基于PLC的光伏供电自动售货机控制系统设计

0引言

随着科技的进步和消费者需求的多样化, 自动售货机作为一种无人值守的 自助式零售设备,已经广泛应用于各种公共场所,满足了人们的部分生活需求[1]。在一些光照充足的室外地区,如公园、旅游景区存在大量的自动售货机购物场景[2],但其电能损耗会带来成本的增加。基于可编程逻辑控制器(PLC)的自动售货机,以其稳定性高、扩展性强、易于维护等优点受到了业界的广泛关注[3]。PLC作为一种工业控制装置,具有强大的逻辑控制、数据处理和通信功能[4]。在自动售货机控制系统设计中,PLC主要负责控制商品的识别、计价、支付、出货等流程,确保售货机能够稳定、高效地运行;而采用太阳能板发电为自动售货机柜内照明、制冷/热器、传送带供电,可以提高可再生能源利用率,满足自动售货机的多样化需求。

1基于PLC的自动售货机系统设计

1.1 系统功能性方案分析

自动售货机主要根据其所需具备的功能进行系统设计,以确保系统能够满足多样化的需求,同时提供高效、便捷的售货服务,并方便管理员后台监控。系统在运行过程中采用触摸屏代替实体按键进行货物的选择,智能网关将控制器与阿里云平台连接进行远程控制,取货时采用两轴步进电机带动丝杠进行取货,太阳能板为 自动售货机内部照明和部分执行机构供电。除此之外,系统的抗干扰能力也要具备较高水平。

通过以上分析,总结自动售货机系统的功能需求,整个系统应主要具备以下功能:

1)使用两轴步进电机插补功能进行货物的拿取,取货完成之后自动回原点。

2)通过步进电机和光敏电阻进行追光,实现太阳能板实时朝向光照强度最高的角度,以获取最大的发电效率。

3)通过智能网关完成阿里云平台和三菱PLC通信,实现管理员对自动售货机内部温度参数和货物余量的远程监控,方便对设备进行针对性补货。

4)利用温度传感器实现柜内温度检测,并利用制冷器完成自动售货机内部温度的控制。

5)研究多台设备由单个管理员管理,当设备出货失败时,可联系管理员后台再次出货,减少人工和运营成本,使系统更高效地运行。

1.2自动售货机控制系统方案设计

系统以三菱FX3UPLC控制器[5]为核心,与MCGS触摸屏(型号为TPC7062TD)进行通信,显示可选择购买的商品信息;智能网关(汉枫物联网PLC云网关HF9606W)进行网络连接并与PLC进行数据交互,管理员在后台可以实时监控柜内货物余量,从而进行针对性补货;PLC通过温度传感器(PT100)采集电气柜、出货柜和室外温度,并利用制冷器和制热器实现对温度的监控和控制;系统运行时,PLC比较分析太阳能板两侧的光敏传感器采集到的数据,通过步进电机驱动器(DM542)控制步进电机实现追光,以获得太阳能的最大利用率,太阳能发电储存在蓄电池中,为制冷器、制热器和传送带供电,出货时,PLC通过中间继电器控制直流电机带动传送带完成出货功能。系统方案设计框图如图1所示。

2 系统硬件电路设计

根据系统设计方案要求, 自动售货机硬件电路主要由PLC控制器、触摸屏、智能网关、光敏传感器、温度传感器和电机等执行元件组成。

2.1 系统主电路设计

主电路电压经电源转换模块得到稳定的24 V直流输出,为步进电机驱动模块、传送带直流电机模块及温控模块提供工作电源。步进电机的动作由三菱FX3U系列PLC发出的脉冲信号和方向信号实时控制;传送带直流电机及温控设备则通过中间继电器驱动,通过线圈得电吸合常开触点以接通主电路,进而启动设备。

X轴与Y轴步进电机协同完成取货功能,由对应的驱动器接收PLC发出的脉冲和方向信号以实现精确定位。X轴步进电机是由Y0输出脉冲给步进电机驱动,并由Y4输出高低电平来进行移动方向及移动距离的控制。Y轴步进电机是由Y1输出脉冲给步进电机驱动,并由Y5输出高低电平来进行移动方向及移动距离的控制。

追光步进电机驱动器通过PUL+接收Y2输出的脉冲信号,DIR+接收Y6输出的高低电平作为方向信号,完成控制太阳能板转动的功能。自动售货机主电路图如图2所示。

2.2 系统控制电路设计

自动售货机控制电路设计中由于三菱FX3UPLC模拟量输入口不足,故增加FX3U—4AD模块作为模拟量扩展输入口。输入部分包括17个开关量输入,分别为按钮开关、光电开关及金属传感器;5个模拟量输入,分别为温度传感器和光敏传感器。输出部分包括3个脉冲输出,分别为X轴和Y轴步进电机,以及追光步进电机,追光电机根据4AD模块采集的模拟量进行数据对比,控制输出脉冲和电机转向;20个开关量输出,分别为继电器和指示灯,其中15个中间继电器分别用于控制制冷器、制热器及12个传送带直流电机的启停。系统I/O分配表和控制电路接线图分别如表1和图3所示。

