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基于PLC的自动售货机控制系统设计
河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘要随着科技的不断发展，PLC 在工程中的应用大家有目共睹，PLC 在各个领域已占得 一席之地，并将有更好的发展。我国人口数量庞大，自动售货机在人们的生活中扮演越 来越重要的角色，从长远来看其具有广阔的发展空间。本次设计的自动售货机为饮料自 动售货机， 贩卖的商品性质明确， 适于放置在短时间人口流动比较大的地方， 比如餐厅。 首先通过与单片机和液压等控制的对比，确定采用 PLC 来控制自动售货机，然后分析 自动售货机的结构和工作原理， 明白自动售货机的贩卖过程， 以便为硬件的选择做准备。 通过自动售货机的功能分析作出硬件框图，根据硬件框图选择所需要的 PLC、货币识别 器、电动机和接触器。根据 I/O 分配表对 PLC 选型，并画出外部接线图。根据控制系统 流程图编写符合自动售货机功能的程序。 如果购物后有剩余金额， 则可按退币按钮退币。 梯形图的编写通过 GX Developer 来完成，完成梯形图后可以在三菱 PLC 仿真软件 GX Simulator 6c 进行调试和仿真。最后用 MCGS 作出组态效果。组态仿真图中自动售货机 包括按钮、指示灯、投币口、取物口、退币口等部分。关键词：自动售货机； PLC； 梯形图； MCGSI河南理工大学毕业设计（论文）说明书ABSTRACTWith the development of science and technology, the application of PLC in engineering everybody be obvious to people, PLC has occupied a space for one person in every field, and will have a better development. Because of the large number of population, the vending machine is playing a more and more important role in people's life, in the long run it has broad space for development. The design of the automatic vending machine for beverage vending machine, the nature of the goods sold in the clear, adapted to be placed in a short time population flow of relatively large areas, such as restaurant. First, by comparing with the single chip microcomputer and hydraulic control, and adopt PLC to control the vending machine, then analyzes the structure and working principle of automatic vending machines selling process, understand the vending machine, to prepare for the selection of hardware. Through vending machine function analysis to make the hardware block diagram, according to the hardware block diagram, select the desired PLC currency recognizer, motor and contactor. According to the I/O distribution list on the PLC selection, and draw the external wiring diagram. According to the flow chart of control system prepared with vending machine program. If the shopping after the remaining amount, then press the coin button coin. Trapezoidal chart compilation done by GX Developer, complete ladder diagram can be debugged and simulated in Mitsubishi PLC simulation software GX Simulator 6c. Finally, MCGS made the configuration effect. Configuration simulation diagram of the vending machine comprises a button, indicator light, the slot, fetching port, a coin refund part.Keywords: PLC; MCGSII河南理工大学毕业设计（论文）说明书目 录1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 自动售货机的研究背景及意义 .................................................................................. 1 1.2 研究自动售货机的目的 .............................................................................................. 1 1.3 本设计研究的内容 ...................................................................................................... 2 2 自动售货机的功能分析 ........................................................................................................ 3 2.1 自动售货机主控单元的确定 ...................................................................................... 3 2.1.1 PLC 的部分功能................................................................................................. 