基于PLC的自動售貨機控制系統(tǒng)設計

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基于PLC的自動售貨機控制 系統(tǒng)設計 作者姓名： 專業(yè)名稱： 指導教師： 基于PLC的自動售貨機控制系統(tǒng)設計 摘要 本論文設計的是基于西門子S7-200 系列PLC構成的自動售貨機控制系統(tǒng)，本文闡述了自動售貨機的來源與發(fā)展，以及它在國內(nèi)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構成的自動售貨機控制系統(tǒng)整體設計過程進行較為細致的論述。 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)定運行。 關鍵詞 ： PLC 順序功能圖 梯形圖 I/O點的分配 - I - 基于PLC的自動售貨機的控制系統(tǒng)設計 Abstract This paper is based on the design of Siemens s7-200 PLC constitute the vending machine monitoring system, this paper expounds the vending machine, and its source and development in the domestic and foreign development present situation, the scheme of vending machines are discussed, introduces the basic composition, characteristics of PLC based on and working principle, Siemens s7-200 PLC vending machine system composed of overall design process for more detailed discussion. This paper introduced in detail the vending machines, hardware composition, and completed PLC external hookup. Write in PLC ladder diagram, the paper USES is when Siemens PLC ladder-diagram special compiled STEP7 to write software. Introduces the basic principle of vending machines and work process, and then to a transaction process, for example, trade process is divided into several programs pieces and then to block respectively for programming. Specifying the programmable controller in the vending machine in the role. Program involves a vending machine work most of the process. Use of PLC controlled vending machines, improve the stability of the system, ensure the vending machine can have a long-term and stable operation. Keywords: PLC,Order functional diagram, Ladder diagram, I/O point distribution  目錄 摘要 I Abstract II 目錄 III 前言 - 1 - 1設計方案 - 3 - 1.1方案論證 - 3 - 1.1.1方案一 繼電器控制 - 3 - 1.1.2.方案二 單片機控制 - 3 - 1.1.3.方案三 可編程控制器控制 - 3 - 1.2方案比較 - 4 - 1.2.1PLC與繼電器控制系統(tǒng)的區(qū)別 - 4 - 1.2.2PLC與單片機控制系統(tǒng)的區(qū)別 - 5 - 1.3方案選擇 - 6 - 2可編程控制器PLC - 7 - 2.1 PLC的簡單介紹 - 7 - 2.1.1 PLC的定義 - 9 - 2.1.2 PLC的工作原理 - 10 - 2.1.3 PLC的循環(huán)掃描 - 10 - 2.1.4 PLC的硬件組成 - 12 - 2.1.5 PLC各部分的作用 - 12 - 2.1.6 PLC的編程語言 - 13 - 2.1.7 PLC的特點 - 14 - 2.2 小結 - 15 - 3自動售貨機的設計過程 - 16 - 3.1 自動售貨機設計的主要內(nèi)容 - 16 - 3.2自動售貨機設計軟元件 - 16 - 3.2.1 定時器 - 16 - 3.2.2 數(shù)學運算指令 - 17 - 3.3 自動售貨機的基本功能 - 18 - 3.4 自動售貨機I/O點的分配 - 19 - 3.5 順序功能圖（SFC） - 21 - 3.6 梯形圖（LAD） - 23 - 3.7 自動售貨機設計的梯形圖（LAD） - 24 - 3.8 自動售貨機說明書 32 4自動售貨機的控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 33 4.1自動售貨機的外部接線圖 33 總結 34 致謝 35 參考文獻 36 - IV - 基于PLC的自動售貨機的控制系統(tǒng)設計 前言 自動售貨機是可完成無人自動售貨,集光、 機、電一體化的商業(yè)自動化設備。