基于PLC的自动售货机设计.doc

1、 毕业设计报告（论文）(2011 届)题 目 ： 基于PLC的自动售货机设计 所 属 系： 生产过程自动化 班 级： 自动化 0813 学 生 姓 名： 夏广婷 学 号： 2008201114 同 组 成 员： 徐恒 指 导 教 师： 刘书凯 摘要本论文设计的是基于三菱 FX2N 系列 PLC 构成的自动售货机监控系统，本文阐述了自动售货机的设计概论、研究意义以及它的发展历史，对自动售货机的方案进行了论证，介绍了 PLC 的基本组成、发展以及特点，对基于三菱 FX2N 系列 PLC 构成的自动售货机系统整体设计过程进行较为细致的论述。文中详尽地介绍了自动售货机的原理以及各硬件组成，PLC 外部

2、接线图。并且进行了实际模型的制作，在 PLC 梯形图的编写时，文中采用的是三菱 PLC 梯形图专用编译软件来进行编写。介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，本设计通过 PLC 与触摸屏相结合控制自动售货机，最终完成交易。在设计中选择 PC 机作为主工作站的上位机，下位机采用PLC 作控制器。其中系统主要包括计币系统、选择系统、选择系统、饮料供应系统、退币系统。本设计主要通过 PLC 和触摸屏相结合，来实现对自动售货机系统的控制，从而提高了系统的稳定性，保证自动售货机能够长期稳定的运行。并且通过实际模型的制作经实践验证该控制系统是可行的。关键词 自动售货机 PLC 梯形图 触摸屏目录第一章 绪

3、 论 .11.1 自动售货机的设计概论 .11.2 自动售货机的研究意义 .113 自动售货机的发展历史 .2第二章 自动售货机总体设计 .22.1 自动售货机 PLC 控制设计任务书 .22.1.1 自动售货机 PLC 控制的工作要求 .22.1.2 自动售货机的工作原理 .22.1.3 自动售货机简单示意图 .12第三章 硬件设计 .123.1 PLC 概述 .123.1.1 PLC 的产生 .123.1.2 PLC 定义 .133.1.3 PLC 发展趋势 .133.1.4 PLC 的特点 .143.2 PLC 的组成和设计步骤 .153.2.1 PLC 的选型 .173.2.2 自动售

4、货机 PLC 硬件控制电路设计 .183.2.3 I/O 地址 .193.3 硬件排布 .133.4 其他硬件的选型 .13第四章 软件设计 .144.1 组态工程 .144.1. 1MCGS 组态软件的系统构成 .144.1.2 任务实施 .154.2 PLC 程序的编写 .194.3 系统仿真与运行 .204.4 设计结果分析 .21结束语 .22致谢 .23参考文献 .24第一章 绪 论自 动 售 货 机 是 能 够 根 据 投 入 的 钱 币 自 动 复 活 的 机 器 ， 它 是 商 业 自 动 化的 常 用 设 备 ， 不 受 时 间 、 地 点 的 限 制 ， 能 节 省 人 力

5、 、 方 便 交 易 。 现 代 的自 动 售 货 机 的 种 类 、 结 构 和 功 能 依 出 售 的 商 品 而 异 。 钱 币 装 置 是 售货 机 的 核 心 ， 其 主 要 功 能 是 确 认 投 入 钱 币 的 个 数 计 算 金 额 。 如 果 投 入的 金 额 达 到 购 买 物 品 的 数 值 即 发 出 售 货 信 号 ， 并 找 出 余 钱 。 自 动 售 货 机自 动 输 出 顾 客 所 要 的 商 品 。 因 此 ， 自 动 售 货 机 在 商 业 ， 食 品 行 业 越 来 越普 及 ， 更 方 便 消 费 者 购 买 自 己 所 需 的 商 品 。 使 用 方

