自动售货机PLC设计
目录
一、引言··································································1 二、控制要求······························································2 三、设计任务······························································2 四、系统总体方案设计方案
4.1 系统硬件配置及组成原理··············································3 4.2 系统变量定义及分配表·················································3 4.3 系统接线图设计·······················································4 4.4系统可靠性设计························································4 五、控制系统设计
5.1 控制程序流程图设计····················································5 5.2 控制程序时序图设计····················································6 5.3 控制程序设计思路······················································7 5.4 编程系统的调试························································7 5.5创新设计内容···························································7 六、上位监控系统设计
6.1 PLC与上位监控软件通讯················································8 6.2 上位监控系统组态设计··················································8 6.3 实现的效果····························································12 七、系统调试及结果分析
7.1 系统调试及解决的问题··················································12 7.2 结果分析······························································13 八、结束语·································································13 九、参 考 文 献····························································14 十、附录···································································14
一：引言
可编程序控制器（Programmable Logic Controller ）简称PLC, 是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。硬件主要由中央处理单元CPU、存贮器、输入/输出单元以及编程器、电源和智能输入/输出单元等构成.PLC是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。
自动售货机是集声、光、机、电于一体的智能科技产物,进入21世纪，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。使未来的自动售货机不仅仅具有售货功能，而是更加多元化,及人性化;如：手机支付、远程联机管理、个性的LCD广告显示屏、更节能。
自动售货机的普及在某种程度上能反映一个国家的科技发展水平，是一个国家文明程度的象征。实践和直觉告诉我们，自动售货机在中国的横空出世，必将为国内的食品、香烟、饮料等诸多行业的发展带来新的契机，中国的现代文明又将以自动售货机的应用和普及开启一个新的里程碑！
随着中国经济的高速发展，自动售货机在中国的普及和应用已是必然趋势。据来自国内自动售货机市场行情分析报告表明：目前国内自动售货机市场走势已逐渐明晰，自动售货机逐步从沿海经济发达地区和各大中城市向内陆和次发达地区延伸，逐步从高级宾馆、地铁、机场等豪华高档场所向高中档社区普及，大有星火燎原之势，可以说是市场潜力无限。
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二：控制要求
I．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。
三：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、时序图等； 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。
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四：系统总体设计方案
1.系统硬件配置及组成原理
有三个钱币输入按钮，0.01代表1元，0.02代表5元，0.03代表10元，当投入的硬币总
