基于PLC控制的自动送料装车系统组态画面设计.docx
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基于PLC控制的自动送料装车系统组态画面设计
基于PLC控制的自动送料装车系统组态画面设计
自动送料装车系统是用于物料输送的流水线设备，主要是用于煤粉、细砂等材料的运输.自动送料装车系统一般是由给料器、传送带、小车等单体设备组合来完成特定的过程。
这类系统的控制需要动作稳定,具备连续可靠工作的能力。
通过三台电机和三个传送带、料斗、小车等的配合，才能稳定、有效率地进行自动送料装车过程.本次自动送料装车系统采用了PLC控制。
从送料小车运行的工艺流程来看，其控制系统属于自动运行的控制系统，因此,此送料小车的电气控制系统设计采用自动扫描循环工作方式。
而在程序设计上采用整体式设计方法，这样就可以使读者一目了然地看懂整个程序，从而在一定程度上省去了使用人员阅读并分析程序的大量宝贵时间，同时也使得程序的设计、修改和故障查找工作大为简化。
自动送料装车系统控制系统的软件部分（信号显示和故障显示）均采用经验设计法,而自动程序则采用顺序控制法设计。
1。
系统硬件设计
自动化系统所使用的各种类型PLC中,有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。
PLC控制系统的硬件设计主要是指硬件选型，近十几年来,国内外众多厂家提供了多种系列、功能各异的PLC产品,已有几十个系列、几百种型号。
PLC品种繁多,其结构形式、性能、I/O点数、用户程序内存容量、运算速度、指令系统、编程方法和价格各有不同,使用场合也各有侧重.因此，PLC的合理选择，，对提高PLC控制系统的技术、经济指针以及对于控制系统都有着重要作用。
要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力,另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题,有效地增强系统的抗干扰性能。
1.1系统硬件的设计
1。
1。
1自动送料装车系统控制工艺要求
基于PLC控制的自动送料装车系统的控制要求如下：
初始状态：
红灯L2灭,绿灯L1亮，表示允许汽车进来装料。
此时，进料阀门（K1）,送料阀门（K2）,电动机（M1、M2、M3）皆为OFF状态。
当汽车到来时,车辆检测开关S2接通，红灯L2亮，绿灯L1灭,电动机M3运行，电动机M2在M3接通2秒后运行，电动机M1在M2启动2秒后运行，依次顺序起动整个送料系统。
当电动机M3运行后，进料阀门K1打开给料斗进料。
当料斗中物料装满时，料斗检测开关S1接通，此时进料阀门K1关闭（设1料斗物料足够运料小车装满一车）。
料斗出料阀门K2在电动机M1运行2秒及料斗装满后,打开放料,物料通过传送带PD1、PD2和PD3的传送,装入汽车.
当运料小车装满后，称重开关S3动作，送料阀门K2关闭，同时电动机M1延时2秒后停止，电动机M2在M1停止2秒后停止，电动机M3在M2停止2秒后停止。
此时绿灯L1亮,红灯L2灭，表示汽车可以开走。
故障操作：
在带式传输机传送物料过程中，若传送带PD1超载，则送料阀门K2立即关闭，同时停止电动机M1，电动机M2和M3在电动机M1停止4秒后停止；
在带式传输机传送物料过程中，若传送带PD2超载，则同时停止电动机M1和M2并关闭送料阀门K2，延时4S后电动机M3停止;
在带式传输机传送物料过程中，若传送带PD2超载，则同时停止电动机M1、M2和M3并关闭送料阀门K2。
1.1。
2主电路的设计
主电路的设计对于本次设计小车自动送料装车系统设计相当重要，只有在主电路设计正确且简便的基础上,系统控制电路及软件设计才能精简方便。
根据系统的控制工艺要求，我所设计的电气控制系统主回路原理图如图1所示。
图中，M1，M2，M3为三台皮带传输送料电动机，交流接触器KM1～KM3通过控制三台电动机的运行来控制三个传送带,从而进行对物料的传输。
FR1,FR2,FR3为起过载保护作用的热继电器，用于物料传输过程中当传送带过载时断开主电路。
FU1为熔断器，起过电流保护作用.
