載波通訊在智能潤(rùn)滑系統(tǒng)中的應(yīng)用*

黃旭才

(南京鋼鐵聯(lián)合有限公司， 江蘇 南京　210035)

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載波通訊在智能潤(rùn)滑系統(tǒng)中的應(yīng)用*

黃旭才

(南京鋼鐵聯(lián)合有限公司， 江蘇 南京210035)

分析了對(duì)大型干油集中潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控存在的問(wèn)題，并提出了通過(guò)應(yīng)用電力線載波技術(shù)進(jìn)行解決的方案。方案涉及潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和具體的技術(shù)方法，是一個(gè)載波技術(shù)應(yīng)用于油脂集中潤(rùn)滑系統(tǒng)中的成套方案。

油脂集中潤(rùn)滑； 集中監(jiān)控； 電力線載波通訊； 技術(shù)方案

引言

依托材料、電控、機(jī)械加工等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，油脂潤(rùn)滑行業(yè)正在迎來(lái)一個(gè)全面技術(shù)革新的新時(shí)代，先后有 “定時(shí)定量潤(rùn)滑[1]、單點(diǎn)供油的干油集中潤(rùn)滑方式[2]、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理潤(rùn)滑系統(tǒng)[3]、順序潤(rùn)滑[4]、智能監(jiān)控潤(rùn)滑[5]”等多種新的潤(rùn)滑理念和技術(shù)方法被提出和應(yīng)用。

近年來(lái)，在大型礦山、冶金設(shè)備上，正在逐步推廣智能型干油(油脂)集中潤(rùn)滑系統(tǒng)，這種新型潤(rùn)滑對(duì)所有的潤(rùn)滑點(diǎn)都進(jìn)行檢測(cè)和控制。一條冶金生產(chǎn)線，比如連鑄、熱軋等，需要潤(rùn)滑的點(diǎn)數(shù)可達(dá)幾千個(gè)之多，如此大量的監(jiān)控點(diǎn)數(shù)，采用電力線載波通訊技術(shù)，將會(huì)極大減少通訊線路、通訊器材，減少維護(hù)維修費(fèi)用，產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。本文主要介紹將載波通訊技術(shù)應(yīng)用到智能潤(rùn)滑系統(tǒng)的方式方法。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

智能干油集中潤(rùn)滑的中心思想就是：系統(tǒng)可以單獨(dú)打開(kāi)任何一個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)進(jìn)行油脂補(bǔ)加，并在加脂潤(rùn)滑過(guò)程中，檢測(cè)加脂量、加脂壓力等差數(shù)，判斷是否有堵塞或泄漏現(xiàn)象。為了以經(jīng)濟(jì)有效的方式達(dá)成目標(biāo)，潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用如下結(jié)構(gòu)：每個(gè)潤(rùn)滑油站，均采用西門(mén)子S7-200 PLC和西門(mén)子觸摸屏構(gòu)成主控制柜，主控制柜通過(guò)上位載波通訊板、電力線、下位載波通訊板卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有潤(rùn)滑點(diǎn)的控制和潤(rùn)滑參數(shù)的檢測(cè)，同時(shí)設(shè)上位計(jì)算機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)連接各油站主控制柜，在監(jiān)控中心完成對(duì)整個(gè)分廠或車(chē)間設(shè)備潤(rùn)滑情況的監(jiān)督管理，并根據(jù)需要統(tǒng)計(jì)各種潤(rùn)滑數(shù)據(jù)。載波通訊潤(rùn)滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中的(a)和(b)是采用載波通訊監(jiān)控的兩種情況：

(a)適用于皮帶運(yùn)輸設(shè)備等潤(rùn)滑點(diǎn)分布比較分散的情況:油站及每個(gè)分油箱各自采用一個(gè)載波通訊解碼器進(jìn)行單獨(dú)通訊，上位計(jì)算機(jī)直接通過(guò)電力線載波通訊，監(jiān)控每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)的情況。

(b)適用于燒結(jié)高爐軋機(jī)等潤(rùn)滑點(diǎn)分布很集中的情況:油站與所有分油箱共用一個(gè)電力線載波通訊解碼器，油站下的各個(gè)分油箱通過(guò)485串行通訊線接受油站的監(jiān)控，并通過(guò)油站接受上位機(jī)的監(jiān)控。設(shè)計(jì)思想是：在潤(rùn)滑點(diǎn)密集的油站內(nèi)部，采用電力線和485總線相結(jié)合的方式完成系統(tǒng)監(jiān)控，減少電力載波芯片的使用，降低成本；在各油站與主控制柜之間、以及潤(rùn)滑點(diǎn)分布松散的油站內(nèi)部，采用電力載波形式進(jìn)行監(jiān)控，減少電纜用量、克服長(zhǎng)距離直流供電線損，降低線路的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)可靠性。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)控制、通訊包括三個(gè)層次。

