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文檔簡(jiǎn)介

1、第三章 Modbus總線變頻器控制第一節(jié) Modbus協(xié)議Modbus協(xié)議是由第一臺(tái)PLC的發(fā)明者M(jìn)odicon公司(現(xiàn)在是施耐德電氣公司的一部分)于1978年開(kāi)發(fā)的,最早的設(shè)想是在RS232端口上實(shí)現(xiàn)控制器和智能型傳感器之間控制數(shù)據(jù)的傳輸。1979年,Modicon公司將Modbus協(xié)議推廣到市場(chǎng)上,為眾多設(shè)備制造商在其不同的設(shè)備中所采用,成為智能型設(shè)備之間建立主從式或客戶機(jī)-服務(wù)器通訊的“事實(shí)上”的標(biāo)準(zhǔn)。Modbus是一個(gè)應(yīng)用層通信協(xié)議(即OSI模型第7層),目前基于Modbus協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)主要有三種:1、異步串行傳輸(RS232、RS422/485)2、Modbus Plus高速令牌網(wǎng)3、

2、TCP/IP以太網(wǎng)本章主要介紹Modbus異步串行傳輸網(wǎng)絡(luò)。一、Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介Modbus協(xié)議定義了一個(gè)獨(dú)立于基本通訊層的簡(jiǎn)單的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU,Protocol Data Unit),由功能代碼區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)組成;在特定總線或網(wǎng)絡(luò)上,可以通過(guò)引入一些輔助區(qū)形成應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU,Application Data Unit),如圖31所示。圖31 Modbus結(jié)構(gòu)圖ADUPDU數(shù)據(jù)錯(cuò)誤校驗(yàn)功能代碼服務(wù)器地址Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)定義了客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求的格式,其中功能是指服務(wù)器所執(zhí)行的動(dòng)作。例如,客戶機(jī)可以向服務(wù)器請(qǐng)求讀一組離散量輸入或輸出的“開(kāi)/關(guān)”狀態(tài),或讀/寫(xiě)一組

3、寄存器的數(shù)值,如圖32所示。功能代碼區(qū)由1個(gè)字節(jié)組成,有效的范圍是1255,其中128255保留作為異常響應(yīng)功能代碼。當(dāng)一個(gè)消息從客戶機(jī)發(fā)送到服務(wù)器時(shí),功能代碼區(qū)將告訴服務(wù)器執(zhí)行何種動(dòng)作;一些功能代碼還有子代碼,以定義多重動(dòng)作。數(shù)據(jù)區(qū)包含服務(wù)器執(zhí)行功能代碼所定義動(dòng)作的必要信息,如離散量和寄存器地址、數(shù)量、以及實(shí)際數(shù)據(jù)字節(jié)的計(jì)數(shù)值等。在某些特定的請(qǐng)求中,可能沒(méi)有數(shù)據(jù)區(qū)(0長(zhǎng)度),在這種情況下,服務(wù)器動(dòng)作由功能碼直接指定,無(wú)需輔助信息。服務(wù)器一旦接收到客戶機(jī)的請(qǐng)求,將作出相應(yīng)的響應(yīng)。如果沒(méi)有與Modbus功能請(qǐng)求相關(guān)的錯(cuò)誤發(fā)生,客戶機(jī)將接收到服務(wù)器根據(jù)功能代碼請(qǐng)求所返回的正確的數(shù)據(jù);如果發(fā)生了錯(cuò)誤

4、,客戶機(jī)將接收到一個(gè)異常代碼,可以根據(jù)這個(gè)異常代碼決定下一步動(dòng)作。當(dāng)服務(wù)器回應(yīng)客戶機(jī)時(shí),回應(yīng)的功能代碼區(qū)既可表示一個(gè)正常的響應(yīng),也可表示發(fā)生了錯(cuò)誤(稱異常響應(yīng))。對(duì)一個(gè)正常的響應(yīng),服務(wù)器簡(jiǎn)單地返回原功能代碼;對(duì)異常響應(yīng),服務(wù)器將返回一個(gè)將原功能代碼最高位置“1”(原功能代碼+80H)的異常功能代碼。圖32 Modbus交換異常功能代碼異常代碼有錯(cuò)誤響應(yīng)接收回應(yīng)錯(cuò)誤檢測(cè)發(fā)出錯(cuò)誤請(qǐng)求數(shù)據(jù)功能代碼發(fā)出請(qǐng)求客戶機(jī)服務(wù)器服務(wù)器客戶機(jī)發(fā)出請(qǐng)求功能代碼請(qǐng)求數(shù)據(jù)執(zhí)行動(dòng)作發(fā)出回應(yīng)功能代碼響應(yīng)數(shù)據(jù)接收回應(yīng)無(wú)錯(cuò)誤響應(yīng)對(duì)異步串行傳輸,Modbus協(xié)議定義的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU)的長(zhǎng)度最大為256個(gè)字節(jié),包括服務(wù)器地址