图1—1自动送料装车系统主电路原理图
1。
1.3I/O地址分配
此次设计，系统占用18个PLC的I/O端口，分别是8个输入端口和10个输出端口,具体的I/O分配如表1—1所示：
表1-1自动送料装置系统I/O地址表
输入
输出
启动
I0.0
电机M3
Q0.0
称重开关
I0.1
电机M2
Q0.1
装车开关
I0。
2
电机M1
Q0。
2
紧急停止
I0。
3
送料阀门K2
Q0.3
料斗已满
I0.4
进料阀门K1
Q0.4
电动机M3故障
I0.5
红灯L2
Q0。
5
电动机M2故障
I0。
6
绿灯L1
Q0。
6
电动机M1故障
I0.7
电机M3故障显示
Q0.7
--—----——----———
—-——
电机M2故障显示
Q1.0
—-—--————-——----
———-
电机M1故障显示
Q1。
1
1。
1。
4PLC外部接线图的设计
该控制系统核心部分是以德国西门子CPU226为主，CPU模块采用整体式结构，它的体积小、价格低，CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱形机壳内，前盖下面有模式选择开关、模拟量电位器和扩展模块连接器。
I/O模块中输入8点，输出10点，可实现高速输入输出响应，内部具有高速计数和中断处理功能。
PLC的输入输出端子均接到相应的接线端子排，输入输出信号通过这些接线端子排可由其它地方直接引入,这些接线端子排的布置与PLC的输入输出端子以及电源端、接地端和公共端的实际位置一一对应。
I/O模块接口将输入输出信号引入到控制台上。
PLC外部硬件接线图如图1-2所示（PLC外部接线图）。
PC/PPI编程电缆上标有PC的RS一232端连接电脑的RS一232通信接口，标有PPI的RS一485端连接到CPU模块的通信口,并拧紧两边接口的螺丝。
PC/PPI编程电缆通常在试验中下载梯形图程序时使用。
图1-2PLC自动送料I/O接线图
2.系统软件设计
2.1系统功能的分析与设计
PLC软件功能的分析与设计实际上是PLC控制系统的功能分析与设计中的一个重要组成部分。
对于控制系统的整体功能要求，可以通过硬件途径、软件途径或者软硬件结合途径来实现。
因此，在正式编写程序之前，首先要站在控制系统的整体角度上,进行系统功能要求的分配，弄清楚哪些功能是要通过软件的执行来实现的,即明确应用软件所必须具备的功能。
对于一个实用软件，大体上可以从以下两个方面来考虑:
（1）控制功能；
（2）自诊断功能。
作为PLC控制系统，其最基本的要求就是如何通过PLC对被控对象实现人们所希望的控制，所以对于以上两方面，控制功能是最基本的，必不可少。
对于一些简单的PLC控制系统或许仅此功能就可以了，但对于本次自动送料装车系统的设计远远不够.该系统最主要的功能就是实现物料的自动输送及装载功能，但怎样实现呢？
这就要靠及时准确地控制检测开关、阀门、皮带传输送料电动机等元器件来实现。
但是针对不同的元器件,我们要根据需要设计出不同的功能。
比如用皮带传输送料电动机用于传输物料、用阀门打开与闭合控制物料的进出等。
在进行功能的分析、分配之后，要进行具体功能的设计，对于不同的PLC控制系统，其主要依据是根据被控对象和生产工艺要求而定。
在该系统中，设法搞清被控设备（运料小车、皮带传输送料电动机、称重检测装置、物料检测装置等）的动作时序、控制条件、控制精度等等,做出明确具体的规定,分析这些规定是否合理、可行.再者就是，要弄清楚，如果电动机出现轴承损坏；发热;绕组对地及相间短路等故障时,我们应该对其做出相应的保护。
如果经过分析后,认为达不到预期效果（自动传输物料和物料自动装载以及故障报警显示与处理），则要对其进行修订，其中也可能包括与之配合的硬件系统，直至所有的控制功能都被证明是合理可行为止。
第二部分是自诊断功能。
它包括PLC自身工作状态的自诊断和系统中被控设备工作状态的自诊断两部分。
对于前者可利用PLC自身的一些信息和手段来完成。
