1 热处理生产过程控制系统
通过对工艺参数、工艺规程以及生产线的自动化控制,能大幅度提高生产效率、保证产品质量、降低安全风险,从而实现现代化生产。近年来,热处理过程的自动化控制向智能化控制发展,即实现了生产过程的自我跟踪、自我诊断、自我优化等功能。表1 为渗碳智能控制技术和传统控制技术的比较,从该表中可以很清楚地看出智能控制技术的优越性。
▼表1 渗碳智能控制技术和传统控制技术的比较

1.1 热处理生产自动控制装置的基本组成
第一部分是测量元件和变送器。它的作用是测量为实施热处理工艺规程及产品技术要求所需的参数,并转换成控制器能够接收的信号。第二部分是控制器(或称调节器)。它把变送器送来的测量信号与设定的信号进行比较,并将比较后的偏差按预定的规律进行计算,然后将计算结果送给执行器。第三部分是执行器。它根据控制器发出的控制信号去操作供电、输气、机械动作等,以实现热处理工艺所要求的参数。图1 所示为热处理炉温自动控制系统框图。在此闭环的控制系统中,控制器是一个关键环节,它包括了对测量信号的处理、测量信号与设定值的比较及控制量的产生。按控制器的类别可以将控制系统分为:常规控制系统和计算机控制系统。

▲图1 热处理炉温自动控制系统框图
1. 常规控制系统。
这种系统基本上都是用自动化仪表组合而成的,一般只有简单的数据处理功能,对信号进行一定量处理,没有运算功能。
2. 计算机控制系统。
这是以计算机为控制器的控制系统,控制程序由软件来实施,可以执行特定的控制算法及复杂的数学模型,甚至具有智能调控功能。
1.2 热处理生产过程控制的分类
1.2.1 根据控制的对象来分,可以分为以下两种:这种热处理过程控制是以 “时间-温度”、“时间-渗剂流量” 等工艺曲线作为控制手段。这种控制结构属于总体上开环、局部闭环的控制方式,采用一般调节仪就能实现控制。但不能对生产过程中发生变化或受到干扰的参数作出反应,保证不了质量的稳定性。这种热处理工艺过程控制以产品热处理最终性能技术要求为目标。例如渗碳,以渗层深度、表层碳含量、渗层浓度分布状态等为目标。这种控制需采用智能调节仪或计算机控制系统才能完成,是一种建立在数学模型模拟仿真基础上的闭环控制系统。这种工艺过程控制,有时要用数字程序控制。1. 生产线顺序控制。除局部热处理工艺过程控制外,要求整条生产线进行顺序控制。这种控制采用顺序控制器、可编程控制器或微机来实施。2. 全热处理车间生产过程控制。较先进的采用集散式控制系统(TDCS) 或称分解型控制系统(DSC) , 它将各设备的控制系统分散,而将全车间的管理高度集中。控制设备分前沿机(布置在设备前)和上位机(监控机)。热处理生产过程中,除了对工艺参数进行控制外,还必须按照一定的工艺路线将零件从一个热处理设备转移到另一个热处理设备,零件在这些设备中顺序完成规定的工艺操作后才能获得预期的性能。这样的过程控制通过顺序控制得以实现。顺序控制,就是发出操作指令后,控制系统能自动地、顺序地根据预先设定的程序或条件完成一系列操作,达到控制目的。顺序控制可以分为:时序顺序控制、逻辑顺序控制和条件顺序控制。控制指令按照时间排列,且每一程序的时间是固定不变的顺序控制,称为时间顺序控制。例如,零件的淬火过程按照一定的加热时间和冷却时间编排控制指令。控制指令按照动作先后次序排列而不是按时间排列,这就是逻辑顺序控制。例如,周期作业炉自动装料过程的控制,炉门打开到规定高度,推杆就自动往炉内装料,炉门打开时间不是控制条件。控制指令不是按时间和先后排列,而是根据事先规定的条件对控制动作有选择地逐次进行控制的顺序控制,称为条件顺序控制。例如,对工件在传送过程中进行挑选,满足条件的工件进入下一道加工工序,而不满足条件的工件则重新处理。电子顺序控制器由各种无触点逻辑元件组成,可分为简易顺序控制器和可编程控制器。

