基于PLC的自動售貨機控制系統(tǒng)的設(shè)計

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引言 自動售貨機是自動化時代的產(chǎn)物,它的出現(xiàn)方便了人們的生活購物。由于地理位置的限制，人工的費用，以及時間的差異，給人們的購物限制了一定的條件，為了方便人們的生產(chǎn)生活，自動售貨機便出現(xiàn)在人們的生活中，自動售貨機以長時間的不間斷工作，占地面積小，維修方便，無需人工監(jiān)守，在國外得到了快速的發(fā)展。但是自動售貨機在中國市場的擁有量較小，相對于中國人口較大的購買消費能力，自動售貨機在中國市場有很大的發(fā)展應(yīng)用空間。但自動售貨機的工作環(huán)境復(fù)雜工作周期長，這就需要自動售貨機有較強的抗干擾能力和穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，目前市場上的自動售貨機多以PLC為控制系統(tǒng)，該種售貨機操作方便，容易維修，購買操作方便，本設(shè)計通過分析自動售貨機的銷售方式和功能要求，以確定控制系統(tǒng)的設(shè)計。通過編程軟件編寫出對應(yīng)的系統(tǒng)梯形圖，調(diào)試分析確認系統(tǒng)無誤后，導(dǎo)入PLC仿真軟件中，對系統(tǒng)進行仿真模擬，檢測系統(tǒng)能否滿足設(shè)計要求。并對系統(tǒng)不足之處進行修改，滿足設(shè)計要求后，在試驗臺上進行接線模擬。最終在試驗臺上模擬出自動售貨機的銷售方式和購買流程。隨著科技的發(fā)展，自動售貨機還會不斷地改進，能更好的為人們提供服務(wù)，方便人們的生活。 第一章 緒論 1.1自動售貨機研究的背景 自動售貨機的出現(xiàn)是自動化社會的產(chǎn)物。在社會消費水平迅速提高的今天，大量的購買消費可發(fā)生在任何時間任何地點。由于時間，地理位置的限制，給人們的購物帶來了不便，為了滿足商業(yè)的需求方便人們的購物消費自動售貨機便出現(xiàn)在人們的生活中，自動售貨機以其占地面積小，24小時不間斷工作，后期投入少的優(yōu)勢方便著人們的生產(chǎn)生活，可放置在人流量較多的車站，學(xué)校餐廳，人群密集的小區(qū)，街道。自動售貨機在一定程度上為人們提供了購買可能，但在國內(nèi)自動售貨機的數(shù)量還遠遠不足，人均占有量少，只能實現(xiàn)簡單的購買交易，人工智能欠缺，國內(nèi)自動售貨機還急待發(fā)展。基于PLC的自動售貨機操作方便，性能穩(wěn)定，銷售種類豐富，在市場的銷售中有著良好的發(fā)展前景。 1.2 自動售貨機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 隨著自動化時代的來臨，以及商業(yè)銷售發(fā)展的需要，自動售貨機出現(xiàn)在人們的生活中，美國在二十世紀初期研究出銷售香煙的售貨機，后來又逐漸出現(xiàn)了銷售不同產(chǎn)品的自動售貨機?，F(xiàn)在自動售貨機逐漸發(fā)展完善，銷售的種類多種多樣，操作方便簡單不僅能用貨幣交易們還支持在線付款網(wǎng)上交易。國內(nèi)自助售貨行業(yè)起步晚，發(fā)展快，隨著自動售貨機的不斷發(fā)展其功能也會逐漸完善，人工智能也會做的更好，目前市場上自動售貨機主要由投幣系統(tǒng)，通過貨幣識別器識別出貨幣的面值、真?zhèn)?，并通過內(nèi)部系統(tǒng)對幣值進行累加，當投入的貨幣總數(shù)大于商品售價時，可以進行商品的選擇購買，購買結(jié)束后找出余額。