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文檔簡介

1、第一章過程控制儀表課程設(shè)計的目的意義 21.1 設(shè)計目的21.2 課程在教學(xué)計劃中的地位和作用 2第二章 流量控制系統(tǒng)(實驗部分) 32.1 控制系統(tǒng)工藝流程 32.2 控制系統(tǒng)的控制要求42.3 系統(tǒng)的實驗調(diào)試 5第三章流量控制系統(tǒng)工藝流程及控制要求 63.1 控制系統(tǒng)工藝流程 63.2 設(shè)計內(nèi)容及要求 7第四章總體設(shè)計方案 84.1 設(shè)計思想 84.2 總體設(shè)計流程圖 8第五章硬件設(shè)計 95.1 硬件設(shè)計概要95.2 硬件選型 95.3 硬件電路設(shè)計系統(tǒng)原理圖及其說明 13第六章軟件設(shè)計 146.1 軟件設(shè)計流程圖及其說明 146.2 源程序及其說明 16第七章系統(tǒng)調(diào)試及使用說明 17第八

2、章收獲、體會 20參考文獻(xiàn) 21第一章微控制器應(yīng)用系統(tǒng)綜合設(shè)計的目的意義1.1 實驗?zāi)康谋敬握n程設(shè)計是為過程控制儀表課程而開設(shè)的綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié),是 對現(xiàn)代檢測技術(shù)、自動控制理論、過程控制儀表、計算機(jī)控制技術(shù)等 前期課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的綜合應(yīng)用。本設(shè)計主要是通過對典型工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的 典型工藝參數(shù)的測量方法、信號處理技術(shù)和控制系統(tǒng)的設(shè)計,掌握測控對象參數(shù) 檢測方法、變送器的功能、測控通道技術(shù)、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過程控制儀 表的PID控制參數(shù)整定方法,培養(yǎng)學(xué)生綜合運用理論知識來分析和解決實際問題 的能力,使學(xué)生通過自己動手對一個工業(yè)過程控制對象進(jìn)行儀表設(shè)計與選型,促進(jìn)學(xué)生對儀表及其理論與設(shè)計的

3、進(jìn)一步認(rèn)識。本次設(shè)計的主要任務(wù)是通過對一個典型工業(yè)生產(chǎn)過程(如煤氣脫硫工藝過 程)進(jìn)行分析,并對其中的液位參數(shù)設(shè)計其控制系統(tǒng)。 設(shè)計中要求學(xué)生掌握變送 器功能原理,能選擇合理的變送器類型型號;掌握執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥的功能原理, 能選擇合理的器件類型型號;掌握PID調(diào)節(jié)器的功能原理,完成液位控制系統(tǒng)的 總體設(shè)計,并畫出控制系統(tǒng)的原理圖和系統(tǒng)主要程序框圖。通過對過程控制系統(tǒng)的組態(tài)和調(diào)試,使學(xué)生對過程控制儀表課程的內(nèi)容有一個全面的感性認(rèn)識, 掌握常用過程控制系統(tǒng)的基本應(yīng)用,使學(xué)生將理論與實踐有機(jī)地結(jié)合起來,有效 的鞏固與提高理論教學(xué)效果。1.2 課程設(shè)計在教學(xué)計劃中的地位和作用本課程設(shè)計是為過程控制儀表

4、課程而開設(shè)的綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié),是對 現(xiàn)代檢測技術(shù)、自動控制理論、過程控制儀表、計算機(jī)控制技術(shù)等前 期課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的綜合應(yīng)用,使學(xué)生加深對過去已修課程的理解,用本課程所學(xué) 的基本理論和方法,運用計算機(jī)控制技術(shù),解決過程控制領(lǐng)域的實際問題,為學(xué) 生今后從事過程控制領(lǐng)域的工作打下基礎(chǔ)。因此本課程在教學(xué)計劃中具有重要的 地位和作用。第二章流量控制系統(tǒng)(實驗部分)2.1控制系統(tǒng)工藝流程圖2.1內(nèi)容器單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)工藝流程圖說明:FT為流量變送器,F(xiàn)C為智能調(diào)節(jié)器,VL為電動閥,SSR為固態(tài)繼電器 控制輸出,Q表示流量。圖2.3同。被控制量圖2.2內(nèi)容器單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)方塊流程圖VL1圖2.4雙閉環(huán)

