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文檔簡介

提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)以S7-300可編程邏輯控制器作為關(guān)鍵控制裝置,使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)經(jīng)過VisualBasic6和MSSQLServer數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)上位機(jī)畫面監(jiān)控和系統(tǒng)管理,以O(shè)PC作為軟硬件通訊接口,以Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線方法控制西門子G150變頻器在城市供水泵站中應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了調(diào)整城市管網(wǎng)供水壓力及節(jié)省能源和系統(tǒng)管理目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】

變頻恒壓供水;SINAMICSG150;PLC;OPC;VB6;DP現(xiàn)場(chǎng)總線

1.引言

經(jīng)伴隨城市建設(shè)規(guī)模不停擴(kuò)大和生活水平提升,加上居住小區(qū)推行一戶一表供水以后,對(duì)市政管網(wǎng)供水可靠性(壓力、流量)要求越來越高,多種分散或集中加壓設(shè)施也逐步增多。在這些加壓設(shè)施中,采取調(diào)整水池加上變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))變量供水方法在穩(wěn)定城市管網(wǎng)壓力、節(jié)省能源、系統(tǒng)監(jiān)視管理方面已顯現(xiàn)出極大優(yōu)越性。

2.系統(tǒng)組成情況

2.1SINAMICSG150變頻器

源于西門子最新傳動(dòng)家族SINAMICSG150高性能單機(jī)變頻調(diào)速柜適適用于全部單電機(jī)傳動(dòng)應(yīng)用,滿足多個(gè)負(fù)載特征要求,包含平方轉(zhuǎn)距,線性轉(zhuǎn)距,恒轉(zhuǎn)距及恒功率負(fù)載類型.。采取緊湊高品質(zhì)威圖(RITTAL)柜式設(shè)計(jì),節(jié)省占地面積30%~70%。柜內(nèi)強(qiáng)電保護(hù),平靜運(yùn)行(低于67dB)。使用全新主控制板CU320,智能化設(shè)計(jì),采取CF軟件存放卡,提供光纜接口和ProfiBus接口,功效操作面板AOP30和功效強(qiáng)大軟件工具STARTER進(jìn)行選型,調(diào)試,節(jié)能計(jì)算。SINAMICSG150變頻器配合N-Compact電機(jī)很適適用于使用平方律扭矩特征驅(qū)動(dòng)泵和風(fēng)機(jī)變頻器操作。

2.2可編程序控制器(PLC)

選擇西門子S7-300系列通用型PLC。該系列PLC能適合自動(dòng)化工程中多種應(yīng)用場(chǎng)所,使用模塊化結(jié)構(gòu),多種單獨(dú)模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。使用CPU313C-2DP為關(guān)鍵控制單元,該模塊帶MPI和ProfiBus-DP通信接口,配有MMC存放卡,免維護(hù),集成了24DI/16DI數(shù)字量IO,再擴(kuò)展一個(gè)8AI模擬輸入模塊用于管網(wǎng)壓力,流量,蓄水池水位及電機(jī)軸承溫度等模擬量檢測(cè)。

2.3工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)系統(tǒng)

使用研華IPC610工控機(jī),以MSWindows為系統(tǒng)平臺(tái),配置CP5611用于ProfiBus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通信,SIMATICNET軟件配置OPCServer使用VB6開發(fā)系統(tǒng)監(jiān)控軟件,MSSQLServer為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理平臺(tái)。使用SIMATICSETP7軟件進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)組態(tài)和編程調(diào)試,使用STARTER軟件進(jìn)行對(duì)SINAMICSG150變頻器配置調(diào)試。

其它設(shè)備包含水泵電機(jī)、出口閥門、壓力傳感器、液位計(jì)及相關(guān)電氣控制設(shè)備等集成,進(jìn)行變頻調(diào)速全自動(dòng)閉環(huán)控制管理監(jiān)視功效,其系統(tǒng)組成示意見圖1。

圖1系統(tǒng)組成

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)踐

3.1基礎(chǔ)控制原理

由壓力變送器測(cè)量管網(wǎng)壓力和流量信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)經(jīng)PLDA/D轉(zhuǎn)換,和設(shè)定值比較,進(jìn)行PID運(yùn)算,經(jīng)過DP總線控制變頻器頻率,調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速而達(dá)成恒壓及節(jié)能原理。圖示。

