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方原柏:无线适配器——有线传感器进入无线通信系统的帮手
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个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2016-10-13 11:39:49 楼主

  1  概述

  对流程行业无线通信系统来说,最简单的系统架构见图1,多台无线现场传感器通过列入国际标准的无线通信方式将信息传送到无线网关,由无线网关以有线方式与计算机控制系统连接。

  图1  最简单的无线通信系统架构

  由于各类传感器、变送器问世的时间已有数十年,类别、型号、规格非常齐全,而无线现场传感器设备只不过六七年前才出现,总的类别、型号、规格非常少,而具体到某一通信标准,那就更少了。为了使无线通信系统能接受更多参数的传感器、变送器加入到无线通信系统,几乎每一个无线通信标准均开发了适配器,以实现这一目标(见图2)。

  图2  带适配器的无线现场设备组成的无线通信系统

  适配器(Adapter/Adaptor)是一个接口转换器 <http://baike.baidu.com/view/110440.htm>,它可以是一个独立的硬件接口设备,允许硬件 <http://baike.baidu.com/view/25278.htm>或电子接口与其它硬件或电子接口相连,它也可以是信息接口,如大家所熟悉的USB与串口 <http://baike.baidu.com/view/69108.htm>的转接适配器 <http://baike.baidu.com/view/49898.htm>、电源适配器、三角架基座转接适配器等等,它使得原本由于接口不兼容 <http://baike.baidu.com/view/348591.htm>而不能一起工作的那些类别的设备可以一起工作。在无线通信系统里,适配器是能将有线现场设备连接到无线网络并通信的网络设备,比如将4~20mA或带HART、RS232、RS485、Modbus、FF、Profibus-PA等通信协议的有线现场设备连接到无线网络并通信的网络设备。

  据介绍,目前已安装使用的HART仪表有3000万台以上且种类繁多,但其中85%以上的HART仪表没有用到智能设备特有的状态信息和故障诊断信息,智能无线适配器给这样一些仪表增加了状态信息采集和故障诊断的功能,为其应用升级提供了一条新的途径。

  2  适配器产品

  目前流程行业无线通信系统有三个国际标准: WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA,WirelessHART是以美国艾默生过程控制公司为主导的,ISA100.11a是以美国霍尼韦尔、日本横河电机公司为主导的,WIA-PA是以我国中科院沈阳自动化研究所为主导的。在这三个国际标准里,都有适配器这个产品。

  2.1  WirelessHART标准的适配器

  艾默生过程控制公司的WirelessHART THUM(英文名:大拇指)775适配器(见图3)可应用于HART5.0或以上版本的任何2线或4线制HART设备,实现测量和诊断信息的无线传输。775适配器是利用现有有线仪表的电源工作,本身未配电池。适配器的下部是带螺纹接口的,可直接插入HART设备上的电气接口获得回路供电。

  图3  WirelessHART标准的适配器

  左:艾默生过程控制公司的THUM775适配器;中:MACTek公司的Bullet适配器;

  右:E+H公司SWA70适配器

  此外,菲尼克斯公司有WirelessHART RAD-WHA-1/2NPT适配器,MACTek公司有形象地称为“子弹头”的Bullet WirelessHART适配器(见图3中),西门子公司有SITRANS AW200/AW210 WirelessHART适配器;E+H公司有SWA70适配器(见图3右)。

  2.2  ISA100.11a标准的适配器

  霍尼韦尔公司OWA100 HART适配器又称HART信号的无线转接模块,可以将有线HART设备转接成ISA100.11a标准的无线现场设备。OWA100 HART适配器的正面有一个红色LED灯、一个绿色LED灯,用于HART设备和无线网络工作状态的现场诊断显示(见图4左)。

  图4  ISA100.11a标准的适配器

  左:霍尼韦尔公司OWA100 HART适配器;右:横河电机的FN310多协议适配器

  横河电机2014年推出支持基于有线HART和RS485 Modbus标准的FN310多协议适配器(见图4右)。多协议适配器采用了大容量的锂离子电池,使多协议适配器能长时间为现场仪表供电,还可在主机系统显示器上显示估计的电池寿命剩余天数。

