高速线材自动检测与控制安装调试工法.docx

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高速线材自动检测与控制安装调试工法

高速线材自动检测与控制安装调试工法

中冶集团华冶资源公司天津工业设备安装分公司

王文凯彭廷生杨千里薛玉龙刘艳丽

1前言

近年来,随着科学技术的不断进步,国内各大钢铁公司加大对企业的技术改革,建成了一批当今世界上比较先进的新型轧机生产线,轧机采用全新的工艺布置,综合计算机管理及过程控制、网路通讯、交流变频调速等先进技术,进一步加强过程自动化控制,实现了以生产过程自动控制为主流的生产工艺。

本工法以天津钢铁有限公司全连续式140万吨/年高速线材工程自动检测与控制系统安装调试为例进行编制而成的。

2工法特点

2.1运用系统工程原理,将复杂的工程原理分解成各个层面、各个区段进行安装、调试。

将检测控制元件,进行分类、区域划分,便于设备安装和调试的实施。

2.2运用模拟手段进行系统回路的预调试,缩短了调试的绝对工期。

2.3充分利用先进的调试设备,保证了安装和调试精度。

充分利用设备和系统的自身性能,节约人力、物力。

2.4本工法适用性强,具有较强的操作性。

3工法适用范围

本工法适用于高速线材安装调试工程,同时也可以适用于轧钢棒材生产线安装调试工程。

4工艺原理

高速线材电气自动化系统配置5台SIEMENS公司的S7-400系列PLC,设有3个操作站,加热炉区、轧机区、风冷线各1个,另外还在主电室设有工程师站。

每个站均配有SIEMENS公司的PIII工控机。

现场的润滑、液压系统以及轧线各区域配有35台ET200M,主传动采用SIEMENS公司的6RA70系列产品,交流辅传动采用SIEMENS公司的6SE70变频器,每套传动装置均配有一块CBP通信模板,用作6RA70和6SE70调速装置与PROFIBUS-DP相连的接口板。

操作站、工程师站、PLC之间的通信采用工业以太网,通信介质采用同轴电缆,PROFIBUS-DP主要完成PLC与6RA70、6SE70、WINCC以及远程ET200M之间的数据信息通信功能,PROFIBUS-DP的通信介质采用工业屏蔽双绞线。

这条轧线配备了水平较高的电气自动化控制系统,其配置如图4-1所示。

4-1高速线材电气自动控制系统配置图

其中,PLC1:

加热炉区各段辊道的速度控制和顺序控制等。

PLC2:

夹送辊,粗轧机,中轧机速度控制,微张力控制,1、2、3号飞剪,碎断剪控制,预精轧机的速度及其活套控制,故障诊断,动态速度补偿及联锁控制,轧辊控制等。

PLC3:

精轧机,减定径机,夹送辊,吐丝机,斯太尔摩冷却线及其风机等。

PLC4:

集卷筒及联锁控制,P/F线,称重控制等。

PLC5:

液压站、润滑站等辅助设备。

高速线材检测与控制元件现场布置系统图(见4-2)

 

4-2高速线材检测与控制元件现场布置系统图

(一)

 

4-2高速线材检测与控制元件现场布置系统图

(二)

5施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

图5.1-1施工工艺流程图

5.2安装和调试操作要点

由于轧钢生产线自动化程度比较高,生产线上的检测和控制元件安装和调试要求精度高,轧线自动检测控制功能比较复杂。

主要的检测控制元件有:

接近开关、压力变送器和压力开关、调节阀和电动执行器、电磁流量计、电动机编码器、冷热金属探测器、高温计、热电阻(偶)、活套扫描仪、电磁阀、对射光电开关等。

主要的控制功能有:

轧机的起动和停止控制、轧线速度级联控制、活套自动检测控制、轧件跟踪检测控制、微张力控制、飞剪的剪切控制、吐丝机前智能夹送辊控制和吐丝机控制。

5.2.1接近开关

1.接近开关安装

1)接近开关的安装位置要能够灵敏反映出机械设备的位置变化。

2)接近开关要安装牢固,同时要有防松动措施,避免由于震动而引起接近开关松动,测量信号不稳定。

3)接近开关接线应正确、牢固。

接近开关由于规格型号不同,其接线方式也不尽相同,要严格按照说明书的接线图进行施工。

具体接线方式见图5.2.1-1。

.

