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毕业论文PLC控制的自动售货机
摘要
随着社会不断的进步,机械化程度的迅速发展,自动化控制已在人们的生活中得到了广泛的运用,给人们带来了便利。
本论文利用PLC自动控制具有功能完备、灵活性、通用性好,程序输入方法简化,操作简单等优点,设计出了PLC自动控制售货机,自动售货机是一种高智能化的产品,操作简便,可以充分补充人力资源的不足,这种自动售货机外型结构体积小,安置区域广,给人们的生活带来了具大的方便。
该论文设计介绍了自动售货机的结构组成,包括投币控制按钮、选择饮料按钮、退币按钮、输出饮料端口、找钱端口和一些对应的指示灯;根据设计需要和经济综合因素的考虑,选用FX2N-32R型PLC的控制,这样就能够满足输入与输出控制,在设计中给出了控制系统的软硬件设计,并用GX7CH软件进行对梯形图的输入、调试与仿真,能够完全符合设计需求。
关键词:
自动售货机,可编程序控制器,梯形图
绪论
自动售货机是可完成无人自动售货,集光、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,很多城市的公共场所里面都放置有自动售货机。
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。
可编程序控制器(PLC)是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置,它具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点,已在工业控制领域得到广泛地应用。
本课题基于PLC实现自动售货机控制系统的硬件设计和软件设计。
自动售货机行业长期以来在美国、日本等国家得到迅猛发展,目前已在45个国家得到广泛普及。
据业内人士估计,中国的自动售货机拥有量仅有2万台,相对于13亿的人口大国和零售业态发展的趋势而言,中国自动售货机行业的发展空间将更加广阔。
可编程序控制器(PLC)是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置,它具有可靠性高、程序简单、维护方便等优点,已在工业控制领域得到广泛地应用,因为自动售货机作为社会上完成商品零售和综合服务的独立设施,要求它的结构必须可靠、稳定和执行效率高。
利用三菱FX-2NPLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性,保证自动售货机能够长期稳定运行。
本文就详细地介绍一种用三菱FX-2NPLC实现的自动售货机控制系统的硬件设计和软件设计,并编写了系统程序总框图和一个具体的梯形图,经实践验证该控制系统是可行的。
第1章PLC的概述
1.1PLC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。
(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和知识的人在几天内就能学会,只是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)短设计、施工、投产试制周期,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
1.2PLC与其它工业控制装置的比较
(1)PLC与集散控制系统
PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来,初期的功能是以数字量的顺序控制为主。
随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的发展,PLC在逻辑运算、璧还调节的功能,运算速度提高,输入输出规模扩大,并开始与小型计算机联成网络,构成以PLC为重要部件的初级分散控制系统。
集散控制系统是由回路仪表控制系统发展而来,初期的功能以回路调节为主。
随着微处理器和单片机的出现,他把顺序控制技术、数据采集、过程控制的模拟量仪表和过程监控装置等有机的结合在一起,形成了新一代的集散型控制系统。
可见,不论是PLC还是集散系统,在发展过程中,始终是互相渗透,互相补充。
新一代的PLC增强了模拟量控制功能,可配备各种智能模块,具有了PID调节功能和构成网络系统、组成分级控制的功能。
集散系统既有单回路控制功能,也有多回路控制功能,同时也有顺序控制功能。
