毕业设计（论文）基于西门子S7200PLC的自动售货机设计.doc

皖西学院本 科 生 毕 业 设 计（申请学士学位）论文题目 基于西门子S7-200PLC的自动售货机设计 作者姓名 高 超 专 业 名 称 自 动 化 指导教师 李强 2013年6月学 生： （签字）学 号：2009210328答 辩 日 期：2013年 6 月 16 日指 导 教 师： （签字）目 录摘要1Abstract11 绪论21.1 课题的选题背景及意义21.2 自动售货机国内外发展现状21.3 本课题研究主要内容31.4 章节安排32 总体方案设计32.1 可选方案32.2 方案比较42.2.1 PLC控制与继电器控制相比较42.2.2 可编程控制器与单片机控制的区别52.3 方案选择53 自动售货机的功能分析53.1 自动售货机的基本功能53.2 自动售货机的控制要求64 自动售货机控制系统的PLC设计74.1 PLC简单介绍74.1.1 PLC定义及特点74.1.2 PLC的基本功能结构和原理74.2 I/O地址分配表84.3 硬件接线图94.4 程序设计104.4.1 软件结构104.4.2 程序设计114.5 软件调试134.6 实验过程及效果分析13结 论15参考文献15附录1 实验设备及运行环境17附录2 梯形图17附录3 西门子S7-200与实物接线图23致 谢24基于西门子S7-200PLC的自动售货机设计摘要: 随着社会的不断进步，PLC与自动控制技术的不断发展，自动售货机与消费者的联系也越来越紧密。本设计以PLC为控制系统，利用西门子S7-200编写系统梯形图。该自动售货机主要由投币、价格比较、找零模块组成，并对各模块进行了梯形图设计，从而实现了自动售货机的计币、价格比较、找零功能。利用PLC设计的自动售货机大大提高了系统的稳定性，保证系统能够长期稳定的运行，具有编程简单、可靠性高、维护方便等优点，有一定的市场应用价值。关键词：自动售货机；西门子S7-200；可编程控制器；编程Design of the Vending Machine Based on Siemens S7-200 Programmable Logic ControllerAbstract: With the development of science and technology，programmable logic controller (PLC) and automatic control technology has been developing rapidly. The vending machine is more and more closely contact with consumers. This design takes the PLC as control system, and writes the ladder figure of this design by siemens S7-200. This vending machine is mainly composed of insert coins, price comparisons and gives change, And the ladder diagram design of each module, is use to realize a money of account, price comparisons and gives change .The vending machine can greatly increase the system stability and ensure that system for long-term stable operation based on PLC, which has a certain market value. Key words: Vending Machine; Siemens S7-200; PLC; Program1 绪论1.1 课题的选题背景及意义随着社会的发展，自动售货机的功能不断提高。同时由于生活水平的提高和生活节奏的不断加快，人们需要一种简捷的消费方式。由于消费场所、环境不断变化，急需一种新的交易方式出现，作为交易最广泛的超市、商店等交易场所，由于占用人力资源和空间资源，交易场所容易受周围环境的限制，因此全新的交易方式自动售货机便出现在人们的生活中。美国、英国等发达国家都把自动售货作为主要的交易方式，同时这些国家把自动售货机运用于各种领域，这种交易方式渐渐被更多消费者所青睐，其功能正向信息化、人性化的方向发展。现在国内市场上的自动售货机只有投币交易方式，这样大大限制了交易的速度，传统的自动售货机已经不能满足人们生活的需求，这要求它的功能更强大、交易更方便，使用简单。因为大部分自动售货机都放置在室外，这样可能造成自动售货机人为损坏或是由于环境原因不能正常工作。