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1、摘要 本論文基于三菱FX2N-48MR系列PLC進行自動售貨機控制系統的設計，闡述了自動售貨機系統設計的基本原理及工作流程，然后以一次交易過程為例，把交易的過程分為幾個程序塊，分別對程序塊進行編程。在PLC梯行圖的編寫時，文中采用的是三菱PLC梯行圖專用編譯軟件來進行編寫，并完成了PLC外部接線圖。利用PLC控制的自動售貨機提高了系統的穩(wěn)定性，保證自動售貨機能夠長期穩(wěn)定運行。關鍵詞：PLC；自動售貨機；梯形圖；控制系統191自動售貨機介紹自動售貨機是能根據投入的錢幣自動付貨的機器,是商業(yè)自動化的常用設備，它不受時間、地點的限制，能節(jié)省人力、方便交易。是一種全新的商業(yè)零售形式，又被稱為24小時營

2、業(yè)的微型超市。能分為三種：飲料自動售貨機、食品自動售貨機、綜合自動售貨機。1.1歷史據說世界上最早的自動售貨機出現在公元前3世紀，那是埃及神殿里的投幣式圣水出售機。17世紀，英國的小酒吧里設有了香煙的自動售貨機。日本第一臺自動售貨機是1904年問世的“郵票明信片自動出售機”，它是集郵票明信片的出售和郵筒投函為一體的機器。50年代，“噴水型果汁自動售貨機”大受歡迎，果汁被注入在紙杯里出售。1967年，100日元單位以下的貨幣全部改為硬幣，從而促進了自動售貨機產業(yè)的發(fā)展。 1.2現狀從廣義來講投入硬幣、紙幣、信用卡等后便可以銷售商品的機械，從狹義來講就是自動銷售商品的機械。從供給的條件看，自動售貨

3、機可以充分補充人力資源的不足，適應消費環(huán)境和消費模式的變化，24小時無人售貨的系統可以更省力，運營時需要的資本少、面積小，有吸引人們購買好奇心的自身性能，可以很好地解決人工費用上升的問題等各項優(yōu)點。 1.3前景現在，自動售貨機產業(yè)正在走向信息化并進一步實現合理化。例如實行聯機方式，通過電話線路將自動售貨機內的庫存信息及時地傳送各營業(yè)點的電腦中，從而確保了商品的發(fā)送、補充以及商品選定的順利進行。進入21世紀時，自動售貨機也將進一步向節(jié)省資源和能源以及高功能化的方向發(fā)展。2 PLC的概述 2.1PLC的類型現在世界上PLC的生產廠家有200多家，提供400多個品種的PLC供用戶選擇，目前我國市場上

4、主要的PLC產品有：西門子公司的 S7-400/300/200 系列， 施奈德公司的 momentum 等，還有就是日本的歐姆龍、三菱、松下等公司的產品。西門子公司生產的 PLC 可靠性高，特別適用于大的工業(yè)控制系統，造價比較高，對于小型的自動售貨機的控制系統來說成本過高。相反，目前我國市場上主流的小型的三菱 PLC 就比較合適，三菱公司生產的小型 PLC 的代表為 FX-2N 系列的 PLC，它具有豐富的內部資源：程序存儲器具有 16K 步的最大存儲容量，128 種應用指令，還具有 184 點 8 進制編號的輸入點數，184 點 8 進制編號的輸出點數，普通型，掉電保持性和賦予特殊用途型三種

5、內部繼電器，以及狀態(tài)寄存器、定時器、計數器、數據寄存器、常數與指針等功能與資源。可靠性高，造價低，對于自動售貨機的控制中心就特別的合適。因此，本次設計采用的 PLC 為三菱公司生產的 FX-2N 系列單片機。2.2PLC的主要功能 (1)條件控制功能 條件控制（或稱邏輯控制或順序控制）功能是指用PLC 的與、或、非指令取代繼電器接觸的串聯、并聯及wits 各種邏輯連接，進行開關控制。 定時/記數控制功能 定時/記數控制功能指用PLC 提供的定時器、記數器指令實現對某種操作的定時或記數控制，以取代時間繼電器和記數繼電器。 數據處理功能 數據處理功能是指PLC 能進行數據傳送、比較、移位、數制轉換

6、、算術運算、邏輯運算以及編碼和譯碼等操作。 (2)步進控制功能 步進控制功能是指用步進指令來實現在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構成的步進控制器。 (3)A/D 與D/A 轉換功能 A/D與D/A 轉換功能是指通過A/D、D/A 模塊完成模擬量和數字量之間的轉換。 (4)運動控制功能 運動控制功能是指通過高速記數模塊和位置控制模塊等進行單軸或多軸運動控制。 (5)過程控制功能 過程控制功能是指通過PLC 的PID 控制指令或模塊實現對溫度、壓力、速度、流量等物理參數的閉環(huán)控制。 (6)擴展功能 擴展功能是指通過連接輸入輸出擴展單元（即