3 2.1.2 确定自动售货机的主控单元为 PLC................................................................ 4 2.2 自动售货机的售货方法 .............................................................................................. 5 2.3 自动售货机的空间结构 .............................................................................................. 6 2.4 自动售货机的功能 ...................................................................................................... 6 2.5 自动售货机的购物使用流程 ...................................................................................... 8 3 自动售货机的硬件部分 ........................................................................................................ 9 3.1 控制电路硬件组成框图 .............................................................................................. 9 3.2 确定自动售货机使用的 PLC 类型........................................................................... 10 3.3 货币识别器选型 ........................................................................................................ 12 3.3.1 硬币的识别原理 .............................................................................................. 13 3.3.2 纸币的识别原理 .............................................................................................. 13 3.4 自动售货机电机及其它选择 .................................................................................... 14 4 自动售货机的软件设计 ...................................................................................................... 16 4.1 自动售货机的控制系统流程图 ................................................................................ 16 4.2 自动售货机的程序部分 ............................................................................................ 17 4.2.1 程序中用到的部分指令 .................................................................................. 17 4.2.2 自动售货机的控制程序 .................................................................................. 18 4.3 程序的调试部分 ........................................................................................................ 26 4.3.1 GX Developer ................................................................................................... 26 4.3.2 程序调试 .......................................................................................................... 26 4.4 基于 MCGS 组态的自动售货机仿真....................................................................... 28 4.4.1 建立组态画面 .................................................................................................. 28 4.4.2 设置各元件的参数 .......................................................................................... 29III河南理工大学毕业设计（论文）说明书结论 .......................................................................................................................................... 34 参考文献 .................................................................................................................................. 35 致谢 .......................................................................................................................................... 36 附录 系统硬件连接图 ............................................................................................................ 