西门子模块6ES7253-1AA22-0XA0技据

西门子模块6ES7253-1AA22-0XA0技据

部分 设计技术文件

一、概述

近年来，我国的钢铁冶炼行业发展，烧结矿是炼铁的主原料，而配料这一工艺是影响烧结矿质量的重要环节，各称量设备只有达到一定精度才能保证矿的质量。

传统烧结工艺中主要依靠工作经验进行调节，存在以下几方面的问题：

D不能适时进行调节配比，生产效率较低。

D由于缺少计量设备，人为影响因素较多，物料不能很好控制，浪费现象严重，生产成本大大提高，不合格率较多，造成大量的废品。

D由于物料的粉尘污染较严重，严重影响工人的身体健康。近几年来，工业过程自动化程度越来越高及人们对环保意识的增强，变频技术以其优异的性能，在国内外得以广泛应用。

二、系统的主要功能及特点

1、控制系统的主要功能

A监控功能：对皮带称配料过程的瞬时流量、日累计、月累计、年累计等参数进行检测和监视；

A画面显示：通过计算机显示器可显示配料过程中有关控制参数的运行状况，以及显示实时配料曲线和表格；

A打印管理：可随时打印配料报表，以便保存和查询；

A通讯功能：工控机与PLC和仪表之间进行可进行双向数据及信息交换；

A数据处理：系统可自动对采集的信号进行运算处理，并输出到相应的控制量；

A控制功能：根据操作前相应的设定值，自动控制设备的正常运行，包括PID调节；

A报警功能：上位机以画面方式和声光信号方式对各种参数限或设备状态异常进行报警。

2、系统的主要特点

A在系统结构上采用中小型集散控制系统，实现了“分散控制，集中管理”，克服了“危险集中”的问题；

A上位机和下位机相对立。具有手动、自动、半自动切换功能，联机时，彼此间按特定的协议互通信息，脱机时，单台秤可立实现工艺闭环过程控制；

A上位机远离操作现场，提高了系统的稳定性，改善了操作员的工作环境；

A下位机选用可编程控制器，具有很强的抗干扰能力，编程简单易于掌握，能在恶劣的环境中长期的运行；

A采用PID调节，提高系统的配料精度，并能根据生产要求，设置的工作开关时序，较好的解决料头料尾问题，自动修改配料系统的物料配比；

三、系统的结构及工作原理

1、控制系统的总体构成拓扑图及系统原理图

本系统由一套PLC系统和一套上位机监控系统组成。PLC系统由一个S7-300主站和13个仪表作为从站及通讯电缆组成，主站与从站通过PROFIBUS-DP通讯，上位机监控系统采用 bbbbbbs2000Professional Server SP2操作系统，安装西门子STEP7编程软件及WINCCV6.0组态软件。

控制系统的总体构成拓扑图及系统原理图如下所示：

系统原理图

B上位机：对整个系统进行实时监控，画面显示和报表打印;

B PLC：实现配料的自动控制;

B配料仪表：用于配料的PID调节及瞬时流量和累计流量等参数的显示;

B控制柜：用于系统的逻辑控制和供配电;

B现场手操箱：用于现场单台设备的启停控制。

2、系统的运行方式：每一台配料称设手动，半自动，自动三种控制方式

B手动时，将现场控制箱和仪表箱的转换开关都打到手动位置，由现场控制箱上的启停按钮、电位器、频率表等实现控制，由称量仪表显示物料瞬时量及累积量。主要用于网络系统故障PLC控制系统发生故障或其它原因，需要进行手动检修试车工作情况下的应急操作。

B半自动时，将现场控制箱和仪表箱的转换开关都打到自动位置，由现场控制箱上的启停按钮、频率表、称重显示仪表等实现控制，可以通过称重仪表设定的配方自动调整配料量，显示物料瞬时量及累积量。主要用于不需要上位控制时。