5、的1個(gè)字節(jié)和錯(cuò)誤校驗(yàn)(CRC)的2個(gè)字節(jié),則協(xié)議數(shù)據(jù)單元()PDU的最大長(zhǎng)度為253字節(jié)。同時(shí),對(duì)于數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的地址和數(shù)據(jù),當(dāng)數(shù)值大于1個(gè)字節(jié)時(shí),數(shù)據(jù)的傳輸是高位字節(jié)先發(fā)送,如數(shù)值“1234H”,先發(fā)送“12H”,再發(fā)送“34H”。二、功能代碼及異常響應(yīng)圖33 Modbus交換狀態(tài)圖接收MB指令等待一個(gè)MB指令異常代碼_1有效的功能代碼有效的數(shù)據(jù)地址異常代碼_2有效的數(shù)據(jù)值異常代碼_3執(zhí)行MB功能異常代碼_4/5/6發(fā)送MB響應(yīng)發(fā)送MB異常響應(yīng)YYYYNNNNModbus協(xié)議被廣泛應(yīng)用于設(shè)備的監(jiān)控和編程、智能設(shè)備與傳感器和儀器的通訊、以及采用計(jì)算機(jī)和人機(jī)界面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控等場(chǎng)合;Modbus協(xié)

6、議還是一個(gè)理想的RTU(Remote Terminal Unit,遠(yuǎn)程終端測(cè)控單元)應(yīng)用協(xié)議,廣泛應(yīng)用于石油、天然氣及其子站等需要無(wú)線通訊的場(chǎng)合;Modbus協(xié)議不僅應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,在建筑、市政工程、交通和能源等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。第二節(jié)MODBUS協(xié)議的實(shí)現(xiàn)MODBUS協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一個(gè)控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程,如何回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求,以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。當(dāng)在MODBUS網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí),此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址,識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息,決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)

7、。如果需要回應(yīng),控制器將生成反饋信息并用MODBUS協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上,包含了MODBUS協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測(cè)的方法(如:MODBUS TCP/IP)。MODBUS 協(xié)議有 ASCII 和 RTU (遠(yuǎn)程終端單元)兩種傳輸方式,在ASCII 方式中,消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)需2個(gè)ASCII字符,其優(yōu)點(diǎn)是允許字符的傳輸間隔達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯(cuò)誤;在RTU方式,每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)制字符,其優(yōu)點(diǎn)是,在同樣的波特率下,可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù),但每個(gè)消息必須以連續(xù)的流傳輸,約95%的Mo

8、dbus總線采用RTU方式。MODBUS的RTU方式采用CRC-16的冗余校驗(yàn)方式,規(guī)定通信字符串的最后兩個(gè)字節(jié)用于傳遞循環(huán)冗余校驗(yàn)數(shù)據(jù),其方法是將整個(gè)字符串(不包括最后兩個(gè)字節(jié))的所有字節(jié)按規(guī)定的方式進(jìn)行位移并進(jìn)行XOR(異或)計(jì)算,接收方在收到該字符串時(shí)按同樣的方式進(jìn)行計(jì)算,并將結(jié)果同收到的循環(huán)冗余校驗(yàn)的兩個(gè)字節(jié)進(jìn)行比較,如果一致則認(rèn)為通信正確,如果不一致,則認(rèn)為通信有誤,從站將發(fā)送CRC錯(cuò)誤應(yīng)答。MODBUS的RTU方式的幀格式:1個(gè)起始位8個(gè)數(shù)據(jù)位,最小的有效位先發(fā)送1個(gè)奇偶校驗(yàn)位,無(wú)校驗(yàn)則無(wú)1個(gè)停止位或 2個(gè)停止位(無(wú)校驗(yàn)時(shí))兩種傳輸模式中(ASCII或RTU),傳輸設(shè)備以將MODB