2 热处理生产过程控制所使用的设备和器件
2.1 继电器接点程序控制系统
此种控制系统是由开关元件组成的起 “断、续” 作用的程序控制系统,其基本控制元件是继电器、接触器。其优点是结构简单,调整维修容易,抗干扰能力强。缺点是,有触点,允许的工作频率低,当触点打开时,经常产生电弧,触点容易烧坏,导致开关动作不可靠。目前,该类系统的执行元件正逐渐被无触点逻辑控制系统取代。电源电路(刀开关控制的电源电路、接触器控制的电源电路);
电机正反转控制电路(带互锁的正反控制电路、复合按钮的互锁控制电路);
位置控制电路(限位控制回路、自动往复行程控制电路);
顺序动作控制电路;
两地控制电路;
时间控制电路;
保护电路;
警报电路;
指示电路。
2.2 顺序控制器(包括可编程控制器)
顺序控制器主要有两种类型,即矩阵式控制器和可编程控制器。矩阵式控制器常用的有时序步进式和条件步进式。由于矩阵式控制器、继-接电路这类控制器缺乏存储功能、难以调整修改,逐渐被可编程顺序控制器取代。可编程序调节器是仪表化了的微型控制计算机,它既保留了仪表的传统操作方式,又可以通过编程序来构成控制系统,还可实现比较复杂的逻辑判断。它将过程控制系统中经常用到的运算功能以模块的形式提供给用户,设计人员只需要将各种功能模块按需要以一定的规则连起来即可。PLC采用可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入输出,控制各种型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。PLC一般由微处理器 CPU、存储器、输入输出系统及其他可选部件四大部分组成,如图2所示。

CPU是PLC的核心,能够识别用户按照特定格式输入的各种指令,发出相应的控制指令,完成预定的控制任务。与其他部件之间的连接是通过总线进行的。存储器由系统程序存储器和用户程序存储器两部分组成。系统程序存储器容量
的大小决定了功能和性能;用户程序存储器容量的大小决定了用户程序的功能和任务复杂程度。
“输入/输出” 系统是过程状态与参数输入以及实现控制时控信号输出的通道,包括被控过程与接口之间的电平转换、电气隔离、串/并转换,A/D转换等功能。热处理过程中各种连续性物理量(如温度、压力、压差)于在线检测仪表将其转化为相应的电信号,通过模拟量输入通道进行处理;模拟量输出通道则实现对被控对象连续变化的模拟信号的调节输出。对于各种限位开关、继电器或电磁阀门、手动操作按钮的启闭状态,通过开关量输入通道处理,开关量输出通道用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声/光报警器等的开/关状态输出。这里是指与 PLC 的运行没有依赖关系的一些部件,是PLC系统编程、调试、测试与维护等必备设备,包括编程器、外置存储设备、V/O扩展口、数据通信接口。①所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。②各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为10~20ms。⑥良好的自诊断功能,一旦电源或其他软、硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。⑦大型PLC还可以采用由双CPU 构成冗余系统或三CPU 构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2) 丰富的I/O接口模块。PLC 针对不同的工业现场信号,如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等,都有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备,如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。另外,为了提高操作性能,它还有多种 人-机 对话的接口模块;为了组成工业局部网络,它还有多种通信联网的接口模块,等等。3) 采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。最普遍的 PLC 编程语言是梯形图与语句表(梯形图助记符)。梯形图表达式吸取了继电器路线图的特点,是从接触器、继电器梯形图基础上演变而来的,形象直观,简单实用,是 PLC 主要编程语言。为了使编程语言保持梯形图的简单、直观特点,方便现场编制程序,派生了梯形图的辅助语言-语句表(梯形图助记符)。除了这两种编程语言外,还有一些其他编程语言,例如控制系统流程图编程、逻辑方程、布尔编程表达式以及高级编程等。PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。使用时,只需将现场的各种设备与PLC相应的 I/O 端相连接,即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。PLC的功能包括逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、PID控制、数据控制(数据处理能力)、通信和联网。常见的PLC 主要有霍尼韦尔 DCP50、DCP100、DCP300, ICP1100S, 横河 UP 系列,山武DCP 系列等。

