2022年DCS系统教程 .pdf

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1、第一章概述第一节集散控制系统的发展概况一、过程控制装置的发展 1、过程控制装置概念过程控制装置是实现生产过程自动控制的一类仪器仪表装置，通过过程控制装置实现对生产过程的获取、观察、转换、处理（计量、调节、控制），从而解释生产过程物质运动和能量交换。过程控制装置一般可分成五大类：（1）自动检测装置；（2）自动显示装置；（3）集中控制装置；（4）自动调节装置；（5）执行器装置。过程控制装置从最初的自励式、基地式仪表到单元组合式仪表、以及20 世纪 80 年代以后发展的智能化数字仪表、集散控制系统和现场总线，已发展了半个多世纪。2、过程控制装置及控制系统的发展简述过程控制装置及控制系统的发展经历了四

2、个阶段。（1）50 年代以气动单元组合仪表装置为主，出现了集中型气动仪表控制系统，通过成千上万的气路将现场信号与控制室仪表相接，实现自动控制。（2）60 年代，电子元件晶体管的产生，使电动单元组合仪表得以开发和应用。它通过各种电气线路将控制室与现场仪表相连，实现电动仪表控制系统。但其在安全火花防爆方面的缺陷，使得电动仪表控制系统的应用受到了限制。（3）70 年代，采用线性集成电路和小规模数字电路，发展了安全火花防爆型单元组合仪表（DDZ-III）、组装仪表和巡回检测装置，进一步提高电动仪表控制系统的可靠性和安全性，特别是电动单元组合仪表，易于远距离传输、集中显示和操作，便于和计算机连用，使之获

3、得了日新月异的发展。（4）80 年代，采用微处理机和专用集成电路，将微机技术应用在仪表控制系统中，使工业自动化仪表向着数字化、智能化和分级化的方向发展，出现了集中管理分散控制式的控制系统装置以及数字化单元组合仪表，由一个装置控制数个到几十个回路，进行集中管理操作，从而实现对生产过程计算机控制。二、集散控制系统的发展1、基本概念名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 15 页 -集散控制系统（Total Distributed Control System,简称 DCS）是以满足现代化工业生产和日益复杂的控制对象的要求为前提，从生产综合自动化的角度出发，将微处理器 作为核

4、心 的集中 分散控制系统。它 是利用控制技术（control）、计算机技术（computer）、通讯技术（communication）和阴极射线管（CRT）显示技术等四 C技术，对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制产物，已经在工业控制领域得到广泛应用成为过程工业自动控制的主流。2、集散控制系统的发展集散控制系统的发展至今经历了四个时期：19751980年为初创期，19801985为成熟期，1985 以后为扩展期，90 年代进入网络开放期。初创期的 DCS已经具备集散控制系统的三大组成部分，即分散控制装置、操作管理装置和数据通信系统，并融入4C技术。此时的 DCS 通讯系统

5、只是一种初级局部网络。进入 80 年代，集散控制系统随着半导体技术、显示技术、网络技术和软件技术的发展进入成熟期。其主要是系统硬件和软件技术的不断更新，体现在系统的功能得到扩大或增强。1987年美国 FOXBORO公司推出的 I/AS 集散控制系统标志着集散控制系统由成熟期进入扩展期。它的主要改变在局域网网络方面，I/AS 系统采用的宽带网和窄带网符合国际标准组织ISO 的 OSI 开放系统互联的参数模型，因此，符合开放系统的各制造厂的产品可以互连和进行数据交换。网络通信功能增强了，并将过程控制、监督控制和管理调度更有机的结合起来，在控制功能方面得到大大增强。90 年代世界进入信息与智能时代，

6、微电子技术、计算机技术、通信网络技术和控制技术等高新技术不断地高速发展，带来了集散控制系统的迅猛发展。今后集散控制系统将向两个方向发展，一个是大型化CIPS（computer intrgrated processor system）计 算 机 集 成 过 程 系 统、CIMS（computer integrated manufacturing system）计算机集成控制系统发展，另一个是向小型化方向发展。第二节集散控制系统的特点名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 15 页 -一、一般集散控制系统的特点1、自律性强2、丰富的控制功能3、完善的人机联系和集中监视管理能力

