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现代水工业自动化必须走信息控制一体化的道路&br&兼谈实用(正文)
现代水工业自动化必须走信息控制一体化的道路&br&兼谈实用
     ??? 个人简介：陈运珍，北京市市政工程设计研究总院总工。主要研究领域为：市政供水工艺技术、工业供水技术、供水管网技术与管理、规划、自控模拟、信息化管理、泵、自控系统及软件 。 ??? 承担过北京及深圳市供水调度广域网络系统工程及北京水源九厂、深圳东湖泵站等几十项大中型给水排水的供配电系统及复杂的综合自动化监控系统工程的设计任务、承担过深圳雅园立交等几十座现代化立交道路工程的供配电及监控系统设计任务、参加过“干式变压器”等多项国家规范制定工作、参加过“大功率变频装置”等多项高新产品的评审工作，被北京市人事局等多个单位聘为评标专家，评过几十项工程的标。??? 摘 要：城市水工业是一个传统的基础企业，自动化控制系统发展太慢，跟不上我国其他行业。21世纪是数字化、信息化和网络化时代。随着IT技术、高端的计算机技术、虚拟技术、嵌入式技术以及各种高端的先进控制技术的迅猛发展，只有创建最现代化最科学的自动化控制技术，才能建造经济持续发展的新型水企业。??? 关键词：信息控制一体化；实用以太网；PAC；现场网络技术；交换机 ??? 1 水工业自动化面临新的挑战 ??? 城市上下水处理、工矿企业污水处理、城市楼群二次供水、上水水质深度处理、城市中水处理、江河湖泊的环保治理，都是城镇现代化的基础。这些工程规模越来越大，系统越来越繁杂，大大小小泵站越来越多，上下水及中水管网像蜘蛛网一样遍布城乡的每个角落。随着“十一五”规划的实施，城建缺水将更加严重，水的资源将更加穷泛，城市污染将更加危害。国务院拨出巨资规划许多南水北调项目。对严重缺水的北方城镇来说，也只是车水之薪。据统计和预测：全国城市缺水2×108m3/d，污水排放量是6×108m3/d，工业废水猛增到2×108m3/d。国务院拨巨款，每年新建扩建水工程600×104m3/d，污水工程700×104m3/d。 ??? 40多年来，笔者参加过数十项大中小型的给水排水处理工程中电气与自控方面的设计任务。承担过北京和深圳等大城市供水调度系统和源水调度系统的设计任务。笔者认真研究了国内将近十年来典型的自动控制系统的运转实例，我国水企业的自动化水平比国内其它行业要落后10年左右。在新形势下，如何使这个传统的基础企业在经济全球化的环境中具有立足之地？水工业综合自动化的核心技术是什么？建立什么样的自动控制系统？是摆在所有投身水行业的科技工作者面前的严重挑战。 ??? 2 现代化水工业对自动化控制系统的要求??? 2.1现代化水工业发展的特征和基因要素??? 各大城市和各工控企业要做的给水排水或污水处理项目，不管实际情况有多么不同，但对一个现代化的水企业，都有一个共同的特征：生产模式要泵性化。才能适应当今市场的各种需求；供需能力国际化，不断地节省成本，缩短市场的供应期；产量研发快速化，尽快适应水量周期日益缩短的趋势；竞争优势联盟化，最大限度满足客户的要求。 ??? 在激烈竞争的世界经济环境中，要使水企业取得竞争优势，不仅在信息化、网络化建设的工厂策略方面，要以本企业的经营策略快速高效的高度融合，还必须具备三方面的”基因要素”：极强的应变能力、极强的应变速度、极强的求知力度。 ??? 2.2 现代化水工业对自动化控制系统的要求 ??? 总结国内外成功与失败的经验和教训，就不难看出，国内外一些水务集团之所以能越做越强，就是在三个”基因要素”方面做得更好。对三个”基因要素”进行深刻的剖析，一个立于不败之地的水企业对现代自动化系统的要求如下： ??? 2.2.1要有极强的应变能力??? 一个现代化的水企业，必须强化对变化的洞察能力，对经营模式的重构能力，控制系统要支持各工艺流程中核心技术的形成能力；系统要支持对风险的应对能力。 ??? 2.2.2 要有极强的应变速度??? 一个现代化的水企业，应尽快革新陈旧落后的工艺和设备，经营模式改变了，就要创新，具有对变化相应的快速性；对一些没有通信功能的陈旧的监测仪器和变送器、传感器、执行器要尽快更新。 ??? 2.2.3 要有极强的求知力度??? 经济全球化后，市场竞争非常激烈，现代化的自动控制系统，要支持市场竞争的决策力；系统要增强数据与信息资源的应用能力；要增强数据资源的提炼能力；要增强成熟知识的模型转化能力。十年来新建扩建的水处理企业，虽然在某些方面取得了进展和实效，但是要真正达到上面的三个”基因要素”，只是万里长征走完了第一步。一个现代化水企业对监控系统的特性和要求，归根结底还是要在企业现场、基础数据的获取上下功夫，使创建的新系统能覆盖企业网内外及最低层的生产活动上面，而且要速度快、精度高，工序流程在网上有极好的整合，系统控制要稳定、实用、快速和可靠。 ??? 3 只有科学的信息控制一体化，才能创建有持续发展的现代化水企业??? 3.1 我国水工业自动化现状分析 ??? 与其他系统企业相比，传统的中国水企业自动化水平要落后十年左右。上世纪八十年之前的水企业监控系统以分立元件为主，各种水质分析仪表、加药系统、水位、温度、压力、流量以及供电系统的各种参数监测的变送器、传感器、执行器、纸质记录仪等，笨重粗大、功能低下，当时价格非常昂贵，监控中心只能是个别参数的显示。 ??? 上世纪90年代之后，在水企业工程中先后设置了PID调节、比值、前馈、后馈、FCS、DCS和最初的以太网技术，经历了几次重大的变革，自动化水平有了较大的提高。但是，成千上万件的现场设备还是处在”孤岛”状态，独立于自动化系统之外，”瓶颈”问题到处存在，上面管理决策部门对各水厂车间的工艺流程的生产状态不能在线获取。供应链营销服务、管网监测都在脱节状态下生存。 ??? 最近五年来，许多大城市水企业，构建了PLC及FCS现场总线系统，或者上了DCS和工业以太网技术，但数据不全，传上来的一些数据也不能共享，利用率极为低下，严格来讲不能算作自动化系统。更不用说，许多没有搞自动化建设的水企业了。许多工程设计的工业以太网＋TCP/IP协议的监控系统，绝大多数在ISO/OSI七层通讯模型中的物理层、传输层、网络层和数据连络层。现场车间中用的PLC控制器为主，即在应用层和表示层、会话层中用的很少。纵向和横向的各种数据还是没有整合。 ??? 3.2 现场网络用FCS还是用实时工业以太网的比较??? 众所周知，FCS现场控制总线是专门按照现场通讯的要求来开发的，基本满足现场信息传输的实时性要求，使用方便、诊断功能强，比DCS系统更经济和自动化，数字化、开放性是它的最大的亮点。但是，FCS现场总线不能完成大数量的数据传输，较多采用主/从控制方式，不容易实现控制系统传输要求，各大厂家开发的软件技术并不兼容，无法实现总线并构，它们变成一个又一个的”孤岛”，使”不明就里”的广大用户吃尽了苦头。 ??? 今天，实时的工业以太网技术在水行业中也得到了最广泛的应用，它的多主站、通用性、可以同时采用不同速率来传输大数量数据信息，这正好补充了各种FCS现场总线的不足。基本上满足了水工业系统各企业现场的生产管理与OFFICE系统通讯的要求。 ??? 3.3 水工业的现场控制网络必须采用实时工业以太网??? 相较于过去常用的12种FCS现场总线，除了上面提到的以外，实时工业以太网还具有一系列的优势。 ??? （1）采用公认TCP/IP通讯协议，现场层极易与Internet连接，实现各公司与众多现场层流程控制的无缝连接。价格低廉、稳定可靠，通讯速率高、软硬件产品丰富，支持技术非常成熟，是工艺系统最受欢迎的通讯网络。 ??? （2）随着快速以太网和变换式以太网的迅猛发展，基本上解决了初期工业以太网的确定性问题，其通讯速率一再提高，从10Mb/s, 100 Mb/s增加到今天的1000Mb/s, 10 Gb/s。这是FCS系统无法比拟的优势，在数据吞吐量相同的情况下，这意味着网络负荷的大幅减轻，网络碰撞的几率大大降低，提高了网络的确定性。 ??? （3）采用星型网络拓扑结构，功能强大的交换机可将网络细分为若干个网段。交换机之间，通过主干网络进行连接。交换机可对网络上传输的数据进行过滤处理，使每个网段内的节点之间数据的传输只限制在本地网段内进行而不需要经过主干网。使本地数据传输不占其它网段的带宽，从而，大大降低了所有网段和主干网的网络负荷。