基于PLC全自动包装机的控制系统应用

包装机;PLC;;自适应控制;同步控制;

苏州信息职业技术学院

毕业设计报告（论文）

系 别： 电气与电子工程系 专 业： 机电一体化 班 级： 学 生 姓 名： 学 生 学 号： G10280213 设计（论文）题目： 基于PLC全自动包装机的控制

系统应用

指 导 教 师： 钱伟红 起 讫 日 期：

包装机;PLC;;自适应控制;同步控制;

苏州信息职业技术学院

毕业设计(论文)成绩评定表

包装机;PLC;;自适应控制;同步控制;

毕业设计（论文）任务书

学 生（签名） 2012年9月 10日

指 导 教师（签名） 2012年9月 10日

教研室主任（签名） 2012年9月 10日

系 主 任（签名） 2012年9月 10日

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毕业设计（论文）开题报告

包装机;PLC;;自适应控制;同步控制;

（注：开题报告由做毕业设计的学生负责填写）

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苏州信息职业技术学院

毕业设计（论文）中期检查表

（注：中期检查由指导老师负责填写）

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基于PLC全自动包装机的控制系统应用

摘要：可编程逻辑控制器，缩写为PLC。PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。也是公共有限公司、电源线车等的名称缩写。可编程逻辑控制器，又称可编程控制器，有过多种定义。可以看作是一种经过特殊设计的工业计算机，整个的设计原则就是简单与实用。

包装机的工作过程是一个典型的顺序控制,考虑到包装机运作复杂,传感器多,干扰大,而PLC具有可靠性高、控制功能强、编程方便等优点,选用可编程控制器作为其主控制器本论文以阐述了集PLC技术，变频器技术，光电感应技术，通信技术于一体的先进控制技术在该包装机控制系统中的应用。论文主要内容如下:1.概述了可编程控制器PLC的现状及其在包装机械上应用的可能性和前景。

2.通过对卷纸包装机生产工艺流程的了解，统计其输入输出I/O点，然后进行PLC选型，硬件组态的设计。3.详细分析了包装纸放卷过程中的受力(尤其是张力)情况，利用自适应控制原理实现了送料过程中的张力控制。4卷纸的包装是一个典型的顺序控制，因此我们利用一个移位寄存器，使工艺盘的每一个V形槽对应一个二进制位，通过移位寄存器的移动，实现了包装过程的程序控制5.卷纸的包装是一个典型的顺序控制，因此我们利用一个移位寄存器，使工艺盘的每一个V形槽对应一个二进制位，通过移位寄存器的移动，实现了包装过程的程序控制。

关键词:包装机;PLC;;自适应控制;同步控制;

包装机;PLC;;自适应控制;同步控制;

目录

第一章 绪论 .............................................. 1

1.1卷纸包装机的背景及意义 ............................. 1

1.2 PLC在包装机械上应用 ............................... 1

1.3本次项目研究的主要内容 ............................. 2

第二章控制系统总体方案确定 ............................... 2

2.1 可编程控制技术的发展主要趋势 ...................... 3

2.2 PLC比其他控制系统的优势 ........................... 3

第三章全自动包装机原理控制系统硬件设计 ................... 4

3.1概述卷纸包装机生产工艺 ............................. 5

3.2分析卷纸包装机速度如何提高 ......................... 5

第四章系统软件设计 ....................................... 6

4.1 系统的运行方式 .................................... 7

4.2 供电线路 ......................................... 10

4.3 主电机的启动控制 ................................. 10

4.4 送卷纸电机的控制 ................................. 10

结论 .................................................... 11

致谢 .................................................... 12

参考文献 ................................................ 12

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第一章 绪论

1.1卷纸包装机的背景及意义

卫生卷纸是人们生活中的必须品，随着人们对纸质品用量的增加，对卫生纸的需求也越来越大，且对卫生纸的安全性，方便性要求也越来越高。为使包装出的物品整齐、美观并具有良好的包装质量，研制高速、高效、高质、经济的新型包装机是市场的迫切需求。目前，该类包装机多半为进口产品，价格昂贵。

1.2 PLC在包装机械上应用

包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，具有较多的执行元件。在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC 控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是PLC的内部寄存器，在PLC编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的PLC都有上百点内部辅助继电器甚至更多，而且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对PLC进行编程。事实上PLC用于这种场合是最能显现出其经济性的。当然我们不能忽视了PLC的另一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲，PLC最适合于需要大量中间继电器的场合。且PLC与其他工业控制系统比较具有许多优点：

