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洗煤厂技术方案

60万吨/年选煤厂自动化集控系统

 

曲靖电气有限公司

 

一、总的要求

1.1系统目标

随着工业自动化技术和电子计算机技术的迅猛发展,以及自动化设备的不断更新换代和煤矿产量不断的增加。

全国大部分煤矿原有的控制系统已远不能适应当前的安全生产形势。

尤其是一些继电器控制线路、集成电路板等控制方式,存在着电气设备陈旧、线路老化、自动化集成水平低、维修困难等问题,在很大的程度上制约着煤矿产量的提高、企业自动化地实现。

而且在生产过程中存在着极大的安全隐患等。

针对这一现状,必须进行全面的、合理的、经济的、规范的自动化设计和改造,以彻底消除设备的安全隐患。

网络化、数字化、信息化已经成为大中型企业建设的重要内容,随着可编程控制器(PLC)在工业中应用的越来越广泛,基于PLC的集中控制系统已经成为企业的各个生产环节中建设的亮点。

可以设想一下PLC集中控制系统应用到生产中的状况:

生产工作人员在控制室中,坐在电脑前,通过鼠标的移动、轻轻点击,生产系统中各台设备开始运行。

而各条生产线的运行状况、生产环节中每台设备的状态都及时的反映到显示器上;而领导坐在办公室的电脑前,鼠标轻轻一点,屏幕上就出现生产系统中设备运行状态和实时数据,足不出户,就可以通过网络对整个矿山进行巡查,随时了解矿井的生产情况,进行有效的管理,大大节省日常管理的费用,及时发现问题,及早解决。

同时,通过网络很容易实现多级联网,实现资源共享,基层领导、矿山领导、甚至市领导在办公室可以同时调看生产画面。

(如下图)

 

鉴于云南煤业有限责任公司提出的要求并结合我公司多年工程经验,遵照“高起点、高质量、可靠稳定,高效率、高效益、投资少”的原则,对集中控制系统和密度控制系统实施技术方案制作。

建成后的选煤厂,通过集中控制系统来操作、监控选煤系统的设备,实现对整个系统的检测、遥控。

该系统可实现提高生产效率、减少现场操作人员、提高设备安全性和生产安全性、结合视频监控系统。

建设成统一的综合自动化监测监控平台。

我公司在云南煤业有限责任公司集中控制系统和密度控制系统的设计中充分利用现有资源,设计采用了当今世界先进的技术和设备,以及开发的优良应用软件,其核心CPU选用的是德国西门子公司的S7-300系列PLC,上位组态监控软件选用最新WINCC版本。

PLC与调度室采用以太网光纤通讯,现场采用DP通讯。

来保证整个系统安全可靠正常地运行,提高运行管理和维护的水平,降低运行管理费用,减轻工作人员的劳动强度。

提高生产信息的综合自动分析能力,为全厂实施高效的现代化管理提供了决策依据。

二、工程概况

2.1项目简介

云南煤业有限责任公司大金选煤厂位于XX县以北雄壁镇大金办事处,目前有四级公路经过距选煤厂16km的荫凉箐与昆明至南宁的公路、召跨——江底段的高等级公路相连,选煤厂距XX县城35km,县城西距昆明211km东距贵州兴义179km,昆明至南宁的公路和铁路均从XX县经过,交通便利,运输畅通。

矿区地处亚热带,由于地处低纬度高原和受季风影响,四季不明,冬无严寒,夏无酷暑。

年平均气温13.8℃,最冷月平均气温4.3℃,最热月平均气温20.6℃,年均降雨量1100-1300mm,年均降雨日数166天,每年5-10月是雨季。

区内主导风向是西南风,次主导风向东偏北,年平均风速3.17m/s,年最大风速17.0m/s,冬季多西北风。

年平均日照为1700h,区内灾害性气候频繁,主要灾害有霜冻、冰雹、干旱、洪涝、低温等。

选煤厂年入洗原煤60万吨;年生产300天,每天14小时;为群矿型选煤厂,其工艺为重介加浮选工艺。

选煤厂的洗精煤可就近供给当地焦化厂做炼焦用煤,中煤可供电厂发电。

选煤厂内供电系统提供AC0.4kv±10%,50Hz±2%电源。

集中控制系统采用连续工作制。

在此次云南煤业有限责任公司选煤厂建设项目中,我公司根据业主提出的要求和系统建成后目标。

我公司将负责完成集中控制系统和密度控制系统的设计、制造、测试、运输、指导安装、调试、培训、技术服务和试运行并按照工作顺序移交符合要求的资料。

主要的工程内容如下:

Ø集控系统所需的工控机、工业以太网网络设备线路及布线

Ø集中控制系统设备(PLC柜)的硬件安装和软件安装、调试

ØSCADA(数据采集与监视控制系统)系统硬件和软件

Ø集中控制系统的通讯和接口

Ø调度室控制台、调度椅的安装和供货

Ø现场传感器的指导安装、调试

ØUPS供货

Ø集中控制系统图纸、程序、相关文件编制

Ø集中控制系统设备的人员培训、售后服务,按规定时间移交所需资料以及在规定的工期内实现系统的总体运行

Ø与其它相关系统的接口设计、调试、配合协调

Ø根据云南煤业有限责任公司选煤厂特点进行细致的需求分析,结合工艺流程和总平面图对系统方案进一步具体化和优化系统设计。

Ø从系统设计、信息传输、布线、供电、信号和电源的过电压保护、电磁兼容性(EMC)等方面采取有效技术及提供相应的管理手段来保证系统安全可靠地运行。

Ø负责对有关人员进行培训,使工作人员能够独立操作和维护整个系统

2.2集中控制系统的环境条件

1、环境温度

PLC水平安装0—60℃

PLC垂直安装0—40℃

2、防护等级

IP20的防护等级

3、相对湿度

所有设备在相对湿度5—95%(无凝结)范围内任何环境中操作满足规定的性能。

4、大气压

795—1080hPa

5、电磁兼容性

符合EMC规程的要求,辐射干扰符合EN50081-2

6、结构和材料

PLC柜前后双开门,板材厚度≥1.5mm,电缆由柜底引入,柜顶装有散热风扇。

S7-300系列PLC采用模块化结构,硬件组态灵活、方便,

7、干扰

所有设备具有良好的抗电磁场干扰能力。

进行电缆的敷设和接地安装时,将与动力电缆和其它可能产生任何干扰的现场设备相隔离。

三、集中控制系统设计标准和规范

3.1总则

我公司将严格按照标准实施工程,工程师将按照标准的规定进行工程

设计、生产、调试,质检部按照相应标准的规定进行严格的检验,测试合格后方可出厂运抵现场进行安装。

若甲方可以证明其它国家的相关标准与国际仪器协会、电工委员会等的

同类标准相同,或者更严格,并经相关部门(监理工程师)同意,可以采用其它国家的标准。

参照标准的缩写

标准号

标准名称

ISO

国际标准组织

IEC

国际电工技术委员会

EN

欧洲标准委员会

GB

中国国家标准

DIN

德国工业标准

SI

国际单位

3.2设计原则

当今我国各地各个煤炭部门积极响应党中央关于煤炭安全的各项号召,认真贯彻党中央对煤炭安全方面制定的各项方针,积极组织人员进行煤炭行业安全知识教育;但除了人的不安全行为避免之后还应当解决设备的不安全状态,将煤炭行业安全方面事故隐患消灭在萌芽状态,确保煤炭行业生产得以安全进行,确保国家财产不受损失及人民生命得以保护。

在此次改造中,我公司本着“先进性、可靠性、可扩展性、实用性、高性价比、灵活性”设计指导思想进行初步设计。

(1)先进性

采用先进的技术和设备,确保改造后系统的功能、性能优质,运行可靠,在技术、管理方面居国内同行业最先进水平。

其核心CPU采用高性价比的德国西门子PLC,软件设计功能完备。

(2)安全可靠性

对工业控制系统来说,系统的安全是指人员安全、设备安全、生产安全;系统的可靠性是安全、高效生产的重要保障,在进行方案设计时,必须确保设计的系统具有高可靠性。

系统的可靠是指控制的可靠,通过信息的综合判断能力达到设备的无误动作.能长期、稳定、连续运行。

(3)可扩展性

系统软件和硬件配置及系统结构具有前瞻性。

设计选型具有兼容性及可扩展性。

一方面,在考虑配置时,为系统今后的完善、提高留有充裕的扩展容量;

