基于PLC的饮料自动售货机控制系统设计.doc

毕业设计（论文）基于PLC饮料自动售货机控制系统设计专业（系） 电子信息工程系 班 级 学生姓名 指导教师 完成日期 2014年5月 第 21 页2012届毕业设计任务书一、 课题名称：基于PLC饮料自动售货机控制系统设计二、指导教师：谢祥洲三、设计内容及要求1、课题概述：本课题采用三菱FX2N系列PLC对饮料饮料自动售货机控制系统进行设计，根据系统设计要求对饮料自动售货机控制系统、检测系统进行分析，给出饮料自动售货机控制系统总体设计思路，并通过I/O列表、I/O接线图、梯形图、指令表等对其控制系统进行了程序设计，控制程序经上机调试运行，其结果基本符合要求。2、设计内容及要求：1）分析饮料自动售货机控制系统、检测系统，确定其控制系统总体设计思路；2）采用FX2N系列PLC作为饮料自动售货机控制PLC，正确选取PLC型号，设计出其控制程序。3）控制程序上机调试。4）所设计饮料自动售货机控制程序，应符合饮料自动售货机运行规则。如饮料自动售货机收到识币信号后，自动进行累计、外部金额显示、顾客按键后自动推出商品与发出退币找零等信号电控系统。5）设计说明书要有硬件原理连接图，I/O分配图，程序梯形图、指令表及相应说明。要求文字流畅，图形清晰，便于阅读。四、设计参考书1、PLC控制系统设计及维护 刘小春 华满香主编 高等教育出版社 2、流行PLC实用程序及设计(三菱FX2系列) 贺哲荣主编 西安电子科技大学出版 3、三菱FX系列PLC设计及开发-原理、应用及实训 张还主编 机械工业出版社五、设计说明书要求 1、 封面2、 目录3、 内容摘要(200400字左右，中英文)4、 引言5、 正文（设计方案原理、特点、分析、比较、论证，PLC程序设计及调试，调试结果说明及特点，实验结果说明及特点）6、 结束语7、 附录(参考文献、图纸、材料清单等)六、毕业论文要求1、 毕业设计论文要求文字要求:文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定标准或工程要求绘制。目 录摘 要6第1章 任务及要求,8课题概述.81.2 设计内容及要求81.3 FX2N-32MR产品说明8第2章 引 言.10 2. 1研究背景.102.2论文研究目标和意义.12第3章 方案论证及设计.14 3.1 总体设计分析.14 3.2 方案选择及设计.14 3.2.1 继电控制.14 3.2.2 单片机控制.15 3.2.3 PLC控制.15 3.3 方案确定.16第4 章 自动售货机PLC控制系统设计.17 4.1 硬件电路设计.17硬件系统组成.174.1.2 电气设备选择17 4.2 软件设计.19 4.2.1 自动售货机控制要求.19 4.2.2 控制流程图.20 4.2.3 I/O分配表.21 4.2.4 硬件接线图.22 4.2.5程序设计.23第5章 系统调试.275.1 调试设备.27 调试步骤.27第6章 心得体会（致谢）.29参考文献.30附表一： 梯形图.31 摘 要在今天工业生产中，可编程逻辑控制器（PLC）已经成为实现工业自动化关键。本文简要介绍了有关可编程逻辑控制器一些基础知识与简单应用，而且还介绍了PLC技术特点，并重点在硬件、软件与组态软件方面进行了介绍，对他们在工业自动化中典型应用、最新技术发展趋势也做了介绍。自动售货机在中国有着广阔发展前景，文中介绍了自动售货机发展历史与现状。在这次毕业设计中，我查阅了大量资料，以PLC原理为基础设计了自动售货机系统。按照自动售货机工作方式，把一次交易过程分为：运行初期清零过程、投币过程、价格比较过程、选择商品过程、退币过程。利用梯型图编制各个过程程序完成了设计基本要求。关键词:自动售货机；可编程逻辑控制器。 