1、基于PLC的自动售货机的系统设计摘 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。本设计利用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-48MR型PLC的控制，这
2、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GX Developer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，机械化，指示灯，可编程序控制器，梯形图ABSTRACT Along with the continuous progress of society, the degree of mechanization and rapid development of the already, automation control in peoples life has been widely used, has brought peopl
3、e convenient.This paper using PLC automatic control has excellent function, flexibility, high universality, input method simplified, simple operation etc, designed a PLC automatic control vending machine, automatic vending machine is a kind of high intelligent product, convenient operation, can full
4、 complement the lack of human resources, the vending machine exterior structure, small size, resettlement area wide, to the life of people brought great convenience.This paper introduced the vending machine design structure, including coin control button, select drink button, and withdrew money butt
5、on, output beverage port, change port and some corresponding indicator; According to the design needs and economic comprehensive factors to consider, choose FX2N 48MR type PLC control, so that you can meet the input and output control, in the design of the control system is given in the design of th
6、e software and hardware of GX Developer software, and the input, commissioning ladder diagram with simulation, able to fully comply with the design requirements.KEY WORDS: Vending machine，Mechanization，Indicator light，Programmable logic control，Ladder -diagram引 言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
7、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
8、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-2N PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性，保
9、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-2N PLC 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 绪 论1.1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
10、，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。1.2 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
11、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
12、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
13、。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
14、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。1.3 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钱币进行感应，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
15、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，汽水2.5元，果汁3元，咖啡3.5元。当启动开始按钮时，自动售货机开始工作，投币完成后，系统会将数据寄存器内钱币数据和可以购的饮料价格进行比较，当投币小于2.5元，则没有可以购买的商品指示灯亮，表示所投钱币不能购买任何东西，此时可以继续投币或退币；只有投币在2.5元或以上时会见到汽水选择的指示灯长亮，此时可以选择购买汽水或退币；同样，大于3元的就有果汁的选择显示，大于3.5元就出现咖啡的选择显示，此时都是可以选择购买或退币。当按下果
16、汁按钮时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去果汁的价格同时启动相应的电机，提取果汁到出货口。买汽水和咖啡操作同理。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。如图1.1所示。图1.1自动售货机工作流程图由此看来，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
17、(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。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
18、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-48MR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GX Developer软件进行对梯形图的
