自动售货机PLC课程设计.doc

课程设计任务书一、控制要求1自动售货机有3个投币孔，分别为1元、5元和10元。2售货共有3种饮料供选择，分别为汽水、花茶和咖啡。3如投币总额超过销售价格，将可由退币钮找回余额。4投币总额或当前值显示在7段数码管上。5投币值等于或大于12元时，汽水指示灯亮，表示只可选择汽水。6投币值等于或大于15元时，汽水和花茶指示灯亮，表示只可选择汽水和花茶。7投币值等于或大于20元时，汽水、花茶和咖啡指示灯亮，表示3种均可选择。8按下要饮用的饮料按钮，则相对应的指示灯开始闪烁，3s后自动停止，表示饮料已经掉出。9动作停止后按退币钮，可以退回余额，退回金额如果大于10元，则先退10元再退1元，如果小于10元则直接退1元的。二、设计任务学生根据控制要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的理论知识，进行自动售货机运行原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。主要内容包括：1. 设计出硬件系统的结构图、接线图等；2. 系统有启动、停止功能；3. 运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；4. 程序结构与控制功能自行创新设计；5. 进行系统调试，实现自动售货机的控制要求。三、设计报告课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。目录第1章 绪论 3第2章 可编程控制器PLC 的介绍42.1 可编程控制器PLC 42.2 PLC目前的主要品牌 6第3章 自动售货机PLC设计 73.1 硬件设计分析 73.2 软件设计分析 93.3仿真与分析 12结束语 16参考文献 17第1章 绪论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。它的出现是劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。消费模式和销售环境的变化，要求新的流通渠道，相对于超市、百货购物中心等流通渠道而言，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需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。采用可编程控制器实现自动售货机的系统设计，不仅编程方便，而且增强了系统的抗干扰能力。随着科技的发展和社会的进步, 自动化商业机械有了越来越广泛的应用, 自动售货机作为自动化商业机械的代表被广泛用于公共场所。人们通过自动售货机可以买到食品、香烟、饮料、报纸、票、卡甚至鲜花和小宠物等物品。自动售货机实现了商品需求化、性能多样化的发展, 又由原来只能出售有限商品品种, 转变为继百货公司、超级市场、便民店之后,以消费者与售货机“一对一”自动售货的无店铺销售业态。自动售货, 给人们的生活带来了极大的方便。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。售货机的最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:售货机应该能够显示已投入的币值，以及再投入货币累计显示;同时提示可以购买的商品(或商品的编号)。当按下选择商品的按钮时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去该商品的价格，同时起动相应的电机，提取该商品到出货口，此时售货机继续等待外部命令，如继续交易，则同上，如果此时不再购买，则按下退币按钮，售货机进行退币操作，退回相应的货币,并在程序中清零，完成此次交易。第2章 可编程控制器PLC介绍2.1 可编程控制器PLC2.1.1 PLC概述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具有体积小、结构简单、操作方便、可靠性好等特点。2.1.2 PLC的发展前景PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下几个方面。向小型化、专用化、低成本方向发展向大容量、高速度方向发展智能型I/O模块的发展基于PC的编程软件取代编程器PLC编程语言的标准化PLC通信的易用化组态软件与PLC的软件化PLC与现场总线相结合开发新型特殊功能模块CPU的处理速度进一步加快2.1.3 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）。