机电PLC综合控制(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：何利英 主编

出版社：北京理工大学出版社

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机电PLC综合控制试读：

前言

本书在内容的安排上，采用项目导入、任务驱动的方式，通过由浅入深的应用实例，引导读者认识、熟知PLC在气动设备、步进电动机、变频器中的应用，使用本书可以真正实现理论实践一体化教学。

本书涉及知识面广、信息量大，融图、表、文于一体，内容通俗易懂，对于每一个项目，从项目的教学目标、任务介绍、任务分析开始，进行相关理论知识讲解、任务实施与练习逐一展开，力争做到内容丰富、图文并茂、条理清晰，提高学生的学习兴趣，有效地解决课时少与知识量大的矛盾。

本书的建议课时为60课时，内容及课时安排如下，可根据教学实际情况对内容及课时进行调整。

本书由辽宁建筑职业学院何利英担任主编。

本书在编写过程中参考和引用了许多文献，在此对文献的作者表示感谢。由于编者水平有限，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请广大读者批评指正。编者2016年10月项目一可编程控制器认知教学目标：了解可编程控制器的组成。掌握可编程控制器的工作原理。熟悉S7-200 PLC安装与接线。熟练使用S7-200 PLC编程软件进行梯形图程序编制与运行调试。教学重点：S7-200 PLC的安装与接线。使用S7-200 PLC编程软件进行梯形图程序编制与运行调试。教学难点：独立配置、检修和维护PLC系统软硬件的基本能力。任务一S7-200系列的安装与连接【任务介绍】

使用S7-200 CPU 222 PLC实现控制任务，系统共需要24点数字量输入/22点数字量输出，要求完成硬件系统配置、产品选型及安装与接线。【任务分析】

根据任务要求，扩展模块选用1个16点数字量输入/16点数字量输出的EM223模块，由于扩展模块消耗的5 VDC总电流为160 mA，小于CPU 222提供5 VDC电流340 mA，且CPU 222可以扩展2个模块，所以S7-200 PLC主机可以选用CPU 222。【相关知识】一、可编程控制器基础知识

可编程控制器（Programmable Controller）是一种专为在工业环境下应用的计算机控制系统，能够执行逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作功能，并通过开关量、模拟量的输入和输出完成各种机械或生产过程的控制。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。（一）PLC的组成

PLC实质上是一种用于工业控制的专用计算机，由硬件和软件两大部分组成。各种PLC的硬件具体结构虽然多种多样，但其组成和工作原理基本相同，主要由中央处理单元（CPU）、存储器、输入接口电路、输出接口电路、电源等部分组成，如图1-1所示。图1-1　PLC组成结构框图

1．中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC运算和控制核心，它控制其他所有部件的运行，主要具有以下功能：（1）诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。（2）采集现场的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。（3）逐条读取指令，完成各种运算和操作。（4）将处理结果送至输出端。（5）响应各种外部设备的工作请求。

2．存储器

存储器是用来存储数据和程序，包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

只读存储器（ROM）也称为程序存储器，用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据。PLC出厂前已将其固化在只读存储器ROM或PROM中，用户不能更改。

随机存储器（RAM）也称为用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。这类存储器一般由低功耗的CMOS-RAM构成，其中的存储内容可读出并更改。

3．输入接口电路

输入接口电路是将PLC外部电路如限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。通常PLC的输入类型有直流、交流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。图1-2（a）和图1-2（b）分别为采用外接电源的PLC直流和交流输入接口电路图。图1-2　PLC输入接口电路（a）直流输入接口电路；（b）交流输入接口电路

4．输出接口电路

输出接口电路用来将PLC的CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。依据不同负载工作电路，PLC输出接口电路有继电器输出接口电路、晶体管输出接口电路和晶闸管输出接口电路，如图1-3所示。其中图1-3（a）为继电器输出接口电路，可用于外部电源驱动的交、直流负载。过载能力强，但由于是有触点系统，动作速度慢，使用寿命有限。图1-3（b）为晶体管输出接口电路，CPU通过光耦电路的驱动，使晶体管通断，驱动直流负载。图1-3（c）为晶闸管输出接口电路，CPU通过光耦电路的驱动，使双向晶闸管通断，驱动交流负载。晶闸管输出接口电路和晶体管输出接口电路均为无触点控制系统，通断速度快，但过载能力低。图1-3　PLC输出接口电路（a）继电器输出电路；（b）晶体管输出电路；（c）晶闸管输出电路

