一种基于plc的奶茶自动调配控制系统设计

一种基于plc的奶茶自动调配控制系统设计

艾合麦提江·吐逊江  李程辉  巴特力·赛力克

华电新疆五彩湾北一发电有限公司  新疆昌吉吉木萨尔县准东区

1.选题背景

随着科技的不断发展，自动化相关技术发展得也越来越快，自动化商业机械的应用也越来越广泛，自动售货机作为其中的代表之一，被普遍用于商场、地铁站、学校等人流量较大的场所进行自助售货，给人们的生活带来了极大的方便。越来越多的人借助于这种既方便又灵敏的自动售货机，来顺应如今社会生活的快节奏和高效率叫。同时，自动售货机不仅节省了大量劳动力的资金成本，而且减少投资者的经营成本将逐步成为人们生活中不可或缺的售卖方式。目前自动售货机在国内还处于发展阶段，在应用技术和操作简单方面都在不断改进过程中。就出售产品而言，自动售货机销售的种类繁多产品都是已经固装好的瓶装饮品、袋装零食等，例如矿泉水、饮料、奶茶，它们都是厂家已经生产好的瓶装成品放在自动售货机中进行售卖。

与此同时，随着以智能制造为主导的工业与云时代的来临，互联网技术、人工智能、大数据技术嵌入传统产品设计，使产品逐步成为互联网化的智能终端。以制造业互联网化为代表的工业互联网化正成为大家关注的焦点，并应成为工业化和信息化两化融合的前沿和重点。但如今市面上自动售货机的技能也只是售卖产品，对于消费者的购买喜好、频率以及购买的时间地点等相关数据，运营商却是处在未知的状态，导致消费者与运营商之间无有效沟通，这些数据的潜在应用价值也没能被较好地利用起来为消费者提供更好的产品以及服务，甚至会出现补货不及时导致货物长时间短缺的现象，从而影响消费者的消费体验。自动售货机作为商业自动化常用设备之一，它不受时间与地点限制，具备节省人力、交易方便等特点，是一种全新的商业零售形式，也被称作24小时营业的微型超市。从供给条件来看，自动售货机可以较充分地弥补人力资源的缺少，较好地顺应消费模式与环境变化，全天候无人售货的系统具有更加省力，云营时所需管理成本较低、经营场所灵活、占地面积也较小等优点，并日可以较好地解决人工费用升高的问题，已经使得自动售货机成为人们日常生活当中不可或缺的一部分。

鉴于上述现状，本文主要研发了一种无人化的智能饮品调配售货机系统，将休闲饮品的人工调配过程转变为机械自动可视化调配过程，可以对售货机的各种饮品配料的储存量实时监控，智能通知补货员是否需要及时补充货物，同时对消费者的相关购买信息讲行收集、储存、管理和加工，运营商通讨对其进行数据挖掘来获取其中有意义的、具有潜在价值的信息，从而使得饮品调配售货机的管理更加智能化。该系统不仅能实现机器换人的自动化理念，促进休闲饮品调配的自动化与现代化，而且有助于推动我国自动化产业的发展，更加顺应智能制造的趋势。同时，现配饮品更加有助于人们对养生的追求。对于很多想创业开奶茶店的投资者来说，该系统的研发可以节省店面费、装修费、人工费等一系列开销，在市场竞争上有较大优势和应用价值，发展前景也比较广阔。

2.设计方案

科学技术的快速发展带动着自动化商业机械的广泛应用，其中自动售货机是商业自动化装置代表之一，较大程度地方便了人们的生活。目前自动售货机虽然形式多样，但对于饮料自动售货机所出售的饮品而言，都是瓶装矿泉水、饮料等，且对于奶茶这种深受消费者青睐的现配休闲饮品，现阶段仍处在人工现场调配阶段，针对所述现象，结合自动售货机与现配饮品两者的特点，本文利用自动化相关技术研制了一套智能奶茶调配售货机系统装置，实现奶茶调配过程的机械自动化，其主要研究内容如下:

（1）设计并研制智能奶茶调配售货机系统装置。主要研制工作如下平面关节型机械手的设计，能实现对饮品杯的夹取以及在整个饮品调配过程中将饮品杯送至相应工作位:饮品原浆自动灌装模块的设计，能实现对不同饮品原装的定量灌装;饮品传递托盘以及电动旋转连接机构的设计，完成对调配好的饮品自动传输。

（2）根据系统实际情况所需，对自主研制的平面关节型机械手的驱动装置和传动装置进行合理选型。

（3）对奶茶原浆自动灌装和传输平台模块进行相应分析与设计。结合实际需求对饮品原浆储存容器及液体电磁阀进行选择，并根据流量相关理论建立定量灌装理论承数，同时通过实验记录数据进行验证对饮品自动传输平台进行结构设计并为其选择驱动装置。

（4）搭建基于PLC的运动控制系统。根据所选主控制器对控制系统架构进行设计，并结合控制系统所需对控制元器件进行选型，从而实现对系统控制电路的设计以及控制系统软件部分的程序编写。最后对智能饮品调西售货机系统的上位机部分从购货流程、移动支付部分以及后台数据统计管理三个方面进行设计。同时对已经完成的工作内容进行总结，并指出系统中所存在的问题和后续工作进一步的改进方向。

