基于PLC的城市小区供水综合节能系统的研制

论文题目：基于PLC的城市小区节能
供水系统
学生姓名：
所在院系：机电学院
所学专业：应用电子技术教育
导师姓名：
完成时间：
摘要
本文介绍了小区恒压供水系统的构成及工作原理,恒压供水的控制策略，分析了典型的恒压供水系统控制方案,阐述了应用该恒压供水系统的经济效益。

系统采用变频调速的方式，自动调节水泵电机转速，保持供水压力的恒定，在用水低谷时投入小流量、降低电耗。

系统具有节能、工作可靠、自动化程度高等优点，提高了供水质量。

系统中运用了PLC，它是一种固态电子装置，利用已存入的程序来控制机器的运行或工艺的工序。

PLC 通过输入/输出装置发出控制信号和接受输入信号。

由于PLC综合了计算机和自动化技术，所以它发展异常迅猛，大大超过其出现时的技术水平。

它不但可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。

关键词：变频调速，恒压供水，PLC可编程序控制器
DESIGN OF CONSTANT PRESSURE WATER SUPPLY
CONTROL SYSTEM BASED PLC
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Abstract:The composition and operational principle of the district constant Pressure
water supply system based on inverter in the district are introduced. This paper introduces water supply with constant pressure control policy，cross-section analysis water supply with constant pressure system control schematic, expound economic benefit in application water supply with constant pressure system. The system adopts motors of water pumps and to keep the press constant. This system can increases water supply quantity. PLC is a solid state device used to control machine motion or process operation by means of a stared program .The PL C sends output control signals and receives input signals through input/out (I/ O) devices. PLC design is for bad industrial environmental use. Because of the comprehensive computer and automatic technology，make its development change with each passing day，exceed the engineering level while it appears greatly. It can finish logic，order，timing，count，digital operation，data processing, etc. function very easily，and can establish with all kinds of connection with analog quantity of amount of mechanical figure produced through the input-output interface，thus realize the automatic control of the production process.
Keywords: variable frequency and speed regulation，Constant pressure water feeding，PLC Programmable Logic Controller
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1 绪论
1.1变频调速恒水位供水的目的和研究意义
随着人们生活质量的提高，在生活用水方面的质量要求也越来越高。

同时，城市小区供水是给水排水工程的重要组成部分，与人民生活、生产活动、消防安全保障密切相关。

据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%[1]. 与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。

当水源离用水场所较远，而将水送到较远或较高的地方，管路中是需要有一定水压的，水压高才能将水输送到远处或较高的楼层。

生产水压的设备是水泵，水泵转动的越快，产生的水压越高。

传统的维持水压的方法是建造水塔，但是，建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。

因此研制一套基于PLC 技术与变频调速控制技术的城市小区供水综合节能系统，解决供水系统负荷压力不稳定和供水拖动电机一直高速运行而造成的浪费电能等问题，且具有手动／自动转换、在线监控及在现场调试等功能，具有很高的实用价值。

在城市小区化的发展中，采用以小区或社区为统一整体的供水方案，会使设备的利用率及节能比例大大提高，并减少初始投资和占地面积。

在此，来设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。

1.2变频调速技术的特点及应用
交流电机的变频调速技术，主要是将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。

它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率的单一运行方式，从而达到节能目的。

现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较传统的运行方式是可节电40％～60％，节水15％～30％[2]。

对于一定型号的水泵机组，供水量与扬程呈现反比关系。

水泵机组工作效率只有在一定范围内才处于高效运行状态。

机组轴功率P、扬程H、流量Q、与转速n之间存在一定关系：P∝n3，H∝n2，Q∝＝n，而水泵的转速可以通过下式得到改变：
n＝fxb0／p （1 1）
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式1 1中：
n-水泵电机转速；
p-电机极对数；
f-电机供电频率；
b0-常数
由上式知，改变电机供电频率即可改变水泵转速，从而达到改变水泵机组出水流量，扬程与电机输入功率的目的，这就是变频调速供水技术。

