基于plc的自动售货机控制系统设计
摘要：随着自动化水平的不断提高,自动化设备越来越多。其中，自动售货机就是在此背景下展现出来的产物。自动售货机集合了多种技术，其中有光、机、电等。随着自动售货机的出现，更加方便了人们24小时购物的需求。自动售货机的摆放不受环境、位置等因素的影响。能够出售的商品也是多种多样，比如饮料、生活用品、零食等。这种方便快捷的购物方式越来越受到人们的青睐。
对于传统的自动售货机，主要采用单片机进行控制。这种控制方式容易受到外界的干扰，稳定性能比较差。不仅如此，在输入和输出方面需要做很多工作，比较繁琐。PLC是一种集自动控制技术、计算机技术和通信技术于一体的新型控制装置。具有维护方便、稳定性高等特点。本文主要利用PLC控制售货机，使它能够识别不同价格的纸币、硬币，并能与商品价格进行比较，实现商品的出售找零。还具有已经投入现金，没选择商品，进行退款等功能。
关键词：PLC；自动售货机；单片机
Design of vending machine control system based on PLC
Absrtact:With the continuous improvement of automation level, More and more automated equipment. Among them, vending machine is the product of this background.Vending machines have a variety of technologies, including light, machinery, electricity and so on. With the emergence of vending machines, it is more convenient for people to buy 24 hours. The placement of vending machines is not affected by environment, location and other factors. There are many kinds of goods to sell,such as drinks, Daily necessities, snacks, etc..This convenient and quick way of shopping is becoming more and more popular.
The traditional vending machine is mainly controlled by single-chip computer, which is easy to be disturbed by the outside world and has poor stability. Not only that, but also need to do a lot of work on input and output, more cumbersome. PLC is a new control device which integrates automatic control technology, computer technology and communication technology. It has the characteristics of convenient maintenance and high stability. This article mainly uses Plc to control vending machines.so that it can identify different prices of paper money, coins, and can compare with commodity prices, to achieve the sale of goods to find change. It also has the functions of having invested cash, not choosing commodities, refunding and so on.
