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文檔簡介
項目4EthernetIP總線及其應(yīng)用目錄2.1項目描述2.2知識準(zhǔn)備2.3任務(wù)1用PLC控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)2.4任務(wù)2觸摸屏應(yīng)用2025/7/2313:282.1項目描述項目目標(biāo)(1) 學(xué)習(xí)Modbus總線協(xié)議(2) 了解系統(tǒng)的基本構(gòu)成(3) 熟悉SoMachine軟件平臺(4) 學(xué)習(xí)兩種PLC和ATV變頻器Modbus數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)交互的方式(5) 學(xué)習(xí)VijeoDesignerBasic觸摸屏編程軟件的基本操作(6) 學(xué)習(xí)HMI和PLC通訊原理2025/7/2313:282.1項目描述2.實踐環(huán)境
硬件設(shè)備:
軟件環(huán)境:SoMachine編程軟件、VijeoDesignerBasic觸摸屏編程軟件實驗設(shè)備數(shù)量備注TM241CEC24T1施耐德PLCATV320U04M2C1ATV320變頻器,0.37kW71M2-41變頻電機(jī),0.37kWUSBMiniB線1PLC下載程序調(diào)試使用TCSESU083FN018口工業(yè)交換機(jī),Ethernet/IP總線(RJ45口)HMIRXOHCA30011工控機(jī)Ethernet/IP總線(RJ45口)HMIGXU35121GXU觸摸屏4.1項目描述4.2知識準(zhǔn)備4.3操作任務(wù)采用EthernetIP總線實現(xiàn)PLC對變頻器的控制思考題項目4項目描述4.1項目描述1.項目目標(biāo) 1)了解Ethernet/IP以太網(wǎng)協(xié)議的特點 2)學(xué)習(xí)利用Ethernet/IP總線實現(xiàn)PLC對變頻器的控制2.實踐環(huán)境硬件設(shè)備軟件環(huán)境:SoMachine編程軟件、VijeoDesignerBasic1.1編程軟件實驗設(shè)備清單及說明實驗設(shè)備數(shù)量備注TM241CEC24T1施耐德PLCATV320U04M2C1ATV320變頻器,0.37kWVW3A36161Ethernet/IP通訊卡71M2-41變頻電機(jī),0.37kWUSBMiniB線1PLC下載程序調(diào)試使用項目準(zhǔn)備EtherNet/IP全稱EtherNetIndustryProtocol。EtherNet/IP建立在以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)UDP/IP與TCP/IP之上,利用固定的以太網(wǎng)硬件和軟件,為配置、訪問和控制工業(yè)自動化設(shè)備定義了一個基于CIP的應(yīng)用層協(xié)議。EtherNet/IP于2009年正式成CIP協(xié)議的成員,目前由ODVA負(fù)責(zé)管理和維護(hù),在北美、歐洲、日本和中國EtherNet/IP都有廣泛應(yīng)用,世界上最大的汽車制造商通用汽車公司將EtherNet/IP訂為其汽車制造廠的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),施耐德電氣等國際化自動化制造商也紛紛推出了基于EtherNet/IP總線的自動化產(chǎn)品。一、以太網(wǎng)通信模型以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)實際上只是定義了OSI參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層標(biāo)準(zhǔn),即網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)及其參數(shù)的定義和說明(物理層)和報文幀的形成糾錯以及傳輸速率的調(diào)整(數(shù)據(jù)鏈路層)等,數(shù)據(jù)鏈路層和物理層也經(jīng)常被合并稱為網(wǎng)絡(luò)接口層。