毕业设计论文基于PLC的自动售货机监控系统设计

毕业设计（论文）--基于PLC的自动售货机监控系统设 计

基于PLC的自动售货机监控系统设计

摘要

随着当前城市规模的增大，很多公共场合都放置有自动售货机，极大的满足

了人们的即时性需求，为人们进行简单物品的采购提供了一种便利。传统的自动

售货机多采用单片机控制方案，系统硬件设计复杂，抗干扰能力相对较差，很难

保证系统的可靠性和稳定性，维护维修困难。本文设计一套基于PLC的自动售货

机控制系统，阐述了自动售货机的发展背景与前景，详细分析其功能和特点，提
性的选用了集成键盘、显示、设置功能的控制面板；以三菱FX2N-48MR型PLC 为

主控制器，基于FXGP/WIN-C编程软件，采用顺序控制的程序设计思路，设计了

系统控制程序，包括投币程序、比较选择购买程序和退币程序。该设计提高了自

动售货机的可靠性和执行效率，且系统维护容易，维修简单，有一定的市场推广

价值。

Basedon PLC automatic vending machine system design

ABSTRACT

Thepresent paper design was by the microcomputer - PLC constitution

automatsupervisory system, this article elaborated automat and the

development,as well as it in the domestic and foreign development present

situation,the characteristic as well as the principle of work basically,

tocarried on a more careful elaboration by the microcomputer - PLC

constitutionvending machine system overall design process.

ChoosesPC machine in the design to take the host workstation on

positionmachine, the lower position machine uses PLC to make the

controller, three PLC controllers respectively be from theworkstation

completedthe PLC exterior wiring diagram. In the article has manufactured

onthe position machine user management contact surface.

Thepresent paper key point places the PLC various hardware part the

designand the introduction, the PLC trapezoidal chart Defers to in the

overalldesign process “asks the question, the analysis question, solves

theproblem” the guiding ideology, has made the careful elaboration to

theoverall system design work.

KEYWORDS: the vending machine, Programmable controller,Ladder

diagram

目录

前言1

第1章自动售货机的介绍2

1.1自动售货机概述 2

1.2自动售货机功能分析 3

1.3自动售货机前景分析 4

第2章总体设计方案6

2.1自动售货机系统需求 6

2.2系统硬件结构框图7

2.3总体方案设计8

第3 章自动售货机硬件结构设计
货币处理装置10

送出机构11

按钮装置11

显示装置12

第4 章 自动售货机控制系统设计			13	13
4.1 基于PLC 的自动售货机控制系统
货机硬件系统的组成部分及工作流程				13
货过程的控制子系统简述	14
基于PLC 的自动售货机控制		15

4.2PLC 控制系统设计编程要求及基本原则16

PLC控制系统设计编程要求 16

PLC控制系统设计的基本原则17

4.3自动售货机PLC控制方案设计18

4.4PLC 选型 18

PLC概述18

I/O点估算 21

PLC选型21

4.5程序设计 22

I/O地址设计22

流程设计23
比较、选择、购买程序设计 28

退币程序设计30

主程序设计 32

梯形图程序调试 34

结论35

谢辞36

参考文献 37

前言

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。

从广义来讲投入硬币、纸币、信用卡等后便可以销售商品的机械，从狭义来

讲就是自动销售商品的机械。从供给的条件看，自动售货机可以充分补充人力资

源的不足，适应消费环境和消费模式的变化，24小时无人售货的系统可以更省

力，运营时需要的资本少、面积小，有吸引人们购买好奇心的自身性能，可以很

好地解决人工费用上升的问题等各项优点。
从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。并且，为防止地球暖化，

