PLC自动贩卖机.docx
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PLC自动贩卖机.docx
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PLC自动贩卖机
基于PLC的自动售货机控制系统设计
摘要
本论文设计的是基于西门子S7-200系列PLC的自动售货机系统,本文对自动售货机的方案进行了详细描述,介绍了自动售货机的发展史与现状、PLC的基本组成、特点和它的工作原理。
介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程,详细描述一次交易过程,把交易过程分为几个程序块:
计币系统、比较系统、选择系统、饮料供应系统和退币系统,然后使用STEP7-Micro/WIN编程软件分别对这五个程序块分别进行编程。
再利用MCGS组态软件对自动售货机进行仿真,模拟自动售货机的工作过程,更加直观形象。
基于PLC控制的自动售货机大大地提高了系统的稳定性,保证了自动售货机能够长期稳定的运行。
关键词:
PLC自动售货机I/O点的分配监视与控制通用系统
DesignofvendingmachinecontrolsystembasedonPLC
Abstract
Inthispaper,thedesignofautomaticvendingmachinesystembasedonPLCisintroduced.Theprojectoftheautomaticvendingmachineisdescribed.Thearticleintroducesthedevelopmenthistoryandcurrentsituationoftheautomaticvendingmachine.Thebasiccomposition,characteristicsandworkingprinciplesofPLCisalsointoduced.Thispaperintroducesthebasicprincipleandworkingprocessofautomaticvendingmachine.Toprocessatransaction,forexample,thetransactionprocessisdividedintoseveralblocks:
metercurrencysystem,comparisonsystem,selectionsystem,watersupplysystemandrefundsystem.AndthenIuseSTEP7-Micro/WINtoprogramthefiveblocks.Afterthat,theMCGSconfigurationsoftwareisusedtosimulatetheworkingprocessofthevendingmachinewhichmakesitmorevisual.ToimprovethesystemstabilityIusethePLCtocontrolvendingmachineandguaranteethestabilityofvendingmachines.
KeyWords:
PLC;Vendingmachine;DistributionofI/O;MCGS
第一章绪论
1.1自动售货机的发展史与现状
自动售货机可以完成无人自动售货,它是集光、机、电一体化的商业自动化设备。
自动售货机可以不受任何场地的限制,因为方便快捷,可以每天24小时地售货,因此非常受人们的欢迎,很多公共场所里面都放置有自动售货机,出售的商品种类丰富多彩,有饮料、香烟、零食、牙刷、方便面等。
近年来,我国的自动售货机行业也是突飞猛进:
在汽车火车站、商业区、医院、街道、学校等地区纷纷涌现出各类自动售货机。
这种购物方式方便快捷,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[1]。
在中国,自动售货机产业将会成为继百货商店、超市之后掀起第三次零售业革命,它的前景非常广阔。
贩卖的商品可根据摆放场所量身定制,比如冷热饮料、零食、纸巾及一些常用药品等。
并且,通过这种智能售货系统,可以把存货、物流、销售等信息及时地反馈给管理人员,大大地节省了人力资源。
在国外,自动售货机发展相对而言更加成熟。
在日本的自动售货业有很多种商品类型。
而在美国,运营商很多家,并且具有与大饮料商、大食品商的合作经验。
在日本,自动售货机无处不在,24小时供应,自动售货机很受特别忙碌的上班族欢迎。