5、比值控制方塊流程圖2.2控制系統(tǒng)的控制要求2.2.1 單閉環(huán)控制要求給定流量范圍為0400L/h,流量從200L/h穩(wěn)態(tài)向300L/h穩(wěn)態(tài)過渡的 調(diào)節(jié)時間不超過100s,超調(diào)量不超過5%穩(wěn)態(tài)誤差不超過± 5%.2.2.2 雙閉環(huán)比值控制主回路(圖2.4中FC1調(diào)節(jié)的回路)要求如單閉環(huán)控制要求,副回路(FC2調(diào)節(jié) 的回路)的比值K為2,主回路Q1隨給定Qs改變:在Q1穩(wěn)定在給定Qs后,副 回路調(diào)節(jié)時間不超過50s,超調(diào)量不超過5%穩(wěn)態(tài)誤差不超過± 5%2.3 系統(tǒng)的實驗調(diào)試2.3.1 單閉環(huán)流量控制在實驗面板上接好線,確認(rèn)無誤后打開實驗機(jī)柜電源和水泵開關(guān);將智能調(diào)節(jié)器FC1設(shè)

6、置為單路輸入內(nèi)給定、人工模糊自整定 PID調(diào)節(jié)方式; 調(diào)節(jié)PID參數(shù):積分分離值為0,先使積分時間TI為一較大值,微分時間TD 為0;調(diào)節(jié)比例帶P,使流量Q1能穩(wěn)定到給定值附近,且過渡時間不太大、超調(diào) 量滿足工藝要求;再調(diào)節(jié)積分時間 TI ,使流量Q1的穩(wěn)態(tài)誤差減小以滿足工藝要 求。若此時過渡時間也能達(dá)到工藝要求,則可以不要微分作用,若不能滿足則慢 慢增加微分時間TD,使調(diào)節(jié)時間減小以滿足工藝要求。說明:在調(diào)節(jié)比例帶P使流量能穩(wěn)定到給定值附近后,主要需解決的是減少穩(wěn)態(tài) 誤差(減小TI)、減少超調(diào)量(增加比例帶P或積分時間TI)和減少過渡時間(增 加微分時間TD或減小積分時間TI), P、TI、

7、TD這3個參數(shù)主要需調(diào)節(jié)的是P 和TI,觀察無紙記錄儀的響應(yīng)曲線,多試幾組參數(shù),使流量控制達(dá)到工藝要求。2.3.2 雙閉環(huán)比值控制在2.3.1中單閉環(huán)流量控制已滿足工藝要求的前提下,將其做為主回路,不需 再改動其參數(shù)。將調(diào)節(jié)器FC2設(shè)置為雙路輸入外給定、人工模糊自整定PID調(diào)節(jié)方式。將比值器設(shè)置為加法方式,比例系數(shù) A=0.5, B=0Q1穩(wěn)定后,副回路的給定也就一定了。調(diào)節(jié) PID參數(shù)(調(diào)節(jié)方法如單閉環(huán)控制),給調(diào)節(jié)器FC2選擇合適的PID值以滿足工藝要求。第三章流量控制系統(tǒng)工藝流程及控制要求3.1 控制系統(tǒng)工藝流程HPF法脫硫是國內(nèi)新開發(fā)的技術(shù),它是以氨為堿源液相催化氧化脫硫新工藝 采用的

8、催化劑HPF是一種復(fù)合催化劑,它對脫硫和再生過程均有催化作用。所產(chǎn) 廢液完全可以回兌到煉焦煤中,從而大大簡化了工藝流程。脫硫、脫鼠效率較高, 一般可達(dá)到塔后煤氣含HS0 100mg/m,含HC誹300mg/m。HPF法脫硫的工藝流程是:鼓風(fēng)機(jī)后的煤氣進(jìn)入預(yù)冷塔與塔頂噴灑的冷卻水 逆向接觸,被冷卻為30C,冷卻水從塔下部用泵抽出,送外冷器被低溫水冷至 28c送回塔頂循環(huán)噴灑。采取部分剩余氨水更新循環(huán)冷卻水 ,多余循環(huán)水返回機(jī) 械化氨水澄清槽。冷后的焦?fàn)t煤氣經(jīng)過兩臺并聯(lián)的脫硫塔,從塔頂噴淋脫硫液以吸收煤氣中的 H2S、HCNM時吸收氨,以補充脫硫脫氟過程中消耗的氨)。脫HS后的煤氣送入洗 滌工段。