19、输入、调试与仿真，能够完全符合设计需求。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
20、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
21、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-2N 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三菱FX-2N PLC 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。1.4 自动售货机工作原理1.4.1自动售货机工作原理大概流程本文设计的是售汽水、果汁和咖啡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
22、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。(6)系统复零，完成售货。1.4.2验币传感器介绍纸钞识别原理及机构简述1纸钞识别原理(1)纸钞作为一种特殊的印刷品，用来印制它的纸张和油墨都具有特殊性，即在紫外光的照射下，普通的印刷品表面都会发出荧光，而纸钞表面则没有荧光。纸钞的识别过程首先通过检测荧光的强弱，就把纸钞和普通印刷品区别开。(2)根据不同纸钞的基本颜色，如拾元纸
23、钞以蓝色为主调的特点,选用特殊敏蓝紫的光敏元件对颜色和几处图形进行鉴别，把各种不同面额的纸钞和有价证券区别开并自动计数。(3)用几组红外线对管，在纸钞送进过程检测纸钞的长宽尺寸和完整性。(4)对大面额带金属线和特别荧光数字的特性再进行检验鉴定。上述方法基本保证了纸钞真伪识别和自动计数累计的功能。2纸钞识别分配机构由机电传动机构和检测元件组成。传动机构包括双向微型电机和捻纸皮带；检测元件有荧光检测元件，光敏电阻和红外线对管等。当有纸钞投入进口时，入口处红外线被遮挡，接收管发出信号电机正转，捻纸皮带将纸钞送进识钞器内，在送进过程中，各种检测元件对纸钞进行全面检测，如是真钞则进入内部驻钞箱；如检测不
24、合结果，则微电机反转，将投入钞（假钞或异物）退出。金属硬币的识别原理及贮退机构简述 3、金属硬币的识别原理我国目前发行的1元、5角和1角硬币的金属原材料是为造币而专门使用的特殊合金，因此在它通过投币入口进入由电感和电容组成的特定高频振荡电路所产生的磁场是不一样的，金属材质和体积的差异对电感量的影响大小也出现微弱差异，电感量的变化引起振荡频率的变化；再通过检测频率的变化，与设定值进行比较，确定某种硬币种类后，经窄带选频率电路将频率信号变成电压信号输出，完成对金属硬币的识别。4、硬币的贮存和退币机构金属硬币识别器种类繁多，但贮币退币机构基本上分为两类:一类是平面式贮币、电磁阀退币；另一类是圆筒式贮
25、币、步进电机退币，当硬币投入后经过识别识出电信号后，伪币和异物被排出，真币按面值由几组分布电磁阀分配到不同驻币腔内备用。当收到退币找零电信号后，通过退币电磁阀或退币电机拉杆。将驻币腔内下部硬币依电信号程序退出，完成自动售货机的退币找零功能。国产化识币传感器和控制系统应用前景国产化纸钞硬币识别传感器和控制系统是以国内流通钞币的识别为目的，在引进国外技术的基础上，经艰苦探索和实践而成功的。该系统已达到进口产品的基本功能，且大幅度降低成本，生产周期短，易于维护，在各种国内自动售货机等系列产品的应用中，具有广泛的发展前途。 1.5 自动售货机设计思路本次设计的课题是自动售货机，主要是应用三菱FX-2N
26、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。首先得根据设计内容和控制要求准确画出它的顺序功能图，再确定梯形图，并反复调试做到程序无误。具体的控制流程、软硬件组成图、梯形图将会在后面详细介绍。第2章 PLC自动售货机的硬件设计2.1 设计目的 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
27、，熟悉和掌握外围电路系统和硬件设计的方法。2.2 自动售货机的设计要求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，电机主电路由五台电机组成，分别为控制汽水出口电机，控制果汁出口电机，控制咖啡出口电机，控制一元出口电机，控制五角出口电机。通过控制电路的控制作用，在不同时刻不同的电机运转，这样就达到了控制的目的，控制电路图如图2.1所示。图2.1电机控制电路图自动售货机的实际要求如下：(1) 自动售货机可投入5角、1元和5元的钱币。(2) 所售饮料的价格为：汽水2.5元，果汁3元，咖啡3.5元。(3)
28、当启动开始按钮时，自动售货机开始工作。(4) 当钱币等于或超过2.5元时，按选择汽水按钮，则排出汽水，8s后自动停止。(5) 当钱币等于或超过3元时，按选择果汁按钮，则排出果汁，8s后自动停止。(6) 当钱币等于或超过3.5元时，按选择咖啡按钮，则排出咖啡，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。(9) 当退币或报警时则不能再投入钱币。2.3 PLC选型，I/O分配表
29、2.3.1 PLC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。PLC硬件结构如图2.2所示。图2.2PLC硬件结构图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
30、，控制规模就越大。因此，I/O点数是衡量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5角、1元、5元投入端口，汽水、果汁、咖啡选择按钮，开始按钮，退币按钮；外部输出端有汽水、果汁、咖啡指示灯，退币指示灯，汽水、果汁、咖啡输出端口，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，在指示灯亮时，其指示采用的电是
31、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17点，输出点数为15点。根据以上分析，可选用48点（24I/24O）的PLC，现选用三菱公司的FX2N-48MR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。PLC扫描过程如图2.3所示。图2.3PLC扫描全过程2.3.2 I/O分配表I/O地址定义是需要满足系统要求的，此控制系统可采用自动工作方式其中外部输入端有5角、1元、5元投入端口，汽水、果汁、咖啡选择按钮，开始按钮，退币按钮等；外部输出端有汽水、果汁、咖啡指示灯，退币指示灯，汽水、果汁、咖啡输出端口，退币端口等，本设计采
32、用一个小型电机控制电磁阀产生对饮料和钱币的输出。I/O分配表如表2.1所示。输入点地址功能输出点地址功能X0启动Y0汽水选择灯X1暂停Y1果汁选择灯X25角输入Y2咖啡选择灯X31元输入Y3汽水出货控制X45元输入Y4果汁出货控制X5汽水选择Y5咖啡出货控制X6果汁选择Y65角电机控制X7咖啡选择Y71元电机控制X105角退币感应器Y10出币选择灯X111元退币感应器Y11制冷控制X12出币选择Y12照明控制X13温度传感器Y135角缺币报警X14光度传感器Y141元缺币报警X155角传感器Y15缺货报警X161元传感器Y16防盗报警X17缺货传感器X20剧烈震动传感器 表2.1 I/O分配表2.4 外部接线图
