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實實務務專專題題報報告告書書
PPLLCC 與與人人機機介介面面應應用用
指 導 老 師 : 呂奇璜
專題製作學生 : 四技電四乙 李宇凱 BD100084
四技電四乙 張竣維 BD100085
中華民國 一百零三 年 十二 月 十七 日
修 平 科 技 大 學 電 機 工 程 系
DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING HSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
摘要
本專題以 PLC 透過寫程式還有人機的操作來當作汽車冷氣空調
的控制器單元,PLC 現在已經取代了太多的東西,不管是在工業、娛
樂方面都可以看到 PLC 的存在。
現今的程式控制器只需要輸入、輸出等部份接線以及主迴路仍需
配線外,其他接線及一些傳統的控制元件,都可以利用程式設計來取
代,而且程式控制具有資料暫存器的元件可以使用,所延伸出來的控
制功能更為的廣泛,想要更改控制方式時,也只需要重新撰寫新的程
式,不用再變更配線,運用上更為便利。
關鍵字詞: 電腦科學、人工智慧、認知心理學
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目錄 中文摘要 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2
目錄 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3
第一章 緒論
1 - 1 研究動機 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5
第二章 PLC 介紹
2 - 1 P L C 型號 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6
2 - 2 P L C 規格 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 7
2 - 3 可程式控制器的定義 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 8
2 - 4 P L C 之發展近況 - 軟體介面 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9
2 - 5 P L C 組成要件 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 0
2 - 6 P L C 運作原理 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 1
2 - 7 I / O模組架構 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 2
2 - 8 P L C的應用範圍 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 3
第三章 人機介紹
3 - 1 人機應用 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 4
3 - 2 人機型號 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 5
3
3 - 3 人機規格 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 6
3 - 4 各部位介紹 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 7
3 - 5 人機介面與互動式設計關切事項 - - - - - - - - - - - - - - - - 1 8
3 - 6 如何設計一個人機介面 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 9
3 - 7 人機介面設計的基本流程 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 3
第四章 製作過程
4 - 1 軟體程式 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 25
4 - 2 P L C 與電腦連接 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 7
4 - 3 步進階梯圖程式 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 8
4 - 4 程式寫入後的開關 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 1
4 - 5 程式屬性表 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 33
4 - 6 固定人機 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 35
4 - 7 冷氣空調成品 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 7
第五章 結論
5 - 1 專題製作行程簡略圖 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3 8
5 -2 結論 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -39
4
第一章 緒論
1-1 研究動機
在與指導老師討論後,決定融入自動控制器與 PLC 程式設計的
課程,將其所學應用到專題之中。早期的控制多是以人工操作開關,
才可啟動或停止負載,而且在不同需求下要使用不同的開關,硬體配
置極為不便,之後便衍生出 PLC 來取代傳統控制。
5
第二章 PLC 介紹
2-1 PLC 型號
6
2-2 PLC 規格
7
2-3 可程式控制器的定義
1.可程式邏輯控制器(Programmable logic controllers)可稱為可程式控制
器(Programmable controllers)或PLCs.
2.PLC硬體設計主要是利用積體電路替代電機機械設備達成程序控制
功能.
3.PLC具備如順序、定時、計數、運算、資料處理及通訊等操作能力
來完成工業機械或流程控制。
圖 3-1 PLC 應用概念架構
8
2-4 PLC 之發展近況-軟體介面
1. 整合物件導向程式工具與支援IEC 1131-3標準PLC程式設計語法.
2. 為使小型PLC能被廣泛使用,小型PLC也提供強大的指令集供使用
者使用.
3. 為使PLC與周邊硬體的通訊及資料處理能更具靈活性,某些PLC亦
提供如C、Basic等高階語言功能.
4. 使用簡單的階梯指令集實現高階功能區塊,以增強軟體程式的功
能性.
5. 提供系統機械或程序的錯誤偵測與診斷功能.
