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仪表安装基础知识
一、基础知识
在自动化控制系统中，控制仪表是实现自动化控制理论、完成生产自动化的重要工具。
检测仪表将生产工艺参数变为电信号后，由控制仪表与装置进行显示、记录与控制，让人们了解生产过程情况的同时对生产过程实施自动控制，使工艺参数符合工艺设计安全生产和降低成本的预期要求。
1.1仪表的分类
过程是自动化系统实施控制的对象和存在的基础，没有过程就没有控制仪表和自动化控制系统。
控制理论和实现控制理论的研发和使用均来自于对过程的认识和抽象、建模，在此基础上以有效控制为手段，以获得最佳结果（产品和状态）为目的的过程状态指示和控制。
自动化控制仪表可简单的分为检测仪表、显示仪表、控制仪表、执行器四大类，如下图所示。
检测仪表
流量
压力
液位
温度
成分分析
控制仪表
基地式调节器
单元组合仪器
组件组装式仪器
可编程控制器PLC
工业控制机
计算机控制系统
分散控制系统DCS
总线控制系统FCS
安全控制系统SCS
显示仪表
指示仪
指
示
仪
指示仪
示
仪
记录仪
信号报警器
屏幕显示器
执行器
调节阀
图2-1仪表分类示意图
按控制仪表依所用能源的不同，可以将其分为电动、气动、液动和混合式等几大类。
其中，气动和液动控制仪表发展最早，但电动控制仪表发展异常迅速，现在已占绝对统治地位。
气动控制仪表性能稳定，可靠性高，具有本质安全防爆性能，不受电磁场干扰，结构简单，维护方便，但不适应远距离集中控制。
在许多控制系统和复杂程度大的生产过程中已不能满足要求。
电动控制仪表有本安和非本安之分，从原理上分类，电动控制仪表可分为模拟式和数字式控制仪表两大类。
模拟式控制仪表与装置按结构形式可分为基地式、单元组合式、组件组装式三大类。
基地式控制仪表以指示仪表及记录仪表为中心，附加一些线路或器件来完成控制任务。
一般结构比较简单，价格低廉。
适用小型企业的单机和自动控制系统。
单元组合式控制仪表根据自动检测与控制系统中各组成环节的不同功能和使用要求，将仪表划分为能独立实现一定功能的若干单元。
各单元之间联系采用统一标准信号。
这些少量的单元经过不同的组合，可构成多种多样的、复杂程度不同的自动检测和控制系统。
单元组合仪表应用灵活，通用性强，便于控制仪表生产，维护及备品库存。
组件组装式控制装置是在单元组合式仪表基础上发展起来的成套仪表装置，它的基本组成是一块块功能分离的组件，组件组装式控制装置在结构上可分为控制柜和显示操作盘两大部分。
控制柜内插入若干个组件箱，若干块组件板又插入组件箱中。
显示操作盘常常用一台电子显示屏幕集中显示操作，大大改善了人—机联系。
在控制柜中各个组件之间的信息联系，采用矩阵端子接线方式，接线工作都集中在矩阵端子接线箱里进行。
组件组装式装置可由仪表制造厂预先根据用户要求，组装好成套自控系统，再以成套装置形式提供给用户，从而使得自控系统的现场施工，系统安装和调试工作量减小，也使维护、检修和系统改组工作得以简化。
数字控制仪表装置可分为数字调节器、PLC、工业控制机、DCS分散控制系统、FCS总线控制系统等五大类。
A.数字调节器
有几个数据量采集及开关量输入/输出功能，主要用于实现一个或几个回路的连续控制。
数字调节器按控制回路数目分为：
单回路调节器：
用于构成一个简单的控制回路，或一个串级控制回路，或一个比值控制回路等。
多回路调节器：
可以对多个回路（2个、4个或8个）进行分时控制。
数字调节器按控制规律分为：
PID（比例、积分、微分）调节器；PID参数自整定调节器；自适应调节器；模糊控制器；智能调节器等。
B.PLC可编程控制器
控制器提供多种软件功能模块，由用户通过组态功能实现各种控制系统，具有大的应用灵活性，软件系统较复杂。
固定程序调节器：
不用用户组态，但有的可通过简单的设定在控制器给定的几种控制结构中进行选择。
