桥式起重机的PLC控制.docx
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桥式起重机的PLC控制
摘要
桥式起重机作为物料搬运系统中一种典型设备，在企业生产活动中应用广泛。
传统的桥式起重控制系统主要采用继电器接触器进行控制，采用交流绕线串电阻的方法进行启动和调速，这种控制系统存在可靠性差，操作复杂，故障率高，电能浪费大，效率低等缺点。
因此对桥式起重机控制系统进行研究具有现实意义，也是国外相关行业专家学者的一个研究课题。
本文针对桥式起重机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器和变频器应用于桥式起重机控制系统上，并进行了较深入的研究。
1.根据桥式起重机的运行特点，桥式起重机控制系统采用变频调速系统，该系统主要由主令控制器、PLC控制系统、变频调速系统等组成。
2.PLC系统采用德国西门子公司产品，能控制起重机大车、小车的运行方向和速度换档；吊钩的升、降方向及速度换档，同时能检测各个电机故障现象并显示，减小了传统继电器——接触器控制系统的中间环节。
减少了硬件和控制线，极大提高了系统的稳定性，可靠性。
本设计控制系统采用桥式起重机变频调速技术具有节能、减少机械磨损，启动性能好等诸多优点。
关键词：
主令控制器；可编程序控制器；桥式起重机
引言
桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位。
经过几十年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。
但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。
究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。
因此，除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。
由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，因此电气控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。
传统的起重机驱动方案一般采用：
（1）直接起动电动机；
（2）改变电动机极对数调速；（3）转子串电阻调速；（4）涡流制动器调速；（5）可控硅串级调速；（6）直流调速。
前四种方案均属有级调速，调速围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速。
起动电流大，对电网冲击大；常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重；功率因数低，在空载或轻载时低于0.2-0.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。
可控硅串级调速虽克服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。
1桥式起重机的概述
1.1桥式起重机的简介
起重机是现代工业企业、交通运输，基本建设部门不可缺少的起重设备，主要用以提升（或下降）和搬移长大笨重货物，还用于工厂车间装配大型机器和生产工艺的必要装备。
因此，起重机是减轻工人的繁重体力劳动，提高劳动生产率必不可少的起重设备。
桥式起重机由一根或两根主梁和两根端梁构成一个桥架。
在桥架上装有起重小车，小车沿桥架运行。
桥架运行在厂房架设的轨道上，也可以运行在露天的栈桥上。
桥式起重机也称为“天车”或“行车”或“桥吊”。
有些铁路货场都露天安装桥式起重机，用以装卸长大笨重货物，它就是横架于两排钢筋混凝土栈桥上。
起重机沿栈桥上的轨道作纵向运移。
起重机的起重小车在桥架上的小车轨道上作横向移动，这样，吊钩或抓斗就可在一个长方体（起升高度、跨度、走行线长）的空间任意位置上作升降、搬运物件的运动。
安装于露天的桥式起重机如图l所示。
桥式起重机的形式繁多，根据它的结构和用途的不同主要有以下几种形式：
根据桥架结构的不同，可分为双梁箱形结构、四桁架结构、三角形桁架结构和单主梁箱形结构等几种形式的桥式起重机。
其它形式基本上在它们基础上演变而来的。
而且根据用途的不同，还可分为管通吊钩，抓斗桥式起重机和其它专用桥式起重机。
以普通吊钩桥式起重机应用最为广泛。
1.2桥式起重机的各机构及其作用
桥式起重机主要由机械传动，金属结构和电气设备三大部分组成。
普通吊钩桥式起重机机械传动部分是由主起升机构、副起升机构（当起重量在16吨以下时，一般只有一个起升机构），起重小车走行机构和起重机走行机构（亦称大车运行机构）等构成。
主、副起升机构完成物件的提升、下降动作。
