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1、PLC在污水处理过程中的应用中文摘要近年来，污水处理厂已成为各个城市最重要的基础设施之一，尤其是中小城市，新建或扩建污水处理厂已成为当地政府改善人民生活水平的头等大事。随着自动化技术、计算机技术的不断发展、完善，污水处理厂的自动化水平也相应提高。而PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比较高等一系列优点，在工业控制中得到了越来越广泛的应用。本文介绍了工厂处理的基本工艺和流程，并通过研究设计一套基于PLC控制的污水处理系统，文章首先介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，来说明P
2、LC在污水处理过程中的应用。先根据污水处理要求设计了设备的电器控制与自动控制线路，主要包括设备的启停、状态信号故障信号，然后按照工艺要求设计PLC控制系统，其他包括PLC的选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制PLC程序，最后利用组态来实现污水处理的仿真。关键词：PLC 污水处理 ABSTRACT In recent years, sewage treatment plant has already become one of the most important infrastructures in every city, and especially in small and medi
3、um-sized ones, to build and expand such plants has been on the local governments top agenda to improve peoples life . With the development and improvement of automation technique and computer technology, automation level of sewage treatment plants has also made a corresponding leap. With PLC has ser
4、ies of merits such as: mature technique, fine universal property, high reliability , flexible to install, convenient to expand, excellent cost performance, etc, while have enabled it gain a more and more widespread application in industrial control. This paper introduces the basic technology of proc
5、essing factory and process, and through the study design a set of based on PLC control sewage system of, the article first introduces the sewage treatment control system based on PLC technology and related processes, control system hardware structure and design, working principle and design PLC cont
6、rol system, the basic principles and steps, to explain in wastewater treatment process of PLC application. According to the first sewage treatment equipment design requirement for the electric control and automatic control circuit, mainly including equipment and stop, state signal fault signal, and
7、then according to requirement of process design PLC control system, including the type selection, other PLC system resources configuration, and according to the sewage treatment process of PLC program, finally, using the configuration to implement the simulation of the sewage treatment.Keywords: PLC