C.工业控制机（工控机）
用于对多个（几个到几十个）回路进行闭环连续控制及断续控制。
采用模块化结构，由主机板和系统支持板组成。
支持板种很多，如A/D转换板、内存扩展板、开关量输入输出板、CRT接口板、打印机接口板、串行通信板等等。
这些模板通过标准总线相互连接进行信息交换。
总线包括电源线、数据线、地址线及控制线。
实际使用时，所选用的功能模板都插在一个专用机架的总线插槽内，选择所需模板即可组成各种不同的数据处理及控制系统。
这种总线结构的工业控制机具有模板种类多、组合灵活、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强及价格低廉等特点，并有丰富的应用软件及良好的开发环境，在燃气场站的控制系统中得到广泛应用。
D.集散控制系统DCS
将数字技术，微电子技术、通信技术CRT显示技术与控制技术紧密结合产生的一种综合控制系统，它采用控制分散、集中显示操作及管理的策略，具有控制算法丰富，回路组态灵活、监控操作方便、系统安装简便、增扩修改容易，高可靠性及高可维护性等特点。
近30多年来，DCS日益得到广泛应用，已在工业控制中占主导地位。
E.现场总线控制系统FCS
通用的或专用的微处理器置入传统的测量控制仪表中，使之具有数字计算和数字通信能力，采用一定介质（双绞线、同轴电缆、光纤、无线电、红外线等）作为通信总线，按照公开、规模的通信协议，在位于现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现双向、串行、多点数据传输和信息交换，控制系统功能能够不依据控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。
无需按控制回路进行一对一的设备连线，但同时又为多个设备提供电源，打破了传统控制系统的结构形式。
现已逐步得到使用。
有望成为21世纪控制系统的主流产品。
1.2仪表主要品质指标
精度和精度等级
精度是指测量结果和实际值的一致程度，是仪表基本误差的最大允许值，习惯上也简单地说为基本误差或允许误差。
精度高意味着系统误差和随机误差都很小。
精度等级是仪表按精度高低分成的等级，它决定仪表在标准条件下的误差限。
仪表的精度等级是根据引用误差来划分的，如某台仪表的最大基本允许引用误差为±1.5%，则该仪表的精度等级为1.5级。
滞环、死区和回差
滞环是指由输入增大的上升段和减小的下降段构成的特性曲线所表征的现象。
死区是指输入量的变化不致引起输出量有任何可察觉变化的有限区间。
死区用输入量程的百分数表示。
回差（也叫变差）是指输入量上升和下降时，同一输入的两相应输出值间（若无其它规定，指全范围行程）的最大差值。
回差包括滞环和死区，并以输出量程的百分数表示。
重复性误差和再现性误差
重复性误差是指在同一工作条件下，对同一输入值按同一方向，连续多次测量的输出值之间的差值。
一般用量程的百分数表示。
再现性误差是指在同一工作条件下，在规定时间内对同一输入值两个相反方向重复测量的输出值之间的最大差值。
再现性误差是包括重复性误差、滞环、死区和漂移的综合性指标，一般用量程的百分数表示。
灵敏度和灵敏限
灵敏度是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。
是指仪表在达到稳定状态后，输出信号变化量与引起此输出信号变化的被测参数变化量之比。
它是仪表输入与输出转换曲线上的斜率。
灵敏限是指能够引起仪表输出信号发生变化的输入信号的最小变化量。
一般，仪表的灵敏限的数值不应大于仪表允许误差绝对值的一半。
灵敏限实际上就是死区。
非线性误差
对于理论上具有线性特性的仪表，实际上输入输出特性曲线对理论线性特性的偏离程度。
动态误差
由于检测环节中存在的元件动惯量（时间常数），测量传递滞后（纯滞后时间）带来的误差。
