基于PLC的蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張繪敏

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 鄭州 452000)

引言

中國(guó)在無人售貨機(jī)方面發(fā)展迅速，尤其以友寶智能為代表的第二代自動(dòng)售貨機(jī)，通過互聯(lián)網(wǎng)，于2013年成為微信支付的首批合作伙伴之一，大力發(fā)展移動(dòng)支付功能，讓自動(dòng)售貨機(jī)在移動(dòng)支付方面領(lǐng)先全球。[1]但主要售賣飲料、食品、報(bào)紙、香煙等物品，在蔬菜無人售貨方面的應(yīng)用還不是很普及。針對(duì)目前上班族和老年人在選購(gòu)蔬菜時(shí)的不便，設(shè)計(jì)出一臺(tái)使用方便、節(jié)約購(gòu)買時(shí)間的蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)。蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)節(jié)省人力，不用人員看守；全天不間斷供貨；無人購(gòu)買時(shí)在公共場(chǎng)合插播廣告宣傳，[2]因此得到了較為迅速的發(fā)展。但由于沒有得到很好的推廣，尤其是三四線城市和縣級(jí)地區(qū)以及農(nóng)村并未普及，并且在設(shè)計(jì)上過于復(fù)雜，不便于操作。因此通過調(diào)查研究目前已存在的多種類型的自動(dòng)售貨機(jī)，分析用戶操作習(xí)慣，確定機(jī)器的結(jié)構(gòu)及組成，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出此控制系統(tǒng)。

1 蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 主機(jī)和輔機(jī)的結(jié)構(gòu)及組成

主機(jī)箱體的頂端裝備有網(wǎng)絡(luò)攝像頭，網(wǎng)絡(luò)攝像頭主要是為了保障蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)的安全，防止被損壞；主體正面的上方是蔬菜商品的展示窗，在價(jià)格標(biāo)簽的下面有商品選擇按鍵；右側(cè)區(qū)域?yàn)橹Ц断到y(tǒng)，設(shè)有投幣口、退幣按鈕等元素。正下面為顧客取貨口，用來取商品和包裝袋。輔機(jī)是整個(gè)蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)系統(tǒng)的執(zhí)行部分制冷制熱系統(tǒng)，根據(jù)外部環(huán)境來確定蔬菜內(nèi)部環(huán)境是需要來制冷還是制熱，實(shí)現(xiàn)蔬菜恒溫儲(chǔ)存，保證蔬菜的新鮮。[3]

1.2 蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)的工作原理

蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)售賣商品時(shí)，顧客只需通過按鍵進(jìn)行操作，就能完成對(duì)蔬菜的購(gòu)買。顧客對(duì)所需的蔬菜進(jìn)行選擇，在選擇完成后通過現(xiàn)金投幣或者微信、支付寶二維碼進(jìn)行付款，當(dāng)蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)的支付系統(tǒng)收到付款完成的信息后，就會(huì)將所選擇的商品送出來。

1.3 蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)的控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，下位機(jī)中I0.0～I(xiàn)3.3為數(shù)字量輸入信號(hào)，Q0.0～Q3.2為數(shù)字量輸出信號(hào)。顧客通過按鍵選擇商品來給定一個(gè)輸入信號(hào)，經(jīng)過PLC控制系統(tǒng)輸出的信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)，使顧客選用的貨物出貨。PLC將采集的信號(hào)傳送到上位機(jī)，上位機(jī)通過與無線路由器和觸摸屏相互通信，可以在觸摸屏上實(shí)時(shí)監(jiān)控商品售賣的狀態(tài)。

圖1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC的I/O口分配

PLC 采用西門子公司 S7-200 ST60 CPU+EM DT08 35DI∕28DO，采用24V DC供電。PLC的輸入信號(hào)共28個(gè)，包括：1個(gè)退幣按鈕、12個(gè)商品選擇按鈕、12個(gè)商品感應(yīng)開關(guān)、3個(gè)貨幣感應(yīng)輸入口；PLC的輸出點(diǎn)27個(gè)，包括：1個(gè)退幣電機(jī)、12個(gè)商品出貨電機(jī)、12個(gè)可購(gòu)買指示燈、1個(gè)缺料提示燈、1個(gè)現(xiàn)金不足提示燈。PLC的輸出信號(hào)包括出貨電機(jī)控制、缺貨信號(hào)、可購(gòu)買貨物指示燈信號(hào)，一共27個(gè)輸出量。

2.2 元件選型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，自動(dòng)售貨機(jī)在選購(gòu)商品或退幣時(shí)，需要通過外部按鈕來給定一個(gè)輸入信號(hào)，選用西門子3SB3206-0AA71發(fā)光按鈕。當(dāng)顧客選購(gòu)?fù)晟唐泛?，蔬菜自?dòng)售貨機(jī)的出貨口需要對(duì)射檢測(cè)顧客選購(gòu)的商品是否正常出貨，光電開關(guān)選擇E3JK-5DM1光電開關(guān)。出貨電機(jī)所對(duì)應(yīng)的繼電器得電動(dòng)作，相對(duì)應(yīng)的蔬菜電機(jī)啟動(dòng)，輸出貨物，繼電器選擇歐姆龍MY2N-J型。

