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本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計） 題目（中文）基于PLC 的自動售貨機(jī)系統(tǒng)設(shè)計 （英文）The design of vending machine system based on PLC 學(xué) 院 年級專業(yè) 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 完 成 日 期 XX 年 XX 月 XX 大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 誠信聲明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計），題目《基于 PLC 的自動售貨機(jī)系統(tǒng)設(shè)計》 是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式注明。除此之外，本論文（設(shè)計） 不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。本人完全意識到本聲明應(yīng)承擔(dān)的法律責(zé)任。 作者簽名： 日期： 年 月 日 I 摘要 本設(shè)計在西門子S7-200 系列PLC 基礎(chǔ)上設(shè)計出來的自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)。下面文章將介紹自動售貨機(jī)的起源，出生以及之后的發(fā)展，簡述了它在國內(nèi)和國外發(fā)展的現(xiàn)狀。對常見自動售貨機(jī)的設(shè)計方案進(jìn)行了 PLC 的描述，簡介了 PLC 的硬件基本的組成、性能特點(diǎn)以及其工作原理。同時含有以西門子S7-200 系列為基礎(chǔ)的 PLC 構(gòu)成的自動販賣機(jī)系統(tǒng)的整個設(shè)計過程和思路的敘述。 現(xiàn)在把一次交易過程作為例子，可以先將幾個程序塊組合起來成為交易過程，再分別對每個程序塊進(jìn)行設(shè)計。首先確認(rèn)收到了貨幣的情況下，依靠顧客主動按下各控制按鈕來輸入信號使所對應(yīng)的控制器啟動按鈕控制的機(jī)械裝置最后完成所規(guī)定動作，將貨物售賣。且當(dāng)顧客按下與所需貨品相對應(yīng)的按鈕時， 數(shù)碼顯示管上需要顯示出該貨品的價格，之后顧客需要將對應(yīng)的硬幣投入投幣口，數(shù)碼顯示管同時顯示出所投幣額。當(dāng)按下確認(rèn)鍵，則系統(tǒng)將對投入的貨幣與商品價格兩者進(jìn)行比較。計較的結(jié)果如果是投入的貨幣大于商品的價格那么在售出貨物的同時進(jìn)行余款的找零計算，余款也會數(shù)碼管上顯示出來。如果兩者幣的相等，則直接送出商品。與當(dāng)投入的幣額不足時的情況下將無操作。以此完成一次交易。 關(guān)鍵字：PLC；順序功能圖；梯形圖；I/O 點(diǎn)的分配 V Abstract Vending machine controlsystem design in the design Siemens S7-200series based on PLC. This article will introduce the origin of the vending machine, anafterthe birth development, discusses its status in thedomestic and foreign developmednt. Design ofvending machine for the description of PLC, introduces the PLC hardware basic composition, characteristics and its working principle. At the same time with the whole design process and thought of vending machine system to Siemens S7-200 series based PLC consists of narrative. Now take a transaction process as an example, can be combined into several blocks thetransaction process, then each block design. We acknowledge receipt of the money,depending on the controller active customer press the control button to input signal to thecorresponding to the start button control mechanism at the end of the completion of the required action, the sale of goods. And when the customer presses the corresponding to the desired item button, digital display tube needs to show that the price of the goods, thenthe customer will need to correspond to the coins in the slot, the digital display tube