plc課程設計---plc構成的自動售貨機監(jiān)控系統(tǒng)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本論文設計的是基于西門子S7-200 系列PLC構成的自動售貨機監(jiān)控系統(tǒng)，本文闡述了自動售貨機的來源與發(fā)展，以及它在國內外發(fā)展的現(xiàn)狀，對自動售貨機的方案進行了論證，介紹了PLC的基本組成、特點以及工作原理，對基于西門子S7-200 系列PLC構成的自動售貨機系統(tǒng)整體設計過程進行較為細致的論述。</p><p

2、>　　文中詳盡地介紹了自動售貨機的各硬件組成，并完成了PLC外部接線圖。在PLC梯形圖的編寫時，文中采用的是西門子PLC梯形圖專用編譯軟件STEP7來進行編寫。介紹了自動售貨機的基本原理以及工作流程，然后以一次交易過程為例，把交易過程分為幾個程序塊，然后分別對程序塊進行編程。具體說明了可編程序控制器在自動售貨機中的作用。程序涉及到了自動售貨機工作的絕大部分過程。利用PLC控制的自動售貨機提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證自動售貨機能夠長期穩(wěn)

3、定運行。</p><p>　　關鍵詞: PLC；順序功能圖；梯形圖；I/O點的分配</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p><b>　　第1章 緒論3</b></p><p>　　1.

4、1自動售貨機的理論背景與實際意義3</p><p>　　1.2 自動售貨機設計的主要內容3</p><p>　　1.3 自動售貨機設計的基本思路4</p><p>　　第2章 PLC的概述5</p><p>　　2.1 PLC的定義5</p><p>　　2.2 PLC的簡介5</p><

5、;p>　　2.3 PLC的工作原理5</p><p>　　2.4 PLC的循環(huán)掃描工作4</p><p>　　2.5 PLC的硬件組成5</p><p>　　2.6 PLC的編程語言6</p><p>　　2.7 PLC的特點6</p><p>　　第3章 自動售貨機的設計8</p>&

6、lt;p>　　3.1 自動售貨機設計軟元件8</p><p>　　3.1.1 定時器........................................................................................................8</p><p>　　3.1.2 數(shù)學運算指令......................

7、......................................................................8</p><p>　　3.2自動售貨機的基本功能9</p><p>　　3.3 自動售貨機I/O點的分配10</p><p>　　3.4 順序功能圖（SFC）11</p><p>　　3.4.1

8、什么是順序功能圖（SFC）..................................................................11</p><p>　　3.4.2 所選擇的順序功能圖（SFC）...............................................................11</p><p>　　3.5 梯形圖（

9、LAD）12</p><p>　　3.5.1 什么是梯形圖（LAD）..........................................................................12</p><p>　　3.5.2 自動售貨機設計的梯形圖（LAD）....................................................

10、..13</p><p>　　3.6 自動售貨機的相關說明21</p><p>　　3.7 自動售貨機的外部接線圖21</p><p>　　3.8 自動售貨機仿真22</p><p><b>　　致 謝25</b></p><p><b>　　參考文獻26</b>&

11、lt;/p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1自動售貨機的理論背景與實際意義</p><p>　　自動售貨機是一種全新的商業(yè)零售形式，20世紀70年代自日本和歐美發(fā)展起來。它又被稱為24小時營業(yè)的微型超市。在日本，70％的罐裝飲料是通過自動售貨機售出的；全球著名飲料商可口可樂公司在全世界就布有50萬臺飲料自動售貨機

12、。在中國,自動售貨機1999年開始進人中國市場．如今，在機場、地鐵、商場、公園等客流較大的場所，已不難發(fā)現(xiàn)自動售貨機的身影。</p><p>　　從自動售貨機的發(fā)展趨勢來看，它的出現(xiàn)是由于勞動密集型的產業(yè)構造向技術密集型社會轉變的產物。大量生產、大量消費以及消費模式和銷售環(huán)境的變化，要求出現(xiàn)新的流通渠道；而相對的超市、百貨購物中心等新的流通渠道的產生，人工費用也不斷上升；再加上場地的局限性以及購物的便利性等這些

13、因素的制約，無人自動售貨機作為一種必須的機器便應運而生了</p><p>　　它的售貨領域非常廣泛，是發(fā)達國家商品零售的一種主要方式。近幾年，自動售貨機逐漸被越來越多的消費者所接受。但由于售貨機分布零散、范圍廣闊的特點，自動售貨機在為消費者帶來方便的同時，也為經營者在監(jiān)控、管理、維護等方面帶來很大的不便。目前售貨機運行的各種情況都需要由人工判斷，包括缺貨、缺零錢、幣箱已滿、售貨機機械故障等，經營者普遍采用人工定時

