皖西學(xué)院本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（申請(qǐng)學(xué)士學(xué)位）論文題目 基于西門子S7-200PLC的自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì) 作者姓名 高 超 專 業(yè) 名 稱 自 動(dòng) 化 指導(dǎo)教師 李強(qiáng) 2013年6月學(xué) 生： （簽字）學(xué) 號(hào)：答 辯 日 期：2013年 6 月 16 日指 導(dǎo) 教 師： （簽字）目 錄摘要1Abstract11 緒論21.1 課題的選題背景及意義21.2 自動(dòng)售貨機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.3 本課題研究主要內(nèi)容31.4 章節(jié)安排32 總體方案設(shè)計(jì)32.1 可選方案32.2 方案比較42.2.1 PLC控制與繼電器控制相比較42.2.2 可編程控制器與單片機(jī)控制的區(qū)別52.3 方案選擇53 自動(dòng)售貨機(jī)的功能分析53.1 自動(dòng)售貨機(jī)的基本功能53.2 自動(dòng)售貨機(jī)的控制要求64 自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)74.1 PLC簡(jiǎn)單介紹74.1.1 PLC定義及特點(diǎn)74.1.2 PLC的基本功能結(jié)構(gòu)和原理74.2 I/O地址分配表84.3 硬件接線圖94.4 程序設(shè)計(jì)104.4.1 軟件結(jié)構(gòu)104.4.2 程序設(shè)計(jì)114.5 軟件調(diào)試134.6 實(shí)驗(yàn)過程及效果分析13結(jié) 論15參考文獻(xiàn)15附錄1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及運(yùn)行環(huán)境17附錄2 梯形圖17附錄3 西門子S7-200與實(shí)物接線圖23致 謝24皖西學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于西門子S7-200PLC的自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)摘要: 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，PLC與自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)售貨機(jī)與消費(fèi)者的聯(lián)系也越來越緊密。本設(shè)計(jì)以PLC為控制系統(tǒng)，利用西門子S7-200編寫系統(tǒng)梯形圖。該自動(dòng)售貨機(jī)主要由投幣、價(jià)格比較、找零模塊組成，并對(duì)各模塊進(jìn)行了梯形圖設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)售貨機(jī)的計(jì)幣、價(jià)格比較、找零功能。利用PLC設(shè)計(jì)的自動(dòng)售貨機(jī)大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，具有編程簡(jiǎn)單、可靠性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，有一定的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：自動(dòng)售貨機(jī)；西門子S7-200；可編程控制器；編程Design of the Vending Machine Based on Siemens S7-200 Programmable Logic ControllerAbstract: With the development of science and technology，programmable logic controller (PLC) and automatic control technology has been developing rapidly. The vending machine is more and more closely contact with consumers. This design takes the PLC as control system, and writes the ladder figure of this design by siemens S7-200. This vending machine is mainly composed of insert coins, price comparisons and gives change, And the ladder