基于PLC的自动售货机设计毕业设计论文.doc

毕 业 设 计 报 告 书

题目： 基于PLC的自动售货机设计

专 业 机电一体化
班 级
姓 名 _
指导教师

目 录

第一部分 设计任务与调研………………………………………1
第二部分 设计说明………………………………………………3
第三部分 设计成果………………………………………………10
第四部分 结束语…………………………………………………19
第五部分 致谢……………………………………………………20
第六部分 参考文献………………………………………………21

第一部分 设计任务与调研

1.1自动售货机概述
自动售货机是完成无人售货、光机电一体化的商业自动化设备。自动售货机不受任何场地限制，方便快捷，可以每天24小时售货，因此深受上班族的欢迎。很多城市的公共场所都放置有自动售货机，出售的商品五花八门，从饮料、零食、香烟、糖果，到牙刷、方便面、自动照相机等。近年来，我国的自动售货机行业突飞猛进，在汽车总站，商夏、医院、小区、学校等地区纷纷涌现出自动售货机的踪迹。这种方便快捷的购物方式越来越受到人们的青睐，同时也是现代化城市配套设施的需求。常见的自动售货机如图1-1所示。

图1-1自动售货机

1.2 自动售货机功能分析
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退币功能。自动售货机的工作流程图如图1-2。

图1-2 自动售货机工作流程图

1.3 自动售货机的前景分析
现在，中国自动售货机市场已经进入了发展期。另外，各个大型城市的改造使得很多小店小铺消失，同时随着金融支付手段的增多，IC卡、手机移动支付等货机产品专项调研及未来五年投资分析预测报告》是结合自动售技术使自动售货机提供便利服务成为可能，这些自动售卖平台的创新模式无疑为国内的自动售货业迅速成长创造了条件。
1.4 设计任务
控制要求如下：
(1)货物种类共9种，这9种物品分别对应着9个不同的按键选择，其中1元、2元、3元价格不等的物品各3种；货币识别装置能够识别0.5元、1元、5元的货币。
(2)在规定的30秒时间内可多次投入货币，能够实现货币累加功能，超过30秒投币无效。
(3)如果累计投入的货币数目超过所购买物品的总价，机器能够实现找钱功能；如果投入的货币没有达到所选择物品的价格，投入的钱将全部退还；在投入一次累加货币后选择物品时，如果投入的累加货币数目大大超过所选择物品的预设单个价格时，能够实现选择同一件物品购买多个。
(4)设计13个按键选择，其中9个是货物选择，2个多选键，还有一个确定键和一个取消键，如果没有按流程进行按键，自动售货机将启动报警系统，等待再次正确的按键选择。
(5)应有购买货物的总花钱数和找零的货币数的显示。

第二部分 设计说明
根据任务书要求，绘出自动售货机结构示意图如图2-1所示。
图2-1 自动售货机结构示意图
其中，1——西瓜汁（1元）；2——橙汁（1元）；3——葡萄汁（1元）；4——绿茶（2元）；5——红茶（2元）；6——奶茶（2元）；7——咖啡（3元）；8——可乐（3元）；9——牛奶（3元）。
用数字键代替商品按键，就能在某种商品缺货的时候能及时地补上其他的商 品种类，并且不会使顾客混淆，使人机界面更加友好。
根据上述要求，制定合理方案：首先，应该做上位机与下位机的任务分工，上位机主要用来完成仿真界面的制作过程，而下位机则主要用来完成PLC程序的编写；其次，要分别对上位机和下位机进行资料的查找与收集。例如在进行仿真界面的设计时可以去观看一下真正售货机的外观，必要时可以借助一些宣传图片来设计自动售货机的外型；在进行PLC程序的编写时需要先分配PLC的I/O点，确定上、下位机的接口；然后，分别对上、下位机分别进行设计工作；最后，进行上位机设计结果与下位机设计结果的配合工作，经调试后完成整个系统的设计。另外，上位机与下位机的设计工作是密切配合的，它们无论在通信中使用的变量，还是在仿真中控制的对象都应该是一致的。总体上讲，仿真界面是被控对象，利用PLC来控制这个仿真的自动售货机，仿真的自动售货机接受PLC的控制指令并完成相应的动作；另一方面，仿真界面中的仿真自动售货机的运行，都是由组态界面所提供的命令语言来完成的。这是整个仿真系统内部各大部件之间的内在关系。本设计主要是对自动售货机中的下位机，也就是主要是对PLC在其中的程序进行设计。由此绘出系统组成框图如2-2所示。

