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一、項目簡介
本電廠廢水處理控製係統項目所在地位於山西省霍州市。霍州發電廠於1967年1月由水利電力部批準籌建，采用火力發電，裝機容量40萬千瓦，年發電量25億千瓦・時，主要擔負著山西中南部地區工農業生產及人民生活用電，是山西電網的主力電廠。
霍州發電廠建設時正處於中國發展的特殊年代，在選廠、設計、設備選購、施工、anzhuanghetouchanfadiandengfangmianzhuiqiujianyifadian，geianquanjingjishengchanliuxiaxiantianquexian。youyuhuolifadianchangshigongyeyongshuidahu，yincimeitiandegongyefeishuiruguozhijiepaifang，bujinlangfeishuiziyuan，erqiehuizaochengyanzhongdehuanjingwuran。
以(yi)往(wang)的(de)廢(fei)水(shui)處(chu)理(li)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)人(ren)工(gong)手(shou)動(dong)控(kong)製(zhi)，造(zao)成(cheng)人(ren)員(yuan)工(gong)作(zuo)強(qiang)度(du)大(da)，控(kong)製(zhi)效(xiao)率(lv)低(di)，控(kong)製(zhi)工(gong)藝(yi)落(luo)後(hou)。本(ben)次(ci)項(xiang)目(mu)采(cai)用(yong)全(quan)新(xin)的(de)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)和(he)監(jian)控(kong)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)克(ke)服(fu)以(yi)前(qian)人(ren)工(gong)控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)低(di)、運行操作繁瑣、誤(wu)操(cao)作(zuo)可(ke)能(neng)性(xing)大(da)等(deng)缺(que)點(dian)，該(gai)係(xi)統(tong)的(de)廢(fei)水(shui)處(chu)理(li)工(gong)藝(yi)流(liu)程(cheng)具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)先(xian)進(jin)性(xing)，達(da)到(dao)了(le)電(dian)廠(chang)廢(fei)水(shui)零(ling)排(pai)放(fang)，大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)水(shui)的(de)利(li)用(yong)率(lv)。同(tong)時(shi)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)網(wang)絡(luo)把(ba)監(jian)控(kong)數(shu)據(ju)融(rong)入(ru)整(zheng)個(ge)電(dian)廠(chang)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)管(guan)理(li)中(zhong)，節(jie)省(sheng)人(ren)力(li)物(wu)力(li)，便(bian)於(yu)集(ji)中(zhong)管(guan)理(li)。通(tong)過(guo)本(ben)自(zi)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)把(ba)處(chu)理(li)過(guo)的(de)廢(fei)水(shui)再(zai)納(na)入(ru)整(zheng)個(ge)電(dian)廠(chang)的(de)水(shui)循(xun)環(huan)中(zhong)，提(ti)高(gao)電(dian)廠(chang)用(yong)水(shui)的(de)效(xiao)率(lv)，節(jie)約(yue)成(cheng)本(ben)，提(ti)高(gao)了(le)整(zheng)體(ti)的(de)經(jing)濟(ji)效(xiao)益(yi)。使(shi)電(dian)廠(chang)的(de)自(zi)動(dong)化(hua)管(guan)理(li)和(he)自(zi)動(dong)化(hua)控(kong)製(zhi)生(sheng)產(chan)方(fang)麵(mian)達(da)到(dao)一(yi)個(ge)新(xin)的(de)高(gao)度(du)。
