毕业论文范文——基于PLC控制的自动售货机系统.doc

1、基于 PLC 控制的自动售货机系统第 1 页 共 22 页摘 要自动售货机作为一种先进的零售业受到喜欢追逐时尚的年轻人的欢迎。自动售货机是一种高智能化的产品，因其没有语言障碍，操作简便，可以充分补充人力资源的不足，适应消费环境和消费模式的变化，24 小时自动售货系统在运营时需要更少的资本、占用更小的面积，拥有吸引人们购买好奇心的自身性能，以及解决人工费用上升的问题等优点。 2004 年以后，中国的自动售货机产业将实现快速增长，奥运会和世博会为自动售货机市场带来了巨大商机，2008 年后将进入发展期，自动售货即将在中国零售业掀起继百货商店、超市之后的第三次零售业革命。本文应用 PLC 来进行设计

2、，介绍了自动售货机的基本原理，对其控制要求进行了分析，根据 PLC 的相关知识设计出外部接线图，画出顺序功能图，最后设计了梯形图。程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。利用 PLC 控制的自动售货机提高了系统的稳定性，保证自动售货机能够长期稳定运行。关键词： 自动售货机 可编程序控制器 梯形图基于 PLC 控制的自动售货机系统第 2 页 共 22 页前 言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,

3、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 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。可编程逻辑控制器（Programmable Logical Controller），简称PLC。可编程序控制器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应用。 因为

4、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。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( P L C 、机器人和C A D / C A M ) 之一。P L C有它自己的特点, P L C 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, 系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。目前，可编程控制器在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保等各行各业。自动售货机的新奇、文明、高档、灵活

5、方便等深受广大市民青睐。自动售货机最基本的功能是对投入的货币进行运算,并根据所投入的货币数值判断是否能够购买某种商品, 并做出相应的反映。因此, 售货机应能够辨识机内包含的商品, 能够对所投入的币值进行累计, 并提供所要购买的商品。当按下选择商品的按钮时,自动 售货机根据投入的币值, 起动电机, 提取商品到出货口, 顾客取出商品, 完成此次交易。它还具有识币系统、货物和货币的传送系统来实现完整的售货功能。基于 PLC 控制的自动售货机系统第 3 页 共 22 页一.可编程序控制器的介绍(一) 可编程序控制器的定义和原理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。它采用可

6、以编制程序的存储器，用来在其内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 及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 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（见图 1）。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

7、理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。读取输入执行用户程序处理通信要求自诊断检查改写输出RUN 状体读取输入处理通信要求自诊断检查改写输出STOP 状体图 1 各阶段处理任务（二）可编程控制器的产生和现状 传统的生产机械自动控制系统是继电器和接触器组成的控制系统，简称为继电控制系统。继电控制系统是用导线把一个个继电器、接触器、开关及其触点按一定的逻辑关系连接起来构成的控制系统。这种连线方式又称为布线逻辑，具有结构简单、价格低廉、容易操作和对维护技术要求不高的优点，特别适用于工作模式固定、控制要求比较简单的场合，所以至今还在使用，目前在我国应用也比较广泛。 随着工业生产的迅速发展，市场竞争激

8、烈，产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，生产机械、加工规范和生产加工线也必须随之而改变，控制系统经常需要作新的配置。但继电控制系统的布线连接不易更新、功能不易扩展已成为生产发展的障碍，当控制对象比较多、要求比较复杂时，由于系统的器件多、体积庞大、可靠性差而不能满足生产的要求。因此，迫切需要新型先进的自动控制装置。20 世纪 60 年代出现了半导体逻辑元件装置，利用半导体二极管、三极管和中小规模集成电路构成的逻辑式顺序控制器，具有体积小、无触点、可靠性较高、动作顺序基于 PLC 控制的自动售货机系统第 4 页 共 22 页变更比较方便等优点，但是控制规模较小，编制程序不够灵活。当时，还曾

