1、GuangDongPolytechnicNormalUniversity西门子PLC在自动售货机控制系统中的应用研究摘要自动售货机可以可以作为其他销售方式的全面补充，并可以根据消费模式的不断变化而不断地发展，全天候运行的自动售货机系统可以更方便而直接地满足人们的需要，能在劳动力缺乏的今天不失为对其他销售方式的一种强而有力的补充。在本文中详细描述的是自动售货机的历史与现状，描述的是可编程逻辑控制器的定义，设计的步骤和程序设计，编程语言等方面的内容。系统地阐述了如何在自动售货机控制系统中结合西门子PLC来运行，并结合组态王进一步验证西门子PLC在自动售货机控制系统
2、的运用可行性，使大家可以直接地了解和看到运行的效果。关键字：自动售货机；西门子PLC；顺序功能图；梯形图；I/O点的分配SiemensPLCApplicationInTheVendingMachineControlSystemResearchABSTRACTVendingmachinescanbeusedasafullcomplementofothersalesmethods,andcanandconstantlyevolvinginresponsetochangingconsumptionpatterns,vending
3、machinesaroundtheclocktorunthesystemcanmoreeasilyanddirectlymeetpeoplesneeds,thelackofenergyintodaysworkforceafterall,awayforothersalesstrongsupplement.Detailedinthisarticleishistoryandcurrentsituationofthevendingmachine,isthedefinitionofaprogrammabl
4、elogiccontrollerdescription,contentdesignstepsandproceduresdesign,programminglanguagesandsoon.SystematicexpositionofhowtocombineSiemensPLCcontrolsysteminthevendingmachinetorun,combinedwithfurthervalidationofSiemensPLCconfigurationkinginouruseofthevending
5、machinecontrolsystem,sothatwecanunderstandandseetheeffectofrunning.Keywords:vending;：SiemensPLC;sequentialfunctionchart;ladder;allocateI/Opoints目录TOCo1-5hzHYPERLINKlbookmark10oCurrentDocument绪论0HYPERLINKlbookmark12oCurrentDocument自动售货机研究的意义0HYPERLINKl
7、6oCurrentDocument2.1.2PLC的简介4HYPERLINKlbookmark28oCurrentDocumentPLC的工作原理4HYPERLINKlbookmark18oCurrentDocumentPLC的循环扫描工作5HYPERLINKlbookmark30oCurrentDocumentPLC的硬件组成6HYPERLINKlbookmark32oCurrentDocumentPLC的编程语言7HYPERLINKlbookmark34oCurrentDocument自动售
8、货机设计软元件8HYPERLINKlbookmark36oCurrentDocument2.2.1定时器8HYPERLINKlbookmark40oCurrentDocument数学运算指令8HYPERLINKlbookmark42oCurrentDocument自动售货机的设计10HYPERLINKlbookmark44oCurrentDocument3.1自动售货机的基本功能10HYPERLINKlbookmark46oCurrentDocument自动售货机I/O点的分配11HYPERLINKl
11、，各种现代化的自动售货机。根据所售商品，主要是食品现代自动售货机类型，结构和功能变化，饮料，香烟以及各种票类还有日用品等物品的功能了。通常的自动售货机是由自动售货设备，显示设备，存储设备和其他组件的组合而成的。货币装置是该自动售货机的核心，其主要功能是根据投入的硬币分拣其类型，计算货币数量的真实性。如果钱超过需要购买的商品的价格，就能购买该商品，并找零。指示装置，用于指示顾客选择的产品的品种。存储设备保存自动售货机的商品，接收指示买卖信号，接收顾客的选择信号。自70年代中期以来，出现了使用新型微电脑控制自动售货机和利用信用卡代替钱币并连接到电脑更大的无人售货系统，这些系
12、统更广泛应用在自选商场，火车站和自动售票系统，银行取款机等可以支持自动付款的地方。如今，自动售货机的产业正在向网络化进一步发展，并进一步合理化其自身的产业结构。如一个在线的方式，通过计算机监控每一部自动售货机以及自动售货机里的库存信息，从而保证顺利补充货品及机器的维护。而且，为了防止全球气候变暖，致力于节能，节能汽水售卖机应运而生了。在夏季用电高峰期，自动售货机这种模式即使在离线的情况下还可以使用，还可以保持较低的温度，与以往的自动售货机相比，可节电10-15。未来，自动售货机也将进一步在节约能源和资源的前提下向高功能化方向更好的发展。据统计，日本的罐装饮料70是由自动
