摘要

随着时代的进步，社会的发展。自动售货机自诞生起，发展至今,不仅没有淘汰,反而成为一项社会基础设施，遍及城市的大街小巷。传统的售卖方式相较于自动售货机方便快捷、占地少、成本低、便于管理的众多优势。使得自动售货机更为大众所欢迎，因此其具有更加广阔的市场空间。本文设计的是基于西门子1200系列PLC构成自动售货机控制系统。本文通过对自动售货机的国内外研究现状、水平、发展趋势的阐述以及对自动售货机的控制系统的软件和硬件进行讨论和研究，最终确定自动售货机的设计方案。本设计采用可编程逻辑控制器作为自动售货机的控制系统，PLC 控制器相比传统的继电器控制系统复杂的电路更加的简化。具有极高的稳定性和抗干扰能力。本设计通过CAD绘图软件绘制设计了无人售货机设备控制系统的电气原理图。同时采用功能强大的自动化软件TIA portal（博图）进行自动售货机的程序编写和仿真，结合WINCC组态画面，通过西门子触摸屏来制作自动售货机的人机交互画面，对自动售货机设备控制系统的运行状态实时监控。
关键字：PLC 自动售货机；仿真；人机交互；扫码支付

1 绪论

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2 自动售货机的设计方案

2.1 控制系统方案论证
2.1.1 继电器电路控制系统
电器控制方式这种控制方式是利用纯硬件的继电器来实现对系统进行控制的。在控制系统中串接入继电器之后，便能够实现对电路中的一些变化量进行控制，比如能够对电压量电流量转换数量，温度量等一些模拟量进行控制。这种控制方式控制结构比较复杂，接线较多而且容易出现故障，而且线路过于复杂也不利于系统的稳定运行，一旦某一个期间损坏的话，会直接影响整个系统的运行，所以稳定性不高，在排除问题的时候也比较困难。查找问题以及排除问题都不容易。这种控制方式虽然价格很低，但是控制线路过于复杂，所以整个控制系统稳定性差，灵活性也很差，而且利用各个硬件的继电器会使得系统的响应变慢。每一个继电器的响应虽然只有几毫秒，但是将所有继电器集连起来的时候那么响应，速度就会被远远的拖慢。会使得整个系统响应迟钝。
2.1.2 单片机控制系统
而微处理器的控制方式是利用大规模的集成电路来进行作为主控设计控制的主要控制器，上面包括了CPU存储器以及输入输出接口，并且内部具有相应的定时器中断等其他硬件资源，功耗很低，而且控制功能比较复杂。能够实现在较复杂的控制应用中。在日常应用中最为广泛，但是单片机并不能直接连接其他的信号，而是需要设计专门的配套电路才能够工作。需要对其利用专门的编程软件编写相应的控制程序。这样使得系统的工作量较大。而且需要花费的时间较多。很多技术人员并不具备单片机C语言等编程手段的知识。需要学习的时间较长，所以在工业控制中一般也不采用这种方式。最大的问题是微处理器的稳定性不高。在工业环境复杂的情况下，容易被干扰。
2.1.3 工业计算机控制
工业控制计算机一般都采用一些总线控制方式。而且不同厂家的工业控制计算机的兼容性比较强，具有实时操作系统。能够在一些复杂的控制领域中进行应用，实时性也很好，然而工业控制计算机的价格高。如果只是使用一些开关量控制的话，使用工业控制计算机便是大材小用。一般工业控制计算机的输入输出接口都是采用专用的电缆来完成。而且一些传感器也不能直接接入到输入输出的端口中。
2.1.4 PLC控制系统
利用可编程逻辑控制器设计系统，用户设计的时候，只需要根据输入输出的特性来设计接线图，即可，并利用梯形图程序语言来编写程序。梯形图程序语句就能够替代继电器的触点和接线。而一旦在控制中工艺发生变化，就可以直接修改梯形图程序来达到这样的要求。并不需要不断的连线和更改线路，可编程逻辑控制器还有一个通俗易懂，很好理解和记忆的名字，就是PLC，是可编程逻辑控制器英文名字的简称。为了提高工业控制中控制系统的性能，PLC在上世纪中期左右被发明出来，并在工业控制系统发挥着巨大的作用。因为PLC不易受到的外界各种因素的影响，在各种恶劣的环境下仍能比较稳定的工作，且电路简单和容易编程，因此无论工业控制系统还是其他行业都被广泛的使用，到如今，PLC技术已经发展了20年左右，已经是一项非常成熟且生态链完善的自动化技术已经基本完全替代继电器成为控制系统中主要的自动化设备。PLC是一种通过逻辑编程控制开关电路，从而控制系统运行的功能强大的自动化设备。此外可编程逻辑控制器亦可存在数据存储，执行逻辑运算、函数运算、定时、计数、数字或者模拟量输入输出等等功能。而随着控制技术的发展以及其他相关技术的发展，极大提升地可编程逻辑控制器的综合性能，如今PLC已经不仅能够进行简单的逻辑开关控制，而且还能够针对不同的工艺特点进行过程控制。针对不同的电机设计过设计运动控制，并能够进行一些数据上面的处理。而且可编程逻辑控制器还可以进行联网通信。功能非常强大，可靠性也很高，所以成为了工业自动化控制中的主要的核心控制器。
2.2外形三维设计
自动售货机外形如图2.1所示，在外观上体现了人性化、科技化的设计理念，为了使自动售货机外形美观大方，内部结构设计也很重要。我们通过对自动售货机内部结构的分析和设计，使自动售货机外形与内部结构更好的融合在一起。
无人售卖区：该区域主要是为消费者提供了食品饮料的销售功能，通过设置在该区域的自动售货机，消费者可以通过屏幕上显示的文字或数字了解到所购买食品饮料的类型，当消费者点击屏幕上显示的商品后会自动从售货机中拿出商品进行销售[1]。