anddisplay the amount of coin. When you press the Enter key, the system will put on thecurrency and commodity IX price comparison. Regardless of the results if the input is greater than the money commodity prices then the balance at the same time to sell off the goodschange calculation, the balance will be displayed on the digital tube. If the two currencies are equal, then send goods directly. And when the amount of money invested is less thanthe case without operation. In order to complete a transaction. Keywords: PLC; sequential function chart; ladder diagram; distribution of I/O points 目 錄 上海師范大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）誠信聲明 I 上海師范大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）選題登記表 II 上海師范大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）指導(dǎo)記錄表 Ⅳ 中文摘要及關(guān)鍵詞 Ⅴ 英文摘要及關(guān)鍵詞 VI 1 緒論 1 1.1 自動售貨機(jī)設(shè)計目的和意義 1 1.2 自動售貨機(jī)的發(fā)展歷史和前景 2 1.3 自動售貨機(jī)的 PLC 控制設(shè)計原理 3 1.4 自動售貨機(jī)設(shè)計的基本方法 4 2 PLC 的概述 5 2.1 PLC 的定義 5 2.2 PLC 的簡介 5 2.3 PLC 的工作原理 6 2.4 PLC 的工作過程及過程圖 7 2.5 PLC 的循環(huán)掃描工作 9 2.6 PLC 的編程語言 101 2.7 PLC 的硬件組成 11 3 自動售貨機(jī) PLC 控制（系統(tǒng)）設(shè)計 13 3.1 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計原則 13 3.2 自動售貨機(jī)設(shè)計的基本思路 13 3.3 硬件電路組成及設(shè)計 14 3.3.1 常見自動售貨機(jī)的觀察及示意圖 14 3.3.2 自動售貨機(jī)硬件設(shè)計 16 3.4 軟件設(shè)計任務(wù)的確定 17 3.4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計部分 17 3.4.2 PLC 各 I/O 地址分配 19 3.4.3 接線圖 21 3.4.4 自動售貨機(jī)設(shè)計的梯形圖 23 結(jié)論 31 參考文獻(xiàn) 32 1 緒論 自動售貨機(jī)是能根據(jù)顧客投入的一定數(shù)額的貨幣來完成人機(jī)間自動買賣的機(jī)械設(shè)備。自動售貨機(jī)是商業(yè)活動減少人工參與自動化的代表設(shè)備， 其固有跨時代的意義。它不受限制于時間、地點(diǎn)遠(yuǎn)近，運(yùn)輸對外界環(huán)境的要求較低，還能節(jié)省人力資源、整個交易流程很簡便。同時它可以出售的商品各種各樣無很大的限制。從飲料、零食、香煙、糖果、牙刷、方便面等等。廣義上說，手機(jī)，信用卡，二維碼的背后就是銷售產(chǎn)品的新的方法， 也是自動售貨機(jī)的未來的方向。狹義的講，自動售貨機(jī)可以很大程度上的彌補(bǔ)某些人工人力不足的地方，這是完全跟隨現(xiàn)代全新消費(fèi)環(huán)境和消費(fèi)理念和模式的改變，而且是全天 24 小時的自助系統(tǒng)無需過多分散商家的精力。需要的資本少，面積小，購買的自主性，解決人工費(fèi)上漲問題等優(yōu)點(diǎn)。所以近年來自動售貨機(jī)在全球范圍內(nèi)得到大力的推廣，廣受好評。下面就較為精細(xì)地介紹一份以 PLC 完成自動售貨機(jī)軟件設(shè)計的方案。 1.1 自動售貨機(jī)設(shè)計目的和意義 現(xiàn)如今，基于文明的發(fā)展以至于傳統(tǒng)消費(fèi)即將被淘汰，以及消費(fèi)模式和銷售環(huán)境的改變，也必將要出現(xiàn)新的銷售模式；此外面對整體生活的節(jié)奏越來越快，人們也就越來越看重時間的價值，因此雇傭人工的花費(fèi)也在不斷升高；再加上一塊場地的開發(fā)飽和買賣追求便利性，快速性等原因。伴隨著現(xiàn)代各種高科技的出現(xiàn)發(fā)展和社會的整體進(jìn)步, 商業(yè)機(jī)械設(shè)備的自動化更加被人們所接受也就有了更加寬闊的存在空間，有需求就有存在的價值。自動商業(yè)售賣設(shè)備作為商業(yè)自動化裝置的前沿代表作品被廣泛應(yīng)用于各類地點(diǎn)公園，大型購物中心，火車站頭等等。綜上所述自動售貨機(jī)的發(fā)展已經(jīng)處于一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，正呈現(xiàn)出一個迅速擴(kuò)張的現(xiàn)象。