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传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术
传统的加热炉电气控制系统普遍采用继电器控制技术,由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制,使控制系统的体积增大,耗电多,效率不高且易出故障,不能保证正常的工业生产。
随着计算机控制技术的发展,传统继电器控制技术必然被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。
而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济高效稳定且维护方便。
这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义。
2加热炉温度控制系统基本构成
加热炉温度控制系统基本构成入图1所示,它由PLC主控系统、移相触发模块整、流器SCR、加热炉、传感器等5个部分组成。
该加热炉温度希望稳定在100℃工作(其它工作温度同样可以照此方法设计)。
图1加热炉温度控制系统基本组成
加热炉温度控制实现过程是:
首先传感器将加热炉的温度转化为电压信号,PLC主控系统内部的A/D将送进来的电压信号转化为PLC可识别的数字量,然后PLC将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行处理,给移相触发模块,再给三相整流电路(SCR)一个触发脉冲(既控制脉冲),这样通过SCR的输出我们控制了加热炉电阻丝两端的电压,也既加热炉温度控制得到实现。
其中PLC主控系统为加热炉温度控制系统的核心部分起重要作用。
3PLC控制系统
3.1PLC控制系统的硬件配置
在加热炉温度控制系统中PLC采用日本三菱公司FX2N,其硬件采用模块化设计,配合了多种特殊功能模块及功能扩展模块,可实现模拟量控制、位置控制等功能。
该系列PLC可靠性高,抗干扰强、配置灵活、性价比高。
本温度控制系统中PLC我们选择FX2N-48MR-001型,它与外部设备的连接如图2、表1所示。
图2PLCI/O接线图
表1PLCI/O地址分配表
3.2流程设计
根据加热炉温度控制要求,本系统控制流程图如图3所示。
图3加热炉控制流程图
3.3控制算法
由于温度控制本身有一定的滞后性和惯性,这使系统控制出现动态误差。
为了减小误差提高系统控制精度,采用PID控制算法,另外考虑到系统的控制对象,采用增量型PID算法。
△V(n)=U(n)-U(n-1)
[e(n)-2e(n-1)e(n-2)>}=KP{△e(n)
e(n)
[△e(n)-△e(n-1)>}
式中e(n)、e(n-1)、e(n-2)为PID连续三次的偏差输入。
△e(n)、△e(n-1)为系统连续两次执行的误差。
KP为比例放大系数T、TI、TD分别为采样周期、积分时间、微分时间。
当加热炉刚启动加热时,由于测到的炉温为常温,sp-pv=△U为正值且较大,△U为PID调节器的输入,此时PID调节器中P起主要作用,使SCR为最大电压给加热炉加热。
当加热炉温度达到100℃以上时,sp-pv=△U为负值,经PID调节,使SCR输出电压减小,加热炉温度降低。
当温度正好达到100℃时,△U为零PID不调节,此时SCR输出的电压正好平衡加热炉消耗的热量,系统达到动态平衡。
3.4K型热电偶分度电压拟合
(1)根据具体问题,确定拟合多项式的次数为n。
(2)由公式
Sk=
(k=0,1,2,……2n)
tr=yi
(r=0,1,2,……n)
计数出Sk与Tr
(3)写出正规方程
(4)解正规方程组求出a0,a1,…,an
(5)写出拟合公式多项式Pn(X)=
一次多项式也叫作线性拟合。
由上述方法可拟合出K分度电压随温度变化公式为:
V=0.04T(其中V为电压,T为温度)。
此拟合公式是在温度从0℃到120℃之间变化的近似公式,因此正规方程只用到S0、S1、S2拟合的多项式次数为n=1,电压随温度的变化可近似为线性变化。
如果温度变化范围比较大,则电压随温度变化为非线性变化,上述电压随温度变公式需要重新拟合,拟合多项式的次数也必然大于2。
3.5系统调试
系统调试分为两大步骤,一是系统软件调试;二是系统硬件调试。
(1)系统软件调试。
系统软件调试是在PC机上进行,我们将PLC控制程序输入PC机后,根据运行要求,设定若干数字开关量,模拟量,对系统的每一个功能进行检测测试并在此基础上不断完善程序以达到系统要求。
(2)系统硬件调试。
相应的系统硬件也是在实验室里进行,用一个设备来摸仪控制对象。
首先检查设备的诸个单元是否合乎要求,其次将软件和硬件结合起来进行测试。
并不断完善PLC软硬件的配置以达到最优的结果。
4结束语
加热炉温度控制系统采用成熟的PLC技术和电力电子技术,采用软硬件结合,较好的解决了传统加热炉温控系统中出现的问题。
针对我国大部分的加热炉用户来说本系统将是一个比较理想的温控系统。
燃烧控制系统是电厂锅炉的主控系统,主要包括燃料控制系统、风量控制系统、炉膛压力控制系统。
目前大部分电厂的锅炉燃烧控制系统仍然采用PID控制。
燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成串级控制系统,其中燃烧率控制由燃料量控制、送风量控制、引风量控制构成,各个子控制系统分别通过不同的测量、控制手段来保证经济燃烧和安全燃烧。
