摘要

　　隨著(zhù)科技與經(jīng)濟快速發(fā)展，國內外凈水處理技術(shù)都已相對成熟，也相維出現了許多斷的凈水技術(shù)，可從實(shí)際的發(fā)展使用上看，依舊是采用傳統的"混凝-沉淀一-過(guò)濾-消毒"工藝流程。但凈水技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，城市的建設速度和人們生活水平的飛快提高，使得無(wú)論是城市還是鄉鎮，其需水量都在快速增大。因此某城市與日俱增的需水量，迫使該城市建設一座1.75萬(wàn)噸自動(dòng)化生產(chǎn)的凈水廠(chǎng)，以加大凈水效率，提高供水質(zhì)量。滿(mǎn)足該城市經(jīng)濟建設發(fā)展與人們日常生活的用水需求。

　　因此，本文從該1.75萬(wàn)噸凈水廠(chǎng)對自動(dòng)化的實(shí)際需求出發(fā)，分析其水處理工藝對監控系統的具體要求。設計了由上位機系統，PLC系統。儀表檢測系統等組成的監控系統的總體方案，并詳細介紹系統的硬件設計。軟件系統設計、網(wǎng)絡(luò )系統設計與上位機組態(tài)。

　　系統設計。其中硬件設計主要包括；絮凝沉淀車(chē)間控制站、過(guò)濾及反沖洗車(chē)間控制站、加氯加藥間控制站。網(wǎng)絡(luò )設計部分介紹如何通過(guò)網(wǎng)絡(luò )系統實(shí)現各個(gè)控制站之間的通信及網(wǎng)絡(luò )方案。軟件設計部分主要介紹加氯加藥控制程序、絮凝沉淀控制程序、過(guò)濾及反沖洗控制程序，針對凈水工藝流程中恒液位控制與液位報警程序的工程技術(shù)優(yōu)化問(wèn)題創(chuàng )新提出設置"回差帶"的控制思路，以實(shí)現優(yōu)化控制。最后介紹監控系統的各主要人機界面的組態(tài)與設計。通過(guò)對監控系統的調試與運行結果分析。驗證該監控系統穩定可靠，安全高效的優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：凈水廠(chǎng)；水處理；監控系統； PLC; 恒液位控制

Abstract

　　With the rapid development of science and tchnology and economy. domestic and foreign  net water treatment technology has been relatively mature, but also appeared a lot of new water  purifieation tchnology, can be seen from the sctual development, is still the use of the  traditional cogultiop-eipipiofiaionidisinfectionr" process. However, while the  development of water purification technology, the speed of urban construction and the rapid  improvement of people's living standards. s0 that both urban and township. the water demand  is increasing raidly As a resut, the inreasing water demand in a city has forced the city to  build a 17,500-ton automated water purification plant to increase water purification efficiency,  improve the quality of water supply, and meet the urban ecnomice development and people's  daily life needs for water.

　　Therefore, starting from the actual demand for automation in the 17,500 ton water  purification plant, this paper analyzes the specife requirements of the water treatment process  for the monitoring system, designs the overall scheme of the monitoring system composed of  the upper computer system, PLC system, instrument detection system, etec, and introduces the  hardware design, sofware system design, Network systen design and upper unit State system  design. The hardware design mainly includes: Flocculation Precipitation Workshop control  station, filration and Backwash workshop control stution, chlorination plus iner drug control  station. The network design part introduces how to realize the communication and network  scheme between each control statio through the network system. The sofware design part  mainly introduces the chlorination control program, flocculation precipitation control progrnm,  filtration and Backwash control program, aiming at the innowation of the Engineering  technology opimizaion poblem of constant level control and liquid level alam procedure in  the water purification process,., puls forward the control idea of stting u the "Back Diference  belt" in order to realize the optimal control, Finally, the configuration and design of the main  human- machine interfaces of the monitring system are introdoced, and the advanlages of  stable, rliable, safe and eficient mnitoring system are veified by analyzing the debugging  and running results of the monitoring system.

