钻井防喷模拟控制系统研究毕业设计.docx
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钻井防喷模拟控制系统研究毕业设计
钻井防喷模拟控制系统研究
第1章概述
1.1课题的目的和意义
本课题是对油田钻探井控培训中心现有实验井模拟井喷系统进行技术改造。
通过技术改造,在原实验井仅能进行模拟井喷的基础上,增加可以定量模拟溢流、井涌及井漏现象的功能,增强井控培训中坐岗训练与防喷演习等环节的真实性,进一步提高培训效果。
通过研究,能够使井控培训实验井具备真实模拟溢流、井涌、井喷、井漏等复杂情况的特点,为今后面向油田开展防喷演习与坐岗训练打下良好基础。
1.2井控系统现状
近年来,国内外在井控技术领域不断地研究,井控技术取得了长足进步,推出一些新技术、新工具和新产品对推动井控技术的不断进步起到了积极的作用。
井控新技术其中包括多级节流拉制系统、发声检测仪、智能井控系统、用于欠平衡钻井的井控新设备、无事故控制井控设备、多功能井口控制器等项目所遵循的标准。
1.地质导向钻井技术
在高效开发复杂油藏方面具有极大的优势,但是它也有自身的不足,那就是在必要的时候该钻井技术仍然需要采用弯壳体马达滑动钻进,这样会造成轨迹过度扭曲。
同时,滑动钻进不利于井眼清洁和有效克服摩阻,轨迹控制难度增加,井眼轨迹在达到一定的程度后难以继续向前延伸,使地质导向钻井技术在现代钻井工业中的应用受到极大限制。
旋转导向钻井技术就是为了克服上述缺陷而产生的,其目的就是为了取消滑动钻进工作方式、使钻具在旋转钻进的同时,实现轨迹的控制,在有效克服地质导向钻井技术的一些缺陷、提高油藏开发的整体效益、有效避免钻井风险方面有重要意义。
世界上多家具有相当实力的钻井服务公司都在研究、开发旋转导向工具,如SPERRY—SUN公司、BAKER—HUGHESINTEQ公司、SCHLUM—BERGER公司、CAMCO钻井服务公司、CAM—BRIDGE钻井自动化公司等,但到目前为止,其中获得商业性成功的只有SPERRY—SUN公司的GEO—PILOT旋转导向钻井系统、BAKER—HUGHESINTEQ公司的旋转闭环钻井系统RCLS(RotaryClosedLoopDrillingSystem)和SCHLUMBERGER公司的POWERDRIVE旋转导向钻井系统。
2.旋转地质导向钻井技术
目前,由于投入应用的旋转导向工具都不具有地质评价功能,旋转地质导向钻井技术因此并未完全成熟,旋转地质导向钻井技术只能和地质评价仪器配合使用,利用地质评价仪器测量的地质参数进行地质导向。
现在,世界上有多家钻井服务公司或仪器/-12具开发的公司,正致力于带地质导向功能的旋转导向工具的研究,并且取得了很大的进展。
相信在不久的将来,旋转地质导向钻井技术一定会成为现代钻井工业的主流技术,并将进一步推动自动闭环钻井技术的更进一步的成熟。
3.其它方面的进一步发展
随着大位移定向井钻井、超深井钻井、欠平衡钻井、油管钻井等钻井技术的发展,地质导向钻井技术在钻井工业的应用越来越广。
为了适应这种发展的需要,地质导向钻井技术也要不断的发展。
1.3论文内容
该培训系统可具有以进行不同工况下的溢流、井漏的发现与检测训练;发现不及时的井涌、井喷演示,以及关井后,气体滑脱处理的训练等功能。
同时,系统保留手动控制功能,方便检修维护及必要时的人工操作。
该培训系统主要用于井控防喷演习训练、坐岗训练及压井训练等科目的培训教学。
该培训系统研究主要涉及包括供溢漏供液控制系统模块的设计研究、供气控制系统与压力模拟模块的设计研究、自动控制单元模块的设计研究、钻井液液面监测部分的设计研究等四个方面的研究内容。
研究采用当前成熟的自动化控制与流体计量技术,技术可行性强,可实现系统的自动控制与精确计量,流程简单、操作安全可靠,适于推广应用。
1.4论文的内容安排
全文内容主要分唔个部分阐述:
第一部分,叙述了本文的课题研究背景,纵览钻井防喷模拟控制系统研究国内外的发展现状及趋势,提出了研究内容及设计目标,并对论文的内容做了总体安排。
第二部分,对钻井防喷控制系统研究的PLC硬件做了简单的介绍,介绍了在现场需要用到什么型号的硬件,以及这些硬件的设计。
第三部分,通过对钻井防喷的工艺流程、运行设备及相关参数的分析,提出整体的设计方案,并对控制系统的功能,系统设备及仪表选用,变频器系统,等系统组件进行阐述分析,为实现项目设计打好技术理论基础。
第四部分,对钻井防喷系统的程序进行了编制。
重点研究了钻井防喷的程序编制。
第2章可编程序控制器的概况
2.1PLC的概念及发展
2.1.1.可编程控制器的定义
可编程控制器一直在发展中,因此直到目前为止,还未能对其下最后的定义。
美国电气制造商协会NEMA(NationalElectricalManufacturersAssociation)在1980年给可编程控制器作了如下的定义:
“可编程控制器是一个数字式的电子装置,它使用了可编程序的记忆以存储指令,用来执行诸如逻辑,顺序,计时,计数和演算等功能,并通过数字或模拟的输入和输出,以控制各种机械或生产过程。
“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。
2.1.2.可编程控制器的发展
1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求,第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器,满足了GM公司装配线的要求。
随着集成电路技术和计算机技术的发展,现在已有第五代PLC产品了。