37IV河南理工大学毕业设计（论文）说明书1 绪论1.1 自动售货机的研究背景及意义自动售货机最早出现在 20 世纪 60 年代的欧美，当时在美国的地铁系统中。人们可 以用 1 美分在自动售货机上购买到一块口香糖。这便是最早的自动售货机。 作为一种全新的零售方式，20 世纪 80 年代以来，自动售货机在美、日等发达国家 得到了迅速的普及和发展。其产品特点是科技含量高，集光、机、电、防伪识别、数字 密码、智能软件等技术于一体；24 小时服务，售货便利，无需专人盯守，省人工，省成 本；售货范围广，人们通过自动售货机不仅可以买到食品、香烟、饮料、报纸、票、卡， 甚至鲜花和小宠物等物品；此外它还是一种新颖独特的广告媒体。目前，自动售货机已 经在许多个国家和地区使用。根据美国《自动世代》统计，日本每 23 人拥有一台自动 售货机、美国每 40 人一台、欧洲每 60 人一台。在邻国日本，全国市场 70%的罐装饮料 是通过自动售货机售出的， 每个人一年投入自动售货机用于购物的货币高达 400 多美元； 根据日本麒麟啤酒公司调查，一台自动售货机每年可售出上万罐清凉饮料，比一般不太 繁忙的小商品销量还要大， 美国可口可乐公司则拥有分布于世界各地的几十万饮料售货 机；在西班牙，全国通过自动售货机售出的商品销售额占全国零售业的六成以上，并以 每年 10%的速度递增。全世界约有 1800 万台自动售货机处于运营中，包括自动售货机 制造与运营在内的整个行业年销售额超过 2500 亿美元，自动售货业已成为零售业增长 最快的行业之一。 近几年， 自动售货机在我国的大中城市发展势头非常迅猛， 车站、 码头、 酒店宾馆、 大学校园、繁华的街道等地方随处可见自动售货机的身影。据统计，广州市区就摆放了 各种品牌的自动售货机，而这还不足以满足地铁和公交车站的需要。自动售货机不但给 人们的生活带来了极大的方便，而且也成为现代化城市的一道亮丽的风景线。随着我国 零售业态的不断发展和 2010 年上海世博会举行的过程中，我国无店铺销售业态的发展 获得了良好的环境和契机。尤其是跨国企业的加入，进一步刺激和带动我国自动售货机 产业的发展。1.2 研究自动售货机的目的从自动售货机的发展趋势来看， 它的出现是由于劳动密集型的产业构造向技术密集 型社会转变的产物。大量生产、大量消费以及消费模式和销售环境的变化，要求出现新1河南理工大学毕业设计（论文）说明书的流通渠道；而相对的超市、百货购物中心等新的流通渠道的产生，人工费用也不断上 升；再加上场地的局限性以及购物的便利性等这些因素的制约。自动售货机行业长期以 来在美国、日本等国家得到迅猛发展，目前已在多个国家得到广泛普及。据业内人士估 计，但中国的自动售货机拥有量还不太多，相对于 13 亿的人口大国和零售业态发展的 趋势而言，中国自动售货机行业的发展空间将更加广阔。1.3 本设计研究的内容本课题采用三菱 FX2N 系列 PLC 对饮料自动售货机控制系统进行设计。 （1） 通过与单片机、继电器、液压在各个方面的比较，确定自动售货机的主控单 元是 PLC。 （2） 通过对自动售货机的售货方法分析确定采用双弹簧出货机构，直流电动机驱 动。 （3） 根据系统需要确定饮料自动售货机的硬件，通过硬件框图选择硬件部分。根 据自动售货机的功能选择货币识别器和电动机以及接触器的选择。通过 I/O 列表确定 PLC 类型，做出硬件连接图。 （4） 根据控制功能图进行性梯形图设计，软件这几中要结合硬件的性质选择合适 的数据寄存器以及根据功能使用合适的算法。并在软件中调试运行，用组态 软件作出仿真。2河南理工大学毕业设计（论文）说明书2 自动售货机的功能分析2.1 自动售货机主控单元的确定实现自动售货机到的售货功能最主要的是依靠主控单元。可以作为主控单元的元件 有很多，但最适合的要通过比较才能确定。2.1.1 PLC 的部分功能PLC 是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置， 其实质是一种工业控制用 的专用计算机。因此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件 系统两大部分组成。硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC 系统，它们相辅相成， 缺一不可。 PLC 的硬件系统主要有主机、输入/输出扩展单元、外部设备组成，各部分之间通 过总线连接。其中主机由中央处理单元（CPU） 、存储器、输入/输出电路、外部设备接 口、电源几大部分组成。 中央处理单元是 PLC 的核心部件，它的功能是： （1）接受、存储用户通过变编程器等输入设备输入的程序和数据。 （2）以扫描方式接收来自输入单元的输入变量、状态数据，并存入相应的数据存 储区 （3）利用错误校验技术监控存储和通信状态、诊断内部电路的工作状态、电源状 态和用户编程中的语法错误。 (4)执行用户程序，完成各种数据处理、传输和存储，并根据数据处理结果，刷新 有关标志的状态位的状态和输出状态寄存器的内容，产生相应内的内部控制信号，以完 成用户指令规定的各种操作。 （5）响应各种外围设备的要求。 存储器是 PLC 的另一主要部分，存储器主要用来存放系统程序、用户程序和数据。 根据存储器在在系统中的作用，可将其分为系统存储器和用户存储器。 系统程序存储器用来存放制造商为用户提供的监控程序、模块化应用功能子程序、 命令解释程序、故障诊断程序及其他关，管理程序。系统程序直接影响着 PLC 的整机 性能。系统程序需要永久保存在 PLC 中，不能因关机、停电或其它部分出现故障而改 变其内容。因此，系统程序需固化在只读存储器 ROM 中，作为 PLC 的一部分提供给 用户，用户无法改变系统程序的内容。3河南理工大学毕业设计（论文）说明书用户数据存储器是专门提供给用户存放程序和数据的，用户存储器游客分成用户程 序存储器和用户数据存储器。用户程序存储器用来存储用户编写的程序，用户数据存储 器用来存储控制过程成中不断改变的信息，如输入/输出信号、各种工作状态、计数值、 定时值、运算的中间结果等。 输入模块用来接受和采集输入信号， 输入信号有两类： 一类是按钮开关、 行程开关、 数字拨码开关、接近开关、压力继电器等提供的开关量输入信号；另一类是从电位器、 热电、测速电机、各种变送器变送来的连续变化的模拟量输入信号。输入模块还需要将 这些不同的电平信号转换成 CPU 能识别的数字信号。 输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件 能接收的信号，用来控制接触器、电磁阀、调节阀、调速装置等，控制的另一类负载是 指示灯数字显示器和报警装置等。2.1.2 确定自动售货机的主控单元为 PLC单片机可以作为自动售货机的核心结构，价格也不太高，但如果电压不稳的话，单 片机就有可能被损坏，所以虽然价格是选择方案的一个因素，而可靠性是选择时需要考 虑的又一个因素。从设计、生产周期长短考虑，不论是老设备改造，还是设计新的生产 机械设备，毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望能够边设计、边安装、边调 试和生产， 特别是产品更新换代， 生产工艺改造， 不需改动现有生产设备及其外部接线， 就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业 增加了活力， 提高了经济效益。 