基于PLC的自动售货机设计

摘 要

本论文设计的是基于西门子S7-200 系列PLC构成的自动售货机监控系统，本文阐述了自动售货机的来源与发展，以及它在国内外发展的现状，对自动售货机的方案进行了论证，介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理，对基于西门子S7-200 系列PLC构成的自动售货机系统整体设计过程进行较为细致的论述。

文中详尽地介绍了自动售货机的各硬件组成，并完成了PLC外部接线图。在PLC梯形图的编写时，文中采用的是西门子PLC梯形图专用编译软件STEP7来进行编写。介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，然后以一次交易过程为例，把交易过程分为几个程序块，然后分别对程序块进行编程。具体说明了可编程序控制器在自动售货机中的作用。程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。利用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。

关键词: PLC；顺序功能图；梯形图；I/O点的分配

目录 摘 要... I 第1章 绪论... 3 1.1自动售货机的理论背景与实际意义... 3 1.2 自动售货机设计的主要内容... 3 1.3 自动售货机设计的基本思路... 4 第2章 PLC的概述... 5 2.1 PLC的定义... 5 2.2 PLC的简介... 5 2.3 PLC的工作原理... 5 2.4 PLC的循环扫描工作... 4 2.5 PLC的硬件组成... 5 2.6 PLC的编程语言... 6 2.7 PLC的特点... 6 第3章 自动售货机的设计... 8 3.1 自动售货机设计软元件... 8 3.1.1 定时器........................................................................................................8 3.1.2 数学运算指令............................................................................................8 3.2自动售货机的基本功能... 9 3.3 自动售货机I/O点的分配... 10 3.4 顺序功能图（SFC）... 11 3.4.1 什么是顺序功能图（SFC）..................................................................11 3.4.2 所选择的顺序功能图（SFC）...............................................................11 3.5 梯形图（LAD）... 12 3.5.1 什么是梯形图（LAD）..........................................................................12 3.5.2 自动售货机设计的梯形图（LAD）......................................................13 3.6 自动售货机的相关说明... 21 3.7 自动售货机的外部接线图... 21 3.8 自动售货机仿真... 22 致 谢... 25 参考文献... 26 第1章 绪论1.1自动售货机的理论背景与实际意义

自动售货机是一种全新的商业零售形式，20世纪70年代自日本和欧美发展起来。它又被称为24小时营业的微型超市。在日本，70％的罐装饮料是通过自动售货机售出的；全球著名饮料商可口可乐公司在全世界就布有50万台饮料自动售货机。在中国,自动售货机1999年开始进人中国市场．如今，在机场、地铁、商场、公园等客流较大的场所，已不难发现自动售货机的身影。

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

它的售货领域非常广泛，是发达国家商品零售的一种主要方式。近几年，自动售货机逐渐被越来越多的消费者所接受。但由于售货机分布零散、范围广阔的特点，自动售货机在为消费者带来方便的同时，也为经营者在监控、管理、维护等方面带来很大的不便。目前售货机运行的各种情况都需要由人工判断，包括缺货、缺零钱、币箱已满、售货机机械故障等，经营者普遍采用人工定时巡回视察的管理办法，既费时费力，又无法及时准确获取自动售货机状态报告，给经营者增加了管理成本和难度，也有可能给消费者的正常消费造成不便。 　　本系统的设计和实现可以使自动售货机的经营者可以根据网络统计的销售状况进行商品销售状况分析，预测商品的销售走势，确定合理的采购和配送策略，以期获得最高的投资回报率。同时售货机的一些故障信息和警报信息可以实时的传送到相应运营人员，从而可以在第一时间内发现并解决问题。

1.2 自动售货机设计的主要内容

1.此自动售货机可以投入五角、一元的硬币；

2.如果顾客投入硬币在限定的时间内（2分钟）不按任何按键，自动售货机将退还所投硬币；

3.当投入硬币的总值等于或才超过物品价值时，对应的物品指示灯亮绿灯；

4.当物品对应的指示灯亮绿灯时，按下按下相应的按键，相应的物品排出，同时指示灯绿灯闪烁；

5.如果顾客投入硬币总值超过所选物品的价值时，自动售货机会自动将余款退还顾客；

6.当顾客成功购买完一件物品后20秒无操作，自动售货机会自动将余款退还顾客；

7.如果顾客投入硬币后又不想买物品，按下退款按键，自动售货机会自动将余款退还顾客；

8.找零时顾客可选择退一元的还是五角的；

9.当物品不足时，对应的物品指示灯亮红灯，顾客按下相应的按键无反应（不出物品，不减余额），并向总部发送所缺物品。

1.3 自动售货机设计的基本思路

本次设计的题目是自动售货机，主要是应用西门子S7-200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的定义、PLC的编程语言、PLC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第三章的设计部分，即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，这样才能真正理解本次智能抢答器的控制原理。

