高炉冷却水循环系统plc应用.docx
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高炉冷却水循环系统plc应用
高炉冷却水循环系统的PLC应用
1.1选题意义及课题来源
目前我国经济正处于高速发展阶段,钢材的市场需求也平稳增长,钢铁产品依然呈现供不应求态势,导致价格连续上涨,企业销售收入、利润等指标大幅提高。
目前我国钢铁行业的高炉循环水泵房低压冷却水泵系统采用的大部分都是人工控制,这造成了大量的人力物力以及水资源和电能的浪费,这与国家十一五规划的节能降耗相悖甚远。
国内钢铁业在高价格的刺激下加大了对钢铁的投资力度,在建或准备新建高炉数量急剧增加,为此正确、合理选择高炉的冷却水循环系统控制方式对提高我国炼铁工业的节水降耗水平,延长高炉寿命具有重要的指导作用和现实意义,将对我国的钢铁业产生深远影响。
沧州纵横四个高炉建成于60年代,整个高炉系统已经不能满足当前自动化发展的需要,为提高高炉的效率,准备对沧州纵横1#高炉进行重建。
本次设计结合沧州纵横1#高炉的实际情况对其冷却水循环泵站自动化系统进行控制设计。
1.2现状简介
1.2.1PLC在高炉中的应用
在炼铁高炉生产过程中应用可编程序控制器(简称PLC)进行电气控制和仪表检测系统的改造已经十分普遍,但是通常只进行单个系统上如上料系统或热风炉系统的控制,或者一座高炉部分的改造控制。
随着PLC和网络技术的飞速发展,使得PLC的联网通讯功能日益强大,也对炼铁高炉自动化系统提出了更高的要求。
高炉控制系统规模由原来单独一个系统控制,发展到包括槽下上料、炉顶装料、高炉本体、热风炉、煤气除尘、煤粉喷吹等高炉全套控,并实现各系统之间互相通讯,多座高炉联网,实现系统冗余、数据共享,系统整理并统计生产数据,从而为实现高炉生产过程控制和生产管理自动化提供有力的系统支持。
但是目前作为高炉的冷却水循环系统的控制一般采用的都是人工控制,这给整个系统的联网和统一管理带来了很大不便。
影响整个高炉系统的效率,并且造成一定的能源和资源的浪费。
现在社会对高炉炉冷却水循环系统的研究设计才刚刚开始。
1.2课题意义及论文的主要工作
1.2.1选题意义
针对目前PLC在高炉冷却水循环系统自动化控制的的研究还处于空白阶段,结合沧州纵横1#高炉改造的实际情况进行本次设计。
将国内外对小型泵站的研究的成果和技术方案转化到高炉冷却水循环系统中。
通过本次设计要做出高炉低压冷却水循环泵站自动控制系统的合理设计方案,使整个泵站系统的总体成本大幅下降,系统运行时节能降耗、且稳定可靠。
通过本次设计要探索出一种小型泵站的PLC自动控制方法,得出性价比较高的控制器选型方案,得出合理的软硬件设计方案。
针对高炉的冷却水循环系统采用PLC对其进行泵站控制是一种新的尝试,通过本次设计要探索一种实用的高炉冷却水循环系统泵站控制方法。
1.2.2次设计的主要工作
冷却水循环系统是整个炼钢高炉的重要环节,由管道设备及水泵和控制电路按一定的组织方式所构成,原沧州纵横1#高炉冷却水循环系统水源为地表水,冷却对象主要为高炉冷却壁,其冷却强度对高炉寿命起着决定性的作用。
原供水方式一直采用人工控制,使用后的水未经循环,直接外排,浪费很大,同时还存在水质差、水量不足、水压低等问题。
考虑到原供水方式已暴露出如上很多弊端,且无事故供水措施,严重制约了炼铁厂生产的发展和经济效益的提高。
因此在新建1#2340m3高炉之际同步建设高炉水循环泵站自动控制系统势在必行。
系统从水池中抽水,通过管道传输,利用对压力、流量、电流等参数的检测来决定泵站的水泵的控制策略和各个泵站间的切换。
通过对泵站的改造可以提高循环利用率,能缓解公司生产用水紧张的局面,同时也能确保炼铁厂各个高炉用水的安全性和可靠性,各项供水指标能比直接使用河水时明显改善,悬浮物浓度下降且基本稳定。
根据实际工程中工艺参数的要求,设计出泵站控制系统的软硬件结构,可编程控制器做为整个系统的中心,完成对泵站内各泵启动、停止的控制、上传本站运行情况至上位机和上位机对本站的控制。