如果把这些要求得以实现， 继电器或半导体都不能满足， 而 PLC 则完全可以实现。这是因为若用 PLC 不必改动外部设备接线，只要在软件上做 文章就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重新输入新程序或修改原程 序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的目的。 众所周知， 目前我国 75%的生产机械设备， 都是采用继电器控制， 除了可靠性差外， 设计程序也很繁杂。从方案的确立到技术、设计以及施工、图面等方面，工作量很大， 这势必造成设计周期长。而采用 PLC 控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料 也不必绘制成图。设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯 形图能准确无误地反映生产要求。编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求， 重新编写程序并把它存储在 EEPROM 模块中去，需要加工哪个产品的程序，操作人员 可以随时调用，这既方便、简单又可保密。开发这种软件对优化生产过程，提高产品数 量和质量， 提高劳动生产率， 非常具有实际意义。 仅此一点也深受生产及设计者的欢迎。 在现在科技成果迅猛发展的今天，市场经济的竞争就是利用最小的投资获取最大4河南理工大学毕业设计（论文）说明书的利润，为了使人们在生活购物中得到方便，就出现了自动售货机。对于一台自动售 货机，如果采用电力机械来进行控制，会造成售货机有用价值空间少，浪费不必要的 动力资源；如果采用液压系统控制，由于液压系统控制要求技术高，各种阀体和设备 的组装较高，反应速度相对较慢，用于控制售货机的经济价值消费高，从利润价值观 来考虑不适宜用于控制售货机。采用单片机作为控制核心，这样不仅会在输入输出接口 上做大量的工作，而且系统的抗干扰性也比较差。但是 PLC（即可编程序控制器）是综 合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型的工业控制装置，它 不但可实现类似控制功能，还具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点，已在工业控 制领域得到广泛地应用。 因为自动售货机作为社会上完成商品零售和综合服务的独立设 施，要求它的结构必须可靠、稳定和执行效率高。可以看出，采用 PLC 对自动售货机 控制系统进行控制可以提高系统的稳定性和可靠性。 因此选择 PLC 为自动售货机的主控单元。2.2 自动售货机的售货方法目前自动售货机常用的售货方法有三种。一种是弹簧出货型售货机，主要通过货道 弹簧的旋转来出货，是最为常见的商品输出方式。出货准确率高，实时性强。只要商品 尺寸与出货弹簧匹配，就可以采用这种出货方式。另一种使机械手推货型售货机，主要 依靠货道商品后面的机械手推货装置进行售卖。每个售货动作均由精确的传感器来控 制，整个收获过程精确、高效、自动化。该出货方式适合售卖尺寸和重量比较大，形状 较为规则，可以用于正立放置的商品。第三种是升降台出货型售货机，是一种辅助出货 系统，可以与弹簧出货方式或者机械手推货方式组合使用，减少商品掉货时的损伤，用 于易碎商品的售卖。 本次设计的自动售货机采用的是双螺旋体出货机构，即双弹簧出货机构。这种结构 可以一目了然哪个货道有货无货，既方便顾客选货，又方便工作人员即使发现货物剩余 情况,在软件部分也不用设置无货报警。 这种结构主要由驱动电机、 螺旋体挂轮， 螺旋体、 货道等组成。左右两个螺旋体通过一对齿轮啮合，一个螺旋体顺时针旋转则另一个螺旋 体逆时针旋转。当螺旋体每个螺距间隔放满货物后，螺旋体旋转一圈，即可退出一个货 物。由于采用双螺旋体向上旋转，对货物的作用力除了有向前推力外还有向上和向货到 两侧的分力，能够保证出货的可靠性。即使将来自动售货机售卖液体软包装的货物，也 不容易出现“卡货”的现象。5河南理工大学毕业设计（论文）说明书2.3 自动售货机的空间结构自动售货机中储存有一定量的饮料，每种饮料都要通过货道而出去，因为该设计中 售 8 种饮料，所以该售货机可设置成 8 个货道，而且为单货道，即每种饮料占用一个货 道，这样比较方便，如果以后需要扩展卖更多种商品的话，根据商品的摆放设置多个双 推进弹簧。当需要够买某种饮料时，电动机会带动弹簧转动一圈，将饮料转出，掉如道 出货通道中，滑落到取物口。饮料在售货机种的存放形式为每个弹簧间隔固定一个单位 饮料，并且每种饮料都要与弹簧螺距尺寸匹配，这样可将饮料卡紧不致自动掉落。在自 动售货机上可以储藏多种饮料，但总体数量是有限的，所以自动售货机也需要及时的补 货。商品驱动机 构 样品展示窗 与按钮 商品存储机 构特殊指示灯 区域投币口 退币口出货口图 2-1 自动售货机的空间结构示意图2.4 自动售货机的功能自动售货机能够对所投入的币值进行累计， 货币识别器提供该自动售货机最基本的 功能即从投币口送入货币，然后经过传感器采集数据、识别判断人民币的面值；然后， 识别器把信息传给 PLC；PLC 根据所投入的硬币数值判断是否能够购买某种饮料，做出6河南理工大学毕业设计（论文）说明书相应的反应。当按下选择饮料的按钮时，相应的电电动机启动，饮料开始供应，提取饮 料到取物口，顾客取出饮料，完成此次交易。它具有投币系统、比较系统、选择和饮料 供应系统、退币系统等来实现完整的售货功能。售货机的基本功能就是对投入的货币进 行运算，并根据货币数值判断是否能够购买某种商品，并做出相应的反应。 售货机中有 8 种商品，可乐 2 元，雪碧 2 元，纯牛奶 4.5 元，东方树叶 3.5 元，芬 达 2 元，加多宝 3.5 元，健力宝 2 元，雀巢咖啡 4.5 元。现投入钱币，当投入的货币超 过可乐的价格时，可乐、雪碧、芬达、健力宝指示灯亮，提示可以购买，当投入的货币 超过 3.5 元但小于 4.5 元时，只有纯牛奶和雀巢咖啡的等不亮，当投入的货币超过 4.5 元时，所有商品的等都亮，提示可以购买。当按下可乐按钮时，售货机进行减法运算， 从投入的货币总值中减去可乐的价格同时启动相应的电机，提取可乐到出货口。买其它 商品时也一样。操作完成后不再购买而按下退币按钮，售货机则要进行退币操作，退回 相应的货币，并在程序中清零，完成此次交易。 由此看来，自动售货机进行一次交易要涉及加法运算、减法运算，这是它的内部功 能。还要有货币识别系统和货币的传动来实现完整的售货、退币功能。 可通过操作属性把把自动售货机分为四个过程： (1) 投币过程 (2) 价格比较过程 (3) 选择商品过程 (4) 退币过程 可把自动售货机工作过程分为 5 个状态： (1) 启动状态 (2) 投币状态 （3）可购买显示状态 (4) 购买状态 (5) 退币状态 初始状态，自动售货机内部各元件都处于复位状态，内部电机停止运转，等待投币 操作。 投币状态。自动售货机可以识别硬币 1 元和 5 角，识别纸币 5 元、10 元、20 元纸 币，投入钱币后，自动售货机会进入货币比较状态，能够购买的饮料灯亮。 购买状态。 按下可以购买的选择按钮， 所选的商品灯仍然亮， 其它可选商品灯灭掉。 