9、US消息轉(zhuǎn)為有起點(diǎn)和終點(diǎn)的幀,這就允許接收的設(shè)備在消息起始處開(kāi)始工作,讀地址分配信息,判斷哪一個(gè)設(shè)備被選中(廣播方式則傳給所有設(shè)備),判知何時(shí)信息已完成。使用RTU模式,消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始(如下圖的T1-T2-T3-T4所示)。在網(wǎng)絡(luò)波特率多樣的情況下,字符時(shí)間是最容易實(shí)現(xiàn)的。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)域是設(shè)備地址,可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的0.9,A.F。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)網(wǎng)絡(luò)總線,包括停頓間隔時(shí)間內(nèi)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域(地址域)接收到,每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行解碼以判斷是否發(fā)往自己的。在最后一個(gè)傳輸字符之后,一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開(kāi)始。整個(gè)消

10、息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸。如果在幀完成之前有超過(guò)3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間,接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。同樣地,如果一個(gè)新消息在小于3.5個(gè)字符時(shí)間內(nèi)接著前個(gè)消息開(kāi)始,接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)。這兩種情形都將導(dǎo)致錯(cuò)誤,因?yàn)樵谧詈蟮腃RC域的值不可能是正確的。一個(gè)典型的消息幀如下所示:起始位設(shè)備地址功能代碼數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)結(jié)束符T1-T2-T3-T48Bit8Bitn個(gè)8Bit16BitT1-T2-T3-T4消息幀的地址域包含兩個(gè)字符(8Bits),可能的從設(shè)備地址是十進(jìn)制的0.247 。主設(shè)備通過(guò)將要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址放入消息中的地址域來(lái)選通從設(shè)備。

11、當(dāng)從設(shè)備發(fā)送回應(yīng)消息時(shí),它把自己的地址放入回應(yīng)的地址域中,以便主設(shè)備知道是哪一個(gè)設(shè)備作出回應(yīng)。地址0是用作廣播地址,以使所有的從設(shè)備都能認(rèn)識(shí)。當(dāng)MODBUS協(xié)議用于更高水準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò),廣播可能不允許或以其它方式代替。消息幀中的功能代碼域包含了兩個(gè)字符(8Bits),可能的代碼范圍是十進(jìn)制的1.255。有些控制器適用所有的代碼,有些控制器僅適用部分代碼,取決于控制器采用的代碼完整與否。當(dāng)消息從主設(shè)備發(fā)往從設(shè)備時(shí),功能代碼域?qū)⒏嬷畯脑O(shè)備需要執(zhí)行哪些行為。例如去讀取輸入的開(kāi)關(guān)狀態(tài),讀一組寄存器的數(shù)據(jù)內(nèi)容,讀從設(shè)備的診斷狀態(tài),允許調(diào)入、記錄、校驗(yàn)在從設(shè)備中的程序等。當(dāng)從設(shè)備回應(yīng)時(shí),它使用功能代碼域來(lái)指示是

12、正?;貞?yīng)(無(wú)誤)還是有某種錯(cuò)誤發(fā)生(稱作異議回應(yīng))。對(duì)正?;貞?yīng),從設(shè)備僅回應(yīng)相應(yīng)的功能代碼。對(duì)異議回應(yīng),從設(shè)備返回一等同于正常代碼的代碼,但最高位為邏輯1(+80H)。數(shù)據(jù)域是由兩個(gè)十六進(jìn)制數(shù)集合構(gòu)成的,范圍00.FF。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模式,這可以是由一對(duì)ASCII字符組成或由RTU字符組成。主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備消息的數(shù)據(jù)域包含了附加的信息:如寄存器地址,要處理項(xiàng)的數(shù)目,域中實(shí)際數(shù)據(jù)字節(jié)等。從設(shè)備必須執(zhí)行由功能代碼所定義的請(qǐng)求。如果沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生,從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)域包含請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生,此域包含一異議代碼,主設(shè)備應(yīng)用程序可以用來(lái)判斷采取下一步行動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS網(wǎng)絡(luò)有兩種錯(cuò)誤檢測(cè)方法。錯(cuò)誤

