PLC课程设计：自动贩卖机

摘要
本论文设计的是基于三菱FX2N系列PLC构成的自动售货机监控系统，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，对基于三菱FX2N 系列PLC构成的自动售货机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，文中采用的是三菱FX2N的梯形图编译软件FXGPWIN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；梯形图；I/O点的分配
目录
摘要 0
第1章绪论 (3)
1.1 自动售货机的理论背景与实际意义 (3)
1.2 自动售货机的主要内容 (4)
1.3 自动售货机的设计思路 (4)
第2章 PLC概述 (5)
2.1 PLC的定义 (5)
2.2 PLC的简介 (5)
2.3 PLC的工作原理 (5)
2.4 PLC的工作方式 (6)
2.5 PLC的硬件组成 (7)
2.6 PLC的编程语言 (8)
2.7 PLC的特点 (8)
第3章自动售货机的设计 (9)
3.1 系统的硬件设计 (9)
3.1-1 PLC的选型 (9)
3.1-2 I/O分配表 (9)
3.1-3 PLC的外部接线图 (10)
3.2 系统的软件设计 (11)
3.2-1 主程序流程图 (11)
3.2-2 投币、显示子程序流程图 (12)
3.2-3 比较币值子程序流程图 (13)
3.2-4 饮料选择子程序流程图 (13)
3.2-5 退币子程序流程图 (14)
3.3 程序梯形图 (15)
3.3-1 主程序梯形图 (15)
3.3-2 判键、显示子程序P1及比较币值子程序P2 (16)
3.3-3 饮料选择子程序P3 (17)
3.3-4 退币子程序P4 (18)
第4章仿真与调试 (19)
4.1 GX Developer的特点 (19)
4.2 程序的仿真过程与步骤 (20)
第五章总结 (23)
参考文献 (23)
第1章绪论
1.1自动售货机的理论背景与实际意义
自动售货机是一种全新的商业零售形式，20世纪70年代自日本和欧美发展起来。

它又被称为24小时营业的微型超市。

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。

在中国,自动售货机1999年开始进人中国市场．如今，在机场、地铁、商场、公园等客流较大的场所，已不难发现自动售货机的身影。

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
它的售货领域非常广泛，是发达国家商品零售的一种主要方式。

近几年，自动售货机逐渐被越来越多的消费者所接受。

但由于售货机分布零散、范围广阔的特点，自动售货机在为消费者带来方便的同时，也为经营者在监控、管理、维护等方面带来很大的不便。

目前售货机运行的各种情况都需要由人工判断，包括缺货、缺零钱、币箱已满、售货机机械故障等，经营者普遍采用人工定时巡回视察的管理办法，既费时费力，又无法及时准确获取自动售货机状态报告，给经营者增加了管理成本和难度，也有可能给消费者的正常消费造成不便。

本系统的设计和实现可以使自动售货机的经营者可以根据网络统计的销售状况进行商品销售状况分析，预测商品的销售走势，确定合理的采购和配送策略，以期获得最高的投资回报率。

同时售货机的一些故障信息和警报信息可以实时的传送到相应运营人员，从而可以在第一时间内发现并解决问题。

1.2 自动售货机的主要内容
1 本次自动售货机可以投入1元、5元、10元。

2 自动售货机贩卖的饮料共有3种，分别为汽水、花茶、咖啡。

如果顾客投入的币值超过12元，只可以选择汽水；如果顾客投入的币值超过15元，就可以选择汽水和花茶2种；如果顾客投入的币值超过20元，那么汽水、花茶、咖啡3种饮料都可以选。

