0引言

　　自動(dòng)售貨機(jī)是一種由程序設(shè)定的銷售機(jī)器，它不受地點(diǎn)、時(shí)間的限制，能節(jié)省人力，交易方便，尤其在發(fā)達(dá)國(guó)家的大城市中較為普及，這是因?yàn)椋撼鞘兄械娜丝诿芏雀?，?gòu)買(mǎi)力會(huì)成倍的增加；城市中土地價(jià)值高，自動(dòng)售貨機(jī)占地面積??；城市中人們生活不規(guī)律，購(gòu)買(mǎi)時(shí)間不固定。目前，自動(dòng)售貨機(jī)在國(guó)內(nèi)還未普及，但發(fā)展?jié)摿Σ豢傻凸溃⑶易R(shí)別系統(tǒng)、軟件技術(shù)和制冷技術(shù)等領(lǐng)域的進(jìn)步也為自動(dòng)售貨業(yè)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障。

　　依據(jù)自動(dòng)售貨機(jī)的控制原理在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠使學(xué)生更加貼近PLC控制的生活應(yīng)用，提高學(xué)習(xí)的興趣及實(shí)用性。這里使用了西門(mén)子S7-200系列PLC，該系列PLC在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)占有率很高，這得益于該P(yáng)LC較高的性價(jià)比、可靠性、抗干擾性及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱ㄊ褂昧斯I(yè)以太網(wǎng)的通信方式完成控制器和上位機(jī)的信息交換，使用WinCC設(shè)計(jì)了監(jiān)控畫(huà)面，畫(huà)面完整形象，達(dá)到了實(shí)踐教學(xué)的目的。

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南到y(tǒng)構(gòu)成

　　1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷能浻布榻B

　?、抛詣?dòng)售貨機(jī)的控制系統(tǒng)的控制器采用了西門(mén)子公司的200系列PLC，型號(hào)為226CN，通信模塊采用CP243-1IT，模擬量模塊選用EM235CN。西門(mén)子226CN型號(hào)的CPU有14輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間為13K字節(jié)，有6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器和2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器，集成的2個(gè)RS485通訊/編程口具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力；CP243-1IT通訊處理器用于上位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接S7-200CPU，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程組態(tài)、編程和診斷，也可用于與其他PLC交換數(shù)據(jù)；EM235是最常用的模擬量擴(kuò)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(chǎng)合[2]。

　?、粕衔粰C(jī)使用WindowsXPProfessional操作系統(tǒng)為運(yùn)行平臺(tái)，裝載有WinCCExplorer軟件和STEP7-Micro/WINV4.0軟件，前者為程序?qū)崿F(xiàn)的軟件，后者為監(jiān)控畫(huà)面的編輯軟件。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時(shí)，上位機(jī)通過(guò)CP243-1IT模塊完成與S7-200CPU的數(shù)據(jù)交換。這里需要說(shuō)明的是，WinCC的數(shù)據(jù)信息并不能直接從S7-200PLC的通信接口中獲得，還需要西門(mén)子的PCAccess軟件提供信息交換的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，WinCC軟件作為OPC客戶端得到控制器中的數(shù)據(jù)信息。

　　組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）軟件平臺(tái)工具，是工業(yè)應(yīng)用軟件的一個(gè)組成部分。西門(mén)子公司的組態(tài)軟件WinCC作為在生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)系統(tǒng)，提供了使用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模版，高性能的過(guò)程耦合、快速的畫(huà)面更新以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的使用性，另外，WinCC還提供了開(kāi)放的界面用于用戶解決方案，這使得將WinCC集成于復(fù)雜、廣泛的自動(dòng)控制解決方案成為可能。

　　1.2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓ぷ饕?/p>

　　自動(dòng)售貨機(jī)的模擬結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)分為投幣、飲料的選擇和更換料桶三個(gè)主要部分。具體流程是：在橙汁和可樂(lè)兩個(gè)料桶不為空時(shí)，按投入硬幣按鈕，投幣下方的指示框?qū)⒗塾?jì)投幣的次數(shù)，當(dāng)投幣指示燈變?yōu)榫G色時(shí)，表示投幣有效，接下來(lái)就可以進(jìn)行飲料的選擇（橙汁或可樂(lè)），選擇的數(shù)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(gè)料桶只要有至少一個(gè)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(lè)與橙汁的料桶均會(huì)重新注滿。

　　圖1自動(dòng)售貨機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)現(xiàn)

