現(xiàn)場(chǎng)總線7章節(jié)10種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)與工業(yè)以太網(wǎng).ppt_第1頁(yè)
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現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),第7講 10種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)與工業(yè)以太網(wǎng),信息學(xué)院自動(dòng)化系 凌志浩,第1 部分 10種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),按照國(guó)際電工委員會(huì)IEC/SC65C的定義,安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。 根據(jù)使用場(chǎng)合和用途不同,現(xiàn)場(chǎng)總線又分為H1低速現(xiàn)場(chǎng)總線和H2高速現(xiàn)場(chǎng)總線。 IEC/SC65C最初定義的H1總線為用于制造或過(guò)程區(qū)域的、通過(guò)兩根傳輸線向現(xiàn)場(chǎng)裝置供電的低速串行總線; H2總線為無(wú)需解決兩線制供電、用于裝置間傳送信息的高速串行總線。 H1和H2總線相輔相成構(gòu)成了完整的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)信息通信網(wǎng)絡(luò)。,Type1 TS61158 現(xiàn)場(chǎng)總線,1998年前,IEC/SC65C只推薦一種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線,該總線主要采納Foundation Fieldbus總線和WorldFIP總線基本技術(shù),并嚴(yán)格按照IEC定義制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它支持各種工業(yè)領(lǐng)域的信息處理、監(jiān)視和控制系統(tǒng),用于過(guò)程控制傳感器、執(zhí)行器和本地控制器之間的低級(jí)通信,可以與工廠自動(dòng)化的PLC實(shí)現(xiàn)互連。,Type1通用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),H1主要用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí),其速率為31.25Kbps,負(fù)責(zé)兩線制向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電,支持帶總線供電設(shè)備的本質(zhì)安全,H2面向過(guò)程控制級(jí)、監(jiān)控管理級(jí)和高速工廠自動(dòng)化的應(yīng)用,其速率為1,2.5和100Mbps。,TYPE 2,Ethernet/IP以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議是一種開(kāi)放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò),它使用有源星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以將10Mbps和100Mbps產(chǎn)品混合使用。該協(xié)議在TCP/UDP/IP之上附加控制和信息協(xié)議(CIP),提供一個(gè)公共的應(yīng)用層。CIP的控制部分用于實(shí)時(shí)I/O報(bào)文,其信息部分用于報(bào)文交換。ControlNet和Ethernet/IP都使用該協(xié)議通信,分享相同的對(duì)象庫(kù)、對(duì)象和設(shè)備行規(guī),使得多個(gè)供應(yīng)商的設(shè)備能在上述整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)即插即用。對(duì)象的定義是嚴(yán)格的,在同一種網(wǎng)絡(luò)上支持實(shí)時(shí)報(bào)文、組態(tài)和診斷。為了提高工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性能,ODVA(開(kāi)放的DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會(huì))于2003年8月公布IEEE1588“用于Ethernet/IP實(shí)時(shí)控制應(yīng)用 的時(shí)鐘同步”標(biāo)準(zhǔn)。,Type2 ControlNet和Ethernet/IP現(xiàn)場(chǎng)總線,Type2 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),TYPE 3,TYPE 4,通信方式采用虛擬令牌(Virtual Token)傳遞方式。只有主站可以擁有令牌,主站在擁有令牌時(shí),可以向從站發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求,從站在390s內(nèi)訪問(wèn)總線,以保存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)立即返回一個(gè)響應(yīng),從而完成一次通信循環(huán)。