另一方面,系统必须具有灵活的网络结构。

将来系统的扩展在本期系统的基础上增加部分设备即可实现,无须变更本期系统的软件、硬件,不影响本套系统的运行。

而且硬件部分都是采用通用产品易存储、易维护;软件编程时进行详细注解便于查询,上位机界面上生产过程显示内容丰富形象、生产过程信息文字提示、生产控制参数可由上位机界面调整。

(4)实用性

实用是指控制系统简洁,控制功能与选煤厂原有生产特点、设备特点、人员操作习惯相一致,从而保证最高的生产效率;上位机界面上生产过程显示内容丰富形象、生产过程信息文字提示、生产控制参数上位机界面设置。

(5)高性价比

一是在进行系统结构设计和设备选型时多做比较分析,从而使得系统结构、设备选型、系统整体性能具有高性价比。

二是在保证系统功能的前提下,充分利用现有设施和资源(如线缆,仪表,传感器,电话等),以减少改造投资费用,缩短系统施工周期。

提高系统的经济性。

(6)灵活性

系统的总体设计便于工程的分步实施,确保系统的施工不影响正常生产,有利于实现老系统向新系统的平稳过渡。

依据原煤系统生产现状,需要总体设计,分步实施,缩短影响生产时间,保证原煤生产的连续性。

3.3部分设计标准

本方案设计中采用下列技术标准、规范及依据:

《煤矿安全规程》

《选煤厂机电设备完好标准》

《煤炭工业选煤厂设计规范》

《安全技术操作规程(选煤)》

《设备可靠性试验》(GB5080.1~7);

《电气设备的抗干扰特性基本测量方法》(GB4859-84);

《煤炭调度综合自动化装备技术规范》;

《监测监控质量标准化实施标准》

《安全防范工程程序与要求》(GA/T75-94)

《煤炭工业设计规范》

《煤矿安全装备基本要求》

《选煤厂集控装置选择的技术规定》

《XXX设计院设计资料》

四、技术方案和规范

4.1系统方案选择说明

本项目集中控制系统工程为新建工程,由云南煤业有限责任公司选煤厂全厂集中控制系统和介质密度测控系统组成。

根据选煤厂系统特点合理布局,选煤厂集中控制系统采用高可靠性的可编程控制器(以下简称PLC),可编程控制器英文全称ProgrammableLogicController,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。

它采用可以编制程序的存储器,用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入(DI\AI)和输出(DO\AO),控制各种类型的机械或生产过程。

本次系统设计是以PLC为控制核心的分布式网络系统结构,分别设置有原煤准备车间、重介车间、浮选压滤车间、运输及煤泥水车间四个PLC站,各个控制站与调度室上位机组成以太网光纤环网通讯,这样大大保证了通讯的可靠性和数据交换的实时性。

PLC的主机选用S7-300系列PLC。

在现场采用分布式I/O通讯,即现场采用DP网通讯。

分布式I/O这种系统网络距离可达到数千米,可以将各自独立的I/O分站安装在受控设备的低压配电室内,可以节省大量的控制电缆、缩短电缆的路径、减少施工量、降低工程成本。

PLC控制柜是整个生产控制系统的控制中心,除了对整个生产系统进行程序控制外,采用通讯电缆或光缆将各智能I/O分站、控制子系统等与主站相连,构成PLC特有的工业网,以网络数据传输的方式实现对各级的控制和信息交换。

为保证系统的先进性、可靠性,根据系统建设要求控制系统采用国外先进的知名品牌——德国西门子公司的PLC。

并根据技术要求。

进一步选用西门子公司的TIA全集成自动化系统,西门子公司的TIA全集成自动化系统具有可靠性高、技术先进、系统组态灵活、功能强大、性能价格比高等特点,在我国大、中型选煤厂控制系统中多有采用。

通过深入、细致的调研、走访客户,均对西门子TIA全集成自动化的解决方案有较高的评价。

所以在本次云南煤业有限责任公司选煤厂改造项目中使用西门子公司的TIA全集成自动化系统解决方案。

随着工业自动化过程控制理论和计算机技术的迅猛发展,以及对工业自动化过程控制系统的可靠性、复杂性、功能的完善性、系统的可维护性、人机界面的友好性、数据的可分析性、可管理性等各个方面都提出了愈来愈高的要求,为此,德国SIEMENS公司开发了解决自动化问题的革新方法——全集成自动化(TotallyIntegratedAutomation)。