在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中,除了以连续量为主的反馈控制外,特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的—离散量的数据采集监视。
由于这些控制和监视的要求,所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。
2.2PLC的特点与应用领域
2.2.1PLC的特点
(1)可靠性高,抗干扰强
(2).功能强大,性价比高(3).编程简易,现场可修改(4).配套齐全,使用方便(5).寿命长,体积小,能耗低(6).系统的设计、安装、调试、维修工作量少,维修方便
2.2.2PLC的应用领域
PLC已经广泛地应用到很多工业部门,随着其性能价格的不断提高,PLC的应用范围不断扩大,主要由一下几个方面:
(1)数字量逻辑控制
(2)运动控制(3)闭环过程控制(4)数据处理
2.3PLC内部原理
PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机。
如图2.1所示,PLC硬件的基本结构图所示
图2-1PLC硬件的基本结构图
2.4可编程序控制器的基本结构
可编程序控制器简称为PLC(ProgrammableLogicController)主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成如图2-2所示。
图2-2PLC控制系统示意图
可编程序控制器实际上是一种工业控制计算机,它的硬件结构与一般微机控制系统相似,甚至与之无异。
可编程序控制器主要由CPU(中央处理单元)、存储器(RAM和EPROM)、输入/输出模块(简称I/O模块)、编程器和电源五大部分组成。
2.4.1CPU模块
CPU模块又叫中央处理单元或控制器,它主要由微机处理器(CPU)和存储器组成。
CPU的作用类似于人类的大脑和心脏。
它采用扫描方式工作,每一次扫描要完成以下工作:
1)输入处理:
将现场的开关量输入信号和数据分别读入输入映像寄存器和数据寄存器。
2)程序执行:
逐条读入和解释用户程序,产生相应的控制信号去控制有关的电路,完成数据的存取、传送和处理工作,并根据运算结果更新各有关寄存器的内容。
3)输出处理:
将输出映像寄存器的内容送给输出模块,去控制外部负载。
2.4.2I/O模块
I/O模块是系统的眼、耳、手、脚,是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号。
输入信号有两类:
一类是从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接收开关、关电开关、压力继电器等来的开关量输入信号;另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。
可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器,可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
CPU模块的工作电压一般是5V,而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高,如直流24V和交流220V。
从外部引入的尖蜂电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件,或使可编程序控制器不能正常工作,所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。
I/O模块除了传递信号外,还有电平转换与噪声隔离的作用。
2.4.3编程器
编程器除了用来输入和编辑程序外,还可以用来监视可编程序控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。
编程器可以永久地连续在可编程序控制器上,将它取下来后可编程序控制器也可以运行。
一般只在程序输入、调试阶段和检修时使用,一台编程器可供多台可编程序控制器公用。
2.5开关量I/O模块
开关量模块的输入输出信号仅有接通和断开两种状态。
电压等级有直流5V,12V,24V,48V和交流110V,220V等。
输入输出电压的允许范围很宽,如某交流220V输入模块的允许低电压为070V,高电压为70~256V,频率为47~63HZ。
各I/O点的通/断状态用发光二极管或其它元件显示在面板上,外部I/O接线一般接在模块的接线端子上,某些模块使用可拆除的插座型端子板,在不拆去端子的外部连线的情况下,可以迅速地更换模。
开关量I/O模块可能4,8,16,32,64点。
2.5.1输入模块
输入电路中设有RC滤波电路,以防止由于输入点抖动或外部干扰脉冲引起的错误的输入信号。
滤波电路延迟时间的典型值为10~20ms(信号上升沿)和20~50ms(信号下降沿),输入电流约为10mA,图2.3.1a是某直流输入模块的内部电路和外部接线图。
本节的输入电路和输出电路都只画出了一路,COM是各路的公共点。
图中的输入触点直接接在公共点和输入端(400是梯形图中输入
2.3.1a直流输入电路
继电器的编号)之间,不需要外接电源。
有的可编程序控制器还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24V电源。
(如图2.3.1b)
图2.3.1b交流输入电路
2.5.2输出模块
输出模块的功率放大元件有大功率晶体管和磁效应管(驱动直流负载)、双向可控硅(驱动内交流负载)和小型继电器,后者可以驱动交流负载或直流负载。
输出电流的典型值为0.5~2A,负载电源由外部现场提供。
