I 基于西門子基于西門子 S7-200S7-200 PLCPLC 自動飲料售貨機控制系統自動飲料售貨機控制系統 Beverage Vending Machines PLC Control System based on Siemens S7-200 Series 總計畢業設計_39_頁 表格_3_個 插圖_10_幅 摘要 II 摘 要 本論文是基于西門子 S7-200 系列 PLC 進行自動飲料售貨機控制系統的設計的。本文 介紹了 PLC 的硬件基本組成，特點以及工作原理。闡述了自動飲料售貨機的來源，發展及 系統設計的基本原理及工作流程。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 4.0 版本的 STEP7 來進行編寫，并完成了 PLC 外部接線圖。利用 PLC 控制 的自動飲料售貨機提高了系統的穩定性，且邏輯上保證無或者盡量減少漏洞，使自動售貨 機能夠長期穩定運行，不需要經常有人維護。 關鍵詞關鍵詞 ：自動飲料售貨機PLC梯形圖西門子 III ABSTRACT The design of Automatic Beverage Vending Machine PLC Control System is based on Siemens S7-200 series. The paper introduces the basic structure of PLC, characteristics and work principle. In the PLC trapezoidal chart compilation, this paper adopts the Siemens PLC ladder special compiler software version 4 of the STEP7 to write, and completed the PLC external wiring diagram. To improve the stability of the system by using automatic beverage vending machine PLC control logic, and ensure no or little loopholes, the vending machine can have a long-term stable operation, not often need someone maintenance Keywords:automatic beverage vending machine；PLC； ladder diagram ；Siemens IV 目錄 摘摘要要I ABSTRACTABSTRACTII 前前言言1 第第 1 1 章章 可編程控制器可編程控制器 PLCPLC3 1.1 可編程控制器的產生和發展.3 1.1.1 可編程控制器的概述.3 1.1.2 PLC 的產生原因.3 1.1.3 PLC 的發展前景.4 1.2 可編程控制器的結構和工作原理.4 1.2.1 PLC 的工作原理.4 1.2.2 PLC 的循環掃描.5 1.2.3 PLC 的硬件組成.6 1.2.4 PLC 的編程語言.7 1.2.5 PLC 的特點.7 1.2.6 PLC 的主要功能.8 1.3 PLC 的選型原則及選型方法.9 第第 2 2 章章 自動飲料售貨機的系統設計自動飲料售貨機的系統設計.12 2.1 自動飲料售貨機的控制要求12 2.1.1 自動飲料售貨機的控制要求12 2.1.2 自動飲料售貨機的相關說明13 2.1.3 定時器14 2.1.4 數學運算指令 .15 2.2 自動飲料售貨機 I/O 點的分配.16 2.3 自動飲料售貨機的外部接線圖.17 2.4 自動飲料售貨機梯形圖的編寫.17 2.4.1 梯形圖17 2.4.2 自動飲料售貨機設計的梯形圖.18 V 結結語語.19 參考文獻參考文獻.21 程程 序序 圖圖.22 附附 錄錄 一一30 致致謝謝35 南昌工程學院本科畢業設計 1 前言 自動飲料售貨機是集成物理光學,電氣技術，機械技術等一體化的無人商業自動化設 備。