而对于后者，则可以通过分析被控设备接收到的控制指令及被控工作的反馈信息，来判断被控设备的工作状态。
例如在本设计中，我们用三个热继电器FR1～FR3来实现故障报警及处理。
具体表现为当三个传送带PD1、PD2和PD3中任意一个或多个发生过载时，系统通过不同的信号灯的状态变化实现自动报警，并通过在程序中控制其它被控对象的运行状态来及时准确的处理相应故障。
2.2系统结构的分析与设计
1。
I/O信号的分析与设计
PLC的工作环境是工业现场，工业现场的检测信号（如：
料斗检测信号、车辆检测信号、称重和故障信号等）多种多样，有模拟量（如：
运料小车、物料等），也有开关量（如红灯、绿灯、进/送料阀门等），PLC就以这些现场数据作为对被控对象进行控制的源信息。
同时，PLC又将处理的结果送给被控设备或工业生产过程，驱动各种执行机构（进/送料阀门、皮带传输送料电动机）实现控制。
因此对I/O信息的分析，就是对后面编程所需要的I/O信号进行详细的分析和定义，并以I/O信息表的形式提供给编程人员。
I/O信号分析的主要内容有：
（1）定义每一个输入信号并确定它的地址.该设计中以I/O地址表和PLC外部接线图的形式给出,图中也包含对每一个输入点所做的简洁说明，使其一目了然。
（2）定义每一个输出信号并确定它的地址。
该设计中以I/O地址表和PLC外部接线图的形式给出，图中也包含对每一个输出入点所做的简洁说明，使其一目了然。
（3）审核上述分析设计是否能满足系统规定的功能要求。
若不满足，则需修改，直至满足为止.
2。
数据结构的分析与设计
数据结构设计的任务，就是对程序中所用到的数据结构进行具体的规划和设计，合理地对内存进行估算，提高内存的利用率。
PLC应用程序所需的存储空间，与内存利用率、I/O点数、程序编写水平有关.通常把系统中I/O点数和存放用户机器语言所占内存数之比成为内存利用率.高的内存利用率，占用整个系统的内存比较少,可以大大缩短扫描周期时间，从而提到系统的相应速度。
同样,用户编写程序的优劣对程序的长短和运行时间都有很大的影响，而数据结构的设计必将直接关系到编程质量。
数据结构设计的主要内容有：
（1）按照软件设计要求，将PLC的数据空间做进一步的划分,分为若干个子空间，并对每一个子空间进行具体的定义。
当然,这要以功能算法、硬件设备要求、预计的程序结构和占有量为依据,综合考虑来决定。
（2）应为每一子空间留出适当的裕量，以备以后使用。
该设计中,实验室提供的CPU型号为CPU226CN，它有40个I/O点数，但是我们只需要8个输入点和10个输出点共18个I/O点数，剩下的I/O点数就可以作为裕量使用.I/O信号和数据结构的分析与设计为PLC编程人员提供了重要的依据。
2。
3程序设计的常用方法
在工程中，对PLC应用程序的设计有多种方法，这些方法的使用,也因各个设计人员的技术水平和喜好有较大的差异。
现将常用的几种应用程序的设计方法简要介绍如下。
1。
经验设计法
经验设计法也叫凑试法。
在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上,根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。
这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，可以收到快速、简单的效果。
但是它没有一个普遍的规律可遵循,具有一定的试探性和随意性，最后得到的结果也不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验的多少有关。
经验设计法的具体步骤如下:
（1）确定输入/输出电器；
（2）确定输入和输出点的个数、选择PLC机型、进行I/O分配;
（3）做出系统动作工程流程图；
（4）选择PLC指令并编写程序；
（5）编写其它控制控制要求的程序；
（6）将各个环节编写的程序合理地联系起来，即得到一个满足控制要求的程序.