传统的自动售货机的控制核心一般采用单片机,在输入输出端口做了很多的工作,但是其抗干扰能力相对比较差。
而PLC是引入了微电子、计算机、自动控制和通讯等技术,由此形成的一代新型工业控制装置,目的是用来替代执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能,建立友好的可编程控制系统。
由于PLC具有功能完善,组合灵活,扩展方便,实用性强、抗干扰能力强、安装维修方便等优点,这些因素使得PLC在工业控制上备受人们的欢迎,从而得到特别广泛的应用。
如今我国的自动售货机发展前景十分好,随着社会生产力的发展和科学技术在生产生活中的应用,劳动密集型产业将逐渐向资本密集型产业和知识密集型产业发展。
自动售货机顺应时代发展潮流,解放了人力,符合社会发展要求,将会得到更快更好的发展。
1.2自动售货机的工作原理
(1)从投币口投入货币,通过传感器采集数据、硬币纸币识别器判别人民币的真伪和面值。
(2)识别器把信息数据传输给通信模块。
(3)通信模块与售货机的主控系统通信,主控系统启动售货机的面板键,显示出哪个货道有货,哪个货道已售完,并等待顾客按键选择商品。
(4)顾客选择商品后,根据商品的不同选择相应的电磁阀把商品送出。
(5)如果金额还有剩余,顾客可以选择退币或再次购买商品;如果余额不足,摁下退币按钮,售货机经过延时予以退币。
(6)系统复零,完成一次售货。
图1-1自动售货机工作原理
第二章PLC概述
2.1PLC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,世界上生产PLC中最有名气的厂家在日本、美国和德国。
德国西门子公司生产的PLC包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等,西门子S7系列PLC具有体积小、速度快、功能更强、可靠性高等优点,所以在中国的应用相当广泛。
PLC发展到今天已经有很多种形式,而且功能也不尽相同,PLC的I/O点数表明了PLC可以从外部接收输入信号的多少和向外部发出输出信号的多少,实际上也就是PLC的输入/输出端子数。
I/O点数的多少可以显示其控制规模。
根据控制规模的大小可将PLC分为小型机、中型机和大型机。
(1)小型机:
小型PLC的功能一般以开关量控制为主,小型PLC输入/输出总点数一般在256点以下。
现在的高性能小型PLC还具有一定的通信能力和少量的模拟量处理能力,这类PLC的特点是价格低廉、体积小巧、适合于单机控制和小型系统的控制。
典型的小型机有三菱公司的FI系列,西门子公司的S5-100U,S7-200系列等。
(2)中型机:
I/O控制点一般不大于2048点称为中型机,它可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制,因为它具备逻辑运算功能,还增加了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送、数据通信等功能,。
中型机的软件比小型机丰富,在已固化的程序内,一般还有PID(比例、积分、微分)调节,整点/浮点运算等功能模板。
中型机的特点是功能强,配置灵活,可用于对设备直接控制,还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控,适合中性或大型控制系统的控制。
典型的中型机有西门子公司的S7-300等。
(3)大型机:
I/O总点数一般大于2048点的称为大型机,大型PLC的功能更加完善,具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印等功能。
监控系统采用CRT显示,能够表示生产过程的工艺流程,记录各种曲线,PID调节参数选择图等,能进行中断控制、智能控制、远程控制等。
大型机的特点是I/O点数特别多,控制规模宏大,组网能力强。
可用于大规模的过程控制,构成分布式控制系统,或者整个工程的集散控制系统。
典型的PLC大型机有西门子公司的S7-400,欧姆龙公司的CVM1和CS1系列,AB公司的SLC5/05等系列产品。
2.2PLC工作原理
PLC的工作原理是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。
PLC采用的是一个不断循环的顺序扫描工作方式。
CPU从第一条指令执行开始,按照顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束;然后返回第一条指令,开始新的一轮扫描。
PLC工作时的扫描过程包括五个阶段:
内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行和输出处理。
当PLC投入运行后,其工作过程一般可以分为三个阶段:
输入采样、执行用户程序和输出刷新。
一个扫描周期就是指完成上述这样三个阶段。
2.2.1输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC首先按顺序扫描所有输入端子,并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。
此时,输入映像寄存器被刷新。
在此程序执行阶段和接下来的输出刷新阶段,输入映像寄存器与外界隔离,即使此时外部输入信号的状态发生变化,也只能在下一个扫描周期的输入采样阶段去读取。
2.2.2执行用户程序阶段
在执行用户程序阶段,PLC总是按由上而下从左到右的顺序依次地扫描用户程序,每扫描到一条指令,所需要的输入信息的状态就要从输入映像寄存器中去读取,而不是直接使用现场的即时输入信息。
对于其他信息,则是从PLC的元件映像寄存器中读取,在这个过程顺序扫描中,每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中,这样该元素的状态马上就可以被后面将要扫描到的指令所使用。
对输出继电器的扫描结果,也不是马上去驱动外部负载,而是将其结果写入元件映像寄存器中的输出映像寄存器中,待整个用户程序扫描阶段结束后,进入输出刷新扫描阶段,成批地将输出信号状态送出去。
2.2.3输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。
此阶段用时极短,用户程序全部扫描后,就已经定好了某一输出位的状态,进入这段的第一步时,信号状态已送到输出映像寄存器中,也就是说输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。
然后再把次数据推到锁存器中锁存,最后一步就是将锁存器的数据再送到输出端子上去。
这时,才是PLC的真正输出。
2.3PLC硬件组成
PLC的硬件主要由中央处理器(CPU)、存储器(MEMORY)、输入/输出(I/O)接口、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。
图2-1PLC硬件结构图
2.4PLC特点
(1)功能完善,组合灵活,扩展方便,实用性强。
现代的PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能,而且还具有数据处理、传送、算术运算、远程I/O、通信等功能。
(2)使用方便,编程简单,采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言,而无需计算机知识,因此系统开发周期短,现场调试容易。
(3)安装简单,容易维修。
PLC的故障率很低,而且还具有完善的自诊断和显示功能。
一旦PLC本身或外部输入或输出设备发生故障,可以根据PLC的发光二极管或者编程软件提供的信息有针对性的查明故障,而且能迅速排除。
也可以采用更换模块的方法,既不耽误生产又可以留下维修的时间。
(4)抗干扰能力强,可靠性高。
传统的继电器控制系统硬件元件和连接导线较多,因此极易发生触点接触不良,导线松动和虚接的故障。
PLC则采用软件编程代替了大量的中间继电器和时间继电器,仅仅保留少量必要的输入输出硬件元件和接线,因此降低了故障的发生率,可靠性大大提高。
PLC在硬件和软件上都采取了相应的措施,比如硬件方面采用了隔离措施、滤波措施、屏蔽措施以及备用电池等,而软件方面采用了自诊断和设置看门狗时钟等措施,大大地加强了其抗干扰能力[16]。
(5)环境要求低。
PLC可以在很多恶劣环境下工作,比如高温、振动、冲击和粉尘等,还能在强电磁干扰环境下可靠工作。
第三章自动售货机硬件设计
3.1硬件电路组成框图
自动售货机的系统设计中,PLC是控制核心,当用户投入钱币后,由硬币识别器或者纸币识别器识别真假,并将数额输入PLC,PLC将根据钱币的数额输出显示指示灯。
用户再根据自己的需要按下商品选择开关,或者退币按钮,PLC根据用户的选择驱动各输出继电器。
图3-1硬件电路组成图
3.2主要硬件选型
3.2.1硬币识别器
型号:
BD-8G
适用硬币:
直径ɸ18mm-ɸ32mm;厚度1.2mm-3.2mm
工作电压:
DC+12V.功耗:
静能0.5mW;动能0.5W
工作温度:
-20℃~+50℃
图3-2硬币识别器
3.2.2纸币识别器
型号:
JCM纸币识别器DBV
纸币接受率:
95%以上.