如图1所示。
图1燃烧控制系统结构图
2、控制方案
锅炉燃烧自动控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的要求,同时还要保证锅炉安全经济运行。
一台锅炉的燃料量、送风量和引风量三者的控制任务是不可分开的,可以用三个控制器控制这三个控制变量,但彼此之间应互相协调,才能可靠工作。
对给定出水温度的情况,则需要调节鼓风量与给煤量的比例,使锅炉运行在最佳燃烧状态。
同时应使炉膛内存在一定的负压,以维持锅炉热效率、避免炉膛过热向外喷火,保证了人员的安全和环境卫生。
2.1控制系统总体框架设计
燃烧过程自动控制系统的方案,与锅炉设备的类型、运行方式及控制要求有关,对不同的情况与要求,控制系统的设计方案不一样。
将单元机组燃烧过程被控对象看作是一个多变量系统,设计控制系统时,充分考虑工程实际问题,既保证符合运行人员的操作习惯,又要最大限度的实施燃烧优化控制。
控制系统的总体框架如图2所示。
图2单元机组燃烧过程控制原理图
P为机组负荷热量信号为D+dPbdt。
控制系统包括:
滑压运行主汽压力设定值计算模块(由热力系统实验获得数据,再拟合成可用DCS折线功能块实现的曲线)、负荷—送风量模糊计算模块、主蒸汽压力控制系统和送、引风控制系统等。
主蒸汽压力控制系统采用常规串级PID控制结构。
2.2燃料量控制系统
当外界对锅炉蒸汽负荷的要求变化时,必须相应的改变锅炉燃烧的燃料量。
燃料量控制是锅炉控制中最基本也是最主要的一个系统。
因为给煤量的多少既影响主汽压力,也影响送、引风量的控制,还影响到汽包中蒸汽蒸发量及汽温等参数,所以燃料量控制对锅炉运行有重大影响。
燃料控制可用图3简单表示。
图3燃料量控制策略
其中:
NB为锅炉负荷要求;B为燃料量;F(x)为执行机构。
设置燃料量控制子系统的目的之一就是利用它来消除燃料侧内部的自发扰动,改善系统的调节品质。
另外,由于大型机组容量大,各部分之间联系密切,相互影响不可忽略。
特别是燃料品种的变化、投入的燃料供给装置的台数不同等因素都会给控制系统带来影响。
燃料量控制子系统的设置也为解决这些问题提供了手段。
2.3送风量控制系统
为了实现经济燃烧,当燃料量改变时,必须相应的改变送风量,使送风量与燃料量相适应。
燃料量与送风量的关系见图4。
图4燃料量与送风量关系
燃烧过程的经济与否可以通过剩余空气系数是否合适来衡量,过剩空气系数通常用烟气的含氧量来间接表示。
实现经济燃烧最基本的方法是使风量与燃料量成一定的比例。
送风量控制子系统的任务就是使锅炉的送风量与燃料量相协调,可以达到锅炉的最高热效率,保证机组的经济性,但由于锅炉的热效率不能直接测量,故通常通过一些间接的方法来达到目的。
如图5所示,以实测的燃料量B作为送风量调节器的给定值,使送风量V和燃料量B成一定的比例。
图5燃料量空气调节系统
在稳态时,系统可保证燃料量和送风量间满足
选择
使送风量略大于B完全燃烧所需要的理论空气量。
这个系统的优点是实现简单,可以消除来自负荷侧和燃料侧的各种扰动。
2.4引风量控制系统
为了保持炉膛压力在要求的范围内,引风量必须与送风量相适应。
炉膛压力的高低也关系着锅炉的安全和经济运行。
炉膛压力过低会使大量的冷风漏入炉膛,将会增大引风机的负荷和排烟损失,炉膛压力太低甚至会引起内爆;反之炉膛压力高且高出大气压力的时候,会使火焰和烟气冒出,不仅影响环境卫生,甚至可能影响设备和人生安全。
引风量控制子系统的任务是保证一定的炉膛负压力,且炉膛负压必须控制在允许范围内,一般在-20Pa左右。
控制炉膛负压的手段是调节引风机的引风量,其主要的外部扰动是送风量。
作为调节对象,炉膛烟道的惯性很小,无论在内扰和外扰下,都近似一个比例环节。
一般采用单回路调节系统并加以前馈的方法进行控制,如图6所示。
图6引风量控制子系统
图中
为炉膛负压给定值,S为实测的炉膛负压,Q为引风量,V为送风量。
由于炉膛负压实际上决定于送风量和引风量的平衡,故利用送风量作为前馈信号,以改善系统的调节性能。
另外,由于调节对象相当于一个比例环节,被调量反应过于灵敏,为了防止小幅度偏差引起引风机挡板的频繁动作,可设置调节器的比例带自动修正环节,使得在小偏差时增大调节器的比例带。
对于负压S的测量信号,也需进行低通滤波,以抑制测量值的剧烈波动。
3、系统硬件配置
在锅炉燃烧过程中,用常规仪表进行控制,存在滞后、间歇调节、烟气中氧含量超过给定值、低负荷和烟气温度过低等问题。
采用PLC对锅炉进行控制时,由于它的运算速度快、精度高、准确可靠,可适应复杂的、难于处理的控制系统。
因而,可以解决以上由常规仪表控制难以解决的问题。
所选择的PLC系统要求具有较强的兼容性,可用最小的投资使系统建成及运转;其次,当设计的自动化系统要有所改变时,不需要重新编程,对输入、输出系统不需要再重新接线,不须重新培训人员,就可使PLC系统升级;最后,系统性能较高。
硬件结构图如图7所示。
图7硬件结构图
根据系统的要求,选取西门子PLCS7-200CPU226作为控制核心,同时还扩展了2个EM231模拟量输入模块和1个CP243-1以太网模块。
CPU226的IO点数是2416,这样完全可以满足系统的要求。
同时,选用了EM231模块,它是AD转换模块,具有4个模拟量输入,12位AD,其采样速度25μs,温度传感器、压力传感器、流量传感器以及含氧检测传感器的输出信号经过调理和放大处理后,成为0~5V的标准信号,EM231模块自动完成AD转换。