第一層由一臺(tái)計(jì)算機(jī)和監(jiān)控軟件組成(上位機(jī))，其主要作用是：以畫(huà)面的形式分頁(yè)顯示整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)中各個(gè)油站的運(yùn)行狀況及油站內(nèi)各點(diǎn)狀態(tài)、參數(shù)，并按要求形成各種數(shù)據(jù)報(bào)表；對(duì)下位機(jī)進(jìn)行組態(tài)控制；將潤(rùn)滑系統(tǒng)連入internet或以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)。

圖1　系統(tǒng)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)框圖

第二層為主控柜，由西門(mén)子可編程控制器S7-200和控制程序組成(下位機(jī))，其主要作用是：給各個(gè)帶有載波通訊芯片的油站(包括給帶有載波通訊芯片的電器執(zhí)行機(jī)構(gòu))發(fā)出控制指令；查詢(xún)各油站內(nèi)(包括給帶有載波通訊芯片的電器檢測(cè)器件)各項(xiàng)工作檢測(cè)數(shù)據(jù)；在顯示柜內(nèi)顯示系統(tǒng)信息；將系統(tǒng)信息上傳上位機(jī)。

第三層包括兩類(lèi)部件：

(1) 帶有載波通訊芯片的多個(gè)干油站，它們均由分油站控制器、油泵、及多個(gè)點(diǎn)譯碼器組成。其監(jiān)控過(guò)程是，載波通訊芯片將主控柜傳來(lái)的指令接收，下傳給分油站控制器，分油站控制器按照存儲(chǔ)在分油站控制器內(nèi)的程序相應(yīng)主控柜指令，控制分油站內(nèi)部油泵和點(diǎn)譯碼器協(xié)同工作，完成各油站工作任務(wù)；分油站控制器檢測(cè)油站各種運(yùn)行參數(shù)，并通過(guò)載波通訊芯片上傳主控柜。

(2) 帶有載波通訊芯片的點(diǎn)譯碼器及其電器執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電器檢測(cè)器件。其監(jiān)控過(guò)程是，載波通訊芯片將主控柜傳來(lái)的指令接收，經(jīng)過(guò)點(diǎn)譯碼器，控制相應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)關(guān)，完成各潤(rùn)滑點(diǎn)的供油；供油過(guò)程中的各種參數(shù)也由點(diǎn)譯碼器通過(guò)載波通訊芯片上傳主控柜。

系統(tǒng)第一層用于網(wǎng)絡(luò)的連接，采用網(wǎng)絡(luò)電纜或者光纖，第一層與第二層的連接，采用工業(yè)數(shù)據(jù)總線，第二層與第三層的連接，設(shè)計(jì)通過(guò)采用電力載波技術(shù)，僅以電力線連通。

1.3系統(tǒng)操作控制執(zhí)行過(guò)程

PLC通過(guò)光纜或無(wú)線方式來(lái)接收計(jì)算機(jī)(上位機(jī))的指令，并通過(guò)電力線載波的串行通信方式來(lái)對(duì)各個(gè)潤(rùn)滑油站(包括給帶有載波通訊芯片的電器執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電器檢測(cè)器件)進(jìn)行監(jiān)控。一個(gè)通信數(shù)據(jù)包由8字節(jié)數(shù)據(jù)組成，第一、二字節(jié)是PLC站標(biāo)識(shí)，第三字節(jié)是命令，第四、五字節(jié)是潤(rùn)滑點(diǎn)地址，第六至第八字節(jié)為控制數(shù)據(jù)。從理論上講，一個(gè)PLC站最多可控制6萬(wàn)個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)。PLC站采用廣播方式發(fā)送命令數(shù)據(jù)，各潤(rùn)滑的站收到通信包后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析的內(nèi)容：一是識(shí)別主機(jī)是否是自己的上級(jí)PLC站，二是識(shí)別從機(jī)地址是否是自己的地址，只有在全部確認(rèn)無(wú)誤后，主控站才執(zhí)行命令和相應(yīng)的操作。

每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)譯碼器可控制、檢測(cè)一到六個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)，它通過(guò)電力載波接收電路來(lái)接收PLC站的指令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作，完成對(duì)油流的采樣及處理，判斷各點(diǎn)是否工作正常，以便采取合理的措施；同時(shí)，它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作溫度進(jìn)行采樣處理，以便在溫度超出正常工作范圍時(shí)采取保護(hù)措施，同時(shí)將相關(guān)信息返送回PLC站中。