13、售货机售出，作为世界上最大的饮料生产商可口可乐公司拥有超过50万台饮料自动售货机遍布于全世界。然而在中国，自动售货机的应用起步较晚，20世纪90年代后期开始进入中国市场。但现在发展迅速，在商场，公园，地铁，机场等客流量大的地方，已经可以很容易地找到许多自动售货机的身影。自动售货机的销售领域极为广泛，是很多发达国家的商品零售主要途径。近年来，越来越多的自动售货机逐渐被广大消费者所接受，但由于自动售货机分布广泛而零散的这种特征，自动售货机带把方便带给消费者的同时，同时也为运营商带来极大的不便，具体体现在在维护，管理，监督等各个方面。从自动售货机的发展的轨迹和趋势来看，
14、这似乎是技术密集型取代劳动密集型社会的产业构造转变的标志。大量消费，大量生产和销售环境和消费模式的改变，需要新的流通渠道出现，相对于百货商场，超市，网上购物等新的销售渠道，人工成本都在上涨，再加上购物的约束和限制的各种因素，自动售货机作为一种必要的工具应需求而生。自动售货机作为社会上完成商品交易和公益服务的独立设施，要求它的结构必须严谨齐备。而为实现各种不同需要，在外型尺寸和外观造型上必须适应现代商品社会的整体和谐。现在而言，所有的情况下都是通过人工的判断来运行一台自动售货机，包括缺硬币，币箱已满，自动售货机机械故障，缺少货物等，普遍使用人工操作员的定时巡视的这种管理方
15、法来解决，虽然问题得到解决，但结果是既费力又费时，但他们不能得到及时，准确的实时状态报告，自动售货机，操作增加了管理难度和成本，但也有可能给消费者的消费造成不方便。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中商品，其中01号商品（代表第一种商品）价格为2.60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
16、示可以购买，其他商品同比。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。由此看来，售货机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。该系统的设计与实施可以跟自动售货机的商品销售情况进行分析，运营商可以进行销售状况的统计，通过数据来预测大部分商品的走
20、硬件组成等。首先我们要根据设计内容和控制要求写出程序，再结合程序分析说明该设计的控制原理过程。本次毕业设计的最主要部分是第二章的设计部分，就是设计自动售货机的程序。自动售货机的设计西门子PLC简述与特点西门子S7-200PLC的概述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出来的。S7-200
21、PLC是体积已经做成很小型的PLC，它可以在几乎是每种行业都可以应用，大部分场合中的自动检测、自动监测及自动控制等。S7-200PLC的强大功能使其无论是脱网单机使用或连接网络，很多曾经被视作难实现的控制功能都能得以实现。S7-200PLC可提供4个不同的型号与8种CPU可供使用者选择使用。PLC的简介CPU是PLC的核心，通过计算机技术和通信技术的完美结合，就可以开发出一个通用的工业自动控制装置，是现代工业控制技术的重要组成部分。而今，生产技术达到世界领先水平的PLC厂商有68个，当然最有名的几个制造商在日本，美国和德国的。几家日本厂分别是东芝，日立
22、，富士，横河，立石，三菱，夏普等较为知名的公司。还有一些美国制造商分别是得克萨斯州食品公司，通用电气公司，歌德，数字设备公司等等。比较有名的还有欧洲的飞利浦公司和西门子公司和亚洲的鹰达公司都是非常有名的。2.1.3PLC的工作原理计算机的工作原理是基本上和PLC可以归为同一类，我们简单地描述为在系统程序的管理下，通过应用程序的运行来完成用户的各项指令。在PLC通电后，首先进行硬件和软件初始化，初始化反复不停处理各种任务，具体可以通过下面的图得知。但PLC有其自身的特点，PLC在确定进行各项任务后，将成为一个特殊的专用的机器，它采用循环扫描的工作方式来管理任务和执行任务。
23、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状体读取输入处理通信要求自诊断检查改写输出STOP状体处理任务的各阶段2.1.4PLC的循环扫描工作每一次程序，CPU都从第一指令开始执行，通过进行顺序的周期性的扫描，如果从用户程序中的第一条开始一直都没有跳转指令的话，机器就是一个接一个的顺序执行，直到遇到终止指令，然后返回到第一条指令，如此循环连续循环，每个循环被称为一个扫描周期。PLC扫描的具体过程可以查看下面的图。（1）输入刷新阶段在输入刷新的时候，CPU将会自动扫通过描每一个输入口，以读取后再写入将其状态存入状态寄存器。完成后，输入端口将会关闭，程序将