從自動售貨機的發展原因來看，它的出現是由于隨著科學技術的發展社會產業機構開 始出現調整，工業由勞動密集型向技術密集型轉變。這一時期人口膨脹帶來的巨量消費、 巨量產出，快節奏工作、生活以及消費方式的簡單和擁擠的城市環境，要求出現新的貿易 流通渠道；而相對的超市、百貨購物中心等傳統的流通渠道，由于人工費用不斷上升，場 地的無法普及的局限性以及購物的便利性等因素的制約，無人自動飲料售貨機作為一種方 便人們生活簡單，順應了習慣變化的售貨機器便應運而生了。 自動飲料售貨機可以充分減少人力資源的浪費，使人從一些技術含量低的工作中解脫 出來，以便在其他方面創造出更多的價值。自動飲料售貨機的系統可以 24 小時不間斷的 運營，且運營時需要的資本少、面積小，且相對新穎具有吸引人們購買好奇心的自身性能， 可以很好地解決人工費用上升的問題等各項優點。 現在，伴隨著信息化產業的發展，自動飲料售貨機產業也正在走向信息化。例如通過 互聯網實行聯機方式，通過網絡將自動售貨機內的庫存信息及時地傳送各營業點的電腦 中，從而確保了商品的發送、補充以及商品選定的順利進行。并且伴隨著環保成為當代消 費考慮的重要因素之一，為防止地球變暖，自動化設備廠商也致力于節能型清涼飲料自動 售貨機的生產開發。在日常白天電力消費高峰時，某些節能型的自動售貨機即使在關掉制 冷機的狀況下也能保持低溫， 與以往的自動飲料售貨機相比， 它能夠節約 12左右的電力。 進入 21 世紀時，自動飲料售貨機也將進一步向節能型以及多功能，人性化的方向發展。 自動飲料售貨機是一種全新的商業零售形式 20 世紀 70 年代自日本和歐美發展起來。 自 09 年金融危機之后，世界經濟緩慢發復蘇，伴隨著中國改革開放三十年，國民生活得 到顯著提高，人們對就業以及工作所提供的福利包括工作場所提供茶點飲料等福利事業更 為關注。自動飲料售貨機作為無人看護的機器不僅保障了愜意的工休時間，也是最廉價、 提高職工工作效率最有效的手段。特別是在 24 小時無休工作狀態中的辦公場所，使用迷 你型飲料沖飲機，解決了不間斷提供汽水，果汁等飲品服務的問題，這種服務加速了自動 售貨機融入人們日常生活。 本論文采用的是 PLC 為控制中心的自動飲料售貨的設計，傳統的電氣設備往往采用繼電器 控制系統控制，但繼電器控制系統體積會很大，且控制穩定性又很差，需要大量人員維護， 除此之外還無法經行數學運算。除了繼電器控制系統之外，還有以單片機為控制中心的控 2 制系統，傳統的自動飲料售貨機往往采用單片機作為控制核心，但這樣在輸入輸出接口上 消耗很大，并且其不穩定性和抗干擾性差等因素也會讓機器經常需要人員維護。而以單片 機為核心的 PLC 則能避免很多干擾因素，其不但可實現類似控制功能，還具有調試方便、 可靠性高、能耗低、編程簡單、功能強等優點。 南昌工程學院本科畢業設計 3 第 1 章 可編程控制器 PLC 1.11.1 可編程控制器的產生和發展可編程控制器的產生和發展 1.1.1 可編程控制器 PLC 的概述 PLC 全名可編程邏輯控制器， 它是一種在傳統繼電器控制系統基礎上與 3C 技術相結合 而不斷發展完善起來的新型自動控制器件。是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字 運算操作的電子裝置，它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、 順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出， 控制各種類型的機械或生產過程。PLC 具有體積小、結構簡單、操作方便、可靠性好等特 點。 1.1.2 PLC 的產生原因 上個世紀 60 年代，伴隨著半可控和可控電子元件的發展，電子技術得到飛躍式的提 升， 控制電路電子化便成為趨勢。 60 年代中后期， 在過程控制領域隨著小型計算機的應用， 控制系統的性能得到大大的提升。 后來隨著西方世界出現了經濟大蕭條，作為工業標志的汽車工業收到沉重打擊。