PLC在自动售货机上的应用.docx
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PLC在自动售货机上的应用
毕业设计(论文)
题目:
PLC在自动售货机上的应用
系(院):
工业与信息化学院专业:
姓名:
学号:
校内指导教师:
职称:
讲师
2013年5月25日
摘要
PLC(可编程序控制器)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、维护方便等一系列优点,现已在工业控制领域得到广泛地应用。
自动售货机作为生活中完成饮料、香烟等其他生活用品零售的独立设施,从而要求了它的结构必须可靠、稳定和执行效率高。
这两者的完美组合将会给广大群众带来更多的便利!
本次设计在以西门子公司S7-200系列的PLC为核心的自动售货机控制系统中,当需要增加可选择的商品数量时,该控制系统的硬件只需要增加相应的输入信号,其硬件的原有接线不需要改变,软件则可以根据不同的控制要求进行修改,具有较强的适应性,因此在自动售货机行业中得到了广泛的。
关键词PLC自动售货机西门子S7-200。
第1章PLC的介绍及自动售货机现状
1.1PLC的介绍
1.1.1PLC的概论
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具有体积小、结构简单、操作方便、可靠性好等特点。
1.1.2PLC的产生
20世纪20年代起,人们把各种继电器,定时器,接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统,控制各种生产机械,这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统。
由于它结构简单,容易掌握,价格便宜,在一定的范围内能满足控制要求,因而使用面甚广,在工业控制领域中一直占主导地位。
但是机电接触器控制系统有明显的缺点:
设备体积大,可靠性差,动作速度慢,功能少,难与现实较复杂的控制,特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统,接线复杂,当生产工艺或对象改变时,原有的接线和控制盘就要更换,所以通用性和灵活性较差。
20世纪60年代末期,美国的汽车制造业竞争激烈,各生产厂家的汽车型号不断更新,它必然要求生产线的控制系统亦随之改变,以及对整个开展系统重新配置,1968年美国通用汽车公司公开向社会招标,对汽车流水线控制系统提出具体要求,归纳起来是:
1、编程方便,可现场修改程序
2、维修方便,采用插件式结构
3、可靠性高于继电器控制盘
4、体积小于继电器控制盘
5、数据可直接送入管理计算机
6、成本可与继电器控制盘竞争
7、输入可以是交流150V以上
8、输出为交流115V,容量要求在2A以上,可直接驱动接触器、电磁阀等
9、扩展时源系统改变最小
10、用户存储器至少能扩展到4KB(适应当时汽车装配过程的需要)
1.1.3PLC的定义
美国国际电工委员会(IEC)在1987年对可编程序控制器作出以下定义:
可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统,它采用了可编程序的存储器,用来在其内部进行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等功能的面向用户的指令,并通过数字式或模拟式的输入活输出,控制各种类型的机械或产生过程。
可编程序控制器及其相关外部设备,都应按照易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩展的原则而设计。
定义还强调了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”,因此编程方便。