ABSTRACTIn today's industrial production, programmable logic controller (PLC) has become the key to realize industrial automation. This paper briefly introduces the programmable logic controller some basic knowledge and simple application, but also introduces the technical characteristics of PLC, and mainly in hardware, software and configuration software are introduced, the typical application in industrial automation, the latest technology development trend is also introduced. Vending machine in China has a wide development prospect, this paper introduces the vending machine development history and current situation. In this graduation design, I refer to a large amount of material, with PLC principle for foundation design the vending machine system. According to the vending machine working way, a transaction process is divided into: early operation period reset process, coin process, price comparison process, choose goods process, return money process. Use of ladder type planning each process procedures completed the basic requirements of design.Keywords:Vending machine;Programmable logic controller.第1章 任务及要求本课题采用三菱PLC-FX2N-32MR对饮料饮料自动售货机控制系统进行设计，首先对饮料自动售货机结构进行简单介绍，然后根据系统设计要求对饮料自动售货机控制系统、检测系统进行分析，给出饮料自动售货机控制系统总体设计思路，并通过I/O列表、I/O接线图、梯形图、指令表等对其控制系统进行了程序设计，控制程序经上机调试运行，其结果基本符合要求。1.2 设计内容及要求1）简单介绍饮料自动售货机结构；2）分析饮料自动售货机控制系统、检测系统，确定其控制系统总体设计思路；3）采用FX2N系列PLC作为饮料自动售货机控制PLC，正确选取PLC型号，设计出其控制程序。4）控制程序上机调试。5）所设计饮料自动售货机控制程序，应符合饮料自动售货机运行规则。如饮料自动售货机收到识币信号后，自动进行累计、外部金额显示、顾客按键后自动推出商品与发出退币找零等信号电控系统。6）设计说明书要有硬件原理连接图，I/O分配图，程序梯形图、指令表及相应说明。要求文字流畅，图形清晰，便于阅读。有条件设计方案要求在实验室验证其正确性。1.3 FX2N-32MR产品说明：FX系列PLC拥有无以匹及速度，高级功能逻辑选件以及定位控制等特点；FX2N是从16路到256路输入/输出多种应用选择方案一套可以满足多样化广泛需要PLC。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点灵活输入输出组合。可根据电源及输出形式，自由选择。程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。丰富软元件应用指令中有多个可使用简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。特殊用途：脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。外部设备相互通信，串行数据传送，ASCII code印刷，HEX ASCII变换，校验码等。时计控制内置时钟数据比较、加法、减法、读出、写入等。我本次设计所选用是三菱PLC-FX2N-32MR。32点，16输入，16输出。 