是否成功。

（7）复位处理。

当顾客完成整个交易过程后，进入复位处理阶段，控制模块复位运行中使用过的辅助继电器和存储投币值的数据寄存器，做好处理下一次交易的准备。

3系统硬件设计

3.1系统整体设计

要实现上文提及的工作过程，就要求自动柜员售货机系统具有可支持顾客投退币、找零功能的投币模块，供顾客选择商品的选择模块，显示付费信息、存货信息、存币量、已选商品和故障情况等的显示模块，检测存货、实现出货的出货模块，商品标签自动检测模块和控制整合自动柜员售货机各项操作的控制模块等功能模块。

自动柜员售货机的系统框图如图2.1所示。

图2.1自动柜员售货机系统框图

在对各硬件模块进行设计之前，先对自动柜员售货机的用户界面和整机参数进行说明。

自动柜员售货机的用户界面如图3所示。

图3.1自动柜员售货机用户界面

自动柜员售货机的主要技术指标如表1所示。

表1自动柜员售货机主要技术参数

类型

说明

产品名称

综合饮料自动柜员售货机

外观尺寸（mm）

1893（高）×1093（宽）×850（厚）

使用电源

AC110-260V，50/60Hz，待机功率20W，使用功率40W

机柜材料

2mm重钢机箱，专用防盗螺旋式机柜锁

商品规格

355ml罐装饮料、380mlPET瓶装饮料

商品储量

4货道，最大容量500罐

收容方式

蛇形堆积式料道

交易方式

硬币、纸币交易，可找续

交易币种

5角、1元人民币硬币，1元、5元人民币纸币

硬币储量

可分别储存1元硬币500枚、5角硬币500枚

3.2商品标签自动识别系统设计

目前，条形码是零售过程中商品识别的主要手段，但条形码存在只读的、需要对准标、一次只能读一个和容易破损等缺点。

更重要的是目前全世界每年生产超过五亿种商品，而全球通用的由12位排列出来的商品条形码号码已经快要用光了。

而射频识别技术具有可擦写的、不需要对准标的、同时可读取多个、不易受损等优点，可不需人力介入操作，所以条形码是有可能被RFID标签替代的。

RFID技术可以改进自动柜员售货机的存货管理，实现适时补货。

目前，世界零售巨头沃尔玛即将淘汰条形码，全面采用RFID技术，从而进一步提高零售环节的效率（耿雪霏，2005）。

下面分析利用RFID技术进行商品标签自动识别系统的设计。

RFID技术是从上个世纪80年代兴起的一项自动识别技术，由于超大规模集成电路技术的发展，在90年代后才进入实用化阶段。

它利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别的目的并交换数据（李波，2003）。

目前，RFID电子标签的存储容量已达2的96次方以上，如此大的信息存储量以及电子产品码EPC（ElectronicProductCode）的唯一性使其得以在零售行业、物流行业、制造与装配、公共交通、图书馆管理等领域发挥重大作用。

我国在第二代公民身份证也运用了RFID技术。

RFID技术按能源供给方式可分为无源、有源、半无源；按照工作方式分类可分为主动式、被动式；而按照通信频率可分为低频、高频、超高频、微波等类别。

简单的RFID系统包含两部分：

询问器（或阅读器）和应答器（或标签）（吕洁，2004；翟奇，2008；SanjayE.Sarma，etal，2003）。

RFID系统硬件结构如图4.1所示。

图4.1RFID硬件结构图

RFID的工作原理：

无源标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息；或者有源标签主动发送某一频率的信号，解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

RFID技术具有众多优点，具体如下：

（1）非接触式感应，无需人工干预，应用便利；

（2）无机械磨损，使用寿命长，可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣环境；

（3）可识别高速运动物体，并可同时识别多个电子标签；

（4）读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性；

（5）穿透性较强，技术改进后可穿透铁等金属物质；

（6）数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理；

（7）读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储。

基于RFID拥有的种种优点，世界各国政府和国际标准化机构正努力建立统一的技术标准，推动其成为未来智能化物联网的支柱技术之一。

RFID技术的特点完全符合自动柜员售货机中商品标签自动识别的设计要求。

随着RFID技术发展日趋成熟，体积更小、价格更低的RFID产品将使未来商品电子化的步伐大大加快。

要实现商品RFID标签自动识别，就需首先了解商品增加电子标签的意义。

在自动柜员售货机上配置商品标签自动识别系统，有利于及时、准确反馈商品存贮和销售信息，有利于零售商制定合理的供货和销售策略，降低零售商人工检查自