8、, Sewage treatment目 录第一章绪论51.1设计课题的目的和意义51.2我国水资源基本情况51.3 水污染概述6第二章PLC概念及组态技术简介72.1 PLC概念72.1.1PLC的基本概念72.1.2 PLC的基本结构72.1.3 PLC的工作原理72.1.4 PLC选型9第三章基于PLC的工业污水处理系统设计113.1 课题研究的内容113.1.1系统组成113.1.2工艺流程123.1.3控制任务和要求133.2软件部分的设计143.2.1 PLC输入输出分配143.2.2绘制PLC输入输出接线端子图153.2.3 流程图163.2.4 软件的仿真17第四章 组态的设计2
9、04.1组态技术简介204.1.1组态技术概述204.1.2组态软件的特点204.1.3组态软件的设计思想204.2组态的使用214.2.1新建工程214.2.2建立画面214.2.3外部设备及I/O变量定义214.2.4定义I/O变量224.2.5建立动画连接224.2.6组态仿真23参考文献26附录 A27致谢33第一章绪论1.1设计课题的目的和意义可编程序控制器（PLC）作为现代化的自动控制装置已普遍应用于工业企业的各个领域，是生产过程自动化必不可少的智能控制设备。掌握PLC的组成原理及编程方法，熟悉PLC的应用技巧，是每一位机电类专业技术人员必须具备的基本能力之一。 随着国民经济的发展
10、，国家对环保事业也越来越重视，越来越多的污水处理厂正在兴建或待建中，只要稍上规模的污水处理厂，无一例外地都使用了PLC作为其自控系统的主要设备。 工业污水处理自动控制近年来一直是控制领域研究的热点之一。伴随着技术进步、工艺改进、系统完善的同时，对工业污水处理的控制也提出了更高的要求。环境科学是新兴的、综合性的边缘科学。它涉及的面广，综合性强，体现了科学发展史上的一个新开端。成为当前科学技术重点研究的课题之一。世界任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进农业生产能力，使人民生活得到进一步改善，但是也随之带来不同程度的环境污染。污水也是造成环境污染的来源之一。中国污染源的出现引起了世界各国政府的
11、关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织日程。建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对降低污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会和和谐社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。1.2我国水资源基本情况与水污染概述（1）我国水资源基本情况我国的“水”存在两大主要问题：一是水资源短缺，二是水污染严重。 有资料显示，我国是一个干旱缺水严重的国家。人均淡水资源仅为世界平均水平的1/4、在世界上名列110位，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。人均可利用水资源量仅为900立方米，并且分布极不均衡。20世纪末，全国600多座城市中有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城
12、市缺水总量为60亿立方米。 据监测，全国废污水排放量由1980年的315亿吨增加到2002年的631亿吨。多数城市地下水受到一定程度污染，并且有逐年加重的趋势。严重威胁到城市居民的饮水安全和健康。 为缓解严峻的水形势：一是节水优先,二是治污为本。我国目前还有大量的工业企业仍然是粗放型的生产模式，工业废水处理并不理想，还有大量的污染物排入了江河湖泊中，污染程度已经超过了河流湖泊自身的环境容量。三是多渠道开源。另外，现世界各国纷纷转向非传统水资源的开发。包括：雨水、再生的污废水、海水、空中水资源。 据介绍，目前我国工业用水重复利用率只有60%，城市废水利用几乎没有。而以色列的城市废水利用达到90%
13、，美国的洛杉矶也是利用处理过的城市废水浇灌绿地。城市废水的再利用不仅减少了污染，还可以缓解水资源紧张的矛盾。另外，随着技术进步，海水淡化成本趋低，并且海水可以直接用作工业冷却用水和冲洗用水。香港很多公用卫生场所的冲洗就是采用海水。中国政府水行政主管部门自1988年中华人民共和国水法颁布起，就确定每年的7月17日为中国水周。考虑到世界水日与中国水周的主旨和内容基本相同，从1994年开始，把中国水周的时间改为每年的3月2228日，进一步提高全社会关心水、爱惜水、保护水和水忧患意识，促进水资源的开发、利用、保护和管理。（2）水污染概述 水污染是指污染物进入水体，引进水质恶化，使水的使用价值降低的现象
