基于PLC的自动售货机控制系统设计

基于PLC的自动售货机控制系统设计作者姓名：专业名称：指导教师：基于PLC的自动售货机控制系统设计摘要本论文设计的是基于西门子S7-200 系列PLC构成的自动售货机控制系统，本文阐述了自动售货机的来源与发展，以及它在国内外发展的现状，对自动售货机的方案进行了论证，介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理，对基于西门子S7-200 系列PLC构成的自动售货机控制系统整体设计过程进行较为细致的论述。文中详尽地介绍了自动售货机的各硬件组成，并完成了PLC外部接线图。在PLC梯形图的编写时，文中采用的是西门子PLC梯形图专用编译软件STEP7来进行编写。介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，然后以一次交易过程为例，把交易过程分为几个程序块，然后分别对程序块进行编程。具体说明了可编程序控制器在自动售货机中的作用。程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。利用PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性，保证自动售货机能够长期稳定运行。关键词 ： PLC 顺序功能图 梯形图 I/O点的分配- I -基于PLC的自动售货机的控制系统设计AbstractThis 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 目录摘要IAbstractII目录III前言- 1 -1设计方案- 3 -1.1方案论证- 3 -1.1.1方案一 继电器控制- 3 -1.1.2.方案二 单片机控制- 3 -1.1.3.方案三 可编程控制器控制- 3 -1.2方案比较- 4 -1.2.1PLC与继电器控制系统的区别- 4 -1.2.2PLC与单片机控制系统的区别- 5 -1.3方案选择- 6 -2可编程控制器PLC- 7 -2.1 PLC的简单介绍- 7 -2.1.1 PLC的定义- 9 -2.1.2 PLC的工作原理- 10 -2.1.3 PLC的循环扫描- 10 -2.1.4 PLC的硬件组成- 12 -2.1.5 PLC各部分的作用- 12 -2.1.6 PLC的编程语言- 13 -2.1.7 PLC的特点- 14 -2.2 小结- 15 -3自动售货机的设计过程- 16 -3.1 自动售货机设计的主要内容- 16 -3.2自动售货机设计软元件- 16 -3.2.1 定时器- 16 -3.2.2 数学运算指令- 17 -3.3 自动售货机的基本功能- 18 -3.4 自动售货机I/O点的分配- 19 -3.5 顺序功能图（SFC）- 21 -3.6 梯形图（LAD）- 23 -3.7 自动售货机设计的梯形图（LAD）- 24 -3.8 自动售货机说明书324自动售货机的控制系统的实现334.1自动售货机的外部接线图33总结34致谢35参考文献36- IV -基于PLC的自动售货机的控制系统设计前言自动售货机是可完成无人自动售货,集光、 机、电一体化的商业自动化设备。自动售货机不受任何场地限制,方便快捷,可以每天24h售货,因此深受上班族的欢迎。很多城市的公共场所里面都放置有自动售货机。出售的商品五花八门,从饮料、零食、香烟、糖果、牙刷、方便面、自动照相机。近年来,我国的自动售货机行业突飞猛进:在汽车总站、商厦、医院、小区、学校等地区都能找到自动售货机的踪迹。这种方便快捷的购物方式越来越受到人们的青睐,同时也是现代化城市配套设施的需求。传统的自动售货机控制系统采用单片机作为控制核心,这样不仅会在输入输出接口上做大量的工作,而且系统的抗干扰性也比较差。可编程序控制器(PLC)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、维护方便等优点,已在工业控制领域得到广泛地应用。因为自动售货机作为社会上完成商品零售和综合服务的独立设施,要求它的结构必须可靠、稳定和执行效率高。本论文就详细地介绍一种用PLC实现的自动售货机控制系统的硬件设计和软件设计。1.自动售货机的应用与研究现状自上世纪70年代以来,自动售货机在国际上迅速发展起来而成为一个新兴的产业,特别是在服务和商业领域日益发展。随着自动售货机的普及,也逐渐被应用于其他的领域。随着中国经济的发展、行业运作的变革和入世的到来，自动售货机在中国的普及和应用是必然趋势。纵观近年来国内自动售货机市场，从92年开始从日、韩等国引进旧机器摆放国内市场以来，到自行研制和生产国产化自动售货机，各厂家、商家蹒跚起步、艰难守业，已为国内零售业撑起一片蔚蓝的晴空。