自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的

主流。在夏季电力消费高峰时，这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状况

下也能保持低温，与以往的自动售货机相比，它能够节约10－15％的电力。进

入21世纪时，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发

展。因经济复苏缓慢，社会对扩大就业与工作场所提供茶点饮料的福利事业更为

关注。自动售货机不仅保障了惬意的工休时间，也是最廉价、提高职工工作效率

最有效的手段。特别是在24小时无休工作状态中的办公场所，使用独具魅力的

迷你型饮料冲饮机，解决了不间断提供咖啡饮品服务的问题，这种服务加速了自

动售货机与咖啡饮品服务的融合。1999年的全美自动售货机协会和全美咖啡服

务协会的合并使人们更直观地看到了这种融合现象。

第1章自动售货机的介绍

1.1自动售货机概述

自动售货机是可完成无人售货、光机电一体化的商业自动化设备。自动售货

机不受任何场地限制，方便快捷，可以每天24小时售货，因此深受上班族的欢

迎。很多城市的公共场所都放置有自动售货机，出售的商品五花八门，从饮料、

零食、香烟、糖果，到牙刷、方便面、自动照相机等。近年来，我国的自动售货

机行业突飞猛进，在汽车总站、商厦、医院、小区、学校等地区纷纷涌现出自动

售货机的踪迹。这种方便快捷的购物方式越来越受到人们的青睐，同时也是现代

化城市配套设施的需求。常见的自动售货机如图11所示。

图11自动售货机自动售货机最早出现在二十世纪五、六十年代的西欧，当

时在美国的地铁系统中，人们可以用1美分在自动售货机上买到一块口香糖。 上

动售货机的出现与迅速发展。随着人们生活方式向快节奏、高效率变化，时间的

价值显著提高，消费者在购物时更加注重便利性、即时性。随着自动售货机数量

的增加、商品包装的定量化和标准化、出售商品的多样化，自动售货的便利性日

益显现。同时，被称为永不下班的超级营业的自动售货机在满足人们的即时性需

求方面是其它零售方式不可替代的。据美国2002年4月5日出版的《幸福》杂

志介绍美国2001年自动售货业利润增长率为21.4％，在发展最快的行业中居第

四位；在1996-2001年年度中，自动售货业以78.4％的年平均利润增长率雄居发

展速度最快的行业榜首。如此多的优点使得自动售货机在世界范围内得到广泛的

应用。现在，自动售货机产业正在走向信息化并进一步实现合理化。例如实行联

机方式，通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中，

从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。并且，为防止地球暖化，

自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的

主流。在夏季电力消费高峰时，这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状况

下也能保持低温，与以往的自动售货机相比，它能够节约10％－15％的电力。

进入21世纪后，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向

发展。在进行上、下位机程序编写之前，首先要做的工作是确定自动售货机本身

所具备的功能及在进行某种操作后所具有的状态。

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。举一个简单的例子来说明，例如：售货机

中有8 种商品，其中01号商品（代表第一种商品）价格为2.50元，02 商品为
3.50 元，

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01商品的价格

同时启动相应的电机，提取01号商品到出货口。此时售货机继续等待外部命令，

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。自动售货机的工作流

程图如图1.2所示。

图12自动售货机工作流程图自动售货机是现代社会中的一种商务工具，

2004年以后，中国的自动售货机产业实现了快速增长，奥运会和世博会为自动

售货机市场带来了巨大商机，2008年后进入了发展期，自动售货即将在中国零

售业掀起继百货商店、超市之后的第三次零售业革命。

现在，中国自动售货机市场已经进入了发展期。另外，各个大型城市的改造

使得很多小店小铺消失，同时随着金融支付手段的增多，IC卡、手机移动支付

等技术使自动售货机提供便利服务成为可能，这些自动售卖平台的创新模式无疑

为国内的自动售货业迅速成长创造了条件。

《2009年中国自动售货机产品专项调研及未来五年投资分析预测报告》是

结合自动售货机产品历年供需关系变化规律，对自动售货机产品内的企业群体进

行了深入的调查与研究，采用定量及定性的科学研究方法撰写而成的。对我国自

动售货机产品的市场环境、生产经营、产品市场、品牌竞争、产品进出口、行业

投资环境以及可持续发展等问题进行了详实系统地分析和预测，并在此基础上，

对行业发展趋势做出了定性与定量相结合的分析预测，为企业制定发展战略、进

行投资决策和企业经营管理提供了权威、充分、可靠的决策依据。报告数据主要
数据，企业数据主要来自于国统计局规模企业统计数据库及证券交易所等，进出

口数据主要来自海关及商务部，价格数据主要来自于各类市场监测数据库。

第2章总体设计方案

2.1自动售货机系统需求根据任务书要求，绘出自动售货机结构示意图如图

21所示。

图21自动售货机结构示意图其中，1――西瓜汁（1元）；2――橙汁（1元）；

3――葡萄汁（1元）；4――绿茶（2元）；5――红茶（2元）；6――奶茶（2元）；

7――咖啡（3元）；8――可乐（3元）；9――牛奶（3元）。用数字键代替商品

按键，就能在某种商品缺货的时候能及时地补上其他的商品种类，并且不会使顾

客混淆，使人机界面更加友好。

其控制要求如下：