　　自動(dòng)售貨機(jī)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)現(xiàn)主要分為3個(gè)步驟：①控制程序的編寫(xiě)，這里選擇了梯形圖的編程形式，使用了輸入輸出、比較、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等一系列常用指令；②工業(yè)以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)通過(guò)建立以太網(wǎng)向?qū)?，設(shè)置IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、TSAP等參數(shù)和選項(xiàng)，用PPI的通信方式將已經(jīng)設(shè)置好的以太網(wǎng)向?qū)螺d到PLC的CPU模塊，改變操作欄中的“設(shè)置PG/PC接口”，再使用PCAccess軟件做出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的OPC軟件接口；③在WinCC中編輯監(jiān)控畫(huà)面，建立外部變量并對(duì)應(yīng)連接步驟1中所使用的程序指令寄存器地址，保存并運(yùn)行。

　　2.1控制程序的編寫(xiě)

　　打開(kāi)STEP7-Micro/WINV4.0編程軟件，建立名為“smz1”的項(xiàng)目。如圖2所示，創(chuàng)建信息完整的符號(hào)表，這樣在編寫(xiě)梯形圖程序時(shí)可以方便的調(diào)用，不會(huì)產(chǎn)生混亂；如圖3所示，在操作欄中單擊程序塊，從左側(cè)指令樹(shù)中調(diào)用位邏輯、定時(shí)器、計(jì)數(shù)等指令拖入網(wǎng)絡(luò)中搭建程序的邏輯結(jié)構(gòu)，點(diǎn)擊“？？？”，寫(xiě)入相應(yīng)的符號(hào)名稱或地址，如果已經(jīng)定義，網(wǎng)格下方將自動(dòng)出現(xiàn)所用變量的詳細(xì)信息。使用相同的方法，完成整個(gè)控制程序的編寫(xiě)。

　　圖2梯形圖的符號(hào)表圖

3程序指令的使用

　　2.2工業(yè)以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)

　?、乓蕴W(wǎng)向?qū)Ыⅰ?/p>

　　在STEP7-Micro/WINV4.0的指令樹(shù)中找到向?qū)D標(biāo)并雙擊，在出現(xiàn)的二級(jí)目錄中找到以太網(wǎng)圖標(biāo)并雙擊，出現(xiàn)以太網(wǎng)向?qū)?duì)話框，點(diǎn)擊下一步；在新出現(xiàn)的對(duì)話框中點(diǎn)擊讀取模塊，將出現(xiàn)的模塊位置與所設(shè)置的位置保持一致，模塊位置都為0，點(diǎn)擊下一步（注意，如沒(méi)有出現(xiàn)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(xiàn)的對(duì)話框中寫(xiě)入“IP地址”、“子網(wǎng)掩碼”、“網(wǎng)關(guān)地址”，如圖4所示，點(diǎn)擊下一步，（其中“IP地址”可以直接點(diǎn)擊后面的圖標(biāo)，選擇已經(jīng)保存過(guò)的地址）；在出現(xiàn)的對(duì)話框中，將“要為此模塊配置的連接數(shù)目”設(shè)置為1，點(diǎn)擊下一步；配置連接對(duì)話框中，選擇服務(wù)器連接，服務(wù)器的TSAP與客戶機(jī)的TSAP保持一致，在本地屬性中選擇“接受所有連接請(qǐng)求”，點(diǎn)擊確認(rèn)，連續(xù)點(diǎn)擊下一步直至以太網(wǎng)向?qū)У脑O(shè)置完成[3]。

　?、芆PC接口軟件PCAccess的設(shè)置。

　　雙擊桌面上的“V1.0PCAccess”圖標(biāo)，打開(kāi)PCAccess，點(diǎn)擊工具欄上的保存按鈕，將新建項(xiàng)目保存為“smz1”；在文件菜單下點(diǎn)擊“輸入符號(hào)”條目，找到D盤(pán)下找到在STEP7MicroWIN中建立的文件“smz1.mwp”，選中并點(diǎn)擊打開(kāi)，該文件就被輸入PCAccess；輸入符號(hào)后，在左上角的欄中出現(xiàn)smz1的PLC圖標(biāo)，在該圖標(biāo)上右擊鼠標(biāo)，單擊屬性條目，將PLC屬性中本地和遠(yuǎn)程TSAP修改為“10.01”，編輯IP地址，點(diǎn)擊“認(rèn)”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(xiàng)目，然后選中文件夾，再單擊工具欄中“在測(cè)試客戶機(jī)中增加當(dāng)前項(xiàng)目”按鈕，將各變量下載到測(cè)試客戶機(jī)欄中，接著單擊工具欄中“測(cè)試客戶機(jī)狀態(tài)”按鈕，測(cè)試客戶機(jī)欄中質(zhì)量由“Bad”變?yōu)椤癎ood”，單擊“測(cè)試客戶機(jī)狀態(tài)”按鈕，退出測(cè)試狀態(tài)，保存項(xiàng)目，關(guān)閉PCAccess。