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状态读取输入处理通信要求自诊断检查改写输出STOP状态图2-1 各阶段处理任务2.1.4 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2-2所示。 图2-2 PLC的扫描全过程 2.1.5 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。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。图2-3 PLC硬件结构图2.1.6 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）。2.1.7 PLC的特点抗干扰能力强，可靠性好控制系统结构简单，通用性强编程方便，易于使用功能完善体积小，维护操作方便易于实现网络化可实现三电一体化2.2 PLC目前的主要品牌德国有西门子，日本有OMRON 三菱、日立、东芝、松下、富士， 美国有GE施奈德、IPM、AB公司等PLC生产厂家。第3章 自动售货机的PLC设计3.1 硬件设计分析3.1.1控制要求分析自动售货机的基本功能就是对投入的钱币数进行计算，然后根据运算结果做出相应的判断，看看哪种商品可以进行购买，哪种商品不能购买，本次课程设计的要求是可识别三种钱币，分别是1元、5元、10元，采用三个按钮进行模拟，自动售货机共出售3种货物，其价格分别定为12元、15元、20元，当投币数大于等于货物价格时，该种货物的指示灯亮，表示可以进行购买，3种货物分别用3个信号灯进行指示。除此之外，本次设计还涉及了显示、找零等功能的实现，其中显示部分采用数码管进行显示，PLC的外围接口由两个CD4511连接两个数码显示管，以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。整个系统由三个可以感受到投币量的传感器、六个按钮开关、三个指示灯、和两个七段数码管和两片CD4511组成。自动售货机的基本功能就是对投入的钱币数进行计算，然后根据运算结果做出相应的判断，看看哪种商品可以进行购买，哪种商品不能购买，本次课程设计的要求是可识别三种钱币，分别是1元、5元、10元，采用三个按钮进行模拟。除此之外，本次设计还涉及了找零功能的实现。整个系统由三个可以感受到投币量的传感器、六个按钮开关、三个指示灯组成。3.1.2 I/O点统计输入输出输入点数量输出点数量投币孔3够买商品指示3商品选择3输出商品3退币1退币2启动1数码管显示7停止1合计9合计15表3-1 I/O点统计3.1.3 PLC选择现在世界上PLC的生产厂家有200多家，提供400多个品种的PLC供用户选择，目前我国市场上主要的PLC产品有：西门子公司的S7-400/300/200系列、施奈德公司的momentum等、还有就是日本的欧姆龙、三菱、松下等公司的产品。西门子公司生产的PLC可靠性高，特别适用于大的工业控制系统，造价比较高，对于小型的自动售货机的控制系统来说成本过高。目前我国市场上主流的小型的三菱PLC比较合适此设计控制，三菱公司生产的小型PLC的代表为FX-2N系列的PLC、它具有丰富的内部资源：程序存储器具有16K步的最大存储容量，128种应用指令，还具有184点8进制编号的输入点数，184点8进制编号的输出点数，普通型、掉电保持性和赋予特殊用途型三种内部继电器，以及状态寄存器、定时器、计数器、数据寄存器、常数与指针等功能与资源。可靠性高、造价低，对于自动售货机的控制中心就特别的合适。因此，本次设计采用的PLC为三菱公司生产的FX-2N系列PLC软组件，控制系统选用FX2N-32MR-001，I/O点数各为16点，可以满足要求，且有一定裕量。3.1.4 CD4511七段数码管译码器CD4511是一组用来作为BCD对共阴极LED七段显示器译码的包装。其引脚图，其各引脚功能如下： LT：做灯泡测试用，当LT=0，则不论其它输入状态为何，其输出abcdefg=1111111，使七段显示器全亮，即显示8，以便观测七段显示器是否正常。当LT=1，则正常解码。BI：空白输入控制，当BI=0 (LT 为1 时) 则不论DCBA 之输入为何，其输出abcdefg皆为0，即七段显示器完全不亮，此脚可供使用者控制仅对有效数据译码，避免在无意义的数据输入时显示出来造成字型的系乱。LE：数据栓锁致能控制；在CD4511 中，不但具译码功能，更具有数据栓锁的记忆功能。当LE=0 时(LT=1 且 BI=1)，DCBA 数据会被送入IC 的缓存器中保存，以供译码器码；当LE=1 时，则IC 中的暂存器会关闭，仅保存原来在LE=0 时的DCBA数据供译码器译码。换句话说当LE=1 时，不论DCBA 的输入数据为何，皆不影响其输出，其输出abcdefg 仍保留原来在LE 由0转为1以前的资料。