西门子模块6ES7368-3CB01-0AA0详细说明

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    步进电机常用的升降频控制方法有2种：直线升降频和指数曲线升降频。指数曲线法具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性差。直线法平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。
      步进电机驱动器驱动执行机构从一个位置向另一个位置移动时，要经历升速、恒速和减程。当步进电机的运行频率低于其本身起动频率时，可以用运行频率直接起动并以此频率运行，需要停止时，可从运行频率直接降到零速。当步进电机运行频率fb>fa（有载起动时的起动频率）时，若直接用fb频率起动会造成步进电机失步甚至堵转。
      目前较为先进的PLC不仅具有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供了丰富的功能指令。Siemens S7-200系列PLC的PLUS指令在Q0.0和Q0.1输出PTO或PWM高速脉冲，较大输出频率为20KHz。脉冲串（PTO）提供方波输出（50%占空比），用户控制周期和脉冲数。脉冲宽度可调制（PWM）能提供连续、变占空比输出，用户控制周期和脉冲宽度。
      工业机床控制在工业自动化控制中占有重要位置，定位钻孔是常用工步。设或工作台欲从A点移至C点，已知AC=200mm，把AC划分为AB与BC两段，AB=196mm，BC=4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量依据直线升降频规律快速移动，BC段为精定位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量，以B点的低频恒速运动完成精确定位。在粗定位结束进入精定位的同时，PLC自动实现变速机构的更换。
      同样在fb频率下突然停止时，由于惯性作用，步进电机会发生过冲，影响定位精度。如果非常缓慢的升降速，步进电机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。所以对步进电机加减速要保在不失步和过冲前提下，用较快的速度（或较短的时间）移动到*位置。

 步进电机的可编程控制器直接控制，可使组合机床自动生产线控制系统的成本显著下降。文章介绍了用PLC控制步进电机驱动的数控滑台方法，伺服控制、驱动及接口以及步进电机PLC控制的软件逻辑。

    1 概述

    在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；（2）机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；（3）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称PLC）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制更显示出其**的性能。PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70~，甚至只占用自动线控制单元PLC的3~5个I/O接口及<1KB的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。

    2 PLC控制的数控滑台结构

    一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，

    伺服传动机构中的齿轮Z1、Z2应该采取消隙措施，避免产生反向死区或使加工精度下降；而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求，确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副，具有传动效、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但成本较高且不能自锁。   

    3 数控滑台的PLC控制方法

    数控滑台的控制因素主要有三个：

    3.1 行程控制

    一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：

    n= DL/d                      （1）

    式中 DL——伺服机构的位移量（mm），d ——伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）

    3.2  进给速度控制

    伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率:

    f=Vf/60d   (Hz)              （2）

    式中 Vf——伺服机构的进给速度(mm/min)

    3.3  进给方向控制

进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转;当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。

  4 PLC的软件控制逻辑

    由滑台的PLC控制方法可知，应使步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲，可以利用PLC中的定时器构成，如图2所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时，计数器C10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用PLC中的高速脉冲发生器。不同的PLC其高速脉冲的频率可达4000~6000Hz。对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以得到充分满足。

    5 伺服控制、驱动及接口

    5.1 步进电机控制系统的组成

    步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，其结构见图1。

    控制系统中PLC用来产生控制脉冲；通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量；同时通过编程控制脉冲频率——既伺服机构的进给速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也可以采用如图1所示的硬件环行分配器。采用软环占用的PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数M>4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数，目前市场有多种**芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几~几十伏特、几十~几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。

    5.2 可编程控制器的接口

    如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用PLC的I/O口点数少于5点，一般仅为3点。其中I口占用一点，作为启动控制信号；O口占用2点，一点作为PLC的脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控制信号，接至硬环的相序分配控制端，

6 应用实例与结论

    将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4个I/O接口，节省了CNC控制系统，其脉冲当量为0.01~0.05mm,进给速度为Vf=3~15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求

