基于PLC控制自动售货机设计最终版Word文件下载.docx
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3.4.2PLC控制系统设计的基本原则12
4.硬件设计13
4.1I/O地址分配13
4.2、中间继电器分配14
4.3整体系统工作流程14
5.程序设计15
6.程序调试24
结论25
致谢26
参考文献27
1绪论
1.1课题研究背景
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。
随着当前城市规模的增大,很多公共场合都放置有自动售货机,极大的满足了人们的即时性需求,为人们进行简单物品的采购提供了一种便利。
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。
传统的自动售货机多采用单片机控制方案,系统硬件设计复杂,抗干扰能力相对较差,很难保证系统的可靠性和稳定性,维护维修困难。
可编程控制器(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。
利用西门子S7-300系列PLC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西门子S7-300系列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。
1.2应用前景
现在,自动售货机产业正在走向信息化并进一步实现合理化。
例如实行联机方式,通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中,从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。
并且,为防止地球暖化,自动售货机的开发致力于能源的节省,节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。
在夏季电力消费高峰时,这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状况下也能保持低温,与以往的自动售货机相比,它能够节约10-15%的电力。
进入21世纪时,自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展。
从自动售货机的发展趋势来看,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,在加上场地的局限性和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也就有了其相当可观的前景。
1.3自动售货机设计目的和意义
面对当前快速商品社会,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。
PLC的发展与计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关,这些高新技术的发展推动了PLC的发展,而PLC得发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求,促进了他们的发展。
本次设计就在于结合PLC的种种优点联系实际情况来弥补原有系统的不足,利用PLC控制的自动售货机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。
1.4自动售货机功能分析
在进行上、下位机程序编写之前,首先要做的工作是确定自动售货机本身所具备的功能及在进行某种操作后所具有的状态。
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。
举一个简单的例子来说明,例如:
售货机中有8种商品,其中01号商品(代表第一种商品)价格为2.50元,02商品为3.50元,其余类推。
现投入1个1元硬币,当投入的货币超过01商品的价格时,01商品的选择按钮处应有变化,提示可以购买,其他商品同此。
当按下选择01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01商品的价格同时启动相应的电机,提取01号商品到出货口。
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。
自动售货机的工作流程图如图1.1所示。
图1.1自动售货机工作流程
2.PLC的概述
2.1PLC的定义
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。
2.2PLC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,世界上生产PLC的主要厂家有65个,其中最有名气的厂家在日本、美国和德国。
日本的几个厂家为三菱、富士。
日立、东芝、横河、立石、光洋、夏普等公司。
美国的几个厂家为德州食品公司、通用电器公司、歌德公司、数字设备公司等。
还有德国的西门子,荷兰的飞利浦,香港的鹰达等公司也是很有名气的。
2.3PLC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。
2.4PLC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。
图2.1PLC的扫描全过程
(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。
2.5PLC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2.2。
图2.2PLC硬件结构图
2.6PLC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)。
2.7PLC的特点
(1)抗干扰能力强,可靠性好
I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路;
在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。
(2)控制系统结构简单,通用性强
PLC及外围模块品种多,可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。
(3)编程方便,易于使用