5．电源

PLC的电源是指将外部输入的交流电处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备提供标准电源。

6．输入输出I/O扩展接口

若主机单元的I/O点数不能满足需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元与主机相连，以增加I/O点数。PLC的最大扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力的限制。

7．软件系统

PLC硬件电路由软件系统支持，软件系统分为系统程序和用户程序两大类。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等，系统程序提供PLC运行平台，由制作厂家固化于程序存储器中，用户不能对其访问和修改。用户程序是用户根据对象生产工艺的控制要求，利用PLC编程语言编制的应用程序，存储于数据存储器中，当用户程序运行正常、不需要改变时，可将其固化于EPROM中。（二）PLC的工作原理

PLC采用循环扫描工作方式，CPU从第一条指令开始按指令步序号做周期性地循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期，这个工作过程一般包括五个阶段：执行CPU自诊断、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理。CPU工作模式有STOP和RUN两种，当工作于STOP模式时，不运行程序，此时可以向CPU装载程序或进行系统设置；CPU工作于RUN模式时，运行用户程序，其工作过程如图1-4所示。图1-4　PLC工作过程

PLC在输入I/O刷新阶段，首先按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段，按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

输出刷新阶段，当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。二、S7-200系统

目前，可编程控制器的生产厂家和品种很多，其中著名的厂商有：美国的AB公司、GE公司等，德国的SIEMENS公司，法国的TE公司等，日本的三菱公司、OMRON公司等。

德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMAT-IC可编程控制器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程控制器是1975年投放市场的SIMAT-IC S3系列的控制系统。

在1979年，微处理器技术被应用到可编程控制器中，产生了SIMATIC S5系列，取代了S3系列，之后在20世纪末又推出了S7系列产品。

最新的SIMATIC产品为SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型可编程控制器发展至今，大致经历了两代：

第一代产品其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 212、CPU 214、CPU 215和CPU 216，对第一代PLC产品不再做具体介绍。

第二代产品其CPU模块为CPU 22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 221、CPU 222、CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加扩展模块。（一）S7-200 CPU

1．S7-200 CPU外形

S7-200 CPU外形如图1-5所示。图1-5　S7-200 CPU外形

2．S7-200 CPU的外部端子

S7-200 CPU外部端子接线如图1-6所示，其中各端子功能为：图1-6　S7-200 CPU外部端子接线图（1）L1/N：CPU供电电源输入端，单相交流电源，110 V/220 V。（2）L+/M：PLC传感器电源输出端，可作为CPU自身和扩展模块的I/O点的供电电源，L+/M为直流电源24 V连接端子。（3）1M、2M、I0.0～I0.5：1M、2M作为PLC输入点公共端，相互间是隔离的。I0.0～I0.5为PLC输入点，可外接按钮开关、行程开关等现场输入设备，需由24 V直流供电。（4）1L、2L、Q0.0～Q0.3：1L、2L作为PLC输出点公共端，相互间是隔离的。Q0.0～Q0.3为PLC输出点。S7-200数字量输入和输出都是分组安排的，各组可采用独立电源单独供电。如果线路复杂或设备应用条件较差，易导致电源短路等故障，可使用其他电源为I/O点供电，而不使用CPU本体上的24 V传感器供电。

3．S7-200系列PLC的主要指标

PLC的性能指标是用户选择PLC的主要依据。PLC技术性能指标主要有I/O点数、存储容量、扫描速度、指令系统、可扩展性、通信功能等。S7-200系列各型号主要技术指标见表1-1。表1-1　S7-200系列CPU 22X主要性能指标（二）S7-200系列PLC的常用扩展模块

1．S7-200系列PLC常用扩展模块型号规格及功能

S7-200系列PLC主机基本单元可扩展数字量扩展模块和模拟量扩展模块，既可以满足增加I/O点数的需要，又可以使PLC增加许多控制功能。S7-200系列PLC常用数字量扩展模块型号规格及功能用途见表1-2，S7-200系列PLC常用模拟量扩展模块型号规格及功能用途见表1-3。表1-2　S7-200系列PLC常用数字量扩展模块型号规格及功能用途表1-3　S7-200系列PLC常用模拟量扩展模块型号规格及功能用途