7、4、先进的网络通讯功能5、系统扩展灵活6、安全可靠性高7、良好的性能价格比二、开放型控制系统的特点1、自律性极强2、超越传统的分散控制功能向大系统综合自动化发展3、控制功能更加完善、丰富4、统领全局的窗口功能5、全数字通信的开放型网络体系结构6、推出现场总线的新概念现场总线是连接现场总线装置和自动化系统的数字式、双向传输分支结构的通信网络，是实现过程自动化、制造自动化的现场设备互联的网络通信技术，在系统中允许智能现场装置相互交换信息。四个最显著的技术特点：（1）完全取代 420ma标准的数字通信。（2）控制、报警、趋势分析等功能分散在现场级装置、（3）各制造厂家的产品可交互操作、互换使用。（4

8、）开放式系统在世界范围被承认。7、集散控制系统与可编程控制器（PLC）进一步融合扩展：集散控制系统与可编程控制器的区别1.DCS 是一种“分散式控制系统”，而 PLC只是一种(可编程控制器)控制“装置”，两者是“系统”与“装置”的区别。系统可以实现任何装置的功能与协调,PLC装置只实现本单元所具备的功能.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 15 页 -2.在网络方面,DCS网络是整个系统的中枢神经，和利时公司的MACS 系统中的系统网采用的是双冗余的100Mbps的工业以太网，采用的国际标准协议TCP/IP。它是安全可靠双冗余的高速通讯网络，系统的拓展性与开放性更好.

9、而PLC因为基本上都为个体工作，其在与别的PLC或上位机进行通讯时，所采用的网络形式基本都是单网结构，网络协议也经常与国际标准不符。在网络安全上，PLC没有很好的保护措施。我们采用电源,CPU,网络双冗余.3.DCS 整体考虑方案,操作员站都具备工程师站功能,站与站之间在运行方案程序下装后是一种紧密联合的关系，任何站、任何功能、任何被控装置间都是相互连锁控制,协调控制;而单用 PLC互相连接构成的系统，其站与站（PLC与PLC）之间的联系则是一种松散连接方式，是做不出协调控制的功能。4.DCS 在整个设计上就留有大量的可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十分方便，PLC所搭接的整个系统完成后，想

10、随意的增加或减少操作员站都是很难实现的。5.DCS 安全性：为保证 DCS 控制的设备的安全可靠，DCS 采用了双冗余的控制单元，当重要控制单元出现故障时，都会有相关的冗余单元实时无扰的切换为工作单元，保证整个系统的安全可靠。PLC所搭接的系统基本没有冗余的概念，就更谈不上冗余控制策略。特别是当其某个 PLC单元发生故障时，不得不将整个系统停下来，才能进行更换维护并需重新编程。所以 DCS 系统要比其安全可靠性上高一个等级。6.系统软件，对各种工艺控制方案更新是DCS 的一项最基本的功能，当某个方案发生变化后，工程师只需要在工程师站上将更改过的方案编译后，执行下装命令就可以了，下装过程是由系统

11、自动完成的，不影响原控制方案运行。系统各种控制软件与算法可以将工艺要求控制对象控制精度提高。而对于 PLC构成的系统来说，工作量极其庞大，首先需要确定所要编辑更新的是哪个PLC，然后要用与之对应的编译器进行程序编译，最后再用专用的机器（读写器）专门一对一的将程序传送给这个PLC，在系统调试期间，大量增加调试时间和调试成本，而且极其不利于日后的维护。在控制精度上相差甚远。这就决定了为什么在大中型控制项目中（500点以上），基本不采用全部由PLC所连接而成的系统的原因。7.模块：DCS 系统所有 I/O 模块都带有 CPU，可以实现对采集及输出信号品名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第

12、 4 页，共 15 页 -质判断与标量变换，故障带电插拔，随机更换。而 PLC模块只是简单电气转换单元，没有智能芯片，故障后相应单元全部瘫痪。8.现在高端的 PLC与 DCS 的功能已经差不多，DCS 对网络和分布式数据库还要定时扫描有较强的功能，同时对运算和模拟量的处量比较拿手。PLC还分大、中、小、微 PLC，其中微型的只卖几百块到2000 块，点数也好少，大型的可以带数千点，运算能力与DCS 差不多，但对多机联网功能较弱。现在两个技术平台都差不多，只是重点不一样第三节集散控制系统的构成一、结构体系1、一般集散控制系统按照分层概念分为四个部分：现场控制级，过程控制级、过程操作管理级和全厂优

