PLC課程設(shè)計 自動售貨機(jī)

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1、 摘要 本論文基于三菱FX2N-48MR系列PLC進(jìn)行自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，闡述了自動售貨機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的基本原理及工作流程，然后以一次交易過程為例，把交易的過程分為幾個程序塊，分別對程序塊進(jìn)行編程。在PLC梯行圖的編寫時，文中采用的是三菱PLC梯行圖專用編譯軟件來進(jìn)行編寫，并完成了PLC外部接線圖。利用PLC控制的自動售貨機(jī)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證自動售貨機(jī)能夠長期穩(wěn)定運行。 關(guān)鍵詞：PLC；自動售貨機(jī)；梯形圖；控制系統(tǒng) 19 1自動售貨機(jī)介紹 自動售貨機(jī)是能根據(jù)投入的錢幣自動付貨的機(jī)器,是商業(yè)自動化

2、的常用設(shè)備，它不受時間、地點的限制，能節(jié)省人力、方便交易。是一種全新的商業(yè)零售形式，又被稱為24小時營業(yè)的微型超市。能分為三種：飲料自動售貨機(jī)、食品自動售貨機(jī)、綜合自動售貨機(jī)。 1.1歷史 據(jù)說世界上最早的自動售貨機(jī)出現(xiàn)在公元前3世紀(jì)，那是埃及神殿里的投幣式圣水出售機(jī)。17世紀(jì)，英國的小酒吧里設(shè)有了香煙的自動售貨機(jī)。日本第一臺自動售貨機(jī)是1904年問世的“郵票明信片自動出售機(jī)”，它是集郵票明信片的出售和郵筒投函為一體的機(jī)器。50年代，“噴水型果汁自動售貨機(jī)”大受歡迎，果汁被注入在紙杯里出售。1967年，100日元單位以下的貨幣全部改為硬幣，從而促進(jìn)了自動售貨機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 1.2現(xiàn)狀

3、 從廣義來講投入硬幣、紙幣、信用卡等后便可以銷售商品的機(jī)械，從狹義來講就是自動銷售商品的機(jī)械。從供給的條件看，自動售貨機(jī)可以充分補(bǔ)充人力資源的不足，適應(yīng)消費環(huán)境和消費模式的變化，24小時無人售貨的系統(tǒng)可以更省力，運營時需要的資本少、面積小，有吸引人們購買好奇心的自身性能，可以很好地解決人工費用上升的問題等各項優(yōu)點。 1.3前景 現(xiàn)在，自動售貨機(jī)產(chǎn)業(yè)正在走向信息化并進(jìn)一步實現(xiàn)合理化。例如實行聯(lián)機(jī)方式，通過電話線路將自動售貨機(jī)內(nèi)的庫存信息及時地傳送各營業(yè)點的電腦中，從而確保了商品的發(fā)送、補(bǔ)充以及商品選定的順利進(jìn)行。進(jìn)入21世紀(jì)時，自動售貨機(jī)也將進(jìn)一步向節(jié)省資源和能源以及高功能化的方向發(fā)展。

4、 2 PLC的概述 2.1PLC的類型 現(xiàn)在世界上PLC的生產(chǎn)廠家有200多家，提供400多個品種的PLC供用戶選擇，目前我國市場上主要的PLC產(chǎn)品有：西門子公司的 S7-400/300/200 系列， 施奈德公司的 momentum 等，還有就是日本的歐姆龍、三菱、松下等公司的產(chǎn)品。西門子公司生產(chǎn)的 PLC 可靠性高，特別適用于大的工業(yè)控制系統(tǒng)，造價比較高，對于小型的自動售貨機(jī)的控制系統(tǒng)來說成本過高。相反，目前我國市場上主流的小型的三菱 PLC 就比較合適，三菱公司生產(chǎn)的小型 PLC 的代表為 FX-2N 系列的 PLC，它具有豐富的內(nèi)部資源：程序存儲器具有 16K 步的最大存儲容量，