　　圖4以太網(wǎng)向?qū)?shù)設(shè)置圖

5PCAccess設(shè)置

　　2.3監(jiān)控畫(huà)面的連接與運(yùn)行

　?、臰inCC中的變量連接。

　　在桌面上找到“WinCCExplorer.exe”圖標(biāo)，雙擊進(jìn)入WinCC組態(tài)環(huán)境，新建一個(gè)項(xiàng)目命名為“smz1”的單用戶項(xiàng)目，選中左欄中變量管理?xiàng)l目，右擊鼠標(biāo)增加“OPC.chn”驅(qū)動(dòng)程序條目；在變量管理的子條目中找到OPC通道的圖標(biāo)，選中并右擊鼠標(biāo)，點(diǎn)擊新驅(qū)動(dòng)程序的連接條目，出現(xiàn)連接屬性對(duì)話框，點(diǎn)擊屬性按鈕，在OPC服務(wù)器名稱下輸入“s7200.opcserver”，在點(diǎn)擊測(cè)試服務(wù)器按鈕，測(cè)試通過(guò)，點(diǎn)擊確定，再點(diǎn)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(biāo)，點(diǎn)擊系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)入OPC條目管理器，再點(diǎn)擊“\\”，選中該條目的子條目下的“s7200.opcserver”，然后點(diǎn)擊對(duì)話框右方的瀏覽服務(wù)器，跳出過(guò)濾標(biāo)準(zhǔn)對(duì)話框，點(diǎn)擊下一步；在新出現(xiàn)的對(duì)話框中，點(diǎn)擊左欄中s7200.opcserver前的“+”，選中最后一個(gè)“smz1”，右欄中出現(xiàn)了在編程時(shí)所設(shè)的變量和類型，選中第一個(gè)變量，再點(diǎn)擊增加條目按鈕，出現(xiàn)了增加變量對(duì)話框（在這里，可對(duì)變量增加前綴和后綴），選中“NewConnection”，再點(diǎn)擊完成按鈕，第一個(gè)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(xiàng)目管理器。

　?、茍?bào)警與變量記錄設(shè)置[4]。

　?、僭趫D形編輯器中新建各個(gè)運(yùn)行畫(huà)面，在顯示庫(kù)中選擇所需要的元件，拖至畫(huà)面中，根據(jù)具體需要進(jìn)行設(shè)置，這里不再累贅。主畫(huà)面的編輯過(guò)程中需要注意兩個(gè)問(wèn)題：一是疊放次序的設(shè)置要正確，其設(shè)置在工具菜單下的“在該層”屬性中；二是對(duì)于變量格式的設(shè)置，尤其是非二進(jìn)制的變量，變量格式會(huì)影響到變量的具體使用。

　?、谛畔?huà)面的運(yùn)行需要進(jìn)行報(bào)警和變量記錄的設(shè)置。首先，打開(kāi)報(bào)警記錄窗口，在文件菜單下單擊“選擇向?qū)А保陆ㄒ粋€(gè)系統(tǒng)向?qū)?；在工具菜單下打開(kāi)附加項(xiàng)對(duì)話框，選中模擬量報(bào)警，點(diǎn)擊確定；鼠標(biāo)右擊模擬量報(bào)警，新建一個(gè)變量報(bào)警，選擇要監(jiān)視的變量名稱，完成上下限設(shè)置；新建一個(gè)歸檔向?qū)?，這里設(shè)置不多，只需點(diǎn)擊下一步即可，但在最后完成時(shí)需要把要?dú)w檔的變量添加到歸檔向?qū)е小?/p>

　　③打開(kāi)信息畫(huà)面，在對(duì)象選項(xiàng)板的控件里選中“WinCCOnlineTrendControl”與“WinCCAlarmControl”控件，在畫(huà)面上拖至合適大小，分別需要進(jìn)行設(shè)置即可，完成后運(yùn)行組態(tài)畫(huà)面，結(jié)構(gòu)如圖1與圖7所示。

　　圖6WinCC中的變量連接圖

7信息畫(huà)面的運(yùn)行結(jié)果

　　結(jié)語(yǔ)

　　該自動(dòng)售貨機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂昧宋鏖T(mén)子S7-200的3種不同模塊，編程過(guò)程中使用了盡量多的常用指令，WinCC中的監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)與一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相吻合，內(nèi)容涉及面廣，銜接比較合理，為自動(dòng)化領(lǐng)域教學(xué)培訓(xùn)提供了優(yōu)秀范例，也可作為技術(shù)人員在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用提供有價(jià)值的參考資料。