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1、實(shí)驗(yàn)裝置介紹過(guò)程控制系統(tǒng)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置一般可分為兩類,一類為物理模型實(shí)驗(yàn)裝置,一類為半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)裝置。課程中各種實(shí)驗(yàn)都可以在這兩類裝置上實(shí)現(xiàn)。一、物理模型實(shí)驗(yàn)裝置這一類實(shí)驗(yàn)裝置是由真實(shí)的物理模型實(shí)現(xiàn)的。 其優(yōu)點(diǎn)是裝置中有真實(shí)的流體 (清潔的水) 流動(dòng), 采用真實(shí)的測(cè)量裝置和真實(shí)的控制閥。 可給學(xué)生非常真實(shí)的 感官印象。 一般都采用清潔的循環(huán)水作為工藝介質(zhì), 所以工藝參數(shù)只有液位和流 量。有些實(shí)驗(yàn)裝置還有電加熱設(shè)備, 增加了溫度參數(shù)。 這一類實(shí)驗(yàn)裝置的不足是 參數(shù)比較單一, 有一定的非線性。 具有加熱功能的裝置, 會(huì)隨實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行循環(huán)水 溫度會(huì)逐漸增高,這會(huì)造成溫度控制不理想。下面是使用比較的

2、幾種物理模型實(shí)驗(yàn)裝置1普及型控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置 下面是一種比較典型的普及型控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。 該裝置由北京化工大學(xué)信 息學(xué)院自動(dòng)化系自行研制。實(shí)驗(yàn)裝置兩部分組成: 其一是包括測(cè)量變送器和控制閥在內(nèi)的工藝設(shè)備; 其 二是作為控制工具計(jì)算機(jī)。裝置上共測(cè)量四個(gè)參數(shù):上水槽液位、下水槽液位、 流量1和流量2。變送器的420mA信號(hào)接到信號(hào)調(diào)理板上,經(jīng)過(guò)調(diào)理后的電壓 信號(hào)通過(guò)專用電纜連接到插在計(jì)算內(nèi)的 A/D+D/A 板上。系統(tǒng)用儀表的電源、 D/A 電源、計(jì)算機(jī)電源、水泵的按鈕開(kāi)關(guān)、 信號(hào)燈等設(shè)備都集成、 組裝在一個(gè)控制箱。 圖 F41 所示是自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的物理模型實(shí)驗(yàn)裝置。圖 F42 所示為工藝設(shè)

3、備原理圖。 圖中有三只水槽, 槽 1 、槽 2 為被控對(duì)象, 它們的液位高度Li及L2分別通過(guò)兩臺(tái)差壓變送器測(cè)出。槽 3為儲(chǔ)槽,是為了構(gòu) 成水得循環(huán)而設(shè)置得。儲(chǔ)槽 3中的水通過(guò)水泵 1 或 2抽出,經(jīng)過(guò)孔板和控制閥后送入槽 1 或槽 2(視 手動(dòng)閥 1、 2、3、4的開(kāi)閉而定 ),兩路水管中的水流量大小分 別通過(guò)各自的差 壓變送器(與孔板配合)測(cè)出。槽 1 中的水通過(guò)線性化流出口流入槽 2,槽 2中 的水又通過(guò)其自身的線性化流出口流回到儲(chǔ)槽 3中。這樣對(duì)水來(lái)說(shuō), 始終處于循 環(huán)狀態(tài)。圖F. 41物理模型實(shí)驗(yàn)裝置圖本裝置除比值實(shí)驗(yàn)外,一般情況下 Fl所在的管道為主物料管道,F(xiàn)2管線則 作為加干擾

