引言
具有先進(jìn)通訊技術(shù)的OPC服務(wù)器可以為不同網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議提供協(xié)同工作能力。
正如一首流行歌曲中唱到，是愛讓我們在一起。然而，對于當(dāng)今時(shí)代的生產(chǎn)制造環(huán)境來說，更像是通過協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)作為紐帶，使我們得以互聯(lián)和相互通訊。這些工具正在茁壯成長，以一種全新的、有效的方式將我們的工業(yè)操作整合為一體，使生產(chǎn)效率得到前所未有地提升。
以前，工廠中的自動化功能都是獨(dú)立的——組件、設(shè)備和系統(tǒng)相互獨(dú)立地運(yùn)行，管理和功能模塊也都互不相關(guān)。這種情況下，過程系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)緩慢，而且很難優(yōu)化，同時(shí)性能、維護(hù)計(jì)劃和利潤率等相關(guān)數(shù)據(jù)也很難獲得。
那么今天工業(yè)推崇的互聯(lián)性是如何實(shí)現(xiàn)的呢？EtherCAT Technology Group公司的北美代表、項(xiàng)目管理專家和項(xiàng)目工程師Joey Stubbs說道：“眾多的技術(shù)進(jìn)步將我們帶入了一個(gè)與10年前具有天壤之別的自動化和制造業(yè)的世界。實(shí)際上，今天的技術(shù)能夠克服幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)壁壘。例如，你可以安裝一個(gè)帶有EtherCAT的DIN導(dǎo)軌計(jì)算機(jī)，與多種協(xié)議通訊。雖然這可能并不是最有效的系統(tǒng)，甚至不是最便宜的系統(tǒng)，但是它確實(shí)可行?！?BR>
OPC基金會總裁兼執(zhí)行董事Thomas 補(bǔ)充道，科技繼續(xù)以創(chuàng)紀(jì)錄的速度飛速發(fā)展，特別是在消費(fèi)電子領(lǐng)域，所以工業(yè)自動化領(lǐng)域的供應(yīng)商和最終用戶也期待這種發(fā)展的到來?！敖裉斓慕?jīng)濟(jì)發(fā)展以及一切與其相關(guān)的事物——從樓宇自動化、安保到智能電網(wǎng)概念，都在表達(dá)一種對開放式工業(yè)系統(tǒng)的渴求，期盼真正的跨領(lǐng)域信息整合?！?/FONT>
多種多樣的網(wǎng)關(guān)、路由器和終端設(shè)備使制造商做到了多個(gè)不同系統(tǒng)之間的整合。
其中包括Beckhoff Automation公司下一代以太網(wǎng)終端，它可以提供清晰、開放的通訊通道。
此部件為不同設(shè)備提供了與EtherCAT I/O節(jié)點(diǎn)的直接接口，包括Profibus、DeviceNet和CANopen。
如何整合
確實(shí)，當(dāng)前有很多理由將不同的生產(chǎn)制造系統(tǒng)進(jìn)行整合，甚至有很多種實(shí)現(xiàn)的方法?，F(xiàn)代生產(chǎn)制造使用迥異的設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種各樣的過程控制（如果想要在全球化競爭中占得一席之位，就不得不這樣），而它們彼此之間必須能夠通訊，包括在所有工廠操作之間編譯并交換信息。不管是汽車制造業(yè)的自動訂單和適時(shí)生產(chǎn)還是制藥和半導(dǎo)體行業(yè)對數(shù)據(jù)跟蹤和追蹤有特殊要求的批處理作業(yè)，通訊都已成為確保生產(chǎn)系統(tǒng)最優(yōu)化操作的必要條件。
具有先進(jìn)通訊技術(shù)的OPC服務(wù)器可以為不同網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議提供協(xié)同工作能力。
不管互聯(lián)和整合是如何實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)的有效移動都意味著只交換有用的信息。將昂貴軟件包的需求最小化或者能夠削減硬件成本的系統(tǒng)有助于獲得更好的過程控制、更好的產(chǎn)品和更高的利潤率。Stubbs建議道，系統(tǒng)互聯(lián)所使用的方法都有以下三個(gè)共性：
有效移動數(shù)據(jù)，例如實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)所使用的瞬時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；
通過管理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件和硬件以降低成本；
低成本作業(yè)，減少需要過多地占用CPU資源的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作，因?yàn)檫@些資源本可以更好地用于提高實(shí)際產(chǎn)出和過程控制。