全集成自动化(TIA)就是将所有自动化产品(包括工业控制器、分布式I/O、工控机、工业控制软件、人机界面、工业通讯网络等)进行整体统一的设计,建立在一个共同的SIMATIC集成系统平台上。

SIMATIC全集成自动化(TIA)意味着用全集成系统就可完成所有的自动化任务,就可以组建一个能满足当今工业自动化领域各种要求的、全集成的、结构完整的、功能完善的、面向整个生产过程的新一代过程控制系统。

SIMATIC全集成自动化系统主要包含以下几个部分:

SIMATICSOFTWARE工业控制软件

SIMATICHMI人机接口

SIMATICNET工业通讯网络

SIAMTICS7系列工业控制器

SIAMTICET200M分布式I/O

SIEMENSTIA系统的推出遵循了整体性、先进性、可靠性、经济性、实用性、易用性等设计原则。

该系统是一个面向整个生产过程、整体协调统一、生产控制和信息管理一体化的全厂大系统;是一个高可靠性、技术先进、性能优秀、标准开放、组态灵活、造价合理的全集成自动化控制系统;是一个简单易用、高效实用、能降低生产成本、提高生产效率和产品质量、提高企业生产管理水平的新一代过程控制系统。

SIMATIC全集成自动化(TIA)具有以下几个方面特点:

✧所有组件最优组合,保证了系统可靠性,缩短了安装、调试时间

✧利用高效方便的诊断工具,缩短了故障处理时间

✧在全厂范围内使用统一共享的关系数据库平台

✧具有灵活的扩展性能,使扩展和改进更快、更廉价

✧统一的组态编程工具,使工程变得简单

✧统一的诊断和监控、很好的稳定性和技术容错功能,减少了事故和停机时间,提高了生产效率

✧通过标准接口的开放性硬件和软件,可方便地和第三方产品同时使用,并减少了不同厂家产品之间的通讯和接口的硬件费用

系统结构示意图

4.2集控系统概述

云南煤业有限责任公司此次建设项目包括选煤厂集中控制系统和重介密度控制系统,系统的控制核心为可编程控制器(以下简称PLC),全厂的数据采集和控制功能均由PLC来完成。

全厂各系统的主要设备统一纳入集中控制系统。

系统采用由工业控制计算机、大型可编程控制器(PLC)和分布式远程站组成的集中控制系统,使所有设备的启动、停止、转换实现自动化,运行状态在主控室同步显示;通过光纤组成环形冗余网络,采用西门子工业交换机组成工业以太网,各PLC分站、操作员站和监视终端均接入工业以太网。

在集中控制室设操作员站,在选煤厂办公楼管理人员办公室设监视终端,可通过网络实时查看系统运行情况,查询相关统计信息和报表。

并可以根据工艺要求实现对各产品仓、缓冲仓料位监测、各溜槽闸板位置监测、各设备运行控制和保护信号采集处理、各设备联锁和时序启动、停车等功能,重介质悬浮液密度自动控制,主要生产用桶内液位自动监测和控制并报警。

集中控制系统PLC具有相互故障诊断功能,并可以在上位机显示。

所有设备的综合保护信号、皮带运输机的跑偏、打滑、堵塞、拉绳、撕裂保护等均由集中控制系统自动监护和处理,设备的集中、就地、检修状态,启动和停车、运行状态均由集中控制系统进行监控和处理。

调度监控系统设2台研华公司生产的原装工业控制计算机,配备21英寸液晶显示器,工业计算机主要配置不低于Core™2Duo双核1.8G(CPU)、2048M内存、160G硬盘。

并设有1台惠普激光打印机用于打印实时数据和日常报表。

PLC通过PROFIBUS网络采集现场设备的生产信息和状况,然后将监控信息通过工业以太网传输至调度室中,在调度室中通过上位机对现场设备的运行情况进行监视。

根据不同的要求,对各个工艺流程、运行时间进行合理搭配,优化系统,达到节能降耗的目的。

集控室内要求光线柔和,安装柜式空调,铺设防火防静电活动地板,设专用可靠接地极一套。

实现选煤厂系统的自动化控制后:

1可通过设备的顺序控制,提高有效的开机率,可减少电耗,减低成本。

2可实现煤矿的减员增效,只需留下少量的巡检人员。

提高维护质量,减少事故发生,提高设备的使用率。

3可有效的保护设备,延长设备的使用寿命。

4.3集中控制系统配置

集控系统采用上位机加PLC的控制方式,采用高性价比的德国西门子S7-300系列的PLC,CPU选用315-2DP。

S7-300是西门子公司最新开发的高性能控制平台,在全国各个行业都有广泛的应用。

在集中控制室设上位机进行监控,选煤厂集中控制系统和密度控制系统主站采用性能可靠西门子300系列PLC,全部为模块化结构,且模块全部为标准化模块,便于以后的维修和保养。

大大地保证了煤矿生产工作的正常进行。

为了便于扩展与维修,系统的数字量输入DI、模拟量输入AI、模拟量输出AO都留有10%的富余量,数字量输出DO留有20%的富余量。

现场开关量、模拟量信号通过PLC数字量、模拟量输入模板采集,随着现场开关量、模拟量的多少可任意增减模板和扩展机架。

再通过程序进行运算,将运算完的数据上传到上位机,通过界面显示并根据设定值进行报警和打印。

为了更好地与S7-300PLC配合使用,上位机组态软件选用西门子公司实时监控组态软件视窗控制中心(以下简称WINCC),软件设计功能完备,工作于Windows系统平台,实现图形监控、动态图形显示、历史数据采集管理、设备状态图、报警等诸多功能。

工控机选用研华公司生产的原装工业控制计算机2台,配备21英寸液晶显示器,完全满足工业现场的环境要求。

一台用作操作计算机,用于生产监控系统的控制操作,取代了传统的多功能操作台。

操作站的配置应能方便地从操作员环境转入工程师环境。

一台可以作为工程师站,用于编程、修改参数、改变画面等操作。

也可以作为数据网络服务器,用于历史数据采集管理、数据的打印、网络的发布。

通过标准键盘,实现系统的远程操作和管理,显示器上显示全厂生产运行情况和运行参数。

打印机选用带微处理器接口的惠普彩色激光打印机(A4),。

用于打印生产数据、报警信息等。

在集控室内分别设置集控调度控制台,能够摆放工业计算机和液晶显示器。

控制台台面上放置LCD显示器、打印机,工控机及相应的辅助设备均置于台内。

计算机鼠标、键盘放在台面下的活动抽板上,使用时拉出,不用时推入,使操作台台面简洁、美观。

为提高系统的性能及可靠性,控制层网络采用PROFIBUS网络,可提高系统的通讯速率,进而提高系统的实时性;管理层网络采用标准的工业以太网,100Mbps的速率完全适应工业级的控制要求。

在PLC控制柜内加装隔离继电器,对所有DO进行隔离,避免现场故障对PLC模块产生冲击,提高系统的可靠性。

隔离继电器选用日本欧姆龙公司MY2NJ型插拔式万能继电器,该继电器带有无极性高亮度LED指示灯,十分便于现场维护、调试。

其触点容量为AC250V10A。

柜内接线端子选用德国魏德米勒公司的产品。

各台设备启动前具有声光预警(阀门除外),

设备故障时调度室工控机能够实现语音报警。

合格介质桶选用进口西门子公司生产的超声波液位计

4.4集控系统功能

生产集中控制系统有两种控制操作方式,即控制室集中控制操作和现场单机就地操作方式。

控制室集中操作方式是本系统的主要操作方式,现场单机就地操作方式主要用于设备的调试和维护。

每台设备具有现场操作按钮箱,通过万能转换开关选择操作方式:

转换开关有三个位置:

集中-检修-就地,转换开关仅位于集中位时设备由集控室控制,位于就地位时设备由现场按钮控制,位于检修位时设备禁止启动。

集中操作方式有两种控制操作方式,即集中自动方式、集中手动方式。

也可以按客户要求做其它控制方式,对云南煤业有限责任公司选煤厂工艺系统的所有机电设备全部纳入集控,对煤流线上的参控设备进行集中联锁控制,对不参控设备的运行状态进行监视。

控制方式由集控调度室操作人员在上位机的画面上进行选择。

在集中运行时,岗位司机只能就地停车,不能启车。

集中操作

集中操作方式可分为“集中-手动”及“集中-自动”两种。

“集中-手动”方式分为联锁手动和解锁手动两种方式。

联锁手动是运行人员在上位机上控制PLC完成,通过计算机键盘或鼠标,结合LCD彩显来完成,即操作人员根据运行的要求在上位机上调出相应的画面,对已选择好的流程的设备按照联锁方式逆煤流一对一的启动设备,按顺煤流方向一对一停止设备.