据来自国内自动售货机市场行情分析报告表明：目前国内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，大有星火燎原之势。自动售货机的普及在某种程度上能反映一个国家的科技发展水平，是一个国家文明程度的象征。实践和直觉告诉我们，自助服务在中国的横空出世，必将为国内的电信、公用事业、食品、香烟、饮料等诸多行业发展带来新的契机，中国的现代文明又将自助服务设备的应用和普及开启一个新的里程碑！2.课题研究背景从西欧、北美、日本和韩国等地区和国家的情况来看,自动售货机在人们日常生活中扮演越来越重要的角色。其产品特点是科技含量高，24小时服务,售货便利，无需专人盯守，省人工,省成本，售货范围广泛；此外还是一种新颖独特的广告媒体。目前，随着移动商务的发展，自动售货机作为一种方便、直观的移动商务工具，开始在全球各地迅速普及和发展。在中国,自动售货机将成为一个潜在的巨大产业,继百货商店、超市之后掀起第三次零售业革命,其前景非常广阔。售卖的商品可根据摆放场所的需要量身定制,包括冷热饮料、零食、电话卡及国外进口的特色商品等。并且,透过这种智能售货系统,存货、销售、物流信息可以准确、及时地反馈给客户和管理人员。此外,还支持多种交易支付模式,同时方便实现较大金额的支付和交易结算。自动售货机除了更方便售卖货品之外,还被视为一种传播广泛的广告媒介。它一改往日客户与商家(或服务方)面对面交流或交易的方式，让客户更多地参与交易或交流中来，增强了交互性和自主性。一方面它为客户带来了极大的便利，延拓了服务的空间和时间，使服务具有查询，提高了社会公众服务的质量和形象，有利于社会精神文明建设。在自助服务中，自动售货机成为了必不可少的主体设备了无处不在、无时不在的新特征；一方面它也为商家带来了经营方式的变革，为他们的商业经营节省了大量的人力、物力和财力，并提高了操作的准确性和全天候性，使商业运作的信息化、电子化、网络化成为可能；另一方面，在公众社会服务方面，自助式信息。1设计方案自动售货机设计中，从控制角度来说可采用继电器控制、单片机控制和可编程控制器控制。1.1方案论证1.1.1方案一 继电器控制它的控制思想是以继电器为核心，采用硬接线方式把各种继电器、定时器、接触器及其触点按照一定逻辑关系连接起来组成控制系统，控制相关生产机械工作。例如要通过接触器实现两台电机设备的同步运行,采用继电器控制。由图可知它的三条支路是并行工作的，当按下按钮SF1，中间继电器KF得电，KF的两个触点闭合，接触器QA1、QA2同时得电并产生动作，所以其控制逻辑关系为由继电器、接触器硬接线（硬件）方式。1.1.2.方案二 单片机控制它的控制系统是基于芯片级的系统，设计开发一个单片机系统，需要先设计硬件系统，画硬件电路图，制作印刷电路板，购置各种所需的电子元器件，焊接电路板，进行硬件调试，进行抗干扰设计和测试的大量工作；需要使用专门的开发装置和低级编程语言编制控制程序，进行系统联调。1.1.3.方案三 可编程控制器控制它的控制思想是采用可编程的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。由图可知CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按顺序依次完成相应各电器的动作，其控制逻辑关系为由内部存储逻辑（软件）方式。1.2方案比较1.2.1PLC与继电器控制系统的区别继电器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。PLC的梯形图与传统的电气原理图非常相似，主要原因是PLC梯形图大致上沿用了继电器控制的电路元件符号和术语，同时，信号的输入/输出形式及控制功能基本上也是相同的；但PLC的控制与继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面：1.控制逻辑继电器控制逻辑采用硬件接线逻辑，利用继电器机械触点的穿了或并联，及时间继电器等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每个只有4 8对触点，因此灵活性和扩展性很差。而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称做“软接线”，因此灵活性和扩展性都很好。2.工作方式电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的前后顺序计算的出，所以它属于串行工作方式。3.可靠性和可维护性继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和课维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。