自动售货机的plc系统设计.doc

洛 阳 理 工 学 院
毕业设计(论文)

题 目 自动售货机的PLC系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名： 日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书
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涉密论文按学校规定处理。

作者签名： 日期： 年 月 日
导师签名： 日期： 年 月 日

指导教师评阅书

指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
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二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
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3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
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建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
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评阅教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日

洛阳理工学院毕业设计（论文）
教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）
年 月 日
教学系意见：

系主任： （签名）
年 月 日

自动售货机的PLC系统设计

摘 要

自动售货机是可完成无人自动售货的商业自动化设备，它不受任何场地限制，方便快捷，可以每天24h售货，在我国也越来越普及。传统的自动售货机采用单片机作为控制核心，但这样在输入输出接口上消耗很大。PLC不但可实现类似控制功能，还具有可靠性高、编程简单、功能强、能耗低、调试方便等优点。本款售货机是基于汽水和咖啡的自动售货设计的。
论文以西门子PLC设计自动售货机的控制系统，简要介绍PLC各硬件选型，软件的设计，PLC梯形图的编写和系统的调试方法。

关键词：自动售货机，PLC，调试

The Design of a Vending Machine System
Based on PLC

ABSTRACT

Vending machine is a self-service device that can automatically sell goods to customers. It is not restricted to specific sites, which is convenient and sells 24 hours a day. Vending machines also become increasingly popular in China. The traditional vending machines use Single Chip Microcomputer as the core of control, which costs greatly on its input/output interface. PLC not only fulfill a similar controlling function, but also has other advantages such as high reliability, easiness to program, strong function, low energy consumption, convenience to debug and so on. This vending machine is based on the design of self-service selling for soft drinks and coffee .
On the basis of Siemens PLC, this paper gives a brief introduction to the various hardware selection, software design, the compilation of PLC Ladder Diagram and the debugging method of the system.

KEY WORDS: Vending Machine，PLC，Debugging

3
洛阳理工学院毕业设计（论文）
目　录

前　言 1
第1章　绪论 2
1.1 自动售货机的理论背景与实际意义 2
1.2 自动售货机设计的主要内容 3
1.3 自动售货机设计的基本思路 3
第2章 PLC的概述 4
2.1 PLC的定义 4
2.2 PLC的简介 4
2.3 PLC的特点和应用 5
2.4 PLC的工作原理 6
2.4.1 PLC的循环扫描工作 6
2.4.2 PLC的扫描周期及两种工作状态 7
2.5 PLC的编程语言 8
2.6 PLC的硬件组成 8
第3章 自动售货机的设计 9
3.1 西门子S7-200 PLC 特点 9
3.2 自动售货机设计软元件 9
3.2.1 定时器 9
3.2.2 数学运算指令 10
3.3 自动售货机的基本功能 11
3.4 自动售货机I/O点的分配 12
3.5 顺序功能图(SFC) 13
3.6 梯形图（LAD） 15
3.7 自动售货机的相关说明 16
3.8 外部接线 17
第4章 程序设计及仿真 18
4.1 程序设计部分 18
4.1.1 程序设计说明 18
4.1.2 程序设计 18
4.1.3 程序调试 21
4.2 自动售货机仿真 21
4.2.1 自动售货机仿真 21
4.2.2 仿真中需要注意的问题 22
结　论 23
谢 辞 24
参考文献 25
附　录A 26
附　录B 29
外文资料翻译 31

洛阳理工学院毕业设计（论文）
前　言

自动售货机是能够根据投入的钱币自动付货的机器，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、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真伪，分选钱币的种类，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。
面对当前快速发展的商品社会，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、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。
可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），仍是一种固态电子装置，主要利用输入／输出装置的回收信号及储存程序，控制机械或程序的操作。在工厂自动化（FA）系统中，PLC因为具备价格便宜、系统稳定及环境适应性强的特点，故一直为自动化业界所采用。利用PLC设计自动售货机系统，方便简易，同时成本也低。

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，大部分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。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。
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。
自动售货机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[1]。
　　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