6. 提供浮點運算功能使控制程式能執行複雜的資料量測或統計計算.
7. 複雜的控制與資料擷取應用包括大量資料的儲存、追蹤與接收,
皆可藉由資料處理與操作指令來改善及簡化.
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2-5 PLC 組成要件
PLC主要的構成單元:1. CPU模組
2. 電源模組
3. I/O模組 Digital I/O Analog I/O
4. 通訊模組 TCP/IP RS232/485 Optical Fiber
5. 特殊模組
圖3-2 PLC組成架構
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2-6 PLC 運作原理
1. CPU模組:管理PLC所有的運作程序.
2. I/O模組:與周邊控制設備連結(極限開關、壓力傳送器、感應器、
開關鈕…).
3. 電源模組:提供PLC或I/O模組不同的電源.
4. 通訊模組:提供PLC與周邊控制設備之間資料或指令溝通.
圖3-3CPU運作流程
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2-7 I/O模組架構
圖3-4 I/O 模組介面
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2-8 PLC的應用範圍
圖3-5 PLC的應用範圍
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第三章 人機介面介紹
3-1 人機應用與介紹
人機介面又稱為人機互動,是一個涵蓋多重科技領域,包括人因工
程、人體工學、電腦科學、人工智慧、認知心理學、哲學、社會學、
人類學、設計學與工程學等學門,其中認知心理學的重要性可能比電
腦科學重要,但是目前研究人機介面的模式常反其道而行,造成許多
有用的程式或是科技在「不好用」的呼聲中被埋沒。
人機介面最簡單的定義是,在人員與機器之間,透過某種介
面,人能夠對機器下達指令,機器則能夠透過此介面,將執行狀況與
系統狀況回報給使用者,換言之,正確的在人機之間傳達訊息以及指
令,就是人機介面的主要定義。
人機介面與互動式系統是一個具挑戰性的而且迷人的工作領
域,不只是設計一個系統或一件產品,設計師其實是為人類生活福祉
努力。人機介面與互動式系統的應用廣泛,遍及人類生活與商業活動
的各個層面,小至生活物品的控制面板,到資訊用具、商用電腦系統、
網站,甚至大到整個資訊空間的設計,都是人機介面與互動式系統設
計師的工作範圍。
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3-2 人機型號
型號: DOP-B05S111
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3-3 人機規格
16
3-4 各部位介紹
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3-5 人機介面與互動式系統設計關切事項
人機介面與互動式系統的設計包含範圍很廣的活動事項。有時候
設計團隊須同時設計硬體與軟體,並把它們適當的結合在一起,變成
一個有用的產品,有時候,我們可以稱這種設計為”產品設計”。有
時候設計團隊只負責開發一套應用程式系統或一個應用功能項目,這
時候我們可以稱這種設計為”系統設計”或”服務設計”。不論哪種
情況,一個設計團隊或設計師進行人機介面與互動式系統的設計時,
都必須考慮以下相關事項:
* 設計-----設計是什麼和需要如何進行?
* 科技-----互動式系統、系統、產品、設備、元件等
*人-----使用者及他們是否使用我們設計的系統或的更好的生活
*行為與情境場合-----使用者會面臨怎樣的情境場合及使用者的反應
與行為
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3-6 如何設計一個人機介面
完整良好的人機介面設計需要心理學家、教育學家、電腦介面設
計師、電腦系統分析師、電腦軟體工程師、美工設計師、動畫及媒體
設計師、以及各種目標層次的使用者來共同參與才能夠完成,這是一
件包括認知心理學、學習理論、多種媒體呈現、人性因素、電腦系統
設計、電腦介面設計、軟體工程、美工、電腦系統測試等等各種技術
的工作,一般較小型的電腦系統通常會因為成本的因素而在許多方面
採取較為經濟的方法來製作,例如套用某些已經設計完成的學習模
式,或是使用一些固定標準化的介面元件,或是簡化媒體的呈現...