  2.3  WIA-PA标准的适配器

  中科奥维公司、沈阳中科博微自动化技术有限公司、北京天宇蓝翔科技发展有限公司均生产WIA HART适配器,适配器集成了WIA核心协议,可以连接带HART协议的有线现场设备,使其无线接入WIA网络中,并且具备网络路由功能(见图5)。

  图5  WIA-PA标准的适配器

  左:中科奥维公司的适配器;右:北京天宇蓝翔公司的适配器

  沈阳中科博微自动化技术有限公司还生产RS485/232无线透传模块,这是一款针对现有的RS485/RS232总线开发的无线解决方案。

  3  适配器分类

  通常按通信协议的类别不同分为HART适配器和其它协议适配器。

  HART适配器是最常用的,它是能将有线HART现场设备(包括仅有模拟4~20mA信号的现场设备)连接到无线网络并通信的网络设备,它允许现有4~20mA信号与数字无线信号同步工作。如上面所介绍的艾默生过程控制公司的THUM775适配器、霍尼韦尔公司OWA100 HART信号适配器和中科奥维公司的适配器。

  其它协议适配器目前较为少见,它是能将有线RS232、RS485 Modbus、Ethernet、FF、Profibus-PA等通信协议的设备连接到无线网络并通信的网络设备。如上面所介绍的霍尼韦尔公司XYR400E无线转接模块的适配器,它可以无线转接RS232、RS485、Ethernet协议的第3方设备;横河电机可转接RS485 Modbus标准的FN310多协议适配器;沈阳中科博微自动化技术有限公司的RS485/232无线透传模块,可实现RS485/232总线和无线通信之间的透明传输。

  4  适配器的功能

  4.1  HART适配器的功能

  已经在生产过程中使用的有线HART现场设备(包括仅有模拟4~20mA信号的现场设备),或者某些检测参数已经有HART现场设备但还没有相对应的可用于工业无线网络的无线现场设备,那么可以采用适配器与HART现场设备相连(见图6),然后通过工业无线网络进行通信。适配器支持与其相联的现场设备之间的HART通信,它可以从HART设备上获得回路供电及HART信息,但它不影响HART设备原先的模拟信号传送。也就是说,适配器允许现有的4~20mA信号与数字无线信号同时运行。通过适配器可将任何一个普通的HART(可能要求HART5.0或以上版本)设备升级成准无线设备接入无线网络。适配器的简化版尺寸短小,可以直接通过螺纹接口拧在变送器本体上,看起来与有线HART现场设备一体化了,甚至可以将这个一体化的有线HART现场设备当作是准无线现场设备接入无线网络。

  图6  安装在有线HART设备上的适配器

  左:WirelessHART适配器;右:ISA100.11a HART无线转接模块

  一般来说,HART适配器主要有四个功能:

  1)向本身没有无线功能的HART设备(包括仅有模拟4~20mA信号的现场设备)提供无线通信;

  2)由于主机系统的限制,可能在有线HART现场设备的4~20mA回路上无法检测到HART信号,不能进行HART诊断访问,连接适配器后,有线HART现场设备的HART信号可以由主机系统接收;

  3)HART设备信息可能没有直接进控制系统的入口,加装HART适配器后可访问多个用户,4~20mA信号仍以有线方式传送到控制室,而无线HART信号用于维护人员或其他人员访问的参数和诊断数据;

  4)作为无线中继器,转接无法直接与网关无线通信的其他无线现场设备的信息。

  以艾默生过程控制公司的THUM775适配器为例,使用适配器后还可以给HART设备增加以下功能:

  1)获取先进诊断信息:适配器通过AMS Suite访问先进的诊断信息,实现现场仪表的校验功能,如电磁流量计和科氏流量计的现场校验;

  2)增强阀门能力:适配器与AMS ValveLink软件结合,可以很容易地实现Fisher FIELDVUE数字阀门控制器的新增功能,包括数字阀门控制器在线阀门测试、报警监控和阀门的位置趋势等功能;

  3)远程设备管理和健康监测:用户通过THUM775适配器和AMS设备管理组合,在控制室就可以不间断地监测现场HART设备并发现HART设备已出现的或潜在的故障,以优化维护计划,减少停机时间并减少人员在危险区的滞留时间。