2．S7-200系列PLC扩展配置

S7-200系列PLC扩展配置是由其主机CPU 22X和PLC扩展模块组成。S7-200 PLC扩展配置具有两个条件约束，即一个条件是主机能带扩展模块的数量，另一个条件是主机的电源承受扩展模块消耗5 VDC总线电流的能力。S7-200系列PLC主机和扩展模块的5 VDC总线电流能力见表1-4。表1-4　S7-200系列PLC主机和扩展模块的5VDC总线电流能力【任务实施】一、任务配置（1）1台S7-200 CPU 222 PLC，1个16点数字量输入/16点数字量输出的EM223模块。（2）装有STEP7-Micro/WIN32编程软件的PC机。（3）PC/PPI电缆。（4）扁平电缆及连接导线若干。二、I/O分配及功能

S7-200系列PLC主机和扩展模块I/O点数及地址分配见表1-5。表1-5　S7-200系列PLC主机和扩展模块I/O点数及地址分配主机扩展模块CPU 222EM223I1.0～I1.7I0.0～I0.7I2.0～I2.7Q0.0～Q0.5Q1.0～Q1.7Q2.0～Q2.7

由表1-4可知，CPU 222的5 VDC总线电流是340 mA，大于EM223的5 VDC总线电流160 mA，满足任务工作电流要求；扩展系统的输入输出点（I/O点）为CPU 222主机I/O点数与扩展模块EM223 I/O点数的总和，共24I/22O，大于任务中I/O点数，满足扩展系统要求。三、PLC接线图

在断电情况下，连接好PC/PPI电缆及PLC扩展模块，要求CPU 222主机及扩展模块EM223采用+24 V直流电源供电，其间采用扁平电缆连接，固定在底板或DIN导轨上。CPU 222与扩展模块连接如图1-7所示。图1-7　CPU 222与扩展模块的连接图【归纳总结】（1）PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储器、输入接口电路、输出接口电路、电源等部分组成，通过I/O口实现外部现场信号的采集与控制。（2）PLC工作方式为循环扫描方式。（3）对PLC进行I/O扩展时，应考虑主机能带扩展模块的数量和主机的电源承受扩展模块消耗5 VDC总线电流的能力两个约束条件。【练习】

1．PLC由哪几个部分组成？各有什么作用？

2．简述PLC的工作原理。

3．某PLC控制系统需要32个输入点，24个输出点，列出S7-200系列PLC的CPU主机和扩展模块的选用方案。任务二STEP7-Micro/WIN32编程软件的使用【任务介绍】

以基于PLC的电动机正反转控制为例，完成S7-200 PLC与PC机间的硬件连接、调试；STEP7-Micro/WIN32编程软件的安装、程序编辑、编译、下载及调试。【任务分析】

电动机的正反转控制由主电路和控制电路构成。主电路通过接触器改变三相交流电源相序实现电动机的正反转，控制电路的核心是PLC，不仅需要硬件电路的连接，还要编制、执行PLC程序。【相关知识】一、编程软件的安装

S7-200的编程软件是STEP7-Micro/WIN32，它适用于S7-200系列PLC的系统设置（CPU组态）、用于程序开发和实时监控运行。支持三种编程模式，即LAD（梯形图）、FBD（功能图）、STL（语句表），便于用户选用；STEP7-Micro/WIN32还提供程序在线编程、调试、监控，以及CPU内部数据的监视、修改功能等。

1．编程软件的安装环境

采用IBM486或更高配置，内存8 MB以上，VGA显示器，50 MB以上硬盘空间，能够安装Windows 95以上的操作系统。

通信电缆PC/PPI 1根，用于计算机与PLC的连接。如图1-8所示，将PC/PPI电缆的RS-232端连接到PC机的RS-232通信口COM1或COM2接口上，将PC/PPI电缆的RS-485端接到S7-200 CPU通信口上。图1-8　PLC与计算机的连接

2．安装方法（1）打开“Setup.exe”文件。双击“SETUP.exe”安装引导程序图标，依据提示窗口信息按步骤进行编程软件安装。（2）按照安装程序的提示完成安装。按照安装程序的提示完成安装，STEP7-Micro/WIN32的SP升级包（ServicePack）可以从西门子公司网站上下载，只需安装一次最新的SP升级包就可以将软件升级到当前最新版本。

3．建立通信联系（1）S7-200 CPU与PC之间的通信连接方式。S7-200 CPU与PC之间有两种通信连接方式，一种是采用专用的PC/PPI电缆，另一种是采用MPI卡和普通电缆。可以使用PC作为主站设备，通过PC/PPI电缆或MPI卡与一台或多台PLC连接，实现主、从设备之间的通信。