更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动,程序可以复制，批量生产很容易,电气硬件设计大大简化。由于PLC除有继电器功能外，尚有多种其他功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化,可靠性高；

成本相对于继电器控制稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而PLC控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性；

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因此，国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了PLC来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。

我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。如果能用PLC来取代的话，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化。更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，是机器在某种程度上实现智能化。通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用PLC控制系统。

1.3本次项目研究的主要内容

1.对可编程控制系统的现状与发展趋势作一简单的介绍，明确背景知识与选型根据；分析PLC在包装机械上应用的可能性与前景。

2.卷纸包装机各动作控制工艺的研究。了解卷纸包装机的工作过程及工艺要求。总结各机构的动作顺序，将其用流程图的形式表示出来，为实现高速全自动运动控制做准备。

3.可编程控制器部分的设计，包括控制方案的选取与设计、I/0接口信号的确定、模块的选择，控制程序的设计。

4.工控机软件的设计

第二章控制系统总体方案确定

PLC是可编程逻辑控制器的缩写。它是一种以微处理器为核心，综合了计算机技术、电器控制技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。PLC具有如下特点：1高可靠性；2编程方便、易于使用；3控制功能极强；4扩展机与外部连接极为方便。 随着微机技术的不断深入发展,以微机技术为基础的可编程控制器也在不断地发展和成熟,它以其可靠性极高、能经受恶劣环境的考验、功能强大和使用简单方便等巨大优越性,迅速占领工业自动控制领域,成为工业自动控制的首选产品.在印刷包装行业中应用尤其突出.在当今竞争日益激烈的市场经济中,各印刷包装机械厂家为赢得更广泛的客户群,他们在成本控制、系统稳定性和流程控制等上花大力气,以求得在众多的竞争对手中取得优势。本文着重介绍了一种基于PLC 的全自动立式包装机控制系统, 对

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控制系统中传动系统设计和PLC程序设计做详细的介绍. 。

2.1 可编程控制技术的发展主要趋势 在控制技术的发展历程中，是与计算机技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关的。正是各种新兴技术的发展，推动了可编程控制器的发展。让PLC可编程控制器成为代替继电器实现逻辑控制的主流控制技术。随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。

仅仅将PLC理解为开关量控制的时代己经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展:一个是向超小型专用化和低价格方向发展;另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势如下：

1.可编程控制技术的标准化

2. CPU处理速度进一步加快

3.可编程控制技术的智能化

4.系统的开放性和兼容性

5.通用性和专业化的结合⑵

6.可靠性进一步提高

7.控制系统分散化

8.控制与管理功能一体化

综上所述，我们不难得出下面几个结论:

1.工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着一条相互融合的道路+。

2.智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。

3.系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强。

4.基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。

5.通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。

2.2 PLC比其他控制系统的优势

1 PLC与单片机控制系统比较

虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业

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控制而设计的。同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较差，成本高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制都为开关量控制，所以其长处仍得不到发挥。单片机与PLC的比较:在很大程度上，单片机是专为工业控制而设计的。因此，它具有较好的环境适应性。事实上，现代PLC的核心就是单片微处理器。用单片机作控制部件在成本方面具有优势。但是不可否认，从单片机到工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然PLC也有必不可少的软件开发过程，但两者所用的语言差别很大，单片机主要使用汇编语言开发软件。而PLC用专用的指令系统来编程的。前者复杂而易出错，开发周期长。后者简便易学，现场就可以开发调试。

单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受CPU、内存容量及1/O接口的限制;软件上主要受限于与CPU类型有关的编程语言。一般说来单片机或单片机系统的应用只是为某个特定的产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都相当差。

可以预见随着PLC成本的下降和机器要求的提高，将很快在大部分场合取代继电器控制屏。无论是与传统的继电器、接触器控制逻辑相比，还是与现代的微型计算机系统乃至专用于控制的单片机相比，在工业控制方面PLC都具有明显的优越性。尤其是对生产流水线、动作复杂的单机，比起前述几种控制手段来具有寿命长、可靠性高、对环境无特殊要求、开发费用低、周期短、无需专门的计算机软、硬件知识就可在短期内掌握，功能扩展方便，成本可为一般用户所接受等优点，是现代机电一体化产品控制装置的理想选择

第三章全自动包装机原理控制系统硬件设计

现代社会对物品的包装要求越来越高，为使包装出的物品整齐、美观并且具有良好的包装质量，要求包装机具有精确的动作、定位精度及较高的生产率，因此对包装机的控制要求是越来越高。AP-5022全自动边封包装机的模拟量有温度和速度两类。温度控制回路分别将纵、横两个方向的封切温度信号经温度变送器转化为4-20mA信号供PLC采样；通过人机界面设定的传送带运行速度信号，经PLC数字运算，再经D/A转换，转换成0-10V的信号，送到变频器模拟量输入端，