diagram design of each module, is use to realize a money of account, price comparisons and gives change .The vending machine can greatly increase the system stability and ensure that system for long-term stable operation based on PLC, which has a certain market value. Key words: Vending Machine; Siemens S7-200; PLC; Program241 緒論1.1 課題的選題背景及意義隨著社會(huì)的發(fā)展，自動(dòng)售貨機(jī)的功能不斷提高。同時(shí)由于生活水平的提高和生活節(jié)奏的不斷加快，人們需要一種簡(jiǎn)捷的消費(fèi)方式。由于消費(fèi)場(chǎng)所、環(huán)境不斷變化，急需一種新的交易方式出現(xiàn)，作為交易最廣泛的超市、商店等交易場(chǎng)所，由于占用人力資源和空間資源，交易場(chǎng)所容易受周圍環(huán)境的限制，因此全新的交易方式自動(dòng)售貨機(jī)便出現(xiàn)在人們的生活中。美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家都把自動(dòng)售貨作為主要的交易方式，同時(shí)這些國(guó)家把自動(dòng)售貨機(jī)運(yùn)用于各種領(lǐng)域，這種交易方式漸漸被更多消費(fèi)者所青睞，其功能正向信息化、人性化的方向發(fā)展?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的自動(dòng)售貨機(jī)只有投幣交易方式，這樣大大限制了交易的速度，傳統(tǒng)的自動(dòng)售貨機(jī)已經(jīng)不能滿足人們生活的需求，這要求它的功能更強(qiáng)大、交易更方便，使用簡(jiǎn)單。因?yàn)榇蟛糠肿詣?dòng)售貨機(jī)都放置在室外，這樣可能造成自動(dòng)售貨機(jī)人為損壞或是由于環(huán)境原因不能正常工作。資料顯示，在我國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)由于人為損壞的比率占到一成，因此對(duì)于商家而言解決人為損壞問題首當(dāng)其沖。自動(dòng)售貨機(jī)有助于解決當(dāng)今社會(huì)人力資源不足的現(xiàn)象，占用空間有限、投資小，可以讓資源有效充分利用到其他方面，同時(shí)可以全天候的運(yùn)營(yíng)也是自動(dòng)售貨機(jī)最重要的優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，把PLC技術(shù)運(yùn)用到新的自動(dòng)售貨機(jī)開發(fā)，改善其功能和質(zhì)量，增加自動(dòng)售貨機(jī)的交易方式如刷卡式等，這樣可以滿足不同人群不同的需求。本課題開展的自動(dòng)售貨機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)推動(dòng)自動(dòng)售貨機(jī)行業(yè)的發(fā)展和提高我國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)整體技術(shù)水平有著重要的意義。1.2 自動(dòng)售貨機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀在公元前3世紀(jì)出現(xiàn)了世界上第一臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī)，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的自動(dòng)售貨機(jī)是用于出售圣水的。到了十七世紀(jì)，英國(guó)出現(xiàn)了用于出售香煙的自動(dòng)售貨機(jī)。進(jìn)入二十世紀(jì)后有實(shí)用意義的自動(dòng)售貨機(jī)出現(xiàn)在日本，當(dāng)時(shí)用來出售郵票和明信片。二戰(zhàn)以后自動(dòng)售貨機(jī)的使用達(dá)到了空前巔峰。1942年我國(guó)開始發(fā)行1元和5角硬幣，這使得自動(dòng)售貨機(jī)在我國(guó)得到發(fā)展1。如今自動(dòng)售貨機(jī)在我國(guó)使用還不夠廣泛，因此將自動(dòng)售貨機(jī)推廣應(yīng)用到生活中，是一個(gè)具有發(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè)2。