售貨機(jī)PLC控制及其仿真系統(tǒng)設(shè)計

劉一凡

（肇慶學(xué)院 電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

0 引言

自動售貨機(jī)被稱為24 小時營業(yè)的微型超市，遍布于各大中城市人口密集的場所，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，其市場潛力無限.售貨機(jī)常置于室內(nèi)外便于行人取用的地方，所以它應(yīng)具有環(huán)境適應(yīng)能力強、可靠性高、抗干擾性強等特點.PLC是為應(yīng)對惡劣工業(yè)環(huán)境設(shè)計的控制器，因此自動售貨機(jī)大多以PLC為控制核心部件.由于自動售貨機(jī)具有貨幣傳動、貨幣識別、金額計算、貨物傳動、退幣等功能，是一個綜合性較強的控制系統(tǒng)，因此，在PLC教學(xué)中教師常以售貨機(jī)為實例，加深學(xué)生對PLC知識的理解和對實際應(yīng)用的認(rèn)識，這也可為學(xué)生在該行業(yè)就業(yè)打下良好的基礎(chǔ).為了解決教學(xué)中PLC無控制對象問題，使抽象的PLC程序控制能夠達(dá)到所見即所得，筆者應(yīng)用組態(tài)王軟件開發(fā)了PLC控制的虛擬自動售貨機(jī)仿真交易系統(tǒng).

1 功能要求

在虛擬自動售貨機(jī)仿真系統(tǒng)中PLC控制的是計算機(jī)顯示屏上的仿真自動售貨機(jī)，控制的是虛擬對象，其端口沒有外接任何電器部件.其幣值識別系統(tǒng)、貨幣和商品的傳動機(jī)構(gòu)等功能通過仿真來實現(xiàn)，貨幣識別通過單擊畫面中某個貨幣圓形按鈕，輸出一個脈沖信號直接給PLC發(fā)布命令；而傳動系統(tǒng)由計算機(jī)直接模擬，這并不會影響該系統(tǒng)在實際現(xiàn)場的應(yīng)用，需要時只要將仿真貨幣改為實際貨幣即可[1].售貨機(jī)的功能要求如下：一是對投入的幣值進(jìn)行運算，并根據(jù)幣值判斷是否能購買某種商品，并做出相應(yīng)的反應(yīng)；二是為便于分析，假定限售8種商品，可識別和退出的貨幣有10元、5元、1元紙幣和5角、1角的硬幣；三是完成一次交易過程有初始、投幣、選購、取貨和退幣、取幣各種狀態(tài)；四是可仿真缺貨商品的補充；五是對商品的銷量情況進(jìn)行統(tǒng)計.

2 下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

下位機(jī)控制核心部件PLC選用歐姆龍CPM2A-60CDR-A型，仿真售貨機(jī)工作控制流程如圖1 所示.自動售貨機(jī)PLC 梯形圖劃分為運行初期價格的內(nèi)部傳遞過程、投幣過程、價格比較過程、選擇商品過程、商品銷售記錄過程、退幣過程、補充商品和商品銷量統(tǒng)計8個部分，PLC程序執(zhí)行過程需要進(jìn)行加減、比較等算術(shù)和邏輯運算.因篇幅所限，PLC梯形圖在此省略.

圖1 仿真自動售貨機(jī)工作控制流程圖

3 組態(tài)仿真系統(tǒng)設(shè)計

按照系統(tǒng)功能要求設(shè)計的組態(tài)仿真畫面主要包括“自動售貨機(jī)仿真交易畫面”、“缺貨商品補充畫面”及“商品銷量報表畫面”.后2 個畫面內(nèi)容與第1個畫面內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，各畫面可通過轉(zhuǎn)換按鈕相互跳轉(zhuǎn).畫面中的圖素采用組態(tài)王中的工具箱、圖庫和粘貼位圖的方式實現(xiàn)，其中動態(tài)圖素需要與數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)變量、自定義I/O變量或內(nèi)存變量建立對應(yīng)關(guān)系，才可按動畫連接的要求進(jìn)行改變.