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控制传送带的运转速度。可编程控制技术并非单纯是指PLC本身，而是包括其在内的一系列自动化控制产品和技术的应用。本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的配合需求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装机设备。在设计控制系统之前，首先得了解其生产工艺。

3.1概述卷纸包装机生产工艺

卷纸包装机主要功能是将来自卷纸库的卷纸以每分钟60个的速率包装成合格的卫生卷筒纸。简单的工艺流程如图2-1所示。

包装纸以卷筒的形式放在原料架上，当上位机发出命令时，放卷电机动作，开始放卷。放卷到一定长度(长度由色标来检测)时，通过色标信号向切纸机构发出指令。切纸机构采用交流变频调速电机，带动一个凸轮旋转，以带动切断刀上下运动，在凸轮上安装一个位置传感器，当凸轮转到某一位置时，切刀向上运动，二刀分离，当有色标信号时，刀又向下运动。切刀上、下的工作频率可由变频调速电机来调整，操作简便。切好的纸片经整理后放入纸片库中，等待推纸空心台送纸片。同时卷纸库的卷纸经过整理等待托盘推杆送卷纸球。包装过程通过包装工艺盘及其辅助机构来实现。

3.2分析卷纸包装机速度如何提高

为了满足厂方的要求，本设计的高速卷纸包装机包装能力要求达到60个/Min。

我们知道包装机速度越高，要求稳定性和可靠性愈强。这就要求包装材料供送速度快、精度高、定位准确，包装材料质量标准要符合规格，停机率低，以减少包装材料损耗，且包装材料的装卸都要自动化等。

影响卷纸包装机高速化的包装材料的性质有：

1.抗张(拉)强度要大

在高速包装机中，包装材料运动的线速度可达500m / min以上，同时包装

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机都是间歇式运动，材料直径大，材料运动惯性力大，所以应具有足够的抗拉强度，防止被拉断。在现行的卷纸包装机材料供送机构中可通过增加冲击力缓冲装置来解决。

2.伸缩性要小

包装材料在运行中，由于卷筒直径大、包装运行速度大，使之受到很大的拉力和惯性冲击力，易造成包装材料拉伸，影响包装纸定位准确性，所以材料的伸缩性要小，以保证包装机工作的可靠性和包装质量。

3.静电性要小

卷筒包装材料在卷曲和使用过程中，易产生静电。当包装材料按定长切断后，在移送过程中，一旦发生静电粘附时；就需马上停机，所以静电性越小越好。

第四章系统软件设计

利用PLC可以构成多种控制系统:单机控制系统，集中控制系统，分散型控制系统和远程I/0控制系统⑺。由于卷纸包装机控制对象较多，有放卷分切中的张力控制，包装过程控制，送料过程中的同步控制，且被控对象比较集中，因此我们采取集中控制系统方案。集中控制系统如图2-3所示，每个被控制对象与可编程控制器指定I/0相连接，因此各被控对象之间的数据、状态的变换不需要另外设置专门的信号线路。该控制系统多用于控制对象所处的地理位置比较接近，且相互之间的动作有一定联系的场合。单主机控制方式，对主机要求较高，危险相对集中。远程I/0控制系统的控制结构比较独特，类似于集中控制系统，又具有分散型控制系统的特点，经常用于控制规模中等，控制对象比较分散、工程费用较低的场合。

集中控制系统

PLC作为一种控制设备，用它单独构成一个控制系统是有局限性的，主要是无法进行复杂运算，无法显示各种实时图形和保存大量历史数据，也不能显示汉

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字和打印汉字报表，没有良好的界面。这些不足，我们选用上位机来弥补。上位机完成监测数据的存贮、处理与输出，以图形或表格形式对现场进行动态模拟显示、分析限值或报警信息，驱动打印机实时打印各种图表。

4.1 系统的运行方式

系统运行方式分为手动和自动

手动：按下启动按钮，手动开关闭合，程序才能够运行，完成相应的动作。 自动：按下启动按钮，程序完成一个周期的动作后又接着从第一步开始运动，自动循环。在自动方式下，中途若按下复位按钮，则系统要继续运行到第一步开始位置才停止。

