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西門子6SL3210-1KE13-2UF1西門子6SL3210-1KE13-2UF1西門子6SL3210-1KE13-2UF1西門子S7-300PLC應(yīng)用技術(shù)
普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材 西門子S7-300 PLC應(yīng)用技術(shù) 劉增輝 賴英旭 趙 偉 編 機械工業(yè)出版社 西門子的可編程序控制器(PLC)系列SIMATIC S7產(chǎn)品包括小型系列S7200、中型系列S7300和大型系列S7400。STEP 7是其主流產(chǎn)品S7300和S7400 PLC的編程軟件。本書以完成工程項目所需的基本知識、基本能力為依據(jù)，按照完成工程項目的一般工作順序，介紹了S7300 PLC硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成、STEP 7軟件的基本操作及LAD編程語言。在介紹LAD編程語言的指令時，突出指令的特點，針對每條指令都設(shè)計了典型的應(yīng)用案例，并在案例中逐漸滲透編程方法與技巧，由淺入深、循序漸進，使學(xué)生在學(xué)習(xí)完指令的同時，也學(xué)會了基本的編程方法與技巧。本書還設(shè)計了綜合實踐環(huán)節(jié)，對該環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)是開放性的，以達到提高編程能力的目的。

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西門子S7-300 PLC簡介 2.1 PLC技術(shù)的概念及發(fā)展過程 2.1.1 PLC技術(shù)的概念 PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 2.1.2 PLC技術(shù)的發(fā)展歷史 長期以來，計算機控制和傳統(tǒng)PLC控制一直是工業(yè)控制領(lǐng)域的兩種主要控制方法，PLC自1969年問世以來，以其功能強、可靠性高、使用方便、體積小等優(yōu)點在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到迅速推廣，成為工業(yè)自動化領(lǐng)域中極具競爭力的控制工具。但傳統(tǒng)的PLC體系結(jié)構(gòu)是封閉的，各個PLC廠家的硬件體系互不兼容，編程語言及指令系統(tǒng)各異，用戶選擇了一種PLC產(chǎn)品后，必須選擇與其相應(yīng)的控制規(guī)程，學(xué)習(xí)特定的編程語言，不利于終端用戶功能的擴展。近年來，工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，控制結(jié)構(gòu)更趨于分散化和復(fù)雜化，需要更多的用戶接口。同時，企業(yè)整合和開放式體系的發(fā)展要求自動控制系統(tǒng)應(yīng)具有強大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，使企業(yè)能及時地了解生產(chǎn)過程中的諸多信息，靈活選擇解決方案，配置硬件和軟件。此外為了擴大控制系統(tǒng)的功能，許多新型傳感器被加裝到控制單元上。 我國工業(yè)控制自動化的發(fā)展道路，大多是在引進成套設(shè)備的同時進行消化吸收，然后進行二次開發(fā)和應(yīng)用。目前我國工業(yè)控制自動化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用都有了很大的發(fā)展，我國工業(yè)計算機系統(tǒng)行業(yè)已經(jīng)形成。工業(yè)控制自動化技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化方向發(fā)展。 2.1.3 PLC的發(fā)展趨勢 1、功能向增強化和專業(yè)化的方向發(fā)展，針對不同行業(yè)的應(yīng)用特點，開發(fā)出專業(yè)化