实现泵站的无人值守,自动控制满足工艺参数要求,故障发生时自动处理防止意外发生。
整个泵站系统相对于人工控制系统在可靠性、实时性有很大的提高。
给出不同的设计方案,根据可靠性和工艺要求以及性价比的综合考虑确定最终的控制方案。
2系统工作原理
2.1系统工作原理
2.1.1系统整体结构模型
本系统控制对象为冷却炉的压力,系统有较大的时间常数,由于高炉的特性系统要求控制精度不太高,针对这些特性对系统可以进行如下结构框架设计。
系统的被控对象为:
冷却炉内的水压,系统的控制器为:
PLC,系统的检测单元为:
压力检测部分、电流检测部分、流量检测部分和电流检测部分,系统的执行机构为:
四个泵,系统的控制方式为PLC开关量控制,系统的整体结构图2-1。
图2-1本系统模型图
2.1.2系统组成及框图
该系统为开关量的逻辑控制,当系统采用自动控制策略时,首先设定压力给定,然后启动三个水泵,经过一定的时间延迟后对压力进行检测比较然后确定启动泵的个数,通过改变泵的个数来改变冷却炉壁的压力。
本系统的被控对象为冷却炉,冷却炉为整个高炉的冷却系统,为高炉炼钢做保证,被控对象为冷却炉内的水压。
传感器和变送器包括压力、温度、流量和液位传感器、电流互感器以及部分单片机电路,传感器和变送器在系统中起到检测系统参数并转换为标准信号供控制系统检测系统运行情况。
系统的控制器为PLC,PLC是整个系统的核心部分,由PLC来控制各个泵的启停,保证给水压的提供。
系统的执行器继电器,由PLC发出的信号经继电器后驱动执行机构泵和阀。
系统的执行机构为泵和阀,通过泵和阀来改变压力。
系统的连锁保护机构包括报警指示灯和扬声器,在PLC内部程序上采用连锁保护。
系统由以上部分组成闭环,由于系统本身特性,系统为有差系统。
系统的结构框图如图2-2所示。
当系统上电启动后首先有压力给定,然后系统启动三个泵,五分钟延迟后系统检测压力回馈信号,决定采用什么控制策略,再等五分钟后系统根据压力回馈决定采用该策略是否能满足压力要求。
在每个泵启动的时候,过10s后检测该泵的流量信号,如果有流量流过,则说明泵起正常,若果没有流量信号,则关闭该泵启动备用泵。
图2-2系统结构框图
2.1.3系统主要工作流程
当系统启动后,首先有PLC对系统进行初始化。
当主程序开始时系统做初始准备,系统首先检测是采用集中控制还是本地控制,也就是采用手动控制还是自动控制,根据系统的控制方式来确定采用的控制方法。
如果采用手动的控制方式,则系统等待输入各个泵的启动信号,由于系统的特性,最多需要启动三个泵就能满足水压的要求,所以手动操作时最多只需要启动三个泵,留一个作为备用。
当采用自动控制策略的时候,系统首先启动三个泵,五分钟后检测冷却炉壁处的水压,如果此时压力超过压力上限,则关闭一个运行泵,等系统运行十分钟后再进行压力检测,如果压力没有低于压力下限,则系统采用两备两用的控制策略,否则采用三用一备的控制策略。
如果五分钟检测的时候压力没有达到上限,则采用三用一备的控制策略。
采用三用一备的控制策略时,系统采用三用一备的工作流程倒泵,各泵之间会为备份。
采用两备两用的控制策略时系统采用两备两用的工作流程倒泵,各泵之间会为备份。
3.系统控制方案的确定
3.1方案概述
根据工厂的规划拟采用三个泵站对工厂冷却系统供水,本设计只是对其中的一个进行设计。
系统的水压和温度要求在进行软件设计时可以实现。
故障水泵的要求,设计本身采用的是各个泵之间的互备技术,任何情况下每个泵都有一个或两个泵作为其他泵的备份,个泵循环作为备用泵,确保不会因为长时间不用损坏而不能起到备用的可靠性,互备技术不用一对一的给各个泵做备份,节约了成本,也减轻了控制系统的负担。
3.2方案确定
目前小型泵站的自动化控制有两种设计方案:
一种方法是利用PLC控制的恒压变频调速的方法进行压力和流量的控制,另一种方法是用PLC进行泵的开关控制来控制开关和流量。