① PC/PPI电缆通信。PC/PPI电缆是一条支持PC、按照PPI通信协议设置的专用电缆线，电缆线中间有通信模块，模块外部设有波特率设置开关。

② MPI通信。多点接口（MPI）卡提供了一个RS-485端口，可以用直通电缆和网络连接，在建立MPI通信之后，可以把STEP7-Micro/WIN32连接到包括许多其他设备的网络上，每个S7-200可作为主设备且都有一个地址。先将MPI卡安装在PC的PLC插槽内，然后启动安装文件，将该设置文件放在Windows目录下，CPU与PC的RS-485接口用电缆线连接。（2）连接S7-200 CPU，为S7-200 CPU供电。第一个步骤就是要给S7-200的CPU供电，如图1-9所示，给出了直流供电和交流供电两种CPU模块的接线方式。图1-9　S7-200 CPU供电（a）直流供电；（b）交流供电（3）通信参数设置。通信参数设置的内容有S7-200 CPU地址、PC软件地址和接口（PORT）等设置。

① 在STEP7-Micro/WIN32运行时，单击浏览条中通信图标，或从菜单栏中选择元件——通信（Communications），则会出现一个通信参数对话框，如图1-10所示。图1-10　通信参数对话框

②单击“通信端口”选项，检查各参数，确认无误后单击“确认”按钮，如图1-11所示。若需要修改某些参数，可以先进行有关修改，再单击“确认”按钮。图1-11　通信参数设置对话框（4）与S7-200建立通信。用通信对话框与S7-200建立通信：

①在通信对话框中双击刷新图标。STEP7-Micro/WIN32搜寻并显示所连接的S7-200站的CPU图标。

② 选择S7-200站并单击“OK”按钮。如果STEP7-Micro/WIN32未能找到S7-200 CPU，需再核对通信参数设置。建立与S7-200的通信之后，就可以创建并下载示例程序。（5）下载示例程序。可以单击工具条中的下载图标或者在命令菜单中选择“File”→“Download”命令来下载程序，如图1-12所示，下载程序到S7-200。如果S7-200处于运行模式，将有一个对话框提示CPU将进入停止模式，单击对话框中的“Yes”按钮将S7-200置于STOP模式。图1-12　下载程序二、STEP-Micro/WIN32简介（一）STEP-Micro/WIN32编程软件及窗口

启动STEP7-Micro/WIN32编程软件，其主界面外观如图1-13所示。首行主菜单包括文件、编辑、查看、PLC、调试、工具、窗口、帮助等，主菜单下方两行为工具条快捷按钮，其他为窗口信息显示区。图1-13　编辑软件主界面

窗口信息显示区分别为程序数据显示区、浏览栏、指令树和输出视窗显示区。除菜单条外，用户可以根据需要通过检视菜单和窗口菜单决定其他窗口的取舍和样式的设置。

浏览栏——显示常用编程按钮群组，其中查看（View）显示程序块、符号表、状态表、数据块、系统块、交叉引用及通信按钮；工具（Tools）显示指令向导、TD200向导、位置控制向导、EM253控制面板和扩展调制解调器向导的按钮。

指令树——提供所有项目对象和当前程序编辑器（LAD、FBD或STL）的所有指令的树形视图。可以在项目分支里对所打开项目的所有包含对象进行操作；利用指令分支输入编程指令。

状态图——允许将程序输入、输出或变量置入图表中，监视其状态。可以建立多个状态图，方便分组查看不同的变量。

输出窗口——在编译程序或指令库时提供消息。当输出窗口列出程序错误时，可双击错误信息，会自动在程序编辑器窗口中显示相应的程序网络。

状态栏——提供在STEP7-Micro/WIN32中操作时的操作状态信息。

程序编辑器——包含用于该项目的编辑器（LAD、FBD或STL）的局部变量表和程序视图。如果需要，可以拖动分割条以扩充程序视图，并覆盖局部变量表。单击程序编辑器窗口底部的标签，可以在主程序、子程序和中断服务程序之间移动。