它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、计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”。
1.2自动售货机的现状
1.2.1自动售货机的发展情况
自动售货机最早出现在二十世纪五、六十年代的西欧,英国是较早实行自动售货机售货的国家之一。
1942年,在食品销售中首先推广了自动售货的销售方式。
1950年。
英国食品杂货行有500家采用自动售货机售货。
1969年,采用自动售货机售货的商家增加到23000家,销售的商品扩展到文化用品、唱片、香烟、食品等多个方面。
进入70年代后,约有40多万家香烟、饮料店采用自动售货机。
1980年英国有50余万台自动售货机,年销售额达8.81亿英镑。
70年代后,日本、美欧等发达国家和地区自动售货机迅猛发展,短短30年,发达国家自动售货机产业已发展到相当大规模。
自动售货机被广泛地布放于车站、油站、码头、机场、宾馆、写字楼、娱乐场所及大街小巷和公路旁,人们通过自动售货机可以买到食品、香烟、饮料、报纸、票、卡甚至鲜花和小宠物等物品。
自动售货机实现了商品需求化、性能多样化的发展,又由原来只能出售有限商品品种,转变为继百货公司、超级市场、便民店之后,以消费者与售货机“一对一”自动售货的无店铺销售业态。
自动售货,给人们的生活带来了极大的方便。
从自动售货机的发展趋势来看,它的出现是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。
大量生产、大量消费以及消费模式和销售环境的变化,要求出现新的流通渠道,而相对的超市、百货购物中心等新的流通渠道的产生,人工费用也不断上升,再加上场地的局限性以及购物的便利性等这些因素的制约,无人自动售货机作为一种必须的机器便应运而生了。
从广义来讲投入硬币、纸币、信用卡等后便可以销售商品的机械,从狭义来讲就是自动销售商品的机械。
从供给的条件看,自动售货机可以充分补充人力资源的不足,适应消费环境和消费模式的变化,24小时无人售货的系统可以更省力,运营时需要的资本少、面积小,有吸引人们购买好奇心的自身性能,可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。
据说世界上最早的自动售货机出现在公元前3世纪,那是埃及神殿里的投币式圣水出售机。
17世纪,英国的小酒吧里设有了香烟的自动售货机。
在自动售货机历史的长河中日本开发出实用型的自动售货机,那是在进入本世纪后的事。
日本第一台自动售货机是1904年问世的“邮票明信片自动出售机”它是集邮票明信片的出售和邮筒投函为一体的机器。
自动售货机的真正普及是在第二次世界大战以后。
50年代,“喷水型果汁自动售货机”大受欢迎,果汁被注入在纸杯里出售。
后来,由于美国的饮料大公司进入日本市场,1962年,出现了以自动售货机为主体的流通领域的革命。
1967年,100日元单位以下的货币全部改为硬币,从而促进了自动售货机产业的发展。
日本是自动售货机的天堂。
除鸡蛋、米饭之外,报纸、杂志、一次性相机、干电池、磁带、刮胡刀、袜子、花及宠物食品等各种商品都通过自动售货机进行销售。
连熟知自动售货机的美国游客在日本看到10台自动售货机排成一列的景象后,也是连声称奇。
在日本,70,的罐装饮料是通过自动售货机售出的。
全球著名饮料商可口可乐公司在全世界就布有50万台饮料自动售货机。
在日本全国各地,共设有550万台自动售货机,据1998年的统计,销售额达6兆8969亿4887万日元,为世界第一。
在售货机的显示屏幕上进行操作,输入商品号码和购买数量,并投入钱币后,商品就会从取货口出来,甚至从食品自动售货机上还能买到热呼呼的面条和米饭团。
可口可乐高级执行副总裁望月建树介绍,作为世界上最大的自动售货市场,日本拥有423万台自动售货机,通过自动售货机出售的商品多达6000余种,包括饮料、香烟、杂志、药品甚至牛仔裤等大件商品去年,仅饮料的销售额相当于1593亿元人民币。