2.3 電氣設(shè)備控制回路設(shè)計(jì)

主機(jī)電路圖如圖2所示，當(dāng)電路中接通220V交流電時(shí)所有線路得電，QF是空氣開關(guān)，當(dāng)電路中出現(xiàn)短路以及其他情況時(shí)可以迅速斷開，主要起到保護(hù)電路安全的作用。開關(guān)K1主要是控制整個(gè)主體機(jī)柜是否得電。工控機(jī)、攝像機(jī)、路由器和觸摸屏都是直接到220V的電源上。[4]壓縮機(jī)直接接入電路，PLC通過控制繼電器KA0來決定是否啟動(dòng)壓縮機(jī)，由于壓縮機(jī)本身具有溫度控制的功能，可以根據(jù)外部環(huán)境的變化而變化來保證商品的外觀和可實(shí)用性，當(dāng)溫度達(dá)到一定的范圍內(nèi)時(shí)，壓縮機(jī)會(huì)間斷性工作，方便且節(jié)能。

圖2 主機(jī)電路圖

工控機(jī)選用IPC-610MB-L研華AIMB-763系列，攝像機(jī)選擇九安360°全景網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)，無線路由器選擇華為公司的AR111-S無線路由器，觸摸屏選擇上海滔澤智能科技的IPM-150八線電阻式觸摸屏。

圖3 輔機(jī)電路圖

輔機(jī)電路圖如圖3所示，使用220V交流電源，當(dāng)空氣開關(guān)QF3閉合，主機(jī)中的維修插座通電，通過安裝空氣開關(guān)，當(dāng)對(duì)蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)進(jìn)行維修或者定期檢查時(shí)，都可以很方便的斷電以保障維修工人的安全。輔機(jī)電路中的伺服驅(qū)動(dòng)控制原理是：當(dāng)顧客在選購(gòu)蔬菜時(shí)，通過按鈕進(jìn)行選擇，按下按鈕后繼電器得電動(dòng)作，常開觸點(diǎn)閉合，相對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)運(yùn)行工作。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)

當(dāng)蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)重啟時(shí)，使整個(gè)系統(tǒng)清零，具備初始化功能，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)初始化程序

3.2 缺貨提示的程序設(shè)計(jì)

以香椿、胡蘿卜、西紅柿、白菜四種蔬菜為例，當(dāng)蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)出現(xiàn)缺貨的情況時(shí)，相對(duì)應(yīng)的按鈕便會(huì)自動(dòng)閃爍，如圖5所示。

圖5 缺貨提示程序

3.3 貨幣感應(yīng)及累加的程序的設(shè)計(jì)

分別設(shè)計(jì)出1元、2元、5元的貨幣感應(yīng)程序，使貨幣感應(yīng)識(shí)別器能夠識(shí)別出金額大小并將貨幣信息發(fā)送給支付系統(tǒng)，以5元的貨幣感應(yīng)為例，程序如圖6所示。

圖6 貨幣感應(yīng)程序

3.4 退幣找零的程序設(shè)計(jì)

退幣找零程序：購(gòu)買完商品后還有余額且在一分鐘內(nèi)無選擇商品或者按下退幣按鈕，之后退出余額且余額顯示清零，如圖7所示。

圖7 退幣程序

4 仿真與調(diào)試

在程序的仿真實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)退幣程序和可購(gòu)買程序進(jìn)行部分仿真。仿真時(shí)依次啟動(dòng)I0.0、I0.1。當(dāng)按下退幣電機(jī)I0.0，仿真軟件的輸出位Q0.0亮，說明出貨電機(jī)正常；當(dāng)按下I0.1，仿真軟件的輸出位Q0.1亮，當(dāng)金額大于等于2元時(shí)，可購(gòu)買商品出貨正常。

4.1 當(dāng)按下退幣按鈕后，退幣電機(jī)動(dòng)作，仿真如圖8所示。

圖8 退幣仿真

4.2 當(dāng)金額大于等于2元時(shí)，以香椿為例，按下SB2按鈕便可購(gòu)買商品，如圖9所示。

圖9 2元蔬菜出貨仿真

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)結(jié)合我國(guó)社會(huì)生活的需求，針對(duì)上班族和老年人在選購(gòu)蔬菜時(shí)的耗時(shí)和不便，產(chǎn)生了蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)的需求。本控制系統(tǒng)主要完成了蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)控制系統(tǒng)的PLC硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，通過掃碼或投幣支付等方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類的蔬菜進(jìn)行售賣，滿足了蔬菜供應(yīng)對(duì)特殊人群的需求。蔬菜自動(dòng)售貨機(jī)目前在中國(guó)還未得到大范圍推廣，因此在國(guó)內(nèi)具有較大的市場(chǎng)潛力。