較為先進的自動售貨機在投幣階段可以進行付款方式的選擇，不僅能進行投幣，還可選擇在移動端進行網(wǎng)上支付。在商品出貨方式上有多種出貨方式，可根據(jù)銷售對象的種類設(shè)置不同的出貨方式，目前較先進的是通過機械手出貨方式出貨，能保證物品在銷售過程中不受損傷，但由于技術(shù)及成本的問題，目前市場上的售貨機還沒有普及此種出貨方式，由于國內(nèi)自動售貨機行業(yè)發(fā)展時間短，與先進國家還有一段的差距。國內(nèi)自動售貨機在穩(wěn)定性方面，銷售商品的多樣性還與國外有一定的差距，在管理方面也有很大的欠缺不足，不能很好的監(jiān)控到售貨機的狀態(tài)。隨著行業(yè)的發(fā)展售貨機逐漸接近成熟支持多種付款方式線上和線下支付，支持較大金額的支付與交易結(jié)算，根據(jù)銷售商品的不同商品的出貨方式也不同，根據(jù)氣候地區(qū)的不同自動售貨機具有制冷，半制冷，制熱功能，同時具有多種監(jiān)控方式。國內(nèi)自動售貨機不斷發(fā)展以滿足商業(yè)需求和人們的購物需求，內(nèi)部系統(tǒng)和智能方面也逐漸完善，自動售貨機也逐漸的出現(xiàn)在人們的生活中，在一些城市校園中我們隨處可見，它改變著人們的購物方式。 目前市場上的自動售貨機根據(jù)操作方式分為兩類，一類為先選擇商品在投入錢幣操作流程如下圖： 圖1.1 操作流程圖 此類售貨機根據(jù)選擇的商品價格投入一定的貨幣。另一類為先投入錢幣在選擇商品，操作流程如下： 圖1.2 操作流程圖 此類先投入一定的貨幣，根據(jù)投入的貨幣選擇可購買的商品，兩類售貨機在購買流程上有一定的差別。 (1） 當發(fā)生交易時，貨幣從投幣入口投入，經(jīng)過貨幣識別器識別出貨幣的真?zhèn)?。當貨幣為真時，傳感器給PLC傳送指令。 （2） PLC接到指令把投入的錢幣幣值累加到一起，再與商品價格形成對比，當投入的幣值大于等于商品售價時，對應(yīng)的商品顯示燈亮可進行購買此類商品。自動售貨機內(nèi)此種商品售空，則無法在進行此種商品的購買，此種商品的缺貨指示燈亮。 （3）當某類商品可購買時，按下對應(yīng)的商品按鈕，就可以在取貨口進行取貨。 （4）當一次購買結(jié)束后，余額會再次和商品價格進行比較，若余額仍大于某些商品售價，則還可進行購買。購買結(jié)束則可按退幣按鈕，進行退幣結(jié)束交易。 （5）系統(tǒng)復(fù)位，完成售貨。 1.3 本課題研究的目的及意義 在自動化時代，任何的發(fā)展研究都是為更好的服務(wù)人們的生產(chǎn)生活。由于時間的和地理位置的因素，商場和超市并不能很好的滿足人們的購物要求。為了滿足商業(yè)的銷售，也為了更好的滿足人們的購物需求，自動售貨機便漸漸的滲透到生活的各個角落，如今在學(xué)校圖書館，餐廳，車站候車室，以及人員密集的街道都能看到自動售貨機的身影。簡易的購物操作，多方式的支付方式，和穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，能為用戶帶來良好的體驗。 1.4 研究的主要內(nèi)容 自動售貨機是一種自動化設(shè)備，為人們提供24小時售貨服務(wù)，其扮演的角色不斷方便著我們的生活，也越來越受到人們的喜愛。相比以單片機為控制基礎(chǔ)的售貨機，以PLC為控制基礎(chǔ)的售貨機更能抵抗外部因素帶來的干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定性強，設(shè)備維修方便，在程序設(shè)計上也比較簡便，更加適合在復(fù)雜的公共環(huán)境下使用。