基于plc的电梯控制设计 - 毕业设计

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………… 1 关键词……………………………………………………………………………… 1 Abstract…………………………………………………………………………… 1 Key words……………………………………………………………………………1 引言 ……………………………………………………………………………… 2 1 电梯控制系统的方案设计……………………………………………………… 4 1.1 电梯的工作原理……………………………………………………………… 4 1.2 电梯的功能要求……………………………………………………………… 4 2 电梯的硬件设计 ………………………………………………………………… 5 2.1 PLC的简介 ………………………………………………………………… 5 2.1.1 PLC的特点 ………………………………………………………………… 5 2.1.2 PLC在电梯控制中的特点……………………………………………………5 2.1.3 S7-200系列PLC的简介 ……………………………………………………6 2.1.4 PLC结构和组成 …………………………………………………………… 6 2.1.5 PLC的工作原理 …………………………………………………………… 7 2.2. 电梯系统硬件的选择及电路图 …………………………………………… 8 2.2.1曳引电动机主电路图设计… ……………………………………………… 9 2.2.2电器柜布线图………………………………………………………………10 2.3 I/O的分布及PLC的选择 ………………………………………………… 10 2.3.1 I/O点数计算及分配 ………………………………………………………11 2.3.2 PLC型号的选择 ……………………………………………………………11 3 电梯控制系统的软件设计 …………………………………………………… 11 3.1 设计梯形图 ………………………………………………………………… 13 3.2 程序说明 …………………………………………………………………… 13 3.2.1 电梯参数初始化程序段 ………………………………………………… 13 3.2.2 用户输入登记程序段 …………………………………………………… 14 3.2.3 系统确定状态程序段 …………………………………………………… 15 3.2.4 判断电梯是否在开关门程序段 ………………………………………… 17 3.2.5 电梯开门子程序段 ……………………………………………………… 17 3.2.6 电梯关门子程序段 ……………………………………………………… 18 3.2.7 判断电梯是否空闲程序段 ……………………………………………… 18 3.2.8 电梯空闲状态处理程序段 ……………………………………………… 19 3.2.9 确定电梯下一个目标楼层的子程序段 ………………………………… 20

3.2.10 清除标记子程序段………………………………………………………21 3.2.11 电梯上行主程序段………………………………………………………23 3.2.12 确定上行最近目标子程序段……………………………………………24 3.2.13 电梯下行主程序段………………………………………………………25 3.2.14 电梯下行最近目标子程序段……………………………………………26 总 结…………………………………………………………………………… 27 参考文献………………………………………………………………………… 28 致 谢…………………………………………………………………………… 29

基于PLC的电梯控制系统的设计

基于PLC的电梯控制系统的设计

机械电子工程专业学生 杨仁凯

指导教师 王秀

摘要：随着社会的发展，尤其是现代城市的建设高速发展所带来的高层建筑猛烈的增多，在高层建筑之间的垂直交通工具——电梯，对人们生活也就显得特别重要。在电梯出现的早期，其控制方式多为继电器控制方式，但这种控制方式有个致命的缺点——安全性差。随着微电子技术、计算机技术、和自动控制理论技术的发展，电梯的逻辑控制也由PLC代替了原来的继电器控制，安全性、可靠性得到了质的飞越。本文针对六层电梯控制系统，对其PLC系统的设计和调试进行了详细的阐述。 关键词：PLC 电梯 控制系统

The design of elevator control system Based on PLC

Student majoring in Mechatronic engineering Yang Renkai

Tutor Wang Xiu

Abstract：With the development of society, especially the construction of modern city brought by rapid growth of the high-rise building more violent, elevator also is especially important for the people life in the high-rise building of vertical transportation! In the early, when lift is invented, its control way is relay control way, but this kind of control mode has a fatal flaw-poor safety. With the development of microelectronics technology, computer technology, and automatic control

theory, the logic of the elevator control is PLC instead of the original relay control, and it is safety , reliability are improved. In this paper, the design and debugging of PLC system are stated in detail in a storied building six elevator control system.

Key words: PLC; elevator; control system

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基于PLC的电梯控制系统的设计

引言

（1） 选题的意义

电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。

电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。事实上，在电梯上已经采用了多项安全保护措施。在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。目前由可编程序控制器(PLC)和微机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。采用PLC控制的电梯可靠性高、维护方便、开发周期短，这种电梯运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为电梯控制的发展方向。

（2） 电梯的发展状况

近年来，我国的电梯生产技术得到了迅速发展．一些电梯厂也在不断改进设计、修改工艺。更新换代生产更新型的电梯，继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。但是，进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。可编程序控制器(PLC)最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式己逐渐被PLC控制所代替。同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式己由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。因此，PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。

