毕业设计基于PLC自动售货机的系统设计.doc

专科生毕业设计题 目：基于PLC自动售货机的系统设计专业年级： 机电一体化技术08-2班 学生姓名： 刘 顺 学 号： 0801070208 指导教师： 宋 鸣 哈尔滨理工大学荣成学院完成时间： 2011 年 06 月 15 日哈尔滨理工大学荣成学院专科生毕业设计（论文）评语学生姓名： 刘 顺 学号：0801070208学 院： 荣成学院 专业：机电一体化技术任务起止时间：2011年 03月14 日至 2011 年 06 月24 日毕业设计（论文）题目：基于PLC自动售货机的系统设计指导教师对毕业设计（论文）的评语：指导教师签名： 指导教师职称： 评阅教师对毕业设计（论文）的评语：评阅教师签名： 评阅教师职称： 答辩委员会对毕业设计的评语：答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为： 答辩委员会主席签名： 职称： 年 月 日哈尔滨理工大学荣成学院专科生毕业设计（论文）任务书学生姓名： 刘 顺 学号：0801070208学 院： 荣成学院 专业：机电一体化技术任务起止时间：2011年 03 月 14 日至 2011 年06 月 24日毕业设计（论文）题目：基于PLC自动售货机的系统设计毕业设计工作内容：1. 根据PLC的结构、工作原理及系统设计分析自动售货机的工作原理2. 自动售货机的发展概况3. 自动售货机的控制系统论证4. 自动售货机控制系统总体设计5. 对本次论文的感悟体会并提交论文资料：1 王维亚等编，可编程序控制器及其应用，广西教育出版社，1990年.2 林晓峰编，可编程序控制器原理及应用，高等教育出版社，1991年.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，1991年.4 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，1990年.指导教师意见： 签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日目 录目 录I第1章 绪论11.1自动售货机的理论背景与实际意义11.2自动售货机设计的主要内容21.3自动售货机设计的基本思路2第2章 PLC的概述32.1 PLC的特点和应用32.2 PLC与其它工业控制装置的比较42.3 PLC的应用场合52.4 PLC的工作原理52.5 PLC的硬件组成6第3章 自动售货机的简介及设计要求73.1 自动售货机简介73.2 自动售货机工作原理7第4章 基于PLC原理的自动售货机的设计104.1 自动售货机设计思路104.2 顺序功能图114.3 IO点的分配114.4 外部接线124.5 程序设计部分134.5.1 程序设计说明134.5.2 程序设计13结论17结束语18参考文献19致 谢20第1章 绪论1.1 自动售货机的理论背景与实际意义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。在中国,自动售货机1999年开始进人中国市场如今，在机场、地铁、商场、公园等客流较大的场所，已不难发现自动售货机的身影1。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可以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，以期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运营人员，从而可以在第一时间内发现并解决问题。1.2 自动售货机设计的主要内容1.此自动售货机可以投入五角、一元的硬币；2.如果顾客投入硬币在限定的时间内（2分钟）不按任何按键，自动售货机将退还所投硬币；3.当投入硬币的总值等于或才超过物品价值时，对应的物品指示灯亮绿灯；4.当物品对应的指示灯亮绿灯时，按下按下相应的按键，相应的物品排出，同时指示灯绿灯闪烁；5.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；6.当顾客成功购买完一件物品后20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.找零时顾客可选择退一元的还是五角的；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），并向总部发送所缺物品。1.3 自动售货机设计的基本思路本次设计的题目是基于PLC自动售货机的系统设计，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的编程语言、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。本次设计的重要部分是第四章的设计部分，即自动售货机梯形图的设计。根据设计内容和控制要求准确画出它的顺序功能图，再根据所画出的顺序功能图准确设计出它的梯形图，这样才能真正理解自动售货机的系统控制原理。