7、I/O 擴展單元）模塊來增加輸入輸出點數，也可通過附加各種智能單元及特殊功能單元來提高PLC 的控制功能。 (7)遠程I/O 功能 遠程I/O 功能是指通過I/O 單元將分散在遠距離的各種輸入、輸出設備與PLC 主機相連接，進行遠程控制，接收輸入信號、傳出輸出信號。 (8)通信聯網功能 通信聯網功能是指通過PLC 之間的聯網、PLC 與上位機的鏈接等，實現遠程I/O 控制或數據交換，以完成較大規(guī)模系統的復雜控制。 2.3 PLC 的系統結構 目前PLC 種類繁多，功能和指令系統也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計算機。主要包括中央處理單元CPU、存儲器RAM 和ROM、輸入

8、輸出接口電路、電源、I/O 擴展接口、外部設備接口等。其內部也是采用總線結構來進行數據和指令的傳輸。 PLC 控制系統由輸入量PLC輸出量組成，外部的各種開關信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為PLC 的輸入量，作為PLC 的輸出量對外圍設備進行各種控制。所以，PLC 的基本結構有控制部分輸入和輸出組成。 3自動售貨機原理電路分析 3.1自動售貨機設計要求 (1)自動售貨機有3 個投幣孔，分別為1 元、5 元和10 元。 (2)售貨共有3 種飲料供選擇，分別為汽水、花茶和咖啡。 (3)如投幣總額超過銷售價格，將可由退幣按鈕找回余額。 (4)投幣總額或當前值顯示在7 段數碼管上。 (5)投

9、幣值等于或大于12 元時，汽水指示燈亮，表示只可選擇汽水。 (6)投幣值等于或大于15 元時，汽水和花茶指示燈亮，表示只可選擇汽水和花茶。 (7)投幣值等于或大于20 元時，汽水、花茶和咖啡指示燈亮，表示3 種均可選擇。 (8)按下要飲用的飲料按鈕，則相對應的指示燈開始閃爍，3s 后自動停止，表示飲料已經掉出。 (9)動作停止后按退幣鈕，可以退回余額，退回金額如果大于10 元，則先退10 元再退 1 元，如果小于10 元則直接退1 元。 3.2 自動售貨機的設計原理 從自動售貨機的發(fā)展趨勢來看，它的出現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)

10、境的變化，要求出現新的流通渠道；而相對的超市、百貨購物中心等新的流通渠道的產生，自動售貨機便應運而生了。 從廣義來講投入硬幣、紙幣、信用卡等后便可以銷售商品的機械，從狹義來講就是自動銷售商品的機械。從供給的條件看，自動售貨機可以充分補充人力資源的不足，適應消費環(huán)境和消費模式的變化，24 小時無人售貨的系統可以更省力，運營時需要的資本少、面積小，有吸引人們購買好奇心的自身性能，可以很好地解決人工費用上升的問題等各項優(yōu)點。 售貨機的基本功能就是對投入的貨幣進行運算，并根據貨幣數值判斷是否能夠購買某種商品，并做出相應的反應。舉一個簡單的例子來說明，例如：售貨機中有8 中商品，其中01 號商品價格為2

11、.60 元，02 商品為3.50 元，其余類推?，F投入1 個1 元硬幣，當投入的貨幣超過01 商品的價格時，01 商品的選擇按鈕處應有變化，提示可以購買，其他商品同比。當按下選擇01 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 01 商品的價格同時啟動相應的電機，提取 01 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和貨幣的傳動來實現完整售貨、退幣

12、功能。自動售貨機的外部結構圖下圖3.1所示。圖3.1 自動售貨機的外部結構圖圖3.2 自動售貨機流程圖3.3 PLC 的選型原則 從功能方面和價格方面兩個方面的考慮，發(fā)現日本三菱FX2N 系列的可變成序控制器產品比較適合自動售貨機。因為它是一種功能很強的小型機，在設計的過程中采用先進的方法及組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備的功能。雖然是小型機。但是其功能較完善，性能價格比高，較適合自動售貨機?，F在就對FX2N-MR48的組成各部分和技術性能做一個簡單介紹。在日本三菱公司生產的FX系列產品中，FX2N屬于小型PLC產品，其中M48是具有高級處理功能的型號。從