PLC程序的编制,采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。
(4)功能完善
在PLC内部具有许多控制功能,诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。
(5)设计、施工、调试、的周期短
PLC采用模块化积木式结构,故仅需按性能、容量等选用组装,因而缩短了设计周期,使设计和施工可同时进行。
(6)体积小,维护操作方便
PLC体积小,质量轻,便于安装。
(7)易于实现网络化
PLC可连成功能很强的网络系统。
(8)可实现三电一体化
PLC将电控(逻辑控制)、电仪(过程控制)和电结(运动控制)这三电集于一体。
3.自动售货机的设计
3.1总体设计思路
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、2元、5元,采用三个按钮进行模拟,自动售货机共出售四种货物,其价格分别定为1元、3元、4元、6元,当投币数大于等于货物价格时且售货机里有这种货物时,指示灯亮,表示可以进行购买,四种货物分别用四个小灯代替进行模拟。
除此之外,本次设计还涉及了显示、找零、送货等功能的实现,其中显示部分采用数码管进行显示,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,采用从高到低递减的形式进行清零,例如:
当余额为17元时,按下找零按钮后,先找三个五元数码管分别显示12、7、2,然后再找2元,清零。
送货部分采用小车直线运动进行模拟,将四种货物分别送到四个不同的地点,采用四个光电开关分别代表四个不同的送货地点,当按下不同的送货按钮后,小车会以其对应的光电开关为终点做直线往返运动,表示送货过程
由于售货机的全部功能是在上位机上模拟的,所以售货机的部分硬件是由计算机软件来模拟替代的这些并不会影响实际程序的操作,完全能模拟现实售货机的运行。
3.2硬件系统的组成部分及工作流程
一.组成部分如图3.1所示。
图3.1自动售货机硬件系统组成部分
1.温控模块:
温度采集和加热制冷控制。
2.销售模块:
完成整体的销售动作,一般都是电机驱动特定的机构实现。
3.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。
4.通讯模块:
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。
5.货币识别模块:
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。
6.主控模块:
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。
二.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。
3.3PLC的选择
当某一个控制任务决定由PLC来完成后,选择PLC就成为最重要的事情。
一方面要选择多大容量的PLC,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。
对第一个问题,首先要对控制任务进行详细的分析,把所有的I/O点找出来,包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。
控制系统输出点的类型非常关键,如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀,又有24V的指示灯,则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。
因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端,这一组输出只能有一种电源的种类和等级,所以一旦它们是交流220V的负载使用,则直流24V的负载只能使用其他的输出端了,这样有可能造成输出点浪费,增加成本,所以要尽可能选择相同等级和种类的负载,比如使用交流220V的指示灯等。
一般情况下继电器输出的PLC使用最多,但对于要求高速输出的情况,就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。
对第二个问题,则有以下几个方面要考虑:
(1)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。
(2)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。
在使用PLC较多的情况下,这样的差价当然是必须考虑的因数。
PLC主机选定后,如果控制系统需要,则相应的配套模块也就选定了。
3.4PLC控制系统设计编程要求及基本原则
3.4.1PLC控制系统设计编程要求
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求,以提高生产效率和产品质量。
因此,在设计PLC控制系统时,应遵循以下基本原则。
(1)最大限度地满足被控对象的控制要求
充分发挥PLC的功能,最大限度地满足被控对象的控制要求,是设计PLC控制系统的首要前提,这也是设计过程中最重要的一条原则。
这就要求设计人员在设计之前就要深入现场进行调查研究,充分收集控制现场的资料,同时收集相关国内、国外相关的资料。
同时还要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员等紧密配合,拟定控制方案,共同解决设计中的重点问题和疑难问题。
(2)保证PLC控制系统安全可靠
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行,是设计控制系统的重要原则。
这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程等方面要全面考虑,以确保控制系统安全可靠。
例如:
应该保证PLC控制程序不仅能在正常条件下运行,而且要在非正常情况下,也能正常工作。
(3)力求简单、经济、使用及维修方便
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量,带来巨大的经济效益和社会效益,但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。
因此,在满足控制要求的前提下,一方面要注意不断地扩大工程的效益,另一方面也要注意不断地降低工程的成本。