▲图3 热处理炉加热PLC控制原理示意图

2.3 热处理顺序控制执行器
顺序控制系统的执行机构一般包括电器、液压系统、气动系统等。这里简单地介绍这些内容。电器包括电机及各种低压电器,如接触器、继电器、电磁铁、行程开关等。热处理生产线采用电-液联动装置使整个生产线实现自动化。液压传动系统一般由液压泵、液动缸、液压阀和辅助装置(滤油器、油箱)等四部分组成。热处理设备中使用最多的是齿轮泵和叶片泵。液压阀根据其在系统中所起的作用,可分为三类:方向控制阀:如单向阀、换向阀等;压力控制阀:如溢流阀、减压阀、顺序阀等;流量控制阀:如节流阀、调速阀等。
3. 气动系统
气动和液压控制元件的工作原理、元件的组合和实现机构自动化的方法大体相同,但液压油几乎不可压缩,而气体可压缩,因此,气动工作速度不稳定,外部载荷的变化对速度的影响较大,难以精确控制工作速度,效率比较低。近年来,采用气液联合传动方法,综合了两者的优点,扩大了气动的应用范围。
气动系统基本上包括两个部分。第一部分是压缩空气供给装置,包括空气压缩机、后冷却器、储气罐。第二部分是执行装置,即气缸和气动马达。
气缸是气动系统的执行元件,目前尚无统一分类标准和定型完善的结构。
气动控制阀在气动系统中的作用是控制压缩空气的压力、流量和方向。按作用可以分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀三大类;按各种阀在回路中的主从关系可分为主阀和先导阀。直接控制气动执行机构换向的气阀称为主阀,控制主阀的气阀称为先导阀。压力控制阀包括溢流阀、减压阀和顺序阀等,它们的共同特点就是用空气压力和弹簧力相平衡的原理来工作。

3 热处理生产过程控制的集散控制结构
各级之间通过通信网络相连,同级各单元由本级的通信网络联系。由于采用了分布式监控预警系统,使各种不稳定因素分散到各个控制点上,某个点或主机出现故障而不影响其他点的监测,因此具有集中管理分散控制、危险分散、可靠性高的特点。从结构上,系统可以分为上位机和下位机两部分。下位机布置在设备处,采集数据和向上位机传递数据,上位机向下位机传送命令和接受数据。从逻辑上,系统可以纵向分为上下两层;第一层为现场控制层,任务是根据上层指令直接控制热处理设备的温度和气氛等工艺参数;第二层为最优控制层,任务是根据给定的目标函数与约束条件建立系统的数学模型,给出最优控制策略,对现场控制层的控制参数进行设定和PID参数设定。计算机之间和智能控制器、终端之间的数据传送采用串行通信和并行通信方式。串行方式使用线路少,成本低,尤其适合远程通信。RS232C、RS485是工业控制中最常见的两种串行通信接口标准,其中,RS485具有良好的抗噪声干扰性、传输距离远和多点能力,逐渐取代了较早的RS232C标准。软件系统是分散型控制系统(DCS) 的核心,所有的数据收集、工艺设置、调控协调和监视都通过上位机上运行的软件系统实现。大型的软件系统,如 Honeywell PlantScape Vista, 这是一款功能齐备的客户机/服务器监控和数据采集软件。PlantScapeVista基于微软 Windows2000/XP操作系统,具有良好的人机界面(HMI) , 适合于中小规模的制造和过程控制环境,也可以移植到更大规模的系统,可以和 UDC2500等通用温度控制设备集成,甚至可以和第三方公司产品实现集成,它可支持HC900、其他 IM&C产品及可选择的第三方接口,容易实现功能扩展。但是,针对热处理过程目前没有统一的软件系统,基本上是各个使用客户根据实际情况采用 VC/VC++、VB 等可视化语言编制,再通过接口与RS232/C和 RS485 通信。1) 建立、修改工艺条件,根据工艺参数模拟渗碳过程总的碳浓度分布的变化过程。2) 设置渗碳控制器的PID系数、上限值、控制起点,记录保存各仪表的数据。3) 工艺过程操作,实时控制,显示炉温,碳势等参数,并以碳浓度曲线图和过程参数图直观显示炉温、碳势等参数随时间变化情况。4) 报警功能。针对生产过程中出现的各种突发意外情况,及时发出声光警报。