9、兩臺并聯(lián)的脫硫塔都有自己獨立的再生系統(tǒng),吸收了HS、HCN的溶液從塔溜出,經(jīng)液封槽進(jìn)入各自獨立的反應(yīng)槽, 再經(jīng)溶液循環(huán)泵送入再生塔。同時由空 氣壓縮機(jī)送來的壓縮空氣鼓入再生塔底部,溶液在塔內(nèi)即得到再生。再生后溶液 經(jīng)液位調(diào)節(jié)器返回各自對應(yīng)的脫硫塔循環(huán)使用。浮于再生塔頂?shù)牧蚺菽梦徊盍魅肱菽郏蚺菽?jīng)泡沫泵送入戈爾膜過 濾器分離,清液流入反應(yīng)槽,硫膏經(jīng)壓縮空氣壓榨成硫餅裝袋外銷。為避免脫硫液 鹽類積累影響脫硫效果,排出少量廢液送往配煤。脫硫工藝的流程如圖3.1所示。圖中L表示液位;P表示壓力;T表示溫度; F表小流量;I表小指??;C表小控制;V表小閥門;Q表小累計。儲哥蟀袱機(jī) ri 比敏加*

10、dffl*IIMlt 的屈*«MIt3 J0WW (R5y lM|A|=-*(*>-1- 迪工忌觸祟然圖3.1 HPF脫硫工藝流程流程圖3.2 設(shè)計內(nèi)容及要求1) .循環(huán)上水的流量范圍在8001000m3/h ,精度要求為± 5%2) .抽水高度(即預(yù)冷塔高度)約20m第四章總體設(shè)計方案4.1 設(shè)計思想設(shè)計的關(guān)鍵在于循環(huán)水的抽送、流量的檢測和控制,分別可以通過選擇合適 的工業(yè)水泵、流量計、無紙記錄儀和流量積分演算智能調(diào)節(jié)器、電動調(diào)節(jié)閥完 成相關(guān)功能。另外,假設(shè)氨水與循環(huán)上水的流量比值有固定要求,可增加比值器實現(xiàn)流量比值控制。設(shè)循環(huán)上水的流量為主控量 Q1,氨水的流量給

11、定則為 Q2s=Q1*K= 者的配比為氨水:循環(huán)上水=K 1,則可用實驗中的流量比值控制系統(tǒng)實現(xiàn)該控 制環(huán)節(jié)。4.2 總體設(shè)計流程圖圖4.1雙閉環(huán)比值控制方塊流程圖第五章硬件設(shè)計5.1 硬件設(shè)計概要硬件設(shè)計主要是智能調(diào)節(jié)器的設(shè)計,可采用單片機(jī)做實時監(jiān)控芯片,結(jié)合 外圍電路實現(xiàn)流量信號的變換、采集、PID運算與控制輸出等功能。為了能實時 調(diào)整PID參數(shù),需增加鍵盤掃描電路;為了顯示PID參數(shù)和流量的大小,需增加 顯示模塊。5.2 硬件選型5.2.1 智能調(diào)節(jié)器的自行設(shè)計I/V轉(zhuǎn)換可用OP07構(gòu)成的比例放大器實現(xiàn)。由于 ADC0809勺轉(zhuǎn)換速度只有 幾十微妙,相對流量的變化時間很小,可以不要保持器

12、。而ADC0809W DAC0832都是八位的轉(zhuǎn)換器件,理論上的控制精度可達(dá)到1/255*100%=0.4%足以滿足流量控制的精度要求。V/I轉(zhuǎn)換可用RCV420專換器。單片機(jī)選擇STC89C5”是CMOS:藝的單片機(jī)功耗較低;二是價格便宜;再 者內(nèi)部程序存儲器有8KB的FLASHROM能滿足絕大部分工控過程實時監(jiān)控程序 的燒寫需求。顯示部分用LCD采用長沙太陽人電子的SMC1602#符型液晶顯示器。鍵盤掃描可用8279加4*4矩陣鍵盤以中斷方式實現(xiàn)。5.2.2 智能調(diào)節(jié)器選型采用虹潤的HR-WP-XLS801f能調(diào)節(jié)器代替,其參數(shù)如下輸入信號:模 擬量 熱電偶:B E、J、K、S、T、WRe