  对工业无线网络来说,适配器往往是一个最基础的产品,现阶段的无线通信技术的应用中,90%以上的架构为一个网关加多台无线现场设备,而几乎任何一个检测参数的传感器、变送器都可以通过采用适配器成为无线现场设备。以WirelessHART产品为例,除了爱默生过程管理有较完整的各种无线现场设备类型之外,目前另外一些生产厂商推出的产品只有适配器、网关或者再加上压力、温度无线现场设备。比如ABB公司的WirelessHART产品仅有FieldKey NHU200适配器和网关,E+H公司、菲尼克斯公司的WirelessHART产品也是仅有适配器和网关,P+F公司的WirelessHART产品仅有适配器、网关、温度无线现场设备,西门子公司的WirelessHART产品仅有适配器、网关、温度无线现场设备、压力无线现场设备。

  4.2  其它协议适配器的功能

  霍尼韦尔公司还有一款称为XYR400E无线转接模块的适配器,它可以无线转接如下协议的第3方设备:RS232、RS485、Ethernet。当第3方设备如PLC、分析仪、流量计算机、照相机、报警盘等以上述协议有线接入时,XYR400E无线转接模块可以通过多功能节点等设备进行无线通信后,再送入控制系统。

  横河电机的FN310适配器可支持RS485 Modbus标准,近期还将推出覆盖其他标准,如FF、Profibus-PA等现场总线的多协议无线适配器产品。支持RS485 Modbus FN310多协议无线适配器可以将现场无线接入点的多个无线现场设备的信号,以RS485 Modbus协议方式传送到支持RS485 Modbus协议的控制系统(见图7)。

  图7  FN310多协议无线适配器的应用

  1:YFGW510现场无线接入点;2:FN310 RS485 Modbus协议适配器;

  3:RS485 Modbus连接电缆

  沈阳中科博微自动化技术有限公司还生产RS485/232无线透传模块,这是一款针对现有的RS485/RS232总线开发的无线解决方案,可实现RS485/232总线和无线通信之间的透明传输,可替代PLC等控制系统的RS485总线,接入PLC控制系统,可实现点到点、点到多点等多种模式的数据通信。本模块同时具有RS485和RS232接口,两者之间可方便切换。

  5 适配器的性能参数

  下面以HART适配器为例介绍适配器的性能参数,如支持HART设备台数、供电、连接特性及刷新率等。

  5.1 支持HART设备台数

  一般来说,一台HART适配器可配用一台HART有线现场设备,如艾默生过程控制公司的THUM 775适配器、霍尼韦尔公司OWA100 HART适配器和中科奥维公司适配器。但也有部分厂家提供支持多台HART有线现场设备的适配器,如菲尼克斯公司的WirelessHART RAD-WHA适配器支持最多4台HART设备;E+H公司SWA70支持4台HART设备的连接;MACTek公司Bullet 11010X-2000适配器支持2台HART设备的连接,Bullet11010X-8000适配器支持8台HART设备的连接;西门子公司适配器在多线路模式下SITRANS AW200支持最多4台HART设备,SITRANS AW210支持最多8台HART设备。

  5.2 供电

  艾默生过程控制公司的无线适配器不带电源模块,需要依靠有线HART现场设备供电或外部供电(见图8a、b);霍尼韦尔公司的适配器内部含电池,但只能给自身的无线通信模块供电而无法对变送器供电;横河电机公司的无线适配器通过自带的电池进行供电,除了给自身的无线模块供电外还可以直接向有线HART现场设备供电(见图8c),实现对有线HART现场设备进行更为彻底的无线化改造。对于耗电量较大的物位计、电磁流量计、涡街流量计、漩涡流量计等有线HART现场设备,仍需外部电源供电。对支持多台HART有线现场设备的适配器来说,其电池仅能实现单台应用时为有线HART现场设备供电。

  图8  适配器与两线制有线HART设备供电示意图

  左:由有线HART设备供电;中:外接24VDC供电;右:自带电池供电

  5.3 连接特性

  适配器与有线HART设备的连接特性可分为一体化直连和分离式连接。

  大部分适配器底部有一个螺纹接头,可直接插入有线HART设备上的电气接口,如艾默生过程控制公司的THUM775适配器、MACTek公司的Bullet适配器;还有一些适配器的螺纹接头在背面,也可直接插入有线HART设备上的电气接口,如霍尼韦尔公司OWA100 HART适配器、西门子公司SITRANS AW200S适配器、E+H公司SWA70适配器等,这些都是一体化直连安装。