的PLC產(chǎn)品。以此來提高產(chǎn)品的性能和降低產(chǎn)品的成本，提高產(chǎn)品的易用性和專業(yè)化水平。 2、規(guī)模向小型化和大型化的方向發(fā)展，小型化是指提高系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)上，產(chǎn)品的體積越來越小，功能越來越強；大型化是指應(yīng)用在工業(yè)過程控制領(lǐng)域較大的應(yīng)用市場，應(yīng)用的規(guī)模從幾十點擴展到上千點，應(yīng)用功能從單一的邏輯運算擴展幾乎能滿足所有的用戶要求。 3、系統(tǒng)向標準化和開放化方向發(fā)展，以個人計算機為基礎(chǔ)，在windows平臺上開發(fā)符合全新一體化開放體系結(jié)構(gòu)的PLC。通過提供標準化和開放化的接口，可以很方便地將PLC接入其它系統(tǒng)[2]。 2.2 PLC的功能特點 2.2.1 PLC的功能 隨著自動化技術(shù)、計算機技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，PLC的功能日益增多。它不僅能實現(xiàn)單機控制，而且能實現(xiàn)多機群控制；不僅能實現(xiàn)邏輯控制，還能實現(xiàn)過程控制、運動控制和數(shù)據(jù)處理等，其主要功能如下： 1、開關(guān)量邏輯控制 這是PLC的最基本的功能。PLC具有強大的邏輯運算能力，它提供了與、或、非等各種邏輯指令，可實現(xiàn)繼電器觸點的串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)等各種連接的開關(guān)控制，常用于取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。使用PLC提供的定時、計數(shù)指令，可實現(xiàn)定時、計數(shù)功能，其定時值和計數(shù)值既可由用戶在編程時設(shè)定，也可用數(shù)字撥碼開關(guān)來設(shè)定，其值可進行在線修改，操作十分靈活方便。 2、模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。PLC提供了各種智能模塊，如模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、熱電阻用模擬量輸入模塊、熱電阻用模擬量輸出模塊等，通過使用這些模塊，把現(xiàn)場輸入的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送CPU處理；而CPU處理的數(shù)字結(jié)果，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量去控制被控設(shè)備，以完成對連續(xù)量的控制。 3、閉環(huán)過程控制 使用PLC不僅可以對模擬量進行開環(huán)控制，而且還可以進行閉環(huán)控制。配置PID西門子6SL3210-1KE13-2UF1西門子6SL3210-1KE13-2UF1

控制單元或模塊，對控制過程中某一變量（如速度、溫度、電流、電壓等）進行PID控制。 4、定時、定位、計數(shù)控制 PLC具有定時控制的功能，它為用戶提供了若干個定時器，定時器的時間可以由用戶在編寫程序時設(shè)定，也可以用撥盤開關(guān)在外部設(shè)定，實現(xiàn)定時或延時控制。定位控制是PLC不可缺少的控制功能之一。PLC提供了定位模塊、脈沖輸出模塊等智能模塊，以實現(xiàn)各種需求的定位控制。PLC具有計數(shù)控制的功能，它為用戶提供了若干個計數(shù)器或高速計數(shù)模塊。計數(shù)器的計數(shù)值可以由用戶在編寫程序時設(shè)定，也可以用撥盤開關(guān)在外部設(shè)定，實現(xiàn)計數(shù)控制。 5、順序（步進）控制 在工業(yè)控制中，選用PLC實現(xiàn)順序控制，可以采用IEC規(guī)定的用于順序控制的標準化語言——順序功能圖進行設(shè)計，可以用移位寄存器和順序控制指令編寫程序。 6、網(wǎng)絡(luò)通信 現(xiàn)代PLC具有網(wǎng)絡(luò)通信的功能，它既可以對遠程I/O進行控制，又能實現(xiàn)PLC與計算機之間的通信，從而構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。PLC通過RS232接口可與各種RS232設(shè)備進行通信。PLC還可與其它智能控制設(shè)備（如變頻器、數(shù)控裝置）實現(xiàn)通信。PLC與變頻器組成聯(lián)合控制系統(tǒng)，可提高交流電動機的自動化控制水平。 7、數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。 這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票韀2]。 2.2.2 PLC的特點 1、通用性強、靈活性好、功能齊全 PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，具有面向工業(yè)控制的鮮明特點。通過選配相應(yīng)的控制模塊便可適用于各種不同的工業(yè)控制系統(tǒng)。同時，由于PLC采用存儲邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲在內(nèi)存中，當生產(chǎn)工藝改變或生產(chǎn)設(shè)備更新時，不必改變