5、128 種應(yīng)用指令，還具有 184 點 8 進(jìn)制編號的輸入點數(shù)，184 點 8 進(jìn)制編號的輸出點數(shù)，普通型，掉電保持性和賦予特殊用途型三種內(nèi)部繼電器，以及狀態(tài)寄存器、定時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器、常數(shù)與指針等功能與資源。可靠性高，造價低，對于自動售貨機(jī)的控制中心就特別的合適。因此，本次設(shè)計采用的 PLC 為三菱公司生產(chǎn)的 FX-2N 系列單片機(jī)。 2.2PLC的主要功能 (1)條件控制功能 條件控制（或稱邏輯控制或順序控制）功能是指用PLC 的與、或、非指令取代繼電器接觸的串聯(lián)、并聯(lián)及wits 各種邏輯連接，進(jìn)行開關(guān)控制。 定時/記數(shù)控制功能 定時/記數(shù)控制功能指用PLC 提供

6、的定時器、記數(shù)器指令實現(xiàn)對某種操作的定時或記數(shù)控制，以取代時間繼電器和記數(shù)繼電器。 數(shù)據(jù)處理功能 數(shù)據(jù)處理功能是指PLC 能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、算術(shù)運算、邏輯運算以及編碼和譯碼等操作。 (2)步進(jìn)控制功能 步進(jìn)控制功能是指用步進(jìn)指令來實現(xiàn)在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進(jìn)行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構(gòu)成的步進(jìn)控制器。 (3)A/D 與D/A 轉(zhuǎn)換功能 A/D與D/A 轉(zhuǎn)換功能是指通過A/D、D/A 模塊完成模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。 (4)運動控制功能 運動控制功能是指通過高速記數(shù)模塊和位置控制模塊等進(jìn)

7、行單軸或多軸運動控制。 (5)過程控制功能 過程控制功能是指通過PLC 的PID 控制指令或模塊實現(xiàn)對溫度、壓力、速度、流量等物理參數(shù)的閉環(huán)控制。 (6)擴(kuò)展功能 擴(kuò)展功能是指通過連接輸入輸出擴(kuò)展單元（即I/O 擴(kuò)展單元）模塊來增加輸入輸出點數(shù)，也可通過附加各種智能單元及特殊功能單元來提高PLC 的控制功能。 (7)遠(yuǎn)程I/O 功能 遠(yuǎn)程I/O 功能是指通過I/O 單元將分散在遠(yuǎn)距離的各種輸入、輸出設(shè)備與PLC 主機(jī)相連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，接收輸入信號、傳出輸出信號。 (8)通信聯(lián)網(wǎng)功能 通信聯(lián)網(wǎng)功能是指通過PLC 之間的聯(lián)網(wǎng)、PL

8、C 與上位機(jī)的鏈接等，實現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O 控制或數(shù)據(jù)交換，以完成較大規(guī)模系統(tǒng)的復(fù)雜控制。 2.3 PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 目前PLC 種類繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計算機(jī)。主要包括中央處理單元CPU、存儲器RAM 和ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O 擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。 PLC 控制系統(tǒng)由輸入量—PLC—輸出量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為PLC 的輸入量，作為PLC 的輸出量對外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。所以，PLC 的基本結(jié)構(gòu)有控制部分輸入和輸出

9、組成。 3自動售貨機(jī)原理電路分析 3.1自動售貨機(jī)設(shè)計要求 (1)自動售貨機(jī)有3 個投幣孔，分別為1 元、5 元和10 元。 (2)售貨共有3 種飲料供選擇，分別為汽水、花茶和咖啡。 (3)如投幣總額超過銷售價格，將可由退幣按鈕找回余額。 (4)投幣總額或當(dāng)前值顯示在7 段數(shù)碼管上。 (5)投幣值等于或大于12 元時，汽水指示燈亮，表示只可選擇汽水。 (6)投幣值等于或大于15 元時，汽水和花茶指示燈亮，表示只可選擇汽水和花茶。 (7)投幣值等于或大于20 元時，汽水、花茶和咖啡指示燈亮，表示3 種均可選擇。 (8)按下要飲用的飲料按鈕，則相對應(yīng)的指示燈

10、開始閃爍，3s 后自動停止，表示飲料已經(jīng)掉出。 (9)動作停止后按退幣鈕，可以退回余額，退回金額如果大于10 元，則先退10 元再退 1 元，如果小于10 元則直接退1 元。 3.2 自動售貨機(jī)的設(shè)計原理 從自動售貨機(jī)的發(fā)展趨勢來看，它的出現(xiàn)是由于勞動密集型的產(chǎn)業(yè)構(gòu)造向技術(shù)密集型社會轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。大量生產(chǎn)、大量消費以及消費模式和銷售環(huán)境的變化，要求出現(xiàn)新的流通渠道；而相對的超市、百貨購物中心等新的流通渠道的產(chǎn)生，自動售貨機(jī)便應(yīng)運而生了。 從廣義來講投入硬幣、紙幣、信用卡等后便可以銷售商品的機(jī)械，從狹義來講就是自動銷售商品的機(jī)械。從供給的條件看，自動售貨機(jī)可以充分補(bǔ)充人力資源的不足