13、化和经营管理级。（1）现场控制级A.采集现场过程数据，并对数据进行转换、控制和处理。B.直接通过智能现场装置输出过程操作命令。C.实现真正的分散控制，形成数字化控制系统。D.开放式互联网络，完成与控制级及过程操作管理级的数据通信，实现网络数据库共享，以及对智能现场装置的组态。E.对现场控制级的设备进行监测和诊断。（2）过程控制级A.采集过程数据，进行数据转换与处理；B.对生产过程进行监视和控制，实施反馈控制、批量控制和顺序控制功能，以及编程控制功能，输出控制命令；C.数据、现场设备以及I/O 卡件的自诊断；D.与过程操作管理级进行数据通信；（3）过程操作管理级A.通过通信网络，直接获取过程控制

14、级的实时数据，同时对生产过程进行监视管理、故障检测和数据存档；B.对过程控制级的各种过程数据进行显示、记录及处理；名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 15 页 -C.对过程控制级的进行过程组态及维护操作管理，同时进行过程及系统的报警、事件的诊断和处理；D.各种报表的生成、打印以及画面的拷贝；E.实现系统的组态、维护和优化处理；F.通过网络功能进行工程数据的共享，实现实时数据的动态交换；G.设置安全机制，确保过程操作管理级安全可靠的运行、H.根据虚拟测试功能，直接通过过程操作管理级对过程进行模拟测试，验证组态的正确性；I.数据通信；（4）全厂优化和经营管理级二、集散控制

15、系统的基本组成 1、分散过程控制装置各种生产过程的变量通过分散控制装置转化成监视控制变量进入操作管理装置，而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到生产过程的各种设备输出（执行机构）2、集中操作管理装置通过该装置使操作人员了解生产过程的运行状况，并由它发出操作指令到生产过程。它是将分散过程控制装置送来的信息集中、监视和操作，同时将各种操作命令发送到各分散过程控制装置。因此要具有良好的操作性和容错性。3、通信网络系统名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 15 页 -第二章 CENTUM 集散控制系统概况第一节系统配置一、系统规格监视工位号数：8000个工位号最大站数：24

16、个站人机接口站：（HIS）8 台现场控制站：（FCS）16 台通信网络：V网、E网二、系统配置 1、HIS 人机接口站 2、FCS 现场控制站 3、V网和 E网 4、总线转换器 BCV 5、通讯门路 CGW 第二节 CENTUM 系统的特点 1、DCS 与个人计算机完美结合 采用普通 PC机作为人机接口界面（HMI），构成集散控制系统的人机接口站 HIS。采用 Windows 2000 作为它的操作系统（OS），形成开放式的系统。该系统具有数据通信接口如OPC 等，进行过程数据和Windows 2000 应用软件数据的交换。2、增强的操作和监视功能 可使用 1000 个用户定义的窗口，以创建图

17、形、趋势和控制窗口等操作和监视窗口。CENTUM CS3000 支持 1 秒趋势记录功能，可以每时每刻监视过程状态。在图形窗口上，可以运行Visual Basic、粘贴动画图象等产生的应用程序，还能通过操作窗口输入各种信息。为了方便操作，可以选择附加操作键盘。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 15 页 -对过程数据可以直接在操作和监视窗口中进行操作、处理。3、通用的 FCS 可以选用冗余的 FCS、CPU、通讯总线（Vnet）和供电模块。可以根据使用要求，选用标准型和增强型模式的FCS。每个系统最多可以连接64 个站，多个系统间可通过Bus Convert 连接进行

18、系统的扩展。为保证输出数据的正确性和实现Non-stop 无扰动切换的控制，FCS采用独立与内存和 ECC的 Pair&Spare 技术4、密集安装的 I/O 模块 I/O 模块可密集安装，高效接线。直接输入热电偶、热电阻和其他电压/电流信号。不必用信号转换器进行外部信号转换，简化了现场信号的连线。5、丰富、成熟的控制和通信功能 CENTUM CS3000 软件集成了 CENTUM CS 高级的、成熟的控制功能，从简单的 PID 控制到复杂的顺序控制和批量控制功能，用户也可以利用高级语言开发一些先进的控制软件。具有与子系统通讯的各种通信软件包。6、高效率的工程名师资料总结-精品资料欢迎下载-名

19、师精心整理-第 8 页，共 15 页 -系统生成窗口是交互的过程，使用最少的设定进行系统操作。用户可随自己意愿为其应用程序命名。定义的内容可以重复使用，从而使应用程序实现标准化。具有其强大的报表生成功能。7、脱离 FCS的虚拟测试功能在没有连接现场控制站FCS的情况下，可以在PC机上建立虚拟的现场控制站，直接在 PC机上进行操作、监视和控制等工程师功能的检测。任何地方只要配备一台 PC机就可以进行工程仿真和动态调试工作。8、成熟的批量控制软件包 提供一个符合 ISA 标准的批量控制软件包，用来配比和过程管理。软件包具有高级的、成熟的CENTUM CS系统的批量处理功能，并且容易实现。9、符合