等等,初次使用系統的操作者,是不應該省略這些部份:
設計隱喻
所謂設計隱喻就是用已知的事物來暗指所要操作的電腦系統中
的步驟以及參予操作的所有抽象或是實體的元件。這是希望運用熟悉
的事物來學習未知的事物,希望藉由所謂的學習轉移的過程來加速使
用者建立正確心智模型的學習過程,降低過程中新的觀念以及方法的
衝擊。
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人的潛力非常的大,但是沒有適當的啟發的狀況下,人的慣性是
常常是佔上風的,喜歡求新求變通常是少數人學習的習性,這種人我
們稱他的學習習慣是場景獨立型,比較喜歡嘗試新的方法,新的事
物,能夠接受嘗試錯誤的考驗,能夠由此過程中學習到正確的方法,
喜歡主動獨立地進行思考與學習;但是另外一大部分人的學習模式我
們稱為場景依賴型的學習習慣,這種學習模式比較喜歡團體合作的學
習,喜歡明確的引導,我們在設計隱喻時其實就是希望能夠給予生手
一些經驗轉移的引導,希望初學者能夠維持其基本的使用信心。
邏輯上供給性的思量
一套電腦系統及其界面最主要的功能是要輔助使用者來完成某
些使用者定義好的工作,說實在的,使用者應該已經完全地了解到這
個工作的目的、特性、要完成這項工作所需要的資源、所需要的程序、
如果說還有什麼是不知道的話,那麼使用者他就沒有辦法自己獨立完
成他的工作了,那他應該要學習一些他所不知道的事情。可是如果上
面所提到的他都清楚的話,那麼使用電腦這個輔助工具不應該對他造
成困難,應該只要運用他所知道的東西再加上適當的推理就足夠了,
不需要再度學習才對。
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這樣子的推論,就是希望將一個電腦系統界面的使用推回到他所
需要完成的工作上,所有使用者需要的操作,在沒有電腦的情況下一
定都會出現,在有電腦系統輔助的情形下也應該都有適當的對應,不
應該有一些額外不相干或是需要很多電腦知識才能夠操作的東西出
現,這些都是會使得界面不容易學習,不容易上手的。
所謂的供給性就是說介面中任何一個物件所具備的屬性本身要
可以決定它的使用方法。使用者只需看到這個介面物件在原始應用中
所扮演的角色,就可以自然而然地想到應該如何來使用它,這樣子使
用者就可以在不需要說明的狀況下自然地去使用這個介面來完成使
用者的工作了。
當然一個介面要能夠具有良好供給性,介面必須要能夠清楚地顯
示所有使用者操作所引發的動作,同時所有的系統反應應該都要符合
在適當的應用環境下基本的邏輯推理。
具備直接操作性
直接操作性和圖形化介面的設計幾乎已經合為一體,如果你的系
統沒有圖形化介面的話,使用者就沒法子直接操作你的系統或是你系
統所處理的資料,使用者因此會覺得電腦系統在做一些抽象不清楚的
事,因而會有不信任及焦慮的感覺,因此在設計介面的時候你必須將
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所處理的物件、處理的工具、以及處理的程序都想辦法具象化,讓它
們都有一個實體的代表,並利用圖形介面的設計,替每一個物件製作
一個圖示,讓使用者可以直接操作 (在視窗介面中這最主要是指運用
滑鼠進行點、按、選、及拖放等動作),當然這個具象化的動作和前
面尋找隱喻的步驟是息息相關的,通常介面設計者對於某一個特殊使
用群設計出一個輔助學習的隱喻後,也就一併決定了具象化的方向。
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3-7 人機介面設計的基本流程
了解使用者本身以及他們使用之目的
我們在設計一個軟體系統的時候,第一件事就是要把這個軟體
的使用者刻劃出來,沒有一樣產品是真正老少咸宜的,就說電視這個
產品好了,應該是大部分人都可以使用的東西了吧,可是嬰兒幼兒在
使用時也有它的限制,視力不佳的人在使用時也有它的限制,除此之
外,就是因為它設計時的野心太大,希望能一網打盡全人類,所以它
的功能有缺失,比方說電視機不能夠清楚地顯示電腦螢幕上所看到的
畫面,電視機不能當作影像電話的終端,電視機不能自動去找我喜歡
的節目,電視機很少有包括錄放影機或是雷射影碟機的,電視機不
能 ...,太多了,因為它的對象太廣,所以只能提供最基本的功能,
東西就這樣了,要買就買,不買拉倒...
