A007基于博途西门子1200PLC的自动售货机控制系统设计

摘要

研究背景与意义：阐述自动售货机在现代生活中的广泛应用及自动化、智能化升级需求，说明基于西门子1200PLC与博途软件实现自动售货机控制系统设计的工程价值和实践意义。

研究内容与目标：明确本文围绕自动售货机的投币识别、商品选择、出货控制、找零功能等核心需求，基于博途平台完成西门子1200PLC控制系统的硬件选型、软件编程、HMI组态及仿真验证，实现具备稳定运行、操作便捷的自动售货机控制功能。

研究方法与创新点：采用文献研究法、方案设计法、编程仿真法等，结合PLC控制技术与HMI交互技术，创新点在于优化投币金额统计算法与商品出货时序控制逻辑，提升系统响应速度与可靠性。

论文结构：简要介绍论文各章节主要内容。

关键词

西门子1200PLC；博途软件；自动售货机；控制系统；HMI组态；仿真验证

一、绪论

（一）研究背景

自动售货机行业发展现状：从传统机械型向智能自动化转型的趋势，市场对高效、稳定、多功能自动售货机的需求增长。

PLC在自动控制领域的应用优势：可靠性高、抗干扰能力强、编程灵活等特点，成为自动售货机控制系统的核心选择。

西门子1200PLC与博途软件的技术优势：模块化设计、友好的编程界面、强大的通信功能，为控制系统设计提供高效支撑。

（二）研究意义

理论意义：丰富PLC在小型自动化设备控制系统中的设计与应用案例，为相关课程设计与学术研究提供参考。

实践意义：开发具备投币识别、商品选择、自动出货、找零等完整功能的自动售货机控制系统，可直接应用于小型零售场景，提升零售效率与用户体验。

（三）国内外研究现状

国外研究现状：国外自动售货机技术成熟，PLC与物联网、支付技术融合紧密，智能化程度高。

国内研究现状：国内自动售货机市场增长迅速，但部分中低端产品存在控制精度低、功能单一等问题，基于西门子系列PLC的高性能控制系统研究具有现实需求。

（四）研究内容与技术路线

研究内容：硬件系统选型与电路设计、PLC程序编写（投币统计、商品选择、出货控制、找零逻辑等）、HMI组态设计、系统仿真与调试。

技术路线：需求分析→硬件设计→软件编程→HMI组态→仿真验证→优化改进。

（五）论文组织结构

简要概述各章节主要内容。

二、相关技术基础

（一）西门子1200PLC技术概述

CPU 1214C DC/DC/DC核心参数：14输入/10输出接口特性、电源类型、处理速度等。

PLC工作原理：循环扫描工作模式（输入采样、程序执行、输出刷新）。

博途（TIA Portal）软件功能：集成硬件组态、编程、仿真、调试等一体化功能，支持LAD等编程语言。

（二）HMI人机交互技术

TP1200精智面板特性：显示分辨率、通信接口、操作方式等。

WinCC Runtime Advanced组态软件：界面设计、变量关联、动画效果实现等功能。

（三）自动控制核心逻辑基础

时序控制原理：基于TON定时器的商品出货时间控制、找零时间控制。

逻辑判断与数据处理：投币金额累加与商品价格比较逻辑、剩余金额计算与找零金额分配逻辑。

三、自动售货机控制系统需求分析

（一）功能需求分析

投币功能：支持1元硬币、5元纸币、10元纸币识别，实现投币金额自动累加。

商品选择功能：支持矿泉水、可乐、果汁3种商品选择，仅当投币金额≥商品价格时，对应商品指示灯亮，允许选择。

自动出货功能：按下选中商品按钮后，对应商品排出电磁阀动作，持续7s后自动停止，出货时对应指示灯闪烁。

找零功能：购买商品后，若投币金额＞消费金额，找零指示灯亮，按下退币按钮，找钱电动机动作，5秒内完成1元硬币找零。

状态指示功能：投币金额、商品可购买状态、出货状态、找零状态等通过指示灯或HMI界面实时显示。

