基于PLC的自动售货机的设计说明

一、实训题目: 自动售货机控制实训目的及要求:1、掌握欧姆龙PLC的指令，具有独立分析和设计程序的能力2、掌握PLC梯形图的基本设计方法3、培养分析和解决实际工程问题的能力4、培养程序设计及调试的能力5、熟悉传输带控制系统的原理及要求实训设备：PLC设备器二、总体方案设计自动售货机设计中，从控制角度来说可采用继电器控制、单片机控制和可编程控制器控制。

（一）方案论证1．方案一继电器控制它的控制思想是以继电器为核心，采用硬接线方式把各种继电器、定时器、接触器及其触点按照一定逻辑关系连接起来组成控制系统，控制相关生产机械工作。

例如要通过接触器实现两台电机设备的同步运行,采用继电器控制,其控制系统简图如图1。

SF1 KF电电源源母母线线图1 继电器控制系统简图由图可知它的三条支路是并行工作的，当按下按钮SF1，中间继电器KF得电，KF的两个触点闭合，接触器QA1、QA2同时得电并产生动作，所以其控制逻辑关系为由继电器、接触器硬接线（硬件）方式。

2．方案二单片机控制它的控制系统是基于芯片级的系统，设计开发一个单片机系统，需要先设计硬件系统，画硬件电路图，制作印刷电路板，购置各种所需的电子元器件，焊接电路板，进行硬件调试，进行抗干扰设计和测试的大量工作；需要使用专门的开发装置和低级编程语言编制控制程序，进行系统联调。

3．方案三可编程控制器控制它的控制思想是采用可编程的存储器，用来在其部存储逻辑运算、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，控制各种类型机械的生产过程。

PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，这种方案的控制功能接线图如图2。

图2 用PLC实现控制功能的接线示意图由图可知CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按顺序依次完成相应各电器的动作，其控制逻辑关系为由部存储逻辑（软件）方式。

（二）方案比较1．PLC与继电器控制系统的区别继电器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。

PLC的梯形图与传统的电气原理图非常相似，主要原因是PLC梯形图大致上沿用了继电器控制的电路元件符号和术语，同时，信号的输入/输出形式及控制功能基本上也是相同的；但PLC的控制与继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面：（1）控制逻辑继电器控制逻辑采用硬件接线逻辑，利用继电器机械触点的穿了或并联，及时间继电器等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。

另外，继电器触点数目有限，每个只有4 – 8对触点，因此灵活性和扩展性很差。

而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称做“软接线”，因此灵活性和扩展性都很好。

（2）工作方式电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。

而PLC的控制逻辑中，各部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的前后顺序计算的出，所以它属于串行工作方式。

（3）可靠性和可维护性继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。

触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和课维护性差。

而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。

PLC还配有自检和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员；还能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

（4）控制速度继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。

另外，机械触点还会出现抖动问题；而PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微妙数量级，且不会出现抖动。

（5）定时控制继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。

一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。

PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，定时围最小可为0.001S，最长几乎没有限制，用户可根据需要在程序中设置定时值，然后由软件来控制定时时间。

（6）设计和施工使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。

工程越大，这一点就越突出。

而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。

2．PLC与单片机控制系统的区别PLC控制系统和单片机控制系统在很多方面有较大区别，是两个完全不同的概念。

（1）可靠性单片机控制抗干扰能力较低，从理论所要求的I/O总数来看，不论是MCS51系列还是MCS96系列单片机，都必须进行大规模的扩展，这样系统电路更加复杂，进一步降低了系统的可靠性。