通過自動售貨機(jī)進(jìn)行自助購物正逐漸成為市民的一種新的購買習(xí)慣，快捷方便的購物方式既能滿足人們在當(dāng)今科技迅速發(fā)展的現(xiàn)代社會追求高品質(zhì)生活的需要又能滿足能源緊缺這一現(xiàn)狀去節(jié)省能源。且自動售貨機(jī)的附屬功能很強(qiáng)打， 9 比如國外正在嘗試帶 wifi 的自動售貨機(jī)，帶導(dǎo)航定位的自動售貨機(jī)等等， 都將進(jìn)一步提升生活質(zhì)量。 1.2 自動售貨機(jī)的發(fā)展歷史和前景 起源與發(fā)展： 自動商業(yè)售貨機(jī)的起源源頭可以追溯到那遠(yuǎn)古的埃及。自動販賣機(jī)的起源是大概在公元前 215 年左右，地點(diǎn)是安裝在埃及寺，設(shè)備是用來售賣“神圣的水（圣水）”。 人都是存在惰性的所以生活中是越方便越好。于是自動販賣機(jī)的首個登場是在 20 世紀(jì) 60 年代的西歐。在那個時候在美國的地下軌道交通里， 人們花費(fèi) 1 美分，可以沖自動售賣機(jī)買一塊當(dāng)時最火熱的口香糖。 真正開發(fā)了飲料的自動販賣機(jī)是日本，當(dāng)時的日本在接受第二次世界大戰(zhàn)戰(zhàn)敗后，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)正剛剛恢復(fù)興盛的 1957 年。當(dāng)時和美國類似，不過販賣的是飲料每當(dāng)顧客往自動售貨機(jī)投入 10 日元，杯子就會被注入一劑量的果汁。機(jī)械的從上部安裝關(guān)注的噴水裝置，這個自動販賣機(jī)“噴水型果汁自販機(jī)”，它爆炸性噴出果汁。那個噴水型果汁自販機(jī)消費(fèi)方式新奇，先鋒的購買方法，后日本的自動販賣機(jī)的高度普及起了重大作用。接下來登場的是可樂的自動販賣機(jī)。之后美國一家大型商業(yè)公司即可樂公司在 1960 年代中期按照商業(yè)策略正式進(jìn)入日本，同時推出用鐵罐頭承裝飲料的自動售賣機(jī)。出人意料的自動售賣機(jī)的受到廣泛的歡迎也就帶動了可樂的銷量， 為驚人可樂之后巨大市場做出了極為重要的貢獻(xiàn)。此外，美國公司優(yōu)秀的自動售賣機(jī)市場布局，設(shè)備設(shè)計技術(shù)等也同時提升日本國內(nèi)的自動話商業(yè)裝置的發(fā)展，造成了很深遠(yuǎn)的影響。 1962 年，作為流通革命的使者，自動銷售機(jī)的帷幕。最初是塑料瓶飲料自販機(jī)。1967 年，在 100 日元以下的貨幣單位改變了一切硬幣從而促進(jìn)， 自動販賣機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，直至今天這個發(fā)展。 售貨機(jī)的前景： 供應(yīng)的相同的外界條件下，一個自動售貨機(jī)機(jī)可以充分彌補(bǔ)人工人力方面的短缺，淘汰過去陳舊腐朽的消費(fèi)習(xí)慣和消費(fèi)模式。也正符合全新消 費(fèi)環(huán)境和消費(fèi)思想的轉(zhuǎn)變。自動售貨系統(tǒng)可以連續(xù)不斷地工作，交易便捷， 所需要的操作少，占地面積小，對外界要求不高，美麗的外觀隨時隨地吸引人們的購買欲望。因此既能解決勞動力成本上升的問題又能帶來客觀的銷售量。 自動販賣機(jī)行業(yè)走向信息和更合理化。例如，在線模式的實施，通過電話線的自動販賣機(jī)內(nèi)的庫存信息和電腦操作時立即傳輸，從而確保貨物交付貨物，補(bǔ)充和選定的順利進(jìn)行。另外，防止地球溫暖化為了拯救，自動販賣機(jī)的能源開發(fā)工作，以省能源的清涼飲料的自動販賣機(jī)業(yè)界為主要方向。比如夏季用電高峰，這個類型的自動販賣機(jī)保持耗電低水平，維持電力這塊得節(jié)約。從二十一世紀(jì)以來，自動販賣機(jī)更節(jié)約資源，能源和網(wǎng)絡(luò)通信化發(fā)展。 1.3 自動售貨機(jī)的 PLC 控制設(shè)計原理 眾所周知自動售貨機(jī)是一部以自動化來實現(xiàn)商業(yè)活動的機(jī)器其最終目的是完成銷售貨品。在已經(jīng)接收到硬幣已被投入傳感器的信號下，客戶依靠按下控制按扭來完成不同貨品信號的輸入使對應(yīng)控制器來進(jìn)行通斷。相關(guān)位置機(jī)械裝置完成動作，最后把顧客所選的貨品售出。 （1） 客戶將硬幣投入投幣口，貨幣識別器識別所投的硬幣面額； （2） 控制器以金額進(jìn)行比較通過貨品按鍵指示燈的明暗信號告訴顧客是否可以購買本商品，由客戶進(jìn)行選擇想要購買哪個商品； （3） 通過客戶按下所選商品的按鈕傳遞信號給 PLC 系統(tǒng)以此來通斷組件并且使得相應(yīng)組件動作把客戶選擇的貨品送達(dá)到取物口； （4） 假如之前所投的貨幣在第一次交易后還有多出的錢款，可以進(jìn)行第二次交易?；蛘咴?15 秒之內(nèi)，自動售貨機(jī)將自動退出余款，當(dāng)然客戶也可以自行通過旋轉(zhuǎn)退幣旋鈕，來取出剩下的錢款。 （5） 從退幣口取出所余款結(jié)束此次交易。 初始狀態(tài) 投幣狀態(tài) 購買狀態(tài) 是否剩余 退幣狀態(tài) 圖 1-3 自動售貨機(jī)流程圖 1.4 自動售貨機(jī)設(shè)計的基本方法 由于本次所設(shè)計的課題是自動售賣機(jī)控制，大部分的控制是應(yīng)用西門子 S7-200 型 PLC 的梯形圖來設(shè)計并且來達(dá)到控制的目的的。因此簡單介紹與其相互穿插的一些知識，如：PLC 的大概定義、PLC 所用到的編程語言、PLC 由哪些硬件組成等。 同時要按照設(shè)計的功能內(nèi)容和控制的要求畫出順序功能圖和梯形圖， 再根據(jù) PLC 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來畫出其接線圖，結(jié)合程序梯形圖和外部的接線圖， 分析簡述該設(shè)計的控制原理步驟。 