第2章 PLC的概述2.1 PLC的特点和应用PLC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3。(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，所以具有很高的可靠性。PLC控制系统平均无故障时间可达2万小时以上。高可靠性是PLC成为通用自动控制设备的首选条件之一。(2)编成简单、使用方便PLC的编程采用类似继电控制系统电器原理的梯形图，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业和知识的人在几天内就能学会，只是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，可以灵活的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间编程完成的，只要对应用程序进行修改就可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”，具有惯犯的工业通用性。(4) 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，用软件编程代替了机电控制的硬连线，大大的减轻了繁重的安装和接线工作，这不仅提高了可靠性，还极大的缩短了施工周期。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的应用越来越广泛。2.2 PLC与其它工业控制装置的比较 (1) PLC与集散控制系统PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，初期的功能是以数字量的顺序控制为主。随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的发展，PLC在逻辑运算、璧还调节的功能，运算速度提高，输入输出规模扩大，并开始与小型计算机联成网络，构成以PLC为重要部件的初级分散控制系统4。集散控制系统是由回路仪表控制系统发展而来，初期的功能以回路调节为主。随着微处理器和单片机的出现，他把顺序控制技术、数据采集、过程控制的模拟量仪表和过程监控装置等有机的结合在一起，形成了新一代的集散型控制系统。可见，不论是PLC还是集散系统，在发展过程中，始终是互相渗透，互相补充。新一代的PLC增强了模拟量控制功能，可配备各种智能模块，具有了PID调节功能和构成网络系统、组成分级控制的功能。集散系统既有单回路控制功能，也有多回路控制功能，同时也有顺序控制功能。因此，当今的PLC与集散控制系统的发展越来越接近，很多生产过程的控制既可用PLC实现，也可用集散系统来实现。(2) PLC与工业控制计算机 工业控制计算机是指能够提供各种数据采集和控制功能，能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口，能够在恶劣的工业环境可靠运行的计算机系统。工业控制机是由通用微机推广应用发展而来，硬件结构方面总线标准化程度高，品种兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速，实时性强，模型复杂的工业对象的控制占有优势。但是，使用工业控制机的人员的技术水平要求较高，一般具有一定的计算机专业知识。工业控制机在整机结构上尚不能适应恶劣的工作环境，因而，不如PLC那样容易推广。PLC是专为工厂现场应用环境而设计的，结构上采用整体密封或插件组合型，并采用了一系列抗干扰措施，在工业现场使用有很高的可靠性；PLC是由电气控制厂家研制出来的，采用梯形图语言编程，使熟悉电器控制的人员易学易懂，易于推广。但是，由于PLC的运行方式不同于工业微机，微机的很多软件还不能直接应用；且PLC的标准化程度较低，各厂家的产品不通用，因此在开发上不如工业控制机那样有基础。2.3 PLC的应用场合随着电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，而其功能却大大增强。目前在先进工业国家中PLC已经成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有的工业企业，诸如钢铁、冶金、采矿、水泥、石油、化工、轻工、电力、机械制造、汽车等等各行各业、特别是在轻工业中，因生产门类多，加工方式多变，产品更新换代快，所以PLC广泛应用在组合机床自动线、专用机床、塑料机械、包装机械、电梯等电器设备中。PLC已经跃居现代工业自动化三大产柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的主导地位5。2.4 PLC的工作原理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2-1）。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，系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的6。