自動飲料販賣機(jī)的控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)
自動飲料販賣機(jī)的控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì),自動,飲料,販賣,控制系統(tǒng),仿真,設(shè)計(jì)
哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
本科生畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文
自動飲料販賣機(jī)的控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)
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摘 要
隨著現(xiàn)代社會科技和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)邁進(jìn)了一個高科技時代，同時人們也逐漸的學(xué)會享受生活，為了滿足人們的生活追求，自動售貨機(jī)開始迅速的普及。作為自動控制技術(shù)發(fā)展產(chǎn)物之一的PLC無人自動售貨機(jī)，在人們的日常生活中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，已成為一種全新的商業(yè)零售形式。同時經(jīng)濟(jì)的快速增長使的人們的消費(fèi)水平不斷提高，大量的消費(fèi)品被生產(chǎn)出來，這需要大量的物品流通渠道來消費(fèi)這些生產(chǎn)出來的消費(fèi)品，在以前主要是通過超級市場來銷售，但現(xiàn)在自動售貨機(jī)使人們多了一種選擇。它的出現(xiàn)使消費(fèi)模式和銷售環(huán)境發(fā)生了巨大的變化，相對于超級市場、百貨購物中心等銷售模式而言，無人自動售貨機(jī)沒有場地上的局限，而且購物便利。
本文簡要介紹了課題研究的意義，自動售貨機(jī)在國內(nèi)外的研究動態(tài)，主要設(shè)計(jì)的是基于西門子S7-200 系列PLC構(gòu)成的自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)，包括自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，軟件的設(shè)計(jì)，I/O分配，系統(tǒng)控制流程圖，PLC梯形圖程序的編寫和系統(tǒng)梯形圖的調(diào)試仿真。
關(guān)鍵詞： PLC； 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)； 梯形圖； 調(diào)試
ABSTRACT
With the development of the modern technology and society's rapid economic, people have entered an era of high technology, but it also gradually learn to enjoy life, to pursue in order to meet people's lives, vending machines began to spread rapidly. Automatic control technology development as one of the products of the PLC unattended vending machines, in people's daily life has been widely used, has become a new form of commercial retail. While rapid economic growth has enabled the continuous improvement of people's consumption level, a large number of consumer goods were produced, which requires a large number of items to consume these distribution channels produced consumer goods, in the past mainly through supermarkets to sell, but now vending freighter make people more of a choice. It appears that consumption patterns and sales environment has undergone tremendous change, as opposed to supermarkets, department stores, shopping centers, sales model, nobody no vending machines on site limitations and shopping convenience.
This article briefly describes the significance of the research, the research of the vending machine at home and abroad, the main design is design a vending machines control system consisting of PLC based on Siemens S7-200 series, including vending machine control system hardware design, software design , I / O assignment, the flow of the system control, write the PLC ladder program and the debug simulation of the system ladder.
Keywords: PLC; vending machine control system; ladder; debugging
目 錄
摘 要 III
ABSTRACT IV
緒論 6
1.1 課題研究的意義 6
1.2 國內(nèi)外研究動態(tài) 6
2． 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 8