由于吊装物件总是有大有小，吊装大件物品时采用主钩工作，吊装小件物品时，可用副钩作业，这主要为了节省电能。
大车走行机构完成吊装物件沿起重机轨道方向（纵向）搬运，小车完成吊装物件沿起重机轨道垂直方向（横向）搬移。
这三个方面的动作，组合成一个长方体的空间，形成一个作业区域。
起升机构和小车走行机构安装于小车架上，称为起重小车，并置于主梁的轨道上，大车走行机构安装于桥架上。
金属结构是由桥架和小车架构成。
普通双梁箱形结构起重机的桥架由两根主梁的两端分别焊接有端梁，构成一个整体结构。
一般情况下，主梁和端梁均用钢板焊接而成。
在它上面安装栏杆、走台、电气设备、轨道和其它附件等。
金属结构是起重机的承载构件，既承担小车及其吊装物件的重量，又承担起重机各工作机构、电气设备和零部件的重量，以及风力和冲击等的附加载荷。
电气设备主要由电动机、电器元件和电气线路所组成，是起重机的动力来源，控制着起重机各工作机构的工作。
1.3桥式起重机的发展现状
早期的桥式起重机采用在电动机转子中串联电阻，利用电阻的切换来实现各档位的切换，低速挡只起到过渡的作用，不允许在低速挡长时间运行，否则控制回路中电流过大会引起电阻过热而烧毁，当利用起重机来进行设备检修、装配等工作需要低速运行时只能点动，速度控制精确度不高，且对电机和机械零部件冲击大，可靠性差。
随着电力电子技术的发展，变频调速作为一种调速方法自本世纪初提出以来发展十分迅速，它在节能，维护量小，自动控制性能好等方面有明显的优点，变频技术正普遍应用于电力拖动领域，特别是对一些耗能较大的设备实行变频调速，取得了明显的节能效果，而起重机械设备的拖动调速系统在低于额定转速时，仍然主要是通过转子的外接电阻消耗能量来实现。
近年来，各大有色企业都在进行技术改造，工程项目很多，在每一个工程项目中，都少不了桥式起重机。
比如铜业集团公司贵溪冶炼厂备料车间，梅山热轧技改和2号连铸机工程，中铝分公司，中国铝业分公司第三电解厂等都采用了变频调速技术，并采用了PLC进行控制。
在90％的起重机上成功地运用了变频调速技术。
使起重机在全速围实现了高精度控制，不论轻载或重载均有稳定的运行速度，起、制动平稳，减小了机械传动机构的冲击，调速围宽，可达1：
10以上；变频调速转矩响应快，零速能够输出额定转矩，为防止松闸、抱闸时的溜钩现象提供了可靠的保证；主令控制信号与变频器给出的低速抱闸信号相结合控制制动器动作，达到低速抱闸及准确定位功能，并可减轻制动器的磨损。
现在一般起重机使用的变频器有日本安川VS616G7系列，三菱的FR-A240E，FR-A241E系列，德国西门子的SIMOVERT-6ES70系列，ABB公司的ACS600系列，英国CT公司的Unidrive系列等变频器。
起重机采用先进的可编程控制技术（PLC）和变频器技术，以程序控制取代继电器----接触器控制，交流电动机调速方式采用变频调速。
2桥式起重机控制系统的设计方案
2.1工艺要求
2.1.1桥式起重机的主要技术参数
1、起重机15/3t应该是30吧
2、工作速度起升速度8～20m/min
小车速度30～50m/min
大车速度80～120m/min
2.1.2提升机构与移动机构对电气控制的要求
为了提高起重机的生产率和生产安全，对起重机提升机构电力拖动自动控制提出如下要求：
1、具有合适的升降速度，空钩能快速升降，轻载提升速度应大于额定负载的提升速度。
2、具有一定的调速围，普通起重机调速围为3：
1，对要求较高的起重机，调速围可达（5～10）：
1。
3、适当的低速区，提升重物开始或下降重物到预定位置附近，都需要低速。
为此，在30%额定速度应分成几档，以便灵活操作。
高速向低速过渡应逐级减速，保持稳定运行。
4、提升的第一档为预备档，用以消除传动间隙，将钢丝紧，避免过大的机械冲击。
但预备级的起动转矩不能大，一般限制在额定转矩的一半以下。
5、负载放下时，依据负载大小，拖动电动机可以是电机状态、倒拉反接制动状态与再生发电制动状态。
6、为了安全，不但具有机械抱闸的机械制动，以减轻机械抱闸的负担。
不允许只有电气制动而无机械制动，不然发生电源事故停电时，在无制动力矩作用下，重物将自由下落，造成设备或人身事故。
大车运行机构与小车运行机构对电力拖动自动控制的要求比较简单，只要有一定的调速围，分几档进行控制即可。
为实现准确停车，应采取制动停车。
2.2方案论证
2.2.1起重机数字化控制系统的方案简述
该系统通过主令控制器给定PLC的速度信号来对整个系统的调速，桥式起重机大车、小车、主钩、副钩电动机均需独立运行，大车为两台电动机同时拖动，所以整个系统有5台电动机，4台变频器，并由1台PLC分别加以控制。
PLC控制的桥式起重机变频调速系统框图如图2所示。
可编程序控制器：
完成系统逻辑控制部分控制电动机的正、反转调速等控制信号进入PLC，PLC经处理后，向变频器发出起停、调速等信号，使电动机工作，是系统的核心。
变频器：
为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的调速。