9、有过用小型计算机来实现工业控制装置。但由于当时计算机对使用环境要求较高，现场的输入输出信号与计算机不匹配，计算机程序的编制复杂，一般工程技术人员不容易运用自如，加上造价高，所以没有得到广泛应用。 1969 年新一代工业控制设备可编程序逻辑控制器 PLC（Programmable Logic Controller）应运而生。 第一台 PLC 是美国数字设备公司研制生产的，并成功地应用到美国通用汽车公司（GM）的生产线上。它既具有继电控制系统的外部特性，又有计算机的可编程性、通用性和灵活性，并开创了自动控制设备的新局面。由于当时技术所限，使用的器件集成度不高、器件数量多、体积大，只用来取代继电系统

10、，在功能上仅限于执行继电控制逻辑、定时和计数等。20 世纪 70 年代中期，随着大规模集成电路和微型计算机技术的发展，美国、日本、德国等把微处理器引入 PLC，使可编程序逻辑控制器具有更多的计算机功能，不仅用软件编程取代了硬连线逻辑，还增加了数字运算、数据处理和数据通信功能，并且做到了小型化。在编程方面采用了面向生产、面向用户的语言，打破了以往必须具有计算机专业知识的人员使用计算机编程的限制，使广大工程技术人员以及具有电工知识的人员乐于接受和应用，所以得到了迅速而广泛的推广。20 世纪 80 年代国外工业界把引进了微处理器的可编程序逻辑控制器正式命名为可编程序控制器（Programmable

11、Controller），简称为 PC。在我国一部分技术人员为了与个人计算机（Personal Computer 简称 PC）区别开来，仍把可编程序控制器简称为 PLC。 1985 年 1 月国际电工委员会对可编程序控制器给出如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、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、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计。” 可编程序控制器的发展相当迅速，在发达国家的应用几

12、乎覆盖所有工业企业行业，PLC 的销售额年增长率在 20以上，PLC 品种已多达数百种，世界上几十家著名的电气工厂都在生产 PLC装置。目前，美国处于领先地位，著名的生产厂家有德州公司、通用电气公司、歌德公司、数字设备公司等。日本自 1971 年引进 PLC 技术后，发展也非常快，三菱公司、日立公司和立石公司是最大的三家。德国的西门子公司，荷兰的飞利浦公司，瑞典的通用公司及英国、法国等都生产自己的 PLC。近年来，美国、日本、德国等国的 PLC 大量进入我国市场。我国也引进多条 PLC 生产线，在逐步消化国外技术的基础上仿制和自行研制 PLC，影响较大的是上海香岛机电制造公司。PLC 在我国大

13、多数工业部门得到应用，已经取得显著的经济效益并正在迅速推广。(三) 可编程序控制器的特点和应用可编程序控制器专为在工业环境下应用而设计，以用户需要为主， 又采用了先进的微型计算机技术，所以具有以下几个显著特点：1.可靠性高 PLC 由于选用了大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件和软件的设计制造过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，所以具有很高的基于 PLC 控制的自动售货机系统第 5 页 共 22 页可靠性。PLC 控制系统平均无故障工作时间可达 2 万小时以上，美国 GE 公司带冗余系统的 PLC 无故障工作时间高达 45 万小时，高可靠性是 P

14、LC 成为通用自动控制设备的首选条件之一。 2.编程简单、使用方便 PLC 的编程采用类似继电控制系统电气原理的梯形图，用串联、并联、定时、计数等人们所熟悉的概念，使计算机语言大众化，只要是比较熟练的电工和熟悉工艺知识的人员在几天内就能学会，这是 PLC 得到推广的重要原因之一。 3.通用性好、具有在线修改能力 PLC 的硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象、控制规模和控制功能的要求，给组成各种系统带来极大的方便，同一台 PLC 装置用于不同的受控对象时，只是输入输出组件、功能模块和应用软件不同。同时，PLC 控制系统中的控制电路是由软件编程完成的，只要对应用程序进行修改就可