货物种类共9种，这9种物品分别对应着9个不同的按键选择，其中1元、

2 元、3 元价格不等的物品各3种货币识别装置能够识别0.5元、1 元、5元的

货币。

秒投币无效。

3 如果累计投入的货币数目超过所购买物品的总价，机器能够实现找

钱功能；如果投入的货币没有达到所选择物品的价格，投入的钱将全部退还；在

投入一次累加货币后选择物品时，如果投入的累加货币数目大大超过所选择物品

的预设单个价格时，能够实现选择同一件物品购买多个。4 设计13个按键

选择，其中9个是货物选择，2个多选键，还有一个确定键和一个取消键，如果

没有按流程进行按键，自动售货机将启动报警系统，等待再次正确的按键选择。

5	应有购买货物的总花钱数和找零的货币数的显示。 系统硬件结构框图根据上述要求，

制定合理方案：首先，应该做上位机与下位机的任务分工，上位机主要用来完成

仿真界面的制作过程，而下位机则主要用来完成PLC程序的编写；其次，要分别

对上位机和下位机进行资料的查找与收集。例如在进行仿真界面的设计时可以去

观看一下真正售货机的外观，必要时可以借助一些宣传图片来设计自动售货机的

外型；在进行PLC程序的编写时需要先分配PLC的I/O点，确定上、下位机的接

口；然后，分别对上、下位机分别进行设计工作；最后，进行上位机设计结果与

下位机设计结果的配合工作，经调试后完成整个系统的设计。另外，上位机与下

位机的设计工作是密切配合的，它们无论在通信中使用的变量，还是在仿真中控

制的对象都应该是一致的。总体上讲，仿真界面是被控对象，利用PLC来控制这

个仿真的自动售货机，仿真的自动售货机接受PLC的控制指令并完成相应的动作；

另一方面，仿真界面中的仿真自动售货机的运行，都是由组态界面所提供的命令

由此绘出系统组成框图如22所示。

图22系统结构框图PLC控制系统：接受人民币识别系统信息，确认已接受

的人民币是否可购买消费者所指定的商品，确认后按要求售出商品。

钱币识别传感器：主要包括纸币识别器、硬币识别器、硬币找零系统等，它

主要实现识别真假纸币一般为拾元、伍元 和硬币 壹元、伍角 、拒收假币和残

币、正确找零的功能。

补料及出货系统：货柜由多层货架组成，当购物者指定所需商品后，由控制

系统启动出货系统出货；当某种货物被取出后，补料机构自动补料（在这里补料

机构采用简单的倾斜式机构，即当某种货物被售出后，补料机构里面的货物直接

向前滑至首位进行补位）。

显示机构：显示购买的瓶数、投入的钱数以及剩余的钱数。2.3总体方案

设计由于设计中的货物品种不多，因此要求上没有现实中的自动售货机功能强大。

本自动售货机的自动控制系统主要包括：计币系统、比较系统、选择系统、饮料

供应系统和退币系统。

1 计币系统：当有顾客买饮料时，投入的钱币经过识别机构，记录5

角、1元或5元钱的个数，通过个数与币值相乘或者相加，并将总钱币数据存放

在D9（数据寄存器）中。

2 比较系统：投入钱币完毕后，系统会把D9内的钱币数据和可以购

买饮料的价格进行比较，当投入的钱币总值超过1元小于2元时，西瓜汁、橙汁、

葡萄汁的指示灯亮；当投入的钱币总值超过2元小于3 元时，西瓜汁、橙汁、葡

指示灯都亮，此时可以选择饮料或选择退币。

3 选择系统：比较电路完成后选择电路指示灯亮，当按下西瓜汁或绿

茶选择按钮时，相应的指示灯转为1秒为周期的闪烁。当相应的饮料供应完毕后，

闪烁同时停止。此时可以按继续购买按钮，继续购买饮料，实现循环购买。

4 饮料供应系统：当按下选择按钮时，相应的电机Y3―Y7启动。在

饮料输出的同时，减去相应的购买钱币数，当饮料输出达到10秒时，电机停机。

5 退币系统：当顾客购完饮料后，多余的钱币只要按下退币按钮，系

自动售货机吐出饮料的过程实际为电机动作推饮料下来。由于电机都是电感

性负载，在停转的时候会有反向电流，所以需要用PC847光电隔离器把控制和驱

动信号隔离开来，然后用L293D步进驱动电机，电机驱动需24V 电压，控制信

号经过L293D后变为24V 左右的电源信号才可驱动电机。

电机有三根线：电源、地线和反馈信号电机转一圈送出一个低电平 。在机

械制作中使电机转一圈刚好推出一瓶饮料，电机转一圈同时产生一反馈信号，此

信号使电机停止转动，另外一种情况是红外检测到有货物落下则电机停止转动。

货币处理装置

货币处理装置包括：检测货币投入状态的投入状态检测装置；检测有无货币

退还操作的退还操作检测装置；在投入状态及投入货币退还操作的有无达到规定

的基准状态时，将说得到的基准状态信号利用所外部连接装置向投入外部装置

等各个要素进行感应并探明真伪。不同的材质具有不同的磁场变化，可以通过电

子技术进行分析、探查和识别，更高级的检测还可以运用频谱分析。

货币识别器种类繁多,但贮币退币机构基本上分为两类：一类是平面式贮币，

电磁阀退币；另一类是圆筒式贮币，步进电机退币。

根据设计中对自动售货机的要求，选择平面式贮币，电磁阀退币。当货币投

入后经过识别识出电信号后，伪币和异物被排出，真币按面值由几组分布电磁阀

分配到不同贮币腔体内备用；当收到退币找零电信号后，通过退币电磁阀或退币

电机拉杆，将贮币腔内下部货币依电信号程序推出，完成自动售货机的退币找零

功能。送出机构

目前，应用于自动售货机上的商品送出机构种类较多，下面是一些较典型的

送出机构。

旋转式送出机构

此送出机构把饮料放在螺旋导轨上，并在货道底部开设出口槽，由电机带动

螺旋导轨转动，当饮料转到开口槽时便出槽下货。这种送出机构应用最为广泛，

它要求电机的转矩较大，造价成本较高。

转盘式送出机构

上面是一个很大的喇叭状罐体存储容器，下面是一个周边有若干个圆槽的转

盘，通过转盘的转动使罐体落入转盘周边的槽内而被售出。这种送出机构也需要

较大的转矩来带动和占用较大的空间，而且会发生卡死现象。

滚筒送出机构
掉落的顺。这种机构要求电机有较高的转动精度。

弹簧推动式送出机构

这种机构是由螺旋式弹簧和连在弹簧一端的电机构成的，电机转动一圈就带

动弹簧转动一圈，同时推出一瓶饮料。

根据设计中对自动售货机的要求，选择双螺旋式送出机构。按钮装置

自动售货机的按钮装置，其特征在于备有操作按钮和基板，操作按钮设置在

面板上，基板设置在操作按钮侧的相反侧，具有显示部分和检测机构，显示部分