4.控制速度继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题；而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微妙数量级，且不会出现抖动。5.定时控制继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时范围最小可为0.001S，最长几乎没有限制，用户可根据需要在程序中设置定时值，然后由软件来控制定时时间。6.设计和施工 使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。工程越大，这一点就越突出。而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。1.2.2PLC与单片机控制系统的区别PLC控制系统和单片机控制系统在很多方面有较大区别，是两个完全不同的概念。1.可靠性单片机控制抗干扰能力较低，从理论所要求的I/O总数来看，不论是MCS51系列还是MCS96系列单片机，都必须进行大规模的扩展，这样系统电路更加复杂，进一步降低了系统的可靠性。而PLC应用于工业理论控制，PLC的可靠性得到了工控业界的认可。2.开发成本单片机本身售价虽不高，但要购入单片机开发装置（如仿真器、烧录器、电源）和还要模拟制板等，都要不少的费用。加上开发周期中所投入的人力物力，其价钱就远远地超过用PLC开发的费用。另外，由于设备是专用特殊设备，其控制系统专用性强，通用性较差，为其投入过多的开发费用不划算。而用PLC进行的设备开发和控制费用都远远低于采用单片机的费用，其系统可大可小，小到几点，大到数千点，甚至上万点，很好解决工业控制过程。3.开发周期从电路设计、模拟制板、编程、仿真、调试等经历非常长的周期，设计中往往要花大部分的时间在硬件设计和编程调试处理上，而对最为重要的工艺工程往往没有更多的时间考虑。而用PLC进行设备控制，不会花太多精力在硬件处理上，采用积木式结构很快可以形成系统电路。大部分精力集中在工艺的了解和程序编写上，有利于设备的快速开发，程序的编辑修改、调试都可随时进行，缩短了开发时间。4.修改和维护利用单片机开发的设备往往是专用的特殊设备，在市场往往不能找到替代的配件，所以不便于维护。而随微电子控制技术，PLC的处理能力也越来越强，其通信能力，运算处理、容量（I/O容量和程序容量）等都有充足的发展。1.3方案选择根据以上比较可知，PLC在性能上比继电器控制和单片机控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便等优点，我们决定选择方案三，以PLC为控制核心设计了自动售货机装置PLC控制系统。2可编程控制器PLC2.1 PLC的简单介绍20世纪60年代以前， 用以对工业生产进行自动控制的装置是继电器-接触器控制系统。这种系统存在一些缺陷，如，系统的能耗较多；工艺流程的更新需要大量的人力物力；因系统是通过各种硬件接线的逻辑控制来实现系统的运行，导致机械触点较多，系统运行的可靠性较差等。到了 60 年代以后，美国汽车制造业为适应市场需求不断更新汽车型号，要求及时改变相应的加工生产线。 而汽车生产流水线基本上都是采用传统的继电器-接触器控制，所以整个系统就必须重新设计和配置。汽车生产流水线的更换越来越频繁，原有的继电器-接触器控制系统就经常需要重新设计安装，这不但造成极大的浪费，而且新系统的接线也非常费时，从而延长了汽车的设计生产周期。在这种情况下，采用传统的继电器-接触器控制就显出许多不足。 1968 年美国 General Motors(GM)公司首次公开招标，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出了著名的 10 项招标指标，即著名的“GM十条”： 1. 编程简单，可在现场修改程序。 2. 系统的维护方便，采用插件式结构。 3. 体积小于继电器控制柜。 4. 可靠性高于继电器控制柜。 5. 成本较低，在市场上可以与继电器控制柜竞争。6. 可将数据直接送入计算机。 7. 可直接用交流 115V 输入(注：美国电网电压是 110V)。 可编程控制器原理与应用 8. 输出采用交流 115V，可以直接驱动电磁阀、交流接触器等。 9. 通用性强，扩展方便。 10. 程序可以存储，存储器容量可以扩展到 4 KB。 如果说电子技术和电器控制技术是可编程逻辑控制器出现的物质基础，“GM 十条”就是可编程逻辑控制器出现的技术要求基础，也是当今 PLC 的最基本的功能。 1969年美国数字设备公司(DEC)根据这10项技术指标的要求研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP-14，并成功地应用在 GM 公司的生产线上。