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，自動(dòng)售貨機(jī)開始向高效化的方向發(fā)展，現(xiàn)代PLC技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，已被應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，相信隨著科技的進(jìn)步自動(dòng)售貨機(jī)將會(huì)有著長(zhǎng)足的發(fā)展。國(guó)內(nèi)方面，二十世紀(jì)末自動(dòng)售貨機(jī)在中國(guó)出現(xiàn)。目前在很多人流量較大場(chǎng)所如火車站、購(gòu)物中心、地鐵等，自動(dòng)售貨機(jī)已經(jīng)開始出現(xiàn)并有一定的發(fā)展。自動(dòng)售貨機(jī)不但可以出售物品還可以作為廣告的載體。國(guó)外方面，日本的自動(dòng)售貨機(jī)行業(yè)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，在日本有二千多種機(jī)器型號(hào)，可以出售六千多種貨物。由于自動(dòng)售貨機(jī)可以全天運(yùn)營(yíng)，因此，自動(dòng)售貨很受人們的喜愛。近幾年，自動(dòng)售貨機(jī)逐漸被越來越多的消費(fèi)者所接受。從近兩屆上海舉辦的“中國(guó)國(guó)際自動(dòng)售貨系統(tǒng)及商務(wù)自助產(chǎn)品展覽會(huì)”來看，在國(guó)外自動(dòng)售貨機(jī)在市場(chǎng)占據(jù)主要地位。特別的，在國(guó)內(nèi)一些發(fā)達(dá)省市，對(duì)自動(dòng)售貨機(jī)研發(fā)的公司卻寥寥無幾，這和它們的經(jīng)濟(jì)實(shí)力是不符合的。在英國(guó)，國(guó)內(nèi)的銀行和信用機(jī)構(gòu)還專門推出了一種自動(dòng)售貨機(jī)卡，人們站在自動(dòng)售貨機(jī)前，只要把卡輕輕拉一下，就省去了投幣的麻煩，使用非常方便。到了2002年，英國(guó)持有這種卡的人已經(jīng)占到全國(guó)人口的五分之一以上，由此可見在英國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)的普遍性和受人們歡迎的程度。如今，隨著自動(dòng)售貨機(jī)在人們生活中的普及，也逐漸的被應(yīng)用于其他領(lǐng)域。自助服務(wù)的內(nèi)容不再是商品，服務(wù)的對(duì)象也不在局限于消費(fèi)商品的顧客。未來的自動(dòng)售貨機(jī)必然朝著監(jiān)控管理智能化、性能多樣化的道路發(fā)展。1.3 本課題研究主要內(nèi)容本課題研究主要內(nèi)容：本設(shè)計(jì)主要對(duì)自動(dòng)售貨機(jī)的各個(gè)智能模塊進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，包括投幣模塊、比較模塊、找零模塊。利用西門子S7-200型PLC軟件來設(shè)計(jì)梯形圖，并利用可編程控制器作為自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)的核心。同時(shí)描述了PLC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作原理。根據(jù)自動(dòng)售貨機(jī)的基本功能和控制要求給出了自動(dòng)售貨機(jī)的設(shè)計(jì)方案。在軟件方面主要完成了PLC梯形圖的設(shè)計(jì)，并將本次設(shè)計(jì)以仿真的形式實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了各個(gè)模塊的正常功能。最后，指出了本設(shè)計(jì)目前尚存在的不足之處，為以后繼續(xù)深入研究作參考。1.4 章節(jié)安排本文共分為5章，各章節(jié)安排如下所示：第一章 緒論，介紹了本課題的背景及研究意義，介紹了自動(dòng)售貨機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，并概述了本文的主要研究工作。第二章 總體方案的設(shè)計(jì)，介紹了本設(shè)計(jì)可選的三種方案及三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并通過比較得出最后選擇的方案。第三章 分析了PLC的基本功能和控制要求。第四章 主要介紹了PLC定義及特點(diǎn)、基本結(jié)構(gòu)和工作原理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括I/O地址分配表、硬件接線圖、程序設(shè)計(jì)、軟件調(diào)試和實(shí)驗(yàn)過程及效果分析。