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PLC的硬件，只需改變程序，改變控制邏輯，其連線少，體積小，加之PLC中每只軟繼電器的觸點數(shù)理論上無限制，因此，靈活性和擴展性都很好。 2、可靠性高、抗干擾能力強 為了確保PLC在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能可靠的工作。在設(shè)計中強化了PLC的抗干擾能力，使之能抗諸如電噪聲、電源波動、振動、電磁干擾等的干擾。PLC能承受電網(wǎng)電壓的變化，可直接由交流市電供電，直接取自電控箱電源。即使在電源瞬間斷電的情況下，仍可正常工作。PLC在設(shè)計、生產(chǎn)過程中除了對元器件嚴格篩選外，硬件和軟件還采用屏蔽、濾波。光電隔離和故障診斷、自動恢復(fù)等措施，有的PLC還采用了冗余技術(shù)等，進一步增強了PLC的可靠性。 3、編程簡單、使用方便 PLC在基本控制方面采用梯形圖語言進行編程，這種梯形圖是與繼電器控制電路圖相呼應(yīng)的，形式簡單、直觀性強，廣大電氣人員容易接受。用梯形圖編程出錯率比匯編語言低得多。梯形圖、流程圖、語句表之間可以有條件的相互轉(zhuǎn)換，使用極其方便。 4、模塊化結(jié)構(gòu)、安裝簡單、調(diào)試方便 PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，由機架和電纜將各模塊連接起來，由于配置靈活，使擴展、維護更加方便。另外，PLC的接線十分方便，只需將輸入信號的設(shè)備（如按鈕、開關(guān)等）與PLC的輸入端子相連，將接受控制的執(zhí)行元件（接觸器、電磁閥等）與輸出端子相連即可。調(diào)試工作大部分是室內(nèi)調(diào)試，用模擬開關(guān)模擬輸入信號，其輸入狀態(tài)和輸出狀態(tài)可以觀察PLC上相應(yīng)的發(fā)光二極管，可以根據(jù)它進行測試、排錯和修改[2]。 2.3 西門子S7-300 PLC 2.3.1 S7-300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) S7-300 PLC是模擬式中小型PLC，電源、CPU和其他模塊都是獨立的，可以通過U形總線把電源（PS）、CPU和其他模塊緊密固定在西門子S7-300的標準軌道上。每個模塊都有一個總線連接器，后者插在各模塊的背后。電源模塊總是安裝在機架的最左邊，CPU模塊緊靠電源模塊。CPU的右邊是可以選擇的IM接口模塊，如果只用主架導(dǎo)軌而沒有使用擴展支架可以不選擇IM接口模塊。 S7編程軟件組態(tài)主架導(dǎo)軌硬件時，電源，CPU和IM分別放在導(dǎo)軌的1號槽、2號

槽和3號槽上。一條導(dǎo)軌共有11個槽號：1號槽至11號槽，其中4號槽至11號槽可以隨意放置除電源、CPU和IM以外的其他模塊。如：DI（數(shù)字量輸入）、DO（數(shù)字量輸出）、AI（模擬量輸入）、AO（模擬量輸出）、FM（功能模塊）和CP（通信模塊）等[3]。 2.3.2 S7-300 CPU模塊 CPU模塊是控制系統(tǒng)的核心，負責(zé)系統(tǒng)的中央控制責(zé)任，存儲并執(zhí)行程序，實現(xiàn)通信功能，為U形總線提高5V電源。 CPU有4種操作模式：STOP（停機），STARTUP（啟動），RUN（運行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通過MPI接口與其他設(shè)備通信。 S7-300的CPU模塊大致可以分為以下幾類： 1、6種緊湊型CPU，帶有集成的功能和I/O：CPU 312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。 2、革新的標準型CPU：CPU 312、314和315-2DP。 3、5種標準的CPU：CPU 313、314、315、315-2DP和316-2DP。 4、戶外型CPU：CPU 312 IFM、314 IFM、314戶外型和315-2DP。 5、大容量高端型CPU：317-2DP和CPU 318-2DP。 6、主從接口安全型CPU：CPU 315F-2DP[3]。 2.3.3 S7-300的模擬量輸入模塊 在生產(chǎn)過程中有大量的連續(xù)變化的模擬量需要用PLC來測量或控制。有的是非電量，例如溫度、壓力、流量物體的成分和頻率等。有的是強電量，例如發(fā)電機組的電流、電壓、有功功率和無功功率等。變送器用于將傳感器提供的電量或非電量轉(zhuǎn)換成標準的量程的直流電流和直流電壓信號，例如DC1~5V和DC4~20mA。 模擬量輸入模塊用于將模擬量信號轉(zhuǎn)換為CPU內(nèi)部處理用的數(shù)字信號，其主要組成部分是A/D轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入模塊的輸入信號一般都是模擬量變送器輸出的標準量程的直流電壓，直流電流信號。 模擬量輸入/輸出模塊中模擬量對應(yīng)的數(shù)字稱為模擬值，模擬值用16位二進制補碼來表示最高位為符號位。模擬量輸入模塊的模擬值與百分數(shù)表示的模擬量之間的對應(yīng)關(guān)系為：雙極性模擬量量程的上下限(100%和-100%)分別對應(yīng)模擬值27648和-27648。單極性模擬量量程的上下限(100%和0%)分別對應(yīng)于模擬值27648和0[3]。