第一台 PLC 采用计算机的初级语言编写应用程序，其 CPU 采用中、小规模集成电路组成，以逻辑运算为主，它实质上是一台专用的逻辑控制计算机。1971 年，日本引进了这项技术，并开始生产自己的 PLC。1973 年，欧洲一些国家也生产出自己的 PLC。1974 年，我国开始了 PLC 技术的研究，并在 1977 年研制出第一台具有实用价值的 PLC。在这一时期，PLC 主要是用于顺序控制。随着半导体技术，尤其是微型计算机技术的发展，到了 20 世纪 70 年代中期以后，PLC 广泛采用微处理器作为中央处理器，并且在外围的输入/输出(I/O)电路中逐渐使用了大规模和超大规模的集成电路，这时的 PLC 已经不仅仅具有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID 调节和通信联网功能。虽然美国电气制造商协会(NEMA)将其正式命名为可编程控制器(Programmeble Controuer，PC)，但由于近年来 PC 又可表示为个人计算机(Personal Computer)，为了加以区别，人们常把可编程控制器称为 PLC。 1987 年国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对 PLC 作了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。 PLC发展至今大体经历了 3个主要阶段： 1.从 20 世纪 60 年代 PLC 产生到 70 年代，占支配地位的 PLC 技术是处在序列发生器状态机(sequencer state machines)和基于 CPU 的位片(bit-slice)技术之间。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。传统的微处理器主要用于小型的 PLC， 但缺乏快速处理的能力。 PLC 的主要功能基本局限在逻辑控制阶段,各个生产公司都是以单机为主发展硬件技术，为各类继电器接触器控制系统设计开发各种基本型号和具有基本逻辑控制功能的 PLC。 2. 1973 年，PLC 具有了通信能力，PLC 之间可以进行相互对话，使得它们可以远离工业控制现场。PLC 之间也可以发送和接收各种电平，从而进入模拟控制的世界。但由于缺乏统一的标准，使得协议和物理网络均无法兼容，在某种程度上影响了 PLC 的通信联网能力。到了 80 年代末期，随着工业电器自动化程度的不断提高，在开发研制 PLC 单机功能的同时，还着重加强了软件技术的开发，提高 PLC 的联网和通信功能，并且许多公司还加强了特殊功能模块的研制。 3.20 世纪 90 年代以来，由于大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，同时为了适应计算机集成制造系统(CIMS)和现代网络技术，PLC 由单 CPU 转向多 CPU，16 位和 32位微处理器被大量应用于PLC中，使其运算速度、通信联网、图像显示和数据处理功能都大大增强。同时随着通信联网技术的发展，新通信协议不断产生。最新的标准(IEC 1131-3)已经尽量将 PLC 编程语言融合为一个国际标准。现在，我们可以同时使用功能模块图(function block diagram)、指令表(instruction list)、梯形图(ladder diagram)和结构化文本(structured text)等对 PLC 进行编程。在现代工业控制系统中，PLC 已经真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理和联网通信等功能的多功能控制器。PLC是以CPU为核心，综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，是现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。目前，世界上生产PLC的主要厂家有65个，其中最有名气的厂家在日本、美国和德国。日本的几个厂家为三菱、富士。日立、东芝、横河、立石、光洋、夏普等公司。美国的几个厂家为德州食品公司、通用电器公司、歌德公司、数字设备公司等。还有德国的西门子，荷兰的飞利浦，香港的鹰达等公司也是很有名气的。 日本三菱电机公司（MITSUBISHI）于1971年开始研制PLC，目前主要有F1,F2,FX,K,A等十几个系列几十种产品，在我国（主要是华东和华南地区）的工业控制领域具有一定的市场占有率。2.1.1 PLC的定义PLC 是在继电器控制技术、计算机技术和现代通信技术的基础上逐步发展起来的一项先进的控制技术。