實際應(yīng)用中OSI模型中的其他協(xié)議分層一般由高層協(xié)議完成,如由TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層,通過高層的HTTP、FTP等協(xié)議實現(xiàn)和最終用戶的交互,以太網(wǎng)模型與OSI互連參考模型對應(yīng)關(guān)系如圖4.1所示。以太網(wǎng)通信模型一、以太網(wǎng)通信模型通常所說的TCP/IP是一組協(xié)議的總稱,即協(xié)議簇,包含100多個互相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,其中IP(InternetProtocol)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層主要協(xié)議,TCP協(xié)議和UDP協(xié)議是傳輸層主要協(xié)議,一般將IP、TCP和UDP視為三種基本協(xié)議,是協(xié)議簇里其它協(xié)議的基礎(chǔ)。TCP(UDP)/IP協(xié)議軟件包主要是對來自應(yīng)用層通信輸出接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP(UDP)/IP封裝,并將封裝后的數(shù)據(jù)包發(fā)送給以太網(wǎng)收發(fā)控制器發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上去,或者對來自以太網(wǎng)收發(fā)控制器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包,并將用戶數(shù)據(jù)傳送給上層應(yīng)用層通信服務(wù)接口,供應(yīng)用層進(jìn)行進(jìn)一步的處理。TCP/IP通信協(xié)議采用了四層的層級結(jié)構(gòu),每一層都呼叫它的下一層所提供的服務(wù)來完成自己的需求。① 應(yīng)用層:應(yīng)用程序間溝通的層,如簡單電子郵件傳輸(SMTP)、文件傳輸協(xié)議(FTP)、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問協(xié)議(Telnet)等。② 傳輸層:在此層中,它提供了節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳送服務(wù),如傳輸控制協(xié)議(TCP)、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)等,TCP和UDP給數(shù)據(jù)包加入傳輸數(shù)據(jù)并把它傳輸?shù)较乱粚又?,這一層負(fù)責(zé)傳送數(shù)據(jù),并且確定數(shù)據(jù)已被送達(dá)并接收。③ 網(wǎng)絡(luò)層:負(fù)責(zé)提供基本的數(shù)據(jù)封包傳送功(但不檢查是否被正確接收),如網(wǎng)際協(xié)議(IP)。④ 網(wǎng)絡(luò)接口層(以太網(wǎng)):對實際的網(wǎng)絡(luò)媒體的管理,定義如何使用實際網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng)、SerialLine等)來傳送數(shù)據(jù)。二、IP、TCP、UDP協(xié)議本小節(jié)簡單介紹TCP/IP協(xié)議簇的三種基本協(xié)議IP、TCP和UDP,第8章將對這三種基本協(xié)議及其所屬的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層的一些概念和原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。1. IP協(xié)議IP協(xié)議中規(guī)定了進(jìn)行通信時應(yīng)遵守的規(guī)則,例如IP數(shù)據(jù)包的組成、路由器如何將IP數(shù)據(jù)包送到目的主機(jī)等。各種物理網(wǎng)絡(luò)在鏈路層所傳輸?shù)幕締卧獮镸AC幀,物理網(wǎng)絡(luò)不同,物理地址(MAC地址)不同,MAC幀格式也不同。