交换机种类很多，我们用的最多的是西门子赫思曼、罗克韦尔自动化、研华等公司的产品。研华公司的EK1—C、7659CP等各种交换机和转换器，符合IEEE802等通信标准和10/100/1000BASE—TX等要求，具有接口方便、网上诊断、不同的配置、冗余、安全、流量控制等各种功能，又有ESD电源浪涌、反向电源、过载等保护，可工作在恶劣的工业环境中。 ??? （4）其中一对线专门发送数据，另一对线专门接收数据，这样的交换式全双工的实时工业以太网就消除了数据在网络上碰撞的问题，使Ethernet通讯的确实性和实时性又大大提高了一步。 ??? （5）实时工业以太网可持续发展的潜力巨大。监控主站计算机，通过Internet能实现管网GIS地理监控系统及众多远程的取水泵站，取水头部的I/O接点实现无缝连接，可在主站中心或任何网上链接的其他地方，进行修改整合或监控管理。 ??? 3.4 尽量采用嵌入式技术??? 采用嵌入式技术，将过去的FCS、DCS、PLC、GIS、OAS办公自动化系统，所有现场测控系统及主工艺流程所应用的先进控制技术（如来水量预测、模糊神经网络技术、在线监控的加药系统，污水生物废气处理的人工智能仿真闭环监控系统等等）都纳入到”Internet+RTE+TCP/IP协议”为主要模式的信息控制一体化系统中去。 ??? 众所周知，嵌入式技术将成为21世纪发展最快的IT产业。嵌入式系统是以应用为中心，以高端的计算机技术为基础，软硬件可以任意裁剪，适用于应用系统对多任务、高可靠性、低成本、体积小、功能强等有严格要求的专用计算机系统。也可以说是：嵌入到对象体系中的专用计算机系统，用来实现主站监控系统对其他设备的控制、监视或管理等功能。 ??? 下一代的网络设备中，嵌入式设备将大大增加，约占70％左右，并与Internet联网。很多年前就有专家们预测，2010年是嵌入式Internet时代，这一时代将会产生比PC时代多成百上千倍的瘦服务器，能在Internet网上，自动、实时、方便、简单地提供网上任何需要的这些信息的对象。嵌入式系统是实现水工业信息控制一体化的不可缺少的高新技术。 ??? 一个城市的水务集团公司，只有充分采用嵌入式系统，彻底改造过去的传统仪器仪表，彻底改造一切与信息控制一体化不相配套的变送器、传感器、执行器、阀门、机电产品，将Internet功能和Ethernet功能嵌入到过去构建的各种现场控制系统（FCS）、PLC系统、DCS系统或初期的工业以太网监控系统的设备中去，才能真正实现全公司系统的信息控制一体化的监控目的。 ??? 3.5 符合信息控制一体化的实时工业以太网（Real Time Ethernet, 简称RTE）??? 水工业工程设计者，在新建和扩建的水处理工程中，再不能采用FCS现场总线了，必须用实时的工业以太网来构建监控中心和各个站级的控制网络，当今水世界，在设备层大多采用PLC可编程控制器，各水处理的厂站级和同级监控中心基本上都用实时工业以太网（RTE）+TCP/IP协议+Internet组建网站。 ??? 目前水工业自动化控制系统越来越复杂。对一个大的水处理工程，过去的DCS系统或FCS现场总线上各单元采用的PLC系统以及用于闭环控制的MC系统，它们的连接要求，高速化、紧密化，整个系统有更多的独立的分散式控制功能器组成，数量巨大的传感器、驱动机构、变速器、仪器仪表要求虚拟化、微型化、数字化、智能化和网络化。但是，过去这些工业PC、OPC和以太网技术，只要被镶嵌在传统的系统结构中去，也只能对系统做些边缘性的提高。所有PLC等控制器还是孤岛独立地控制，是个独立的数据。 ??? 目前世界上有十四种实时工业以太网技术，打破了过去传统的系统结构的坚冰，为真正科学的信息控制系统奠定了坚实的技术基础。 目前最流行的六种实时工业以太网是：EtherCAT、Ethernet、Powerlink、EPA、PROFINET MODBUS-IDA和Etherner/IP等，为了提高网络的实时性能，这些厂家做了大量的研发工作，实时响应时间，都可以作到5～10ms或更低，与过去专门为工业现场的设备通讯设计的FCS现场总线差不多，甚至更快，基本上满足了水工业处理流程的需要，但是对于加药系统精度响应时间的运动控制系统，最好是近百个节点控制响应时间小于1ms左右，而抖动误差要小于1μs左右。