數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲(chǔ)順序是符合FIFO機(jī)制的每個(gè)節(jié)點(diǎn)含有一個(gè)通用的單芯片微處理器,可以完成測(cè)量、標(biāo)定、轉(zhuǎn)換和應(yīng)用功能。P-NET總線的物理層采用RS-485標(biāo)準(zhǔn),使用屏蔽雙絞線通信電纜,當(dāng)通信頻率為76.8KHz時(shí),傳輸距離可達(dá)到1.2km。P-NET采用NRZ異步傳輸方式。,節(jié)點(diǎn)(Node):節(jié)點(diǎn)是指連結(jié)到總線上的設(shè)備。P-NET協(xié)議的節(jié)點(diǎn)包括三種類型:主站、從站和網(wǎng)關(guān)。 主站(Master):在P-NET協(xié)議中是惟一可以擁有令牌,并發(fā)出請(qǐng)求信息的節(jié)點(diǎn),主站對(duì)總線的訪問(wèn)是主動(dòng)的。在主站獲得總線令牌后允許在一定的時(shí)間內(nèi)訪問(wèn)總線,擁有一次令牌只能發(fā)送一次請(qǐng)求,主站在使用完令牌后即將令牌傳給下一個(gè)主站。 從站(Slave):在收到主站的請(qǐng)求后,在一定的時(shí)間內(nèi)返回相應(yīng)的響應(yīng),從站不能擁有令牌,對(duì)總線的訪問(wèn)是被動(dòng)的,只有在被某個(gè)主站訪問(wèn)時(shí)才能占用總線返回響應(yīng)。 網(wǎng)關(guān)(Gateway):是連接兩個(gè)或更多段總線的設(shè)備。P-NET是多段多網(wǎng)絡(luò)總線,段與段之間以網(wǎng)關(guān)相連。網(wǎng)關(guān)即起到隔離總線段的作用,又在段與段之間進(jìn)行信息的傳遞,實(shí)現(xiàn)不同總線段之間的通信。 虛擬令牌:P-NET通信協(xié)議遵循虛擬令牌制傳遞方式。所謂虛擬令牌就是在各主站訪問(wèn)總線時(shí),并沒(méi)有實(shí)際的令牌在各個(gè)主站之間傳遞,傳輸?shù)囊粠畔⒅胁⒉话钆谱止?jié)。各主站對(duì)總線的訪問(wèn)遵循一定的時(shí)間機(jī)制,這是通過(guò)空閑總線位周期計(jì)數(shù)器和總線訪問(wèn)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 空閑總線位周期計(jì)數(shù)器(Idle Bus Bit Period Counter):空閑總線位周期計(jì)數(shù)器是用來(lái)計(jì)算總線上沒(méi)有主站訪問(wèn)的周期數(shù)的,它總是從40開(kāi)始增加,遇到一個(gè)空閑位周期,則“空閑總線位周期計(jì)數(shù)器”增加10,遇到主站訪問(wèn)總線,“空閑總線位周期計(jì)數(shù)器” 重新從40開(kāi)始計(jì)。 總線訪問(wèn)計(jì)數(shù)器(Bus Access Counter):總線訪問(wèn)計(jì)數(shù)器是用來(lái)紀(jì)錄訪問(wèn)總線的主站的站號(hào),并且利用該站號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)總線的同步。每次令牌從一個(gè)主站傳給另一個(gè)主站時(shí)“總線訪問(wèn)計(jì)數(shù)器”都要加1,訪問(wèn)總線的主站的站號(hào)要與總線訪問(wèn)計(jì)數(shù)器的值相等,否則會(huì)出現(xiàn)總線不同步錯(cuò)誤。,Tpye5 FF HSE現(xiàn)場(chǎng)總線 1998年,美國(guó)Fieldbus Foundation(FF)基金會(huì)決定采用高速以太網(wǎng)(High Speed Ethernet,HSE)技術(shù)開(kāi)發(fā)H2現(xiàn)場(chǎng)總線,作為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)控制級(jí)以上通信網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng),它與H1現(xiàn)場(chǎng)總線整合構(gòu)成信息集成開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)。 HSE網(wǎng)絡(luò)遵循標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)規(guī)范,并根據(jù)過(guò)程控制的需要適當(dāng)增加了一些功能,但這些增加的功能可以在標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet結(jié)構(gòu)框架內(nèi)無(wú)縫地進(jìn)行操作,因而FF HSE總線可以使用當(dāng)前流行的商用(COTS)以太網(wǎng)設(shè)備。100Mbps以太網(wǎng)拓?fù)涫遣捎媒粨Q機(jī)形成星形連接,這種交換機(jī)具有防火墻功能,以阻斷特殊類型的信息出入網(wǎng)絡(luò)。HSE使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3信號(hào)傳輸,標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet接線和通信媒體。設(shè)備和交換機(jī)之間距離,使用雙絞線為100米,光纜可達(dá)2千米。HSE使用連接裝置(LD)連接H1子系統(tǒng),LD執(zhí)行網(wǎng)橋功能,它允許就地連在H1網(wǎng)絡(luò)上的各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,以完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等通信。