3 当一种饮料可以选择时，对应的指示灯会亮，表示此类饮料可以选择购买。

4 当按下饮料的选择按钮时，对应的饮料指示灯会闪烁3秒，表示此类饮料已经被选中。

5 如果顾客不再想买物品，只需要按下退币键，自动售货机就会自动退出余额。

如果余额超过10元，自动售货机会先退10元，在退1元。

如果余额小于10元，自动售货机直接退1元。

1.3 自动售货机的设计思路
这次设计的题目是自动售货机，主要是采用三菱公司生产的FX2N系列PLC的梯形图来进行程序设计，并简单的介绍相关的专业知识。

如： PLC的定义、PLC的编程语言、PLC的硬件组成等。

根据设计内容和控制要求画出顺序功能图和梯形图，再根据PLC的相关知识设计出它的外部接线图，结合梯形图和外部接线图分析说明该设计的控制原理过程。

本次设计的主要内容在第三章的设计部分，即自动售货机的梯形图程序的设计。

首先根据设计内容和控制要求来画出流程框图，然后根据流程框图来进行程序的编写。

第2章PLC概述
2.1 PLC的定义
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。

2.2 PLC简介
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。

2.3 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。

2.4 PLC 的工作方式
PLC 的工作方式为循环扫描工作方式。

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
2.5 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
2.6 PLC的编程语言
PLC为用户提供了完善的编程语言来满足编制用户程序要求。

它提供的编程语言通常有以下5种：梯形图（LAD）、语句表（STL）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）和结构文本（ST）。

2.7 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。

第3章自动售货机的设计
3.1 系统的硬件设计
3.1-1 PLC的选型
输入口有7个，分别是3个投币口对应的光电耦合开关，汽水、花茶、咖啡对应3个饮料的按钮选择键以及1个退币键。

其中投币口的工作原理是：正常情况下光电耦合开关是闭合的，当其中一投币口有硬币投入是会切断关电耦合开关，产生一个脉冲信号，以这个脉冲信号作为PLC输入的开关信号。

输出口有13个，其中Y0~Y7接四位共阴极数码管，Y10~Y12对饮汽水，花茶，咖啡的指示灯，Y13对应10元退币的指示灯，当退币一次，灯就闪烁一次，Y14对应1元退币的指示灯。

考虑到负载电流较小，且为直流，所以选择晶体管输出型比较适合。

综上分析，且考虑到一定的I/O裕量，选择的PLC类型为FX2N-24MT型
3.1-2 I/O分配表
3.1-3 PLC接线图
PLC接线图(1)
3.2 系统软件设计
3.2-1 主程序流程框图
程序整个流程分为判断投币，比较总币值，选择饮料种类，退币等部分。

若没有人投币，则程序一直在调判键子程序，等待按键。

一旦有键按下，则程序向下走，调显示，比较币值子程序，选择饮料子程序，退币子程序。

投币、显示子程序：投币、显示子程序首先是判断有没有键按下，如果有键按下，就将对对应键的币值存入到D0中,若投入的是 1元，D0就加1；若投入的是5元，D0就加5；若投入的是10元，D0就加10。

D0内存储的就是总的币值的大小。

并且将D0内的数值显示在4位共阴极数码管上。

若D0内容大于或等于12，则汽水指示灯亮；若D0内容大于或等于15，则花茶指示灯亮；若D0内容大于或等于20，则咖啡指示灯亮。

3.2-4 饮料选择子程序流程框图
选择饮料子程序首先判键，若按下汽水按钮，则汽水指示灯闪3秒，且D0减12；若按下花茶按钮，则花茶指示灯闪3秒，且D0减15；若按下咖啡按钮，则咖啡指示灯闪3秒，且D0减20；
退币的值通过10元、1元退币指示灯闪烁的次数来表示。

3.3 程序梯形图
3.3-1 主程序梯形图
通过主控指令将主程序部分与判键部分分开，如果没有键按下，则程序一直在判键；如果X0~X2有键按下，M50接通，主控指令运行，开始执行主程序，分为判键,显示子程序P1；比较币值子程序P2；选择饮料子程序P3;退币子程序P4。

3.3-2 判键、显示子程序P1及比较币值子程序P2
若X0按下，D0加1；若X1按下，D0加5；若X2按下，D0加10。

比较币值子程序是将D0的内容分别与12，15，20比较。

若D0的内容大于或等于12，则汽水指示灯Y010亮，表示可以选择汽水；若D0大于或等于15，则花茶指示灯Y011亮；若D0大于或等于20，则咖啡指示灯Y012亮。

