錢 林

(上海?？怂共_有限公司，上海 200331)

TRICON+I/A在火電廠FSS中的應(yīng)用

錢 林

(上海?？怂共_有限公司，上海 200331)

隨著儀表和控制技術(shù)的發(fā)展，功能安全系統(tǒng)越來越被人們所關(guān)注。作為提高系統(tǒng)安全可靠性的一種設(shè)計方案，上海福克斯波羅有限公司的I/A Series分散控制系統(tǒng)(DCS)中引入了TRICON系統(tǒng)。通過介紹TRICON的特性，分析了鍋爐安全系統(tǒng)(FSS)在I/A系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了FSS應(yīng)用TRICON+I/A組合控制的設(shè)計思路，并對TRICON+I/A的實施方案進行了實例解析。TRICON+I/A組合控制的爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)方案，實現(xiàn)了控制功能和功能安全的分隔，優(yōu)化了原有I/A系統(tǒng)的FSSS方案，使系統(tǒng)向功能安全系統(tǒng)發(fā)展跨進了一步。TRICON+I/A組合控制，實現(xiàn)了二者的優(yōu)勢互補，很好地平衡了誤動和拒動關(guān)系，增加了系統(tǒng)安全可靠性。該FSSS設(shè)計組合既考慮了系統(tǒng)安全性，也兼顧了項目的經(jīng)濟合理性。該方案已在印度多個項目中得到成功應(yīng)用。實踐表明了方案的可行性和安全可靠性，為TRICON在國內(nèi)火電廠FSS的設(shè)計應(yīng)用提供了借鑒。

火電廠； TRICON； 三重冗余； 功能安全； 分散控制系統(tǒng)； FSS； FSSS； 組合控制

0 引言

隨著儀表和控制技術(shù)的發(fā)展，國際電工委員會(IEC)發(fā)布了功能安全基礎(chǔ)標準IEC 61508，并且提出了安全完整性等級(safety integrity level,SIL)概念。用于實現(xiàn)安全保護功能的系統(tǒng)設(shè)計理念發(fā)生了變化，從故障安全擴展到功能安全。功能安全系統(tǒng)以系統(tǒng)功能的可靠執(zhí)行來保證安全，防止安全相關(guān)系統(tǒng)或設(shè)備的功能失效所導(dǎo)致的風險[1]。我國發(fā)布了《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》和《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》規(guī)范書。目前，該標準已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)石油、化工等過程工業(yè)，在火電廠鍋爐保護方面的應(yīng)用也日益受到重視。

自2008年起，在承接印度火電廠DCS系統(tǒng)項目時，技術(shù)協(xié)議中明確規(guī)定：對于鍋爐安全系統(tǒng)(fuel safety system，F(xiàn)SS)，應(yīng)滿足至少采用三重冗余化配置的故障安全系統(tǒng)，所供應(yīng)的FSS控制器產(chǎn)品必須遵循國際相關(guān)標準制造，并通過國際權(quán)威機構(gòu)TüV認證。TRICONEX公司旗下的TRICON系統(tǒng)是一種現(xiàn)代化、可編程的過程控制器，它具備三重組合式冗余(triple modular redundant，TMR)結(jié)構(gòu)，可提供先進的系統(tǒng)控制[2]。于是，上海?？怂共_有限公司在I/A Series分散控制系統(tǒng)(簡稱I/A系統(tǒng))中引入了TRICON系統(tǒng)，作為提高系統(tǒng)安全可靠性的一種設(shè)計方案，以滿足合同需求。本文主要通過闡述TRICON特性，探討TRICON+I/A控制組合在火電廠FSS的應(yīng)用與發(fā)展。

1 TRICON系統(tǒng)的主要特性

1.1 三重組合冗余結(jié)構(gòu)