14、巡回視察的管理辦法，既費時費力，又無法及時準確獲取自動售貨機狀態(tài)報告，給經營者增加了管理成本和難度，也有可能給消費者的正常消費造成不便。 　　本系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)可以使自動售貨機的經營者可以根據(jù)網(wǎng)絡統(tǒng)計的銷售狀況進行商品銷售狀況分析，預測商品的銷售走勢，確定合理的采購和配送策略，以期獲得最高的投資回報率。同時售貨機的一些故障信息和警報信息可以實時的傳送到相應運營人員，從而可以在第一時間內發(fā)現(xiàn)并解決問題。</p><p

15、>　　1.2 自動售貨機設計的主要內容</p><p>　　1.此自動售貨機可以投入五角、一元的硬幣；</p><p>　　2.如果顧客投入硬幣在限定的時間內（2分鐘）不按任何按鍵，自動售貨機將退還所投硬幣；</p><p>　　3.當投入硬幣的總值等于或才超過物品價值時，對應的物品指示燈亮綠燈；</p><p>　　4.當物品對應的指

16、示燈亮綠燈時，按下按下相應的按鍵，相應的物品排出，同時指示燈綠燈閃爍；</p><p>　　5.如果顧客投入硬幣總值超過所選物品的價值時，自動售貨機會自動將余款退還顧客；</p><p>　　6.當顧客成功購買完一件物品后20秒無操作，自動售貨機會自動將余款退還顧客；</p><p>　　7.如果顧客投入硬幣后又不想買物品，按下退款按鍵，自動售貨機會自動將余款退還顧

17、客；</p><p>　　8.找零時顧客可選擇退一元的還是五角的；</p><p>　　9.當物品不足時，對應的物品指示燈亮紅燈，顧客按下相應的按鍵無反應（不出物品，不減余額），并向總部發(fā)送所缺物品。</p><p>　　1.3 自動售貨機設計的基本思路</p><p>　　本次設計的題目是自動售貨機，主要是應用西門子S7-200型PLC的梯

18、形圖來設計控制程序，并簡單介紹相關的知識，如：PLC的定義、PLC的編程語言、PLC的硬件組成等。根據(jù)設計內容和控制要求畫出順序功能圖和梯形圖，再根據(jù)PLC的相關知識設計出它的外部接線圖，結合梯形圖和外部接線圖分析說明該設計的控制原理過程。</p><p>　　本次設計的重要部分是第三章的設計部分，即自動售貨機梯形圖的設計。首先就得根據(jù)設計內容和控制要求準確畫出它的順序功能圖，再根據(jù)所畫出的順序功能圖準確設計出它

19、的梯形圖，這樣才能真正理解本次智能搶答器的控制原理。</p><p>　　第2章 PLC的概述</p><p>　　2.1 PLC的定義</p><p>　　PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各

20、種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。</p><p>　　2.2 PLC的簡介</p><p>　　PLC是以CPU為核心，綜合了計算機技術和通信技術發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，是現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機器人和CAD/CAM）之一。目前，世界上生產PLC的主要廠家有65個，其中最有名氣的廠家

21、在日本、美國和德國。日本的幾個廠家為三菱、富士。日立、東芝、橫河、立石、光洋、夏普等公司。美國的幾個廠家為德州食品公司、通用電器公司、歌德公司、數(shù)字設備公司等。還有德國的西門子，荷蘭的飛利浦，香港的鷹達等公司也是很有名氣的。日本三菱電機公司（MITSUBISHI）于1971年開始研制PLC，目前主要有F1,F2,FX,K,A等十幾個系列幾十種產品，在我國（主要是華東和華南地區(qū)）的工業(yè)控制領域具有一定的市場占有率。</p>

22、<p>　　2.3 PLC的工作原理</p><p>　　PLC的工作原理與計算機的工作原理基本是一致的，可以簡單地表述為在系統(tǒng)程序的管理下，通過運行應用程序完成用戶任務。PLC通電后，首先對硬件和軟件作一些初始化操作，初始化反復不停地分階段處理各種不同的任務（見圖2-1）。但是PLC也有它自己的特點，PLC在確定了工作任務，裝入了專用程序后成為一種專用機，它采用循環(huán)掃描工作方式，系統(tǒng)工作任務管理及應