2.1 自動售貨機(jī)的工作原理 8
2.2 自動售貨機(jī)設(shè)計(jì)的基本思路 8
2.3 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 8
2.3.1 主要內(nèi)容 8
2.3.2 擬解決的關(guān)鍵性問題 8
2.4 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟 9
3． 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 10
3.1 自動售貨機(jī)的控制要求分析 10
3.2 PLC型號的選擇 10
3.2.1 PLC的概念 10
3.2.2 PLC的工作原理 14
3.2.3 PLC的循環(huán)掃描 15
3.2.4 PLC的硬件組成 15
4． 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 16
4.1 PLC軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法 16
4.2 I/O口的分配 16
4. 3 自動售貨機(jī)控制流程圖設(shè)計(jì) 17
4.4 自動售貨機(jī)控制梯形圖程序的設(shè)計(jì) 17
4.4.1 計(jì)幣部分設(shè)計(jì) 17
4.4.2 比較部分設(shè)計(jì) 18
4.4.3 選擇部分設(shè)計(jì) 19
4.4.4 余額計(jì)算部分設(shè)計(jì) 19
5． 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試 28
5.1 系統(tǒng)的仿真調(diào)試 28
5.2 系統(tǒng)調(diào)試的方法 28
5.3系統(tǒng)仿真運(yùn)行分析 29
結(jié)論 30
致 謝 31
參考文獻(xiàn) 32
緒論
1.1 課題研究的意義
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的進(jìn)步,商業(yè)機(jī)械逐漸的變的越來越自動化, 其中被廣泛運(yùn)用的是自動售貨機(jī)，它是自動化商業(yè)機(jī)械被廣泛用于公共場所的代表。通過自動售貨機(jī)人們可以買到很多的商品，像飲料、食品、香煙、報紙等。自動售貨機(jī)憑借和消費(fèi)者 “一對一”的無店鋪?zhàn)詣邮圬涗N售模式，成為在現(xiàn)有市場銷售模式下消費(fèi)者的又一種選擇，自動售貨機(jī)讓商品的需求化和多樣化得以發(fā)展和實(shí)現(xiàn)。方便和快捷使越來越多的人喜歡上了這種購物，這既是現(xiàn)代化城市配套設(shè)施中所需求的，也方便了人們的生活。
自動售貨機(jī)憑借著其別致、文明、高級、靈敏便利等特色受到了很多人的喜歡。自動售貨機(jī)可以依據(jù)消費(fèi)者所投入的貨幣數(shù)值進(jìn)行判斷和運(yùn)算，判別消費(fèi)者是不是可以采辦某種商品，而且做出相對應(yīng)的反映。因而，售貨機(jī)除了可以辨識售貨機(jī)里邊一切的商品外，還要可以對消費(fèi)者所投入的貨幣進(jìn)行判別和累計(jì)， 并能夠根據(jù)消費(fèi)者的選擇提供所要購買的商品。售貨機(jī)能夠根據(jù)所投入的幣值，通過消費(fèi)者按下商品的選擇按鈕, 帶動電機(jī)工作，將商品傳送到出貨口, 以便顧客取出商品, 完成此次交易。它的售貨功能是通過識幣系統(tǒng)、貨物和貨幣的傳送系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。
所以本課題來設(shè)計(jì)解決自動售貨機(jī)的控制系統(tǒng)，采用可編程控制器, 用來在其內(nèi)部存貯實(shí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令, 并通過數(shù)字和模擬的輸入和輸出, 來控制整個系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)完整的售貨功能。
1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)
在中國，自動售貨機(jī)將變成一個潛力無窮的產(chǎn)業(yè)，從自動售貨機(jī)的發(fā)展趨勢來看，它的出現(xiàn)是由于產(chǎn)業(yè)構(gòu)造的轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的。隨著生產(chǎn)和消費(fèi)的逐漸增多以及消費(fèi)模式和銷售環(huán)境的逐漸變化，新的商品流通渠道需要出現(xiàn)以來適應(yīng)市場的要求；相對于現(xiàn)在市場上其它的商品銷售模式人工費(fèi)用的上升，受場地的限制和購物的不方便等，無人自動售貨機(jī)作為一種適應(yīng)市場的機(jī)器便應(yīng)運(yùn)而生了。它的其前景十分廣闊，相信在不久得將來它會在商品的銷售行業(yè)又一次掀起革命。
自動售貨機(jī)出售的商品可以先根據(jù)其擺放的場所然后進(jìn)行選擇，這里面包括飲料、零食、以及特色商品等。通過這種智能的售貨系統(tǒng)，客戶和管理人員可以準(zhǔn)確的得到商品的存貨和銷售等信息。此外，還支持多種交易支付模式，同時方便實(shí)現(xiàn)較大金額的支付和交易結(jié)算。
新型的自動售貨機(jī)不僅更方便貨品的銷售，而且還是廣告使用非常普遍的一種媒介。自動售貨機(jī)在國外的發(fā)展相對來說比較成熟。在日本的自動售貨業(yè)已經(jīng)有超過2000種機(jī)型、可以售賣超過6000種商品，無處不在，而且24小時供應(yīng)，因此非常受人們的歡迎。在美國，運(yùn)營商就超過10000家，并且具有與大飲料商、大食品商的合作經(jīng)驗(yàn)。
自動售貨機(jī)在全球一切關(guān)聯(lián)的范疇研討中，研討的關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下幾個方面：1．怎么完成系統(tǒng)內(nèi)部的出售動作；2．怎么完成出售信息的計(jì)算與資金結(jié)算的辦理；3．怎么削減功耗。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，怎么完成系統(tǒng)內(nèi)部的出售動作的研討現(xiàn)已基本上老練，如今最多的研討主要是在怎么完成出售信息的統(tǒng)計(jì)與資金結(jié)算的辦理和怎么削減功耗。