14、。水污染一般指： 水中污染物的数量超过了水体自净能力； 污染物数量达到破坏水的原有用途的程度； 污染物含量超过了水中该物质的本底值，影响了水的用途。衡量水污染程度一般根据水中某种污染物深度的高低和各种水水质标准进行评价与分类。 一、水污染类型划分水污染类型的方法很多，主要有： 按水存在形式划分，有地表水污染与地下水污染； 按污染物划分，有汞污染，酚污染、有机物水污染、热污染等； 按污染物属性划分，有物理水污染、化学水污染和生物水污染； 按水域分类，有河流污染、湖泊污染、水库污染、海洋污染等。二、污染物来源 工业废水。 废水中有毒、有害物质成分复杂，是造成目前世界性水污染的主要原因。 农田排水。
15、 施用的化肥、农药，随农田排水、地表径流注入水体。 生活污水。 成分复杂，以耗氧有机物最多。 城市垃圾和工业废渣。 垃圾和废渣倾入水中或堆积在水域附近，经水的溶解或浸渍作用，使垃圾和废渣中有毒有害成分进入水中。 大气的。 大气中污染物种类很多，可以直接降落或溶于雨雪后降落入水体。 天然污染物。 火山爆发和特殊地层，会使某些有毒物质进入水体。第二章PLC概念及组态技术简介2.1 PLC概念2.1.1PLC的基本概念可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogi
16、cController)，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(PersonalComputer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。2.1.2 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。由如下几部分组成：a. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户
17、程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。b、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为
18、用户程序存储器。c、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。2.1.3 PLC的工作原理一、扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行下述三个阶段。输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区
19、中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应
20、位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出
21、。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，也可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。二、PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。 为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式(扫描技术)。 以上两个主要原因，使得P
22、LC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。 所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。本文仿真是用西门子S7-200系列，针对低性能要求的摸块化小控制系统，它最多可有7个模块的扩展能力，在模块中集成背板总线，它的网络联接有RS-485通讯接口和PROFIBUS两种，可通过编程器PG访问所有模块，带有电源、CPU和I/O的一体化单元设备。 其中的扩展模块（EM）有以下几种：数字量输入模块（DI）24VDC和120/230VAC；数字量输出（DO）24VDC和继电器；模拟量
23、输入模块（AI）电压、电流、电阻和热电偶；模拟量输出模块电压和电流。还有一个比较特殊的模块-通讯处理器（CP）该块的功能是可以把S7-200作为主站连接到AS-接口（传感器和执行器接口），通过AS-接口的从站可以控制多达248个设备，这样就可以显著的扩展S7-200的输入和输出点数。CPU设计 有3种手动选择操作模式：STOP停机模式，不执行程序；TERM运行程序，可以通过编程器进行读/写访问；RUN运行程序，通过编程器仅能进行读操作。 状态指示器（LED）：SF系统错误或（和）CPU内部错误；RUN运行模式，绿灯；STOP停机模，黄灯；DP分布式I/O（仅对CPU-215）。存储器卡用来在没