3.3-3 饮料选择子程序P3
若X3按下，D0内容减12；若X4按下，D0内容减15;若X5按下，D0内容减20。

同是用辅助继电器M55来控制主控指令，这个主控指令是用来避免双线圈Y010,Y011,Y012。

当X3~X5有键按下，则辅助继电器M55得电，主控指令运行。

即有饮料选择键按下时，对应的指示灯闪烁3秒。

3.3-4 退币子程序P4
先将D0的内容转换为BCD码存到D2中，再比较D0的内容是否大于或等于10。

若D0的内容大于10，根据要求，首先是先退10元，再退1元。

所以先将十位个数分离出来，在将个位个数分离出来。

将D2与H00F0相与，屏蔽低4位和高8位后再存到D3中，在将D3右移4位，此时D3的内容就是十位的个数，将D3作为10元退币指示灯的闪烁次数。

再将D2与H000F相与，只保留低4位，存于D5中，将D5做为1元退币指示灯的闪烁次数。

若D0的内容小于10，将D0内容存于D5，将D5作为1元退币指示灯的闪烁次数。

第4章仿真与调试
GX Developer是三菱PLC的编程软件。

适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控置七支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。

4.1 GX Developer的特点：
1. 软件的共通化GX Developer能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU））,FX系列的数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。

此外，选择FX系列的情况下，还能变换成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式的文档。

2. 利用Windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将Excel,Word等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。

3. 程序的标准化(1) 标号编程用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。

用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。

(2) 功能块（以下，略称作FB）FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。

把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。

此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。

(3) 宏只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。

4. 能够简单设定和其他站点的链接由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。

5. 能够用各种方法和可编程控制器CPU连接(1) 经由串行通讯口(2) 经由USB (3) 经由MELSECNET/10(H)计算机插板(4) 经由MELSECNET(Ⅱ)计算机插板(5) 经由CC-Link计算机插板(6) 经由Ethernet计算机插板(7) 经由CPU计算机插板(8) 经由AF计算机插板
6. 丰富的调试功能(1) 由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。

(a) 没有必要再和可编程控制器连接。

(b) 没有必要制作条使用的顺序程序。

(2) 在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。

(3) 数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，
所以数据制作的时间能够大幅度缩短。

4.2 程序的仿真过程与步骤
通过GX Developer对用FXGPWIN编程软件编写的程序进行仿真与调试，GX Developer编程软件是比FXGPWIN更高级的一种编程软件，所以可以兼容FXGPWIN编写的程序。

向GX Developer软件导入梯形图程序，然后通过软元件测试界面强制置ON 或强制置OFF来控制开关量。

工作界面如下图：
图（1）
通过软元件测试界面向模拟开关量X002和X001，让X002通断4次表示投入40元；让X001通断1次，表示投入5元，合计45元，存在存储器D0中
图（2）
然后是选择饮料，没选择完一种饮料就会用总的金额减去该饮料的价钱，再存储到D0中。

此次访真强制置ON X005表示选择的是花茶，价格为20元，那么总的金额45减去20元，余额为25元存在D0中。

图（3）
按下退币键后，系统会退出余额。

通过软元件测试界面强制置ON X006，表示退还余额。

此时D0中的余额为25元，所以先退还10元数目，在退还1元数目。

由图中可知，D0中为余额，D1为屏蔽低4位和高16位，D2为D0的内容转换为BCD码，D3为10元数目，由于余额是25元，所以D3中为2
图（4）
退完20元后还有5元，下面为退5元的仿真图
图（5）
第5章总结
通过这次课程设计让我对PLC设计的整个流程有了初步的了解，同是也让我对独立完成一个项目有了一个认识。

在这次的课程设计的制作过程中，我对PLC 的指令有了更加深刻的认识，拓宽了我的编程思路，同是也发现了很多的不足。

就拿程序来说，刚拿到控制要求时就把整个思路定好了，接着就是一口气把程序编好，可是这其中存在的许多问题在当时发现不了，等到去了实验室调试的时候才发现了许多漏洞和不对的地方。

根据要求退币时，如果大于10元，要先退10元再退1元，可是我的程序只实现了当大于10元时只退10元，却不退1元，后来经过修改才可以。

还有双线圈等问题，都是编程时容易忽视的问题。

通过这次课程设计让我积累了经验，可是本次设计还存在一些不足之处，还请各位老师指正。

参考文献
[1]熊辛明.电气控制与PLC【M】.北京：机械工业出版社，2011.1。