显示与操作按钮对应的信息，检测机构用于检测操作按钮的操作，显示部分设在

基板上的与操作按钮不相向的位置。显示装置

液晶显示器LCD是现在非常普遍的显示器,广泛应用于各种电子产品，具有体

积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。液晶显示器（LCD）的原理与

阴极射线管显示器（CRT）大不相同，LCD是基于液晶电光效应的显示器件，包

括段显示方式的字符段显示器件，矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件，

矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是利用液

晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通

电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。自动售货机设计4.1基于PLC的自动售

货机控货机硬件系统的组成部分及工作流程

组成部分

图41自动售货机硬件系统组成部分其中，温控模块包括温度采集和加热制

冷控制；销售模块完成一个整体的销售动作，一般都是电机驱动特定的机构实现 ；

原料补给、广告管理以及一些会员服务。

工作流程

首先开机后要自检各个部件的状态是否正常，若不正常要显示错误信息，方

便运营人员及时修复；若自检通过，检查商品信息，若缺少货物，停止销售该类

商品；然后等待，等待消费者投钱和选择商品，若有人选择商品，等钱币投入后

就开始执行销售模块，将产品送出，并找零钱。这是最基本的功能描述，在实际

的设计中，有很多的因素需要考虑，一定要保证机器工作的可靠性和稳定性。货

售货价格系统

自动售货机售出的同类商品可分若干品种，其售前设定价格须预先贮存在控

制系统内。售货机的价格设置系统由按键和存储器组成，通过按键选择被设价商

品的种类及价格，并将价格写入存储器，该存储器本身具有掉电保护功能，属于

软件设置方式。此外，在简易型售货机中，由于出售商品种类少，价格变化小，

使用币种单一，也可用硬件来设置价格，采用拨码开关对应方式，结构简单、操

作方便。

累计、可售指示和退币系统

控制系统的核心CPU对识币、退币、无货检测及购货信号进行巡回检查，当

有识币信号后，将金额数值送入金额累计存储器中进行累计，并通过串行扩展口

进行显示，同时将金额累计存储器中的数值与预设价格存储器中的数值进行比较，
数值与预设价格相等，则通过并行扩展接口驱动电磁阀或微电机驱动出商品，并

将金额累计存储器清零，完成一次售货过程；如累计金额大于预设价格时，驱动

商品后，相减差额由信号驱动退币，实现售货和退币找零功能。

检测系统

在自动售货机商品贮存道下方安有接触行程开关，当贮存道内有商品时，压

下行程开关，售货机正常工作当商品出售完毕时，行程开关被释放，向CPU发出

无货信号，经检测通过串行扩展接口向相应的售完指示灯发出信号，使机身外部

售完指示灯亮，此种商品自动停售，即使投币累计金额达到该道商品预设价格数

值，可售按钮仍然无启动信号，金额累计存储器也不清零。

累计及自测功能系统

自动售货机CPU在每次售出商品后，向售出累计存储器中累计售出数据，通

过售货机内部的按键可在金额显示窗中读到累计结果。此外，在按下自测功能键

后，出现自测功能信号，由外部按键操作，可检测各商品贮存道的驱动商品功能。

基于PLC的自动售货机控制

当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一

方面要选择多大容量的PLC,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。

对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，

包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。控

制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，

又有24V 的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。 因为PLC

的输出端了，这样有可能造成输出点浪费，增加成本，所以要尽可能选择相同等

级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC

使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。

对第二个问题，则有以下几个方面要考虑：

功能方面 所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道

所选用的PLC是否有能力控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机

之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；

或对PLC的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一

个详细的了解，以便做出正确的选择。

价格方面 不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、

I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。在使用PLC较多的情况下，这样的

差价当然是必须考虑的因数。

PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。4.2

PLC控制系统设计编程要求及基PLC控制系统设计编程要求

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产

品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则。

