1、一种基于 PLC 的多配方饮料自动售货机控制系统的设计 吴杰伟 丁炜程 钦州市特种设备检验所 摘 要： 提出一种基于 PLC 的多配方自动售货机控制系统的设计及实现方法。首先, 基于多配方自动售货机的功能和控制要求, 提出控制系统的总体方案设计。接着, 简单介绍控制系统的硬件选型, 包括 PLC、液位检测和硬币识别等模块的选型。然后, 重点介绍控制系统的软件设计过程, 包括投币子程序、果汁比例选择子程序、液位检测报警子程序和退币找零子程序等。最后, 介绍基于组态王软件的上位机监控界面设计过程, 并结合所设计的控制系统进行在线仿真调试和测试, 其仿真结果表明, 控制系统满足所设计的功能要求, 具
2、有良好的可靠性和稳定性。关键词： 自动售货机; PLC; 组态王; 仿真; 作者简介：吴杰伟 (1989-) , 男, 广西贵港人, 助理工程师, 从事机电类特种设备检验工作。自动售货机是根据投入或支付的钱币自动付货的机器, 具有不受交易时间和地点的限制, 可以大大地节省人力资源, 占地面积小, 且可以 24 小时为人们提供服务, 因此又被称为 24 小时营业的微型超市1-4。随着科技的发展和社会的进步, 自动化商业机械有了越来越广泛的应用, 自动售货机作为自动化商业机械的代表被广泛用于公共场所自动售货, 给人们的生活带来了极大的方便5,6。与发达国家相比, 我国自动售货机人均拥有率还很低,
3、现有自动售货机的运营也存在许多问题, 如机器运转故障严重、投币后机器取货“不吐币或退币、不找零”、街头许多自动售货机屡遭破坏、故障排除不及时、缺货现象频发、销售商品价格偏高等7,8。另外, 我国自动售货机主要依赖人工巡视补货检查, 通过“边补货、边检查”的方式来跟踪其运行情况9。人工巡视补货检查效率低, 销售商品有无需要开机检查, 巡视间隔也受人工成本的限制, 不能及时发现问题10,11。本文设计基于 PLC 的多配方饮料自动售货机控制系统。首先, 介绍了系统的硬件和软件构成。然后, 重点探讨了控制系统的软件设计和实现过程, 同时介绍了基于组态王的上位机监控画面的设计, 最后, 通过在线仿真实
4、验, 验证控制系统的可行性。1 系统总体方案拟设计一款可根据自身口味来选择果汁搭配比例的自动售货机控制系统。包括自动饮料售货机控制系统的控制功能分析、硬件构成和软件架构, 最后通过组态软件设计的上位机监控系统完成与 PLC 的在线仿真实验, 验证系统的设计功能、可靠性和稳定性。1.1 自动饮料售货机功能及需求分析(1) 可识别 1 角、5 角和 1 元三种面值的硬币。(2) 提供苹果汁, 梨汁和西瓜汁三种饮料, 每种饮料可按 10%增量比例任意搭配, 三种果汁价格分别设置为 3 角、4 角和 5 角。要求三种果汁比例累加和不超过 100%, 设每 10%的果汁排出时间设置为 1S。(3) 消费
5、者购买流程:先选所需购买果汁的比例搭配, 然后投入硬币, 当投入钱币大于或等于选择果汁所需钱数, 所选择的果汁指示灯点亮。当相应的果汁指示灯亮时, 按下排果汁按钮, 则排出果汁, 等待相应时间后电磁阀关闭并完成果汁的一次排放过程。排果汁期间, 其指示灯进行 0.4S 间隔闪烁。完成消费之后, 系统自动计算投入的钱数是否有剩余, 若有剩余, 退币指示灯点亮, 消费者按下退币按钮时, 系统退出剩余的钱。消费者整个购买流程如图 1 所示。图 1 购买流程图 下载原图1.2 控制系统的主要功能(1) 自动售货机的参数采集与处理:根据消费者购买意愿, 做出相应的动作, 并且对饮料罐内的饮料液位和排出果汁
6、的流量等参数的采集处理和控制。(2) 逻辑控制:通过逻辑顺序控制来实现多配方饮料自动售货机相关设备的操作和动作。(3) 自动售货机实时监控:通过组态软件编写的上位机软件对自动饮料售货机实时动态和消费者的购买过程进行监控。1.3 控制系统构成控制系统组成如图 2 所示, 分为基于组态王的上位机监控系统和基于 PLC 的下位机控制系统两部分。上位机监控系统主要由按钮控件、状态信息显示和各类指示灯构成, 可实现对控制系统的控制和信息监控功能。PLC 控制系统分为 PLC主控单元、输入检测和输出响应三个模块, 其中输入检测模块负责对用户的操作或者其它相关输入信息的实时检测, 如硬币识别、液位监控等。P