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2． 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案
2.1 自動售貨機(jī)的工作原理
自動售貨機(jī)的工作原理是：1、從投幣口送入貨幣，然后經(jīng)過傳感器采集數(shù)據(jù)、識別器判別貨幣的面值。2、識別器把信息數(shù)據(jù)傳給通信模塊。3、通信模塊與售貨機(jī)的主控系統(tǒng)通信，主控系統(tǒng)顯示面值,啟動售貨機(jī)的面板鍵，顯示出哪個貨道有貨，哪個貨道已售完，并等待顧客按鍵選擇商品。4、顧客選擇商品后，售貨機(jī)自動把商品送出，等待顧客取走。5、如果余額足夠多，顧客可以選擇退幣或繼續(xù)買商品；如果余額不足，顧客可以選擇退幣或繼續(xù)投幣購買商品。退幣可以分為兩種情況：一種是由紙幣識別器完成退紙幣，另一種是由硬幣的通信模塊完成退硬幣。6、系統(tǒng)復(fù)零，完成售貨。
2.2 自動售貨機(jī)設(shè)計(jì)的基本思路
本設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一個便利、方便的具有自動區(qū)分貨品的功用，并且能對所投的錢幣幣值進(jìn)行累計(jì)，根據(jù)幣值選擇商品的自動售貨機(jī)。而且商品交易完成后會顯示余額并可以隨時退幣；當(dāng)自動售貨機(jī)遭受到外界因素破壞時報警指示燈會閃爍報警。
2.3 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容
2.3.1 主要內(nèi)容
1．課題設(shè)計(jì)要求
1）分析了解自動售貨機(jī)的工作原理
2）完成對應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)
3）完成自動售貨機(jī)的PLC控制
2．課題內(nèi)容
1）根據(jù)題意設(shè)計(jì)顯示電路，并按圖連接
2）畫PLC I/O接口連線圖
3）編制梯形圖及指令語句表
4）完成系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)控制要求
該設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。
其中，硬件設(shè)計(jì)包括：1.控制要求分析；2.PLC類型的選擇；3.I/O點(diǎn)統(tǒng)計(jì)；4. 感應(yīng)器的選擇；5. 傳送機(jī)構(gòu)的選擇設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)包括： 1. I/O口的分配；2. 自動售貨機(jī)控制流程圖設(shè)計(jì)；3. 梯形圖程序設(shè)計(jì)；4. 對編好的梯形圖程序進(jìn)行調(diào)試和仿真運(yùn)行。
2.3.2 擬解決的關(guān)鍵性問題
1）設(shè)計(jì)基于PLC的控制系統(tǒng)方案；
2）編寫PLC程序；
3）利用PLC實(shí)現(xiàn)工作系統(tǒng)的控制。
本次設(shè)計(jì)的題目是自動售貨機(jī)，主要是應(yīng)用西門子S7-200型PLC的梯形圖來設(shè)計(jì)控制程序，并簡單介紹相關(guān)的知識，如：PLC的定義、PLC的編程語言、PLC的硬件組成等。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和控制要求畫出順序功能圖和梯形圖，再根據(jù)PLC的相關(guān)知識設(shè)計(jì)出它的外部接線圖，結(jié)合梯形圖和外部接線圖分析說明該設(shè)計(jì)的控制原理過程。
本次設(shè)計(jì)的重要部分是第三部分的設(shè)計(jì)部分，即自動售貨機(jī)梯形圖的設(shè)計(jì)。首先就得根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和控制要求準(zhǔn)確畫出它的順序功能圖，再根據(jù)所畫出的順序功能圖準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出它的梯形圖，再對已經(jīng)編好的梯形圖程序進(jìn)行仿真調(diào)試，這樣才能真正理解本次自動售貨機(jī)的控制原理。
2.4 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟
（1）深入了解和分析自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)的要求。
（2）根據(jù)自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)的要求確定所需要的輸入、輸出設(shè)備，據(jù)此確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。
（3）根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)，選擇合適的PLC類型。
（4）分配PLC的I/O點(diǎn)，畫出I/O連接圖。
（5）根據(jù)自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)的要求，進(jìn)行自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)的梯形圖程序的設(shè)計(jì)。
（6）對編制好的梯形圖程序進(jìn)行調(diào)試，將編制好的程序輸入調(diào)試軟件當(dāng)中，查找錯誤，使設(shè)計(jì)的梯形圖程序更加的完善。
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3． 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)
3.1 自動售貨機(jī)的控制要求分析
由于對本次自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有給出特定的要求，所以在設(shè)計(jì)的時候給出一些特定的假設(shè)。
假設(shè)本設(shè)計(jì)中自動售貨機(jī)控制過程如下所述：