圖1 霍州發電廠汙水處理池外景
二、係統介紹
1． 項目工藝簡介
本次項目的主要任務包括含煤廢水的回放、化學再生廢水收集、主廠房內係統優化消防、生活水係統隔離、生活汙水及工業廢水回用工程。采用一定的汙水處理工藝，並通過自動化控製達到預期規定的控製指標。整個廢水處理係統由收集池、調節水池、淨化器、汙泥池、清水池等部分組成，在廢水處理過程中，我們將係統劃分為五個子係統來處理，分別為：淨水係統、儲藥係統、過渡調節係統、清水回用係統以及汙泥濃縮係統。
電廠的廢水處理係統工藝流程圖如圖2所示：圖中的圓代表收集水泵；長方形代表集水池；長圓罐代表一體化淨化器，係統中共有四個淨化器，其餘三個在圖中省略。箭頭的指向代表廢水的流向，其流向為從左往右。
圖2 電廠廢水處理係統工藝流程圖
2．項目方案
為保證廢水處理係統安全穩定的運行，該項目中控製器、執行器、監控組態部分均采用西門子係列產品，主要有以下幾部分：
a. 負載電源模塊(PS)：PS 307
b. 接口模塊(IM)：IM360，IM361
c. 中央處理單元(CPU)：CPU315-2DP
d. 信號模塊(SM)：數字量輸入模塊SM321，數字量輸出模塊SM322，模擬量輸入模塊SM331，模擬量輸出模塊SM332
e. 執行器：MicroMaster430/420變頻器
f. 監控組態軟件：WINCC(Windows Control Center)6.0
三、控製係統構成
控製係統的設計包括PLC控製係統部分，係統采集與執行器控製部分以及上位機的監控係統部分。係統結構設計圖如圖3所示。
圖3 係統結構設計圖
1． 係統硬件配置
在電廠汙水處理控製係統中，根據用戶要求及實際情況分析，我們采用西門子公司的S7-300係列產品來完成此項目。參照西門子公司提供的產品技術參數，以S7-300係列中的CPU315-2DP實現控製功能，由於該係統模擬及數字輸入輸出量較多，采用接口模塊IM360、IM361（主機架使用IM360，擴展機架使用IM361）連接擴展的信號模塊滿足係統要求，其中信號模塊包括若幹數字量輸入模塊 SM321，數字量輸出模塊 SM322，模擬量輸入模塊SM331，模擬量輸出模塊SM332。
現場多台工作泵采用西門子MicroMaster430變頻器，MicroMaster430變(bian)頻(pin)器(qi)除(chu)了(le)具(ju)有(you)第(di)四(si)代(dai)變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)特(te)點(dian)以(yi)外(wai)，還(hai)具(ju)有(you)應(ying)用(yong)於(yu)風(feng)機(ji)和(he)泵(beng)類(lei)的(de)硬(ying)件(jian)和(he)軟(ruan)件(jian)特(te)征(zheng)，尤(you)其(qi)適(shi)合(he)用(yong)於(yu)風(feng)機(ji)和(he)水(shui)泵(beng)負(fu)載(zai)的(de)控(kong)製(zhi)。使(shi)用(yong)此(ci)種(zhong)型(xing)號(hao)的(de)變(bian)頻(pin)器(qi)可(ke)以(yi)節(jie)約(yue)能(neng)源(yuan)消(xiao)耗(hao)，降(jiang)低(di)運(yun)行(xing)噪(zao)聲(sheng)，對(dui)環(huan)境(jing)起(qi)到(dao)很(hen)好(hao)的(de)保(bao)護(hu)作(zuo)用(yong)。
電廠汙水處理控製係統的輸入輸出信號主要分成4個部分，放在三個相連的導軌上：
l 模擬量輸入：一站集水池液位，二站集水池液位，清水池液位，汙泥池液位，過渡水池液位，溶藥箱液位，流量計和四個進化器的濁度和壓差。
l 模擬量輸出：四個控製變頻器（一站收集水泵、回用水泵、加藥計量泵a、加藥計量泵b）。
l 數字量輸入：分為各個水泵風機的運行，故障反饋信號，手/自動選擇信號；各個閥門的手動開，關控製信號，故障反饋信號和手/自動選擇信號。
l 數字量輸出：分別為對各個水泵、風機的開、關、複位輸出控製信號；各個閥門的開，關輸出控製信號；變頻器的啟動，複位控製信號。