参数设置功能：通过HMI界面设置各商品价格、初始库存数量等参数。

（二）性能需求分析

响应速度：投币识别、按钮操作响应时间≤0.5s。

稳定性：连续运行无故障时间≥8小时，抗电磁干扰能力符合工业标准。

准确性：投币金额统计误差为0，出货动作与找零金额准确性100%。

（三）接口需求分析

输入接口：退币按钮、1元/5元/10元投币传感器、3种商品选择按钮。

输出接口：找钱电动机、找零指示灯、3种商品指示灯、3种商品排出电磁阀。

通信接口：PLC与HMI之间的Profinet通信，实现数据实时交互。

四、自动售货机控制系统硬件设计

（一）硬件选型

核心控制单元：西门子CPU 1214C DC/DC/DC PLC，说明选型依据（接口数量、性能匹配、成本适配）。

人机交互单元：TP1200精智面板，说明选型依据（显示效果、操作便捷性、通信兼容性）。

输入设备：退币按钮（SB1）、投币传感器（KB1/KB2/KB3）、商品选择按钮（SB2/SB3/SB4），说明选型规格与功能适配性。

输出设备：找钱电动机（KM1）、指示灯（HL1/HL2/HL3/HL4）、商品排出电磁阀（YV1/YV2/YV3），说明选型参数与控制要求匹配性。

辅助设备：直流电源（DC24V）、断路器（QS）、熔断器（FU1）、热继电器（FR1）等，说明选型依据与保护功能。

（二）IO分配表设计

（三）外部接线图设计

电源回路设计：DC24V电源给PLC输入模块、传感器、按钮供电；三相电源通过断路器、熔断器、热继电器给找钱电动机供电。

输入回路设计：各按钮、传感器与PLC输入端子（I0.0-I0.6）连接，说明接线方式（共阳极/共阴极）。

输出回路设计：PLC输出端子（Q0.0-Q0.7）与指示灯、电磁阀、接触器线圈连接，说明保护措施（如熔断器选型）。

PLC与HMI通信接线：通过Profinet电缆连接PLC的PN接口与HMI的通信接口，实现数据交互。

（四）主电路图设计

绘制主电路原理图，包括三相电源输入、断路器（QS）、熔断器（FU1）、接触器（KM1）、热继电器（FR1）、找钱电动机（M）的连接关系，说明电路保护原理（过载保护、短路保护）。

五、自动售货机控制系统软件设计

（一）软件总体架构

程序模块划分：初始化模块、投币金额统计模块、商品选择与判断模块、商品出货控制模块、指示灯控制模块、找零控制模块。

数据变量定义：

（二）各模块程序设计

初始化模块（程序段1）：

功能：PLC首次扫描时，初始化商品价格（矿泉水2元、可乐3元、果汁5元）、初始库存数量（各20件）、投币金额与退币金额清零。

编程实现：通过MOVE指令将初始值写入对应数据存储地址，触发条件为%M1.0（FirstScan）。

投币金额统计模块（程序段2）：

功能：通过投币传感器（I0.1-I0.3）识别1元、5元、10元投币，实现投币金额自动累加。

编程实现：采用ADD Auto（Real）指令，分别检测各投币传感器的上升沿（通过中间变量1-3），触发对应金额累加至%MD100（投币金额）。

商品选择与判断模块（程序段3/6/9）：

功能：判断投币金额是否≥对应商品价格，若满足则允许商品选择，触发出货控制逻辑。

编程实现：通过比较指令（GE）判断投币金额与商品价格，结合商品选择按钮（I0.4-I0.6）的按下信号，输出触发信号至出货控制模块。

商品出货控制模块（程序段4/7/10）：

功能：接收商品选择触发信号后，控制对应商品排出电磁阀（Q0.3/Q0.5/Q0.7）动作，持续7s后自动停止，并扣减对应商品库存。

编程实现：采用TON定时器设定7s出货时间，定时器触发时，电磁阀输出为ON，定时结束后输出为OFF；同时通过SUB指令扣减对应商品数量（%MW112/%MW120/%MW128）。