2　電力線載波通信的硬件電路

2.1通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，電力線載波通信系統(tǒng)由載波耦合電路、信號(hào)發(fā)送電路(信號(hào)功率放大電路和輸出功率控制電路)、濾波接收單元(接收濾波電路和解調(diào)電路)、電力線載波擴(kuò)頻通信芯片SH99F01 等組成。

圖2　電力線載波通信模塊框圖

2.1.1電力線載波擴(kuò)頻通信芯片SH99F01

載波通信是SH99F01的核心模塊。包括數(shù)字調(diào)制解調(diào)和模擬前端的單片解決方案，采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻載波(SSC)和窄帶相位調(diào)制解調(diào)，具有極強(qiáng)的抗噪聲性能。SH99F01支持雙載波，雙模式，過(guò)零傳輸?shù)仍鰪?qiáng)傳輸模式，具有極大的靈活性和適用性，并可有效提高應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜電力線環(huán)境的穩(wěn)健性。

2.1.2SH99F01芯片特性

1)接收靈敏度：0.1 mVpp；

2)幀長(zhǎng)：0～31字節(jié)；

3)擴(kuò)頻載波調(diào)制數(shù)據(jù)速率：300 bps～1.6 kbps；

4)窄帶相位調(diào)制(normal)數(shù)據(jù)速率：1.2 kbps～7.5 kbps；

5)窄帶相位調(diào)制(high speed)數(shù)據(jù)速率：2.4 kbps～15 kbps；

6)帶8051內(nèi)核的片上系統(tǒng)(SOC)；

7)集成模擬前端電路；

8)半雙工突發(fā)傳輸；

9)63位擴(kuò)頻碼的擴(kuò)頻載波調(diào)制技術(shù)；

10)三組擴(kuò)頻碼序列，支持128個(gè)碼分信道；

11)窄帶相位調(diào)制技術(shù)；

12)首創(chuàng)擴(kuò)頻和窄帶雙模通信方式；

13)集成前向糾錯(cuò)編解碼；

14)集成RS碼和交織，抗脈沖干擾強(qiáng)；

15)硬件16位循環(huán)冗余校驗(yàn)；

16)載波頻率可調(diào)，調(diào)整范圍覆蓋9～525 kHz(依賴(lài)于硬件)；

17)接收雙通道，支持雙載波傳輸；

18)提供超短幀功能，支持過(guò)零傳輸(依賴(lài)于硬件)；

19)集成10位高速DAC，輸出正弦波和方波脈沖可選；

20)內(nèi)建發(fā)送端預(yù)放大器，帶三態(tài)控制和4級(jí)增益可調(diào)；

21)支持外部驅(qū)動(dòng)電路的直接關(guān)斷；

22)接收端低噪聲放大器，總增益達(dá)90 dB；

23)提供接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)70 dB；

24)兼容世界范圍頻譜規(guī)范，包括CENELEC EN-50065-1和FCC規(guī)范。

2.1.3SH99F01芯片功能

SH99F01芯片功能框圖如圖3所示。

圖3　SH99F01功能框圖

2.2電路設(shè)計(jì)

2.2.1載波耦合電路

2.2.1.1耦合電路作用

1)隔離載波模塊低壓端和AC高壓端；

2)加載載波信號(hào)到電力線；

3)從電力線上提取載波信號(hào)；

4)過(guò)濾50 Hz/60 Hz 工頻信號(hào)及其諧波；

5) 抑制瞬時(shí)電壓沖擊(如：雷擊造成的過(guò)電壓、電網(wǎng)電壓的浪涌和尖峰電壓、及靜電放電電壓等)；

6)最大限度地抑制來(lái)自電力線上的噪聲干擾，具有高通濾波的功能。

2.2.1.2隔離型耦合電路

耦合電路分隔離型如圖4所示,由圖4可以看出，線圈與0.22 μF 電容構(gòu)成了LC 高通濾波，可過(guò)濾AC 電壓，并保證高頻載波無(wú)衰減通過(guò)。隔離型耦合電路能夠保證高低壓電氣隔離，安全性高。耦和線圈是耦合電路的核心器件，要求緊密耦合，漏感小，導(dǎo)線電阻小，寄生電容小，采用高磁通的鐵氧體磁環(huán)來(lái)制作，匝數(shù)比選擇3:2，繞制方式可采用匝間并繞。耦合線圈的基本要求是：(1)電感量在 400～1000 μH；(2)漏感不高于 10 μH；(3)直流阻抗小于1 Ω，通流不小于1 A；(4)耐高溫(視應(yīng)用環(huán)境，不低于120 ℃)，原副邊絕緣，直流耐壓高(視應(yīng)用環(huán)境，不低于5000 V)。