驱动电机启动，商品通过货道掉落到取物口。7河南理工大学毕业设计（论文）说明书退币按钮。自动售货机计算退币钱数并退币。 到此为止，自动售货机的一个完整工作过程结束。2.5 自动售货机的购物使用流程在自动售货机上购物时，首先按下开始按钮，就可以接着投币了，如果，投币后， 不选择饮料，可以直接按退币按钮，将会全额出币。如果买饮料，则按下所需购买饮料 的按钮，按下后等待取物，取物后若需找币，再按下退币按钮即可。退出的钱都为硬币， 因为纸币容易破损、褶皱、潮湿。若想设计成找纸币的情况，在体积、难度、成本会很 大。而硬币有规则，不易损坏，而且能循环使用。因此本次设计中只退 1 元和 5 角的硬 币。开始投币比较选购不选购退币图 2-2 自动售货机的使用流程8河南理工大学毕业设计（论文）说明书3 自动售货机的硬件部分自动售货机的硬件部分包括主电路部分和控制电路部分的硬件。控制部分中 PLC 的选型和货币识别器的选型的最重要的。根据 I/O 分配表选择出 PLC，并列出外部接线 图。根据之前对自动售货机的功能介绍，选择货币识别器。最后选择自动售货机上的主 电路部分的硬件。3.1 控制电路硬件组成框图自动售货机的控制部分硬件包括 PLC、货币识别器、各种按钮、各种指示灯和接触 器。投币硬币识别器纸币识别器各选择按钮PLC退币按钮各指示灯各接触器图 3-1 自动售货机控制部分硬件组成框图9河南理工大学毕业设计（论文）说明书3.2 确定自动售货机使用的 PLC 类型表 3-1 PLC 的 I/O 分配表 输入 设备 开始按钮 0．5 元 1元 5元 10 元 20 元 可乐按钮 雪碧按钮 纯牛奶按钮 东方树叶按钮 芬达按钮 加多宝按钮 健力宝按钮 雀巢咖啡按钮 退币按钮 ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― SB0 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB10 SB11 SB12 SB13 SB14 SB15 SB16 ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― 输入 X000 X001 X002 X003 X004 X005 X006 X007 X010 X011 X012 X013 X014 X015 X016 ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― ―― 0.5 元灯 1 元灯 5 元灯 10 元灯 20 元灯 可乐灯 雪碧灯 纯牛奶灯 东方树叶灯 芬达灯 加多宝灯 健力宝灯 雀巢咖啡灯 可乐出口 雪碧出口 纯牛奶出口 东方树叶出口 芬达出口 加多宝出口 健力宝出口 雀巢咖啡出口 1 元退币 0.5 元退币口 退币口灯 货币不足灯 取物口灯 输出 设备 HL1 HL2 HL3 HL4 HL5 HL6 HL7 HL10 HL11 HL12 HL13 HL14 HL15 YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 YV6 YV7 YV8 YV13 YV14 HL16 HL17 HL18 输出 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 Y007 Y010 Y011 Y012 Y013 Y014 Y015 Y016 Y017 Y020 Y021 Y022 Y023 Y024 Y025 Y026 Y027 Y030 YO31 Y03210河南理工大学毕业设计（论文）说明书PLC 控制在逻辑上方便、控制速度高、更灵活且便于维护。PLC 是建立在单片机上 的产品。单片机是一种集成电路，不具可比性。单片机可以构成各种各样的应用系统， 从微型、 小型到中型、大型都可，PLC 是单片机应用系统的一个特例。从工程角度上说： 对于单项或重复极少的项目，采用 PLC 是更明智、快捷的途径。功率高，可靠性好！ 通过对各种控制的优缺点分析，各适用于不同控制要求的场合。对于自动售货机的设计 来说。要求控制速度快、灵活、可靠性高、易于维护和改动、属于单项重复数少的项目。 用 PLC 来控制是最好的选择。它少了几点继电器控制的笨重和单片机控制的复杂性。 但分析各种厂家生产的 PLC。西门子 PLC 多用于大型、超大型的场合。所以我选用了 三菱型 PLC 来进行自动售货机的控制。 又根据对自动售货机的 I/O 分配表确定该自动售 货机有 15 个输入点和 26 个输出点， 个输入包括开始按钮、 15 货币识别按钮和饮料选择 按钮以及退币按钮。输出点包括 5 个货币识别指示灯、8 个饮料指示灯、8 个饮料输出、 2 个退币以及 3 个特殊的指示灯。因此选用 FX2N-64MR 型的 PLC。关于 PLC 的具体分 配如上表 3-1 所示。 因为 PLC 的输入端内部本身有 24V 的电源，所以输入部分不用外接电源，而在输 出端需要外接电源。各种指示灯和接触器可以用同一个电源，因此，不用将各个输出分 开个供电。选择的电源是根据电动机的额定电压选的，详见 3.4 节。 虽然 PLC 输出端有多个 COM 口，但由于各个点所接电压相同，所以，图中未显示 所有的 COM 口。 因为在次设计中使用的是现有的货币识别器，货币识别器识别币种后，将各种不同 的币放在不同的部位。X01、X02、X03、X04、X05 分别为代表 0.5 元、1 元硬币和 5 元、10 元、20 元纸币的投入。货币识别器每识别一次，开关接通一次， 相当于投入一 个币。 该 PLC 自动售货机 I/O 接线图中， PLC 元件 X006，X007，X010，X011、X012、 X013、X014、X015 是选择控制按钮，选择可乐，雪碧，纯牛奶、东方树叶、芬达、加 多宝、健力宝、雀巢咖啡。线圈 Y006，Y007，Y010，Y011、Y012、Y013、Y014、Y015， 是作为指示灯的输出线圈。当投币，选择可乐、雪碧、纯牛奶、东方树叶、芬达、加多 宝、健力宝、雀巢咖啡时的指示引导购物作用。按钮和指示灯，直接明了，方便简单， 易于操作。 确定了 PLC 的类型，又完成了对各个点的分配，那么 PLC 的外部接线图如下 3-2 所示。11河南理工大学毕业设计（论文）说明书硬 币 纸 币SB1 SB2 SB3 SB4 SB5开始按钮 0.5元 1元 5元 10元 20元 可乐按钮 雪碧按钮 纯牛奶按钮 东方树叶按钮 芬达按钮 加多宝按钮 健力宝按钮 雀巢咖啡按钮 退币按钮SB0 X00 X01 X02 X03 X04 X05 SB6 SB7 SB10 SB11 SB12 SB13 SB14 SB15 SB16 X06 X07 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 COM FX2N64MR Y01 Y02 Y03 Y04 Y05 Y06 Y07 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 Y16 Y17 Y20 Y21 Y22 Y23 Y24 Y25 Y26 Y27 Y30 Y31 Y32 COM1 DC24V KM4 KM5 KM6 KM7 KM8 KM9 KM10 1元电磁阀 0.5元电磁阀 退币口灯 货币不足灯 取物口灯 KM1 KM2 KM3 0.5元灯 1元灯 5元灯 10元灯 20元灯 可乐灯 雪碧灯 纯牛奶灯 东方树叶灯 芬达灯 加多宝灯 健力宝灯 雀巢咖啡灯 可乐 雪碧 纯牛奶 东方树叶 芬达 加多宝 健力宝 雀巢咖啡图 3-2 外部接线图3.3 货币识别器选型货币识别器有硬币识别器和纸币识别器。