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2-1 各阶段处理任务2.5 PLC的硬件组成PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等几部分组成7。其中，CPU是PLC的核心；输入单元/输出单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路；通信接口用于连接编程器、上位计算机等外部设备，其硬件构成图如图2-2。图2-2 PLC硬件结构图第3章 自动售货机的简介及设计要求3.1 自动售货机简介自动售货机是集声、光、机电一体化的高新智能化产品，在我国也开始得到应用。在中国人们可以看到现代化的自动售货机摆放在一些大商场门口、繁华街道两旁、公园入口处以及其它热闹的场所8。自动售货机在中国有着广阔的发展前景。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。从广义来讲自动售货机就是在投入硬币、纸币、信用卡等后便可以销售商品的机械，从狭义来讲就是自动销售商品的机械。从供给的条件看，自动售货机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小时无人售货的系统可以更省力，运营时需要的资本少、面积小，有吸引人们购买好奇心的自身性能，可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点9。自动售货机的新奇、文明、高档、灵活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。利用PLC设计自动售货机系统，方便简易，同时成本也低10。3.2 自动售货机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: 投币计数系统、比较系统、选择系统、饮料供应系统和退币系统。1）从投币口送入货币，然后经过传感器采集数据、识别器判别人民币的真伪并判别面值。2）识别器把信息数据传给通信模块。3）通信模块与售货机的主控系统通信，主控系统显示面值，启动售货机的面板键，显示出哪个货道有货，哪个货道已售完，并等待顾客按键选择商品。 4）顾客选择商品后，根据售出的商品包装类型的不同，采用不同的驱动技术把商品送出。此次设计的售货机主要出售易拉罐装饮料，是利用电磁阀带动翻版驱动的。5）显示余额，如果金额足够多，顾客可以选择找币或继续买商品；如果款额不足，售货机经过延时予以退币。 退币分两种情况：一种是由纸币识别器完成退纸币，另一种是由硬币的通信模块完成退硬币。6）系统复零，完成售货。(过程如下图3-1)图3-1 自动售货机程序流程简单示意图第4章 基于PLC原理的自动售货机的设计4.1 自动售货机设计思路本次设计的自动售货机，主要是应用三菱FX-2N型PLC的梯形图来设计控制程序。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。本次设计的重要部分是自动售货机梯形图的设计。首先就得根据设计内容和控制要求准确画出它的顺序功能图（图4-1），再根据所画出的顺序功能图准确设计出它的梯形图，并反复调试做到程序无误。图4-1 自动售货机的外部图4.2 顺序功能图图4-2 顺序功能图4.3 IO点的分配表4-3 系统I/O分配表输入信号输出信号汽水按钮X0汽水排出电磁阀Y0花茶按钮X1花茶排出电磁阀Y1咖啡按钮X2咖啡排出电磁阀Y2一元投入按钮X3退币电磁阀（一元）Y3五元投入按钮X4退币电磁阀（十元）Y7接上表十元投入按钮X5汽水指示灯Y4复位按钮X6花茶指示灯Y5退币按钮X7咖啡指示灯Y6七段译码显示Y10Y174.4 外部接线F X os30 M R图4-4 外部接线图F X os30 M R4.5 程序设计部分4.5.1 程序设计说明现在我们具体分析一下程序过程：初始状态：此时不能购买任何商品。投币状态：顾客投币，显示投入总值，即余额数值，当所投币值超过商品价格时，相应价格选择按钮发生变化，提示可以购买。购买状态：按下可以购买的选择按钮，所选的商品出现在出货框中，同时显示屏上的金额数字根据消费情况相应变化。退币按钮：按下退币按钮，显示退币框，同时显示出应退币值及数量。按下确认钮，则恢复初始状态。到此为止，自动售货机的一个完整工作过程结束。4.5.2 程序设计 可以把一次交易过程分为几个程序块：运行初期清零过程；投币过程；价格比较与选择商品过程；退币过程。（1）运行初期清零过程（如图4-5）图4-5从上的梯形图，D0是存放余额的数据寄存器，首先要对其进行清零。不仅需要在完成一次交易后自动清零，而且也能让卖主自己手动清零。所以用X6和M8002同时可以控制清零指令。（2）投币过程在投币的过程中，每投下一枚硬币，投入显示将增加相应的币值，余额也增加同样币制。先建立变量表，在编写程序。当按下投入1元时，相当于M1接通，之所以用一个微分指令，就是要只在接通时检测一次，不能永远加下去。投入1元要投入显示、余额显示都相应增加相同数值，加法是由16位加法指令add来实现的。