第2章 引 言1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置要求； 1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP14 ，在美国通用汽车公司生产线上试用成功，首次采用程序化手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable，是世界上公认第一台PLC。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征工业控制装置。个人计算机发展起来后，为了方便与反映可编程控制器功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。 20世纪末期，可编程逻辑控制器发展特点更加适应于现代工业需要。这个时期发展了大型机与超小型机、诞生了各种各样特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器工业控制设备配套更加容易。自动售货机是一种全新商业零售形式，20世纪70年代自日本与欧美发展起来。它又被称为24小时营业微型超市。在售货机显示屏幕上进行操作，输入商品号码与购买数量，并投入钱币后，商品就会从取货口出来，甚至从食品自动售货机上还能买到大闸蟹。从自动售货机发展趋势来看，它出现是由于劳动密集型产业构造向技术密集型社会转变产物。大量生产、大量消费以及消费模式与销售环境变化，要求出现新流通渠道；而相对超市、百货购物中心等新流通渠道产生，人工费用也不断上升，无人自动售货机作为一种必须机器便应运而生了。本次设计主要目能够实现自动售货机自动控制系统PLC设计，进一步增强与完善学生自我创新及动手能力。主要内容是首先整个控制系统设计思路，从硬件到软件资料收集，对一些硬件以及自动售货机内部接线电路都逐一进行了研究学习。第三章 方案论证及设计3.1 总体方案设计分析 3.1 控制系统设计原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）工艺要求，以提高生产效率与产品质量。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控制对象。设计前，应深入现场进行调查研究，收集资料，并于机械部分设计人员与实际操作人员密切配合，共同拟订电气控制方案，协同解决设计中出现各种问题。(2) 在满足控制系统要求前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。（3）保证控制系统安全、可靠。（4）考虑到生产发展与工艺与改进，在选择PLC容量时，应适当留有裕量。3.2 方案选择及设计3.2.1 继电控制利用具有继电特性元件进行控制自动控制系统。所谓继电特性是指在输入信号作用下输出仅为通、断等几个状态特性。继电控制也称通断控制。例如，电炉温度调节中根据炉温是否超过规定值而断开或接通电源。对于继电控制型伺服系统，继电控制是指驱动电源全部电压按照控制偏差值符号正负，正向或反向地加到执行电动机上。为避免正反向之间持续振荡，在正向与反向之间常设置一个死区。继电控制中使用元件并不限于电磁式继电器，也可用别手段来实现继电特性。例如，在双位式温度调节中，常采用双金属片作为敏感元件，温度变化时双金属片因两部分金属膨胀系数不同而弯曲变形，接通或断开触点。继电控制系统主要分析方法有相平面法与描述函数法。继电控制缺点：继电器已应用到家庭及工业控制各个领域。他们比以往产品具有更高可靠性。但是，这也是随之带来一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期磨损与疲劳工作条件下进行，容易损坏。而且继电器触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重后果。继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单改动，也需要花费大量时间及人力与物力去改制、安装与调试。3.2.2 单片机控制目前单片机渗透到我们生活各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机踪迹。导弹导航装置 ，飞机上各种仪表控制，计算机网络通讯及数据传输，广泛使用各种智能IC卡，民用豪华轿车安全保障系统， 摄像机、全自动洗衣机控制，以及程控玩具等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机学习、开发及应用将造就一批计算机应用及智能化控制科学家、工程师。 