HSE支持冗余通信,網(wǎng)絡(luò)上的任何設(shè)備都能作冗余配置。,Type5 FF HSE現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu),FFB是柔性功能模塊,用于進(jìn)行復(fù)雜的批處理和混合控制應(yīng)用,支持?jǐn)?shù)據(jù)采集的監(jiān)控,子系統(tǒng)接口、事件順序、多路數(shù)據(jù)采集、PLC與其它協(xié)議通信的網(wǎng)間連結(jié)器。,TYPE 6,Type6 SwiftNet現(xiàn)場(chǎng)總線由美國(guó)SHIP STAR協(xié)會(huì)主持制定,得到美國(guó)波音公司的支持,主要用于航空和航天等領(lǐng)域。該總線是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性高的總線,協(xié)議僅包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。SwiftNet現(xiàn)場(chǎng)總線采用分層總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。,物理層傳送速率為5Mbps,此時(shí)每秒傳送105個(gè)不同的報(bào)文??偩€使用TDMA(Slotted time division multiple access)槽路時(shí)間片多路送取方式,提供專用高速、低抖動(dòng)同步通道和按要求指定的通道。專用通道適用于自動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的分配或交換;按要求指定的通道則適用于非調(diào)度報(bào)文。TDMA方式是將總線上的時(shí)間分割為相等長(zhǎng)度間隔,稱作槽路,只有當(dāng)總線上的站分配到槽路時(shí),它才能監(jiān)聽(tīng)和發(fā)送。每個(gè)站還能根據(jù)所占的比例,協(xié)調(diào)總線訪問(wèn)、數(shù)據(jù)傳輸和接收數(shù)據(jù)。,Type 6 SwiftNet現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu),TYPE 7,WorldFIP協(xié)議是EN50170歐洲標(biāo)準(zhǔn)的第三部分,物理層采用IEC61158.2標(biāo)準(zhǔn),其產(chǎn)品在法國(guó)占有60%市場(chǎng),在歐洲占有大約25%份額,它廣泛應(yīng)用于發(fā)電與輸配電、加工自動(dòng)化、鐵路運(yùn)輸、地鐵和過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域。 WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)分為三級(jí),即現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、控制級(jí)和監(jiān)控級(jí)。它能滿足用戶各種需要,適合于各種類型的應(yīng)用結(jié)構(gòu),集中型、分散型和主站/從站型。用單一的WorldFIP總線滿足過(guò)程控制、工廠制造加工和各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需要。為了適應(yīng)低成本的要求,開(kāi)發(fā)了低成本的Device WorldFIP(DWF)總線,它是設(shè)備一級(jí)網(wǎng)絡(luò),能很好適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種惡劣環(huán)境,并具有本質(zhì)安全防爆性能,可以實(shí)現(xiàn)多主站與從主站的通信。,Type7 WroldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu),DWF:為適應(yīng)低成本要求,開(kāi)發(fā)了低成本的Device WorldFIP(DWF)總線,它是設(shè)備一級(jí)網(wǎng)絡(luò),能很好適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種惡劣環(huán)境,具有本安放爆性能,可實(shí)現(xiàn)多主站與從站的通信。,TYPE 8,Type8 INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線由德國(guó)Phoenix Contact 公司開(kāi)發(fā),INTERBUS Club俱樂(lè)部支持。INTERBUS在全球有1000多家總線設(shè)備生產(chǎn)商,提供2500多種產(chǎn)品,到目前為止,INTERBUS在全球自動(dòng)化領(lǐng)域已有50多萬(wàn)套應(yīng)用系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。 INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是一種開(kāi)放的串行總線,可以構(gòu)成各種拓?fù)湫问?,并允許有16級(jí)嵌套連接方式。該總線最多可掛512個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,設(shè)備之間的最大距離400米,無(wú)需中繼器網(wǎng)絡(luò)的最大距離為12.8公里。