13、型號可以看出FX2N-MR48可編程控制器的輸入和輸出點數（即I/O點）之和為 48,還可以擴展到256點，結構緊湊，速度高，它的基本指令執(zhí)行時間為0.08微妙每條指令，內置的用戶存儲器為8K步，可以擴展到16K步，而且有多種特殊功能模式后功能擴展板，可以實現多軸定位控制。 3.4 IO點的分配 表3.1 IO點分配表3.5 外部接線 圖3.3 PLC外部接線圖4程序設計部分 4.1程序設計說明 下位機程序的編制是利用三菱的PLC專用編程軟件FxgpWIN 完成的。 在設計的過程中，就像上面所敘述的那樣，并非孤立地分別進行上位機和下位機的設計工作，而是互相配合的。因此在以下的詳細設計過程中，并

14、沒有將上位機的設計與下位機的設計整體分開來寫，而是相互交替，同時盡量清晰地敘述，在相應的設計部分中注明是上位機的設計還是下位機的設計。 (1)初始狀態(tài)。此時不能購買任何商品。 (2)投幣狀態(tài)。顧客投幣，顯示投入總值，即余額數值，當所投幣值超過商品價格時，相應價格選擇按鈕發(fā)生變化，提示可以購買。 (3)購買狀態(tài)。按下可以購買的選擇按鈕，所選的商品出現在出貨框中，同時顯示屏上的金額數字根據消費情況相應變化。 (4)退幣按鈕。按下退幣按鈕，顯示退幣框，同時顯示出應退幣值及數量按下確認鈕，則恢復初始狀態(tài)。 到此為止，自動售貨機的一個完整工作過程結束。 4.2 程序設計 我們可以把一次交易過程分為幾個程

15、序塊：運行初期清零過程；投幣過程；價格比較過程；選擇商品過程；退幣過程。 (1)運行初期清零過程 圖4.1 運行初期清零程序圖該梯形圖中，D0 是存放余額的數據寄存器，首先要對其進行清零。不僅需要在完成一次交易后自動清零，而且也能讓賣主自己手動清零。所以用 X6 和 M8002 同時可以控制清零指令。 (2)投幣過程 在投幣的過程中，每投下一枚硬幣，投入顯示將增加相應的幣值，余額也增加同樣幣制。先建立變量表，在編寫程序。 當按下投入1元時，相當于M1接通，之所以用一個微分指令，就是要只在接通時檢測一次，不能永遠加下去。投入1元要投入顯示、余額顯示都相應增加相同數值，加法是由16位加法指令add

16、來實現的。投入5元、10元，原理同上。 錢投進去以后，需要將投進的數額顯示出來，這里我們要用到七段譯碼指令SEGD。具體梯形圖如下： 圖4.2 投幣顯示程序圖(3)價格比較和選擇過程 價格的比較要貫穿實驗過程的始終，只要余額大于某種商品價格時，就需要輸出一個信號，提示可以購買。這里只要選擇燈來代表此信號。 在梯形圖中，為了實現數據的實時比較，用了一個特殊內部繼電器 M6,在程序執(zhí)行過程中，M4始終保持閉合，CMP是16位數據比較指令，用它來比較余額和商品的價格，M6是大于價格，M5是等于標志。再用定時器和M8013 控制Y4，實現按下選擇按鈕并且余額大于等于某種商品價格時，程序使相應的指示燈閃

17、爍表示可以購買該種商品。一旦選擇了相應的飲料，閃爍時間到，就驅動相應的飲料的電磁閥，電磁閥自己控制飲料流出時間。具體梯形圖如下： 圖4.3 價格比較和選擇梯形圖(4)退幣過程 因為選擇商品和退幣是相互制約的，顧將這兩個放在一起進行討論。 顧客一旦選擇了商品，就要用余額減去商品相應的價格，得出最新的余額，而且選擇按鈕必須是點動的，一次只有一次脈沖，保證SUB 指令不會一直減下去。而且不同商品的選擇按鈕是相互制約著減法指令的。減法運算后的結果任放在D0 中。 由于七段譯碼器始終是顯示的是數據寄存器D0 中的數據，所以就滿足了余額顯示的要求。 圖4.4 余額顯示梯形圖退幣的過程我們用到了除法運算，除

18、法指令DIV 將余額D0 除以10，得到的商放在 D1 中，余數放在D2 中。然后將D1 和D2 分別賦值給計時器T3 和T4，再用一個周期為0.1 秒的時鐘脈沖控制退幣個數。具體梯形圖如下： 圖4.5 退幣梯形圖5系統調試分析 5.1硬件調試 首先按控制系統PLC接線圖完成硬件接線，并仔細檢查接線是否有誤，特別要注意接線時不能出現短路、斷路及反接等情況，否則會造成硬件損壞及人身意外。再接通電源，檢查三菱FX2N-48MR 可編程控制器是否可以正常工作，然后把其與電腦的通信口連接。 5.2 軟件調試 開始程序調試：首先將PLC控制程序寫入到PLC機器中，再選擇監(jiān)控狀態(tài)，使PLC處于“RUN”狀