　　Key Words: Water Puriflcation Plant; Water Treatment; Monitoring System; PLC;Constant Liquid Level Control

目錄

　　第一章緒論

　　1.1課題的研究目的及意義

　　近幾年來(lái)，國內大部分水廠(chǎng)開(kāi)始逐漸向自動(dòng)化生產(chǎn)轉變。自來(lái)水行業(yè)相關(guān)的自動(dòng)化技術(shù)、監控系統設備以及機電儀表設備的發(fā)展。凈水技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，以及計算機的應。

　　用普及，都為國內水廠(chǎng)向自動(dòng)化轉型提供了良好的技術(shù)支持與設備基礎。

　　本文作為機械電子工程方向專(zhuān)業(yè)學(xué)位碩士的畢業(yè)課題，其實(shí)際意義在于，以實(shí)際工程項目為背景，通過(guò)實(shí)地考察、認真研究、與現場(chǎng)工作人員、設備廠(chǎng)家、水廠(chǎng)其他標段設計人員等溝通協(xié)調，為該水廠(chǎng)設計-套切實(shí)可用、高效可靠的計算機監控系統。以解決該地區經(jīng)濟建設與居民日常生活的用水難圓。其學(xué)術(shù)意義在于作為該領(lǐng)城其他監控系統設計人員的實(shí)例參考，或為其他領(lǐng)域監控系統設計人員的設計工作起借鑒作用。

　　通過(guò)凈水廠(chǎng)水處理的自動(dòng)化控制系統，可以從根本上提升出水的水質(zhì)。該系統主要是通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)控制凈術(shù)處理過(guò)程中的加藥、加氯、以及濾池過(guò)濾和反沖洗等環(huán)節。

　　從而達到保質(zhì)。保量的監控凈水過(guò)程的目的。同時(shí)自動(dòng)化控制系統在保證水質(zhì)的基礎上。

　　還可提高人機交互的高效性，從而保證水處理的各個(gè)環(huán)節能夠被有效的監控。數據保護、以及運行維護。采用這種方式方法來(lái)控制水廠(chǎng)的整個(gè)凈水過(guò)程，可以在提高效率的同時(shí)。

　　很大程度上減少能源的損耗。因此，采用自動(dòng)化控制系統是行之有效的重要舉措。

　　一個(gè)地區的水廠(chǎng)建設質(zhì)量與運行情況，切實(shí)關(guān)系到該地區人民的用水。如果凈水廠(chǎng)的水質(zhì)和凈水效率不達標，將會(huì )直接影響到當地活民的生活質(zhì)量，從而影響地區的發(fā)展與建設，該水廠(chǎng)實(shí)現凈水工藝流程的自動(dòng)化，能夠在提高水處理過(guò)程穩定性的同時(shí)提高生產(chǎn)自來(lái)水的效率，并大大減少人力資源的浪費。而在水處理過(guò)程當中采用監控系統進(jìn)行自動(dòng)化控制能夠使相關(guān)工作人員盡早發(fā)現生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患，這樣就有一定的預留時(shí)間進(jìn)行應急措施，一定程度 上避免了由生產(chǎn)故障引起的城市供水短缺的嚴重問(wèn)題。以往的水處理開(kāi)環(huán)控制系統有許多的缺陷，比如不能夠智能的控制加氯和加藥的劑量，對自來(lái)水的質(zhì)量造成了一定程度上的影響。為解決上述問(wèn)題，本文在水處理過(guò)程中采用閉環(huán)控制系統，根據水質(zhì)和水量智能調節加氯和加藥的劑量，從而實(shí)現一個(gè)高效的自動(dòng)化控制系統。

　　1.2國內外水廠(chǎng)監控系統研究發(fā)展概況

　　相對于國外的發(fā)展狀況，我國凈水行業(yè)的自動(dòng)化控制研究和發(fā)展起步相對較晚。20世紀90年代，伴隨蓍可編程控制器（PLC） 的廣泛應用，專(zhuān)家們針對PLC與水處理技術(shù)進(jìn)行理論與實(shí)際的結合，使自動(dòng)化控制系統走入水廠(chǎng)，為水處理系統開(kāi)發(fā)了現代化控制的新時(shí)代。隨著(zhù)工業(yè)控制計算機被不斷的推廣應用，自動(dòng)化控制技術(shù)又進(jìn)一步完善， 凈水廠(chǎng)自動(dòng)化程度提高，并可建立大規模高質(zhì)量的凈水系統。國外的自動(dòng)化控制系統起步早，并且技術(shù)相對成熟。因此，近幾十年來(lái)國內眾多凈水廠(chǎng)大量引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，比如： ifix 工控組態(tài)軟件； SCADA系統： GIS 系統等等，用來(lái)提高我國的自來(lái)水廠(chǎng)的自動(dòng)化系統建設。盡管如此，開(kāi)發(fā)出適應我國發(fā)展需要的自動(dòng)化控制系統仍是當務(wù)之急。