4、用。計(jì)算機(jī)為控制工具的實(shí)驗(yàn)裝置,其工作平臺(tái)為Windows2000,控制軟件采用VB編制而成。下面簡(jiǎn)要介紹其工作過(guò)程。Vi1(1) 進(jìn)入實(shí)驗(yàn)過(guò)程首先在桌面上雙擊該軟件的圖標(biāo)進(jìn)入到該軟件的主畫面。 該畫面中共有六各 項(xiàng)目,分別為登錄注冊(cè)、進(jìn)入實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、歷史數(shù)據(jù)查詢和退出 系統(tǒng)。首先需要進(jìn)行登錄注冊(cè)。點(diǎn)擊“登錄注冊(cè)”圖標(biāo)之后出現(xiàn)登錄注冊(cè)畫面, 該畫面中所要登錄的內(nèi)容為班級(jí)、組號(hào)、實(shí)驗(yàn)名稱和密碼。指定這些內(nèi)容之后, 計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件, 文件名稱為班級(jí)和組號(hào)的組合。之后的實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)將保存在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件中。 需要注意的是:必需指定這些登錄內(nèi)容,否則 不能進(jìn)入實(shí)驗(yàn);不得指定

5、與本班級(jí)與組號(hào)相異的內(nèi)容, 否則可能會(huì)沖掉其他班級(jí) 組號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。登錄成功之后出現(xiàn)初始化畫面。初始化結(jié)束之后回到主畫面, 在該畫面上點(diǎn)擊“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)”圖標(biāo)進(jìn)入選擇實(shí)驗(yàn)畫面,在該畫面上選擇響應(yīng)的實(shí) 驗(yàn)內(nèi)容。圖F. 43物理模型實(shí)驗(yàn)裝置主畫面完成上面的步驟之后,CRT上顯示出“控制實(shí)驗(yàn)主界面”,在畫面上顯示出 控制流程圖,該圖與圖F. 43相似。首先在“實(shí)驗(yàn)操作”下拉菜單中選擇“系統(tǒng) 組態(tài)”選項(xiàng)進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。所選定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不同,所呈現(xiàn)的組態(tài)畫面不同。組 態(tài)畫面上所要做的主要工作是指定被控參數(shù)(Li、L2、Fi、F2)、控制變量(Fi、 F2)、控制器生成與指定控制器參數(shù)及控制器操作狀態(tài)。指定這些

6、內(nèi)容之后,在 “運(yùn)行控制”下拉菜單中選擇“運(yùn)行”項(xiàng),然后點(diǎn)按“確認(rèn)”按鈕。系統(tǒng)組態(tài)結(jié)束之后,屏幕上出現(xiàn)數(shù)字記錄器畫面。該記錄器最多可記錄6條曲線。首先選擇曲線數(shù)量,指定曲線所記錄的內(nèi)容,然后在“運(yùn)行”下拉菜單 中選擇“運(yùn)行”選項(xiàng)。回到“控制實(shí)驗(yàn)主界面”上,點(diǎn)按啟動(dòng)水泵按鈕,然后再點(diǎn)按右下方的啟動(dòng) 按鈕。此時(shí)系統(tǒng)處在運(yùn)行狀態(tài)。(2) 退出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在“控制實(shí)驗(yàn)主界面”畫面上,在“控制器選擇”下拉菜單上選擇相應(yīng)的控 制器,關(guān)閉該控制器。如果系統(tǒng)有多個(gè)控制器則需要一一關(guān)閉。然后在分別關(guān)閉 “組態(tài)畫面”、“控制實(shí)驗(yàn)主界面”,再在主畫面上點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”圖標(biāo)。(3) 拷貝出數(shù)據(jù)庫(kù)文件,根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)文件中的數(shù)

7、據(jù)整理實(shí)驗(yàn)報(bào)告。2.高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置(一) “天煌教儀”公司的THJ2高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置下面圖圖F. 43是杭州的“天煌教儀”公司的THJ2高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝 置的圖片。圖F. 43高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置圖F. 44是其流程圖圖F. 44 THJ2高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置流程圖該實(shí)驗(yàn)裝置由被控對(duì)象、智能儀表控制臺(tái)、上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成。被控對(duì)象包括有:不銹鋼儲(chǔ)水槽;上、中、下三個(gè)有機(jī)玻璃水槽;帶有三 相4. 5KW電加熱棒的熱水鍋爐和鋁塑盤管。一套流體輸送系統(tǒng)包括:380VAC不銹鋼磁力泵、電動(dòng)控制閥、直流電磁閥、 渦流量計(jì);另一套流體輸送系統(tǒng)包括:三菱變頻器、 220 VAC不銹鋼磁力泵、渦