在现代工业发展中 PLC 技术、CAD/CAM 技术和机器人技术并称为现代工业自动化的三大支柱。它主要以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出(I/O)来控制各种生产过程。 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及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。2.1.2 PLC的工作原理PLC的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。PLC通电后，首先对硬件和软件作一些初始化操作，初始化反复不停地分阶段处理各种不同的任务（见图2.1）。但是PLC也有它自己的特点，PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。读取输入处理通信要求自诊断检查改写输出STOP状体读取输入执行用户程序处理通信要求自诊断检查改写输出RUN状体图2.1 各阶段处理任务2.1.3 PLC的循环扫描对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC的扫描全过程如图2.2所示。1. 输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。2. 程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。3. 输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。图2.2 PLC的扫描全过程2.1.4 PLC的硬件组成PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等几部分组成。其中，CPU是PLC的核心；输入单元/输出单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路；通信接口用于连接编程器、上位计算机等外部设备，其硬件构成图如图2.3。图2.3 PLC硬件结构图2.1.5 PLC各部分的作用1.中央处理器(central processing unit, CPU)CPU是由控制器和运算器组成的。是整个PLC的核心，起着总指挥的作用，是PLC的运算和控制中心。其主要功能：（1） 诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。（2） 采集由现场输人装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。（3） 按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。（4） 将存于寄存器中的处理结果送至输出端。（5） 响应各种外部设备的工作请求。2.存储器PLC的存储器分为两大部分:一部分是系统程序存储器。另一部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。3.输入输出接口电路PLC通过输人输出(I/O)接口电路实现与外围设备的连接。4.电源为PLC提供CPU、存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的电源。 5.编程设备编程设备是人与PLC联系和对话的工具，是PLC重要的外围设备。用户可以利用编程设备来输入、读出、检查、修改和调试用户程序，也可用它监视PLC的工作状态、显示错误代码或修改系统寄存器的设置参数等。6.输入输出I/O扩展接口输入输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对软件来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后。才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。2.1.6 PLC的编程语言PLC作为专为工业控制而开发的自控装置，其主要使用者为工厂的广大电气技术人员，考虑到他们的传统习惯以利于使用推广普及，通常采用梯形图语言、指令助记符语言、控制系统流程图语言、布尔代数语言等。在这些语言中，尤以梯形图、指令助记符语言最为常用。1.梯形图语言PLC的梯形图在形式上沿袭了传统的继电器一接触器控制图，是在原继电器-接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。