资料显示，在我国自动售货机由于人为损坏的比率占到一成，因此对于商家而言解决人为损坏问题首当其冲。自动售货机有助于解决当今社会人力资源不足的现象，占用空间有限、投资小，可以让资源有效充分利用到其他方面，同时可以全天候的运营也是自动售货机最重要的优点。综上所述，把PLC技术运用到新的自动售货机开发，改善其功能和质量，增加自动售货机的交易方式如刷卡式等，这样可以满足不同人群不同的需求。本课题开展的自动售货机设计对推动自动售货机行业的发展和提高我国自动售货机整体技术水平有着重要的意义。1.2 自动售货机国内外发展现状在公元前3世纪出现了世界上第一台自动售货机，当时出现的自动售货机是用于出售圣水的。到了十七世纪，英国出现了用于出售香烟的自动售货机。进入二十世纪后有实用意义的自动售货机出现在日本，当时用来出售邮票和明信片。二战以后自动售货机的使用达到了空前巅峰。1942年我国开始发行1元和5角硬币，这使得自动售货机在我国得到发展1。如今自动售货机在我国使用还不够广泛，因此将自动售货机推广应用到生活中，是一个具有发展潜力的行业2。进入二十一世纪以来，自动售货机开始向高效化的方向发展，现代PLC技术发展已经相当成熟，已被应用于各种控制领域，相信随着科技的进步自动售货机将会有着长足的发展。国内方面，二十世纪末自动售货机在中国出现。目前在很多人流量较大场所如火车站、购物中心、地铁等，自动售货机已经开始出现并有一定的发展。自动售货机不但可以出售物品还可以作为广告的载体。国外方面，日本的自动售货机行业发展已经相当成熟，在日本有二千多种机器型号，可以出售六千多种货物。由于自动售货机可以全天运营，因此，自动售货很受人们的喜爱。近几年，自动售货机逐渐被越来越多的消费者所接受。从近两届上海举办的“中国国际自动售货系统及商务自助产品展览会”来看，在国外自动售货机在市场占据主要地位。特别的，在国内一些发达省市，对自动售货机研发的公司却寥寥无几，这和它们的经济实力是不符合的。在英国，国内的银行和信用机构还专门推出了一种自动售货机卡，人们站在自动售货机前，只要把卡轻轻拉一下，就省去了投币的麻烦，使用非常方便。到了2002年，英国持有这种卡的人已经占到全国人口的五分之一以上，由此可见在英国自动售货机的普遍性和受人们欢迎的程度。如今，随着自动售货机在人们生活中的普及，也逐渐的被应用于其他领域。自助服务的内容不再是商品，服务的对象也不在局限于消费商品的顾客。未来的自动售货机必然朝着监控管理智能化、性能多样化的道路发展。1.3 本课题研究主要内容本课题研究主要内容：本设计主要对自动售货机的各个智能模块进行研究设计，包括投币模块、比较模块、找零模块。利用西门子S7-200型PLC软件来设计梯形图，并利用可编程控制器作为自动售货机控制系统的核心。同时描述了PLC的结构特点及其工作原理。根据自动售货机的基本功能和控制要求给出了自动售货机的设计方案。在软件方面主要完成了PLC梯形图的设计，并将本次设计以仿真的形式实现，验证了各个模块的正常功能。最后，指出了本设计目前尚存在的不足之处，为以后继续深入研究作参考。1.4 章节安排本文共分为5章，各章节安排如下所示：第一章 绪论，介绍了本课题的背景及研究意义，介绍了自动售货机的国内外发展现状，并概述了本文的主要研究工作。第二章 总体方案的设计，介绍了本设计可选的三种方案及三种方案的优缺点，并通过比较得出最后选择的方案。第三章 分析了PLC的基本功能和控制要求。第四章 主要介绍了PLC定义及特点、基本结构和工作原理控制系统的设计，包括I/O地址分配表、硬件接线图、程序设计、软件调试和实验过程及效果分析。2 总体方案设计本次设计从自动售货机的控制角度来说可采用可编程控制器控制、继电器控制和单片机控制。2.1 可选方案方案一：可编程控制器控制可编程控制器控制采用可编程的存储器在其内部存储逻辑运算、定时、计数、顺序控制和算术运算等操作指令，.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。由于计算机每次只能执行一项任务，所以程序的执行是按顺序一次完成各个电器的动作，其逻辑控制关系为内部存储逻辑方式。方案二：继电器控制方式以继电器为核心的继电器控制，把各种继电器、定时器、接触器、及其触点按照一定逻辑关系连接组成的控制系统。控制继电器是一种自动电器，它适用于远距离接通和分断交、直流小容量控制电路，并在电力驱动系统中供控制、保护及信号转换用。控制继电器的输入量通常是电流、电压等电量，也可以是温度、压力、速度等非电量，输出量则是触点动作时发出的电信号或输出电路的参数变化。继电器的特点是当其输入量的变化达到一定程度时，输出量才会发生阶跃性的变化。由继电器控制方式组成的自动售货机其控制逻辑关系为由继电器、接触器硬接线方式。