lpc控制的污水处理系统大学大学论文.docx
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lpc控制的污水处理系统大学大学论文
目录
摘要II
1绪论1
1.1可编程控制器的发展和现状1
1.2PLC的构成1
1.3我国水处理现状4
2PLC的介绍5
2.1PLC的基本构成5
2.2PLC的工作原理10
2.3PLC程序设计语言介绍14
3PLC控制的污水处理系统17
3.1污水基本组成17
3.2PLC控制的污水处理系统19
3.2.1污水处理总流程部分21
3.2.2仪表对水质的检测以及检测后加投药部分23
3.2.3投药后系统加热控制27
3.2.4紫外线杀菌系统31
4PLC的抗干扰措施33
4.1PLC安装的环境条件33
4.2抗干扰措施33
5结论37
参考文献38
致谢39
摘要
污水处理对于人们的生产、生活有着重要的意义,它也是国家执行可持续发展目标的一个重要环节。
其中工业废水由于成分复杂、有害污染物多、处理难度大,一直是困扰企业发展壮大的瓶颈。
以往一些水处理系统的控制多采用常规的仪表控制,以手动控制为主,劳动生产率低,系统信息分散。
为了降低水处理成本,达到减员增效的目的,就必须提高污水处理的自动化水平,一方面提高系统运行的可靠性,另一方面通过自动化水平的提高,将劳动力解放出来。
从发展来看,由常规仪表构成的控制系统已不能满足需要,水处理产业的自动化水平将随着国际自动化技术和设备的发展而发展。
PLC是以微型计算机为核心的工业控制装置,它集电控、电仪、电传三电于一体,是现代工业三大支柱之一。
由于它的功能强、可靠性高、适应性好以及模块化结构等优点,在工业控制中得到了广泛的应用。
把个人计算机连入PLC网络可以向用户提供诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、报表编制、趋势图生成、窗口技术以及生产管理等多种功能,作为底层单元的PLC完成对现场开/关量、模拟输入/输出量的控制处理,而利用微型计算机良好的人机对话界面和数据处理功能,实现对一台或多台PLC进行监控,充分发挥PLC可靠、灵活的控制性能和计算机在管理、监控等方面的优势,提高控制系统的整体自动化程度。
在本课题设计中,首先概括性地分析了目前PLC的发展现状、主要类型及各自特点等。
接着,对课题中将要用到的PLC的硬件结构与工作原理作了介绍,并着重介绍了S7-200系列PLC。
然后,详细地阐述了一个较为简单的污水处理系统的PLC控制的设计实现步骤。
将整个控制过程分为四个方面:
污水处理总流程部分、仪表测水质以及根据水质加投药、投药后系统加热控制、紫外线杀菌器。
由这四个方面的协调工作共同组成了整个污水处理的PLC控制系统。
关键词:
污水处理,远程I/0,PH值控制,PLC
1绪论
1.1可编程控制器的发展和现状
PLC,即可编程序控制器,是以计算机技术为核心的自动控制装置,在各行业中得到广泛运用,在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。
传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求,第二年,美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置,首次,采用程序化的手段应用于电气控制,这就是第一代可编程序控制器,称Programmable Controller(PC)。
个人计算机(简称PC)发展起来后,为了方便,也为了反映可编程控制器的功能特点,可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC),现在,仍常常将PLC简称PC。
PLC的定义有许多种。
国际电工委员会(IEC)对PLC的定义是:
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
上世纪80年代至90年代中期,是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持为30~40%。
在这时期,PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,PLC逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
当前,PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场,为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
其主要原因,在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案,适合于当前工业企业对自动化的需要。
在全球工业计算机控制领域,围绕开放式过程控制系统、开放式过程控制软件、开放式数据通信协议,已经发生巨大变革。
随着PLC(SoftPLC)控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展,安装有SoftPLC组态软件和基于工业PC过程控制系统正在逐步得到发展。
对于控制软件来讲,是PLC控制器的核心,向工业用户提供开放式的编程组态工具软件。
此外,开放式通信网络技术也得到了突破,其结果是将PLC融入更加开放的工业自动化控制。
介
1.2PLC的构成
可编程控制器对用户来说,是一种无触点设备,改变程序即可改变生产工艺。
目前,可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具,得到了广泛的普及推广应用。
其具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点。
近年来,在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。
PLC的典型结构如下:
图1-1PLC的基本构成
1.2.1PLC的特点
现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一要求,生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性,这就需要寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统,使电气控制系统的工作更加可靠、更容易维修、更能适应经常变动的工艺条件,PLC正是顺应这一要求出现的。