步进电机位移与输入脉冲信号数相对应，精度高、响应特性好、可靠性高、速度可在较宽范围内平滑调节，是控制系统中一种重要的自动化执行元件。
    SCM(Single Chip Microcomputer，单片机)是把组成微型计算机的*处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器／计数器等制作在一块集成电路芯片中，它具有小巧、低功耗、指令系统丰富等优点，成为工业控制的主角。
    PLC(Programmable Logic Controller，可编程序逻辑控制器)是以微型计算机为核心的一种工控机。其控制方案能事先进行模拟调试，自身设计采用了冗余措施和容错技术。由于PLC通用性强，编程操作方便，扩展灵活，可靠性高，应用几乎覆盖各个工业领域。
    步进电机的电脉冲信号若由SCM产生，就构成以SCM为核心的控制系统。若电脉冲信号由PLC产生，就构成以PLC为核心的控制系统。
1 步进电机驱动方式
    反应式步进电机频率响应快、可双向旋转、定位准确、起停速度快，因而使用多，具有代表性。三相反应式步进电机定子有6个等间隔的磁极，线圈绕过相互正对的两个磁极构成一相，共有A—A、B—B和C—C三相。根据步进电机的工作原理，若按顺序给步进电机的绕组施加有序的脉冲电流即可控制步进电机的转动，从而进行数字到角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动的方向则与脉冲的顺序有关。
    从一相通电转到另一相通电称为一拍，对三相反应式步进电机来说，若按A→B→C→A顺序通电，则称为单相三拍运行方式。若按A→AB→B→BC→C→C→A→A顺序通电，则称为三相六拍运行方式。若按AB→BC→CA→AB顺序通电，则称为双相三拍运行方式。一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机，必须要有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。驱动电路不仅应该包含由功率开关器件构成的驱动主电路，还应包含一个逻辑单元，在输入脉冲序列的作用下输出定子绕组通电状态，控制主电路功率开关器件的导通与关断。典型的驱动电路主要有全电压，恒流斩渡，升频升压等形式。
2 基于SCM的步进电机控制方法
    2.1 控制原理
    SCM的P1口作为输出口，P1.0，P1.1，P1.2分别输出控制脉冲，通过7406驱动脉冲功率放大级的达林顿复合管，再分别控制三相步进电机的A、B、C三相。根据P1口输出控制信号的状态，即可实现对步进电机的正反转控制。
    步进电机工作在三相六拍时的控制字。从中可以看出，步进电机**个控制字数据为01H，从上到下输出控制字时，电机正转，自下而上输出控制字数据时，电机反转。步进电机运行一拍的时间决定了步进电机的转速。在输出一个控制字后加入一定的延时时间，即可控制步进电机的转速

    2.2 控制程序
    设SCM工作寄存器R3中存放了步进电机要走的步数，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1(D5H)中，当F1为“0”时步进电机正转，F1为“1”时步进电机反转。正转控制字存放在片内数据存储器20H～25H中，26H中存放结束标志00H。在27H开始的存储区存放反转控制字，在2DH单元存放结束标志00H。SCM可以采用程序延时和定时器延时。下面利用定时器延时，以中断方式输出控制脉冲。
3 基于PLC的步进电机控制方法
 
    本文以OMRON的CQM1型机为例，分析通过PLC的软件设计来实现步进电机的脉冲分配。
    由移位寄存器SFT(10)指令循环输出实现脉冲分配，步进电机工作在三相六拍时的状态由内部辅助寄存器IR016的00～05继电器控制，为实现循环控制，由第6位信号01605作为反馈信号接到SFT的数据输入端IN。SFT的移位脉冲输入端CP可由PLC内部高速定时器通过编程实现，本设计中为方便起见。采用了内部特殊继电器SR25500。SFT的复位输入端R接步进电机停止信号，该端为ON时，数据通道IR016的所有位置0，并且不接受数据输入。
    IR016与步进电机通电绕组的对应关系，在步进电机正转时，当移位数据信号移到**位时。移位寄存器SFT**位01600的输出应接通步进电机的A相；移到第二位时，应接通A相和B相；其余如此类推。以A相绕组为例，当辅助继电器01600、01601、01605中任一个接通时(并联关系)，A相通电。移位寄存器每一位的输出信号**动与步进电机各相对应的输出继电器，再由输出继电器通过功率放大器驱动步进电机。

