自动冰淇淋售货机.pdf

.自动冰淇淋售货机摘要：摘要：本文介绍了自动冰淇淋售货机的基本原理以及工作流程，然后对其自动售冰淇淋进行编程，具体说明了可编程序控制器在自动售冰淇淋机中的作用。程序涉及到了自动售冰淇淋机工作的绝大部分过程。利用 PLC 控制的自动售冰淇淋机提高了系统的稳定性和工作快速性。满足社会对快速生活节奏的需求。关键词：关键词：可编程控制器自动冰淇淋机第一章第一章 综述综述1.1.冰淇淋冰淇淋冰淇淋是以稀奶油为主要原料，加入牛乳、糖类、蛋品、香料、稳定剂等经杀菌后冷冻成为较松软的混合物在中国很久以前就开始食用的“冰酪”。公元 1295 年，在中国元朝任官职的马可波罗从中国把一种用水果和雪加上牛奶的冰食品配方带回意大利，于是欧洲的冷饮才有了新的突破。宋人杨万里对“冰酪”情有独钟，有诗词：“似腻还成爽，如凝又似飘。玉来盘底碎，雪向日冰消”。2.2.冰淇淋机介绍冰淇淋机介绍冰淇淋机又称为冰淇淋凝冻机，是一种用来生产冷冻甜品-冰淇淋而专门设计的自动化设备。3.3.冰淇淋机的结构冰淇淋机的结构随着人们对生活质量要求的不断提高，对冰淇淋的组织、形态和口味都有较高的要求，冰淇淋产业不断发展进步，其相关设备和技术.也不断完善，如制冷技术、新原料、新配方和新添加剂的研究、制造工艺的改进、新设备的开发推广等，但是不论冰淇淋生产技术如何改进，如何完善，冰淇淋机的主要工艺仍然主要包括配料、均质、老化等。(1)均质系统均质系统的主要作用是对原料进行均质，主要基于剪切、撞击和孔穴等三种作用，按照其工作原理可分为：离心式均质机、超声波均质机、高压均质机和高剪切均质机等。其中由于高压均质机的各种参数可随不同的溶液参数进行调节，因此高压均质机应用比较广泛。(2)老化系统经过配料、均质后的溶液必须迅速冷却到老化温度，并储存一段时间，使溶液中的脂肪凝结为固体，蛋白质和稳定剂发生水合作用，提高溶液的黏度和凝冻时的膨胀率，这个过程称为老化，也就是物理上的成熟。(3)凝冻系统凝冻处理是冰淇淋生产过程中一道极为重要的工序，凝冻机是完成凝冻处理的设备，在冰淇淋生产中是关键的机械设备，它的性能优劣直接关系到冰淇淋质量的好坏。(4)硬化系统冰淇淋产品的质量不仅与均质、凝冻等多种因素有关，还与硬化过程有很大关系，硬化设备主要有速冻库和速冻隧道两种。4.4.冰淇淋机分类冰淇淋机分类软冰淇淋机一般按出料口的数量分为单头,三头,七头或更多头的冰淇淋机（1）单头冰淇淋机:只有一个储料缸一个制冷缸和一个出料口,同时只能出一种颜色即一种口味的冰淇淋.这种冰淇淋机我们称为单色冰淇淋机。（2）三头冰淇淋机:有两个储料缸两个制冷缸和三个出料口,同时可以出三种颜色即三种口味的冰淇淋,其中包括两种纯口味和一种混合口味。如图 1-1.（3）七头或多头冰淇淋机:又叫做七色冰淇淋机或七彩冰淇淋机。有四个储料缸四个制冷缸和七个出料口.同时可以放入四种口味的冰淇淋料液,可以出四种纯色和三种混合色共七种颜色口味的冰淇淋。图 1-1 三头冰淇淋机本次以三头冰淇淋机为载体，对其进行自动售货的改造。其改造后主要结构如图 1-2.图 1-2 改造后主要结构图5.5.自动冰淇淋机的工作流程自动冰淇淋机的工作流程首先将原料原味奶和巧克力味奶加入原料缸中，打开电源开关。原味奶经过混合泵按一定比例与空气一起压入高压凝冻缸中进行均质、老化后凝冻成稠密的液体（巧克力奶同上）。最后分别通过三个PLC 控制的流量阀打出不同的冰淇淋。6.6.冰淇淋自动售货机原理图冰淇淋自动售货机原理图.自动冰淇淋售货机原理图.7.7.自动冰淇淋售货机设计要求自动冰淇淋售货机设计要求1.自动冰淇淋机可投入 1 角，5 角，1 元的硬币。2.当投币总值超过 2 元时，原味冰欺凌、巧克力冰欺凌的指示灯亮，当投币总值超过 3 元时，原味冰欺凌、巧克力冰欺凌和双色冰欺凌指示灯都亮。3.当原味冰欺凌、巧克力冰欺凌的指示灯亮时，按下原味冰欺凌、巧克力冰欺凌按钮。原味冰欺凌、巧克力冰欺凌自动打出，5S 后自动停止。在这段时间内原味冰欺凌、巧克力冰欺凌的指示灯闪烁。4.当双色冰欺凌指示灯亮时，按下双色冰欺凌按钮，10S后自动停止。在这段时间内双色冰欺凌指示灯闪烁。5.如果投币超出所需要的钱币时，则找钱指示灯亮后，延时退出找回的钱。第二章第二章 PLCPLC 的选择的选择1.PLC1.PLC 的产生的产生20 世纪 20 年代起，人们把各种继电器。定时器。接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统.由于它结构简单。容易掌握。价格便宜，在一定 X 围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位.但是继电接触器控制系统有明显的缺点：设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难与实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差。20 世纪 60 年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个开展系统重新配置.为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968 年美国通用汽车公司公开向社会招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：(1)编程方便，可现场修改程序(2)维修方便，采用插件式结构.(3)可靠性高于继电器控制装置(4)体积小于继电器控制盘(5)数据可直接送入管理计算机(6)成本可与继电器控制盘竞争(7)输入可以是交流 150V 以上(8)输出为交流 115V，容量要求在 2A 以上，可直接驱动接触器，电磁阀等(9)扩展时原系统改变最小(10)用户存储器至少能扩 X 到 4KB（适应当时汽车装配过程的需要）十项指标的核心要求是采用软布线（编程）方式代替继电控制的硬接线方式，实现大规模生产线的流程控制。2.PLC2.PLC 的发展趋势的发展趋势PLC 总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下几个方面。