具體研究方法分以下步驟： （1） 硬件設(shè)計：通過對自動售貨機的功能分析，了解自動售貨機的工作原理，分析出硬件組成結(jié)構(gòu)。 （2） 軟件設(shè)計：根據(jù)自動售貨機功能的要求，對系統(tǒng)進行模塊分解，逐個分析系統(tǒng)模塊，掌握模塊系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對整體的系統(tǒng)進行研究分析，編寫出所要求的控制程序以實現(xiàn)自動售貨機的功能。 （3） 仿真模擬：通過編程軟件STEP 7-Micro_WIN SP9編出對應(yīng)功能的梯形圖，調(diào)試確認無誤后導(dǎo)出程序，在S7-200 仿真軟件上，對系統(tǒng)進行仿真模擬以分析控制系統(tǒng)是否達到設(shè)計要求，并通過模擬反饋完善系統(tǒng)設(shè)計。確認系統(tǒng)無誤后在實驗室進行接線模擬，確認系統(tǒng)在實際運用的可行性。 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 2.1自動售貨機硬件結(jié)構(gòu) 在自動售貨機控制系統(tǒng)中，各種硬件設(shè)備與PLC連接，當硬幣識別器，紙幣識別器對錢幣識別后給PLC一個信號，PLC內(nèi)部進行貨幣的加數(shù)計算。通過各種按鈕進行購買，退幣的控制。當購買商品時，按下商品選擇按鈕，PLC輸出指令通過接觸器控制電機進行商品的出貨、退幣。該自動售貨機可靠性強,使用方便,對投入的錢幣有自動識別真?zhèn)喂δ?并能對投入的錢進行累計,根據(jù)投入的錢幣選擇商品,當商品缺貨時對應(yīng)的缺貨指示燈亮,交易結(jié)束進行自動找零。 圖2.1 硬件結(jié)構(gòu)圖 2.2 PLC選型設(shè)計 圖2.2 PLC控制系統(tǒng)圖 本次設(shè)計以西門子S7-200為內(nèi)部控制系統(tǒng)。以西門子S7-200為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的自動售貨機可根據(jù)銷售對象的種類來選擇要擴展的模塊。直接讀寫摸擬量I/O模塊，不需要復(fù)雜的編程，方便了開發(fā)人員的程序設(shè)計。普通PLC溫度適用范圍為0~55度，寬溫型S7-200適用溫度范圍為-25~+70度，為自動售貨機復(fù)雜的銷售環(huán)境提供了可能。S7-200以其極高的性價比，在工業(yè)控制中占有不可替代的地位。 圖2.3 PLC外形圖 根據(jù)自動售貨機的功能要求，對PLC進行模塊化設(shè)計 (1)系統(tǒng)初始化功能模塊。每當發(fā)生一次交易時系統(tǒng)都要進行一定的初始化以方便再次購買。如錢幣計數(shù)系統(tǒng)的初始化，當售貨機內(nèi)存貨不足時要及時補給商品，并對商品數(shù)量計數(shù)系統(tǒng)進行初始化。 (2)貨幣的辨識功能模塊。當有貨幣投入時，通過貨幣識別模塊進行對貨幣的識別，當識別通過后會給PLC發(fā)送指令通過累計器對錢幣計數(shù)。 (3)系統(tǒng)顯示功能模塊。通過系統(tǒng)顯示模塊來識別投入的錢幣是否能夠購買某種商品，和商品是否缺貨無法購買。 (4)價格比較功能模塊。 通過價格比較模塊來比較投入的貨幣是否能達到購買某種商品。 (5)商品選擇功能模塊。自動售貨機售有4種產(chǎn)品,分別為1元的純凈水、2元的山泉水、3元的紅茶,4元的奶茶，當投入的貨幣幣值大于等于商品按鈕時只要選擇對應(yīng)的商品按鈕就可以購買。 (6)退幣功能模塊。當交易結(jié)束時按下退幣按鈕就可以退出余額結(jié)束購買。 2.3硬幣的識別 硬幣的識別主要通過識別硬幣的材料和尺寸來判別硬幣的真?zhèn)?，硬幣的材質(zhì)是由特殊的合金制作成的，無法偽造出來，不同幣值的硬幣在尺寸重量上有很明顯的差別。當硬幣投入后，硬幣通過由電感和電容組成的磁場，由于硬幣材料和尺寸上的不同，通過磁場時會影響電感的電感量，電感量的變化引起振蕩頻率的變化，檢測到的振蕩頻率與系統(tǒng)中存在的頻率進行對比，就可判別出錢幣的真?zhèn)危绻X幣為真則給PLC發(fā)送信號，進行貨幣的計算。當投入假幣時，由于假幣在振蕩頻率的不同無法通過硬幣識別器被彈了出來。 圖2.4 硬幣識別器 2.4 紙幣的識別 在紙幣的投幣過程中，紙幣要先經(jīng)過紙幣識別器進行識別。在市場上紙幣的識別通常為紫外線識別，由于紙幣是由特殊的紙張制作而成，在紫外線下沒有熒光反射，可以根據(jù)熒光的強度辨別錢幣的真?zhèn)?。不同幣值的紙幣面積大小有所不同，可通過紅外裝置來辨別錢幣紙張的大小來區(qū)分幣值，當錢幣為真時，錢幣可通過紙幣識別器，并給PLC一個信號，進行貨幣的累加計算。如果錢幣為假，則吐出假幣，無信號輸出。 圖2.5 紙幣識別器 2.5電機的選擇 當發(fā)生購買后，自動售貨機要自動出貨，市場上售貨機出貨方式多種多樣，根據(jù)售貨的種類不同，出貨方式也有所不同。市場上的售貨機大都是通過電機提供動力出貨，在自動售貨機內(nèi)部每種產(chǎn)品的出貨都需要一個電機來實現(xiàn)，但自動售貨機中電機的功率并不需要多大，但當要求電機通電后能迅速動作，因此在電機選擇方面我們選擇低電壓功率較小的直流電機。 2.6自動售貨機出貨結(jié)構(gòu) 在市場上自動售貨機的出貨種類方式較多，不同的出貨方式都有其優(yōu)缺點，下面是市場上的兩種種出貨機構(gòu)。 目前市場上出現(xiàn)了一種機械臂出貨方式，該方式相對于傳統(tǒng)的掉落式出貨方式更加智能，當發(fā)生購買時，自動售貨機內(nèi)部的機械手便上升到對應(yīng)商品的位置，在抓取商品后，送到取貨口出，即可取出貨物，這種出貨方式很大程度上保護了商品。適用于易碎易損商品的出售，但成本較高不適合以飲料為出售對象的售貨機。 旋轉(zhuǎn)式送出機構(gòu)，把出售的商品放置在螺旋軌道上，當購買時電機動作帶動螺旋軌道旋轉(zhuǎn)，當商品轉(zhuǎn)到貨到底部開設(shè)的口槽時，便從槽口下貨，這種出貨方式在市場上占有很大份額，它要求電機的轉(zhuǎn)矩較大，不適用于易碎易損商品的出貨方式。但本次的銷售對象為抗摔抗破碎商品因此選擇旋轉(zhuǎn)式出貨機構(gòu)。 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3.1自動售貨機工作流程圖 自動售貨機內(nèi)部系統(tǒng)工作是從投幣開始，從退幣結(jié)束。當投入貨幣時開始對幣值進行累加計數(shù)，然后判斷投入的幣值是否大于等于商品的售價，是否能購買商品，購買后計算出余額，若交易結(jié)束按下選擇按鈕即可結(jié)束交易，若繼續(xù)購買余額繼續(xù)與商品售價比對，判斷是否可以購買。 