11、，適應(yīng)消費環(huán)境和消費模式的變化，24 小時無人售貨的系統(tǒng)可以更省力，運營時需要的資本少、面積小，有吸引人們購買好奇心的自身性能，可以很好地解決人工費用上升的問題等各項優(yōu)點。 售貨機(jī)的基本功能就是對投入的貨幣進(jìn)行運算，并根據(jù)貨幣數(shù)值判斷是否能夠購買某種商品，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。舉一個簡單的例子來說明，例如：售貨機(jī)中有8 中商品，其中01 號商品價格為2.60 元，02 商品為3.50 元，其余類推。現(xiàn)投入1 個1 元硬幣，當(dāng)投入的貨幣超過01 商品的價格時，01 商品的選擇按鈕處應(yīng)有變化，提示可以購買，其他商品同比。當(dāng)按下選擇01 商品的價格時，售貨機(jī)進(jìn)行減法運算，從投入的貨幣總值中減去 0

12、1 商品的價格同時啟動相應(yīng)的電機(jī)，提取 01 號商品到出貨口。此時售貨機(jī)繼續(xù)進(jìn)行等待外部命令，如繼續(xù)交易，則同上，如果此時不再購買而按下退幣按鈕，售貨機(jī)則要進(jìn)行退幣操作，退回相應(yīng)的貨幣，并在程序中清零，完成此次交易。由此看來，售貨機(jī)一次交易要涉及加法運算、減法運算以及在退幣時的除法運算，這是它的內(nèi)部功能。還要有貨幣識別系統(tǒng)和貨幣的傳動來實現(xiàn)完整售貨、退幣功能。自動售貨機(jī)的外部結(jié)構(gòu)圖下圖3.1所示。 圖3.1 自動售貨機(jī)的外部結(jié)構(gòu)圖 圖3.2 自動售貨機(jī)流程圖 3.3 PLC 的選型原則 從功能方面和價格方面兩個方面的考慮，發(fā)現(xiàn)日本三菱FX2N 系列的可變成序控制器產(chǎn)品比較適合

13、自動售貨機(jī)。因為它是一種功能很強(qiáng)的小型機(jī)，在設(shè)計的過程中采用先進(jìn)的方法及組件使其通常只有在大型PLC 中才具有的功能，且具有其他控制器所不具備的功能。雖然是小型機(jī)。但是其功能較完善，性能價格比高，較適合自動售貨機(jī)。 現(xiàn)在就對FX2N-MR48的組成各部分和技術(shù)性能做一個簡單介紹。在日本三菱公司生產(chǎn)的FX系列產(chǎn)品中，F(xiàn)X2N屬于小型PLC產(chǎn)品，其中M48是具有高級處理功能的型號。從型號可以看出FX2N-MR48可編程控制器的輸入和輸出點數(shù)（即I/O點）之和為 48,還可以擴(kuò)展到256點，結(jié)構(gòu)緊湊，速度高，它的基本指令執(zhí)行時間為0.08微妙每條指令，內(nèi)置的用戶存儲器為8K步，可以擴(kuò)展到16K步，

14、而且有多種特殊功能模式后功能擴(kuò)展板，可以實現(xiàn)多軸定位控制。 3.4 I\O點的分配 表3.1 I\O點分配表 3.5 外部接線 圖3.3 PLC外部接線圖 4程序設(shè)計部分 4.1程序設(shè)計說明 下位機(jī)程序的編制是利用三菱的PLC專用編程軟件FxgpWIN 完成的。 在設(shè)計的過程中，就像上面所敘述的那樣，并非孤立地分別進(jìn)行上位機(jī)和下位機(jī)的設(shè)計工作，而是互相配合的。因此在以下的詳細(xì)設(shè)計過程中，并沒有將上位機(jī)的設(shè)計與下位機(jī)的設(shè)計整體分開來寫，而是相互交替，同時盡量清晰地敘述，在相應(yīng)的設(shè)計部分中注明是上位機(jī)的設(shè)計還是下位機(jī)的設(shè)計。 (1)初始狀態(tài)。此時不能購買任何商品。

