毕业设计（论文）基于PLC自动售货机控制系统设计与仿真.doc

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1、基于基于 PLC 自动售货机控制系统设计与仿真自动售货机控制系统设计与仿真 基于基于 PLC 自动售货机控制系统设计与仿真自动售货机控制系统设计与仿真 摘摘 要要 本文简要介绍了自动售货机的发展现状，又简要分析了自动售货机的基本 功能及工作方式。针对现在自动售货机控制系统的优缺点，设计了一个基于 PLC的自动售货机控制系统及用组态王对其仿真。 本文的重点放在PLC程序的设计和组态王组态界面的制作。在进行PLC程 序设计的时候，利用了梯形图的编程方式，采用了模块化的编程思想进行设 计，按照自动售货机系统的内部工作过程来单独进行分析。因此该系统具有理 解较容易，查找代码及调试方便等特点，并且能很好

2、的达到自动售货机的各项 控制性能指标，可以在实际中进行应用。最后用组态王组态软件进行监控系统 的运行画面的仿真，使自动售货机的工作的每一过程可以更直观的展现出来， 同时节约了自动售货机的开发成本和不必要的开发原材料浪费。 关键词关键词：可编程控制器；自动售货机；梯形图 Automat Control System Design and Simulations Based on PLC Abstract This article briefly introduces the development of automat, and briefly analyses the automats bas

3、ic functions and working methods, it designs a control system of automat based on PLC in allusion to the advantages and advantages of automat control system. This article focuses on the program design of PLC and making the configuration interface. When I design the PLC program, I introduce The Modul

4、ar Design ideas, Use of the ladder diagram programming approach. I take analysis separately according to the internal work processes of automat. Therefore, the system is characterized in simplicity and convenience of understanding, looking up and debugging, and is able to satisfy all the work indica

5、tors required by automat. It can be applied in practice. Finally,The kingview configuration software is used to monitor the operation of the screen, so the work process of automat can be more intuitive to present. at the same time saving development costs of the automat. Key words: PLC; Automat; T-f

6、igures; Configuration 目目 录录 论文总页数：35 页 1 引言.1 1.1 课题背景.1 1.2 国内外研究现状.1 1.3 课题来源及意义.2 1.4 课题研究方法.2 1.5 文章内容.2 2 PLC 技术的简介.3 2.1 PLC 的概述.3 2.1.1 PLC 的定义.3 2.1.2 PLC 的发展.3 2.1.3 PLC 的特点.4 2.1.4 PLC 的硬件结构及作用.5 2.2 欧姆龙 CP1H 可编程控制器的介绍.7 2.2.1 CP1H 的特点.7 2.2.2 CP1H 基本功能.8 3 自动售货机控制系统的设计.9 3.1 系统方案设计.9 3.1.

7、1 设计任务.9 3.1.2 系统流程.9 3.1.3 自动售货机的工作流程.10 3.1.4 PLC 的 I/O 地址分配.10 3.2 自动售货机的 PLC 程序设计.11 3.2.1 余额比较过程.12 3.2.2 投币过程.13 3.2.3 饮品价格比较过程.15 3.2.4 选择商品过程.16 3.2.5 退币过程.18 3.2.6 强制复位过程.19 3.2.7 程序助记符.20 4 组态软件的设计.22 4.1 组态王软件的简介.22 4.2 组态王的突出特点.22 4.3 组态王与 PLC 的链接.23 4.4 实时监控系统的设计.25 4.4.1 实时监控系统的内部参数设定.

