自動售貨機的實驗模型設計與實現

分類：解決方案日期：2012-02-13 00:00:00 來源：西部工控網

　　0引言

　　自動售貨機是一種由程序設定的銷售機器，它不受地點、時間的限制，能節省人力，交易方便，尤其在發達國家的大城市中較為普及，這是因為：城市中的人口密度高，購買力會成倍的增加；城市中土地價值高，自動售貨機占地面積小；城市中人們生活不規律，購買時間不固定。目前，自動售貨機在國內還未普及，但發展潛力不可低估，并且識別系統、軟件技術和制冷技術等領域的進步也為自動售貨業的發展提供了基礎保障。

　　依據自動售貨機的控制原理在實驗室中設計模擬實驗系統，能夠使學生更加貼近PLC控制的生活應用，提高學習的興趣及實用性。這里使用了西門子S7-200系列PLC，該系列PLC在國內的市場占有率很高，這得益于該PLC較高的性價比、可靠性、抗干擾性及維護方便等優點[1]。實驗模型的搭建使用了工業以太網的通信方式完成控制器和上位機的信息交換，使用WinCC設計了監控畫面，畫面完整形象，達到了實踐教學的目的。

　　實驗模型的系統構成

　　1.1實驗模型的軟硬件介紹

　　⑴自動售貨機的控制系統的控制器采用了西門子公司的200系列PLC，型號為226CN，通信模塊采用CP243-1IT，模擬量模塊選用EM235CN。西門子226CN型號的CPU有14輸入/16輸出共40個數字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O點或35路模擬量I/O點，程序和數據存儲空間為13K字節，有6個獨立的30kHz高速計數器和2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器，集成的2個RS485通訊/編程口具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力；CP243-1IT通訊處理器用于上位機通過工業以太網連接S7-200CPU，實現遠程組態、編程和診斷，也可用于與其他PLC交換數據；EM235是最常用的模擬量擴展模塊，它具有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，模擬量的輸入輸出可以為電壓或電流，可選量程較多，適用于不同場合[2]。

　　⑵上位機使用WindowsXPProfessional操作系統為運行平臺，裝載有WinCCExplorer軟件和STEP7-Micro/WINV4.0軟件，前者為程序實現的軟件，后者為監控畫面的編輯軟件。當監控系統正常工作時，上位機通過CP243-1IT模塊完成與S7-200CPU的數據交換。這里需要說明的是，WinCC的數據信息并不能直接從S7-200PLC的通信接口中獲得，還需要西門子的PCAccess軟件提供信息交換的統一標準軟件接口，WinCC軟件作為OPC客戶端得到控制器中的數據信息。

　　組態軟件是數據采集監控系統SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）軟件平臺工具，是工業應用軟件的一個組成部分。西門子公司的組態軟件WinCC作為在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業技術系統，提供了使用于工業的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模版，高性能的過程耦合、快速的畫面更新以及可靠的數據使其具有高度的使用性，另外，WinCC還提供了開放的界面用于用戶解決方案，這使得將WinCC集成于復雜、廣泛的自動控制解決方案成為可能。

　　1.2實驗模型的工作要求

　　自動售貨機的模擬結構如圖1所示，整個系統分為投幣、飲料的選擇和更換料桶三個主要部分。具體流程是：在橙汁和可樂兩個料桶不為空時，按投入硬幣按鈕，投幣下方的指示框將累計投幣的次數，當投幣指示燈變為綠色時，表示投幣有效，接下來就可以進行飲料的選擇（橙汁或可樂），選擇的數量為一杯，且每次只能選擇一杯，多投入硬幣不能多次選擇，兩個料桶只要有至少一個排空，飲料已售完的指示燈將變亮，提示更新料桶，一旦更新料桶，可樂與橙汁的料桶均會重新注滿。

圖1自動售貨機的結構圖

　　實驗模型的實現

　　自動售貨機的實驗模型實現主要分為3個步驟：①控制程序的編寫，這里選擇了梯形圖的編程形式，使用了輸入輸出、比較、定時器、計數器等一系列常用指令；②工業以太網通信的實現通過建立以太網向導，設置IP地址、子網掩碼、網關、TSAP等參數和選項，用PPI的通信方式將已經設置好的以太網向導下載到PLC的CPU模塊，改變操作欄中的“設置PG/PC接口”，再使用PCAccess軟件做出統一標準的OPC軟件接口；③在WinCC中編輯監控畫面，建立外部變量并對應連接步驟1中所使用的程序指令寄存器地址，保存并運行。

　　2.1控制程序的編寫

　　打開STEP7-Micro/WINV4.0編程軟件，建立名為“smz1”的項目。如圖2所示，創建信息完整的符號表，這樣在編寫梯形圖程序時可以方便的調用，不會產生混亂；如圖3所示，在操作欄中單擊程序塊，從左側指令樹中調用位邏輯、定時器、計數等指令拖入網絡中搭建程序的邏輯結構，點擊“？？？”，寫入相應的符號名稱或地址，如果已經定義，網格下方將自動出現所用變量的詳細信息。使用相同的方法，完成整個控制程序的編寫。