韩国大约有78万台自动售货机,是除了日本、美国、英国之外自动售货机使用数量最多的国家。
从不同的种类来看,咖啡茶的自动售货机约占全部售货机的40%以上另外,还有冰饮料自动售货机、听装饮料自动售货机、办公咖啡自动售货机和照片胶粘标签自动售货机、票类自动售货机、手机充电自动售货机、成人用品自动售货机、生活用品自动售货机、烟、方便面自动售货机等多种。
主要的设置场所包括学校、楼房、公共机关、地铁等,公共汽车站、公园、体育场、展示场、工厂等。
运营自动售货机产业的公司在全国大约有800余个,而销售自动售货机原料、商品流通、机械销售的公司大约达到了1150个。
中国国内在1993年时,从日本、韩国等引进自动售货机并投放到中国市场。
1995年第一台国产自动售货机在北京诞生,1999年时国产自动售货机形成规模生产并批量投入市场。
相对于日本和美国等发达国家,中国目前市场上运行的自动售货机的数量还是很少的。
自动售货机在西方发达国家已经发展成为一个相对成熟的零售业态,但是中国还是处于导入期。
至2000年初,中国自动售货机研发、制造和运营的企业有10多家,约占中国自动售货市场份额的80%。
在自动售货机运营商方面,主要是由制造企业的关联或下属企业运营。
据来自中国自动售货机市场行情分析报告表明:
目前中国自动售货机市场走势已逐渐明晰,自动售货机逐步从沿海经济发达地区和各大中城市向内陆和次发达地区延伸,逐步从高级宾馆、地铁、机场等豪华高档场所向高中档社区普及。
有关报道显示,戈德移动商务公司已经在上海地铁一号线、南京东路、人民广场、轻轨沿线、大中学校等地布放了约2000台,在上海地铁二号线布放了30台,并准备于2002年在商业街、旅游景点、车站码头、高档写字楼布放500台。
2000年仅广州市区就摆放各种品牌的自动售货机1500台,而这个数量还不足以满足地铁和公交车站的摆放。
自动售货机这种全新的零售方式已逐渐被国人所接受和信赖。
其实,自动售货机的技术壁垒并不高。
在中国一般的纸币器只能接收5元、10元或者20元人民币不能接收更高面额的纸币。
但这只是一个应用的问题,因为目前中国市场上的自动售货机主要卖一些饮料、小食品。
1.2.2自动售货机的发展前景
现在,自动售货机产业正在走向信息化并进一步实现合理化。
例如实行联机方式,通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中,从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。
并且,为防止地球暖化,自动售货机的开发致力于能源的节省,节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。
在居季电力消费高峰时,这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状况下也能保持低温,与以往的自动售货机相比,它能够节约10,15的电力。
进入21世纪时,自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展。
同时因经济复苏缓慢,社会对扩大就业与工作场所提供茶点饮料的福利事业更为关注。
自动售货机不仅保障了惬意的工休时间,也是最廉价、提高职工工作效率最有效的手段。
特别是在24小时无休工作状态中的办公场所,使用独具魅力的迷你型饮料冲饮机,解决了不间断提供咖啡饮品服务的问题,这种服务加速了自动售货机与咖啡饮品服务的融合。
从自动售货业的发展历程看,其具有快速发展的潜力:
1、自动售货技术的发展促进了自动售货业的成长。
自动售货机作为一种集声、光、机电一体化的高新智能化产品,一般由识别系统、找币系统、传输系统、制冷(恒温)系统组成。
随着防伪识别技术、数码技术、软件技术和制冷技术的发展,自动售货机运行的可靠性大大提高,减少了货物出售和货币识别的误差,有效地维护了运营商和消费者双方的权益。
自动售货机从仅能识别硬币到准确的识别纸币,方便了消费者的购买行为,为自动售货业的发展提供了基础保障。