1. 自動售貨機(jī)出售一元、二元、三元三種商品。
2. A、B兩種商品價格分別為1元、2元、3元。
3. 自動售貨機(jī)可識別5角、1元硬幣。
4. 當(dāng)投入的錢幣總值等于或超過相應(yīng)的商品價值時、對應(yīng)的商品指示燈亮。
5. 當(dāng)顧客投入錢幣在1分鐘內(nèi)不按任何按鈕，自動售貨機(jī)將會自動按照余額退還給顧客。
6. 當(dāng)對應(yīng)的商品指示燈亮?xí)r，按下相應(yīng)的按鈕，相應(yīng)的商品將會排出。
7. 當(dāng)顧客選購?fù)晟唐泛?，自動售貨機(jī)會計(jì)算余額，按下退錢按鈕，自動售貨機(jī)將按照余額退還給顧客。
8. 當(dāng)顧客買完一件商品后8秒無操作，自動售貨機(jī)將會按照余額自動退還給顧客。
9. 如果顧客投入錢幣后又不想買物品，按下退錢按鈕，自動售貨機(jī)將會按照余額自動退還給顧客。
10.自動售貨機(jī)在遭受到外力破壞時，自動售貨機(jī)報警指示燈閃爍。
3.2 PLC型號的選擇
3.2.1 PLC的概念
1969世界第一臺PLC在美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司誕生。1975-1976年,德國、日本、美國等將微處理器作為控制器的中央處理單元應(yīng)用到PLC中，并且去掉磁心存儲器改用了集成電路的存儲器，結(jié)合了微型計(jì)算機(jī)的技術(shù)與電控制器技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了可編程控制器的規(guī)模集成化，使得處理器更能適用工業(yè)環(huán)境，更加的可靠，功能也更加強(qiáng)大，更加的靈活，成本卻大大下降，從而使得PLC進(jìn)入了實(shí)用階段。
隨著科技的不斷進(jìn)步，PLC的性能也飛速增強(qiáng)，其應(yīng)用和研究現(xiàn)狀主要在以下方面體現(xiàn):
1.控制規(guī)模的擴(kuò)大，控制大型機(jī)的規(guī)模越變越大，開關(guān)量高的達(dá)到了幾萬。
2.組成模塊的增多，現(xiàn)在PLC己經(jīng)新增了很多模塊，如PDI控制、溫度以及運(yùn)動模塊等等。
3.開放性和互操作性大大發(fā)展，在PLC的發(fā)展過程中，制造商為了壟斷和擴(kuò)大各自市場，都各自發(fā)展自己的標(biāo)準(zhǔn)，開放是發(fā)展的一個趨勢，各廠商都意識到這一點(diǎn)，并形成了長時期的妥協(xié)與競爭，這一過程還將繼續(xù)。
4.工作速度的提高可以對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。
5.聯(lián)網(wǎng)的能力增強(qiáng)，由于通信、信息及控制技術(shù)的大力發(fā)展，聯(lián)網(wǎng)也得到了的發(fā)展，己經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程控制。
正是由于這些性能、使得工業(yè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化、自動化、控制信息化及智能化。現(xiàn)在應(yīng)用在不斷前進(jìn),尤其在運(yùn)動控制、模擬量控制及驅(qū)動控制上廣泛使用，已經(jīng)成為現(xiàn)在系統(tǒng)工作自動化中最有效的工具之一。
我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。PLC的特點(diǎn)如下：
1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)
高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。
2)配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)
PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。
3)體積小，重量輕，能耗低
以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。
PLC的具體應(yīng)用如下：
1)PLC開關(guān)量的邏輯控制
這是PLC開關(guān)量的邏輯控制是基本的控制方法。它可以實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制工藝，順序控制工藝以及其他自動化生產(chǎn)線控制工藝等。PLC的開關(guān)量邏輯控制基本取代了接觸器-繼電器電路，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如注塑機(jī)、訂書機(jī)械、機(jī)床、倉庫生產(chǎn)線、灌裝流水線等。
2)PLC模擬量控制
由于自然界存在許多連續(xù)變化的物理量，比如壓力、溫度、流量、液位等都是模擬量。要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能在程序中進(jìn)行計(jì)算和處理，將處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬量。
3)PLC數(shù)據(jù)處理
可編程控制器具有各種各樣的計(jì)算方法，便于完成實(shí)際數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳送和轉(zhuǎn)換等，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析處理，具有很明顯優(yōu)勢。
4)PLC過程控制
過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使用很頻繁的調(diào)節(jié)方法?？删幊炭刂破骶哂袑Ｓ玫腜ID子程序。
5)PLC通信及聯(lián)網(wǎng)
PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
PLC由三個基本部分組成：外部輸入采樣單元、內(nèi)部邏輯計(jì)算處理單元、處理結(jié)果輸出執(zhí)行單元。可編程控制器的I/O輸入單元包含主令按鈕、限位開關(guān)、檢測器等外部輸入主令接口，