IP協(xié)議的作用就是向傳輸層提供統(tǒng)一的IP包,即將各種不同格式的MAC幀轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的IP包,并將MAC幀的物理地址變換為全網(wǎng)統(tǒng)一的邏輯地址(IP地址)。這樣,這些不同物理網(wǎng)絡(luò)MAC幀的差異對上層而言就不復(fù)存在了。正因為這一轉(zhuǎn)換,才實現(xiàn)了不同類型物理網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。IP協(xié)議面向無連接,IP網(wǎng)中的節(jié)點路由器根據(jù)每個IP包的包頭IP地址進(jìn)行尋址,這樣同一個主機(jī)發(fā)出的屬于同一報文的IP包可能會經(jīng)過不同的路徑到達(dá)目的主機(jī)。IP完成尋址、路由選擇和分段組裝功能,路由選擇是以單個IP數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)的,概括而言是確定某個IP數(shù)據(jù)包到達(dá)目的主機(jī)需經(jīng)過哪些路由器。路由選擇可以由源主機(jī)決定,也可以由IP數(shù)據(jù)包所途經(jīng)的路由器決定。在IP協(xié)議中,路由選擇依靠路由表進(jìn)行。在IP網(wǎng)上的主機(jī)和路由器中均保存了一張路由表,路由表指明下一個路由器(或目的主機(jī))的IP地址。路由表由目的主機(jī)地址和去往目的主機(jī)的路徑兩部分組成。其中,去往目的主機(jī)的路徑通常是下一個路由器的地址,也可是目的主機(jī)的IP地址。IP數(shù)據(jù)包在實際傳送過程中所經(jīng)過的物理網(wǎng)絡(luò)幀的最大長度可能不同,當(dāng)長IP數(shù)據(jù)包需通過短幀子網(wǎng)時,需對IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行分段與組裝。IP協(xié)議實現(xiàn)分段與組裝的方法是給每個IP數(shù)據(jù)包分配一個唯一的標(biāo)志符,且報頭部分還有與分段與組裝相關(guān)的分段標(biāo)記和位移。IP數(shù)據(jù)包在分段時,每一段需包含原有的標(biāo)志符。為了提高效率、減輕路由器的負(fù)擔(dān),重新組裝工作由目的主機(jī)來完成。二、IP、TCP、UDP協(xié)議2.TCP協(xié)議TCP位于傳輸層,是一個端對端、面向連接的協(xié)議。該協(xié)議彌補(bǔ)了IP協(xié)議的某些不足,其中比較突出的有兩個方面:一是TCP協(xié)議能夠保證在IP數(shù)據(jù)包丟失時進(jìn)行重發(fā),能夠刪去重復(fù)收到的IP數(shù)據(jù)包,還能保證準(zhǔn)確地按原發(fā)送端的發(fā)送順序重新組裝數(shù)據(jù);二是TCP協(xié)議能區(qū)別屬于同一應(yīng)用報文的一組IP數(shù)據(jù)包,并能鑒別應(yīng)用報文的性質(zhì)。這一功能使得某些具有四層協(xié)議功能的高端路由器可以對IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行流量、優(yōu)先級、安全管理、負(fù)荷分配和復(fù)用等智能控制。TCP協(xié)議是面向連接的。所謂連接,是指在進(jìn)行通信之前,通信雙方必須建立連接才能進(jìn)行通信,而在通信結(jié)束后終止其連接。相對于面向無連接的IP協(xié)議而言,TCP協(xié)議具有高可靠性。當(dāng)目的主機(jī)接收到由源主機(jī)發(fā)來的IP包后,目的主機(jī)將向源主機(jī)回送一個確認(rèn)消息,這是依靠目的主機(jī)的TCP協(xié)議來完成的。TCP協(xié)議中有一個重傳記時器(RTO),當(dāng)源主機(jī)發(fā)送IP包即開始計時。如在超時之前收到確認(rèn)信號,則計時器回零;如果計時器超時,則說明該IP包已丟失,源主機(jī)應(yīng)進(jìn)行重傳。對于重傳記時器,確定合適的計時時長是十分重要的,它由往返時間來決定。TCP協(xié)議能夠根據(jù)不同情況自動調(diào)節(jié)記時時長。TCP協(xié)議所建立的連接是端到端的連接,即源主機(jī)與目的主機(jī)間的連接。