自动售货机的实验模型设计与实现

分类：解决方案日期：2012-02-13 00:00:00 来源：西部工控网

　　0引言

　　自动售货机是一种由程序设定的销售机器，它不受地点、时间的限制，能节省人力，交易方便，尤其在发达国家的大城市中较为普及，这是因为：城市中的人口密度高，购买力会成倍的增加；城市中土地价值高，自动售货机占地面积小；城市中人们生活不规律，购买时间不固定。目前，自动售货机在国内还未普及，但发展潜力不可低估，并且识别系统、软件技术和制冷技术等领域的进步也为自动售货业的发展提供了基础保障。

　　依据自动售货机的控制原理在实验室中设计模拟实验系统，能够使学生更加贴近PLC控制的生活应用，提高学习的兴趣及实用性。这里使用了西门子S7-200系列PLC，该系列PLC在国内的市场占有率很高，这得益于该PLC较高的性价比、可靠性、抗干扰性及维护方便等优点[1]。实验模型的搭建使用了工业以太网的通信方式完成控制器和上位机的信息交换，使用WinCC设计了监控画面，画面完整形象，达到了实践教学的目的。

　　实验模型的系统构成

　　1.1实验模型的软硬件介绍

　　⑴自动售货机的控制系统的控制器采用了西门子公司的200系列PLC，型号为226CN，通信模块采用CP243-1IT，模拟量模块选用EM235CN。西门子226CN型号的CPU有14输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，程序和数据存储空间为13K字节，有6个独立的30kHz高速计数器和2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器，集成的2个RS485通讯/编程口具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力；CP243-1IT通讯处理器用于上位机通过工业以太网连接S7-200CPU，实现远程组态、编程和诊断，也可用于与其他PLC交换数据；EM235是最常用的模拟量扩展模块，它具有4路模拟量输入和1路模拟量输出，模拟量的输入输出可以为电压或电流，可选量程较多，适用于不同场合[2]。

　　⑵上位机使用WindowsXPProfessional操作系统为运行平台，装载有WinCCExplorer软件和STEP7-Micro/WINV4.0软件，前者为程序实现的软件，后者为监控画面的编辑软件。当监控系统正常工作时，上位机通过CP243-1IT模块完成与S7-200CPU的数据交换。这里需要说明的是，WinCC的数据信息并不能直接从S7-200PLC的通信接口中获得，还需要西门子的PCAccess软件提供信息交换的统一标准软件接口，WinCC软件作为OPC客户端得到控制器中的数据信息。

　　组态软件是数据采集监控系统SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。西门子公司的组态软件WinCC作为在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术系统，提供了使用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模版，高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据使其具有高度的使用性，另外，WinCC还提供了开放的界面用于用户解决方案，这使得将WinCC集成于复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。

　　1.2实验模型的工作要求

　　自动售货机的模拟结构如图1所示，整个系统分为投币、饮料的选择和更换料桶三个主要部分。具体流程是：在橙汁和可乐两个料桶不为空时，按投入硬币按钮，投币下方的指示框将累计投币的次数，当投币指示灯变为绿色时，表示投币有效，接下来就可以进行饮料的选择（橙汁或可乐），选择的数量为一杯，且每次只能选择一杯，多投入硬币不能多次选择，两个料桶只要有至少一个排空，饮料已售完的指示灯将变亮，提示更新料桶，一旦更新料桶，可乐与橙汁的料桶均会重新注满。

图1自动售货机的结构图

　　实验模型的实现

　　自动售货机的实验模型实现主要分为3个步骤：①控制程序的编写，这里选择了梯形图的编程形式，使用了输入输出、比较、定时器、计数器等一系列常用指令；②工业以太网通信的实现通过建立以太网向导，设置IP地址、子网掩码、网关、TSAP等参数和选项，用PPI的通信方式将已经设置好的以太网向导下载到PLC的CPU模块，改变操作栏中的“设置PG/PC接口”，再使用PCAccess软件做出统一标准的OPC软件接口；③在WinCC中编辑监控画面，建立外部变量并对应连接步骤1中所使用的程序指令寄存器地址，保存并运行。

　　2.1控制程序的编写

　　打开STEP7-Micro/WINV4.0编程软件，建立名为“smz1”的项目。如图2所示，创建信息完整的符号表，这样在编写梯形图程序时可以方便的调用，不会产生混乱；如图3所示，在操作栏中单击程序块，从左侧指令树中调用位逻辑、定时器、计数等指令拖入网络中搭建程序的逻辑结构，点击“？？？”，写入相应的符号名称或地址，如果已经定义，网格下方将自动出现所用变量的详细信息。使用相同的方法，完成整个控制程序的编写。