  当有线HART设备安装位置较低、附近障碍物较多致使无线信号传送困难时,可以采用分离式连接将适配器安装在高处或障碍物较少的位置,使无线信号传送顺畅。从理论上说,适配器可以安装在有线HART设备到I/O模块之间电流回路附近的任何地方,所以其安装位置的选择余地非常大。这类安装有的采用安装附件(见图9),有的采用管架式安装适配器,然后用电缆连接有线HART设备和适配器。

  图9  油罐区有线HART液位变送器与带安装附件的适配器分离式安装

  1:适配器;2:安装附件;3:有线HART液位变送器

  5.4 刷新率

  适配器也属于无线现场设备,艾默生过程控制公司的THUM775适配器的刷新率与该公司其他无线现场设备相同,均为1~3600s。而霍尼韦尔公司OWA100 HART适配器的刷新率为5s、10s、30s、60s,与该公司其他无线现场设备相比,少了1s,多了60s;横河电机的FN310多协议适配器的刷新率为5~3600s,与该公司其他无线现场设备相比,也少了1s这一档。

  6 结束语

  无线适配器是无线通信系统重要的组成部分,它可以为有线HART设备提供无线功能,可以获取先进诊断信息,扩展其在线测试、校验、远程设备管理和健康监测等功能,使生产过程的自动化水平、管理水平得到进一步提升。

  参考资料:

  [1] Deji Chen,Mark Nixon,Aloysius Mok.WireleseHART:面向工业自动化的实时网状网络[M] 王泉,王平,韩松译.北京:机械工业出版社,2012.

  [2] PEPPERL+FUCHS.Technical White Paper-Planning and Deploying Networks[EB/OL]. https://www.pepperl-fuchs.dk/cgi-bin/db/doci.pl?...TDOCT-2550.2011.7.

  [3] Yokogawa.FN310 Field Wireless Multi-Protocol Module ,GS 01W03D01-01EN. [EB/OL]. https://www.yokogawa.com/fld/wireless/fld-wireless-01en. htm Vol.1,WLSF-10-002,2014.3.21.

  [4] 方原柏. 流程行业无线通信技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2015.

  作者简介:方原柏,1942年生,男,湖北黄冈人,昆明有色冶金设计研究院教授级高级工程师,昆明仪器仪表学会理事长,中国衡器协会技术专家委员会顾问,冶金自动化、衡器、仪器仪表用户、自动化信息等杂志编委,研究方向为仪表及控制系统应用。发表论文280余篇,出版“电子皮带秤的原理及应用”(1994年,冶金工业出版社)、“电子皮带秤”(2007年,冶金工业出版社)、“流程行业无线通信技术及应用”(2015年,化学工业出版社)三本专著。

  电话:0871-63168424  13078787502

  地址:650051,昆明白塔路208# 昆明有色冶金设计研究院

  邮箱:Fangyb42@sina.com

  作者:方原柏

  该作品已获作者授权,未经许可,禁止任何个人及第三方转载。


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wayaj 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2016-10-13 12:48:36 1楼
 

线适配器是无线通信系统重要的组成部分,它可以为有线HART设备提供无线功能,可以获取先进诊断信息,扩展其在线测试、校验、远程设备管理和健康监测等功能,使生产过程的自动化水平、管理水平得到进一步提升。

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轩逸经典 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2016-10-14 06:43:22 2楼
 


引用 wayaj 的回复内容: 线适配器是无线通信系统重要的组成部分,它可以为有线HA...


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fydmtcj 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2016-10-20 11:33:33 3楼
 

谢谢楼主分享这么宝贵的资料

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青蛙 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2016-10-22 18:10:51 4楼
 

谢谢分享这么宝贵的资料,楼主。

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LRF永鑫 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2016-10-27 09:35:41 5楼
 

多谢楼主的分享,学习知识丰富人生。

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zyxjing0520 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2016-11-01 16:53:28 6楼
 


引用 LRF永鑫 的回复内容: 多谢楼主的分享,学习知识丰富人生。


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大陆之星 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2016-11-24 08:54:33 7楼
 

多谢楼主的分享.