4 热处理生产过程控制系统发展
热处理生产过程控制的发展趋向从常规控制系统向智能化控制的方向发展。根据生产规模和控制特征,目前控制系统大体上有如下等级。如温度、压力、流量、气氛、时间、机械动作及位移等,可以选用常规控制仪表或系统,也可以采用计算机控制系统实现开环控制或闭环控制。如控制温度随时间的变化规程,炉气氛随时间的变化规程等。这种控制基本上都采用计算机控制系统,分为静态控制和动态控制。按固定程序进行采样和控制从的属于静态控制,控制结果采用数字显示。动态控制是即时进行采样和控制,常利用计算机按数学模型运行程序控制,并可随时改变和处理控制程序,控制的结果可在计算机屏幕上以曲线或动画即时显示。这是把热处理的最初始的资料,如工件、钢材、技术要求、工况等及工艺过程的基本数据输入计算机,计机将模拟热处理工艺过程,自动地确定和提供热处理工艺参数。它是将热处理原理、材料学、弹塑性力学、流体力学、数学等多学科理论知识加以集成,建立定量描述热处理过程中各种现象及其相互作用的数学模型;用计算机模拟热处理生产条件下工件内温度场、浓度场、相变和应力场的演变过程,作为制订合理的热处理工艺和开发热处理新技术的依据;在生产过程现场中实时监控,修正工艺参数,使生产过程始终处在最优的工作状态。整个热处理生产线,包括各热处理工序、各机械动作、各工艺参数等通过智能控制技术、CAE/CAM一体化系统、智能化传感与测试技术、生产纪录的管理和利用等子系统协调组成。其中,热处理 CAE/ CAM具有自动生成优化的热处理工艺,自动实现生产过程的自动控制,自动处理各种因素的影响和在生产过程中自动补偿偏差对热处理质量影响的功能。此控制属于集散式控制系统(TDCS) 或分散型控制系统(DCS) , 结构上将各设备的控制系统分散,而将全车间的管理高度集中。这种控制系统是以微处理器及微型计算机为基础,集成了计算机技术、数据通信技术、显示技术和自动控制技的
计算机控制系统。分布于生产过程各部分的以微处理器为核心的过程控制站,分别对各部分工艺流程进行控制,又通过数据通信系统与中央控制室的各监控操作站联网,操作员通过监控终端,可以对全部生产过程的工况进行监视和操作,网络中的专业计算机用于数学模型或先进控制策略的运算,适时地给各过程站发出控制信息、调整运行工况,因此称为集散控制系统(TDCS) 。分散控制系统可以组成热处理炉的数据采集系统(DAS) 、自动控制系统(ACS) 、顺序控制系统(SCS) 及安全保护等,完成数据采集与处理、控制、计算等功能,便于实现功能、地理位置和负载上的分散,实现计算机过程控制。目前已有成熟的DCS控制设备,如HC900、PKS等。
4.6 热处理生产与管理全面控制
此种控制系统,除完成热处理工艺过程控制任务外,还能完成整个企业生产调度、生产计划、材料消耗、成本核算、设备检修和维护等企业管理任务,实现信息化的热处理生产管理决策。实际上,热处理的生产率、经济效益和质量保障都和生产管理水平密切相关,例如,空炉升温和冷却造成的蓄热损失在总能耗中占相当大的比例,在满足企业的生产计划和物流动化的要求,以及满足不同用户对热处理协作件交货期要求的前提下,合理安排热处理生产计划,就有可能大幅度降低热处理能耗。通过电子商务组织异构协作,能有效地提高热处理劳动生产率,进而将信息化的热处理生产管理系统也纳入整个企业的生产管理系统(ERP) 。控制技术正在由分散型过程向网络集成化方向发展,将支持广域网(WAN) 、局域网(LAN) 、虚拟专用网络(VPN) 、标准网络硬件设备、Internet/Intranet 连接、通信协议等。其最终目的是让检测和控制实现完全分散化状态,生产控制与办公网络实现一体。分散的传感设备、VO数据、过程控制器,依赖于高速通信通道工业总线组合成分散控制系统(DCS) , 满足了连续过程控制应用的需要,又适合了分散顺序和运动控制的需要。进一步利用以太网和其他基于现场总线的技术,连接到采用商用操作系统的开放式过程控制系统中,具有基于Web技术信息分布形式和其他数据服务功能的特点。图4 以 Honeywell 混合控制系统为例,通过PlantScape Vista 模块化监控软件实现生产管理控制。