（3）电梯的结构及组成部件

电梯是机电一体化产品。其机械部分好比是人的躯体，电气部分相当于人的神经，控制部分相当于人的大脑。各部分通过控制部分调度，密切协同，使电梯可靠运行。尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳拽引式结构，其机械部分由拽引系统，轿厢和门系统，平衡系统，导向系统以及机械安全保护装置组成；而电气控制部分由电力拖动系统，运行逻辑功能控制系统和电气安全保护等系统组成。

一 拽引系统

电梯拽系统的功能是输出动力和传递动力，驱动电梯运行。主要由拽引机，拽引钢丝绳，导向轮和反绳轮组成。拽引机为电梯的运行提供动力，由电动机，

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拽引轮，连轴器，减速箱，和电磁制动器组成。拽引钢丝的两端分别连轿厢和对重，依靠钢丝绳和拽引轮之间的摩擦来驱动轿厢升降。导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距，采用复绕型还可以增加拽引力。

二 导向系统

导向系统由导轨，导靴和导轨架组成。它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使得轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。

三 门系统

门系统有轿厢门，层门，开门，连动机构等组成。轿厢门设在轿厢入口，由门扇，门导轨架等组成，层门设在层站入口处。开门机设在轿厢上，是轿厢和层门的动力源。

四 轿厢

轿厢是运送乘客或者货物的电梯组件。它是有轿厢架和轿厢体组成的。轿厢架是轿厢体的承重机构，由横梁，立柱，底梁，和斜拉杆等组成。轿厢体由厢底，轿厢壁，轿厢顶以及照明通风装置，轿厢装饰件和轿厢内操纵按钮板等组成。轿厢体空间的大小由额定载重量和额定客人数决定

五 重量平衡系统

重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。对重由对重架和对重块组成。对重将平衡轿厢自重和部分额定载重。重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧拽引钢丝绳长度变化对电梯的平衡设计影响的装置。

六 电力拖动系统

电力拖动系统由拽引电机，供电系统，速度反馈装置，调速装置等组成，它的作用是对电梯进行速度控制。拽引电机是电梯的动力源，根据电梯配置可采用交流电机或者直流电机。供电系统是为电机提供电源的装置。速度反馈系统是为调速系统提供电梯运行速度信号。一般采用测速发电机或速度脉冲发生器与电机相连。调速装置对拽引电机进行速度控制。

七 电气控制系统

电梯的电气控制系统由控制装置，操纵装置，平层装置，和位置显示装置等部分组成。其中控制装置根据电梯的运行逻辑功能要求，控制电梯的运行，设置在机房中的控制柜上。操纵装置是由轿厢内的按钮箱和厅门的召唤箱按钮来操纵电梯的运行的。平层装置是发出平层控制信号，使电梯轿厢准确平层的控制装置。所谓平层，是指轿厢在接近某一楼层的停靠站时，欲使轿厢地坎与厅门地坎达到用——平面的操作。位置显示装置。是用来显示电梯所在楼层位置的轿内和厅门的指示灯，厅门指示灯还用尖头指示电梯的运行方向。

八 安全保护系统

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安全保护系统包括机械的和电气的各种保护系统，可保护电梯安全的使用。机械方面的有：限速器和安全钳起超速保护作用，缓冲器起冲顶和撞底保护作用，还有切断总电源的极限保护装置。电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节中都有体现。

（4）研究内容及目标

综上所述，由于电梯作为新一代运输工具，本次毕业设计就以六层电梯作为控制对象，以PLC作为工具对电梯控制系统进行了设计。在设计过程中，首先对PLC进行了详细的介绍，然后针对六层电梯的设计进行PLC类型的选型，再次就是对六层电梯硬件分析，根据输入输出点数，确定PLC机型，画出硬件连线图，然后进行软件分析编程，写出梯形图和语句，进行程序的下载、调试，最后进行软件的仿真、调试等。

1 电梯控制系统的方案设计

1.1 电梯的工作原理

曳引绳两端分别连着轿厢与对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运行中产生偏斜或摆动。常闭式制动器在电动机工作时间松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货物出入。轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少发动机功率。，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。电气系统实现对电梯运动的控制，同时完成选层、平层工作。指示呼叫系统随时显示轿厢的于东方向和所在楼层位置。

1.2电梯的功能要求

（1）电梯运行指定位置后具有手动或自动开/关门的功能。

（2）利用指示灯显示电梯轿厢外的呼唤信号、电梯轿厢内的指令信号和电梯

的到达信号。

（3）能自动判断电梯的运行方向，并发出响应的指示信号。

（4）电梯的上行下行有一台交流双速电机牵引。电机正传，电梯上升；电梯

反转，电梯下降。

（5）电梯轿厢门由另一台小功率电机驱动。电机正传，轿厢门打开；电机反

转，轿厢门关闭。

（6）每一层楼设有呼叫按钮；轿厢内设有开关轿厢门按钮。

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（7）电梯启动、运行、到站实现速度的调节。

（8）行车时，厅门和轿厢都不能开门。开门之后不能行车，有门连锁保护

平层时可自动开门、手动开门，夹人时自动开门。

2 电梯的硬件设计

2.1 PLC的简介 2.1.1 PLC的特点

PLC实质上属于计算机控制方式，与普通微机一样。以通用或专用 CPU 作为字处理器，实现字运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点（位）运算与控制。

PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修。编程简单、灵活性强等特点。 1、可靠性：对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。 （1）PLC无需大量的活动元件和接线电子元件 （2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计

（3）PLC有较高的易操作性，编程简单，操作方便，维修容易

（4）PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，具有比通用计算机

更简单的编程语言和更可靠的硬件，采用精简化的编程语言 （5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。 （6）在PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。 2、易操作性:PLC 的易操作性表现在下列几个方面： （1）操作方便 （2）编程方便 （3）维修方便

3、灵活性:PLC的灵活性表现在以下几个方面： （1）编程的灵活性。 （2）扩展的灵活性。 （3）操作的灵活性。 2.1.2 PLC在电梯控制中的特点

（1）采用PLC控制电梯，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。

（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。 （3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。 （4）PLC可进行故障自动检测报警显示，提高运行安全性，并便于检修。 （5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。 （6）更改控制方案时不需改动硬件接线。

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此外，PLC控制系统由于运行可靠性高，使用维修方便，抗干扰性强，设计和调试周期短等优点，倍受人们重视，已成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。

2.1.3 S7-200系列PLC的简介

西门子的SIMATIC S7系列是市场上流行的具有代表性的可编程序控制器，它包括S7-200、S7-300、S7-400三类，其中S7-200是小型可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。具有紧凑的设计、良好的扩展性、安全可靠的通讯、界面友好的编程软件，高速的处理能力，强大的指令集。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块，S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等。 2.1.4 PLC的结构及组成

S7-200的CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC，外部结构图如图2-1所示：

可选卡插槽 通信端口

图2-1

PLC通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成，如图2-2所示：

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前盖 （模式选择开关） （模拟电位器） （I/O扩展端口） I/O指示灯

状态指示灯 （LF RUN STOP） 接线端子 基于PLC的电梯控制系统的设计

按钮 选择开关 限位开关 电源

编程装置 可编程控制器

接触器

输入模块CPU 模块

输出模块电磁阀 指示灯 电 源

图2-2

（1）主机 主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。

（2）输入/输出（I/O）接口 I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。

（3）电源 电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。

（4）编程器 编程器是PLC的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监控PLC的工作情况。除手持编程器外，还可通过适配器和专用电缆线将PLC与电脑连接，并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中，进行监控和故障检测。 2.1.5 PLC的工作原理

PLC的工作过程分为以下几个阶段：输入处理阶段、执行程序、处理通讯请

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求、执行CPU自诊断测试、输出处理阶段。

（1）输入处理阶段 每次扫描周期开始时，先读数字输入点的当前值，然后把这些值写到输入映像寄存器中。CPU以8位（1个字节）为增量的方法来保留输入映像寄存器。如果模拟量输入选择输入模拟器，CPU在每个扫描周期刷新模拟输入、执行滤波功能并存储滤波值。当访问模拟输入时，使用滤波值。如果模拟输入不选择输入滤波器，当访问模拟输入时，CPU每次从物理模块读取模拟值。

（2）执行程序 在扫描周期的执行程序阶段里，CPU执行程序是从第一条指令开始，直到最后一条指令结束。不论在主程序或中断程序执行过程中，直接I/O指令允许对输入点和输出点直接存取。如果在程序中使用了中断，与中断事件相关的中断程序就作为程序的一部分存储下来。中断程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行，而是当中断事件发生时才执行（中断事件可能会发生在扫描周期的任意点上）。

（3）处理通讯请求 在扫描周期的信息处理阶段，CPU处理从通讯端口接收到的任何信息。

（4）执行CPU的自诊断测试 在扫描周期中，CPU检查其硬件，以及用户存储器（仅在RUN模式下），它也检查所有的I/O 模块的状态。

（5）输出处理阶段 每个扫描周期的结尾，CPU把存在输出映像寄存器中的数据输送给数字输出点。当CPU操作模式从RUN切换到STOP，数字输出设置为输出表中定义的值，或保持当前状态，模拟输出保持最后写入的值。 2.2电梯系统硬件的选择及电路图

电动机：电梯的种类多种多样，按拖动系统来分有交流单速/交流双速拖动电梯、交流调压调速曳引电梯等等。在此次设计中，将采用交流双速电机作为曳引电机，它的优点是简单，经济，更重要的是舒适感好。