網(wǎng)絡(luò)中每個轉(zhuǎn)接節(jié)點(路由器)對TCP協(xié)議段進(jìn)行透明傳輸??傊?,IP協(xié)議不提供差錯報告和差錯糾正機(jī)制,而TCP協(xié)議向應(yīng)用層提供了面向連接的服務(wù),以確保網(wǎng)絡(luò)上所傳送的數(shù)據(jù)包被完整、正確、可靠地接收。一旦數(shù)據(jù)有損傷或丟失,則由TCP協(xié)議負(fù)責(zé)重傳。二、IP、TCP、UDP協(xié)議TCP協(xié)議對應(yīng)用層協(xié)議規(guī)定了整數(shù)標(biāo)志符,稱為端口序號。被規(guī)定的端口序號成為保留端口,其值在0~1023內(nèi)(如端口序號80,用于HTTP)。此外,還有自由端口序號,供用戶程序使用,或者用來區(qū)分兩臺主機(jī)間相同應(yīng)用層協(xié)議的多個通信,即兩臺主機(jī)間復(fù)用多個用戶會話連接。進(jìn)行通信的每臺主機(jī)的每個用戶會話連接都有一個插口序號,它由主機(jī)的IP地址和端口序號組成。在Internet中插口序號是唯一的,一對插口序號唯一地標(biāo)識了一個端口的連接(發(fā)端插口序號=源主機(jī)IP地址+源端口序號,收端插口序號=目的主機(jī)IP地址+目的端口序號)。利用插口序號可在目的主機(jī)中區(qū)分不同源主機(jī)對同一個目的主機(jī)相同端口序號的多個用戶會話連接。TCP/IP的工作流程為:在源主機(jī)上,用戶通過啟動相應(yīng)功能開始TCP/IP通信,應(yīng)用層將一串應(yīng)用數(shù)據(jù)流傳送給傳輸層;傳輸層將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)流截成分組,并加上TCP報頭形成TCP段,送交網(wǎng)絡(luò)層;在網(wǎng)絡(luò)層給TCP段加上包括源、目的主機(jī)IP地址的IP報頭生成一個IP數(shù)據(jù)包,并將IP數(shù)據(jù)包送交鏈路層;鏈路層在其MAC幀的數(shù)據(jù)部分裝上IP數(shù)據(jù)包,再加上源、目的主機(jī)的MAC地址和幀頭,并根據(jù)其目的MAC地址,將MAC幀發(fā)往目的主機(jī)或IP路由器;在目的主機(jī),鏈路層將MAC幀的幀頭去掉,并將IP數(shù)據(jù)包送交網(wǎng)絡(luò)層;網(wǎng)絡(luò)層檢查IP報頭,如果報頭中校驗和與計算結(jié)果不一致,則丟棄該IP數(shù)據(jù)包,若校驗和與計算結(jié)果一致,則去掉IP報頭,將TCP段送交傳輸層;傳輸層檢查順序號,判斷是否是正確的TCP分組,然后檢查TCP報頭數(shù)據(jù)。若正確,則向源主機(jī)發(fā)確認(rèn)信息,若不正確或丟包,則向源主機(jī)要求重發(fā)信息;在目的主機(jī),傳輸層去掉TCP報頭,將排好順序的分組組成應(yīng)用數(shù)據(jù)流送給應(yīng)用程序。這樣就完成了一次TCP/IP的通信。三、EtherNet/IP通信模型EtherNet/IP的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用以太網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用TCP/IP協(xié)議簇,對應(yīng)會話層、表示層和應(yīng)用層的是CIP協(xié)議,如圖所示。EtherNet/IP通信模型四、CIP協(xié)議CIP協(xié)議即CommonIndustrialProtocol,也稱為控制及信息協(xié)議,除了EtherNet/IP,還有DeviceNet和ControlNet也在采用CIP來作為應(yīng)用層協(xié)議。CIP協(xié)議可以通過一個網(wǎng)絡(luò)傳輸多種類型的數(shù)據(jù),完成以前需要兩個網(wǎng)絡(luò)才能完成的任務(wù),而且支持多種通信模式和多種I/O數(shù)據(jù)觸發(fā)方式,具有良好的實時性、確定性、可重復(fù)性和可靠性,特別是可以用基于生產(chǎn)者/消費者模型的方式發(fā)送對實時性要求的數(shù)據(jù)。UDP與TCP位于同一層,UDP是面向非連接的協(xié)議,它直接將數(shù)據(jù)包發(fā)送給目標(biāo)站點,而不建立連接,不保證數(shù)據(jù)包被發(fā)送到目的地,主要用于傳輸少量信息的場合。