因此,当今的PLC与集散控制系统的发展越来越接近,很多生产过程的控制既可用PLC实现,也可用集散系统来实现。
(2)PLC与工业控制计算机
工业控制计算机是指能够提供各种数据采集和控制功能,能够和工业对象的传感器、执行机构直接接口,能够在恶劣的工业环境可靠运行的计算机系统。
工业控制机是由通用微机推广应用发展而来,硬件结构方面总线标准化程度高,品种兼容性强,软件资源丰富,特别是有实时操作系统的支持,故对要求快速,实时性强,模型复杂的工业对象的控制占有优势。
但是,使用工业控制机的人员的技术水平要求较高,一般具有一定的计算机专业知识。
工业控制机在整机结构上尚不能适应恶劣的工作环境,因而,不如PLC那样容易推广。
PLC是专为工厂现场应用环境而设计的,结构上采用整体密封或插件组合型,并采用了一系列抗干扰措施,在工业现场使用有很高的可靠性;PLC是由电气控制厂家研制出来的,采用梯形图语言编程,使熟悉电器控制的人员易学易懂,易于推广。
但是,由于PLC的运行方式不同于工业微机,微机的很多软件还不能直接应用;且PLC的标准化程度较低,各厂家的产品不通用,因此在开发上不如工业控制机那样有基础。
1.3PLC的应用场合
随着电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降,而其功能却大大增强。
目前在先进工业国家中PLC已经成为工业控制的标准设备,应用面几乎覆盖了所有的工业企业,诸如钢铁、冶金、采矿、水泥、石油、化工、轻工、电力、机械制造、汽车等等各行各业、特别是在轻工业中,因生产门类多,加工方式多变,产品更新换代快,所以PLC广泛应用在组合机床自动线、专用机床、塑料机械、包装机械、电梯等电器设备中。
PLC已经跃居现代工业自动化三大产柱(PLC、ROBOT、CAD/CAM)的主导地位[5]。
第2章自动售货机简介
2.1自动售货机的简介
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、常用药品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,并做出相应的反应,自动售货机是可完成无人自动售货,集光、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,很多城市的公共场所里面都放置有自动售货机。
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。
从广义来讲自动售货机就是在投入钱币后便可以销售商品的机械,从狭义来讲就是自动销售商品的机械。
从供给的条件看,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,有吸引人们购买的好奇心的自身性能,可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。
2.2采用PLC控制售货机的原因
价格仅是选择PLC品牌的一个因素,而可靠性是选择时需要考虑的又一个因素。
从设计、生产周期长短考虑,不论是老设备改造,还是设计新的生产机械设备,毫无疑问,生产、设计周期越短越好,甚至希望能够边设计、边安装、边调试和生产,特别是产品更新换代,生产工艺改造,不需改动现有生产设备及其外部接线,就能马上组织生产,这不仅节约了劳动力,而且新产品能尽快投入市场。
这无疑给企业增加了活力,提高了经济效益。
如果把这些要求得以实现,继电器或半导体都不能满足,而PLC则完全可以实现。
这是因为若用PLC不必改动外部设备接线,只要在软件上做文章就可以了。
也就是说只要改变梯形图,按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程序即可。
这既经济又简捷,可以达到事半功倍的目的。
众所周知,目前我国75%的生产机械设备,都是采用继电器控制,除了可靠性差外,设计程序也很繁杂。
从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计,图面的工作量很大,这势必造成设计周期长。
而采用PLC控制可以大大缩短设计周期,甚至有些文件资料也不必绘制成图。
设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入,或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。