B全自动时，将仪表箱的转换开关打到联动位置，由上位机控制皮带的启停，动态显示各物料量、皮带运行状态、各种报警指示，各配料量由上位机根据工艺要求统一设定，可进行采集和处理各配料控制回路来的称量信号与开关量状态，实现整个系统的皮带秤给料、称量检测、料量调节，选择和切换料仓等配料过程的自动控制。此时现场手动控制系统不起作用，通过中控室进行操作。

3、自动运行系统的启动和停止

四种方式：顺序启动、顺序停止、紧急停止、同时启动

B顺序启动:用于系统的初次启动或者顺序停止后的系统再启动，顺序启动功能可以控制参加配料的给料设备按照皮带的运行方向按一定的时间间隔依次启动，保证料头能够对齐。

B顺序停止：用于希望长时间停车的场合，这样可以保证输送皮带上的物料都运送干净，使皮带处于物料状态，并且可以保证料尾对齐。

B紧急停止：用于发生紧急情况所有参与配料的设备立即停止运行的场合。

B同时启动：用于急停后的再启动，能够使系统在上一次的“断点”处接着往下运行，就像没有发生过任何事情一样。

注意：不能随便，无顺序的点击这四个按钮，按操作要求来操作。

4、物料量的控制

B当某种物料量所需配比确定后，将其作为设定值输入上位机，经网络传输给称重仪表。物料落到称重皮带上，其重量由称重传感器检测，物料流量（测量值）的反馈电压信号（0～30mV）到称量控制仪表并运算成为PV当前值，经PID运算再输出4～20mA控制信号至变频器，以此改变其U／F输出值，从而改变皮带速度来控制物料量的大小，实现自动配料。

B物料配比的控制：本系统给料任务来自上位机的配比输入与计算进行控制，即将各种原料的工艺参数输入计算机，由计算机直接对各料种进行设定和配比协调。

B自动倒仓控制:同一种物料分别装于几个料仓中(如精矿粉),在生产中只用到其中的部分料仓给料,要求在某一正在给料的料仓发生故障(无料、堵料、机械故障等)时,控制系统根据程序设定,自动启动一满足条件且没有参与配料的料仓给料系统。

B燃料值的自动调整：设备顺停时，由于精矿粉的总量随着料仓的逐个减少，这时，程序自动逐渐减少燃料的下料量，以保证原配比不变。

四、系统设备选型

1、网络系统选型

Ø上位工控机：研华IPC610 P4 17彩显，

C CPU：P42.8G

C内存：256M

C硬盘：80G

CCD-ROM:SONY DVD

ØPLC系统:CPU选用西门子CPU315-2DP。具有以下功能：

C具有较大容量的工作存贮器，可用于大量的I/O配置。两个通讯口，可用于MPI多点通讯及Profibus-DP分布式通讯。

C具有187.5千位/S能力，字操作时间<1uS,工作存贮器128K字节。

C编程软件采用STEP7.V5.3,具有丰富的编程指令和结构模块，以及强大的组网能力。

C具有扩展通讯功能，多可带32个扩展模块，每个扩展单元8个模块，也就是说除主机架外，可扩展3个机架。

Ø软件设置： 操作系统选bbbbbbs2000Professional SP2,上位机运行西门子WINCCV6.0组态软件,PLC编程软件选用西门子STEP 7 V5.3。

Ø组态软件功能:

实现对全系统的控制管理以及进行系统运行界面的图形组态。运行期间上位机完成系统人-机对话、监控界面显示、报警处理和显示、生产数据处理和报表输出。

2、配料称选型

配料秤集机械、电气、仪表一体，是对散装物料进行连续的输送、计量的理想设备。并可根据现场要求，实现用动、自动、联动控制方式。是烧结、焦化、原料、水泥配料等生产工艺中的必选设备。根据工艺要求，选用江苏天秤LB-PP-P系列皮带秤。

Ø组成

由秤重桥架、速度传感器和积算器组成。

Ø原理

装有载荷传感器的称重桥架、安装于输送机的纵梁上，称重桥架支承的称重托辊，检测皮带上的物料重量，产生一个正比于皮带载荷电气输出信号。速度传感器直接连在从动滚筒上或者大直径的托辊上，提供一系列脉冲，每个脉冲表示一个皮带运动单元，脉冲的频率正比于皮带速度，积算器从载荷传感器和速度传感器接收输出信号，用电子的方法把皮带运动和皮带载荷相乘，并进一步处理通过输送机的物料总重量，将其转换成选定的工程单位，通过对时间的计算，同时产生一个瞬时流量值。累计总量与瞬时流量分别在显示器上显示出来。