S7-200的PPI接口的物理特性为RS-485,可在PPI、MPI和自由通讯口方式下工作。
为实现PLC与上位机的通讯提供了多种选择。
为实现人机对话功能,如系统状态以及变量图形显示、参数修改等,还扩展了一块Eview500系列的触摸显示屏,操作控制简单、方便,可用于设置系统参数,显示锅炉温度等。
还有一个以太网模块CP243-1,其作用是可以让S7-200直接连入以太网,通过以太网进行远距离交换数据,与其他的S7-200进行数据传输,通信基于TCPIP,安装方便、简单。
4、系统软件设计
控制程序采用STEP7-MicroWin软件以梯形图方式编写,其软件框图如图8所示。
图8软件主框图
S7-200PLC给出了一条PID指令,这样省去了复杂的PID算法编程过程,大大方便了用户的使用。
使用PID指令有以下要点和经验:
(1)比例系数和积分时间常数的确定。
应根据经验值和反复调试确定。
(2)调节量、给定量、输出量等参数的标准归一化转换。
(3)按正确顺序填写PID回路参数表(LOOPTABLE),分配好各参数地址。
5、结束语
单元机组燃烧过程控制系统在某火电厂发电机组锅炉协调控制系统中投入使用。
实际运行情况表明:
由于引入负荷模糊前馈,使得锅炉燃烧控制系统作为协调控制的子系统,跟随机组负荷变化的能力显著提高,风煤比能够在静态和动态过程中保持一致;送、引风控制系统在逻辑控制系统的配合下运行的平稳性和安全性提高,炉膛负压波动减小,满足了运行的要求;在机组负荷不变时,锅炉燃烧稳定,各被调参数动态偏差显著减少,实现了锅炉的优化燃烧;采用非线性PID调节方式,解决了引风挡板的晃动问题。
采用西门子的PLC控制,不仅简化了系统,提高了设备的可靠性和稳定性,同时也大幅地提高了燃烧能的热效率。
通过操作面板修改系统参数可以满足不同的工况要求,机组的各种信息,如工作状态、故障情况等可以声光报警及文字形式表示出来,主要控制参数(温度值)的实时变化情况以趋势图的形式记录显示,方便了设备的操作和维护,该系统通用性好、扩展性强,直观易操作
基于西门子S7-200PLC的温度控制系统设计毕业论文
本文摘自单片机开发平台:
第一章前言
1.1课题研究背景
温度是工业生产中常见的工艺参数之一,任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。
在科学研究和生产实践的诸多领域中温度控制占有着极为重要的地位特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足轻重的作用。
对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制,所采用的加热方式,燃料,控制方案也有所不同。
例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等;燃料有煤气、天然气、油、电等[1]。
温度控制系统的工艺过程复杂多变,具有不确定性,因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
可编程控制器(PLC)可编程控制器是一种工业控制计算机,是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。
它具有抗干扰能力强,价格便宜,可靠性强,编程简单,易学易用等特点,在工业领域中深受工程操作人员的喜欢,因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用[2]。
目前在控制领域中,虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具,特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统(DCS)。
但就其控制策略而言,占统治地位的仍然是常规的PID控制。
PID结构简单、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型[3]。
PID的使用已经有60多年了,有人称赞它是控制领域的常青树。
组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
在组态概念出现之前,要实现某一任务,都是通过编写程序来实现的。
编写程序不但工作量大、周期长,而且容易犯错误,不能保证工期。
组态软件的出现,解决了这个问题。
对于过去需要几个月的工作,通过组态几天就可以完成.组态王是国内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的,组态王具有流程画面,过程数据记录,趋势曲线,报警窗口,生产报表等功能,已经在多个领域被应用[4]。
1.2温度控制系统的发展状况
温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用,在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。
温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源,它的出现迄今已有两百余年的历史。
期间,从低级到高级,从简单到复杂,随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高,温度控制系统的控制技术得到迅速发展。