2、自动售货机的分布密度高,满足了消费者的便利性和即时性需求。
随着人们生活方式向快节奏、高效率变化,时间的价值显著提高,消费者在购物时更加注重便利性、即时性。
随着自动售货机数量的增加,商品包装的定量化和标准化,出售的商品多样化,自动售货的便利性日益显现。
同时,被称为“永不下班的超级营业员”的自动售货机在满足人们的即时性需求方面是其它零售方式不可替代的。
3、满足运营商获取高收益的要求。
零售业各业态日趋激烈的竞争,使得商家不断寻求新的投资机会,而自动售货业态恰好符合投资的风险———收益原则。
由于自动售货机的销售效率高(平均每台自动售货机销售额达到1万美元),运营商规模大(一般拥有10多万台甚至100多万台),加上自动售货机本身具有的节约劳动力与场地等优势,从而降低了经营成本,提高了投资收益。
专家预测,未来几年中国市场上的自动售货机将每年增加5—10万台。
中国沿海比较富裕的地区,将大约有3.5亿人口经常使用自动售货机。
目前按人均台数计算,自动售货机在日本达到每台25人,在美国达到50-60人,在欧洲每台50-120人,而中国的人均拥有量却很低,若按每台500人计算,中国城市人口3.6亿,中国自动售货机的潜在容量为73万台,以每天销售200元计,73万台自动售货机的全年销售额可达500亿。
因此加快发展中国自动售货业,对提高投资效益具有重要的意义。
1.3本次设计意义
PLC的发展与计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关,这些高新技术的发展推动了PLC的发展,而PLC得发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求,促进了他们的发展。
本次设计就在于结合PLC的种种优点联系实际情况来弥补原有系统的不足,利用PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性,保证了自动售货机能够长期稳定的运行。
第2章、自动售货机的硬件设计
2.1结构组成
2.1.1箱体外观
正面上部为商品展示窗和价格标签;中部设投币入口、退币钮和金额显示窗;在价格标签附近设有选择商品的按键,正面下部为退币口和顾客取货口。
面向顾客的机具正面,是完成商品价格介绍、接受授币、显示金额、推出商品和退币整个售出过程的表体部分。
图2-1为一款常见自动售货机的图片。
图2-1常见的一款自动售货机
2.1.2商品显示窗
商品展示窗由透明有机板窗、商品展示架、商品价格标签、选购按钮和照明灯组成,设在前门体内部的可开启样品门,用来更换商品样品和价格标签。
展示窗相当于商店橱窗或者柜台,以清晰明亮的商品展示和明码标价来招揽顾客。
2.1.3商品驱动机构
商品的包装多种多样,主要有箱、盒、罐、袋等。
它们的提取机构也各种各样。
商品在送出时可以采用“螺旋移动”等动作移到取货口。
2.1.4商品贮存部分
由于商品的驱动机构是双螺旋体出货机构,由此决定了该自动售货机的商品贮存方式,商品主要是摆放在双螺旋体中,通过双螺旋体的旋转把商品推到出货口。
2.1.5钱币识别系统
钱币识别系统由钱币识别器、识别后的钱币自动分类贮存机构和退币机构3部分组成。
2.1.6PLC控制系统
PLC控制系统是自动售货视在自动销售过程中,收到识币信号后,自动进行累计、外部金额显示、顾客按键后自动推出商品和发出退币找零等信号的电控系统。
同时,该系统还具备预设价格、售出累计、驱动检测和故障自检等功能,是“售货机器人”的“大脑”。
2.2控制原理和要求
在本控制系统中,自动售货机只售3种商品。
自动销售汽水、果汁和咖啡。
自动售货机可识别5角、l元、5元,自动售货机可退币5角、l元、5元。
2.2.1控制原理