最大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控

制系统的首要前提，这也是设计过程中最重要的一条原则。这就要求设计人员在

设计之前就要深入现场进行调查研究，充分收集控制现场的资料，同时收集相关

题。

保证PLC控制系统安全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要

原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程等方面要全面考虑，

以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC控制程序不仅能在正常条件下

运行，而且要在非正常情况下，也能正常工作。

力求简单、经济、使用及维修方便

一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社

会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。

因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方

面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、

经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高

指标。

适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考

虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O

点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

PLC控制系统设计的基本原则

所编的程序要合乎所使用的PLC的有关的规定

主要是对指令要准确地理解，正确地使用。各种PLC指令多有类似之处，但
还有些差异。

要使所编的程序尽可能简洁

简短的程序可以节省内存，简化调试，而且还可节省执行指令的时间，提高

对输入的响应速度。要使所编的程序简短，就要注意编程方法，用好指令，用巧

指令，还要能优化结构。要实现某种功能，一般而言，在达到目的相同时，用功

能强的指令比用功能单一的指令，程序步数可能会少些。

要使所编的程序尽可能清晰

这样既便于程序的调试、修改或补充，也便于别人了解和读懂程序。要想使

程序清晰，就要注意程序的层次，讲究模块化、标准化。特别是在编制复杂的程

序时，更要注意程序的层次，可积累自己的与吸收别人的经验，整理出一些标准

的具有典型功能的程序，并尽可能使程序单元化，像计算机中的常用的一些子程

序一样，移来移去都能用，这样，设计起来简单，别人也易了解。

要使所编的程序合乎PLC的性能指标及工作要求

所编程序的指令条数一定少于所选用的PLC内存的容量，即程序在PLC中能

放得下，所用的输入、输出点数要在所选用PLC的I/O点数范围之内，PLC的扫

描时间要少于所选用PLC的程序运行监测时间。PLC的扫描时间不仅包括运行用

户程序所需的时间，而且还包括运行系统程序，如I/O处理、自监测所需的时间。

所编程序能够循环运行

PLC的工作特点是循环反复、不间断地运行同一程序。它的运行从初始化后

的状态开始，待控制对象完成了工作循环（完整程序执行一次），则又返回初始

化状态继续运行。因为只有这样才能使控制对象在新的工作周期中也得到相同的
本自动售货机可使用5角硬币，给计总金额数带来麻烦，可对除5角识别器

以外的所对应INC指令的计数器中的值乘2计算来方便计算总钱数，即将所有

“元”转化为多少个“5角”。

由于实验室PLC型号三菱FX2N-48MR对某些指令无法识别，所以需将所有用

脉冲执行型的功能指令都使用PLS指令进行转化，即通过PLS指令驱动辅助继电

器M，实现程序功能。

找余时，可找1元与5角，故需对剩余总金额寄存器中的数目除以2和取

模2，除2结果即为当前要找1元的数目，取模2结果即为当前要找5角数目。

PLC 选用继电器输出型。

任务书要求实现顾客的循环购买，故需实现控制程序的跳转（向后跳转）。

当顾客再次购买时，余额寄存器（为了退币，该寄存器中值已除2）中值要先乘

2，以便与商品价格比较（商品价格已转化为多少个5角），再进入下次购买。

退币结束时，使用SET指令恢复初始态，并置位所有寄存器，以准备下一个

顾客购买饮料，防止出现错误。4.4PL PLC 概述

1PLC的由来

在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。继电器控制系

统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适

应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和

资金的严重浪费。为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车

公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的要求，以在激烈的竞争的汽车工业中

占有优势，

根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC

（PDP―14型），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创

了工业控制新时期。从此可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来，而且在

工业发达国家发展很快。

2PLC的定义

在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980

年把这种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（ProgrammableController），