制动电阻：
起重机放下重物时，由于重力加速度的原因电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。
因此，必须将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许围。
制动电阻就是用来消耗这部分能量的。
图2桥式起重机变频调速系统框图
2.2.2主电路方案选择
方案一：
采用交流绕线式异步电动机转子串电阻调速
桥式起重机的拖动系统采用绕线式交流异步电动机，转子回路串入多级外接电阻来分级调速，采用凸轮控制器、继电器接触器控制，这种调速方式实现简单。
由于工作环境差，粉尘和有害气体对电机的集电环、电刷和接触器腐蚀性大，加上工作任务重，实际过载率高，由于冲击电流偏大，容易造成电动机触头烧损、电刷冒火、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等故障， 影响现场生产和安全，工人维修量和产生的维修费用也很高.并且原调速方式机械特性较差，调速不够平滑，所串电阻长期发热浪费能量。
综上所述原设备存在的主要缺点如下：
1、拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大，唵能浪费严釉。
2、起重机升降、小车、大车起动、停止速度过快，而且都是惯性负载，机械冲击也较大，机械设备使用寿命缩短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性较低。
3、由于电动机一直在额定转矩下工作，而每次升降的负载是变化的，因此容易造成比较大的电能浪费。
4、赗重机每天需进行大量的装卸操作，由二绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件---交流接触器来接充和断开电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头。
同时因工作环境恶劣，转子䛞路串接的铜电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。
因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。
同样小车、大车的运转也存在上述问题。
5、在起重机起升的瞬间，升降电动机有时会受力不均匀，易过载，直接造成电机损坏或者钢丝绳断裂。
6、为适应起重机的工况，起重机的操作人员经常性的反复操作，起重机的电器元件和电动机始终处于大电流工作状态，降低了电器元件和电动机的使用寿命。
7、起重机工作的协调性主要靠操作人员的熟练程度。
由于升降、大车、小车三个凸轮控制器之间没有固定的联系，在起重机工作时操作人员劳动强度比较大，容易疲劳，易产生误操作。
8、系统抱闸是在运动状态下进行的，对制动器损坏很大，闸皮磨损严重。
方案二：
桥式起重机采用变频调速方式
起重机采用先进的可编程控制技术（PLC）和凘频器技术，以程序控制取代继电器----接覦器控制，交流电动机调速方式采用变频调速。
变频器具有完善的保护及自诊断功能，和LC控制结合可提高系统的可靠性。
1、明显改善结构受力状态
由于变频器的软启动、软停止功能，起重机起制动运行平稳，对机械、钢结构冲击小，经跇实际检测，结果也讁实变频调速控制系统的庐用可以大大改善钢结构性能。
2、调速围宽，性能好。
3、结构简单、可靠性高、易维护
变频调速控制系繟采用独立的控制柜，系统设计合理，外观结构十分简单，检修方便。
尤其是起升系统用一套装置即可实现原两套起升控制装置的功能，既减轻了小车的自重，改善了钢结构的受力状况，又增加了小车的维修空间，便日常保养和维护。
系统还具有过流保护、过压保护、欠压保护、短路保护、接地保护等功能，确保了控制、保护动作的准确性和可靠性。
同时，该系统也可增加自诊断功能，采用人机界面系统，通过同PLC的通讯来实现故障实时显示及处理对策，便于查找故障和维修。
4、提高工作效率和减小机械磨损。
5、提高了安全性
起升机构实现了闭环矢量控制，具备了零速转矩的功能，即在起升机构制动器出现机械故障而失灵的情况下，变频器可自动输出足够大的转矩（大于150%）不使负载下滑，从而提高了系统的安全性。
综上所述，根据设计要求方案二是最佳的实行方案。
它具有高性能的调速指标，可以使用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机，并且高效、节能，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的提高。
所以，本系统设计采用交流变频调速对桥式起重机进行交流调速。
2.2.3变频调速工作原理及变频器控制方式
1、变频调速工作原理