时间常数
时间常数是指当输入阶跃信号时，仪表的输出值达到其稳定值的63.2%所需的时间。
全行程时间
全行程时间是指当输入满量程阶跃变化时，输出由下限至上限，或反行程移动所需的时间。
通常以全量程的5%作为输出下限值，全量的95%作为输出上限值。
稳定时间
稳定时间是指从输入信号跃变化起，到输出信号进入并不再超过偏离其最终值规定（如5%）时的间隔时间。
滞后时间
滞后时间也叫时滞，是指当输入产生变化的瞬间起，到它引起输出量开始变化的瞬间止的时间。
综合误差TPE（ToalProbableError）
是指仪表精度以及诸如静压、温度等多种附加误差的均方根误差。
稳定性（度）和可用性
稳定性是指在规定的工作条件下，仪表性能随时间保持不变的能力。
通常用零点漂移来衡量。
可用性是指仪表在某时刻具有或维持规定功能的能力。
可用如下关系表示：
MTBF：
平均无故障时间
MTTR：
平均故障修复时间
1.3信号制及供电
一个过程控制系统由许多仪表组成，系统中仪表的输入和输出相互连接，所以需要统一的标准联络信号，才能方便的把各个仪表组合起来，构成系统。
通信协议和信号制就是解决这一问题的。
供电、供气为系统仪表提供工作能源。
1.3.1信号制
信号制是指在成套系列仪表中，各个仪表的模拟输入、输出信号采用的统一的联络信号标准。
电动仪表的输入/输出：
4～20mADC
1～5VDC
控制系统中，电流信号适合于远距离传输，进出控制室的传输信号通常采用电流信号，控制室内部各仪表间联络信号一般采用电压信号，即连线的特点是电流传输、电压接受，并联接收电压信号的方式。
1.3.2供电
根据生产过程对仪表自动化系统的重要性，可靠性、连续性的不同要求，仪表供电负荷分为保安负荷、重要负荷（双回路供电）、次要负荷和一般负荷（单回路供电）。
保安供电不应与正常供电相混淆。
电源质量
通常应符合如下几项技术指标。
仪表受电端的电压及允许偏差：
交流：
220V±10%，110V±10%
直流：
24V±5%
频率与波形
频率为50Hz，波形为正弦时，波形失真率小于10%。
电源瞬时扰动
电源瞬时扰动是指持续时间等于或小于0.2s的扰动。
它对测量和控制系统的正常工作有重大影响。
电源瞬时扰动时间应满足仪表的最小允许瞬时扰动供电时间要求。
特殊用电要求
某些仪表设备对交流电源的谐波含量、直流电压纹波有特殊要求。
一般要求交流电源的谐波含量＜5%；直流电源的纹波电压＜1%。
DCS供电系统供电分为A，B级，即：
电压：
220VAC±5%（A），220VAC±7%（B）。
频率：
50±0.2Hz（A），50±0.5Hz（B）。
波形失真率：
＜±5%。
交流输出：
220VAC±2%（UPS而言）。
切换时间：
5～10ms（UPS而言）。
直流输出：
24V±1%（UPS而言）。
总之，仪表供电的电源质量必须符合仪表设备的要求。
其中，电源容量为各类仪表耗电量总和的1.2～1.5倍。
电源类型
根据仪表设备负荷类型，供电要求，仪表电源分别设工作电源和保安电源。
工作电源：
一般采用重要负荷类别的电源作为仪表的工作电源，由电气专业引入。
保安电源：
通常可分不间断供电装置，带速自起动发电机组，由外部引入的符合保安电源要求的独立电源等三种。
DCS和ESD（通常由PLC完成）系统必须采用保安电源。
供电方式
仪表电源应具备保安电源同工作电源并网运行的条件，工作电源可自动切接到保安电源工作。
大型工程装置分散，仪表用电种类多，容量大，常为三级供电。
即总供电箱（中央控制室）、供电箱（装置控制室）、分组电箱（现场操作室）。
中、小规模工程、用电类型不变，容量也较小，装置相对集中，供电常采用单回路供电、环形回路供电和多回路供电方式。
其中多回路供电使用的较多。
1.4控制方案
自动化控制系统根据不同的被控对象，通常可分为如下十二种控制方案。
单回路控制