自动售货机设计的主要内容有以下几点：
（1）此自动售货机可以投入0.1元、0.5元和1.0元的硬币；
（2）所售饮料标价：汽水1.2元，咖啡1.5元；
（3）如果顾客投入硬币在限定的时间内（1分钟）不按任何按键，自动售货机将退还所投硬币；
（4）当投入硬币的总值等于或超过物品价格时，对应的物品指示灯才亮绿灯；
（5）当物品对应的指示灯亮绿灯时，按下所买物品对应的按键，相应的物品排出，同时指示灯绿灯闪烁；
（6）如果顾客投入硬币总值超过所选物品的价格，且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，按下找零按键，自动售货机会自动将余款退还顾客；
（8）当物品售完时，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）。

1.3 自动售货机设计的基本思路

本次设计的题目是自动售货机的PLC系统设计，主要是应用西门子S7-200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、S7-200型PLC的特点、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三章的设计部分，即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，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控制原理。

第2章 PLC的概述

2.1 PLC的定义

可编程控制器（Programmable Controller）简称PC，个人计算机（Personal Computer）也简称PC，为了避免混淆，人们将最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做PLC（Programmable Logic Controller）。本论文也用PLC作为可编程控制器的简称。为了确定它的性质，在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义：
“PLC是一种专门为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及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计[2]。”

2.2 PLC的简介

PLC是以CPU为核心，综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，是现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。目前，许多可编程控制器的生产厂家已闻名于全世界。这其中有美国的Rockwell自动化公司所属的A-B(Allen-Bradley)公司，GE-Fanuc公司，日本的三菱公司和立石公司，德国的西门子（Siemens）公司，法国的TE(Telemecanique)公司等。他们的的产品已风行全世界，成为各国工业控制领域中的著名品牌。从网络的发展情况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机组网，构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向，目前的计算机集散控制系统（Distributed Control System）及现场总线控制系统中已经有大量的可编程控制器应用，伴随着总线技术及计算机网络的进一步发展，可编程控制器作为自动控制网络或国际通用网络的重要的组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用[3]。

2.3 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[4]。
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知识的人在几天内就能学会，这是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件编程完成的，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）设计、施工、投产试制周期短，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。

2.4 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。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[5]。

2.4.1 PLC的循环扫描工作
对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的扫描全过程如图2-1所示[6]。
（1）输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。
（2）程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
（3）输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。

图2-1 PLC的扫描全过程

2.4.2 PLC的扫描周期及两种工作状态
PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的修改与编制。但是在两个不同的工作状态中，扫描过程所要完成的任务是不尽相同的。图2-2给出了运行和停止两种状态PLC不同的扫描过程[7]。

图2-2 运行和停止状态时PLC的扫描过程
2.5 PLC的编程语言

PLC为用户提供了完善的编程语言来满足编制用户程序要求。它提供的编程语言通常有以下5种：梯形图（LAD）、语句表（STL）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）和结构文本（ST）[8]。

2.6 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。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2-3所示：

图2-3 PLC硬件结构图

8
第3章 自动售货机的设计

3.1 西门子S7-200 PLC 特点

1、机械结构特点
（1）体积小 （2）重量轻 （3）DIN 导轨安装和安装孔
2、电器结构特点
（1）免维护性；（2）内配24V/180mA或280mA 直流；（3）灵活中断输入；（4）便于扩展 ；（5）机内配有高速计数器，CPU212为2kHz加/减计数器，CPU214~CPU216有两个独立7kHz高速计数器；（6）模拟电位器外部设定；（7）CPU214还有脉冲输出、实时时钟等功能。S7-200系列PLC大致上由中央处理器（CPU）、存储器、电源、输入/输出单元和通信接口五部分组成，如下图3-1所示[9]。

图3-1 S7-200 PLC的组成

3.2 自动售货机设计软元件

3.2.1 定时器
定时器是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。定时器的工作过程与继电器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触点，失电时，常闭触点闭合，常开触点打开；定时器得电时，常闭触点打开，常开触点闭合。定时器的当前值、设定值均为10位有符号整数（INT），允许的最大值为32767[10]。定时器指令表见表3-1。