23、用程序執(zhí)行都是用循環(huán)掃描方式完成的。</p><p>　　2.4 PLC的循環(huán)掃描工作</p><p>　　對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉指令，則從則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。PLC的掃描全過程如圖2-2所示。</p><

24、;p>　?。?） 輸入刷新階段</p><p>　　在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關閉輸入端口，轉入程序執(zhí)行階段。</p><p>　?。?） 程序執(zhí)行階段</p><p>　　在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐條執(zhí)行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。</

25、p><p>　?。?） 輸出刷新階段</p><p>　　當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內容，依次送到輸出鎖存電路，并通過一定輸出方式輸出，驅動外部相應執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。</p><p>　　圖2-2 PLC的掃描全過程 </p><p>　　2.5 PLC的硬件組成</p><p&

26、gt;　　PLC的硬件主要由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴展接口、電源等幾部分組成。其中，CPU是PLC的核心；輸入單元/輸出單元是CPU與現(xiàn)場輸入/輸出設備之間的接口電路；通信接口用于連接編程器、上位計算機等外部設備，其硬件構成圖如圖2-3。</p><p>　　圖2-3 PLC硬件結構圖</p><p>　　2.6 PLC的編程語言</p>

27、<p>　　PLC為用戶提供了完善的編程語言來滿足編制用戶程序要求。它提供的編程語言通常有以下5種：梯形圖（LAD）、語句表（STL）、順序功能圖（SFC）、功能塊圖（FBD）和結構文本（ST）。</p><p>　　2.7 PLC的特點</p><p>　?。?）抗干擾能力強，可靠性好</p><p>　　I/O系統(tǒng)設計有完善的通道保護與信號調理電路；

28、在結構上對耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。</p><p>　　（2）控制系統(tǒng)結構簡單，通用性強</p><p>　　PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。</p><p>　?。?）編程方便，易于使用</p><p>　　PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。</p&g

29、t;<p><b>　?。?）功能完善</b></p><p>　　在PLC內部具有許多控制功能，諸如時序、計算機、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。</p><p>　?。?）設計、施工、調試、的周期短</p><p>　　PLC采用模塊化積木式結構，故僅需按性能、容量等選用組裝，因而縮短了設計周期，使設計和施工可同時進行

30、。</p><p>　?。?）體積小，維護操作方便</p><p>　　PLC體積小，質量輕，便于安裝。</p><p>　?。?）易于實現(xiàn)網(wǎng)絡化</p><p>　　PLC可連成功能很強的網(wǎng)絡系統(tǒng)。</p><p>　?。?）可實現(xiàn)三電一體化</p><p>　　PLC將電控（邏輯控制）、電儀

31、（過程控制）和電結（運動控制）這三電集于一體。</p><p>　　第3章 自動售貨機的設計</p><p>　　3.1 自動售貨機設計軟元件</p><p><b>　　3.1.1 定時器</b></p><p>　　定時器是PLC中重要的編程元件，是累計時間增量的內部器件。定時器的工作過程與繼電器控制系統(tǒng)的時間繼電器

32、基本相同，但它沒有瞬動觸點，失電時，常閉觸點閉合，常開觸點打開；定時器得電時，常閉觸點打開，常開觸點閉合。定時器的當前值、設定值均為10位有符號整數(shù)（INT），允許的最大值為32767。定時器指令表見表3-1。</p><p>　　表3-1 定時器指令</p><p>　　3.1.2 數(shù)學運算指令</p><p>　　在梯形圖中，整數(shù)、雙整數(shù)與浮點數(shù)的加、減、乘、除

33、指令（見表3-2）分別執(zhí)行下列運算：IN1+IN2=OUT，IN1—IN2=OUT，IN1*IN2=OUT，IN1/IN2=OUT。</p><p>　　表3-2 加減乘除指令</p><p>　　在語句表中，整數(shù)、雙整數(shù)與浮點數(shù)的加、減、乘、除指令分別執(zhí)行下列運算：</p><p>　　IN1+ OUT =OUT，OUT—IN1=OUT，IN1* OUT =OUT

34、，OUT /IN2=OUT。</p><p>　　3.2自動售貨機的基本功能</p><p>　　自動售貨機的各種動作功能和控制要求，給出了完整的自動售貨機操作規(guī)程（如圖3-1），并介紹了自動售貨機運行系統(tǒng)中所包括的人工操作步驟。</p><p>　　在實際生活中，我們見到的售貨機可以銷售一些簡單的日用品，如飲料、常用藥品和小的生活保健用品等。售貨機的基本功能就是對