控制方案中最为常见的一种，由一台调节器，一台传感器，一台执行器构成负反馈闭环进行定值控制。
串级控制
两个调节器相串联，主调节器的输出作为负调节器的给定，适用于时间常数及纯滞后较大的对象，如加热炉的温度控制。
比值控制
控制两种物料保持一定的比值关系。
比值控制可分为单闭环比值控制、双闭环比值控制、串级比值控制、逻辑比值控制四种。
均匀控制
控制两个有关的变量，使它们都是平缓变化，相互兼顾，从组成的仪表设备来看它们与单回路没有什么差别，主要差别在于传感器的量程确定（适当大一些）和调节器的参数整定上。
实际生产中，均匀控制通常分为简单均匀控制，串级均匀控制，双冲量均匀控制三种。
分程控制
由一个调节器去控制两个或两个以上的调节阀，用于一个被控变量需要两个或两个以上的控制变量来分阶段进行控制或者控制变量需要大幅度改变的场合。
如化学工业中夹套反应器温度的控制；天然气为原料生产合成氨的大型氨厂中一段炉烧嘴燃料气压力的控制和废水中和过程的PH控制等。
模拟计算单元的控制（随动控制、预估控制）
调节器的给定值因为该被控变量无法直接用仪表测量出来，由模拟计算单元根据工艺工况的变化随时计算出来的值给出，如对某些流量需进行温度、压力校正然后实施控制等。
选择控制（超驰控制、取代控制）
调节器的流量值可以根据工艺的要求自动选择一个最高值、最低值或者可靠性，亦可以根据工艺的工况来自动选择预先设计好的几种控制系统的结构和组成。
如使用触媒的固定床反应器温度控制。
前馈控制
调节器根据干扰的大小、不等被控变量发生变化，直接进行校正控制，其常与反馈控制结合在一起使用，如热交换器的热焓控制和锅炉汽包液位的三冲量控制等。
非线性控制
当被控对象非线性较为严重时使用非线性控制，以起到补偿，平稳运行的目的。
非线性控就是对对象的非线性进行补偿控制。
采样控制（间歇控制）
调节器的输入输出是断续的，即调节一段时间再保持一段时间等等。
它常用于纯滞后特别大的对象，以防止控制作用超调。
模糊控制
模拟人的操作方式进行判断，推理并调节，常用于控制对象特性复杂，较难控制的场合。
模糊数学是其理论基础，如热处理中的均匀炉温控制。
1.5控制品质指标
生产过程的操作控制通常分为物料平衡控制和能量平衡控制、产品质量控制或成份控制、限制控制或软保护控制三大类。
对控制的品质通常有如下要求。
衰减比
它是表征系统受到干扰以后被控变量衰减程度的指标，其值为前后两个相邻峰值之比。
一般控制在4：
1到10：
1之间。
余差
它是指控制系统受到干扰以后，过渡过程终了时被控变量的残余偏差，即被控变量在扰动后的稳态值与给定值之差。
最大偏差
它表示被控变量偏离给定值的最大程度。
对于一个衰减的（收敛）过程，最大偏差就是第一个波的峰值。
过渡过程时间
它表示从干扰产生的时刻起，直到被控变量建立起新的稳定为止的这一段时间。
振荡周期
被控变量相邻两个波峰之间的时间叫振荡周期，振荡周期的倒数称为振荡频率。
调节器比例度、积分时间、微分时间的参数整定，其目的就是为了保证控制品质指标，使其工况运行达到最佳效果。
二、
施工程序
2.1工程特点
附属性
自控专业服务于工艺生产，设备安装在工艺设备或管道上，因此施工受限于其它专业。
复杂性
仪表设备、配件种类繁多，设备更新快，安装材料品种多，规格多，给施工维护管理带来种种困难。
多样性
在世界范围内各国都重视自动化的发展，新型号、新技术、新产品的不断上市，安装形式多种多样，不断给安装维护工作带来新课题。
专业性
自控专业是一个专业性很强的专业，需要有专业化知识和技能。
自控安装是一个综合性工作，不但要掌握本专业的知识和技能，还要掌握一定水平的其它专业技能，如电工、管工、钳工、电焊等。
是集多专业于一身的综合性专业。
2.2施工程序
自控工程施工程序如图3-1所示。
2.3一般要求
为保证自动化仪表专业施工顺利进行，仪表技术员应先期进驻施工现场，全面仔细地核对、测算施工材料，及时进行施工图纸会审，编制施工方案和做好施工作业技术交底准备。