3.1 數(shù)據(jù)庫的自定義變量

畫面中動態(tài)圖素的變化是隨組態(tài)王數(shù)據(jù)庫中變量變化而變化的，其中自定義的I/O變量與PLC寄存器的地址相對應(yīng)，如表1所示.此外，由于仿真的需要，還需定義與PLC無關(guān)的內(nèi)存變量，如“投幣”.

表1 I/O變量及其對應(yīng)的PLC寄存器地址

3.2 售貨機(jī)仿真交易畫面設(shè)計

根據(jù)售貨機(jī)控制要求和交易過程設(shè)計的虛擬自動售貨機(jī)組態(tài)仿真交易畫面如圖2所示.畫面劃分為投幣區(qū)、金額結(jié)算區(qū)、商品選購區(qū)、取貨區(qū)及退幣區(qū)，畫面中動態(tài)圖素的動畫屬性如表2所示.仿真系統(tǒng)完成1次交易過程為依次單擊畫面中的投幣、選擇、取貨、退幣和取幣等按鈕來實現(xiàn)，與實際現(xiàn)場售貨機(jī)交易過程一致.初始運行畫面狀態(tài)如下：金額結(jié)算區(qū)各數(shù)值格式為3位整數(shù)和1位小數(shù)，此時顯示為0；各商品“剩余”數(shù)量為10，“價格”顯示格式為1 位整數(shù)2 位小數(shù)；10 元等貨幣圖形、“缺貨”報警指示燈、“選擇”按鈕、取貨口商品圖形均隱藏，此時不能購買任何商品.交易過程如下：當(dāng)單擊“投幣”按鈕時，投幣區(qū)“10元”、“5 元”等貨幣圖形即刻顯示；當(dāng)單擊某個貨幣圖形時，相當(dāng)于購買人向售貨機(jī)投入幣值，經(jīng)貨幣識別系統(tǒng)識別后傳送機(jī)構(gòu)動作，向PLC 對應(yīng)幣值的輸入端傳送一個投幣信號，PLC執(zhí)行程序，并將投幣金額、余額數(shù)值和可選商品信號上傳到上位機(jī)供畫面顯示，此時金額結(jié)算區(qū)中的投入和余額所對應(yīng)數(shù)值顯示為所投幣的累加值.在購買商品和投幣過程中，PLC 程序中存儲余額與商品價格的2 個數(shù)據(jù)寄存器實時比較，以判定余額值是否滿足商品的價格，當(dāng)余額對應(yīng)值等于或大于某些商品的價格而這些商品剩余又不為0時，其下方對應(yīng)的“選擇”按鈕顯示可供選購；單擊某個“選擇”按鈕，其對應(yīng)的商品即刻出現(xiàn)于取貨口處，相當(dāng)于商品傳動機(jī)構(gòu)動作，此時消費數(shù)值增加，余額數(shù)值減少.1 次交易可選購多個商品，這些商品依照先購先出的原則依次疊加于取貨口處，當(dāng)單擊此處商品時隨即隱藏，相當(dāng)于商品被取走；當(dāng)購買結(jié)束時，若金額顯示區(qū)仍有余額顯示，可單擊“退幣”按鈕，PLC程序執(zhí)行退幣運算，使待退的貨幣圖形及對應(yīng)的個數(shù)數(shù)值顯示于退幣取幣區(qū)，相當(dāng)于退幣傳送機(jī)構(gòu)動作，將貨幣傳送到取幣口.當(dāng)單擊“取幣”按鈕時，退幣取幣區(qū)所有貨幣圖形及其對應(yīng)個數(shù)的數(shù)值隱藏，金額結(jié)算區(qū)所有數(shù)值顯示為0，同時“投幣區(qū)”各貨幣隱藏，購買區(qū)的“選擇”按鈕消失.退幣的個數(shù)由PLC程序運算后獲得，按照幣值大小順序退幣.例如：剩余10個1元，退幣時只退1個10元，而不退10個1元；若剩余10個10元，就退10個10元，幣值個數(shù)用兩位數(shù)顯示[2].系統(tǒng)運行時具有記憶功能，當(dāng)系統(tǒng)掉電或重啟時，畫面中所有的數(shù)值、“選擇”按鈕、貨幣圖形的狀態(tài)均保持不變.只有按下“復(fù)位”按鈕時（圖中未有給出），PLC程序中所有寄存器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)才清零.為此，在PLC程序中應(yīng)選用具有掉電保持功能的保持繼電器或數(shù)據(jù)寄存器存放這些數(shù)據(jù)和狀態(tài).

