管节立式蒸养控制系统的实现与测试

石淼

摘 要： 根据管节立式蒸养工艺要求，采用西门子S7?300系列PLC，开发了基于西门子组态软件WINCC及编程软件STEP7的控制系统。介绍了系统的人机界面的实现及软件设计。实践表明，该系统工作可靠、自动化程度高。

关键词： 立式蒸养； PLC； 温度控制； STEP7

中图分类号： TN911.7?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）13?0126?03

Implementation and testing of vertical steam?curing control system of pipe pile

SHI Miao

（Jiangsu Automation Research Institute， Lianyungang 222006， China）

Abstract： Accordings to the request of vertical steam?curing of pipe pile， the control system bases on WINCC and STEP7 was developed with Siemens S7?300 PLC. The software design and realization of human?machine interface are presents. The actual application shows that the system is reliable and has high degree of automation.

Keywords： vertical steam?curing； PLC； temperature control； STEP7

0 引 言

蒸养作为高品质混凝土产品的生产过程中的一道关键工序主要用于在规定的时间范围内使混凝土保持适当的温度，以使混凝土的品质及耐久性得到可靠的保证。由于工艺过程长达十多小时，如采用人工监控的方法来实现，很容易出人为的差错，控制的精度也很难保证。本文通过对管节立式蒸养系统控制过程的研究，提出了基于西门子S7?300系列PLC及WINCC的监控系统，通过现场应用取得了良好的效果。

1 工艺简介

管节立式蒸养控制系统通过PLC实现30路共60部加热窑的温度控制，具有实时监视、打印表格、温度曲线、超温报警、历史资料保存，报表数据打印等功能。系统采集现场铂电阻温度信号，通过开关蒸汽电磁阀实现温度按照分段控制曲线调节。温度分段控制至少6段，控制精度≤±1℃，温度范围为10～120 ℃，分段控制温度曲线斜率可随意设定，有手动?自动切换功能。每路配有独立的显示温度表头，可单独对故障支路实行手动控制。

2 系统构成

蒸养温度控制系统由操作员站和控制柜组成。操作员站采用研华工控机。控制部分采用西门子S7?300系列PLC。S7?300 是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用。模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7?300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。S7?300具有广泛的应用领域，多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加模块对PLC 进行扩展。

根据控制要求，系统选用CPU 314作为主控制单元，通过8路SM331 RTD模块采集现场铂电阻信号，由32路DC 24 V数字量输出模块控制蒸汽电磁阀的开启与关断。在控制柜上配有触摸屏，操作员站、PLC与触摸屏通过多点接口（MPI）进行通信。当操作员站出现故障时，操作人员完全可以通过触摸屏完成所有的设置以及操作，提高了系统的可靠性。系统的连接如图1所示。

3 人机界面设计

人机界面的设计主要通过西门子组态软件WINCC来完成。WinCC是运行于Windows 2000和XP下的Windows控制中心，是一个模块化、可延展的系统，扩展非常灵活。可用于操作和监控、报警、记录、归档和管理等。

图1 控制系统连接图

人机界面主要由加热窑分布图、表格数据、温度趋势图、温度控制折线设定及报警查询五部分组成，通过点击按钮即可进入相对应的界面。开机后系统自动进入加热窑分布图的操作界面。加热窑分布图集中显示所有加热窑当前状态、蒸汽电磁阀状态、实时温度以及报警情况。通过单击加热窑图标，即可进入相应加热窑控制对话框（见图2）。在对话框中集成了自动运行、停止以及跳入下一阶段三个按钮并对阀门状态、实际温度、设定温度、当前阶段号以及运行时间进行集中显示。通过点击自动运行按钮，程序即按照温度控制折线设定界面设定的参数自动运行，在运行期间如果需要跳出本步序温度设定曲线使温度按照下一步序温度设定曲线运行只需点击跳入下一阶段按钮即可，此时对话框中相应的参数也随之自动调整。