当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统,基于PLC的温度控制系统,基于工控机(IPC)的温度控制系统,集散型温度控制系统(DCS),现场总线控制系统(FCS)等。
单片机的发展历史虽不长,但它凭着体积小,成本低,功能强大和可靠性高等特点,已经在许多领域得到了广泛的应用。
单片机已经由开始的4位机发展到32位机,其性能进一步得到改善[5]。
基于单片机的温度控制系统运行稳定,工作精度高。
但相对其他温度系统而言,单片机响应速度慢、中断源少,不利于在复杂的,高要求的系统中使用。
PLC是一种数字控制专用电子计算机,它使用了可编程序存储器储存指令,执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能,并通过模拟和数字输入、输出等组件,控制各种机械或工作程序。
PLC可靠性高、抗干扰能力强、编程简单,易于被工程人员掌握和使用,目前在工业领域上被广泛应用[6]。
相对于IPC,DCS,FSC等系统而言,PLC是具有成本上的优势。
因此,PLC占领着很大的市场份额,其前景也很有前途。
工控机(IPC)即工业用个人计算机。
IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉,应用日趋广泛。
它能够适应多种工业恶劣环境,抗振动、抗高温、防灰尘,防电磁辐射。
过去工业锅炉大多用人工结合常规仪表监控,一般较难达到满意的结果,原因是工业锅炉的燃烧系统是一个多变量输入的复杂系统。
影响燃烧的因素十分复杂,较正确的数学模型不易建立,以经典的PID为基础的常规仪表控制,已很难达到最佳状态。
而计算机提供了诸如数字滤波,积分分离PID,选择性PID。
参数自整定等各种灵活算法,以及“模糊判断”功能,是常规仪表和人力难以实现或无法实现的[7]。
在工业锅炉温度检测控制系统中采用控机工可大大改善了对锅炉的监控品质,提高了平均热效率[7]。
但如果单独采用工控机作为控制系统,又有易干扰和可靠性差的缺点。
集散型温度控制系统(DCS)是一种功能上分散,管理上集中上集中的新型控制系统。
与常规仪表相比具有丰富的监控、协调管理功能等特点。
DCS的关键是通信。
也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。
由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络,因此,数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。
基本DCS的温度控制系统提供了生产的自动化水平和管理水平,能减少操作人员的劳动强度,有助于提高系统的效率[8]。
但DCS在设备配置上要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构,支持无扰切换和带电插拔,由于设计上的高要求,导致DCS成本太高。
现场总线控制系统(FCS)综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段的系统。
其优势在于网络化、分散化控制。
基于总线控制系统(FCS)的温度控制系统具有高精度,高智能,便于管理等特点,FCS系统由于信息处理现场化,能直接执行传感、控制、报警和计算功能。
而且它可以对现场装置(含变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和组态,这是其他系统无法达到的[9]。
但是,FCS还没有完全成熟,它才刚刚进入实用化的现阶段,另一方面,另一方面,目前现场总线的国际标准共有12种之多,这给FSC的广泛应用添加了很大的阻力。
各种温度系统都有自己的优缺点,用户需要根据实际需要选择系统配置,当然,在实际运用中,为了达到更好的控制系统,可以采取多个系统的集成,做到互补长短。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但从生产的温度控制器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。
成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主。
它只能适应一般温度系统控制,难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。
而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表,国内技术还不十分成熟,形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面,国外已有较多的成熟产品。
但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后,还没有开发出性能可靠的自整定软件。
控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。
国外温度控制系统发展迅速,并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。