在圖4中，除耦合線圈T 外，0.22 μF/275 V 電容C 必須是具有短路保護(hù)的X2 型電容；PTC 1用于過(guò)流保護(hù)；壓敏電阻RAV1抑制瞬時(shí)電壓沖擊。瞬時(shí)電壓沖擊(如：括雷擊造成的過(guò)電壓沖擊、電網(wǎng)電壓的浪涌和尖峰電壓、某些用電設(shè)備所產(chǎn)生的尖峰干擾脈沖、工業(yè)火花，及靜電放電電壓等)會(huì)對(duì)電路系統(tǒng)起到破壞和干擾作用。所以，要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行防護(hù)和抑制。壓敏電阻的標(biāo)稱(chēng)電壓應(yīng)按下式選擇：VACrms= 1.4×2×220 V×110%≈480 V ；電阻R10在本方案中取1 M，也可以取值更大一些。R10在本方案中的作用是在離線時(shí)使電容C15放電，防止出現(xiàn)瞬間的高壓；P6KE22CA是瞬變抑制二極管，它可以有效地避免后面電路被高壓擊穿。

圖4　隔離型耦合電路

2.2.2驅(qū)動(dòng)電路

電力線阻抗一般在0.1～100 Ω之間，并且具有時(shí)變特性，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供在低負(fù)載阻抗條件下的足夠驅(qū)動(dòng)能力，而阻抗匹配則不作嚴(yán)格要求。另外，為滿(mǎn)足各地區(qū)對(duì)電力線頻譜規(guī)范要求，驅(qū)動(dòng)輸出的諧波指標(biāo)也是個(gè)考慮因素。

SH99F01 典型驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)輸入緩沖的推挽輸出功放電路，使用三個(gè)晶體管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,如圖5所示。該電路可實(shí)現(xiàn)三態(tài)輸出與靜態(tài)關(guān)閉，在非發(fā)送狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)管關(guān)閉，可使驅(qū)動(dòng)電路靜態(tài)電流降低到200 μA以下，同時(shí)接口呈現(xiàn)高阻狀態(tài)注，不會(huì)對(duì)線路阻抗造成影響。

驅(qū)動(dòng)管可根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求選擇多種對(duì)管，如2SA1020/2SC2655，PBSS4250X/PBSS5250X或BD137/BD138 等。典型電路中，VHH 取12 V，輸出幅度可達(dá)到近10Vpp(LISN 負(fù)載)。SH99F01 默認(rèn)為DAC 輸出，具有良好的諧波指標(biāo)。也可通過(guò)置位PULSE_OP (UMR1.3)設(shè)置為PWM 輸出，后者主要為配合某些特殊的驅(qū)動(dòng)電路(如D 類(lèi)驅(qū)動(dòng))。

內(nèi)部預(yù)驅(qū)動(dòng)電路(Pre-Amp)提供4 級(jí)輸出增益：0，-3，-6 和-9 dB。

除了典型晶體管驅(qū)動(dòng)電路外，SH99F01 也支持使用集成功放作為電力線驅(qū)動(dòng)。

注：高阻狀態(tài)有助于保證在大量節(jié)點(diǎn)并接在總線上時(shí)不致影響總線的阻抗。

圖5　驅(qū)動(dòng)電路

2.2.3選頻電路

SH99F01 內(nèi)置AFE 完成濾波放大，在接收前端只需設(shè)計(jì)前端選頻電路，對(duì)選頻的基本要求為阻抗匹配，插入損耗小，選擇性好，一般選擇LC 諧振電路。擴(kuò)頻技術(shù)與 DBPSK 兩種載波調(diào)制格式對(duì)選頻電路的要求不同，前者帶寬較寬，選頻電路主要完成阻抗匹配，后者帶寬較窄，濾波對(duì)性能具有較大影響。對(duì)選頻電路，有以下幾點(diǎn)需要注意：

1)Q 值并非越高越好，Q值太高，對(duì)器件精度要求高，器件一致性要求高，增加系統(tǒng)成本，增加生產(chǎn)測(cè)試成本；

2)濾波器失真越小越好，如低失真的巴特沃斯濾波器；

3)選頻電路一般并非系統(tǒng)性能的制約點(diǎn)，性能優(yōu)化更多著眼于系統(tǒng)層面設(shè)計(jì)。

由于信道的多樣性及時(shí)變性，典型電路在某些開(kāi)放線路環(huán)境中無(wú)法達(dá)到期望的性能注，此時(shí)需進(jìn)行優(yōu)化。一種是從載波模塊本身進(jìn)行優(yōu)化，另一種是從系統(tǒng)層面進(jìn)行優(yōu)化。載波模塊的優(yōu)化主要有以下幾點(diǎn)：

