基于PLC的蔬菜自动售货机控制系统设计

张绘敏

(河南应用技术职业学院机电工程学院 郑州 452000)

引言

中国在无人售货机方面发展迅速，尤其以友宝智能为代表的第二代自动售货机，通过互联网，于2013年成为微信支付的首批合作伙伴之一，大力发展移动支付功能，让自动售货机在移动支付方面领先全球。[1]但主要售卖饮料、食品、报纸、香烟等物品，在蔬菜无人售货方面的应用还不是很普及。针对目前上班族和老年人在选购蔬菜时的不便，设计出一台使用方便、节约购买时间的蔬菜自动售货机。蔬菜自动售货机节省人力，不用人员看守；全天不间断供货；无人购买时在公共场合插播广告宣传，[2]因此得到了较为迅速的发展。但由于没有得到很好的推广，尤其是三四线城市和县级地区以及农村并未普及，并且在设计上过于复杂，不便于操作。因此通过调查研究目前已存在的多种类型的自动售货机，分析用户操作习惯，确定机器的结构及组成，在此基础上设计出此控制系统。

1 蔬菜自动售货机的总体结构

1.1 主机和辅机的结构及组成

主机箱体的顶端装备有网络摄像头，网络摄像头主要是为了保障蔬菜自动售货机的安全，防止被损坏；主体正面的上方是蔬菜商品的展示窗，在价格标签的下面有商品选择按键；右侧区域为支付系统，设有投币口、退币按钮等元素。正下面为顾客取货口，用来取商品和包装袋。辅机是整个蔬菜自动售货机系统的执行部分制冷制热系统，根据外部环境来确定蔬菜内部环境是需要来制冷还是制热，实现蔬菜恒温储存，保证蔬菜的新鲜。[3]

1.2 蔬菜自动售货机的工作原理

蔬菜自动售货机售卖商品时，顾客只需通过按键进行操作，就能完成对蔬菜的购买。顾客对所需的蔬菜进行选择，在选择完成后通过现金投币或者微信、支付宝二维码进行付款，当蔬菜自动售货机的支付系统收到付款完成的信息后，就会将所选择的商品送出来。

1.3 蔬菜自动售货机的控制系统总体设计

如图1所示，下位机中I0.0～I3.3为数字量输入信号，Q0.0～Q3.2为数字量输出信号。顾客通过按键选择商品来给定一个输入信号，经过PLC控制系统输出的信号驱动相应的电机，使顾客选用的货物出货。PLC将采集的信号传送到上位机，上位机通过与无线路由器和触摸屏相互通信，可以在触摸屏上实时监控商品售卖的状态。

图1 控制系统总体设计

2 控制系统的硬件设计

2.1 PLC的I/O口分配

PLC 采用西门子公司 S7-200 ST60 CPU+EM DT08 35DI∕28DO，采用24V DC供电。PLC的输入信号共28个，包括：1个退币按钮、12个商品选择按钮、12个商品感应开关、3个货币感应输入口；PLC的输出点27个，包括：1个退币电机、12个商品出货电机、12个可购买指示灯、1个缺料提示灯、1个现金不足提示灯。PLC的输出信号包括出货电机控制、缺货信号、可购买货物指示灯信号，一共27个输出量。

2.2 元件选型

根据设计要求，自动售货机在选购商品或退币时，需要通过外部按钮来给定一个输入信号，选用西门子3SB3206-0AA71发光按钮。当顾客选购完商品后，蔬菜自动售货机的出货口需要对射检测顾客选购的商品是否正常出货，光电开关选择E3JK-5DM1光电开关。出货电机所对应的继电器得电动作，相对应的蔬菜电机启动，输出货物，继电器选择欧姆龙MY2N-J型。

2.3 电气设备控制回路设计

主机电路图如图2所示，当电路中接通220V交流电时所有线路得电，QF是空气开关，当电路中出现短路以及其他情况时可以迅速断开，主要起到保护电路安全的作用。开关K1主要是控制整个主体机柜是否得电。工控机、摄像机、路由器和触摸屏都是直接到220V的电源上。[4]压缩机直接接入电路，PLC通过控制继电器KA0来决定是否启动压缩机，由于压缩机本身具有温度控制的功能，可以根据外部环境的变化而变化来保证商品的外观和可实用性，当温度达到一定的范围内时，压缩机会间断性工作，方便且节能。

图2 主机电路图

工控机选用IPC-610MB-L研华AIMB-763系列，摄像机选择九安360°全景网络高清摄像机，无线路由器选择华为公司的AR111-S无线路由器，触摸屏选择上海滔泽智能科技的IPM-150八线电阻式触摸屏。

图3 辅机电路图

辅机电路图如图3所示，使用220V交流电源，当空气开关QF3闭合，主机中的维修插座通电，通过安装空气开关，当对蔬菜自动售货机进行维修或者定期检查时，都可以很方便的断电以保障维修工人的安全。辅机电路中的伺服驱动控制原理是：当顾客在选购蔬菜时，通过按钮进行选择，按下按钮后继电器得电动作，常开触点闭合，相对应的伺服电机运行工作。

3 控制系统的软件设计

3.1 系统初始化程序设计

当蔬菜自动售货机重启时，使整个系统清零，具备初始化功能，如图4所示。

图4 系统初始化程序

3.2 缺货提示的程序设计

以香椿、胡萝卜、西红柿、白菜四种蔬菜为例，当蔬菜自动售货机出现缺货的情况时，相对应的按钮便会自动闪烁，如图5所示。

图5 缺货提示程序

3.3 货币感应及累加的程序的设计

分别设计出1元、2元、5元的货币感应程序，使货币感应识别器能够识别出金额大小并将货币信息发送给支付系统，以5元的货币感应为例，程序如图6所示。

图6 货币感应程序

3.4 退币找零的程序设计

退币找零程序：购买完商品后还有余额且在一分钟内无选择商品或者按下退币按钮，之后退出余额且余额显示清零，如图7所示。

图7 退币程序

4 仿真与调试

在程序的仿真实验过程中，对退币程序和可购买程序进行部分仿真。仿真时依次启动I0.0、I0.1。当按下退币电机I0.0，仿真软件的输出位Q0.0亮，说明出货电机正常；当按下I0.1，仿真软件的输出位Q0.1亮，当金额大于等于2元时，可购买商品出货正常。

4.1 当按下退币按钮后，退币电机动作，仿真如图8所示。

图8 退币仿真

4.2 当金额大于等于2元时，以香椿为例，按下SB2按钮便可购买商品，如图9所示。

图9 2元蔬菜出货仿真

5 结束语

本系统结合我国社会生活的需求，针对上班族和老年人在选购蔬菜时的耗时和不便，产生了蔬菜自动售货机的需求。本控制系统主要完成了蔬菜自动售货机控制系统的PLC硬件电路设计和软件程序设计，通过扫码或投币支付等方式，可以实现对不同种类的蔬菜进行售卖，满足了蔬菜供应对特殊人群的需求。蔬菜自动售货机目前在中国还未得到大范围推广，因此在国内具有较大的市场潜力。