变频器的基本构成如图2.2所示，由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。
整流器的作用是把三相（也可以是单相）交流电整流成直流电。
逆变器是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。
由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。
因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠中间直流环节的储能元件来缓冲。
控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号输入、输出电路和驱动电路等构成。
其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。
如图2.2所示为变频器的构成
变频器的工作原理：
交流异步电动机的转速公式：
（2.1）
式中：
n--电机转速（r/min）；
f---供电频率，Hz；
p---磁极对数；
s---转差率。
由于磁极对数P不同的异步电机，在相同频率时的转数是不同的。
所以，即使频率的调节围相同，转速围也是各异的。
下面将磁极对数不同的异步电机在两倍频率围调频时，电机的转速调节围如表1-1。
表1.1两倍频率围的转数调节围
极数
（2p）
同步转数
（r/min）
额定转数
（r/min）
频率围
（Hz）
转数调节围
（r/min）
2
3000
2880
0.5～100
28.8～5760
4
1500
1440
0.5～100
14.4～2880
6
1000
960
0.5～100
9.6～1920
8
750
720
0.5～100
7.2～1440
10
600
580
0.5～100
5.8～1160
2、变频器的控制方式
（1）U/f控制
电动机转速、频率改变时，电机部阻抗也发出改变，仅调低频率就会出现弱励磁从而引起转矩下降，调高频率会持续过励磁引起饱和，使电动机效率、功率因数大幅下降，因此变频器调速过程就以维持电机气隙磁通不变为原则。
U/f控制多用于通风机、水泵类负载通用逆变器等场合。
在u/f控制方式中，有一种电压发生模式调节，下面给出两种U/f控制方式的U1-f1关系，见图2.3。
图2.3u/f控制的电压发生模式
图中直线1是恒转矩负载U/f模式；曲线2是风机、水泵类负载的U/f模式。
（2）转差频率控制
在异步电动机中，同步转速n0之差（n0-n）与n0之比称为转差率。
这里n0对应于f1，n对应于f，f是电机实际转动频率，注意关系
，
（2.2）
根据拖动理论可知，电动机转矩M正比于气隙磁通中的平方，正比于转差率△
，即
（2.3）
通过调节转差频率
，即可调节转矩，最终实现转速的调节。
关于如何获得转差频率作为控制逆变器输出频率的“信号”，用测速发电机即可测出电动机转速，此转速即电机实际转动频率（电气角频率），此频率与要求转矩值对应的转差率之和等于逆变器的输出频率。
转差频率与转矩之关系见图2.4。
当电机电角频率
与旋转磁场的角频率即逆变器的角频率
相等时，转矩为零；当
，此段图形称为电动段。
随着
增大，转矩增大；当
时，电动机处于再生制动阶段，即实际转速大于旋转磁场的同步转速。
图2.4转差频率与转矩的关系
（3）矢量控制
交流异步电动机的矢量控制系统是按磁场定向的矢量控制系统。
其基本思想是模拟直流电动机控制，在遵循磁势和功率不变的原则下，利用坐标变换将交流电动机的三相系统等效为直流电动机的两相系统，经过按转子磁场定向的同步旋转变换，实现对定子电流励磁分量和转矩分量之间的解耦，从而达到分别控制交流异步电动机的磁链和转矩的目的。
众所周知，直流电动机的各项调速指标十分理想，其根本原因是能独立控制在空间正交的电枢电流和定子励磁电流。
交流电动机是多变量强耦合的，对其控制十分困难。
交流电动机矢量控制的出发点就是要把交流电动机的有关参数经过一系列的坐标变换解耦后，等效成一台直流电动机，这样就可以象直流电动机那样方便地对交流电动机进行控制。
矢量控制的方法，首先要找到与转子磁链同步旋转的dq坐标，把三相定子交流电分解成两相正交的电流和转矩电流，使旋转的两相坐标系中的直流分量互不相干，按直流电机的控制理论、方式进行控制，如图2.5所示。
图2.5 坐标变换关系
要进行矢量控制，首先设三相绕组轴线坐标为A、B、C，静止坐标为A、B，旋转坐标为d、q，设定关系如图2.6所示。
其中，A、B、C三相坐标与A、B二相坐标为静止坐标。
该坐标下的电压、电流、磁链等物理量为交流量，而d、q坐标为以同步角速度旋转的旋转坐标。
在d、q坐标系下的电压、电流、磁链等物理量为直流量。
图2.6 电动机坐标设定
在理想矢量控制时，把转子磁链Wr设定在d轴上，则，Wr=Wd2=常数，Wq2=0，矢量控制时的电磁转矩
（2.4）