35、投入的貨幣進行運算，并根據(jù)貨幣數(shù)值判斷是否能夠購買某種商品，并作出相應的反應。例如：售貨機中有2種商品，A商品價格為0.5元，B商品為1元?，F(xiàn)投入1個1元硬幣，當投入的貨幣超過A商品的價格時，A商品的選擇按鈕處應有變化，提示可以購買，B商品也提示。當按下選擇A商品的價格時，售貨機進行減法運算，從投入的貨幣總值中減去A商品的價格同時啟動相應的電機，提取A號商品到出貨口。此時售貨機繼續(xù)進行等待外部命令，如繼續(xù)交易，則同上，如果此時不再購買而

36、按下退幣按鈕，售貨機則要進行退幣操作，退回相應的貨幣，并在程序中清零，完成此次交易。由此看來，售貨機一次交易要涉及加法運算、減法運算以及在退幣時的除法運算，這是它的內部功能。還要有貨幣識別系統(tǒng)和貨幣的傳動來實現(xiàn)完整的售貨、退幣功能。</p><p>　　3.3 自動售貨機I/O點的分配</p><p>　　輸入/輸出單元通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)生產現(xiàn)場之間的連接部件。

37、 PLC通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為PLC對被控制對象進行控制的依據(jù)；同時PLC又通過輸出接口將處理結果送給被控制對象，以實現(xiàn)控制目的。本次智能搶答器I/O點的分配如表3-3所示。</p><p>　　表3-3 自動售貨機I/O點的分配表</p><p>　　3.4 順序功能圖（SFC）</p><p>　　3.4.1 什么是順序功能圖（S

38、FC）</p><p>　　順序功能圖是一種位于其他編程語言</p><p>　　之上的圖形語言，使用它可以對具有并發(fā)、</p><p>　　選擇等復雜結構的系統(tǒng)進行編程。順序功</p><p>　　能圖提供了一種組織程序的圖形方法，在</p><p>　　順序功能圖中允許和別的語言編程的程序</p>&

39、lt;p>　　嵌套。順序功能圖由步、轉換和動作三種</p><p>　　主要元件組成，如圖3-2所示?？梢杂庙?lt;/p><p>　　序功能圖來描述系統(tǒng)的功能，根據(jù)它可以很容易地設計出梯形圖程序。</p><p>　　3.4.2 所選擇的順序功能圖（SFC）</p><p>　　由于順序功能圖（SFC）有五種基本結構：順序結構、選擇性分支

40、結構、并發(fā)性分支結構、循環(huán)結構、復合結構。本次自動售貨機的SFC圖，根據(jù)控制要求選用——選擇性分支結構和并發(fā)性分之結構。因為選擇性分支結構是一個控制流可以轉入多個可能的控制流中的某一個且不允許多路分支同時執(zhí)行。具體進入哪個分支，取決于控制流前面的轉移條件哪一個為真。而并發(fā)性分之結構是一個工作步執(zhí)行完后，需要同時開啟若干條分之，并采用雙水平線相連且要有一個公共轉移條件，這兩種順序功能圖結構符合本次自動售貨機的控制要求，所以選擇這兩種結構。

41、</p><p>　　本次自動售貨機的SFC圖如下圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 自動售貨機順序功能圖</p><p>　　3.5 梯形圖（LAD）</p><p>　　3.5.1 什么是梯形圖（LAD）</p><p>　　梯形圖是用的最多的PLC圖形編程語言。梯形圖語言是在傳統(tǒng)電器控制系統(tǒng)中常用的接觸

42、器、繼電器等圖形表達符號的基礎上演變而來的。它與電器控制線路圖相似，如圖3-4所示。繼承了傳統(tǒng)電器控制邏輯中使用的框架結構、邏輯運算方式和輸入輸出形式，具有形象、直觀、實用的特點。因此，這種編程語言為廣大電氣技術人員所熟知，是應用最廣泛的PLC的編程語言，是PLC的第一編程語言。</p><p>　　在梯形圖中，有兩根豎直的直線，被稱為母線，現(xiàn)在很多PLC只保留了左邊的母線，而把右邊的母線略去不寫。在梯形圖中引入