15、 (2)投幣狀態(tài)。顧客投幣，顯示投入總值，即余額數(shù)值，當(dāng)所投幣值超過商品價格時，相應(yīng)價格選擇按鈕發(fā)生變化，提示可以購買。 (3)購買狀態(tài)。按下可以購買的選擇按鈕，所選的商品出現(xiàn)在出貨框中，同時顯示屏上的金額數(shù)字根據(jù)消費情況相應(yīng)變化。 (4)退幣按鈕。按下退幣按鈕，顯示退幣框，同時顯示出應(yīng)退幣值及數(shù)量按下確認(rèn)鈕，則恢復(fù)初始狀態(tài)。 到此為止，自動售貨機(jī)的一個完整工作過程結(jié)束。 4.2 程序設(shè)計 我們可以把一次交易過程分為幾個程序塊：運行初期清零過程；投幣過程；價格比較過程；選擇商品過程；退幣過程。 (1)運行初期清零過程 圖4.1 運行初期清零程序圖 該梯形圖中

16、，D0 是存放余額的數(shù)據(jù)寄存器，首先要對其進(jìn)行清零。不僅需要在完成一次交易后自動清零，而且也能讓賣主自己手動清零。所以用 X6 和 M8002 同時可以控制清零指令。 (2)投幣過程 在投幣的過程中，每投下一枚硬幣，投入顯示將增加相應(yīng)的幣值，余額也增加同樣幣制。先建立變量表，在編寫程序。 當(dāng)按下投入1元時，相當(dāng)于M1接通，之所以用一個微分指令，就是要只在接通時檢測一次，不能永遠(yuǎn)加下去。投入1元要投入顯示、余額顯示都相應(yīng)增加相同數(shù)值，加法是由16位加法指令add來實現(xiàn)的。投入5元、10元，原理同上。 錢投進(jìn)去以后，需要將投進(jìn)的數(shù)額顯示出來，這里我們要用到七段譯碼指令SEGD。具體

17、梯形圖如下： 圖4.2 投幣顯示程序圖 (3)價格比較和選擇過程 價格的比較要貫穿實驗過程的始終，只要余額大于某種商品價格時，就需要輸出一個信號，提示可以購買。這里只要選擇燈來代表此信號。 在梯形圖中，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時比較，用了一個特殊內(nèi)部繼電器 M6,在程序執(zhí)行過程中，M4始終保持閉合，CMP是16位數(shù)據(jù)比較指令，用它來比較余額和商品的價格，M6是大于價格，M5是等于標(biāo)志。再用定時器和M8013 控制Y4，實現(xiàn)按下選擇按鈕并且余額大于等于某種商品價格時，程序使相應(yīng)的指示燈閃爍表示可以購買該種商品。一旦選擇了相應(yīng)的飲料，閃爍時間到，就驅(qū)動相應(yīng)的飲料的電磁閥，電磁閥自己控制飲料流

18、出時間。具體梯形圖如下： 圖4.3 價格比較和選擇梯形圖 (4)退幣過程 因為選擇商品和退幣是相互制約的，顧將這兩個放在一起進(jìn)行討論。 顧客一旦選擇了商品，就要用余額減去商品相應(yīng)的價格，得出最新的余額，而且選擇按鈕必須是點動的，一次只有一次脈沖，保證SUB 指令不會一直減下去。而且不同商品的選擇按鈕是相互制約著減法指令的。減法運算后的結(jié)果任放在D0 中。 由于七段譯碼器始終是顯示的是數(shù)據(jù)寄存器D0 中的數(shù)據(jù)，所以就滿足了余額顯示的要求。 圖4.4 余額顯示梯形圖 退幣的過程我們用到了除法運算，除法指令DIV 將余額D0 除以10，得到的商放在 D1 中，余數(shù)