圖3.1工作流程圖 3.2自動售貨機I/O分配 表3.1 自動售貨機I/O分配表 功能名稱 定義點 符號 投1元硬幣 I0.0 SB1 投5元紙幣 I0.1 SB2 投10元紙幣 I0.2 SB3 純凈水選擇按鈕 I0.3 SB4 山泉水選擇按鈕 I0.4 SB5 找零按鈕 I0.5 SB6 紅茶選擇按鈕 I0.6 SB7 果汁選擇按鈕 I0.7 SB8 純凈水出貨 Q0.1 山泉水出貨 Q0.2 紅茶出貨 Q0.3 果汁出貨 Q0.4 找零 Q0.5 純凈水綠燈（可購買） Q0.7 山泉水綠燈（可購買） Q1.0 紅茶綠燈（可購買） Q1.1 果汁綠燈（可購買） Q1.2 純凈水紅燈（售空） Q1.3 山泉水紅燈（售空） Q1.4 紅茶紅燈（售空） Q1.5 果汁紅燈（售空） Q1.6 在上表中SB1,、SB2、SB3為貨幣投入模擬按鈕，SB3、SB5、SB7、SB8為相應(yīng)的商品選擇按鈕，當投入的錢幣滿足購物時只需要按下相應(yīng)的按鈕即可購買。SB6為找零按鈕。在投入貨幣后，當貨幣值大于等于某商品時，此時滿足購買此物的條件，對應(yīng)的指示綠燈亮，表示可以購買。如果商品對應(yīng)的指示紅燈亮表示該商品缺貨無法購買。 3.3 PLC外部接線圖 圖3.2 自動售貨機外部接線圖 14 3.4 PLC程序的設(shè)計 3.4.1錢幣計數(shù)系統(tǒng) 當出現(xiàn)交易時，顧客每次投入的錢幣都需要經(jīng)過貨幣真假識別系統(tǒng)進行識別，若貨幣為偽假幣則系統(tǒng)不給PLC傳遞計幣指令。若錢幣為真則傳感器給PLC發(fā)送計幣指令，PLC把接收來的信號指令進行系統(tǒng)的處理，累加幣值，當投入1元的貨幣累加1，投入5元的貨幣累加5，投入10元的貨幣累加10。下圖3.3是當投入錢幣，或購買商品后幣值發(fā)生變化時，C1的值改變。當投入1元時I0.0閉合，C1累加1，投入5元時M0.1閉合5次C1的值加5，投入10元時M0.3閉合10次，C1的值加10。當發(fā)生購買后，根據(jù)對應(yīng)商品的售價值其對應(yīng)的控制按鈕閉合，C1的值減去對應(yīng)商品的值。 圖3.3 幣值計數(shù) 下圖是當五元時，I0.1閉合，M0.0閉合，系統(tǒng)處于自鎖狀態(tài)。且當T51計時時間到時系統(tǒng)斷開。 圖3.4 多元投幣梯形圖 當M0.0閉合后，T51，T52開始計時，當T51計時結(jié)束時系統(tǒng)斷開停止計時。在 T52計時時間到時M0.1輸出一個信號，同時T53開始計時，T53計時時間到后T52斷開，并開始計時。此時系統(tǒng)完成一個輸出周期。在T51結(jié)束計時期間M0.1共輸出5次，C1的值加5。只要改變T51的值就可完成其它多元的投幣。 3.4.2商品購買系統(tǒng) 當投幣完成后，系統(tǒng)把所投入的貨幣值累加到一起，系統(tǒng)內(nèi)部進行貨幣與商品售價的對比，當投幣幣值大于等于某商品時，該商品的可購買指示燈亮，此時可以進行購買該商品。 按下相應(yīng)的商品選擇按鈕即可在自動售貨機出貨口內(nèi)取貨，接著再進行價格與余額的比較，若余額符合購物條件還可再次進行購買，相應(yīng)的指示燈亮，若再一次購買后余額仍大于一些商品的價格則還可以繼續(xù)購物。不然商品指示燈不亮。 如下圖3.5，當投入的金額或余額大于等于該商品售價時則可以摁下商品選擇按鈕I0.3就可購買此商品，然后通過加減計數(shù)器指令計算出余額并存入C1中。當購買該商品時，按下此商品的選擇按鈕，T57開始計時，M1.3常開觸點閉合，當計時結(jié)束后，M1.3斷開經(jīng)過下降沿觸發(fā)Q0.1輸出，電機工作商品被拋出。 圖3.5 商品的購買出貨 圖3.6 商品差價計算 當按下購買按鈕后，T57開始計時，同時T58也開始計時，0.5S后T59開始計時，T58常開觸點閉合M0.4輸出一個信號，加減計數(shù)器減1，再過0.5S后T59常開觸點閉合，常閉觸點斷開。