UDP協(xié)議只是在IP服務(wù)上增加了很少的功能,就是端口功能和差錯檢校的功能。UDP中的報文是一種自帶尋址信息的獨立的從數(shù)據(jù)源走到數(shù)據(jù)目的地的數(shù)據(jù)包。UDP不保證數(shù)據(jù)報的傳輸,也不提供排列次序或重新請求功能。四、CIP協(xié)議1. CIP對象模型和報文與第三章介紹的CANopen協(xié)議類似,CIP也是面向?qū)ο蟮?。CIP用對象模型(ObjectModeling)來描述通信服務(wù)、節(jié)點外部可見行為、操作和交換信息的一般含義,對象模型相關(guān)術(shù)語有:① 對象(Object)——產(chǎn)品特定組件的抽象描述。② 類(Class)——描述同一個組件的一組對象。同一個類的對象其類型和行為完全相同,但可以包含不同的屬性數(shù)據(jù)。③ 實例(Instance)——對象的物理存在,即產(chǎn)品特定組件。④ 屬性(Attributes)——描述對象外部可見的特征,比如狀態(tài)信息或者可執(zhí)行的操作等。⑤ 行為(Behavior)——對象對于不同事件的反應(yīng)動作,比如接收到服務(wù)請求、監(jiān)測到內(nèi)部錯誤時所做出的反應(yīng)。⑥ 服務(wù)(Service)——對象或類可實現(xiàn)的功能。四、CIP協(xié)議CIP中的對象大致有兩類:與通信有關(guān)的對象,如I/O報文、報文路由器對象、標(biāo)識對象等;與應(yīng)用有關(guān)的對象,如應(yīng)用對象、參數(shù)對象、匯編對象。圖4.3描述了CIP對象模型,其中灰色是必需的對象,其余為可選擇的對象。表4.1是施耐德M251支持的CIP對象列表。CIP對象模型四、CIP協(xié)議CIP報文有顯式和隱式兩種類型,顯式報文用來傳輸非實時數(shù)據(jù),如程序上載與下載、系統(tǒng)維護(hù)、故障診斷、設(shè)備配置等;隱式報文含義在網(wǎng)絡(luò)配置時就確定,用來傳輸實時性數(shù)據(jù),如I/O報文等。M251CIP對象列表對象類類ID實例數(shù)接口行為影響標(biāo)識對象011支持復(fù)位服務(wù)報文路由器對象021顯式報文連接匯編對象042定義I/O數(shù)據(jù)格式連接管理器對象061
TCP/IP接口對象F51TCP/IP配置以太網(wǎng)鏈接對象F61計數(shù)器和狀態(tài)信息接口診斷對象3501
IO掃描器診斷對象3511
連接診斷對象3521
顯式連接診斷對象3531
顯式連接診斷清單對象3541
四、CIP協(xié)議2.CIP連接CIP是面向連接的協(xié)議,即在通信之前必須先建立連接,獲得唯一的連接標(biāo)識符CID(ConnectID),連接也分顯式連接和隱式連接兩種類型。顯式連接的建立過程:若節(jié)點A將與節(jié)點B建立顯式連接,節(jié)點A通過廣播發(fā)送帶有B相關(guān)信息的連接報文,B節(jié)點接收報文并判斷是發(fā)給自己的,也以廣播的方式發(fā)送一個包含CID的未連接報文,這樣A和B之間的顯式連接就建立完畢。隱式連接則是在網(wǎng)絡(luò)配置時建立的,過程比顯式連接要復(fù)雜,本書不贅述。CIP支持主從通信模式、多主通信模式、對等通信模式,或者這三種通信模式的任意組合。操作任務(wù)采用EthernetIP總線實現(xiàn)PLC對變頻器的控制任務(wù)要求
TM241作為控制器,采用Ethernet/IP總線協(xié)議,控制變頻器的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行,并且可以實時改變運(yùn)行頻率。一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)TM241作為控制器,編程實現(xiàn)通過Ethernet/IP總線控制變頻器正反轉(zhuǎn)運(yùn)行,并且可以實時改變運(yùn)行頻率。觸摸屏、PLC以及變頻器都是走以太網(wǎng),因此全部掛到交換機(jī)上。雖然都是走的以太網(wǎng)物理鏈路,但是每個設(shè)備采用的協(xié)議不一樣,觸摸屏和PLC走M(jìn)odbusTCP協(xié)議,而變頻器走的是實時性更高的Ethernet/IP總線協(xié)議。整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4.4所示。全部采用超六類標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線,對于變頻器,網(wǎng)線的一端接到變頻器Ethernet/IP通訊卡的RJ45口,另一端接到交換機(jī)上。變頻器的以太網(wǎng)接口如圖4.5所示。二、