方案
(1)采用模拟量的PLC控制变频调速方案
采用电动机调速装置与PLC构成控制系统,进行优化控制,完成供水压力的恒定控制,在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
系统的控制目标是泵站总管的出水压力,系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较,其差值输入变频器运算处理后,发出控制指令,控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速,从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
通过安装在管网上的压力传感器,把水压转换成4~20mA的模拟信号,通过变频器内置的PID控制器,来改变电动水泵转速。
当用户用水量增大,管网压力低于设定压力时,变频调速的输出频率将增大,水泵转速提高,供水量加大,当达到设定压力时,电动水泵的转速不在变化,使管网压力恒定在设定压力上;反之亦然。
工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化,及时将信号(4-20mA或0-10V)反馈PID调节器,PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令,改变水泵的运行或转速,使得管网的水压与控制压力一致。
该方案有如下的缺点:
1.性价比高,该系统采用的变频调速初期投资成本高,维护费用大。
2.控制系统复杂,不利于施工和后期维护。
3.系统采用模拟量控制,容易受到干扰,钢厂高炉是一个强电磁干扰的地方,采用模拟量传输信号的时候和容易受到干扰,是系统的可靠性大大降低。
4.对突发事件的应对能力不强,当受到强干扰的的是紧急应对能力弱。
方案
(2)采用PLC控制逻辑开关量的方案
众所周知,研制开发PLC的最初动因是为了取代继电器,构成新型的控制开关量的装置,因此,从一开始,逻辑控制就是PLC的强项。
PLC是以控制开关量起家的,采用循环扫描方式,为了不丢失输入信号,要求循环扫描周期短,这就使得在PLC中配置的处理器性能好,速度快。
这些高性能的微处理器本身有很大的潜能,早期PLC只利用速度快这一条,其他潜能并没有得到充分得利用。
后来发现处理好不同性质的实时多任务的调度,在PLC中加入针对慢连续量的过程控制并不困难。
该方案采用开关量进行逻辑控制,通过PLC对四个泵的启停进行控制实现对高炉冷却水系统实现恒压控制。
通过对检测压力对泵的开启进行控制,达到稳定冷却炉输入部分压力的稳定。
通过检测启动20s后每个泵有无流量信号来判断各个泵是否启动正常,通过检测电流是否过大来判断真个系统是否正常,如果有泵启动异常则通过互被技术启动备用泵。
系统的框图如图2-1所示。
图2-1逻辑开关量控制泵站供水系统结构图
采用该方案有如下的优点:
1.稳定性好,抗干扰能力强,采用开关量控制对电磁干扰的能力较强,不会产生误动作。
2.系统简单,初期投入少,系统的性价比高。
3.系统安装方便,维护简单,发生故障后能迅速恢复。
4.通过自动控制,可以实现无人值守,节约了人力物力。
本系统的任务是保证高炉冷却水循环系统供水安全可靠,该系统对控制精度要求不高,但是对系统的可靠性要求很高,且在高炉附近电磁干扰强,要求系统必须有较好的抗干扰能力。
综合考虑方案I和方案II并结合高炉的实际情况决定采用方案
(2)。
4系统硬件设计
4.1系统硬件总体组成
4.1.1系统硬件组成
根据系统的总体规划化和要求,系统的硬件部分主要包括两部分:
机械流体部分以及电气部分,电气部分又包括控制检测控制部分和供电部分。
对这两部分的设计要相互结合,也要和系统的软件设计时要相互结合,这样系统才设计出最佳的配置。
系统的机械流体部分包括泵,阀,和管道;系统的电气部分包括PLC、单片机、传感器、变送检测电路、保护电路和电源电路。