英文缩写为PC，并作如下定义：“可编程序控制器是一种数字式电子装置。它

使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制以对各种机械或

生产过程进行控制。”国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程序

控制器标准的草案第一稿，1985年1月又发表了草案第二稿，1987年2月颁布

了草案第三稿。该草案中对可编程序控制器的定义是：“可编程序控制器是一种

数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的

存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等

操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产

过程。PLC及其有关外部设备等都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充

起功能的原则设计。”定义强调了PLC应直接应用于工业环境，它必须具有很强

的抗干扰能力、广泛的适应和应用能力。

PLC的主要功能

条件控制功能
定时/记数控制功能

定时/记数控制功能指用PLC提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的

定时或计数控制，以取代时间继电器和计数继电器。

数据处理功能

数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算、

逻辑运算以及编码和译码等操作。

步进控制功能

步进控制功能是指用步进指令来实现在有多道加工工序的控制中，只有前一

道工序完成以后，才能进行下一道工序操作的控制，以取代由硬件构成的步进控

制器。

A/D与D/A转换功能

A/D与D/A转换功能是指通过A/D、D/A模块完成模拟量和数字量之间的转

换。

运动控制功能

运动控制功能是指通过高速计数模块和位置控制模块等进行单轴或多轴运

动控制。

过程控制功能

过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令或模块实现对温度、压力、速度、

流量等物理参数的闭环控制。

扩展功能

入输出点数， 远程I/O功能

远程I/O功能是指通过I/O单元将分散在远距离的各种输入、输出设备与

PLC主机相连接，进行远程控制，接收输入信号、传出输出信号。

通信联网功能

通信联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位机的链接等，实现远程

I/O控制或数据交换，以完成较大规模系统的复杂控制。

监控功能

监控功能是指PLC能监视系统各部分的进行状态和进程，对系统中出现的异

常情况进行报警和记录，甚至自动终止运行；也可在线调整、修改控制程序中的

定时器、计数器等的设定值。I/O点估算

本系统是一个小型集中控制系统，PLC选型主要取决于控制系统输入、输出

开关信号的数量、用户程序的长短及相关的功能。根据控制要求，I/O点数在40

个左右，其中其输入点为20点、输出点为20点，该PLC为继电器输出型。

了解各个控制对象的驱动要求，分析对象的控制要求，确定所控制参数的精

度及类型，如：对开关量、模拟量的控制等，完成PLC硬件结构配置。本设计中，

退币按钮、各种饮料按钮、开始购买按钮、继续按钮和饮料出口（驱动电磁阀）

等均为开关量。根据上述要求，因条件所限输出均用指示灯代替，由此绘制出PLC

控制电路接线图，编制I/O接口功能表。PLC选型

三菱PLC相较于西门子价格便宜，性价比较高，适于机电设备的自动化控制。

而三菱FX 系列是中小型机，FX-2N系列又是三菱FX 家族中最先进的PLC系列，

单元如表4.1所示：表4三菱FX-2N系列PLC

型号 输入点数 输出点数 扩展模块点数 继电器输入可挖硅输

出 晶体管输出 FX2N―16MR-001 FX2N―16MSFX2N―16MT 8

8 24―32 FX2N―32MR-001 FX2N―32MSFX2N―32MT 16 16 24―32

FX2N―48MR-001 FX2N―48MSFX2N―48MT 24 24 48―64

FX2N―64MR-001 FX2N―64MSFX2N―64MT 32 32 48―64

FX2N―80MR-001 FX2N―80MSFX2N―80MT 40 40 48―64

FX2N―128MR-001 FX2N―128MT 6464 48―64

.1I/O 地址设计

一般讲，配置好的PLC其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输

出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际

的也要相当），故I/O的分配实际上是把PLC的入、出点号分给实际的I/O电路，

编程时按点号建立逻辑或控制关系，接线时按点号“对号入坐”进行接线。表4

I/O信号地址分配表

输入信号 输出信号 名称 代号输入点编号名称 代号 输

出点编号 5角投币光电开关 ST1X000 5角退币光电开关 YA1Y000

1元投币光电开关 ST2X001 1元退币光电开关 YA2Y001 5

元投币光电开关ST3X002 报警灯HL1Y002 西瓜汁按钮SB1X003

西瓜汁指示灯HL2Y003 橙汁按钮SB2X004 橙汁指示灯HL3

Y004 葡萄汁按钮SB3 X005HL4Y005 绿茶按

灯HL6 Y007 钮

钮SB7X009 咖啡指示灯HL8Y009 可乐按钮 SB8X010 可乐指示

灯HL9Y010 牛奶按钮 SB9X011 牛奶指示灯HL10 Y011 确

定按钮SB10 X012 投币指示灯HL11Y012 取消按钮 SB11