43、了“能流”的概念。左邊的母線就如電源的“正極”，而右邊的母線就如電源的“負極”。如果有“能流”從左至右流向線圈，則線圈被激勵。如果沒有能流，則線圈未被激勵，“能流”在任何時刻都不會通過接點自右向左流。</p><p>　　3.5.2 自動售貨機設計的梯形圖（LAD）</p><p>　　本此設計自動售貨機主要銷售食品、飲料、日用三大類，而食品有五角和一元，飲料有一元和二元，日用有二元和三元

44、。</p><p>　　本次自動售貨機的梯形圖如下所示：</p><p>　　3.6 自動售貨機的相關說明</p><p>　　上面梯形圖中ADD_DI雙整數(shù)加法當投入五角時加5投入1元是加10，SUB_DI是雙整數(shù)減法當成功購買物品時就減去物品對應的數(shù)；T37—T56表示通電延時定時器,按下物品按鈕時T37—T42延時8秒，無操作時T43啟動計時20秒，T44與T

45、43配合組成投幣2分鐘無操作找零，T46—T56兩兩配合形成閃爍電路。</p><p>　　圖3-5 自動售貨機模擬操作面板</p><p>　　本設計統(tǒng)一采用按鈕開關模擬物品選擇，按鈕內有綠燈和紅燈分別表示可購買物品和物品銷售完；指示燈模擬物品輸出及找零如圖3-5所示。</p><p>　　3.7 自動售貨機的外部接線圖</p><p>　

46、　本次知道售貨機的外部接線圖如圖3-6所示，SB2—SB7為物品選擇按鈕，當投入貨幣物品綠燈亮（Q2.1—Q2.6），按下SB2—SB7其中一個，對用的KM線圈得電電機轉動出相應的物品（Q0.1—Q0.6），當有物品銷售完其行程開關斷開，物品紅燈亮并同時向總部發(fā)送物品銷售完的信息；當收買物品總值低于投入總值時，可按找零按鈕SB1選擇找一元還是五角（SB10、SB11）后KM1得電電機轉動找零(Q0.0)。</p><

47、p>　　圖3-6 售貨機的外部接線圖</p><p>　　3.8 自動售貨機仿真</p><p>　　程序編寫好后無法驗證程序的正誤，編程能力很難提高，而仿真時解決這一問題的理想方法。</p><p>　　本次自動售貨機的仿真，首先配置CPU的型號，為了自動售貨機的仿真方便好看，我們選用CPU224，擴展模塊我們選用2個8點輸入8點輸出的EM223 (8 I

48、/ 8 Q)，如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 自動售貨機選用CPU和擴展模塊</p><p>　　接下來將梯形圖程序編譯導出，在仿真軟件中把導出的ASCLL文件導入仿真軟件，開啟仿真軟件就可以仿真。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　從十月份接受課題到現(xiàn)在完成畢業(yè)設計論文，衷

49、心的感謝我的指導xx老師給予了精心的指導和熱情的幫助。xx老師在PLC方面具有豐富的實經驗，對我的設計工作給予了很多的指導和幫助，使我能夠將理論中的結果與實際相結合。尤其在課題設計的前期準備階段，xx老師提出許多寶貴的設計意見，在最后的測試修改階段老師在百忙之中抽出時間為我們提供了必要的幫助，這樣使得我們得以順利的完成畢業(yè)設計開發(fā)工作，在短暫的一個月的相處時間里，老師淵博的知識，敏銳的思路和實事求是的工作作風給我留下了深刻的印象，這將使

50、得我終身受益，謹此向老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。</p><p>　　最后，衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位老師！忠心地祝愿各位身體健康、工作順利。 </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1 程周·可編程序控制器原理與應用 ·北京：高等教育出版社， 2003年</p>

51、<p>　　2 王永華·現(xiàn)代電氣控制及PLC 應用技術. ·北京：北京航空航天大學出版社，2000</p><p>　　3 周美蘭，周封，忘岳宇·PLC電氣控制與組態(tài)設計·北京：科學出版社，2003</p><p>　　4 吳建強，姜三勇·可編程控制器原理及應用·哈爾濱工業(yè)大學出版社，2000</p>

52、<p>　　5 吳中俊，黃永紅·可編程序控制器原理及應用·北京：機械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　6 張萬忠，劉明芹·電器與PLC控制技術·北京：化學工業(yè)出版社。2003</p><p>　　7 王兆義·可編程序控制器教程·北京：機械工業(yè)出版社，2001</p><p>　　8 廖常初