图2梯形图的符号表图

3程序指令的使用

　　2.2工业以太网通信的实现

　　⑴以太网向导建立。

　　在STEP7-Micro/WINV4.0的指令树中找到向导图标并双击，在出现的二级目录中找到以太网图标并双击，出现以太网向导对话框，点击下一步；在新出现的对话框中点击读取模块，将出现的模块位置与所设置的位置保持一致，模块位置都为0，点击下一步（注意，如没有出现CP243-1模块，则检查接线或检查PLC的模块中是否缺少该模块）；在出现的对话框中写入“IP地址”、“子网掩码”、“网关地址”，如图4所示，点击下一步，（其中“IP地址”可以直接点击后面的图标，选择已经保存过的地址）；在出现的对话框中，将“要为此模块配置的连接数目”设置为1，点击下一步；配置连接对话框中，选择服务器连接，服务器的TSAP与客户机的TSAP保持一致，在本地属性中选择“接受所有连接请求”，点击确认，连续点击下一步直至以太网向导的设置完成[3]。

⑵OPC接口软件PCAccess的设置。

　　双击桌面上的“V1.0PCAccess”图标，打开PCAccess，点击工具栏上的保存按钮，将新建项目保存为“smz1”；在文件菜单下点击“输入符号”条目，找到D盘下找到在STEP7MicroWIN中建立的文件“smz1.mwp”，选中并点击打开，该文件就被输入PCAccess；输入符号后，在左上角的栏中出现smz1的PLC图标，在该图标上右击鼠标，单击属性条目，将PLC属性中本地和远程TSAP修改为“10.01”，编辑IP地址，点击“认”按钮，如图5所示；将用户定义1文件夹重命名为smz1，修改完毕后保存项目，然后选中文件夹，再单击工具栏中“在测试客户机中增加当前项目”按钮，将各变量下载到测试客户机栏中，接着单击工具栏中“测试客户机状态”按钮，测试客户机栏中质量由“Bad”变为“Good”，单击“测试客户机状态”按钮，退出测试状态，保存项目，关闭PCAccess。

图4以太网向导参数设置图

5PCAccess设置

　　2.3监控画面的连接与运行

　　⑴WinCC中的变量连接。

　　在桌面上找到“WinCCExplorer.exe”图标，双击进入WinCC组态环境，新建一个项目命名为“smz1”的单用户项目，选中左栏中变量管理条目，右击鼠标增加“OPC.chn”驱动程序条目；在变量管理的子条目中找到OPC通道的图标，选中并右击鼠标，点击新驱动程序的连接条目，出现连接属性对话框，点击属性按钮，在OPC服务器名称下输入“s7200.opcserver”，在点击测试服务器按钮，测试通过，点击确定，再点击“NewConnection属性”与“连接属性”的确定按钮，完成新的连接的建立；在“OPCGroups（OPCHNUnit#1）”上右击鼠标，点击系统参数，进入OPC条目管理器，再点击“\\”，选中该条目的子条目下的“s7200.opcserver”，然后点击对话框右方的浏览服务器，跳出过滤标准对话框，点击下一步；在新出现的对话框中，点击左栏中s7200.opcserver前的“+”，选中最后一个“smz1”，右栏中出现了在编程时所设的变量和类型，选中第一个变量，再点击增加条目按钮，出现了增加变量对话框（在这里，可对变量增加前缀和后缀），选中“NewConnection”，再点击完成按钮，第一个变量就被添加到了NewConnection的连接下，如图6所示，以此方法，将所有变量添加到NewConnection下，退出项目管理器。

　　⑵报警与变量记录设置[4]。

　　①在图形编辑器中新建各个运行画面，在显示库中选择所需要的元件，拖至画面中，根据具体需要进行设置，这里不再累赘。主画面的编辑过程中需要注意两个问题：一是叠放次序的设置要正确，其设置在工具菜单下的“在该层”属性中；二是对于变量格式的设置，尤其是非二进制的变量，变量格式会影响到变量的具体使用。

　　②信息画面的运行需要进行报警和变量记录的设置。首先，打开报警记录窗口，在文件菜单下单击“选择向导”，新建一个系统向导；在工具菜单下打开附加项对话框，选中模拟量报警，点击确定；鼠标右击模拟量报警，新建一个变量报警，选择要监视的变量名称，完成上下限设置；新建一个归档向导，这里设置不多，只需点击下一步即可，但在最后完成时需要把要归档的变量添加到归档向导中。

　　③打开信息画面，在对象选项板的控件里选中“WinCCOnlineTrendControl”与“WinCCAlarmControl”控件，在画面上拖至合适大小，分别需要进行设置即可，完成后运行组态画面，结构如图1与图7所示。