PLC在饮料自动售货机控制系统中的应用

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学院毕业设计（论文）

PLC在饮料自动售货机控制系统中的应用

摘要

自动售货机是一种全新的商业零售形式，20世纪70年代自日本和欧美发展起来。它又被称为24小时营业的微型超市。在日本，70％的罐装饮料是通过自动售货机售出的；全球著名饮料商可口可乐公司在全世界就布有50万台饮料自动售货机。 在中国,自动售货机1999年开始进人中国市场．如今，在机场、地铁、商场、公园等客流较大的场所，已不难发现自动售货机

[1]

的身影。

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，无人自动售货机作为一种必须的机器便应运

而生了。

它的售货领域非常广泛，是发达国家商品零售的一种主要方式。近几年，自动售货机逐渐被越来越多的消费者所接受。但由于售货机分布零散、范围广阔的特点，自动售货机在为消费者带来方便的同时，也为经营者在监控、管理、维护等方面带来很大的不便。目前售货机运行的各种情况都需要由人工判

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断，包括缺货、缺零钱、币箱已满、售货机机械故障等，经营者普遍采用人工定时巡回视察的管理办法，既费时费力，又无法及时准确获取自动售货机状态报告，给经营者增加了管理成

本和难度，也有可能给消费者的正常消费造成不便[2]。 本系统的设计和实现可以使自动售货机的经营者可以根据网络统计的销售状况进行商品销售状况分析，预测商品的销售走势，确定合理的采购和配送策略，以期获得最高的投资回报率。同时售货机的一些故障信息和警报信息可以实时的传送到相应运营人员，从而可以在第一时间内发现并解决问题。

关键词 自动售货机； 商业；PLC;

Abstract

The vending machine is a new commercial retail form, the 1970 s since the Japanese and the European and American developed. It has been called the 24-hour miniature supermarket. In Japan, 70% of canned beverage is through the vending machine sold; Global famous beverage business the Coca-Cola company in the world is

500000 sets of cloth has a drink vending machine.

In China, the vending machine in 1999 into the Chinese market start. Now, at the airport, the subway, shopping malls, parks and other large passenger flow, site of the already is not hard to find the

vending machine figure [1].

From the vending machine development trend, it is the emergence

of the labor-intensive industry structure due to technology intensive social change of the product. Mass production, large amount of consumption and consumption patterns and sales environment changes, there is a new requirement channels; And relative to the shopping center supermarkets, department and so

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on the new distribution channels of generation, artificial costs are rising; Plus the limitations of the convenience of shopping and factors such restriction, and there is no one to the vending machine

as a must machine will emerge as The Times require.

Its sales field is very wide, is the developed countries retail one of the main ways. In recent years, the vending machine gradually by more and more consumers to accept. But because the vending machine scattered distribution, wide range of features, the vending machine in the convenience brought for consumers, but also for the monitoring and management, in the maintenance and bring a lot of inconvenience. At present the chance done conditions are needed by artificial judgment, including out of stock, lack of change, currency box is full already, vending machine mechanical

fault and so on, widely used artificial timing tour operators inspection measures for the control of both time-consuming, and then can't get timely and accurate vending machine status report, to increase the cost of management and business operators difficult, and may also cause inconvenience normal consumption of

consumers [2].

The design and implementation of the system can make the vending machine operator can according to the condition of sales of the network statistics on the commodity sale condition analysis, forecast the goods sold situation, the determination of reasonable procurement and distribution strategy, in order to get the best return on investment. And some of the vending machine failure information and alarm information can be transmitted to the corresponding real-time operation personnel, which can be found

in the first time and solve problems

Key words vending machine; Programmable xu controller;

Ladder diagram.

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目录

第一章 绪论 ...........................................................................................................................................................6

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1．自动售货机的简介.......................................................................................................................................6 1.1 自动售货机得起源于发展 ................................................................................................................6 1.1．2 自动售货机的功能分析 ..............................................................................................................7 第二章 PLC概述 .................................................................................................................................................8 2.1 PLC组成 ......................................................................................................................................................8 2.1.1 PLC的输入 ..........................................................................................................................................8 2.1.2 PLC的输出........................................................................................................................................9 2.1.3 PLC的控制机制.............................................................................................................................10 2.1.4 PLC的定义 ........................................................................................................................................12 2.1.5 PLC的特点 ........................................................................................................................................12 2.1.6 PLC的性能指标 ...............................................................................................................................13 2.1.7 PLC的分类......................................................................................................................................14 第三章 PLC工作原理 ......................................................................................................................................15 3．1PLC工作方式.............................................................................................................................................15 3.1.1 循环扫描 .........................................................................................................................................15 3.1.2 I/O响应时间 .................................................................................................................................17 3.1.3 PLC中的存储器.............................................................................................................................18 3.2 PLC的编程语言 ...............................................................................................................................18 3.3.1 PLC的编程结构功能图 ...............................................................................................................19 3.3.2 梯形图编程语言............................................................................................................................20 3.4 PLC的分类 ............................................................................................................................................22 3.4.1 按I/O点数容量分类...................................................................................................................23 3.4.2 按结构形式分 ................................................................................................................................24 第四章 自动售货机PLC程序设计.................................................................................................................26