2 PLC 的概述 2.1 PLC 的定義 PLC 是一種產(chǎn)品，但這種產(chǎn)品具有不一樣的地方。比如缺少程序員編制的控制程序的話，它無法實現(xiàn)任何控制功能，換句話說，假如沒有對應(yīng)的編寫程序的 PLC 是無法發(fā)揮作用的。其實 PLC 實際上是專為大規(guī)模設(shè)備使用的通用控制平臺，只不過它比一般計算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連接的 I／O 接口。它必須進(jìn)行專業(yè)程序員的二次 編寫研發(fā)才能完成達(dá)成控制目的，因此，它還要求具備程序編輯/調(diào)試軟件的配合工作。PLC 在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，不僅結(jié)合了現(xiàn)代自動化應(yīng)用控制技術(shù)還有計算機(jī)控制應(yīng)用技術(shù)和通信應(yīng)用技術(shù)，日益被開發(fā)出來的一套用于自動化設(shè)備控制的技術(shù)。當(dāng)然其在和一些傳統(tǒng)繼電器組成的控制系統(tǒng)相比時它的體積更小，而且修理維護(hù)操作更加便捷，抗信號干擾能力很強(qiáng)，所以更為可靠方便。此外同時支持在線更改程序，而且 PLC 所需編程呈現(xiàn)方便，通用性很強(qiáng)，功能相較下更完善由此可以縮短設(shè)計、施工、調(diào)試的周期。除此之外 PLC 的價格低廉，在工業(yè)領(lǐng)域處于舉重若輕的低位。它采用程序員的存儲器存儲程序內(nèi)部邏輯運(yùn)算，執(zhí)行數(shù)電的同步異步時序控制，計時器以及定時器， 計數(shù)和數(shù)學(xué)操作等等由程序員編寫的指令來完成數(shù)字以及模擬輸入/輸出信號來實現(xiàn)控制不同功能，類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程。 2.2 PLC 的簡介 PLC 是一般是采用程序自帶的內(nèi)存，在其內(nèi)部進(jìn)行相關(guān)的邏輯運(yùn)算， 同步時序控制異步時序控制，以及定時器/計數(shù)和算術(shù)指令運(yùn)算等等功能命令最后靠模擬式的輸入與輸出部分，實現(xiàn)型號各異的機(jī)械設(shè)備運(yùn)作和生產(chǎn)過程。傳統(tǒng)的接力控制系統(tǒng)主要有以下兩個缺點(diǎn)存在，信賴性差，故障排除困難，那是，接觸控制，所以觸點(diǎn)磨損和斷裂等損壞的情況是難對應(yīng)處理；二是柔軟性差，全體的成本很高。接力本身并不高，但控制柜內(nèi)的安 裝，連接工作，技術(shù)的變化相應(yīng)變更更復(fù)雜。所以，適應(yīng)市場需求的變化時，PLC 出生了。當(dāng) PLC 的計算機(jī)控制技術(shù)和傳統(tǒng)的流水線，皮帶運(yùn)輸?shù)鹊裙I(yè)硬件控制技術(shù)相結(jié)合時，它能夠避免繼電器接觸控制系統(tǒng)里的機(jī)械硬件的復(fù)雜交錯的連接的，個個點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)性交差的問題，消耗電量高， 通用性不夠有所局限以及靈活性不好的缺點(diǎn)。PLC 便是充分發(fā)揮了微型處理器的優(yōu)越性，還可以方便到現(xiàn)場修理維人員的操作和電的使用方式。此外尤其是 PLC 的編程，不像基于 PC 的軟件編程需要具備深入了解專業(yè)計算機(jī)編程語言知識例如 java,c#,c++等等，而是采用了一套類似梯形圖的基礎(chǔ)簡單的框圖加上相應(yīng)的指令命令，便可以讓用戶實現(xiàn)編程控制，對模塊分的較為細(xì)，方便檢查，十分直觀。 2.3 PLC 的工作原理 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，PLC 整個工作過程一般情況下包括了三個階段， 分別為輸入信號的抽樣（既是信號在時間上的離散化）、預(yù)先程序員的編程的執(zhí)行以及輸出刷新狀態(tài)更新狀態(tài)這三個步驟。如果 PLC 完整的完成一次這三個步驟，那么我們稱之為完成一個掃描周期。從 PLC 開始工作到最終停止工作，這段期間 PLC 的 CPU 一直以一定的掃描速度重復(fù)地進(jìn)行一個個掃描周期 每當(dāng) PLC 由于觸發(fā)進(jìn)行一個狀態(tài)掃描時，便會集中進(jìn)行輸入信號的抽樣采集，集中在對輸出信號的進(jìn)行更新。 大概的說首先進(jìn)入刷新輸入信號的采集過程，然后關(guān)斷輸入端口這是無法采樣輸入信號，程序也就不受之后動作的干擾，開始執(zhí)行預(yù)先編制的程序，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。有且僅當(dāng) PLC 接收到進(jìn)行下一次掃描信號時，之后的輸入狀態(tài)才可以被讀入而完成下一次的程序執(zhí)行。 這是各個元件寄存器所存的狀態(tài)模擬量是會通過執(zhí)行所編寫的程序的一次次執(zhí)行而進(jìn)行改變的。 掃描周期的長短由以下三條決定。 （1） CPU 在執(zhí)行指令時的速度 （2） 指令其本身所需要花費(fèi)的時間 （3） 指令的條數(shù)，目前 PLC 掃描速度基本都很迅速。 此外由于 PLC 技術(shù)特點(diǎn)即要集中采樣和集中輸出的工作模式，所以存在一個滯后的現(xiàn)象，我們將其稱為輸入/輸出響應(yīng)延遲。 