图2 加热窑控制对话框

表格数据中集成了所有加热窑状态、设定温度、实际温度、阀门状态、当前阶段号、当前阶段运行时间等的信息。趋势图中包含所有加热窑的温度趋势，点击任一个按钮即可进入相应的趋势图。点击全景图上的“报警查询”按钮既可进入报警页面，该页面既可显示实时及以前的报警信息，又可以查看消除报警的信息。

点击任一界面上的“温度控制折线设定”按钮即可进入温度分段控制参数设定界面。操作员根据需要可以设定最多十个阶段的温度及各阶段对应的时间值。设定完成后按“刷新”按钮，系统即可按照编定的程序将设定值在曲线图上显示出来。当加热窑开始运行后，相应的温度趋势图上也将同时显示设定曲线和实际温度曲线，以便操作人员时时对比观察相关数据。

4 软件实现

系统采用西门子STEP7编程。STEP7是一种用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包，它是SIMATIC工业软件的一部分。STEP7支持梯形图、语句表及功能块图的编程方式。编程人员可根据需要灵活选择编程方式，主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

当现场准备完毕，操作人员点击自动运行按钮后，程序进入自动运行状态。首先初始化程序，初始化程序完成对当前步序号、当前步序时间设定值、当前步序时间计数器值、上次设定温度的置数并将温度分段控制参数设定界面设定的初始温度赋值给本次设定温度。计时器计时6 min后，当前步序时间计数器值加1，调用有参功能FC2（见图4），程序将当前步序时间计数器值及其他参数赋值给FC2，FC2根据程序计算出当前步序温度设定值，该值作为PID调节功能的输入参数被赋值给由连续控制器FC41及脉冲发生器FC43组成的PID控制器。PID控制器经过PID计算输出控制电磁阀开关的脉冲信号。此时比较现场反馈值与当前步序温度设定值，当现场反馈值小于当前步序温度设定值时开阀，否则关阀。在当前步序时间计数器值等于设定值以及跳步指令为1时FC2产生步序结束指令。当步序结束指令为1时，对跳步指令复位，对当前步序时间计数器值置0，当前步序号加1，调用有参功能FC4，将温度分段控制参数设定界面设定的下一步序相关参数赋值给程序中对应的参数，之后程序按照下一步序设定参数运行。

4.1 调用有参功能

有参功能是指编辑功能（FC）时在局部变量声明表内定义了形参，在功能中使用了虚拟的符号地址完成控制程序的编程，以便在其他块中能重复调用有参功能。有参功能可以被程序任意调用，在调用时需用实参给形参赋值。由于管节立式蒸养控制系统由30路共60部相同配置、完成相同功能的加热窑系统组成，势必出现大量内容相同仅仅是参数不同的程序，此时不妨通过调用有参功能来减少编程时间，降低存储器用量。以调用有参功能FC2为例，各路加热窑系统仅需在调用FC2时使用各自当前步序的实参赋值给相对应的形参后，有参功能FC2即可按照程序计算出本步序设定温度并判断步序是否结束。

图4 有参功能FC2流程图

4.2 PID调节

温度控制作为蒸养控制系统的核心内容，对产品品质有着极大的影响。由于整个系统通过开关蒸汽电磁阀实现对加热蒸汽的控制，所以系统采用由连续调节功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”配合脉冲宽度调制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN”实现对温度的PID调节。SFB 41/FB 41 “CONT_C”（连续控制器）用于使用连续的I/O变量在SIMATIC S7控制系统中控制技术过程。SFB 43/FB 43“PULSEGEN”（脉冲发生器）可以用于为PID控制器使用比例执行机构的脉冲输出。使用脉冲发生器，可以通过脉冲宽度调制，组态PID两步或三级控制器。

程序调用连续调节功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”，将根据有参功能FC2计算出的当前步序温度设定值赋值给“SP_INT”端，与“PV_IN”端的实际值比较，按照设定的PID参数计算出温度的PID计算输出值（“LMN”端）。延时一定时间后将延时结束时通过连续调节功能SFB 41/FB 41计算出的温度的PID计算输出值赋值给脉冲宽度调制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN”的输入端“INV”，功能“PULSEGEN”可以通过调制脉冲宽度，将输入变量“INV”转换为一个恒定周期的脉冲串，发出电磁阀自动控制指令，从而通过开关电磁阀实现蒸汽量的调节。

