1、 随着科技的不断发展， PLC 在工程中的应用大家有目共睹， PLC 在各个领域已占得一席之地，并将有更好的发展。我国人口数量庞大，自动售货机在人们的生活中扮演越来越重要的角色，从长远来看其具有广阔的发展空间。本次设计的自动售货机为饮料自动售货机，贩卖的商品性质明确，适于放置在短时间人口流动比较大的地方，比如餐厅。首先通过与单片机和液压等控制的对比，确定采用 PLC 来控制自动售货机，然后分析自动售货机的结构和工作原理，明白自动售货机的贩卖过程，以便为硬件的选择做准备。通过自动售货机的功能分析作出硬件框图，根据硬 件框图选择所需要的 PLC、货币识别器、电动机和接触器。根据 I/O 分配表对
2、PLC 选型，并画出外部接线图。根据控制系统流程图编写符合自动售货机功能的程序。如果购物后有剩余金额，则可按退币按钮退币。梯形图的编写通过 GX Developer 来完成，完成梯形图后可以在三菱 PLC 仿真软件 GX Simulator 6c 进行调试和仿真。最后用 MCGS 作出组态效果。组态仿真图中自动售货机包括按钮、指示灯、投币口、取物口、退币口等部分。 关键词 ： 自动售货机； PLC； 梯形图； MCGS ABSTRACT 第 页 共 41 页 1 With the development of science and technology, the application of
3、 PLC in engineering everybody be obvious to people, PLC has occupied a space for one person in every field, and will have a better development. Because of the large number of population, the vending machine is playing a more and more important role in peoples life, in the long run it has broad space
4、 for development. The design of the automatic vending machine for beverage vending machine, the nature of the goods sold in the clear, adapted to be placed in a short time population flow of relatively large areas, such as restaurant. First, by comparing with the single chip microcomputer and hydrau
5、lic control, and adopt PLC to control the vending machine, then analyzes the structure and working principle of automatic vending machines selling process, understand the vending machine, to prepare for the selection of hardware. Through vending machine function analysis to make the hardware block d
6、iagram, according to the hardware block diagram, select the desired PLC currency recognizer, motor and contactor. According to the I/O distribution list on the PLC selection, and draw the external wiring diagram. According to the flow chart of control system prepared with vending machine program. If
7、 the shopping after the remaining amount, then press the coin button coin. Trapezoidal chart compilation done by GX Developer, complete ladder diagram can be debugged and simulated in Mitsubishi PLC simulation software GX Simulator 6c. Finally, MCGS made the configuration effect. Configuration simul
8、ation diagram of the vending machine comprises a button, indicator light, the slot, fetching port, a coin refund part. Keywords: vending machine; PLC; ladder diagram; MCGS 目 录 第 页 共 41 页 2 1 绪论 . 5 1.1 自动售货机的研究背景及意义 . 5 1.2 研究自动售货机的目的 . 5 1.3 本设计研究的内容 . 6 2 自动售货机的功能分析 . 7 2.1 自动售货机主控单元的确定 . 7 2.1.1
9、PLC 的部分功能 . 7 2.1.2 确定自动售货机的主控单元为 PLC . 8 2.2 自动售货机的售货方法 . 9 2.3 自动售货机的空间结构 . 10 2.4 自动售货机的功能 . 10 2.5 自动售货机的购物使用流程 . 12 3 自动售货机的硬件部分 . 13 3.1 控制电路硬件组成框图 . 13 3.2 确定自动售货机使用的 PLC 类型 . 14 3.3 货币识别器选型 . 15 3.3.1 硬币的识别原理 . 16 3.3.2 纸币的识别原理 . 16 3.4 自动售货机电机及其它选择 . 17 4 自动售货机的软件设计 . 20 4.1 自动售货机的控制系统流程图 .