X013 推出饮料电磁阀 YVY013 多选按钮“2”SB12 X014

多选按钮“5”SB13 X015

流程设计

PLC控制的自动售货机的程序流程图如图4所示。

PLC与现场器件的连接图如图所示。

图4PLC与现场器件的连接图

投币程序设计

在投币的过程中，每投入一次钱币，投入显示将增加相应的币值，余额也增

加同样币制。

在下图4中，主要是数据传输程序和数据累加程序。接通电源后，M8013、M0

闭合一个扫描周期，5角、1元、5元的信息被传送至D0、D1、D2中。光电开关

ST1、ST2、ST3分别检测5角、1元、5元钱币的投入数，并将检测结果累加至D5

中，程序产生一个周期为400ms的比较脉冲，比较D5中硬币的累加值。

图4投币程序设计

相应的指令投币程序
PLS M0

LD M0

INC D1

LD X002

PLS M1

LD M1

INC D2	LD X003
PLS M2
LD M2

INC D3

LD S20

OUTT0 K60

LD T0

PLS M3

MPS AND M3

MUL D2 K2 D4

MPP

PLS M4

MPS

AND M4
PLS M5 MPS

AND M5

ADD D4 D6 D8

MPP

PLS M50

MPS

AND M50

SET S21

比较、选择、购买程序设计

价格的比较要贯穿购买过程的始终，只要余额大于某种商品价格时，就需要

输出一个信号，提示可以购买，这里只要选择指示灯来代表此信号；当投入的币

值可以购买某种商品时，按下相应的选择按钮即可在出货框中出现该种商品，同

时液晶显示屏中显示出已经消费掉的金额，余额也将扣除已消费的币值，接着余

额继续与价格相比较，判断是否能继续购买。出现在出货口的商品在没有取走前，

一直保持显示状态，用鼠标点击该商品代表已经取走，出货口中的商品隐藏。

在下图4中，当D5中的累加值2元D53 元时，M11接通，Y007接通，可乐

指示灯亮且相应的常开触点闭合；当D53 元时，M12接通，Y010、Y011接通闭

合，橙汁指示灯、红茶指示灯亮，当按下可乐按钮时，X007

断开200ms，可乐指示灯闪烁。由于X004闭合，T6 接通，经过8s后YV 失电，

停止动作，同时D5中的数据减去可乐费用3元，剩余值存于D5中，作为需找钱

的数值。

图4比较、选择、购买程序设计相应的指令比较、选择、购买

STL S21

PLS M6

LD M6

CMP K5 D9 M7 LD M8

OR M9

OUT Y007

LD M7

RST Y000

LDI M7

AND X004

SET S22

LD S21 PLS M10

LD M10

CMPK6 D9 M11

LD M12
LD M11

RST Y000

LDI M11

AND X005

SET S23

LD S21

PLS M14 LD M14

OR M17

OUT Y011

LD M15

RST Y000

LDI M15

AND X006

SET S24

LD S21

PLS M18

LD M18 CMP K20D9 M19

LD M20
LD M19

RST Y000

LDI M19

AND X007

SET S25

退币程序设计

在退币过程中，最主要的是完成退币的运算过程，根据结果输出相应的钱币，

退币结束时还要使用到的某些寄存器重新赋零。

在下图4 中，T6动作，使得Y004 接通，找钱执行机构动作，YA为找钱光电

计数开关，找出5角的钱币经过C1技术，其数字为D5中的剩余值。当C1计数

至D5中的值时，C1动作，使得M33动作，Y004断开，找钱完毕。D5、C1复位，

为下一次自动销售饮料做好了准备。当投币数大于3元时，其控制过程与按可乐

按钮时的控制过程类似，不再赘述。

图4退币程序设计

相应的指令退币程序

STL S34

OUTT5 K20

LD T5

SET S35

STL S35
LDI C2 OUT Y001

LD S35

PLS M46

LD S35

PLS M47

LD M46

ADDD9 K1 D11

OUT C1 D11

OUT C2 D12

OUT T6 K20

OUT C3 D9

ANI C3

OUT Y000 LDI C1

ORI C2

AND T6

OUT S34

LD C1

AND C2
主程序设计

根据上述各过程的程序设计，可以把一次交易过程分为几个程序块：投币过

程、选择商品及购买过程、退币过程。

根据各过程的程序设计编写指令程序表如表4所示。完整的程序设计见附录。

表4PLC指令语句表

梯形图程序调试

由于实验室没有相应的实物控制模型自动售货机 ，因此，在调试系统控制

程序时，所有的输入信号（包括硬币、纸币识别）均用开关信号来代替，所有的

输出均用指示灯来表示。调试时，首先按控制系统PLC接线图完成硬件接线，并

仔细检查接线是否有误，特别要注意接线时不能出现短路、断路及反接等情况，

否则会造成硬件损坏及人身意外。

开始程序调试：首先将PLC控制程序写入到PLC机器中，再选择监控状态，

使PLC处于“RUN”状态，然后逐一按下开始购买按钮、投币按钮（硬币识别机

构），选择按钮，或继续购买按钮，观察输出指示灯是否按预计效果闪灭，并通

过监控状态观察程序的运行过程及输入输出信号、内部描述实际出现的问题及解

决方案。对照设计控制要求，逐一检验设计功能是否能有效的实现，并对程序进

行改进和完善。

例如，调试过程中，某些寄存器中的值出现异常，经仔细观察程序执行后，

确认是因为没有注意PLC的乘法和除法运算的结果需占用两个寄存器；调试过程

中，如果顾客需进行再次购买饮料时，控制程序会出现错误，主要是饮料按钮指
被减少一半，由此导致指示灯指示错误；调试过程中，发现重复线圈问题，需将

程序进行合并，避免重复线圈；调试过程中，无法实现正确退币（现象为5角退

币机构和1元退币机构总是少退一次币），观察程序执行后，确认是因为是程序