自動售貨機不受任何場地限制,方便快捷,可以每天24h售貨,因此深受上班族的歡迎。很多城市的公共場所里面都放置有自動售貨機。出售的商品五花八門,從飲料、零食、香煙、糖果、牙刷、方便面、自動照相機。近年來,我國的自動售貨機行業(yè)突飛猛進:在汽車總站、商廈、醫(yī)院、小區(qū)、學校等地區(qū)都能找到自動售貨機的蹤跡。這種方便快捷的購物方式越來越受到人們的青睞,同時也是現(xiàn)代化城市配套設施的需求。傳統(tǒng)的自動售貨機控制系統(tǒng)采用單片機作為控制核心,這樣不僅會在輸入輸出接口上做大量的工作,而且系統(tǒng)的抗干擾性也比較差?？删幊绦蚩刂破?PLC)是綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術而發(fā)展起來的一種新型的工業(yè)控制裝置,它具有可靠性高、編程簡單、維護方便等優(yōu)點,已在工業(yè)控制領域得到廣泛地應用。因為自動售貨機作為社會上完成商品零售和綜合服務的獨立設施,要求它的結構必須可靠、穩(wěn)定和執(zhí)行效率高。本論文就詳細地介紹一種用PLC實現(xiàn)的自動售貨機控制系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計。 1.自動售貨機的應用與研究現(xiàn)狀 自上世紀70年代以來,自動售貨機在國際上迅速發(fā)展起來而成為一個新興的產(chǎn)業(yè),特別是在服務和商業(yè)領域日益發(fā)展。隨著自動售貨機的普及,也逐漸被應用于其他的領域。 隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展、行業(yè)運作的變革和入世的到來，自動售貨機在中國的普及和應用是必然趨勢?？v觀近年來國內(nèi)自動售貨機市場，從92年開始從日、韓等國引進舊機器擺放國內(nèi)市場以來，到自行研制和生產(chǎn)國產(chǎn)化自動售貨機，各廠家、商家蹣跚起步、艱難守業(yè)，已為國內(nèi)零售業(yè)撐起一片蔚藍的晴空。據(jù)來自國內(nèi)自動售貨機市場行情分析報告表明：目前國內(nèi)自動售貨機市場走勢已逐漸明晰，自動售貨機逐步從沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)和各大中城市向內(nèi)陸和次發(fā)達地區(qū)延伸，逐步從高級賓館、地鐵、機場等豪華高檔場所向高中檔社區(qū)普及，大有星火燎原之勢。 自動售貨機的普及在某種程度上能反映一個國家的科技發(fā)展水平，是一個國家文明程度的象征。實踐和直覺告訴我們，自助服務在中國的橫空出世，必將為國內(nèi)的電信、公用事業(yè)、食品、香煙、飲料等諸多行業(yè)發(fā)展帶來新的契機，中國的現(xiàn)代文明又將自助服務設備的應用和普及開啟一個新的里程碑！ 2.課題研究背景 從西歐、北美、日本和韓國等地區(qū)和國家的情況來看,自動售貨機在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪菰絹碓街匾慕巧?。其產(chǎn)品特點是科技含量高，24小時服務,售貨便利，無需專人盯守，省人工,省成本，售貨范圍廣泛；此外還是一種新穎獨特的廣告媒體。目前，隨著移動商務的發(fā)展，自動售貨機作為一種方便、直觀的移動商務工具，開始在全球各地迅速普及和發(fā)展。 在中國,自動售貨機將成為一個潛在的巨大產(chǎn)業(yè),繼百貨商店、超市之后掀起第三次零售業(yè)革命,其前景非常廣闊。售賣的商品可根據(jù)擺放場所的需要量身定制,包括冷熱飲料、零食、電話卡及國外進口的特色商品等。并且,透過這種智能售貨系統(tǒng),存貨、銷售、物流信息可以準確、及時地反饋給客戶和管理人員。此外,還支持多種交易支付模式,同時方便實現(xiàn)較大金額的支付和交易結算。自動售貨機除了更方便售賣貨品之外,還被視為一種傳播廣泛的廣告媒介。 它一改往日客戶與商家(或服務方)面對面交流或交易的方式，讓客戶更多地參與交易或交流中來，增強了交互性和自主性。一方面它為客戶帶來了極大的便利，延拓了服務的空間和時間，使服務具有查詢，提高了社會公眾服務的質(zhì)量和形象，有利于社會精神文明建設。 在自助服務中，自動售貨機成為了必不可少的主體設備了無處不在、無時不在的新特征；一方面它也為商家?guī)砹私?jīng)營方式的變革，為他們的商業(yè)經(jīng)營節(jié)省了大量的人力、物力和財力，并提高了操作的準確性和全天候性，使商業(yè)運作的信息化、電子化、網(wǎng)絡化成為可能；另一方面，在公眾社會服務方面，自助式信息。  1設計方案 自動售貨機設計中，從控制角度來說可采用繼電器控制、單片機控制和可編程控制器控制。 。 1.1方案論證 1.1.1方案一 繼電器控制 它的控制思想是以繼電器為核心，采用硬接線方式把各種繼電器、定時器、接觸器及其觸點按照一定邏輯關系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制相關生產(chǎn)機械工作。例如要通過接觸器實現(xiàn)兩臺電機設備的同步運行,采用繼電器控制。 