货币识别器是自动售货机中的重要部分， 几乎所有的操作都是在识别器工作正常的前提下才能发生的。货币识别器本来可以自己 设计，但由于时间紧张，本次设计都采用现成的。 硬币识别器分为三部分，一是投币段，一是进币段，再是退币段。纸币识别器没有 退币段。12河南理工大学毕业设计（论文）说明书3.3.1 硬币的识别原理硬币识别器的总体思想是通过真假硬币通过两种传感器时电容和电感参数的改变 量不同来辨别。在硬币识别器中复合式硬币识别器价格便宜，识别可靠，所以选用此种 硬币识别器来完成硬币方面的识别。 复合式硬币识别器的原理：复合式硬币识别器主要是由平板电容传感器、和电感线 圈传感器、检测电路、单片机控制电路组成。电容传感器是通过检验硬币的厚度来辨别 真伪的，当硬币通过投币口进入平板电容传感器时会引起传感器电容的变化，这个传感 器也可以实现对硬币材质的检测。 通过与电容传感器配用的交流电桥将电容的变化转换 为电压信号， 再通过放大电路将信号放大进入单相桥式整流滤波电路将交流变为直流并 滤去干扰信号在通过电压比较器后输入 AD 转换器将模拟信号转换为数字信号传入控制 电路。 而电感线圈传感器是通过不同的金属材质通过线圈时电感改变量不同来检测的。当 硬币通过电感线圈时也会使电感量改变，通过电感式传感器配用的交流电桥电路使电感 的改变转换为电压信号，由于硬币通过传感器的时间比较短，所以所获得的信号比较微 弱，因此需要在信号输出口连接一个放大电路使信号放大。在复合硬币识别器中需要用 到单片机，而传入单片机的信号必须是直流信号，所以在放大电路的末端我们需要连接 一个单相桥式整流滤波电路是将交流变为直流再传入单片机控制系统。在整个过程中也 需要连接有滤波电路输入单片机。 当硬币识别器识别硬币后，硬币按面值被电磁阀分配到不同的贮币腔内备用，当 收到退币找零信号后， 通过退币电磁阀拉杆， 将贮币腔内下部的硬币依电信号程序退币， 完成自动售货机的退币找零功能。找零功能的完成与贮币腔的机械设计有关。 当硬币识别器识别硬币后将会把不同的硬币分别派发在不同的腔内。货币识别器 通过通信传达信息给 PLC。 本次使用的现有硬币识别器的容量为 500 枚，可识别 5 角与 1 元硬币。表 3-2 硬币识别器选型 硬币识别器 BD-8G 工作电压 DC +12V 工作电流 2A 工作温度 -20° C～60° C3.3.2 纸币的识别原理纸币识别器是由主控部分、传感器、去等组件、A/D 转换器、外部存储、电机、模 式选择、电源版等组成的一个单片机控制系统。通过多个接口把紫外、磁性、红外穿透13河南理工大学毕业设计（论文）说明书引入主控器。把正常钞票在个传感器中的信号进行统计取样、识别，并寄存下来，作为 检测的依据。当识别纸币时，把在各通道接口接收到的信号参数与原来寄存的信号进行 比较、判断。若有较大差异，则使电机反转。 纸币相对于硬币来说，识别会麻烦一些，纸币中常常会出现一些假币，所以能够识 别货币的真假时之比识别器的一项重要功能。 人民币的制作一般采用的时专门的纸张，假钞通常是采用经过漂白处理的普通纸 张。 经过漂白处理的纸张在紫外线的照射下通常会有荧光反映， 而人民币则没有。 因此， 紫外线可以检测纸币真伪。利用红外激光照射人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定 波长的激光，透过对此激光的检测可辨出纸币的真伪。 纸币识别器由双向微型电机和捻纸皮带组成传动机构，检测则由荧光检测、光敏电 阻和红外线对管等组成。当由纸币投入时，入口处红外线被遮挡，接受管发出信号电机 正转，捻纸皮带将纸币送入，在此过程中，各种检测元件对纸币进行全面检测，如果被 判定与原有储存参数不符，则电机反转，将纸钞退出，如果符合内部参数信息，则进入 纸钞进入内部贮钞箱。也通过通信传达给 PLC 以实现控制。 此次使用的现有纸币识别器的容量为 300 张，可识别 5 元、10 元和 20 元。表 3-3 纸币识别器选型 纸币识别器 TCN-7-3B 工作电压 DC +12V 工作电流 2A 工作温度 0° ～55° C C3.4 自动售货机电机及其它选择（1）自动售货机上有多个电动机，在饮料的输出部分，是由电动机带动弹簧旋转 一圈将饮料转出，每种饮料输出都要有一个电动机驱动， 因此，需要选择适当的电动 机。但是在自动售货机上使用的电动机一般功率不大，像小罐的饮料自动售货机一般使 用额定电压为 12~24V， 额定功率为 3W。 但是要使用直流减速电机， 这样可以增大扭矩， 使饮料的弹出得到保证。 虽然现在一般使用的电动机大部分为交流电机，但在自动售货机上，售货的时间很 短，因此需要在很短的时间内启动，也需要在很短的时间内制动，交流电机不能满足这 些要求，因此使用之路电动机比较好。表 3-4 电动机选型 减速电机 XINX-37JS 额定电压 DC +12V 额定功率 3W 转速 16R.P.M 减速比 1：1014河南理工大学毕业设计（论文）说明书（2）接触器的选择 因为使用的是直流电机， 所以选用 24V 直流接触器。 直流接触器的电磁机构无涡流 和磁滞损耗，铁心由整块软钢组成，端面上无需装短路环，采用磁吹式灭弧装置，线圈 匝数多。直流接触器的操作频率较高。DC24VKM2KM3KM4KM5KM6KM7KM8M1M2M3M4M5M6M7M8图 3-3 主要接线图15河南理工大学毕业设计（论文）说明书4 自动售货机的软件设计本次设计中最重要的部分是软件部分。首先做出能完成自动售货机要求的梯形图， 然后对梯形图调试，最后，MCGS 组态软件仿真。4.1 自动售货机的控制系统开始投币比较币值否 &=4.5 是 &=3.5 是否 &=2 是否货币不足可乐灯亮雪碧灯亮芬达灯亮健力宝灯 亮东方树叶灯 亮加多宝灯 亮纯牛奶灯 亮雀巢咖啡灯 亮选择商品不选择商品减法运算顺序退币结束图 4-1 自动售货机的控制系统流程图16河南理工大学毕业设计（论文）说明书以上流程图表示的是程序可以实现的功能，按下开始按钮后，就可以开始进行投币 操作了，投币时间结束后，系统根据投币的多少，与各种饮料的价格进行比较。 显示 可购买，按下退币按钮可退币。4.2 自动售货机的程序部分4.2.1 程序中用到的部分指令比较指令在 PLC 控制系统中是一条十分重要的功能指令，它将[S1]、[S2]中的数据 进行比较，比较结果送到目的操作数[D]中，如下图 4-2 所示，当 X000 为 OFF 时，不执 行 CMP 指令，M10，M11，M12 保持不变；当 X000 为 ON 时，执行 CMP 指令，[S1]、 [S2]中的数据进行比较，即 C10 计数器值与 K10（数值 K10）比较。如果 C10 当前值小 于 10，则 M10=1；如果 C10 当前值大于 10，则 M12=1；如果 C10 当前值等于 10，则 M11=1。图 4-2 CMP 指令使用说明加法运算：加法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加，结果送到指定的目 标元件中。