基于PLC的自动售货机控制系统的设计

  电气控制技术与PLC  课程设计 

设 计 题 目  基于PLC的自动售货机控制系统的设计

指 导 教 师             陈伟华                                                         

院（系、部）        电气与控制工程学院          

专 业 班 级                                                                 

学       号                                                                  

姓       名                                                                    

日       期         2014年6月23日             

摘要    1

1系统概述    2

2 控制要求及设计思路    3

2.1控制要求    3

2.2方案设计    4

2.3控制流程图    4

3. 自动售货机的相关设备参数的选定    5

3.1PLC的选择    5

3.2硬币识别器    6

3.3开关电源    6

3.4电磁阀    6

3.5液位开关    7

4软件设计    7

4.1I/O口分配    7

4.2 控制接线图    8

4.3  程序设计    9

4.3.1计币部分    9

4.3.2比较部分    10

4.3.3选择和饮料供应部分    11

4.3.4余额计算部分    11

4.3.5退币部分    12

4.3.6报警部分    13

5系统调试    13

6结论    14

参考文献    15

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，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。

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，是一个国家的文明程度的象征，实践和直觉告诉我们，自动售货机在中国的横空出世，必将国内的食品、香烟、饮料等诸多行业的发展带来新的契机。

设计以三菱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，明该系统切实可行。

关键词:自动售货机；PLC；调试

1系统概述

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，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。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。

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。而且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。

2 控制要求及设计思路

2.1控制要求

（1）自动售货机可投入5角、1元的硬币。 

（2）所售饮料标价：纯净水——1元,汽水——2.5元，咖啡——3元。

（3）当投入的硬币总值超过所购饮料的标价时，所对应的可购买饮料的指灯亮，作可购买提示。

（4）当物品对应的指示灯亮时，按下相应的按键，相应的物品排出，5s后自动停止,同时指示灯闪烁。

（5）购买饮料后，系统自动计算剩余币值，并根据剩余币值提示可购买的饮料（指示灯亮）。

（6）当顾客成功购买完一件物品后30秒无操作，自动售货机会自动将余款退还顾客。

（7）如果顾客投入硬币后又不想买物品，按下退款按键，自动售货机会自动将余款退还顾客。

（8）如果顾客投入硬币总值超过所选物品的价值时，自动售货机会自动将余款退还顾客。

（9）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）。

2.2方案设计

（1）通过分析，取最有把握的思路，故采取一般梯形图进行程序设计。

（2）注意点，程序运行开始阶段要有上电复位，让机子清零。

（3）本自动售货机可使用5角、1元硬币，计币时用ADD指令进行累加从而得到一个投币总额；比较币值时使用CMP指令来判断是否符合纯净水排出或汽水排出或咖啡排出的条件；余额计算时用SUB指令从投币总额中扣除顾客所消费的币值总额；退币计算时用到触点型比较指令。

（4）PLC选用继电器输出型。

（5）要求实现顾客的循环购买，故需实现控制程序的跳转。

（6）退币结束时，使用ZRST指令进行购买完成的复位，以准备下一个顾客购买饮料，防止出现错误。

2.3控制流程图

自动售货机PLC的控制流程图，如图2.1所示。

图2.1  控制流程图

3.自动售货机的相关设备参数的选定

3.1PLC的选择

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。

三菱PLC FX2N-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。

3.2硬币识别器

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。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。

3.3开关电源

在自动售货机中指示灯、警铃、等电源为DC 24V，因此需要配备直流24V开关电源，本文选择了WP10-S-24。关电源的性能规格如下：

    （1）交流电压输入范围：170～2VAC。

（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℃。

3.4电磁阀

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，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，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)，本次设计采用直动式电磁阀。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。

3.5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。本次设计电子式液位开关，电子式液位开关通过内置电子探头对水位进行检测，再由芯片对检测到的信号进行处理，当判断到有水时，芯片输出高电平24V或5V等(PNP型或NPN型均可），当判断到无水时，芯片输出0V。高低电平的信号通过PLC或其它控制电路来读取，并驱动水泵等用电器工作。 

4软件设计

4.1I/O口分配

列出I/O口分配表，如表4.1所示。

表4.1  I/O口分配表

本系统是一个小型集中控制系统，PLC选型主要取决于控制系统输入、输出开关信号的数量、用户程序的长短及相关的功能。根据控制要求，I/O点数在24个左右，选择性能价格比较高的三菱FX2N-48MR，其中其输入点为24点，输出点为24点，该PLC为继电器输出型。本设计中，退币按钮、各种饮料按钮和饮料出口（驱动电磁阀）等均为开关量。根据上述要求，绘制出PLC控制电路接线图，如图4.2所示。

图4.2  控制接线图

4.3  程序设计

由于本设计为毕业设计, 因此要求上要有现实中的自动售货机的多种功能。根据自动售货机控制系统的流程可以知道自动售货机的主要系统包括：计币部分、比较部分、选择和饮料供应部分、余额计算部分、退币部分、报警部分。

4.3.1计币部分

当有顾客购买饮料时，投入硬币时由硬币识别器识别硬币, 如果是真币则系统将硬币自动传送到相应的硬币贮存部分,然后在PLC内进行数据运算，如果是假币则系统自动退出硬币,梯形图如图4.3所示。