由圖可知它的三條支路是并行工作的，當按下按鈕SF1，中間繼電器KF得電，KF的兩個觸點閉合，接觸器QA1、QA2同時得電并產(chǎn)生動作，所以其控制邏輯關系為由繼電器、接觸器硬接線（硬件）方式。 1.1.2.方案二 單片機控制 它的控制系統(tǒng)是基于芯片級的系統(tǒng)，設計開發(fā)一個單片機系統(tǒng)，需要先設計硬件系統(tǒng)，畫硬件電路圖，制作印刷電路板，購置各種所需的電子元器件，焊接電路板，進行硬件調(diào)試，進行抗干擾設計和測試的大量工作；需要使用專門的開發(fā)裝置和低級編程語言編制控制程序，進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。 1.1.3.方案三 可編程控制器控制 它的控制思想是采用可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程。PLC是一種工業(yè)控制計算機，故它的工作原理是建立在計算機工作原理基礎之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。 由圖可知CPU是以分時操作方式來處理各項任務的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按順序依次完成相應各電器的動作，其控制邏輯關系為由內(nèi)部存儲邏輯（軟件）方式。 1.2方案比較 1.2.1PLC與繼電器控制系統(tǒng)的區(qū)別 繼電器控制系統(tǒng)雖有較好的抗干擾能力，但使用了大量的機械觸點，使設備連線復雜，且觸點在開閉時易受電弧的損害，壽命短，系統(tǒng)可靠性差。 PLC的梯形圖與傳統(tǒng)的電氣原理圖非常相似，主要原因是PLC梯形圖大致上沿用了繼電器控制的電路元件符號和術語，同時，信號的輸入/輸出形式及控制功能基本上也是相同的；但PLC的控制與繼電器的控制又有根本的不同之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1.控制邏輯 繼電器控制邏輯采用硬件接線邏輯，利用繼電器機械觸點的穿了或并聯(lián)，及時間繼電器等組合成控制邏輯，其接線多而復雜、體積大、功耗大、故障率高，一旦系統(tǒng)構成后，想再改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點數(shù)目有限，每個只有4 – 8對觸點，因此靈活性和擴展性很差。而PLC采用存儲器邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，故稱做“軟接線”，因此靈活性和擴展性都很好。 2.工作方式 電源接通時，繼電器控制線路中各繼電器同時都處于受控狀態(tài)，即該吸合的都應吸合，不該吸合的都因受某種條件限制不能吸合，它屬于并行工作方式。而PLC的控制邏輯中，各內(nèi)部器件都處于周期性循環(huán)掃描過程中，各種邏輯、數(shù)值輸出的結果都是按照在程序中的前后順序計算的出，所以它屬于串行工作方式。 3.可靠性和可維護性 繼電器控制邏輯使用了大量的機械觸點，連線也多。觸點開閉時會受到電弧的損壞，并有機械磨損，壽命短，因此可靠性和課維護性差。而PLC采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，體積小、壽命長、可靠性高。PLC還配有自檢和監(jiān)督功能，能檢查出自身的故障，并隨時顯示給操作人員；還能動態(tài)地監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調(diào)試和維護提供了方便。 4.控制速度 繼電器控制邏輯依靠觸點的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率低，觸點的開閉動作一般在幾十毫秒數(shù)量級。另外，機械觸點還會出現(xiàn)抖動問題；而PLC是由程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制，屬于無觸點控制，速度極快，一般一條用戶指令的執(zhí)行時間在微妙數(shù)量級，且不會出現(xiàn)抖動。 5.定時控制 繼電器控制邏輯利用時間繼電器進行時間控制。一般來說，時間繼電器存在定時精度不高，定時范圍窄，且易受環(huán)境濕度和溫度變化的影響，調(diào)整時間困難等問題。PLC使用半導體集成電路做定時器，時基脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度相當高，且定時時間不受環(huán)境的影響，定時范圍最小可為0.001S，最長幾乎沒有限制，用戶可根據(jù)需要在程序中設置定時值，然后由軟件來控制定時時間。 6.設計和施工 使用繼電器控制邏輯完成一項控制工程，其設計、施工、調(diào)試必須依次進行，周期長，而且修改困難。工程越大，這一點就越突出。而用PLC完成一項控制工程，在系統(tǒng)設計完成以后，現(xiàn)場施工和控制邏輯的設計可以同時進行，周期短，且調(diào)試和修改都很方便。 1.2.2PLC與單片機控制系統(tǒng)的區(qū)別 PLC控制系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)在很多方面有較大區(qū)別，是兩個完全不同的概念。 1.