圖2梯形圖的符號表圖

3程序指令的使用

　　2.2工業以太網通信的實現

　　⑴以太網向導建立。

　　在STEP7-Micro/WINV4.0的指令樹中找到向導圖標并雙擊，在出現的二級目錄中找到以太網圖標并雙擊，出現以太網向導對話框，點擊下一步；在新出現的對話框中點擊讀取模塊，將出現的模塊位置與所設置的位置保持一致，模塊位置都為0，點擊下一步（注意，如沒有出現CP243-1模塊，則檢查接線或檢查PLC的模塊中是否缺少該模塊）；在出現的對話框中寫入“IP地址”、“子網掩碼”、“網關地址”，如圖4所示，點擊下一步，（其中“IP地址”可以直接點擊后面的圖標，選擇已經保存過的地址）；在出現的對話框中，將“要為此模塊配置的連接數目”設置為1，點擊下一步；配置連接對話框中，選擇服務器連接，服務器的TSAP與客戶機的TSAP保持一致，在本地屬性中選擇“接受所有連接請求”，點擊確認，連續點擊下一步直至以太網向導的設置完成[3]。

⑵OPC接口軟件PCAccess的設置。

　　雙擊桌面上的“V1.0PCAccess”圖標，打開PCAccess，點擊工具欄上的保存按鈕，將新建項目保存為“smz1”；在文件菜單下點擊“輸入符號”條目，找到D盤下找到在STEP7MicroWIN中建立的文件“smz1.mwp”，選中并點擊打開，該文件就被輸入PCAccess；輸入符號后，在左上角的欄中出現smz1的PLC圖標，在該圖標上右擊鼠標，單擊屬性條目，將PLC屬性中本地和遠程TSAP修改為“10.01”，編輯IP地址，點擊“認”按鈕，如圖5所示；將用戶定義1文件夾重命名為smz1，修改完畢后保存項目，然后選中文件夾，再單擊工具欄中“在測試客戶機中增加當前項目”按鈕，將各變量下載到測試客戶機欄中，接著單擊工具欄中“測試客戶機狀態”按鈕，測試客戶機欄中質量由“Bad”變為“Good”，單擊“測試客戶機狀態”按鈕，退出測試狀態，保存項目，關閉PCAccess。

圖4以太網向導參數設置圖

5PCAccess設置

　　2.3監控畫面的連接與運行

　　⑴WinCC中的變量連接。

　　在桌面上找到“WinCCExplorer.exe”圖標，雙擊進入WinCC組態環境，新建一個項目命名為“smz1”的單用戶項目，選中左欄中變量管理條目，右擊鼠標增加“OPC.chn”驅動程序條目；在變量管理的子條目中找到OPC通道的圖標，選中并右擊鼠標，點擊新驅動程序的連接條目，出現連接屬性對話框，點擊屬性按鈕，在OPC服務器名稱下輸入“s7200.opcserver”，在點擊測試服務器按鈕，測試通過，點擊確定，再點擊“NewConnection屬性”與“連接屬性”的確定按鈕，完成新的連接的建立；在“OPCGroups（OPCHNUnit#1）”上右擊鼠標，點擊系統參數，進入OPC條目管理器，再點擊“\\”，選中該條目的子條目下的“s7200.opcserver”，然后點擊對話框右方的瀏覽服務器，跳出過濾標準對話框，點擊下一步；在新出現的對話框中，點擊左欄中s7200.opcserver前的“+”，選中最后一個“smz1”，右欄中出現了在編程時所設的變量和類型，選中第一個變量，再點擊增加條目按鈕，出現了增加變量對話框（在這里，可對變量增加前綴和后綴），選中“NewConnection”，再點擊完成按鈕，第一個變量就被添加到了NewConnection的連接下，如圖6所示，以此方法，將所有變量添加到NewConnection下，退出項目管理器。

　　⑵報警與變量記錄設置[4]。

　　①在圖形編輯器中新建各個運行畫面，在顯示庫中選擇所需要的元件，拖至畫面中，根據具體需要進行設置，這里不再累贅。主畫面的編輯過程中需要注意兩個問題：一是疊放次序的設置要正確，其設置在工具菜單下的“在該層”屬性中；二是對于變量格式的設置，尤其是非二進制的變量，變量格式會影響到變量的具體使用。

　　②信息畫面的運行需要進行報警和變量記錄的設置。首先，打開報警記錄窗口，在文件菜單下單擊“選擇向導”，新建一個系統向導；在工具菜單下打開附加項對話框，選中模擬量報警，點擊確定；鼠標右擊模擬量報警，新建一個變量報警，選擇要監視的變量名稱，完成上下限設置；新建一個歸檔向導，這里設置不多，只需點擊下一步即可，但在最后完成時需要把要歸檔的變量添加到歸檔向導中。

　　③打開信息畫面，在對象選項板的控件里選中“WinCCOnlineTrendControl”與“WinCCAlarmControl”控件，在畫面上拖至合適大小，分別需要進行設置即可，完成后運行組態畫面，結構如圖1與圖7所示。