方案三：单片机控制方式单片机系统设计主要包括以下几个方面的内容：控制系统总体方案设计，包括系统的要求、控制方案的选择，以及工艺参数的测量范围等；选择各参数检测元件及变送器；建立数学模型及确定控制算法；选择单片机，并决定是自行设计还是购买成套设备；系统硬件设计：（1）包括接口电路，逻辑电路及操作面板；系统软件设计，包括管理、监控程序以及应用程序的设计，应用系统设计包含有硬件设计与软件设计两部分。（2）系统的调试与试验。2.2 方案比较2.2.1 PLC控制与继电器控制相比较(1) 逻辑控制继电器控制是利用各电器件机械触点的串、并联组合成逻辑控制。采用硬接线连接，连接多而复杂，对今后的逻辑修改、增加功能很困难。而PLC中逻辑控制是以程序的方式存储在内存当中，改变程序便可改变逻辑，连线少，体积小，方便可靠。(2) 控制速度依靠机械触点的吸合动作来完成控制的继电器控制系统，工作频率低、速度慢，而PLC采用程序指令控制半导体电路来实现控制，不仅稳定可靠，控制速度也大大提高。(3) 顺序控制继电器控制是利用时间继电器的滞后动作来完成时间上的顺序控制，时间继电器的内部易受环境温度和湿度变化的影响，造成定时的较大误差。而PLC内部是由半导体电路组成的定时器以及由晶体振荡器产生的时钟脉冲计时，定时的精度高。(4) 灵活性和扩展性继电器系统安装后，受电器触点数目的有限性和连线复杂等原因的影响，系统在今后的灵活性、扩展性很差。而PLC具有专用的输入和输出模块，连线少，灵活性可扩展好。(5) 计数功能继电器控制可实现逻辑功能，但不具备计数功能。PLC内部有特定的计数器，可实现对生产设备的步进控制。(6) 可靠性和可维护性继电器控制使用大量的机械触点，触点在开闭时会产生电弧，造成损伤并伴有磨损，使用寿命短运行可靠性差，不易维护。而PLC采用微电子技术，内部的开关动作均由无触点的半导体电路完成，体积小寿命长，可靠性高3。2.2.2 可编程控制器与单片机控制的区别(1) PLC是单片机之上的产品，单片机是集成电路，这两者之间不具可比性。(2) PLC是单片机应用的特例，单片机可以构成功能各样的应用系统。(3) PLC是工业控制领域的主力军，能够完成强电的逻辑控制和运动控制及PID运算；单片机适用于小型自动控制领域及无线控制领域；体积小价格便宜。(4) 单片机自身保护差，PLC自身保护强。PLC控制抗干扰能力比单片机强，PLC适用于中、大型设备，单片机适用于微、小型设备 。总而言之，它们的区别是使用的领域不同，基本控制原理大体相同4-7。2.3 方案选择综上所述，鉴于PLC功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强，编程简单，安装简单，容易维修，抗干扰能力和可靠性能力都强，环境要求低，易学易用等优点。本次设计采用方案一，以可编程控制器为核心设计自动售货机的控制系统8。3 自动售货机的功能分析3.1 自动售货机的基本功能自动售货机的各种功能和控制要求，给出了完整的自动售货机工作流程图如下图3-1所示，并介绍自动售货机运行系统中所包括的人工操作步骤。本次设计制作的自动售货机利用两个按键进行模拟，可识别两种钱币，分别是0.5元、1元硬币，自动售货机共出售四种货物苏打水、可乐、汽水、咖啡，价格分别为0.5元、1元、3元、5元，在自动售货机有需要的货物的前提下，只有当消费者投入的钱币大于或等于所需要的钱币时，指示灯亮，表示可以进行购买，两种货物分别用四个小灯代替进行模拟。除此之外，本次设计还涉及了显示、找零、送货等功能的实现，其中显示部分采用数码管进行显示，显示投币总数和购买后的余额；当按下找零按钮后，数码管显示进行清零，采用从高到低递减的形式进行清零。送货部分用指示灯表示。自动售货机的基本功能就是对投入的货币进行运算，并根据货币数值判断是否能够购买某种商品，并作出相应的反应。例如：售货机中有2种商品，汽水价格为3元， 咖啡价格为5元。现投入1个1元硬币， 当投入的货币超过汽水的价格时，汽水的选择按钮处应有变化，提示可以购买，咖啡也提示。当按下选择汽水价格时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去汽水的价格同时汽水出货口指示灯亮。此时售货机继续进行等待外部命令，如继续交易，则同上，如果此时不再购买而按下退币按钮，售货机则要进行退币操作，退回相应的货币，并在程序中清零，完成此次交易。由此看来，售货机一次交易要涉及加法运算、减法运算以及在退币时的除法运算，这是它的内部功能。还要有货币识别系统和货币的传动来实现完整的售货、退币功能。按下退币按钮投入硬币按下选择按钮是否初始状态投币状态购买状态退币状态是否剩余?图3-1 自动售货机工作流程图3.2 自动售货机的控制要求鉴于实验室的仿真条件，仿真时自动售货机共出售两种货物汽水和咖啡，自动售货机操作面板如下图3-2所示。M1、M2两个复位按钮表示投入自动售货机的人民币面值，YO货币指示（例如：按下M1则Y0显示1），自动售货机里有汽水（3元/瓶）和咖啡（5元/瓶）两种饮料，当Y0所显示的值大于或等于这两种饮料的价格时，C或D发光二极管会点亮，表明可以购买饮料；按下汽水按钮或咖啡按钮表明购买饮料，此时A或B发光二极管会点亮， E或F 发光二极管会点亮，表明饮料已从售货机取出；按下ZL按钮表示找零，此时Y0清零，延时0.6S找零出口 G发光二极管点亮，如超过20S不进行任何操作，自动售货机将自动找零。