第2章 PLC的概述2.1 PLC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。

2.2 PLC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。 日本三菱电机公司（MITSUBISHI）于1971年开始研制PLC，目前主要有F1,F2,FX,K,A等十几个系列几十种产品，在我国（主要是华东和华南地区）的工业控制领域具有一定的市场占有率。

2.3 PLC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（见图2-1）。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。

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

图2-1 各阶段处理任务

2.4 PLC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2-2所示。

（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。

图2-2 PLC的扫描全过程

2.5 PLC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2-3。

图2-3 PLC硬件结构图

2.6 PLC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）。

2.7 PLC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。

第3章 自动售货机的设计3.1 自动售货机设计软元件3.1.1 定时器

定时器是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。定时器的工作过程与继电器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触点，失电时，常闭触点闭合，常开触点打开；定时器得电时，常闭触点打开，常开触点闭合。定时器的当前值、设定值均为10位有符号整数（INT），允许的最大值为32767。定时器指令表见表3-1。

表3-1 定时器指令

语句	描述
TON Txxx，PT	接通延时定时器
TOF Txxx，PT	断开延时定时器
TONR Txxx，PT	保持型接通延时定时器
BITIM OUT	起动间隔定时器
CITIM IN,OUT	计算间隔定时器

3.1.2 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3-2）分别执行下列运算：IN1+IN2=OUT，IN1—IN2=OUT，IN1*IN2=OUT，IN1/IN2=OUT。

表3-2 加减乘除指令

梯形图	语句表	描述	梯形图	语句表	描述
ADD_I	+I INT1,OUT	整数加法	DIV_DI	/D INT1,OUT	双整数除法
SUB_I	-I INT1,OUT	整数减法	ADD_R	+R INT1,OUT	实数加法
MUL_I	*I INT1,OUT	整数乘法	SUB_R	-R INT1,OUT	实数减法
DIV_I	/I INT1,OUT	整数除法	MUL_R	*R INT1,OUT	实数乘法
ADD_DI	+D INT1,OUT	双整数加法	DIV_R	/R INT1,OUT	实数除法
SUB_DI	-D INT1,OUT	双整数减法	MUL	MUL INT1,OUT	整数乘法产生双整数
MUL_DI	*D INT1,OUT	双整数乘法	DIV	DIV INT1,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，OUT—IN1=OUT，IN1* OUT =OUT，OUT /IN2=OUT。

3.2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3-1），并介绍了自动售货机运行系统中所包括的人工操作步骤。

图3-1 自动售货机工作流程图

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，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。

3.3 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。 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。本次智能抢答器I/O点的分配如表3-3所示。

表3-3 自动售货机I/O点的分配表

序号	定义点	符号	功能
1	I0.0	SB1	找零按钮
2	I0.1	SB2	食品五角按钮
3	I0.2	SB3	食品一元按钮
4	I0.3	SB4	饮料一元按钮
5	I0.4	SB5	饮料二元按钮
6	I0.5	SB6	日用二元按钮
7	I0.6	SB7	日用三元按钮
8	I2.0	SB8	投五角硬币
9	I2.1	SB9	投一元硬币
10	I2.5	SB10	找零五角
11	I2.6	SB11	找零一元
12	I3.1	SB12	食品五角行程开关
13	I3.2	SB13	食品一元行程开关
14	I3.3	SB14	饮料一元行程开关
15	I3.4	SB15	饮料二元行程开关
16	I3.5	SB16	日用二元行程开关
17	I3.6	SB17	日用三元行程开关
18	Q3.1		食品五角红灯(物品售完)
19	Q3.2		食品一元红灯(物品售完)
20	Q3.3		饮料一元红灯(物品售完)
21	Q3.4		饮料二元红灯(物品售完)
22	Q3.5		日用二元红灯(物品售完)
23	Q3.6		日用三元红灯(物品售完)
24	Q0.0		找零
25	Q0.1		出食品五角
26	Q0.2		出食品一元
27	Q0.3		出饮料一元
28	Q0.4		出饮料二元
29	Q0.5		出日用二元
30	Q0.6		出日用三元
31	Q2.1		食品五角绿灯（可以购买）
32	Q2.2		食品一元绿灯（可以购买）
33	Q2.3		饮料一元绿灯（可以购买）
34	Q2.4		饮料二元绿灯（可以购买）
35	Q2.5		日用二元绿灯（可以购买）
36	Q2.6		日用三元绿灯（可以购买）