TRICON系統(tǒng)包含三重組合化的主處理器，每個模塊都有三個獨立的分電路。該系統(tǒng)具備了三個獨立回路并行工作的功能，以及自診斷功能，可降低單一功能失效導(dǎo)致的風險，提高信號的準確性、可靠性[3]。三重組合冗余結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三重組合冗余結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，輸入模件內(nèi)部由A、B、C三個完全相同的支路組成。三個主處理器MPA/MPB/MPC各自獨立執(zhí)行控制程序，每個系統(tǒng)支路獨立地執(zhí)行控制程序，并與其他兩個支路并行工作；在同一個周期內(nèi)通過TriBUS高速總線進行表決和同步，以識別、補償控制系統(tǒng)的錯誤，并采取糾正措施。每個組件箱內(nèi)均配雙重電源和I/O模塊。主處理器經(jīng)I/O BUS把控制程序所產(chǎn)生的輸出發(fā)送給輸出模件，由輸出模件進行表決，并將表決結(jié)果傳送到輸出端子。對于輸出模件而言，其內(nèi)部還特設(shè)反饋電路，可測試來自輸出終端的環(huán)回路數(shù)據(jù)，提供信息、檢查結(jié)果，并給出最優(yōu)選的有效輸出。

1.2 強大的容錯、糾錯能力

TRICON的三重冗余微處理器，提高了系統(tǒng)的硬件故障裕度；智能I/O模塊的“表決機制”，提高了全面的故障自診斷能力[4]。TRICON超強的自檢、自校功能，減輕了主處理器的工作負荷，提高了控制器及其控制過程的可用性。

1.3 良好的可擴展性

TRICON提供多種通信接口，以滿足多種通信方式，并可支持遠程I/O模件。主處理器通過通信總線將數(shù)據(jù)傳輸給通信模件，再由通信模件將數(shù)據(jù)發(fā)送至其他設(shè)備，并由專用的通信卡無縫接入DCS系統(tǒng)[5]。

TCM卡通信連接示意圖如圖2所示。

圖2 TCM卡通信連接示意圖

1.4 國際權(quán)威機構(gòu)認證

TRICON系統(tǒng)具有TüV AK6級證書，符合德國技術(shù)監(jiān)督局的DIN標準，滿足AK5、AK6及SIL3要求(應(yīng)用于緊急停車、火災(zāi)檢測、環(huán)境、健康等領(lǐng)域)[6]。

1.5 良好的在線維護

TRICON系統(tǒng)可支持“熱插備件”模件，供I/O模件在線維修和應(yīng)急時使用。

1.6 適應(yīng)多種編程語言

TRICON系統(tǒng)基于Windows 的TriStation 1131程序平臺進行控制邏輯的開發(fā)，并支持離線仿真。軟件組態(tài)可執(zhí)行四種程序語言：功能模塊程序語言(function block diagram，F(xiàn)BD)、梯形圖程序語言(ladder diagram，LD)、結(jié)構(gòu)語言(structured text，ST)、因果矩陣程序語言(cause and effect matrix，CEM)。

由于TMR是硬件層面的，單個設(shè)備連上接線端后，三重冗余的系統(tǒng)工作由TRICON自行管理，所以TRICON編程組態(tài)只需一組軟件，不會增加工作量。

2 FSS在 I/A系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(furnace safeguard supervisory system，F(xiàn)SSS)是電廠DCS安全控制的重要組成部分。它由FSS和燃燒器控制系統(tǒng)(burner control system，BCS)兩部分組成。BCS的功能是在鍋爐整個運行的各個階段，對燃燒器的啟動、停止進行自動控制，同時對燃燒過程的運行工況進行連續(xù)監(jiān)控。而FSS的功能主要是當運行出現(xiàn)異常工況時，快速切斷燃料，以防止爐膛內(nèi)積聚燃料而引起的爆燃和設(shè)備損壞[7]。

由于FSS的鍋爐保護級別較高，因此在項目設(shè)計中，其通常采用獨立的控制器。但是，控制器不分控制功能和保護功能，均采用同類型的控制器。I/A分散控制系統(tǒng)和絕大部分DCS系統(tǒng)一樣，采用硬件的冗余配置(控制器、電源模件、通信總線以及I/O模件的冗余)的方法來提高系統(tǒng)的安全、可靠性[1]。由于投資成本的原因，國內(nèi)機組的鍋爐保護系統(tǒng)極少會采用專門的安全相關(guān)系統(tǒng)。