（1）向小型化、专用化、低成本方向发展随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，使 PLC 结构更为凑，相当与一本精装本书的大小，操作使用十分方便。PLC 的功能不断增加，将原来大、中型 PLC 才有的功能部分地移植到小型PLC 上。（2）向大容量、高速度方向发展大型 PLC 采用多微处理器系统，有的采用了 32 位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理的功能。另外，存储容量大大增加。（3）智能型 I/O 模块的发展智能型 I/O 模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的 CPU 与 PLC 的主 CPU 并行工作，占用主 CPU 的时间很少，有利于提高 PLC 的扫描速度。（4）基于 PC 的编程软件取代编程器随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机.上的编程软件。编程软件可以对 PLC 控制系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数，例如设置各框架各个插槽上模块的型号、模块的参数、各串行通行接口的参数等。（5）PLC 编程语言的标准化与个人计算机相比，PLC 的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。在硬件方面，各厂家的 CPU 模块和 I/O 模块互不通用。PLC 的编程语言和指令系统的功能和表达式也不一致，因此各厂家的可遍程序控制器互不兼容。为了解决这一问题，IEC 制定了可遍程序控制器标准。标准中共有 5 种编程语言，允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，这使编程能够选择不同的语言来适应特殊的工作。（6）PLC 通信的易用化PLC 的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中控制。（7）组态软件与 PLC 的软件化个人计算机（PC）的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。（8）PLC 与现场总线相结合现场总线 I/O 与 PLC 可以组成功能强大的、廉价的 DCS 系统。（9）开发新型特殊功能模块I/O 组件可以提高 PLC 的智能化、高密集度和增大处理能力。(10)CPU 的处理速度进一步加快目前，PLC 的处理速度与计算机相比还比较慢，其高的 CPU 也不过 80486，将来会全面使用 64 位的 RISC 芯片，采用多 CPU 进行处理、分时处理或分任务处理方式，将各种模块智能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可使 PLC 的处理速度达到纳秒级。3.PLC3.PLC 的特点的特点（1）抗干扰能力强，可靠性好.PLC 在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。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。具体措施主要有以下几个方面：1）隔离这是抗干扰的主要措施之一。PLC 的输入、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效的抑制外部干扰源对于PLC 的影响，同时防止外部高电压串入，从而减少故障和误操作。2）滤波这是抗干扰的另一个主要措施。在PLC 的电源电路和输入/输出电路中设置了多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效的抑制。3）对内部电源还采用了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保护供电质量。另外使输入输出接口电路电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。4）内部设置了连锁、环境检测与诊断、watchdog（“看门狗”）等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟（WDT）规定时间（预示程序进入了死循环），立即报警，以保证CPU 可靠运行。5）利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采用信息保护和恢复措施。6）对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。7）采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。8）以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。而采用循环扫描的工作循环方式，也提高了抗干扰能力。（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 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，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。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。（4）功能完善PLC 的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。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。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制 I/O 等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。