当 X000 为 1 时， （D0）+（D5）=（D6） ，运算是代数运算图 4-3 加法运算使用说明图减法运算：减法运算指令是把指定的源元件中的二进制数相加，结果送到指定的目 标元件中，如图 3-3 所示。当 X000 为 1 时， （D10）-（D12）=（D14） ，运算为代数运 算。17河南理工大学毕业设计（论文）说明书图 4-4 减法运算使用说明图4.2.2 自动售货机的控制程序程序部分可分为 5 个部分。分别为：启动部分、投币比较部分、可购买显示部分和 饮料选择部分、货币相减部分和退币部分。 启动部分：设置启动按钮，当按下时，X000 置 1，松开时断开。图 4-5 启动部分程序图 4-6 投币部分程序18河南理工大学毕业设计（论文）说明书投币比较部分：投币的时候由货币识别器识别币种，投入的一个币相当于按一次按 钮，T10 表示在 10s 投币，可累加币值，所以使用的数据寄存器为停电保持型 D200。图 4-7 比较部分程序可购买显示部分和饮料选择部分：即当投入的总金额购买某种饮料时，饮料所对应 的指示灯亮。T2、T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17 都为定时器，定时时间为 2s， 它们中的任何一个都可以是 T1 线圈得电，因此，当选择某种饮料后，该种饮料对指示 灯比其它饮料的指示灯多亮 4s。因为选择饮料时都是按钮操作，所以选择部分的辅助继 电器要自锁。图 4-8（a） 饮料的显示与输出19河南理工大学毕业设计（论文）说明书图 4-8(b) 饮料的显示与输出图 4-8(c) 饮料的显示与输出20河南理工大学毕业设计（论文）说明书图 4-8(d) 饮料的显示与输出图 4-9(a) 饮料的选择与货币相减21河南理工大学毕业设计（论文）说明书图 4-9(b) 饮料的选择与货币相减图 4-9(c) 饮料的选择与货币相减22河南理工大学毕业设计（论文）说明书图 4-9(d) 饮料的选择与货币相减图 4-10 定时器定时部分23河南理工大学毕业设计（论文）说明书货币相减部分：即在选择每种饮料时，在数据寄存器中减去其相应的金额，然后将 结果再存到数据寄存器 D200 中。如上图 4-9 所示。图 4-11 取物口灯亮部分图 4-12 饮料输出时间控制部分退币部分：当购物完成后，如果需要找钱，则按下退币按钮。由于纸币容易磨损，24河南理工大学毕业设计（论文）说明书所以退币只推 1 元和 5 角的硬币。退币后数据寄存器自动复位。图 4-13(a) 退币复位部分图 4-13(b) 退币复位部分25河南理工大学毕业设计（论文）说明书4.3 程序的调试部分4.3.1 GX DeveloperGX Developer 是三菱 PLC 的编程软件。Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX 等 全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、ST、及 FB、Label 语言从程序设计， 网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写 PLC 程序功能。 在调试时不用和可编程控制器连接，不用制作按条使用的顺序程序，因为运用了梯 形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。在帮助中有 CPU 错误，特殊继电 器/特殊寄存器的说明， 所以对于在线中发生错误， 或者是程序制作中想知道特殊继电器 /特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。 数据制作中发生错误时， 会显示是什么 原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短。 此次使用到的调试软件是 GX-Simulator6-c，它是 GX Developer 的一部分。4.3.2 程序调试以投入 5 个 1 元，买雀巢咖啡为例进行程序调试。 按下梯形图逻辑测试启动/结束按钮，等待程序写入 PLC 中，然后梯形图中就会显 示有蓝色部分，一般常闭触点都为蓝色，表示接通，数据存储器为显示为 0图 4-14 进入调试数据寄存器的初始状态在菜单栏的“在线”栏中选择调试-软元件测试。 因为此次设计的自动售货机上都是按 钮设置，所以当按钮按下去为 1，松开即为 0，因此要在软元件测试中的位软元件中写 入 X000 后强制 ON（表示开始按钮接通）然后再强制 OFF（表示松开按钮） 。在 10s 内 迅速按 X001 按钮 5 次（标志投入 5 元） ，再按下 X015 按钮（表示买雀巢咖啡） 。26河南理工大学毕业设计（论文）说明书图 4-15 X001 接通 5 次后状态图 4-16 按下雀巢咖啡按钮后状态图 4-17 选择雀巢咖啡部分操作完之后还有剩余的钱，按下退币按钮 X016，然后再强制 off，因为退币 按钮也是按下为 1 接通，松开为 0 断开。27河南理工大学毕业设计（论文）说明书图 4-18 退币前的状态图 4-19 退币后状态4.4 基于 MCGS 组态的自动售货机仿真MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是北京昆仑通 态自动化软件科技有限公司研发的一套基于 Windows 平台的， 用于快速构造和生成上位 机监控系统的组态软件系统， 主要完成现场数据的采集与监测、 前端数据的处理与控制。 MCGS 组态软件包括三个版本， 分别是网络版、通用版、嵌入版。此次使用的是通用版。 包括 MCGS 组态环境和 MCGS 运行环境。MCGS 组态软件所建立的工程由主控窗口、 设备窗口、 用户窗口、 实时数据库和运行策略五部分构成， 每一部分分别进行组态操作， 完成不同的工作，具有不同的特性。 这种软件一般应用于工程上，像沥青库自动控制系统、天然气 CIMS 系统。虽然软 件中有图库，库里面都是工程商用的设备，比如电机，阀、储藏罐。因此自动售货机所 用的道的图片都要自己做好，加载进去。使用组态软件做自动售货机，最后想要得到的 效果是，按下一个按钮时，相应的指示灯亮。4.4.1 建立组态画面因为在软件中没有自动售货机所用的图片，因此要先建立图片。打开 MCGS 组态 环境后新建工程。在新建的工程中点击用户窗口，然后点击新建窗口 0，选中窗口 0，28河南理工大学毕业设计（论文）说明书点击鼠标右键选择属性，在窗口名称处更改名字为自动售货机。设计好自动售货机的格 局，点击动画组态按钮，开始创建画面。 创建自动售货机画面的主要难题在于图库中没有所需要的图。需要自己创建。在百 度上搜索相关饮料的图片，放到 ACDSee 软件中，调整大小后保存为 256 色位图*bmp 格式，将所有需要的图片制作好放到一个文件夹中。回到动画组态界面，点击工具箱中 的位图选项，在自动售货机窗口中画大小合适的位图，选中画好得位图，点击右键选择 装载位图，存放制作图片的文件夹，将图片加载进去。以此方法将 8 种可选饮料的图片 做好。 接下来为各种饮料配置按钮， 选用工具箱种的标准按钮， 画好按钮后双击该按钮， 更改按钮标题即可。