變頻器參數(shù)設(shè)置使用變頻器集成顯示終端,對變頻器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,建議在修改任何參數(shù)設(shè)置之前先停機(jī),確保人身安全。采用Modbus通訊方式時,變頻器參數(shù)路徑及含義列于表2.10中,根據(jù)任務(wù)需要,進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。Ethernet/IP通訊設(shè)置參數(shù)路徑設(shè)定值說明COnF---FULL---Con---Cbd---Ethn1選擇Ethenet/IP通訊協(xié)議COnF---FULL---Con---nd1---iPn0手動分配IP地址COnF---FULL---Con---nd1---iPc0手動分配IP地址COnF---FULL---Con---tFoModbus通訊格式COnF---FULL---Ctl---Fr1Pi通過通訊卡給定頻率COnF---FULL---Ctl---CHCFsin組合通道,通過網(wǎng)絡(luò)啟動變頻器三、SoMachine編程軟件平臺的硬件組態(tài)因為采用通訊控制變頻器的方式只能是選擇一種通訊協(xié)議,前面項目1的操作任務(wù)是采用ModbusRTU協(xié)議控制變頻器,因此這里只能新建一個程序,不能在之前的程序的基礎(chǔ)上編寫。1)、新建一個PLC工程,具體操作方法參見2.3.3章節(jié)。2)在M241的Ethernet_1中添加工業(yè)以太網(wǎng)管理器。在設(shè)備樹中右鍵Ethernet_1,添加設(shè)備,選擇協(xié)議管理器中的工業(yè)以太網(wǎng)管理器。三、SoMachine編程軟件平臺的硬件組態(tài)3)在工業(yè)以太網(wǎng)管理器中添加ATV320變頻器。鼠標(biāo)選中工業(yè)以太網(wǎng)管理器,右鍵添加EtherNet/IPtargets,找到Altivar下面的變頻器具體型號Altivar320,雙擊確認(rèn)添加變頻器,并將該變頻器設(shè)備重新命名為Belt。三、SoMachine編程軟件平臺的硬件組態(tài)4)雙擊Ethernet_1,并配置PLC以太網(wǎng)口的IP地址1,以及子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址,三、SoMachine編程軟件平臺的硬件組態(tài)5)雙擊工業(yè)以太網(wǎng)管理器,進(jìn)入Scanner菜單,將首選協(xié)議選擇EtherNet/IP。三、SoMachine編程軟件平臺的硬件組態(tài)6)雙擊設(shè)備Belt,進(jìn)入目標(biāo)設(shè)置菜單,配置變頻器的固定IP地址,即,如圖4.11所示,該IP地址是從站變頻器的IP地址,如果有多個從站,每個從站必須分別不同的IP地址,但是前3個網(wǎng)段要一樣。四、
程序編寫1)按照任務(wù)4的控制要求,我們需要實現(xiàn)變頻器的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行,并且可以實時改變運(yùn)行頻率,因此我們需要建立這些操作的相關(guān)變量,如下圖4.12,BOOL型變量我們可以在觸摸屏制作開關(guān)按鈕與之關(guān)聯(lián),實現(xiàn)對動作的操作,DINT型變量可以在觸摸屏制作數(shù)值顯示和設(shè)置功能與之關(guān)聯(lián),實現(xiàn)對PLC程序中的參數(shù)的顯示和修改。四、
程序編寫2)新建一個POU,命名為SR_Belt,在里面編寫控制程序。并添加到任務(wù)配置的Mast任務(wù)里掃描
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