2 總體方案設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)從自動(dòng)售貨機(jī)的控制角度來說可采用可編程控制器控制、繼電器控制和單片機(jī)控制。2.1 可選方案方案一：可編程控制器控制可編程控制器控制采用可編程的存儲(chǔ)器在其內(nèi)部存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，.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(jī)械或生產(chǎn)過程。由于計(jì)算機(jī)每次只能執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)，所以程序的執(zhí)行是按順序一次完成各個(gè)電器的動(dòng)作，其邏輯控制關(guān)系為內(nèi)部存儲(chǔ)邏輯方式。方案二：繼電器控制方式以繼電器為核心的繼電器控制，把各種繼電器、定時(shí)器、接觸器、及其觸點(diǎn)按照一定邏輯關(guān)系連接組成的控制系統(tǒng)。控制繼電器是一種自動(dòng)電器，它適用于遠(yuǎn)距離接通和分?jǐn)嘟?、直流小容量控制電路，并在電力?qū)動(dòng)系統(tǒng)中供控制、保護(hù)及信號(hào)轉(zhuǎn)換用。控制繼電器的輸入量通常是電流、電壓等電量，也可以是溫度、壓力、速度等非電量，輸出量則是觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)發(fā)出的電信號(hào)或輸出電路的參數(shù)變化。繼電器的特點(diǎn)是當(dāng)其輸入量的變化達(dá)到一定程度時(shí)，輸出量才會(huì)發(fā)生階躍性的變化。由繼電器控制方式組成的自動(dòng)售貨機(jī)其控制邏輯關(guān)系為由繼電器、接觸器硬接線方式。方案三：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制方式單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的要求、控制方案的選擇，以及工藝參數(shù)的測(cè)量范圍等；選擇各參數(shù)檢測(cè)元件及變送器；建立數(shù)學(xué)模型及確定控制算法；選擇單片機(jī)，并決定是自行設(shè)計(jì)還是購(gòu)買成套設(shè)備；系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：（1）包括接口電路，邏輯電路及操作面板；系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括管理、監(jiān)控程序以及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含有硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分。（2）系統(tǒng)的調(diào)試與試驗(yàn)。2.2 方案比較2.2.1 PLC控制與繼電器控制相比較(1) 邏輯控制繼電器控制是利用各電器件機(jī)械觸點(diǎn)的串、并聯(lián)組合成邏輯控制。采用硬接線連接，連接多而復(fù)雜，對(duì)今后的邏輯修改、增加功能很困難。而PLC中邏輯控制是以程序的方式存儲(chǔ)在內(nèi)存當(dāng)中，改變程序便可改變邏輯，連線少，體積小，方便可靠。(2) 控制速度依靠機(jī)械觸點(diǎn)的吸合動(dòng)作來完成控制的繼電器控制系統(tǒng)，工作頻率低、速度慢，而PLC采用程序指令控制半導(dǎo)體電路來實(shí)現(xiàn)控制，不僅穩(wěn)定可靠，控制速度也大大提高。(3) 順序控制繼電器控制是利用時(shí)間繼電器的滯后動(dòng)作來完成時(shí)間上的順序控制，時(shí)間繼電器的內(nèi)部易受環(huán)境溫度和濕度變化的影響，造成定時(shí)的較大誤差。而PLC內(nèi)部是由半導(dǎo)體電路組成的定時(shí)器以及由晶體振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖計(jì)時(shí)，定時(shí)的精度高。(4) 靈活性和擴(kuò)展性繼電器系統(tǒng)安裝后，受電器觸點(diǎn)數(shù)目的有限性和連線復(fù)雜等原因的影響，系統(tǒng)在今后的靈活性、擴(kuò)展性很差。而PLC具有專用的輸入和輸出模塊，連線少，靈活性可擴(kuò)展好。(5) 計(jì)數(shù)功能繼電器控制可實(shí)現(xiàn)邏輯功能，但不具備計(jì)數(shù)功能。PLC內(nèi)部有特定的計(jì)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的步進(jìn)控制。