15、以满足不同的控制要求，因此 PLC 具有在线修改能力，功能易于扩展，给生产带来了“柔性”，具有广泛的工业通用性。 4.缩短设计、施工、投产试制周期，维护容易 目前 PLC 产品已实现了系列化、标准化，正朝着通用化方向发展，设计人员只需要根据控制系统的需要，选用相应的模块进行组件设计。同时，用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大地减轻了繁重的安装和接线工作，这不仅提高了可靠性，还极大地缩短了施工周期，PLC 还具有故障检测及显示的功能，使故障处理时间可缩短为 10 分钟，对维护人员的技术水平要求也不太高。5.体积小 由于采用了微型计算机技术，使 PLC 达到了小型和超小型化，很容易装入机械设备内

16、部，便于实现机电一体化。 由于上述特点，PLC 作为通用自动控制设备，可用于单一机电设备的控制，也可用于工艺过程的控制，而且控制精度相当高，操作简便，又具有很大的灵活性和可扩展性，使得 PLC 广泛应用于机械制造、冶金、化工、交通、电子、电力、纺织，印刷及食品等几乎所有工业行业。 PLC 的应用可以归纳为以下几方面： 开关逻辑控制，这是 PLC 最初也是最基本的应用范围。可以用 PLC 取代继电控制用于机床电气、自动生产线、高炉上料系统、电梯及自动生产线等。 闭环控制 PLC 可用于闭环的位置控制和速度控制，如轧钢机、自动焊机等。大型 PLC 都配有 PD 调节功能，能完成诸如锅炉、冷冻、反应

17、堆、水处理及酿酒等闭环的过程控制。 机械加工的数字控制。 机器人。 目前，机器人在工厂自动化网络中和生产线上得到越来越多的普遍使用。 组成多级分布式控制系统 。 目前，PLC 控制技术已在世界范围内广为流行，国际市场竞争相当激烈，产品更新也很快，用 PLC 设计自动控制系统已成为世界潮流。(四) 可编程序控制器的分类及发展趋势 1可编程序控制器的分类 PLC 的分类方法很多，大多是根据外部特性来分类的。以下三种分类方法用得较为普遍。 1.按照点数、功能不同分类 根据输入输出点数、存贮器容量和功能分为小型、中型和大型三类。 基于 PLC 控制的自动售货机系统第 6 页 共 22 页小型 PLC

18、又称为低档 PLC。它的输入输出点数一般从 20 点到 128 点，用户程序存贮器容量小于 2K 字节，具有逻辑运算、定时、计数、移位等功能，可以用来进行条件控制、定时计数控制，通常用来代替继电器、接触器控制，在单机或小规模生产过程中使用。由于体积小、价格低廉，一般用在替代 30 个及 30 个以上的继电器就比较合算，在国外就是 10 个左右的继电器控制系统也用小型 PLC 替代。由于用途广泛，小型 PLC 产品是 PLC 中量大而面广的产品。例如立石公司的 C-20 及 C 系列 P 型 PLC，三菱公司的 F、F1、F2 系列，德州仪器公司的 T1-100，通用电气公司的GE-1，上海香岛

19、机电制造公司的 ACMY-S256 和 ACMY-S80 系列。 中型 PLC 的 I/O 点数一般在 128512 点之间，用户存贮器容量为 2K8K 字节，兼有开关量和模拟量的控制功能。它除了具备小型 PLC 的功能外，还具有数字计算、过程参数调节如比例、积分、微分（P、I、D）调节、模拟定标、查表等功能，同时辅助继电器数量增多，定时计数范围扩大，适用于较为复杂的开关量控制如大型注塑机控制、配料及称重等小型连续生产过程控制等场合。例如立石公司的 C500、C200H，三菱公司的 MELSEC-A1、A2、A3，哥德公司的 484 型PLC。 大型 PLC 又称为高档 PLC，I/O 点数超