自國際電工委員會發(fā)布了功能安全基礎(chǔ)標準IEC 61508以來，整個DCS系統(tǒng)安全功能越來越被人們重視。三重冗余的TRICON控制系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)化工[6,8]、核電[9]系統(tǒng)；在火電廠汽機跳閘保護系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越多；國外火電廠FSS也有不少應(yīng)用采用了TRICON+I/A控制組合。

3 TRICON+ I/A組合的設(shè)計思路

從TRICON的特性出發(fā)，結(jié)合工程的實際情況，兼顧設(shè)備的先進性和系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟性等方面，在設(shè)計中重點考慮以下幾個思路。

(1)考慮可靠性優(yōu)先的原則，提高功能安全功能。

①TRICON的硬件三重冗余結(jié)構(gòu)提供了超強容錯的能力。該系統(tǒng)具備自診斷、自修正能力，無需啟動其他的設(shè)備或功能來消除或降低風險，使高安全性、高可用性得到保障。

②TRICON的智能模塊和I/O模塊的表決機制，消除了因硬件故障造成的事故跳閘。

③采用I/A系統(tǒng)的順序控制和連續(xù)調(diào)節(jié)聯(lián)合監(jiān)控，可預(yù)防事故的發(fā)生，實現(xiàn)了鍋爐正常控制和聯(lián)鎖保護；采用程序管理，可滿足工藝安全需求。

(2)考慮符合實際的可操作性和經(jīng)濟合理原則。

常規(guī)的鍋爐安全系統(tǒng)FSS包含爐膛吹掃、油泄漏試驗、主燃料跳閘(main fuel trip，MFT)這三大功能。由于FSS邏輯信號大多數(shù)是經(jīng)DCS運算后產(chǎn)生的，全部功能由TRICON實現(xiàn)，會使得TRICON與I/A間往來的輸入、輸出信號比較多，邏輯處理比較凌亂，造成投資、改造成本上升。

設(shè)計考慮TRICON+I/A組合優(yōu)勢互補，分析FSS的三大功能：MFT對于信號處理的要求比較高，當MFT跳閘條件出現(xiàn)時，需作快速響應(yīng)并將節(jié)點輸出到驅(qū)動設(shè)備。TRICON系統(tǒng)具有冗余容錯及快速響應(yīng)的特質(zhì)，在快速響應(yīng)上有優(yōu)勢且無需人工干預(yù)，故把MFT功能納入TRICON實施。

而I/A系統(tǒng)具有綜合運算、數(shù)據(jù)處理、操作顯示、完善人機界面等方面的優(yōu)勢，爐膛吹掃功能和油泄漏試驗都需要人工判斷、確認后才可啟動，并由人機界面操作顯示。故把油系統(tǒng)泄漏試驗和鍋爐爐膛吹掃這兩個主要功能納入I/A系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)控制功能獨立于功能安全系統(tǒng)。

三重冗余的TRICON實現(xiàn)MFT的邏輯，使MFT功能獨立于I/A邏輯控制，一旦事件條件信號觸發(fā)，可實現(xiàn)急速響應(yīng)，不設(shè)人為斷點，減少了人為誤動因素和錯誤操作概率；TRICON+I/A組合控制，綜合考慮了經(jīng)濟性和功能合理性，既符合目前的市場狀況，又可提升系統(tǒng)總體的可用性。

(3)考慮符合設(shè)計規(guī)范、國家標準，滿足合同需求。

①按照印度方的技術(shù)協(xié)議，規(guī)定鍋爐保護系統(tǒng)FSS需要采用三重冗余化配置的故障安全系統(tǒng)。引入TRICON系統(tǒng)三重冗余結(jié)構(gòu)的可編程控制器，并具有和I/A系統(tǒng)完整融合的優(yōu)勢，且具備TüV認證，可以滿足客戶合同需求。