而PLC应用于工业理论控制，PLC的可靠性得到了工控业界的认可。

（2）开发成本单片机本身售价虽不高，但要购入单片机开发装置（如仿真器、烧录器、电源）和还要模拟制板等，都要不少的费用。

加上开发周期中所投入的人力物力，其价钱就远远地超过用PLC开发的费用。

另外，由于设备是专用特殊设备，其控制系统专用性强，通用性较差，为其投入过多的开发费用不划算。

而用PLC进行的设备开发和控制费用都远远低于采用单片机的费用，其系统可大可小，小到几点，大到数千点，甚至上万点，很好解决工业控制过程。

（3）开发周期从电路设计、模拟制板、编程、仿真、调试等经历非常长的周期，设计中往往要花大部分的时间在硬件设计和编程调试处理上，而对最为重要的工艺工程往往没有更多的时间考虑。

而用PLC进行设备控制，不会花太多精力在硬件处理上，采用积木式结构很快可以形成系统电路。

大部分精力集中在工艺的了解和程序编写上，有利于设备的快速开发，程序的编辑修改、调试都可随时进行，缩短了开发时间。

（4）修改和维护利用单片机开发的设备往往是专用的特殊设备，在市场往往不能找到替代的配件，所以不便于维护。

而随微电子控制技术，PLC的处理能力也越来越强，其通信能力，运算处理、容量（I/O容量和程序容量）等都有充足的发展。

（三）方案选择根据以上比较可知，PLC在性能上比继电器控制和单片机控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便等优点，我们决定选择方案三，以PLC为控制核心设计了自动售货机装置PLC控制系统。

三、可编程控制器的简单介绍（一）PLC的基本结构1．PLC的系统结构目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。

主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM,输人输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。

其部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输.如图3所示,PLC控制系统由输人量— PLC —输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输人量，它们经PLC外部输人端子输人到部寄存器中，经PLC部逻辑运算或其他各种运算，处理后送到输出端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。

由此可见，PLC的基本结构由控制部分、输人和输出部分组成。

图3 PLC硬件结构图2．PLC各部分的作用（1）中央处理器(central processing unit, CPU)CPU是由控制器和运算器组成的。

是整个PLC的核心，起着总指挥的作用，是PLC的运算和控制中心。

其主要功能：①诊断PLC电源、部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。

②采集由现场输人装置送来的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。

③按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。

④将存于寄存器中的处理结果送至输出端。

⑤响应各种外部设备的工作请求。

（2）存储器PLC的存储器分为两大部分:一部分是系统程序存储器。

另一部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。

（3）输入输出接口电路PLC通过输人输出(I/O)接口电路实现与外围设备的连接。

（4）电源为PLC提供CPU、存储器、输人输出接口等部电路工作需要的电源。

（5）编程设备编程设备是人与PLC联系和对话的工具，是PLC重要的外围设备。

用户可以利用编程设备来输入、读出、检查、修改和调试用户程序，也可用它监视PLC的工作状态、显示错误代码或修改系统寄存器的设置参数等。

（6）输入输出I/O扩展接口输入输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。

对软件来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后。

才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。

（二）PLC的基本工作原理PLC采用循环扫描的工作方式。

每一个循环称为一个扫描周期。

扫描周期的长短主要取决于以下几个因素:一是CPU执行指令的速度；二是执行海条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。

一个循环扫描周期主要可分为3个阶段。

（1）输入采样阶段在输人采样阶段，CPU扫描全部输人端口，读取其状态并写人输人状态寄存器。

完成输人端采样工作后，将关闭输人端口，转人程序执行阶段。

（2）程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输人的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存人对应的部辅助寄存器和输出状态寄存器。

当最后一条控制程序执行完毕后，即转人输出刷新阶段。

（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。

由此可见，输人采样、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此环往复，因此称为循环扫描工作方式。

PLC的扫描工作过程如图4所示。

图4 PLC的扫描工作过程采用循环扫描的工作方式是PLC区别干微机和其他控制设备的最大特点，在使用中应引起特别的注意。

（三）PLC的应用场合随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降，而其功能却大大增强。

目前在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业企业，诸如钢铁、冶金、采矿、水泥、石油、化工、轻工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保、交通、建筑、食品、娱乐等各行各业。