图5.2.1-1直流型接近开关接线图

2.接近开关测试:

用一块大小约100×50×3mm钢板挡在接近开关感应区域内,观察接近开关指示灯,如果接近开关指示灯亮,说明接近开关已经动作,同时观察PLC模块对应输入点指示灯亮,工控机显示器上应有接通指示;挡块移开时,PLC和显示器指示相反。

5.2.2压力变送器和压力开关

1.压力变送器和压力开关安装

1)变送器的导压管取源点位置的选择

①过程流体是气体时,引压方向为垂直向上或垂直方向的上方450范围之内。

②过程流体是液体时,引压方向为水平向上或水平方向的下方450范围之内。

③过程流体是蒸汽时,引压方向为水平向上或水平方向的上方450范围之内。

压力变送器和压力开关过程压力在工艺管道上的取源点见图5.2.2-2。

图5.2.2-2过程压力的引用角度(水平配管)

2)压力开关和压力变送器安装

①压力开关和压力变送器的安装必须在现场条件具备时才进行,安装位置尽量选择靠近测点,使测量管路尽量短。

②安装时用厂家提供的固定板和U型卡子,将变送器安装在固定支架上。

③变送器要安装在没有较大震动和便于检修的位置。

④在现场配管时要禁止电流通过变送器和压力开关,最好在电焊工作完成后在进行安装。

⑤变送器紧固时不能使变送器过分受力,禁止撞击、扭动变送器膜盒上部的转换器表头,同时应保证变送器膜盒垂直安装。

3)压力开关和压力变送器的校验

①压力变送器的校验:

利用标准压力信号校验仪对压力变送器给定标准压力,在满量程内取5点进行检测与标准表进行比较,同时测量出5点分别输出的4—20mA值,利用公式计算出仪表精度,与设备铭牌上的精度比较看是否在其范围之内。

利用BT200智能终端手操器,可以对压力变送器进行量程调整、迁移以及变送器功能设置等操作,同时也可对PLC系统进行变送器的0—100%范围内进行模拟给定。

变送器的零点调整也可以通过变送器本体上的调零螺丝进行零点的调整,但在调零过程中,变送器要保证在常压下进行。

②压力开关校验:

先按照设计定值设定好压力开关后,再利用标准压力信号校验仪对压力开关进行校验,利用万用表进行测量压力开关输出点是否有通断变化,同时监测PLC和上位机是否有信号显示。

5.2.3电动执行机构和调节阀

1.电动执行机构安装

1)执行机构底座应安装牢固、端正,安装位置便于维护、检修及手动操作。

同时执行机构安装时应注意以下几点:

①执行机构一般安装在调节机构附近,但不得安装在有碍通行和对调节机构的检修的地方,并应便于操作和维护。

②连杆不宜过长,否则应加大连杆连接管的直径。

③执行机构和调节机构的转臂应在同一平面内动作(否则加装中间装置或转向接头),在1/2的开度时,转臂与连杆近似垂直即可。

④执行机构和调节机构用连杆连接后应使执行机构的操作手轮顺时针转动时调节机构关小,逆时针则变大;如不符合,则要标明手轮方向。

⑤当调节机构随主设备热态位移时,应保证执行机构和调节机构的相对位移不变。

2)执行器连杆的配置与连接要求:

①保证满足运动要求:

达到调节机构从全开到全关应是执行器的全行程(转角一般为90°)

②执行机构做等速运动时调节机构的非线形误差应最小。

③传递功率时有较好的传动条件,即机构的传动力矩性能良好。

④若执行机构与调节机构的转角相等即均为90°,则其全行程应相等,可依图示(5.2.3-1)方法进行施工:

在量取O1-O2间距离L1后可以确定执行机构拉杆长度。

5.2.3-1执行机构与调节机构连杆配置图

⑤调节机构从全关到全开一般也是执行机构的全行程,所以配制拉杆前,应按照调节机构的开度和其转臂离执行机构的距离大约算出调节机构的转臂长度,此长度应能满足执行机构转臂旋转90°时,保证调节机构从全关到全开的直线行程。