②考慮設(shè)計規(guī)范要求，重要保護信號必須采用冗余，信號跨控制器傳遞需采用硬接線連接。所以，TRICON系統(tǒng)與I/A系統(tǒng)之間的保護信號，在采用硬接線連接邏輯信號傳輸時，信號均采用三個輸入、三個輸出的冗余配置。它們之間采用以太網(wǎng)通信方式進行邏輯軟信號的傳輸，并通過TRICON專用通信模塊(高級通信模件ACM)與I/A系統(tǒng)實現(xiàn)通信。由ACM通信卡連接I/A系統(tǒng)的通信口，作為DCS通信上的一個節(jié)點，把TRICON系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與診斷信息傳遞給DCS，實現(xiàn)TRICON和 I/A系統(tǒng)的無縫接入[10]。

4 TRICON+I/A組合的應(yīng)用實例

本文以印度某項目660 MW燃煤電站工程的分散控制系統(tǒng)為例，這也是第一個實際投入TRICON+I/A組合應(yīng)用的項目。此項目鍋爐采用上海鍋爐廠生產(chǎn)的超臨界壓力參數(shù)直流爐、四角切圓、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型布置。32只直流式的煤燃燒器分8層布置于爐膛四角，爐膛以切圓的方式燃燒。整個鍋爐采用5層油(1層輕油、4層重油)燃燒器、8層煤粉燃燒器。點火方式為輕油點火，點燃重油和煤粉，在鍋爐不投煤僅燃油的情況下，輕油可達10%鍋爐最大負荷，重油可達到25%鍋爐最大負荷。

此項目規(guī)定：鍋爐爐膛FSSS的燃燒器控制系統(tǒng)部分，控制處理器應(yīng)單獨冗余配置，F(xiàn)SS部分采用TüV認證的SIL-3安全系統(tǒng)。根據(jù)合同需求，考慮控制功能和功能安全的分隔[10]以及項目成本，F(xiàn)SSS的核心邏輯MFT選用了三重冗余的TRICON系統(tǒng)來實施，其他邏輯由I/A系統(tǒng)來實現(xiàn)，以符合機組整個系統(tǒng)的安全性，實現(xiàn)安全、可靠的運行。以下主要闡述TRICON+I/A組合控制的FSS應(yīng)用實例。

4.1 FSSS的方案配置

4.1.1 硬件配置

FSSS在I/A系統(tǒng)DCS配有5對控制器，該系統(tǒng)共占用10個機柜。在TRICON配有1對控制器，采用1個機柜。

I/A+TRICON組合的控制器分布如下。①CP100A控制器：分配有A、B磨煤機、給煤機及相關(guān)設(shè)備；AB層油設(shè)備。②CP100B控制器：分配有C、D磨煤機、給煤機及相關(guān)設(shè)備；CD層油設(shè)備。③CP100C控制器：分配有E、F磨煤機、給煤機及相關(guān)設(shè)備；EF層油設(shè)備；火檢風機B。④CP100D控制器：分配有G、H磨煤機、給煤機及相關(guān)設(shè)備；GH層油設(shè)備；密封風機B。⑤CP100E控制器：分配有MFT首出顯示點；爐膛吹掃，有系統(tǒng)泄漏試驗相關(guān)點；火檢風機A、密封風機B；BC層輕油設(shè)備；還含有爐側(cè)SOE點。⑥TRICON的控制器：單獨完成MFT邏輯。

4.1.2 軟件配置

FSSS包含BCS和FSS兩大塊。其中BCS功能由I/A系統(tǒng)完成，同常規(guī)設(shè)計，在此不作贅述；而燃料安全系統(tǒng)FSS涵蓋的功能，由TRICON+I/A完成。

FSSS控制功能分配如圖3所示。

圖3 FSSS控制功能分配示意圖

4.2 由I/A實施爐膛吹掃功能

鍋爐爐膛吹掃條件如下：①無觸發(fā)MFT的條件信號；②全爐膛無火焰；③至少各一臺送、引風機運行；④空預(yù)器運行；⑤一次風機全停；⑥燃油快關(guān)閥關(guān)；⑦所有油燃燒器油角閥關(guān)；⑧所有磨煤機和給煤機停；⑨30%<總風量<40%；⑩磨冷熱風門及出口閥全關(guān)；開二次風門至吹掃位。

當滿足爐膛吹掃條件后，I/A系統(tǒng)的控制邏輯會自動設(shè)置風門吹掃位：①開二次風門至吹掃位；②關(guān)閉SOFA擋板；③置燃燒器水平位；④至二次風擋板開最大后切手動。