(6) 可靠性和可維護(hù)性繼電器控制使用大量的機(jī)械觸點(diǎn)，觸點(diǎn)在開閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，造成損傷并伴有磨損，使用壽命短運(yùn)行可靠性差，不易維護(hù)。而PLC采用微電子技術(shù)，內(nèi)部的開關(guān)動(dòng)作均由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路完成，體積小壽命長(zhǎng)，可靠性高3。2.2.2 可編程控制器與單片機(jī)控制的區(qū)別(1) PLC是單片機(jī)之上的產(chǎn)品，單片機(jī)是集成電路，這兩者之間不具可比性。(2) PLC是單片機(jī)應(yīng)用的特例，單片機(jī)可以構(gòu)成功能各樣的應(yīng)用系統(tǒng)。(3) PLC是工業(yè)控制領(lǐng)域的主力軍，能夠完成強(qiáng)電的邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制及PID運(yùn)算；單片機(jī)適用于小型自動(dòng)控制領(lǐng)域及無線控制領(lǐng)域；體積小價(jià)格便宜。(4) 單片機(jī)自身保護(hù)差，PLC自身保護(hù)強(qiáng)。PLC控制抗干擾能力比單片機(jī)強(qiáng)，PLC適用于中、大型設(shè)備，單片機(jī)適用于微、小型設(shè)備 。總而言之，它們的區(qū)別是使用的領(lǐng)域不同，基本控制原理大體相同4-7。2.3 方案選擇綜上所述，鑒于PLC功能完善，組合靈活，擴(kuò)展方便，實(shí)用性強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)單，容易維修，抗干擾能力和可靠性能力都強(qiáng)，環(huán)境要求低，易學(xué)易用等優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)采用方案一，以可編程控制器為核心設(shè)計(jì)自動(dòng)售貨機(jī)的控制系統(tǒng)8。3 自動(dòng)售貨機(jī)的功能分析3.1 自動(dòng)售貨機(jī)的基本功能自動(dòng)售貨機(jī)的各種功能和控制要求，給出了完整的自動(dòng)售貨機(jī)工作流程圖如下圖3-1所示，并介紹自動(dòng)售貨機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)中所包括的人工操作步驟。本次設(shè)計(jì)制作的自動(dòng)售貨機(jī)利用兩個(gè)按鍵進(jìn)行模擬，可識(shí)別兩種錢幣，分別是0.5元、1元硬幣，自動(dòng)售貨機(jī)共出售四種貨物蘇打水、可樂、汽水、咖啡，價(jià)格分別為0.5元、1元、3元、5元，在自動(dòng)售貨機(jī)有需要的貨物的前提下，只有當(dāng)消費(fèi)者投入的錢幣大于或等于所需要的錢幣時(shí)，指示燈亮，表示可以進(jìn)行購(gòu)買，兩種貨物分別用四個(gè)小燈代替進(jìn)行模擬。除此之外，本次設(shè)計(jì)還涉及了顯示、找零、送貨等功能的實(shí)現(xiàn)，其中顯示部分采用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，顯示投幣總數(shù)和購(gòu)買后的余額；當(dāng)按下找零按鈕后，數(shù)碼管顯示進(jìn)行清零，采用從高到低遞減的形式進(jìn)行清零。送貨部分用指示燈表示。自動(dòng)售貨機(jī)的基本功能就是對(duì)投入的貨幣進(jìn)行運(yùn)算，并根據(jù)貨幣數(shù)值判斷是否能夠購(gòu)買某種商品，并作出相應(yīng)的反應(yīng)。例如：售貨機(jī)中有2種商品，汽水價(jià)格為3元， 咖啡價(jià)格為5元?，F(xiàn)投入1個(gè)1元硬幣， 當(dāng)投入的貨幣超過汽水的價(jià)格時(shí)，汽水的選擇按鈕處應(yīng)有變化，提示可以購(gòu)買，咖啡也提示。當(dāng)按下選擇汽水價(jià)格時(shí)，售貨機(jī)進(jìn)行減法運(yùn)算，從投入的貨幣總值中減去汽水的價(jià)格同時(shí)汽水出貨口指示燈亮。此時(shí)售貨機(jī)繼續(xù)進(jìn)行等待外部命令，如繼續(xù)交易，則同上，如果此時(shí)不再購(gòu)買而按下退幣按鈕，售貨機(jī)則要進(jìn)行退幣操作，退回相應(yīng)的貨幣，并在程序中清零，完成此次交易。由此看來，售貨機(jī)一次交易要涉及加法運(yùn)算、減法運(yùn)算以及在退幣時(shí)的除法運(yùn)算，這是它的內(nèi)部功能。還要有貨幣識(shí)別系統(tǒng)和貨幣的傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)完整的售貨、退幣功能。按下退幣按鈕投入硬幣按下選擇按鈕是否初始狀態(tài)投幣狀態(tài)購(gòu)買狀態(tài)退幣狀態(tài)是否剩余?