常用的变频调速供水技术有恒压变量和变压变量两种模式。

本设计采用恒压变量模式。

恒压变量变频调速技术是保持供水泵房总出水管压力不变，改变水泵运行台数或者变频泵转速，以达到改变泵房出水量的方式。

恒压变频变量供水特点：较传统供水方式节省能效20%；控制方便，根据泵房出水管压力控制仪表即可实现水泵机组控制；可基本解决由于水量降低造成压力增加带米的管网爆管及漏水损耗大的问题。

节能，运行成本低，管网运行安全性较高；一次性投资偏高。

变频供水技术由于启动电流减少，可以节省电力增容与变压器容量。

1.3可编程序控制器的特点及应用
早期的可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，在工业生产中得到了广泛的应用。

据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元。

随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有可靠性、高丰富的I/O接口模块、采用模块化结构、编程简单易学、安装简单，维修方便等特点[4]
2 变频调速恒水位控制系统的方案设计
2.1变频器的控制方式
[5]
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图1 变频器的基本结构
变频调速的控制方式经历了V/F控制、转差频率控制、矢量控制的发展，前者属于开环控制，后两者属于闭环控制，正在发展的是直接转矩控制。

2.2系统的方案设计及工作过程
变频调速恒水位供水系统构成由可编程控制器、变频器、水泵电机组、水位传感器、工控机以及接触器控制柜等构成. 系统采用一台变频器拖动3台电动机的起动、运行与调速，其中两台大电机(30KW)和一台小电机(15KW)分别采用循环使用的方式运行。

图2 恒压供水泵的构成
根据实际情况，白天一般只需开动一台大水泵和一台小水泵，就能满足需要，小电机工频运行作恒速泵，大电机变频运行作变量泵；晚上用水低峰时，只需开动一台大电机就能满足供水需要。

因此可以采用一大一小搭配的分组方式进行设计。

一个完整的工作过程,可分为以下三个工作状态：1) 1#电机变频起动；2)1#电机工频运行，2#电机变频运行；3) 3#电机单独变频运行。

一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态之中，当源水的水位发生变化时，管网压力也就随之
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变化，三种工作状态就要发生相应转换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。

具体工作流程图如图3
2.3变频调速的节能、调速原理
交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系：
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n =60 f(1-s)/p （2—1）式2—1中：
p−极对数;
s−转差率;
因此不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。

在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n。

改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的[7]。

水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在50%-100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。

2.4 压力传感器的选择和特点
CYYB-120系列压力变送器为两线制4～20mA电流信号输出产品。

它采用CYYB-105系列压力传感器的压力敏感元件。

经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具有4～20mA标准信号输出。

一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示仪表、A/D转换器及计算机数据采集系统连接方便。

CYYB-120系列压力变送器为全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。

可广泛应用于航空航天、科学试验、石油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统产品及所有压力测控领域。

它具有高稳定性、高精度、宽的工作温度范围；抗冲击、耐震动、体积小、防水；标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强；最具有竞争力的价格；等特点。

3 控制系统硬件设计
3.1主电路设计
变频调速恒水位供水系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组等构成。

如图4所示:
三台电机分别为M1，M2，M3。

接触器KM1，KM3，KM5分别控制电机M1，M2，M3的工频运行；接触器KM2，KM4，KM6分别控制电机M1，M2，M3的变频运行；FR1，FR2，FR3分别为三台水泵电机的过载保护的热继电器；QS1，QS2，QS3，QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器；VVVF
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为通用变频器。

变频器主电路电源输入端子（R、S、T）经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子（U、V、W）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子（U、V、W）的任意两相。

图4 变频调速恒水位供水自动控制系统组成
在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不得以主电路的通断来进行。

另外为了改善变频器的
功率因素，还需配置相应的DC电抗器，变频器的[P
1,P
+
]端子是连接DC电抗器之
用。

水泵阀门主电路用两个交流接触器来控制电动机的正反转，实现阀门的开启和关闭。

3.2控制电路设计
如图5所示：SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置时候为手动控制状态；SA打在2的位置时候为自动控制状态；在手动运行时，可用按钮SB1-SB8控制三台电机的起/停和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。