8、流量計(jì)。裝置上的檢測(cè)裝置包括:1)壓力變送器三個(gè):檢測(cè)上、中、下三個(gè)有機(jī)玻璃水槽液位;2)渦流流量計(jì)三個(gè):檢測(cè)兩條流體輸送管路流量和盤管流量;3)熱電阻六個(gè):檢測(cè)鍋爐內(nèi)溫度、鍋爐夾套溫度、盤管三點(diǎn)溫度、上水箱 出口溫度;裝置上的執(zhí)行器及控制裝置:1)三相可控硅調(diào)壓裝置一個(gè);2)電磁閥一個(gè);3)電動(dòng)控制閥一個(gè);4)變頻器一個(gè);該裝置既可利用控制臺(tái)上的儀表獨(dú)立做實(shí)驗(yàn),也可通過(guò)電纜將信號(hào)送到其 他控制裝置,例如DCS、FCS、PLC等,通過(guò)組態(tài)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。我們的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室采用的是橫河公司的CS 3000系統(tǒng),下面圖F. 45是CS 3000集散的現(xiàn)場(chǎng)控制站和工程師站。圖F. 45橫河公司CS

9、3000集散系統(tǒng)(二)浙江“浙江求是科教設(shè)備有限公司”PCT系列過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置PCT系列過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置是基于工業(yè)過(guò)程物理模擬對(duì)象,它集自動(dòng)化儀 表技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù), 通訊技術(shù),自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。系統(tǒng) 包括流量、壓力、溫度、液位等熱工參數(shù),可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、單回路控制、 串級(jí)控制、前饋控制、比值控制等多種控制形式。圖F. 46PCTII過(guò)程控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置過(guò)程控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置由被控對(duì)象和控制系統(tǒng)兩部分組成。整個(gè)實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):通過(guò)被控對(duì)象與控制系統(tǒng),可以完成本科教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。采用工程實(shí)際中使用的元器件。如采用進(jìn)口的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥;上海華光的電 磁流量計(jì);三菱

10、的變頻器;上海萬(wàn)訊的智能調(diào)節(jié)器;臺(tái)灣威達(dá)的數(shù)據(jù)采集模塊等, 使學(xué)生對(duì)以后工作中所能遇到的元器件有一定的了解,增強(qiáng)學(xué)生的工作適應(yīng)能 力。實(shí)驗(yàn)對(duì)象的參數(shù)選取合理,實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、被控單元之間的參數(shù) 配置典型,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置齊全,從單回路控制實(shí)驗(yàn)、串接控制實(shí)驗(yàn)到解耦控制實(shí)驗(yàn)、 純滯后系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、變比值實(shí)驗(yàn)。內(nèi)容包含了工程應(yīng)用中大部分控制系統(tǒng), 使學(xué)生 了解控制工程中控制系統(tǒng)的組成、 檢測(cè)與傳感裝置的應(yīng)用、掌握常用的調(diào)節(jié)規(guī)律 和調(diào)節(jié)方法。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,采用了遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)模塊、PLC控制方式和DCS控制方式,向 用戶提供了自動(dòng)化領(lǐng)域最新的技術(shù)與裝備,學(xué)校可以將實(shí)驗(yàn)裝置用于研

11、究生教學(xué) 和教師科研。二、半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)裝置隨著信息技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的飛速進(jìn)步,仿真建模理論及方法取 得了應(yīng)用性突破。當(dāng)代仿真建模技術(shù)已經(jīng)能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)方法構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)模型, 已經(jīng)能夠高逼真度模擬復(fù)雜的過(guò)程系統(tǒng)。多功能過(guò)程與控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由小型流程設(shè)備盤臺(tái)、數(shù)字式軟儀表與接口 硬件、系統(tǒng)監(jiān)控軟件及過(guò)程模型軟件四部分組成。四部分通過(guò)小型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、 實(shí)時(shí)數(shù)字通信協(xié)調(diào)運(yùn)行,完成復(fù)雜的半實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)。1圖F. 47半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)裝置1小型流程設(shè)備盤臺(tái)見(jiàn)圖F. 44所示,在鋼制的盤臺(tái)上安裝著由不銹鋼制的比例縮小的流程設(shè)備 模型。主設(shè)備包括:一臺(tái)臥式儲(chǔ)罐(D-101)、兩臺(tái)高位計(jì)量罐(D-102