备用电机的选择：备用电机只要选择和曳引电机一样的型号即可。 门电机：只要满足功率要求，门电机选用一般三相异步电动机即可。如图中所示电动机的正反转来实现门的开关，采用星角降压启动，KS为速度继电器，用来对开关门到头时制动，防止轿，厅门的损坏。

基于以上考虑，部分硬件的选择结果如下：曳引电机型号：YDDL160L-6/8、额定功率：11KW、额定电压：380V、额定电流：23A、功率因数：0.83、备用曳引电机选型通上、门电动机型号：Y100L-2、额定功率：3KW、额定电压：380V、额定电流：7A、功率因数：0.87；

主电路部分电器型号的选择结果如下：交流接触器：CJ20-25、熔断器：BLR1-63/3P分断能力：50000A、热继电器：JR16-20/3D、熔断式刀开关：

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HH4-30/3-25；

门电路部分电器型号的选择如下：交流接触器：TYC2-12-9、熔断器：BLR1-63/3P-14、

热继电器：JR16-20/3、熔断式刀开关：HH3-15/2-10。 2.2.1曳引电动机主电路电路图设计

设计思路：曳引电机正转时，KM3闭合，当KM7，KM5触点闭合，电机加速运行，此时串联电阻和电抗的支路电流逐渐增大，当速度达到要求后，KM7触点断开，电梯快速运行；当电梯压下层接近开关时KM6触点闭合，电路电流突然增大，根据电抗的反抗特性，电路电流反相流通，电机反制，速度降低，降到一定时由速度继电器起作用，电机停转，达到电梯停车的要求。

L3L2L1QK2FUKMSKM3KM4KM7KM7KM5KM5FRKMSM3~KS

图2.2.1曳引电机主电路电路图

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2.2.2电器柜布线图如下

电梯控制继电器—S7-200（CPU226） PLC主机 熔断器组 LED轿箱内控制屏 显示电路

图2.2.2电器柜布线图

2.2.3控制门电路电路图如下

QK2FUKM1KM2FRM13～KS

图2.2.3 门电路电路图

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2.3 I/O的分配及PLC的选择

2.3.1 PLC控制系统的I/O点数计算与分配

根据电梯控制的特点，输入信号应该包括以下几个部分：

输入点有:门厅按钮10个,轿厢内按钮9个,楼层感应传感器6个,轿厢门限开关2个,检修开关1个,平层传感器2个，减速传感器2个，过载测量传感器1个，障碍检测光电传感器1个。

综上所述，共需要输入点34个。 输出信号应该包括：

轿厢内指示灯9个，门厅召唤按钮指示等10个，楼层显示用七段码显示器引脚7个，开关门电动机驱动线圈2个，变频器控制引脚3，电梯上下行指示灯2个 综上所述，共需输出点33个。 2.3.2 PLC的型号选择

综合输入输出点的计算以及要实现的电梯控制功能，使用西门子S7-200PLC（CPU226）加一个扩展模块，这样就能完全能够满足设计要求。S7-200PLC是一种小型可编程逻辑控制器（MicroPLC），可应用于各种小型自动化控制系统。高集成度的设计、低廉的成本使得S7-200成为各种小型控制任务理想的解决方案，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。并且，西门子S7-200PLC具有：极高的可靠性、丰富的指令集、极快的浮点运算速度、丰富的扩展模块、强大的内部集成功能等几个方面的出色表现。

3 电梯控制系统的软件设计

3.1设计梯形图

设计梯形图一般要遵循以下规则：

（1）I/O点和内部各软继电器等的常开和常闭触点可多次重复使用。 （2）软继电器的线圈不能直接与左母线相连，应有过渡点。 （3）软继电器的右端不能再有接点。

（4）在同一套梯形图中，相同代号的线圈不能重复出现（SET、RST除外）。 （5）PLC的输入输出点可当软继电器来用。

梯控制程序的设计需按照3-1所示的程序流程图来编辑。

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上电 是否厅外呼叫 初始化 等待 确认本层与目标层 是否轿厢呼叫 目标层与本层是否同层 电梯选向 电梯启动 电梯运行 楼层信号 是否目标层 平层信号 电梯制动 开门 延时 关门 是否停止运行 停止 图3-1

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3.2程序说明

3.2.1 电梯参数初始化程序段

初始化程序段定义了电梯运行所需要的部分逻辑线，数据寄存器的处始值．初始值定义如下表：

表3-2 参数初始值

元件名称 D100 D101 D102 M101 M102 M103 M104 M105 M106 D10 M0

含义 电梯当前位置变量 电梯上行最近目标 电梯下行最近目标 电梯上行标志 电梯下行标志 电梯空闲标志 电梯开门标志 电梯关门标志 电梯关门完毕标志 开门延时时间常数 电梯系统启动

初始值 1 1 1 逻辑0 逻辑0 逻辑1 逻辑0 逻辑0 逻辑0 20 逻辑0

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