10、 20 4.2 自动售货机的程序部分 . 21 4.2.1 程序中用到 的部分指令 . 21 4.2.2 自动售货机的控制程序 . 22 4.3 程序的调试部分 . 30 4.3.1 GX Developer . 30 4.3.2 程序调试 . 30 4.4 基于 MCGS 组 态的自动售货机仿真 . 32 4.4.1 建立组态画面 . 32 4.4.2 设置各元件的参数 . 33 第 页 共 41 页 3 结论 . 38 参考文献 . 39 致谢 . 40 附录 系统硬件连接图 . 41 1 绪论 1.1 自动售货机的研究背景及意义 自动售货机最早出现在 20 世纪 60 年代的欧美，当时在
11、美国的地铁系统中。人们可以用 1 美分在自动售货机上购买到一块口香糖。这便是最早的自动售货机。 作为一种全新的零售方式， 20 世纪 80 年代以来，自动售货机在美、日等发达国家得到了迅速的普及和发展。其产品特点是科技含量高，集光、机、电、防伪识别、数字密码、智能软件等技术于一体； 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，人们通过自动售货机不仅可以买到食品、香烟、饮料、报纸、票、卡，甚至鲜花和小宠物等物品；此外它还是一种新颖独特的广告媒体。目前，自动售货机已经在许多个国家和地区使用。根据美国自动世代统计，日本每 23 人拥有一台自动售货机、美国每 40 人一台、欧
12、洲每 60 人一台。在邻国日本，全国市场 70%的罐装饮料是通过自动售货机售出的，每个人一年投入自动售货机用于购物的货币高达 400多美元；根据日本麒麟啤酒公司调查，一台自动售货机每年可售出上万罐清凉饮料，比一般不太繁忙的小商品销量还要大 ，美国可口可乐公司则拥有分布于世界各地的几十万饮料售货机；在西班牙，全国通过自动售货机售出的商品销售额占全国零售业的六成以上，并以每年 10%的速度递增。全世界约有 1800 万台自动售货机处于运营中，包括自动售货机制造与运营在内的整个行业年销售额超过 2500 亿美元，自动售货业已成为零售业增长最快的行业之一。 近几年，自动售货机在我国的大中城市发展势头非
13、常迅猛，车站、码头、酒店宾馆、大学校园、繁华的街道等地方随处可见自动售货机的身影。据统计，广州市区就摆放了各种品牌的自动售货机，而这还不足以满足地铁和公交车站的需 要。自动售货机不但给人们的生活带来了极大的方便，而且也成为现代化城市的一道亮丽的风景线。随着我国零售业态的不断发展和 2010 年上海世博会举行的过程中，我国无店铺销售业态的发展获得了良好的环境和契机。尤其是跨国企业的加入，进一步刺激和带动我国自动售货机产业的发展。 1.2 研究自动售货机的目的 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，
14、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。自动售货机行业长期以来在第 页 共 41 页 5 美国、日本等国家得到迅猛发展，目前已在多个国家得到广泛普及。据业内人士估计，但中国的自动售货机拥有量还不太多，相对于 13 亿的人口大国和零售业态发展的趋势而言，中国自动售货机行业的发展空间将更加广阔。 1.3 本设计研究的内容 本课题采用三菱 FX2N 系列 PLC 对饮料自动售货机控制系统进行设计。 （ 1） 通过与单片机、继电器、液压在各个方面的比较，确定自动售货机的主控单元是 PLC。 （ 2）
15、 通过对自动售货机的售货方法分析确定采用双弹簧出货机构 ，直流电动机驱动。 （ 3） 根据系统需要确定饮料自动售货机的硬件，通过硬件框图选择硬件部分。根据自动售货机的功能选择货币识别器和电动机以及接触器的选择。通过 I/O列表确定 PLC 类型，做出硬件连接图。 （ 4） 根据控制功能图进行梯形图设计，软件 选哪种 要结合硬件的性质选择合适的数据寄存器以及根据功能使用合适的算法。并在软件中调试运行，用组态软件作出仿真。 第 页 共 41 页 6 2 自动售货机的功能分析 2.1 自动售货机主控单元的确定 实现自动售货机到的售货功能最主要的是依靠主控单元。可以作为主控单元的元件有很多， 但最适合