值等于或超过12元时，汽水指示灯1.00亮；当投入的硬币等于或超过15元时，汽水指示灯1.00亮，花茶指示灯1.01亮；当投入的硬币总值等于或超过20元时，汽水指示灯1.00亮，花茶指示灯1.01亮，咖啡指示灯1.02亮；如果要汽水则按汽水按钮0.05，这时汽水输出指示灯1.03亮，输出汽水，然后汽水指示灯闪烁，3 s后停止。如果要花茶则按花茶按钮0.06，这时花茶输出指示灯1.04亮，输出花茶，然后花茶指示灯闪烁，3 s后停止。如果要咖啡，则按咖啡按钮0.07，这时咖啡输出指示灯1.05亮，输出咖啡，然后咖啡指示灯闪烁，3s 后也自动停止，当要完汽水、花茶或咖啡时，如有多余的钱，则找钱指示灯1.06亮，如果多余钱超过10元则找钱口1.07自动退出余额，3s 后停止，如果少于十元则找钱口1.08自动退出余额，如果当顾客投入一定的硬币后什么都不想要时，则可考虑复位按钮0.08，则投入的钱会原数从出钱口退出。
2.系统变量定义及分配表
输入输出分配表
输入 设备 复位按钮 SB1 1元 SB2 5元 SB3 10元 SB4 汽水按钮 SB5 咖啡按钮 SB6 花茶按钮 SB7 退币按钮 SB8 输出 输入点 设备 0.00 汽水指示灯 LED 0.01 花茶指示灯 LED 0.02 咖啡指示灯 LED 0.03 汽水输出 LED 0.05 花茶输出 LED 0.06 咖啡输出 LED 0.07 找钱指示灯 LED 0.08 十元出钱口 LED 一元出钱口 LED 输出点 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 - 3 -
3.系统接线图设计
硬件接线图
4.系统可靠性设计
当自动售货机发生故障时，系统会给出提示并发出鸣叫声，顾客看到这种情况可以直接按下退币按钮，将投入的钱币取回，当钱币出来时，系统会发出“叮”的声音提示顾客将钱币取回。
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五：控制系统设计
1.控制程序时序图设计
时序图
2.控制程序流程图设计
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3.控制程序设计思路
设计一台完整的销售汽水和咖啡的自动售货机，具有硬币识别、币值累加，自动售货、自动找钱功能，此售货机可接受的硬币为1元、5元和10元。汽水的售价为12元，花茶的售价为15元，咖啡的售价为20元。
自动售货机是台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。
用自动控制系统替代现有的人工销售方式，节省人力，减少销售开支，扩大销售覆盖面，当投入的硬币总值等于超过12元时，汽水指示灯亮。当投入的硬币总值等于超过15元时，汽水和花茶的指示灯都亮。当投入的硬币总值等于超过20元时，汽水、花茶和咖啡的指示灯都亮。当汽水指示灯亮时，按汽水按钮，则汽水从售货口自动售出，汽水指示灯闪烁（闪烁频率为1s ON,1s OFF）,3秒后自动停止。当花茶指示灯亮时，按花茶按钮，则花茶从售货口自动售出，花茶指示灯闪烁（闪烁频率为1sON,1sOFF）,3秒后自动停止。当咖啡指示灯亮时，按咖啡按钮，则咖啡从售货口自动售出，咖啡指示灯闪烁（闪烁频率为1sON,1sOFF）,3秒后自动停止。当按下汽水按钮、花茶按钮或咖啡按钮后，如果投入的硬币总值超过所需的钱数时，找钱指示灯亮，自动售货机自动退出多余的钱，3s后自动停止。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。
4.编程系统的调试
如果顾客所付的金额不足，系统不会有任何一只指示灯亮起来，顾客还需要再投入金额，当顾客两次投入的金额加起来足够时，可选择自己所需要的饮料
如果顾客投入的金额大于饮料价格，进入自动找零，无法找零时，给出提示并退回硬币，实现找零时，进行找零操作，提示找零金额和取饮料信息。
5.创新设计内容
当顾客交易完毕，点击退币按钮时，自动售货机将剩余的钱币从钱币输出口输出，或许由于顾客大意忘记从输出口取出钱币，这样将给顾客带来不必要的损失，针对此种情况，可以设计一个自动报警系统，就是当钱从自动售货机中输出超过6秒红外线扫描发现没有取出时，这时将启动报警，及时提醒顾客，增强了售货机的安全性。
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六：上位监控系统设计
1. PLC与上位监控软件通讯
本次课程设计涉及到欧姆龙PLC与力控组态软件的通讯。目前欧姆龙的小型PLC组要是CPM1A和CPM2A系列；PLC与组态软件通过串口RS232通信，那么就要了解PLC的通信协议是什么方式的。
第一步：通过PLC的编程软件来了解通信协议，在欧姆龙PLC的“PLC设定”对话框中“外围端口”标签中设置“通信协议”为“标准”，模式是“Host Link”，单元号为“0”，在网络设置对话框的“驱动器”标签中，设置“端口名称”为“COM3”，“波特率”为“9600”，“数据位”为“7”，“校验”为“偶校验”，“停止位”为“2”，在“设备类型设置”的“通用”标签中，设置“CPU类型”为“CPU40”在“变更PLC”对话框中，“设备类型”为“CPM1（CPM1A）”，“网络类型”为“SYSMAC WAY”。
第二步：与力控的通讯：在上位机力控组态软件的“设备配置—第一步”的对话框中，设置“设备地址”为“0”，“通讯方式”为“串口（RS232/422/485）”，在“设备配置—第二步”的对话框中，设置“串口”为“COM8”,点击“设置”按钮设置通信参数“波特率”为“9600”，“数据位”为“7”，“校验”为“偶校验”，“停止位”为“2”。
2. 上位监控系统组态设计
1、仿真系统组成
本仿真系统由上位机和下位机组成。上、下位机通过串行口进行通信交换数据。
上位机内装北京组态软件FORCECONTROL2.6和CX-P编程软件。组态软件FORCECONTROL用以制作仿真画面、编写仿真程序并与下位机进行通信，是专用的自动化软件，集数据采集监控功能于一体。