INTERBUS總線包括遠(yuǎn)程總線和本地總線,遠(yuǎn)程總線用于遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù),采用RS-485傳輸,網(wǎng)絡(luò)本身不供電,通信速率為500Kbps和2Mbps。 INTERBUS有自己獨(dú)特的環(huán)路結(jié)構(gòu),環(huán)路使用標(biāo)準(zhǔn)電纜同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電源。環(huán)路可以連接模擬、數(shù)字設(shè)備甚至復(fù)雜的傳感器/執(zhí)行器,也允許直接接入智能終端儀表。,Type8 INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu),Type9 FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線 H1現(xiàn)場(chǎng)總線是由FF現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)負(fù)責(zé)制定的。FF基金會(huì)成員由世界著名的儀表制造商和用戶組成,其成員生產(chǎn)的變送器、DCS、執(zhí)行器、流量?jī)x表占世界市場(chǎng)的90%,它們對(duì)過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的功能需求了解透徹,在過(guò)程控制方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),提出的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較為全面。Type9現(xiàn)場(chǎng)總線是Type1現(xiàn)場(chǎng)總線的子集。 FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層以及考慮到現(xiàn)場(chǎng)裝置的控制功能和具體應(yīng)用而增加的用戶層組成。H1總線支持多種傳輸媒體:雙絞線、電纜、光纜和無(wú)線媒體。傳輸速率為31.25Kbps,通信距離最大為1 900米。該總線支持總線供電和本質(zhì)安全。,Type10 PROFI net現(xiàn)場(chǎng)總線 PNO組織于2001年8月發(fā)表了PROFInet規(guī)范。PROFInet將工廠自動(dòng)化和企業(yè)信息管理層IT技術(shù)有機(jī)地融為一體,同時(shí)又完全保留了Profibus現(xiàn)有的開(kāi)放性。,PROFInet現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)支持開(kāi)放的、面向?qū)ο蟮耐ㄐ?,這種通信建立在普遍使用的Ethernet TCP/IP基礎(chǔ)上,優(yōu)化的通信機(jī)制還可以滿足實(shí)時(shí)通信的要求?;趯?duì)象應(yīng)用的DCOM通信協(xié)議是通過(guò)該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)建立的。以對(duì)象的形式表示的PROFInet組件根據(jù)對(duì)象協(xié)議交換其自動(dòng)化數(shù)據(jù)。自動(dòng)化對(duì)象即COM對(duì)象作為PDU以DCOM協(xié)議定義的形式出現(xiàn)在通信總線上。連接對(duì)象活動(dòng)控制(ACCO)確保已組態(tài)的互相連接的設(shè)備間通信關(guān)系的建立和數(shù)據(jù)交換。傳輸本身是由事件控制的,ACCO也負(fù)責(zé)故障后的恢復(fù),包括質(zhì)量代碼和時(shí)間標(biāo)記的傳輸、連接的監(jiān)視、連接丟失后的再建立以及相互連接性的測(cè)試和診斷。 Profibus可以通過(guò)代理服務(wù)器(Proxy)很容易地實(shí)現(xiàn)與其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的集成,在該方案中,通過(guò)代理服務(wù)器將通用的Profibus網(wǎng)絡(luò)連接到工業(yè)以太網(wǎng);通過(guò)以太網(wǎng)TCP/IP訪問(wèn)Profibus設(shè)備是由Proxy使用遠(yuǎn)方程序調(diào)用(RPC)和Microsoft DCOM進(jìn)行處理的。,Type10 PROFInet 現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu),第2 部分 工業(yè)以太網(wǎng),以太網(wǎng),20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) ,由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)乃至政治等方面的因素沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。,正因?yàn)槿绱?,隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展與普及,以太網(wǎng)得到了廣泛的應(yīng)用,將以太網(wǎng)用于工業(yè)領(lǐng)域主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì),一 、應(yīng)用廣泛、價(jià)格低廉、多種傳輸介質(zhì)可選、高速度、易于組網(wǎng)。,二、易于和Internet連接。,三、可以使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很好地融合而形成相互促進(jìn)的局面。,1. 