24、电的情况下不需要电池就可以保存用户程序。PPI口用来连接编程设备、文本显示器或其他CPU。2.1.4 PLC选型PLC是可编程控制器的简称，在本系统中PLC代替了原先的硬接线的控制逻辑电路，实现了生产的自动控制。PLC较原先的继电器控制有下列有点：(1)控制程序可改变在污水厂生产工艺或流程改变的情况下，不必改变PLC的硬件设备，只要改变相应的程序就可满足用户的要求。(2)适用于工业环境，具有高可靠性PLC产品的平均无故障时间达5年以上，因而它是一种高可靠的产品，大大地提高了生产设备的工作效率。(3)PLC功能齐全一般PLC具有开关量及模拟量输入/输出、定时、计数、逻辑和算术运算，顺序控制，PI
25、D调节，通信等功能。除了应用于开关量控制系统外，也可用于连续的流程控制系统，从而使污水处理设备的控制水平大大提高。(4)易掌握，便于维护使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言就可进行用户程序的编程和调试。因此，即使不懂计算机的人，也能掌握PLC，又由于PLC具有自珍断的功能，因而较容易进行维护，查找出故障原因，由于PLC自身的高可靠性，也使其故障率几乎降至于零。正是PLC具有这么多的优点，才能使越来越多的PLC应用到污水处理厂中。本文采用了西门子S7-200系列。第三章基于PLC的工业污水处理系统设计3.1 课题研究的内容3.1.1系统组成由2台磁滤器，10只电磁阀和连接管道组成的2台机组组成
26、，如下图3.1-1所示。图3.1-1污水处理系统的组成 3.1.2工艺流程该污水处理系统的工艺流程图，如下图3.1-2所示。3.1-2污水处理的工艺流程图污水进化处理分为两道工序，以1号机组为例。（1）滤水工序：打开进水阀和出水阀，污水流经磁滤器，如果磁滤器的线圈一直通电，则污水的氧化铁杂质会附着在磁铁上，使水箱中流出的是净化水。（2）反洗工序：滤水一段时间后，必须清洗附着在磁铁上的氧化铁杂质，这时只要切断磁滤器线圈的电源，关闭进水阀和出水阀，打开排污阀和空气压缩阀，让压缩空气强行把水箱中的水打入磁滤器中冲洗磁铁，去掉附着的氧化铁杂质，使冲洗后的污水流入污水池，进行二次处理。3.1.3控制任务
27、和要求（1）两台机组的滤水工序，可单独进行也可同时进行。而反洗工序只允许单台机组进行工作，一台机组反洗时，另一台必须等待，两台机组同时要求反洗时，1号机组优先。（2）为保证滤水工序的正常进行，在每台机组的管道上均安装了压差检测仪表，只要出现了“管压高差”的信号，则应立即停止滤水工序，自动进入反洗工序。（3）如果某一输出信号不正常，要立即停止系统工作，这样可避免发生事故。注：两台机组有独立的启动、停止按钮。“管压高差”检测和反洗铃在每台机组上均单独配置。3.2软件部分的设计3.2.1 PLC输入输出分配工业污水处理系统PLC输入输出分配表，如表3.2-1所示。表3.2-1工业污水处理系统PLC输
28、入输出分配表3.2.2绘制PLC输入输出接线端子图工业污水处理系统PLC接线图，如图3.2-1所示。图3.2-1工业污水处理系统PLC接线图3.2.3 流程图工业污水控制系统流程图以1号机组为例，如图3.2-2所示。图3.2-2工业污水控制系统流程图梯形图见附录A。3.2.4 软件的仿真 1、如果两机组同时开始工作，进入反洗工序时，1号机组优先工作，2号机组等待。 1号机组进入反洗工序，接通空气压缩阀、排污阀和反洗铃。空气压缩阀、排污阀和反洗铃工作，PLC监控如下图3.2-3所示。图3.2-31号机组进入反洗工序2号机组等待，1号机组工作时，2号机组不工作，等1号机组反洗工作完成后，再进入反洗
29、工作，PLC监控如下图3.2- 4所示。图3.2- 4 2号机组等待2、当出现“管压差高”信号时，立即停止滤水工序，自动进入反洗工序。“管压差高”信号出现，Q0.6闪下一下，立即停止正在进行的滤水工作，Q0.0，Q0.2，Q0.4灯灭，PLC监控如下图3.2-5所示。图3.2-5“管压差高”信号出现自动进入反洗工序，Q0.1，Q0.3，Q0.5开始工作，PLC监控如下图3.2-6所示。图3.2-6 自动进入反洗工序3、当污水二次处理完后，计数器计满2次，Q0.7亮，表示工作完成，PLC监控如下图3.2-7所示。 图3.2-7 工作完成第四章 组态的设计4.1组态技术简介4.1.1组态技术概述在
30、传统的自动化解决方案中，自动化控制实际上是由各种独立的、分离的技术和不同厂家的产品来搭配起来的，比如一个大型工厂经常是由过程控制系统、可编程控制器、上位监控计算机、SCADA系统和人机界面产品共同进行控制。为了把所有这些产品组合在一起，需要采用各种类型和不同厂商的接口软件和硬件来连接、配置和调试，这个过程就称为工业自动系统的组态。简单来讲，组态的概念最早来自英文Configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者的要求。4.1.2组态软件的特点组态软件最突出的特点是实时多任务。例如，数据采集与输出、数据处理