圖3-1 自動(dòng)售貨機(jī)工作流程圖3.2 自動(dòng)售貨機(jī)的控制要求鑒于實(shí)驗(yàn)室的仿真條件，仿真時(shí)自動(dòng)售貨機(jī)共出售兩種貨物汽水和咖啡，自動(dòng)售貨機(jī)操作面板如下圖3-2所示。M1、M2兩個(gè)復(fù)位按鈕表示投入自動(dòng)售貨機(jī)的人民幣面值，YO貨幣指示（例如：按下M1則Y0顯示1），自動(dòng)售貨機(jī)里有汽水（3元/瓶）和咖啡（5元/瓶）兩種飲料，當(dāng)Y0所顯示的值大于或等于這兩種飲料的價(jià)格時(shí)，C或D發(fā)光二極管會(huì)點(diǎn)亮，表明可以購(gòu)買飲料；按下汽水按鈕或咖啡按鈕表明購(gòu)買飲料，此時(shí)A或B發(fā)光二極管會(huì)點(diǎn)亮， E或F 發(fā)光二極管會(huì)點(diǎn)亮，表明飲料已從售貨機(jī)取出；按下ZL按鈕表示找零，此時(shí)Y0清零，延時(shí)0.6S找零出口 G發(fā)光二極管點(diǎn)亮，如超過20S不進(jìn)行任何操作，自動(dòng)售貨機(jī)將自動(dòng)找零。圖3-2 自動(dòng)售貨機(jī)操作面板4 自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)4.1 PLC簡(jiǎn)單介紹4.1.1 PLC定義及特點(diǎn)PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC具有安裝簡(jiǎn)單，容易維修，功能完善，擴(kuò)展方便，編程簡(jiǎn)單，易于維修等特點(diǎn)9。4.1.2 PLC的基本功能結(jié)構(gòu)和原理PLC可實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、定時(shí)、通信及聯(lián)網(wǎng)等功能10?？删幊炭刂破饔卸喾N多樣的結(jié)構(gòu)，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)，其功能的實(shí)現(xiàn)基于硬件的作用，且靠軟件的支持，實(shí)際上可編程控制器就是一種新型的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)基本相似主要包括中央處理器CPU、存儲(chǔ)器（ROMRAM ）、輸入輸出模塊、電源、I/O擴(kuò)展接口和通信接口、外部設(shè)備接口等如圖4-1所示。圖4-1 PLC硬件圖（1）中央處理器：中央處理器單元一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與儲(chǔ)存單元、輸入輸出接口、通信接口、擴(kuò)展接口相連。CPU是PLC的核心，它不斷采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)輸出。（2）儲(chǔ)存器：PLC的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩種。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用于存放PLC的系統(tǒng)程序，用戶存儲(chǔ)器用于存放PLC的用戶程序。（3）輸入輸出接口單元：PLC的輸入接口電路可分為直流輸入電路和交流輸入電路。直流輸入電路的延遲時(shí)間比較短，可以直接與電子輸入裝置連接；交流輸入電路適用于在有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。（4）輸出接口電路：輸出接口電路通常有3種類型：繼電器輸出型、晶體管輸出型和晶閘管輸出型。（5）擴(kuò)展接口和通信接口：PLC的擴(kuò)展接口的作用是將擴(kuò)展單元和功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要；通信接口的功能是通過這些通信接口可以和監(jiān)視器、打印機(jī)、其他的PLC或是計(jì)算機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)“人-機(jī)”或“機(jī)-機(jī)”之間的對(duì)話。（6）電源：PLC一般使用220V交流電源或24V直流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供5V、12V、24V直流電源，使PLC能正常工作。PLC基本工作原理是：:PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式：每次掃描過程，集中采集輸入信號(hào)，集中對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行刷新，輸入刷新過程，當(dāng)輸入端口關(guān)閉時(shí)，程序在進(jìn)行執(zhí)行階段時(shí)，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進(jìn)行下一次掃描時(shí)，新狀態(tài)才被讀入。