6、便 、 可 靠 、 节 省 人 力的 自 动 售 货 机 将 在 社 会 生 活 中 成 为 一 种 趋 势 。1.1 自动售货机的设计概论本 设 计 是 一 套 结 构 简 单 ， 操 作 方 便 ， 性 能 可 靠 的 自 动 售 货 机 产 品 。 自动 售 货 机 计 币 系 统 、 选 择 系 统 、 选 择 系 统 、 饮 料 供 应 系 统 、 退 避 系 统 。自 动 售 货 机 在 接 受 投 入 钱 币 后 ， 通 过 与 商 品 价 格 比 较 ， 确 定 是 否 能 够 售出 商 品 和 把 算 出 剩 余 的 钱 找 回 。 当 商 品 输 出 后 售 货 机 自 动

7、 把 上 次 傅 卖 商品 的 价 格 和 投 入 的 钱 币 的 总 和 清 零 ， 这 是 才 可 以 进 行 下 次 交 易 。 自 动 售货 机 还 应 满 足 商 家 查 看 销 售 商 品 的 总 和 及 使 其 清 零 ， 和 控 制 该 售 货 机 进行 整 体 复 位 。 该 售 货 机 可 以 帮 助 商 家 更 好 的 销 售 商 品 ， 并 且 节 省 人 力 ，获 得 更 大 的 利 润 。1.2 自动售货机的研究意义面 对 当 前 快 速 商 品 社 会 ， 人 们 的 时 间 观 念 越 来 越 重 ， 如 何 才 能 更 快 的购 买 到 顾 客 自 己 所 需

8、 的 商 品 ， 这 都 是 顾 客 和 商 家 共 同 面 临 的 问 题 。 随 着科 技 的 发 展 及 人 们 生 活 水 平 的 提 高 ， 自 动 售 货 机 市 场 的 发 展 越 来 越 呈 现出 多 元 化 及 个 性 化 的 需 求 。 通 过 自 动 售 货 机 进 行 自 助 购 物 正 逐 渐 成 为 市民 的 一 种 新 的 消 费 时 尚 ， 快 捷 方 便 的 购 物 方 式 满 足 了 人 们 在 当 今 科 技 高速 发 展 的 现 代 社 会 追 求 高 品 质 生 活 的 需 要 。 自 动 售 货 机 在 城 市 商 业 区 、写 字 楼 大 厅 、

9、风 景 区 、 车 站 、 码 头 、 繁 华 街 道 等 公 共 场 所 的 布 设 能 够 美化 亮 化 城 市 环 境 ， 方 便 群 众 生 活 ， 已 经 成 为 城 市 各 角 落 的 一 道 亮 丽 风 景线 。 自 动 售 货 机 已 在 国 内 普 及 ， 并 成 为 城 市 现 代 文 明 程 度 的 一 种 象 征 性标 志 。13 自动售货机的发展历史自动售货机是本世纪 70 年代在日本、欧美发展起来的高新技术现代应用产品，被称为 24 小时营业的微型超市，售货领域已扩展至小食品、小用品、香烟、电话卡、车票、邮票等。目前在 40 多个国家已经广泛使用，日本平均每 23

10、人一台，美国平均每 40 人一台，欧洲平均每 60 人一台。在邻国日本，70%份额的罐装饮料市场是通过自动售货机售出的；美国可口可乐公司拥有五十余万台饮料自动售货机分布在世界各地。通过自动售货机销售将成为商品零售业不可分割的重要组成部分。第二章 自动售货机总体设计2.1 自动售货机 PLC 控制设计任务书2.1.1 自动售货机 PLC 控制的工作要求1)此 售 货 机 可 投 入 1 角 、 5 角 、 1 元 硬 币 。2） 所 售 饮 料 标 价 ： 矿 泉 水 1.00 元 可 乐 2.00 元冰 红 茶 2.50 元 3） 当 投 入 的 硬 币 和 纸 币 总 价 值 超 过 所 购

11、 饮 料 的 标 价 时 ， 所 有 可 购 买饮 料 的 指 示 灯 均 亮 ， 作 可 购 买 提 示 。 （ 如 ： 当 投 入 的 硬 币 的 总 价 值 超 过 1.0元 ， 矿 泉 水 指 示 灯 亮 ； 当 投 入 的 硬 币 的 总 价 值 超 过 2 元 时 ， 矿 泉 水 、可 乐 指 示 灯 均 亮 ； 可 乐 当 总 价 值 超 过 2.5 元 ， 所 有 按 钮 指 示 灯 都 亮 ） 。4） 当 饮 料 的 指 示 灯 亮 时 ， 才 可 以 按 下 需 要 购 买 饮 料 的 按 钮 ， 购 买 相应 的 饮 料 （ 当 按 钮 矿 泉 水 灯 亮 时 ， 按 动