今天的系統(tǒng)為此做了長久的努力。與部件和設(shè)備之間的連接不同，現(xiàn)在的系統(tǒng)不但可以在同一個(gè)工廠內(nèi)完成互聯(lián)，還可以在不同工廠之間做到互聯(lián)。Beckhoff Automation公司的技術(shù)市場經(jīng)理Corey McAtee說道，工業(yè)自動化和工業(yè)控制可以在三個(gè)獨(dú)立的概念或者層級之間工作——設(shè)備、過程和工廠：
1. 設(shè)備級別控制結(jié)構(gòu)包括安全性和功能性，例如PLC、數(shù)字運(yùn)動和狀態(tài)監(jiān)測，這些功能以前都是獨(dú)立的，但是現(xiàn)在被整合在一起。這都要?dú)w功于供應(yīng)商們對開放標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的接納，這些小模塊更容易通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接起來，例如EtherCAT，使這些模塊可以通過設(shè)備的控制器完成很多功能。
2. 過程級別。沒有設(shè)備可以獨(dú)立運(yùn)作；它們都是流水線或者是過程的一部分。McAtee說道：“一個(gè)制造商可能擁有三臺來自于三個(gè)不同供應(yīng)商的設(shè)備，而它們必須協(xié)同工作并且做到相互通訊。例如OPC-UA
（統(tǒng)一架構(gòu)）之類的標(biāo)準(zhǔn)確保數(shù)據(jù)通過軟件完成交換，使用固定格式連接這些獨(dú)立模塊，使其具有類似的操作模式和體驗(yàn)。共享很成功，因?yàn)閿?shù)據(jù)都是統(tǒng)一、一致和兼容的。”
3. 工廠級別遍及企業(yè)，包括高層級的通訊，它對于工廠管理至關(guān)重要。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換要求相當(dāng)高的硬件和軟件支持，以創(chuàng)建、搜集和維護(hù)這些信息。McAtee說道，軟件工具的整合（例如OPC-UA的軟件工具與高層級系統(tǒng)的集成）正在簡化這個(gè)過程，各種壁壘應(yīng)聲而倒。
Burke對此概念做了詳細(xì)說明：“今天，信息群落需要高度集成，因?yàn)楣菊铝τ谕ㄟ^不同系統(tǒng)之間的適時(shí)數(shù)據(jù)交換來提升其盈利能力。幾年前，當(dāng)專有系統(tǒng)在工廠和過程應(yīng)用中大行其道時(shí)，沒有人擔(dān)心數(shù)據(jù)整合，不管是組件之間還是通過防火墻。因?yàn)槟菚r(shí)候沒有網(wǎng)絡(luò)，而今天每一個(gè)人都希望各種各樣的信息可以安全可靠地整合在一起?！?BR>
軟件使其簡單、便捷
隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，它已成為企業(yè)系統(tǒng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。開放技術(shù)，諸如OPC及其衍生技術(shù)，讓以往獨(dú)立的自動化過程能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的交互連接。標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議具有易懂、靈活、具有成本效益以及開放性的特點(diǎn)。它們比其它因素更能激勵(lì)控制系統(tǒng)之間的通訊。例如網(wǎng)絡(luò)特性和企業(yè)層面日常事務(wù)處理等的優(yōu)勢擴(kuò)展到了控制領(lǐng)域，而且隨著生產(chǎn)廠商越來越多地采用這些技術(shù)，他們發(fā)現(xiàn)了越來越多的方法來擴(kuò)展應(yīng)用。
然而，Stubbs強(qiáng)調(diào)道：不能僅僅因?yàn)橥ㄓ崊f(xié)議是“標(biāo)準(zhǔn)”的就認(rèn)為它們是開放的，真正的開放協(xié)議必須具有三個(gè)特性：
1. 協(xié)議必須符合國際標(biāo)準(zhǔn)（例如IEC或者IEEE）。協(xié)議說明必須能夠直接從標(biāo)準(zhǔn)頒發(fā)機(jī)構(gòu)獲得。
2. 協(xié)議的知識產(chǎn)權(quán)擁有者必須允許競爭者和第三方機(jī)構(gòu)將協(xié)議應(yīng)用到各自的系統(tǒng)或者設(shè)備中。
3. 第三方設(shè)備必須能夠輕松配置到控制系統(tǒng)中，特別是知識產(chǎn)權(quán)擁有者的控制系統(tǒng)。
開放系統(tǒng)能夠在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、專用設(shè)備協(xié)議和HMI客戶端之間搭建橋梁。