图3-2 自动售货机操作面板4 自动售货机控制系统的PLC设计4.1 PLC简单介绍4.1.1 PLC定义及特点PLC是一种专门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具有安装简单，容易维修，功能完善，扩展方便，编程简单，易于维修等特点9。4.1.2 PLC的基本功能结构和原理PLC可实现开关量的逻辑控制、运动控制、数据处理、定时、通信及联网等功能10。可编程控制器有多种多样的结构，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现基于硬件的作用，且靠软件的支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。硬件结构与微机基本相似主要包括中央处理器CPU、存储器（ROMRAM ）、输入输出模块、电源、I/O扩展接口和通信接口、外部设备接口等如图4-1所示。图4-1 PLC硬件图（1）中央处理器：中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。（2）储存器：PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。系统存储器用于存放PLC的系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。（3）输入输出接口单元：PLC的输入接口电路可分为直流输入电路和交流输入电路。直流输入电路的延迟时间比较短，可以直接与电子输入装置连接；交流输入电路适用于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。（4）输出接口电路：输出接口电路通常有3种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。（5）扩展接口和通信接口：PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要；通信接口的功能是通过这些通信接口可以和监视器、打印机、其他的PLC或是计算机相连，从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。（6）电源：PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常工作。PLC基本工作原理是：:PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式：每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新，输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。扫描周期的长短由CPU执行指令的速度、指令本身占有的时间、指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟11-12。4.2 I/O地址分配表输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。 PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的13。本次自动售货机I/O点的分配如下表4-1所示。表4-1 I/O地址分配表接口序号输入、输出接口符号功能1I0.0ZL找零按钮2I0.1SD苏打水按钮3I0.2KL可乐按钮4I0.3QS汽水按钮5I0.4CF咖啡按钮6I2.0M1五角投币键7I2.1M2一元投币键8I2.5-找零五角9I2.6-找零一元10I3.1-苏打水行程开关11I3.2-可乐行程开关12I3.3-汽水行程开关13I3.4-咖啡行程开关14Q3.1-苏打水红灯(物品售完)15Q3.2-可乐红灯(物品售完)16Q3.3-汽水红灯(物品售完)17Q3.4-咖啡红灯(物品售完)18Q0.0-找零19Q0.1-苏打水出口20Q0.2-可乐出口21Q0.3E汽水出口22Q0.4F咖啡出口23Q2.1-苏打水可购买指示灯24Q2.2-可乐可购买指示灯25Q2.3A汽水可购买指示灯26Q2.4B咖啡可购买指示灯4.3 硬件接线图本次自动售货机的外部接线图如图4-2所示，SD、KL、QS、CF为物品选择按钮，当投入的货币大于或等于物品价格时，物品指示灯（Q2.1Q2.4）亮，当按下物品按钮，对应的货物出口指示灯亮，当收买物品总值低于投入总值时，可按找零按钮ZL选择找零，如20S内无人操作则自动退款，找零指示灯G亮。