编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求,重新编写程序并把它存储在EEPROM模块中去,需要加工哪个产品的程序,操作人员可以随时调用,这既方便、简单又可保密。
开发这种软件对优化生产过程,提高产品数量和质量,提高劳动生产率,非常具有实际意义。
仅此一点也深受生产及设计者的欢迎。
在现在科技成果迅猛发展的今天,市场经济的竞争就是利用最小的投资获取最大的利润,为了使人们在生活购物中得到方便,就出现了自动售货机。
对于一台自动售货机,如果采用电力机械来进行控制,会造成售货机有用价值空间少,浪费不必要的动力资源;如果采用液压系统控制,由于液压系统控制要求技术高,各种阀体和设备的组装较高,反应速度相对较慢,用于控制售货机的经济价值消费高,从利润价值观来考虑不适宜用于控制售货机。
采用单片机作为控制核心,这样不仅会在输入输出接口上做大量的工作,而且系统的抗干扰性也比较差。
但是PLC(即可编程序控制器)是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置,它不但可实现类似控制功能,还具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点,已在工业控制领域得到广泛地应用。
因为自动售货机作为社会上完成商品零售和综合服务的独立设施,要求它的结构必须可靠、稳定和执行效率高。
可以看出,采用PLC对自动售货机控制系统进行控制可以提高系统的稳定性和可靠性,这在现代化商业社会的今天尤为重要。
2.3自动售货机的功能
自动售货机应能够辨识机内包含的饮料,能够对所投入的币值进行累计,并提供该自动售货机最基本的功能即对投入的硬币进行感应,并根据所投入的硬币数值判断是否能够购买某种饮料,做出相应的反映。
当按下选择饮料的按钮时,相应的电磁阀起动,饮料开始供应,提取饮料到出货口,顾客取出饮料,完成此次交易。
它具有投币感应系统、比较系统、选择和饮料供应系统、退币系统、报警系统等来实现完整的售货功能。
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,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,并做出相应的反应。
售货机中有3种商品,可乐3元,绿茶3.5元,奶茶4.5元。
现投入钱币,当投入的货币超过可乐的价格时,可乐指示灯亮,提示可以购买,当投入的货币超过绿茶的价格时,绿茶指示灯亮,当投入的货币超过奶茶的价格时,奶茶指示灯亮,提示可以购买。
当按下可乐按钮时,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机,提取可乐到出货口。
买绿茶和奶茶操作同理。
操作完成后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,自动售货机进行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。
可通过操作属性把把自动售货机分为四个过程:
(1)投币过程
(2)价格比较过程
(3)选择商品过程
(4)退币过程
可把自动售货机工作过程分为4个状态:
(1)初始状态
(2)投币状态
(3)购买状态
(4)退币状态
初始状态,自动售货机内部各元件都处于复位状态,内部电机停止运转,等待投币操作。
投币状态。
按下投币按钮,显示投币框,按下所投币显示屏显示投入、消费、余额数值,当所投币超过商品价格时,相应价格选择按钮发生变化,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。
取走商品后出货框消失。
退币按钮。
按下退币按钮,显示退币框,同时显示出应退币值及数量。
按下确认钮,则恢复初始状态。
到此为止,自动售货机的一个完整工作过程结束。
2.4自动售货机工作原理与设计思路
本文设计的是售可乐、绿茶和奶茶三种饮料的自动饮料机,它的售货过程原理是:
(1)从投币口送入货币,然后经过传感器采集数据、识别器判别人民币的面值。
(2)识别器把信息数据传给通信模块。
(3)通信模块与售货机的主控系统通信,主控系统显示面值,启动售货机的面板键,显示出哪个通道有货,哪个通道已售完,并等待顾客按键选择商品。
(4)顾客选择商品后,根据售出的商品包装类型的不同,采用不同的驱动技术把商品送出。
(5)显示余额,如果金额足够多,顾客可以选择退币或继续买商品;如果款额不足,售货机经过延时予以退币。