可編程控制器在對外部I/O輸入單元收集的各種邏輯信號和模擬量采樣數(shù)據(jù)，以及主令臺的各種命令等信息進(jìn)行儲存和處理?？删幊炭刂破鞲鶕?jù)所設(shè)計(jì)的程序?qū)@些輸入信號進(jìn)行處理計(jì)算，并將結(jié)果通過輸出單元進(jìn)行輸出。通常下都是輸出給繼電器，繼電器通過動作來控制外面的執(zhí)行單元?？删幊炭刂破骺筛鶕?jù)外部工程需要建立通訊控制，通過通訊可以將某執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和監(jiān)控，并計(jì)算和輸出。如圖2-2所示，可編程控制器的原理框圖。由圖可知，外部輸入變量都有開關(guān)量，模擬量，通訊接口傳送的變量數(shù)據(jù)，以及編程執(zhí)行器等。
CPU
開關(guān)量I/O接口
RAM 、 ROM
模擬量I/O接口
EPROM/E2ROM
通迅接口
編程器
電
源
圖3-1 可編程控制器原理框圖
編程工具一般就是電腦設(shè)計(jì)的編程軟件，我門可以根據(jù)編程軟件對可編程控制器進(jìn)行硬件組態(tài)設(shè)計(jì)，輸入輸出點(diǎn)的分配設(shè)計(jì)，程序編寫設(shè)計(jì)，可以通過在線連接進(jìn)行監(jiān)控，通過監(jiān)控可以調(diào)試程序，并修改程序。當(dāng)可編程控制器啟動運(yùn)行后，我們可以根據(jù)外部動作情況來判斷程序的錯誤和需要完善的地方。這也是現(xiàn)場調(diào)試工程師必須具備的技能?？删幊炭刂破骶幊誊浖际歉髯詮S家自主研發(fā)的，對這些軟件必須學(xué)習(xí)，了解指令含義和編程原則，技巧等。我們在編程時，一般要對系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)可以保證編程的思路清晰，明朗?？傮w設(shè)計(jì)完后進(jìn)行分布設(shè)計(jì)，對各種功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行單獨(dú)編程，有必要的時候?qū)Τ绦蜻M(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，節(jié)省編程空間和時間。分布設(shè)計(jì)完畢后，就進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試階段，在調(diào)試時，首先必須對系統(tǒng)調(diào)試步驟進(jìn)行了解，對系統(tǒng)工藝進(jìn)行了解，以免調(diào)試時出現(xiàn)差錯。
1．簡易編程器
簡易編程器就是很簡單的編程工具，在編程工具上我們可以看到功能輸入鍵，各種指令輸入鍵，各種指令地址數(shù)字輸入鍵，還有顯示屏顯示當(dāng)前編程的具體情況。在編程時首先簡易編程器就可以直接接在可編程控制器的端口上，用專用的通訊電纜與可編程控制器進(jìn)行連接，通過設(shè)置可以對可編程控制器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)調(diào)試工作。在編程時，首先對各種按鍵進(jìn)行熟悉，在編程過程中必須進(jìn)行記錄，以便后面的調(diào)試修改。在編程的時候必須對輸入輸出點(diǎn)的地址分配進(jìn)行詳細(xì)說明，以免編寫程序過程中，思路混亂。在編寫程序結(jié)束后，就要對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試的時候，必須判斷系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)是否準(zhǔn)確，如果不準(zhǔn)確，對相應(yīng)部分進(jìn)行修改。使其準(zhǔn)確。如果修改完畢，程序運(yùn)行正常，就可以將簡易編程器拔下，保存。
2．圖形編程器
常用的圖形編程器是液晶顯示圖形編程器(手持式的)，它有一個大型的點(diǎn)陣式液晶顯示屏。除具有簡易型的功能外，還具有可以直接打入和編輯梯形圖程序，使用起來更方便，直觀。但它的價格較高，操作也較復(fù)雜。也有用CRT作顯示器的臺式圖形編程器，它實(shí)質(zhì)是一臺專用計(jì)算機(jī)，它的功能更強(qiáng)，使用更方便，但價格也十分昂貴。
3．用專用編程軟件在個人計(jì)算機(jī)(PC)上實(shí)現(xiàn)編程功能
隨著PC的日益普及，最新發(fā)展趨勢是使用專用的編程軟件，在通用的PC上實(shí)現(xiàn)圖形編程器的功能。這一編程方法的最大特點(diǎn)是：充分利用PC機(jī)的軟、硬件資源(如：硬盤、打印及各種功能軟件)，大大降低了編程器的成本，同時也大大增強(qiáng)了編程器的功能，使用十分方便。一般的PC添置一套專用的“編程軟件”后就可進(jìn)行編制、修改PLC的梯形圖程序，存貯、打印程序文件(清單)，與PLC聯(lián)機(jī)調(diào)試及系統(tǒng)仿真等。并且用戶程序可在PC、PLC之間互傳。具有以上功能后，PLC的程序(特別是大型程序)編程、調(diào)試就顯得十分方便和輕松。
輸入輸出
數(shù)字輸入6~24 數(shù)字輸出4~16
模擬輸入16~32 模擬輸出8~28
輸入輸出映像（可擴(kuò)展）
128輸入 128輸出
硬件擴(kuò)展
最多7臺擴(kuò)展模塊
中斷輸入
4
脈沖數(shù)出
2（20k~100k）
CPU特性
8個PID控制器 最多2個串行端口
實(shí)時時鐘 運(yùn)行中編輯
浮點(diǎn)運(yùn)算 狀態(tài)LED指示
CPU處理時間
位處理：0.22us
程序存儲器
4~25k
數(shù)據(jù)存儲器
2~10k
定時器
256
溫度模塊
16位分辨率
網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展
串行通訊 AS-interface
MPI Profibus-DP從站
Modbus主站/從站
通訊速率
PPI/MPI：187.5kbps
自由口：115.2kbps
編程軟件
Step7-MicroWIN
安裝方式
IEC導(dǎo)軌
工作電壓
DC24V/AC220V
根據(jù)本系統(tǒng)控制要求，選用S7-200CPU226CN可編程控制器。24個DC輸入點(diǎn)，16個DC晶體管輸出點(diǎn)。訂貨號：6ES7 216-2AD23-0XB0。使用Step7?Micro/WIN?V4.0軟件進(jìn)行編程。
圖4.3 西門子S7-200型PLC