生产过程控制的发展趋势是 FCS (Field Control System) , 即总线控制系统或现场控制系统。FCS是一种分布式的网络自动化系统,其基础是现场总线,形成了从测控设备到操作控制计算机的数字通信网络,适应了网络发展的要求,因而成为控制网络的发展方向。与FCS相比,DCS由于采用独家封闭的通信协议,不同厂家的设备不能互连在一起,系统和外界之间的信息交换难于实现,给用户的系统集成和应用造成了不便。FCS是开放式系统,采用了一套标准的通信协议,把测控设备和控制系统完美地结合在一起,使设备之间的互操作变得方便、快捷,用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总线,达到最佳的系统集成。但目前FCS尚未成为主流,原因在于,FCS和 DCS的相比,FCS系统采用的是数字化通信,省去了D/A与A/D变换,虽然提高了精度,但是对传感器的要求也高了;DCS大多为模拟数字混合系统,不需要全部更换测量设备,更适合当前的生产需要。

附:实例——多用炉生产线控制
对于密封箱式多用炉生产线的结构及控制系统,各生产厂的产品有较大差异,以下介绍某生产线的一些控制形式。
一、 生产线组成
3台密封箱式渗碳炉,1台清洗机,2台回火炉,2台升降平台(装料台),2台固定平台(装料台),2台吸热式气氛发生炉,氧碳扩散控制计算机,氧碳控制仪,氮气、氨、丙烷汽化等装置,以及测定和校正碳势的辅助仪器,即箔片天平和露点仪。
二、控制系统和控制任务

温度控制系统由热电偶、智能调节仪和晶闸管组成。温度信号同时传输给氧碳控制仪和计算机。①中央指令系统:氧碳扩散控制计算机(O. C. D) 。②二级控制系统:可编程序控制器,碳势控制仪(或氧碳控制仪)。检测炉气氛碳势的直接仪表,常放置在炉前操作,故常称前沿机。该系统以氧探头作传感器,检测炉气氛氧含量,以氧电势输出,在碳势控制调节仪中与设定值进行比较,进行PID运算输出控制量,控制执行元件,调节富化气供入量,同时把氧电势传输给计算机。