局部变量表——包含对局部变量所做的定义赋值（即子程序和中断服务程序使用的变量）。

编程软件中帮助菜单可以提供S7-200的指令系统及编程软件的所有信息，并提供在线帮助和网上查询、访问、下载等功能。（二）编程软件的程序编制与运行

1．程序的基本组件（1）主程序。主程序中包括控制应用的指令。S7-200在每一个扫描周期中顺序执行这些指令。主程序也被表示为OB1。（2）子程序。子程序是应用程序中的可选组件，只有被主程序、中断服务程序或者其他子程序调用时，子程序才会执行。当需要重复执行某项功能时，子程序是非常有用的。与其在主程序中的不同位置多次使用相同的程序代码，不如将这段程序逻辑写在子程序中，然后在主程序中需要的地方调用。（3）中断服务程序。中断服务程序是应用程序中的可选组件。当特定的中断事件发生时，中断服务程序执行。可以为一个预先定义好的中断事件设计一个中断服务程序，当特定的事件发生时，S7-200会执行中断服务程序。中断服务程序不会被主程序调用。只有当中断服务程序与一个中断事件相关联，且在该中断事件发生时，S7-200才会执行中断服务程序。（4）程序中的其他组件。其他块中也包含了S7-200的信息。当下载程序时，可以选择同时下载这些块：系统块允许为S7-200配置不同的硬件参数；数据块存储应用程序中所使用的不同变量值（V存储器）。可以用数据块输入数据的初始值。

2．建立项目（用户程序）（1）创建新项目文件。

方法：①可执行菜单命令“文件”→“新建”；

② 可用工具条中的“新建”按钮来完成。新项目文件名系统默认为项目1，可以通过工具栏中的“保存”按钮保存并重新命名。每一个项目文件包括的基本组件有程序块、数据块、系统块、符号表、状态表、交叉引用及通信，其中程序块中包括1个主程序、1个子程序（SBR_0）和1个中断程序（INT_0）。（2）打开已有的项目文件。

方法：①可执行菜单命令“文件”→“打开”；

② 可用工具条中的“打开”按钮来完成。（3）确定PLC类型。

执行菜单命令“PLC”→“类型”，调出“PLC类型”对话框，如图1-14所示，单击“读取PLC”按钮，由STEP7-Micro/WIN32自动读取正确的数值。单击“确定”按钮，确认PLC类型。图1-14　PLC类型对话框

3．编辑程序文件

采用SIMATIC指令编写的程序可以使用LAD（梯形图）、STL（语句表）、FBD（功能块图）三种编辑器，常用LAD或STL编程，选择编辑器方法如下：执行菜单命令“检视”→“LAD”或“STL”。图1-15为梯形图编辑器。图1-15　梯形图编辑器

编程元件的输入方法：编程元件包括线圈、触点、指令盒及导线等。程序一般是顺序输入，即自上而下、自左而右地在光标所在处放置编程元件（输入指令），也可以移动光标在任意位置输入编程元件。每输入一个编程元件光标自动向前移到下一列。换行时单击下一行位置移动光标即可。

编程元件的输入首先是在程序编辑窗口中将光标移到需要放置元件的位置，然后输入编程元件。编程元件的输入有两种方法。（1）方法一。

① 将光标放在需要的位置上，单击工具条中元件（触点、线圈或指令盒）的按钮，从下拉菜单所列出的元件中，选择要输入的元件单击即可。

② 将光标放在需要的位置上，在指令树窗口所列的一系列元件中，双击要输入的元件即可。

③ 将光标放在需要的位置上，在指令树窗口所列的一系列元件中，拖动要输入的元件放到目的地即可。（2）方法二。

采用功能键（F4、F6、F9）、移位键和回车键配合使用安放编程元件。例如安放输出触点，按F6键，弹出一个下拉菜单，在下拉菜单中选择编程元件（可使用移位键寻找需要的编程元件）后，按回车键，编程元件出现在光标处，再次按回车键，光标选中元件符号上方的“???”，输入操作数后按回车键确认，然后用移位键将光标移到下一层，输入新的程序。当输入地址、符号超出范围或与指令类型不匹配时，在该值下面出现红色波浪线。（3）梯形图功能指令的输入。采用指令树双击的方式可在光标处输入功能指令。（4）程序的编辑及参数设定。程序的编辑包括程序的剪切、拷贝、粘贴、插入和删除，字符串替换、查找等。（5）编写符号表。单击浏览条中的“符号表”按钮；在“符号”列键入符号名，在“地址”列中键入地址，在“注解”列键入注解即可建立符号表，如图1-16所示。符号表建立后，执行菜单命令“检视”→“符号编址”，直接地址将转换成符号表中对应的符号名；也可通过执行菜单命令“工具”→“选项”→“程序编辑器”标签→“符号编址”选项，来选择操作数显示的形式，如选择“显示符号和地址”，则对应的梯形图如图1-17所示。图1-16　符号表图1-17　带符号表的梯形图

4．程序的编译及上、下载

① 编译：用户程序编辑完成后，用CPU的下拉菜单或工具条中编译快捷按钮对程序进行编译，经编译后在显示器下方的输出窗口显示编译结果，并能明确指出错误的网络段，可以根据错误提示对程序

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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