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2.4 程序設(shè)計功能模塊 本程序的設(shè)計主要是針對水箱液位的在線控制而設(shè)計的，利用PID控制方式，使下水箱液位達到控制要求。本人設(shè)計了兩套系統(tǒng)，一個是單閉環(huán)的一個是三閉環(huán)的，對其控制效果進行比較，得出兩系統(tǒng)優(yōu)缺點。下面對本程序的設(shè)計作詳細介紹。在本程序中，使用的主要模塊有：OB35，DB41，DB42, DB43，DB44，DB1，OB1和FB41。 2.4.1 OB35模塊 S7 CPU提供循環(huán)中斷OB，可用于按一定間隔中斷循環(huán)程序的執(zhí)行，循環(huán)中斷按間隔觸發(fā)，間隔的時間是從STOP狀態(tài)到RUN時開始計算。 時間間隔不能小于5ms，如果時間間隔過短，還沒有執(zhí)行完循環(huán)中斷程序又開始調(diào)用它，將會產(chǎn)生時間錯誤事件。在本程序中，使用循環(huán)中斷OB35，其默認的時間間隔為100ms，程序運行后每隔100ms將自動調(diào)用一次OB35，周期性地執(zhí)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的PID運算程序[3]。 2.4.2 FB41模塊 FB41稱為連續(xù)控制的PID用于控制連續(xù)變化的模擬量，其功能是S7-300提供的標準的已經(jīng)為用戶編制好程序模塊，用戶可以直接調(diào)用它們，以便高效地編制自己的程序，但不能修改這些功能塊。系統(tǒng)功能塊有存儲功能，其變量保存在指定給它的背景數(shù)據(jù)塊中。FB41的框圖如圖2.1所示

（1） 對設(shè)定值、過程變量和誤差的處理 設(shè)定值的輸入：浮點數(shù)格式的設(shè)定值用變量SP_INT（內(nèi)部設(shè)定值）輸入。 過程變量的輸入：可以用兩種方式輸入過程變量（即反饋值）： 1、用PV_IN（過程輸入變量）輸入浮點格式的過程變量，此時開關(guān)量PVPER_ON（外圍設(shè)備過程變量ON）應(yīng)為0狀態(tài)。 2、用PV_PER（外圍設(shè)備過程變量）輸入外圍設(shè)備（I/O）格式的過程變量，即用模擬量輸入輸出的數(shù)字值作為PID調(diào)節(jié)的過程變量，此時開關(guān)量PVPER_ON應(yīng)為1狀態(tài)。 外圍設(shè)備過程變量轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)：外圍設(shè)備（即模擬量輸入模塊）正常范圍的最大輸出值（100.0%）為27648（6C00H），功能CRP_IN將外圍設(shè)備輸入值轉(zhuǎn)換為-100.0%至100.0%之間的浮點數(shù)格式的數(shù)值，CPR_IN的輸出（以%為單位）用下式計算： 100/27648 =*PER_PVR_PV （2.1） 外圍設(shè)備過程變量的標準化：PV_NORM功能用下面的公式將CPR_IN的輸出PV_R格式化：

OFFPVFACPVRPVNORMPV_+_*_=_的輸出 （2.2） 式中：PV_FAC —— 過程變量的系數(shù)，默認值為1.0； PV_OFF —— 過程變量的偏移量，默認值為0.0。 PV_FAC和PV_OFF用來調(diào)節(jié)過程輸入的范圍。 如果設(shè)定值有物理意義，實際值（即反饋量）也可以轉(zhuǎn)換為該物理值。 （2） 手動模式 參數(shù)MAN_ON（手動值ON）為1時為手動模式，為0時為自動模式。在手動模式中，控制變量（Manipulated Variable，即控制器的輸出值）被手動選擇的值MAN（手動值）代替。 在手動模式時如果令微分分項為0，將積分部分（INT）設(shè)置為LMN-LMN_P-DISV，可以保證手動到自動的無憂切換，即切換時控制器的輸出值不會突變，DISV為擾動輸入變量。 （3） 輸出限幅 LMNLIMIT（輸出量限幅）功能用于將控制器輸出值（Manipulated Value）限幅。 LMNLIMIT功能的輸入量超出控制器輸出值的上極限LMN_HLM時，信號位QLMN_HLM（輸出超出上限）變?yōu)?狀態(tài)；小于下極限值LMN_LLM時，信號位QLMN_LLM（輸出超出下限）變?yōu)?