20、Foundation 现场总线协议的现场总线。CENTUM CS3000全面支持符合Foundation 协议的现场总线，通过现场总线通信卡连接智能现场装置，确保快速、准确地传递现场总线仪表的数据。Ethernet Enclosed Display Style Console HIS Open Display Style Console HIS Vnet HISFCS HIS/ENG 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 15 页 -第三章现场控制站（FCS）现场控制站（field control station）简称 FCS，FCS主要提供过程控制功能，如常规控制、顺

21、序控制、批量控制和复杂运算等等。FCS由电源单元，CPU单元、V网连接器、电池单元、电源分配卡和I/O 模件组成，它接受来自现场的各种控制信号，并根据工程设定条件和HIS 发出的指令完成对工业控制对象的过程控制功能，使整个生产过程被控制在最优化的状态下运行，FCS和 HIS 之间通过 V网进行信息交换。第一节 FCS 的性能1.配置了冗余 CPU 同步热备份系统的冗余控制站。2.可靠的错误检测和校正记忆。3.I/O 模件可以直接与现场信号相连，不需要任何信号转换卡。4.根据 I/O 信号类型，可选择多种I/O 模件。5.利用各种功能块进行各种功能的扩展。6.根据用户需要，有多种应用软件可供选择

22、。7.单元监督功能可应用于各种顺序控制、8.符合 ISAS88的批量管理功能。9.全面支持符合 Founation 现场总线标准的数字现场总线。第二节 FCS 的构成1.微处理器单元其功能是实现各种控制运算。一旦 CPU 和电源出现故障，幽外部接口单元的 READY 端子产生触点输出。2Vnet 连接器单元两个双冗余的 Vnet 安装在双冗余的 FCS的 CPU 单元上，其功能是 Vnet信号的隔离和电平转换。3电源分配卡接受电源输入端特定电源，并通过噪声滤波器输出到电源输出连接器。4电源单元接收电源分配卡的特定电源，将其转换为所需的直流电压，分配到每个名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心

23、整理-第 10 页，共 15 页 -输入输出箱内的卡件和单元供电。5电池单元当电源掉电时，利用电池单元保存CPU 单元中主内存的内容，保持时间为 72 小时。6I/O 模件单元 I/O模件单元中插入各种I/O 模件，用于处理各种过程模拟信号和数字信号。扩展：冗余概念自诊断功能随时检出故障，集散控制系统的运行不受故障的影响，主要通过冗余技术来完成。冗余有两种方式：工作冗余和后备冗余，又称热备用和冷备用。CENTUM FCS采用的时同步热备冗余系统，当系统运转时，后备侧执行同步运算，可以实现控制切换的不间断。同步热备冗余系统的另一优点是用户无需考虑控制程序在运行中复杂的切换过程问题。第四章人机接口

24、站（HIS）Human interface station，HIS 1)基于 windows NT开放式接口2)最先进的硬件技术的应用3)分层操作4)报警优先操作5)窗口记忆动态窗口设定功能6)趋势记录功能7)标准的操作、监视画面窗口8)安全性9)用户编程环境10)远程监控11)丰富多彩的视窗操作12)专用的操作键盘名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 15 页 -PC与工业控制计算机(IPC)和集散控制系统(DCS)的比较1、各自技术发展的起源计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支

25、持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。PLC是由继电器逻辑系统发展而来，主要用在离散制造、工序控制，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。近年来随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础上，增加了数值运算、闭环调节等功能，增加了模拟量和PID 调节等功能模块；运算速度提高，CPU 的能力赶上了工业控制计算

26、机；通信能力的提高发展了多种局部总线和网络(LAN)，因而也可构成为一个集散系统。特别是个人计算机也被吸收到PLC系统中。PLC在过程控制的发展将是一智能变送器和现场总线，暨向下拓展功能，开放总线。2、相同点在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看，PLC、工业计算机、集散系统(DCS)之间的差别正在缩小，都将由类似的一些微电子元件、微处理器、大容量半导体存储器和I/O 模件组成。编程方面也有很多相同点。3、区别点由于 PLC和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具。实际上的区别继续存在。PLC用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图、功能块图、顺序功能表图和指令