可靠性 單片機控制抗干擾能力較低，從理論所要求的I/O總數(shù)來看，不論是MCS51系列還是MCS96系列單片機，都必須進行大規(guī)模的擴展，這樣系統(tǒng)電路更加復雜，進一步降低了系統(tǒng)的可靠性。而PLC應用于工業(yè)理論控制，PLC的可靠性得到了工控業(yè)界的認可。 2.開發(fā)成本 單片機本身售價雖不高，但要購入單片機開發(fā)裝置（如仿真器、燒錄器、電源）和還要模擬制板等，都要不少的費用。加上開發(fā)周期中所投入的人力物力，其價錢就遠遠地超過用PLC開發(fā)的費用。另外，由于設備是專用特殊設備，其控制系統(tǒng)專用性強，通用性較差，為其投入過多的開發(fā)費用不劃算。而用PLC進行的設備開發(fā)和控制費用都遠遠低于采用單片機的費用，其系統(tǒng)可大可小，小到幾點，大到數(shù)千點，甚至上萬點，很好解決工業(yè)控制過程。 3.開發(fā)周期 從電路設計、模擬制板、編程、仿真、調(diào)試等經(jīng)歷非常長的周期，設計中往往要花大部分的時間在硬件設計和編程調(diào)試處理上，而對最為重要的工藝工程往往沒有更多的時間考慮。而用PLC進行設備控制，不會花太多精力在硬件處理上，采用積木式結構很快可以形成系統(tǒng)電路。大部分精力集中在工藝的了解和程序編寫上，有利于設備的快速開發(fā)，程序的編輯修改、調(diào)試都可隨時進行，縮短了開發(fā)時間。 4.修改和維護 利用單片機開發(fā)的設備往往是專用的特殊設備，在市場往往不能找到替代的配件，所以不便于維護。而隨微電子控制技術，PLC的處理能力也越來越強，其通信能力，運算處理、容量（I/O容量和程序容量）等都有充足的發(fā)展。 1.3方案選擇 根據(jù)以上比較可知，PLC在性能上比繼電器控制和單片機控制邏輯優(yōu)異，特別是可靠性高、通用性強、設計施工周期短、調(diào)試修改方便，而且體積小、功耗低、使用維護方便等優(yōu)點，我們決定選擇方案三，以PLC為控制核心設計了自動售貨機裝置PLC控制系統(tǒng)。  2可編程控制器PLC 2.1 PLC的簡單介紹 20世紀60年代以前， 用以對工業(yè)生產(chǎn)進行自動控制的裝置是繼電器-接觸器控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)存在一些缺陷，如，系統(tǒng)的能耗較多；工藝流程的更新需要大量的人力物力；因系統(tǒng)是通過各種硬件接線的邏輯控制來實現(xiàn)系統(tǒng)的運行，導致機械觸點較多，系統(tǒng)運行的可靠性較差等。到了 60 年代以后，美國汽車制造業(yè)為適應市場需求不斷更新汽車型號，要求及時改變相應的加工生產(chǎn)線。 而汽車生產(chǎn)流水線基本上都是采用傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制，所以整個系統(tǒng)就必須重新設計和配置。汽車生產(chǎn)流水線的更換越來越頻繁，原有的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)就經(jīng)常需要重新設計安裝，這不但造成極大的浪費，而且新系統(tǒng)的接線也非常費時，從而延長了汽車的設計生產(chǎn)周期。在這種情況下，采用傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制就顯出許多不足。 1968 年美國 General Motors(GM)公司首次公開招標，要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器，并提出了著名的 10 項招標指標，即著名的“GM十條”： 1. 編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序。 2. 系統(tǒng)的維護方便，采用插件式結構。 3. 體積小于繼電器控制柜。 4. 可靠性高于繼電器控制柜。 5. 成本較低，在市場上可以與繼電器控制柜競爭。 6. 可將數(shù)據(jù)直接送入計算機。 7. 可直接用交流 115V 輸入(注：美國電網(wǎng)電壓是 110V)。 可編程控制器原理與應用 8. 輸出采用交流 115V，可以直接驅(qū)動電磁閥、交流接觸器等。 9. 通用性強，擴展方便。 10. 程序可以存儲，存儲器容量可以擴展到 4 KB。 如果說電子技術和電器控制技術是可編程邏輯控制器出現(xiàn)的物質(zhì)基礎，“GM 十條”就是可編程邏輯控制器出現(xiàn)的技術要求基礎，也是當今 PLC 的最基本的功能。 1969年美國數(shù)字設備公司(DEC)根據(jù)這10項技術指標的要求研制出了第一臺可編程邏輯控制器——PDP-14，并成功地應用在 GM 公司的生產(chǎn)線上。第一臺 PLC 采用計算機的初級語言編寫應用程序，其 CPU 采用中、小規(guī)模集成電路組成，以邏輯運算為主，它實質(zhì)上是一臺專用的邏輯控制計算機。1971 年，日本引進了這項技術，并開始生產(chǎn)自己的 PLC。 1973 年，歐洲一些國家也生產(chǎn)出自己的 PLC。1974 年，我國開始了 PLC 技術的研究，并在 1977 年研制出第一臺具有實用價值的 PLC。在這一時期，PLC 主要是用于順序控制。