（5）设计、施工、调试、的周期短用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC 控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在 PLC 到货前进行，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。PLC 的输入/输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。（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，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。5.PLC5.PLC 的主要功能的主要功能（1）条件控制功能条件控制（或称逻辑控制或顺序控制）功能是指用PLC 的与、或、非指令取代继电器接触的串联、并联极其他各种逻辑连接，进行开关控制。（2）定时/记数控制功能定时/记数控制功能指用 PLC 提供的定时器、记数器指令实现对某种操作的定时或记数控制，以取代时间继电器和记数继电器。（3）数据处理功能数据处理功能是指 PLC 能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、逻辑运算以及编码和译码等操作。（4）步进控制功能步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控制器。（5）A/D 与 D/A 转换功能A/D 与 D/A 转换功能是指通过 A/D、D/A 模块完成模拟量和数字量之间的转换。（6）运动控制功能运动控制功能是指通过高速记数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运动控制。（7）过程控制功能过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。扩展功能扩展功能是指通过连接输入输出扩展单元（即 I/O 扩展单元）模块来增加输入输出点数，也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高 PLC 的控制功能。（8）远程 I/O 功能.远程 I/O 功能是指通过 I/O 单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与 PLC 主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。（9）通信联网功能通信联网功能是指通过 PLC 之间的联网、PLC 与上位机的等，实现远程 I/O 控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。（10）监控功能监控功能是指 PLC 能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的定时器、记数器等设定值或强制 I/O状态。6.PLC6.PLC 的选型原则的选型原则当某一个控制任务决定由 PLC 来完成后，选择 PLC 就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的 PLC,另一方面是选择什么公司的 PLC 及外设。对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O 点找出来，包括开关量 I/O 和模拟量 I/O 以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之中既有交流 220V 的接触器、电磁阀，又有 24V 的指示灯，则最后选用的 PLC 的输出点数有可能大于实际电数。因为 PLC 的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。所以一旦它们是交流 220V 的负载负载使用。则直流24V 的负载只能使用其他的输出端了。这样有可能造成输出点浪费，增加成本。所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流 220V 的指示灯等。一般情况下继电器输出的 PLC 使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。对第二个问题，则有以下几个方面要考虑：（1）功能方面所有 PLC 一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC 是否有能力控制任务。如对PLC与 PLC、PLC 与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对 PLC 的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对 PLC 的位置.控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的 PLC 品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。（2）价格方面不同厂家的 PLC 产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O 点数相当的 PLC 的价格能相差 40%以上。在使用 PLC 较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。7 7三菱三菱 PLCPLC基本性能FX2N 系列 PLC 是日本三菱电机株式会社生产的小型、高性能、整体式 PLC。FX2N 系列作为 FX 系列中功能强、速度高的微型可编程控制器，应用广泛。它由基本单元、扩展单元、扩展模块、特殊模块和特殊单元组成，如图 2-1 所示。