施工时严格执行《自控仪表安装工程质量检验计划》中的检查制度，每项工序完工时，按《自控仪表安装工程质量检验计划》要求由技术员填写施工质量检查申请书，书面通知工程监理和有关QC人员，对实际施工质量做出结论，并形成书面记录。
上道工序安装质量不合格,不得进行下道工序作业。
与工艺管道和设备专业联系密切的仪表单元施工，应与工艺、设备专业积极配合（如水压试验和探头安装），必要时与相关专业一起编制相应的施工方案和
技术交底。
图纸会审
标准仪器审查标定
施工机具设备调配
施工技术文件编制
施工人员调配
施工准备
图3-1自控工程施工程序图
持续改进文明施工及成品保护管理，确保工完、料净、场地清。
严格遵守国家规范和施工现场的各项安全规定，确保人身安全和设备安全。
2.4工序原则
遵循先单校后安装；先地下后地上；先安装设备再配管布线；先两端（控制室、现场仪表）后中间（电缆、导压管）的程序。
仪表设备安装要在控制室的土建及电气工程完工后进行，安装过程遵循先里后外、先高后低、先重后轻的程序。
仪表调校遵循：
先取证后校验；先单校后联校；先离线测试后在线测试；先单回路再复杂回路；先单点后网络的原则。
2.5技术准备
熟悉图纸、产品说明书、随机资料，提前进行图纸的专业会审工作，发现问题，及时以工作联络单的形式向业主、监理、设计单位提出。
做好施工技术交底，使施工人员懂得工艺原理、施工特殊要求及关键技术，保证各工序的施工质量。
若需要可组织培训。
针对工程的特点和技术要求编写《自控仪表施工技术方案》、《自控仪表安装工程质量检验计划》等技术文件。
2.6现场准备
按合同和总体计划做好专业施工计划、劳动力计划、机具计划、材料计划、培训计划工作。
对工程施工中需要用到的校验设备做好审查标定，调整好施工机具，确保施工的顺利进行。
按规定做好成套设备的开箱检查工作，做好管材与管件、仪表设备、电气材料的出库检验工作。
配合土建完成专业内各种预埋件及孔洞预留工作，配合工艺安装做好各种管咀的定位工作。
三、
设备安装
3.1一般规定
仪表安装前首先按照图纸对型号、规格、材质、位号进行核对，附件齐全、外观完好，并经单体调校和试验合格。
现场就地仪表安装高度，表中心距地面宜为1.2m左右，显示仪表安装在便于观察维护的位置。
安装在工艺管道上的仪表必须便于操作、维护、拆卸，并考虑操作工在操作时间的人身安全。
仪表外壳上的箭头指向必须与管道介质流向一致。
分散控制（DCS）、可编程度控制（PLC）和总线控制（FCS）系统必须在控制室的土建、电气、安防、暖通工程全部完工后安装。
DCS、PLC、FCS系统安装前必须建立起良好的工作使用环境，施工单位应会同监理和业主检查控制室和机房，共同确认安装必需的下列条件已具备:
A机柜基础型钢已安装完毕，并符合要求。
B地板、顶棚、墙面、门窗等均已施工完毕，室内杂物清理干净。
C空调系统安装调试完毕，已处于正常运转状态，室内温度、湿度均达到系统要求。
D不间断电源（UPS）及室内照明全部施工完毕，投入正常运行。
E接地系统施工完毕，接地电阻符合设计规定。
F自动消防系统施工完毕。
G控制室已具备封闭式管理条件，室内附属公用设施已完备。
H卫生清扫工具、吸尘器、灭火器具及防鼠器具等已准备就绪，临时防火安全设施齐全，控制室工作制度健全。
I机房附近不得有震动和电干扰施工。
对本安回路进行检查时，应首先确认与本安系统有关的电缆及端子排的色标（通常为蓝色）符合要求。
PLS、DCS、FCS系统电缆的检查应按下列要求进行:
A随机电缆（系统电缆）的型号、尺寸、及其附件和工具应齐全，并满足相关系统资料的技术参数要求。
B随机电缆的外部绝缘层应无损坏，绝缘电阻符合制造厂标准。
C系统模件之间、节点之间及相关终端之间电缆应连接正确，网络通讯电缆、总线电缆之间的连接应符合制造厂及系统的设计要求。