係統配置了操作員站和工程師站，操作員站的上位機采用研華科技的610H工控機，監控係統使用西門子WINCC監控組態軟件，它不僅能很好的支持S7係列的CPU，還集成了多種網絡連接方式，使上位機與自動化係統的連接工作非常方便。而且它提供了適用於工業的圖形顯示、消息報警、過程值歸檔以及報表打印等模塊，具有高性能的過程耦合、快速的畫麵更新、以及可靠的數據管理功能。圖4所示為WINCC組態示意圖。
圖4 WINCC組態示意圖
2．控製方案選擇
在采用本係統實施方案前，客戶擬采用CPU315模塊及通信處理器模塊CP343-1實現係統要求，由於CP343-1有其自身的處理器可連接SIMATIC S7-300和工業以太網等 ，可獨立處理數據通信，這樣使得係統可擴展性增強。由於考慮到項目總體預算及成本，本方案將前方案中CPU315模塊換為CPU315-2DP，並省去通信處理器模塊CP343-1，這樣既滿足了係統要求，又減少了係統模塊，綜合計算後為項目開發節約了不少硬件開支。
四、控製係統完成的功能
1．控製係統功能及指標
（1）軟件實現
根據工藝，整個係統的程序由下列幾個部分組成：1#集水池、2#集水池、清水池、調節水池、淨化器正洗、淨化器反洗、加藥、淨(jing)化(hua)器(qi)停(ting)止(zhi)。每(mei)個(ge)程(cheng)序(xu)都(dou)可(ke)以(yi)單(dan)獨(du)控(kong)製(zhi)和(he)單(dan)獨(du)運(yun)行(xing)，同(tong)時(shi)每(mei)個(ge)程(cheng)序(xu)又(you)是(shi)係(xi)統(tong)的(de)組(zu)成(cheng)部(bu)分(fen)，它(ta)們(men)之(zhi)間(jian)互(hu)相(xiang)有(you)數(shu)據(ju)的(de)傳(chuan)輸(shu)。它(ta)們(men)組(zu)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)動(dong)作(zuo)就(jiu)構(gou)成(cheng)了(le)完(wan)整(zheng)的(de)PLC控製係統程序。下圖5為工業部分現場圖：
圖5 工業現場
程序中編程采用STEP 7軟件。這套軟件不僅是一個簡單的程序編寫軟件，還集成了硬件組態、網絡組態、係統調試、項目管理等各種功能，使項目的實施更加方便。在本控製係統的完成過程中，主要進行了以下幾部分的程序設計（如圖6）：
圖6 項目OB1中程序結構圖
圖6中：DB11-DB14： 對應四個淨化器的正洗背景數據塊
DB15-DB18： 對應四個淨化器的反洗背景數據塊
DB19-DB22： 對應四個淨化器的停止背景數據塊
l 由(you)廢(fei)水(shui)處(chu)理(li)的(de)工(gong)藝(yi)流(liu)程(cheng)可(ke)以(yi)知(zhi)道(dao)，廢(fei)水(shui)在(zai)經(jing)過(guo)一(yi)係(xi)列(lie)的(de)水(shui)池(chi)後(hou)最(zui)終(zhong)進(jin)入(ru)四(si)個(ge)廢(fei)水(shui)淨(jing)化(hua)器(qi)，在(zai)淨(jing)化(hua)器(qi)裏(li)經(jing)過(guo)工(gong)藝(yi)的(de)處(chu)理(li)後(hou)排(pai)放(fang)到(dao)清(qing)水(shui)池(chi)中(zhong)。從(cong)程(cheng)序(xu)角(jiao)度(du)看(kan)，四(si)個(ge)廢(fei)水(shui)淨(jing)化(hua)器(qi)的(de)控(kong)製(zhi)流(liu)程(cheng)一(yi)致(zhi)，因(yin)此(ci)沒(mei)有(you)必(bi)要(yao)為(wei)每(mei)個(ge)淨(jing)化(hua)器(qi)編(bian)寫(xie)一(yi)段(duan)代(dai)碼(ma)，隻(zhi)需(xu)編(bian)寫(xie)一(yi)個(ge)函(han)數(shu)塊(kuai)，讓(rang)它(ta)們(men)都(dou)調(tiao)用(yong)即(ji)可(ke)。為(wei)此(ci)，對(dui)於(yu)在(zai)淨(jing)化(hua)器(qi)中(zhong)的(de)正(zheng)洗(xi)、反洗和停止流程都編寫了一個程序塊，分別是FB11，FB12，FB13。