图3-1 CD4511引脚图3.2 软件设计分析3.2.1 I/O分配表此次设计的PLC控制的自动售货机控制系统的I/O分配表如下：输入输出输入点功能输出点功能X01元投币孔Y0够买汽水指示X15元投币孔Y1够买花茶指示X210元投币孔Y2够买咖啡指示X3汽水选择Y10输出汽水X4花茶选择Y11输出花茶X5咖啡选择Y12输出咖啡X6退币Y13退10元X7启动Y14退1元X8停止表3-2 自动售货机 I/O分配表3.2.2 系统流程图图3-1 系统总体结构流程图3.2.3 系统软件设计梯形图程序梯形图如下：3.2.3 自动售货机控制系统外部接线图图3-2 自动售货机外部接线图3.3 仿真与分析3.3.1 仿真设计仿真程序的编写利用利用组态软件FORCECONTROL2.6，下位机程序的编辑则用PLC专用FX-20P-E编程器完成的。PLC程序已经介绍，现在我们看一下仿真界面设计。1销售机背景的设计售货机背景是一个不动的画面，可以利用图片处理的方法按照制定样式的功能画出售货机的整体。先分几部分进行仿真设计，如图3-3所示。2显示屏部分的设计显示屏部分的设计利用了组态软件设计两个显示画面，一个是未交易时初始状态的欢迎界面如图3-4，在交易过程中的币值显示画面如图3-5所示 ，其中图3-3中的欢迎字符是可以闪烁变化的，aaaa字符可以显示系统时间，图3-5中的8888用来显示币值，它们均是可以定义的变量。图3-3售货机背景 图3-4 欢迎界面 图3-5币值界面3标签设计电子标签用来显示程序中传上来的价格，所以其中要有可以定义的字符，所以标签设计为，其中“J.03显示03商品价格的变量。4按钮设计“选择”按钮的设计要反映出可以购买和不可以购买的差异，所以其中也要有可以变化的字符，设计如右图，其中字符“选择”在满足条件下可以闪烁变色，退币按钮设计成样式，按钮均可以动作。5投退币提示框设计投退币提示框要有可已投入的硬币，确认按钮以及框架，其中硬币、确认按钮和字符“a”均是可以定义的变量 图3-6投币提示框 图3-7 退币提示框6出货框的设计出货框中要有01-03商品的示意图以及框架，其中商品在满足条件后可以出现，鼠标点击后可以消失，因此也是可定义的变量效果如图3-8所示图3-8 出货框3.3.2 仿真结果及分析1首先接好系统的硬件电路，然后将梯形图下载到PLC中，再运行程序。运行结果图如下： 图3-9 运行结果图2结果分析该系统程序设计较全面地演示自动售货机的使用功能； 通过修改PLC控制程序， 可在自动售货机上实现多种控制方式、销售方式、销售种类。自动售货机可以根据投入的钱币自动付货。它根据投入钱币的多少，提示你可以买什么东西，再按一下相应的按钮，购买的饮料就可以从出口处提出，出口处提示用户将物品拿走，不买东西了就按下退币按钮，将多余的钱币取回。在交易的过程中，币值界面会显示投入钱币的金额、消费钱币的金额、余额。经过认真的调试，使整个系统能够按照要求完成各种工作，FX-2N系列PLC控制的自动售货机的设计工作也最终完成。结束语通过一周的PLC的课程设计，在自己的努力下，最终完成FX-2N系列PLC控制自动售货机系统的设计。本控制系统就是充分利用了PLC、接口电路芯片。实现了对自动售货机的控制，达到了设计的目的。这次设计的PLC控制自动售货机系统的主要内容包括设计出了硬件系统的接线图、梯形图等；并且系统具有启动、停止功能；运用功能指令进行PLC控制程序设计；还进行了系统调试，实现自动售货机的控制要求。在设计中运用所学的理论知识，进行自动售货机运行原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。综合运用了所学的知识，理论与实际相结合，提出并论证设计方案，然后进行软、硬件的设计、制作与调试，最后获得正确的结果。加深了对所学理论知识的巩固，加强了建立PLC控制工业机械和生产过程系统的整体概念，初步掌握了PLC控制工业生产和社会生活的软、硬件开发方法，为以后进行实际的PLC软、硬件应用开发奠定了良好的基础。与此同时，也加强了我们对问题的分析解决能力，为以后的毕业设计和毕业后的工作做了充分的准备。参考文献1 程周.可编程序控制器原理与应用M 北京：高等教育出版社， 2003年2 王永华.现代电气控制及PLC 应用技术 北京：北京航空航天大学出版社，20003 常晓玲.电气控制系统与可编程控制器北京：机械工业出版社，2008.4 吴建强，姜三勇.可编程控制器原理及应用 哈尔滨工业大学出版社，20005 吴中俊，黄永红.可编程序控制器原理及应用 北京：机械工业出版社，20036 张万忠，刘明芹.电器与PLC控制技术 北京：化学工业出版社。20037 史国生.电气控制与可编程控制技术3版 北京：化学工业大学出版社，2010