16、的要通过比较才能确定。 2.1.1 PLC 的部分功能 PLC 是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。因此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC 系统，它们相辅相成，缺一不可。 PLC 的硬件系统主要有主机、输入 /输出扩展单元、外部设备组成，各部分之间通过总线连接。其中主机由中央处理单元（ CPU）、存储器、输入 /输出电路、外部设备接口、电源几大部分组成。 中央处理单元是 PLC 的核心部件， 它的功能是： （ 1）接受、存储用户通过编程器等输入设备输入程序和数据。
17、（ 2）以扫描方式接收来自输入单元的输入变量、状态数据，并存入相应的数据存储区 （ 3）利用错误校验技术监控存储和通信状态、诊断内部电路的工作状态、电源状态和用户编程中的语法错误。 (4)执行用户程序，完成各种数据处理、传输和存储，并根据数据处理结果，刷新有关标志的状态位的状态和输出状态寄存器的内容，产生相应的内部控制信号，以完成用户指令规定的各种操作。 （ 5）响应各种外围设备的要求。 存储器是 PLC 的另一主要部分，存储器主要用来存放系统 程序、用户程序和数据。根据存储器在在系统中的作用，可将其分为系统存储器和用户存储器。 系统程序存储器用来存放制造商为用户提供的监控程序、模块化应用功能
18、子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其他 有 关管理程序。系统程序直接影响着 PLC 的整机性能。系统程序需要永久保存在 PLC 中，不能因关机、停电或其它部分出现故障而改变其内容。因此，系统程序需固化在只读存储器 ROM 中，作为 PLC 的一部分提供给第 页 共 41 页 7 用户，用户无法改变系统程序的内容。 用户数据存储器是专门提供给用户存放程序和数据的，用户存储器分成用户程序存储器和用户数据存 储器。用户程序存储器用来存储用户编写的程序，用户数据存储器用来存储控制过程中不断改变的信息，如输入 /输出信号、各种工作状态、计数值、定时值、运算的中间结果等。 输入模块用来接受和采集输入信号
19、，输入信号有两类：一类是按钮开关、行程开关、数字拨码开关、接近开关、压力继电器等提供的开关量输入信号；另一类是从电位器、热电、测速电机、各种变送器变送来的连续变化的模拟量输入信号。输入模块还需要将这些不同的电平信号转换成 CPU 能识别的数字信号。 输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件能接 收的信号，用来控制接触器、电磁阀、调节阀、调速装置等，控制的另一类负载是指示灯数字显示器和报警装置等。 2.1.2 确定自动售货机的主控单元为 PLC 单片机可以作为自动售货机的核心结构，价格也不太高，但如果电压不稳的话，单片机就有可能被损坏，所以虽然价格是选择方案的一个
20、因素，而可靠性是选择时需要考虑的又一个因素。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，毫无疑问，生产、设计周期越短越好，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，不需改动现有生产设 备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而 PLC 则完全可以实现。这是因为若用 PLC 不必改动外部设备接线，只要在软件上做文章就可以了。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，