對(dui)於(yu)每(mei)個(ge)淨(jing)化(hua)器(qi)來(lai)說(shuo)隻(zhi)要(yao)分(fen)別(bie)調(tiao)用(yong)相(xiang)同(tong)的(de)函(han)數(shu)塊(kuai)就(jiu)行(xing)，對(dui)於(yu)每(mei)個(ge)淨(jing)化(hua)器(qi)中(zhong)不(bu)同(tong)狀(zhuang)態(tai)的(de)數(shu)據(ju)是(shi)利(li)用(yong)其(qi)不(bu)同(tong)的(de)數(shu)據(ju)塊(kuai)來(lai)加(jia)以(yi)區(qu)別(bie)的(de)。這(zhe)樣(yang)在(zai)整(zheng)個(ge)程(cheng)序(xu)中(zhong)即(ji)保(bao)持(chi)了(le)流(liu)程(cheng)的(de)統(tong)一(yi)性(xing)，即(ji)減(jian)少(shao)了(le)程(cheng)序(xu)代(dai)碼(ma)，節(jie)約(yue)了(le)存(cun)儲(chu)空(kong)間(jian)，又(you)方(fang)便(bian)維(wei)護(hu)和(he)修(xiu)改(gai)。
l moniliangxinhaoyinweiqizaichuanshuguochengzhongyoukenenghuishoudaoqitaxinhaodeganrao，erkenengchuxianjiaodafududeshunjianbianhua，erzhexiezhiduiyuxitonglaishuoshihaowuyongchude，shenzhiyouxiehaikenengyinqixitongdeyichangyunxing。youyumoniliangzongshisuizheshijianlianxubianhuade，suoyikeyiliyonglvbosuanfabashunjianbianhuadeganraoxinhaoguolvdiao，bayouyongdeshujuchuanshugeiPLC控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)處(chu)理(li)。在(zai)廢(fei)水(shui)處(chu)理(li)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)由(you)於(yu)所(suo)要(yao)求(qiu)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)速(su)度(du)不(bu)快(kuai)，精(jing)度(du)也(ye)是(shi)不(bu)要(yao)求(qiu)太(tai)高(gao)，隻(zhi)是(shi)為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)突(tu)然(ran)間(jian)信(xin)號(hao)的(de)瞬(shun)間(jian)變(bian)化(hua)影(ying)響(xiang)到(dao)係(xi)統(tong)中(zhong)程(cheng)序(xu)對(dui)水(shui)質(zhi)，濁(zhuo)度(du)的(de)判(pan)斷(duan)，所(suo)以(yi)在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)使(shi)用(yong)算(suan)術(shu)平(ping)均(jun)濾(lv)波(bo)算(suan)法(fa)，算(suan)法(fa)處(chu)理(li)簡(jian)單(dan)，可(ke)靠(kao)性(xing)高(gao)，程(cheng)序(xu)編(bian)寫(xie)方(fang)便(bian)。在(zai)程(cheng)序(xu)中(zhong)定(ding)義(yi)了(le)FB21作為濾波處理算法的功能塊，相當於函數一樣，參數的傳遞是Analog_in變量，返回值是Analog_out變量。事實證明這種算法已經能夠滿足現場的實際需要，取得了良好的效果。
l 本控製係統使用的CPU 315-2DP中沒有集成相應的係統功能塊，故程序中使用FB41 “CONT_C”作為PID控製功能塊。CONT_C可以在S7係列PLC中實現對於連續輸入輸出變量的PID控製。CONT_C中的PID控製環節為增量式PID環節，相關參數可以通過輸入參數進行實時調整。PID控製程序塊與模擬量濾波算法一樣都放在定時中斷OB35中，它們一個是輸入濾波，一個是輸出控製，這樣可以準確地掌握程序運行時間，提高控製精度。