5 系统测试

开发工作不可避免地会引入错误，因此系统开发完后，要对整个系统进行测试，便于在实验室阶段能及时发现和改正错误，用尽可能少的投入发现尽可能多的问题和错误，减少正式投产时由于软件缺陷给用户带来的损失。

5.1 测试环境搭建

要进行系统的测试，首先要搭建系统测试环境。由于在测试过程中并未连接真实的设备，采用信号源、电压源等设备来模拟现场设备采集信号，使用万用表、示波器等设备来测量系统输出信号。测试环境连接示意如图5所示。

图5 测试环境连接示意图

5.2 测试过程分析

系统运行时，PLC控制器采集现场各参数值参与过程控制，并向各设备输出控制命令。同时，与组态软件进行信息交互，上传参数值并响应用户指令。综合考虑组态软件的特点，控制系统的测试需要覆盖到以下几个方面：

（1） 主程序测试。主要测试组态软件的起动方式、菜单管理、系统画面显示与切换、操作响应等的正确性。

（2） 参数的数值显示测试。组态软件显示现场参数采集值，测试采集输入值与显示值是否一致。测试过程的步骤如下：连接线路→施加激励→测量输入→数据显示→比较输入与显示的一致性。

（3） 控制过程的测试。控制器根据采集到的现场的数据，自动进行过程控制，测试控制器的输出信号是否正确。测试过程的步骤如下：连接线路→施加激励→测量输入→读取数据→数据处理→输出结果→测量输出→验证输出的正确性。

（4） 组态数据库的测试。组态数据库包括组态和实际测试阶段生成的各种组态数据（历史数据和实时数据），如系统配置文件、测试文件、报表组态文件、以及变量表等。用户可根据需要查询，并可将其做成测试报表的形式打印出来。

（5） 实时趋势与历史趋势的测试。组态软件可以对模拟量进行记录。选择参数，可以通过改变当前参数值来查看实时趋势显示的正确性；输入查询时间，查看一段时间参数值的历史趋势显示的正确性。

（6） 异常输入数据的测试。参数输入类型包括模拟量、开关量。当输入的数据范围超过了参数的设定范围，测试系统是否能够进行保护。

6 结 语

本文介绍了基于西门子自动化系列产品的管节立式蒸养控制系统的设计与测试。应用该系统减少了对能源及原材料的消耗，提高了生产效率，降低了人员及生产成本。同时，经过测试大大降低了系统的缺陷，提高了系统的可靠性，实现了较好的社会效益及经济效益。

参考文献

[1] 胡健.西门子S7?300PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 朱建鸿.蒸汽养护窑温度计算机控制系统[D].无锡：江南大学，2004.

[3] 西门子（中国）有限公司.S7?300和S7?400的梯形图（LAD）编程[M].北京：西门子（中国）有限公司，2004.

[4] 西门子（中国）有限公司.WINCC组态手册[M].北京：西门子（中国）有限公司，1999.

[5] 汪云祥.自动测试系统组态软件的研究与设计[D].合肥：合肥工业大学，2003.

[6] 杨晟.基于S7?200 PLC的太阳能电池自动跟踪实训系统[J].现代电子技术，2013，36（21）：165?167.

4 软件实现

系统采用西门子STEP7编程。STEP7是一种用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包，它是SIMATIC工业软件的一部分。STEP7支持梯形图、语句表及功能块图的编程方式。编程人员可根据需要灵活选择编程方式，主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

