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

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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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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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4-4 程式寫入後的開關

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4-5 程式屬性表

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4-6 固定人機

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4-7 冷氣空調成品

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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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