它将PLC内部的各种编程元件(如继电器的触点、线圈、定时器、计数器等)和各种具有特定功能的命令用专用图形符号、标号定义，并按逻辑要求及连接规律组合和排列，从而构成了表示PLC输人、输出之间控制关系的图形。由于它在继电接触器的基础上加进了许多功能强大、使用灵活的指令，并将计算机的特点结合进去，使逻辑关系清晰直观、编程容易、可读性强，所实现的功能大大超过传统的继电接触控制电路，所以很受用户欢迎。它是目前用得最多的PLC编程语言。2.指令助记符语言助记符语言类似于计算机汇编语言，它用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令。对于同一厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。助记符语言常用于手持编程器中，因其显示屏幕小不便输入和显示梯形图。特别是在生产现场编制、调试程序时，经常使用手持编程器。而梯形图语言则多用于计算机编程环境中。2.1.7 PLC的特点1.抗干扰能力强，可靠性好I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。2.控制系统结构简单，通用性强PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。3.编程方便，易于使用PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。4.功能完善在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。5.设计、施工、调试、的周期短PLC采用模块化积木式结构，故仅需按性能、容量等选用组装，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。6.体积小，维护操作方便PLC体积小，质量轻，便于安装。7.易于实现网络化PLC可连成功能很强的网络系统。8.可实现三电一体化PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体。2.2 小结 通过本章对PLC的基本概念、基本结构、工作原理、功能及特点的分析，对 自动售货机采用PLC控制的方案有了更明确的认识和目标，同时确立了方案实施的具体措施。 3自动售货机的设计过程3.1 自动售货机设计的主要内容1.此自动售货机可以投入五角、一元的硬币；2.如果顾客投入硬币在限定的时间内（2分钟）不按任何按键，自动售货机将退还所投硬币；3.当投入硬币的总值等于或才超过物品价值时，对应的物品指示灯亮绿灯；4.当物品对应的指示灯亮绿灯时，按下按下相应的按键，相应的物品排出，同时指示灯绿灯闪烁；5.如果顾客投入硬币总值超过所选物品的价值时，自动售货机会自动将余款退还顾客；6.当顾客成功购买完一件物品后20秒无操作，自动售货机会自动将余款退还顾客；7.找零时顾客可选择退一元的还是五角的8.如果顾客投入硬币后又不想买物品，按下退款按键，自动售货机会自动将余款退还顾客；9.当物品不足时，对应的物品指示灯亮红灯，顾客按下相应的按键无反应（不出物品，不减余额），并向总部发送所缺物品。(期待完成的内容)3.2自动售货机设计软元件3.2.1 定时器定时器是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。定时器的工作过程与继电器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触点，失电时，常闭触点闭合，常开触点打开；定时器得电时，常闭触点打开，常开触点闭合。定时器的当前值、设定值均为10位有符号整数（INT），允许的最大值为32767。定时器指令表见表3.1。语句描述TON Txxx，PT接通延时定时器TOF Txxx，PT断开延时定时器TONR Txxx，PT保持型接通延时定时器BITIM OUT起动间隔定时器CITIM IN,OUT计算间隔定时器表3.1 定时器指令3.2.2 数学运算指令在梯形图中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令（见表2.2）分别执行下列运算：IN1+IN2=OUT，IN1IN2=OUT，IN1*IN2=OUT，IN1/IN2=OUT。