退币时是采取由大额面值到小额面值输出钱币的顺序。
(6)系统复零,完成售货。
本次设计的题目是自动售货机,主要是应用三菱FX-2N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的编程语言、自动售货机的硬件组成等。
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,并反复调试做到程序无误。
具体的设计控制要求流程、软硬件组成图、梯形图将会在后面进行详细介绍。
第3章PLC自动售货机的硬件设计
3.1自动售货机的设计目的与设计要求
通过对自动售货机PLC控制系统的工作原理的分析、系统设计、编程、及上机调试工作的实践,了解电器控制系统的一般设计思路,熟悉和掌握外围电路系统和软件设计的方法。
自动售货机是机电一体化的自动化装置,在接受到货币已输入的前提下,靠触摸控制按钮输入信号使控制器启动相关位置的机械装置完成规定动作,将货物输出,自动售货机的实际要求如下:
(1)自动售货机可投入五角、一元和五元的钱币。
(2)所售饮料的价格为:
可乐——3元,绿茶——3.5元,奶茶——4.5元。
(3)当投入的钱币总值超过所购饮料的标价时,所有可购买饮料的指示灯均亮,作为购买提示(当投入的钱币总值超过3元,可乐指示灯亮;当投入的钱币总值超过3.5元时,绿茶和可乐指示灯亮;当投入的钱币总值超过4.5元时奶茶、绿茶和可乐的指示灯都会亮)。
(4)当可乐指示灯亮时,按选择可乐按钮,则排出可乐,8s后自动停止。
(5)当绿茶指示灯亮时,按选择绿茶按钮,则排出绿茶,8s后自动停止。
(6)当奶茶指示灯亮时,按选择奶茶按钮,则拍出奶茶,8s后自动停止。
(7)系统根据顾客投入的钱币,判断钱币是否足够,若足够则根据顾客的要求自动售货,投币不足则给出提示。
(8)购买饮料后,系统自动计算剩余钱币,若投入的钱币总值超过所需的钱数,则找钱指示灯亮自动售货机自动退出多余的钱。
动作停止后按退币按钮,可以退回余额,退回余额如果大于5元,则先退5元,再比较余额如果大于1元,再退1元,如果小于1元则直接退0.5元的。
(9)当退币或报警时则不能再投入钱币
3.2I/O分配表和PLC的选型
PLC容量的选择除满足控制要求外,还应考虑留有适当的余量,以作备用。
通常,一条逻辑指令占存储器一个字。
计时、计数、移位以及算术运算、数据传送等指令需占存储器的空间。
在选择存储器容量时,一般按实际需要的10%至25%考虑裕量。
I/O点数按实际需要的10%至15%考虑备用。
用户存储容量是指PLC用于存储用户程序的存储器容量。
需要的用户存储容量的大小由用户程序的长短决定。
I/O点数即PLC面板上连接输入、输出信号用的端子的个数,常称为点数,用输入的点数和输出的点数的和来表示。
I/O点数越多,外部可接入的器件和输出的器件就越多,控制规模就越大。
因此,I/O点数是衡量衡量PLC性能的重要指标之一。
国际上流行将PLC的点数作为PLC规模分类的标准,I/O点数在256点以下的为小型PLC,64点及64点以下的为微型PLC,总点数在2048点以上的为大型机。
PLC容量包括两个方面:
一是I/O的点数;二是用户存储器的容量(字数)。
PLC物理结构的选择:
本设计采用的是微型PLC,其中外部输入端有五角、一元、五元投入端口,可乐、绿茶、奶茶选择按钮,开始按钮,退币按钮;外部输出端有可乐、绿茶、奶茶指示灯,退币指示灯,可乐、绿茶、奶茶输出端口,退币端口,本设计采用一个小型电机控制电磁阀产生对饮料和钱币的输出,在选择饮料的同时会有相应的指示灯亮,其指示采用的电是经过变压器调制成的24V电压,安全可靠。
由此可知,系统所需的输入点数为8点,输出点数为11点。
根据以上分析,可选用32点(16I/16O)的PLC,现选用三菱公司的FX2N-32MR型PLC,这种类型的PLC能够满足功能的设计需要,又在经济上得到了节省,完全符合设计需求。
其PLC的I/O分配表如表3-1所示:
输入
输出
设备
输入
设备
输出
开始按钮
SB0
X000
可乐指示灯
HL2
Y010
0.5元
SB1
X001
绿茶指示灯
HL3
Y011
1元
SB2
X002
奶茶指示灯
HL4
Y012
5元
SB3
X003
找钱指示灯
HL5
Y016
可乐按钮
SB4
X004
可乐输出
YV1
Y013
绿茶按钮
SB5
X005
绿茶输出
YV2
Y014
奶茶按钮
SB6
X006
奶茶输出
YV3
Y015
退币按钮
SB7
X007
0.5元退币口
YV4
Y020