图2-2 系统结构框图

PLC控制系统：接受人民币识别系统信息，确认已接受的人民币是否可购买消费者所指定的商品，确认后按要求售出商品。
钱币识别传感器：主要包括纸币识别器、硬币识别器、硬币找零系统等，它主要实现识别真假纸币(一般为拾元、伍元)和硬币(壹元、伍角)、拒收假币和残币、正确找零的功能。
补料及出货系统：货柜由多层货架组成，当购物者指定所需商品后，由控制系统启动出货系统出货；当某种货物被取出后，补料机构自动补料（在这里补料机构采用简单的倾斜式机构，即当某种货物被售出后，补料机构里面的货物直接向前滑至首位进行补位）。
显示机构：显示购买的瓶数、投入的钱数以及剩余的钱数。

2.2总体方案设计
由于设计中的货物品种不多，因此要求上没有现实中的自动售货机功能强大。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：当有顾客买饮料时，投入的钱币经过识别机构，记录5角、1元或5元钱的个数，通过个数与币值相乘或者相加，并将总钱币数据存放在D9（数据寄存器）中。
(2)比较系统：投入钱币完毕后，系统会把D9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元小于2元时，西瓜汁、橙汁、葡萄汁的指示灯亮；当投入的钱币总值超过2元小于3元时，西瓜汁、橙汁、葡萄汁、绿茶、红茶、奶茶的指示灯亮；当投入的钱币总值超过3元时，9种饮料的指示灯都亮，并且多选键“2”也亮；当投入的钱币总值超过5元时，所有的指示灯都亮，此时可以选择饮料或选择退币。
(3)选择系统：比较电路完成后选择电路指示灯亮，当按下西瓜汁或绿茶选择按钮时，相应的指示灯转为1 秒为周期的闪烁。当相应的饮料供应完毕后，闪烁同时停止。此时可以按继续购买按钮，继续购买饮料，实现循环购买。
(4)饮料供应系统：当按下选择按钮时，相应的电机Y3—Y7启动。在饮料输出的同时，减去相应的购买钱币数，当饮料输出达到10秒时，电机停机。
(5)退币系统：当顾客购完饮料后，多余的钱币只要按下退币按钮，系统就会把数据寄存器D9中的钱币退回。

2.3自动售货机控制系统设计

图2-3 自动售货机硬件系统组成部分
其中，温控模块包括温度采集和加热制冷控制；销售模块完成一个整体的销售动作，一般都是电机驱动特定的机构实现；人机模块包括键盘和显示，有的机器还加上了显示屏，可以投放广告；目前仅部分高端机器有通讯模块的功能，一般都是采用GPRS模块，可以完成销售统计、原料补给、广告管理以及一些会员服务。
(1)、工作流程
首先开机后要自检各个部件的状态是否正常，若不正常要显示错误信息，方便运营人员及时修复；若自检通过，检查商品信息，若缺少货物，停止销售该类商品；然后等待，等待消费者投钱和选择商品，若有人选择商品，等钱币投入后就开始执行销售模块，将产品送出，并找零钱。这是最基本的功能描述，在实际的设计中，有很多的因素需要考虑，一定要保证机器工作的可靠性和稳定性。
（2）功能方面 所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。
（3）价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。|

第三部分 设计成果
3.1 PLC选型
自动售货机PLC控制系统是比较简单的顺序控制，则需选择具有逻辑运算、定时器、计数器等基本功能的小型PLC，再根据估算出其输入输出点数，可选择日本三菱FM-2N系列的FM2N-48MR型的PLC，如图3-1所示。

图3-1 三菱FM-2N系列PLC

3.2程序设计
一般讲，配置好的PLC其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际的也要相当），故I/O的分配实际上是把PLC的入、出点号分给实际的I/O电路，编程时按点号建立逻辑或控制关系，接线时按点号“对号入坐”进行接线。
表3－1 I/O信号地址分配表
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点编号
名称
代号
输出点编号
5角投币光电开关
ST1
X000
5角退币光电开关
YA1
Y000
1元投币光电开关
ST2
X001
1元退币光电开关
YA2
Y001
5元投币光电开关
ST3
X002
报警灯
HL1
Y002
西瓜汁按钮
SB1
X003
西瓜汁指示灯
HL2
Y003
橙汁按钮
SB2
X004
橙汁指示灯
HL3
Y004
葡萄汁按钮
SB3
X005
葡萄汁指示灯
HL4
Y005
绿茶按钮
SB4
X006
绿茶指示灯
HL5
Y006
红茶按钮
SB5
X007
红茶指示灯
HL6
Y007
奶茶按钮
SB6
X008
奶茶指示灯
HL7
Y008
咖啡按钮
SB7
X009
咖啡指示灯
HL8
Y009
可乐按钮
SB8
X010
可乐指示灯
HL9
Y010
牛奶按钮
SB9
X011
牛奶指示灯
HL10
Y011
确定按钮
SB10
X012
投币指示灯
HL11
Y012
取消按钮
SB11
X013
推出饮料电磁阀
YV
Y013
多选按钮“2”
SB12
X014