S7-200可編程控制器是小型化的PLC，對于社會各種行業(yè)，各種場合的邏輯控制，自動檢測和運(yùn)算功能都適用。S7-200可編程控制器具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能和通訊功能，能使用在比較復(fù)雜的自動化控制場合。S7-200可編程控制器提供了4個不同的型號，8中CPU類型可以選擇使用。本次設(shè)計(jì)選擇的是采用CPU226類型可編程控制器。CPU226類型的可編程控制器可以集成24輸入和16輸出共計(jì)40個I/O點(diǎn)?？梢詳U(kuò)展7個模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O或者35路模擬量I/O點(diǎn)。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，具有PID控制器，具有2路獨(dú)立的20KHz高速計(jì)數(shù)器輸出。RS485通訊編程口共有兩個，具有PPI和MPI通訊協(xié)議，I/O端子很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)。共有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能的更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能，可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。
3.2.2 PLC的工作原理
PLC與計(jì)算機(jī)的工作原理基本上是相同的，你可以簡單地表示為在系統(tǒng)程序的管理下，通過運(yùn)行應(yīng)用程序來完成用戶任務(wù)。PLC通電后，首先對硬件和軟件進(jìn)行一些初始化操作，初始化反復(fù)不停地分階段處理各種任務(wù)（見圖3-1）。但是PLC也有其本身的特點(diǎn)，PLC在確定了工作任務(wù)后，專用程序被加載裝入到一個特殊的機(jī)器，它采用循環(huán)掃描模式，系統(tǒng)的任務(wù)管理和應(yīng)用的程序執(zhí)行都是通過循環(huán)掃描模式完成的。
讀取輸入
執(zhí)行用戶程序
處理通信請求
自診斷檢查
改寫輸出
執(zhí)行用戶程序
處理通信請求
自診斷檢查
改寫輸出
STOP模式
RUN模式
圖3-1 掃描過程
3.2.3 PLC的循環(huán)掃描
對于每一個程序中，CPU從所述第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期的程序循環(huán)掃描，如果沒有一個跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直到它終止執(zhí)行用戶程序然后返回到第一條指令，如此周而復(fù)始，每個周期被稱為一個掃描周期。
3.2.4 PLC的硬件組成
PLC的硬件主要是由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴(kuò)展接口、電源和其它部件組成。其中，CPU是PLC的核心部件；輸入單元/輸出單元是CPU與現(xiàn)場輸入/輸出設(shè)備之間的接口；通信接口用于連接編程器、主計(jì)算機(jī)等外部設(shè)備的接口。
通過本設(shè)計(jì)的自動售貨機(jī)系統(tǒng)的控制要求分析可以知道，本設(shè)計(jì)的主要有2個錢幣輸入，分別是5角硬幣、1元硬幣投入，4個按鈕開關(guān)，分別是1元飲料商品選擇按鈕、2元飲料商品選擇按鈕、3元飲料商品選擇按鈕和退幣按鈕，以及1個能夠感應(yīng)到自動售貨機(jī)遭到破壞的感應(yīng)器，6個指示燈,分別為1元飲料正常指示燈、1元飲料缺貨指示燈、2元飲料正常指示燈、2元飲料缺貨指示燈、3元飲料正常指示燈、3元飲料缺貨指示燈，4個輸出分別是1元飲料輸出、2元飲料輸出和3元飲料輸出和余額輸出等。本設(shè)計(jì)采用的是電磁閥來控制商品和錢幣的輸出，商品的指示燈采用的電是經(jīng)過開關(guān)電源調(diào)制成的DC24V電壓，安全可靠。由此可知，系統(tǒng)所需的輸入點(diǎn)數(shù)為8點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)為6點(diǎn)。根據(jù)上面的分析，至少選用24點(diǎn)（14I/10）的PLC，現(xiàn)選用西門子公司的S7-2OO CPU 226型號為6ES7 214-1AD23-0XB 的PLC，?這種型號的PLC不僅能夠滿足設(shè)計(jì)的功能需要，還能夠減少經(jīng)濟(jì)上支出，完全符合設(shè)計(jì)需求。
4． 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
4.1 PLC軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法
PLC軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法主要有圖解法編程、經(jīng)驗(yàn)法編程、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程。
圖解法編程主要是通過畫梯形圖來對PLC程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。
經(jīng)驗(yàn)法編程主要是運(yùn)用自己和別人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)前先選擇和自己設(shè)計(jì)要求相視的程序，然后結(jié)合自己的設(shè)計(jì)要求情況，對梯形圖程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模顾献约旱脑O(shè)計(jì)要求。
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程主要是在計(jì)算機(jī)上通過PLC編程軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和編程、在線仿真調(diào)試等。
在本次設(shè)計(jì)中，采用的是梯形圖法編程。
4.2 I/O口的分配