⑥执行机构拉杆配制完毕后,要保证其富裕行程不超过全行程的5%。

⑦执行机构安装前,应当检查调节机构和执行机构的灵活性,保证无卡涩、手/自动切换手柄动作灵活,同时注意执行机构和调节机构的动作方向应当一致。

2.电动执行机构和调节阀接线原理图

严格按照设备说明施工图纸进行接线,避免接线问题而引起烧坏电子元器件的现象。

电动执行机构和调节阀接线原理见下图5.2.3-2。

5.2.3-2电动执行机构和调节阀接线原理图

3.电动执行机构和调节阀调试

1)检查电动执行机构电源和信号回路,确认接线回路正确;

2)调校时电动执行机构和电动执行器应做绝缘电阻测量,且绝缘电阻不小于10MΩ;

3)给定4-20mA信号,调整伺服放大器,使给定信号与阀门的反馈信号一致,机构动作应灵活可靠,无松动、卡涩现象,阀门动作方向正确;

4)测试调节阀门行程时间、误差和回程误差及动作死区调试;

5)应做到手/自动无扰动切换、跟踪信号准确、开环试验的输出符合要求;

5.2.4流量仪表

1.电磁流量计安装

为了保证测量精度,电磁流量计在安装过程中要注意以下几点要求:

1)电磁流量计不管采用何种形式安装,都要求测量管内保证充满被测介质,不能有非满管或有气泡聚集在测量管路中。

2)电磁流量计安装时,要最少满足前直管段为管道直径的5倍,后管段为管道直径的2倍;应与管道焊接牢固,无泄露。

3)在电磁流量计安装时,要保证感应磁极在管道的两侧,不应安装在管道的上下侧面;

4)电磁流量计安装时,要保证管道和电磁流量计等电位,做好跨接接地线,并做好接地;

5)电磁流量计安装时,要保证电磁流量计的方向与流体的方向保持一致,在垂直管道上安装的电磁流量计,电磁流量计方向不应安装在水流向下的管段上。

2.流量仪表安装

1)流量开关的位置应符合设计要求,安装在流速比较稳定的区域;

2)流量开关的插入深度应与设计或说明书的要求进行安装,以保证仪表动作的准确性。

3.流量孔板安装

1)安装前应检查流量孔板的型号、规格以及安装方式和计算书是否与设计图纸相符;

2)流量孔板的安装位置,前后直管段长度应满足节流装置计算书的要求。

没有特殊规定的前管段应保证10倍管道直径,后管段应保证5倍管道直径;

3)节流元件的方向应与流体的方向保持一致;

4)流量孔板安装时,应与管道焊接牢固,无泄露,试压合格。

5.2.5电动机编码器

一般控制电动机转速的方法是转速闭环控制:

通过旋转编码器检测电动机转速,检测信号送回控制设备(如PLC),控制设备计算转速的误差值,并进一步调整输出值,改变电动机的电压或电流,从而使电动机转速稳定在某一个设定值。

所以,编码器并不能控制转速,只是起到检测转速的作用。

电动机编码器的安装:

电动机编码器一般安装在电动机风叶端,在电动机主轴上加装一个与编码器相匹配的轴芯,编码器的轴芯与电动机轴必须同心,同心度用百分表进行测量,偏差不大于5um.

由于编码器种类比较多,且各个型号规格的接线方式不同,在安装过程中要详读说明书,严格按照说明书内的接线方式进行接线和调试。

5.2.6冷热金属探测器

冷热金属探测器主要应用于冶金工业生产线现场,通过对工件运动位置的到位检测,输出一控制开关信号(接点或电平信号),从而起到自动控制开关作用。

冷热金属检测形式可分为:

反馈反射型、对射型。

1.冷热金属探测器安装

1)金属探测器安装位置必须按照设计位置进行安装,金属探测器与被探测物体之间不应有障碍物阻挡。

2)对射形式的金属探测器,发射极与接收极和被测物体三者之间必须保证在同一条水平线上。

3)由于金属探测器种类和形式很多,但他们的接线原理基本相同,见冷热型金属探测器接线原理图5.2.6-1

5.2.6-1冷热型金属探测器接线原理图

2.冷热金属探测器测试

1)热金属探测器利用高温探棒通电发光后,放置到生产线热金属探测器探测区域内,查看热金属探测器测试灯是否亮,同时检测PLC模块开关是否动作,上位工控机显示信号是否正确。

