摘要：本文介绍了一种咖啡调制灌装机PLC控制系统，以德国西门子200smartPLC为核心控制器，结合移动支付模块、步进电机、减速电机、电磁水阀、继电器、接近开关、光电开关、编码器和浮球开关等电气元件组成控制系统，完成元件选型和电路设计，并绘制相应的电气接线图和编程顺序功能图。该设计可实现移动支付、自动调制、温度控制、水量控制、水温调节以及粉末控量等功能。
随着人们消费水平的日益提高，咖啡作为时尚消费品深受大家喜爱，且市场需求逐年增加，据相关机构预测到2025年中国咖啡市场规模将超一万亿元。虽然近年来街边各类咖啡店呈爆发式增长，但出现排队购买的情况也是屡见不鲜，其原因在于目前咖啡调制工作依然由人工完成，耗时长、成本高、场地局限大。基于此，对全自动咖啡调制灌装机进行了设计研究，研究目标是消费者可自助扫码下单，该机器根据消费者的订单信息自动完成咖啡的调制灌装，全程不需要工作人员操作，实现冲调类饮品的全自动生产过程。
1.自动咖啡机工作流程介绍
自动咖啡机系统结构比较复杂，由纸杯托架、纸杯分离叉、纸杯移动装置、下料装置、搅拌装置、清洗装置、手机支付系统等组成，为操作方便直观，系统设置有三种状态指示灯：故障指示灯、空闲指示灯（等待状态）、忙碌指示灯（工作状态）。系统工作流程如图1所示。设备上电后，首先进行系统自检，判断取货窗口是否关好、纸杯托架内是否有异物、纸杯托架是否位于原点、纸杯分离叉及搅拌装置是否位于原点，完成自检及原点修正之后，系统开启支付功能。消费者使用手机扫描机器上二维码，选择相应的商品完成下单支付，付款成功后系统将通过移动支付模块的串口向PLC发送信息，系统根据订单信息制作相应产品，并点亮忙碌指示灯。咖啡制作流程：纸杯分离器电机启动，完成纸杯分离工作，再由步进电机驱动纸杯托架将纸杯移动至下料口，根据订单信息控制下料量，控制热水、凉水与牛奶的注入量，再启动搅拌功能，完成后搅拌电机上升回到原点，一杯咖啡制作完成。忙碌指示灯闪烁，消费者可以按下取货按钮打开取货窗口取走商品。消费者取走咖啡并关闭取货窗口后，系统开启清洗功能。清洗流程：水泵抽取热水，搅拌电机到位并搅拌，延时排出，排空后清洗装置复位，一次清洗工作完成。空闲指示灯进入常亮状态，等待下一个订单。当然，在系统工作过程中还设计有检错纠错功能，如水温检测及控制、液位检测及控制、纸杯托架位置检测及调整等。
2.控制系统设计
2.1主控制器的选型
分析该系统的控制需要，采用西门子200smart系列的ST20PLC。此款PLC具有12KB程序存储器、8KB用户数据存储器（V）、256位M存储器、256位顺序控制继电器（S）、256位输入过程映像区（I）与输出过程映像区（Q）、56个字的模拟量输入（AI）与输出（AQ），同时还具有1个RS485接口、6路高速计数器和2路高速脉冲输出，符合本设计的需要。只是其板载数字量输入输出点分别只有12个和8个，且无板载模拟量输入输出点，而本系统需要22个数字量输入点、18个数字量输出点以及1个模拟量输入点、1个模拟量输出点，所以需要增加一个16入16出的数字量扩展模块（EMDR32）与一个2入1出的模拟量扩展模块（EMAM03）。
2.2下料与纸杯移动控制设计
2.2.1步进电机
下料模块与纸杯移动模块对运动精度的要求较高，系统采用42步步进电机作为这两个模块的驱动装置，分别用来驱动下料螺杆旋转与纸杯托架移动。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，步进电机接线如图3所示。
2.2.2下料控制继电器
由于西门子ST20PLC只支持两路高速脉冲输出，而本系统用到了三个步进电机，因此需要采用一中间继电器，完成白糖下料步进电机与咖啡下料步进电机的控制切换。该继电器的常开/常闭触点分别串联在白糖/咖啡下料步进电机驱动器的PUL端口，连接结构如图4所示。
2.2.3纸杯托架与纸杯的检测
纸杯托架的位置采用接近开关进行检测，接近开关既有行程开关、微动开关的特性，又不直接与被测物体接触，且本身动作可靠、性能稳定、寿命长、抗干扰能力强，同时还具有防水、防震、耐腐蚀等特点。接近开关分为常开和常闭两种，本系统采用直流24V三线制PNP常闭型接近开关，选择常闭型是考虑到如果出现接近开关断线的情况可以通过程序进行判断检测，提高了系统的安全性。PLC与接近开关连接如图5所示。对于纸杯的检测，选用漫反射光电开关，无需接触，减少测量误差。设计中使用了两个直流24V三线制PNP输出漫反射光电开关，分别用于检测纸杯是否成功落入托架内、纸杯座内是否还存有纸杯。漫反射光电开关与PLC的接线与接近开关相似。
2.2.4下料质量检测
为控制下料质量，需要对下料电机转动角度进行监测，下料模块的步进电机选择双出轴型，其尾部轴与四线制PNP输出的增量式编码器相连接。电机转动时带动编码器旋转，通过编码器将步进电机的角位移转换为AB正交脉冲信号反馈给PLC。
2.3搅拌与纸杯分离控制设计
搅拌模块与纸杯分离模块控制，需要驱动装置有较大的扭矩，本系统分别选用减速比为60：1、额定转矩为4kg/cm、额定转速为460r/min的24V直流减速电机作为搅拌装置上下移动驱动电机；减速比为19：1、额定转矩为7kg/cm、额定转速为250r/min的24V直流减速电机作为纸杯分离装置驱动电机；减速比为35：1、额定转矩为0.5kg/cm、额定转速为170r/min的12V直流减速电机作为搅拌电机。驱动电机电气接线如图6所示。
2.4控制系统的组成
根据前述主要电气元件选择与模块设计，已经形成比较清晰的方案，除此之外还有各环节信号的检测与处理、各动作的执行机构、转态指示等，涉及元器件较多，整个控制系统的硬件组成及其连接关系如图7所示。
2.5I/O口分配
2.6控制程序设计
咖啡制作流程使用顺序控制指令编写，当PLC接收到支付模块发送的信息后，将关闭空闲指示灯与支付功能、点亮忙碌指示灯、高速计数器清零，并进入顺序控制第一步。顺序控制主程序如图8所示，系统按图1所示流程工作。
3.总结
为适应便捷生活所需，本设计完成了全自动咖啡调制灌装机的PLC控制系统研究，包括元件选择、电路设计、软件编程，该系统具有纸杯分离、纸杯移动、粉末控量、液体添加、搅拌、清洗等功能，同时还支持手机下单支付，使付款更为方便，能满足人们快节奏的生活需求，可有效提升运营效率、降低人工成本。
作者：陈洁 冉玉梅 曹丙飞 单位：德州学院 青岛科捷机器人有限公司