CX_P是可编程控制器与PC机联机的编程支持工具，用户利用它可以实现程序输入、程序注释、程序修改、程序编译、状态监控和测试以及设计系统寄存器和PLC 各种参数等。CX_P是WINDOWS操作系统下使用的软件，有多种编程方式，其中主要是梯形图和助记符编程。需要注意的一点是在进行程序的上传下传时一定要把PLC的COM口连接方式设置成“计算机链接”否则PLC将自锁，不再与外界通信，只有使用手持编程器才能再次开启。
2、仿真实验的售货分析
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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代替的。如钱币识别系统，可以用按某个“仿真对象”输出一个脉冲直接给PLC发布命令，而传动系统也是由计算机直接模拟的，这些并不会影响实际程序的操作，完全能模拟实际自动售货机的运行。
(1)实验状态假设
a、由于是在计算机上模拟运行的，实验中有些区别于实际情况的假设： b、自动售货机只售出三种商品；
c、自动售货机可以识别10元、5元、1元； d、自动售货机可以退币10元、5元、1元； e、自动售货机有液晶显示功能；
f、试验中售货机忽略了各种故障以及缺货等因素； (2)一次交易过程分析
为了方便分析，以一次交易过程为例
a、初始状态：有电子标签显示各商品价格，显示屏显示界面，此时不能购买任何商品； b、投币状态：按下投币按钮，显示投币框，按下所投币值，显示屏显示投入、消费、余额数值，当所投币值超过某商品价格时，相应商品选择按钮发生变化，提示可以购买。
c、购买状态：按下可以购买的选择按钮，所选的 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。取走商品则出货框消失。
d、退币状态：按下退币按钮显示退币框，同时显示相应的退币值和数量，按下确认按钮则恢复初始状态。到此为止，自动售货机的一个完整工作结束。这也是本仿真系统的设计思想。
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3、程序设计部分
仿真程序的编写利用利用组态软件FORCECONTROL2.6，下位机程序的编制则利用PLC专用编程软件欧姆龙完成的。
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6-1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6-2，在交易过程中的币值显示画面如图6-3所示 ，其中图6-1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3-2中的‘8888’用来显示币值，它们均是可以定义的变量。
图6-1售货机背景
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图3-2 欢迎界面 图6-3 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6-4投币提示框 图6-5 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6-6所示
图6-6 出货框
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3.实现的效果
图6-7 运行结果图
七： 系统调试及结果分析
1.系统调试及解决的问题一、硬件调试：
一、硬件调试
1、断电时检查电源是否接好，地线是否接好，各输入/输出点是否接好接牢；
2、接通PLC电源，确认“PWR”指示灯点亮，传入程序，检查“RUN”指示灯点亮。 二、软件调试：
1、在梯形图编辑器中配合使用编译器查找、修改程序中的语法错误；
2、将编辑好的程序传入PLC运行，使用编辑器联机调试操作，检查各点工作状态，并配合观察PLC各点输入/输出指示LED或输入/输出设备工作是否符合程序功能要求。配合着上位机软件动画效果来观察硬件的连接。 三、解决的问题：
通过软件的调试发现了梯形图中设计时的一些错误，比如7段数码管的清零问题，开始设计时用的是RESET指令，后来通过调试得知此指令只能置位位，考虑到实质是把通道清零，用MOVE指令即可。
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2. 结果分析
实验证明： 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，经过6秒后钱币没有取回则自动启动报警，避免顾客有不必要的损失。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。
八：结束语
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。
通过这次课程设计，我体会到了很多，也让我懂得了不少知识，让我知道在学习方面还是有欠缺的，这次课程设计包括许多方面的知识，主要是可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有高的可靠性，灵活通用，易于编程，使用方便等特点，因此在近年来在工业控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普遍应用。
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九:参考文献
[1]廖常初编.PLC基础及应用[M].北京：机械工业出版社.
[2]贾德胜编.PLC应用开发实用子程序[M].北京：人民邮电出版社.
[3]钟肇新，彭侃编.可编程序控制器原理及应用[M].广州：华南理工大学出版社. [4]朱绍祥编.可编程序控制器（PC）原理与应用[M].上海：上海交大出版社. [5]赵跃华.可编程序控制器原理及应用[M].成都：电子科技大学出版社.1998.
十：附录
带功能注释的源程序：
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