27、表等。集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。特别提出的是与 STD总线工控机的区别，无论从维修、安装和模件功能都很相似。PLC更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 15 页 -能力略逊于 STD工控机，但是从开关量控制而言，PLC的性能优于 STD工控机。总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求、现场环境和经济性等方面考虑。没有什么控制器绝对完善，也没有哪种产品绝对差，只能说选择更适用的产品。PLC自问世以来，经过20 多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成为重要产业，1987年世界

28、 PLC的销售额为 25 亿美元，此后每年以20%左右的速度递增。进入90 年代以来，世界 PLC的年平均销售额在55 亿美元以上，其中我国约占 1%。当前，PLC在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用 PLC设计自动控制系统已成为世界潮流。五、PLC的综合经济分析综上所述，在恶劣环境中，使用 PLC控制机构设备，生产流水线和生产过程的自动控制将越来越广泛。但是，这种新型控制装置在推广使用中尚有一些问题困扰着用户，主要集中在两个方面，一是可靠性问题，二是价格问题。当然，用新型控制装置实现老设备改造与生产过程自动化，提高劳动生产率，改善企业管理，这是提高企业经济效益的必要措施，但如何正

29、确处理这种关系，本文提供一些数据资料作为用户参考。1、可靠性问题据有关资料提供数据表明：国外一般中小型PLC，如日立、西门子、IPM，平均无故障时间高达10 万 h。即使大型 PLC平均无故障时间也在45 万 h 之间。因此，制造厂商认为可靠性已不存在问题。就可靠性而言，继电接触器是望尘莫及的。所以，对于日立、西门子、IPM等产品资料中可靠性不再是一项技术指标。2、PLC的经济综合分析对 PLC的经济分析，应从以下几方面考虑：（1）从影响成本的各个因素综合考虑从目前生产设备控制装置来说，有三种类型：继电器控制。半导体器件控制。PLC控制。价格仅是选择 PLC品牌的一个因素，而可靠性是选择时需要

30、考虑的又一个因素。（2）从设计、生产周期长短考虑不论是老设备改造，还是设计新的生产机械设备，毫无疑问，生产、设计周期越短越好，甚至希望边设计、边安装、边调试名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 15 页 -和边生产，特别是产品更新换代，生产工艺改造，不需改动现有生产设备及其外部接线，就能马上组织生产，这不仅节约了劳动力，而且新产品能尽快投入市场。这无疑给企业增加了活力，提高了经济效益。如果把这些要求得以实现，继电器或半导体都不能满足，而 PLC则完全可以实现。这是因为若用 PLC不必改动外部设备接线，只要在软件上作文章就可以了。也就是说只要改变梯形图，按照新工艺要求重

31、新输入新程序或修改原程序即可。这既经济又简捷，可以达到事半功倍的目的。众所周知，目前我国75%的生产机械设备，都是采用继电器控制，除了可靠性差外，设计程序也很繁杂。从方案的确立到技术条件的设计以及施工的设计，图面的工作量很大，这势必造成设计周期长。而采用 PLC控制可以大大缩短设计周期，甚至有些文件资料也不必绘制成图。设计人员完全可以利用编程器上屏幕显示来输入，或修改程序使得梯形图能准确无误地反映生产要求。编程人员也可根据新产品对生产提出的新工艺要求，重新编写程序并把它存储在EEPROM模块中去，需要加工哪个产品的程序，操作人员可以随时调用，这既方便、简单又可保密。开发这种软件对优化生产过程，

32、提高产品数量和质量，提高劳动生产率，非常具有实际意义。仅此一点也深受生产及设计者的欢迎。六、PLC最新发展状态及趋势现代 PLC的发展有两个主要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。（1）大型网络化主要是朝 DCS 方向发展，使其具有DCS 系统的一些功能。网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O 框架相连；向上与工业计算机、以太网、MAP 网等相连构成整个工厂的自动化控制系统。（2）多功能随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，使 PLC控制领域更加宽广

33、。如西门子公司早在80 年代就研制出了多回路闭环控制模块、步进电机控制模块、仿真模块和通信处理模块等。在1995年西门子又成功地开发出了S7200、S7300系列，它具有 TD 200和 COROS OPS操作模板(OPS)为用户提供了方便人机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，MPI接口和通名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 15 页 -过工业现场总线PROFIBUS 以及以太网联网的网络能力，强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展，脉冲输出晶闸管步进电机和直流电机；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。（3）高可靠性由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。S7400 PLC即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全密封的模板依然可正常工作，在操作运行过程中模板还可热插拔。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 15 页 -