4.1自动售货机设计思路 ···························································································26 4.2 顺序功能图 ············································································································27 4.3 I\\O点的分配 ··········································································································27 4.4 外部接线·················································································································28 4.5 程序设计部分 ······································································································29 4.5.1 程序设计说明··································································································29 4.5.2 程序设计 ········································································································29 结论········································································································································33 结束语 ···································································································································34

致 谢 ..................................................................................................................................................................35 参考文献 ..................................................................................................................................................................36

第一章 绪论

1.自动售货机的简介

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1.1.1自动售货机的起源与发展

据说世界上最早的自动售货机出现在公元前3世纪，那是埃及神殿里的投币式圣水出售机。17世纪，英国的小酒吧里设有了香烟的自动售货机。在自动售货机历史的长河中，日本开发出实用型的自动售货机，那是在进入本世纪后的事。日本第一台自动售货机是1904年问世的“邮票明信片自动出售机”，它是集邮票明信片的出售和邮筒投函为一体的机器。自动售货机的真正普及是在第二次世界大战以后。50年代，“喷水型果汁自动售货机”大受欢迎，果汁被注入在纸杯里出售。后来，由于美国的饮料大公司进入日本市场，1962年，出现了以自动售货机为主体的流通领域的革命。1967年，100日元单位以下的货币全部改为硬币，从而促进了自动售货机产业的发展。

现在，自动售货机产业正在走向信息化并进一步实现合理化。例如实行联机方式，通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中，从而确保了商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。在夏季电力消费高峰时，这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状况下也能保持低温，与以往的自动售货机相比，它能够节约10－15％的电力。进入21世纪时，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展。

因经济复苏缓慢，社会对扩大就业与工作场所提供茶点饮料的福利事业更为关注。自动售货机不仅保障了惬意的工休时间，也是最廉价、提高职工工作效率最有效的手段。特别是在24小时无休工作状态中的办公场所，使用独具魅力的迷你型饮料冲饮机，解决了不间断提供咖啡饮品服务的问题，这种服务加速了自动售货机与咖啡饮品服务的融合。1999年的全美自动售货机协会和全美咖啡服务协会的合并使人们更直观地看到了这种融合现象。

日本是自动售货机的天堂。除鸡蛋、米饭之外，报纸、杂志、一次性相机、干电池、磁带、刮胡刀、袜子、花及宠物食品等各种商品都通过自动售货机进行销售。连熟知自动售货机的美国游客在日本看到10台自动售货机排成一列的景象后，也是连声称奇。

韩国大约有78万台自动售货机，是除了日本、美国、英国之外自动售货机使用数量最多的国家。从不同的种类来看，咖啡茶

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的自动售货机约占全部售货机的40%以上；另外，还有冰饮料自动售货机、听装饮料自动售货机、办公咖啡自动售货机和照片胶粘标签自动售货机、票类自动售货机、手机充电自动售货机、成人用品自动售货机、生活用品自动售货机、烟、方便面自动售货机等多种。主要的设置场所包括学校、楼房、公共机关、地铁等，公共汽车站、公园、体育场、展示场、工厂等。运营自动售货机产业的公司在全国大约有800余个，而销售自动售货机原料、商品流通、机械销售的公司大约达到了1150个。

1.1.2自动售货机的功能分析

在进行上、下位机程序编写之前，首先要做的工作是确定自动售货机本身所具备的功能及在进行某种操作后所具有的状态。

在实际生活中，我们见到的售货机可以销售一些简单的日用品，如饮料、常用药品和小的生活保健用品等。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，并作出相应的反应。举一个简单的例子来说明，例如：售货机中有8中商品，其中01号商品（代表第一种商品）价格为1.50元，02商品为2.50元，其余类推。现投入1个1元硬币，当投入的货币超过01商品的价格时，01商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，其他商品同比。当按下选择01商品的价格时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去01商品的价格同时启动相应的电机，提取01号商品到出货口。此时售货机继续进行等待外部命令，如继续交易，则同上，如果此时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，售货机一次交易要涉及加法运算、减法运算以及在退币时的除法运算，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。自动售货机的工作流程图如图1所示。