13、3-25 F2電 阻:Pt100、Pt100.1、Cu50 Cu100 BA1 BA2電 流:010mA 420mA 020mA輸入阻抗三250Q電壓:05V、15V波 形:矩形、正弦或三角波幅 度:光電隔離,大于4V (或根據(jù)用戶要求任定)頻 率:010KHz (或根據(jù)用戶要求任定)輸出信號:DC 420mA精度:測量顯示精度±0.5%FS或±0.2%FS頻率轉(zhuǎn)換精度± 1脈沖(LMS 一般優(yōu)于0.2%5.2.3 電動調(diào)節(jié)閥選型采用湖南力升信息設(shè)備有限公司的LSDZ-50電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),技術(shù)指標(biāo)如下出軸力矩(N.m) : 50動作范圍:0360°動作時間

14、(S) :20控制電路選項:4-20mA輸入位置輸出:4-20mA直流動力電源:220VAC 50Hz精度:定位精度:0.5%,位置反饋精度:0.5%環(huán)境溫度:-25+55C5.2.4 流量計選型采用北京尺度方圓傳感器有限公司的LWGY-250A05S技術(shù)指標(biāo)如下精度: ±0.5%R口徑: 250mm,標(biāo)準(zhǔn)量程 120 1200nVh重復(fù)性:0.05%0.2%5.2.5 比值器選型采用虹潤的HR-WP-XQS80技術(shù)指標(biāo)如下特性顯示方式:以雙排四位LED顯示第一路測量值(PVD和第二路測量值(PV2), 以紅色/綠色光柱進(jìn)行兩路測量值百分比的模擬顯示。顯示范圍:-19999999字。

15、測量精度:± 0.2%FS或0.5%FG ±0.1%FS (需特殊訂制)。分辨率:±1字。報警方式:1-4個報警點控制(1AL、2AL、3AL、4AL) LED旨示。報警精度:±1字。運算模型加減運算:S0=AS世BS2公式4.1乘法運算:S0=ASK BS2公式4.2除法運算:S0=ASa BS2公式4.3計算精度:i0.5%FSh 1字或i0.2%FSh 1字運算周期:0.4秒輸入信號熱 電偶:K、E、S B、J、T、R Wre3-25 熱 電阻:Pt100、Cu100 Cu50BA2 BA1直流電壓:020mV 0100mV 05V、15V、05V

16、開方、15V開方、-5 5V; -10V10V、010V直流電流:010mA 420mA、020mA 010mAFF方、420mAff方。輸出信號輸出精度:同測量精度。電流信號:DC420mA負(fù)載電阻R0500Q ;DC010mA負(fù)載電阻R0750Q 0 電壓信號:DC05V; DC15V,負(fù)載電阻R> 250KQ ,否則不保證連接外 部儀表后的輸出準(zhǔn)確度。5.2.6 無紙記錄儀選型采用虹潤的HR-SSRI色無紙記錄儀,技術(shù)指標(biāo)如下顯示器:采用160*128點陣、高亮度黃底黑字液晶屏,LED背光、畫面清晰;基本誤差:0.2%F.S輸入規(guī)格:全隔離萬能輸入18通道信號輸入,通道間全隔離,隔

17、離電壓大于400輸入阻抗: 電流:250Q,電壓>1M;熱電阻:要求三線電阻平衡,引線電阻 <10QO電 壓:(05)V、(15)V、mV言號;電 流:(0 10)mA (4 20)mA;熱電阻:PT100、Cu5Q BAt BA2;熱電偶:S、B、K、T、E、J、R N;傳感器配電24VDC;輸出規(guī)格:模擬輸出 4-20mA輸出;12路可組態(tài)繼電器觸點輸出:觸點容量為 3A、250VAC(阻性 負(fù)載);報警輸出上上限、上限、下限、下下限;補償運算:蒸汽根據(jù)IFC67公式計算蒸汽密度補償飽和蒸汽與過熱蒸汽的質(zhì)量流量或熱流量。一般氣體溫度、壓力補償測量標(biāo)準(zhǔn)體積流量。天然氣溫度、壓力補