▲图6 碳势控制系统
其主要功能是按工艺要求对炉内机械动作实行自动控制。密封箱式渗碳炉可实现三种工艺方式,即直接淬火、重新加热淬火和气体淬火。它们的操作程序都储存在可编程序控制器中。①工艺过程自动控制。按渗碳工艺要求分为三类:渗碳工艺、修正渗碳工艺(即对已渗碳工艺的返修工艺)和保护气氛热处理。这三类工艺又可按不同淬火方式分别编制程序。计算机工艺程序编制是通过键盘输人的,输入材料数据和过程数据,例如,钢材碳含量、合金化系数、炭黑极限、炉气中H2、CO含量,有效硬化层深度及其碳含量等;再输入各个程序段的数据,如设定温度、设定渗碳最终要求达到的渗层深度等。计算机按工件最终目标进行控制,调节工艺参数,当达到99%的渗碳层深后,炉温降到淬火温度并保温,到达要求的渗碳深度后,工件出炉送往淬火槽。②渗碳工艺的模拟仿真功能。在计算机控制中,通过模拟运算可实时显示温度和碳势工艺曲线及实时记录曲线、表面碳浓度梯度、设定温度和碳势、实时渗层深度和时间等内容。从而以总览的形式表示各种温度和碳势的状况。采用双速电动机,有负荷时慢速运动;空载时快速运动。由可编程序控制器按工艺过程要求控制。工件入油淬火时,升降台下降速度由快变慢,由双速电动机带动。3) 两台独立的淬火油搅拌装置,其搅拌速度可变,在工件入油后可分期控制淬火强度。以上机械动作的传动电动机,除炉门、中炉门和搅拌风扇外,均采用双速电动机,均由可编程序控制器控制,在程序控制下实现自动切换。4) 控制装卸料、淬火升降台、炉门和炉顶风扇的电动机一旦停电,均可用手柄摇动。为了加快渗碳后工件在前室的冷速,除在前室顶部安装有大功率的离心风扇外,为防止在前室壁结露,还在其顶部和两侧面安装了扁平油箱,内充普通全损耗系统用油,热油通过循环泵进入炉体外侧的水冷却器。在进入冷却器的热油管路上安装了一个温度传感器,控制供水阀的开度,实现了前室炉壁油的自动循环冷却,其油温控制在70℃左右。

三、生产线控制
回火炉设有料盘推拉料装置、风循环装置及温度控制装置。温度控制是一个独立的系统,其余控制均按程序由可编程序控制器控制。
该自动线配备了2台吸热式气氛发生炉,其主要技术规格如下:
外形尺寸:1900×1150×2000mm
发生炉上安装的CO2分析仪为MAIHAK UN-OR-4N型,用来测量和显示保护气的CO2含量。对CO2的控制是依靠818型CO2控制仪进行的,而执行器就是空气旁路上的调节电动机。发生炉的炉温控制亦用818温度控制仪完成。这些控制仪都具有PID调节功能,使保护气的CO2含量稳定在较小的波动范围内,重量2.5t。为了防止开始产气时保护气中的水分进入红外仪,产气开始先将样气导入一个水冷装置中,它具有类似镜面露点仪的功能,如果气体露点较高就在冷却室周围出现积水,这时应继续调整气体混合比,直至露点室无结露现象,再通过手动阀门将样气导入红外仪。这一设计不仅保护了设备,而且对操作也带来很大方便。该发生炉还具有完善的安全报警功能,对供水不足、丙烷气不足、混合气进口回火、炉罐超温、CO2超过控制极限及气体排放点燃故障等故障状态均会发出声、光报警。清洗机由中央部位的清洗、喷淋室和左右两侧的清水储箱、碱水箱组成。清洗室内装有升降台和活动喷头的清水储箱和碱水储箱,底部均装有电热管,每一加热区均有膨胀杆式热动开关控制温度,由液位监测器和电磁阀联合控制液位并自动补充新液。每个储箱的外侧均装有溢流管和废料排放管,在清洗机的后侧还装有两台叶轮式离心泵,分别用来完成两个储箱与清洗喷淋室之间的液体循环。清洗机在工作期间将按下述步骤运行:升降台升起(原始位置)→装料→升降台落下→碱液清洗→升降台升起→沥干→清水喷淋→沥干→出料。碱液清洗时间、清水喷淋时间和沥干时间均可在操作面板上手动设定,通过时间继电器进行控制。清洗机的工程程序可按需要选择自动方式或手动方式运行。

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