其具有以下特点:
(1)编程方法简单易学
梯形图是使用得最多的PLC的编程语言,其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似。
梯形图语言形象直观,易学易懂,熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花费几天时间就可以熟悉梯形图语言,并用来编制用户程序。
梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言,PLC在执行梯形图程序时,用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。
(2)功能强,性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可共用户使用的编程元件,有很强的功能,可以实现非常复杂的控制功能。
与相同功能的继电器系统相比,具有很高的性能价格比。
PLC可以通过通信联网,实现分散控制,集中管理。
(3)硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置共用户选用,用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
硬件配置确定后,可通过修改用户程序,方便快速地适应工艺条件的变化。
(4)可靠性高,抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。
由于触点接触不良,容易出现故障。
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件,接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100,因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,平均无故障时间达到数万小时以上,可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场,PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
(5)系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法很有规律,很容易掌握。
对于复杂的控制系统,梯形图的设计时间比继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试,输入信号用小开关来模拟,通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。
完成安装和接线后,在现场的统调中发现的问题一般通过修改程序就可以解决,系统的调试时间比继电器系统少得多。
(6)维修工作量小,维修方便
PLC的故障率很低,且有完善的自诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时,可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因,用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
(7)体积小,能耗低
对于复杂的控制系统,使用PLC后,可以减少大量的中间继电器和时间继电器,小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小,因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。
PLC的配线比继电器控制系统的配线少得多,故可以省下大量的配线和附件,减少大量的安装接线工时,加上开关柜体积的缩小,可以节省大量的费用。
正是由于以上原因,PLC己成功地应用于污水处理厂、水循环处理系统、机械加工、汽车制造、电力、冶金、纺织等领域。
目前PLC市场多以进口国外产品为主,如立石、西门子、三菱、ABB、OMRON。
大型以西门子为主,小型则被三菱和OMRON占据。
我国PLC技术水平与国外相差十年以上,特别在CPU冗余,通信网络和远程I/O技术,通信模块,编程语言,可靠性等关键技术方面相差更远,且多为技术含量低的低档产品,这也制约了PLC产品在我国的应用普及。
今后PLC不仅会取代继电器控制,而且随着网络化的发展,将成为自动控制中不可缺少的一部分。
1.3我国水处理现状
我国是一个缺水的国家,人均水资源占有量仅为世界的1/4,而且我国的水资源在时空和地域分布也很不均匀,更加重了实际缺水的情况,因此今年来我国城市水资源进一步紧张,许多城市存在严重缺水,与此同时,水资源的污染也日益加重,所以,许多城市都规划和建设了一些自己的污水处理厂,来改变目前水资源缺乏的现状。
我国污水处理事业是在80年代发展起来的,经过几十年的发展已初具规模,但是,与国外的污水处理系统相比,始终存在着效率低,自动化程度低,能耗高与费用高等缺点,随着全球能源供应紧张与自动化程度高发展的要求,我国污水处理系统必然朝着无人看守与高自动化的方向发展。
目前,PLC以其高稳定性,高自动化程度的不断加强,使得PLC成为污水处理系统的首选。
可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。
具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点。
近年来,在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到了广泛的应用。
(1)可靠性高,抗干扰能力强
(2)通用性强,使用方便
(3)程序设计简单、易学、易懂
(4)采用先进的模块化结构,系统组合灵活方便
(5)系统设计周期短
(6)安装简便,调试方便,维护工作量小
(7)对生产工艺改变适应性强,可进行柔性生产
综合以上特点可见,PLC的诸多特点正是迎合了广大用户的需求,弥补了其他控制器的不足。
因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域得到了越来越广泛的应用。
在现代自动化的污水处理厂更是不可缺少。
污水处理厂的过程控制都有一个共同的特点,就是开关量多,模拟量少。
以逻辑顺序控制为主,闭环回路控制为辅,因此,以次见长的可变成逻辑控制器在污水处理中得到了广泛的应用。