表3.2 加减乘除指令梯形图语句表描述梯形图语句表描述ADD_I+I INT1,OUT整数加法DIV_DI/D INT1,OUT双整数除法SUB_I-I INT1,OUT整数减法ADD_R+R INT1,OUT实数加法MUL_I*I INT1,OUT整数乘法SUB_R-R INT1,OUT实数减法DIV_I/I INT1,OUT整数除法MUL_R*R INT1,OUT实数乘法ADD_DI+D INT1,OUT双整数加法DIV_R/R INT1,OUT实数除法SUB_DI-D INT1,OUT双整数减法MULMUL INT1,OUT整数乘法产生双整数MUL_DI*D INT1,OUT双整数乘法DIVDIV INT1,OUT带余数的整数除法在语句表中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令分别执行下列运算：IN1+ OUT =OUT，OUTIN1=OUT，IN1* OUT =OUT，OUT /IN2=OUT。3.3 自动售货机的基本功能自动售货机的各种动作功能和控制要求，给出了完整的自动售货机操作规程（如图3.1），并介绍了自动售货机运行系统中所包括的人工操作步骤。在实际生活中，我们见到的售货机可以销售一些简单的日用品，如饮料、常用药品和小的生活保健用品等。售货机的基本功能就是对投入的货币进行运算，并根据货币数值判断是否能够购买某种商品，并作出相应的反应。例如：售货机中有2种商品，A商品价格为0.5元，B商品为1元。现投入1个1元硬币，当投入的货币超过A商品的价格时，A商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，B商品也提示。当按下选择A商品的价格时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去A商品的价格同时启动相应的电机，提取A号商品到出货口。此时售货机继续进行等待外部命令，如继续交易，则同上，如果此时不再购买而按下退币按钮，售货机则要进行退币操作，退回相应的货币，并在程序中清零，完成此次交易。由此看来，售货机一次交易要涉及加法运算、减法运算以及在退币时的除法运算，这是它的内部功能。还要有货币识别系统和货币的传动来实现完整的售货、退币功能。图3.1 自动售货机工作流程3.4 自动售货机I/O点的分配输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。 PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。本次智能抢答器I/O点的分配如表3.3所示。表3.3 自动售货机I/O点的分配表序号定义点符号功能1I0.0SB1找零按钮2I0.1SB2食品五角按钮3I0.2SB3食品一元按钮4I0.3SB4饮料一元按钮5I0.4SB5饮料二元按钮6I0.5SB6日用二元按钮7I0.6SB7日用三元按钮8I2.0SB8投五角硬币9I2.1SB9投一元硬币10I2.5SB10找零五角11I2.6SB11找零一元12I3.1SB12食品五角行程开关13I3.2SB13食品一元行程开关14I3.3SB14饮料一元行程开关15I3.4SB15饮料二元行程开关16I3.5SB16日用二元行程开关17I3.6SB17日用三元行程开关18Q3.1食品五角红灯(物品售完)19Q3.2食品一元红灯(物品售完)20Q3.3饮料一元红灯(物品售完)序号定义点符号功能21Q3.4饮料二元红灯(物品售完)22Q3.5日用二元红灯(物品售完)23Q3.6日用三元红灯(物品售完)24Q0.0找零25Q0.1出食品五角26Q0.2出食品一元27Q0.3出饮料一元28Q0.4出饮料二元29Q0.5出日用二元30Q0.6出日用三元31Q2.1食品五角绿灯（可以购买）32Q2.2食品一元绿灯（可以购买）33Q2.3饮料一元绿灯（可以购买）34Q2.4饮料二元绿灯(可以购买）35Q2.5日用二元绿灯（可以购买）36Q2.5日用三元绿灯（可以购买）3.5 顺序功能图（SFC）1. 什么是顺序功能图（SFC）顺序功能图是一种位于其他编程语言之上的图形语言，使用它可以对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程。顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法，在顺序功能图中允许和别的语言编程的程序嵌套。顺序功能图由步、转换和动作三种主要元件组成，如图3.2所示。可以用顺序功能图来描述系统的功能，根据它可以很容易地设计出梯形图程序。转换1步1步2步3动作1动作2转换2图3.2 顺序功能图2. 所选择的顺序功能图（SFC）由于顺序功能图（SFC）有五种基本结构：顺序结构、选择性分支结构、并发性分支结构、循环结构、复合结构。本次自动售货机的SFC图，根据控制要求选用选择性分支结构和并发性分之结构。因为选择性分支结构是一个控制流可以转入多个可能的控制流中的某一个且不允许多路分支同时执行。具体进入哪个分支，取决于控制流前面的转移条件哪一个为真。而并发性分之结构是一个工作步执行完后，需要同时开启若干条分之，并采用双水平线相连且要有一个公共转移条件，这两种顺序功能图结构符合本次自动售货机的控制要求，所以选择这两种结构。