图中的HL10为自动运行状态时的电源指示灯。

对变频器的频率进行复位控制时只提供一个干触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共用的一个COM端，
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而系统本身又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复位控制。

图中的Q0.0-Q0.7及.Q1.0-Q1.7为PLC的输出继电器触点。

在此可以看到在检修是的控制原理和水泵在正常运行是的控制原理一样的，最终是通过控制接触器的通与断来控制水泵的启动与停泵。

图5 控制电路图
在PLC控制时候与检修时的控制最大的区别是，PLC可以通过变频器来控制水泵的转速从而达到对水压的压力控制，而检修的目的是对机器的维护而不是控制水压，因此不必通过对其转速控制。

3.3 PLC的模拟量扩展单元的选型和配置
如果选用CPU224的PLC，也需要扩展单元；如果选用CPU226的PLC，价格比较高，这样形成的浪费较大。

因此参照西门子S7-200产品目录及市场价格可知选用的主机为CPU222一台，加上一台数字量扩展模块EM222，再扩展一个模拟量模块EM235。

这样配置是最为经济的[6]。

PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。

模拟量扩展单元可以将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果数字量转换为机外所需的模拟量。

模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。

如用S7-200系列PLC的模拟量扩展模块
EM235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输出，可以用于恒压供水控制中。

整个PLC系统的配置如图6所示：
图6 PLC系统的配置
自动控制系统PLC的输入端口包括启动按钮，阀门关闭按钮，电机停止按钮，以及电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。

PLC的输出端口包括控制1#电机两个交流接触器的动作，分别对应变频/工频两个工作状态，1#水泵相应阀门的正反转，2#电机变频运行的交流接触器动作，2#和3#水泵相应阀门的正反转。

PLC的模拟输入端口包括压力传感器检测的水位信号，水位信号是以标准电流信号4～20mA进行传输的；变频器反馈的电机频率信号，电机频率信号是0～10V的电压信号。

对于变频器，不仅需要一个中间继电器来控制变频器的FWD和CM的通断，来实现变频器的运行和停止；而且需要一个中间继电器来控制变频器的BX和CM 的通断，断开变频器输出，实现变频/工频的切换。

此外，对于电动机的热保护继电器输入，报警指示输出既需要三个端口显示哪一台电机故障，也需要一个输出端子进行蜂鸣器报警输出。

表1 可编程控制器输入、输出端口（I/0）地址分配表
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4 PLC的设计
4.1控制系统主程序设计
在硬件系统设计中，采用一台变频器连接3台电动机，其中2#、3#水泵电机是大机，具有变频/工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联； 1#水泵电机是小机，只有变频工作状态，每台电机只通过一个接触器与变频输出电源连接。

变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据大机的额定电流来确定。

对于有变频/工频两种状态的1#和3#电动机，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通，空气开关的容量依据小机的额定电流来确定。

所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。

该系统有手动和自动两种运行方式:
(1) 手动运行
按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#—3#泵的启停。

该方式主要供检修及变频器故障时用。

(2) 自动运行
合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID 调
节器接收到来自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升，直到50Hz，1#泵由变频切换为工频，变频启动2#泵，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推; 如用水量减小，从先启的泵开始退出，同时根据PID调节器给定的调节参数使系统平稳运行。

若有电源瞬时停电的情况，则系统停机;待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式变频启动3#泵，直至在给定水压值上稳定运行。

PLC主程序主要由水泵电机起动程序、小功率水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、阀门开启关闭程序、模拟量（压力、水位、频率）比较计算程序、停机程序和报警程序等构成。

(1)水泵电机换机程序
系统在一个工作周期内有三个工作状态，即小功率电机变频起动；小功率电机工频运行，大功率电机变频运行；大功率电机单独变频运行。

一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态之中，当管网压力突变时，三种工作状态之间就要发生相应转换，因此这三种工作状态也对应着三个切换过程。