当现场准备完毕，操作人员点击自动运行按钮后，程序进入自动运行状态。首先初始化程序，初始化程序完成对当前步序号、当前步序时间设定值、当前步序时间计数器值、上次设定温度的置数并将温度分段控制参数设定界面设定的初始温度赋值给本次设定温度。计时器计时6 min后，当前步序时间计数器值加1，调用有参功能FC2（见图4），程序将当前步序时间计数器值及其他参数赋值给FC2，FC2根据程序计算出当前步序温度设定值，该值作为PID调节功能的输入参数被赋值给由连续控制器FC41及脉冲发生器FC43组成的PID控制器。PID控制器经过PID计算输出控制电磁阀开关的脉冲信号。此时比较现场反馈值与当前步序温度设定值，当现场反馈值小于当前步序温度设定值时开阀，否则关阀。在当前步序时间计数器值等于设定值以及跳步指令为1时FC2产生步序结束指令。当步序结束指令为1时，对跳步指令复位，对当前步序时间计数器值置0，当前步序号加1，调用有参功能FC4，将温度分段控制参数设定界面设定的下一步序相关参数赋值给程序中对应的参数，之后程序按照下一步序设定参数运行。

4.1 调用有参功能

有参功能是指编辑功能（FC）时在局部变量声明表内定义了形参，在功能中使用了虚拟的符号地址完成控制程序的编程，以便在其他块中能重复调用有参功能。有参功能可以被程序任意调用，在调用时需用实参给形参赋值。由于管节立式蒸养控制系统由30路共60部相同配置、完成相同功能的加热窑系统组成，势必出现大量内容相同仅仅是参数不同的程序，此时不妨通过调用有参功能来减少编程时间，降低存储器用量。以调用有参功能FC2为例，各路加热窑系统仅需在调用FC2时使用各自当前步序的实参赋值给相对应的形参后，有参功能FC2即可按照程序计算出本步序设定温度并判断步序是否结束。

图4 有参功能FC2流程图

4.2 PID调节

温度控制作为蒸养控制系统的核心内容，对产品品质有着极大的影响。由于整个系统通过开关蒸汽电磁阀实现对加热蒸汽的控制，所以系统采用由连续调节功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”配合脉冲宽度调制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN”实现对温度的PID调节。SFB 41/FB 41 “CONT_C”（连续控制器）用于使用连续的I/O变量在SIMATIC S7控制系统中控制技术过程。SFB 43/FB 43“PULSEGEN”（脉冲发生器）可以用于为PID控制器使用比例执行机构的脉冲输出。使用脉冲发生器，可以通过脉冲宽度调制，组态PID两步或三级控制器。

程序调用连续调节功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”，将根据有参功能FC2计算出的当前步序温度设定值赋值给“SP_INT”端，与“PV_IN”端的实际值比较，按照设定的PID参数计算出温度的PID计算输出值（“LMN”端）。延时一定时间后将延时结束时通过连续调节功能SFB 41/FB 41计算出的温度的PID计算输出值赋值给脉冲宽度调制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN”的输入端“INV”，功能“PULSEGEN”可以通过调制脉冲宽度，将输入变量“INV”转换为一个恒定周期的脉冲串，发出电磁阀自动控制指令，从而通过开关电磁阀实现蒸汽量的调节。

5 系统测试

开发工作不可避免地会引入错误，因此系统开发完后，要对整个系统进行测试，便于在实验室阶段能及时发现和改正错误，用尽可能少的投入发现尽可能多的问题和错误，减少正式投产时由于软件缺陷给用户带来的损失。

5.1 测试环境搭建

要进行系统的测试，首先要搭建系统测试环境。由于在测试过程中并未连接真实的设备，采用信号源、电压源等设备来模拟现场设备采集信号，使用万用表、示波器等设备来测量系统输出信号。测试环境连接示意如图5所示。

图5 测试环境连接示意图

5.2 测试过程分析

系统运行时，PLC控制器采集现场各参数值参与过程控制，并向各设备输出控制命令。同时，与组态软件进行信息交互，上传参数值并响应用户指令。综合考虑组态软件的特点，控制系统的测试需要覆盖到以下几个方面：

（1） 主程序测试。主要测试组态软件的起动方式、菜单管理、系统画面显示与切换、操作响应等的正确性。

（2） 参数的数值显示测试。组态软件显示现场参数采集值，测试采集输入值与显示值是否一致。测试过程的步骤如下：连接线路→施加激励→测量输入→数据显示→比较输入与显示的一致性。