滿足鍋爐吹掃條件后，運行人員可按需操作，按下“啟動吹掃”按鈕，發(fā)“吹掃指令”，開始5 min的吹掃計時。在這期間內(nèi)若發(fā)生MFT觸發(fā)信號或吹掃條件不滿足現(xiàn)象，系統(tǒng)會認為“吹掃中斷”，計時“清零”；否則，吹掃計時5 min之后，系統(tǒng)發(fā)出“吹掃完成”信號，自動復(fù)位MFT。在泄漏試驗未被旁路情況下，延時10 s后，自動進行輕油泄漏試驗和重油泄漏試驗。

4.3 由I/A實施油泄漏試驗功能

4.3.1 油泄漏試驗允許條件

油泄漏試驗允許條件如下：①所有油燃燒器油角閥關(guān)；②進油母管壓力允許；③總風量>30%；④無觸發(fā)MFT的條件信號；⑤所有火焰檢測無火。

4.3.2 采用I/A順控塊實現(xiàn)油泄漏試驗

油泄漏試驗過程為：開進油快關(guān)閥，開回油快關(guān)閥，開調(diào)節(jié)閥，對油管路充油60 s，關(guān)回油快關(guān)閥。若在 60 s內(nèi), 油母管壓力沒有達到設(shè)定值，即充油失敗，試驗中斷；否則為母管充油成功，關(guān)進油快關(guān)閥。然后，泄漏試驗開始計時3 min，監(jiān)視進油快關(guān)閥后油壓變化，若3 min前、后的油壓壓差變化大于設(shè)定值，即說明油管路有泄漏，試驗失?。环駝t，開回油閥，讓油管路卸油，直到進油快關(guān)閥后壓力開關(guān)低動作，關(guān)回油閥。再次開始3 min計時試驗，監(jiān)視進油快關(guān)閥后油壓變化過程。若3 min前、后油壓壓差大于設(shè)定值，說明進油快關(guān)閥有泄漏，試驗失敗；否則，整個泄漏試驗成功。此外，當運行人員確認油系統(tǒng)無泄漏情況時，可以人工旁路泄漏試驗。

4.4 I/A+TRICON的MFT方案

TRICON+I/A組合的MFT方案：在TRICON控制系統(tǒng)中，設(shè)計有MFT跳閘邏輯，以及MFT跳閘原因的首出記憶。本設(shè)計方案以失電跳來完成保護功能。此外，控制臺上設(shè)有手動MFT，以備應(yīng)急操作。此印度項目具體的MFT信號傳遞如圖4所示。

圖4 MFT信號傳遞示意圖

當任一個MFT條件出現(xiàn)時，TRICON系統(tǒng)對輸入信號作三重冗余運算處理后，會快速觸發(fā)MFT動作，并產(chǎn)生首出跳閘記憶信號；然后，進入TRICON輸出模件，并經(jīng)三取二表決機制后，將結(jié)果信號輸出給I/A系統(tǒng)作為SOE信號，同時把MFT觸發(fā)信號輸出給MFT繼電器柜；最后，將3個MFT信號輸出給MFT繼電器柜。TRICON系統(tǒng)還把MFT跳閘首出信號輸出給I/A系統(tǒng)，以實現(xiàn)MFT首出、SOE及報警顯示功能。

對于MFT信號的復(fù)位，設(shè)計了自動復(fù)位功能。在I/A系統(tǒng)中，當鍋爐爐膛吹掃條件滿足后，運行人員可以根據(jù)運行需求，人工啟動爐膛吹掃邏輯；當爐膛吹掃完成后，I/A系統(tǒng)會輸出“自動復(fù)位MFT信號”給TRICON柜和MFT繼電器柜，實現(xiàn)復(fù)位MFT信號。