隨著半導體技術，尤其是微型計算機技術的發(fā)展，到了 20 世紀 70 年代中期以后，PLC 廣泛采用微處理器作為中央處理器，并且在外圍的輸入/輸出(I/O)電路中逐漸使用了大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路，這時的 PLC 已經(jīng)不僅僅具有邏輯判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID 調(diào)節(jié)和通信聯(lián)網(wǎng)功能。雖然美國電氣制造商協(xié)會(NEMA)將其正式命名為可編程控制器(Programmeble Controuer，PC)，但由于近年來 PC 又可表示為個人計算機(Personal Computer)，為了加以區(qū)別，人們常把可編程控制器稱為 PLC。 1987 年國際電工委員會(IEC)頒布的可編程控制器標準草案中對 PLC 作了如下的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關外圍設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計”。 PLC發(fā)展至今大體經(jīng)歷了 3個主要階段： 1.從 20 世紀 60 年代 PLC 產(chǎn)生到 70 年代，占支配地位的 PLC 技術是處在序列發(fā)生器狀態(tài)機(sequencer state machines)和基于 CPU 的位片(bit-slice)技術之間。AMD 2902和2903 在施奈德公司的 Modicon 和 Rockwel(公司的)A-B PLC 中非常流行。傳統(tǒng)的微處理器主要用于小型的 PLC， 但缺乏快速處理的能力。 PLC 的主要功能基本局限在邏輯控制階段,各個生產(chǎn)公司都是以單機為主發(fā)展硬件技術，為各類繼電器—接觸器控制系統(tǒng)設計開發(fā)各 種基本型號和具有基本邏輯控制功能的 PLC。 2. 1973 年，PLC 具有了通信能力，PLC 之間可以進行相互對話，使得它們可以遠離工業(yè)控制現(xiàn)場。PLC 之間也可以發(fā)送和接收各種電平，從而進入模擬控制的世界。但由于缺乏統(tǒng)一的標準，使得協(xié)議和物理網(wǎng)絡均無法兼容，在某種程度上影響了 PLC 的通信聯(lián)網(wǎng)能力。到了 80 年代末期，隨著工業(yè)電器自動化程度的不斷提高，在開發(fā)研制 PLC 單機功能的同時，還著重加強了軟件技術的開發(fā)，提高 PLC 的聯(lián)網(wǎng)和通信功能，并且許多公司還加強了特殊功能模塊的研制。 3.20 世紀 90 年代以來，由于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術的迅速發(fā)展，同時為了適應計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)和現(xiàn)代網(wǎng)絡技術，PLC 由單 CPU 轉向多 CPU，16 位和 32位微處理器被大量應用于PLC中，使其運算速度、通信聯(lián)網(wǎng)、圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能都大大增強。同時隨著通信聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，新通信協(xié)議不斷產(chǎn)生。最新的標準(IEC 1131-3)已經(jīng)盡量將 PLC 編程語言融合為一個國際標準?，F(xiàn)在，我們可以同時使用功能模塊圖(function block diagram)、指令表(instruction list)、梯形圖(ladder diagram)和結構化文本(structured text)等對 PLC 進行編程。在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，PLC 已經(jīng)真正成為具有邏輯控制、過程控制、運動控制、數(shù)據(jù)處理和聯(lián)網(wǎng)通信等功能的多功能控制器。 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(chǎn)PLC的主要廠家有65個，其中最有名氣的廠家在日本、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(chǎn)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。 2.1.1 PLC的定義 PLC 是在繼電器控制技術、計算機技術和現(xiàn)代通信技術的基礎上逐步發(fā)展起來的一項先進的控制技術。在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中 PLC 技術、CAD/CAM 技術和機器人技術并稱為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱。它主要以微處理器為核心，用編寫的程序進行邏輯控制、定時、計數(shù)和算術運算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出(I/O)來控制各種生產(chǎn)過程。 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(nèi)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，控制各種類型的機械或生產(chǎn)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。 