日本、美国、德国、瑞典等技术领先,都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表,并在各行业广泛应用。
目前,国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展[10]。
1.3本文的研究内容
本论文主要是利用PLCS7-200采用PID控制技术做一个温度控制系统,要求稳定误差不超过正负1℃,并且用组态软件实现在线监控。
具体有以下几方面的内容:
第一章,对PLC系统应用的背景进行了阐述,并介绍当前温度控制系统的发展状况。
第二章,简单概述了PLC的基本概念以及组成。
第三章,介绍了控制系统设计所采用的硬件连接、使用方法以及编程软件的简单介绍。
第四章,介绍了本论文中用到的一些算法技巧和思想,包括PWM、PID控制、PID在PLC中的使用方法以及PID的参数整定方法。
第五章,介绍了设计程序的设计思想和程序,包括助记符语言表和梯形图。
第六章,介绍了组态画面的设计方法。
第七章,进行系统设计,检验控制系统控制质量。
第八章对全文进行总结。
第二章可编程控制器的概述
2.1可编程控制器的产生
可编程控制器是一种工业控制计算机,英文全称:
ProgrammableController,为了和个人计算机(PC)区分,一般称其为PLC。
可编程控制器(PLC)是继承计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。
其性能优越,已被广泛地应用于工业控制的各个领域。
20世纪60年代,计算机技术开始应用于工业控制领域,但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大,未能在工业领域中获得推广。
1968年,美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控制器的要求,并从用户角度提出新一代控制器应具备十大条件,立即引起了开发热潮。
1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台可编程序控制器,并应用于通用汽车公司的生产线上。
可编程控制器自问世以来,发展极为迅速。
1971年日本开始生产可编程控制器,而欧洲是1973开始的。
如今,世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器[11]。
可编程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代,见表1-1。
表1-1可编程控制器功能表
代次器件功能
第一代1位处理器逻辑控制功能
第二代8位处理器及存储器产品系列化
第三代高性能8位微处理器及位片式微处理器处理速度提高,向多功能及联网通信发展
第四代16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器逻辑、运动、数据处理、联网功能的多功能
2.2可编程控制器的基本组成
PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种。
整体式PLC一般由CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源组成。
模块式PLC一般由CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底版或机架组成。
本论文实物采用的是模块式的PLC,不管哪种PLC,都是属于总线式的开发结构,其构成如图2-1所示[12]。
1)CPU(中央处理器)
和一般的微机一样,CPU是微机PLC的核心,主要由运算器、控制器、寄存器以及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成。
CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能,如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量。
CPU控制着PLC工作,通过读取、解释指令,指导PLC有条不紊的工作。
2)存储器
存储器(内存)主要用语存储程序及数据,是PLC不可缺少的组成部分。
PLC中的存储器一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。
系统程序一般由厂家编写的,用户不能修改;而用户程序是随PLC的控制对象而定的,由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。
3)输入输出模块
输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。
PLC提供了各种工作电平、连接形式和驱动能力的I/O模块,有各种功能的I/O模块供拥护选用。
按I/O点数确定模块的规格和数量,I/O模块可多可少,但其最大数受PLC所能管理的配置能力,即底版的限制。
PLC还提供了各种各样的特殊的I/O模块,如热电阻、热电偶、高速计算器、位置控制、以太网、现场总线、温度控制、中断控制、声音输出、打印机等专用型或智能型模块,用以满足各种特殊功能的控制要求。
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