工作环境:
工作温度:
-15°Cto+60°C;
存储温度:
-20°Cto+60°C;
湿度:
15%to95%withnocondensation
钞票尺寸:
宽度:
62mm~72mm;长度:
120mm~160mm
验钞速度:
从纸币插入到确认信息输出大约2秒,从纸币进入钞箱到叠放完毕大约3秒
图3-3纸币识别器
3.2.3电磁阀
国内外的电磁阀从原理上分为三类(即:
直动式、分步直动式、先导式),而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类(直动膜片结构、分步膜片结构、先导式膜片结构、直动活塞结构、分步活塞结构、先导活塞结构)。
本设计主要采用的是直动势电磁阀。
原理:
通电时,电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起,阀门打开;断电时,电磁力消失,弹簧力把关闭件托在阀座上,阀门关闭。
特点:
在真空、负压、零压时能正常工作,但一般通径不超过25mm。
图3-4电磁阀
3.3I/O点分配
I/O点指输入/输出点,I指input,O指output,它是PLC中非常重要的一个技术参数,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。
以下是本设计中的I/O分配表:
表3-1输入接口
输入设备
输入继电器
代号
功能
SA1
一元投入行程开关
I0.0
SA2
五元投入行程开关
I0.1
SA3
十元投入行程开关
I0.2
SA4
退币行程开关
I1.0
SB1
买矿泉水按钮
I1.1
SB2
买可乐按钮
I1.2
SB3
买面包按钮
I1.3
SB4
买巧克力按钮
I1.4
SB5
买牛奶按钮
I1.5
SB6
买芬达按钮
I1.6
表3-2输出接口
输出设备
输出继电器
代号
功能
YA
退币执行机构
Q0.0
YV1
放矿泉水电磁阀
Q0.1
YV2
放可乐电磁阀
Q0.2
YV3
放面包电磁阀
Q0.3
YV4
放巧克力电磁阀
Q0.4
YV5
放牛奶电磁阀
Q0.5
YV6
放芬达电磁阀
Q0.6
HL1
矿泉水指示灯
Q1.1
HL2
可乐指示灯
Q1.2
HL3
面包指示灯
Q1.3
HL4
巧克力指示灯
Q1.4
HL5
牛奶指示灯
Q1.5
HL6
芬达指示灯
Q1.6
3.4PLC选型
西门子公司的S7-200系列的PLC,许多的功能已经达到大、中型PLC的水平,它可以提供四种不同的基本单元和六种型号的扩展单元,其系统构成包括基本单元,扩展单元,编程器,存储卡,写入器,文本显示器等。
本例中十个输入点十三个输出点,SIEMENSS7-200CPU226CN基本单元集成的I/O数量是40,24个I点,16个O点,所以本例中选择PLCSIEMENSS7-200CPU226CN。
3.5外部接线图
图3-5外部接线图
第四章自动售货机程序设计
4.1自动售货机基本功能
在日常生活中,我们活动的周围环境里逐渐出现了很多无人自动售货机的身影,比如地铁里、校园中、路边上,节约了人们的时间,加快了人们生活的节奏。
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。
本文中举一例做出设计。
售货机中有六种商品,分别为矿泉水、可乐、面包、巧克力、芬达、牛奶,它们的价格分别为一元、两元、三元、四元、三元以及两元。
投币可投一元、五元和十元的币值。
若现在投币五元,则所有商品的指示灯全亮,表示均可购买。
此时若按下购买可乐的按钮,则巧克力的指示灯灭,剩下的还亮。
售货机进行减法运算,从投入的货币总值中减去可乐的价格同时启动相应的电磁阀,提取可乐出货口。
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。
图4-1软件流程图
4.2梯形图简介
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,这种编程语言是应用最广泛的PLC的编程语言,是PLC的第一编程语言。
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。
图4-2梯形图
4.3STEP7-Micro/WIN编程软件简介
STEP7-Micro/WIN32是基于Windows的应用软件,运行Windows95/98/NT/ME和Windows2000以及WindowsXP操作系统的计算机,内存8MB以上,硬盘空间50MB以上,VGA显示器,支持鼠标,具有RS-232口或USB口,都可以安装。
它的基本功能是协助用户开发应用软件。
在STEP7-Micro/WIN32环境下可创建用户程序,修改和编辑原有的用户程序,进行用户所编辑程序的管理。
该软件还具有语法检查功能,可在编程中检查用户程序的语法错误。