總結(jié)的來說將 PLC 看作一個系統(tǒng)，外界輸入的各種通斷信號或模擬信號均為輸入模擬量，模擬量被 輸入到 PLC 內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器中，而后按用戶程序要求進(jìn)行邏輯運(yùn)算或數(shù)據(jù)處理，最后以輸出到輸出接口，從而控制控制設(shè)備和機(jī)械外設(shè)。 2.4 PLC 的工作過程及過程圖 （1） 首先處于在 PLC 內(nèi)存內(nèi)部處理的步驟，在此步驟時，PLC 必須查看 CPU 各個硬件組件是否工作正常，同時復(fù)位計時器，定時器，其他一些內(nèi)部的工作也會在這個階段完成將其稱為 CPU 自診斷。 （2） 接下來是連接服務(wù)階段，PLC 與不同功能模塊進(jìn)行接通、響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新數(shù)碼管或者顯示屏的所展示的內(nèi)容等。如果 PLC 正處于停狀態(tài)，那則只需要處理內(nèi)容和通信操作。 （3） 接下來便是掃描周期的步驟即輸入采集階段，輸入采集也叫輸入抽樣。在此階段依次按照規(guī)定的先后讀取所有輸入端口的通斷狀態(tài)以模擬量表示，同時將所采樣獲取的信息儲存輸入映象寄存器中，這時輸入印象器的內(nèi)容被替換成這次采集的內(nèi)容。 （4） 當(dāng)處于程序處理階段，和其他編程一樣從上至下的，從左到右的規(guī)定，對所編程的梯形圖程序進(jìn)行一條條指令的掃描，同時和已經(jīng)更新內(nèi)容的輸入映像寄存器中的結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算，這個運(yùn)算結(jié)果分別儲存到相對應(yīng)的映像寄存器中。如果遇到程序 JMP 指令，則先判斷跳轉(zhuǎn)條件的是否再來確定程序的下一步跳轉(zhuǎn)地址。 （5） 最后的便是輸出刷新步驟，之前的所有程序按流程執(zhí)行完畢后， 把每個輸出映象寄存器中個個端點(diǎn)的最新狀態(tài)，統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中， 由外部驅(qū)動實現(xiàn)動作完成負(fù)載。 開始上電 初始化內(nèi)部 讀取輸入 通訊請求 時鐘，寄存器更新 N CPU 運(yùn)行 Y 執(zhí)行程序 輸出刷新 執(zhí)行自診斷檢查 Y PLC 正常工作 N 存放自診斷結(jié)果 N 執(zhí)行有誤？ Y CPU 強(qiáng)制停止 圖 2-4 PLC 工作過程圖 2.5 PLC 的循環(huán)掃描工作 這里詳細(xì)介紹循環(huán)掃描工作。每當(dāng) PLC 處理一個新的程序，CPU 都由第一條用戶指令開始執(zhí)行，然后按著指令的順序去做周期性的循環(huán)掃描。若此程序中無跳轉(zhuǎn)指令，則會從由上至下的順序開始逐個執(zhí)行程序員編寫的程序，除非遇上最終結(jié)束符后才會重新返回第一條指令，便照此反復(fù)地不停循環(huán)執(zhí)行，我們將這每一個循環(huán)都被稱為掃描周期。PLC 的掃描全過程下圖所示。 （1） 輸入刷新階段 CPU 將掃描全部的輸入端口，將其狀態(tài)讀出并寫入輸入狀態(tài)寄存器。這個動作完成了就關(guān)閉輸入端口，開始進(jìn)行程序執(zhí)行。 （2） 程序執(zhí)行階段 根據(jù)程序員提前輸入的控制程序，將會從首跳指令開始按序號執(zhí)行， 將個個輸入寄存器里的運(yùn)算結(jié)果分別更新到與其對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器或者輸出狀態(tài)寄存器。 （3） 輸出刷新階段 執(zhí)行完所有指令，把輸出狀態(tài)寄存器中儲存的結(jié)果，送到輸出鎖存電路，通過輸出電路來驅(qū)動外部硬件去相應(yīng)執(zhí)行組件工作，于是完成 PLC 的系統(tǒng)功能。 PLC 的掃描全過程： 用戶輸出設(shè)備 輸出鎖存器 程序執(zhí)行 用戶輸入設(shè)備 輸入鎖存器 輸入映像寄存器 輸出映像寄存器 輸入刷新 程序執(zhí)行 輸出刷新 一個掃描周期 圖 2-5 循環(huán)掃描過程圖 2.6 PLC 的編程語言 PLC 給用戶提供了各種完善的編程語言來實現(xiàn)不同編制用戶的要求。它所提供的程序語言基本有以下 5 種：梯形圖（LAD）、語句表（STL）、順序功能圖（SFC）、功能塊圖（FBD）和結(jié)構(gòu)文本（ST）。 2.7 PLC 的硬件組成 簡單介紹下 PLC 的硬件組成，主要包括了下面幾個部分，分別為中 19 央微型處理器（即 CPU）、內(nèi)部寄存器內(nèi)部存儲器、輸入單元（即由輸入端口組成）、輸出單元（即由輸出端口組成）、與計算機(jī)相連的通信接口 （用于接上位機(jī)或者打印機(jī)等等）、擴(kuò)展接口以及電源等。在這些部件當(dāng)中，最為重要的部分便是 PLC 的 CPU，同時不同的CPU 芯片也會帶來不同功能實現(xiàn)不一樣的控制。則輸入單元和輸出單元兩個模塊可以理解為把工業(yè)現(xiàn)場輸入設(shè)備或者輸出機(jī)械設(shè)備與CPU 相連接起來的接口電路他們由許多個端口組成。除此之外的通信接口主要的工作職責(zé)是與程序員的編程計算機(jī)、上位計算機(jī)等等程序外設(shè)的連接。 我們把將絕大部分組件和部件都涵括在一個機(jī)械外殼內(nèi)的稱之為整體式 PLC；反之，將那個吧不同部件和組件分類并且獨(dú)立封裝成一個個不同模塊的，用電路總線將部件與部件相互連接的最終安裝在機(jī)械設(shè)備的 PLC 我們稱之為模塊式 PLC。