本文针对如奶茶这种口味多样的休闲饮品在制作过程中需要店员人工手动调配，以及目前国内自动售货机主要销售非现配瓶装饮品的问题，提出将人工现制现西的饮品过程与自动售货机两者优势进行结合，设计研发一种天人化你智能饮品调配售货机系统，将饮品的调配过程从人工调配转变到机械自动可视化调配。本研究主要结合自动化控制、机械设计原理、计算机信息等技术，设计并研制一款机电一体化装置，能够完成对休闲饮品的调配与售卖过程，实现非人工的饮品自动机械调配，对机器换人在各个领域深入进行具有重要的意义，并且有着较大的市场应用前景。本论文主要研究内容如下:

（1）分析奶茶调配的工作流程，制定智能饮品调配售货机系统的整体设计方案。

（2）对智能奶茶调配售货机系统的工作流程以及其必需的基本功能进行整体分析，设计并研制控制系统中一些部件的基本结构。主要研制工作包括:平面关节型机械手的设计，它是整个系统的轴心部件，能够实现对奶茶杯的夹取以及将饮品杯送到系统调配平台中所需要达到的工位，完成奶茶的自动调配与取送操作;奶茶传递托盘的设计，能够将机械手主体送达的饮品隔离于系统外部，保证系统内部的封闭性，从而保障奶茶的环保与卫生问题；电动旋转连接机构的设计，它与饮品传递托盘以及步进电机等辅助装置共同构成整个饮品自动传输平台，能够实现对送至传递托盘上调配好的饮品进行自动传输操作。

（3）针对定量控制奶茶原料的灌装流量进行理论分析，为了保证每次每杯奶茶接取量在误差范围内一致，建立奶茶流量与电磁阀通断时间的数学模型。然后根据所建立的数学模型进行流量测定实验，将所记录数据进行最小二乘法拟合，将理论分析所得数学模型与拟合函数进行对比校验。

（4）分析整个系统中的研究对象，根据具体实际需求搭建基于可编程控制器(PLC)的控制系统。分析系统中控制元器件的工作原理，结合实际需求对其进行选型，搭建系统的控制电路。根据整体系统工作流程，按照模块化的设计原理，完成控制系统的软件设计。并结合系统特点对其上位机部分从购物流程、移动支付部分以及后台数据查询三个方面进行设计，从而体现智能奶茶调配售货机系统的智能化。

3.饮品调配售货机用户需求分析

消费者需求分析

本课题研究的饮品调配售货机所要售卖的是现场调配的休闲饮品，比如奶茶这种受大众欢迎的饮品，消费者对此类的休闲饮品的要求大体上如下:

本课题研究的饮品调配售货机所要售卖的是现场调配的休闲饮品，比如奶茶这种受大众欢迎的饮品，消费者对此类的休闲饮品的要求大体上如下:

（1）需要所购买的奶茶口感好，这是保证对消费者忠诚态度的基本条件。

（2）要求自动售货机可售饮品是现配的目种类多，这不仅能增加消费者的购买兴趣，而且现配饮品更符合现代人们对绿色健康食品的追求以及养生观念。

（3）奶茶调配可以根据消费者不同需求进行选择，消费者可以购买单种西料的奶茶，也可以购买多种配料的饮品，售货机提供消费者自我选择的配料。

（4）购买流程简单，操作方便，饮品调配时间需要尽量短，过长时间的等待会使得消费者失去用自动售货机购买奶茶的耐心。而且，消费者对自动售货机这种无人进行看管、方便灵活的全新一代售货方式也有以下一些需求。

（5）工作需要稳定可靠，不能出现选择奶茶后无法进行支付，从而导致不能进行饮品调配售卖。

（6）支付手段需要满足当代支付需求与形式，一般最简单常见的支付方式就是投入纸币或者硬币来进行购买。但是对于特定场合或者人群来说也可对应地提供不同的支付方式。比如，对于学校这种能够使用校一卡通来支付的场所，一卡通支付的方式能够较大程度方便师生进行购买;对于一些经济比较发达的地区，手机支付正在逐渐成为主流支付方式，自动售货机自然要满足这种主流支付方式:还有其他的支付方式，比如银行卡、IC卡消费等等。

4.经营者需求分析

提供自动售货机这种服务以及对其进行维护的管理个体或者团队，统一称之为经营者。他们是体现市场需求的一个群体，他们的需求也更能贴近市场对自动售货机的产品需求、功能需求以及整个自助售货行业的发展趋势所在。经营者对自动售货机的要求大致如下:

(1)奶茶调配售货机要可靠稳定地运作，使用寿命长，整体功耗低，维护成本低，能够适于不同的工作环境:

(2)售货机内的执行部件需有故障检测与故障报警的功能，可以自动进行检测、恢复以及停止等功能:

(3)最好能够具有远程监控，销售信息统计以及管理的功能，能对设备的运行情况做及时汇报，且便于经营者能更好地去了解市场需求，从而及时做出销售策略调整:

(4)可充分地发挥自动售货机具备的特有附加价值，比如新颖外观、配置触摸屏作为人机界面和广告媒介载体等等，增加亲和力以及吸引力。