图4-2 硬件接线图4.4 程序设计4.4.1 软件结构根据自动售货机的工作原理和基本功能作出程序流程图如下图4-3所示。根据PLC控制系统的工作原理硬件设计，主要由投币过程、价格比较、找零等模块组成主要模块的功能如下：(1)投币过程在投币的过程中，每投入一枚硬币，经过识别把信号传送给PLC，该模块是对识别的钱币进行累加并显示出相应的币值。(2)价格比较投币完成后，系统将投币金额和可以购买的商品进行价格比较，若投币总额大于或等于商品的价格，则可以购买商品，相应的指示灯亮，否则不能购买。(3)找零模块系统在顾客购买完商品后进行找零。在找零过程中，系统主要完成货币的运算过程，运算结果存放在数据寄存器中，系统根据运算的结果在找零口退回相应的货币。(4)显示模块实现币值显示和累计金额显示。是否开始投币计数金额>5?钱不足饮料选择苏打水选择可乐选择汽水选择咖啡选择减去苏打水钱减去可乐钱减去汽水钱减去咖啡钱是否找零找零计算结束图4-3 软件程序流程图4.4.2 程序设计利用西门子STEP7-micro/win v4.0编程软件，在PC机上编写程序，主要完成投币过程、价格比较、找零等功能14。（1）计币部分当有顾客购买饮料时，投入硬币经过识别，将信号传送给到PLC内进行数据运算，梯形图如图4-4所示。图4-4 计币程序（2）价格比较部分投币完成后，系统将投币金额和可以购买的商品进行价格比较，若投币总额大于或等于商品的价格，则可以购买商品，相应的指示灯亮，否则不能购买。如图4-5所示。图4-5 价格比较程序（3）找零部分购买物品后，按下找零按钮，系统进行找零操作，20S无人操作系统自动找零。如图4-6所示。图4-6 找零程序4.5 软件调试（1）PLC程序调试程序编写完成后，利用西门子STEP7-micro/win v4.0编程软件自带的虚拟运行功能在电脑中运行该程序，观察各输出继电器、状态继电器和辅助继电器的状态。（2）联机调试在PLC实验台上连接好本设计要用到的输入/输出接口，然后连接PC与PLC之间的连接线，开通电源，然后在PC上打开西门子STEP7-micro/win v4.0编程软件，输入该自动售货机的梯形图，再进行保存、编译、调试、装载等过程，最后进行硬件调试，在PLC操作台上，调试并观察现像。4.6 实验过程及效果分析（1）如图4-7所示。按两次0.5元投币键M1，物币指示YO显示为1，汽水和咖啡可购买指示灯C和D都不亮，不可购买汽水和咖啡。图4-7 不可购买汽水和咖啡（2）如图4-8所示。按1元投币键M2，直到物币指示YO显示为3，汽水可购买指示灯C亮，咖啡可购买指示灯D不亮，按下汽水按钮QS，汽水出口指示灯E先亮后灭，货币指示YO清零。图4-8 汽水可购买指示灯亮（3）如图4-9所示。分别按下1元投币键，直到物币指示YO显示为5，汽水可购买指示灯C亮，咖啡可购买指示灯D亮，按下汽水按钮QS，汽水出口指示灯E先亮后灭，货币指示YO显示为2，如图4-10所示，按下找零按钮ZL找零2元。图4-9 汽水和咖啡可购买指示灯亮图4-10 购买汽水后汽水可购买指示灯灭（4）如图4-11所示。按下1元投币键，直到物币指示YO显示为5，汽水可购买指示灯C亮，咖啡可购买指示灯D亮，按下咖啡按钮CF，咖啡出口指示灯F先亮后灭，货币指示YO显示为0，如图4-12所示。图4-11 汽水和咖啡可购买指示灯亮货币指示为5图4-12 购买咖啡后汽水和咖啡可购买指示灯灭货币指示为0结 论本设计讲述了自动售货机的发展历程，以及国内外的研究现状，在此基础上进行一系列的方案论证，最终采用了PLC作为控制系统的核心，并论述了PLC的定义、特点、基本功能及原理。给出了自动售货机的I/O地址分配和硬件接线图，此次设计的自动售货机具有计币、价格比较、找零等功能，做出了软件程序流程图，并对每个功能模块进行分析画出梯形图。最后利用西门子S7-200对设计进行仿真，初步实现了自动售货机准确无误的计币功能，在投入货币后，自动进行价格比较，投入的货币大于货物的价格时相对应的灯亮，否则不亮，在购买完货物后，实现了找零功能。此次毕业设计在自动售货机的设计过程中初步实现了计币、价格比较、找零功能，取得了一定的研究成果，但本次设计的自动售货机还处于研究的初步阶段，今后的研究主要有以下几个研究方向：（1） 尝试对货币的币值与真伪识别也进行了认真的研究决定采用“图纹重合比较法”来进行。（2） 加入图像特征采集模块，以此解决新旧人民币无法识别的情况。（3） 增加通信模块，使自动售货机能与多个外设之间通信。参考文献1 苏弘. 关于自动售货机的调查J. 信息与电脑, 1995, (10): 9-10.2 余世明, 晁岳磊, 缪仁将. 自动售货机研究及展望J. 中国工程科学, 2008, (07): 51-52.3 苗风东, 张玉峰. 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