随着我国自动化技术和仪表检测技术的发展,自动调节仪表逐渐被污水处理厂所采用。
尤其是近几年来,我国新建城市污水处理厂大都采用了目前较为先进的可编程控制器系统。
一些利用外资兴建的污水处理厂也越来越多,它们几乎都采用了可编程控制系统,大大缩短了我国污水处理厂与世界上先进发达国家污水处理厂在自动控制领域的距离。
随着工业自动化、计算机集成技术的飞速发展,PLC也在向高功能、高速度、大容量发展,PLC系统的的应用范围和应用规模也将会越来越大。
城市污水处理工程的建设正以前所未有的速度发展,大大加快了我国工业自动化的进程。
2PLC的介绍
2.1PLC的基本构成
从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。
整体式又叫做单元式或箱体式,CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱状机壳内,结构非常紧凑。
它的体积小、价格低,小型PLC一般采用整体式结构。
整体式PLC提供多种不同I/O点数的基本单元和扩展单元供用户选用,基本单元内有CPU模块、I/O模块和电源,扩展单元内只有I/O模块和电源,基本单元和扩展单元之间用扁平电缆连接。
各单元的输入点与输出点的比例一般是固定的,有的PLC有全输入型和全输出型的扩展单元。
选择不同的基本单元和扩展单元,可以满足用户的不同要求。
整体式PLC一般配备有许多专用的特殊功能单元,如模拟量I/O单元、位置控制单元和通信单元等,使PLC的功能得到扩展。
模块式PLC:
大、中型PLC(如西门子的S7—300和S7—400系列)—般采用模块式结构。
模块式PLC用搭积木的方式组成系统,它由机架和模块组成。
模块插在模块插座上,后者焊在机架的总线连接板上,有的厂家将机架称为基板。
PLC厂家备有不同槽数的机架供用户选用,如果一个机架容纳不下所选用的模块,可以增设一个或数个扩展机架,各机架之间用I/O扩展电缆相连,有的PLC需要通过接口模块来连接备机架。
用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能模块,对硬件配置的选择余地较大,维修时更换模块也很方便。
有的模块式PLC(如西门子的S7—300系列PLC)没有机架,各模块安装在铝质导轨上,相邻的模块之间用模块下面的U形总线连接器连接。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。
图2-1PLC的基本组成
2.1.1CPU模块
中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性,近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU的表决式系统。
这样,即使某个CPU出现故障,整个系统仍能正常运行。
CPU是PLC的核心,起神经中枢的作用,每套PLC至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后,从用户程序存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成,CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据,是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来,不必要详细分析CPU的内部电路,但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。
CPU的控制器控制CPU工作,由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
运算器用于进行数字或逻辑运算,在控制器指挥下工作。
寄存器参与运算,并存储运算的中间结果,它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数,它们决定着PLC的工作速度,IO数量及软件容量等,因此限制着控制规模。
CPU模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。
PLC使用以下几类CPU芯片:
(1)通用微处理器,如Intel公司的8086,80186到pentium系列芯片;
(2)单片微处理器(单片机),如Intel公司的MCS5l/96系列单片机;
(3)位片式微处理器,如AMD2900系列位片式微处理器CPU的存储器
PLC的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。
系统程序相当于个人计算机的操作系统,它使PLC具有基本的智能,能够完成PLC设计者规定的各种工作。
系统程序由PLC生产厂家设计并固化在ROM内,用户不能直接读取。
PLC的用户程序由用户设计,它决定了PLC的输入信号与输出信号之间的具体关系。
用户程序存储器的容量一般以字(每个字由16位二进制数组成)为单位,三菱的Fx系列PLC将用户程序存储器的单位称为步(Step,即字),小型PLC的用户程序存储器容量在1K字左右,大型PLC的用户程序存储器容量可达数M(兆)字。
PLC常用以下几种存储器:
(1)随机存取存储器(RAM)
用户可以用编程器读出RAM中的内容,也可以将用户程序写入RAM,因此RAM又叫读写存储器。
它是易失性的存储器,将它的电源断开后,储存的信息将会丢失。
RAM的工作速度高,价格低,改写方便。
为了在关断PLC外部电源后,保存RAM中的用户程序和某些数据(如计数器的计数值),为RAM配备了一个锂电池。
现在有的PLC仍用RAM来储存用户程序。
锂电池可用2—5年,需要更换理电池时,PLC面板上的“电池电压过低”发光二极管亮,同时有一个内部标志位变为l状态,可以用它的常开触点来接通控制屏面板上的指示灯或声光报警器,通知用户及时更换锂电池。
(2)只读存储器(ROM)
ROM的内容只能读出,不能写入。
它是非易失的,它的电源消失后,仍能保存储存的内容。
ROM一般用来存放PLC的系统程序。
(3)可电擦除的EPROM(EEPROM)
它是非易失性的,但是可以用编程器对它编程,兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点。
但是写入信息所需的时间比RAM长得多,EEPROM用来存放用户程序。