2)冷金属探测器(反馈反射型、对射型)利用200×50×3mm钢板挡在生产线金属探测器感应区域内,观察金属探测器指示灯,如果指示灯亮,说明金属探测器已经动作,同时观察PLC模块对应输入点指示灯亮,工控机显示器上应有接通指示;挡块移开时,PLC和显示器指示相反。

5.2.7温度检测仪表

1.热电阻(偶)、高温计安装

1)测温元件应装在测量值能代表被测介质温度的地方,不得装在管道和设备的死角处。

2)测温元件应装在不受剧烈震动和冲击的地方。

3)热电偶或热电阻装在隐蔽处时,其接线端应引至便于检修处。

4)测温元件的插座及保护套管应在水压试验前安装。

5)表面温度热电偶(阻),安装位置要求:

安装时其测量端应紧贴被测表面且接触良好。

6)红外线高温计属于非接触式测温仪表,与被测物体的距离应符合厂家技术要求。

才能更好的保证高温计的测量精度。

2.热电阻(偶)检测

1)热电阻调试时,先检查其电阻丝的通断,并测量绝缘电阻值,测量值应大于100MΩ。

铂热电阻校验采用的是比较法,水槽与二等水银温度计。

铂热电阻(Pt100)A级标称电阻误差测试应在(0.15+0.0021t1)范围之内,铂热电阻(Pt100)B级标称电阻误差测试应在(0.3+0.0051t1)范围之内。

2)热电偶校验,采用的是比较法,管式炉和标准热电偶铂铑-铂热电偶。

铂铑10-铂(S)热电偶

(1)性能应能保证在±1或±[1+0.003(t-1100)]范围之内、铂铑10-铂(S)热电偶(Ⅱ)性能应能保证在±1.5或±0.00251t1范围之内。

在给出的两种允许误差应取其中绝对值较大的。

5.2.8活套扫描仪

1.工作原理:

活套扫描仪对红热高温工件进行检测,并输出相应的模拟量信号,广泛应用于位置控制、宽度控制、轧钢的活套测量及其闭环控制等自动化控制系统中。

2.安装要求:

活套扫描仪的安装位置必须按照设计位置进行安装,活套扫描仪与被探测物体之间不应有障碍物阻挡,活套扫描仪要固定牢固。

3.接线方法:

活套扫描仪的电气接线严格按照说明书图纸中的要求进行接线,安装和调试要依据活套扫描仪接线图(5.2.8-1)

4.检测方法:

活套扫描仪的检测利用通电后的发光高温探棒,放置到生产线活套扫描仪探测区域内,上下(或左右)位置平行移动高温探棒查看活套扫描仪测试灯是否亮,同时检测PLC模块和上位工控机显示信号是否正确。

5.2.8-1活套扫描仪接线图

5.2.9轧线自动检测控制功能测试

1.轧机的起动和停止控制

全线轧机分成粗轧区、中轧区、预精轧区、精轧减定径区、吐丝机夹送辊区,以区域为单位分别控制轧机正常起动和停止。

每个区域正常的启车、停车通过CP2主操作台上相应区域的“启动/停止”按钮实现。

当轧线出现故障,未能实现自动停车,可通过CP2主操作台上该区域的快速停车按扭或就地操作箱上的快速停车按钮进行该区域的快速停车。

当网络出现故障,快速停车无效时可通过CP2上的全线紧急停车按钮直接分闸停车。

2.轧线速度级联控制

本系统速度级联控制主要有两种:

速度设定级联和自动调节级联

1)通过速度设定级联及自动调节级联相结合的方式为轧线各机架的速度提供速度给定。

其中速度设定级联即通过确定轧线基准速度(本系统采用精轧机出口速度)和各机架延伸率来确定各机架的设定速度。

2)自动调节级联是指定用活套调节器或微张力调解器产生的速度修正率,通过级联的方式对各机架的速度进行修正。

为保证精轧出口速度的稳定,本系统的级联方向为逆轧制方向即从精轧机开始向轧线上游级联。

由速度设定级联及自动调节级联综合产生各机架线速度给定,再根据对应机架的工作辊径及减速机速比等折算为电机轴转速,然后线性变换为速度给定信号,通过实时通信网络由PLC送给主传动速度调节系统。