系统的硬件之间之间相互配合工作,电气部分为系统提供控制信息和电能,流体机械部分将电能转化为机械能,并将将机械能传递给水,以压力的形式表现出来,机械流体部分又受到电气信息部分的控制,使系统资源配置在最佳状态,对于系统的硬件在设计上要求可靠性高,性价比合理。
系统的硬件之间的关系可以用图3-1表示。
图3-1系统硬件组合图
4.1.2系统机械流体部分组成
系统机械流体部分主要包括泵、管道和阀门等设备,系统的管道直径和阀的选择有机械设计人员完成,本设计只对泵的流量和扬程进行简单的计算,便于将来做电流检测报警时电流的计算和其他设备的选型。
4.1.3系统电气部分组成
系统的电气设计主要包括控制部分、检测部分和通讯部分三个部分,控制部分主要是PLC的I/O口的分配,检测部分主要是单片机的外围电路的选择,通讯部分主要是完成信号转换。
根据沧州纵横1#高炉项目整个工程要求要求,PLC应采用三菱公司的产品,便于系统的联网。
4.2泵的选型和设计
4.2.1系统要求
系统要求冷却炉壁的压力不低于0.3Mpa,高炉的高度为14m,循环水量为60~100m3/h,系统采用四个水泵供水,至少有一个泵处于备份状态。
经查相关资料可知:
冷却炉阻力约为30kPa;目前设计中冷水管路的比摩组宜控制在150~200Pa/m范围内,管道的总长度在30m左右,则管路阻力约为6kPa;阀的阻力约为4kPa;水泵扬程应取10%的安全系数。
由以上可知系统应能提供的压力为:
0.3Mpa+30kPa+6kPa+4kPa=340kPa。
390kPa压力可以换算为33m水柱高度,加上高炉高度,则系统的扬程最少应为47m,考虑到系统的安全性对扬程留10%的冗余,则每个泵最终的扬程应为52m。
根据系统要求,主管道的流量有三个泵共同承担,则每个泵承担的流量不超过37m3/h,从安全性上考虑,流量应留有20%的冗余,则每个泵的流量应为40m3/h。
4.2.2拟选用的元件
根据系统的要求每个泵的流量为40m3/h,扬程为52m,系统为高炉供水,根据这些特张系统应该DL型多级泵。
这种泵占地省,在流量一定时,有多种扬程可供选择,适用于冷热清洁水或类似于水的液体的输送,循环,增压。
主要应用于市政供水及增压、工厂供水、高层及住宅群的供水、空调采暖系统的冷冻.冷却循环供水、消防喷淋系统的供水尤其适合高层建筑分区消防供水、锅炉给水及冷凝系统。
根据扬程和流量要求,泵拟选用上海凯泉泵业有限公司的KQDL80-17.5×3型。
该泵的主要参数如下:
流量:
42.0~65.0立方米/时
扬程:
55.5~49.5米
功率:
15千瓦
备注:
转速1480,效率70~71%,必需气蚀余量2.1~2.8米,尺寸(毫米)H=1421,H2=302,H3=107+90×(N-1),H4=136,H5=45,A=405,B=480,C=280,螺栓4-Φ28,重量496Kg,进出口直径DN80。
对于阀和管道的选择,结合已选择的泵和机械设计人员共同完成。
4.3PLC控制部分的的设计
4.3.1PLC的I/O需求和分配
系统的PLC采用三菱公司的FX2N系列的产品,系统的输入对象主要有按钮和传感器,系统的输出对象主要是泵的启动和关闭信号和报警显示。
为了减少按钮的个数。
减少了系统的硬件成本。
为了表明当前泵站各泵的工作情况,系统对各个泵输出启动信号的同时也输出工作指示灯。
系统的输出I/O分配情况如表3-1所示。
SB为按钮,SQ为流量回馈信号,SP为压力回馈信号,ST为水温回馈信号,TA为电流回馈信号,SL为水池液位回馈信号。
系统的输入点共用15个I/O口。
表3-1PLC输入端口分配表
输入类型
实现功能
I/O分配
SB0
系统的单按钮启停
X0
SB1
集中控制、本地控制切换
X1
SB2~SB5
本地控制时四个泵的启动信号
X2~X5
SQ0~SQ3
四个泵起正常的回馈信号
X6~X11
SP0~SP1
压力过大、过小回馈信号