输出电流的额定值与负载的性质有关,但是只能驱动100VA/22V的电感性负载和100W的白炽灯。
额定负载电流还与温度有关,温度升高时额定负载电流减小,有的可编程序控制器提供了有关曲线。
输出模块内可能设置有熔断器,并在模块面板上用发光二极管显示熔断器的状态。
某些新式的模块用非破坏性的电子保护电路代替熔断器。
2.6可编程序控制器的工作原理
可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的,它的梯形图程序与继电器系统电路图相似,梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称,如输入、输出继电器等。
这种计算机程序实现的“软继电器”,与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。
2.6.1PLC的工作原理
可编程序控制器有两种基本的工作状态,即运行(RUN)状态与停止(STOP)状态。
在运行状态,可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号,用户程序不是只执行一次,而是反复不断地重复执行,直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外,在每次循环过程中,可编程序控制器还要完成,内部处理、通信处理等工作,一次循环可分为5个阶段。
可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
由于计算机执行指令的速度极高,从外部输入-输出关系来看,处理过程似乎是同时完成的。
在内部处理联合阶段。
可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常,将监控定时器复位,以及完成一些别的内部工作。
在通信服务阶段,可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信,响应编程器键入的命令,更新编程器的显示内容。
当可编程序控制器处于停止(STOP)状态时,只执行以上的操作。
可编程序控制器处于(RUN)状态时,还要完成另外3个阶段的操作(见右图),图中仅画出了与用户程序执行过程有关的3个阶段。
2.6.2扫描周期
可编程序控制器在RUN工作状态时,执行一次上图所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期,其典型值为1~100ms。
指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。
当用户程序较长时,指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。
不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。
如图2.5所示。
图2.5PLC的扫描运行方式
(1)输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它们存入I/O映象区的相应单元内。
输入采样结束后,转入用户程序行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入数据和状态发生变化I/O映象区的相应单元的数据和状态也不会改变。
所以输入如果是脉冲信号,它的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。
(2)用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段,PLC的CPU总是由上而下,从左到右的顺序依次的扫描梯形图。
并对控制线路进行逻辑运算,并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
例如:
算术运算、数据处理、数据传达等。
(3)输出刷新阶段
在输出刷新阶段,CPU按照I/O映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路,再经输出电路驱动响应的外设。
这时才是PLC真正的输出。
2.7PLC的选型
为了能够更好的选型,工程设计选型和估算时,应详细分析工艺过程的特点、控制要求,明确控制任务和范围确定所需的操作和动作,然后根据控制要求,估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等,最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
2.7.1输入输出(I/O)点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量,通常根据统计的输入输出点数,再增加10%~20%的可扩展余量后,作为输入输出点数估算数据。
实际订货时,还需根据制造厂商PLC的产品特点,对输入输出点数进行圆整。
2.7.2存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小,程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小,因此程序容量小于存储器容量。
。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算,通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式,许多文献资料中给出了不同公式,大体上都是按数字量I/O点数的10~15倍,加上模拟I/O点数的100倍,以此数为内存的总字数(16位为一个字),另外再按此数的25%考虑余量。