8、25 4.4.2 软件命令语言的编程.26 4.4.3 组态王组态图.27 结 论.32 参考文献.33 致 谢.34 声 明.35 1 1 引言引言 1.11.1 课题背景课题背景 自动售货机的种类、结构和功能依出售的物品而异，主要有食品、饮料、 香烟、邮票、车票、日用品等自动售货机。一般的自动售货机由钱币装置、指 示装置、贮藏售货装置等组成。钱币装置是售货机的核心，其主要功能是确认 投入钱币的真伪，分选钱币的种类，计算金额。如果投入的金额达到购买物品 的数值即发出售货信号，并找出余钱。指示装置用以指示顾客所选商品的品种。 贮藏售货装置保存商品，接收出售指示信号，把顾客选择的商品送至付货口。

9、 一般售货机的钱币装置由投币口、选别装置、确认钱币真伪的检查装置、计算 金额的计算装置和找钱装置组成1。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， 可以每天 24h 售货，近年来，我国的自动售货机行业突飞猛进，在汽车总站、 商厦、医院、小区、学校等地区纷纷涌现出自动售货机的踪迹2。这种方便快 捷的购物方式越来越受到人们的青睐，同时也是现代化城市配套设施的需求。 自动售货机的控制方式很多，但随着 PLC 技术逐步发展，使得它的运行稳定， 为此提出基于 PLC 的自动售货机控制系统这个课题。 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现

10、状 自动售货机作为一种集声、光、机电一体化的高智能化的产品，一般由识 别系统、退币系统和传输系统、制冷、应用软件系统组成。随着防伪技术、数 码技术、软件技术、制冷技术的发展，其可靠性大大提高，进一步提升了自动 售货机行业的深度与广度3。 从目前来看，国内外自动售货机的监控管理均不成熟，它组要分为有线和 无线监控：有线的主要是电话线、ADSL 或专线接入 Internet 的方式进行管理。 也可采用 485 总线连接各售货机终端，而控制主机再接入 Internet 进行监控。无 线的则采用 GPRS、GSM、和 CDMA 等方式，再接入 Internet 进行监控。随着 技术的发展，智能化的售货

11、机更是陆续登台，拥有无线通信技术的实时库存管 理系统，电子结算，LCD 互动广告等，它集商品销售、广告展示、数据采集、 交易结算多功能于一体。自动售货机的控制方式很多，目前采用单片机、 EDA、FPGA、IC 卡、PLC、VHDL 等等。但是 PLC 控制系统的稳定性使 PLC 作为售货机的控制器成为最好的选择4。 如今，日本的自动售货业已经有 2000 多种机型、6000 多种商品。在美国， 运营商就多达 10800 家，并且具有与大饮料商、大食品商的合作经验5。在日 本，由于其无所不在， 24h 供应，自动售货机很受特别忙碌的人欢迎6。 自动售货机科技含量越来越高，完全没有找钱币的苦恼，即

12、使你身无分文， 你大可以通过无线电话付费。芬兰街头有一款朱古力机，只要你下指令，然后 打电话到一指定户口，帐目就会自动转到电话费帐单里，即使没有现金，也可 以吃到朱古力。 1.1.3 3 课题来源及意义课题来源及意义 在中国，自动售货机将成为一个潜在的巨大产业，继百货商店、超市之后 掀起第三次零售业革命，其前景非常广阔,除了在故障诊断领域，在控制、建模、 预测、综合评价、知识获取等领域，SVM 也得到很多应用，说明其应用非常广 泛，是一项很有发展前途的分类方法。 自动售货机不仅可以更方便售卖货品，还可以作为一种传播广泛的广告宣 传和信息宣传媒介。自动售货机的机身有着天然的广告位，可以进行招商，

13、收 取广告费，为投资者增加额外收益。 传统的自动售货机控制系统采用单片机或者 FPGA 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。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。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。本文就详 细地介绍一种用 PLC 实现的自动售货机控制系统的软件设计与组态仿真。 1.41.4 课题研究方法课题研究方法 本课题通过对自动售货机

14、的了解，制定了控制方式，采用欧姆龙 PLC 作为 主控制器，并用亚控组态王对其运行全过程进行实时监控，通过仿真使售货机 的售货过程直观的展现出来。 通过对控制要求的分析，I/O 点的分配，选用 CP1H PLC 作为主控制器，利 用 CX-programmer 作为程序编程软件，程序采用梯形图的方式，并对程序进行 在运行线调试，程序直观，简洁，容易理解。通过 RS-232 连接 PLC 于监控软 件组态王，采集 PLC 的 I/O 数据，对售货机进行实时监控，并对售货过程进行 仿真。 1.51.5 文章文章内容内容 （1）文中首先介绍了自动售货机控制系统的发展背景，又对自动售货机的 基本功能及