19、放在D2 中。然后將D1 和D2 分別賦值給計時器T3 和T4，再用一個周期為0.1 秒的時鐘脈沖控制退幣個數(shù)。具體梯形圖如下： 圖4.5 退幣梯形圖 5系統(tǒng)調(diào)試分析 5.1硬件調(diào)試 首先按控制系統(tǒng)PLC接線圖完成硬件接線，并仔細(xì)檢查接線是否有誤，特別要注意接線時不能出現(xiàn)短路、斷路及反接等情況，否則會造成硬件損壞及人身意外。再接通電源，檢查三菱FX2N-48MR 可編程控制器是否可以正常工作，然后把其與電腦的通信口連接。 5.2 軟件調(diào)試 開始程序調(diào)試：首先將PLC控制程序?qū)懭氲絇LC機(jī)器中，再選擇監(jiān)控狀態(tài)，使PLC處于“RUN”狀態(tài)，

20、然后逐一按投幣感應(yīng)器（即硬幣識別機(jī)構(gòu)用復(fù)位按鈕信號來表示硬幣的輸入），觀察有沒有進(jìn)行累加幣值；或按選擇按鈕，觀察輸出指示燈是否按預(yù)計效果閃滅（即顯示飲料選擇提示、飲料送出、送出時間和退幣提示），并通過監(jiān)控狀態(tài)觀察程序的運行過程及輸入輸出信號、內(nèi)部描述實際出現(xiàn)的問題及解決方案。對報警部分進(jìn)行調(diào)試，只需給相應(yīng)的輸入端口信號，然后相應(yīng)的指示燈變亮即可。要對照設(shè)計控制要求，逐一檢驗設(shè)計功能是否能有效的實現(xiàn)，并對程序進(jìn)行改進(jìn)和完善。 根據(jù)以上的調(diào)試情況，本裝置控制系統(tǒng)設(shè)計符合要求。 總 結(jié) 通過兩周的 PLC 的課程設(shè)計,在尹進(jìn)田老師的指

21、導(dǎo)和組員的努力下,最終完成 FX-2N 系列 PLC 控制自動售貨機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計.本控制系統(tǒng)就是充分利用了 PLC,接口電路芯片以 及顯示模塊.實現(xiàn)了對自動售貨機(jī)的控制,達(dá)到了設(shè)計的目的.這次設(shè)計的 PLC 控制自動售貨機(jī)系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括設(shè)計出了硬件系統(tǒng)的接線圖,梯形圖等;并 且系統(tǒng)具有啟動,停止功能;運用功能指令進(jìn)行 PLC 控制程序設(shè)計;還進(jìn)行了 系統(tǒng)調(diào)試,實現(xiàn)自動售貨機(jī)的控制要求. 在設(shè)計中運用所學(xué)的理論知識,進(jìn)行自動售貨機(jī)運行原理設(shè)計,硬件系統(tǒng)設(shè) 計,軟件系統(tǒng)設(shè)計,創(chuàng)新設(shè)計,提高理論知識工程應(yīng)用能力,系統(tǒng)調(diào)試能力,分 析問題與解決問題的能力.綜合運用了所學(xué)的知識,理論與實際相結(jié)合,提出

22、并 論證設(shè)計方案,然后進(jìn)行軟,硬件的設(shè)計,制作與調(diào)試,最后獲得正確的結(jié)果. 加深了對所學(xué)理論知識的鞏固,加強(qiáng)了建立 PLC 控制工業(yè)機(jī)械和生產(chǎn)過程系統(tǒng) 的整體概念,初步掌握了 PLC 控制工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的軟,硬件開發(fā)方法, 為以后進(jìn)行實際的 PLC 軟,硬件應(yīng)用開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ).與此同時,也加 強(qiáng)了我們對問題的分析解決能力, 為以后的畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)后的工作做了充分的準(zhǔn)備. 在本次課程設(shè)計中受到尹老師的耐心指導(dǎo), 使我們進(jìn)一步學(xué)習(xí)到了對問題的整體把握，學(xué)會了分析及解決方法的能力;在此表示衷心的感謝! 附錄 附錄A 主電路

23、自動售貨機(jī)控制主電路如圖7.1所示。 圖7.1 自動售貨機(jī)控制主電路 附錄B 總體梯形圖 自動售貨機(jī)控制主電路如圖7.2所示。 圖7.2 自動售貨機(jī)總體梯形圖 參考文獻(xiàn) [1]廖常初.FX系列PLC編程及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2005.1～127. [2]羅宇航.流行PLC實用程序及設(shè)計(西門子S7-200系列)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社.2006.246～252. [3]高勤.可編程控制器原理及應(yīng)用（三菱機(jī)型）[M].北京:電子工業(yè)出版社.2006.41～46. [4]錢銳.PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社.20

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