一個(gè)掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。掃描周期的長(zhǎng)短由CPU執(zhí)行指令的速度、指令本身占有的時(shí)間、指令條數(shù)，現(xiàn)在的PLC掃描速度都是非?？斓?。由于采用集中采樣，集中輸出的方式，存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應(yīng)延遲11-12。4.2 I/O地址分配表輸入/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(chǎng)之間的連接部件。 PLC通過輸入接口可以檢測(cè)被控對(duì)象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為PLC對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制的依據(jù)；同時(shí)PLC又通過輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)控制目的13。本次自動(dòng)售貨機(jī)I/O點(diǎn)的分配如下表4-1所示。表4-1 I/O地址分配表接口序號(hào)輸入、輸出接口符號(hào)功能1I0.0ZL找零按鈕2I0.1SD蘇打水按鈕3I0.2KL可樂按鈕4I0.3QS汽水按鈕5I0.4CF咖啡按鈕6I2.0M1五角投幣鍵7I2.1M2一元投幣鍵8I2.5-找零五角9I2.6-找零一元10I3.1-蘇打水行程開關(guān)11I3.2-可樂行程開關(guān)12I3.3-汽水行程開關(guān)13I3.4-咖啡行程開關(guān)14Q3.1-蘇打水紅燈(物品售完)15Q3.2-可樂紅燈(物品售完)16Q3.3-汽水紅燈(物品售完)17Q3.4-咖啡紅燈(物品售完)18Q0.0-找零19Q0.1-蘇打水出口20Q0.2-可樂出口21Q0.3E汽水出口22Q0.4F咖啡出口23Q2.1-蘇打水可購(gòu)買指示燈24Q2.2-可樂可購(gòu)買指示燈25Q2.3A汽水可購(gòu)買指示燈26Q2.4B咖啡可購(gòu)買指示燈4.3 硬件接線圖本次自動(dòng)售貨機(jī)的外部接線圖如圖4-2所示，SD、KL、QS、CF為物品選擇按鈕，當(dāng)投入的貨幣大于或等于物品價(jià)格時(shí)，物品指示燈（Q2.1Q2.4）亮，當(dāng)按下物品按鈕，對(duì)應(yīng)的貨物出口指示燈亮，當(dāng)收買物品總值低于投入總值時(shí)，可按找零按鈕ZL選擇找零，如20S內(nèi)無人操作則自動(dòng)退款，找零指示燈G亮。圖4-2 硬件接線圖4.4 程序設(shè)計(jì)4.4.1 軟件結(jié)構(gòu)根據(jù)自動(dòng)售貨機(jī)的工作原理和基本功能作出程序流程圖如下圖4-3所示。根據(jù)PLC控制系統(tǒng)的工作原理硬件設(shè)計(jì)，主要由投幣過程、價(jià)格比較、找零等模塊組成主要模塊的功能如下：(1)投幣過程在投幣的過程中，每投入一枚硬幣，經(jīng)過識(shí)別把信號(hào)傳送給PLC，該模塊是對(duì)識(shí)別的錢幣進(jìn)行累加并顯示出相應(yīng)的幣值。(2)價(jià)格比較投幣完成后，系統(tǒng)將投幣金額和可以購(gòu)買的商品進(jìn)行價(jià)格比較，若投幣總額大于或等于商品的價(jià)格，則可以購(gòu)買商品，相應(yīng)的指示燈亮，否則不能購(gòu)買。(3)找零模塊系統(tǒng)在顧客購(gòu)買完商品后進(jìn)行找零。在找零過程中，系統(tǒng)主要完成貨幣的運(yùn)算過程，運(yùn)算結(jié)果存放在數(shù)據(jù)寄存器中，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果在找零口退回相應(yīng)的貨幣。(4)顯示模塊實(shí)現(xiàn)幣值顯示和累計(jì)金額顯示。是否開始投幣計(jì)數(shù)金額5?錢不足飲料選擇蘇打水選擇可樂選擇汽水選擇咖啡選擇減去蘇打水錢減去可樂錢減去汽水錢減去咖啡錢是否找零找零計(jì)算結(jié)束圖4-3 軟件程序流程圖4.4.2 程序設(shè)計(jì)利用西門子STEP7-micro/win v4.0編程軟件，在PC機(jī)上編寫程序，主要完成投幣過程、價(jià)格比較、找零等功能14。（1）計(jì)幣部分當(dāng)有顧客購(gòu)買飲料時(shí)，投入硬幣經(jīng)過識(shí)別，將信號(hào)傳送給到PLC內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，梯形圖如圖4-4所示。