13、檢測(cè)域的內(nèi)容視所選的檢測(cè)方法而定。當(dāng)選用RTU模式作字符幀,錯(cuò)誤檢測(cè)域包含一16Bits值(用兩個(gè)8位的字符來(lái)實(shí)現(xiàn))。錯(cuò)誤檢測(cè)域的內(nèi)容是通過(guò)對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行循環(huán)冗長(zhǎng)檢測(cè)方法得出的。CRC域附加在消息的最后,添加時(shí)先是低字節(jié)然后是高字節(jié)。故CRC的高位字節(jié)是發(fā)送消息的最后一個(gè)字節(jié)。當(dāng)消息在標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS系列網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí),每個(gè)字符或字節(jié)以如下方式發(fā)送(從左到右):最低有效位.最高有效位。控制器與PLC之間通信的內(nèi)容包括主站對(duì)從站的讀取和寫(xiě)入,MODBUS規(guī)定,只有主站具有主動(dòng)權(quán),從站只能被動(dòng)的響應(yīng),包括回答出錯(cuò)信息。數(shù)據(jù)通信的一般如下: (1) 查詢查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種

14、功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息:從何寄存器開(kāi)始讀或?qū)懠耙x的寄存器數(shù)量或?qū)懙臄?shù)值。錯(cuò)誤檢測(cè)域?yàn)閺脑O(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法。例如:功能代碼03(十進(jìn)制)是要求讀從設(shè)備保持寄存器并返回它們的內(nèi)容,功能代碼16(十進(jìn)制)是對(duì)從設(shè)備輸出寄存器寫(xiě)值 (允許采用廣播方式)。(2) 回應(yīng)如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng),在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù):如寄存器值或狀態(tài)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生,功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的(功能代碼80H),同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼(1-從站不能

15、識(shí)別主站的請(qǐng)求,2-請(qǐng)求幀中的從站地址不存在,3-主站的請(qǐng)求不允許,4從站不能完成請(qǐng)求)。錯(cuò)誤檢測(cè)域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否正確。例如:主站讀取從站N個(gè)寄存器(MODBUS 功能03):主站命令:從站地址 命令字 欲讀寄存器首地址 欲讀字個(gè)數(shù) CRC16 1 byte 1 byte 2 bytes 2 bytes 2 bytes 01 03 00 04 00 02 85 CA從站回送:從站地址 命令字 讀到的字長(zhǎng)度 寄存器內(nèi)容 CRC16 1 byte 1 byte 1 byte n bytes 2 bytes 01 03 04 42 C8 00 00 6F B5標(biāo)準(zhǔn)的 MODBUS物理層采

16、用了RS-232串行通信標(biāo)準(zhǔn),遠(yuǎn)距離或多點(diǎn)通訊時(shí)可以考慮用RS-422或者RS-485來(lái)代替。Modbus通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主從模式,因此在工業(yè)領(lǐng)域采用半雙工的RS-485較多。在PC機(jī)上可以通過(guò)使用RS-485插卡或者RS-232/ RS-485轉(zhuǎn)換模塊,可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信。采用帶有120W特性阻抗的屏蔽雙絞線,確認(rèn)在通訊電纜的兩邊都有終端匹配電阻(120W),并將屏蔽小心接地。從站數(shù)限制為32個(gè)以下。實(shí)現(xiàn)通信的過(guò)程中要對(duì)從站地址、寄存器地址、及數(shù)據(jù)量等進(jìn)行判定。若是與PLC或者其它標(biāo)準(zhǔn)的通信設(shè)備進(jìn)行連接時(shí),需要考慮實(shí)際的結(jié)構(gòu),即寄存器地址圍,如0x 表示輸出線圈、1x 表示離散量輸入、3x 表示