12、 矿 泉 水 按 钮 ， 开 始 售 货 ， 同 时 矿泉 水 灯 闪 3s 后 熄 灭 。 可 乐 和 冰 红 茶 售 货 与 矿 泉 水 售 货 相 同 。 ）5） 若 投 入 的 硬 币 盒 纸 币 总 价 值 超 过 所 消 费 的 金 额 时 ， 找 余 指 示 灯 亮 ，按 下 退 币 按 钮 ， 就 可 以 退 出 多 余 的 钱 。2.1.2 自动售货机的工作原理由于本设计为课程设计, 因此要求上没有现实中的自动售货机功能强大, 没有过多的商品选择和各种报警系统。本自动售货机的自动控制系统主要包括: 计币系统、比较系统、选择系统、饮料供应系统和退币系统。（1）计币系统: 当有顾

13、客买饮料时, 投入的钱币经过识别机构,记录 1 角、5 角、1 元钱的个数, 通过个数与币值相加,并将总钱币数据存放在 D0 中。（2）比较系统: 投入钱币完毕后, 系统会把 D0 内的钱币数据和可以购买饮料的价格进行比较,当投入的钱币总值超过 1 元时, 矿泉水指示灯亮；当投入的硬币的总价值超过 2 元时，矿泉水、可乐指示灯均亮；可乐当总价值超过2.5 元，所有按钮指示灯都亮（3）选择系统: 当矿泉水灯和可乐等亮时或者灯全亮时可选择相应的饮料。（4）饮料供应系统: 当按下选矿泉水选择按钮时, 同时矿泉水灯闪 3s 后熄灭。可乐和冰红茶售货与矿泉水售货相同。（5）退币系统: 当顾客购完饮料后,

14、 多余的钱币只要按下退币按钮。系统就会把数据寄存器 D0 中的钱币退回。2.1.3 自动售货机简单示意图根据任务书所述制作了 PLC 模拟硬件操作面板，如图 2-1 所示。自动售货机简单示意图 2-1第三章 硬件设计3.1 PLC 概述3.1.1 PLC 的产生20 世纪 60 年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的，汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新周期越来越短，继电器控制装置就需要经常的重新设计和安装，十分费时、费工、废料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一状况，美国通用汽车公司在 1969 年公开招标，要

15、求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即：（1）编程方便，现场可修改程序。（2）维修方便，采用模块化结构。（3）可靠性高于继电器控制装置。（4）体积小于继电器控制装置。（5）数据可直接送入管理计算机。（6）成本可与继电器控制装置竞争。（7）输入可以是交流 150V 以上。（8）输出为交流 115V，容量要求在 2A 以上，可直接驱动电磁阀、接触器等。（9）在扩展时，原系统只要做很小变动。（10）用户存储器容量至少能扩张到 4KB（适应当时汽车装配过程的需要） 。1969 年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台 PLC,在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种新型

16、的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域得到了推广应用。到 1971 年，已经成功地应用于视频、饮料、冶金及造纸等行业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971 年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出来日本第一台PLC。1973 年，西欧国家也研制出它们的第一台 PLC。我国从 1974 年开始研制，于 1977 年开始工业应用。3.1.2 PLC 定义可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller,缩写 PLC,简称可编程控制器） ，是随着现代科学技术的进

17、步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种、小批量、低能耗、高性能发展的需要，产生的一种以 CPU 为核心的计算机新型工业控制装置。PLC 从 1969 年问世以来，虽然至今才 40 年，但由于具有良好的性能价格和稳定的工作状态以及简单的操作性，已经广泛应用于生产实际中。可编程序控制器具有对开关量和模拟量的多种控制给你，早期作为一种新型的顺序控制装置应用于实际生产中。以往人们习惯的是以继电器-接触器硬连线构成的顺序控制装置，采用接线逻辑，控制要求不同，接线就不同，而可编程控制器以微处理器、存储器为核心，采用存储逻辑，具有信息存储能力、软件编程能力和扩展性强等优势，通过编程可以实现不同的控制功能，