2.1.2 PLC的工作原理 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)工作任務管理及應用程序執(zhí)行都是用循環(huán)掃描方式完成的。 讀取輸入 處理通信要求 自診斷檢查 改寫輸出 STOP狀體 讀取輸入 執(zhí)行用戶程序 處理通信要求 自診斷檢查 改寫輸出 RUN狀體 圖2.1 各階段處理任務 2.1.3 PLC的循環(huán)掃描 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。 1. 輸入刷新階段 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。 2. 程序執(zhí)行階段 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(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。 3. 輸出刷新階段 當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路，并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。 圖2.2 PLC的掃描全過程 2.1.4 PLC的硬件組成 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。 圖2.3 PLC硬件結構圖 2.1.5 PLC各部分的作用 1.中央處理器(central processing unit, CPU) CPU是由控制器和運算器組成的。是整個PLC的核心，起著總指揮的作用，是PLC的運算和控制中心。其主要功能： （1） 診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤。 （2） 采集由現(xiàn)場輸人裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入PLC的寄存器中。 （3） 按用戶程序存儲器中存放的先后順序逐條讀取指令，進行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務完成各種運算和操作。 （4） 將存于寄存器中的處理結果送至輸出端。 （5） 響應各種外部設備的工作請求。 2.存儲器 PLC的存儲器分為兩大部分: 一部分是系統(tǒng)程序存儲器。另一部分是用戶存儲器，包括用戶程序存儲區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。 3.輸入輸出接口電路 PLC通過輸人輸出(I/O)接口電路實現(xiàn)與外圍設備的連接。 4.電源 為PLC提供CPU、存儲器、輸人輸出接口等內(nèi)部電路工作需要的電源。 5.編程設備 編程設備是人與PLC聯(lián)系和對話的工具，是PLC重要的外圍設備。用戶可以利用編程設備來輸入、讀出、檢查、修改和調(diào)試用戶程序，也可用它監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)、顯示錯誤代碼或修改系統(tǒng)寄存器的設置參數(shù)等。 6.輸入輸出I/O擴展接口 輸入輸出信號在PLC接線端子上的地址分配是進行PLC控制系統(tǒng)設計的基礎。對軟件來說，I/O地址分配以后才可進行編程；對控制柜及PLC的外圍接線來說，只有I/O地址確定以后。才可以繪制電氣接線圖、裝配圖，讓裝配人員根據(jù)線路圖和安裝圖安裝控制柜。 2.1.6 PLC的編程語言 PLC作為專為工業(yè)控制而開發(fā)的自控裝置，其主要使用者為工廠的廣大電氣技術人員，考慮到他們的傳統(tǒng)習慣以利于使用推廣普及，通常采用梯形圖語言、指令助記符語言、控制系統(tǒng)流程圖語言、布爾代數(shù)語言等。在這些語言中，尤以梯形圖、指令助記符語言最為常用。 1.梯形圖語言 PLC的梯形圖在形式上沿襲了傳統(tǒng)的繼電器一接觸器控制圖，是在原繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的繼電器梯形圖基礎上演變而來的一種圖形語言。它將PLC內(nèi)部的各種編程元件(如繼電器的觸點、線圈、定時器、計數(shù)器等)和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號、標號定義，并按邏輯要求及連接規(guī)律組合和排列，從而構成了表示PLC輸人、輸出之間控制關系的圖形。由于它在繼電接觸器的基礎上加進了許多功能強大、使用靈活的指令，并將計算機的特點結合進去，使邏輯關系清晰直觀、編程容易、可讀性強，所實現(xiàn)的功能大大超過傳統(tǒng)的繼電接觸控制電路，所以很受用戶歡迎。它是目前用得最多的PLC編程語言。 2.指令助記符語言 助記符語言類似于計算機匯編語言，它用一些簡潔易記的文字符號表達PLC的各種指令。對于同一廠家的PLC產(chǎn)品，其助記符語言與梯形圖語言是相互對應的，可互相轉換。助記符語言常用于手持編程器中，因其顯示屏幕小不便輸入和顯示梯形圖。特別是在生產(chǎn)現(xiàn)場編制、調(diào)試程序時，經(jīng)常使用手持編程器。而梯形圖語言則多用于計算機編程環(huán)境中。 2.1.7 PLC的特點 1.