3.2變頻參數(shù)設(shè)置

經(jīng)過STARTER軟件向?qū)гO(shè)置G150變頻器站地址,和波特率等參數(shù),使之連接到DP總線上,成為S7-300PLC一個(gè)從站。配置連接電機(jī)類型、電流、功率等參數(shù),配置變頻器命令源和主參數(shù)設(shè)定源為Profibus方法,選擇速度控制方法(Speedcontrol),定義ProfibusPZD數(shù)據(jù)格式,選擇使用水泵風(fēng)機(jī)負(fù)載類型。圖2所表示。

圖2變頻器設(shè)置向?qū)?/p>

圖3驅(qū)動(dòng)原理

圖4斜坡功效發(fā)生器(RFG)

圖5速度設(shè)定邏輯

3.3下位機(jī)PLC程序開發(fā)

PLC本控制系統(tǒng)關(guān)鍵元件。設(shè)備服務(wù)器(IPC)和S7-300數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)了兩套冗余通訊方法:其一為IPC經(jīng)過自帶CP1613卡和PLC擴(kuò)展模塊CP343-1經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)通訊;其二為IPC經(jīng)過自帶CP5611卡和PLCDP通訊口進(jìn)行S7、Profibus-DP等現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。用戶端PC能夠在試驗(yàn)室局域網(wǎng)、校園網(wǎng)或Internet訪問遠(yuǎn)程試驗(yàn)室網(wǎng)站并做試驗(yàn)。因?yàn)橛脩糇鲈囼?yàn)不受時(shí)間和地點(diǎn)限制,充足發(fā)揮了用戶主觀能動(dòng)性,也讓有限試驗(yàn)設(shè)備得到了更有效分時(shí)復(fù)用。

(2)WRECS軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2WRECS軟件結(jié)構(gòu)

為了讓遠(yuǎn)程試驗(yàn)室能得到最大程度普及,必需提供一個(gè)方便用戶端程序、實(shí)現(xiàn)用戶端程序“零安裝”。所以采取B/S結(jié)構(gòu),以用戶端瀏覽器作為通用用戶端程序,整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)組成利用了JavaApplet、JavaScript、JSP等交互式動(dòng)態(tài)頁面技術(shù)。另外,數(shù)據(jù)存放和傳送采取XML和OPC接口技術(shù)。

遠(yuǎn)程試驗(yàn)用戶依據(jù)用戶名和密碼登陸WRECS網(wǎng)站后,經(jīng)過JavaAppletSocket提交試驗(yàn)參數(shù)(控制命令、控制器參數(shù)等)給試驗(yàn)室服務(wù)器RLabServer。此時(shí),JavaApplet會(huì)簡單判定用戶輸入信息(如數(shù)據(jù)類型)。假如輸入有誤,則立即提醒錯(cuò)誤信息。RLabServer偵聽端口接收到試驗(yàn)信息后,解析并提取試驗(yàn)信息,經(jīng)過一定處理后(如判定是否已經(jīng)有用戶在做試驗(yàn)、復(fù)雜控制算法實(shí)現(xiàn)、日志統(tǒng)計(jì)等),經(jīng)過OPC接口傳輸給PLC。PLC是關(guān)鍵控制器,負(fù)責(zé)簡單控制算法實(shí)現(xiàn),并將控制對(duì)象信息經(jīng)OPC接口傳回給RLabServer。RLabServer除了能夠?qū)?shí)時(shí)和歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)在當(dāng)?shù)仫@示之外,還能夠?qū)⑺鼈兎謩e以一定格式保留進(jìn)XML和文本文件內(nèi)。其中,XML文件保留實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),好讓用戶端取用并顯示;文本文件保留每次試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù),好讓用戶下載數(shù)據(jù)并離線分析。用戶端瀏覽器JavaScript經(jīng)過定時(shí)讀取XML數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)送給JavaApplet。最終JavaApplet以曲線和數(shù)據(jù)形式顯示試驗(yàn)結(jié)果。其次,用戶能夠依據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬決定是否開啟視頻流監(jiān)控。