这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济,而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低,不宜盲目追求自动化和高指标。
(4)适应发展的需要
由于技术的不断发展,控制系统的要求也将会不断地提高,设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。
这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时,要适当留有裕量,以满足今后生产的发展和工艺的改进。
3.4.2PLC控制系统设计的基本原则
(1)所编的程序要合乎所使用的PLC的有关的规定
主要是对指令要准确地理解,正确地使用。
各种PLC指令多有类似之处,但还有些差异。
对于有PLC使用经验的人,当选用另一种不太熟悉的型号进行编程设计时,一定要对新型号PLC的指令重新理解一遍,否则容易出错。
(2)要使所编的程序尽可能简洁
简短的程序可以节省内存,简化调试,而且还可节省执行指令的时间,提高对输入的响应速度。
要使所编的程序简短,就要注意编程方法,用好指令,用巧指令,还要能优化结构。
要实现某种功能,一般而言,在达到目的的相同时,用功能强的指令比用功能单一的指令,程序步数可能会少些。
(3)要使所编的程序尽可能清晰
这样既便于程序的调试、修改或补充,也便于别人了解和读懂程序。
要想使程序清晰,就要注意程序的层次,讲究模块化、标准化。
特别是在编制复杂的程序时,更要注意程序的层次,可积累自己的与吸收别人的经验,整理出一些标准的具有典型功能的程序,并尽可能使程序单元化,像计算机中的常用的一些子程序一样,移来移去都能用,这样,设计起来简单,别人也易了解。
(4)要使所编的程序合乎PLC的性能指标及工作要求
所编程序的指令条数一定少于所选用的PLC内存的容量,即程序在PLC中能放得下,所用的输入、输出点数要在所选用PLC的I/O点数范围之内,PLC的扫描时间要少于所选用PLC的程序运行监测时间。
PLC的扫描时间不仅包括运行用户程序所需的时间,而且还包括运行系统程序,如I/O处理、自监测所需的时间。
4.硬件设计
我们本次采用的是西门子公司的S7—300系列PLC,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。
4.1I/O地址分配
本次课程设计的主要输入单元地址分配如表4.1所示。
输入单元
PLC地址
投币1元
I0.1
投币2元
I0.2
投币5元
I0.3
送货(A货物)
I0.4
送货(B货物)
I0.5
送货(C货物)
I0.6
送货(D货物)
I0.7
找零
I0.0
数码个位显示
I0.0—I0.3
数码十位显示
I0.4—I0.7
限位开关S1
I1.0
限位开关S2
I1.1
限位开关S3
I1.2
限位开关S4
I1.3
表4.1输入单元地址分配
输出单元
A货物显示
Q1.0
B货物显示
Q1.1
C货物显示
Q2.0
D货物显示
Q2.1
找零出口
Q2.2
出货口
Q2.3
电机正转
Q2.6
电机反转
Q2.5
主要输入单元地址分配如表4.2所示
表4.2输出单元地址分配
4.3整体系统工作流程
整个系统的整体工作流程如图4.3所示。
图4.3整体工作流程图
5.程序设计
6程序调试
在整个程序的调试过程中,我遇到了一些问题,最初的设计比较简单,只是将投币,购买的过程考虑进去,而没有将购买之后送货的过程加进设计的方案中,后来在老师的提醒之下,我又将送货的过程采用了小车直线运动进行模拟,将四个光电开关模拟成四种货物的送货地点,分别在按下四个送货按钮之后,将货物送到四种地点,使得整个系统更加完善,功能更加强大。
在数码显示的过程中也遇到了一些问题,数码显示时数据的传输所用到的中间继电器和后来送货时的中间继电器发生了冲突,使得程序运行过程发生了紊乱,后来在同学的帮助下,我明白了问题的关键,将其解决,使数码显示功能顺利实现。
在最后的送货过程中,由于有四个地点,所以要对电机的正反转分别进行控制,最初我是将所有的正转输入都采用了Q2.6进行驱动,所有的反转输入都采用了Q2.5进行驱动,当程序运行时,发现得不到预期的现象,经检查程序没有问题,后来经过考虑和同学的提醒,采用中间继电器进行驱动,现象就出现了,实现了最初预想的送货过程。
在找零阶段,最初只是按下找零按钮后直接将数码显示清零,后来经过思考和老师的提醒,将找零部分又逐步进行了完善,将找零的过程在数码管上显示了出来先找大面额的钱币,后找小面额的钱币,其内部进行减法运算,使得整个找零的过程清晰可见。
在购买货物的过程中最初忽略了如果货物售完该怎么办,后来经过完善将货物的数量进行了设定,只有当投币金额大于等于所要购买的货物时,且货物数量大于零时才能进行购买,这使得整个过程更加完善。
结论
通过本次PLC课程设计使得我对PLC的操作更加的熟练,同时掌握了自动售货机的基本工作原理,对自动售货机的发展也有了一定的了解更加充分的体会到了PLC在实际生活中的重要应用与在当今控制领域的重要地位。
与此同时,我也对S7—300系列的PLC有了更进一步的了解,同时对PLC的高效性和实用性有了更进一步的认识,在整个课程设计过程中,在遇到问题的时候,我学会了如何借助外界的帮助和自身的努力来解决实际问题,懂得如何进行独立思考,如何冷静的面对要解决的问题,这些都是今后学习生活的宝贵经验,在以后的各个方面都有着至关重要的作用。
致谢
从接受课题到现在完成课程设计论文,衷心的感谢我的指导老师和同学给予了精心的指导和热情的帮助。
老师在PLC方面具有丰富的实经验,对我的设计工作给予了很多的指导和帮助,使我能够将理论中的结果与实际相结合。
尤其在课题设计的前期准备阶段,同学们提出许多宝贵的设计意见,在最后的测试修改阶段老师在百忙之中抽出时间为我们提供了必要的帮助,这样使得我们得以顺利的完成毕业设计开发工作,在短暂的一周的相处时间里,老师渊博的知识,敏锐的思路和实事求是的工作作风给我留下了深刻的印象,这将使得我终身受益,谨此向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。
最后,衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师!
忠心地祝愿各位身体健康、工作顺利。
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