美國 通用電氣公司為了在激烈的市場競爭中戰勝對手，拜托困境，制定了推出小批量、多品種 的車型來吸引顧客的戰略。但是那時期作為控制系統的是由繼電器和接觸器等組成，靈活 性差，不能滿足工業不斷更新的需要。GM 為了改造傳統控制汽車生產設備方式，提出了以 下 10 條招標的技術指標。 （1） 采用插件式結構，硬件維護方便。 （2） 至少可擴展到 4KB 的用戶程序存儲器的容量. （3） 輸入可以是直流 AC115V。 （4） 輸出在 2A，直流 AC115V 以上，能直接驅動電磁閥和繼電器等。 （5） 可在現場修改程序，編程簡單方便。 （6） 體積小于繼電器控制系統。 （7） 要有高于繼電器控制系統的可靠性。 （8） 可將數據直接送入管理計算機。 （9） 擴展時，只需改動很小的原程序。 （10）成本可與繼電器控制系統競爭。 第 1 章可編程控制器 4 至今 PLC 已經發展了三代，其性能由第一代早期的作為替代繼電器控制系統，主要功 能只是執行原先由繼電器完成的順序控制和定時、計數控制等任務發展到因微處 理器的出現而發生重大變化的第二代 PLC。其功能大大增強，并且在軟件方面增加了通信、 算術運算、自診斷、數據的處理和傳輸等功能。進入 20 世紀 80 年代以后，伴隨著超大規 模的集成電路技術的發展，微處理器的價格大幅下降，各種 PLC 采用的微處理器的性能普 遍提高，PLC 的軟件和硬件再一次放生巨大變化，成本更低，I/O 模塊更豐富，指令功能 更強，處理速度更快，體積更小。 目前全球生產 PLC 的廠家有六十多家，其中最為有名的有日本的三菱、歐姆龍、富士、 東芝；美國的通用、ABB、施耐德；德國的西門子；以及中國的臺達，信捷等；這些廠商 無不是工控業的代表。其中尤以德國西門子被視為工控業的方向標。 1.1.3 PLC 的發展前景 PLC 總的發展趨勢是向大容量、高速度、高集成度、小體積、高性能易使用、易使用 方向發展。具體表現在以下幾個方面。 （1）基于 PC 的編程軟件取代編程器 （2）向大容量、高運行速度方向發展 （3）智能型 I/O 模塊的發展 （4）PLC 編程語言的標準化 （5）向微小型化、專業化、低成本方向發展 （6）PLC 通信的易用化 （7）開發新型特殊功能模塊 （8）組態軟件與 PLC 的軟件化 （9）PLC 與現場總線相結合 (10) CPU 的處理速度進一步加快 1.21.2 可編程控制器的結構和工作原理可編程控制器的結構和工作原理 1.2.1 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 1-1） 。 南昌工程學院本科畢業設計 5 讀取輸入 執行用戶程序 處理通信要求 自診斷檢查 改寫輸出 RUN 狀態 讀取輸入 處理通信要求 自診斷檢查 改寫輸出 STOP 狀態 圖 1-1 各階段處理任務 1.2.2 PLC 的循環掃描工作 對于 PLC 每個程序 CPU 從第一條指令開始順序執行，按指令的序號做周期性的程序循 環掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執行用戶程序，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執行程序，每一個循環稱為一個掃描周期。 故而 PLC 工作時采用的是循環掃描的工作方式，其的掃描全過程如圖 1-2 所示。 （1） 輸入刷新階段 PLC 工作的第一個階段叫做采樣階段也叫做輸入刷新階段，CPU 掃描全部輸入端口將 所有的輸入端信號狀態讀入緩沖區即輸入狀態寄存器。完成后關閉輸入端口，轉入程序執 行階段。 （2） 掃描用戶程序 在程序執行階段，CPU 掃描用戶程序，根據用戶輸入的控制程序，從用戶第一條程序 開始逐條掃描執行，并將相應的掃描的程序運算結果存入對應的內部輸出寄存器和中間寄 存器。 （3） 輸出刷新階段 當所有指令執行結束后，依次將輸出狀態寄存器中的內容送到外部鎖存電路，并通過 一定輸出方式輸出，驅動外部相應執行元件工作，這才形成 PLC 的實際輸出。 