2.2控制器選擇和設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程試驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)讓遠(yuǎn)程用戶控制當(dāng)?shù)卦囼?yàn)設(shè)備系統(tǒng)。這么一個(gè)系統(tǒng)就對(duì)控制器提出了穩(wěn)定、可靠、魯棒性好等要求。PLC(ProgrammableLogicController)是計(jì)算機(jī)最新技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化經(jīng)典理論相結(jié)合產(chǎn)物,是一個(gè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域關(guān)鍵控制設(shè)備。它實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制領(lǐng)域接線邏輯到存放邏輯飛躍,功效上有實(shí)現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制進(jìn)步。它經(jīng)過光電隔離I/O接口模塊、R-C濾波輸入、屏蔽各個(gè)模塊、自診療、雙CPU冗余等手段基礎(chǔ)上滿足了遠(yuǎn)程試驗(yàn)系統(tǒng)提出要求?,F(xiàn)在,PLC產(chǎn)品已在汽車(23%)、糧食加工(16.4%)、化學(xué)/制藥(14.6%)、金屬/礦山(11.5%)、紙漿/造紙(11.3%)等行業(yè)廣泛應(yīng)用。WRECS控制器選擇了西門子S-300PLC作為控制器。

2.3通訊網(wǎng)絡(luò)選擇和設(shè)計(jì)

PLC發(fā)展除了功效越來越多、集成度越來越高外,網(wǎng)絡(luò)功效也越來越強(qiáng)。選擇好控制器以后,選擇數(shù)據(jù)傳輸方法——通訊網(wǎng)絡(luò)也是很關(guān)鍵。從結(jié)構(gòu)上看,PLC網(wǎng)絡(luò)能夠分為兩種,一個(gè)在PLC模塊上做了一個(gè)通信輸出口,能夠直接和計(jì)算機(jī)聯(lián)接實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信(RS232);另一個(gè)是經(jīng)過多點(diǎn)聯(lián)接(RS485),這適適用于多層PLC。這方面,西門子產(chǎn)品含有代表性。西門子依據(jù)不一樣自動(dòng)化水平要求(工廠級(jí),單元級(jí),現(xiàn)場(chǎng)和傳感器/實(shí)施器級(jí)),提供了網(wǎng)絡(luò)處理方案,包含多點(diǎn)接口(MPI)、Profibus、工業(yè)以太網(wǎng)、ProfiNet(基于工業(yè)以太網(wǎng))、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接(PtP)、實(shí)施器/傳感器接口(ASI)?,F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì),一個(gè)好網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠大大降低成本。

2.4用戶端試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

WRECS系統(tǒng)網(wǎng)站是遵照了穩(wěn)定、可靠、安全、可擴(kuò)展、開放性等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了開發(fā)出友好人機(jī)交互界面,試驗(yàn)界面采取功效強(qiáng)大跨平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)編程語言Java編寫,并以Applet形式嵌入到網(wǎng)頁當(dāng)中。將Java雙緩沖技術(shù)和多線程技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)波形曲線顯示。用戶能夠經(jīng)過Applet設(shè)定多種參數(shù)(如控制器參數(shù))。另外,整個(gè)網(wǎng)站開發(fā)還融合JSP(JavaServerPages)、JavaScript、XML(eXtensibleMarkupLanguage)和JDBC等技術(shù)。網(wǎng)站包含系統(tǒng)介紹、試驗(yàn)選擇、BBS、相關(guān)鏈接和網(wǎng)站管理等子系統(tǒng)。

2.5服務(wù)器設(shè)計(jì)

(1)Web服務(wù)器

路由器將80端口映射到ApacheWeb服務(wù)器上。Web服務(wù)器偵聽80端口并響應(yīng)HTTP請(qǐng)求。Web服務(wù)器是一臺(tái)負(fù)責(zé)提供WRECS網(wǎng)頁(包含HTML、JSP等)計(jì)算機(jī)。當(dāng)它接收到一個(gè)HTTP請(qǐng)求后依據(jù)用戶權(quán)限,判定是否要為用戶下載JavaApplet用戶端試驗(yàn)界面。另外,路由器將端口8832、8833和5050分別映射到了虛擬試驗(yàn)專用服務(wù)器、遠(yuǎn)程試驗(yàn)專用服務(wù)器和視頻服務(wù)器偵聽端口。用戶端能夠依據(jù)權(quán)限直接經(jīng)過Socket和這些服務(wù)器進(jìn)行TCP或UDP數(shù)據(jù)交互。