此時一個周期結(jié)束C1的值減1，在T57計時結(jié)束期間共有一個周期，M0.4一次輸出，C1的值減1。 3.4.3商品計數(shù)系統(tǒng) 自動售貨機內(nèi)商品一次存放的數(shù)量都是有限的，當自動售貨機內(nèi)的商品銷售缺貨時，則無法再進行此類商品的購買。以下是純凈水數(shù)量的計數(shù)，每發(fā)生一次購買Q0.1閉合一次，商品數(shù)量減少一次，當購買五次后，則無法再進行購買，需要補充商品。 圖3.7 商品計數(shù) 3.4.4商品可購買顯示 當投入的金額大于商品的售價時且自動售貨機內(nèi)有該商品時則該商品顯示綠燈，Q0.7閉合商品可以購買。 圖3.8 商品可購買顯示 3.4.5缺貨顯示系統(tǒng) 當商品被多次購買后，C2從設(shè)定的商品數(shù)量值減到0則C2常閉觸點斷開，常開觸點閉合，則該商品對應(yīng)的售空不可購買紅燈亮，即使投入的錢幣大于等于商品售價，也無法進行購買，商品可購買綠燈不再顯示。 圖3.9商品缺貨顯示 3.4.6 找零系統(tǒng) 當購買結(jié)束后，按下找零按鈕I0.5，Q0.5閉合，找零電機動作，即可把余額退出。 圖3.10 退幣找零系統(tǒng) 第四章 仿真模擬 4.1仿真軟件的操作設(shè)置 學(xué)習(xí)PLC最有效的手段就是手動編程和上機調(diào)試,由于一些條件的限制缺乏實驗條件,編寫程序后無法檢測是否正確，仿真軟件的出現(xiàn)解決了這一現(xiàn)狀。S7-200 仿真軟件能模擬S7-200的大多數(shù)指令和功能，PLC編程過后通過編譯確認系統(tǒng)無誤后可通過該軟件進行仿真模擬，并確認系統(tǒng)的正確可行性。 在系統(tǒng)配置中選擇此次試驗的CPU的型號，CPU224。在CPU的右邊是拓展模塊，可根據(jù)要添加的I/O點拓展模塊數(shù)量。仿真軟件不能直接接受S7-200的程序代碼，程序編譯成功后，在編程軟件中導(dǎo)出文件，將程序轉(zhuǎn)換成擴展名為“awl”的文本文件。打開仿真軟件，在“程序”中選擇“裝載程序”，選擇要裝載的文件。如果仿真軟件支持程序中的全部指令和功能，單擊工具欄的“運行”按鈕，切換到RUN模式，此時可對程序進行監(jiān)控。 圖4.1 仿真軟件的設(shè)置 4.2 系統(tǒng)仿真 在系統(tǒng)的仿真中，系統(tǒng)處于RUN狀態(tài)，并對程序塊進行監(jiān)控。初始狀態(tài)下，幣值計數(shù)C1的值為0。 圖 4.2 投幣計數(shù)系統(tǒng)模擬 圖 4.3 一元投幣計數(shù) 當按下I0.0投幣按鈕后，I0.0常開閉合C1的值加1。當按下5元投幣按鈕后，I0.1常開閉合，M0.1輸出，C1的值加5。 圖4.4 多元投幣計數(shù) 當投入的錢幣大于等于商品售價時商品可購買指示燈亮。 圖4.5 商品可購買提示 當商品可購買按下商品選擇按鈕，通過計時器，控制M0.4的輸出，商品售價為1則M0.4輸出1次，加減計數(shù)器的值減1。同時Q0.1有輸出，電機工作商品被送出。 當一次購買出貨后，自動售貨機內(nèi)，商品的庫存量減一。 圖4.6 商品計數(shù) 當商某一商品被售空對應(yīng)的缺貨指示燈亮，此時無法再進行購買該商品。且當余額小于商品售價時，此商品對應(yīng)的可購買指示燈熄滅，該商品無法購買。 當交易結(jié)束時，余額大于0，按下找零按鈕I0.5，Q0.5輸出，電機工作找零出幣，C1值清零 ，交易結(jié)束。 圖4.7 退幣找零 圖4.8 系統(tǒng)復(fù)位 4.3 接線模擬 26