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图1 自动售货机工作流程图

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第二章 PLC概述

2.1 PLC组成 2.1.1 PLC的输入

通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。由于当时主要集中在开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入PLC并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题：有源接入，无源接入，绝缘问题，隔离问题和互相干扰问题。PLC就是一个计算机控制系统，在其发展过程，人们曾将计算机直接用于工业控制，但是由于以下两大问题没有解决好而难以发展：一是I/O（输入/输出）问题，计算机不能直接和工业现场设备连接现在了应用；二是计算机的I/O功能，开关逻辑处理不够丰富和强大。现在的PLC成功的解决了这两个方面的问题，可以让PLC和外部设备直接进行物理的连接。计算机的内部提供了丰富的从位逻辑到双字运算的强大的运算功能，使其能够完成复杂的控制功能，这也是PLC能够迅速发展的原因。

2.1.2 PLC的输出

输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。输出动作次数的限制，是保证PLC的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行元器件的问题至少要能直接驱动中间继电器。现在的PLC产品已经完全有能力驱动这些元器件,并提供了多种输出方式且动作次数可保证万次无故障

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的产品。

2.1.3 PLC的控制机制

PLC已经完全取代继电器控制系统。只要对其控制机制有了准确的理解，才能对其持续的开发并创造性的使用它。I/O电路已经保证了PLC与现场设备的直接连接，并在内部寄存器存储了这些状态。但是，为了取代继电器的控制，更重要的是如何组织和使用这些开关量，从而达到软件程序代替硬件连线的目的。在这里通过对继电器的控制的电路的特点的介绍，已经知道继电器控制电路的特点在于各个控制单元是否动作是由其接点条件控制的，并不受其前后位置的影响。同一时刻，可有多个不同的控制单元继电器的动作（翻转），控制的结果、逻辑动作顺序也是由接点条件来控制的。这于计算机顺序执行的工作的特点是矛盾的。主要体现在：一是乱序，只要条件满足就执行；而另一个是顺序执行。PLC充分利用了计算机存储程序的思想和高速的特点，采用了控制系统中的离散控制方式，使它的控制能够完全代替继电器的控制。具体的说就是将连续的控制用离散的控制代替，如下式：

Y(n)=f(x(n-1),y(n-1)) 式中，Y（n）为某一时间段的输出值； Y（n-1）为上一时间段的输出值；

X（n-1）为上一时间段某一时刻的输入值； F为他们应满足的控制关系。

即某一时间段的输出完全取决于上一时间某一时刻的输入和上一时间段的输出。

至于上一时间段的输出，在参加计算的时候，只是存储在映像寄存器中的输出结果，执行运算过程中并不修改端子的输出值。真实的输出已表现在端子的接点上，并要保持一个时间段，也就是采取集中输出的方式，在计算的过程中完全可以使用或修改其

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映像寄存器中的值而不会对先阶段的输出产生影响。这样只要时间段足够短，并且PLC周而复始的运行着就完全可以模仿继电器的控制并且取代它。

由于采用集中I/O的思想，其I/O状态存储在寄存器中，可以充分发挥计算机的强大逻辑家能力，以完成更复杂的控制功能。 如图1所示，PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行I/O变换，并将这个变换物理实现，应用与工业现场。

（1）输入寄存器

输入寄存器可按为进行寻址，每一为对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由相互如开关量驱动，并保持一个扫描周期。CUP可以读其值，但是不可以写或进行修改。

（2）输出寄存器

输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值，而程序循环执行开始时的输出寄存器的值，表明的是上一时间段的真实输出值，在程序执行过程中，CPU可以读其值，并作为条件参加控制，还可以修改其值，而中间的变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。

（3）存储器

存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能修改，PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。

（4）CUP单元

CUP单元控制着I/O寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中的程序的解释执行工作，是PLC的大脑。

（5）其他单元接口

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其他单元接口用语提供PLC与其他设备和模块进行连接通信的物理条件

系统存储器．．．．．．．．．．．用户存储器CUP．．．．．．．．．．．．路电入输输入寄存器输出寄存器输出电路输入量其他接口电路

图1 PLC的组成

2.1.4 PLC的定义

最初，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向拥护的指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。 2.1.5 PLC的特点