3.2.3 PLC控制 在工业自动化领域，可编程控制器(PLC)作为自动控制以成为大多数自动化系统设备基础，同时也给工业控制带来了前所未有非凡变化。使用PLC工业控制系统及传统用继电器工业控制系统相比，在操作、控制、效率与精度等各个方面都具有无法比拟优点。 可编程序控制器优势、特点及功能：可编程控制器以体积小功能强大所著称，它不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立及各类生产机械数字量与模拟量联系，从而实现生产过程自动控制。1、 闭环过程控制2、 运动位置控制3、 生产过程监控与管理4、 网络特性3.3 方案确定 PLC控制比继电控制在逻辑上更改方便、控制速度更高、更灵活且便于维护。PLC是建立在单片机上产品。单片机是一种集成电路，不具可比性。单片机可以构成各种各样应用系统，从微型、小型到中型、大型都可，PLC是单片机应用系统一个特例。从工程角度上说：对于单项或重复极少项目，采用PLC是更明智、快捷途径。功率高，可靠性好！通过对各种控制优缺点分析，各适用于不同控制要求场合。对于自动售货机设计来说。要求控制速度快、灵活、可靠性高、易于维护与改动、属于单项重复数少项目。用PLC来控制是最好选择。但分析各种厂家生产PLC我选用了三菱FX2N-32MR型plc来进行自动售货机控制。第4章 自动售货机PLC控制系统设计4.1 硬件电路设计 4.1.1 硬件系统组成 1）主控制板2）温控模版温度采集加热制冷等3） 货币识别模块在投入货币之后，系统会用红外线识别器识别货币面额。4） 销售模块在顾客选择商品时，用电机驱动相关硬件设施送出相应商品。在退币时驱动电机完成退币动作。完成销售过程。 4.1.2 电气设备选择在整个硬件控制中包括各种电气设备：断路器、接触器、继电器、隔离开关、热继电器、与电动机。继电器选用原则：(1)按使用类别选用：中小型工厂生产实际，90kW及以下笼型电动机占全厂电机总数90以上，基本属于按AC-3使用类别选用。(2)确定容量等级：接触器容量即主触头在额定电压等技术条件下，其额定电流确定，应注意如下几点：工作制及工作频率影响：选用接触器时，应注意其控制对象是长期工作制，还是重复短时工作制。在操作频率高时，还必须考虑电弧能量影响。在水泥厂属于长期工作制，但操作频率不高，应尽可能选用银、银合金或镶银触头接触器，如CJ20型系列产品。环境条件影响：在水泥厂，生产流程环境是比较恶劣，粉尘污染严重，通风条件差，工作场所温度较高。因此，对接触器选择宜采取降容使用技术措施。热继电器选用原则：热继电器主要用于保护电动机过载，为了保证电动机能够得到既必要又充分过载保护，就必须全面了解电动机性能，并给其配以合适热继电器，进行必要整定。一般涉及到电动机情况有工作环境、起动电流、负载性质、工作制、允许过载能力等。原则上应使热继电器安秒特性尽可能接近甚至重合电动机过载特性，或者在电动机过载特性之下，同时在电动机短时过载与起动瞬间，热继电器应不受影响(不动作)。 热继电器用以保护反复短时工作制电动机时，热继电器仅有一定范围适应性。如果每小时操作次数很多，就要选用带速饱与电流互感器热继电器。 对于正反转相通断频繁特殊工作制电动机，不宜采用热继电器作为过载保护装置，而应使用埋入电动机绕组温度继电器或热敏电阻来保护。电动机选用原则：1）电动机机械特性、启动、制动、调速及其它控制性能应满足机械特性与生产工艺过程要求，电动机工作过程中对电源供电质量影响（如电压波动、谢波干扰等），应在容许范围内；2）按预定工作制、冷却方法基辅在情况所确定电动机功率，电动机温升应在限定范围内；3）根据环境条件、运行条件、安装方式、传动方式，选定电动机结构、安装、防护形式，保证电动机可靠工作；4）综合考虑一次投资几运行费用，整个驱动系统经济、节能、合理、可靠与安全。4.2 软件设计4.2.1 自动售货机控制要求1. 投币类型分为1元、5元、10元、20元、50元2. 各种纸币各一个投钱处3. 分为五种饮料汽水、可乐、牛奶、咖啡、红茶。价格分别为3元、4元、5元、6元、7元4. 当钱数大于3时汽水灯亮5. 当钱数大于4时汽水、可乐灯亮6. 当钱数大于5时汽水、可乐、牛奶灯亮等等7. 按下饮料按钮，电动机得电指示灯亮，相应饮料灯闪。钱数减去饮料钱数，等闪烁3秒，出货结束。