根据包装机的实际运行情况，本系统采用自动运行和手动运行两种方式，还必须考虑停止运行方式的设计，可编程控制器的停运方式有正常停运，暂时停运和紧急停运三种。根据控制系统要求，又要包装机运行期间采用循环工作方式，只有在工作结束或接收到操作人员的停止运行指令或设备出现故障或异常情况时才停止，因此本系统采用硬件切断电源，使系统立即停车。

运行方式分为手动、单步、周期及自动等四种操作方式⑻。

1.手动：各工步都可单独点动，按钮释放即停止运行；

2.单步：按下启动按钮，运行一个工步，到位即停。再按启动，则进入下一工步运行；

3.周期：从初始位置开始，按启动按钮，程序自动完成一个周期的动作后返回第一步开始位置停止。

4.自动：按启动按钮，程序完成一个周期的动作后又接着从第一步开始运行，自动循环。在自动方式下，中途若按下复位按钮，则系统要继续运行到第一步开始位置才停止；若按下停止按钮，则运行立即停止，此时若再按启动，系统即从该位置运行到第一步开始处停止。

包装机控制功能要求：

手动运行,可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制，主要用于故障 恢复与检修

全自动运行 按下启动按钮，系统即可连续、协调、周期性地循环完成各包装动作，直到系统接收到停止运行信号。

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4.1．1系统结构和配置图

在本系统中，PLC的主要任务是接受外部开关信号(按钮、行程开关、继电器节点)的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任务。除此之外，另一个重要的任务就是接受工控机(上位机)的控制命令，以进行全自动包装循环。图2-4给出了本项目中配置的S7-300PLC模板的型号和数量，下面对使用的这些模块作具体介绍⑿：

PLC的中央处理器CPU315-2DP

在实时控制系统中，接地是抑制干扰使系统可靠工作的主要办法。如能把接地和屏蔽正确结合起来使用，可以解决大部分千扰问题。在确定所有的模块并组建S7- 300系统时要选择合适的电源模块。其选择准则是电源模块的输出功率必须大于CPU模块与所有I/O模块之和，并且要有30%左右的余量。故在设计系统时考虑每块模块的电流消耗和功率损耗是非常必要的。表2-1列出了在24V直流负载电源下，所选用的各种S7-300模块的电流损耗以及从24V负载电源吸取的电流。机架0上24V电源由CPU315-2DP向其它模板供电、另外插入IM360, CP343-5各1块，SM331模拟输入板2块，SM332数字输出板4块。这些模块从S7-300背板总线吸取的电流为:

350+70+2*60+4*80=860 (mA)

没有超过CPU315-2DP所能转供的电流1.2A。

机架1上由24V电源通过IM361向其它模板供电，另外插入SM322共3块，数字输入板SM321共4块，这些模块从S7-300背板总线吸取的电流为:

70*3+4*25=310 ( mA )

也没有超过IM361所能转供的电流0. 8A。

那么各模块从24V电源吸取的总电流为:

1000+600+2*60+3*100+4*1+500+4*80=2844 (mA)

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考虑到电源应留有一定的余量，所以电源模块应选PS307 （5A ） 。

4.1.2各模块电流容量表

变频器的选择

考虑到张力控制系统对速度控制精度要求比较高，但负载不大的特点，在选择变频器时选用了西门子SIMOVERT MASTER DRIVES 6SE70VC矢量型变频器⒀(容量在2. 2-37kw，属于小功率变频器)，配套电机则是西门子专用带光电编码器交流感应电动机(3相，380-460V)。该系列变频器采用最新的矢量控制技术、从而提高了系统的控制精度和动态响应精度。

卷纸包装机控制系统中主要的传感器以开关量提供给PLC，作为操作决策的依据，这些开关输入量有:

1.上位机启动信号

2.色标信号

3.产品供送信号

4.纸片上行程开关

5.纸球上行程开关

6.工艺盘到达1、2、3工位的行程开关

7.送料机、皮带、推纸机的自动停用和工作信号

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8.皮带、电磁阀等的电源信号等

PLC的控制输出大多是一些开关输出信号，如送料机、工艺盘电机，皮带的启动等，这些信号经功率放大驱动对应的包装执行机构。

4.2 供电线路

三相电源由滑线引入电气柜中，经由一个总进线空气开关( QS1)后供给系统的控制回路及电机主电路部分。其控制部分则用一个1KW的变压器(TC2)将380V的电压变为220V，并且在输出侧分成五路，分别提供给工控机、PLC, PLC输入回路、PLC输出回路和继电器回路。这样便于将故障分散，并且有利于调试和检修。在QS1前引出的一路电源是为了给空调器和照明灯供电用，因为它们属于附属设备，与控制无关所以从QSl之前引出，以便在检修时也不影响其正常使用。