12、、D-103)、 一臺(tái)帶攪拌器的釜式反應(yīng)器(T-104)、一臺(tái)列管式熱交換器(E-105)、三臺(tái)離心 泵(P-106、P-107、P-108)、十個(gè)手動(dòng)/自動(dòng)雙效閥門和若干管路系統(tǒng)。在垂直的 儀表盤面上分布有壓力(P)、流量(F)、溫度(T)、物位(L)、功率(N)、組 成(A、和閥位(V、等傳感器插孔和數(shù)字式軟儀表。本盤臺(tái)是學(xué)生直接操作和 運(yùn)行過(guò)程系統(tǒng)的環(huán)境。本環(huán)境給學(xué)生以全真實(shí)的空間位置感覺(jué)、全真實(shí)的操作力度感覺(jué)和過(guò)程變化的時(shí)間特性感覺(jué)。由于真實(shí)過(guò)程裝置的壓力、流量、溫度、物 位、功率、組成也是無(wú)法直接觀察的,必須通過(guò)儀表檢測(cè),因此,本系統(tǒng)和真實(shí) 系統(tǒng)的觀測(cè)界面完全一致。圖F. 48多功能

13、過(guò)程與控制仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程部分2.動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件運(yùn)用動(dòng)態(tài)定量仿真模型, 模擬真實(shí)工藝流程,并提供各變量當(dāng)前值。具體分為以下流程的動(dòng)態(tài)仿真模型:(1)離心泵及特性動(dòng)態(tài)仿真模型(2)三級(jí)液位及傳熱動(dòng)態(tài)仿真模型(3)壓力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型(4)溶液濃度值配制動(dòng)態(tài)仿真模型(5)熱交換器過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真模型(6)間歇反應(yīng)動(dòng)態(tài)仿真模型(7)連續(xù)反應(yīng)(CSTR動(dòng)態(tài)仿真模型(8)小型全流程動(dòng)態(tài)仿真模型為了進(jìn)行復(fù)雜的控制實(shí)驗(yàn),除了過(guò)程模型外還特別開(kāi)發(fā)了常用控制算法模塊 庫(kù),例如,PID控制器,傳遞函數(shù)、外作用函數(shù)、限幅器、算術(shù)運(yùn)算器、選擇器、 繼電器特性、隨機(jī)信號(hào)器等,可以方便地通過(guò)“軟連接”構(gòu)造多

14、種多樣的控制系 統(tǒng)。配合小型專用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及高速模型計(jì)算技術(shù),本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型軟件能夠在監(jiān)控軟件的控制下完成過(guò)程系統(tǒng)的仿真計(jì)算。3.控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件為了便于學(xué)生(教師)靈活地設(shè)計(jì)組合多種多樣的控制方案,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提 供自行開(kāi)發(fā)的、專用的控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件。能夠在計(jì)算機(jī)“桌面”上通過(guò)圖 形軟連接、在“菜單”提示下填寫參數(shù)和數(shù)據(jù)等方法完成控制系統(tǒng)組態(tài)。這種組 態(tài)方法與集散型控制系統(tǒng)(DCS)組態(tài)完全相同,因此,比教學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的進(jìn) 口軟件MATLAB更直觀、更簡(jiǎn)明、更符合工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)然,(如果需要的話)本軟件也能與 MATLAB 軟件相連接。 控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件提供以下具

15、體功能:( 1) 提供常見(jiàn)的 PID 控制算法,允許學(xué)生配置參數(shù)( 2) 控制方案的設(shè)計(jì)。 允許學(xué)生自行設(shè)計(jì)控制方案, 包括控制與被控制變量的 選擇、算法的選擇以及復(fù)雜控制實(shí)驗(yàn)等。(3)控制算法組態(tài)。 提供兩種方式的控制算法組態(tài): 提供圖形化控制算法組態(tài) 工具,使學(xué)生可以對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行自定義 ; 提供標(biāo)準(zhǔn) DLL 工程,將學(xué)生 用其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言所寫的控制算法動(dòng)態(tài)鏈接到當(dāng)前控制回路中。( 4) 信號(hào)發(fā)生器組態(tài)。提供常用的信號(hào)發(fā)生器,對(duì)當(dāng)前的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行疊加。( 5) 信號(hào)輸出組態(tài)。提供信號(hào)輸出顯示、歷史趨勢(shì)記錄、文件保存等功能,以 進(jìn)行信號(hào)后處理。為了方便使用, 控制系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件具有錯(cuò)誤組態(tài)