15、工作过程做了比较详细的分析。 （2）接下来，通过对自动售货机的功能分析和现在居民的生活状况，而制 定出了本设计的具体设计方案。 （3）在详细分析了自动售货机的设计方案后，绘制出了自动售货机系统的 工作流程图。再根据自动售货机的工作流程图从而完成了 PLC 程序的编写与程 序功能的在线运行调试。 （4）文中最后介绍了自动售货机的组态王组态界面的设计。首先详细论述 了组态王的各种窗口的应用，并编写出了自动售货机控制系统的命令语言。最 后完成了自动售货机的组态图设计与仿真。 2 2 PLCPLC 技术的简介技术的简介 2.12.1 PLCPLC 的概述的概述 2.1.12.1.1 PLCPLC 的定

16、义的定义 在 1987 年国际电工委员会颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义： 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7。 定义强调了 PLC 是“数字运算操作的电子系统”，他也是一种计算机，它是 “专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。这种工业计算机采用“面向用户 的指令”，因此编

17、程方便。它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运 算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工 业控制系统联成一体”，易于“扩充”8。 2.1.22.1.2 PLCPLC 的发展的发展 世界上第一台 PLC 由美国数字设备公司研究成功的，上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 30-40%。PLC 广泛 地应用于汽车、航天、冶金、轻工、建材等行业。目前中国 PLC 市场 95%以上 被国外产品占领，目前国产 PLC 的市场占有率还不到 3%，欧美产品在大中型 PLC 领域占有绝对优势，日本产品在小型 PLC 领域占

18、有优势，中国本土自主品 牌 PLC 的市场影响非常小，很难形成规模经济。如今 PLC 的指令越来越丰富， 从单一的逻辑控制向时时通讯发展，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、 人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐进入过程控制领域，在某 些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 PLC 今后将朝着体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微小型 PLC 发展，另外一个方向将向大型、高速、多功能方向发展。在今后的工业应用中， PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编 程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的

19、品 种出现；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构 成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系 统 DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着 计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要 组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用9。 2.1.32.1.3 PLCPLC 的特点的特点 PLC 之所以越来越受自动控制界人士的重视，主要是由于它具有让通用计 算机望尘莫及的特点： 1、抗干扰能力强 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

20、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。 2、控制系统结构简单 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、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 P

21、LC 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、设计周期短 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

22、时进行。 6、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。 2.1.42.1.4 PLCPLC 的硬件结构及作用的硬件结构及作用 PLC 结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处 理单元 CPU、存储器 RAM 和 ROM、输入输出接口电路、电源、I/O 扩展接口、 外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。 PLC 硬件结构如图 2-1 所示，是用微处理器实现的许多电子式继电器、定 时

23、器和计数器的组合体。 1、中央处理器 CPU 是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能 就是进行算术运算和逻辑运算。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有 条不紊地工作，它的基本功能是从内存中取指令和执行指令。他的重要功能如 下： （1）诊断 PLC 电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 （2）采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入 PLC 的寄存器中。 （3）按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后， 按指令规定的任务完成各种运算和操作。 （4）将存于寄存器中的处理结果送至输出端。 （5）应各种外部设备的工作请求。 编程器 输 入 单

24、 元 用户程序存储器 系统程序存储器 中央处理单元 电源 输 出 单 元 继电器触点 按钮 行程开关 接触器线圈 指示灯 电磁阀线圈 图 2-1 PLC 硬件结构图 2、存储器 PLC 的存储器分为两大部分： 一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部 数据。 二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。 3、输入输出接口电路 PLC 通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过 PLC 的输入端子接受现场输入设备的控制信号，并将这些信号转换成 CPU 所能 接受和处理的数字信号。 4、电源 PLC 的电源是指将外部输入的交流电经过整流、