（3） 控制过程的测试。控制器根据采集到的现场的数据，自动进行过程控制，测试控制器的输出信号是否正确。测试过程的步骤如下：连接线路→施加激励→测量输入→读取数据→数据处理→输出结果→测量输出→验证输出的正确性。

（4） 组态数据库的测试。组态数据库包括组态和实际测试阶段生成的各种组态数据（历史数据和实时数据），如系统配置文件、测试文件、报表组态文件、以及变量表等。用户可根据需要查询，并可将其做成测试报表的形式打印出来。

（5） 实时趋势与历史趋势的测试。组态软件可以对模拟量进行记录。选择参数，可以通过改变当前参数值来查看实时趋势显示的正确性；输入查询时间，查看一段时间参数值的历史趋势显示的正确性。

（6） 异常输入数据的测试。参数输入类型包括模拟量、开关量。当输入的数据范围超过了参数的设定范围，测试系统是否能够进行保护。

6 结 语

本文介绍了基于西门子自动化系列产品的管节立式蒸养控制系统的设计与测试。应用该系统减少了对能源及原材料的消耗，提高了生产效率，降低了人员及生产成本。同时，经过测试大大降低了系统的缺陷，提高了系统的可靠性，实现了较好的社会效益及经济效益。

参考文献

[1] 胡健.西门子S7?300PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

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[6] 杨晟.基于S7?200 PLC的太阳能电池自动跟踪实训系统[J].现代电子技术，2013，36（21）：165?167.

4 软件实现

系统采用西门子STEP7编程。STEP7是一种用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包，它是SIMATIC工业软件的一部分。STEP7支持梯形图、语句表及功能块图的编程方式。编程人员可根据需要灵活选择编程方式，主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

当现场准备完毕，操作人员点击自动运行按钮后，程序进入自动运行状态。首先初始化程序，初始化程序完成对当前步序号、当前步序时间设定值、当前步序时间计数器值、上次设定温度的置数并将温度分段控制参数设定界面设定的初始温度赋值给本次设定温度。计时器计时6 min后，当前步序时间计数器值加1，调用有参功能FC2（见图4），程序将当前步序时间计数器值及其他参数赋值给FC2，FC2根据程序计算出当前步序温度设定值，该值作为PID调节功能的输入参数被赋值给由连续控制器FC41及脉冲发生器FC43组成的PID控制器。PID控制器经过PID计算输出控制电磁阀开关的脉冲信号。此时比较现场反馈值与当前步序温度设定值，当现场反馈值小于当前步序温度设定值时开阀，否则关阀。在当前步序时间计数器值等于设定值以及跳步指令为1时FC2产生步序结束指令。当步序结束指令为1时，对跳步指令复位，对当前步序时间计数器值置0，当前步序号加1，调用有参功能FC4，将温度分段控制参数设定界面设定的下一步序相关参数赋值给程序中对应的参数，之后程序按照下一步序设定参数运行。

4.1 调用有参功能

有参功能是指编辑功能（FC）时在局部变量声明表内定义了形参，在功能中使用了虚拟的符号地址完成控制程序的编程，以便在其他块中能重复调用有参功能。有参功能可以被程序任意调用，在调用时需用实参给形参赋值。由于管节立式蒸养控制系统由30路共60部相同配置、完成相同功能的加热窑系统组成，势必出现大量内容相同仅仅是参数不同的程序，此时不妨通过调用有参功能来减少编程时间，降低存储器用量。以调用有参功能FC2为例，各路加热窑系统仅需在调用FC2时使用各自当前步序的实参赋值给相对应的形参后，有参功能FC2即可按照程序计算出本步序设定温度并判断步序是否结束。

图4 有参功能FC2流程图

4.2 PID调节

温度控制作为蒸养控制系统的核心内容，对产品品质有着极大的影响。由于整个系统通过开关蒸汽电磁阀实现对加热蒸汽的控制，所以系统采用由连续调节功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”配合脉冲宽度调制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN”实现对温度的PID调节。SFB 41/FB 41 “CONT_C”（连续控制器）用于使用连续的I/O变量在SIMATIC S7控制系统中控制技术过程。SFB 43/FB 43“PULSEGEN”（脉冲发生器）可以用于为PID控制器使用比例执行机构的脉冲输出。使用脉冲发生器，可以通过脉冲宽度调制，组态PID两步或三级控制器。