以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)和特征,2.,3. 以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù),(1) 工業(yè)以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性,長(zhǎng)期以來(lái),Ethernet通信響應(yīng)的“不確定性”是它在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中應(yīng)用的致命弱點(diǎn)和主要障礙之一。,經(jīng)研究表明,經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì),工業(yè)以太網(wǎng)的響應(yīng)時(shí)間小于4ms,可滿足幾乎所有工業(yè)過(guò)程控制要求。,但隨著以太網(wǎng)帶寬的迅速增加(10/100/1000Mbs),沖突幾率大大減小,加之相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用,數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性不斷提高,也使以太網(wǎng)逐漸趨于確定性,3.2 工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存性,所謂網(wǎng)絡(luò)生存性,是指以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制時(shí),必須具備較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)可用性。,即任何一個(gè)系統(tǒng)組件發(fā)生故障,不管它是硬件還是軟件,都會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、控制器和應(yīng)用程序乃至于整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓,則說(shuō)明該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)生存能力非常弱。,工業(yè)以太網(wǎng)的生存性或高可用性包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:,(1)可靠性,(2)可恢復(fù)性,(3)可管理性,3.3 工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全,以太網(wǎng)和TCP/IP的優(yōu)勢(shì)在于其在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用以及良好的開(kāi)放性,可是與傳統(tǒng)的專用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相比,也更容易受到自身技術(shù)缺點(diǎn)和人為的攻擊。,HT2012功能框圖,加密技術(shù),鑒別交換技術(shù),訪問(wèn)控制技術(shù),3.4 關(guān)于Ethernet“e”網(wǎng)到底,與目前的現(xiàn)場(chǎng)總線相比,以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn):,(1)應(yīng)用廣泛,(2)成本低廉,(3)通信速率高,(4)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?4. 幾種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介,(1)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求 允許對(duì)事件進(jìn)行實(shí)時(shí)相應(yīng)的事件驅(qū)動(dòng)通信 很高的可用性 很高的數(shù)據(jù)完整性 在有電磁干擾和電位差的情況下能正常工作 使用工廠內(nèi)專用的傳輸線 網(wǎng)絡(luò)通信的高實(shí)時(shí)性:數(shù)據(jù)處理就像發(fā)生在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)刻,其響應(yīng)沒(méi)有大的延時(shí)。,(2)工業(yè)以太網(wǎng)與實(shí)時(shí)以太網(wǎng) 將用于工業(yè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)統(tǒng)稱為工業(yè)以太網(wǎng)。主要通過(guò)采用減輕以太網(wǎng)負(fù)荷、提高網(wǎng)絡(luò)速度、采用交換式以太網(wǎng)和全雙工通信、采用信息優(yōu)先級(jí)和流量控制以及虛擬局域網(wǎng)等技術(shù)。響應(yīng)時(shí)間為510ms。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)是兼容的。 對(duì)于響應(yīng)時(shí)間小于5ms的應(yīng)用,上述工業(yè)以太網(wǎng)已不能勝任。為了滿足高實(shí)時(shí)性能應(yīng)用的需要,各大公司和標(biāo)準(zhǔn)組織紛紛提出各種提升工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性的技術(shù)解決方

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