2.7.3控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
(1)运算功能简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能;普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能;较复杂运算功能有代数运算、数据传送等;大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。
随着开放系统的出现,目前在PLC中都已具有通信功能,有些产品具有与下位机的通信,有些产品具有与同位机或上位机的通信,有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。
设计选型时应从实际应用的要求出发,合理选用所需的运算功能。
大多数应用场合,只需要逻辑运算和计时计数功能,有些应用需要数据传送和比较,当用于模拟量检测和控制时,才使用代数运算,数值转换和PID运算等。
要显示数据时需要译码和编码等运算。
(2)控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等,应根据控制要求确定。
PLC主要用于顺序逻辑控制,因此,大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制,有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能,提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。
(3)通信功能大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议(如TCP/IP),需要时应能与工厂管理网(TCP/IP)相连接。
通信协议应符合ISO/IEEE通信标准,应是开放的通信网络。
PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口(RS2232C/422A/423/485)、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等;大中型PLC通信总线(含接口设备和电缆)应1:
1冗余配置,通信总线应符合国际标准,通信距离应满足装置实际要求。
PLC系统的通信网络中,上级的网络通信速率应大于1Mbps,通信负荷不大于60%。
PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式:
1)PC为主站,多台同型号PLC为从站,组成简易PLC网络;2)1台PLC为主站,其他同型号PLC为从站,构成主从式PLC网络;3)PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网;4)专用PLC网络(各厂商的专用PLC通信网络)。
为减轻CPU通信任务,根据网络组成的实际需要,应选择具有不同通信功能的(如点对点、现场总线、工业以太网)通信处理器。
(4)编程功能PLC的编程有离线编程和在线编程两种,设计时应根据应用要求合理选用。
离线编程方式:
PLC和编程器公用一个CPU,编程器在编程模式时,CPU只为编程器提供服务,不对现场设备进行控制。
完成编程后,编程器切换到运行模式,CPU对现场设备进行控制,不能进行编程。
离线编程方式可降低系统成本,但使用和调试不方便。
在线编程方式:
CPU和编程器有各自的CPU,主机CPU负责现场控制,并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换,编程器把在线编制的程序或数据发送到主机,下一扫描周期,主机就根据新收到的程序运行。
这种方式成本较高,但系统调试和操作方便,在大中型PLC中常采用。
(5)诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。
硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置,软件诊断分内诊断和外诊断。
通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断,通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱,直接影响对操作和维护人员技术能力的要求,并影响平均维修时间。
(6)处理速度PLC采用扫描方式工作。
从实时性要求来看,处理速度应越快越好,如果信号持续时间小于扫描时间,则PLC将扫描不到该信号,造成信号数据的丢失。
处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。
目前,PLC接点的响应快、速度高,每条二进制指令执行时间约0.2~0.4Ls,因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。
扫描周期(处理器扫描周期)应满足:
小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K;大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。
2.7.4机型的选择