20、过 512 点，最多可达 8192 点，进行扩展后还能增加，用户存贮容量在 8K 字节以上，具有逻辑运算、数字运算、模拟调节、联网通讯、监视、记录、打印、中断控制、智能控制及远程控制等功能，用于大规模过程控制（如钢铁厂、电站）、分布式控制系统和工厂自动化网络。例如立石公司的 C1000、C2000，哥德公司的 584 型等。 2. 按照结构形状分类 根据 PLC 各组件的组合结构，可将 PLC 分为整体式和机架模块式两种。整体式 PLC 是将中央处理机、输入输出部件和电源部件集中于一体，装在一个金属或塑料外壳之中。输入输出接线端子及电源进线分别在机箱的两侧，并有相应的发光二极管显示输入输出状态

21、。这种结构的 PLC 具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低和易于装入工业设备内部的优点，适用于单机控制，小型PLC 通常采用这种结构。这种机架模块式的 PLC，各功能模块独立存在，如主机模块、输入模块、输出模块、电源模块等，各模块做成插件式，在机架底板上有多个插座，使用时将选用的模块插入底板就构成 PLC，这种 PLC 的配置灵活，装配和维修都很方便，也便于功能扩展，大中型 PLC通常采用这种结构。 3. 按照使用情况分类 从应用情况又可将 PLC 分为通用型和专用型两类。通用型 PLC 可供各工业控制系统选用，通过不同的配置和应用软件的编制可满足不同的需要，是用作标准工业控制装置的 PLC，

22、如前面所举的各种型号。 专用型 PLC 是为某类控制系统专门设计的 PLC，如数控机床专用型 PLC 就有美国 AB 公司的8200CNC、8400CNC，德国西门子公司的专用型 PLC 等。 2. PLC 的发展趋势 目前 PLC 的发展大致有以下几方面趋势： (1).向小型化、专用化方向发展。当前开发出许多简易、经济、超小型 PLC,以适应单机控制和机电一体化，真正成为继电器的替代品。 (2).向大型化、复杂化、高功能化、分散型、多层分布式工厂自动化网络方向发展。PLC 的输入输出容量已超过 32k，扫描速度小于 1ms千步，新增容错功能可适应高可靠控制场合。 (3).编程语言和编程工具朝

23、着标准化和高级化方向发展。 基于 PLC 控制的自动售货机系统第 7 页 共 22 页PLC 是近十几年发展起来的一种新型工业控制器，但已步入成熟阶段。这种工业专用微机系统是高精技术普及化的典范，使计算机进入工业各行业，使机械设备和生产线控制更新换代。 PLC 将成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备。在未来的工业生产中，作为自动化的三大支柱（PLC 技术、机器人、计算机辅助设计和分析）之一的 PLC 技术将跃居主导地位。二自动售货机的概述自动售货机最早出现在二十世纪五、六十年代的西欧，当时在美国的地铁系统中，人们可以用 1 美分在自动售货机上买到一块口香糖。作为一种全新的零售方式，八十年

24、代以来，自动售货机在美、日等发达国家得到了迅速地普及和发展。人们通过自动售货机可以买到食品、香烟、饮料、报纸、票、卡甚至鲜花和小宠物等物品。目前在我国东部地区和中西部部分市场上已经逐步推广应用，其商业前景十分可观。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应用是必然趋势。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

25、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应用和普及开启一个新的里程碑！在实际生活中，我们见到的售货机的基本功能就是对投入的货币进行运算，并根据投入的货币额来判断可以购买的商品。在本系统中设计可接受三种面值的货币，1 元，5 元，10 元由于系统没有采用货币识别系统，故用铵键 X0，X1，X2

26、分别代表 1 元，5 元，10 元的货币，也就是每按键一次代表相应面值的货币投入一张，本系统一次最多接受的货币金额只可在 100 元以内，否则喇叭报警，并自动退回用户所投货币。在系统中共有 3 种商品可以选择，即牛奶，果汁，雪碧，其出售价格分别为 20 元，10 元，15 元。数码管用于显示当前用户还可消费的金额。LED 灯用于指示哪些商品可供选择及被选择后商品的送出。 用户消费余额按退币键即可退回。退币会有相应的 LED 闪烁指示。投入响应金额的货币后，如果投入货币金额大于某项商品单价则该商品对应的 LED 指示灯会点亮，此时可按下相应的铵键表示已选择该商品，相应的指示灯此时会闪烁 3 次已