1)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，選擇更大的輸出功率以應(yīng)對(duì)極低的負(fù)載阻抗；

2)分析干擾頻段范圍，調(diào)整載波通信頻率以避開(kāi)干擾，特殊情況下可采用雙載波通信以增強(qiáng)可靠性；

3)使用窄帶調(diào)制方式以避開(kāi)干擾區(qū)域；

4)使用過(guò)零傳輸方式以避開(kāi)周期性脈沖干擾。

電路選擇LC 參數(shù)如圖6所示，是2 階LC 帶通濾波電路，Q值較低，中心頻點(diǎn)290 kHz，3 dB帶寬100 kHz，適用于典型擴(kuò)頻調(diào)制格式(包括“過(guò)零雙?！钡葦U(kuò)頻增強(qiáng)格式)。

圖6　選頻電路295 kHz

2.2.4過(guò)零檢測(cè)電路

過(guò)零檢測(cè)電路僅在使用到過(guò)零傳輸模式時(shí)需要，選擇一種自供電光耦隔離電路,如圖7所示。輸出方波脈沖的下降沿與實(shí)際市電零點(diǎn)時(shí)刻偏差在100 μs 以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足過(guò)零傳輸要求注。典型電路檢測(cè)方波周期是20 ms，即每個(gè)工頻上升過(guò)零時(shí)刻送出檢測(cè)脈沖。

檢測(cè)脈沖可連接到芯片INT1 引腳，采用下降沿觸發(fā)中斷，載波發(fā)送時(shí)按照檢測(cè)時(shí)刻在零點(diǎn)間隙中發(fā)送窄帶超短幀,如圖8所示。

圖7　自供電光耦隔離過(guò)零檢測(cè)電路

圖8　過(guò)零檢測(cè)電路波形關(guān)系圖

3　載波通信模式

3.1基本模式

SH99F01基本通信模式如表1所示。

表1SHF9901基本通信模式

3.2增強(qiáng)模式

SH99F01 典型情況使用過(guò)零雙模TM 調(diào)制方式。如圖9所示，過(guò)零雙模的基本思路是整合擴(kuò)頻載波與窄帶過(guò)零傳輸格式，克服單一調(diào)制格式對(duì)抗不同干擾類(lèi)型的不足。

圖9　過(guò)零雙模示意圖

由圖9可以看出，同一包數(shù)據(jù)，先使用擴(kuò)頻調(diào)制，再使用窄帶過(guò)零調(diào)制，接收端收到任何一種調(diào)制數(shù)據(jù)即正確傳輸。具體參數(shù)為：(1)有效數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)：20 bytes；(2)耗時(shí)：發(fā)送時(shí)不超過(guò)310 ms，接收時(shí)不超過(guò)320 ms(發(fā)送持續(xù)時(shí)間再加10 ms 保護(hù)時(shí)間)。

4　 軟件設(shè)計(jì)

載波通信基本流程如圖10所示。

圖10　載波通信基本流程

5　結(jié)　論

(1) 本文所述通訊技術(shù)在油脂集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的應(yīng)用，是在對(duì)現(xiàn)有多種技術(shù)的整合集成基礎(chǔ)上,提出的一種全新的油脂供給監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)可以有效解決對(duì)眾多參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)的數(shù)據(jù)通訊傳輸問(wèn)題；

(2) 采用該技術(shù)方案的背景是載波通訊芯片已經(jīng)能夠很好地適應(yīng)目前國(guó)內(nèi)大部分的電力線路，對(duì)于干擾很大的電力線路，建議增加隔離變壓器。

(3)在潤(rùn)滑點(diǎn)密集的油站內(nèi)部，采用電力線和485總線相結(jié)合的方式完成系統(tǒng)監(jiān)控；在各油站與主控制柜之間、以及潤(rùn)滑點(diǎn)分布松散的油站內(nèi)部，采用電力載波形式進(jìn)行監(jiān)控。因此，潤(rùn)滑系統(tǒng)的構(gòu)成方案，需要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行調(diào)節(jié)，唯此，才能真正做到有效監(jiān)控、降低成本、方便維護(hù)的目標(biāo)。

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2016-03-25

黃旭才(1969—)，男，高級(jí)工程師。電話(huà)：13951669115

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