安全接地、工作接地应按详细设计图和系统设备技术条件要求进行检查，并符合下列要求：
A系统设备的安全、工作接地应与接线图一致。
B设备内部接地网不应形成回路。
C机柜内部安全栅接地系统应符合设计规定和本安系统要求。
D机柜及设备内部易对人身造成伤害的地方应有明显的警示标志和防护措施。
应对所有的设备如机柜、各类卡件、现场仪表、打印机、拷贝机、PC机、投影仪等设备进行外观检查。
所有设备均应有完整的技术文件、相应系统软件及设备驱动程序。
PLC、DCS、FCS设备不宜在无空调、除湿设备的库房内长期存放。
系统硬件安装和检查时，应记录制造厂设置的DIP开关缺省位置，插拔卡时不得用手或工具直接触摸电子线路板，严禁用易产生静电的刷子或化纤织物等清洗各类卡件及设备，操作者应采取防静电措施，如佩戴防静电手链等。
PLC、DCS、FCS系统检查记录由检查人、监理及业主代表签字确认。
3.2盘箱柜和操作台安装
DCS、PLC、FCS系统设备出库运输时应选择平坦、无障碍的运输道路。
运输过程中，车速不宜快，并应防止剧烈冲击与振动。
装卸作业场地应平整、坚固，并具有足够的作业空间。
在设备吊装与搬运过程中，应保持平稳。
宜用吊车或铲车进行作业，不得使用斜度大于10°的滑梯、滑板进行人工装卸。
开箱检验应在制造厂代表在场的情况下会同监理、业主共同进行，检验后应签署检验记录。
设备开箱前，应检查外包装是否完整。
开箱后，应检查内包装是否破损、有无积水，防潮、防水及防震等措施是否齐备，防倾斜、防振动标志是否异常。
当环境温度小于4℃时不宜对刚搬进室内的设备进行开箱，避免凝结水侵蚀设备。
设备开箱应使用适当工具，按层次顺序打开包装，严禁猛烈敲打。
开箱检验应按装箱单逐一清点,并应符合下列要求:
A所有硬件、备件、随机工具的数量、型号、规格应与装箱单一致。
B设备及备件外观良好，无变形、破损、油漆脱落、锈蚀等缺陷。
C资料齐全，软件媒体外包装应完好无损。
资料应包括系统硬件配置图、盘内平面布置图、盘内接线图、I/O地址分配表、梯形逻辑图、功能模块逻辑图或应用程序文件清单、因果表、启动停车顺序图、系统软件组态手册、系统安装手册、使用手册或系统操作手册等。
设备安装应由远及近。
在控制室和机房内搬运或移动时，不得损坏地面，就位后应及时固定。
系统安装后应经常保持室内清洁，定期用吸尘器除尘，如需拖洗地面，不宜过湿。
系统分为控制室内安装和现场安装两种方式。
在控制室内安装应保证符合系统安装手册中的有关要求。
现场盘安装地点应避免高温、湿度大、振动大、电磁场强等场所，并应有防雨防潮措施。
在要求防爆场合，应有密封垫和正压通风系统。
盘接地和系统接地应符合设计和系统安装手册的要求。
盘箱柜和操作台安装严禁用气焊、电焊开孔，应采用机械或液压开孔器开孔。
支架底座尺寸要与设备尺寸一致，安装要垂直平整，牢固。
安装位置不影响操作、通行和维修，并标明编号。
钢结构上安装的仪表箱和接线盒，其支架应考虑防火涂层厚度，标高符合规范标准和设计要求。
为了防止雨水进入接线箱，进出接线箱的电缆要从接线箱底部进出线，且做好密封。
盘箱柜和操作台利用镀锌螺栓固定在基础或支架底座上，严禁焊接。
盘箱柜和操作台安装误差符合规范标准和设计要求。
3.3温度仪表安装
测温元件应安装在能准确反映介质温度的位置，一般设计已确定。
对于易燃、有毒、高温介质，为了便于维护，防止介质泄露，安装在管道上的温度检测仪表均配有保护套管。
保护套管在安装前应进行液压强度试验，试验压力为工作压力的1.5倍，稳压10分钟无泄漏为合格。
工艺管道直径小于80mm时必须加扩大管。
工艺管道上的测温元件垂直或斜插45°安装时，插入深度应大于250mm或处在管道中心，斜插入方向与被测介质逆向。
测温点的温度高、插入深度深
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