31、与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务要同在同一台计算机上同时运行。下面是组态软件主要解决的问题。1、如何与采集、控制设备间进行数据交换。2、使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来。3、处理数据报警及系统报警。4、存储历史数据并支持历史数据的查询。5、各类报表的生成和打印输出。6、为使用者提供灵活、多变的组态工具，刊物仪适用不同应用领域的需求。7、最终生成的应用系统运行稳定可靠。8、具有与第三方程序的接口，方便数据共享。4.1.3组态软件的设计思想在单任务操作系统环境下（例如MS-DOS），要想让组态软件具有很强的实时性，就必须利用中断技术，这
32、种环境下的开发工具简单，软件编制难度大，目前运行于MS-DOS环境下的组态软件基本上已经退出市场。在多任务环境下，由于操作系统直接支持多任务，组态软件的性能得到了全面加强。因此组态软件一般都由若干组件构成，而且组件的数量在不断增加，功能不断加强。各组态软件普遍使用了“面向对象”（Object Oriented）的编程和设计方法，使软件更加易于学习和掌握，功能也更强大。一般组态软件都由下列组件组成：图形界面系统、实时数据库系统、第三方程序接口组件、控制功能组件。4.2组态的使用4.2.1新建工程 启动“组态王”， 选择菜单“文件新建工程”或单击“新建”按钮，单击“下一步”继续，在工程路径文本框中
33、输入一个有效的工程路径，单击“完成”完成工程的新建。4.2.2建立画面进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，在“画面名称”处输入新的画面名称，点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统。开始画图。4.2.3外部设备及I/O变量定义1、选择工程浏览器左侧大纲项“设备COM1”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，如图4.2-1所示。图4.2-1 设备配置向导2、选择“S7-200系列”的“PPO”项，单击“下一步”；3、为外部设备取一个名称，输入PLC，单击“下一步”；4、为设备选择连接串口，假设为
34、COM1，单击“下一步”；5、填写设备地址，假设为2，单击“下一步”；6、设置通信故障恢复参数(一般情况下使用系统默认设置即可)，单击“下一步”；4.2.4定义I/O变量打开“数据库数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框；输入变量名，选择I/O类型，连接设备中选择原先定义的PLC，在寄存器中选择PLC中控制的点。组态画面的参数定义，如表4.2所示。表4.2 组态画面的参数定义4.2.5建立动画连接1、 回到画面，根据画面内容，双击打开连接对象，在表达式中（？处点击）选择所要连接变量；2、保存画面。切换到view 状态；4.2.6组态仿真组态图以1号机组工
35、作为例：（由于画图时，污水池里不能画磁滤器、反洗铃，所以磁滤器、反洗铃用灯表示，画在污水池的外面）1、按下开始工作按钮，接通磁通电源，磁滤器开始工作，工作灯亮，进行滤水工序（即接下去的进水阀、出水阀工作），组态仿真如下图4.2-2所示。图4.2-2 污水处理系统开始工作2、出现管压差高信号，正在进行的滤水工序立即停止，管压差高信号灯闪一下后，自动进入反洗工序，组态仿真如下图4.2-3所示。图4.2-3 出现管压差高信号3、进入反洗工序，空气压缩阀、排污阀、反洗铃工作，组态仿真如下图4.2-4所示。图4.2-4进入反洗工序4、系统计数2次后，完工指示灯亮，表示污水处理完成，工作人员看见指示灯亮着
36、，就可以关闭电源，完成工作，组态仿真如下图4.2-5所示。图4.2-5 污水处理完成参考文献1张培山、钟昆基于PLC的污水处理厂自控系统的实现控制系统20062何献忠工业污水处理的PLC控制应用湖南冶金职业技术学院学报20043杨劲松、刘冬明、刘军良工控组态技术高职院校电气、电子类专业校本教材20064徐国林PLC应用技术机械工业出版社20075廖常初S7-200 PLC基础教程机械工业出版社20066谭维瑜主编电机与电气控制机械工业出版社20037何衍庆可编程控制器原理及应用实例M 化学工业出版社19988徐国林PIC应用技术机械工业出版社2007.1（2009.7重印）112-115，126-128附录 A程序梯形图：注：由于在PLC上仿真，时间只能缩短，把原来的40分钟改成了2秒钟，把原来的1分钟改成了3秒钟。致谢 首先，感谢我的导师，在这几个月里她给了我很多指导性意见，并且教会了我很多不懂的知识。她治学严谨细致，一丝不苟。她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。这篇论文的每个细节和数据，都离不开您的精心指导。 其次，要感谢我的同学，在设计期间，他们给我指出了很多细节上的错误，正是由于他们的帮助，才使我的论文日趋完善。装 订 线34 共 33 页 第 页