（2）硬件實現
電廠汙水處理控製係統的輸入輸出信號主要分成4個部分，分別為模擬量輸入、輸出，數字量輸入、輸出，並放在三個相連的導軌上，如圖7所示：
圖7 實際係統的機架結構圖
輸入輸出的硬件接口是也是係統設計的一部分，它反映的是PLC輸入輸出與現場設備之間的連接，隻有正確連接安裝才能使得PLC讀取到數字量和模擬量，連接方法的不同可以有效地防止現場的幹擾，保證數據的正確性。
對於SM321的數字輸入量模塊，在15-25V直流電壓以內都能檢測到信號。由於現場的執行器也是發出的直流信號，因此把其直接和現場的開關設備連接來接收開關信號量，圖8給出了的數字量輸入模塊接口示意圖。
圖8 數字量輸入接線原理圖
數字量輸出選用晶體管輸出模塊SM322，晶體管輸出的響應時間短、壽命長、輸出口密度高，但是其隻能帶直流負載而且帶載能力弱。同時為了使PLC的輸出和現場回路之間隔離，在輸出端使用了繼電器，通過繼電器觸點控製現場負載。這樣使控製器與現場達到了電氣隔離的作用，大da大da提ti高gao了le係xi統tong的de安an全quan性xing，同tong時shi也ye使shi輸shu出chu口kou帶dai載zai能neng力li得de到dao了le大da大da的de增zeng強qiang。在zai繼ji電dian器qi旁pang邊bian加jia二er極ji管guan泄xie放fang反fan電dian勢shi能neng量liang，起qi到dao保bao護hu輸shu出chu口kou的de作zuo用yong。圖tu9給出了數字量輸出模塊接口示意圖。
圖9 數字量輸出接線原理圖
SM331采用4-20mA電流輸入連接到傳感器上，采集係統模擬量數據。圖10給出了模擬量輸入模塊接口示意圖。
圖10 模擬量輸入接線原理圖
SM332輸出0-10v電壓連接到變頻器直接給控製信號。圖11給出了模擬量輸出模塊接口示意圖。
圖11 模擬量輸出接線原理圖
2．係統的監控與管理
係統采用WINCC5.2監控組態軟件在研華科技的610H工控機上實現監控與管理，為生產與安全帶來極大的方便。
經過設計，整個監控係統提供了如下的功能：
(1) 在線自動監視
係統可對廢水處理裝置的各項儀表數據實時的在線監視，並且生動直觀的反應在監控界麵上麵。係統的刷新數據是1秒，曆史的保存間隔是2分鍾。圖12為廢水處理係統工藝監控界麵。
圖12 廢水處理係統工藝監控界麵
(2)在線手動控製
xitongketigongzaixianshishideduicanyukongzhidegediandongfamenhebengdeshoudongkongzhicaozuo。dangxitongyunxingzhongxuyaojinxingweihuhuozhixingqitakongzhishi，keyizaixianshishideduigegeshebeishoudongdedandukongzhi，erbuyingxiangqitashebeidezhengchangzidongyunxing。
(3)工藝參數在線實時設定
xitongkeyitigongzaixiandeshishicanshuxiugai，dangzaiyunxingguochengzhongfaxiangongyixuyaogaijinhuoqitawenti，keyiyoucaozuoyuanzaixiangaibianxitongdecanshu，yishixitonggongzuozaizuiyoudekongzhizhuangtaizhong，rutu13。
圖13 工藝參數設定
(4)故障診斷和報警
係統可對以下故障自動診斷，並發出預防性的報警。
報警高限：實時參數異常偏大，大於設定值，是該監測點處於高報警。
報警底限：實時參數異常偏小，小於設定值，是該監測點處於低報警。
報警：當實時參數出現異常時，相應的監測點通過顏色的變化，提醒操作員注意，進行相關的操作，若需要可以配合聲音報警。
故障報警界麵如圖14。
圖14 故障報警界麵
(5)利用曆史曲線查詢分析遠程模擬量的情況
利用曆史曲線，可隨時針對各個運行點的情況，結合本時間各監測點的數據，分析係統的運行情況，淨水器的運行狀態。
運行過程中，係統將自動生成數據報表，並將數據報表保存在曆史數據庫中，以便隨時查詢曆史記錄。圖15所示為趨勢曲線界麵。
圖15 趨勢曲線界麵
(6)報表的打印