2.逻辑设计法
工业电气控制线路中，有很多是通过继电器等电器组件来实现的。
而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：
断开和闭合，因此用“0"和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全可以的。
该方法法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC程序的设计，它使用逻辑表达式描述问题.在得出逻辑表达式后,根据逻辑表达式画出梯形图。
因此用逻辑设计法也可以适用于PLC应用程序的设计。
3.顺序控制法
对那些按动作的先后顺序进行控制的系统,非常适合使用顺序控制设计法进行编程。
顺序控制法规律性很强,虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性.在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。
功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件.
功能图由流程步、有向线段、转移和动作组成，在使用时它有一些使用规则,具体如下：
（1）步与步之间必须用转移隔开；
（2）转移与转移之间必须用步隔开；
（3）转移和步之间用有向线段连接，正常画顺序功能图的方向是从上向下或则从左向右。
按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭头。
（4）一个顺序功能图中至少有一个出初始步.
2.4PLC程序设计
根据可编过程控制器系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明书的基础上,用相应的编程语言指令，编制实际应用程序并形成程序说明书的过程就是程序设计。
程序设计要对做一些必要的准备工作，首先要了解系统的概况形成整体概念。
其次熟悉被控对象、编出高质量的程序.再次，充分利用已有的硬件和软件工具.如果是利用计算机编程，可以大大提高编程的效率和质量。
2.4。
1PLC程序流程图
PLC采用计算机控制技术，其程序设计同样可遵循软件工程设计方法，程序工作过程可用流程图2-1表示.由于PLC的程序执行为循环扫描工作方式，因而与计算机程序框图不同点是，PLC程序框图在进行输出刷新后，再重新开始输入扫描,循环执行。
图2—1PLC程序流程图
2.4。
2PLC梯形图设计
图2-2PLC程序梯形图
（一）
图2—3PLC程序梯形图
（二）
图2—4PLC程序梯形图（三）
初始状态：
Q0。
6接通,其它都处于断开状态。
表示小车可以进入。
小车到达：
I0。
0闭合，Q0。
0接通同时Q0。
4接通，延时2秒Q0。
1接通，延时2秒，Q0.2接通。
Q0。
5接通,Q0.6断开。
表示小车已经到达。
开始装料：
I0.2闭合，Q0.4断开,Q0.3接通，表示装料中。
装料完毕：
I0。
1闭合，Q0.3断开同时Q0.0断开，延时2秒Q0.1断开，在延时2秒Q0.2断开，Q0.5断开,Q0。
6闭合.表示小车已经装满并且可以离开。
2。
5组态监控系统设计
2。
5.1监控系统的形成背景
组态王是一个操作平台，它能及时的反映现场的实际情况，有利于工作人员及时的对现场出现的情况做出相应的操作。
组态王6.5（KingView6。
5）是目前国内比较流行的一种国产工业自动化通用组态软件，适用于中小规模工业监控机，价格低廉。
组态王配有加密锁,支持工程加密；驱动程序较为丰富，如支持DDE、板卡、OPC服务器、PLC、智能仪表、智能模块等；支持ActiveX控件、配方管理、数据库访问、网络功能、冗余功能.其扩展性强，可与管理计算机或控制计算机联网通信。