4.3 主电机的启动控制

主电机启动前，主操纵离合器应处于拉开状态，确保主电机轻载启动。若所有的检测和控制条件均有效，则按下启动按钮可使主电机轻载低速启动，并在一定时间延迟后自动控制变频器的高速运转。若机器出现故障，则应立即切断电源，并且进行机械制动，确保机器的安全。

变频器的运转控制

变频器的运转控制主要有运转启动、速度自动设定、故障报警停机故障提示和解除故障状态。

4.4 送卷纸电机的控制

在主电机启动后，送纸电机应自动运转，保证下纸道中有充足的卷纸供推纸板使用，并且要求在JS3传感器(检测推纸板是推还是退)的控制下有高低速自动切换功能。当主机停下来时，送卷纸电机不应马上停止，必须经过一段延时后再停，否则将会出现下纸道短时缺纸或纸道堵塞的现象，影响主电机的再次启动。 全自动包装机控制系统的软件设计部分包括了系统控制流程图和梯形图程序的设计。有了程序的驱动整个控制系统才能按照设计要求动作。在梯形图设计这一块，要充分考虑各个部分要实现的功能等，按照PLC的编程要求进行梯形图的编写任务。

全自动包装机控制系统的控制流程图如图5.1，系统运行前先判断安全门是

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否关闭。同时还要检测控制设备是否出错，如有错误，程序不能正常工作，发出报警信号，以便排除。接着进行手动和自动状态判断，若处于手动状态，进行手动操作，若处于自动状态，系统按照程序循环工作。

4.4系统控制流程图

结论

在本次毕业设计中，除了锻炼了自己的能力外，也积累了不少经验，同时发现有不少值得改进的地方，如下:

1.完成了电气控制系统硬件和软件的设计与调试工作，使系统能够按预期的目标正常地运行。

2.全部程序(包括PLC程序和工控机程序)均采用模块化设计思想，程序的注释和文档也比较充足，不仅在设计时使结构清晰，易于检查和修改。而且为以后软件的维护和改进提供了方便。

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3.对系统的可靠性进行了充分的考虑，加入了各种保护措施，尽量消除了各种可能的事故隐患。

经过此次毕业设计，收获颇丰，通过自身不断的努力，以及与师长同学间的探讨交流，取得了一些比较满意的成果。在这期间，综合分析等基本素质不断提高，书面表达的能力也得到了锤炼，尤其是独立思考判断和研究的能力，有了很大进步，这些对于未来的工作也都是大有裨益的。感觉最大的收获应该是对理论和实际相结合的重要性有了深刻的认识。原来在课本上学到的东西当实际用起来时才知道相差甚远，实验室里完成了调试到了现场依然问题不断。所有这些，都使我深深认识“纸上得来终觉浅，须知此事要躬行”。

致谢

结束本文之际，作者谨向苏州信息职业技术学校指导老师钱伟红老师等致以崇高的敬意和由衷的感谢。导师渊博的学识、严谨细致的治学态度和一丝不苟的工作作风时刻影响着我。在这次毕业论文工作中对本人的指导，他们踏实的工作、勇于开拓、勤勉奉献、团结协作的敬业精神使我受益非浅。

另外特别要感谢我的父母、姐姐等亲戚朋友，在二十多年的学习生活中，他们在精神和物质上都给了我极大的支持，有了他们的鼓励和支持，我才能专心投入到论文的研究工作中来，在此，特向他们表示我深深的谢意!

最后再一次诚挚地感谢所有给予我指导和帮助的老师和同学，感谢在百忙中抽出时间进行论文评审的各位老师!谢谢!

参考文献

1、《S7-300/400 PLC应用技术》 ，廖常初主编 2005年1月

2段然.可编程控制技术采样机控制系统中的应用研究.硕士学位论文，西北工业大学，2001. 3

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3陈立定，吴玉香，苏开才.电气控制与可编程控制器.广州:华南理工大学了版社，2001. 2

4齐从谦，王士兰.PLC技术及应用.北京：机械工业出版社，2000.85齐从谦，王士兰。PLC技术及应用.北京:机械工业出版社，2000. 8

6张万忠，周渊深.可编程控制器应用技术.北京:化学工业出版社，2001. 12 7郝振武.PLC远程I/0控制在电厂输煤系统中的应用(南京理工大学).中国工控网/经验视点/PLC控制，2003

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rzc1.html