这六种实时工业以太网，各自有专利技术。但是，对广大工程设计科技人员来说，还是希望有一个比较实用的公共标准，再不要像现场总线优点和计算机相结合的可重构计算机，对大量的可编程逻辑单元阵列（FPGA）作出灵活的相应配置，还可通过流水线级甚至任务级的并行计算机，使运行速度达通用计算机的数百倍以上；更可随机按需要高速、远程联系网络上各类仪器。 ??? 基于实时工业以太网技术和TCP/IP协议为基础的现场仪器仪表测控网络，使得仪器仪表不再受限于某一特定的计算机操纵，仪器仪表可以独立于计算机而存在。可以和所有的不同级别的计算机一样，在网络上是一个独立的结点，可以自由的灵活的接入以太网任何一点，就是说，可以在以太网或互联网上被任何一台计算机访问，实时的动态的在线监测。 ??? TCP/IP协议嵌入现场仪器仪表上，以TCP/IP方式收发信号，彻底实现互操作性、开放性强的总线标准，以太网和TCP/IP协议的标准就是现场仪器仪表测试系统的通讯标准：开放的互联网结构就是所有的厂站级（乃至公司级的广域网络监控系统）的监控系统结构，可以很方便的在各监控级的分散控制和冗余设置；系统故障就可以大大降低，监控系统的安全性和稳定性很高；增强了现场数据处理能力和关键的某工艺流程闭环先进控制技术的应用水平。 以TCP/IP协议为基础的现场测控系统将每台网上计算机和各厂站级仪器仪表有机的联系在一起。如某一厂站采集数据后可按需拷贝多份送往各需要部门，或者定期将测量结果送往远方数据库保存，需要时可随时调用，即使身处异地的不同用户也可同时对同一过程进行监控。 ??? 接入以太网络的仪器仪表和计算机软硬件资源，其性能可能差别很大，然而一旦组成网络环境，就可对不同功能的计算机分配不同的任务，不同功能的仪器就可以统一调用，从而使网络系统的性能达到最佳，不同用户可在网上任何地方进行数据采集、分析和在线修改。厂站级EIHERNET（以太网）能把各种功能的计算机和各种功能的仪器仪表，最有效的连接到互联网上，以便组成公司级的以互联网为基础的综合自动化监控系统。 ??? 4?现场网络技术是实现信息控制一体化的必要条件??? 从小系统到大系统，从单一的水厂到大城市水务集团众多水处理工程与管网技术信息集中监控的设计中又是关联整个系统的结构体系，涉及到整个系统的全局性和根本性的问题。特别是众多分散的厂站级现场网络，像人的四肢的神经网络，它是源头。 ??? 4.1 好的现场网络为构建新型的信息控制系统创造了条件??? 新型实用的工业以太网，可以使网络延伸到自动化系统的最底层——各种水质仪器仪表和现场设备，不仅能横向整合现场信息资源，做到快速响应，也能纵向整合现场信息与企业管理信息，建立全局性的自动化系统，以达到准确诊断、及时调控、快速维护、远程监控、管理服务。就可以满足企业领导层的运筹决策，能做到及时参与全球化的竞争要求。 ??? 4.2 好的现场网络为创造全数字化的开放的信息控制一体化系统奠定了基础??? 一个好的现场网络架构，可以快速和科学的使基础数据构成有序的数据集合，形成对本企业运营全面完整的精确描述。在上一级的监控中心，可准确地集成主工艺流程中各种先进控制技术专用的数据集合的在线应用，达到数字化实现系统的高精度，高闭环调控的目标。 ??? 过去，各大城市的给排水的工艺电气自动化专家们，利用贷款和政策的巨资支持，引进了许多高精度的水质分析仪器仪表，配置了昂贵的工控机、多功能的数据库、大型的显示盘，也采用了GIS管网监控系统，用水量预测，投药量闭环控制，溶解氧控制、污水处理的PBF人工神经网络，污水处理中SBR工业流程的模糊控制技术等的软件和硬件的系统配置，其功能收效甚微，没有真正发挥其高精尖测控仪表的作用：就是因为没有一个完全开放的好的现场网络。 ??? 生产过程控制参数的精确设定，生产实绩、设备和流程状态的信息，都是企业信息的重要组成部分，要通过现场网络在线的无距离的精确的实现。这种最底层的控制网络，就在现场控制层，它对应控制系统的三层结构。如图1所示。 ???????????????