輸入/輸出單元通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接部件。 PLC通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為PLC對被控制對象進(jìn)行控制的依據(jù)；同時PLC又通過輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對象，以實(shí)現(xiàn)控制目的。本次智能搶答器I/O點(diǎn)的分配如表3-3所示。
表3-3 自動售貨機(jī)I/O點(diǎn)的分配表
序號
定義點(diǎn)
符號
功能
1
I0.0
SB1
找零按鈕
2
I0.1
SB2
飲料一元按鈕
3
I0.2
SB3
飲料二元按鈕
4
I0.3
SB4
飲料三元按鈕
5
I0.4
SB5
投五角硬幣
6
I0.5
SB6
投一元硬幣
7
I0.6
SB7
找零五角
8
I0.7
SB8
找零一元
9
I1.0
SQ1
飲料一元行程開關(guān)
10
I1.1
SQ2
飲料二元行程開關(guān)
11
I1.2
SQ3
飲料三元行程開關(guān)
12
Q0.0
HL1
飲料一元紅燈(物品售完)
13
Q0.1
HL2
飲料二元紅燈(物品售完)
14
Q0.2
HL3
飲料三元紅燈（物品售完）
15
Q0.3
DT1
找零
16
Q0.4
DT2
出飲料一元
17
Q0.5
DT3
出飲料二元
18
Q0.6
DT4
出飲料三元
19
Q0.7
HL4
飲料一元綠燈（可以購買）
20
Q1.0
HL5
飲料二元綠燈（可以購買）
21
Q1.1
HL6
飲料三元綠燈（可以購買）
4. 3 自動售貨機(jī)控制流程圖設(shè)計(jì)
圖4-1 自動販賣售貨機(jī)流程圖設(shè)計(jì)
4.4 自動售貨機(jī)控制梯形圖程序的設(shè)計(jì)
根據(jù)自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)流程我們可以將自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)任務(wù)分成幾個主要部分來進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括：計(jì)幣部分的設(shè)計(jì)，比較部分的設(shè)計(jì)，選擇部分的設(shè)計(jì)，余額計(jì)算部分的設(shè)計(jì)。
4.4.1 計(jì)幣部分設(shè)計(jì)
當(dāng)消費(fèi)者投入錢幣時，錢幣經(jīng)過紅外感應(yīng)器的感應(yīng)，然后由紅外感應(yīng)器驅(qū)動錢幣識別器對錢幣進(jìn)行識別，如果是假幣，錢幣會自動退出來，如果是真幣，系統(tǒng)則會進(jìn)入下一個環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會將錢幣自動傳送到錢幣貯存腔，然后在PLC內(nèi)自行運(yùn)算。
在梯形圖中，整數(shù)、雙整數(shù)與實(shí)數(shù)的加法、減法、乘法、除法指令運(yùn)算分別如下：IN1+IN2=OUT，IN1—IN2=OUT，IN1*IN2=OUT，IN1/IN2=OUT。
表4-2 加減乘除指令表
梯形圖
指令格式
指令名稱
梯形圖
指令格式
指令名稱
ADD_I
+I IN1，OUT
整數(shù)加法
SUB_I
-I IN2，?OUT
整數(shù)減法
ADD_DI
+D IN1，OUT
雙整數(shù)加法
SUB_DI
-D IN2，OUT
雙整數(shù)減法
ADD_R
+R IN1， OUT
實(shí)數(shù)加法
SUB_R
-R IN2， OUT
實(shí)數(shù)減法
MUL_I
*R IN1，OUT
整數(shù)乘法
DIV_I
/I IN1，OUT
整數(shù)除法
MUL
MUL IN1，OUT
完全整數(shù)乘法
DIV
DIV IN2，OUT
完全整數(shù)除法
MUL_DI
*D IN1，OUT
雙整數(shù)乘法
DIV_DI
/D IN2，OUT
雙整數(shù)除法
MUL_R
*R IN1，OUT
實(shí)數(shù)乘法
DIV_R
/R IN2，OUT
實(shí)數(shù)除法
根據(jù)表編制計(jì)幣部分程序如下圖所示：
圖4-2硬幣投入計(jì)幣梯形圖
4.4.2 比較部分設(shè)計(jì)
在整個售貨過程中，價格的比較要貫穿整個過程的始終，只要當(dāng)余額大于等于某種商品價格時，就需要輸出一個信號，提示哪些商品可以購買。這里通過指示燈來代表此信號。所以在編寫梯形圖時我們要用到一些比較指令，是數(shù)據(jù)比較符號，用它來比較余額和商品的價格，是大于等于價格的標(biāo)志。一般當(dāng)余額大于等于某種商品價格而且時，程序使相應(yīng)的指示燈亮表示可以購買該種商品，但是這應(yīng)該是在當(dāng)顧客買完一件商品后20秒內(nèi)操作，否者系統(tǒng)會自動退幣。如果是顧客投入錢幣在1分鐘內(nèi)不按任何按鈕或按退幣按鈕，自動售貨機(jī)也將會自動按照余額退還給顧客。當(dāng)有達(dá)到了這些條件的話，指示燈就會滅了，所以用幾個常閉的定時器T37,T38,T39和一個常閉的退幣按鈕I0.7來和比較符號進(jìn)行串聯(lián)，如圖4-3所示。
圖4-3比較部分梯形圖
4.4.3 選擇部分設(shè)計(jì)
當(dāng)投入的幣值可以購買某種商品時，按下相應(yīng)的“選擇”按紐即可在出貨框中出現(xiàn)該種商品，同時也將扣除已消費(fèi)的幣值，接著余額繼續(xù)與價格相比較，判斷是否能繼續(xù)購買。對應(yīng)的梯形圖程序如梯形圖4-4所示。
圖4-4選擇部分梯形圖
4.4.4 余額計(jì)算部分設(shè)計(jì)
當(dāng)顧客選擇了一種商品后，自動售貨機(jī)系統(tǒng)會自動的減去相應(yīng)的商品價值，顯示出所剩的余額。根據(jù)加減乘除指令表余額計(jì)算部分編寫梯形圖如下：
圖4-5余額計(jì)算部分梯形圖
自動飲料販賣機(jī)的控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)梯形圖如下：
哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
5． 自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試
5.1 系統(tǒng)的仿真調(diào)試