Kepware公司的總裁Tony Paine說道：“客戶對于不同產(chǎn)品能夠相互連接的要求和需要，比其他任何因素更能激勵(lì)交互連接性和協(xié)同工作性的發(fā)展。在沒有OPC的日子，每次供應(yīng)商想要和組件連接時(shí)，都必須在驅(qū)動中建立連接。供應(yīng)商陷入了設(shè)備缺乏連通性的窘境，為了不讓此弊端成為產(chǎn)品銷售的絆腳石，供應(yīng)商著手開發(fā)工具，令最終用戶和OEM廠商可以自行搭建通訊路徑。但是系統(tǒng)仍舊與其供應(yīng)商的技術(shù)不可分割。于是，很多業(yè)界領(lǐng)先的自動化設(shè)備供應(yīng)商形成了過程控制和生產(chǎn)自動化應(yīng)用（OPC）的規(guī)范，基于最新的微軟公司的技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的協(xié)同工作能力。結(jié)果是數(shù)以百計(jì)的支持OPC數(shù)據(jù)存取的項(xiàng)目蓬勃發(fā)展，使用通用接口從設(shè)備、組件和系統(tǒng)讀取和寫入信息的能力得以提升?！?BR>
協(xié)同工作和一致性是一種很好的業(yè)態(tài)，這同樣激發(fā)了用戶對于未來的期冀。一旦工廠車間實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，各大公司就開始對工廠和工廠之間的通訊和數(shù)據(jù)共享抱有希望了。Paine補(bǔ)充道：“OPC標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對此具有持續(xù)的推動力?！彼隽薕PC-UA的近期發(fā)展，這些發(fā)展確保在因特網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)安全通訊。（關(guān)于OPC和OPC-UA的更多信息請閱讀后面《OPC:下一代技術(shù)》一文。）
利用以太網(wǎng)的能力
開放協(xié)議以一種方式幫助不同系統(tǒng)完成整合，以太網(wǎng)和它的衍生技術(shù)以及改良技術(shù)則以另一種方式投身其中。以太網(wǎng)出現(xiàn)不久就成為企業(yè)系統(tǒng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。然后，那些曾經(jīng)被認(rèn)為不可能發(fā)生的進(jìn)步都發(fā)生了——隨之企業(yè)系統(tǒng)進(jìn)入了現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和自動化的領(lǐng)域。多種基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議現(xiàn)在正在自動化領(lǐng)域內(nèi)找到其用武之地（更多以太網(wǎng)類型請參閱后面文章《各種各樣的以太網(wǎng)》）。
Rockwell Automation公司EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)部經(jīng)理Mike Hannah說道：“基于以太網(wǎng)的協(xié)議有很多，卻與EtherNet/IP不盡相同，很多都是針對特殊目的的專用網(wǎng)絡(luò)，所以即使它們可以在一定程度上支持協(xié)同工作能力，將不同功能（例如運(yùn)動、I/O和用戶接口）集成到企業(yè)控制室內(nèi)但仍舊很復(fù)雜，通常都要求額外的編程和網(wǎng)關(guān)來移動數(shù)據(jù)?！?/FONT>
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高效通訊接口幫助光電產(chǎn)品和汽車供應(yīng)商完成生產(chǎn)線作業(yè)的整合（如圖），以及確保標(biāo)準(zhǔn)格式信息在公司內(nèi)的橫向和縱向移動。
確實(shí)，以太網(wǎng)本身并不能協(xié)同工作，但是它確實(shí)能夠幫助硬件交換數(shù)據(jù)并且確保設(shè)備的數(shù)據(jù)共享更快、更好、更簡潔。Kepware公司的Paine補(bǔ)充道：“幾年前，如果在兩臺設(shè)備上均安裝HMI，從多個(gè)設(shè)備搜集數(shù)據(jù)。每一次讀取數(shù)據(jù)是否相同都取決于讀取時(shí)間，所以操作人員有可能會在各自的屏幕上看到不同的信息。而以太網(wǎng)則允許使用分布式體系結(jié)構(gòu)。設(shè)備上的OPC服務(wù)器現(xiàn)在可以起到網(wǎng)關(guān)的功能，以致所有的HMI或者客戶應(yīng)用程序可以從同一個(gè)信源獲取數(shù)據(jù)，并同時(shí)顯示同樣的信息?！?BR>
Hannah繼續(xù)道：“僅僅兩年以前，多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在工廠中很普遍，從信源獲取數(shù)據(jù)并將其送至決策單元的過程總是問題不斷。例如EtherNet/IP（使用CIP的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)TCP/IP，開放設(shè)備網(wǎng)絡(luò)制造商協(xié)會（ODVA）的通用工業(yè)協(xié)議）之類的單一網(wǎng)絡(luò)解決方案在自動化領(lǐng)域內(nèi)更受歡迎；可以和IT以太網(wǎng)絡(luò)（Ethernet / IP）共存的網(wǎng)絡(luò)允許在同一條線路上完成信息交換、運(yùn)動控制、安全性、I/O和點(diǎn)到點(diǎn)控制?！?BR>