图4.3  计币部分

4.3.2比较部分

投币完成后，系统会将D0内钱币数据和可以购买的饮料价格进行区间比较：若1元≤投币<2.5元，则纯净水选择指示灯长亮，此时可以选择纯净水或退币；若2.5元≤投币<3元，则纯净水和汽水指示灯长亮，此时可以选择纯净水、汽水或退币；投币≥3元,则纯净水、汽水和咖啡指示灯长亮,此时可以选择纯净水、汽水、咖啡或退币。梯形图如图4.4所示:

图4.4  比较部分

4.3.3选择和饮料供应部分

比较完成后，按下指示灯长亮的选择按钮，相应的电磁阀起动，并且相应的选择指示灯由长亮转为以1s为周期的闪烁直至饮料供应完毕后闪烁停止。当饮料输出达到5s时，电磁阀关断。梯形图如图4.5所示：

图4.5  选择和饮料供应部分

4.3.4余额计算部分

饮料输出的同时减去相应的购买币数。梯形图如图4.6所示：

图4.6  余额计算部分

4.3.5退币部分

顾客可在购完饮料后，由退币指示灯Y6可知是否可以退币。指示灯亮，则可以退币，当按下退币控制按钮后，数据寄数器D1内的币数除以10，商的整数部分是需要退回1元的个数并储存在D10中；D11的数据除以5，商的整数部分是需要退回的5角钱的个数，并储存在D12中，依次类推选择退币的同时起动2个退币电动机。2个感应器开始计数，当感应器记币的个数等于数据寄存器退回的币数时，退币电动机停止运转。PLC编程梯形图如图4.7所示：

图4.7  退币部分

4.3.6报警部分

PLC在报警系统中，只起到开关连接的作用，当售货机里面没有饮料时，对应的指示灯就会亮红灯，作报警提示。具体梯形图如图4.8所示：

图4.8  报警部分

5系统调试

由于实验室没有相应的实物控制模型(自动售货机)，因此，在调试系统控制程序时，所有的输入信号均用开关按钮来代替，所有的输出均用指示灯来表示。调试时，首先按控制系统PLC接线图完成硬件接线，并仔细检查接线是否有误，特别要注意接线时不能出现短路、断路及反接等情况，否则会造成硬件损坏及人身意外。

开始程序调试：首先将PLC控制程序写入到PLC机器中，再选择监控状态，使PLC处于“RUN”状态，然后逐一按投币感应器（即硬币识别机相对应的输入开关），观察有没有进行累加币值；或按选择按钮，观察输出指示灯是否按预计效果闪灭（即显示饮料选择提示、饮料送出、送出时间和退币提示），并通过监控状态观察程序的运行过程及输入输出信号、内部描述实际出现的问题及解决方案。对报警部分进行调试，只需给相应的输入端口信号，然后相应的指示灯变亮即可。要对照设计控制要求，逐一检验设计功能是否能有效的实现，并对程序进行改进和完善。

调试过程中，发现了很多在设计之初没有考虑到的问题，经过反复的调试和不断的改进，问题逐个被解决。总而言之，对程序必须要反复调试，不断改进，以获得既完全实现功能，而又简单、严谨性高的PLC控制程序。

6结论

经过一个星期的奋战，我的课程设计终于完成了。在没有做课程设计之前觉得课程设计只是对这一学期来所学知识的单纯总结，但是通过这次课程设计，我发现学习过程中容不得半点马虎。

首先，程序设计过程中，要按主电路、控制电路、辅助电路、联锁与保护、总体检查反复修改与完善的先后顺序进行。PLC控制程序既要满足生产机械和工艺的各种控制，又要满足电气控制装置本身的制造、使用和维修的需要。原理设计决定着生产机械设备的合理性与先进性，考虑其是否具有生产可行性、经济性、美观、使用维修方便等特点PLC控制系统设计要全面考虑两方面的内容；其次，应注重与同学间的协作，每一个人的思维不同，对程序的理解、功能的实现方式也会有所不同，因而往往会对程序的编制产生想象不到的效果。在熟练掌握典型环节控制电路、具有对一般电气控制电路分析能力之后，应该能举一反三。

做到以上几点，就达到了课程设计的目的，即在实践之中综合运用书本中的知识，进一步直观的理解课堂中所学的知识；学会在实践之中发现问题、分析问题、解决问题；培养自己的团队意识，为将来进入工厂，踏入社会做一次预演。

参考文献

[1] 裴进灵.一种新型自动售货机的研制 [ J ]，科技情报开发与经济， 2008，(12) .

[2] 朱军.自动售货机的结构 [ J ]，信息与电脑 ，2009.

[3] 钟肇新等编译.可编程序控制器原理及应用，华南理工大学出版社，2010年.

[4] 林晓峰编.可编程序控制器原理及应用，高等教育出版社，2007年. 

[5] 金广业等编著.可编程序控制器原理与应用，中国自动化学会应用专业委员会，2010年.

[6] 王维亚等编.可编程序控制器及其应用，广西教育出版社，2008年.

[7] 王永华.现场总线技术及应用教程，机械工业出版社,2007.

[8] 周美兰,周封,王岳宇.PLC电气控制与组态设计，科学出版社.

[9] 朱绍祥等编译.可编程序控制器原理及应用，上海交通大学出版社，2009年.

[10] 汪晓光，孙晓瑛，王艳丹编.可编程序控制器原理及应用,清华大学出版社，2008年8月.