自动售货机的plc系统设计本科毕业论文(编辑修改稿)

自动售货机的plc系统设计本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

统器件数大大减少，并且在硬件和软件的设计制造过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，所以具有很高的可靠性。 PLC 控制系统平均无故障时间可达 2 万小时以上。 高可靠性是 PLC 成为通用自动控制设备的首选条件之一。 2） 编成简单、使用方便 PLC 的编程采用类似继电控制系统电器原理的梯形图，用串联、并联、定时、计数等人们所熟悉的概念，使计算机语言大众化，只要是比较熟练的电工和熟悉工业知识的人在几天内就能学会， 这 是 PLC 得到推广的重要原因之一。 3） 通用性好，具有在线修改能力 PLC 的硬件采用模块化结构，可以灵活的组态以适应不同的控制对象、控制规模和控制功能的要求，给组成各种系统带来极大的方便。 同一台 PLC装置用于不同受控对象时 ,只是输入输出组件、功能模块和应用软件不同。 同时， PLC 控制系统中的控制电路是由软 件 编程完成的，只要对应用程序进行修改就可以满足不同的控制要求，因此 PLC 具有在线修改能力，功能易于扩展，给生产带来了“柔性”，具有惯犯的工业通用性。 4） 设计、施工、投产试制周期 短 ，维护容易 目前 PLC 产品已实现了系列 化、标准化，正朝着通用化方向发展，设计人员只需要根据控制系统的需要，选用相应的模块进行组件设计。 同时，用软件编程代替了机电控制的硬连线，大大的减轻了繁重的安装和接线工作，这不仅提高了可靠性，还极大的缩短了施工周期。 PLC 还具有故障检 洛阳理工学院毕业设计（论文） 6 测及显示的功能，使故障处理时间可缩短为 10 分钟，对维护人员的技术水平要求也不太高。 5） 体积小 由于采用了微型计算机技术，使 PLC 达到了小型和超小型化，很容易装入机械设备内部，便于实现机电一体化。 由于上述特点， PLC 作为通用自动控制设备，可用于单一机电设备的控制也可用于工艺过程 的控制，而且控制精度相当高，操作简便，又具有很大的灵活性和可扩展性，使得 PLC 的应用越来越广泛。 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。 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 [5]。 PLC 的循环扫描工作 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 21 所示 [6]。 （ 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 洛阳理工学院毕业设计（论文） 7 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。 用户输入设备输入锁存器输入端子输入映像寄存器程序执行输出映像寄存器输出锁存器输出端子用户输出设备读写输 入 刷 新 输 出 刷 新程 序 执 行一 个 扫 描 周 期 图 21 PLC 的扫描全过程 PLC 的扫描周期及两种工作状态 PLC 有两种基本的工作状态，即运行（ RUN）状态与停止（ STOP）状态。 运行状态 是 执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的修改与编制。 但是在两 个不同的工作状态中，扫描过程所要完成的任务是不尽相同的。 图 22 给出了运行和停止两种状态 PLC 不同的扫描过程 [7]。 通 信 操 作输 入 处 理程 序 执 行输 出 处 理内 部 处 理停 止 运 行 图 22 运行和停止状态时 PLC 的扫描过程 洛阳理工学院毕业设计（论文） 8 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） [8]。 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 23 所示： 存 储 器系 统程 序用 户程 序数 据编 程 器中 央 处 理 器（ C P U ）外 部设 备接 口输 入接 口I / O 扩展 接 口输 出接 口 图 23 PLC 硬件结构图 洛阳理工学院毕业设计（论文） 9 第 3 章 自动售货机的设计 西门子 S7200 PLC 特点 机械结构特点 （ 1） 体积小 （ 2）重量轻 （ 3） DIN 导轨安装和安装孔 电器结构特点 （ 1） 免维护性；（ 2）内配 24V/180mA 或 280mA 直流；（ 3）灵活中断输入；（ 4）便于扩展 ；（ 5）机内配有高速计数器， CPU212 为 2kHz 加 /减计数器， CPU214~CPU216 有两个独立 7kHz 高速计数器；（ 6）模拟电位器外部设定 ；（ 7） CPU214 还有脉冲输出、实时时钟等功能。 S7200 系列PLC 大致上由中央处理器（ CPU）、存储器、电源、输入 /输出单元和通信接口五部分组成 ，如下图 31 所示 [9]。 C P U存 储 器电 源输入单元输出单元通 信 接 口 图 31 S7200 PLC 的组成 自动售货机设计软元件 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）， 洛阳理工学院毕业设计（论文） 10 允许的最大值为 32767[10]。 定时器指令表见表 31。 表 31 定时器指令 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 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 32）分别执行下列运算： IN1+IN2=OUT， IN1IN2=OUT， IN1*IN2=OUT，IN1/IN2=OUT。 表 32 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 MUL MUL INT1,OUT 整数乘法产生双整数 MUL_DI *D NT1,OUT 双整数乘法 DIV DIV INT1,OUT 带余数的整数除法 洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 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[11]。 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 32），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、香烟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 元， B 商品为 元。 现投入 1 个 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。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 投 币 状 态初 始 状 态购 买 状 态是 否 有 剩 余 ?退 币 状 态投 入 硬 币按 下 选择 按 钮N按 下 退币 按 钮Y 图 32 自控售货机工作流程图 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。 本次自动售货机 选用的 CPU 的类型为 S7200 CPU224， 14 个输入（ ~， ~）、 10个输出（ ~， ~）， I/O 点的分配如表 33 所示 [12]。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 表 33 自动售货机 I/O 点的分配表 序号 定义点 符号 功能 1 SB1 找零按钮 2 SB2 汽水 元按钮 3 SB3 咖啡 元按钮 4 SB4 投 元硬币 5 SB5 投 元硬币 6 SB6 投 元硬币 7 SQ7 汽水 元行程开关 8 SQ8 咖啡 元行程开关 9 出 元汽水 10 出 元咖啡 11 汽水 元绿灯（可以购买） 12 咖啡 元绿灯（可以购买） 13 汽水 元红灯 (物品售完 ) 14 咖啡 元红灯 (物品售完 ) 15 找零 元 16 找零 元 17 找零 元 顺序功能图 (SFC) 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 33 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 [13]。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 步 2步 1步 3动 作 1转 换 1转 换 2动 作 2 图 33 顺序功能示意图 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 ，它 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。