首先由顾客按下商品选择开关,然后顾客投入钱币,经钱币识别传感器后将信号送给PLC,由用户编写的PLC程序运行可以识别出钱币的真伪以及币值,并显示投入钱币的数值,并同时与商品的价格比较,当投入的钱币满足某商品的购买价格后,则可以购买该商品的指示灯亮,PLC通过计算还可以显示出消费数值和余额数值,商品驱动机构收到控制信号后即出货电磁阀动作,送出商品,若有余额,则退币电动机动作,可以退出余额数值的相应币值,同时完成内部清零过程。
这样就完成一次商品提货过程。
其控制系统的硬件组成示意图见下图2-2。
图2-2控制系统硬件组成示意图
2.2.2控制要求
该自动售货机可识别三种钱币,分别是1元、2元、5元,采用三个按钮进行模拟,自动售货机共出售四种货物,其价格分别定为1元、3元、4元、6元,当投币数大于等于货物价格时且售货机里有这种货物时,指示灯亮,表示可以进行购买,四种货物分别用四个小灯代替进行模拟。
除此之外,本次设计还涉及了显示、找零、送货等功能的实现,其中显示部分采用数码管进行显示,显示投币总数和购买后的余额;当按下找零按钮后,数码管显示进行清零,采用从高到低递减的形式进行清零,例如:
当余额为17元时,按下
找零按钮后,先找三个五元数码管分别显示12、7、2,然后再找2元,清零。
送货部分采用小车直线运动进行模拟,将四种货物分别送到四个不同的地点,采用四个光电开关分别代表四个不同的送货地点,当按下不同的送货按钮后,小车会以其对应的光电开关为终点做直线往返运动,表示送货。
2.3程序流程图
图2-3程序流程图
2.4I/O地址分配表
表2-1I/O地址分配表
输入单元
PLC地址
输出单元
PLC地址
投币1元
I0.1
A货物显示
Q1.0
投币2元
I0.2
B货物显示
Q1.1
投币5元
I0.3
C货物显示
Q2.0
送货(A货物)
I0.4
D货物显示
Q2.1
送货(B货物)
I0.5
找零出口
Q2.2
送货(C货物)
I0.6
出货口
Q2.3
送货(D货物)
I0.7
电机正转
Q2.6
找零
I0.0
电机反转
Q2.5
数码个位显示
Q0.0—Q0.3
数码十位显示
Q0.4—Q0.7
限位开关S1
I1.0
限位开关S2
I1.1
限位开关S3
I1.2
限位开关S4
I1.3
2.5硬件接线图
图2-5硬件接线图
第3章自动售货机的软件设计
3.1中间辅助继电器分配表
表3-1中间辅助继电器分配表
辅助继电器
功能
辅助继电器
功能
M0.0
送A货
M1.2
电机反转
M0.1
限位开关S1
M1.3
电机正转
M0.2
限位开关S2
M1.4
电机正转
M0.3
送B货
M1.5
电机反转
M0.4
送C货
M1.6
电机正转
M0.5
限位开关S3
M2.0
送货延时
M0.6
送D货
M2.1
送货延时
M0.7
限位开关S4
M2.2
送货延时
M1.0
电机反转
M20.0
找零
M1.1
电机正转
3.2软件设计
开始程序,先进行程序初始化,具体程序如图3-1所示。
图3-1初始化程序
每投入一种钱币就执行一次与MW3里面的数相应的加一次,并在此寄存在MW3中,直到投币结束为止,具体程序如图3-2所示。
图3-2钱币相加程序
显示当前投入的钱币可以购买的货物程序如图3-3所示。
图3-3显示程序
确定购买货物后,进行延时等待再将货物送到出货口处,如图3-4所示。
图3-4送货程序
每当购买某种货物一次,就进行一次这种货物的计数,分别由计数器C1、C2、C3进行计数,具体程序如图3-5所示。
图3-5货物计数程序
购买货物后如有剩余钱币,按下找零按钮I0.0,程序立即会将所投进的总钱数与购买的货物花费的钱数相减,将剩余的钱进行区间比较,最后再将相应的钱数进行I_BCD码的转换,通过传送指令由数码管QB0输出显示,具体程序如图3-6所示。
图3-6显示剩余钱数程序
3.3运行调试
实验证明:
该系统程序设计较全面的实现了自动售货机的实用功能,通过修改PLC控制程序,可在自动售货机上实现多种控制方式、销售方式、销售种类,为自动售货机的科研提供了一个模拟训练平台。
经过系统调试后,系统运行稳定,达到了理想的设计要求。