抗干擾能力強，可靠性好 I/O系統(tǒng)設計有完善的通道保護與信號調(diào)理電路；在結構上對耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。 2.控制系統(tǒng)結構簡單，通用性強 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)。 3.編程方便，易于使用 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。 4.功能完善 在PLC內(nèi)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。 5.設計、施工、調(diào)試、的周期短 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。 6.體積小，維護操作方便 PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。 7.易于實現(xiàn)網(wǎng)絡化 PLC可連成功能很強的網(wǎng)絡系統(tǒng)。 8.可實現(xiàn)三電一體化 PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結（運動控制）這三電集于一體。 2.2 小結 通過本章對PLC的基本概念、基本結構、工作原理、功能及特點的分析，對 自動售貨機采用PLC控制的方案有了更明確的認識和目標，同時確立了方案實施的具體措施。  3自動售貨機的設計過程 3.1 自動售貨機設計的主要內(nèi)容 1.此自動售貨機可以投入五角、一元的硬幣； 2.如果顧客投入硬幣在限定的時間內(nèi)（2分鐘）不按任何按鍵，自動售貨機將退還所投硬幣； 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； 4.當物品對應的指示燈亮綠燈時，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； 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； 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； 7.找零時顧客可選擇退一元的還是五角的 8.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客； 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。(期待完成的內(nèi)容) 3.2自動售貨機設計軟元件 3.2.1 定時器 定時器是PLC中重要的編程元件，是累計時間增量的內(nèi)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。 語句 描述 TON Txxx，PT 接通延時定時器 TOF Txxx，PT 斷開延時定時器 TONR Txxx，PT 保持型接通延時定時器 BITIM OUT 起動間隔定時器 CITIM IN,OUT 計算間隔定時器 表3.1 定時器指令 3.2.2 數(shù)學運算指令 在梯形圖中，整數(shù)、雙整數(shù)與浮點數(shù)的加、減、乘、除指令（見表2.2）分別執(zhí)行下列運算：IN1+IN2=OUT，IN1—IN2=OUT，IN1*IN2=OUT，IN1/IN2=OUT。 表3.2 加減乘除指令 梯形圖 語句表 描述 梯形圖 語句表 描述 ADD_I +I INT1,OUT 整數(shù)加法 DIV_DI /D INT1,OUT 雙整數(shù)除法 SUB_I -I INT1,OUT 整數(shù)減法 ADD_R +R INT1,OUT 實數(shù)加法 MUL_I *I INT1,OUT 整數(shù)乘法 SUB_R -R INT1,OUT 實數(shù)減法 DIV_I /I INT1,OUT 整數(shù)除法 MUL_R *R INT1,OUT 實數(shù)乘法 ADD_DI +D INT1,OUT 雙整數(shù)加法 DIV_R /R INT1,OUT 實數(shù)除法 SUB_DI -D INT1,OUT 雙整數(shù)減法 MUL MUL INT1,OUT 整數(shù)乘法 產(chǎn)生雙整數(shù) MUL_DI *D INT1,OUT 雙整數(shù)乘法 DIV DIV INT1,OUT 帶余數(shù)的 整數(shù)除法 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： IN1+ OUT =OUT，OUT—IN1=OUT，IN1* OUT =OUT，OUT /IN2=OUT。 3.3 自動售貨機的基本功能 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。 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(nèi)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。 圖3.1 自動售貨機工作流程 3.4 自動售貨機I/O點的分配 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(chǎn)現(xiàn)場之間的連接部件。 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。 