表3-1 定时器指令
语句
描述
TON Txxx，PT
接通延时定时器
TOF Txxx，PT
断开延时定时器
TONR Txxx，PT
保持型接通延时定时器
BITIM OUT
起动间隔定时器
CITIM IN,OUT
计算间隔定时器

3.2.2 数学运算指令
在梯形图中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令（见表3-2）分别执行下列运算：IN1+IN2=OUT，IN1-IN2=OUT，IN1*IN2=OUT，IN1/IN2=OUT。

表3-2 加减乘除指令
梯形图
语句表
描述
梯形图
语句表
描述
ADD_I
+I INT1,OUT
整数加法
DIV_DI
/D INT1,OUT
双整数除法
SUB_I
-I INT1,OUT
整数减法
ADD_R
+R INT1,OUT
实数加法
MUL_I
*I INT1,OUT
整数乘法
SUB_R
-R INT1,OUT
实数减法
DIV_I
/I INT1,OUT
整数除法
MUL_R
*R INT1,OUT
实数乘法
ADD_DI
+D INT1,OUT
双整数加法
DIV_R
/R INT1,OUT
实数除法
SUB_DI
-D INT1,OUT
双整数减法
MUL
MUL INT1,OUT
整数乘法产生双整数
MUL_DI
*D NT1,OUT
双整数乘法
DIV
DIV
INT1,OUT
带余数的整数除法

在语句表中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令分别执行下列运算：IN1+OUT =OUT，OUT-IN1=OUT，IN1*OUT =OUT，OUT /IN2=OUT[11]。

3.3 自动售货机的基本功能

自动售货机的各种动作功能和控制要求，给出了完整的自动售货机操作规程（如图3-2），并介绍了自动售货机运行系统中所包括的人工操作步骤。在实际生活中，我们见到的售货机可以销售一些简单的日用品，如饮料、香烟和小的生活保健用品等。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，A商品价格为0.5元，B商品为1.0元。现投入1个1.0元硬币，当投入的货币超过A商品的价格时，A商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，B商品也提示。当按下选择A商品的价格时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去A商品的价格同时启动相应的电机，提取A号商品到出货口。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。

图3-2 自控售货机工作流程图

3.4 自动售货机I/O点的分配

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。本次自动售货机选用的CPU的类型为S7-200 CPU224，14个输入（I0.0~I0.7，I1.0~I1.5）、10个输出（Q0.0~Q0.7，Q1.0~Q1.1），I/O点的分配如表3-3所示[12]。

表3-3 自动售货机I/O点的分配表
序号
定义点
符号
功能
1
I0.0
SB1
找零按钮
2
I0.1
SB2
汽水1.2元按钮
3
I0.2
SB3
咖啡1.5元按钮
4
I0.3
SB4
投0.1元硬币
5
I0.4
SB5
投0.5元硬币
6
I0.5
SB6
投1.0元硬币
7
I0.6
SQ7
汽水1.2元行程开关
8
I0.7
SQ8
咖啡1.5元行程开关
9
Q0.0

出1.2元汽水
10
Q0.1

出1.5元咖啡
11
Q0.2

汽水1.2元绿灯（可以购买）
12
Q0.3

咖啡1.5元绿灯（可以购买）
13
Q0.4

汽水1.2元红灯(物品售完)
14
Q0.5

咖啡1.5元红灯(物品售完)
15
Q0.6

找零0.1元
16
Q0.7

找零0.5元
17
Q1.0

找零1.0元

3.5 顺序功能图(SFC)

1、顺序功能图（SFC）
顺序功能图是一种位于其他编程语言之上的图形语言，使用它可以对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程。顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，在顺序功能图中允许和别的语言编程的程序嵌套。顺序功能图由步、转换和动作三种主要元件组成，如图3-3 所示。可以用顺序功能图来描述系统的功能，根据它可以很容易地设计出梯形图程序[13]。