K为常数，电磁转矩与转矩电流成正比，此时的控制方式与直流电机相同。
电机运动方程
（2.5）
式中：
J——转动惯量。
速度调节器采用PI控制，获得转矩电流iq1。
（2.6）
则控制系统动态结构如图2.7所示
图2.7控制系统动态结构图
2.2.4控制电路方案选择（PLC控制和继电器控制的比较）
由于开关量控制反应速度慢，故障率高，不易实现自动化，而且成本高，因此正在被PLC系统取代。
同样功能的两个系统比较，PLC控制柜的体积比继电器控制柜要小40%，接线少60%-80%。
PLC控制系统和继电器控制系统的详细比较见表2.1。
表2.1继电器控制与PLC控制的比较
比较项目
继电器控制
PLC控制
控制功能的实现
由许多继电器，采用接线的方式来完成控制功能。
各种控制功能是通过编制程序来实现的
对生产工艺过程变更的适应性
适应性差。
需要重新设计，改变继电器和连线
适应性强。
只需对程序进行修改
控制速度
低，靠机械动作实现
极快，靠微处理器进行处理
记数及其他特殊功能
一般没有
有
安装，施工
连线多，施工繁
安装容易，施工方便
可靠性
差，触点多，故障多
高，因元件采取了筛选和老化等可靠性措施
寿命
短
长
可扩展性
困难
容易
维护
工作量大，故障不易查找
有自诊能力，维护工作量小
从上面的对比分析可以看出，PLC控制系统是继电器控制系统无可比拟的。
由于调速系统的变频改造，要求控制系统的性能也要相应提高，如要增加通信功能，运算功能等。
因此，控制系统将同时进行PLC改造。
在PLC出现之前，继电器硬接线电路是逻辑，顺序控制的唯一执行者，它结构简单，价格低廉，一直被广泛应用。
PLC出现之后，在几乎所有方面都大大超过了继电器。
以下几方面的不同表现出二者性能上的明显差异：
1、组成器件不同
继电——接触控制系统由许多真正的继电器——“硬继电器”组成，而PLC的梯形图中的继电器是“软继电器”，这些软继电器实际上是存储器中的每一位触发器，因为容（0或1）可读取任意次数，所以“软继电器”的触点数是无限的，且不存在机械触点的电蚀问题。
2、控制技术不同
继电——接触控制系统针对固定的生产机械和生产工艺而设计，以硬接线方式安装而成，各个继电器中触点的通断状态（1，0）经电路组合构成一种固定的运算关系，以这种方式构建的控制系统不但体积大，而且只有重新配线才能适应生产工艺的改变。
PLC采用计算机技术，由部程序实现控制要求，各种逻辑运算和算术运算都能通过编辑和修改程序来实现，可以实现生产工艺的在线修改。
与继电-接触控制系统比较，PLC具有很高的可靠性和极好的柔性。
3、工作方式不同
在继电器——接触器控制系统中，当电源接通时，线路中各个继电器都处于受制约状态：
或吸合，或断开。
这种工作方式被称为并行工作方式。
在PLC中，程序处于周期性循环扫描中，受到这条件制约的各部分的状态变化次序程序扫描顺序，这种工作方式被称为串行工作方式。
若将表达形式相同的PLC梯形图与继电器——接触器控制线路相比，会发现在两种工作方式下，两者的控制结果不一定相同。
4、功能围不同
继电器——接触器控制系统只能进行开关量的控制，用以实现即定的逻辑，顺序，定时和计数等简单功能。
而PLC不但有逻辑控制功能，还具有算术运算，数据处理，联网通信等能力，因此既能进行开关量控制，又能进行模拟量控制，还能实现网络通信等具有十分完善的功能。
PLC系统以可靠性高，柔性好，功能强，体积小和易于开发，扩展，安装，维护等优势取代了继电——接触控制系统的绝大多数应用场合。
而继电器系统因其容易掌握，元件便宜等优点，目前在工艺定型，控制简单的生产过程中仍有使用。
所以本系统的控制电路设计选用PLC来控制整个桥式起重机的工作。
3系统设备的选用
3.1电机的选择
起重机提升和运行机构的调速比一般不大于1：
20，且为断续工作制，通常接电持续在60%以上，负载多为大惯量系统。
严格意义上的变频电机，转动惯量较小，响应速度较快，可工作在比额定转速高出很多的工况条件下，这些特性均非起重机的特定要求。
普通电机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致；在连续工作时考虑到冷却效果限制了普通电机转矩应用值，普通电机仅在连续工作时的变频驱动特性比变频电机稍差。
普通变频器在调度比为1：
20的围确保起重机上普通电机有150％的过载力矩值。
此外起重机电机多用于大惯量短时工作制，通常不工作时间大于或略小于工作时间。
电机在起动过程中可承受2.5倍额定电流值，因此高频引起的1.1倍电流值可不予考虑。
但若电机要求在整个工作周期在大于1：
4的速比下持续运行则必须采用他冷式电机。
提升机钩电机选用适合频繁起动，转动惯量小，起动转矩大的变频用电机。
目前，国外以4极电机作变频电机首选极数。
电机功率为
（3.1）
式中：
P—功
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