設定可用性的目標
就像我們在一開始的時候所說到的,電腦軟體有各種不同的用
途,他們需要的使用者界面都是不一樣的,不可一概而論,因此我們
在了解使用者的使用目的以後,我們必須要想辦法來達成他們的目
的,設定適當的可用性目標,這些可用性目標的最終目的當然是讓軟
體可被順利地使用,前面我們在談到可用性目標的時候,我們談到了
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很多甚至有一點衝突的目標,比方說 "操作簡單" 和 "直接操弄" 就
有一點衝突,最簡單的操作就是使用者不太需要干預,可是又可以達
到使用者想要的功能,直接操作則又要求每一個物件使用者都可以操
作得到,如果每一個物件使用者都要處理的話,那操作起來就不簡單
了,不是嗎?還好,因為使用者的目的不一樣,軟體的屬性也就不一
樣,使用者界面的可用性的定義當然也就不一樣,所以在了解系統功
能的定位以後,在這一步驟裡就是要訂出到底要具有哪些特性來吸引
使用者使用。
分析與設計
在設計人機界面時,我們要能夠根據使用者的目的來找出使用
者可能的操作互動方式,把所有可能的操作一項一項地列舉出來,分
析這些操作是不是能夠達到使用者所希望達到的工作目的,是不是能
夠達到我們在上一個階段設立的可用性指標。
有時短短的一個概念,比方說在文書處理軟體中想要更改幾個字的顏
色時,需要的操作步驟就有好幾個,需要先將文字選擇起來,然後由
選單或是工具列上打開色盤,選擇或是調出所要的顏色,再按確定按
鈕。這些動作都要用適當的表列工具將可能的操作與系統可能的反應
列出來,仔細地分析看看會不會有衝突或是模稜兩可的狀況。
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第四章 製作過程
4-1 軟體程式
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26
4-2 PLC 與電腦連接
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4-3 步進階梯圖程式
階梯圖為二次世界大戰期間所發展出來之自動控制圖形語言,是
歷史最久、使用最廣之自動控制語言,最初只有 A(常開)接點、B
(常閉)接點、輸出線圈、計時器、計數器等基本機構裝置(今日仍
在使用之配電盤即是),直到可程式控制器 PLC 出現後,階梯圖之
中可表示的裝置,除上述外,另增加了諸如微分接點、保持線圈等裝
置以及傳統配電盤無法達成之應用指令,如:加、減、乘及除等數值
運算功能。
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29
30
4-4 程式寫入後的開關
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32
4-5 程式屬性表
33
34
4-6 固定人機
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4-7 冷氣空調成品
36
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第五章 結論
5-1 專題製作行程簡略圖
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5-2 結論
(1)隨著科技的進步,PLC 的功能越來越強,而價格也越來越便宜,
現今只要花費數千元就可以買到內含眾多繼電器、計時器、計數
器及其他功能的 PLC。
(2)執行速度快,繼電器執行累計的時間可觀,而 PLC 程式執行各
操作指令往往只要數微秒就夠了。
(3)可靠度高、維修容易,PLC 是由電子電路所組成,其可靠度相
較於機械系統及繼電器為高,而起維修成本低。
(4)容易修改程式,PLC 可經由程式書寫器輕易的改變其內部之任
何設定。
(5)安全性高,為了防止程式或電路流入他人之手,可以利用 PLC
系統中的密碼及辨識碼來管制人員的使用狀況,故其安全性高。
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DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
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