其組成框圖如下圖所示。 電源 微 處 理 器 （CPU） 運(yùn)算器 存儲器 輸出端口 擴(kuò)展單元 輸出單元 擴(kuò)展接口 輸入單元 通信單元 輸入端口 編程器 圖 2-7 PLC 硬件構(gòu)成圖 3 自動售貨機(jī)PLC 控制（系統(tǒng)）設(shè)計 3.1 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計原則 設(shè)計完成電氣控制系統(tǒng)都是為了使被控對象（生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程） 在不影響生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的前提下滿足各種工業(yè)要求。所以在進(jìn)行設(shè)計的時候應(yīng)該要遵守以下幾個原則： (1) 當(dāng)理論和實際情況存在偏差時應(yīng)最大程度地滿足被控對象的。(2)設(shè)計前，先對機(jī)器工作的現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，對可能存在的外界影 響有個了解。 (3) 與此機(jī)械部分的設(shè)計人員和實際操作的工作人員共同商討擬訂以及修改電氣控制方案，必須將可能遇到的問題都考慮周全，相互配合共同解決設(shè)計中出現(xiàn)的問題。 (4) 設(shè)計的系統(tǒng)不僅要滿足控制要求，還應(yīng)該力求操作簡單快捷、實用經(jīng)濟(jì)以及方便維修人員維修。 （5） 保證控制系統(tǒng)的安全、可靠。 （6） 在選擇 PLC 容量時，應(yīng)該考慮將來的技術(shù)更新和生產(chǎn)發(fā)展適當(dāng)給 PLC 留出空間可以進(jìn)行改進(jìn)。 3.2 自動售貨機(jī)設(shè)計的基本思路 其控制思路是：首要的就是能夠?qū)ν度氲腻X幣進(jìn)行加法減法計算，然后根據(jù)運(yùn)算結(jié)果做出正確的判斷是否，通過結(jié)果來控制外設(shè)機(jī)械實現(xiàn)機(jī)械動作以此來完成交易。 首先在接通電源的情況下顧客向機(jī)器投入硬幣,然后顧客查看商品確定按下想要購買商品對應(yīng)的選擇按鈕。顧客先前投入的硬幣必須經(jīng)鈔票識別器后或者行程開關(guān)將代表硬幣數(shù)額的信號送給 PLC 系統(tǒng)。在確定了硬幣的真?zhèn)魏兔嬷抵?將這次顧客所投金額顯示在顯示屏上。顯示的同時在系統(tǒng)內(nèi)部將數(shù)值與個個不同商品設(shè)置的價格進(jìn)行大小比較判斷是否成立。每當(dāng)顧客已經(jīng)投入的硬幣數(shù)額大于等于機(jī)械設(shè)置商品的購買價格后,則顯示 該商品為綠燈表示允許購買。在內(nèi)部 PLC 系統(tǒng)通過加減運(yùn)算后將余款最終數(shù)額在顯示器上顯示出來。再結(jié)束金額運(yùn)算之后機(jī)械外設(shè)收到控制信號后開始動作,將商品送出。同時準(zhǔn)備好與顯示器顯示的數(shù)額一樣的硬幣作為余款等待顧客的退款信號,最后顧客將按下找零旋轉(zhuǎn)閥門后，機(jī)械外設(shè)動作打開退幣口組件，退出余款。系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)碼管開始進(jìn)行清理和復(fù)位，采用從高位到低位的方法將整個顯示器進(jìn)行清零，此時一切恢復(fù)到初始狀態(tài)，等待下一次交易。 顯示器 商品鍵盤 指示燈 PLC 錢幣識別器 退幣口 機(jī)械外設(shè) 圖 3-2 自動售貨機(jī)控制原理圖 3.3 硬件電路組成及設(shè)計 3.3.1 常見自動售貨機(jī)的觀察及示意圖 本次調(diào)查觀察基于學(xué)校的自動售貨機(jī)的外形和按鈕功能。從上至下， 首先引入眼簾的是此售貨機(jī)具有的各類商品其主要是售賣飲料，并且分為熱飲和冷飲。相同飲料的熱飲和冷飲都設(shè)有相對應(yīng)的按鈕可供選擇。接著在個個按鈕下面有燈泡表示此商品所處的狀態(tài)：綠色表示可售，紅色表示缺貨或者投入硬幣不夠。在下面一點(diǎn)便是投幣口和紙鈔入口。投幣口應(yīng)該是考行程開關(guān)對硬幣的大小進(jìn)行分類在來判斷其數(shù)額，紙鈔入口的話應(yīng)該是通過熒光掃描之類的進(jìn)行判斷。此外在投幣口的旁邊就設(shè)置了退幣旋柄 退幣按鈕 十分顯目，方便操作。在投幣口的下方便是退幣口，通過退幣口退還錢幣并且對退幣口有個凹形的設(shè)計防止退錢的時候由于重力加速錢幣掉出。最下面便是出貨口，在底部鏤空的同時裝有玻璃外殼防止灰塵的堆積。整個設(shè)計十分人性化。 貨品按鈕 投幣 退幣 指示燈 退幣指示燈 熱飲指示燈 冷飲指示燈 出貨指示燈 貨品出口 圖 3-3 自動售貨觀察圖 控制單元 傳感器 硬幣識別器 3.3.2 自動售貨機(jī)硬件設(shè)計 本次設(shè)計的自動售貨機(jī)的硬件設(shè)計思路是：先將所投硬幣通過傳感器進(jìn)行判別數(shù)額，可以是光電傳感器或者重力傳感器。在通過模擬量傳感器作為 PLC 的模擬量輸入模塊提供相應(yīng)的輸入信號。同時顧客對商品鍵盤的操作信號也輸入到 PLC，接著 PLC 的 CPU 對顧客的按鍵操作和所投硬幣進(jìn)行加減法運(yùn)算處理，在輸出單元輸出。其結(jié)果將控制所連接的控制單元接下來的動作包括電機(jī)轉(zhuǎn)動使機(jī)械動作售出貨品，退幣閥門的退幣，顯示器顯示，燈泡的明暗等等以實現(xiàn)與用戶的交互及驅(qū)動出貨裝置。 