投入5元、10元，原理同上。钱投进去以后，需要将投进的数额显示出来，这里我们要用到七段译码指令SEGD。具体梯形图如4-6：图4-6（3）价格比较和选择过程价格的比较要贯穿实验过程的始终，只要余额大于某种商品价格时，就需要输出一个信号，提示可以购买。这里用指示灯来代表此信号。在梯形图中，为了实现数据的实时比较，用了一个特殊内部继电器M6,在程序执行过程中，M4始终保持闭合，CMP是16位数据比较指令，用它来比较余额和商品的价格，M6是大于价格，M5是等于标志。再用定时器和M8013控制Y4，实现按下选择按钮并且余额大于等于某种商品价格时，程序使相应的指示灯闪烁表示可以购买该种商品。一旦选择了相应的饮料，闪烁时间到，就驱动相应的饮料的电磁阀，电磁阀自己控制饮料流出时间。具体梯形图如图4-7：图4-7（4） 退币过程因为选择商品和退币是相互制约的，顾将这两个放在一起进行讨论。顾客一旦选择了商品，就要用余额减去商品相应的价格，得出最新的余额，而且选择按钮必须是点动的，一次只有一次脉冲，保证SUB指令不会一直减下去。而且不同商品的选择按钮是相互制约着减法指令的。减法运算后的结果任放在D0中。由于七段译码器始终是显示的是数据寄存器D0中的数据，所以就满足了余额显示的要求，如图4-8。图4-8退币的过程我们用到了除法运算，除法指令DIV将余额D0除以10，得到的商放在D1中，余数放在D2中。然后将D1和D2分别赋值给计时器T3和T4，再用一个周期为0.1秒的时钟脉冲控制退币个数。具体梯形图如图4-9：图4-9结论毕业论文是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的自动售货机系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。在设计过程中投币的设计让我很头痛，原因是由于系统设计本身按键的抖动和扫描时间的框定，而又必须考虑本专业的一些要求规范，从而形成了一些矛盾点，这些矛盾在处理上让人很难斟酌，正是基于这种考虑我意识到，想要更为完美的设计，我花了大量时间在上面。顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。比如我的设计还有很多的不足之处，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国的四化服务。结束语经过几个月的学习、研究以及经过宋老师的指导，终于按时完成了毕业设计。设计主要研究的是自动售货机中有关于PLC的部分。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的产物。自动售货机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小时无人售货的系统可以更省力，运营时需要的资本少、面积小，有吸引人们购买好奇心的自身性能，可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。所以说，自动售货机是今后小商品和饮料销售方式的一个很好的发展趋势。它的出现将极大的方便人们购买所需要的小商品。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 ， 2002，(12) .2 朱军.自动售货机的结构 J ，信息与电脑 ，1995.3 王永华.现场总线技术及应用教程，机械工业出版社,2007.4 周美兰,周封,王岳宇.PLC电气控制与组态设计，科学出版社.5 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，1988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，1990年.7 林晓峰编.可编程序控制器原理及应用，高等教育出版社，1991年.8 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，1991年.9 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，1990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，1994年8月.致 谢从十月份接受课题到现在完成毕业设计论文，衷心的感谢我的指导宋鸣老师给予了精心的指导和热情的帮助。宋鸣老师在PLC方面具有丰富的实经验，对我的设计工作给予了很多的指导和帮助，使我能够将理论中的结果与实际相结合。尤其在课题设计的前期准备阶段，宋老师提出许多宝贵的设计意见，在最后的测试修改阶段老师在百忙之中抽出时间为我们提供了必要的帮助，这样使得我们得以顺利的完成毕业设计开发工作，在短暂的一个月的相处时间里，老师渊博的知识，敏锐的思路和实事求是的工作作风给我留下了深刻的印象，这将使得我终身受益，谨此向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师！忠心地祝愿各位身体健康、工作顺利。