第 1 章可編程控制器 PLC 6 圖 1-2PLC 的掃描全過程 1.2.3 PLC 的硬件組成 PLC 的硬件主要由存儲器、通信接口、CPU、輸出/輸入單元、擴展接口等幾部分組成。 其中，CPU 為 PLC 的控制中心通常有三類：1) 單片微處理器（如 8031、8096 等） 、2) 通 用微處理器（如 Z80、8086、80286 等） 、3) 位片式微處理器(如 AMD29W 等)；輸入單元 /輸出單元則是 CPU 與現場輸入/輸出設備之間的接口電路；通信接口的主要用途是連接上 位計算機、編程器等外部設備，其硬件構成圖如圖 1-3。 南昌工程學院本科畢業設計 7 圖 1-3 PLC 硬件結構圖 1.2.4 PLC 的編程語言 PLC 為用戶提供了完善的編程語言來滿足編制用戶程序要求。它提供的編程語言通常 有以下 5 種：語句表（STL） 、梯形圖（LAD） 、功能塊圖（FBD） 、結構文本（ST）和順序功 能圖（SFC） 、 。 1.2.5 PLC 的特點 （1）抗干擾能力強，可靠性好 工業現場的環境往往十分惡劣，高溫，沖擊，粉塵，潮濕，振動和強電磁干擾等，單 片機作為控制中心時，為了能夠抵御以上惡劣環境，需要建設大量外部電路，即便如此， 往往也無法達到控制要求，PLC 作為專門為工業控制設計的，其內部已設計建設了大量抗 干擾的電路這樣使 PLC 接收，輸出的信號控制變得更加穩定，能夠很容易的適應工業現場 的惡劣環境。 （2）功能性強 PLC 是由微電子技術、通信技術和計算機技術綜合而成，除了具有邏輯、定時、計數 等順序控制功能之外，還具有經行各種算數運算、PID 調節、過程監視、網絡通信、遠程 I/O 和高速數據處理能力，因此可以滿足工業控制中的各種復雜的功能要求 （3）編程方便，易于使用 第 1 章可編程控制器 PLC 8 PLC 的程序設計大多采用的類似于繼電器控制線路的梯形圖語言。梯形圖主要是人們 熟悉的常開/常閉觸點，線圈、定時器、計數器符號等組成。對于使用者來說，只要具備 電氣控制方面的相關基礎知識，很容易為一般的工程控制技術人員所理解掌握。 （4）安裝簡單，維修方便 PLC 可以在各種工業環境下直接調試，安裝，運行，使用時只需根據控制要求編寫程 序，將各種現場的 I/O 設備與 PLC 相應的 I/O 端相連接，系統便可以使用。同時由于 PLC 比較穩定，且有自診斷功能，故而損壞維修變得很方便。 （5）采用模塊化結構 為了適應各種工業控制的需要，除了單元式的小型 PLC 之外，絕大多數 PLC 采用的是 模塊化結構，PLC 中的 CPU、直流電源、I/O 模塊等都采用模塊化設計，由機架導軌，電纜 連接起來。 （6）接口模塊豐富 PLC 除了具有 CPU 和存儲器之外，還有很多的 I/O 接口模塊。對于工業現場的不同信 號（直交流，開關量和模塊量、電壓和電流、脈沖或電位，強電或弱電等） （7）系統設計與調試周期短 用 PLC 經行系統設計時，用程序代替繼電器硬件繼電器硬線接線，控制柜的設計安裝 接線工作量大為減少，設計和施工可同時經行，縮短了施工周期。 1.2.6 PLC 的主要功能 （1）計數控制 PLC 具有計數功能，可為用戶提供數十個到數千個定時器。 （2）邏輯開關控制 這是 PLC 最基本的功能，也是最廣泛的應用。 （3）步進控制 PLC 具有步進（順序）控制功能。 （4）定時控制 PLC 具有定時功能，可為用戶提供數十個到數千個定時器。 （5）數據處理 PLC 具有數據處理能力，可進行數據比較、數據傳送、算術運算、邏輯運算、數據轉 換，數據位移、數據顯示等功能 南昌工程學院本科畢業設計 9 （6）模擬量處理與 PID 控制 PLC 具有 A/D 和 D/A 轉換模塊，轉換的位數和精度可以根據用戶要求選擇，因此能警醒模 擬量處理與 PID 控制。 （7）通信和互聯網功能 現在的 PLC 具有 RS-232、RS-422、RS-485 或現場總線等通信接口，可經行遠程 I/O 控制，可實現多臺 PLC 聯網和通信。 1.31.3 PLCPLC 的選型原則及選型方法的選型原則及選型方法 在 PLC 系統設計時，首先應將控制系統的控制方案確定下來，這之后的下一步工作 就是確定 PLC 的工程設計選型，確定選型前應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確 控制任務和范圍確定所需的操作和動作。