　　而現如今，我國水監控系統的發(fā)展已是日新月異。由我國水利部門(mén)建立井監測的水質(zhì)監測網(wǎng)絡(luò )體系，切實(shí)貫徹到全國的各大城市，為人民用水問(wèn)題提供了有力保障。該系統目前處在僅能監測水環(huán)境階段，距離針對飲用水標準的水質(zhì)監測階段仍有一段路要走。中國是一個(gè)人口大團，能夠解決飲用水問(wèn)題是迫在眉睫的，是具有實(shí)質(zhì)性?xún)r(jià)值的。

　　目前，我國眾多學(xué)者致力于飲用水水質(zhì)檢測體系的研究，例如：為了能夠有效的收集、處理監測過(guò)程中的數據，并以更多樣化的形式方便人們解讀，盧文華等人通過(guò)采用單片機主機和數據采集機，以及設立PC機的方式來(lái)實(shí)現：針對監測采樣點(diǎn)數和頻率等問(wèn)題， .

　　李欣等人研發(fā)了一種基于Labview仿真軟件的水質(zhì)監測慮擬儀器，該儀器能夠實(shí)時(shí)并且有效觀(guān)察水溶液中的氯離子、溶解氧以及氟離子等成分。

　　盡管近年來(lái)我國凈水處理的建設與發(fā)展相對穩定，但大部分凈水廠(chǎng)選擇引進(jìn)進(jìn)口水處理設備與儀表，以實(shí)現水處理工藝的自動(dòng)化控制。保障城市供水的穩定性。究其原因，我國在自動(dòng)化方面的研究已經(jīng)緊追西方國家，但質(zhì)量方面仍存在較大的差距，仍需要我國學(xué)：者繼縷努力探索研究。從而擴大我國各地區凈水廠(chǎng)為了有效的提高凈水廠(chǎng)的自動(dòng)化水平，加大生產(chǎn)規模。

　　目前許多西方國家通過(guò)使用計算機控制技術(shù)在水處理方面已經(jīng)基本實(shí)現了全自動(dòng)化模式，并且可以實(shí)現水廠(chǎng)之間互通信息，分質(zhì)供水。例如：澳大利亞，大部分凈水廠(chǎng)實(shí)行了水處理實(shí)時(shí)監控系統，實(shí)時(shí)記錄并處里水處理數據信息，實(shí)現了水處理的優(yōu)化配置"l在俄羅斯，針對凈水廠(chǎng)的加藥環(huán)節。實(shí)施徼機自動(dòng)化控制保證凈水質(zhì)量P|在英國，凈水廠(chǎng)建立城市飲用水管理監控系統。從而嚴格控制城市供水水質(zhì)。國內應該吸取國外先進(jìn)的飲用水管理理念，積極結合國內的自動(dòng)化水處理發(fā)展狀況，將水質(zhì)監控技術(shù)推上一個(gè)新的臺階。

　　美國、日本等其他國家水質(zhì)監測技術(shù)的研究和應用工作也早已取得部分成就。日本學(xué)習研究國際領(lǐng)先技術(shù)，在大阪地區設置了多個(gè)區城監測系統，以監測當地主要水域水質(zhì)，并將監測結果與標準水質(zhì)數據比對，以分析各區域飲用水的質(zhì)量B.而美國發(fā)展到現在不僅形成了完備的計算機管理系統。還在水質(zhì)監控體系中應用了衛星技術(shù)使水質(zhì)監測體系更加完善。而這都要歸功于美國早在上世紀70年代就已經(jīng)針對地表術(shù)的實(shí)時(shí)監測研發(fā)出了水質(zhì)監測系統并投入使用，井在當時(shí)就已建立起了符合水質(zhì)需求的監測網(wǎng)絡(luò )體系41.如今美國、日本等發(fā)達國家已廣"泛采用衛星技術(shù)，無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )以及計算機技術(shù)，建立起了無(wú)線(xiàn)分布式監測系統5,這些先進(jìn)的技術(shù)值得我國學(xué)習和借鑒，從而將我國的凈水系統以及監測系統發(fā)展的更好。