3.活套自动检测控制

活套是用来检测和调整相邻机架间的速度关系从而实现无张力轧制的一种手段,适合于轧件截面较小的场合。

活套控制分为活套调节器的控制和起套辊控制。

该系统设有3个立活套和3个侧活套,根据活套设定高度与活套扫描器检测的活套高度的偏差产生速度修正信号,调整机架速度维持活套高度在给定值上不变,从而实现其前后机架间正确的速度配合,同时可以实现机架速度秒流量平衡,通过活套调节使轧件在轧制过程中形成自由的弧形,保持轧制过程为无张力状态。

各活套产生的速度修正信号,均改变其前一机架的速度,并以同样的比率向该机架以及上游机架进行速度级联控制,终止至本支钢的尾部所在机架。

在轧制过程中,在轧件头部进入活套后面轧机之前不允许起套辊升起;在轧件头部进入活套后面轧机后,起套辊必须立即升起。

当轧件尾部离开活套前面轧机时,起套辊必须立即下降。

4.轧件跟踪检测控制

通过设置在机架前、后的热金属检测器或活套检测器及机架电机咬钢时的冲击电流信号,作为轧件的跟踪信号,实时监控轧件头、尾的位置。

全线下列控制功能需要了解轧件头、尾的位置:

微张力控制、活套控制活套的起套控制、飞剪控制、夹送辊、吐丝机及轧件运输顺序控制、轧件冷却阀的控制等。

同时通过对轧件的位置跟踪还可以判断轧制过程中出现的堆钢等故障,当判断出堆钢故障后可自动或手动起动故障点前的飞剪、碎断剪、卡断剪对轧件碎断处理。

5.微张力控制

微张力控制的目的是使中轧机组各机架之间的轧件按微小的张力进行轧制。

微张力控制是保证高速线材轧机顺利轧制和提高产品质量的必要手段,张力控制是一个复杂的过程,高速线材采用“电流-速度”间接微张力控制法。

它的基本思想是:

张力的变化是由线材的秒流量差引起的,而调整轧机的速度就能改变秒流量,以达到控制张力的目的。

其控制方法同轧机速度的级联调节方向有关,如果级联速度为逆调,则需控制各机架的前张力;如果级联速度为顺调,则需控制各机架的后张力,即:

当钢坯咬入下一机架后,根据本机架同下游机架之间的堆拉关系来调整下机架的速度设定,使本机架与下机架之间的张力维持在设定值。

在实际实施中,着重解决以下两个难点:

-无张力矩的存储:

在本系统中没有测张元件,微张控制的控制目标足使轧机在无张力矩下轧制。

所以,无张力矩的计算与存储就成为微张控制中的关键。

无张力矩是靠轧件的头部来确定的。

-微张力控制程序框图:

各机架的控制过程基本一致,如图(5.2.9-1)。

5.2.9-1微张力控制控制程序框图

6.飞剪的剪切控制

在中轧机组、预精轧机组和精轧机组前,均设有切头、切尾飞剪,PLC通过接收热金属探测器及编码器检测到的信号,对轧件切头、切尾。

当发生事故时,前两台飞剪都可进行碎断,3#飞剪对轧件分段后由碎断剪碎段。

在切头及碎断时,剪子的线速度一般高于其前机架速度的5-15%。

对于飞剪控制,设有两个检测回路。

主要由安装在剪刃轴上的编码器和PLC的高速计数器组成;另一个是轧件头、尾从HMD到飞剪距离的检测回路,主要由安装在上游机架的编码器、HMD及PLC的高速计数器组成。

无论轧制速度的高低,轧件从HMD到飞剪所走过的距离是固定的。

安装在上游机架电机轴上的编码器所产生的脉冲数与轧辊所转过的角度成正比,从而也与轧件所走过的距离成正比。

当HMD检测到轧件头部或尾部时,启动高速计数器累加上游机架编码器的脉冲数,当计数到所设定的值时启动飞剪。

7.吐丝机前智能夹送辊控制

吐丝机前夹送辊控制功能主要包括开/闭控制,张力调节和轧件尾部控制。

1)夹送辊开/闭控制:

包括尾部夹送、头尾夹送、全长夹送。

2)夹送辊张力调节

夹送辊的速度设定稍高于减定径机组出口速度,以便当夹送辊闭合时,在轧件上获得一个恒定的张力,以防止轧件在水箱中的颤动,张力值由操作站设定。

当轧件尾部到达精轧机之前夹送辊闭合夹住轧件后0.25秒,轧件上自动产生强力;当轧件尾部进入精轧机,启动张力保持模式,锁住张力调节器对夹送辊的速度修正,防止夹送辊加速至超前速度,即防止夹送辊与轧件之间出现相对运动而影响产品表面质量;在夹送辊被要求打开后0.5秒,张力调节器和保持模式关闭。

3)夹送辊尾部控制

夹送辊尾部控制包括尾部减速和尾部加速两种情况。

8.吐丝机控制

吐丝机控制功能主要有头部定位控制和速度摇摆控制。

1)头部定位控制

吐丝机头部定位的目的是为了控制成品轧件头部离开吐丝机的角度,即实现轧件头部位置与吐丝机位置的匹配,以防止轧件头部卡在斯太尔摩运输辊道之间。

头部定位有两种方式,一是通过调整吐丝机的速度,使吐丝机位置与轧件头部位置相匹配。

二是通过调整精轧机前3#飞剪的切头长度,使轧件头部位置与吐丝机位置相匹配。

轧件头部位置由精确的头部跟踪功能确定,吐丝机的吐丝管出口位置由安装在电机上码盘确定。

2)吐丝机速度摇摆控制

用于大直径轧件,其实现方式是在吐丝机原有速度设定值上叠加锯尺波形的速度附加设定值,从而使得线卷直径发生变化以利于集卷。

速度附加值的范围为吐丝机原有速度的-5%-+10%。

轧件头部到斯太尔摩运输线后,启动吐丝机摇摆速度;轧件尾部到达斯太尔摩运输线之前,取消吐丝机摇摆速度。

当轧制大直径产品时,吐丝机与夹送辊一起尾部加速,为轧件尾部离开吐丝机提供足够的能量。

在本套控制系统中,“轧件头尾跟踪”是该系统的基础,它为轧线其他控制功能的实现提供准确的动作时间并为轧制节奏的提高提供了有力的保障。

“活套自动控制”是本套控制系统的重点也是难点,最终成品的质量有赖于活套调节器的控制水平和起套辊的准确动作。

“吐丝机前夹送辊的控制”是本套系统的又一难点,精轧出口速度达112m/s,在如此高的速度下保证夹送辊准确夹送轧件并在精轧机、夹送辊、吐丝机之间实现正常张力关系,对控制系统的快速性和准确性都是严峻的考验。

6材料与设备

6.1机具设备、材料:

表6.1-1机具设备、材料表

序号

设备名称

设备规格型号

单位

数量

备注

1

热电偶、热电阻综合自动检定装置

ZH1023

1

2

数字转速表

1

3

交流电桥

1

4

接地电阻测试仪

1

5

数字万用表

4

6

多路信号校验仪

HZ-208

1

7

百分表

0~10mm、一级

1

8

回路电阻测试仪

1

9

钳形电流表

1

10

兆欧表

5000V

1

11

兆欧表

1000V

1

12

兆欧表

500V

1

13

频率表

DS4-WCOSΦ=0.2

1

14

红外线测温仪

1

15

电工工具

10

16

高温碳棒

1

17

电焊机

18

角向磨光机

φ100

3

19

电锤、电钻

4

20

氧气、乙炔

15

7质量控制

7.1本工法执行的安装规范:

《自动化仪表工程施工质量验收规范》(GB50131-2007)

《冶金电气设备工程安装验收规范》(GB50397-2007)

《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》(GB50151-2006)

7.2质量控制措施

7.2.1施工过程中,严格执行国家规范、规程、质量检验评定标准及公司质量管理程序文件,以保证每道工序均处于受控状态。

7.2.2严格技术交底,技术人员必须以书面形式对作业班组进行技术交底,明确施工方法及质量目标,交接记录双方均要签字。

7.2.3施工过程中严格执行工程质量奖惩制度、奖优罚劣。

7.2.4各级管理人员均要持证上岗,特殊工种要有相应的上岗操作证。

7.2.5严格执行“三检制”和“三工序”制度,项目质量员跟踪检查,掌握质量动态,加强工序质量控制,以工序保分项,以分项保单位工程质量目标实现。

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