確定 PLC 的功能、所需存儲器容量、估算輸入輸 出點數、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 PLC 和設計相應的控制系統。 一、確定控制方案 PLC 系統設計中的第一步，就是要明確整套設備的相關信息，包括是否需要做閉環控 制，大機的機型特點，所有電機的類型，所有保護性元器件（包括低壓設備、儀器儀表及 限位等）的類型，種類，數量及其與系統的連接方式。然后結合技術規格書等的要求，確 定 PLC 系統的品牌、系列和網絡圖概況，并對 PLC 系統所需要用到的通訊方式和特殊模塊 有一個大概的考慮。 二、輸入輸出（I/O）點數的估算 通常根據統計的輸入輸出點數，I/O 點數估算時還應考慮適當的余量，所以要再增加 10%20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數估算數據。另外實際訂貨時，還需根據制造 廠商 PLC 的產品特點，對輸入輸出點數進行圓整。 三、存儲器容量的估算 程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，存儲器容量是 PLC 本身能 提供的硬件存儲單元大小，因此存儲器容量大于程序容量。設計階段，由于用戶應用程序 還未編制，因此，設計階段工程師是不知道程序容量的，只要等到程序設計完成，在程序 調試之后工程師才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，一般情況下估算存儲 器容量替代程序容量。 存儲器內存容量的估算不定，許多文獻資料中給出的公式也不盡相同，大體上都是按 數字量 I/O 點數的 12 倍左右，加上模擬 I/O 點數的 100 倍左右，以此數為內存的總字數 第 1 章可編程控制器 PLC 10 （16 位為一個字） ，另外再按估算的這個數的四分之一考慮余量。 四、CPU 的選型 選擇 CPU 首先要考慮所需的存儲器容量，必須確保 CPU 存儲器容量大于所需。其次， 對于一些大型設備，在軟件的設計上需要 CPU 有足夠的運算速度和處理能力，比如做防搖 系統，這時需要考慮采用雙 CPU 冗余系統。然后，有些 CPU 在通訊接口及支持的通訊方式 上有所不同，本著系統經濟性和可用性的考慮，選擇已集成本系統需要用到的通訊方式， 并且能支持需擴展的通訊方式的 CPU。最后，還需考慮到整機 PLC 系統的網絡布置，確保 主站和各個分站能可靠對接。 五、輸入輸出模塊的選擇 在某個項目啟動前，IO 模塊的選擇應考慮與應用要求的統一。例如對輸入模塊，應 考慮高低電平信號、傳輸信號的距離、隔離信號之間的影響等應用要求。對輸出模塊，應 考慮選用的輸出模塊類型，比如具有壽命短、使用電壓范圍廣、響應時間較長、價格低、 等特點的繼電器輸出模塊； 適用于開關頻繁， 電感性低功率因數負荷場合可控硅輸出模塊， 過載能力較差，但價格較貴也是其缺電。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出 等，與應用要求應一致。 可根據應用要求， 合理選用智能型輸入輸出模塊， 以便提高控制水平和降低應用成本。 同時還要考慮擴展機架或遠程 I/O 機架的布置等。 六、特殊模塊的選擇 常用的特殊模塊包括通訊模塊，高速計數器模塊和模擬量模塊等。 對于通訊模塊，需要考慮以下幾點： 1、整套系統主站與分站間的通訊方式 2、PLC 系統與變頻器間的通訊方式 一般不同品牌的 PLC 在以上兩點都有其常用的通訊方式，比如，在使用西門子 S7-300 系列 PLC 時，以上兩點一般采用 Profibus 網絡連接，而對于 AB 的 PLC 和變頻器，以上兩 點一般采用 Control-Net 網絡連接。 3、PLC 系統與儀器儀表的通訊方式 現在很多設備都要求檢測儀表具有通訊功能，而常用的檢測儀表一般是串口通訊，所 以需要考慮串口設備接入整套系統的方式方法。 