一些人認(rèn)為對于很多控制系統(tǒng)功能來說，以太網(wǎng)的確定性不夠高，然而，以太網(wǎng)在自動化領(lǐng)域的出色表現(xiàn)卻一再令他們驚訝。Hannah承認(rèn)道：“從某種程度上來說，以太網(wǎng)先天就不太穩(wěn)定。但是同時(shí)，先進(jìn)的以太網(wǎng)技術(shù)（例如網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)中用到的精確時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)IEEE1588），在連接控制系統(tǒng)時(shí)，就可以免除代理服務(wù)器和‘存儲轉(zhuǎn)發(fā)’工具的必要。這種精確時(shí)間協(xié)議可以確保創(chuàng)建高確定性網(wǎng)絡(luò)，并支持高精度運(yùn)動和順序報(bào)警之類的功能，以及那些可以在與信息系統(tǒng)同樣的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的任務(wù)?！?BR>
并非通用轉(zhuǎn)換工具，而是……
集成仍舊不算是一項(xiàng)清晰簡潔的過程，然而，我們已經(jīng)看到了巨大的進(jìn)步，并期待未來取得更多進(jìn)步。生產(chǎn)廠商在確定互聯(lián)方案時(shí)，必須意識到有多種選擇和備選方案，并盡可能多地實(shí)踐。將控制系統(tǒng)整合或者完成企業(yè)數(shù)據(jù)信息推送的方法幾乎和生產(chǎn)設(shè)備一樣多。
曾經(jīng)只是幻想的協(xié)同工作能力和數(shù)據(jù)交換今天已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，它們帶來了無盡的可能性。如果系統(tǒng)內(nèi)含信息，那么人們勢必會潛心獲得這信息并將其搬移至PC上。目前的障礙更多地來自于組織結(jié)構(gòu)。信息技術(shù)和生產(chǎn)制造技術(shù)之間的固有文化差異是確實(shí)存在的，這或許比技術(shù)上的挑戰(zhàn)更大。McAtee說道：“我們目前在控制上所做的努力并不一定是新的，使控制系統(tǒng)之間保持獨(dú)立的罪魁禍?zhǔn)撞⒎羌夹g(shù)，而是對于改變的抗拒，它使整合步履維艱?！?BR>
雖然要想達(dá)到不同控制系統(tǒng)的無障礙通訊仍需努力，然而我們在統(tǒng)一通訊語言上已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，而且可以想見，在未來會取得更大進(jìn)展。McAtee說道：“未來的設(shè)備將可以利用即插即用技術(shù)的強(qiáng)大能力，例如OPC-UA。這些先進(jìn)的設(shè)備可以檢測到使用了哪些供應(yīng)商的設(shè)備，使用了何種標(biāo)準(zhǔn)，這樣一來，儀器之間便可以開始通訊了?！?BR>
Kepware公司的Paine說道，最新的OPC是不依賴于平臺的?！八梢愿美迷O(shè)備數(shù)據(jù)，其強(qiáng)大能力不僅僅局限于自動化領(lǐng)域——它可以用于智能電網(wǎng)甚至更廣泛的應(yīng)用場合，它的長足發(fā)展將會給我們帶來巨大的驚喜?！?BR>
考慮及此，不得不遺憾地對John Donne說，今天沒有控制系統(tǒng)還會保持獨(dú)立，而且也不應(yīng)該保持獨(dú)立。
OPC:下一代技術(shù)
開放連通性源自開放標(biāo)準(zhǔn)，即我們今天所說的OPC，它誕生于1995年，幫助供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)工廠車間和頂層可視化應(yīng)用之間的協(xié)同工作?；谖④浖夹g(shù)的OPC是供方驅(qū)動的舉措。
OPC基金會的Tom Burke解釋道：“供應(yīng)商們厭倦了為實(shí)現(xiàn)工廠車間的硬件通訊而去開發(fā)軟件，以及不得不維護(hù)的相應(yīng)驅(qū)動程序。目前的情形與打印機(jī)類似：打印機(jī)公司為應(yīng)用提供相應(yīng)的軟件，使其連接打印機(jī)并將文檔打印任務(wù)發(fā)送至目標(biāo)打印機(jī)。對于OPC來說，軟件公司形成一種業(yè)態(tài)，為設(shè)備開發(fā)軟件，這些軟件的性能比硬件供應(yīng)商所開發(fā)的軟件要好得多?！?BR>
這種模型持續(xù)作用于OPC統(tǒng)一架構(gòu)（OPC-UA）。Burke繼續(xù)道：“OPC-UA將數(shù)據(jù)與服務(wù)分離，與設(shè)備或者其他應(yīng)用程序連接的應(yīng)用程序可以挖掘數(shù)據(jù)以及構(gòu)成數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)，為目前以及未來提供長久有效的系統(tǒng)?！?BR>