17、輸入寄存器、4x 表示保持寄存器。注意,寄存器地址是從1開(kāi)始的,如40001代表0號(hào)保持寄存器地址。Modbus協(xié)議規(guī)定每個(gè)消息不超過(guò)256個(gè)字節(jié),在Windows下MODBUS通信可采用MSCOMM控件來(lái)實(shí)現(xiàn)。以從站為例,左面是實(shí)現(xiàn)通信的流程圖。在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議的關(guān)鍵是CRC校驗(yàn)值的算法,有兩種方法:根據(jù)CRC校驗(yàn)的定義公式進(jìn)行計(jì)算,或在程序中建立CRC校驗(yàn)值表查找。因?yàn)閷?duì)于固定字節(jié)CRC校驗(yàn)計(jì)算的多項(xiàng)式因子,其CRC值是固定的,因而,采用查表法可以簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程、節(jié)省應(yīng)答時(shí)間、提高通信效率。查表法計(jì)算CRC校驗(yàn)值程序參見(jiàn)附錄二。第三節(jié)ATV58變頻器通訊控制PLC編程舉例一、

18、硬件連接ATV58變頻器內(nèi)置的Modbus接口物理層為RS485,采用Modbus RTU方式(8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、無(wú)校驗(yàn)位),波特率必須為19.2Kbit/s,連接介質(zhì)可采用屏蔽雙絞線,傳輸距離可達(dá)1000 米。注意:?jiǎn)慰偩€上連接ATV58變頻器最多為18臺(tái)(物理層限制)。取下ATV58變頻器的操作面板,可以看到本機(jī)上的Modbus 9針D型接口,該接口RS485管腳定義如下:¨ 管腳 3: D(A)¨ 管腳 7: D(B)控制器與變頻器RS485連接參見(jiàn)圖一。圖一 PLC與變頻器RS485連接示意圖ATV58ATV58控制器ABABBA1nF120W屏蔽雙絞線3、A

19、TV58 變頻器的Modbus通訊設(shè)置ATV58 變頻器的Modbus 通訊參數(shù)需要通過(guò)操作面板預(yù)先予以設(shè)置如下:控制菜單 (CTL: 4-CONTROL):面板控制 (LCC: Keypad Comm.) No (取消面板操作)變頻器地址 (Add: DriveAddress) - 1,2, 18 (Modbus從站地址)ATV58變頻器采用通訊功能時(shí),其外部端子控制功能是無(wú)效的,通過(guò)對(duì)邏輯輸入口(如LI4)進(jìn)行編程設(shè)置為強(qiáng)制本地控制方式,可實(shí)現(xiàn)變頻器的遠(yuǎn)程/本地切換控制。注意,最好將變頻器在本地控制方式下調(diào)試完畢后,再進(jìn)行通訊控制,一方面可以避免因?yàn)樽冾l器參數(shù)設(shè)置的原因?qū)е伦冾l器工作不正常

20、;同時(shí),可以簡(jiǎn)化通訊的內(nèi)容和交換數(shù)據(jù)的數(shù)量。二、PLC編程舉例施耐德電氣公司的Modicon TSX Micro PLC是一種面向機(jī)器和設(shè)備的中小型PLC,本機(jī)最大可達(dá)256 I/O點(diǎn),具備強(qiáng)大的內(nèi)存擴(kuò)展和通訊擴(kuò)展功能;其編程軟件PL7 PRO與中型PLC Premium兼容,不僅編程簡(jiǎn)單方便,同時(shí)具有中型PLC的強(qiáng)大功能(如豐富的庫(kù)函數(shù)和算術(shù)表達(dá)式編程等)。在Micro PLC上實(shí)現(xiàn)Modbus主站有兩種方式:1、通過(guò)編程軟件直接將編程端口(Channel 0)設(shè)置為Modbus Master方式。2、在通訊擴(kuò)展插槽(Channel 1)內(nèi)插入TSXSCP114 - RS485 PCMCIA多協(xié)議通訊卡,通過(guò)編程軟件將該通訊卡設(shè)置為Modbus Master方式。注意,采用第一種方式時(shí),通訊口為非隔離的,當(dāng)傳輸距離大于10米時(shí)應(yīng)采用總線隔離器(如:TSXPACC01)。此外,Modbus通訊參數(shù)必須與變頻器一致。在PLC的軟件編程中,通過(guò)庫(kù)函數(shù)中的通訊指令即可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)對(duì)ATV58變頻器的內(nèi)部通訊變量的訪問(wèn):READ_VAR(ADR#m.v.i,%MW,450,10,%MW100:10,%MW150:4)%MW150:X

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