2.7.4.1PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类,按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。
从应用角度出发,通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/O点数固定,因此用户选择的余地较小,用于小型控制系统;模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡,因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数,功能扩展方便灵活,一般用于大中型控制系统。
2.7.4.2输入、输出模块的选择
输入、输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。
例如对输入模块,应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。
对输出模块,应考虑选用的输出模块类型,通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点;可控硅输出模块适用于开关频繁,电感性低功率因数负荷场合,但价格较贵,过载能力较差。
输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等,与应用要求应一致。
可根据应用要求,合理选用智能型输入输出模块,以便提高控制水平和降低应用成本。
考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。
2.7.4.3电源的选择
PLC的供电电源,除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外,一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源,与国内电网电压一致。
重要的应用场合,应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PLC本身带有可使用电源时,应核对提供的电流是否满足应用要求,否则应设计外接供电电源。
为防止外部高压电源因误操作而引入PLC,对输入和输出信号的隔离是必要的,有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。
2.7.4.4存储器的选择
由于计算机集成芯片技术的发展,存储器的价格已下降,因此,为保证应用项目的正常投运,一般要求PLC的存储器容量,按256个I/O点至少选8K存储器选择。
需要复杂控制功能时,应选择容量更大,档次更高的存储器。
2.7.4.5冗余功能的选择
1.控制单元的冗余
(1)重要的过程单元:
CPU(包括存储器)及电源均应1:
1冗余。
(2)在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、两重化或三重化冗余容错系统等。
2.I/O接口单元的冗余
(1)控制回路的多点I/O卡应冗余配置。
(2)重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。
(3)根据需要对重要的I/O信号,可选用两重化或三重化的I/O接口单元。
2.7.4.6经济性的考虑
选择PLC时,应考虑性能价格比。
考虑经济性时,应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素,进行比较和兼顾,最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。
当点数增加到某一数值后,相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加,因此,点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响,在估算和选用时应充分考虑,使整个控制系统有较合理的性能价格比。
2.8本章小结
本章介绍了PLC的概念及发展和PLC的特点与应用领域,通过图形分析了PLC内部原理及PLC的结构框图。
第3章基于plc的溢流井漏井涌井喷控制系统设计
3.1控制系统要求
本课题是对油田钻探井控培训中心现有实验井模拟井喷系统进行技术改造。
通过技术改造,在原实验井仅能进行模拟井喷的基础上,增加可以定量模拟溢流、井涌及井漏现象的功能,增强井控培训中坐岗训练与防喷演习等环节的真实性,进一步提高培训效果。
该培训系统主要由流体运动模拟、流体检测计量、自动控制单元与气侵压力模拟等部分组成。
其中流体运动模拟部分用于提供与计量溢流、井涌及井漏所需的定量流体;流体检测计量部分用于计量不同井况下井口所反应的流体体积变化情况;自动控制单元部分用于根据设置井况及溢漏量的大小,并自动控制液路及气路的开关;气侵压力模拟部分用于模拟关井后气体滑脱上升的井口压力变化。
该培训系统可具有以进行不同工况下的溢流、井漏的发现与检测训练;发现不及时的井涌、井喷演示,以及关井后,气体滑脱处理的训练等功能。
同时,系统保留手动控制功能,方便检修维护及必要时的人工操作。
该培训系统主要用于井控防喷演习训练、坐岗训练及压井训练等科目的培训教学。
该培训系统研究主要涉及包括供溢漏供液控制系统模块的设计研究、供气控制系统与压力模拟模块的设计研究、自动控制单元模块的设计研究、钻井液液面监测部分的设计研究等四个方面的研究内容。
研究采用当前成熟的自动化控制与流体计量技术,技术可行性
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