狀態(tài)。 （4） 輸出量的格式化處理 LMN_NORM（輸出量格式化）功能用下述公式來講功能LMNLIMIT的輸出量LMN_LIM格式化： LMN=LMN_LIM×LMN_FAC+LMN_OFF （2.3） 式中：LMN —— 格式化后浮點數(shù)格式的控制器輸出值； LMN_FAC —— 輸出量的系數(shù)，默認值為1.0； LMN_OFF —— 輸出量的偏移量，默認值為0.0； LMN_FAC和LMN_OFF用來調(diào)節(jié)控制器輸出量的范圍。 （5） 輸出量轉(zhuǎn)換為外圍設(shè)備（I/O）格式 控制器輸出值如果要送給模擬量輸出模塊中的D/A轉(zhuǎn)換器，需要用“CPR_OUT”功能轉(zhuǎn)換為外圍設(shè)備（I/O）格式的變量LMN_PER。轉(zhuǎn)換公式為： LMN_PER=LMN×27648/100 （2.4） 用參數(shù)賦值工具可以進行參數(shù)檢查，給出錯誤信息[3,6]。FB41的輸入?yún)?shù)見表2.1。
表2.1 FB41的輸入?yún)?shù)
參數(shù)名稱 數(shù)據(jù)類型 地址 說明 默認值 COM_RST CYCLE SP_INT PV_IN PVPER_ON PV_PER PV_FAC PV_OFF DEADB_W GAIN TI TD TM_LAG P_SEL I_SEL D_SEL I_ITLVAL I_ITL_ON BOOL TIME REAL REAL BOOL WORD REAL REAL REAL REAL TIME TIME TIME BOOL BOOL BOOL REAL BOOL 0.0 2 6 10 0.2 14 48 52 36 20 24 28 32 0.3 0.4 0.7 64 0.6 完全重新起動，為1時執(zhí)行初始化程序 采樣時間，兩次塊調(diào)用之間的時間，取值范圍>=20ms 內(nèi)部設(shè)定值輸入，取值范圍為±100.0%或物理值 浮點數(shù)格式的過程變量輸入 使用外圍設(shè)備輸入的過程變量 外圍設(shè)備輸入的I/O格式的過程變 量值 輸入的過程變量的系數(shù) 輸入的過程變量的偏移量 死區(qū)寬度，誤差變量死區(qū)帶的大小，>= 0.0或物理值 比例增益輸入，用于設(shè)置控制器的增益 積分時間輸入，積分器的響應(yīng)時間，取值范圍應(yīng)>= CYCLE 微分時間輸入，微分器的響應(yīng)時間 微分操作的延遲時間輸入 為1時打開比例（P）操作 為1時打開積分（I）操作 為1時打開微分（D）操作 積分操作的初始值 積分作用初始化，為1時將輸入I_ITLVAL作為積分器的初值 FALSE T#1s 0.0 0.0 FALSE 16#0000 1.0 0.0 0.0 2.0 T#20s T#10s T#2s TURE TURE FALSE 0.0 FALSE 表2.2 FB41的輸入?yún)?shù)（續(xù)2.1）
參數(shù)名稱 數(shù)據(jù)類型 地址 說明 默認值 INT_HOLD DISV MAN_ON MAN LMN_HLM LMN_LLM LMN_FAC LMN_OFF BOOL REAL BOOL REAL REAL REAL REAL REAL 0.5 68 0.1 16 40 44 56 60 為1時積分操作保持，為1時積分輸出被凍結(jié) 擾動輸入變量 為1時控制循環(huán)將被中斷，手動值被設(shè)置為操作值 操作員接口輸入的手動值，取值范圍100.0%±或物理量 控制器輸出上限值，取值范圍LMN_LLM~100.0%或物理值 控制器輸出下限值，取值范圍
-100.0%~ LMN_HLM或物理值 控制器輸出量的系數(shù) 控制器輸出量的偏移量 FALSE 0.0 TURE 0.0 100.0 0.0 1.0 0.0 FB41的輸出參數(shù)見表2.3。 表2.3 FB41的輸出參數(shù) 參數(shù)名稱 數(shù)據(jù)類型 地址 說明 默認值 PV ER LMN_P LMN_I LMN_D QLMN_HLM QLMN_LLM LMN LMN_PER REAL REAL REAL REAL REAL BOOL BOOL REAL WORD 92 96 80 84 88 78.0 78.1 72 76 格式化的過程變量輸出 死區(qū)處理后的誤差輸出 控制器輸出值中的比例分量 控制器輸出值中的積分分量 控制器輸出值中的微分分量 控制器輸出超過上限 控制器輸出小于下限 浮點數(shù)格式的控制器輸出值 I/O格式的控制器輸出值 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 FALSE FALSE 0.0 16#0000
^&&*()_+.一三五七九貳肆陸扒拾，。青玉案元夕東風(fēng)夜放花千樹更吹落星如雨寶馬雕車香滿路鳳簫聲動玉壺光轉(zhuǎn)一夜魚龍舞蛾兒雪柳黃金縷笑語盈盈暗香去眾里尋他千百度暮然回首那人卻在燈火闌珊處