X12~X13
ST
水温过高报警
X14
TA
电流过大报警
X15
SL
水池液位过低报警
X16
系统的输出I/O分配表如表3-2所示。
KM为泵,YV为阀,HL为指示灯,SP为报警蜂鸣器。
系统输出点共用13各I/O口。
表3-2PLC输出端口分配表
输出类型
实现功能
I/O分配
KM0~KM3
驱动四个泵启动
Y0~Y3
HL0~HL3
四个泵的工作指示灯
Y0~Y3
YV0=YV3
四个阀的开关驱动信号
Y4~Y7
SP0
报警蜂鸣器驱动信号
Y10
HL4
泵起异常报警
Y11
HL5
温度过高报警
Y12
HL6
电流过大报警
Y13
HL7
水池液位过低
Y14
PLC共用到输入I/O口15个,输出I/O口13。
分配图如图3-2所示。
PLC的输入有按钮、和传感器经变送后的输入。
泵为电机类感性负载,所以PLC的输出采用继电器输出,驱动感性负载的时候,PLC为了自身的保护要加续流二极管。
由于泵的电流比较大,要采用带有浪涌吸收的中间继电器,这样PLC的输出电流只有几十毫安,PLC输出点的寿命会大大增加。
对于灯类负载,一般可以采取限流或者分流措施来保护触点。
PLC的的输出回路中没有内置熔断器保护电路,但负载短路时输出继电器及印丝电路板均有烧毁的危险,所以输出端上必须接输出熔断器FU,在图3-2中有指示。
4.3.2PLC的选型和主要技术指标
PLC共用到输入I/O口15个,输出I/O口13,PLC的输出采用继电器输出,所以选择三菱公司的的FX2N-32MR,本课题中FX2N-32MR为基本单元,带有32个I/O点(16入、16出),M表示主机、R表示该单元为继电器输出型。
本系统采用FX2N—32MR的PLC,该PLC共有输入输出I/O点各16个,其中用到输入15各,输出13个,共留有12.5%的冗余,以供以后扩展需要。
图3-2PLC的I/O分配图
FX2N系列PLC的基本单元与扩展单元或扩展模块可以构成256点的PLC系统.利用扩展模块。
FX2N系列PLC的PLC的基本形状如图3-3所示,FX2N—32MR的主要技术指标分别如表3-3、表3-4、表3-5所示,这些指标都满足系统的要求。
采用该型号的PLC在实际工程中是合适可行的,采用逻辑开关量控制,可靠性高,抗干扰能力强,能满足工厂恶略环境的要求,并且采用FX2N—32MR的PLC整个系统的性价比较高。
图3-3FX2N系列PLC实物图
表3-3FX2N—32MR的一般技术指标
环境温度
0~55度(使用时),—20~+70度(储存时)
环境温度
35%~85%RH(不结露)(使用时)
抗振
JISCO911标准,10~55HZ0.5mm(最大2g)
抗冲击
JISCO912标准,10g3轴方向各3次
抗噪声干扰
脉冲宽度为1us,频率为30~100HZ的噪声
耐压
AC1500V1min
绝缘电阻
5M欧以上(DC500V兆欧表)
接地
第三种接地,不能接地时也可浮空
使用环境
无腐蚀性气体,无尘埃
表3-4FX2N—32MR的输入技术指标
项目
AC输入
输入信号电压
输入信号电流
AC100~120V±10%50/60HZ
6.2mA/AC110V60HZ
输入ON电流
3.8mA以上
输入OFF电流
1.7mA以下
输入响应时间
约30ms不可高速输入
输入信号形式
无电压接点或NPN集电极开路输出晶体管
电路隔离
电路隔离光耦合隔离
输入动作显示
输入ON时LED灯亮
表3-5FX2N—32MR的基本单元
型号
输入点数
输出点数
扩展可用点数
FX2N—32MR
16点
16点
48点~64点
4.4转换部分设计
4.4.1转换部分方案的确定
转换部分有两种方案可以选择,可以采用三菱FX-2N系列PLC的模拟量输入模块FX2N-4AD,也可以采用单片机和适当的外围电路进行设计。
下面对两种方案进行比较:
方案
(1)采用输入模块FX2N-4AD
FX2N-4AD是模拟量输入模块,有四个输入通道,分别为CH1、CH2、CH3、CH4。