18、在现代控制领域中得到广泛应用，已经、 、成为工业自动化支柱之一。3.1.3 PLC 发展趋势PLC 自问世以来，经过近 40 年的发展，已成为很多发达国家的重要产业，PLC 在国际市场中已成为最受欢迎的工业控制产品。随着科学技术的发展及市场需求量的增加，PLC 的结构和功能在不断改进，生产厂家不停地将功能更强的 PLC 推入市场，平均 35 年就更新一次。PLC 的发展方向主要有以下几个方面。(1) 向电体积更小、速度更快的方向发展。虽然现在小型 PLC 体积已经很小，但是微电子技术及电子路装配工艺的不断改进，都会使 PLC 的体积变得更小，以便于嵌入到任何小型的机械和设备之中，同事 PLC

19、的执行速度也越来越快，目前大型的 PLC 的程序执行速度可高达 34ns,从而保证了控制作用的实时性，可以使系统的控制作用及时、准确。（2）向大型化、高可靠性、好的兼容性、多功能方向发展。现在的大型PLC 向着容量大、智能高和通信功能强的方向发展。对于大规模、复杂系统进行综合自动控制的 PLC，大多数已采用多 CPU 的结构，如三菱公司的 ANA 系列可编程控制器使用了世界上第一个在一块芯片上实现 PLC 全部过年的 32 位处理器，即顺序控制专用芯片，其扫描一条基本指令的时间为 0.15us。松下公司的 FP10SH 系列 PLC 采用 32 位 5 级流水线 RISC 结构的 CPU，可以

20、同时处理 5 条指令，顺序指令的执行速度高达 0.04us，高级功能指令的执行速度也有很大的提高。在有两个通信接口、256 个 I/O 点的情况下，FP10SH 中的扫描时间为 0.170.42ms，大大提高了处理程序的速度。在模拟量的控制方面，除了专门用于模拟量闭环控制的 PID 模块外，随着模糊控制技术的发展，已出现具有模拟量的模糊控制、自适应、参数自整定功能的可编程控制器，应用方便，调试时间短，控制精度进一步得到提高。（3）与其它工业控制产品的结合。在大型自动控制系统中计算机和 PLC在应用功能方面互相融合、互补、渗透，使控制系统的性价比不断提高。目前工业控制系统的趋势是采用开放式的应用

21、平台，即网络、操作系统、监视及显示均采用国际标准或工业标准，如操作系统采用 UNIX 、MS-DOS、 Windows、 OS2 等，这样既可实现不同厂家的 PLC 产品可以在同一个网络中运行。目前个人计算机主要应用于 PLC 的编程器、操作站或人机接口终端。1988年美国 AB 公司与 DEC 公司联合考法的金字塔集成器，使得 PLC 和工业控制计算机有机的结合在一起，研制出一种新型的 IPLC 型可编程控制器（集成PLC） 。IPLC 是能运行 DOS 或 Windows 操作系统的可编程控制器，它实际上是一个能用梯形图语言以实时方式控制的 I/O 计算机。近年来推出以计算机和PLC 结合

22、应用的 CPU 模块，采用这种方式后生产和管理更加便利，将数据处理、通信、控制程序统一起来，保留了 PLC 的简单、易用和高可靠性的特点，同时又具有计算机强大的数据处理能力，使现场的生产数据、生产计划调度、管理可以直接上机操作获取。3.1.4 PLC 的特点（1）抗干扰能力强，可靠性好I/O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。（2）控制系统结构简单，通用性强PLC 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。（3）编程方便，易于使用PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。（4）功能完善在 PL

23、C 内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。（5）设计、施工、调试、的周期短PLC 采用模块化积木式结构，故仅需按性能、容量等选用组装，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。（6）体积小，维护操作方便PLC 体积小，质量轻，便于安装。（7）易于实现网络化PLC 可连成功能很强的网络系统。（8）可实现三电一体化PLC 将电控（逻辑控制） 、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体。3.2 PLC 的组成和设计步骤可编程控制器的组成:包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架。 CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。CPU 速度和内存容量是 PLC