圖2 自動售貨機(jī)組態(tài)住址交易畫面

表2 動態(tài)圖素動畫連接屬性表

3.3 商品補充畫面設(shè)計

缺貨商品補充畫面如圖3所示，它模擬缺貨商品的報警和補充.當(dāng)圖2中某商品“剩余”的對應(yīng)數(shù)值顯示為0時，圖3中該商品對應(yīng)的報警指示燈顯示并閃爍，提示該商品已經(jīng)銷售完畢，處于缺貨狀態(tài)，需要補充.若單擊該報警燈旁對應(yīng)的按鈕（如“01商品補充”按鈕），則向PLC輸入端發(fā)送一個ON信號，PLC程序執(zhí)行結(jié)果使得存放01商品購買次數(shù)的數(shù)據(jù)寄存器清零，即01商品銷量為0，而圖2畫面中購買商品區(qū)對應(yīng)的“剩余”數(shù)量顯示變?yōu)?0，同時該商品缺貨報警指示燈隱藏，由此實現(xiàn)了商品的補充.

圖3 缺貨商品補充畫面

3.4 商品銷量統(tǒng)計報表畫面

商品銷量統(tǒng)計報表如圖4所示，它調(diào)用組態(tài)王內(nèi)嵌式報表系統(tǒng)創(chuàng)建，利用報表函數(shù)實時記錄各種商品銷量和全部商品的銷售總量，以便掌握商品銷售情況.報表中顯示的銷售數(shù)量在關(guān)閉組態(tài)王軟件重啟后仍保持原狀態(tài)，只在單擊“記錄清零”按鈕時，才使PLC 中相應(yīng)的寄存器內(nèi)容清零，畫面中報表的“數(shù)值”列各數(shù)值復(fù)位為0.

3.5 動畫連接說明

圖4 商品銷量統(tǒng)計報表畫面

畫面中動態(tài)圖素的動畫連接所需的表達(dá)式或命令語言有時需考慮PLC程序的設(shè)計.如組態(tài)畫面各商品“剩余”對應(yīng)數(shù)值范圍為10～0，它隨著單擊“選擇”按鈕次數(shù)的增加（即商品銷量的增加）而遞減，而此時PLC程序執(zhí)行的是加1運算，因此，組態(tài)王動畫連接“模擬值輸出”表達(dá)式應(yīng)設(shè)為“10-01商品銷量”（以01商品為例）.又如，畫面中金額結(jié)算區(qū)的金額值均是以元為單位的真實值來顯示,而在PLC程序設(shè)計中，為了計算時盡量將存儲于HR0001～HR0003通道的3個金額值作為整數(shù)計算，對它們的值都以真實值的10倍來設(shè)置，即1角等價于10等，因此畫面中3個金額對應(yīng)文本“####”的動畫連接“模擬值輸出”表達(dá)式，應(yīng)分別設(shè)置為“金額/10”、“消費/10”和“余額/10”.

4 結(jié)束語

該仿真系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試、運行成功，現(xiàn)已應(yīng)用于PLC教學(xué)中并取得了良好的教學(xué)效果，達(dá)到了預(yù)期教學(xué)目的.該仿真系統(tǒng)的交易過程與實際自動售貨機(jī)的交易過程相符，并在經(jīng)營、管理雙重理念上，實現(xiàn)了一個功能更完善的自動售貨機(jī)仿真系統(tǒng)[3]，具有一定的實用價值.

[1]趙玉華.基于組態(tài)技術(shù)的PLC虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計[J].應(yīng)用科技,2005(12):48-50.

[2]周美蘭,周封,王岳宇.PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社,2003:197.

[3]方園.自動售貨機(jī)仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2012(11):211-212.