Ø结构特点

C 秤重桥架采用16#槽钢整体焊接成型，抗变形；

C 采用环形裙边皮带，有效防止撒料；

C 机架尾轮采用包胶托辊；

C 采用美国的技术-橡胶轴支承，，免维护；

C 具有完善的内外清扫器，保证皮带清洁；

C 加电流输出接口，可输出与流量成正比的4-20 mA电流；

C 通讯接口可选：标准RS485、Modbus、Profibus接口。

Ø技术指标

C称量范围：1～6000t/h

C皮带输送机倾角：≤18度

C皮带速度：0.1～4m/s

C皮带宽度：300～2000mm

3、现场仪表

现场仪表直接接收秤重传感器、测速传感器信号，然后经过处理，把结果通过Profibus总线、I/O接口与S7-300设备相连。该仪表可挂壁安装，也可就地安装在称重设备旁，操作方便、抗干扰能力强。

Ø特点

C压铸铝合金外壳，防尘、防静电、抗干扰能力强；

C双行中文、四行英文背光液晶显示；

C硬件电路软件化，减少焊点，提高仪表长期稳定性；

C五键操作，简单易学；

C内有智能PID调节功能；

C提供Modbus、Profibus、CAN等通讯；

C控制方式多样化，可用于恒速配料方式、调速配料方式、同步调整配料方式以及双速调速配料方式等多种配料场合；

C模拟量、开关量输入输出；

C10V传感器供桥电压+毫伏输入+电流输入（重量）+开关量+控制量+重量输出+流量输出。

Ø技术指标

C精度：Ⅲ级

C线性度：±0.003%

C温度：-30℃-+55℃

C湿度：﹤

C电源:AC220V -15%~+10% 50HZ±2%

4、变频器

变频器选用施耐德ATV71系列变频器

Ø出色的性能

C可达220%的过力矩。

C异步电机有传感器或无传感器的磁通矢量控制。

C在线自动调节(FVC)。

C速度或力矩控制。

C输出频率可达1000 Hz。

C无传感器电机控制。

Ø可扩展的能力

C基本设备带有丰富的功能：应用程序功能、输入/、通信网络，

C这些可以通过以下各项实现进一步扩展：

C输入/输出扩展卡。

C编码器接口卡。

C通信卡。

C内置可编程控制卡(Controller Inside)。

一 、引言

随着我国的社会和经济的高速发展，环境问题日益，尤其是城市水环境的恶化，加剧了水资源的短缺，严重影响着人民群众的身心健康，这些情况已经成为城市可持续发展的严重制约因素；我国现阶段很多大中型城市的废水排放量大，已造成城市地表水的严重污染；但目前各城市仍然是直接排放污水或因水处理自控系统不完善没处理好就把污水排放了，很多操作和检测监控过程仍停留在人工阶段，监控时间覆盖率低，手工采集样品缺乏科学性和代表性，难以反映企业和城市污水处理及排放连续变化的情况。大范围的建立污水处理系统及在线自动控制监控体系，势在必行。

二、系统要求

本文介绍的污水处理厂位于重庆某县城边缘该污水处理厂采用的是典型Orbal氧化沟工艺，日处理污水量5万吨，厂区主体构筑物有：综合楼、配电房、进水提升泵房、粗细格栅井及旋流沉砂装置、Orbal氧化沟、终沉池、污泥回流剩余泵井、脱水机房等；整个厂区设备及阀门均采用MCC和PLC两种控制方式，正常情况下可以实现仪表、PLC的自动检测控制及运行状况监控。