4、PLC 系統與上位機等的通訊方式 南昌工程學院本科畢業設計 11 現在，很多設備，特別是大型設備，要求具有無線接收功能，常用的一般是無線以太 網，同時，很多設備在機上有 CMS 系統，在此情況下，PLC 系統需具備以太網通訊功能。 在某些大型設備中， 需要將增量編碼器信號直接進入 PLC 系統進行處理， 在此情況下， 需要高速計數器模塊。 在帶抓斗的機型中，還要用到模擬量模塊。有部分稱重設備和風速儀的信號，也有可 能需要用模擬量模塊接入 PLC 系統。 七、PLC 電源的選擇 一般而言，現在常用的 PLC 系統，其模塊，包括機架，都是需要電源以驅動的。對于 一些分站接口模塊其本身是具有供電能力的，而對于主站或配置不帶供電能力的分站接口 模塊的分站，均需要使用電源。PLC 電源一般有 AC220V 和 DC24V 兩種類型，可根據要求選 擇。另外，所有電源模塊或具有供電能力的分站接口模塊都是有容量限制的，在設計時， 需計算電源模塊或具有供電能力的分站接口模塊，所驅動的模塊所需電源容量之和，確保 供電容量充足。在計算容量時需注意，有些電源模塊會提供不同電壓等級的負載容量，而 PLC、輸入輸出模塊等亦對不同電壓等級均有負載容量的要求，在計算時，不僅應確保不 同電壓等級的負載容量分別滿足要求，還要確保電源模塊的總容量能滿足要求。另外，對 于 AB PLC，對于電源模塊和其所驅動模塊的位置也有要求，而對于某些 PLC，電源模塊和 CPU 模塊間需要單獨連接。 八、電池或存儲卡的選擇 為確保在斷電情況下，程序不至于丟失，在選擇 PLC 系統時，需配備電池或存儲卡。 電池一般分為插入 CPU 內和外置型兩種，對于外置型，一般需要將電池和 PLC 電源連接。 九、機架的選擇 我司常用的 PLC 系統一般都是模塊化配置，配置在一處的 PLC 模塊，有些是采用模塊 依次對接的方式來連接起來，有些則需要用到 PLC 機架。在選擇 PLC 機架時，要考慮機架 上所能布置的模塊數和機架的類型。某些 PLC，用于主站，本地擴展分站和遠程擴展分站 的機架都是不一樣的，在選擇時應注意。另外，不同的擴展方式，也會導致機架的不同， 比如考慮到經濟性，所擴展分站與主站不屬于同一系列。 十、經濟性的考慮 選擇 PLC 時，應考慮性能價格比。考慮經濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操 作性、投入產出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產 第 2 章自動飲料售貨機的系統設計 12 輸入輸出點數對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出模塊就需增加一定的費用。當 點數增加到某一數值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，因此，點數的 增加對 CPU 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在選用和估算時應充分考 慮整個控制系統使其具有較合理的性能價格比。 （1）功能方面所有 PLC 一般都具有常規的功能，但對某些特殊要求，就要知道所 選用的 PLC 是否有能力控制任務。如對 PLC 與 PLC、PLC 與智能儀表及上位機之間有靈活 方便的通信要求；或對 PLC 的計算速度、用戶程序容量等有特殊要求；或對 PLC 的位置控 制有特殊要求等。這就要求用戶對市場上流行的 PLC 品種有一個詳細的了解，以便做出正 確的選擇。 （2）價格方面不同廠家的 PLC 產品價格相差很大，其中有些功能相似、質量差不多、 I/O 點數相當的 PLC 德國西門子的價格可能是日本同類產品的 1.5 倍以上是中國同類產品 的 2 倍以上。 第 2 章 自動飲料售貨機的系統設計 2.12.1 自動飲料售貨機的控制要求自動飲料售貨機的控制要求 2.1.1 自動飲料售貨機的控制要求 （1）自動飲料售飲料機可投入 1 角、5 角、1 元的硬幣。 （2）所售飲料標價：汽水2 元，橙汁3 元。 （3）當投入的硬幣總值超過所購飲料的標價時，所有可購買飲料的指示燈均亮，作可 購買提示。 （如：當投入的硬幣總值超過 2 元，汽水指示燈亮；當投入的硬幣總值超過 3 元時，汽水、橙汁指示燈均亮） 。 （4）當汽水指示燈亮時，按選擇汽水按鈕，則排出汽水，8s 后自動停止。在這段時間 內，汽水指示燈閃爍。 （5）當橙汁指示燈亮時，按選擇橙汁按鈕，則排出橙汁，8s 后自動停止。在這段時間 內，橙汁指示燈閃爍。 （6）購買飲料后，系統自動計算剩余幣值，并根據剩余幣值提示可購買的飲料（指示 燈亮） 。 （7）若投入的硬幣總值超過所需的錢數（汽水 2 元，橙汁 3 元） ，則找錢指示燈亮,當 南昌工程學院本科畢業設計 13 按退幣控制按鈕時，退出找回的錢。用流程圖表示大致如圖 2-1 所示。 2.1.2 自動飲料售貨機的相關說明 本設計統一采用按鈕開關模擬物品選擇，另外針對找零返回用步進電機方便控制錢幣 的突出，但因本論文中對售貨機內部沒有要求故而以一秒一個脈沖，每個脈沖表示退出一 第 2 章自動飲料售貨機的系統設計 14 個錢幣。指示燈模擬物品輸出及找零如圖 2-2 示。 圖 2-2 自動飲料售貨機模擬操作面板 2.1.3 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部器件。定時器的工作過程與繼 電器控制系統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（INT） ，允許的最大值為 32767。定時器指令表見表 2-1。 表 2-1 定時器指令 語句描述 TONTON TN，PT接通延時定時器 TOFTOF TN，PT斷開延時定時器 TONRTONR TN，PT保持型接通延時定時器 南昌工程學院本科畢業設計 15 2.1.4 數學運算指令 在梯形圖中，整數、雙整數與浮點數的加、減、乘、除指令（見表 2-2）的執行方法 和指令表的具體執行過程有點區別，具體區別是分別執行下列運算： 梯形圖指令表 IN1+IN2=OUT，IN1+OUT=OUT IN1IN2=OUT，OUT-IN1=OUT IN1*IN2=OUT，IN1*OUT=OUT IN1/IN2=OUT。OUT/IN1=OUT 表 2-2 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 NT1,OUT 整數加法DIV_DI/D INT1,OUT 雙整數除法 SUB_I-I NT1,OUT 整數減法ADD_R+R INT1,OUT 實數加法 MUL_I*I NT1,OUT 整數乘法SUB_R-R INT1,OUT 實數減法 DIV_I/I NT1,OUT 整數除法MUL_R*R NT1,OUT 實數乘法 ADD_DI+D NT1,OUT 雙整數加法DIV_R/R NT1,OUT 實數除法 SUB_DI-D NT1,OUT 雙整數減法MULMUL NT1,OUT 整數乘法產 生雙整數 MUL_DI*D INT1,OUT 雙整數乘法DIVDIV INT1,OUT 帶余數的 整數除法 2.22.2 自動售貨機自動售貨機 I/OI/O 點的分配點的分配 第 2 章自動飲料售貨機的系統設計 16 輸入/輸出單元通常也稱 I/O 單元或 I/O 模塊，是 PLC 與工業生產現場之間的連接部 件。 PLC 通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數據，以這些數據作為 PLC 對被控制對象 進行控制的依據； 同時 PLC 又通過輸出接口將處理結果送給被控制對象， 以實現控制目的。 I/O 點分配表如表 2-3 示。 