27、示该商品已经售出。同时数码管显示的金额会减去已经消费商品的价格，按退币键即可退回余额。本系统不计缺货等因素。基于 PLC 控制的自动售货机系统第 8 页 共 22 页三系统的设计（一）机型选择和 I/O 地址分配PLC 是一种用作数字控制的专用电子计算机。它根据用户给的指令，通过输入接口现场采样信息执行逻辑或数值运算，在通过输出接口去控制各种执行机构动作。它和单片机一样，主要有CPU、存储器、I/O 接口模板三部分。它是整体模块形式，因此由它作为售货机控制系统，在硬件设计上就相对简单点。通过对系统结构图的分析，可知售货机的 I/O 点不多，选择三菱 FX-2N 系列可以完全满足其要求，如表 1

28、-1。表 1-1 I/O 地址分配表X000 1 元币按键 Y0Y3 A1、B1、C1、D1X001 5 元币按键 Y4Y7 A0、B0、C0、D0X002 10 元币按键 Y10 牛奶输出X0010 牛奶选择按键 Y11 果汁输出X0011 果汁选择按键 Y12 雪碧输出X0012 雪碧选择按键 Y13 大于 99 元报警X006 启动按键 Y14 退币指示X007 退币按键（二）硬件的设计1.电源部分由于本系统在显示部分是用数码管，LED 等实现的，所以 PLC 需使用外接 5V 电源，这里采用7805 来实现直流 5V。此不做详述。其电路图如下所示。基于 PLC 控制的自动售货机系统第

29、9 页 共 22 页图 1-2 +5V 电源电路图2. PLC 接口部分本系统采用三菱 FX2N 系列的 PLC，且 PLC 与控制和显示部分的接线如下图所示：图 1-3 PLC 电路图基于 PLC 控制的自动售货机系统第 10 页 共 22 页1)控制部分控制部分由八个按键组成，分别有一个引脚接 PLC 的X0，X1，X2；X6，X7；X10，X11，X12。另外一只引脚短接后接 PLC 输入的 COM 端。其中，X0，X1，X2 是投币按钮，分别代表 1 元，5 元，10 元，即每按键一次代表已投入相应的金额投入，如若要投入 6 元，则按键 X 0 六次，或者先按键 X 0 一次，再按键

30、X1 一次即可。X6 为启动按按键，上电后，只有先按 X6 键后，按其它键才有效。X7 为退币按键，用户在操作过程中，如果想中断操作或者操作完毕后想退出操作按此键即可退回消费余额，如果投币金额大于99 元程序则会自动调用此按键功能，退回用户所投入金额。X10，X11，X12 为选择按钮，分别可以选中牛奶，果汁和雪碧。这里须注意的是用户所投入的金额不小于该货物的单价时，按键才有效，此时相应的指示灯点亮。2)显示部分(1)数码管数码管用于显示用户当前可以消费的金额，如果显示 56，表示用户有 56 元可以消费。这里用 CD4511 译码后接七段译码显示器。CD4511 是一种 BCD 码七段译码驱

31、动器，有 A，B，C，D 四个 BCD 码输入端，a,b,c,d,e,f,g 四个译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极 LED 数码管。LT 为测试输入端，为 0 时译码输出全为“1” 。BI 为消引输入端，为 0 时，译码输出为“0” 。LE 为所定端，LE=“1”时，译码器处于锁定保持状态，译码输出保持在 LE=0 时的数值，LE=0 时为正常译码。具体参见下表真值表。图 1-4（2）发光二极管和喇叭本系统中共用到四个发光二极管，分别接到 PLC 的 Y10，Y11，Y12，Y14 端，其中接到Y10，Y11，Y12 的三个 LED 灯点亮时分别表示牛奶，果汁和雪碧用户可以选择，这三个灯以 1s 的周期闪烁时则表示相应的商品已经送到取货筐。接 Y14 的 LED 为用户在按退币键 X7 后以 0.1s 的