Keywords: PLC; vending machine; single chip microcomputer
一、绪论
1.1课题来源及研究意义
把一种能够自动售货的一种机器叫做自动售货机。它能够根据商品价格与投入金额的金额差自动找零、出货、退款，实现无人售货。可以根据市场需求进行摆放，正因为占地面积小、方便、省时省力，所以在一些公共场合随处可见，有很高的实用价值。
应该都知道，现代化的自动售货是在日本出现，并在日本成熟的。而日本市场只有1.2亿人，却拥有各种自动售货机超过50万台。由于国内电子商务和移动支付的迅速发展，近年来我国无人值守的自动售货机数量开始缓慢增长。到2018年，中国将会拥有不到35万台无人自动售货机。必须知道，中国拥有14亿人口的庞大零售市场，无人驾驶自动售货机的密度远低于日本。
可能是因为贩卖机进入国内市场的时间很短，在国外已经发展了半个多世纪。市场成熟自然是可以理解的。接下来，让我们简要比较一下日本自动售货机和国产自动售货机的区别。
在日本，每个角落都有各种各样的自动售货机。除了普通的蛇形货物通道的食品自动售货机和春季货运通道的集成商品机和格栅柜外，许多型号在国内市场上是没有的。例如，一个无人值守的自动售货机，能够当场煮面条自动卖面条，实现自动出售。在寒冷的冬天，站着吃一碗热面条是一件非常快乐的事情！例如，日本的主要饮料都是按照工业标准包装的。虽然饮料不同，但包装尺寸基本相同（例如直径66毫米的均匀圆柱形塑料瓶），大大减少了蛇形货物通道。相比之下，国内饮料公司没有统一的包装标准。有许多奇怪的瓶子，四个金字塔，角形金字塔和水滴。简而言之，这种瓶子的包装率非常高，这不利于饮料的自动销售。在这种方式的销售限制了无人自动售货机行业的发展。
目前，随着科学技术的飞速发展，自动化水平的迅速提高，动售货机不仅仅可以实现普通的投现金支付，还可以实现扫描码支付，高级的售货机可以实现面对面支付。不仅如此，自动售货机可以出售出去的物品种类更加丰富健全。比如：食品自动售货机、饮料自动售货机、日用品自动售货机等，其中饮料自动售货机最为常见。遍布学校、车站、医院等等，这种自动售货机目前已经可以实现扫码支付、售卖冷热饮料，我相信在不久的将来，它会更加全面，并实现更高水平的自动化。
根据相关部门统计，自动售货机的数量接近1900万台。可见自动售货机已经基本上实现了全覆盖，市场占有率非常高。因为自动售货机可以节省很多钱，越来越多的商家更愿意去投入使用。在这样的大背景下，自动售货机是现代化的产物更值得我们去探讨、研究。
1.2国内外自动售货机的现状
1.2.1国内自动售货机现状
自从20世纪90年代以来，自动售货机已经进入中国市场，2016年之前这个行业仍然受出口驱动。此后，自动售货机在国内的销量不仅达到55%，而且还有高达64%的快速增长速度。
根据分布地域看，自动货机主要分布在长江三角洲和珠江三角洲。在那里拥有超过60％的国内自动售货机。环渤海地区的自动售货机也在增加，这些地区的自动售货机发展相对成熟。
随着我国城市化水平的不断提高，对自动售货机的需求将会增加，市场将会继续扩大。根据相关部门的预测，到2022年，自动售货机的总数量将达到70万台，今后五年，自动售货机的销售机会将以每年24%的复合速度增长。
1.2.2国外自动售货机现状
在整个欧洲，热饮自动售货机已经有377万台，年销售额达114亿欧元（合800亿元人民币），分布在英国、法国、意大利、德国、西班牙和荷兰，就像雨伞一样。在所有权方面，自动售货机首先位于日本和美国，其次是欧洲发达国家，如法国、英国和德国。
自动售货机国外市场非常大，总量超过1800万台。就自动售货机的人均份额而言，日本的人均份额最高，约为每台30人，而美国的人均份额为每台62人。
1.3本课题主要研究的内容
本课题设计使用可编程控制器来设计自动售货机控制系统，系统通过可编程序控制器、交流电机、接触器及货币识别器的控制，识别不同面额的硬币和纸币，可以完成价格比较，可以选择商品，能退款和出货等功能。
任务要求包含了以下内容：
1、能识别不同面额的硬币和纸币，能进行价格比较，能选择商 品，能退款和出货；
2、基于PLC的控制系统的硬件设计；
3、控制系统软件设计。
二、基于PLC自动售货机的硬件设计
2.1自动售货机的整体布局
自动售货机主要由：机身、货架+弹簧、电机、操作面板和PLC组成