2.3 出货机构设计
S型轨道机械结构本设计采用S型轨道结构，其主要作用是将物品从售货机内部传送到出货口处。它主要由三部分组成：
（1）在S型轨道的中部有一个齿轮状的滑块，用于放置物品，将物品推入轨道，将物品推出。
（2）在S型轨道的末端有一个可以旋转的托架，用于放置托盘。
（3）在轨道的两端有一个连接机构，用于将轨道和托架连接起来。
为了使整个装置的运动更加灵活，我们对其进行了简化，将其简化为如图1所示的机械结构。
由图可见，整个装置由三部分组成：
（1）中间齿轮状的滑块与托架相连，实现物品从售货机内部到外部的传送。在传送过程中，滑块与托架之间利用连接机构进行连接。
（2）在连接机构中，中间齿轮状的滑块与轨道相接触，在传送过程中起到固定作用；而托架则用于放置托盘。
（3）连接机构将托架和中间齿轮状滑块连接起来。当物品进入轨道时，托架在弹簧的作用下上升；当物品退出轨道时，托架下降并靠在弹簧上；当物品全部取出时，托架在弹簧作用下上升并靠在中间齿轮状滑块上。通过这种方式可以保证物品与轨道之间能够始终保持良好的接触关系。
为了提高装置运行过程中的稳定性和灵活性，我们采用了齿轮转动传动方式来代替原有的皮带传动方式。其中传送带与轨道之间通过滑块进行连接，在传送带与滑块之间通过连接机构进行连接；传送带与托架之间则采用齿轮转动传动方式来进行连接，齿轮转动传动方式具有结构简单、运行平稳、噪音低、耐腐蚀、体积小等优点。

当按下1时,2会被1推动,这时3也被拉动,4处被卡住的地方放开了,在瓶子自重的作用下 , 4旋转1/4圈，最下面的瓶子滚下来,同时在卡片的作用下又有一个瓶子在自重的作用下滚到准备处时,2转到一定角度就沿着滑道向上滑动,当滑轮超过1时,在弹簧的作用下把3向前拉，此时又把卡片卡住了。当放开手后,在弹簧的作用下1恢复原位,2在弹簧作用下向下拉，再次回到下一次的工作状态。
2.4 自动售货机控制系统结构
设计一个基于S7-1200 PLC自动售货机控制系统，以PLC为主的控制系统，本系统由支付系统由投币机构、触摸屏和传感器共同组成。商品输出系统由驱动电机、传送装置以及出货电磁阀等共同组成。故障传感器和一部分指示灯组成自动售货机的报警系统，退币系统由相应的电磁阀构成，以下是自动售货机的控制系统硬件结构图：