25、滤波、稳压等处理后转换 成满足 PLC 的 CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作所需要的直流电源 电路或电源模块。 5、输入输出 I/O 扩展接口 若主机单元的 I/O 点数不能满足输入输出点数需要时，可通过此接口用扁 平电缆线将 I/O 扩展单元与主机单元相连接。 6、PLC 的基本工作原理 1、可编程控制器的等效电路 PLC 的等效电路分为三部分： （1）输入部分，这部分的作用是收集被控设备的信息或操作指令输入端子 是 PLC 与外部开关、敏感元件等交换信号的端口。 （2）内部控制电路。这部分由用户根据实际的控制要求编写程序组成，其 作用是按用户程序的控制要对输入信息进行运算处理，判

26、断哪些信号需要输出， 并将得到的结果输出给负载。 （3）输出部分。这部分的作用是驱动外部负载。输出端子是 PLC 向外部 负载输出信号的端子，PLC 输出继电器触点与输出端子相连，通过输出端子驱 动外部负载，如接触器驱动线圈、信号灯、电磁阀等。 2、可编程控制器的工作方式 PLC 采用的是串行循环扫描的工作方式，大致分为三个阶段： （1）输入采样阶段。在第 N 个扫描周期，首先进行的是读入现场信号， PLC 依次读入所有输入状态和数据并将它们存入寄存器内，输入采样结果后， 如果输入状态和数据发生变化，PLC 不再响应，输入寄存器中的数据和状态保 持不变，要等到 N+1 个扫描周期才能读入。 （

27、2）用户程序执行阶段。CPU 将指令逐条调出并执行，其过程是从梯形 图的第一个梯级开始自上而下依次扫描用户程序，在每一个梯级，又总是按先 左后右、先上后下的顺序扫描。 （3）输出刷新阶段。CPU 将输出映像寄存器的状态和数据传送到输出锁 存器，在经过输出电路的隔离和功率放大，转换成合适的电压、电流或脉冲信 号，驱动接触器、电磁铁、电磁阀等执行器，此时才是 PLC 的正真输出。 3、扫描周期 扫描周期会因为中断处理、诊断和故障处理等事件儿延长，为了缩短时间， 可以采用“将不执行的任务转为待机”或者“将不执行程序区域插入 JMP-JME 指令跳转”的处理方法。 4、中断 中断分 1）定时中断 2）

28、定时中断 3）I/O 中断 4）快速响应10。 2.22.2 欧姆龙欧姆龙 CP1HCP1H 可编程控制器的介绍可编程控制器的介绍 经过从功能方面和价格方面两个方面的考虑，发现欧姆龙可变成序控制器 产品 CP1H 比较适合自动售货机。因为它是一种功能很强的小型机，在设计的 过程中采用先进的方法及组件使其通常只有在大型 PLC 中才具有的功能，且具 有其他控制器所不具备的功能。虽然是小型机。但是其功能较完善，性能价格 比高，较适合自动售货机。 现在就对欧姆龙 CP1H 可编程控制器的特点和基本性能做一个简单介绍。 2.2.12.2.1 CP1HCP1H 的特点的特点 CP1H 型 PLC 属于小

29、型 PLC，使用 USB 端口与上位机通信，采用梯形图功 能块的结构文本语言编程，多任务的编程模式，多协议宏服务端口，易于连网， 拥有多路高速计数与多轴脉冲输出。CP1H 具有与 CS/CJ 系列 PLC 相似的先进 控制功能如下： （1）处理速度快 CP1H PLC 的 CPU 执行基本指令的时间一般为 0.1us/条，执行 MOV 类高 级指令的时间为 0.3us/条，运行速度分别是小型机 CP1H 的 6 倍和 26 倍。相应 的系统管理、I/O 刷新时间和外设服务所需时间大幅度减少。 （2）程序容量与 I./O 容量大 CP1H PLC 的程序存储容量 20K 字，数据存储器（DM）的