程序调用连续调节功能SFB 41/FB 41 “CONT_C”，将根据有参功能FC2计算出的当前步序温度设定值赋值给“SP_INT”端，与“PV_IN”端的实际值比较，按照设定的PID参数计算出温度的PID计算输出值（“LMN”端）。延时一定时间后将延时结束时通过连续调节功能SFB 41/FB 41计算出的温度的PID计算输出值赋值给脉冲宽度调制器SFB 43/FB 43“PULSEGEN”的输入端“INV”，功能“PULSEGEN”可以通过调制脉冲宽度，将输入变量“INV”转换为一个恒定周期的脉冲串，发出电磁阀自动控制指令，从而通过开关电磁阀实现蒸汽量的调节。

5 系统测试

开发工作不可避免地会引入错误，因此系统开发完后，要对整个系统进行测试，便于在实验室阶段能及时发现和改正错误，用尽可能少的投入发现尽可能多的问题和错误，减少正式投产时由于软件缺陷给用户带来的损失。

5.1 测试环境搭建

要进行系统的测试，首先要搭建系统测试环境。由于在测试过程中并未连接真实的设备，采用信号源、电压源等设备来模拟现场设备采集信号，使用万用表、示波器等设备来测量系统输出信号。测试环境连接示意如图5所示。

图5 测试环境连接示意图

5.2 测试过程分析

系统运行时，PLC控制器采集现场各参数值参与过程控制，并向各设备输出控制命令。同时，与组态软件进行信息交互，上传参数值并响应用户指令。综合考虑组态软件的特点，控制系统的测试需要覆盖到以下几个方面：

（1） 主程序测试。主要测试组态软件的起动方式、菜单管理、系统画面显示与切换、操作响应等的正确性。

（2） 参数的数值显示测试。组态软件显示现场参数采集值，测试采集输入值与显示值是否一致。测试过程的步骤如下：连接线路→施加激励→测量输入→数据显示→比较输入与显示的一致性。

（3） 控制过程的测试。控制器根据采集到的现场的数据，自动进行过程控制，测试控制器的输出信号是否正确。测试过程的步骤如下：连接线路→施加激励→测量输入→读取数据→数据处理→输出结果→测量输出→验证输出的正确性。

（4） 组态数据库的测试。组态数据库包括组态和实际测试阶段生成的各种组态数据（历史数据和实时数据），如系统配置文件、测试文件、报表组态文件、以及变量表等。用户可根据需要查询，并可将其做成测试报表的形式打印出来。

（5） 实时趋势与历史趋势的测试。组态软件可以对模拟量进行记录。选择参数，可以通过改变当前参数值来查看实时趋势显示的正确性；输入查询时间，查看一段时间参数值的历史趋势显示的正确性。

（6） 异常输入数据的测试。参数输入类型包括模拟量、开关量。当输入的数据范围超过了参数的设定范围，测试系统是否能够进行保护。

6 结 语

本文介绍了基于西门子自动化系列产品的管节立式蒸养控制系统的设计与测试。应用该系统减少了对能源及原材料的消耗，提高了生产效率，降低了人员及生产成本。同时，经过测试大大降低了系统的缺陷，提高了系统的可靠性，实现了较好的社会效益及经济效益。

参考文献

[1] 胡健.西门子S7?300PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 朱建鸿.蒸汽养护窑温度计算机控制系统[D].无锡：江南大学，2004.

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[4] 西门子（中国）有限公司.WINCC组态手册[M].北京：西门子（中国）有限公司，1999.

[5] 汪云祥.自动测试系统组态软件的研究与设计[D].合肥：合肥工业大学，2003.

[6] 杨晟.基于S7?200 PLC的太阳能电池自动跟踪实训系统[J].现代电子技术，2013，36（21）：165?167.