1、Orbal氧化沟工艺介绍

Orbal氧化沟水处理工艺起源于南非，后经不断改进和推广，在范围得到广泛应用。城市污水由管道集中后，水流经过粗格栅，将粗的垃圾去除，然后由提升泵将污水提高水头（后面工艺要求有高水头），再经过细格栅及旋流沉砂池，进一步去除小的垃圾和泥砂，污水进入水处理主体结构——氧化沟，污水在“O”型的氧化沟中经过曝气机调节曝气，使得污水得到缺氧、氧化、硝化、反硝化等反应，在该过程中完成BOD（生物耗氧量）、COD（化学耗氧量）的去除及污水脱氮的功能，并为下一步水的沉淀作好准备，经过氧化沟处理的水流入终沉池，加入Fe3+、或Al3+ 使得水中的（PO4）3- 得以沉淀，充分沉淀后，清水后经后排入长江。沉淀的污泥经脱水机滤干后焚烧处理。

2、厂区主要设备控制要求

1>、粗细格栅机及其附属输送压榨设备的控制

定时控制：根据外来污水状况和运行经验，通过设定相关定时参数，自动控制格栅机的启动时间和停止时间。

液位差控制：在格栅机的前后均设置一台声波液位传感器，出格栅机的前后液位差。设定低液位差LDF2和高液位差LDF1，当检测到的液位差大于LDF1时，启动格栅机；当检测到的液位差LDF2时，停止格栅机（减少了运行时间，有效的节约能源）。控制过程如:

格栅附属设备的联动：

皮带输送机和压榨机作为格栅机的附属输送压榨设备，它们在定时或自动运行模式下，一般与格栅机联动。附属设备适当的提前或延时运行。

2>、 提升泵的自动控制

控制描述如：

（1）变频器连接在台水泵电机上，需要加泵时，变频器停止运行，并由变频器的输出端口RO1～RO3输出信号到PLC，由PLC控制切换过程。

（2） PLC根据泵池液位高中低信号自动调节三台泵的启停；泵池水位到预设的低水位时启动1#泵，水位上升到预设的中水位时，1#泵由变频运行转换到工频运行，这时再变频启动2#泵，依次启动到3#泵。

（3） 切换开始时，变频器停止输出（变频器设置为自由停车），利用水泵的惯性将台水泵切换到工频运行，变频器连接到二台水泵上起动并运行，照此，将二台水泵切换到工频运行，变频器连接到三台水泵上起动并运行。

（4） 水位下降需要减泵时，系统将三台水泵停止，二台水泵切换到变频调节状态。水位继续下降，系统将二台水泵停止，台水泵切换到变频调节状态。

（5） 另外，设置软启动器作为备用。当变频器或PLC故障时，可用软起动器现场手动轮流起动各泵运行以保证供水。作为多台提升泵的自动控制，满足先启先停的原则，以优化资源的利用率；为了提升泵的，系统设置了提升泵的干运转保护；同时，系统还设置了泵的频繁启停保护，群启动保护等，以延长其使用寿命。

3>、曝气系统的自动控制

生化池作为全厂污水处理的，具有举足轻重的作用。污水经过预处理后，在这里通过微生物吸附污水中的物，达到除磷脱氮的目的。对生化池的自动控制，主要是溶解氧浓度的控制。

曝气量自动控制系统作为一个恒值控制系统，系统给定一个保持不变的溶解氧值，通过PLC控制调节输出量（即曝气机开启台数），使被控量（实测氧化沟溶解氧浓度）不断地接近给定值。在这个系统中，要求稳定性和动态特性良好，被控量向给定值过渡的时间短，同时过程平稳，振荡幅度小。

曝气供氧系统是由曝气机和溶解氧仪共同组成的闭环系统，为反应池好氧段提供氧气，并维持好氧过程的溶解氧浓度值。依照好氧过程的溶解氧浓度值控制曝气机开启台数，维持溶解氧浓度值在一定的范围内变动。控制流程如。