7、LC 主控单元是整个控制系统的大脑, 负责系统的运算和逻辑控制。输出响应模块主要是对输入检测模块的输入信息进行相应处理, 如排出果汁控制、退币处理等。图 2 控制系统框图 下载原图2 硬件系统构成2.1 硬件选型(1) PLC:采用 CPU 型号为 224CN 的西门子 200 系列 PLC, PLC 通过扫面运行程序来实现用户任务。PLC 对用户程序进行循环扫描可以分为三个阶段:输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段, 用户程序扫描工作过程如图 3 所示。图 3 用户程序扫描工作过程 下载原图(2) 流量控制模块设计:采用直动式电磁阀作为流量控制阀, 并使用定时器设置来控制饮料的排量。(3
8、) 硬币识别模块设计:拟采用电涡流传感器来检测硬币的面值, 可以根据检测硬币材料、磁导率和厚度等参数分辨不同硬币的特征振荡频率, 从而测出硬币的面值。(4) 液位检测模块设计:拟采用侧装式浮球开关作为液位检测开关, 可直接接入数字量输入模块。2.2 自动售货机的外部接线图自动售货机的外部接线图, 如图 4 所示。图 4 外部接线图 下载原图3 自动饮料售货机的 PLC 程序设计多配方饮料自动售货机控制系统的程序设计采用西门子 Step7 Micro Win v4.0软件进行, 自动售饮料货机主要销售苹果汁、梨汁、西瓜汁三种果汁饮料, 根据主流的购买过程, 分为五个阶段: (1) 投币阶段; (
9、2) 选择比例阶段; (3) 排出果汁; (4) 退币阶段; (5) 果汁下限报警。3.1 投入币值子程序设计当自动饮料机在启动的状态下, 投入 1 角、5 角、1 元硬币时, 其对应的硬币感应器 I0.1、I0.2、I0.3 由断开变接通, 其对应的加法计算执行VW10、VW12、VW14 分别加上 VW20, 把结果存于 VW20 中, 每次累加运算后的结果作为寄存器的当前值, 钱数是以“角”为计算单位, 其梯形图如图 5 所示。图 5 投币程序 下载原图3.2 饮料比例选择子程序设计购买果汁时首先选择购买的比例, 且限制选择比例的总和不超过 100%。每按一次比例选择按钮, 则比例就增加
10、 10%, 并存于各自的寄存器 (苹果汁:VW30、梨汁 VW32、西瓜汁 VW34) , 同时将寄存器中的果汁比例值作为自身定时器的设置值的参考 (每一秒中排出果汁 10%) 。然后计算购买果汁所需的总钱数 (寄存器 VW48) , 与投入的钱数 (VW20) 作比较, 当投入钱数大于或等于所需钱数时, 所选择的果汁指示灯亮, 其苹果汁部分梯形图如图 6 所示。图 6 苹果汁比例选择程序 下载原图3.3 饮料排出子程序设计按下果汁 (苹果汁、梨汁、西瓜汁) 按钮进行排出果汁过程中, 相应的果汁指示灯闪烁, 排出果汁的时间为选择比例时所对应的时间。排出果汁后减去相应的钱数, 其梯形图如图 7
11、所示。图 7 排出饮料程序 下载原图3.4 找零子程序设计当自动饮料售货机启动时, 退币动作有 3 种情况:(1) 在顾客买完果汁后, 系统会自动算出余额, 系统会自动把钱币推给顾客, 数据清零。(2) 当投入钱币后, 60 秒内不进行任何操作, 系统会自动把钱币推给顾客, 数据清零。(3) 在顾客投入钱币后突然不想购买饮料, 按下退币按钮, 系统会自动把钱币推给顾客, 数据清零。退回余额面值是从大到小退币, 如果余额大于 1 元, 则先退 1 元再退 5 角;如果小于 5 角则直接退 1 角, 退回余额后, 复位, 其梯形图如图 8 所示。图 8 退币程序 下载原图3.5 果汁下限报警子程序