16、方案的自診斷功能。 當(dāng) 組態(tài)的方案不合理時(shí),軟件能給出提示。此外,還具有智能化自動(dòng)排序功能。本 軟件采用深層知識(shí) “專家系統(tǒng)” 推理方法, 對(duì)組態(tài)生成的控制系統(tǒng)計(jì)算順序進(jìn)行 優(yōu)化排序,能夠保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。4實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)控軟件 盤臺(tái)上的所有操作和顯示變量都能由軟件控制,可以在瞬間設(shè)定新的狀態(tài), 我們稱其為狀態(tài)“全恢復(fù)”功能。本功能是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一大特色,利用本特點(diǎn)可 以任意設(shè)定干擾、 故障狀態(tài)或某一特定狀態(tài)、 重演過(guò)去記錄的狀態(tài)及某時(shí)間段落 的變化狀態(tài)等。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)控軟件對(duì)每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)提供工程管理,便于學(xué)生選擇不同的實(shí)驗(yàn), 以及對(duì)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行管理。具體分為以下功能:(1)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始、暫停、恢復(fù)及

17、自檢驗(yàn)功能(2)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目切換(3)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目當(dāng)前狀態(tài)(又稱為“快照” )存儲(chǔ)(4)參數(shù)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)改變(5)多畫面切換5系統(tǒng)硬件功能(1)傳感器信號(hào)(420mA輸出及控制閥信號(hào)(420mA輸入。可以外 接DCS空制系統(tǒng)、PLC控制器、或其他具有420mA標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)的控 制設(shè)備。對(duì)于傳感器信號(hào)輸出及控制閥信號(hào)輸入可疊加干擾信號(hào),以 便模擬非正常工況。( 2)硬件組態(tài)功能。在液晶顯示器上彩色顯示 15 個(gè)數(shù)據(jù)單元( 5 個(gè)棒圖顯 示和 10個(gè)數(shù)碼顯示),每個(gè)顯示單元都有一個(gè)數(shù)據(jù)輸入插孔。另外在設(shè) 備和管道上布置了幾十個(gè)數(shù)據(jù)輸出插孔。 通過(guò)導(dǎo)線連接數(shù)據(jù)輸入插孔和 數(shù)據(jù)輸出插孔,則完成了對(duì)顯示單元顯示

18、數(shù)據(jù)內(nèi)容的確定。 5 個(gè)自動(dòng)閥 控制輸出插孔,可以連接任意的閥門控制輸入插孔。連接后該閥門設(shè)定 為自動(dòng)閥(此時(shí)手動(dòng)操作不能改變閥位) 。(3)硬件單元的自摘除功能。在本系統(tǒng)上可以完成規(guī)模不同的試驗(yàn),每次 進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中投入使用的設(shè)備種類和數(shù)量可以通過(guò)組態(tài)軟件定義。 沒(méi)有通過(guò)組態(tài)軟件定義的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)不能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 該設(shè)備在試驗(yàn) 進(jìn)行的過(guò)程中不投入使用。 沒(méi)有通過(guò)硬件組態(tài)定義的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù) 不顯示,同時(shí)也不能輸出模擬信號(hào)。沒(méi)有通過(guò)組態(tài)軟件定義的閥門不投 入使用。系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)生故障的硬件單元自動(dòng)退出運(yùn)行,不影響其它硬件單元的正常工作。(4)自動(dòng)/手動(dòng)可定義的雙效閥門。所有投入使用的閥門如果沒(méi)有連接控制 信號(hào)輸出插孔,則自動(dòng)設(shè)定為手動(dòng)閥門,因此,所有盤臺(tái)上的閥門都是 自動(dòng)/手動(dòng)可定義的雙效閥門。(5)即插即用功能。硬件單元通過(guò)

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