3.4 顺序功能图（SFC）

图3-2 顺序功能图

转换1

步1

步2

步3

动作1

动作2

转换2

3.4.1 什么是顺序功能图（SFC）

顺序功能图是一种位于其他编程语言

之上的图形语言，使用它可以对具有并发、

选择等复杂结构的系统进行编程。顺序功

能图提供了一种组织程序的图形方法，在

顺序功能图中允许和别的语言编程的程序

嵌套。顺序功能图由步、转换和动作三种

主要元件组成，如图3-2所示。可以用顺

序功能图来描述系统的功能，根据它可以很容易地设计出梯形图程序。

3.4.2 所选择的顺序功能图（SFC）

由于顺序功能图（SFC）有五种基本结构：顺序结构、选择性分支结构、并发性分支结构、循环结构、复合结构。本次自动售货机的SFC图，根据控制要求选用——选择性分支结构和并发性分之结构。因为选择性分支结构是一个控制流可以转入多个可能的控制流中的某一个且不允许多路分支同时执行。具体进入哪个分支，取决于控制流前面的转移条件哪一个为真。而并发性分之结构是一个工作步执行完后，需要同时开启若干条分之，并采用双水平线相连且要有一个公共转移条件，这两种顺序功能图结构符合本次自动售货机的控制要求，所以选择这两种结构。

本次自动售货机的SFC图如下图3-3所示：

图3-3 自动售货机顺序功能图

3.5 梯形图（LAD）3.5.1 什么是梯形图（LAD）

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3-4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。

图3-4 传统继电器控制线路图和PLC梯形图 a传统继电器控制线路图 b PLC梯形图

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。

3.5.2 自动售货机设计的梯形图（LAD）

本此设计自动售货机主要销售食品、饮料、日用三大类，而食品有五角和一元，饮料有一元和二元，日用有二元和三元。

本次自动售货机的梯形图如下所示：

3.6 自动售货机的相关说明

上面梯形图中ADD_DI双整数加法当投入五角时加5投入1元是加10，SUB_DI是双整数减法当成功购买物品时就减去物品对应的数；T37—T56表示通电延时定时器,按下物品按钮时T37—T42延时8秒，无操作时T43启动计时20秒，T44与T43配合组成投币2分钟无操作找零，T46—T56两两配合形成闪烁电路。

图3-5 自动售货机模拟操作面板

本设计统一采用按钮开关模拟物品选择，按钮内有绿灯和红灯分别表示可购买物品和物品销售完；指示灯模拟物品输出及找零如图3-5所示。

3.7 自动售货机的外部接线图

本次知道售货机的外部接线图如图3-6所示，SB2—SB7为物品选择按钮，当投入货币物品绿灯亮（Q2.1—Q2.6），按下SB2—SB7其中一个，对用的KM线圈得电电机转动出相应的物品（Q0.1—Q0.6），当有物品销售完其行程开关断开，物品红灯亮并同时向总部发送物品销售完的信息；当收买物品总值低于投入总值时，可按找零按钮SB1选择找一元还是五角（SB10、SB11）后KM1得电电机转动找零(Q0.0)。

图3-6 售货机的外部接线图

3.8 自动售货机仿真

程序编写好后无法验证程序的正误，编程能力很难提高，而仿真时解决这一问题的理想方法。

本次自动售货机的仿真，首先配置CPU的型号，为了自动售货机的仿真方便好看，我们选用CPU224，扩展模块我们选用2个8点输入8点输出的EM223 (8 I / 8 Q)，如图3-7所示。

图3-7 自动售货机选用CPU和扩展模块

接下来将梯形图程序编译导出，在仿真软件中把导出的ASCLL文件导入仿真软件，开启仿真软件就可以仿真。

致 谢

从十月份接受课题到现在完成毕业设计论文，衷心的感谢我的指导李老师给予了精心的指导和热情的帮助。李老师在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，李老师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，在短暂的一个月的相处时间里，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。

参考文献

1 程周·可编程序控制器原理与应用 ·北京：高等教育出版社， 2003年

2 王永华·现代电气控制及PLC 应用技术. ·北京：北京航空航天大学出版社，2000

3 周美兰，周封，忘岳宇·PLC电气控制与组态设计·北京：科学出版社，2003

4 吴建强，姜三勇·可编程控制器原理及应用·哈尔滨工业大学出版社，2000

5 吴中俊，黄永红·可编程序控制器原理及应用·北京：机械工业出版社，2003

6 张万忠，刘明芹·电器与PLC控制技术·北京：化学工业出版社。2003

7 王兆义·可编程序控制器教程·北京：机械工业出版社，2001

8 廖常初·S7-200 PLC 基础教程·北京：机械工业出版社，2001

资源:

115网盘附件下载:

基于PLC的自动售货机设计.rar (322.48KB)

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