圖4-4 計(jì)幣程序（2）價(jià)格比較部分投幣完成后，系統(tǒng)將投幣金額和可以購(gòu)買的商品進(jìn)行價(jià)格比較，若投幣總額大于或等于商品的價(jià)格，則可以購(gòu)買商品，相應(yīng)的指示燈亮，否則不能購(gòu)買。如圖4-5所示。圖4-5 價(jià)格比較程序（3）找零部分購(gòu)買物品后，按下找零按鈕，系統(tǒng)進(jìn)行找零操作，20S無人操作系統(tǒng)自動(dòng)找零。如圖4-6所示。圖4-6 找零程序4.5 軟件調(diào)試（1）PLC程序調(diào)試程序編寫完成后，利用西門子STEP7-micro/win v4.0編程軟件自帶的虛擬運(yùn)行功能在電腦中運(yùn)行該程序，觀察各輸出繼電器、狀態(tài)繼電器和輔助繼電器的狀態(tài)。（2）聯(lián)機(jī)調(diào)試在PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)上連接好本設(shè)計(jì)要用到的輸入/輸出接口，然后連接PC與PLC之間的連接線，開通電源，然后在PC上打開西門子STEP7-micro/win v4.0編程軟件，輸入該自動(dòng)售貨機(jī)的梯形圖，再進(jìn)行保存、編譯、調(diào)試、裝載等過程，最后進(jìn)行硬件調(diào)試，在PLC操作臺(tái)上，調(diào)試并觀察現(xiàn)像。4.6 實(shí)驗(yàn)過程及效果分析（1）如圖4-7所示。按兩次0.5元投幣鍵M1，物幣指示YO顯示為1，汽水和咖啡可購(gòu)買指示燈C和D都不亮，不可購(gòu)買汽水和咖啡。圖4-7 不可購(gòu)買汽水和咖啡（2）如圖4-8所示。按1元投幣鍵M2，直到物幣指示YO顯示為3，汽水可購(gòu)買指示燈C亮，咖啡可購(gòu)買指示燈D不亮，按下汽水按鈕QS，汽水出口指示燈E先亮后滅，貨幣指示YO清零。圖4-8 汽水可購(gòu)買指示燈亮（3）如圖4-9所示。分別按下1元投幣鍵，直到物幣指示YO顯示為5，汽水可購(gòu)買指示燈C亮，咖啡可購(gòu)買指示燈D亮，按下汽水按鈕QS，汽水出口指示燈E先亮后滅，貨幣指示YO顯示為2，如圖4-10所示，按下找零按鈕ZL找零2元。圖4-9 汽水和咖啡可購(gòu)買指示燈亮圖4-10 購(gòu)買汽水后汽水可購(gòu)買指示燈滅（4）如圖4-11所示。按下1元投幣鍵，直到物幣指示YO顯示為5，汽水可購(gòu)買指示燈C亮，咖啡可購(gòu)買指示燈D亮，按下咖啡按鈕CF，咖啡出口指示燈F先亮后滅，貨幣指示YO顯示為0，如圖4-12所示。圖4-11 汽水和咖啡可購(gòu)買指示燈亮貨幣指示為5圖4-12 購(gòu)買咖啡后汽水和咖啡可購(gòu)買指示燈滅貨幣指示為0結(jié) 論本設(shè)計(jì)講述了自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展歷程，以及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列的方案論證，最終采用了PLC作為控制系統(tǒng)的核心，并論述了PLC的定義、特點(diǎn)、基本功能及原理。給出了自動(dòng)售貨機(jī)的I/O地址分配和硬件接線圖，此次設(shè)計(jì)的自動(dòng)售貨機(jī)具有計(jì)幣、價(jià)格比較、找零等功能，做出了軟件程序流程圖，并對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行分析畫出梯形圖。最后利用西門子S7-200對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)售貨機(jī)準(zhǔn)確無誤的計(jì)幣功能，在投入貨幣后，自動(dòng)進(jìn)行價(jià)格比較，投入的貨幣大于貨物的價(jià)格時(shí)相對(duì)應(yīng)的燈亮，否則不亮，在購(gòu)買完貨物后，實(shí)現(xiàn)了找零功能。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)在自動(dòng)售貨機(jī)的設(shè)計(jì)過程中初步實(shí)現(xiàn)了計(jì)幣、價(jià)格比較、找零功能，取得了一定的研究成果，但本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)售貨機(jī)還處于研究的初步階段，今后的研究主要有以下幾個(gè)研究方向：（1） 嘗試對(duì)貨幣的幣值與真?zhèn)巫R(shí)別也進(jìn)行了認(rèn)真的研究決定采用“圖紋重合比較法”來進(jìn)行。（2） 加入圖像特征采集模塊，以此解決新舊人民幣無法識(shí)別的情況。（3） 增加通信模塊，使自動(dòng)售貨機(jī)能與多個(gè)外設(shè)之間通信。參考文獻(xiàn)1 蘇弘. 關(guān)于自動(dòng)售貨機(jī)