　　1.3監控系統方案

　　提出根據城市發(fā)展的規模及居民生活生產(chǎn)的需要，設計智能高效的凈水廠(chǎng)。該凈水廠(chǎng)設計總規模3.5萬(wàn)噸，其中-一期工程規模 1.75 萬(wàn)噸，本文設計的是該凈水廠(chǎng)"的一。期工程，其工藝流程：管道混合器-配水井一網(wǎng)格絮凝治-平流沉淀池→V型濾池- 清水池。凈水廠(chǎng)處理后的水儲存在清水池。再通過(guò)恒壓供水設備輸送至城市配水管網(wǎng)。凈水廠(chǎng)一期工程t要構筑物有配水井、網(wǎng)格絮凝平流沉淀池、V型濾池。廢水回收池：凈水廠(chǎng)- -期工程主要建筑物包括綜合慢、門(mén)衛室、加藥加氟間、機修間倉庫、變配電閘。本工程設計了由PLC、工業(yè)計算機、現場(chǎng)儀表、視頻監控等組成的實(shí)時(shí)多任務(wù)、開(kāi)放式自動(dòng)化控制系統。并為今后二期工程建設留有充分擴展的空間間。該系統具有諸多優(yōu)良特性。如：

　　穩定性好、效率高、能源損耗少且系統維護便捷。

　　相比其他領(lǐng)域，由于凈水處理涉及到的工藝流程較多，因此凈水處理具有明顯的受控設備多，儀表檢測量大，工藝處理分布廣的特點(diǎn)。為實(shí)現整個(gè)凈水廠(chǎng)的分散控制和集中管理，該凈水廠(chǎng)監控系統采用由可編程邏輯控制器與工業(yè)計算機組成的分布式控制結構，在各個(gè)凈水廠(chǎng)的不同工藝段及車(chē)間，分別布置了現場(chǎng)控制站對各車(chē)間受控設備實(shí)施監控，同時(shí)又將各工段信息傳送至中央監控室，接受中央監控室的統-指令 與監控7.

　　1.4課題研究的主要內容及結構安排

　　在整個(gè)凈水環(huán)節中，加氯加藥、過(guò)濾以及對濾池的反沖洗很大程度上決定了出水水質(zhì)能否達標，因此針對這三個(gè)環(huán)節的自動(dòng)控制至關(guān)重要。本文重點(diǎn)圍繞加氯加藥車(chē)間、濾池反沖洗車(chē)間以及過(guò)濾車(chē)間的現場(chǎng)PLC控制站進(jìn)行硬件設計。并在軟件設計中分別針對各車(chē)間控制系統進(jìn)行程序設計，重點(diǎn)圍繞過(guò)濾系統中液位控制程序與反沖洗系統中液位越限報警程序設計展開(kāi)說(shuō)明。

　　接下來(lái)的章節安排如下：

　　第二章主要針對凈水廠(chǎng)"凈水工藝流程進(jìn)行分析，總結得到對監控系統的技術(shù)要求，繼而進(jìn)行監控系統的總體方案設計。

　　第三章主要介紹繼總體方案設計完成之后對系統中各主要車(chē)間PLC控制站的硬件設計，以及將各個(gè)控制單元連接的網(wǎng)絡(luò )系統設計。

　　第四章介紹監控系統各車(chē)間控制站的軟件設計和系統的組態(tài)設計，重點(diǎn)分析液位控制與報警程序。

　　第五章介紹監控系統的調試，說(shuō)明調試中發(fā)現的問(wèn)題與處理方法，并對凈水廠(chǎng)的實(shí)際運行數據進(jìn)行分析。

　　第六章闡述凈水廠(chǎng)監控系統總結與未來(lái)展望。

　　第二章監控系統的總體方案設計
　　2.1凈水處理指標分析
　　2.2凈水處理工藝分析
　　2.2.2沉淀
　　2.2.4消毒

　　2.3監控系統的技術(shù)要求及實(shí)現功能
　　2.4.1分布式控制系統（DCS, Distributed Control System） …
　　2.4.2現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS,Fieldbus Control System）
　　2.4.3工業(yè)PC和PLC構成的分布式控制系統
　　2.4.4本文監控系統總體方案
　　本章小結