21、可以达到事半功倍的目的 。 众所周知，目前我国 75%的生产机械设备，都是采用继电器控制，除了可靠性差外，设计程序也很繁杂。从方案的确立到技术、设计以及施工、图面等方面 ，工作量很大，这势必造成设计周期长。而采用 PLC 控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。编程人员也可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 EEPROM 模块中去，需要加工哪个产品的程序，操作人员可以随时调用，这既方便、简单又可保密。开发这种软件对优化生产过程，提高产品数量和质量，提高劳动生产率，
22、非常具有实际意义。仅此一点也深受生产及设计者的欢迎。 第 页 共 41 页 8 在现在科技成果迅猛发展的今天，市场经 济的竞争就是利用最小的投资获取最大的利润，为了使人们在生活购物中得到方便，就出现了自动售货机。对于一台自动售货机，如果采用电力机械来进行控制，会造成售货机有用价值空间少，浪费不必要的动力资源；如果采用液压系统控制，由于液压系统控制要求技术高，各种阀体和设备的组装较高，反应速度相对较慢，用于控制售货机的经济价值消费高，从利润价值观来考虑不适宜用于控制售货机。 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。但是 PLC（即可编程序控制器
23、）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， 它不但可实现类似控制功能 ，还具有可靠性高、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。 可以看出，采用 PLC 对自动售货机控制系统进行控制可以提高系统的稳定性和可靠性。 因此选择 PLC 为自动售货机的主控单元。 2.2 自动售货机的售货方法 目前自动售货机常用的售货方法有三种。一种是弹簧出货型售货机，主要通过货道弹簧的旋转来出货，是最为常见的商品输出方式。出 货准确率高，实时性强。只要商品尺寸与
24、出货弹簧匹配，就可以采用这种出货方式。另一种使机械手推货型售货机，主要依靠货道商品后面的机械手推货装置进行售卖。每个售货动作均由精确的传感器来控制，整个收获过程精确、高效、自动化。该出货方式适合售卖尺寸和重量比较大，形状较为规则，可以用于正立放置的商品。第三种是升降台出货型售货机，是一种辅助出货系统，可以与弹簧出货方式或者机械手推货方式组合使用，减少商品掉货时的损伤，用于易碎商品的售卖。 本次设计的自动售货机采用的是双螺旋体出货机构，即双弹簧出货机构。这种结构可以一目了然 哪个货道有货无货，既方便顾客选货，又方便工作人员即使发现货物剩余情况 ,在软件部分也不用设置无货报警。这种结构主要由驱动电
25、机、螺旋体挂轮，螺旋体、货道等组成。左右两个螺旋体通过一对齿轮啮合，一个螺旋体顺时针旋转则另一个螺旋体逆时针旋转。当螺旋体每个螺距间隔放满货物后，螺旋体旋转一圈，即可退出一个货物。由于采用双螺旋体向上旋转，对货物的作用力除了有向前推力外还有向上和向货到两侧的分力，能够保证出货的可靠性。即使将来自动售货机售卖液体软包装的货物，也不容易出现 “卡货 ”的现象。 第 页 共 41 页 9 2.3 自动售货机的空间结构 自动售 货机中储存有一定量的饮料，每种饮料都要通过货道而出去，因为该设计中售 8 种饮料，所以该售货机可设置成 8 个货道，而且为单货道，即每种饮料占用一个货道，这样比较方便，如果以后
26、需要扩展卖更多种商品的话，根据商品的摆放设置多个双推进弹簧。当需要够买某种饮料时，电动机会带动弹簧转动一圈，将饮料转出，掉 落到出货通道中，滑落到取物口。饮料在售货机种的存放形式为每个弹簧间隔固定一个单位饮料，并且每种饮料都要与弹簧螺距尺寸匹配，这样可将饮料卡紧不致自动掉落。在自动售货机上可以储藏多种饮料，但总体数量是有限的，所以自动售货机也需 要及时的补货。 图 2-1 为自动售货机的空间结构示意图。 图 2-1 自动售货机的空间结构示意图 2.4 自动售货机的功能 自动售货机能够对所投入的币值进行累计，货币识别器提供该自动售货机最基本的功能即从投币口送入货币，然后经过传感器采集数据、识别判断人民币的面值；然后，识别器把信息传给 PLC； PLC 根据所投入的硬币数值判断是否能够购买某种饮料，做出出货口投币口退币口样品展示窗与按钮特殊指示灯区域商品存储机构商品驱动机构