三、控制模式

手动模式：手动模式又可以分为盘柜模式和就地模式。盘柜模式就是通过MCC上的按钮实现对设备的操作；就地模式就是通过现场控制箱上的按钮实现对设备的操作。

遥控模式：就是通过控制室上位操作站实现对设备的操作。

自动模式：设备的运行由各PLC根据污水厂的工况及工艺参数来完成对设备的启停控制，而不需要人工干予。

该工程自控系统的特点

1、技术：现代化的工厂要求与时俱进，该自动化控制系统无论是从使用的profibus-DP现场总线、通讯网络、可编程控制器、组态软件，还是从自动化控制技术来讲，都具有时代性。

2、稳定：选用的自动化产品来自国外，建立的自动化控制平台，经过严格的测试，可以保证系统稳定地运行。

3、自动化程度高，使用简单：对于全厂的控制——控制室上位界面，采用全中文的设计界面，立体三维流程图形来表达工艺，便于操作员掌握；同时下位机PLC采用西门子的PLC，系统稳定性好，自动化程度高，整个系统维护量小。

4、开放性：该系统采用的现场总线是通用的具有开放协议的现场总线和接口，同时各控制站均留有I/O余量，以便于以后系统的改造和扩展。

5、性：该系统采用的设备保护体系，包括潜水泵的干运转保护、自控平台的防雷保护、进水水质异常保护、报警系统等，以防止因为某些意外或操作员的疏忽而发生事故。

四：应用总结

此系统采用：四门子CPU，UniMAT扩展模块4AO（2个），4AI（4个），数字量一个，在完成此项工程后，PLC系统运行稳定，采集数据准确快捷，控制的重要设备运行，程序开发好后，其维护量几乎为零，同时个人感觉该PLC现场安装、与其它设备的接口等均方便好用，系统投运后，自动化程度高，工作人员维护量小，出水水质能达到国家规定的标准。

PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。然而，尽管有如上所述的性较高，抗干扰能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要提高PLC控制系统性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。因此在使用中应注意以下问题： 

1.工作环境 

（1）温度 

PLC要求环境温度在0~55oC，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。 

（2）湿度 

为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。 

（3）震动 

应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，采取减震措施，如采用减震胶等。 

（4）空气 

避免有腐蚀和易燃的气体，例如、等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。 

（5）电源 

PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。 

2.控制系统中干扰及其来源 

现场电磁干扰是PLC控制系统中常见也是易影响系统性的因素之一，所谓治标先治本，找出问题所在，才能提出解决问题的办法。因此知道现场干扰的。 

（1）干扰源及一般分类 

影响PLC控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射；磁场改变产生电流，电磁高速产生电磁波。通常电磁干扰按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压叠加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流，亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。 

（2）PLC系统中干扰的主要来源及途径 

强电干扰 

PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。 

柜内干扰 

控制柜内的高压电器，大的电感性负载，混乱的布线都容易对PLC造成一定程度的干扰。 

来自信号线引入的干扰 

与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。 

来自接地系统混乱时的干扰 

接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。 

来自PLC系统内部的干扰 

主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。 

变频器干扰 

一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量；二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。 

3.主要抗干扰措施 

（1）电源的合理处理，抑制电网引入的干扰 

对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC滤波电路。 

（4）正确选择接地点，完善接地系统 

良好的接地是保证PLC工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有两个，其一为了，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。 

PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将大。 

此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内又会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。 

● 地或电源接地 

将电源线接地端和柜体连线接地为接地。如电源漏电或柜体带电，可从接地导入地下，不会对人造成伤害。 

● 系统接地 

PLC控制器为了与所控的各个设备同电位而接地，叫系统接地。接地电阻值不得大于4Ω，一般需将PLC设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起，作为控制系统地。 

● 信号与屏蔽接地 

一般要求信号线要有的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干扰的场合，也要在就地或者控制室接地，防止形成“地环路”。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接点。 

（5）对变频器干扰的抑制 

变频器的干扰处理一般有下面几种方式： 

加隔离变压器，主要是针对来自电源的传导干扰，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。 

使用滤波器，滤波器具有较强的抗干扰能力，还具有防止将设备本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能。 

使用输出电抗器，在变频器到电动机之间增加交流电抗器主要是减少变频器输出在能量传输过程中线路产生电磁辐射，影响其它设备正常工作。(end)

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