30、存储最大容量 32K 字，这些为复杂程序和各接口单元、通信及数据处理提供了充足的内存。 （3）整体式机构 CP1H PLC 采用整体式结构，体积小巧且功能完备，大幅度提升了空间的 利用率。 CP1H PLC 采用 CX-P6.1 版本作为编程软件，配有 FA 综合工具包 CX- ONE，可实现 PLC 与各种外部元器件的结合。 （4）系统扩展性好 CP1H PLC 最多可以连接 7 个 I/O 扩展单元，每个单元具有 40 个 I/O 点， 加上 CPU 单元本身内置的 40 个点，CP1H 可以处理最大 I/O 点位 320 点。 （5）高速性能 CP1H PLC 的 cpu 单元具有模拟输

31、入/输出功能，高速中断输入功能，高速 计数功能和可调占空比的高频脉冲输出功能，可实现模/数与数/模转换。 总之，CP1H PLC 具有功能强，速度快，体积小，适用范围广等特点 11。 2.2.22.2.2 CP1HCP1H 基本功能基本功能 CP1H 是一部内建 20、30、40 或 60 点 I/O 端子的 PLC，有三种输出可选用 (继电器输出、PNP 晶体管输出和 NPN 晶体管输出)和 2 种电源可供选用 (100/240VAC 或 24VDC)。 为了提供模拟输入和输出，可以连接最多 7 个模拟 I/O 模块。每个模块提 供 2 种模拟输入和 1 种模拟输出，所以连接 7 个模拟 I

32、/O 模块就能得到最多 14 种模拟输入和 7 种模拟输出。(将模拟 I/O 与 PID 及 PWM 指令结合就能完成时 间-比例控制)。模拟输入范围可以设定为 0-10VDC、1-5VDC 或 4-20mA；分辨 率为 1/256。(1-5VDC 和 4-20mA 设定可使用开路检测功能)。模拟输出范围可 以设定为 0-10VDC、-10-10VDC 或 4-20mA，分辨率为 1/256。 同步脉冲控制提供一个外接装置与主装置同步之简单方法，输出脉冲频率 可以被控制成为输入脉冲频率的倍数，这样外接装置(如供料传输机)的速度能 与主装置的速度同步。 编程设备的多样性，如编辑器与支持软件可用于

33、 C200H、C200HS、C200、HX/HG/HE、CQM1、CPM1、CPM1A、CPM2C 和 SRM1 (-V2) PC，所以可以有效地使用现有之阶梯图程序资源。 中断输入(计数器模式)可用在递增计数器或递减计数器(2kHz)，而且在计数 与目标值相同时触发中断(执行中断程序)。 间隔定时器中断，间隔定时器可以设定在 0.5 和 319,968 ms 之间，而且能 设定只产生一次中断(单次模式)或定时中断(预定中断模式)。 CPU 模块有两个控制器，可用来改变 IR 250 和 IR 251 内之模拟设定 (0200 BCD)。这些控制器可用来方便改变或微调机器设定，如传输带之暂停

34、时间或传输率。 可以通过 PLC 的 RS-232C 通讯端口或外接埠可进行上位连接(Host Link)。 在上位连接模式下连接之个人计算机或人机界面，可以使用在如读/写 PLC 的 I/O 内存内之数据或读取/改变 PLC 操作模式之操作12。 3 3 自动售货机控制系统的设计自动售货机控制系统的设计 3.13.1 系统方案设计系统方案设计 3.1.13.1.1 设计任务设计任务 1、以 1 元、5 元、10 元人民币投入，自动销售橙汁和咖啡。 2、当投入金额等于或超过 2 元时，橙汁指示灯亮；当投入金额等于或超过 3 元时，橙汁和咖啡指示灯同时亮。 3、橙汁指示灯亮时，按橙汁按钮，则橙汁自动排出 5S 后自动停止，同时， 橙汁指示灯闪烁 5S 后自动停止。 4、咖啡指示灯亮时，按咖啡按钮，则咖啡自动排出 5S 后自动停止，同时， 咖啡指示灯闪烁 5S 后自动停止。 5、当投入金额大于 0 元时候，退币指示灯亮。按退币按钮，则售货机以一 元