组态王6。
5是亚控科技在组态王6.0x系列版本成功应用后，广泛征询数千家用户的需求和使用经验，采取先进软件开发模式和流程,由十多位资深软件开发工程师历时一年多的开发,及四十多位用户一年多的实际现场考验。
使用更方便，功能更强大，性能更优异,软件更稳定，质量更可靠。
组态王6.5的推出再次验证了亚控科技“以客为尊、务实创新、勤奋正值、协作成长”的经营理念。
亚控科技是一个永远都会将用户利益放在首位的、值得用户信赖的专业自动化软件服务商。
随着Internet科技日益渗透到生产、生活的各个领域，自动化软件的e趋势已发展成为整合IT与工厂自动化的关键。
亚控科技一直是这个领域的开拓者，组态王6.5的Internet版本立足于门户概念，采用最新的JAVA2核心技术，功能更丰富，操作更简单。
整个企业的自动化监控将以一个门户网站的形式呈现给使用者，并且不同工作职责的使用者使用各自的授权口令完成各自的操作，这包括现场的操作者可以完成设备的起停、中控室的工程师可以完成工艺参数的整定、办公室的决策者可以实时掌握生产成本、设备利用率及产量等数据。
组态王6。
5的Internet功能逼真再现现场画面，使您在任何时间任何地点均可实时掌控企业每一个生产细节得以实现,现场的流程画面、过程数据、趋势曲线、生产报表（支持报表打印和数据下载）、操作记录和报警等均轻松浏览。
当然您必须要有授权口令才能完成这些。
用户还可以自己编辑发布的网站首页信息和图标,成为真正企业信息化的Internet门户。
对于自动送料装车系统，组态监控是重要的一步，也是必要的一步。
我们知道自动送料装置一般都是在环境比较恶劣，不利于工作人员现场操作，这样就不能准确的判断现场的实际情况,就不能及时的做出相应的操作。
2。
5.2组态王工程的建立
组态王6.5为我们支持大画面、导航图，用户可以制作任意大小的画面，利用滚动条和导航图控制画面显示内容。
绘制、移动、选择图素时，画面自动跟踪滚动。
方便的变量替换，可以单独替换某个画面中的变量，也可以在画面中任意选中的图素范围内进行变量替换。
自定义菜单，支持二级子菜单。
丰富的提示文本，系统提供丰富的图素提示条文本，包括简单图素和组合图素。
任意选择画面中的图素，在画面中使用键盘和鼠标结合可以任意选择多个图素进行组合、排列等操作。
1.组态主画面的建立
建立新的组态王工程，请首先为工程指定工作目录（或称“工程路径”）。
“组态王6。
5"用工作目录标识工程，不同的工程应置于不同的目录。
工作目录下的文件由“组态王6。
5”自动管理我们打开组态王6。
5软件,首先要求我们新建组态王工程所在的目录，启动“组态王6。
5”工程管理器，选择菜单“文件\新建工程”或单击“新建"按钮，弹出的图框如图2-5所示。
图2-5新建工程向导之一
在弹出图框中单击“下一步”继续,弹出“新建工程向导之二对话框”如图2-6所示,我们首先确定文件存放的目录，然后选择工程所在的目录的路径,点“浏览"选择你所要存放工程的目录，然后点下一步，进入工程向导之三，要求我们为新工程命名，在工程名称文本框中输入工程的名称,该工程名称同时将被作为当前工程的路径名称。
在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字.工程名称长度应小于32个字节，工程描述长度应小于40个字节。
图2—6新建工程向导之二
完成工程的新建如图2-6,单击“完成"完成工程的新建。
系统会弹出对话框，询问用户是否将新建工程设为当前工程，在弹出图框中单击“否”按钮，则新建工程不是工程管理器的当前工程，如果要将该工程设为新建工程，还要执行“文件\设为当前工程”命令；单击“是"按钮，则将新建的工程设为组态王的当前工程.定义的工程信息会出现在工程管理器的信息表格中.