解锁手动也在上位机上进行操作,此时无任何联锁关系,可实现对单台设备的起停控制。

此种操作方式仅用于系统调试或设备维修时使用。

在“集中-手动”此种方式下,设备之间的联锁关系可以方便地设定或取消。

该方式主要用于设备的试运行和检修,也可以作为正常生产时的补充操作方式。

“集中-自动”方式的所有操作均能通过主控制室的上位机软件操作,即通过计算机键盘加鼠标,结合LCD彩显,选择适合的工艺流程,实现选定的流程内工艺设备的自动起、停。

在此种方式下,通常设备之间存在联锁关系。

现场单机就地操作

现场设备附近均设置就地操作控制箱,实现单台设备的起停控制,该操作方式主要供单机调试、维护检修时使用。

此时控制室对设备不起控制作用,仅对各设备运行状态进行监视。

同时就地箱上的停车按钮可以实现运行过程中对有问题但系统检测不到的设备实现紧急停车功能。

工艺流程选择、设置及起、停控制功能

系统可以方便选择现有的工艺流程。

生产工艺变更时,还可以方便地进行工艺流程改变或增加。

大大方便了生产。

并可以对并列的设备或并列的系统采取“加入集控”、“退出集控”方式来控制相应系统、设备。

在“集中-自动”控制方式下,按选定的工艺流程逆煤流方向依次逐台起动设备,设备间的启动延时时间可以方便地设定。

在起动过程中,如果正在启动的设备发生故障,则该设备的上游设备不再起动,起动过程暂停,并弹出提示对话框。

待查清故障原因后,由操作人员决定是等待故障排除后继续起动,还是终止本次流程起动。

此外在生产的过程中某台设备突然因故障停车,则系统会按照逆流方向闭锁煤源设备,避免堆煤现象和事故的发生。

在集控方式下控制室能实现紧急停车,并且现场参加集控的设备不能就地开车,在任何控制方式下现场都能就地停车。

正常停车功能:

在作业完成后,停止该作业流程。

停止顺序为顺煤流方向逐台延时停止各设备,停车时间可方便设定。

并具有相应的语音提示。

故障停车功能:

当现场的故障检测、保护装置动作以后,故障设备以及煤流上游设备立即停止运行(工艺设备要求必须延时停车的除外),其下游设备经延时,待煤流排清以后依次停止运行。

并提供故障语音报警功能.

紧急停车功能:

出现紧急情况时,按下LCD彩显画面上的模拟紧急停止按钮或者操作台上的紧急停止按钮,所有设备立即停止运行。

在现场可以通过拉动拉绳开关、将转换开关旋至检修位置、按停机按钮、检修开关都可以实现设备的紧急停车。

预告功能

现场设备起动前和起动过程中,系统自动通过语音箱向现场发预告信息。

在设备的运行过程中还可以对故障进行语音报警功能.

保护及故障报警功能

a)当设备发生启车故障时,起车过程暂停,LCD屏幕上发出相应的文字报警信号。

b)当系统发生故障停车或传感器监测点报警(例:

堵塞、跑偏、打滑、仓满、仓空、过流、溢流等)时,系统发出报警。

系统自动根据报警的设备和部位作出相应的停机处理,避免故障的发生和扩大。

LCD屏幕上同时发出相应的文字报警信号。

c)系统能自动显示、记录或打印故障性质、故障地点及发生故障的时间。

d)每台设备(阀门除外)在控制按钮箱上设置检修开关,当有检修人员作业时,通过闭锁检修开关的方式禁止设备运转(断开操作回路电源,并通知PLC禁止启动)。

数据采集、处理及显示功能

系统通过PLC及通讯网络可方便地采集现

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