工作过程简单描述如下：由输入端00000得电发出启动信号，*微分指令DIFU(13)保证移位寄存器SFT(10)指令中移位数据初始信号01600的一性。移位寄存器在移位脉冲的作用下顺序左移，实现6位脉冲分配，由输出继电器10000、10001、10002分别去接通步进电机的A、B、C三相。步进电机转速可由移位寄存器SFT的脉冲输入端控制，转向由继电器02603控制。当输入端00001无效时，KEEP(11)指令的置位端02600保证02603得电且保持该状态，电机正转；当00001为ON时，KEEP(11)指令的复位端02601使02603失电而恢复原状态，电机反转。

4 结束语
    比较步进电机的SCM和PLC的控制方法可知。SCM采用定时器延时，以中断方式输出控制脉冲；PLC采用移位指令和内部特殊继电器，以循环顺序扫描方式输出控制脉冲。SCM采用汇编语言(或C语言)编程，其指令系统的同有格式受硬件结构的限制很大，编写和调试要求具备一定语言程序设计基础；而编写PLC程序，即可以采用语句表(助记符)，又可以采用梯形图，梯形图简单易懂，通过图形编程器容易实现。SCM控制系统设计周期长，一般需要程序扩展，硬件方面需要经过印刷电路板设计等过程；PLC控制系统采用模块化结构，可在线修改控制程序，并实现实时监控，因而设计。PLC系统扩展灵活，可以在原有控制系统基础上进行功能扩展，能有效降，适应于复杂的工业控制环境。
    用SCM和PLC来实现步进电机控制脉冲的产生和分配，可以通过编程在一定范围内自由地设定步进电机的转速，而且还可以灵活地控制步进电机的运行状态。这两种控制方式都不需要反馈就能对位置或速度进行控制，且位置误差不会积累；用软件编程代替硬件控制，不仅减少了系统设计的工作量，而且提高了控制系统的可靠性。

1　引言

可编手里逻辑控制器PLC进入国内工业控制领域己近十年了，早期的PLC由于受硬件的构成及软件环境的局限，其应用范围受到二定的限制。近几年来，随着微电子技术及计算机技术的高速发展，PLC产品高度融合了计算机产业较新进的技术与工业自动控制的经典理论，在其功能及性能上指标上得以大大的丰富和完善，从而突破了传统PLC的概念，在中、小型控制领域内极大的扩展了其应用范围。在特定的范围内，高性能价格比己成为新型PLC的较**的特点。
A-B公司是国际的工业产品制造厂商，其工业自动化控制产品以其高性能、高可靠性在工业控制领域有着其特定的地位。A-B公司的PLC产品更是该产品领域的*。本文将通过介绍A-B公司的较新型PLC产品在南方某3X125MW机组电厂辅助装置中的实际应用实例，来介绍新型PLC产品的先进功能与性能。

2　产品简介

美国A-B公司的较新型的SLC500/03 PLC系统，是PLC产品领域中较先进的机型之二，除具有常规PLC产品的基本性能外，它还具有以下的*特功能：
*强大的输入/输出信号支持能力，I/O接口部分支持960离散点；
*丰富简单的集成化指令，处理器指令集71条，简单易学便于系统的应用及推广；
*多级工作状态指示显示，便于现场运行人员对系统的工作状态一目了然；
*高可靠性的性能设计，确保正常工作条件下，系统的维护量较小。