鍵盤 轉(zhuǎn)動電 機(jī)取出貨物 自動售貨機(jī) 核心電路（CPU） 找零執(zhí) 行機(jī)構(gòu)動作 硬幣輸入端 顯示器 指 示 燈 圖 3-3 硬件設(shè)計圖 3.4 軟件設(shè)計任務(wù)的確定 基于了解常見自動售貨機(jī)整個工作流程以及各組件的動能的前提下， 把設(shè)計計劃確定下來，明確個個模塊的想要達(dá)到的目的。 首先，應(yīng)該把設(shè)計分成兩個大的對象分別是上位機(jī)和下位機(jī)：其中上位機(jī)主要用實現(xiàn)仿真界面以及和自動販賣機(jī)假想工作時數(shù)據(jù)相關(guān)的分析， 而下位機(jī)則是對 PLC 的所需二次開發(fā)的程序進(jìn)行編程。其次，要去搜尋合適的上位機(jī)與下位機(jī)現(xiàn)在機(jī)器繁多怎么根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計選擇出合適的機(jī)器也是最終實現(xiàn)計劃至關(guān)重要的一步。進(jìn)行系統(tǒng)仿真的時候可以校園里觀看現(xiàn)有的自動販賣機(jī)的操作流程和外形設(shè)計此外在馬路上也有很多種類：甚至可以特地去親自嘗試一下這樣才會有比較直觀的感受。當(dāng)開始著手對PLC 編程時需要先明確個個PLC 的I/O 點(diǎn)代表的意義并和相關(guān)外設(shè)相連接以此實現(xiàn)功能。應(yīng)該吧兩大對象的設(shè)計結(jié)果相互結(jié)合去進(jìn)行一次次的測試和修改進(jìn)一步完善系統(tǒng)的設(shè)計。 此外，設(shè)計出上位機(jī)與下位機(jī)應(yīng)該是相關(guān)聯(lián)的當(dāng)控制同一個組件或者對象時候使用的模擬量/數(shù)字量的變量必須相同。總的來說通過仿真來模仿自動販賣機(jī)（虛擬實物）然后通過程序員給 PLC 編寫的程序指令來控制這個虛擬實物的完成一個個和指令對應(yīng)的動作；以此來檢測設(shè)計的系統(tǒng)內(nèi)部各大部件的關(guān)系這個便是用仿真系統(tǒng)的最大目。 這里主要負(fù)責(zé)是針對上下位機(jī)的下位機(jī)，也就是對 PLC 的所需二次開發(fā)的程序進(jìn)行編程至于上位機(jī)暫不討論。 3.4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計部分 1. 本設(shè)計的自動售貨機(jī)可以投入并且辨別五角、一元的硬幣； 2. 在自動販賣機(jī)接通電源時，有顧客投入向機(jī)器投入錢幣，但是沒有按下任何按鍵也就無有效操作，從硬幣進(jìn)入機(jī)器開始計時如果時間達(dá)到 2 分鐘則自動販賣機(jī)自動打開退幣功能將所投錢幣退還； 3. 當(dāng)且僅當(dāng)投入硬幣的數(shù)額等于或超過物品購買的數(shù)額時，對應(yīng)的商品可購買指示燈亮綠燈； 4. 顧客如果選擇按下想要購買的那個的按鍵，只要此商品滿足商品購買且亮綠燈的條件下，則此交易就會完成商品會被售出。同時商品的提示燈閃爍表示商品即將售出提醒顧客注意出貨口； 5. 在顧客投入硬幣數(shù)額總值超過所選商品的價格時，自動售貨機(jī)會自動將多余的錢款退還顧客； 6. 顧客可以先在投入錢幣但沒有按下任何購買按鍵的前提下想要放棄本次交易，只需按下退款旋鈕柄，自動販賣機(jī)就會把之前顧客所投等額的硬幣退出； 7. 假如顧客成功完成一次交易并且存在余款但交易之后并沒有任何操作，那么將自動把之前交易所剩的余款退出到退幣口； 8. 找零時顧客可選擇退一元的還是五角的； 9. 當(dāng)自動售貨機(jī)內(nèi)所存商品不足時，其相對應(yīng)的商品指示燈亮紅燈， 顧客如果按下相應(yīng)的按鍵將會無反應(yīng)（不出物品，不減余額）； 系統(tǒng)流程圖： 比較價格 投幣計數(shù) 累加幣價 符合條件的 物品亮綠燈 錢幣 N Y 商品 不足 選擇 飲 料 選 擇 食品選擇 減去飲料用幣 減去食品用幣 N 是否退幣 存在故障 Y 硬幣不足 退幣計數(shù) 商品短缺 取 出 錢幣倒入退幣箱 物品燈閃 紅燈 爍 結(jié)束 圖 3-4 系統(tǒng)軟件流程圖 3.4.2 PLC 各 I/O 地址分配 將 PLC 與各種工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和機(jī)械設(shè)備相互接通的部件我們稱之為輸入/輸出單元也即 I/O 單元。PLC 系統(tǒng)的 CPU 通過輸入接口收到的被測對象組件的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行對比測試，通過將這些數(shù)據(jù)在 CPU 里進(jìn)行運(yùn)算出來 再從輸出接口傳到對應(yīng)的被控制對象，并且依靠這些數(shù)據(jù)完成 PLC 對這些監(jiān)控對象的整個控制，來實現(xiàn)最終設(shè)計的目的； 表 3-4 本次設(shè)計的主要 I/O 分配： 序號 定義點(diǎn) 符號 功能 1 I0.0 SB1 找零按鈕 2 I0.1 SB2 食品五角按鈕 3 I0.2 SB3 食品一元按鈕 4 I0.3 SB4 飲料一元按鈕 5 I0.4 SB5 飲料二元按鈕 6 I0.5 SB6 日用二元按鈕 7 I0.6 SB7 日用三元按鈕 8 I2.0 SB8 投五角硬幣 9 I2.1 SB9 投一元硬幣 10 I2.5 SB10 找零五角 11 I2.6 SB11 找零一元 12 I3.1 SB12 食品五角行程開關(guān) 13 I3.2 