12、设计当果汁的液位降到低限液位时, 那么由液位开关感应产生报警信号, 为了避免在顾客在购买时, 突然没有果汁, 所以本系统设计的下限液位是预留 100%的果汁, 当液位开关收到信号时, 定时器开始计时, 定时时间设为 10S, 即 100%果汁排出的时间。这样就可以防止购买期间没有果汁的情况。定时时间一到, 则下限报警指示灯亮, 告知顾客没有果汁。其梯形图如图 9 所示。图 9 下限报警程序 下载原图4 组态画面的设计采用亚控公司的组态王 kingview6.55 进行上位机监控界面的开发, 实现对整个生产过程进行数据分析、管理和监控。它可以向用户显示可视化的监控画面, 用户能够直观地看到实时的
13、画面监控。4.1 变量定义及数据词典建立通过建立与软继电器相关联的变量实现对 PLC 控制的画面监控。要定义的变量可分为两部分, 一个是组态王内部变量, 另一个是数据库变量。(1) 中间变量:内部变量是可以作用于全部的应用程序, 并不仅仅局限在一个窗口。它是临时的变量, 没有系统的数据源。可以用到临时结果的保存。(2) 数据库变量:如果想要将经过 PLC 运算执行的结果显示时, 就必须建立一个对应的数据库变量, 数据库变量就是一个点参数。它和内部中间变量一样, 也可以作用于全部的应用程序。(3) 建立数据词典:数据词典是画面动画的重要环节, 在数据词典中创建和 PLC中相关的变量名, 以使这些
14、变量名的参数值与链接的 I/O 设备 PLC 进行数据的实时交换, 这样组态画面就能够实时的监控。4.2 组态画面设计在建立好新 I/O 设备和设置变量后, 就可以根据具体的控制要求设计画面, 在设计过程中, 要尽量的按照实际的自动饮料机设计, 更能直观地体现画面监控效果, 图 10 为所设计的 PLC 的多配方饮料自动售货机的组态画面。设计完组态画面后, 就是进行设备动画关联的步骤, 即关联与 PLC 对应的 I/O 点与寄存器。图 1 0 自动售货机的组态画面 下载原图5 系统的仿真与调试采用的是西门子 S7-200 的仿真软件和组态王监控软件进行系统仿真验证, 根据输入和输出的关系, 操
15、作仿真软件或者通过组态界面的开关量操作, 观察 PLC的输出情况。测试步骤和内容描述如下:(1) PLC 一上电, 初始化状态是把钱币的对应值传送到各自的寄存其中如图 11所示。图 1 1 初始化 下载原图(2) 在选择比例时, 当按下苹果汁比例选择按钮 I0.4, 则对用的比例寄存器VW30 加 10, 对应的是 10%的苹果汁, 此次测试是选择的果汁比例分别是苹果汁40%、梨汁 30%、西瓜汁 30%, 则总的钱数为 3.9 元钱, 投入的钱数为 4.5 元, 并显示在组态画面上, 此时, 退币指示灯亮, 有选择到的果汁指示灯亮, 即三种果汁指示灯都亮, 如图 12 所示。图 1 2 比例
16、选择测试 下载原图(3) 在购买完果汁后, 按下退币按钮 I0.0, 则退币系统自动计算余额, 统计各个硬币面值的个数。由于选择的 PLC 点数不够, 退币电机没有显示, 此结果只显示各个硬币面值的个数, 调试结果如图 13 所示。经过仿真测试可知, 所设计出的多配方饮料自动售货机实现了所要求的功能, 满足设计的需要。图 1 3 退币测试 下载原图6 结束语利用 PLC 和组态软件设计了多配方饮料自动售货机控制系统, 实现对购买过程重要参数的实时监控, 售货机运行稳定。利用程序中的定时器特点和硬件的特性, 实现了“多配方”的设计。系统通过液位传感器精确检测饮料罐中的液位, 判饮料的有无, 保证
17、系统正常运行。在对饮料自动售货机自动控制系统分析, 完成了样机的设计, 并进行了样机的仿真调试。基于 PLC 和组态软件的多配方饮料自动售货机控制系统实现了功能有:(1) 对所投入的硬币进行识别;(2) 对饮料箱里面的饮料液位进行采集、处理和控制;(3) 通过组态软件对自动售货机的画面、参数进行实时监控;(4) 根据个人不同的口味选择不同比例的饮料。参考文献1余世明, 晁岳磊, 缪仁将.自动售货机研究现状及展望J.中国工程科学, 2008, 10 (7) :51-56. 2自动售货机的前世今生J.大众科学, 2013 (8) :28-29. 3包西平.基于 PLC 的自动售货机控制系统设计J.
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