利用该软件的监控功能还能实现用户程序的调试与监控[18]。
4.4梯形图程序
4.4.1投币状态
投入一元,加法器加上一。
投入五元,加法器加上五。
投入十元,加法器加上十。
矿泉水价格为一元,可乐两元,面包三元,巧克力四元,牛奶两元,芬达三元,若退币电磁阀未执行,投入钱币金额大于等于商品价格,则商品对应指示灯亮。
4.4.2购买状态
按下购买矿泉水按钮后,且退币执行未执行,当钱币总金额大于等于一元时,放矿泉水电磁阀开启两秒,放出矿泉水,电磁阀关闭。
放出矿泉水后,减法器减一。
设置定时器
按下购买可乐按钮后,且退币执行未执行,当钱币总金额大于等于两元时,放可乐电磁阀开启两秒,放出可乐,电磁阀关闭。
放出可乐后,减法器减二。
设置定时器
按下购买面包按钮后,且退币执行未执行,当钱币总金额大于等于三元时,放面包电磁阀开启两秒,放出面包,电磁阀关闭。
放出面包后,减法器减三。
设置定时器
按下购买巧克力按钮后,且退币执行未执行,当钱币总金额大于等于三元时,放巧克力电磁阀开启两秒,放出巧克力,电磁阀关闭。
放出巧克力后,减法器减四。
设置定时器
按下购买牛奶按钮后,且退币执行未执行,当钱币总金额大于等于两元时,放牛奶电磁阀开启两秒,放出牛奶,电磁阀关闭。
放出牛奶后,减法器减二。
设置定时器。
按下购买芬达按钮后,且退币执行未执行,当钱币总金额大于等于三元时,放芬达电磁阀开启两秒,放出芬达,电磁阀关闭。
放出芬达后,减法器减去3。
设置定时器。
4.4.3退币状态
按下退币按钮后,只要钱币总金额大于0,退币执行电磁阀执行。
一秒退币一元,减法器减一。
设置定时器。
第五章MCGS仿真
5.1MCGS组态软件简介
MCGS即“监视与控制通用系统”,英文全称为MonitorandControlGeneratedSystem。
MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件,具有功能完善,操作简单,可视性好,可维护性强的突出特点。
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议,并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。
组态(configuration)意思就是模块的任意组合,采用组态技术构成的计算机系统在硬件设计上,除采用工业PC机外,系统大量采用各种成熟通用的I/O接口设备和现场设备,基本不再需要单独进行具体电路设计。
这不仅节约了硬件开发时间,更提高了工控系统的可靠性。
在软件设计上由于采用成熟的工控开发的工具软件,它为用户提供了多种通用工具模块,用户不需要掌握太多的编程语言技术(甚至不需要编程技术),就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。
工控组态软件集成了图形技术、人机界面技术、数据库技术、控制技术、网络与通信技术,使控制系统开发人员不必依靠某种具体的计算机语言,只需通过可视化的组态方式,就可完成监控程序设计,降低了监控程序开发的难度。
组态软件均具有良好的扩展性、兼容性,软件结构开放,可接受各种形式的数据格式。
同时,支持的硬件类型也十分广泛[17]。
工控组态软件的出现,使得大型工业控制系统的组态编程变得十分得简单、容易,工程设计人员不用再设计那些复杂的应用程序(如I/Odriver等)。
工控组态软件的功能包括数据库生成、历史库生成、图形生成、报表生成、顺序控制功能、连续调节功能。
5.2工程建立
5.2.1试验状态假设
由于在计算机上模拟运行,试验中有一些区别于实际情况的假设。
本例中假设:
(1)在计算机上自动售货机只售六种商品。
(2)自动售货机可识别10元、5元和1元的纸币或硬币。
(3)试验中售货机忽略了各种故障以及缺货等因素。
5.2.2一次交易过程分析
为了方便分析,以一次交易过程为例
(1)初始状态。
标签显示各商品价格,显示屏显示友好界面。
(2)投币状态。
选择性地投币一元五元或者十元,显示屏显示投币总金额,已消费金额以及余额数值,当所投币值超过或等于商品价格时,相应价格商品指示灯发生变化,提示可以购买。
(3)购买状态。
按下指示灯亮的商品选择按钮,所选商品出现在取货处,同
时显示屏上的金额数字根据消费情况相应变化。
(4)退币状态。
若余下金额大于0,按下退币按钮,则系统退币。
至此,自动售货机的一个完整工作过程结束。
5.3建立画面
5.3.1商品分类
(1)矿泉水1元
(2)可乐2元
(3)面包3元
(4)巧克力4元
(5)牛奶2元
(6)芬达3元。
5.3.2窗口显示
图5-1自动售货机界面显示
(1)画面搭建好后,设置循环脚本程序为:
//投币总金额//
aco=coin_1+coin_
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