工程中所用的灯可以在工具箱中的插入元件中选择。根据设想，调 整各个部分的位置，最后做出效果图如下图4-20 自动售货机的组态下效果图4.4.2 设置各元件的参数制作好效果图之后，对各个部分进行参数设置。回到之前的工作台页面，点击实时 数据库，点击新增对象，将所有的元件命名并注释。因为后其选择通道时不能用汉字作 为首字符，所以为每个元件命一个名，如灯就按 HLx 命名，其余输出以 YVx 命名，因29河南理工大学毕业设计（论文）说明书为输入都是按钮性质，以 SBx 命名。图 4-21 工作台设置实时数据库如下图所示图 4-22（a） 实时数据库设置30河南理工大学毕业设计（论文）说明书图 4-22（b） 实时数据库设置对按钮和灯进行设置。以可乐为例，在动画组态中电机可乐指示灯，其设置如下图图 4-23 可乐指示灯参数在动画组态中点击可乐按钮，在基本操作栏设置按钮属性为按 1 松 0，点击其后面31河南理工大学毕业设计（论文）说明书的“？”，选择 SB6。其它按钮以此为参照设置。图 4-24 可乐按钮设置在工作台页面点击设备窗口，进入后点击设备工具箱，点击设备管理，要先选择通 用串口父设备，然后再选相应择 PLC 设备。图 4-25 设备窗口的选择点击进入三菱系列串口，对设备属性进行设置。根据 PLC 的 I/O 分配表对通道连接 进行设计。通道的设置中要注意输入和输出通道不能混淆。点击进入设备 0 后在点击设 置设备内部属性后的带有三个点的按钮即可增加通道的数量。图 4-26通道量设置32河南理工大学毕业设计（论文）说明书图 4-27 通道设计至此，参数设置完毕，打开 MCGS 运行环境，点击下相应按钮，观察变化情况。 可能应为其中有些参数的设置有误，没有显示相应的动作。33河南理工大学毕业设计（论文）说明书结论这次毕业设计我的主要任务是用 PLC 实现自动售货机的功能。一个平常看似简单 使用方便的自动售货机，其实并不是那么容易就做成的。设计中使用 Visio 画图，使用 抓图软件抓图，在制作组态时还用到 ACDSee 软件制作位图。在此过程中不断的学习改 进，从中学习到好多有用的知识和经验。本次设计所做的重点是 PLC 编程部分，通过 调试以实现它的功能。 设计的自动售货机的功能主要是对饮料进行自动交易，通过对 PLC 的程序输入达 到自动售货的目的。这次设计课题的效果是：当投入钱币时，根据投入钱币的多少，自 动售货机会自动判断，然后做出相应的结果即灯亮的变化，根据顾客的选择，会自动输 出要选择的饮料，并退还余额。 本设计的优点与缺点是： 通过程序的自锁与互锁， 能够正确的做出判断， 给出结果， 设计出的自动售货机装置简单、易操作，结构线路设置容易，耗能低，能够满足在一些 商店和工厂无人售货的需要，老人和孩子都能够运用：本设计的缺点有售货品种较少， 自动售货机容量较小， 识别的钱币种类也有些限制。 没有显示器显示所投入的钱币总值。 本设计的结果能够满足设计需求，课题的效果明确，虽然售货数量较少，但是理论 明确且统一，在此基础上可以增加货道及商品的数量，以满足人们在生活中的需求！ 此次设计的自动售货机还有很多地方不完善，比如没有货币显示部分，识别的币种 也比较少。这种售货机适合放在工厂或学校的餐厅。短时间人流比较大的时候，它可以 起到很大的作用，而且，服务范围不大，离工作人员的视线范围比较近，许多突发性问 题都可以向工作人员反映。34河南理工大学毕业设计（论文）说明书参考文献[1] 廖常初.FX 系列 PLC 编程及应用[M].北京机械工业出版社，7 [2] 高勤.可编程控制器原理及应用（三菱机型）[M].北京电子工业出版社， [3] 钱锐.PLC 应用技术[M].北京:科学出版社，3 [4] 董淑玲.PLC 在自动售货机控制系统中的应用[J].上海师范大学学报，):47～ 51 [5] 王国海. 可编程序控制器及其应用》 《 第二版[M].中国劳动社会保障出版社.2007.56～ 78 [6] 瞿彩萍.《PLC 应用技术》 （三菱）[M].中国劳动社会保障出版社.7 [7] 程周.可编程序控制器原理与应用[M].北京高等教育出版社, [8] 王永华.现代电气控制及 PLC 应用技术[M] .北京北京航空航天大学出版社，
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[15] 刘恒娟. 基于 MCGS 组态软件的液位定值控制系统[J]. 电工技术 , ] 葛波,沈文杰,赵旎. 工控组态软件的对比及应用 -计算机测量与控制 2002.835河南理工大学毕业设计（论文）说明书致谢毕业的设计从定题到现在已经有两个月时间了，当初定的基于 PLC 控制的自动售 货机控制系统设计时，仅仅见自动售货机，感觉很新奇，竟然还会找钱。经过这么长时 间的学习，这些基本的功能自己竟然也能设计出来了。 在做毕业设计的过程中， 从定题开始， 韩素敏老师就给我们建议， 从那些方面下手。 定题之后，韩老师每周定期对我们的课题进行辅导，提出问题和建议，帮助我们解决问 题。在韩素敏老师的监督与辅导下，毕业设计才能如期完成。韩素敏老师严格要求，力 求完美。我也从韩素敏老师那学到了严谨、务实、认真、不畏劳苦的工作态度和极强的 敬业精神。我再次对韩素敏老师的耐心和帮助表示感谢。 在平时做毕业设计的时候，看似简单的问题，遇到一个小小的麻烦，甚至论文就没 有办法进行了。 一个人思考不出来的时候，就会和同学讨论，大家集思广益，有时候 就会豁然开朗。他们在我苦无头绪之时帮我找资料，在我有疑难时耐心给予解答，并一 直给予我鼓励和支持，支持我认真细致的完成这次毕业设计。我也要向他们致以谢意。 可以说，没有同学们的无私帮助帮助，很难在规定时间内完成这次毕业设计。我向各位 同学表示由衷的感谢！ 最后，再次向帮助我完成这次毕业设计的韩素敏老师和同学们表示最诚挚的感谢。36硬 币开始按钮 0.5元 1元SB0纸 币DC24VSB1 SB2 SB3 SB4 SB5附录 系统硬件连接图KM8 KM7SB6 SB7 SB10KM2 KM3 KM5 KM4 KM65元 10 20 元 元 可乐按钮 雪碧按钮 纯牛奶按钮 东方树叶按钮 芬达按钮 加多宝按钮 健力宝按钮 雀巢咖啡按钮 退币按钮 M2 M3 M4 M5 M6 M7SB11 SB12 SB13 SB14 SB15 SB16X00 X01 X02 X03 X04 X05 X06 X07 X10 X1 1 X12 X13 X14 X15 X16 M8河南理工大学毕业设计（论文）说明书37FUAC220 VY01 Y02 Y03 Y04 Y05 Y06 Y07 Y10 FX2N- Y11 64MR Y12 Y13 Y14 Y15 Y16 Y17 COM Y20 Y21 L Y22 N Y23 Y24 Y25 Y26 Y27 Y30 Y31 Y32 COM 1 DC24V0.5元灯 1元灯 5元灯 10元灯 20元灯 可乐灯 雪碧灯 KM1 纯牛奶灯 东方树叶灯 芬达灯 加多宝灯 健力宝灯 M1 雀巢咖啡灯 KM1 可乐 KM2 雪碧 KM3 纯牛奶 KM4 东方树叶 KM5 芬达 KM6 加多宝 KM7 健力宝 KM8 雀巢咖啡 KM9 1元电磁阀 KM10 0.5元电磁阀 退币口灯 货币不足灯 取物口灯
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