指示灯控制模块（程序段5/8/11）：

功能：投币金额≥商品价格时，对应商品指示灯（Q0.2/Q0.4/Q0.6）常亮；商品出货时，指示灯闪烁。

编程实现：通过逻辑与指令控制指示灯常亮；出货期间，通过定时器实现指示灯的通断交替，形成闪烁效果。

找零控制模块（程序段12/13）：

功能：商品购买后，计算剩余金额（投币金额-商品价格），若剩余金额＞0，找零指示灯（Q0.1）亮；按下退币按钮（I0.0），控制找钱电动机（Q0.0）动作，5秒内完成1元硬币找零，同时清零投币金额与退币金额。

编程实现：通过SUB指令计算剩余金额并存入%MD104（退币金额）；剩余金额＞0时，Q0.1置1；检测到退币按钮信号后，触发TON定时器（5s），定时器期间Q0.0置1（找钱电动机运行），定时结束后Q0.0、Q0.1置0，投币金额与退币金额清零。

（三）HMI组态设计

界面布局设计：

主界面：显示投币金额、退币金额、各商品价格与库存、可购买状态指示、退币按钮。

管理员界面：提供商品价格修改、库存重置功能（密码保护）。

变量关联：将HMI界面元素与PLC变量（如投币金额%MD100、商品价格%MD108等）关联，实现数据实时显示与参数下发。

动画效果设计：商品指示灯亮/闪烁、找零指示灯亮、出货动作模拟等动画效果，提升用户体验。

六、系统仿真与调试

（一）仿真环境搭建

博途软件仿真配置：在博途软件中创建PLC与HMI仿真项目，完成硬件组态与通信连接设置。

测试用例设计：

（二）功能仿真测试

投币金额统计测试：验证1元、5元、10元投币时，金额累加准确性。

商品选择与出货测试：验证投币金额满足条件时，商品指示灯亮，按下按钮后出货动作与时间控制准确性，库存扣减正确性。

找零功能测试：验证剩余金额计算准确性、找零指示灯状态、退币动作与时间控制正确性。

指示灯状态测试：验证不同场景下（可购买、出货中、找零中）指示灯亮灭与闪烁状态正确性。

HMI交互测试：验证HMI界面数据显示实时性、参数设置功能有效性。

（三）问题与优化

测试中发现的问题：如投币传感器误触发、出货时间偏差、HMI数据更新延迟等。

优化方案：增加传感器防抖处理逻辑、调整定时器参数、优化PLC与HMI通信周期等。

优化后测试结果：验证问题是否解决，系统功能是否满足设计要求。

七、结论与展望

（一）研究结论

完成了基于西门子1200PLC与博途软件的自动售货机控制系统设计，包括硬件选型、IO分配、电路设计、软件编程与HMI组态。

实现了投币识别、商品选择、自动出货、找零、状态指示等核心功能，通过仿真测试验证了系统的准确性与稳定性。

系统响应速度快、操作便捷，满足小型自动售货机的实际应用需求。

（二）不足与展望

系统不足：仅支持现金支付，未集成移动支付功能；无远程监控与故障诊断功能；商品种类扩展有限。

未来展望：

功能扩展：集成微信、支付宝等移动支付模块，增加商品补货提醒功能。

技术升级：通过物联网技术实现远程监控、库存管理与故障预警。

应用拓展：将控制系统适配更多商品类型与售货机规格，提升系统通用性。

参考文献

列出论文撰写过程中参考的期刊论文、学位论文、教材、技术手册等。

致谢

感谢导师的指导、同学的帮助以及实验室提供的研究条件等。