编制问题（采用根据寄存器中的值计数，循环退币造成的问题），为解决此问题

需将余额寄存器中1元及5角的数目分别加1，作为计数器的设定值。总而言之，

对程序必须要反复调试，不断改进，以获得既完全实现功能，而又简单、严谨性

高的PLC控制程序。

PLC的自动售货机系统的构成进行了详尽的论述。根据毕业设计任务书的设

计要求，以三菱FX2N-48MR型PLC 为主控制器，基于FXGP/WIN-C编程软件，采

用顺序控制的程序设计思路，设计了系统控制程序，包括投币程序、比较选择购

附 录主程序：

Everyoneknows there's only one constant in the technology world, and

that'schange. This is especially evident in the evolution of Programmable

LogicControllers PLC and their varied applications. From their

introductionmore than 30 years ago, PLCs have become the cornerstone of

hundredsof thousands of control systems in a wide range of industries.

Atheart, the PLC is an industrialized computer programmed with highly

specializedlanguages, and it continues to benefit from technological

advancesin the computer and information technology worlds. The most

prominent of which is miniaturization and communications.

-relative to the hundreds of hard-wired relays and timers it replaced.

Atypical unit housing a CPU and I/O was roughly the size of a 19television

set.Through the 1980s and early 1990s, modular PLCs continued to shrink

infootprint while increasing in capabilities and performance see

Diagram1 for typical modular PLC configuration .

Inrecent years, smaller PLCs have been introduced in the nano and

microclasses that offer features previously found only in larger PLCs.

Thishas made specifying a larger PLC just for additional features or

performance,and not increased I/O count, unnecessary, as even those in

thenano class are capable of Ethernet communication, motion control,

on-boardPID with autotune, remote connectivity and more.

PLCsare also now well-equipped to replace stand-alone process

controllersin many applications, due to their ability to perform

functionsof motion control, data acquisition, RTU remote telemetry unit

andeven some integrated HMI human machine interface functions.

Previously,these functions often required their own purpose-built

controllersand software, plus a separate PLC for the discrete control

andinterlocking.

TheGreat Communicator

Possibly the most significant change in recent years lies in the
This translates to an ability to place PLCs in closer proximity toreal

worlddevices and communicate back to other system controls in a main

panel.

Inthe past 30 years we have seen literally hundreds of proprietary

andstandard protocols developed, each with their own unique

advantages.Today'sPLCs have to be data compilers and information

gateways.They have to interface with bar code scanners and printers, as

wellas temperature and analog sensors. They need multiple protocol