（1）可靠性高。在I/O环节，PLC采用了光电隔离、滤波等多种措施。系统程序和大部分的用户程序都采用EPROM存储，

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一般PLC的平均无故障工作时间可达几万小时以上。

（2）控制功能强。PLC采用的CUP一般是具有较强位处理功能的为处理机，为了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能，可以采用双CPU的运行方式，使其功能得到极大的增强。

（3）编程方便易学。第一编程语言（梯形图）是一种图形编程语言，与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员学习。

（4）使用于恶劣的工作环境。采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。

（5）与外部设备连接方便。采用统一接线方式的可坼装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电器规格。

（6）体积小、重量轻、功耗底。 （7）性价比高。

（8）模块化结构，扩展能力强。根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。

（9）维修方便，功能更灵活。程序的修改就以意味着功能的修改，因此功能的改变非常灵活。 2.1.6 PLC的性能指标 （1）存储容量

这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB~~2MB。

（2）I/O点数

I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。它是衡量PLC性能的重要指标之一。

（3）扫描速度

扫面速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的吻合程度。从自动控制的观

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点来看，决定了系统的实时性和稳定性。

（4）指令的多少

她是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。

（5）内部寄存器的配置和容量

它直接对用户编制程序提供支持，对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。

（6）扩展能力

扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。

（7）特殊功能单元

特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。 2.1.7 PLC的分类

不同的分类标准会造成不同的分类结果，PLC常用的分类方式有如下两种。

按其I/O点数一般分为微型（32点以下）、小型（128点以下）、中型（1024点以下）、大型（2048点以下）、超大型（从2048点以上可达8192点以上）5种。

按结构可分为箱体式、模块式和平板式3种。

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第三章 PLC工作原理

3．1PLC工作方式

3.1.1 循环扫描

CUP连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。CUP的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CUP自诊断测试及写输出等等内容。

PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。他意识周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分的内容。典型的PLC在一个周期中可以完成以下5个扫描过程。

（1）自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠行，及时放映所出现的故障，PLC都具有自监视功能。

（2）与网络进行通讯的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通讯扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。

（3）用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一个扫描周期内都包含该扫描过程。该过程在机器运行中是否执行是可控的，即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短会影响过程所用的时间。

（4）读输入、写输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一个扫描周期都包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。CUP在处理用户程序时，使用的输入值不是直接

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图4-7

（4） 退币过程

因为选择商品和退币是相互制约的，顾将这两个放在一起进行讨论。

顾客一旦选择了商品，就要用余额减去商品相应的价格，得出最新的余额，而且选择按钮必须是点动的，一次只有一次脉冲，保证SUB指令不会一直减下去。而且不同商品的选择按钮是相互制约着减法指令的。减法运算后的结果任放在D0中。

由于七段译码器始终是显示的是数据寄存器D0中的数据，所以就满足了余额显示的要求，如图4-8。

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图4-8

退币的过程我们用到了除法运算，除法指令DIV将余额D0除以10，得到的商放在D1中，余数放在D2中。然后将D1和D2分别赋值给计时器T3和T4，再用一个周期为0.1秒的时钟脉冲控制退币个数。具体梯形图如图4-9：

图4-9

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结论

毕业论文是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的自动售货机系统设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。

虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。

在设计过程中投币的设计让我很头痛，原因是由于系统设计本身按键的抖动和扫描时间的框定，而又必须考虑本专业的一些要求规范，从而形成了一些矛盾点，这些矛盾在处理上让人很难斟酌，正是基于这种考虑我意识到，想要更为完美的设计，我花了大量时间在上面。

顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。比如我的设计还有很多的不足之处，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国的四化服务。

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结束语

经过几个月的学习、研究以及经过宋老师的指导，终于按时完成了毕业设计。设计主要研究的是自动售货机中有关于PLC的部分。自动售货机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。自动售货机可以充分补充人力资源的不足，适应消费环境和消费模式的变化，24小时无人售货的系统可以更省力，运营时需要的资本少、面积小，有吸引人们购买好奇心的自身性能，可以很好地解决人工费用上升的问题等各项优点。所以说，自动售货机是今后小商品和饮料销售方式的一个很好的发展趋势。它的出现将极大的方便人们购买所需要的小商品。

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参考文献

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10 汪晓光，孙晓瑛，王艳丹编. 可编程序控制器原理及应用,清华大学出版社，

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/h7lg.html