3　工艺流程

作为电厂工艺流程中二个重要的环节，化学水处理部分在整个电厂的自动控制系统中有着举足轻重的地位。它的工作状态将直接影响整个锅炉系统的安全性与经济性，并影响到整个电厂的工作稳定性与可靠性。化学水电气控制部分的各种控制阀门和联锁开关较多，其中任一环节的工作状态的稳定性和可靠性都将对整个化学水自动控制部分产生相送连的影响。
针对这样的实际状况，我们在化学水的控制部分采用了由PLC系统构成的程序控制，选用了A-B公司高性能的PLC产品SLC-500/03，从而完成化学水处理部分的启动、停止、暂停、再启动以及相关电磁阀箱、风机、泵的控制。化学水部分的运行（送水）和再生指令全部自动进行。当某种水处理设备失效后，由仪表发出信号，把该设备从制水系统中解列，经过判断，确认具备再生条件时，自动投入再生。再生程序完毕，水质合格后自动把该设备并入到制水系统，恢复送水。
选用PLC系统构成了以下几个分系统：
*机械过滤器的程序控制系统
*一般除盐系统的程序控制系统
*混合离子交换器的程序控制系统
下面以化学水处理部分一般除盐系统的程序控制为例，介绍其工艺及系统构成。
对于电厂的化学水处理部分，除盐系统为系统中重要的一个环节，供往锅炉的水中含有微量的悬浮物、胶体物质和**物质，它们的存在会直接影响锅炉的使用寿命和传输管道的安全，所以必须作前期的处理。
它的处理过程为在化学水处理的过程中，加入特定的化学物质，从而与水中的有害成分发生化学反应，通过沉淀、过滤等方式将这些特质从水中分离出来。PLC系统主要自动控制并完成整个除盐过程的中的阀门的启、停及相关管路中的开、闭等。并联运行固定床两极除在许多场合，因为步进电机的电流电压较高，比如有的步进电机较大输出电流8A，电压325V，再加上其外壳未采用铝合金外壳进行磁屏蔽，因此对高灵敏的系统造成干扰，使其无法工作，并且干扰电源，尤其在时，可能造成控制系统的单片机和上位机无法进行正常通讯，严重者造成单片机死机，给正常使用造成了困难，因此干扰问题必须加以解决。
1、加装电源滤波器，减少对交流电源的污染。
2、“一点接地”原则。将电源滤波器的地、驱动器PE（地）（驱动器与机箱底板绝缘）、控制脉冲PULSE-和方向脉冲DIR-短接后的引出线、电机接地线、步进驱动器与电机之间电缆防护套、驱动器屏蔽线均接到机箱壁上的接地柱上，并要求接触良好。
3、尽量加大控制线与电源线（L、N）、电机驱动线（U、V、W）之间的距离，避免交叉.比如我们在处理双轴驱动系统中两个处在同一机箱的驱动器安装位置时,一个驱动器铭牌朝前，另一个则朝后，并在结构布置上使这些引线尽量短。
4、使用屏蔽线减轻外界对自己的干扰，或自己（电源线）对外界的干扰。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），其旋转以固定的角度运行。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量以达到准确定位的目的;同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度而达到调速的目的。步进电机作为一种控制用的特种电机，因其没有积累误差（精度为**）而广泛应用于各种开环控制。
1 定位原理及方案
1.1 步进电机加减速控制原理
步进电机驱动执行机构从一个位置向另一个位置移动时，要经历升速、恒速和减程。当步进电机的运行频率低于其本身起动频率时，可以用运行频率直接起动并以此频率运行，需要停止时，可从运行频率直接降到零速。当步进电机运行频率fb>fa（有载起动时的起动频率）时，若直接用fb频率起动会造成步进电机失步甚至堵转。同样在fb频率下突然停止时，由于惯性作用，步进电机会发生过冲，影响定位精度。如果非常缓慢的升降速，步进电机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。所以对步进电机加减速要保在不失步和过冲前提下，用较快的速度（或较短的时间）移动到*位置。
步进电机常用的升降频控制方法有2种：直线升降频（图1）和指数曲线升降频（图2）。指数曲线法具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性差。直线法平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。以恒定的加速度升降，规律简练，用软件实现比较简单，本文即采用此方法。