每一个通道都可以进行A/D转换,即将模拟量信号转换成数字量信号,其分辨率为12位。
输入模拟电压值范围从直流-10V~+10V,分辨率为5mV。
若为电流输入,则电力输入为4~20mA或-20mA~+20mA。
该模块共有32个缓冲寄存器(BFM),用来与主机FX2N主单元PLC进行数据交换,每个数据缓冲器的位数为16位。
FX2N-4AD占用扩展总线的8个点,这8个点可以为输入或或输出点。
FX2N-4AD消耗PLC主单元5V电源槽30mA的电流。
FX2N-4AD与PLC主机连接通过扩展电缆,而四个通道的外部链接则需要根据外界输入电压或电流的情况不同而不同。
外部模拟输入通道通过双绞屏蔽电缆输入到各个输入通道,当电压输入时要加个平滑电容滤波,由于系统采用的是4~20mA电流输入,所以只需要采用电流输入,为了防止干扰应将FG和FX2N-4AD的接地端相连。
采用该方案系统接线简单,组成系统方便,系统安全可靠。
但是采用该模块性价比比较高,且系统受到距离的限制,A/D转换部分不能距离PLC很远,否则系统可靠性将大为降低。
组成的系统不仅不简单,反而变的复杂了,且模拟信号远距离传输容易受到干扰。
方案
(2)采用单片机
单片机拟采用PIC18F248(或PIC18F2480),要用到的模块有A/D模块、SPI和USART模块。
用的功能有A/D转换、七段显示、RS232通信、报警输出。
本系统的检测部分涉及到电流、压力、流量、温度和液位,其中电流采用电流互感器检测,压力和温度采用单片机控制控制传感器检测,检测每个泵的流量只是为确定每个泵启动十秒后有没有水流过,所以流量和液位采用传感器加简单硬件电路就可以实现。
温度和压力的检测需要用到A/D转换温度和压力检测的结构简图分别如图3-4和图3-5所示。
图3-4温度检测部分单片机系统结构简图
采用单片机作为转换部分,分散整个控制系统的控制功能,可以减少整个系统中用到的PLC的I/O点的个数,降低整个系统的性价比,且采用单片机作为转换部分硬件本身就比采用FX2N-4AD高。
PIC18F2480是一个集成了很多模块的单片机,功能相当强大,且运行可靠。
采用单片机作为转换部分的时不受距离的限制,可以在信号检测变送后直接转换。
由于本系统是高路系统的泵站设计,检测量温度和压力只能在高炉的泸定检测,距离控制器比较远,所以本系统采用单片机A/D转换,即系统采用方案
(2),这样既解决了距离问题又提高了系统的性价比。
图3-5压力检测部分单片机系统结构简图
4.4.2单片机PIC18F2480简介
PIC18F2480单片机是微芯公司的16位RISC指令集的高级产品,它内部含有A/D,内部EEPROM存储器、比较输入、捕捉输入、PWM输出、IC和SPI接口、CAN接口、异步串行通信(USART)接口等强大的功能模块,共有28引脚。
该单片机具有很好的应用前景。
图3-6是PIC18F2480的引脚图。
下面对本系统中用到该单片机的功能模块进行介绍。
图3-6PIC18F2480引脚图
PIC18F2480具有多个中断源及一个中断优先级功能,该功能可以给每个中断源分配高优先级或者低优先级。
有13个寄存器用于控制中断操作。
这些寄存器是:
RCON、INTCON、INTCON2、INTCON3、PIR1、PIR2、PIR3、PIE1、PIE2、PIE3、IPR1、IPR2、IPR3。
IDE提供的Microchip头文件命名,建议使用MPLAB
通过将IPEN位(RCON<7>)置1,可使能中断优先级功能。
当使能中断优先级时,有2个全局中断使能位。
将GIEH位(INTCON<7>)置1,可使能所有优先级位已置1(高优先级)的中断。
将GIEL位(INTCON<6>)置1,可使能所有优先级位已清零(低优先级)的中断。
当中断标志位、
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