　　第三章監控系統的硬件設計
　　3.1硬件設計總體方案
　　3.1.1主要設備選型
　　3.1.2主要儀表的
　　3.1.3 中央控制室的設計
　　3.2.1加氯加藥間10點(diǎn)分配
　　3.2.2控制模塊選型
　　3.2.3控制站模塊組態(tài)
　　3.2.4計量泵控制電路分析

　　3.3反沖洗車(chē)間控制站的硬件設計
　　3.3.1濾池反沖洗間I0點(diǎn)分配
　　3.3.2控制模塊選型
　　3.3.3反沖洗風(fēng)機控制電路分析
　　3.4過(guò)濾車(chē)間控制站的硬件設計
　　3.4.1濾池過(guò)濾間I0點(diǎn)分配
　　3.4.2控制模塊選
　　3.4.3電動(dòng)調節閥控制電路分析
　　3.5通訊網(wǎng)絡(luò )
　　3.5.1通訊組網(wǎng)
　　3.5.2通訊協(xié)議

　　第四章 監控系統的軟件設計
　　4.1軟件設計總體方案
　　4.2 加氯加藥控制程序
　　4.3絮凝沉淀控制程序
　　4.4過(guò)濾及反沖洗聯(lián)合控制程序
　　4.5 液位控制程序與液位報警程序設計
　　4.6凈水廠(chǎng)監控系統的組態(tài)設計
　　4.6.1組態(tài)軟件
　　4.6.2 WinCc 7.0組態(tài)軟
　　4.6.3凈水廠(chǎng)的組態(tài)界面開(kāi)發(fā)
　　本章小結

　　第五章監控系統現場(chǎng)調試
　　5.1PLC監控站的調試
　　5.2通信的調試
　　5.3環(huán)網(wǎng)通訊系統實(shí)時(shí)性分析…
　　5.3.2現場(chǎng)數據上行倍息時(shí)間計算
　　5.4監控系統抗干擾分析
　　5.4.1電源抗干擾問(wèn)題分析與對策
　　5.4.2模擬量輸入通道抗干擾問(wèn)題與對策
　　5.5運行結果分析

第六章總結與展望

　　6.1 全文總結

　　本人在僅兩年的研究生學(xué)習及論文研究階段，對該1.75萬(wàn)噸凈水廠(chǎng)監控系統的研發(fā)與設計基于實(shí)際解決城鄉用水不足問(wèn)題的課題研究通過(guò)對凈水廠(chǎng)各工藝的詳細了解，本文對凈水廠(chǎng)的自動(dòng)控制系統做了一個(gè)比較完整的設計，其中包括對控制器及擴展模塊、設備、儀器儀表，通信組網(wǎng)和通信協(xié)議的硬件設計以及各PLC控制站程序、組態(tài)的軟件設計。本人作為機械電子工程方向專(zhuān)業(yè)碩士，工作內容主要有以下幾方面：

　　（1）在該系統中采用變頻調速來(lái)計量泵輸出藥液流量，在保證消毒質(zhì)量的同時(shí)，很好的節約了能源。

　　（2）過(guò)濾是整個(gè)凈水工藝中非常關(guān)鍵的環(huán)節，而該環(huán)節要求濾池中液位保持恒定。

　　因此，本文在保證控制液位恒定的前提下，設計了能夠減少閥門(mén)開(kāi)閉頻率，從而延長(cháng)其壽命的液位控制程序。

　　（3）本文為解決反沖洗蓄水池液位報警程序頻繁報警的問(wèn)題，設計了越限報警程序。

　　（4）監控系統采用了WinCC組態(tài)軟件對各個(gè)工藝過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控，且能夠以組態(tài)畫(huà)面的方式顯示出來(lái)，是操作人員對運行狀況一目了然，同時(shí)還具有故障報警、歷史記錄、報表打印等功能。