图3-3 顺序功能示意图

2、所选择的顺序功能图（SFC）
由于顺序功能图（SFC）有五种基本结构：顺序结构、选择性分支结构、并发性分支结构、循环结构、复合结构。本次自动售货机的SFC图，根据控制要求选用选择性分支结构和并发性分之结构。因为选择性分支结构是一个控制流，它可以转入多个可能的控制流中的某一个，且不允许多路分支同时执行。具体进入哪个分支，取决于控制流前面的转移条件哪一个为真。而并发性分之结构是一个工作步执行完后，需要同时开启若干条分之，并采用双水平线相连且要有一个公共转移条件，这两种顺序功能图结构符合本次自动售货机的控制要求，所以选择这两种结构[14]。
本次自动售货机的SFC图如下图3-4所示：

图3-4 自动售货机顺序功能图

3.6 梯形图（LAD）

梯形图是用的最多的PLC图形编程语言。梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。它与电器控制线路图相似，如图3-5所示。继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入/输出形式，具有形象、直观、实用的特点。因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言[15]。

图3-5 传统继电器控制线路图和PLC梯形图
在梯形图中，有两根竖直的直线，被称为母线，现在很多PLC只保留了左边的母线，而把右边的母线略去不写。在梯形图中引入了“能流”的概念。左边的母线就如电源的“正极”，而右边的母线就如电源的“负极”。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。如果没有能流，则线圈未被激励，“能流”在任何时刻都不会通过接点自右向左流[16]。

3.7 自动售货机的相关说明

在本设计中，梯形图中的ADD_DI双整数加法当投入0.1元时加1，0.5元时加5,投入1.0元是加10，SUB_DI是双整数减法当成功购买物品时就减去物品对应的数；T37—T39表示通电延时定时器,按下物品按钮时T37—T38延时20秒，T39计时器形成计时60秒无操作找零。
例如：一顾客买1.5元咖啡，投币2.0元，此时咖啡绿灯长亮，按下想购买的咖啡，余额减1.5元，出货口出咖啡，同时绿灯闪烁，20秒后若顾客无动作，则售货机将自动退出剩余金额。
本设计统一采用按钮开关模拟物品选择，按钮内有绿灯和红灯分别表示可购买物品和物品销售完；指示灯模拟物品输出及找零如图3-6所示。

图3-6自动售货机模拟操作面板
3.8 外部接线

本设计售货机的外部接线图如图3-7所示：SB2和SB3为物品选择按钮；当投入货币物品绿灯亮（Q0.3和Q0.4），按下SB2和SB3其中一个，对用的KM线圈得电电机转动出相应的物品（Q0.0或Q0.1）；当有物品销售完其行程开关断开，物品红灯亮并同时向总部发送该物品销售完的信息；当购买物品总值低于投入总值时，可按找零按钮SB1，自动售货机经内部比较判断需要退换的硬币种类和数目，然后驱动KM1、KM2和KM3得电使电机转动找零（Q0.6、Q0.7和Q1.0）。

图3-7 自动售货机PLC外部接线图

第4章 程序设计及仿真

4.1 程序设计部分

4.1.1 程序设计说明
现在我们具体分析一下程序过程：
为了方便分析，我们以一次交易过程为例。
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，绿灯亮，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：按下找零按钮，显示退币框，同时显示出应退币值。按下找零，则退出货币，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。

4.1.2 程序设计
此设计自动售货机主要销售汽水和咖啡两大类，汽水为1.2元，咖啡为1.5元。自动售货机的梯形图（LAD）如图4-1所示：

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；

图4-1 自动售货机梯形图
4.1.3 程序调试
由于实验室没有相应的实物控制模型(自动售货机)，因此，在调试系统控制程序时，所有的输入信号均用开关信号和复位按钮来代替，所有的输出均用指示灯来表示。调试时，首先按控制系统PLC接线图完成硬件接线，并仔细检查接线是否有误，特别要注意接线时不能出现短路、断路及反接等情况，否则会造成硬件损坏及人身意外。
开始程序调试：首先将PLC控制程序写入到PLC机器中，再选择监控状态，使PLC处于“RUN”状态，然后逐一按投币感应器（即硬币识别机构用复位按钮信号来表示硬币的输入），观察有没有进行累加币值；或按选择按钮，观察输出指示灯是否按预计效果闪灭（即显示饮料选择提示、饮料送出、送出时间和退币提示），并通过监控状态观察程序的运行过程及输入输出信号、内部描述实际出现的问题及解决方案。要