24、会开始执行。（2）程序执行阶段在程序执行的时候，根据用户所写出来的控制程序，开始一个一个地从第一条开始执行，以及相应的逻辑运算结果存储在相应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。（3）输出刷新阶段当每一个已写好的命令执行完之后，已输出状态寄存器的内容，将会依次输出锁存器电路并输出给相应驱使外部执行部件的工作，这就是使用PLC实际的输出。PLC的扫描全过程2.1.5PLC的硬件组成PLC硬件主要由CPU，存储器，输出单元，输入单元，通信接口，扩展接口，电源和其他组件组成的。其中，CPU是PLC的核心;输入装置/输出装置是CPU和现场输入/输出设备的连接电路
25、;用于连接编程单元，其它外部主机装置，各硬件如下图所示。PLC硬件结构图2.1.6PLC的编程语言PLC为用户提供了各种的编程语言来满足编制用户程序要求。它提供的编程语言一般包括有以下5种：顺序功能图（SFC）、梯形图（LAD）、结构文本（ST）、功能块图（FBD）和语句表（STL）。2.1.7PLC的特点（1）可以抗干扰，性能相对可靠I/O系统包含有信号调理电路和完善的通道保护;，防热，防潮，防尘，防震等都在设计的时候考虑到了。（2）内部控制系统结构简单，兼容性强可以灵活适应各种大小和不同要求的控制系统。（3）易于编程，方便使用者使用程序的编制简单方便。（
27、FTxxx，PT断开延时定时器TONRTxxx，PT保持型接通延时定时器BITIMOUT起动间隔定时器CITIMIN,OUT计算间隔定时器2.2.2数学运算指令在梯形图中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令（见表2）分别执行下列运算：IN1+IN2=OUT，IN1IN2=OUT，IN1*IN2=OUT，IN1/IN2=OUT。表2加减乘除指令梯形图语句表描述梯形图语句表描述ADD_I+IINT1,OUT整数加法DIV_DI/DINT1,OUT双整数除法SUB_I-IINT1,OUT整数减法ADD_R+RINT1,OUT实数加法MUL_I*IINT1,OU
28、T整数乘法SUB_R-RINT1,OUT实数减法DIV_I/IINT1,OUT整数除法MUL_R*RINT1,OUT实数乘法ADD_DI+DINT1,OUT双整数加法DIV_R/RINT1,OUT实数除法SUB_DI-DINT1,OUT双整数减法MULMULINT1,OUT整数乘法产生双整数MUL_DI*DINT1,OUT双整数乘法DIVDIVINT1,OUT带余数的整数除法在语句表中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令分别执行下列运算：IN1+OUT=OUT，OUTIN1=OUT，IN1*OUT=OUT，OUT/IN2=OUT。图4自动售货机工作流程
29、图图4自动售货机工作流程图自动售货机的设计3.1自动售货机的基本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（如图4），并介绍了自动售货机运行系统中所包括的人工操作步骤。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，并作出相应的反应。例如：售货机中有2种商品，A商品价格为0.5元，B商品为1元。现投入1个1元硬币，当投入的货币超过A商品的价格时，A商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，
30、B商品也提示。当按下选择A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A商品的价格同时启动相应的电机，提取A号商品到出货口。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。由此看来，售货机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。3.2自动售货机I/O点的分配输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。
31、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。本次自动售货机的I/O点的分配如表3所示。表3自动售货机I/O点的分配表输入：I0.0投币1元I0.4选择咖啡I0.1投币5元I0.5找零按钮I0.2投币10元I0.6I0.3选择奶茶I0.7输出：Q0.0排出奶茶电磁阀Q0.4找零灯Q0.1排出咖啡电磁阀Q0.5指示红灯Q0.2奶茶红灯Q0.6退币电机Q0.3咖啡红灯Q0.7自动售货机的外部接线图本设计的外部接线图如下图所示，具体的I/O点的
32、分配可以参考上面的表格梯形图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。它与电器控制线路图相似，如图7所示。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，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言。本此设计自动售货机主要销售两种饮料，可以投币一元，五元，十元，因为自动售货机无论售卖多少种货物，我任务原理都是一样的，所以我这里就只搞了两种货物，这个设计我希望是可以在很多地方都应用上，所以是设