3 系统软件设计

自动售货机的软件系统设计主要包括程序设计和组态控制界面设计。

3.1 系统主程序设计

控制程序使用三菱FX3U的GXWork52软件编写,GXWorks2拥有直观易用的界面设计, 使得编程过程更加简单高效[6]。

系统上电并按下启动按钮后,进入运行状态。首先由三菱FX3U主控制器对各个模块进行初始化,包括智能网关、室外温度传感器、电气柜温度传感器、储物柜温度传感器、左右光敏传感器、MCGS触摸屏、步进电机驱动器及步进电机。初始化完成后,触摸屏显示货物购买界面。客户完成商品选择与付款后,步进电机启动,将货物运至出货口,等待取货。货物取走后延迟3 s,步进电机自动返回原点。

电气柜和储货柜的温度传感器分别实时监测柜内温度。若电气柜内温度超过预设阈值,则启动降温风扇;储货柜内温度根据季节进行设定,夏季当温度超过设定值时启动制冷装置,冬季当温度低于设定值时启动加热装置。以上温度参数、风扇及制冷/加热装置运行状态均可在监控界面查看。

左右光敏传感器实时检测太阳能板两侧光照强度,通过比对控制步进电机转向光照较强的一侧,使太阳能板始终保持最优朝向。电机动作状态同步显示于监控界面。X轴与Y轴步进电机在客户购买货物后接收控制器发出的脉冲与方向信号,驱动器依据脉冲数量精确控制电机转数,进而通过丝杠实现定位与位移。系统整体软件设计流程图如图4所示。

3.2 取货步进电机程序设计

系统使用两台步进电机作为X轴和Y轴,使用绝对位置定位对两轴丝杠进行位置控制,在调试的时候记录X轴、Y轴到达每个储货格需要的脉冲数,使用DRVA绝对位移指令进行脉冲控制,对步进电机的转向进行控制,使送货完成之后,步进电机控制丝杠回到原点。以货物1为例,当客户选择商品并付过钱之后,步进电机动作,控制两轴步进电机动作,到达指定位置。具体步骤流程图如图5所示。

3.3 太阳能追光程序设计

本系统采用双光敏传感器实现追光功能。两个传感器分别将检测到的光照强度转换为0~10 V模拟电压信号输入PLC,该电压信号经放大处理后,数值越大,则追光系统的灵敏度越高。放大后的数值分别存入数据寄存器D7和D8中,系统实时比较D7与D8的数值,通过差值判断两侧光照强度的高低,并据此控制步进电机的转向,使太阳能板始终朝向光照更强的一侧。具体流程如图6所示。

3.4 MCGS触摸屏界面设计

MCGS(MonitoranD Control GenerateD System)是由北京昆仑通态公司开发的、基于WinDows平台的组态软件,广泛应用于工业自动化监控系统的构建[7]。该软件具备实时数据采集、监视与控制功能,并提供ODBC、OPC等标准接口,便于与其他系统集成。其操作简便、可维护性强,能够为用户提供高效可靠的自动化解决方案。

根据系统设计要求,使用MCGS模拟软件进行仿真,完成自动售货机的触摸屏界面设计,主要包括三个界面,分别为客户界面、管理员监控界面、传感器模拟界面,分别如图7、图8、图9所示。

4 系统调试与工程实现

系统实物正面左上方为太阳能板,由步进电机与主设备相连;右侧安装加热与制冷装置;正视图右上角为用于实现人机交互功能的触摸屏;其下方为出货口,步进电机在取货后可将货物移送至该口,便于用户取货。设备中央为储物格及步进电机机构,二者协同工作,共同完成货物的存储与提取任务。系统实物图如图10所示。

系统上电并按下启动按钮后,步进电机和触摸屏初始化,进入工作状态。当客户在触摸屏上选择商品并购买后,步进电机开始动作,到达预设位置后,出货传送带运行将商品送至取货平台,并由步进电机将商品输送至出货口,此过程在仿真界面可以实时显示步进电机的位置。步进电机到达出货口如图11所示。

5 结束语

本文介绍了以三菱FX3UPLC为核心的光伏供电型自动售货机控制系统的设计,实现了双轴步进电机的高精度货物输送、光电追踪式太阳能最大功率点跟随、季节自适应柜内温度调节及阿里云远程状态监控等功能。实验结果表明,系统定位误差≤±0.1mm,温度控制误差≤± 1℃ ,追光响应时间低于2 s,运行稳定可靠。该系统显著提升了能源利用效率与智能化管理水平,为绿色低碳户外零售装备的开发提供了有效参考与工程实践依据。

[参考文献]

[1] 郭改琴,曹利刚.基于西门子S7-1200 PLC的 自动售货机控制系统设计[J/0L]. 自动化技术与应用,1-10.(2025-08-21)[2025-08-29].https://link.cnki.net/urlid/23.1474.TP.

[2]郭涛.基于S7-1200 PLC控制的自动售货机系统设计[J].内燃机与配件,2018(3):238-239.

[3]冉雪莲,吴欣,李银平,等.基于三菱FX3UPLC的智能自提柜系统设计[J].电子测试,2018(18):27-28.

[4]余虹,刘凯,陈慧斌.基于西门子PLC的自动售货机系统设计[J].电子技术,2025,54(3):430-432.

[5]刘湘. 自动售货机智能控制系统研究与设计[J].中国新技术新产品,2021(15):63-65.

[6]张航.基于FX3U和触摸屏的三轴伺服控制系统设计[J].现代机械,2018(4):27-30.

[7] 李肖,李慧.基于MCGS与PLC的智能售货机控制系统设计[J].工业控制计算机,2025,38(8):151-152.

《机电信息》2025年第23期第10篇