4.2.3 I/O分配表输入符号功能地址输出符号功能地址SB11元X0HL1汽水显示灯Y0SB25元X1HL2可乐显示灯Y1SB310元X2HL3牛奶显示灯Y2SB420元X3HL4咖啡显示灯Y3SB550元X4HL5红茶显示灯Y4SB6汽水按钮X5YV1汽水电磁阀Y5SB7可以按钮X6YV2可乐电磁阀Y6SB8牛奶按钮X7YV3牛奶电磁阀Y7SB9咖啡按钮X10YV4咖啡电磁阀Y10SB10红茶按钮X11YV5红茶电磁阀Y11SB11退币按钮X12YV6退币电磁阀Y124.2.4 硬件接线图程序设计可分为6个部分。分别为：1启动清零部分、2投币部分、3表示可购买显示部分、4选择饮料部分、5货币相减部分与6退币部分。1） 启动清零 M8002为初始脉冲。当PLC从STOP拨到RUN时接通瞬间。自动初始清零。 指令表：2） 投币部分 用PLS上升沿触发投币。用ADD指令作加法运算。 指令表：3）表示可购买显示部分 用> D1 K3 比较指令，当D1>K3输出。 指令表：4）饮料选择部分（购买、出货） Y0：可购买汽水 X5：选择汽水 Y5：输出汽水。当按下购买按钮之后，相应商品指示灯闪烁，同时排出商品。3秒后，货物排出完毕、相应指示灯停止闪烁。 指令表： 5）货币相减部分 这里使用了SUB减法运算用于计算投币额及商品价格之差。 指令表： 6）退币部分 按下退币按钮X12（机械自锁按钮）后，当D1大于1时，M61得电。D1等于1时，M62得电。执行DECP指令（减1）、并输出。退币线圈Y12得电。退币完成后，把X12按钮复位，完成售货。 指令表：第5章 系统调试 正确调试系统才能使各模块电路正常工作，实现高稳定性显示。此段程序首先采用M8002进行自动清零。用PLS上升沿触发实现投币。用ADD指令进行货币累加并把数据储存在D1数据存储器中。用> D1 K3指令来表示可买物品。还使用了T计时器用于计时。用减法指令进行货币相减以及退币程序。完成整个自动售货程序。 正确编写程序是调试成功关键。下面就要说说调试所用到设备与过程。三菱FX2N-32型PLC一台接触器5台指示灯10个电机5台热继电器一个一：硬件调试1）按照相关要求连接继电器、与热继电器以及相关饮料输出电机。2）检查继电器触点是否有问题。没有问题正确接线。3）检查电机是否能够正常运转。把热继电器连入电路中。二：软件调试 1 运行PLC，D1自动清零。 2 按下1元投币开关X0与5元投币开关X1后，表示投了6块钱。然后汽水显示灯（Y0）、可乐显示灯（Y1）、牛奶显示灯（Y2）、咖啡显示灯（Y3）亮。表示可以购买。 3 按下可乐购买开关（X6），后可乐显示灯（Y2）闪烁，同时可乐输出线圈（Y6）亮。三秒后完成。说明可乐排出！按下找零按钮（X12）后，退币线圈（Y12）得电（亮），表示退出1元硬币。 4 结束。 开始调试程序时在可购买显示部分出了点问题。我们把>= D1 K3指令写成了> D1 K3导致我在投入3元时显示灯不亮，后来经过检查要写成>=3，改正了过来！在退币程序中M8012忘记加了。导致我按下退币按钮看不见退币电磁阀动作。加入了之后，效果就明显了。有几块钱可以看见电磁阀（灯）闪几次。表示退币。经过程序多次改动与最后调试，所有功能都实现了。达到了这次设计目！第7章 心得体会（致谢）在进行此次专题实习过程中，我学习了三菱PLC相关知识，深入了解了很多功能指令，对不理解地方都作了研究，并成功完成了本次设计。本次设计也涉及了很多其他方面知识，除了学过专业知识外，还有包括很多软件方面一些知识，确实收获蛮多。在此答辩之际，我首先要感谢导师。因为无论从论文选题，到编写过程，直到完成，教师无不倾注着心血与辛劳。这点让我们深受感动。教师认真求学精神、严谨治学态度、渊博专业学识、勤勉塌实治学作风、诲人不倦精神无不让人感动。我在这里说一声，教师，辛苦了！大学生活转眼即逝，在这期间，我在电信职业学院学到了很多书里与书外知识。在这里我向所有教师们表示深深得谢意与崇高敬意，你们辛苦了！最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文与参加答辩教师！忠心地祝愿教师身体健康、工作顺利。参考文献2可编程控制器应用技术（第五版）主编：廖常初3PLC电气控制及组态设计.吴中俊编著.-北京：科学出版社，20034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附录附件一：梯形图