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a197506 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2016-12-15 13:18:53 8楼
 

棒。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

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maxinyang 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2017-01-23 10:04:06 9楼
 

 5积分啊PLC编程理论算法及技巧您只有回复后才能查看附请问

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舒心11 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2017-03-08 06:35:09 10楼
 

使用环境有啥要求什么的,强磁环境里可以使用吗

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星空3 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2017-03-22 20:28:49 11楼
 

能传多远啊?穿透障碍物的能力怎么样?抗电磁干扰能力怎么样?

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亲爱的,对不起 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2017-04-27 22:18:23 12楼
 

这是一个非常好的帖子值得学习

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秃鹫11 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2017-07-10 13:12:23 13楼
 

能传多远啊?穿透障碍物的能力怎么样?抗电磁干扰能力怎么样?

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orange2017 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2017-08-31 11:20:21 14楼
 

不知道抗干扰性能怎么样呢?还有就是传输距离

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70123 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2017-10-06 10:39:06 15楼
 

好好学习天天向上刚才发现辛苦楼主

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牛虻 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2017-10-09 20:16:31 16楼
 

如此种种,除了刷积分,一点意义都没有,还望各位版主发现之后,及时处理。

论坛需要大家共同的维护,一起营造一个良好的氛围

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LICLIN 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2017-11-18 15:39:03 17楼
 

多谢楼主的分享,学习知识丰富人生。

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你懂的 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2017-12-15 11:14:36 18楼
 

学习学习下

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你懂的 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2017-12-15 11:19:59 19楼
 

学习学习下

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半成品 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2017-12-21 14:22:38 20楼
 


引用 orange2017 的回复内容: 不知道抗干扰性能怎么样呢?还有就是传输距离


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student 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2017-12-21 16:02:05 21楼
 

使用环境有啥要求什么的,强磁环境里可以使用吗

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千里走单骑 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-01-27 15:54:11 22楼
 

谢谢楼主的分享

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美泰物流网 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-02-10 15:19:53 23楼
 

与欧美发达国家相比,我国物流运输方式、比例不尽合理,造成物流成本偏高。

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glenxu 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-03-02 12:06:11 24楼
 

够齐全!谢谢版主!

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yaoqing_1989 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-03-02 16:13:01 25楼
 

来学习一下啊,大家都好厉害


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HEHE杨 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-03-09 08:27:25 26楼
 

多谢楼主的分享,学习知识丰富人生

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火VS舞 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-03-12 11:15:39 27楼
 

好东西,非常感谢分享

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HERO7LIU 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-03-15 16:33:24 28楼
 

谢谢楼主分享,好资料啊

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dongdian0001 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-03-29 14:07:38 29楼
 

好东西就要看看。谢谢。

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宁静致远 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-03-29 16:37:02 30楼
 

收藏了,学习了,楼主讲解的很仔细

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660797 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-04-23 18:41:25 31楼
  多谢楼主的分享,学习知识丰富人生。
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09lxy 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-05-03 22:50:12 32楼
  无线的东西需要电池,扫描周期太短的话电池寿命会短
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凄凄切切去 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-05-08 19:28:55 33楼
  好帖子,学习了
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scnj 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-06-03 13:58:28 34楼
 

学习学习学习。 感谢分享

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LV HP 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-07-01 11:22:25 35楼
 

资料很好,学习一下,谢谢!

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Husionlim 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-07-24 09:56:54 36楼
 

谢谢楼主奉献,一定努力学习。

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潸然泪下_ 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-09-26 10:29:53 37楼
 

学习了多谢分享

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WY112233 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-10-24 16:40:42 38楼
 

初学者就来看看

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shning 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-10-30 16:47:00 39楼
 

感谢楼主分享

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QWERTY45066 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-11-02 00:27:09 40楼
 


引用 青蛙 的回复内容: 谢谢分享这么宝贵的资料,楼主。

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大大大怪兽 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-11-09 09:15:12 41楼
 

多谢楼主的分享,学习知识丰富人生

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alavender 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-11-09 13:11:23 42楼
 

收藏了,感谢!

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过往不堪 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2018-11-12 15:26:07 43楼
 

感谢楼主分享

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