1元退币口
YV5
Y021
5元退币口
YV6
Y022
表3-1PLC的I/O接线表
3.3外部接线图
本系统是一个小型集中控制系统,PLC选型主要取决于控制系统输入、输出开关信号的数量、用户程序的长短及相关的功能。
根据控制要求,I/O点数在32个左右,选择性能价格比较适宜的三菱FX2n-32MR,其中其输入点为16点,输出点为16点,该PLC为继电器输出型。
了解各个控制对象的驱动要求,分析对象的控制要求,完成PLC硬件结构配置。
本设计中输入有开始按钮、钱币的投入按钮、选择饮料按钮、退币按钮;输出有指示灯显示输出、饮料输出、退币输出。
这些功能都能够通过PLC进行得到很好的控制;电机提供动力进行对饮料的输出。
根据上述要求,因条件所限输出均用指示灯代替,由此绘制出PLC控制电路接线图,如图3-2所示:
图3-2PLC外部I/O接线图
该PLC自动售货机I/O接线图中,PLC元件X004,X005,X006,X007是选择控制按钮,选择可乐,绿茶,奶茶。
线圈Y010,Y011,Y012,Y016,是作为指示灯的输出线圈。
当你投币,选择可乐、绿茶,或奶茶时的指示引导购物作用。
按钮和指示灯,直接明了,方便简单,易于操作。
3.4编程流程图
绘制出自动售货机PLC控制流程图,表达各控制对象的动作顺序,相互间的制约关系。
本文的流程图如图3-3所示:
图3-3编程流程图
第4章PLC自动售货机的软件设计
4.1系统涉及PLC指令简介
4.1.1比较指令CMP
比较指令在PLC控制系统中是一条十分重要的功能指令,它将[S1]、[S2]中的数据进行比较,比较结果送到目的操作数[D]中,如下图4-1所示,当X000为OFF时,不执行CMP指令,M10,M11,M12保持不变;当X000为ON时,执行CMP指令,[S1]、[S2]中的数据进行比较,即C10计数器值与K10(数值K10)比较。
如果C10当前值小于10,则M10=1;如果C10当前值大于10,则M12=1;如果C10当前值等于10,则M11=1。
图4-1CMP指令使用说明
4.1.2运算指令
运算指令有加法运算和减法运算,运用运算指令是用来计算钱币的总值和剩余的钱币。
加法运算:
加法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加,结果送到指定的目标元件中,如图4-2所示。
当X000为1时,(D0)+(D5)=(D6),运算是代数运算。
图4-2加法运算使用说明图
减法运算:
减法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加,结果送到指定的目标元件中,如图4-3所示。
当X000为1时,(D10)+(D12)=(D14),运算为代数运算。
图4-3减法运算使用说明图
4.2部分程序注释
4.2.1投币程序
X001、X002、X003为投币识别,每识别一次,即X001、X002或X003接通一次,往寄存器D10中累加按键代表的相应金额,但是在报警和退币的时候不可投币,此时继电器M206和M208会分别断开,此时投币无效,只有在退币过程结束4s后,再投币才有效,若在4s内投币则直接退币。
M204在系统上电按下启动键X000后接通后,M205接通时方可开始下一次操作。
其具体梯形图如图4-4所示:
图4-4投币梯形图
4.2.2价格比较程序
寄存在D10中的货币金额和商品的单价相比较,如第一句中如果(D10)>45,则M6=1;(D10)=45,则M7=1;(D10)<45,则M8=1。
以此类推,其价格比较梯形图如下图4-5所示:
图4-5价格比较梯形图
4.2.3根据投入的钱数指示灯显示程序
根据选择的饮料价格不同,投入的钱币多少,则饮料的指示灯亮的情况也不一样,指示灯分别有Y010,Y011和Y012分别表示三种饮料的指示灯,具体表现将会在后面具体实例中体现,指示灯的编程梯形图如下图4-6所示:
图4-6指示灯显示梯形图
4.2.4选择商品和送出部分
选择商品的输出,当投入的钱币达到规定的价格时,相对应商品的指示灯就会亮,当按下所对应的按钮,则对应的商品就会输出。
例如当钱币足够时,选择可乐按钮即X004,其中X005和X006的常闭触点起到互锁的作用,这样的目的就是保证不能同时选择两种饮料,其具体的部分梯形图如下图4-7所示:
图4-7选择商品输出程序图
4.2.5找钱退币程序
自动售货机的退币键为X0
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