机身：是自动售货机的主机架。机身的美感在这里得到了体现，机身的细节可以显示自动售货机的做工是否精致。
电机：电磁装置可用于转换或转移电能。它的实现主要基于电磁感应定律可产生驱动扭矩是其主要功能，可用作电器或各类机械的动力源。它是一种将电能转换成动能的装置。
货架+弹簧：货架是卖方用来摆放货物的的一个载体。可以把它作为一个载体，在上面摆放的商品进行售卖。弹簧：主要作用是可以推动购买的商品，进入出货的轨道。弹簧的大小和粗细程度可以根据自动售货机里面商品的大小的变化而选择合适的，所选弹簧太窄，容易造成商品堵塞，而太宽的弹簧会导致商品掉落。
操作面板：客户可以根据自己的需要使用操作面板来选择所需的商品。面板上显示每种商品的价格，可以根据需要进行选择。
PLC：自动售货机的控制中心也是其核心。
2.2断路器
2.2.1施耐德断路器的优势
一、施耐德断路器质量的分析
1.19世纪以来，施耐德一向从事电气产物竞争市场。它所经历的挑战和战略的选择为其产品奠定了坚实的基础。
2.施耐德电气在持久的发展过程中累积并总结了大量的经验。具有各时期的特点，具有各时期的优势。经过多年的经验和分析，这些经验成为推动产品制造的良好途径。施耐德断路器的出现也正印证了这些经验的良好性和与时俱进的特点。它本身包含了上一代研发人员的辛勤工作，以及时代变迁所留下的时代特征。
3.施耐德电气开发时，合并了许多上游公司，并试图与下游公司合作。这保证了施耐德断路器原材料的质量和零件的规格和质量。同时，这也确保了产品不会被损坏。
二、施耐德断路器的售后及销售方式的优点
施耐德电气作为一家发达的大公司，通过售后服务和维护工作解决了用户的担忧。完善的服务体系和良好的维护水平可以突出施耐德断路器本身的形象。在销售过程中，优质的服务态度和安全的包装方法保证了产品本身的质量不受损害，使用户能够安全可靠地使用。
三、施耐德断路器的优点及证明
施耐德断路器有多种类型，通常分为微型断路器、塑料外壳断路器和框架断路器。 其安全性能相对较高，安全系数在有关部门的范围内，严格按照规定，并有相关许可证。在开发过程中，在开发过程中，施耐德断路器得到了用户的好评，甚至获得了一些良好的荣誉和证书。以上种种都可以看出施耐德断路器的优质性。
2.2.2断路器的作用
断路器是一种可以控制电路打开、停止和打开异常电路的一种装置。
断路器的作用主要有：
1.在正常情况下，做不频繁合、分电路，还可以直接控制电机的启动、停止
2.当线路或电机过载，欠压，短路等故障时，断路器可以自行断开予以保护电路
3.拉式断路器可以在一台机器上使用，同时具备不让开关裸露的作用。维修比较方便
4.限流式断路器具有分断时间短、高分断能力。适应于电流较大且短路的场合
断路器一般分为低压断路器和高压断路器。在自动售货机中，应选择低压断路器。市场上面断路器的种类很多，通过数据、合理性的分析，选择施耐德断路器作为自动售货机的电源开关。
自动售货机一般存放在公共场合，人流量比较大，自动售货机存在硬件短路等现象时，断路器可以迅速做出反应切断电源，因此对质量要求比较高。
自动售货机需要定期的进行保养维修，对断路器的使用相对频繁，如果有出现故障的断路器，需要返厂维修。返回厂家维修，这需要非常好的售后服务，可以节省维修上面的时间。
综上，自动售货机上需要一个高质量、高稳定、可以优质售后的断路器。由于，自动售货机的电机需要380伏特，最终选择施耐德E9系列3P 100A断路器（如下图所示）。
图2 E9 3P 100A
2.5 PLC
在通过大量数据分析，本系统设计中，最终选择的是施耐德PLC,PLC型号是Modicon M218。
M218是施耐德电气基于前瞻性控制理念和丰富的自动化经验开发的集成高性能小型plc。尤其适用于小型自动化设备。本产品的特性如下：
1.100～240VAC
2.防护等级IP20
3.工作温度 0°C to +55°C
4.内置运行停止开关
5.内置以太网
6.内置2路Modbus串行通讯
7.内置2路模拟量输入和2路模拟量输出
8.4路100K单相高速计数高速计数
9.2路100K高速脉冲输出
10.7款CPU本体 (3个24点, 4个40点)
优势：节省成本，简单易用，性能提高，安全可靠
图2 M218
2.3硬币识别器