(2)遠(yuǎn)程試驗(yàn)專用服務(wù)器

遠(yuǎn)程試驗(yàn)專用服務(wù)器(RLabServer)負(fù)責(zé)偵聽和接收用戶端控制和數(shù)據(jù)信號(hào),并負(fù)責(zé)多種復(fù)雜控制算法實(shí)現(xiàn)。依據(jù)用戶控制算法選擇和控制參數(shù)設(shè)定計(jì)算得到上位機(jī)輸出(如設(shè)定值、控制器參數(shù)等),經(jīng)過OPC接口實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際對(duì)象監(jiān)控。一樣,對(duì)象系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被采集后也是經(jīng)過OPC接口經(jīng)過RLab服務(wù)器返回到用戶端,同時(shí)把每個(gè)試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)以文本文件形式保留下來,為用戶提供離線數(shù)據(jù)下載。RLabServer經(jīng)過簡單排隊(duì)管理確保在同一時(shí)刻最多只能有一個(gè)用戶能夠操作試驗(yàn)設(shè)備,其它用戶能夠讀取XML實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件,所以可有多個(gè)用戶同時(shí)觀看。

(3)設(shè)備服務(wù)器

OPC(OLEforProcessControl)是以O(shè)LE/COM/DCOM機(jī)制作為應(yīng)用程序級(jí)通信標(biāo)準(zhǔn)。OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)包含兩個(gè)組成部分,即OPCServer和OPCClient。OPCServer是一個(gè)經(jīng)典現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)源程序,它搜集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)信息,經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)OPC接口傳送給OPCClients。OPCClient是一個(gè)經(jīng)典數(shù)據(jù)接收程序。OPCClient經(jīng)過OPC標(biāo)準(zhǔn)接口和OPCServer通信,獲取OPCServer多種信息。只要符合OPC標(biāo)準(zhǔn)全部用戶應(yīng)用程序全部能夠訪問來自任何生產(chǎn)廠商標(biāo)準(zhǔn)OPC服務(wù)器程序。和基于Windows信息傳輸技術(shù)建立起來DDE(DynamicDataExchange)技術(shù)相比,OPC技術(shù)優(yōu)越性是顯然,比如數(shù)據(jù)傳輸速度愈加快(在遠(yuǎn)程用戶數(shù)多時(shí),OPC技術(shù)優(yōu)勢(shì)尤為突出)、更安全、開發(fā)成本更低、可靠性更高等。OPC能夠看成是軟總線,增加OPC服務(wù)器或OPC用戶端就像增加總線節(jié)點(diǎn)那么簡單。WRECSOPC服務(wù)器負(fù)責(zé)RLabServer和PLC之間相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。

(4)視頻服務(wù)器

視頻服務(wù)器經(jīng)過5050端口進(jìn)行偵聽遠(yuǎn)程用戶端用戶連接請(qǐng)求和控制命令。并依據(jù)權(quán)限和控制命令經(jīng)過串口實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)控制來間接控制攝像頭視角和焦距。服務(wù)器對(duì)云臺(tái)控制信號(hào)由RS-232串口輸出后,經(jīng)過一個(gè)232/485轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后再經(jīng)過RS-485總線傳輸?shù)礁鱾€(gè)云臺(tái)上。采取RS-485進(jìn)行信號(hào)傳輸是因?yàn)樗袀鬏斁嚯x遠(yuǎn)、可多點(diǎn)傳輸(理論上,最多可同時(shí)控制32個(gè)云臺(tái))、成本低等優(yōu)點(diǎn)決定。服務(wù)器由PCI視頻采集卡來負(fù)責(zé)采集AV信號(hào)視頻流信息,對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,對(duì)視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行MPEG-4格式壓縮后將它傳給發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送,并將視頻信息進(jìn)行當(dāng)?shù)仫@示和保留。其中,服務(wù)器端圖像壓縮方法為PCI視頻采集卡直接硬件壓縮,而用戶端解壓則采取軟件解壓方法。

(5)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫是指長久保留在計(jì)算機(jī)存放設(shè)備上,并根據(jù)某種模型組織起來,能夠被多種用戶應(yīng)用或共享數(shù)據(jù)集合。它是信息系統(tǒng)不可或缺工具,它常常是信息系統(tǒng)關(guān)鍵,且是多種軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)。WRECS選擇了采取用戶機(jī)/服務(wù)器計(jì)算機(jī)模型Oracle作為后臺(tái)關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)鍵和基礎(chǔ),它要求對(duì)于指定應(yīng)用環(huán)境,結(jié)構(gòu)出較優(yōu)異數(shù)據(jù)庫模式,建立起數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng),并使系統(tǒng)能夠有效地存放數(shù)據(jù),滿足用戶地多種應(yīng)用需求。WRECS依據(jù)需要建立了用戶注冊(cè)信息表、權(quán)限表、日志表、BBS信息表、試驗(yàn)室資源表等。