19、態(tài)，然后逐一按投幣感應器（即硬幣識別機構用復位按鈕信號來表示硬幣的輸入），觀察有沒有進行累加幣值；或按選擇按鈕，觀察輸出指示燈是否按預計效果閃滅（即顯示飲料選擇提示、飲料送出、送出時間和退幣提示），并通過監(jiān)控狀態(tài)觀察程序的運行過程及輸入輸出信號、內部描述實際出現的問題及解決方案。對報警部分進行調試，只需給相應的輸入端口信號，然后相應的指示燈變亮即可。要對照設計控制要求，逐一檢驗設計功能是否能有效的實現，并對程序進行改進和完善。 根據以上的調試情況，本裝置控制系統設計符合要求。 總 結通過兩周的 PLC 的課程設計,在尹進田老師的指導和組員的努力下,最終完成 FX-2N 系列 PLC 控制自動售

20、貨機系統的設計.本控制系統就是充分利用了 PLC,接口電路芯片以 及顯示模塊.實現了對自動售貨機的控制,達到了設計的目的.這次設計的 PLC 控制自動售貨機系統的主要內容包括設計出了硬件系統的接線圖,梯形圖等;并 且系統具有啟動,停止功能;運用功能指令進行 PLC 控制程序設計;還進行了 系統調試,實現自動售貨機的控制要求. 在設計中運用所學的理論知識,進行自動售貨機運行原理設計,硬件系統設 計,軟件系統設計,創(chuàng)新設計,提高理論知識工程應用能力,系統調試能力,分 析問題與解決問題的能力.綜合運用了所學的知識,理論與實際相結合,提出并 論證設計方案,然后進行軟,硬件的設計,制作與調試,最后獲得正

21、確的結果. 加深了對所學理論知識的鞏固,加強了建立 PLC 控制工業(yè)機械和生產過程系統 的整體概念,初步掌握了 PLC 控制工業(yè)生產和社會生活的軟,硬件開發(fā)方法, 為以后進行實際的 PLC 軟,硬件應用開發(fā)奠定了良好的基礎.與此同時,也加 強了我們對問題的分析解決能力, 為以后的畢業(yè)設計和畢業(yè)后的工作做了充分的準備. 在本次課程設計中受到尹老師的耐心指導, 使我們進一步學習到了對問題的整體把握，學會了分析及解決方法的能力;在此表示衷心的感謝! 附錄 附錄A 主電路自動售貨機控制主電路如圖7.1所示。圖7.1 自動售貨機控制主電路附錄B 總體梯形圖自動售貨機控制主電路如圖7.2所示。圖7.2 自

22、動售貨機總體梯形圖參考文獻 1廖常初.FX系列PLC編程及應用M.北京:機械工業(yè)出版社.2005.1127.2羅宇航.流行PLC實用程序及設計(西門子S7-200系列)M.西安:西安電子科技大學出版社.2006.246252.3高勤.可編程控制器原理及應用（三菱機型）M.北京:電子工業(yè)出版社.2006.4146.4錢銳.PLC應用技術M.北京:科學出版社.2006.112113.5黃繼昌等.傳感器工作原理及應用實例M.北京:人民郵電出版社.1998.6董淑冷等.PLC在自動售貨機控制系統中的應用J.上海師范大學學報.2007,36(2):4751.致謝經過自己不斷的努力以及各位指導老師的耐心指

23、導和熱情幫助，本設計已經基本完成。在這段時間里，各位老師嚴謹的治學態(tài)度和熱忱的工作作風令我十分欽佩，他們的指導使我受益非淺。同時實驗室的開放也為我的設計提供了實習場地。在此對指導老師和實驗室的老師表示深深的感謝。通過這次課程設計，深刻地認識到學好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯系實際的含義，并且檢驗了我的學習成果。雖然在這次的課程設計中對于知識的運用和銜接還不是很熟練，但是我將在以后的學習中繼續(xù)努力、不斷完善。這將近一個月的課程設計是對過去所學知識的系統提高以及擴充的過程，為今后的學習打下了良好的基礎。當然由于自身水平有限，設計中一定存在很多不足之處，敬請老師對我提出批評與指正。 致謝人：陽雪蓮2013年11月20日