????????????????????????? 图1 现场网络概念结构图 ??? 一个理想的数据结构体系，必须创建一个理想的现场网络结构作基础，才能支持和促进本企业的基本要素生长发展的环境。 ??? 4.3 好的现场网络技术为实现本企业的”生命周期成本”开辟美好的前景??? 每建一个水处理工程，对本企业的建设成本、维护运转成本、出厂水质精度、环境污染改进加成本，企业的寿命周期，从工艺到电器，从信息到控制，都要高瞻远瞩的精打细算，如何做到单位水产值耗电量最低，是我们一直追求的目标。 ??? 一个好的现场网络，才能为我们所追求的目标铺平道路。这个”生命周期成本”，对工程建设成本和长期运转成本的节约降耗，必须用科学的数字来进行全面比较。有了好的现场网络系统，就能利用上下左右，企业内外的资源信息优势，最大限度的发挥现场设备的全部功能，就能带来最低的维护运转成本。一般来说，长期的运转成本节约降耗，远远大于初期建厂的成本节约。 ??? 5 PLC、PC和PAC谁主沉浮??? 5.1 PLC、PC和PAC比较 ??? 从事工程自动化设计的人员都很清楚，在上世纪60年代，使用机械继电器进行工业控制，到60年代末，出现了世界上第一台PLC，大多采用原始的继电器框图的梯形逻辑来编程，80年代至90年代，采用PC机进行工业控制，但PC机有以下弱点：稳定性差、可靠性差，虽然灵活性多了，但编程非常困难。之后，PC机不断智能化，软件功能提高了，可执行复杂工程的高级任务；PLC也不断智能化，扩大了应用范围。在环境恶劣的工业现场，就控制应用而言，PLC依然处于统治地位。 在过去的二十多年中，为了解决比较复杂的大中型给排水工程自动控制，采用了很多”PC+PLC”的混合系统，利用PC进行数据记录、连接条码扫描，在数据库中插入信息并存储，把数据发送到网络上，在车间现场则采用很多的PLC来完成众多的代码控制。这些问题困扰了工程自动化设计者几十年，用这种办法建立的监控系统，难度很大，故障频发，费用昂贵，维护困难。信息纵横不通，瓶颈问题到处存在，每个子系统都是一个孤岛，信息资源不能共享。多年实践经验证明，采用PC和PLC都不理想，只能是一对一，设备数量极大，但控制效果平平。上世纪九十年代初，北京市和深圳市的供水系统的广域网络监控系统，花了大量的人力物力，系统极为复杂，也只能采集到一点现场的信息。 ??? 一个大中型的、复杂的给排水工程，要有一个自动控制、生产管理、运动控制、管网地理信息、供应链、生产调度、工程优化、经营决策等信息系统的全集成架构解决方案。即：控制层、执行层、管理层的不同网络要无缝连接和提供信息数据的高效快速的交换；不同距离、不同时期构建的监控系统网络要无距离的集成；特别是在控制层要有一个统一的软硬件平台，真正解决各个现场的电控、仪器仪表测控、运动控制等多专业的功能性要求；要求为新建工程从工艺流程设计、设备设计及全场的自动化系统设计，调试投运、运行操作、业务管理、文化调度、供应链管理、系统维护等各个环节提供统一平台。 世界上几个大的自动控制制造商，为了抢占市场，在他们各自的专利技术基础上，大力研发新型的产品，来满足迅猛发展的自动化市场需要。这个新产品，ARC ADVISORY GROUP 称它为”可编程自动化控制器（PROGRAMMABLE AUTOMATION CONTROLLER—PAC）”。从2003年开始，GE FANUC 公司在PLC的基础上率先推出了PAC系统，泓格、NI、研华等公司也相继推出了基于PC技术的PAC系统，奥普图公司在原有的分布式控制系统的基础上研发了PAC系统。 ??? PAC与PLC和PC有什么不同？或者说，PAC有什么典型的特性和功能？ ??? （1）具有一个能满足多领域自动化系统设计和开发的统一的通用平台，采用共用的变量标签（TAGGING）和统一的数据库； ??? （2）PAC平台可集成多领域、多专业、多控制任务的功能，在同一个平台上，可实现逻辑、顺序、过程、运动、驱动、仪器仪表测量、数据采集和人机界面等功能； ??? （3）PAC具有开放的、模块化的体系结构，适用于高度分散的自动化环境； ??? （4）允许OEM厂商和最终用户在统一的平台上设置多重控制应用； ??? （5）采用事实上的网络接口、编程语言、安全保障等各种工业标准，使异型和异构的系统之间能快速实现数据交换。 ??? 总之，PAC中既结合了PLC最突出的优点，标准外观、耐用性和可靠性；也结合了PC的诸多优点，丰富的软件功能，强大的数学和通讯处理功能，高度的开放性和灵活性，大容量的存储器功能等。 ??? 总结当今世界，大多采用PLC系统，由于嵌入式技术的强大发展势头，在监控中心采用PC的风头更劲。PAC新产品只出现了三年多，就抢占了许多自动化监控系统的市场，可以预计，在不久的将来，它一定会主导监控系统的舞台。 ??? 6 结束语??? 随着IT技术、嵌入技术、虚拟技术、网络技术、高端工控机技术、步进控制技术的飞速发展，随着工业自动化系统的不断完善，纵观国内外水工业建设的经验教训，自动化监控系统面临着一场革新。 ??? 采用Internet技术，使得集中型自动化系统真正成为带有分散型智能化的网络控制。从上面提到的基因要素和对自动化系统的要求分析来看，必须澄清已经流传了几十年的提法和做法。 ??? 上世纪70年代，日本人提出了”MECHATRONIC”的概念，即”机电一体化”。由于针对机械制造行业的特点，将电气产品有机地集合成一体，突出机与电的整合性，在机械制造行业引起了一场革新，也波及水工业和其他行业，它没有解决多机多控制的通信问题和监控的数据传输问题。 ??? 曾几何时，我国的自动化专家们，提出了”管控一体化”的概念，但是它仅仅侧重于控制层和管理层之间的信息问题，而忽略了如何提高工业控制系统传输的实时性和确定性问题。特别是忽略了现场层各种信息采集和准确传输的关键问题。很难想象，在一个控制系统中管理层不能及时正确的得到现场实时数据时，怎能作出正确的判断？ ??? “机电一体化”是机械工程师提出的概念，”管控一体化”是IT工程师提出的概念。根据上面提到的”基因要素”和对自动化监控系统的要求，自动化系统的工程师们认为，唯一正确的途径是创建新型的”信息控制一体化”。实现”信息控制一体化”的关键是现场控制层采用新型PAC控制器，即”可编程控制器控制系统”。如图2所示。 ??? PAC系统集成DCS、MC、PLC、FCS的优点，将多个控制系统的元素集中在一个平台上，同时更多的考虑了与现场应用之间的联系。纵向和横向的信息都畅通无阻，将管理层、控制层和现场层，企业系统内外的其他网络系统集成的时间减小到最小，就可在网络上无距离的不间断的沟通和交流。实际上，一个科学的水工业综合自动化监控系统就是： ??? INTERNET+RTE+TCP/IP协议+PAC，即科学的、功能强大的、完全开放的信息控制一体化系统。 ?????????????????
????????????????????????? 图2 信息控制一体化结构图 ??? ”网络就是控制器”。我们要抓住现代企业自动化系统的核心技术，开发新型的PAC可编程自动控制器，开发新型的信息控制一体化系统，将传统的水企业竞争力大大提高一步，在经济全球化的浪潮中占领一席之地。
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编辑：林冰
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