表3.3 自動售貨機I/O點的分配表 序號 定義點 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 13 I3.2 SB13 食品一元行程開關 14 I3.3 SB14 飲料一元行程開關 15 I3.4 SB15 飲料二元行程開關 16 I3.5 SB16 日用二元行程開關 17 I3.6 SB17 日用三元行程開關 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) 序號 定義點 符號 功能 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 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 Q2.5 日用三元綠燈（可以購買） 3.5 順序功能圖（SFC） 1. 什么是順序功能圖（SFC） 順序功能圖是一種位于其他編程語言之上的圖形語言，使用它可以對具有并發(fā)、選擇等復雜結構的系統(tǒng)進行編程。順序功能圖提供了一種組織程序的圖形方法，在順序功能圖中允許和別的語言編程的程序嵌套。順序功能圖由步、轉換和動作三種主要元件組成，如圖3.2所示。可以用順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。 轉換1 步1 步2 步3 動作1 動作2 轉換2 圖3.2 順序功能圖 2. 所選擇的順序功能圖（SFC） 由于順序功能圖（SFC）有五種基本結構：順序結構、選擇性分支結構、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。 本次自動售貨機的SFC圖如下圖3.3所示： 圖3.3 自動售貨機順序功能圖 3.6 梯形圖（LAD） 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。 圖3.4 傳統(tǒng)繼電器控制線路圖和PLC梯形圖 a傳統(tǒng)繼電器控制線路圖 b PLC梯形圖 3.7 自動售貨機設計的梯形圖（LAD） 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。 本次自動售貨機的梯形圖如下所示： - 25 - 3.8 自動售貨機說明書 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T43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。 圖3.5 自動售貨機模擬操作面板 本設計統(tǒng)一采用按鈕開關模擬物品選擇，按鈕內(nèi)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。 4自動售貨機的控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 4.1自動售貨機的外部接線圖 本次知道售貨機的外部接線圖如圖4.1 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)。 PLC 圖4.1 售貨機的外部接線圖 總結 畢業(yè)論文是大學學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的機會，通過這次比較完整的自動售貨機系統(tǒng)設計，我擺脫了單純的理論知識學習狀態(tài)，和實際設計的結合鍛煉了我的綜合運用所學的專業(yè)基礎知識，解決實際問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設計的目的所在。 雖然畢業(yè)設計內(nèi)容繁多，過程繁瑣但我的收獲卻更加豐富。我都是隨著設計的不斷深入而不斷熟悉并學會應用的。提高是有限的但提高也是全面的，正是這一次設計讓我積累了無數(shù)實際經(jīng)驗，使我的頭腦更好的被知識武裝了起來，也必然會讓我在未來的工作學習中表現(xiàn)出更高的應變能力，更強的溝通力和理解力。  致謝 首先要衷心感謝我的導師雷永鋒老師，感謝他一年多來對我的悉心教導和幫助。在此期間，雷老師傳授給我的學習方法和研究思路都讓我終身受益。雷老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、豐富的實踐經(jīng)驗、敏銳的洞察力以及淵博的學識都給我留下了深刻的印象，也必將對我以后的人生道路產(chǎn)生重大影響。在此謹向雷老師表示深深的謝意。 感謝自動化的所有教師們。我在班上的點滴進步，都歸功于老師們的教誨與幫助。還要感謝他們在本論文的前期準備以及寫作過程中給予我的種種指導。如果沒有諸位師長的幫助，本篇論文的寫作將會更加艱苦和難以完成。 感謝我所有的同學，他們都給我提供了很大的幫助和支持，使我的學習生活充滿了樂趣。他們同我一起度過了一段難忘的求學時光。 衷心感謝我的父母、家人在我漫長的求學生涯中所給予的物質(zhì)及精神上的愛護、支持和鼓勵，他們的愛將是我不斷前進的最大動力。惟有今后努力學習和工作，把獲得的成績獻給我的家人，才能表達我的感激之情。 特別感謝論文答辯委員會的諸位老師能在百忙之中審閱我的論文，并出席論文答辯會。 最后，敬請各位專家、老師和同學對論文和今后的研究工作提出寶貴的指導意見和建議。  參考文獻 [1] 路林吉,王堅.可編程控制器原理及應用[M]. 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