最終用戶基于安全性和可靠性的需求使相互競爭的供應(yīng)商合作，一同開發(fā)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如OPC-UA。行業(yè)協(xié)會也與OPC基金會合作開發(fā)配套技術(shù)規(guī)范，嵌入OPC-UA用于各自的信息模型。Burke說道：“OPC為各種各樣的協(xié)會建模提供信息挖掘、查詢、訂閱、讀取和寫入提供了必須的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。他們的供應(yīng)商可以便捷地開發(fā)復(fù)雜應(yīng)用，無需知曉信息模型的內(nèi)部構(gòu)造，不管是今天還是未來?！?BR>
這種概念的一個(gè)簡單的例子就是通用串行總線（USB），正是USB帶領(lǐng)我們進(jìn)入了消費(fèi)電子世界。Burke解釋道：“將一臺設(shè)備插入到支持USB的筆記本電腦上，你立刻就可以使用這臺設(shè)備。當(dāng)今的工業(yè)自動化系統(tǒng)也將支持這種即插即用的操作。設(shè)備一旦接入，項(xiàng)目應(yīng)用就可以發(fā)現(xiàn)新設(shè)備，對其進(jìn)行設(shè)置、診斷并從其獲得數(shù)據(jù)?！?/FONT>
各種各樣的以太網(wǎng)
雖然以太網(wǎng)本身并不能協(xié)同工作，但是他的衍生產(chǎn)品卻有助于自動化領(lǐng)域內(nèi)的集成整合作業(yè)，例如OPC之類的開放協(xié)議可以完美發(fā)揮其功能。今天有很多種類的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，EtherNet/IP和EtherCAT便是是其中的兩種。
采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，例如EtherNet/IP技術(shù)，允許工廠整合不同的批處理過程、連續(xù)加工、分布式作業(yè)、安全功能、運(yùn)動和驅(qū)動控制工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使其形成一個(gè)多元工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。EtherNet/IP是一種基于通用工業(yè)協(xié)議（CIP）的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由ODVA管理。這種網(wǎng)絡(luò)可以與IT以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)共存，被Rockwell Automation公司的Mike
Hannah稱之為使能器。他補(bǔ)充道：“它或多或少地可以看做是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，因?yàn)樗褂昧撕鸵蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸一樣的TCP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)在VLAN和子網(wǎng)之間的交換無需專門的交換機(jī)或者網(wǎng)關(guān)。這意味著EtherNet/IP不僅僅是現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，它還可以作為自動化網(wǎng)絡(luò)使用，簡化了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。”
EtherCAT是另一種以太網(wǎng)，它是一種開放的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，用于自動化控制領(lǐng)域。這種現(xiàn)場總線協(xié)議源于光電產(chǎn)品和汽車供應(yīng)商近期為了滿足通訊上的要求所做的技術(shù)革新。EtherCAT更多地扮演主現(xiàn)場總線系統(tǒng)的角色，Beckhoff Automation公司的端子系統(tǒng)可以用于連接串行設(shè)備和子系統(tǒng)。
EtherCAT技術(shù)團(tuán)隊(duì)代表Stubbs解釋道：“EtherCAT使用多種軟件，可以與現(xiàn)場硬件高效無阻通訊。它可以作為網(wǎng)關(guān)使用，與其他現(xiàn)場總線協(xié)議完美兼容，包括相關(guān)的老式設(shè)備。它可以用于運(yùn)動控制、復(fù)雜CNC機(jī)床和機(jī)器人，具有靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確保先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和高速性能。EtherCAT高效地使用控制器，預(yù)先做好數(shù)據(jù)分類，無需在每次I/O掃描時(shí)重新定位數(shù)據(jù)映射表。使用了以太網(wǎng)帶寬就是其高速的原因，各種優(yōu)勢積少成多，最終創(chuàng)造了一個(gè)簡單明了的系統(tǒng)?！?/FONT>
原本孤立的生產(chǎn)和控制自動化系統(tǒng)越來越多地整合于一個(gè)遍布整個(gè)工廠范圍的控制和信息平臺。
（轉(zhuǎn)載）