4.5 TRICON+I/A間的信號處理

此項目中，I/A系統(tǒng)涉及MFT聯(lián)鎖動作的部分，均采用雙重信號控制，即TRICON送來的MFT信號硬接線信號或TRICON+I/A間通信的MFT信號，以確保MFT信號可用性。下面分別以開關(guān)量“爐膛壓力過低信號”、模擬量“送風風量<25%”為例，解析I/A與TRICON系統(tǒng)間的信號傳遞處理過程。①若MFT觸發(fā)條件信號原信號為開關(guān)量信號：如爐膛壓力過低，信號從現(xiàn)場直接接入TRICON，其取自現(xiàn)場壓力的3個開關(guān)信號，并分別進入TRICON的3塊輸入卡，經(jīng)輸入模件表決處理，在主處理器中分別進行三重冗余自檢糾錯處理；輸入表決后，再經(jīng)MFT邏輯運算，向MFT繼電器柜以硬接線方式輸出3個觸發(fā)MFT的驅(qū)動信號；同時，將MFT信號送I/A系統(tǒng)作SOE點，并作首出記憶顯示和報警。②若MFT條件信號的原信號為模擬量信號(如送風風量<25%)：AI信號來自現(xiàn)場，接入I/A系統(tǒng)，經(jīng)MCS信號運算或補償處理后，轉(zhuǎn)成3個硬接線開關(guān)量的DO輸出信號，作為MFT跳閘條件之一，分別發(fā)送給TRICON柜和I/A系統(tǒng)FSSS機柜，再進行邏輯運算。而在I/A系統(tǒng)FSSS保護邏輯需用此風量信號時，采用雙重信號控制：一路信號取自TRICON以硬接線方式輸出的信號；另一路信號取自MCS轉(zhuǎn)換來的信號。

5 結(jié)束語

本文所研究的TRICON+I/A組合控制的FSS方案，實現(xiàn)了控制功能和功能安全的分隔；充分發(fā)揮了TRICON和I/A系統(tǒng)的各自所長；很好地平衡了系統(tǒng)誤動和拒動關(guān)系；兼顧了項目的經(jīng)濟合理性，提高了系統(tǒng)安全可靠性；完善優(yōu)化了原有的I/A系統(tǒng)FSS方案，推動了TRICON系統(tǒng)在火電廠FSS的設(shè)計應(yīng)用，使TRICON+I/A組合控制向功能安全系統(tǒng)發(fā)展邁進了一步。此方案在2010—2016年間，已成功應(yīng)用于印度火電廠20多套機組上，多年運行實踐證明了該方案的可行性和安全可靠性。該方案為TRICON在國內(nèi)火電廠FSS的設(shè)計應(yīng)用提供了借鑒。

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Application of TRICON+I/A in FSS of Coal-Fired Power Plant

QIAN Lin

(Shanghai Foxboro Co.,Ltd.,Shanghai 200331,China)

With the development of instrumentation and control technology, the functional safety system has been paid more and more attention.As a design scheme for improving the reliability of the system safety, TRICON system is intergrated into the I/A Series distributed control system (DCS) of Shanghai Foxboro Co., Ltd.Through introducing the characteristics of TRICON, the current application status of FSS in the I/A system design is analyzed, and the design concept of applying TRICON + I/A in FSS is described, the implementation examples of TRICON+I/A are also analyzed.The FSSS scheme controlled by TRICON+I/A realizes the separation of the control functions and functional safety, and improves and optimizes the original I/A controlled FSSS scheme, this makes the system take a step forward to the development of functional safety system.The combination control of TRICON+I/A achieves the complementary advantages of both, the relationship between the misoperation and refusal-action is well balanced, and the reliability of the system safety is further increased.The system safety and the economic rationality are taken into consideration in this design combination of FSSS.This scheme has been successfully applied in several projects in India.The practice shows that the scheme is feasible, safe and reliable, and it has also provided certain reference for the application of TRICON in FSS design of domestic coal-fired power plant.

Coal-fired power plant； TRICON; TMR; Function safety; DCS; FSS; FSSS; Combination control

錢林(1963—)，女，學(xué)士，工程師，主要從事火電廠熱工自控標準化設(shè)計應(yīng)用和FSSS、SCS應(yīng)用設(shè)計工作。 E-mail：qianlin_3@126.com。

TH7；TP39

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706009

修改稿收到日期:2017-04-16