(2)小功率水泵电机变频/工频切换程序
小功率水泵电机变频起动后，当变频器输出频率达到50Hz时，先由鉴频鉴相控制器检测工频电源和变频输出电源相位是否一致，若相位一致，PLC的扩展模块接受控制器3、4端子的0V电压信号，经由PLC比较计算，PLC执行一系列动作,使 BX-CM之间接通，切断变频器的输出，使变频器的输出电流为零。

经瞬间延时后，迅速切断变频接触器和变频器控制端子FWD-CM，在此状态下，切断变频接触器既保证了在切换时工频电源和变频电源相位一致，也从根本上消除了接触器的触头间的电弧。

然后再由PLC迅速发出命令，快速吸合工频接触器，如此便实现了快速切换的目的。

若相位不一致, 控制器在3、4端子输出+5V的电压信号，送入PLC的EM235端口，经PLC比较计算，并不完成切换动作，从而保证变频器和水泵电机的安全运行。

(3)阀门开启关闭程序
阀门开启关闭程序既包含水泵机组起动和停机时的阀门开启与关闭，也包含水泵机组在自动切换过程中的阀门开启与关闭。

在本程序设计中必须注意：开机时，保证先开机，再开阀；停机时先关阀，再停机。

(4)停机程序
水泵机组在停机之前必须保证对应的阀门关闭好以后，才能关闭水泵机组。

停机程序设计时要考虑停机动作与阀门关闭之间的互锁。

当按下一组电机停止按
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钮时，该水泵机组的所有运行的电机都会停止运行。

(5)报警程序
报警程序是依据电动机的热继电器动作进行设计的，当电动机过热时，热继电器常开触点闭合，作为PLC的输入条件。

对于电动机的热继电器输入，报警指示输出既需要三个端口显示哪一台电机故障，联动进行蜂鸣器报警输出。

4.2 编程中应注意的细节问题
(1)变频运行时，变频接触器接通FWD—CM端子闭合——>BX—CM端子断开。

(2)一机变频工频切换，另一机变频运行时，变频器端子的开启情况如下：BX—CM端子闭合——>FWD—CM端子断开——>断开变频接触器——>闭合工频接触器——>另一机变频接触器闭合——>BX—CM端子断开——>FWD—CM端子闭合。

(3)停机时，BX—CM端子闭合，FWD—CM 端子断开，变频工频接触器断开即可。

(4)从上三点可以得出：FWD端子主要是电机正转、停止指令的输入端，当FWD—CM之间接通，正转运转，断开后减速停止；BX端子是自由运转指令输入端，BX—CM之间接通，立即切断变频器输出，电动机自动运转后停止，不输出报警信号；CM端子是接地输入信号公用端。

(5)进行工作状态切换时，要先关断变频器的输出电流，再将小功率电机从变频电源电路上断开，再将小功率电机接入工频电路上运行，同时将大功率电机接入变频电源电路，通过变频器输出电流完成切换。

通过运行观察，统计出三台水泵一天之内的运行时间为:1#水泵24h;2#水泵大致运行19h; 3#水泵仅运行13h。

其中3#为小水泵、1#和2#水泵的额定功率是30kW，3#泵的额定功率是15kW。

采用变频器的小区恒压供水系统，在变频器控制的作用下，系统的节约的功率可用下式表示
（4-1）其中x=Q/Q0;
Q为小区的实时水量;
Q0为小区的满负荷的水量;
P0为满负荷时的功率。

如果按360天计算，利用阀门来调节，其功率为:
(30×2＋15)×24×360＝648000kW·h;
利用停止泵运转方式工作，通过运行观察，3#泵工作24h，1#泵工作10h，2#泵工作13h，其运行功率为:
[(15×24)＋(30×10)＋(30×13)]×360＝475200kW;
如果水量调到80%时即小区的实时水量是小区的满负荷的水量的0.8。