報表打印可以根據操作員的要求，生成符合要求的係統報表，並且打印。也可以設定讓係統自動的根據間隔的時間實時的打印報表。圖16所示為報表打印界麵。
圖16 報表打印界麵
(7)係統指標
係統的數字量輸入點為227個
係統的數字量輸出點為125個
係統的模擬量輸入點為15個通道
係統的模擬量輸出點為4個通道
係統監測數據刷新時間為1秒
曆史數據的保存及報表顯示：根據硬盤存儲器的大小來決定保存的時間。保存的間隔為2分鍾，初步估計可以有效存儲13年左右。
3．項目亮點及難點實現
(1) WINCC定時器問題
在定時器的使用過程中，由於設定的定時時間是需要根據實際的工藝來調整的，為此不能在定時器中使用常量定時時間。要新建DB25數據塊，建立變量的參數時間選擇TIME數據類型，它是一個32位的數據，T#1D_1H_1M_1S_1MS，前麵是一個標準的例子，表示定時時間為1天1小時1分1秒1毫秒。使用可變參數是為了和WINCC中通訊，使得現場操作員可以根據當前水質等一係列變化調整時間值，由於在WINCC中沒有TIME這個數據類型，隻能用DWORD32位整型類型來操作，這就涉及到了兩個數據類型的轉換的問題。根據實際情況所得TIME中的1s=1000(DWORD型)。為了減少STEP7中數據的處理量，在WINCC中使用C腳本對數據進行了處理。WINCC中的時間以分為單位，因此1M=1s*60=1000*60=60000(DWORD型)。
(2) 數據網上發布平台
本項目中設計了係統數據的網上發布平台，在這裏有兩種方案可以考慮，一是利用西門子公司提供的WINCC Web Navigator軟件開發網上的數據傳送係統；二是利用Delphiruanjianlaikaifawangluoliulanxitong。youyuxiangmujingfeixianzhi，womencaiquledierzhongfangan。tongguozhezhongfangan，jiemiandesheji，hebendihuaxitongdejichengjiudouzhangwozaishejizheshouzhong，shidezuihoudexitongnengguofuhekehudeyaoqiu，renxinghua，yiyongxingdoubijiaogao，erkaifachengbenyezaikongzhizhizhong。
（3）WINCC中動態報表的設計
在實際項目中雖然WINCC提供了變量趨勢顯示、報表功能，滿足了簡單的歸檔數據訪問要求，但不能完成該廢水處理工程項目提出的複雜數據處理要求（如：進行有條件的查詢和打印，任意時間、任意區段的查詢等）。因此，在設計過程中對歸檔數據複雜查詢技術進行了研究。WINCC是一個全麵開放的組態軟件，它可方便地集成標準Windows應用的對象、函數和文檔；提供了訪問所有WINCC功能的API編程接口；集成了OLE/OCX和ActiveX對象；它允許通過標準接口（標準SQL數據庫）訪問歸檔數據庫；通過DDE、OPC接口與其它Windows程序進行數據交換。這些開放性為自行擴展和進一步豐富WINCC軟件的功能、, 解決, 該工程問題提供了可能。在本項目中應用ActiveX技術實現WINCC歸檔數據複雜查詢解決該工程問題是可行的：根據用戶對控製係統有條件查詢、打印的要求，運用Delphi設計ActiveX控件，然後在WINCC中調用該控件，最終實現WINCC不能完成的複雜歸檔數據訪問任務。
圖ActiveX控件的界麵
五、結束語
係統於2004年10月投入運行，兩年來係統運行良好，未進行任何維修，電廠廢水達到了零排放，大大提高了水的利用率。
六、應用體會
在項目進行的過程中，西門子在工控領域中安全、可靠、成熟、高效的產品及解決方案為項目的順利進行提供了保證和保障。西門子的TIA理念及產品特點，著眼於整個工廠的控製和管理，采用統一的數據管理、統一的編程組態平台、統一的通訊規範和靈活的結構配置，從另一側麵保證了項目的順利完成。
本項目使用了WINCC監控軟件，由於軟件優越的開放性，解決了項目中的監控方麵的難點問題，如WINCCzhongdongtaibaobiaodeshejidenggongneng。ertongyideguojibiaozhunbianchengyuyanjixianchangzongxianjishudeyingyong，yijixiangmuzhongruanyingjianshejidemokuaihua，gengtixianlebenxitongdekekuozhanxingyukeweihuxing。
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