2.4.1 支付系统
自动售货机有两种类型的投币口，硬币和纸币。分别为1元硬币、1元、5元、10元纸币。顾客送进的钱币进入感应器，计数器记下硬币的个数，将这些数据传输到检测和计数部分。感应器检测投入货币的面值，计数器计算相应货币的个数，货币个数通过自增指令累加，然后通过乘指令计算最终投入总金额。总金额与商品单价比较，满足要求的商品可购买。选择购买即可，支付系统结束。
2.4.2 商品输出系统
在这部分中系统需要完成的工作是将商品送出来。当顾客确定某件商品时，相应的继电器和电机开始工作将商品送到出货口。当完成商品的出货时，系统的计算部分会扣除商品的金额。顾客成功的取到商品后一段时间，继电器断电，然后1 秒后让电机停止，这样可以使系统的正常运转。
2.4.3 显示系统
总金额和与余额存储在寄存器中，通过SEG指令编译，再通过数码管显示自动售货机每天的销售额、余额和商品销售量。
2.4.4 退款系统
当顾客选择退币功能时，通过程序设计将数据寄存器内的钱币数分别做整除运算。当需要退币的数目计算好时，控制相应电机工作。，当计数器中的值和应该退币的个数相同时，则电机停止工作，系统完成退币。
2.4.5 报警系统
这部分中系统需要完成的工作是提醒管理人员进行相应的检修。报警分为两种，一种是补给报警，在这种情况下，通知相关工作人员进行商品的补充。另一种是事故报警，在这种情况下需要通知设备管理人员进行维护。
2.5 自动售货机控制系统的工作流程
自动售货机的控制系统中受控元件较多、运行比较复杂，因此进行安全性编程十分重要，应重点编写自动售货机系统的PLC控制程序。系统具有4个投币按钮，分别对应于1元硬币、l元、5元，10元纸币，任意按下一个按钮，系统会接收相应的货币加法指令并统计总值。寄存在VW0中的货币金额和商品的单价进行比较，如果投入货币总额大于各商品的单价，商品的对应的可购买指示灯会亮起，表示该商品可购买，顾客点击相应的购买按钮，随后对应商品电磁阀启动，将商品送至取货口。如果顾客投入的钱在购买商品后还有余额，顾客按下推荐按钮后，存储在VW0中的余额通过减指令计数后将钱退还给顾客。此外，顾客在投入钱后没有进行任何操作的情况下，1分钟后，退款系统会自动将余额退还，顾客也可按下退款按钮，也可取回投入的钱。

2.6 电气原理图

2.7 PLC的I/O点分配
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2.8 扫码支付
扫码支付本质就是数字支付，就是通过通信技术、计算机技术以及信息安全技术等实现支付方式数字化。通过如今主要的第三方支付平台，如微信、支付宝来进行银联账户的个人的转账、红包、二维码收款；商户的分账，API收款等功能。

自动售货机的收款方在第三方支付平台体系之中属于商户，享有相应的功能，API收款、分账、营销、官方活动。扫码支付看起来很简单，但其中的过程极为复杂且个人难以实现整个扫码支付系统的搭建，需要多方平台、知识、技术的联合。由于本人知识能力有限，所以在本毕业设计中展现对于商户功能API收款的理解。下图是API交互的流程图：

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3 硬件设备的选型

3.1 PLC的选型
在选择PLC时，需要考虑不同的方面。比如输入和输出的端口数，多少功能模块，多少条指令，多大的内存，以及多快的扫描速度，同时，还要考虑它的性价比以及在生产应用过程当中其他环境对他的影响。
在应用PLC 的装备规模大小和系统要求相一致。熟悉了他的功能图表和设计语言，有利于减少设计时间。所以在PLC选型过程中，应该充分的了解生产过程的特点，生产过程的需求，清楚了解生产任务的目标和生产的要求范围，确定最终的操作以及动作要求，最后，根据这些要求来估算应该具备的输入和输出的端口处，以及多大的存储和需要拓展的外部功能，以及外部设备对该PLC的影响，才能选到一款性价比高，适合控制系统的PLC。
通过上面的论述和一些相关介绍，我决定选择西门子PLC 1200系列1212PLC 作为我本次设计控制系统的控制器，如下是其主要的参数。

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4 控制系统的程序设计

4.1 编程软件的简介
本设计选择使用的编程软件是博图，博图是款功能及其强大的自动化软件，是德国西门子公司研制的全新的全集成的自动化软件。它几乎可以满足所有项目工程和自动化任务的设计的要求。博途作为一切未来软件工程组态包的基础，可对西门子全集成自动化中所涉及的所有自动化和驱动产品进行组态、编程和调试.”

4.2 组态画面介绍
自动售货机的控制系统的画面组态，可以用博图中自带的WINCC来进行人机交互画面的组态。在WINCC里选择相应的元件画好自动售货机的人机画面，包含控制按钮、各种指示灯数据窗口等等，然后连接好变量以及设置好各种参数后即可导入控制程序进行模拟仿真调试，逐渐修改程序设计，以致其达到完善。

4.3 控制程序设计的流程

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THE END