33、计成售卖饮料的形式。本次自动售货机的梯形图如下所示：冋络3网络标题网路注释投币诜ADDJENEN0IN1OUTIN25VW10-VW10T40A)1选货芫成标志TR)1投币完成标志Ts)1T421符号地址|注解|投币阮10.1投币觉(组态王)M1.1投币完成标志M0.3选货完成标志M0.5冋络4网络标题网络注释投币1阮P投币1阮(组态ENENOIN1OUTIN2ADDIVW1010-VW10-T40TA)1选货完成标志(R)1投币完成标志co1T42TR)1|符号地址注解投币1阮I0.2|投币1阮(组态王)M1.2投币完成标志M0.3【选货完成标志M0.5冋络冋络#
34、选中奶茶PlI1T40TR)1选货完成标志CA)1投币芫成标志-=15选择咖啡选中咖啡H-T-s)1T40一(R)选货芫成标志TR)1T42TR)1投币完成标志仝R)1符号i|地址I注解I投币完成标志M0.3选货芫成标志M0.5选择咖啡poF选择咖啡(组态王)M1.4选中咖啡|mo.i冋络冋络#选中咖啡INTON70-PT100m$T38排出咖啡电磁阀Ro1符号地址I注解排出咖琳电磁阀Q0.11选中朋阳FM0.1丨冋络10选中咖啡T38选中咖啡1丨符号地址注解|排岀咖啡电磁阀Q0.1选货芫成标志M0.5选中咖啡M0.1冋络冋络#选货完成标志T40INTONII
35、200-PT100m$T40选货完成标志投币完成标志两分钟秒或2C砂Ts)1T42INTON70-PT100m$T41INTON1200-PT100ms符号地址注解投币完戍标志M0.3冋络13符号地址注解两分钟秒或2妙无M0.6投币完成标志M0.3选货完成标志M0.5冋络#冋络选货完成标志(R)1退币过程Cs)1两分钟秒或2噺TR)1T42|VW10找零灯(:符号|地址|注解|找零灯Q0415冋络冋络#VW10|0找零按钮退币过程S)1T40TR)1选货完成标志TR)1投币完成标志TR)1T42co1符号地址注解投币完成标志M0.3退币过程M0.2
37、时可以通过设定不同的参数来模拟实际运行中的条件变化，改变系统的运行工况并讲系统在不同工况下运行的数据进行显示，通过对数据的分析，可以进一步优化控制系统。起始状态：模拟投币50元：要一杯咖啡：倒完咖啡后，售货机自动记录营业额和所剩余额：按下退币按钮，找零灯亮，售货机自动退钱：售货机售货完后的状态：投币20元：顾客要一杯奶茶，物品出口处有变化：奶茶售出后，奶茶存量显示自动减少，售货机自动记录营业额，余额：按下退币按钮，余额自动从硬币出口处出来，找零给顾客：余额退回给顾客后，自动清零，回复原始状态：结论与展望本文主要针对自动售货机系统在控制系统中存在得不足之处，进行了控制系统改进研
38、究。采用组态软件对自动售货机系统进行控制仿真设计。本论文研究中，在对控制系统进行仿真运行时，将系统的数学模型进行了简化处理（即不考虑对象的滞后，并忽略了一些小细节等等）。如果在控制系统中引入模糊数学理论以及先进的控制规律（如模糊控制，神经网络等）对自动售货机统实行计算机控制，将会取得更好的控制效果。本毕业设计我的最核心的任务是通过西门子PLC去实现一个自动售货机的功能。一个看似简单和易于使用的普通的自动售货机，其实不是那么容易。这样的设计，可以通过模拟以实现其功能里面的PLC编程部分。设计的自动售货机的主要功能是对不同的物品自动进行交易，通过对输入PLC的程序达到
39、自动售货的目标。本设计的效果是：当投入钱，自动售货机会自动判断有多少钱，然后余额会进行相应的更改，在余额大于客户的选择的物品的时候，就可以自动输出被选择的物品，按下退款的按钮以后机器可以接收到信号并退还余额。本设计的优点和缺点是：通过自锁和互锁程序可以正确辨别信号，并给出正确的结果。这样设计出来的自动售货机，操作方便，能耗低，一个简单的设备可以满足一些商店和工厂无人销售的状况，任何人群都都能够使用。这种设计的缺点是物品的品种较少，识别钱方面有一些限制。所以说,自动售货机是今后小商品和饮料销售方式的一个很好的发展趋势.它的出现将极大的方便人们购买所需要的小商品。这种设计的结果
40、能满足设计要求和对具体问题的效果，虽然物品的品种较少，但可以在原理论的基础上更改，输入和输出端口可以增加，以满足生活中的各类人群的需要！参考文献程周,可编程序控制器原理与应用M,北京：高等教育出版社，2003年王永华,现代电气控制及PLC应用技术.M,北京：北京航空航天大学出版社，2000年吴建强,姜三勇,可编程控制器原理及应用M,哈尔滨工业大学出版社，2000年王兆义,可编程序控制器教程M,北京：机械工业出版社，2001年裴进灵.,新型自动售货机的研制J，科技情报开发与经济，2002年张万忠,刘明芹,电器与PLC控制技术M
41、,北京：化学工业出版社，2003年周美兰,周封忘岳宇,PLC电气控制与组态设计M,北京：科学出版社，2003年廖常初,S7-200PLC基础教程M,北京：机械工业出版社，2001年吴中俊,黄永红,可编程序控制器原理及应用M,北京：机械工业出版社，2003年李艳杰.PLC原理与实用开发指南M.北京:机械工业出版社.2009年贾德胜.PLC应用开发实用子程序M.北京:人民邮电出版社.2007年王雯隽自动售货机的设计与实现J微型电脑应用.2005年裴进灵一种新型自动售货机的研制J科技情报开发与经济.2003年刘小春、华满香.PLC控制系统设计与维护M.北京:高等教育出版社.2