计算两个泵节电量为:
P×t＝30×(0.4+0.6×0.8-0.83)×(13＋7)×360＝79488 kW·h。

这样与第二项计算即变频节能计算时比用阀的调节节能为: 648000-475200+79488＝252288 kW·h;
按0.4元/kW·h计算，每年可节省电费:252288×0.4＝100915.2元。

可见每年可节省电费约10万元左右。

由此可见，变频恒压给水设备，既可以很好的满足用水要求，又可以节约能源，同时还可以降低设备的运行故障，是今后推广和大力提倡的方向。

4.3 程序运行说明
由于变频器泵站希望各台水泵交替使用，那么多台组泵站泵组的投入运行需要有一个管理规范。

在本次设计中控制要求中规定任意的一台水泵连续运行不得超过3h，因此每次需要启动新泵或切换变频泵的时候，以新运行泵为变频是合理的。

详细的工作过程如下：
当按下X0时，可以使整个系统关机；当按下X1时，可以使整个系统关阀；当按下X2开关时，选择1#和2#电机运行，同时Y1通电，实现1#电机变频运行，MAR11通电，同时，T1延时1秒，在1#变频运行的同时，通过MAR11使变频器的FWD—CM合上，BX—CM保持原来状态。

当1#电机频率达到50HZ时，MAR11已经合上了，只要AIW0达到设定值时，中间继电器KA1.0置1，切换继电器通电，进行第一次切换，通过MSR11使YBX通电，即合上变频器的BX—CM端子。

在1#变频处，SB8常闭触点断开，使YVF断电，即1#变频停止，同时，在变频器FWD处，SB8常闭触点断开，使YFWD断电，即变频器FWD—CM断电；延时3秒后，SB7工作，常开触点SB7合上，从而Y2通电，实现1#电机工频运行，同时，MAR11通电，进行开阀，YKF置1，延时1秒后，由中间继电器KA1.1复位，接着，Y7
置1，实现关阀，延时1秒后关阀复位，这样，开阀、关阀就完成；，Y3通电，MAR13通电，实现2#机变频运行机，当2#机变频运行时， 2#机变频开阀延时，常开触点闭合，中间继电器KA1.0置1，接着Y6工作，延时3秒后，KA1.0复位；再延时1秒后，在变频器FWD—CM端子处，常开触点闭合，YFWD通电工作，闭合FWD—CM端子，同时，常闭触点断开,YBX断电,这样实现了FWD—CM端子接通，BX—CM端子断开，这样将实现1#变频转换为1#工频和2#变频运行。

当1#机工频，2#机变频时，如果，AIW0、AIW2（即压力和频率）达到设定值时，将实现第二次转换。

1#2#停机、3#单独变频运行，系统的起动流程图如图7所示:
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5 结束语
本文在分析和比较用于供水行业的控制系统的发展和现状的基础上，结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套以变频调速技术为基础的恒压供水系统。

系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、水位传感器、等构成。

由一台变频器拖动多台水泵电机变频运行。

水位传感器采样水池水位信号经PID处理传送给变频器，变频器根据水位高低调整电机转速，改变水泵的流量调节，保证管网压力恒定。

水泵阀门主电路用两个交流接触器来控制电动机正反转，实现阀门的开启和关闭。

由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。

正因为此，系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。

在实际应用中，采用PLC控制恒压供水，还能容易地随时修改控制程序，以改变各元件的工作时间和工作状况，满足不同情况要求。

与继电器或硬件逻辑电路控制系统相比，PLC控制系统具有更大的灵活性和通用性。

致谢
在本次设计中，我要感谢我系的院长和指导老师，他们对我在专业课学习和毕业设计的过程中，总是鼓励我。

劝告我既要努力打好基础，学好专业知识，又要大胆创新，勤于钻研；在学习上和生活上，给予我悉心的指导和无微不至的关怀。

在我的论文撰写的过程中，院长和老师也给予了细心的指导和修正。

在大学生活和本次设计过程中，学长也给了我很大的帮助，在此表示衷心的感谢！
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