有的PLC将EEPROM作为基本配置,有的PLC将EEPROM作为可选件。
2.1.2I/O模块
PLC与电气回路的接口,是通过输入输出部分(I/O)完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统,输出模块相反。
I/O分为开关量输入(DI),开关量输出(DO),模拟量输入(AI),模拟量输出(AO)等模块。
开关量是指只有开和关(或1和0)两种状态的信号,模拟量是指连续变化的量。
常用的I/O分类如下:
按电压水平分,有220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量:
按信号类型分,有电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等,按精度分,有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外,还有特殊IO模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量,I/O模块可多可少,但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。
(1)输入模块
输入电路中设有RC滤波电路,以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。
滤波电路延迟时间的典型值为10-20毫秒(信号上升沿)和20-50毫秒(信号下降沿),输入电流为数毫安。
图2-2输入电路
图2-2是某输入模块的内部电路和外部接线图,图中只画出了一路输入电路,1M是同一输入组内各输入信号的公共点。
S7-200可以用CPU模块输出的24V直流电源作为输入回路的电源(见图2-6),它还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24V直流电源。
当图2-2中的外接触点接通时,光耦合器中两个反串联的发光二极管,光敏三极管饱和导通;外接触点断开时,光耦合器中的发光二极管熄灭,光敏三极管截止。
信号经过内部电路传送给CPU模块。
显然,可以改变图2-2中输入回路的电源极性。
交流输入方式适合在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用,输入电压有110V、220V两种。
直流输入电路的延迟时间较短,可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。
(2)输出模块
输出模块的功率放大元件有驱动直流负裁的大功率晶体管和场效应管、驱动交流负载的双向晶闸管,以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。
输出电流的典型值为0.5—2A,负载电源由外部现场提供。
图2-3是继电器输出电路。
内部电路使继电器的线圈通电,它的常开触点闭合,使外部负载得电工作。
继电器同时起隔离和功率放大作用,每一路只给用户提供一对常开触点。
与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧,以减轻它对CPU的干扰。
图2—4是晶体管集电极输出电路。
输出信号送给内部电路中的输出锁存器,再经光耦合器送给输出品体管,后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。
图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压,以保护晶体管,晶体管输出电路的延迟时间<1毫秒。
场效应管输出电路的结构与晶体管输出电路基本上相同。
图2-3继电器输出电路图2-4晶体管输出电路
除了上述几种输出电路外,还有双向品闸管输出电路,它用光电晶闸管实现隔离。
双向晶闸管由关断变为导通的延迟时间小于l毫秒,由导通变为关断的延迟时间小于10毫秒。
晶闸管在负载电流过小时不能导通,遇到这种情况时可以在负载两端并联电阻。
除了输入模块和输出模块,还有一种既有输入电路又有输出电路的模块,输入、输出的点数一般相同,这种模块使用户确定PLC的硬件配置更为方便。
继电器输出模块的使用电压范围广,导通压降小,承受瞬时过电压和过电流的能力较强,但是动作速度较慢,寿命(动作次数)有一定的限制。
如果负载的通断变化不是很频繁,建议优先选用继电器型的。
晶体管型与双向品间管型模块分别用于直流负载和交流负载,它们的可靠性高,反应速度快,寿命长,但是过载能力稍差。
2.1.3电源模块
可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。
内部的开关电源为各模块提供DC5V、±12V、24V等直流电源。
小型可编程序控制器一般都可以为输入电路和外部的电子传感器提供24V直流电源,驱动可编程序控制器负载的直流电源一般由用户提供。
2.1.4底板或机架,与其它设备
大多数模块式PLC使用底板或机架,其作用是:
电气上,实现各模块间的联系,使CPU能访问底板上的所有模块,机械上,实现各模块间的连接,使各模块构成一个整体。
编程设备:
编程装置用来生成用户程序,并对它们进行编辑、检查和修改。
手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图,只能输入和编辑指令表程序,因此又叫做指令编程器。
它体积小,价格便宜,一般用来给小型可编程序控制器编程,或者用于现场调试和维修。
使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能快图和顺序功能图程序,并可以实现不同变成语言的相互转换。
程序被编译后下载到可编程序控制器,也可将可编程序控制器中的程序上传到计算机。
程序可以存盘或打印,通过网络,还可以实现远程编程和传送。
可以用编程软件设置可编程序控制器的各种参数。
通过通信,可以显示梯形图中触点和线圈的通断情况,以及运行时可编程序控制器内部的各种参数,对于查找故障非常有用。
人机界面:
最简单的人机界面是指示灯和按钮,目前液晶屏(或触摸屏)式的一体式操作员终端应用越来越广泛,由计算机(运行组态软件)充当人机界面
非输入输出设备:
用于永久性地存储用户数据,如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器,输入模拟
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