本次自动售货机的SFC图如下图3.3所示：图3.3 自动售货机顺序功能图3.6 梯形图（LAD）梯形图是用的最多的PLC图形编程语言。梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。它与电器控制线路图相似，如图3.4所示。继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，具有形象、直观、实用的特点。因此，这种编程语言为广大电气技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言。图3.4 传统继电器控制线路图和PLC梯形图a传统继电器控制线路图 b PLC梯形图3.7 自动售货机设计的梯形图（LAD）本此设计自动售货机主要销售食品、饮料、日用三大类，而食品有五角和一元，饮料有一元和二元，日用有二元和三元。本次自动售货机的梯形图如下所示：- 25 -3.8 自动售货机说明书上面梯形图中ADD_DI双整数加法当投入五角时加5投入1元是加10，SUB_DI是双整数减法当成功购买物品时就减去物品对应的数；T37T56表示通电延时定时器,按下物品按钮时T37T42延时8秒，无操作时T43启动计时20秒，T44与T43配合组成投币2分钟无操作找零，T46T56两两配合形成闪烁电路。图3.5 自动售货机模拟操作面板本设计统一采用按钮开关模拟物品选择，按钮内有绿灯和红灯分别表示可购买物品和物品销售完；指示灯模拟物品输出及找零如图3.5所示。4自动售货机的控制系统的实现4.1自动售货机的外部接线图本次知道售货机的外部接线图如图4.1 所示，SB2SB7为物品选择按钮，当投入货币物品绿灯亮（Q2.1Q2.6），按下SB2SB7其中一个，对用的KM线圈得电电机转动出相应的物品（Q0.1Q0.6），当有物品销售完其行程开关断开，物品红灯亮并同时向总部发送物品销售完的信息；当收买物品总值低于投入总值时，可按找零按钮SB1选择找一元还是五角（SB10、SB11）后KM1得电电机转动找零(Q0.0)。PLC图4.1 售货机的外部接线图总结毕业论文是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的自动售货机系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。致谢首先要衷心感谢我的导师雷永锋老师，感谢他一年多来对我的悉心教导和帮助。在此期间，雷老师传授给我的学习方法和研究思路都让我终身受益。雷老师严谨的治学态度、丰富的实践经验、敏锐的洞察力以及渊博的学识都给我留下了深刻的印象，也必将对我以后的人生道路产生重大影响。在此谨向雷老师表示深深的谢意。感谢自动化的所有教师们。我在班上的点滴进步，都归功于老师们的教诲与帮助。还要感谢他们在本论文的前期准备以及写作过程中给予我的种种指导。如果没有诸位师长的帮助，本篇论文的写作将会更加艰苦和难以完成。感谢我所有的同学，他们都给我提供了很大的帮助和支持，使我的学习生活充满了乐趣。他们同我一起度过了一段难忘的求学时光。 衷心感谢我的父母、家人在我漫长的求学生涯中所给予的物质及精神上的爱护、支持和鼓励，他们的爱将是我不断前进的最大动力。惟有今后努力学习和工作，把获得的成绩献给我的家人，才能表达我的感激之情。特别感谢论文答辩委员会的诸位老师能在百忙之中审阅我的论文，并出席论文答辩会。最后，敬请各位专家、老师和同学对论文和今后的研究工作提出宝贵的指导意见和建议。参考文献1 路林吉,王坚.可编程控制器原理及应用M. 北京:清华大学出版社,20022 郭宗仁,吴亦锋,郭宁明.可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术 (第二版) M.北京:人民邮电出版社,20093 顾战松，陈铁年.可编程控制器原理及应用M. 北京:国防工业出版 社.19964 梁小布,可编程控制器M.北京: 水利水电出版社,20045 程周,可编程序控制器原理与应用M.北京:高等教育出版社,2003 6 王永华. 现代电气控制及PLC 应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社,20007 周美兰，周封，忘岳宇.PLC电气控制与组态设计M.北京:科学出版社,20038 吴建强，姜三勇.可编程控制器原理及应用M.哈尔滨:工业大学出版社,20009 吴中俊，黄永红.可编程序控制器原理及应用M. 机械工业出版社，200310 张万忠，刘明芹.电器与PLC控制技术M.北京:化学工业出版社,200311 王兆义.可编程序控制器教程M.北京:机械工业出版社，2009-36-