PLC 梯形圖程序設(shè)計(jì)好后, 要用實(shí)際的PLC 硬件來調(diào)試, 但是程序設(shè)計(jì)好后，沒有實(shí)際的PLC 硬件，而且在實(shí)際的系統(tǒng)中進(jìn)行一些調(diào)試有時候會有一定的風(fēng)險。所以常常對程序進(jìn)行仿真調(diào)試來對程序進(jìn)行修改和調(diào)試。
5.2 系統(tǒng)調(diào)試的方法
在進(jìn)行自動售貨機(jī)的仿真前，首先要配置CPU的型號，通過對自動售貨機(jī)I/O口的計(jì)算，我們選用CPU226，如圖5-1所示。
圖4-1 自動售貨機(jī)仿真軟件操作屏設(shè)置
圖4-2 操作屏編譯畫面
5.3系統(tǒng)仿真運(yùn)行分析
把導(dǎo)出的ASCLL文件導(dǎo)入仿真軟件后，點(diǎn)擊工具欄上的PLC按鍵，選擇運(yùn)行。假設(shè)投入5角錢硬幣、1塊錢硬幣。所以要將輸入I0.0， I0.1，I0.2，I0.3都點(diǎn)亮，可以看到如圖5-3所示輸出Q0.1，Q0.2 1元飲料指示燈、2元飲料指示燈都亮，達(dá)到了所要的效果。
圖5.3 自動售貨機(jī)仿真畫面
在這種情況顧客有三種選擇，可以選擇1元飲料，2元飲料，3元飲料。也可以選擇什么商品都不選直接按退幣鍵I0.7，當(dāng)選擇1元飲料時，把輸入I0.4燈點(diǎn)亮，可以看到如圖5-3所示輸出Q0.3 1元飲料輸出，而且經(jīng)過計(jì)算之后余額還能再購買其它商品，1元飲料商品指示燈亮，達(dá)到了所要的
通過仿真軟件對仿真運(yùn)行，我查找出來了些程序的錯誤并通過多次的仿真運(yùn)行分析，終于把程序完善了，但是我認(rèn)為在一些方面還可以再進(jìn)行深一步研究和完善，只是由于本人能力有限，不能再進(jìn)行深一步完善。
哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
結(jié)論
本論文根據(jù)目前國內(nèi)自動化商業(yè)機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀，針對其中一種自動化商業(yè)機(jī)械自動售貨機(jī)進(jìn)行自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。
主要內(nèi)容如下：
1. 深入了解和分析自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)的要求。
2. 根據(jù)自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)的要求和工作原理確定所需要的輸入、輸出設(shè)備，據(jù)此確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。
3. 對系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)，選擇合適的PLC類型，選擇感應(yīng)器件的類型，錢幣的貯存和退幣機(jī)構(gòu)，商品的送出機(jī)構(gòu)。
4. 對系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，首先分配PLC的I/O點(diǎn)，設(shè)計(jì)I/O連接圖。然后根據(jù)自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)流程先將自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)任務(wù)分成幾個主要部分來進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括：計(jì)幣部分設(shè)計(jì)，比較部分設(shè)計(jì)，選擇部分設(shè)計(jì)，余額計(jì)算部分設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行整理將完整的自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)的梯形圖程序設(shè)計(jì)出來。
5. 對編制好的梯形圖程序進(jìn)行調(diào)試，查找錯誤，使設(shè)計(jì)的梯形圖程序更加的完善。但是由于缺乏實(shí)際調(diào)試設(shè)備，我采用了仿真軟件對設(shè)計(jì)出來的梯形圖進(jìn)行仿真運(yùn)行，查找出來了些錯誤并進(jìn)行完善，但我認(rèn)為在一些方面還可以再進(jìn)行深一步研究和完善，只是由于本人能力有限，不能再進(jìn)行深一步完善。
哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
致 謝
直到今天，論文總算完成了，我的心里感到特別高興和激動，在這里，我打心里向我的導(dǎo)師和同學(xué)們表示衷心的感謝！因?yàn)橛辛死蠋煹恼佌伣虒?dǎo)，才讓我學(xué)到了很多知識和做人的道理，由衷地感謝我親愛的老師，您不僅在學(xué)術(shù)上對我精心指導(dǎo)，在生活上面也給予我無微不至的關(guān)懷支持和理解，在我的生命中給予的靈感，所以我才能順利地完成大學(xué)階段的學(xué)業(yè)，也學(xué)到了很多有用的知識，同時我的生活中的也有了一個明確的目標(biāo)。知道想要什么，不再是過去的那個愛玩的我了。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，創(chuàng)新的學(xué)術(shù)風(fēng)格，認(rèn)真負(fù)責(zé)，無私奉獻(xiàn)，寬容豁達(dá)的教學(xué)態(tài)度都是我們應(yīng)該學(xué)習(xí)和提倡的。通過近半年的設(shè)計(jì)計(jì)算，查找各類相關(guān)資料，論文終于完成了，我感到非常興奮和高興。雖然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因?yàn)槲沂窃趺聪氲?，這是我付出的汗水獲得的成果，是我在大學(xué)四年的知識和反映。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的個人能力，更重要的是來自老師和同學(xué)的潛移默化讓我學(xué)到很多有用的知識，在這里，謝謝老師以及所有關(guān)心我和幫助我的人，謝謝大家。
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