18、償測量標(biāo)準(zhǔn)體積流量。液體溫度補償測量標(biāo)準(zhǔn)體積流量或質(zhì)量流量。補償范圍:蒸汽壓力0.14.5MPa溫度100500 c密度 0.1 -100Kg/m 比始 2508 3224KJ/Kg 一般氣體壓力060MPa溫度-100500 c液體溫度100500 c累積范圍:099999999記錄時間:記錄間隔:1、2、5、10、15、30、60、120、240秒可選。記錄長度:八筆記錄,72小時/筆(記錄間隔1秒)720天/ 筆(記錄間隔4分)。記錄間隔可根據(jù)對象的不同而不同:對于 變化緩慢的信號如溫度,其記錄間隔可取得大些,如30秒;而 對于變化比較快的信號如流量,其記錄間隔可取15秒;其他 如液位信

19、號,具記錄間隔可取110秒。數(shù)據(jù)備份和轉(zhuǎn)存:128M 、256M、512M 1G U盤可選熱電偶冷端補償誤差:±1C斷電保護(hù)時間:內(nèi)置FLASHY儲器保護(hù)參數(shù)和歷史數(shù)據(jù),斷電后可永久保存。集成硬件時鐘,掉電后也能準(zhǔn)確運行。時鐘誤差:± 1分/月供電電源:開關(guān)電源85VAC265VAG 50Hz± 5%環(huán)境溫度:050 c環(huán)境濕度:085%RH5.2.7水泵選型采用威樂山姆遜(北京)水泵系統(tǒng)有限公司的立式單級管道泵IL ,技術(shù)指 標(biāo)如下流量范圍:900m3/h壓力范圍:最大揚程:85m功率范圍:0.25kw 至200kw說明:需用兩臺泵并聯(lián)抽水。5.3硬件電路設(shè)計系

20、統(tǒng)原理圖及其說明第六章軟件設(shè)計6.1 軟件設(shè)計流程圖及其說明6.1.1 主函數(shù)圖5.1智能調(diào)節(jié)器(主函數(shù)流程圖設(shè)計)說明:8279工作于二鍵鎖定、編碼方式;T0工作于定時方式1; PID參數(shù)的設(shè)置 由鍵盤中斷完成;PID運算過程和輸出控制由T0中斷完成;PV值為當(dāng)前流量, SV為給定量。6.1.2 鍵盤中斷函數(shù)圖5.2讀鍵值修改PID參數(shù)中斷函數(shù)6.1.3定時器T0中斷函數(shù)圖5.3定時器T0采樣中斷流程圖6.1.4 LCD顯示函數(shù)圖5.4 LCD顯示函數(shù)流程圖6.1.5 參數(shù)(P、Ti、Td、A、Ts)設(shè)置函數(shù)圖5.5 PID參數(shù)設(shè)置函數(shù)流程圖第七章系統(tǒng)調(diào)試中遇到的問題及解決方法7.1 調(diào)試單

21、閉環(huán)流量控制系統(tǒng)時遇到的問題7.1.1 閥門開度100%流量最大值才150L/h我首先想到的是量程范圍是否設(shè)置錯誤了, 于是檢查了一次智能調(diào)節(jié)器的二級參 數(shù),結(jié)果沒找出錯誤。于是很冒昧地請了吳老師幫忙,結(jié)果是分流開關(guān)被我開的 過大導(dǎo)致主回路的流量過小,把分流開關(guān)關(guān)小就可以提高主回路的流量值了。我完全忘了那是分流開關(guān),只好乖乖接受吳老師的批評教育了。7.1.2 無紙記錄儀顯示反饋流量振蕩200y (L/h)圖6.1比例帶過小解決方法一一增大比例帶P,由200調(diào)到了 800,反饋流量最終能穩(wěn)定在給定值200L/h附近,此時調(diào)節(jié)時間(由振蕩到穩(wěn)定在給定值土5為150s,未達(dá)到控制要求。7.1.3 調(diào)