图 2-1 三菱 FX2N-32MRFX2N 系列 PLC 的型号从 FX2N-16M128M。其输出电路有 3种：继电器型、双向晶闸管型和晶体管型，基本单元、扩展单元和.扩展模块均可选择这 3 种输出方式。主要性能有：输入、输出 16256 点；内置 8K 步容量的存储器，最大可以扩展到 16K 步；CPU 运算处理速度 0.550.7/基本指令；FX2N 系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块；基本单元内置 2 轴独立、最高 100KHZ 的定位功能（晶体管输出型）；实时始终内置于基本单元中；基本指令 27 条；步进阶梯指令 2 种（可表示 SFC）应用（功能）指令 128 种；内置运行/停止开关（具有外部运行/停止功能）；运行过程中写入程序。FX2N 有 3000 多点辅助继电器、1000 点状态继电器、200 多点定时器、200 点 16 位加计数器、35 点 32 位加/减计数器、8000 多点 16 位数据寄存器、128 点跳步指针、15 点中断指针，这为应用程序的设计提供了丰富的资源。FX2N 基本指令的执行速度超过了很多大型 PLC。它的 128 种功能指令包括数学运算、逻辑运算、浮点数运算、数据检索、数据排序、PID 运算、三角函数运算、中断输入处理、修改输入滤波时间常数、脉冲调制、ASCII 码输出、BCD 与 BIN 的相互转换、串行数据传送、校验码、比较触点等。FX2N 内装实时时钟，有时钟数据的比较、加减、读出/写入指令，可用于时间控制。所以根据本次设计需要选用 FX2N-32MR 型号 PLC第三章第三章 系统主要元件系统主要元件钱币识别系统钱币识别系统钱币识别系统由钱币识别器、识别后的钱币自动分类贮存机构和退币机构。货币识别器主要包括硬币识别器与纸币识别器两部分。（1）硬币识别器原理.我国目前发行的 1 元、5 角和 1 角硬币的金属原材料足为造币而专门用的特殊合金，因此在它通过投币口进入由电感和电容组成的特定高频振荡线路所产生的磁场时，金属材质和体积的差异对电感量的影响大小也出现微弱的差异，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。如图 3-1图 3-1 硬币识别器及退币（2）纸币识别器原理把正常的钞票在各传感器接收到的信号进行统计取样、识别，并寄存起来，作为检测的依据。当识别纸币时，把在各通道接口接收到的信号参数与原寄存起来的信号参数进行比较、判断，若有明显差异时就立即送出报警信号并截停电机，同时送出对应的信号提示。如图3-2图 3-2 纸币识别器第四章第四章 系统程序设计系统程序设计.1.1.系统流程图系统流程图初始状态投入硬币投币状态按下选择按钮购买状态是否有找零是否退币状态自动售货机工作流程图系统工作状态下,当投入两元硬币,程序识别到硬币,进入比较程序如大于 2 元小于 3 元，原味冰淇淋和巧克力冰淇淋指示灯亮。按下原味冰淇淋选择按钮,程序接收到指令控制原味冰淇淋的电磁阀打开延时 10s 后断开。程序判断是否还有剩下的钱，如还有多余的钱则进入退币程序，退出多余的钱。2.PLC2.PLC 输入输出分配表输入输出分配表输入信号输入信号名称一角投币五角投币一元投币代号ST1ST2ST3编号X0X1X2.原味冰淇淋按钮巧克力冰淇淋按钮双色冰淇淋按钮找钱开关电源开关输出信号输出信号原味冰淇淋指示灯巧克力冰淇淋指示灯双色冰淇淋指示灯放原味冰淇淋按钮电磁阀SB1SB2SB3SB4SB5HL1HL2HL3YV1X3X4X5X6X7Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6放巧克力冰淇淋按钮电磁阀YV2放双色冰淇淋按钮电磁阀找钱执行机构冷冻压缩机和混合器电机YV3YAKM1 KM2Y7输入输出分配表输入输出分配表3.3.程序设计程序设计（1）计币系统当有人买冰淇淋投币室，计币系统将投入的硬币进行识别和累加并存入数据寄存器的 D5 中并与 2 元、3 元进行比较。如数据寄存器 D5 中数据大于 2 元，则原味冰淇淋和巧克力冰淇淋的指示灯亮，如数据寄存器 D5 中数据大于 3 元时则原味冰淇淋、巧克力冰淇淋和双色冰淇淋指示灯都亮。（2）供给系统.当数据寄存器D5中数据大于2元时原味冰淇淋和巧克力冰淇淋指示灯亮后，按下原味冰淇淋或巧克力冰淇淋按钮 X4 或 X5，常开触电闭合，Y3 或 Y4 接通，YV1 或 YV2 阀打开，打出原味或者巧克力冰淇淋。当数据寄存器的 D5 中数据大于 3 元时，原味冰淇淋、巧克力冰淇淋和双色冰淇淋指示灯亮时，按下双色冰淇淋按钮 X6，常开触电闭合，Y5 接通，YV3 阀打开，打出双色冰淇淋。（3）找钱系统买完冰淇淋后投币时多余的钱币退出，当Y5 接通时，找钱执行机构动作。X7 为找钱开关，找出多余的钱币。当找钱系统完毕后，Y5 断开。4.4.部分程序解释部分程序解释当开机启动时，M0 瞬间得电，当 M0 得电以后把 K1,K5,K10 送入 D0,D1,D2 寄存器中。X1,X2,X3 分别是一角，五角，一元的输入，当有人投入相应的硬币的时候，利用 ADD 指令在 D5 中进行相加，计算出一共投入了多少钱。.5.5.程序总图程序总图.第第 5 5 章章 总结总结本次毕业设计终于在紧 X 的气氛中顺利的完成了，其中包含了太多快乐和辛酸。我的选的设计题目是冰淇淋自动售货机。本以为能很顺利的完成设计，但在设计过程遇到了很多没想到的问题，不过最终在指导老师的悉心指导下克服了难题。在此要感谢指导我的老师沈老师对我的悉心指导。感谢老师对我的热心帮助，让我发现自己还有很多不足之处。让我收获了很多书本上学不到知识，同时锻炼了自己独立工作的能力，动手能力，相信对我今后的学习生活有着非常大的影响。虽然此次设计做的不是太完美，但是在设计过程中所学到的东西才是此次毕业设计的最大收获和财富，相信会让我终身受益。.参考文献参考文献束长宝、PLC 应用与实践、XX、东南大学、2009.3、2008 年 12月第一版贾德胜、PLC 应用开发实用子程序、人民邮电、2006.1、2006年一月第一版.