1.2 定位方案
要保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角所移动的距离不能太大，而且步进电机的升降速要缓慢，以防止产生失步或过冲现象。但这两个因素合在一起带来了一个**问题：定位时间太长，影响执行机构的工作效率。因此要获得高的定位速度，同时又要保定位精度，可以把整个定位过程划分为两个阶段：粗定位阶段和精定位阶段。粗定位阶段，采用较大的脉冲当量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。精定位阶段，为了保证定位精度，换用较小的脉冲当量，如0.01mm/步。虽然脉冲当量变小，但由于精定位行程很短（可定为全行程的五十分之一左右），并不会影响到定位速度。为了实现此目的，机械方面可通过采用不同变速机构实现。
工业机床控制在工业自动化控制中占有重要位置，定位钻孔是常用工步。设或工作台欲从A点移至C点，已知AC=200mm，把AC划分为AB与BC两段，AB=196mm，BC=4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量依据直线升降频规律快速移动，BC段为精定位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量，以B点的低频恒速运动完成精确定位。在粗定位结束进入精定位的同时，PLC自动实现变速机构的更换。
2 定位程序设计
2.1 PLC脉冲输出指令
目前较为先进的PLC不仅具有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供了丰富的功能指令。Siemens S7-200系列PLC的PLUS指令在Q0.0和Q0.1输出PTO或PWM高速脉冲，较大输出频率为20KHz。脉冲串（PTO）提供方波输出（50%占空比），用户控制周期和脉冲数。脉冲宽度可调制（PWM）酮能提供连续、变占空比输出，用户控制周期和脉冲宽度。本文采用PTO的多段管线工作方式实现粗定位，PTO的单段管线方式实现精定位。
上述例子中，定电机的起动和结束频率是2KHz，较大脉冲频率是10KHz。在粗定位过程中，用200个脉冲完成升频加速，400个脉冲完成降频减速。使用PLC的PTO多段管线脉冲输出时，用下面的公式计算升降频过程中的脉冲增量值。
给定段的周期增量=（ECT—ICT）/Q
式中：ECT=该段结束周期时间
ICT=该段初始周期时间
利用这个公式，加速部分（第1段）周期增量为2，减速部分（第3段）周期增量为1。因第2段是恒速部分，故周期增量为0。如果PTO的包络表从VB500开始存放，则表1为上例的包络表值。
2.2 源程序
//主程序
LD SM0.1 //**扫描为1
R Q0.0，1 //复位映像寄存器位
CALL 0 //调用子程序0，初始化粗定位相关参数
LD M0.0 //粗定位完成
R Q0.0，1
CALL 1 //调用子程序1，初始化精定位相关参数
//子程序0,粗定位
LD SM0.0
MOVB 16#A0，SMB67 //设定控制字：允许PTO操作，选择ms增量，选择多段操作
MOVW 500，SMW168 //*包络表起始地址为V500
MOVB 3，VB500 //设定包络表段数是3
MOVW 500，VW501 //设定**段初始周期为500ms
MOVW -2，VD503 //设定**段周期增量为-2ms
MOVD 200，VD505 //设定**段脉冲个数为200
MOVW 100，VW509 //设定第二段初始周期为100ms
MOVW 0，VD511 //设定第二段周期增量为0ms
MOVD 1360，VD513 //设定第二段脉冲个数为1360
MOVW 100，VW517 //设定第三段初始周期为100ms
MOVW 1，VD519 //设定第三段周期增量为1ms
MOVD 400，VD521 //设定第三段脉冲个数为400
ATCH 2，19 //定义中断程序2处理PTO完成中断
ENI //允许中断
PLS 0 //启动PTO操作
//子程序1，精定位
LD SM0.0 //**扫描为1
MOVB 16#8D，SMB67 //允许PTO功能，选择ms增量，设定脉冲数和周期
MOVW 500，SMW68 //设定精定位周期为500ms
MOVD 400，SMD72 //设定脉冲个数为400
ATCH 3，19 //定义中断程序3处理PTO完成中断
ENI //允许中断
PLS 0 //启动PTO操作
//中断程序2
LD SM0.0 //一直为1
= M0.0 //启动精定位
//中断程序3
LD SM0.0 //一直为1
= M0.1 //实现其他功能