硬币的真伪是通过鉴别硬币的材质和大小来确定的，这种可以识别硬币真伪的设备是硬币识别器。硬币的材料是由一种特殊的合金制成的，不能锻造。不同货币价值的硬币在大小和重量上差别很大。当顾客放硬币时，他们会通过由电感器和电容器组成的磁场。因为硬币的材料和大小不同，所以电感的电感应磁场的影响会不同。电感的变化会引起振荡频率的变化，并将检测到的振荡频率与系统中已设定的频率进行自动比较，从而识别硬币的真实性。如果硬币为真，则向PLC发送一个信号以计算货币。当放置假币时，由于振荡频率的不同，假币不能通过硬币识别设备，从而将假币弹出。
要保证硬币识别器能精准的识别假币，那么要选择识别效果非常好的硬币识别器。要选择识别范围为1元硬币即可。对于商品的价格，要确保是能否被1整出的。这样不仅可以降低硬币识别器的识别负担，还可以方便储存。由此，硬币识别器的精度会非常高，只需要向PLC发出真假信号即可。选择这样的硬币识别器，其价格也会降低，这样也就可以选择最精准的硬币识别器。
综上所述，对于硬币识别器要选择精准度高、单一识别一元硬币，即可完成售货机硬币识别部分。（硬币识别器如下图所示）
图3 TW-131
2.4纸币识别器
在投纸币的过程中，纸币首先由纸币识别器识别，纸币的价格需要确定。在市场上，纸币的识别通常是用紫外线来识别。由于纸币是由特殊纸张制成的，因此在紫外光下不存在荧光反射，可以根据荧光强度来判断纸币的真实性。 因为不同货币价值的纸币大小不同，所以可以通过红外设备区分纸币纸的尺寸以区分货币值。 当纸币是真的的时候，纸币可以通过纸币识别器向PLC发一个信号与元的信号对比来计算货币。 如果硬币是假的，则伪造的货币退出并且不发出信号给PLC。
对于纸币识别器的选择，首先精度也同样要高。目前市场活力的进一步提升，一些假纸币也会流入市场。而这些造假纸币者不会在风口浪尖上活动，而是会选择一些对纸币的防伪做的不够好的店家，或者是无人售货地方。往往这些纸币竟然可以安全通过一些技术不够成熟的验钞机，也就是说自动售货机可能是这些造假币者的第一选择。
除此之外，对纸币识别的范围也有要求。可以根据商品的价格进行调整，如果只是售水机，只需要对5元、10元、20元的纸币能够识别即可。如果，是那些价值高的物品，对纸币识别器的要求会更高。不仅需识别5元、10元、20元纸币，而且还需要对50元、100元纸币也要进行识别。
综上所述，纸币识别器的识别精度将要非常高，对纸币的识别范围要根据实际情况出发。
目录
一、 绪论 2
1.1课题来源及研究意义 2
1.2国内外自动售货机的现状 3
1.2.1国内自动售货机现状 3
1.2.2国外自动售货机现状 3
1.3本课题主要研究的内容 4
二、 基于PLC自动售货机的硬件设计 4
2.1自动售货机的整体布局 4
2.2断路器 4
2.2.1施耐德断路器的优势 4
2.2.2断路器的作用 5
2.5 PLC 5
2.3硬币识别器 6
2.4纸币识别器 7
三、 基于PLC自动售货机的软件设计 7
3.1自动售货机的工作流程 7
3.2 I/O变量及部分重要变量表 8
3.3PLC的外部接线图 10
3.4自动售货机控制程序 10
3.3.1待机指示 11
3.3.2对投币金额的确定 11
3.3.3判断售货机内各商品的数量及有无货灯亮的情况 12
3.3.4判断能否出货及出什么货 14
3.3.5售货机找零 15
3.3.6自主退币 15
3.3.7数复位程序 16
3.5触摸屏界面设计 16
四、 自动售货机的故障检测与处理 17
4.1plc的故障 17
4.1.1软件与plc的联机 17
4.1.2其他常见问题及处理 18
4.2接触器的维护与故障处理 18
总结 19
致谢 20
参考文献 21
毕业设计附录目录 22
1.自动售货机总程序 23
2.触摸屏画面跳转程序及变量表 24
2.1变量表 24
2.2触摸屏画面跳转程序 26
参考文献
[1].电气控制与可编程控制器[M]/陈立定，吴玉香，苏开才编著：华南理工大学出版社，2008，7
[2].PLC原理与实践[M]/殷洪义，吴建华编著：清华大学出版社，2008，10
[3].现代电气控制及 PLC 应用技术/王永华主编：北京航空航天大学出版社，2008，2
[4].可编程序控制器原理及应用系统设计技术[M]/宋德玉主编-北京：冶金工业出版社，2001，（43-72）
[3].可编程控制器原理及应用/胡学林主编：电子工业出版社，2007，（254）