SB13 食品一元行程開關(guān) 14 I3.3 SB14 飲料一元行程開關(guān) 15 I3.4 SB15 飲料二元行程開關(guān) 16 I3.5 SB16 日用二元行程開關(guān) 17 I3.6 SB17 日用三元行程開關(guān) 18 Q3.1 食品五角紅燈(物品售完) 19 Q3.2 食品一元紅燈(物品售完) 20 Q3.3 飲料一元紅燈(物品售完) 21 Q3.4 飲料二元紅燈(物品售完) 22 Q3.5 日用二元紅燈(物品售完) 23 Q3.6 日用三元紅燈(物品售完) 24 Q0.0 找零 25 Q0.1 出食品五角 26 Q0.2 出食品一元 27 Q0.3 出飲料一元 28 Q0.4 出飲料二元 29 29 Q0.5 出日用二元 30 Q0.6 出日用三元 31 Q2.1 食品五角綠燈（可以購買） 32 Q2.2 食品一元綠燈（可以購買） 33 Q2.3 飲料一元綠燈（可以購買） 34 Q2.4 飲料二元綠燈（可以購買） 35 Q2.5 日用二元綠燈（可以購買） 36 Q2.6 日用三元綠燈（可以購買） 3.4.3 接線圖 PLC 選型由控制 I/O 接口的數(shù)量、想要實現(xiàn)的功能，所編寫程序的內(nèi)容等因素決定。根據(jù)控制要求，I/O 點(diǎn)數(shù)在 40 個左右，選擇性能價格比較高的西門子 S7-200 系列的-226cn，其中其輸入點(diǎn)為 24 點(diǎn)，輸出點(diǎn)為 16 點(diǎn)，最多可接上 7 個擴(kuò)展模塊，最大可以擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量I/O 點(diǎn)完全符合要求。此外還支持26K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。了解各個控制對象的驅(qū)動要求，分析對象的控制要求，完成 PLC 硬件結(jié)構(gòu)配置。在本設(shè)計中，設(shè)計的退幣按鈕、所售商品的按鈕和出口（驅(qū)動電磁閥）等均為開關(guān)量。 綜上所述繪制出 PLC 控制電路接線圖，如圖所示： 找零機(jī)構(gòu) I0.0 Q0.0 I0.1 Q0.1 I0.2 Q0.2  商品取出機(jī) I0.3 Q0.3 構(gòu) I0.4 Q0.4 I0.5 Q0.5 I0.6 Q0.6 食品五角燈 I2.0 Q2.1 I2.1 Q2.2 I2.5 Q2.3 I2.6 Q2.4 I3.1 Q2.5 I3.2 Q2.6 Q3.1 I3.3 Q3.2 I3.4 Q3.3 Q3.4 I3.5 Q3.5 I3.6 Q3.6  食品一元燈  飲料一元燈飲料二元燈 日常二元燈 日用三元燈 圖 3-4 I/O 接口圖 3.4.4 自動售貨機(jī)設(shè)計的梯形圖 本此設(shè)計自動售貨機(jī)包括了食品、飲料、日常三個項目分類，其中食品有五角硬幣和一元硬幣，飲料的話有一元硬幣和二元硬幣，日常的有二元硬幣和三元硬幣。 本次自動售貨機(jī)的梯形圖如下所示： 首先是硬幣識別通過傳感器來吧硬幣分類或者熒光掃描來區(qū)別，并通過正跳變指令產(chǎn)生脈沖。 用加法指令計算產(chǎn)生 32 位結(jié)果到 OUT=in1+in2，通過正跳變指令產(chǎn)生脈沖。 由 VD4 的結(jié)果通過比較指令去控制 Q0.1 即 5 角零食的通斷 并通過按鈕的狀態(tài)來進(jìn)行減法的運(yùn)算將結(jié)果輸出到 OUT=in1-in2 通過定時器控制食品五角燈使其閃爍的程序 以MO.6 的中間繼電器的通斷來控制Q2.1 閃爍并且已按下Q0.1 此時表示正在售出食品 當(dāng)無按下 Q0.1 并且已經(jīng)投入 5 角 VD4 比較后 Q2.1 長亮表示可以購買 當(dāng)行程開關(guān)打開時并且同時無 5 角零食 Q3.1 紅燈長亮 同時無按鈕操作下的情況通過 T44 定時器的延時來完成 2 分鐘的誤操作退回投幣的動作。 33 結(jié)論 這是次難忘的經(jīng)歷，通過次對自動售貨機(jī) PLC 控制設(shè)計的制作，使我可以去深入了解 PLC 系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟。可能這次的設(shè)計并不是什么重大的，有深度的項目，反而是比較簡單貼近生活的一個。但是我親身參與其中，這使我對將來或者以后接觸到 PLC 設(shè)計的問題有個深入的感知。能知道大概的一個設(shè)計流程是怎么樣的，如果有問題應(yīng)該怎么解決。這會是我這分設(shè)計的意義所在，也是最大的收獲。同時在專業(yè)知識這塊對PLC 的控制指令有個更加深入的了解知道怎么去使指令配合完成想要完成的動作，對自動控制原理也有所感悟你必須協(xié)調(diào)程序和外部設(shè)備的工作。而且在進(jìn)行任何設(shè)計之前，你設(shè)計的整體程序先要進(jìn)行分塊， 再通過編程去實現(xiàn)你的一個個塊。我感覺對于 PLC 的編程最好是越精細(xì)越好，因為越是精確就越是方便的你的編程思路。而不是像其他事物你要考慮大的方向。與其說是完成這次課程設(shè)計，不如說對于之前所學(xué)知道的一次回爐總結(jié)和再次改造。以前學(xué)習(xí)了就學(xué)習(xí)并沒有什么感受在里面但通過這次設(shè)計可以明顯感受到認(rèn)知的改變。 參考文獻(xiàn) [1] 陳瑞陽 西門子工業(yè)自動化項目設(shè)計實踐 席巍 宋柏青 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2009年5月. 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