在整个程序的调试过程中,我遇到了一些问题,最初的设计比较简单,只是将投币,购买的过程考虑进去,而没有将购买之后送货的过程加进设计的方案中,后来在老师的提醒之下,我又将送货的过程采用了小车直线运动进行模拟,将四个光电开关模拟成四种货物的送货地点,分别在按下四个送货按钮之后,将货物送到四种地点,使得整个系统更加完善,功能更加强大。
在数码显示的过程中也遇到了一些问题,数码显示时数据的传输所用到的中间继电器和后来送货时的中间继电器发生了冲突,使得程序运行过程发生了紊乱,后来在同学的帮助下,我明白了问题的关键,将其解决,使数码显示功能顺利实现。
在最后的送货过程中,由于有四个地点,所以要对电机的正反转分别进行控制,最初我是将所有的正转输入都采用了Q2.6进行驱动,所有的反转输入都采用了Q2.5进行驱动,当程序运行时,发现得不到预期的现象,经检查程序没有问题,后来经过考虑和同学的提醒,采用中间继电器进行驱动,现象就出现了,实现了最初预想的送货过程。
在找零阶段,最初只是按下找零按钮后直接将数码显示清零,后来经过思考和老师的提醒,将找零部分又逐步进行了完善,将找零的过程在数码管上显示了出来先找大面额的钱币,后找小面额的钱币,其内部进行减法运算,使得整个找零的过程清晰可见。
在购买货物的过程中最初忽略了如果货物售完该怎么办,后来经过完善将货物的数量进行了设定,只有当投币金额大于等于所要购买的货物时,且货物数量大于零时才能进行购买,这使得整个过程更加完善。
第4章结论
目前,可编程序控制器、机器人、CAD/CAM已经成为工业生产自动化的三大支柱。
在以PLC为核心的自动售货机控制系统中,当需要增加可选择的商品数量时,该控制系统的硬件只需要增加相应的输入信号,其硬件的原有接线不需要改变,软件则可以根据不同的控制要求进行修改,具有较强的适应性,因此在自动售货机行业中得到广泛的应用。
根据日本、美国等国家的经验,自动售货机将在全球范围内得到更大的普及,其未来的发展趋势主要有如下3点:
(1)自动售货机的机体内部结构已经相当完善,影响其普及的关键因素:
在现有的各种通信网络平台上如何让自动售货机形成一种销售连锁网,为其提供更方便的营销方式和管理机制,能最大限度地降低生产、运营成本。
目前,无论是基于Internet还是基于移动通信网或其他网络平台,其运作的机制都不太成熟,不过这并不影响自动售货机的发展潜力。
因此,自动售货机未来的发展趋势是将其纳入到一个更广阔、更便利的移动商务网络平台。
(2)社会将会更加需要能够合理利用能源的工业产品,因此自动售货机的发展也会向着这个方向发展,节能、环保型的自动售货机将是未来社会所需要的主流产品。
(3)自动售货机的发展目标是为社会和生活带来最大的便利,这就要求不但要具备实现其本身固有的功能,更重要的是要求不会给社会和日常生活带来各种各样的负面影响。
在此次毕业设计完成的过程中,本人对货币的币值与真伪识别也进行了认真的研究,决定采用“图纹重合比较法”来进行。
但由于一些必要的条件不具备,故而未能具体实施。
今后待条件具备后继续完成。
通过本次毕业课程设计使得我对PLC的操作更加的熟练,同时掌握了自动售货机的基本工作原理,对自动售货机的发展也有了一定的了解更加充分的体会到了PLC在实际生活中的重要应用与在当今控制领域的重要地位。
致谢
在这次做毕业设计过程中,我对S7—200系列的PLC有了更进一步的了解,同时对PLC的高效性和实用性有了更进一步的认识,在整个课程设计过程中,在遇到问题的时候,我学会了如何借助外界的帮助和自身的努力来解决实际问题,懂得如何进行独立思考,如何冷静的面对要解决的问题,这些都是今后学习生活的宝贵经验,在以后的各个方面都有着至关重要的作用。
同时,也要向我的指导老师王恺老师及帮助过我的各位同学表示感谢!
特别是王恺老师能再百忙之中不厌其烦的细心指导,使得我能够顺利完成这次的毕业设计,为我三年的大学生活画上一个完美的句号!
参考资料
[1]王国海.《可编程序控制器及其
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