22、節(jié)時間過大解決方法:減小積分時間Ti,由30s減小到22.5s,調(diào)節(jié)時間減少到100s左右。 然后增加微分時間Td,由0增加到0.5s,可使調(diào)節(jié)時間小于90s,達(dá)到控制要 求。同時,從無紙記錄儀上觀察到流量過渡曲線(在給定值200與給定值300之間)超調(diào)小于5%穩(wěn)態(tài)誤差也小于± 5%各項指標(biāo)達(dá)到控制要求。之后又多試了幾組參數(shù),最終得到較為理想的一組參數(shù)如下比例帶P=620,積分時間Ti=22.5s ,微分時間Td=0.5s,運算周期To=2s。對應(yīng)流量控制指標(biāo)為:從200L/h到300L/h,調(diào)節(jié)時間為80s,無超調(diào),穩(wěn)態(tài)誤差±2%7.2 調(diào)試流量比值控制系統(tǒng)時遇到的問題7

23、.2.1 不了解比值器的連線方式實驗時第一次接觸比值器,雖然知道 X、Y是輸入,Z是輸出,但不知道面板上 標(biāo)的X、Y、Z該怎么連線,問搭檔和周圍的同學(xué)沒人知道,看實驗指導(dǎo)書也沒有 介紹怎么接線,因為怕接錯了把儀表燒壞,所以求吳老師指導(dǎo)。在吳老師的細(xì)心 指導(dǎo)下我了解了比值器中的信號為直流電流信號,所以無論輸入或者輸出都要用聯(lián)連接。而且由公式4.1、公式4.2、公式4.3可知比值器應(yīng)工作在運算方式 2 (即加法運算,公式4.1),比例因子A即為流量比值K,比例因子B置0。7.2.2 副回路流量為0,與給定200L/h有明顯偏差,但調(diào)節(jié)器無輸出“有偏差就肯定有控制輸出”,本著這個想法,我懷疑是不是接

24、線有問題,于是 檢查了一次接線,可是沒發(fā)現(xiàn)錯誤。接著我想到了輸出是有的,可能極性反了, 即調(diào)節(jié)器的正反作用設(shè)置有誤。結(jié)果一查二級參數(shù),調(diào)節(jié)器工作在正作用方式下, 將其改為反作用方式后電動調(diào)節(jié)閥立刻產(chǎn)生動作,流量迅速提升。7.2.3調(diào)節(jié)器2的比例帶已經(jīng)調(diào)到999.9最大值,副回路流量仍然振蕩圖6.3副回路Td=1的響應(yīng)曲線這完全可以肯定振蕩與比例帶無關(guān), 可以考慮調(diào)節(jié)積分時間和微分時間。 先去掉FC2的微分作用,使Td=0,觀察無紙記錄儀發(fā)現(xiàn)副回路流量不再振蕩。7.2.4 主回路已穩(wěn)定,改變比例 K時副回路的過渡時間(2分鐘)太長要使副回路響應(yīng)加快首先可以調(diào)節(jié)FC2的比例帶P,可是調(diào)小了容易振蕩

25、,調(diào)大了對減少調(diào)節(jié)時間的作用不明顯。于是將FC2的比例帶固定在680,減小積分時問Ti ,使Ti=7.5s ,結(jié)果可使調(diào)節(jié)時間減少到 70s。最后多試了幾組參數(shù),最佳的參數(shù)如下主回路保持單閉環(huán)實驗的參數(shù)不變,副回路調(diào)節(jié)器FC2的比例帶P=680,積分時問Ti=7.5s ,微分時間Td=0,運算周期To=2s,積分分離值A(chǔ)T=10Q當(dāng)比值K=2時,主回路Q1隨給定Qs改變:主回路Q1的過渡時間為75s,無超 調(diào),穩(wěn)態(tài)誤差小于± 5%副回路調(diào)節(jié)時間約90s (即主被控量Q1穩(wěn)定后Q2經(jīng)15 秒左右穩(wěn)定),無超調(diào),穩(wěn)態(tài)誤差約土 2%第八章收獲、體會在整個課程設(shè)計過程中,我切實感受到一句話一一“實踐出真知

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