多选按钮“5”
SB13
X015

3.3 流程设计
PLC控制的自动售货机的程序流程图如图3-2所示

图3-2自动售货机流程
X007
X004
X000
余额为0
余额为0
余额为0
余额为0
初始
1
总金额计算
投币计数
确认可买饮料
2
4
选择可乐
选择咖啡
余额不为0
计算金额
3
余额不为0
计算金额
5
启动退款计数
输出可乐
输出咖啡
启动退款计数

图3-3 自动售货机控制状态流程图
3.4 PLC与现场器件的连接
见图3-4。
3.5 比较、选择、购买程序设计
价格的比较要贯穿购买过程的始终，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，这里只要选择指示灯来代表此信号；当投入的币值可以购买某种商品时，按下相应的“选择”按钮即可在出货框中出现该种商品，同时液晶显示屏中显示出已经消费掉的金额，余额也将扣除已消费的币值，接着余额继续与价格相比较，判断是否能继续购买。出现在出货口的商品在没有取走前，一直保持显示状态，用鼠标点击该商品代表已经取走，出货口中的商品隐藏。
在图3-5中，当D5中的累加值2元<D5<3元时，M11接通，Y007接通，可乐指示灯亮且相应的常开触点闭合；当D5>3元时，M12接通，Y010、Y011接通闭合，橙汁指示灯、红茶指示灯亮，相应的常开触点闭合。当按下可乐按钮时，X007常开触点闭合，M20、Y007、T2接通，推出饮料电磁阀YV通电，推出可乐，同时T2、T3产生占空比为50%、周期为400ms的闪烁程序，即Y000接通200ms、断开200ms，可乐指示灯闪烁。由于X004闭合，T6接通，经过8s后YV失电，停止动作，同时D5中的数据减去可乐费用3元，剩余值存于D5中，作为需找钱的数值。

图3-4 PLC与现场器件的连接图

图3-5 比较、选择、购买程序设计

相应的指令为：
STL S21
PLS M6
LD M6
CMP K5 D9 M7
LD M8
OR M9
OUT Y007
LD M7
RST Y000
LDI M7
AND X004
SET S22
LD S21
PLS M10
LD M10
CMP K6 D9 M11
LD M12
OR M13
OUT Y010
LD M11
RST Y000
LDI M11
AND X005
SET S23
LD S21
PLS M14
LD M14
CMP K11 D9 M15
LD M16
OR M17
OUT Y011
LD M15
RST Y000
LDI M15
AND X006
SET S24
LD S21
PLS M18
LD M18
CMP K20D9 M19
LD M20
OR M21
OUT Y012
LD M19
RST Y000
LDI M19
AND X007
SET S25

3.6退币程序设计
在退币过程中，最主要的是完成退币的运算过程，根据结果输出相应的钱币，退币结束时还要使用到的某些寄存器重新赋零。
下图3-6中，T6动作，使得Y004接通，找钱执行机构动作，YA为找钱光电计数开关，找出5角的钱币经过C1技术，其数字为D5中的剩余值。当C1计数至D5中的值时，C1动作，使得M33动作，Y004断开，找钱完毕。D5、C1复位，为下一次自动销售饮料做好了准备。当投币数大于3元时，其控制过程与按可乐按钮时的控制过程类似，不再赘述。

图3-6 退币程序设计

3.7主程序设计
根据上述各过程的程序设计，可以把一次交易过程分为几个程序块：投币 过程、选择商品及购买过程、退币过程。
3.8 梯形图程序调试
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（包括硬币、纸币识别）均用开关信号来代替，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。

第四部分 结束语
经过几个月的学习、研究以及老师的指导，终于按时完成了毕业设计。设计主要研究的是自动售货机有关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，有吸引人们购物好奇新的自身性能，可以很好地解决人工费用的上升的问题等各项优点。所以说，自动售货机是今后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的饮品。

第五部分 致谢
这次毕业设计得到了很多老师、同学和同事的帮助，其中我的导师 对我的关心和支持尤为重要，每次遇到难题，我最先做的就是向刘老师寻求帮助，而老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。
另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。
第六部分 参考文献
[1] 张进秋,陈永力,张中民.可编程控制器原理及应用实例[M].北京:机械工业出版社.2004.1
[2] 邓星钟.机电传动控制（第三版）[M].武汉:华中科技大学出版社.2001
[3] 贺贾德胜.PLC应用开发实用子程序（第一版）[M].人民邮电出版社.2006.
[4] 三菱股份有限公司编. FX可编程控制器编程手册[Z].北京：