3.WRECS實(shí)例——遠(yuǎn)程液位控制試驗(yàn)

WRECS試驗(yàn)對(duì)象為一套FCS過程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了兩個(gè)串級(jí)雙輸入單輸出水箱、加熱爐、強(qiáng)制對(duì)流換熱器系統(tǒng)、純滯后盤管等部件組成。系統(tǒng)中采取過程檢測(cè)儀表有上、下水箱擴(kuò)散硅壓力液位傳感器、渦輪番量傳感器、Pt100熱電阻溫度傳感器和三個(gè)Profibus-PA總線型傳感器(分別測(cè)量溫度、液位和流量)。系統(tǒng)中采取實(shí)施器裝置有可控硅移相調(diào)壓裝置、電動(dòng)單座調(diào)整閥和三菱變頻器和Profibus總線型西門子變頻器?;谠撛囼?yàn)對(duì)象進(jìn)行PLC硬件組態(tài)和軟件組態(tài),然后經(jīng)過Step7編程實(shí)現(xiàn)PLC控制算法,實(shí)現(xiàn)單元級(jí)控制。

PLC和當(dāng)?shù)剡h(yuǎn)程試驗(yàn)專用服務(wù)器(RLabServer)數(shù)據(jù)交互采取了優(yōu)異OPC接口實(shí)現(xiàn)。西門子企業(yè)為其S7-300PLC提供了OPC.SimaticNETOPCServer。經(jīng)過Step7和SIMATICNET能夠快速實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器配置。RLabServerOPCClient子系統(tǒng)負(fù)責(zé)和OPC服務(wù)器通訊。另外,RLabServer還完成了遠(yuǎn)程用戶控制命令和試驗(yàn)參數(shù)處理和其它管理功效(包含用戶、試驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)等管理)。

圖3WRECS試驗(yàn)界面

遠(yuǎn)程用戶登陸網(wǎng)站后,經(jīng)過提交試驗(yàn)PID參數(shù)、設(shè)定值等信息給RLabServer實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)?shù)卦囼?yàn)設(shè)備控制。RLabServer依據(jù)遠(yuǎn)程用戶發(fā)過來控制命令和試驗(yàn)參數(shù),經(jīng)過OPC接口控制PLC運(yùn)行狀態(tài)并獲取有用信息,并將試驗(yàn)信息保留到XML和文本文件內(nèi)。遠(yuǎn)程用戶經(jīng)過讀取XML里面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或在試驗(yàn)結(jié)束后下載文本歷史數(shù)據(jù)。把圖3為采樣簡單PID控制液位試驗(yàn)界面。試驗(yàn)過程PID參數(shù)分別為4、0.1和0.025;液位設(shè)定值從25cm改為35cm,等系統(tǒng)穩(wěn)定后再改回25cm。整個(gè)過渡過程試驗(yàn)曲線圖3左邊所表示。圖3右邊為視頻監(jiān)控界面。經(jīng)過控制視頻界面內(nèi)【上】【下】【左】【右】和【放大】【縮小】按鈕,用戶能夠控制視頻監(jiān)控云臺(tái)視角和焦距,達(dá)成最好視頻監(jiān)控效果。

4.結(jié)論

伴隨能源相對(duì)緊缺,變頻技術(shù)不停發(fā)展和應(yīng)用對(duì)于大功率電機(jī)設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)了變頻改造。另外,因?yàn)橛?jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)不停發(fā)展,潛移默化改變著大家學(xué)習(xí)、生活和工作等方法。對(duì)基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制和遠(yuǎn)程、無線控制技術(shù)也將不停推廣應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。如對(duì)上述系統(tǒng)將IPC經(jīng)過互連網(wǎng)絡(luò)或PLC端加置無線通信(如GPRS)模塊連接到自來水水總企業(yè)便能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控管理(包含遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)和控制、遠(yuǎn)程故障診療和維護(hù)等)、實(shí)現(xiàn)無人值班守泵站建設(shè)。

【參考文件】

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[11]意大

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