表 2-3 I/O 點的分配表 序號定義點符號功能 1I0.0ST0機器啟動按鈕 2I0.1ST1一角投幣識別光電開關 3I0.2ST2五角投幣識別光電開關 4I0.3ST3一元投幣識別光電開關 5I0.4SB5汽水按鈕 6I0.5SB6橙汁按鈕 7I0.6ST4找錢開關 8I0.7ST5機器停止開關 9Q0.0HL1汽水指示燈 10Q0.1HL2橙汁指示燈 11Q0.2YV1汽水電磁閥 12Q0.3YV2橙汁電磁閥 13Q0.4YA找錢執行機構 14Q0.5HL3找錢指示燈 15Q0.6控制步進電機找錢一元（無數據 南昌工程學院本科畢業設計 17 不用脈沖指令控制） 16Q0.7 控制步進電機找錢五角（無數 據不用脈沖指令控制 17Q1.0 控制步進電機找錢一角（無數 據不用脈沖指令控制 2.32.3 自動售貨機的外部接線圖自動售貨機的外部接線圖 自動售貨機的外部接線圖如圖 2-4 示連接， 圖 2-4 售貨機的 PLC 硬件接線圖 2.42.4 自動售貨機梯形圖的編寫自動售貨機梯形圖的編寫 2.4.1 梯形圖 梯形圖是用的最多的 PLC 圖形編程語言。梯形圖類似于傳統繼電氣控制系統中常用的 電氣圖形表達符號，比如接觸器、繼電器等。PLC 常用編程語言與電器控制線路圖相似， 如圖 2-3 示。 繼承了傳統電器控制邏輯中使用的邏輯運算方式、 輸入輸出和框架結構形式， 具有直觀、形象、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 PLC 第 2 章自動飲料售貨機的系統設計 18 應用最廣泛的編程語言，是編程人員選擇的第一編程語言。 圖 2-3 傳統繼電器控制線路圖和 PLC 梯形圖 a 傳統繼電器控制線路圖b PLC 梯形圖 在梯形圖中，有兩根豎直的直線，被稱為母線，現在很多 PLC 只保留了左邊的母線， 而把右邊的母線略去不寫。 在梯形圖中引入了“能流”的概念。左邊的母線就如電源的 “正 極” ，而右邊的母線就如電源的“負極” 。如果有“能流”從左至右流向線圈，則線圈被激 勵。如果沒有能流，則線圈未被激勵， “能流”在任何時刻都不會通過接點自右向左流。 2.4.2 自動售貨機設計的梯形圖 本論文設計自動售飲料貨機主要銷售汽水和橙汁兩種飲料，輔以想象日常生活中購買飲料 的流程，設計出本梯形圖。 （見程序圖） 南昌工程學院本科畢業設計 19 結語 經過一段時間的設計，考慮各種情況的調試，體會了系統設計的不易，其中要在明 確其基本功能的基礎上預防各種有意或無意的設計漏洞 ，此時需要嚴密地思考和設計， 通過種種特定條件的考驗查找其中的漏洞，這樣才會對所設計的對象有更加深刻的認識， 是理論設計聯系系統具體工作實際的一次很好的鍛煉，它同時使我們在不斷思考與嘗試中 發散了思維，在一遍遍苦苦調試不斷改進與進步之余也體驗到了其中的樂趣。 比如按照設計要求實現了當投入的硬幣總值超過 2 元時，汽水按鈕指示燈亮；又當投入的 硬幣總值超過 3 元時，汽水及果汁按鈕指示燈都亮。當汽水按鈕燈亮時，按汽水按鈕，則 汽水排出 8 秒后自動停止，這段時間內，汽水指示燈閃動（閃 0.5s,滅 0.5s） 。當橙汁 按鈕燈亮時，按橙汁按鈕，則橙汁排出 8 秒后自動停止，這段時間內，橙汁指示燈閃動 （閃 0.5s,滅 0.5s） 。 若投入硬幣總值超過按鈕所需的錢數（汽水 2 元，橙汁 3 元）時， 找錢指示燈亮，購貨完畢后，按下找錢按鈕，找錢動作，并退出多余的錢。找錢完畢后， 找錢指示燈滅。找錢由三個出幣電機帶動（一角、五角元、一元） ，找錢應按照最快捷的 方式進行，如找 2.7 元=一元2+五角1+一角2,用對應出幣電機閃 0.5s,滅 0.5s 來 表示出幣。 同時實現了在有購買力的情況下，一次交易可任由顧客選擇可以買多次 不同的飲料，在排出汽水的過程中可以買橙汁，反之也行，且在這期間可以取出余額。但 在售貨機出幣過程中不能再次購買，因為售貨機找錢動作一啟動就按其計算好的對應面值 貨幣個數出幣，在這一過程中飲料指示燈可能有一段時間亮著，一旦再有購買請求信號售 貨機仍會接受請求并相應的，這樣很可能出現誤動作，故應在找錢動作時切斷購買請求通 路，使得再次按下相應買飲料按鈕無效；應該把出飲料信號作為扣除顧客消費額的啟動信 號，以防買多瓶直到余額不足時出現最后一瓶扣錢不出飲料此時先扣錢，發現余額不 足就不再出飲料了，與此同時相應飲料指示燈也熄滅了，提醒顧客不能購買了，這樣相當 于多扣了一瓶飲料的錢，不過這很容易發