　　6.2未來(lái)展望

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，凈水工藝以及控制系統也在不斷的進(jìn)步，國內很對水廠(chǎng)已經(jīng)實(shí)現了自動(dòng)化控制，從而保證用戶(hù)飲用水的安全。但是不論在工藝上還是在自動(dòng)控制上仍然存在著(zhù)一些問(wèn)題， 需要我們對進(jìn)- -步的研究：

　　（1）相比于自動(dòng)加氯在原水的水質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，水中的氨氮含量也會(huì )隨之改變，水中的氨氮會(huì )消耗一部分氣， 導致自動(dòng)檢測加氯量存在較大誤差。人工加氯采用定期根據原水水質(zhì)進(jìn)行試驗以確定加氯量，更加安全、可靠、經(jīng)濟，但自動(dòng)化程度低，耗費人力物力，生產(chǎn)效率低，且放眼長(cháng)期生產(chǎn)成本較高。因此如何實(shí)現自動(dòng)根據原水水質(zhì)變化精確測的加氣量是需要進(jìn)-步探討的問(wèn)題。

　　（2）反沖洗流程中如何實(shí)現四個(gè)濾池根據濾池停工和工作時(shí)間確定反沖洗時(shí)的啟停順序，比如某濾池停工時(shí)間較長(cháng)，則其余三個(gè)濾池中某- -個(gè)進(jìn) 行反沖洗而不能工作時(shí)，應優(yōu)先啟用該濾池，延長(cháng)其工作時(shí)間，均衡四個(gè)濾池的工作強度，以延長(cháng)濾池壽命。

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　致謝

　　"新竹高于舊竹枝，全憑老干為扶持。下年再有新生者，十丈龍孫繞鳳池。"這兩句詩(shī)句正如我們613的傳統：師兄師姐們帶著(zhù)師弟師妹們做項目，帶領(lǐng)著(zhù)他們成長(cháng)，而當師弟師妹們成長(cháng)起來(lái)，613 也又被灌輸了新的血液。就這樣，- 屆帶著(zhù)-屆，而譚曉東老師又帶領(lǐng)著(zhù)613這個(gè)大家族- -步一個(gè)腳印向前邁進(jìn)，613 這支隊伍也在不知不覺(jué)間漸漸壯大了起來(lái)。

　　- -年的課程學(xué)習，不足-一年的課題研究，- -共兩年的研究生生涯轉瞬即逝。時(shí)光荏苒，目送泰師兄與宋師姐們畢業(yè)，如今我也即將修成正果。回想剛進(jìn)入實(shí)驗室時(shí)，我也和如今的師弟師妹們一樣，對一切感到陌生，但又對未來(lái)充滿(mǎn)期待。而入學(xué)兩年來(lái)，我在613與師兄師姐們的指導與關(guān)心下不斷成長(cháng)，學(xué)到了很多知識，也明白了很多道理。

　　因此在研究生階段，我要感謝譚曉東老師- -直以來(lái)對我的諄諄教誨與關(guān)愛(ài)，為我指明方向。還要感謝作為大師兄的凱哥-直以來(lái)對我在學(xué)習上指導和生活上的關(guān)心。在學(xué)習上，侯師兄教會(huì )我用ANSYS做仿真，黃師兄帶著(zhù)我- -邊做項目-邊教我電氣專(zhuān)業(yè)的知識，魯師兄和紅兵又一遍遍在我遇到難題時(shí)為我答疑解感，而許師兄即使人在北京也為我解答了很多困惑與我分享學(xué)習心得和學(xué)習資料…千言萬(wàn)語(yǔ)，道不完師長(cháng)與同窗們對我的幫助，一封致謝， 言不盡我對大家與613的感謝和不舍。

　　在此，唯有送上我對譚老師及613全體成員的祝愿以了表心意：祝老師、師母身體健康、康強逢吉，愿師兄、師姐錦繡前程、程鵬萬(wàn)里，贈同窗及師弟師妹文件夾一個(gè)，里面都是畢業(yè)要用的東西。

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