图2-7新建工程向导之三
2。
5。
3组态画面的建立
打开“组态王工程管理器”，在“组态王工程管理器”，中找到我们已经建立好的工程名，点击这个工程名，会弹出来一个提示对话框，我们不用管它直接点“忽略”.然后进入“工程浏览器"。
进入组态王6。
5开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面,在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象.系统为用户提供了矩形（圆角矩形）、直线、椭圆（圆）、扇形（圆弧）、点位图、多边形（多边线）、文本等基本图形对象，及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象。
提供了对图形对象在窗口内任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作，全面支持键盘、鼠标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工具。
1.定义新画面
进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件\画面”,在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标。
在“画面名称”处输入新的画面名称,如自动送料装车系统,其它属性目前不用更改。
点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统。
分别如图2—8、图2—9所示。
图2-8工程浏览器界面
图2-9组态画面
2。
编辑画面
当我们建立画面后，接下来就是对画面进行编辑，我们首先找到“工具箱”，如图2—10所示，一般都在我们的新画面的右边栏上,如果不小心关闭了我们可以在主菜单中找到，在菜单“工具/显示工具箱”的左端有“”号，表示选中菜单；没有“”号，屏幕上的工具箱也同时消失，再一次选择此菜单,“”号出现，工具箱又显示出来.
图2-10工具箱
工具箱提供了许多常用的菜单命令,也提供了菜单中没有的一些操作。
当鼠标放在工具箱任一按钮上时，立刻出现一个提示条标明此工具按钮的功能,用户在每次修改工具箱的位置后,组态王会自动记忆工具箱的位置，当用户下次进入组态王时，工具箱返回上次用户使用时的位置。
2.5。
4定义I/O设备
组态王6。
5把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备.外部设备包括：
下位机（PLC、仪表、模块、板卡、变频器等），它们一般通过串行口和上位机交换数据；其他Windows应用程序,它们之间一般通过DDE交换数据;外部设备还包括网络上的其他计算机.
本文设计中使用西门子S7—200PLC和组态王6.5进行通信。
S7—200PLC可以通过PLC为组态王提供数据.假设西门子S7-200PLC连接在计算机的COM1口。
定义I/O设备的具体步骤如下：
继续上面的工程.选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建"图标，运行“设备配置向导”.在弹出图框中选择“西门子PLC”的“S7-200系列"的“PPI”项,单击“下一步”,弹出“设备配置向导"。
如图2-11所示.
为外部设备取一个名称，输入新IO设备,单击“下一步”，弹出“设备配置向导”，为设备选择连接串口，假设为COM1，单击“下一步"，弹出“设备配置向导”，填写设备地址,假设为2,单击“下一步”,弹出“设备配置向导”。
在弹出图框中设置通信故障恢复参数（一般情况下使用系统默认设置即可），单击“下一步"，弹出“设备配置向导”，请检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。
设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“新IO设备”。
在定义数据库变量时，只要把IO变量连结到这台设备上，它就可以和组态王6。
5交换数据了.
图2-11定义外部设备
2.5.5构造数据库
在工程浏览器中左边的目录树中选择“数据词典”项,右侧的内容显示区会显示当前工程中所定义的变量。
双击“新建”图标，弹出“定义变量”属性对话框如图2—12所示。
变量属性由基本属性、报警配置、记录配置三个属性页组成。
采用这种卡片式管理方式，用户只要用鼠标单击卡片顶部的属性标签，则该属性卡片有效,用户可以定义相应的属性.“变量属性”对话框如下所示单击“确定”按钮，则工作人员定义的变量有效时保存新建的变量名到数据库的数据词典中。
若变量名不合法，会弹出提示对话框提醒工程人员修改变量名。
单击“取消"按钮，则工作人员定义的变量无效，并返回“数据词典”界面。
图2—12定义变量
在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框。
在“变量名”处输入变量名，如：
运料小车；在“变量类型”处选择变量类型如：
内存实数，其它属性目前不用更改，单击“确定"即可。
下面继续定义一个IO变量。
在“变量名”处输入变量名，如:
红灯；在“变量类型”处选择变量类型如：
IO整数；在“连接设备”中选择先前定义好的IO设备：
新IO变量；在“寄存器"中定义为：
Q0。
6；在“数据类型"中定义为:
Bit类型。
其它属性目前不用更改,单击“确定"即可。
同样其他连接I/O变量也可以用这样的方式获得,如图2—13经定义好的数据库:
图2—13数据词典
2.5.6建
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