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1、城市恒壓供水系統(tǒng)一、前言1、供水系統(tǒng)概述城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,高層建筑不斷增長(zhǎng),對(duì)于高層用戶來(lái)說(shuō),在白天或者用水頂峰時(shí)供水系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷最大,常常需要滿負(fù)荷或超負(fù)荷運(yùn)行,而在晚上或休閑是,所需水量減少很多,但是電動(dòng)機(jī)依然處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),這樣既浪費(fèi)了大量資源,對(duì)電動(dòng)機(jī)損耗也較大。所以需要根據(jù)不同需求條件來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)恒壓供水。在供水系統(tǒng)中,當(dāng)用水量需要變化時(shí),傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法是通過(guò)人工改變閥門開度來(lái)調(diào)整, 但是此類方法無(wú)法對(duì)供水管道內(nèi)壓力和水位變化做出及時(shí)、恰當(dāng)反響,往往會(huì)造成用水頂峰期時(shí)供水壓力缺乏,用水低峰期時(shí)供水壓力過(guò)高,不僅十分浪費(fèi)能源而且存在事故隱患例如壓力過(guò)高容易造成爆管事故。因

2、此無(wú)法滿足城市供水系統(tǒng)要求。采用變頻調(diào)速供水系統(tǒng)可以有效解決以上問(wèn)題。根據(jù)用水量大小,控制水泵轉(zhuǎn)速, 即用水量增大時(shí), 調(diào)高變頻, 使水泵轉(zhuǎn)速升高, 增加供水量。當(dāng)用水量超過(guò)一臺(tái)水泵供水量時(shí)啟動(dòng)新水泵以增加供水量,當(dāng)用水量減少時(shí),使水泵轉(zhuǎn)速降低或減少投入運(yùn)行水泵數(shù)量,減少供水量。2、供水系統(tǒng)功能城市供水系統(tǒng)主要功能是在用水量不斷變化情況下,維持管內(nèi)壓力在一定范圍內(nèi), 既能滿足用水需求, 又能最大程度節(jié)約能源, 延長(zhǎng)設(shè)備壽命。變頻供水控制器經(jīng)歷了從繼電器-接觸器,到單片機(jī),再到PLG而變頻器也從多端速度控制、模擬量輸入控制開展到專用變頻器,為實(shí)現(xiàn)城市供水系統(tǒng)簡(jiǎn)單、高效、低能耗功能,并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

3、控制過(guò)程,采用PLC乍為核心控制器是個(gè)較好方案。PLCM有體積小、設(shè)計(jì)周期短、數(shù)據(jù)處理和通信方便、易于維護(hù)和操作、 明顯降低本錢等優(yōu)點(diǎn), 可滿足城市供水系統(tǒng)控制要求。 除此以外, PLC作為城市供水控制系統(tǒng)使設(shè)計(jì)過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)功能變得更多。由于PLCCPU大網(wǎng)絡(luò)通信能力,是城市供水系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與通信變得可能,并且也可以實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程監(jiān)控。利用PLC乍為控制器城市供水系統(tǒng)主要涉及兩個(gè)方面:一是信號(hào)輸入;二是控制輸出信號(hào)。( 1) 信號(hào)輸入城市供水系統(tǒng)信號(hào)輸入檢測(cè)方面主要涉及兩類信號(hào)檢測(cè),主要包括:按鈕輸入檢測(cè)和管內(nèi)壓力輸入檢測(cè)。按鈕輸入檢測(cè)大多數(shù)為人工方式控制輸入檢測(cè),主要有自動(dòng)按鈕、手動(dòng)

4、按鈕、 水泵工頻啟動(dòng)按鈕、 水泵變頻運(yùn)行按鈕, 以及變頻加、 減按鈕等。管內(nèi)壓力輸入按鈕:管內(nèi)壓力輸入為模擬量輸入,通過(guò)壓力傳感器安置于適當(dāng)位置上,將檢測(cè)值反響到PL3,通過(guò)運(yùn)算輸出控制水泵轉(zhuǎn)速信號(hào),當(dāng)壓力值偏低時(shí),供水量不夠,導(dǎo)致用戶無(wú)法正常用水,因此需要增加水泵轉(zhuǎn)速以增加供水量,當(dāng)壓力值偏高時(shí),導(dǎo)致管內(nèi)壓力過(guò)大,用戶用 水較少,容易對(duì)管道造成損害,因此減少水泵轉(zhuǎn)速以減少供水量,最終是 管內(nèi)水壓保持在一定范圍內(nèi)。(2)控制輸出信號(hào)信號(hào)輸出局部主要包括兩個(gè)方面,一個(gè)是數(shù)字量輸出,即各類設(shè)備接觸器,另一個(gè)是通信信號(hào),即通過(guò) RS-485來(lái)控制變頻器。數(shù)字量輸出控制各類設(shè)備啟動(dòng)和停頓,包括:所有水

5、泵工頻運(yùn)行和變 頻運(yùn)行等接觸器,以及進(jìn)水閥門開啟與關(guān)閉。通信輸出通過(guò)PL/PID運(yùn)算后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)值,該控制信號(hào)輸入到 變頻器通信端口上,改變變頻器輸出頻率,從而控制水泵轉(zhuǎn)速,最后到達(dá) 控制水管壓力要求。二、總體設(shè)計(jì)方案恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面:一方面是機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì), 另一方面是PLOfe氣控制方面設(shè)計(jì),機(jī)械構(gòu)造是控制系統(tǒng)根底,是實(shí)現(xiàn)控 制功能前提;PLM氣控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)控制功能核心局部。1、主要組成局部恒壓供水系統(tǒng)組成局部比擬簡(jiǎn)單, 主要是一些管道、水泵、變頻器等, 以及其他輔助設(shè)備構(gòu)成,其機(jī)械主要組成局部如下列圖所示:水壓價(jià)* |樟制器/調(diào)速器a |水鬼11水壓變化:作為系統(tǒng)

6、控制輸入量,能否準(zhǔn)確采集該信號(hào)決定控制系統(tǒng)精度及可靠性;2控制器:是整個(gè)控制系統(tǒng)核心,通過(guò)對(duì)外界輸入狀態(tài)進(jìn)展檢測(cè), 輸出控制量,對(duì)外界輸入數(shù)據(jù)進(jìn)展運(yùn)算處理后,輸出相應(yīng)控制量。例如單 片機(jī)、可編程邏輯控制器、計(jì)算機(jī)等;3調(diào)速器:作為核心控制器后續(xù)控制單元,對(duì)終端設(shè)備進(jìn)展控制, 最終到達(dá)控制要求,例如多段調(diào)速、變頻器調(diào)速等;4水泵:供水系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),通過(guò)調(diào)速器控制其電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,最 后到達(dá)控制水泵流量大小要求。2、電氣控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)主要包括操作面板、電氣控制柜等單元。由于在該系統(tǒng) 中需要檢測(cè)較多數(shù)字輸入量,并且還要檢測(cè)模擬量輸入,然后根據(jù)設(shè)定程 序進(jìn)展數(shù)據(jù)處理,輸出控制信號(hào),因此系統(tǒng)控制邏輯與

7、時(shí)序就需要嚴(yán)格按照檢測(cè)信號(hào)輸入進(jìn)展控制,其示意圖如下所示:3、控制系統(tǒng)總體框圖恒壓供水系統(tǒng)總體框圖如下圖,PL核心控制器,通過(guò)檢測(cè)操作面板按鈕輸入、各類傳感器輸入,以及相關(guān)模擬量輸入,完成相關(guān)設(shè)備運(yùn)行、停頓和調(diào)速控制水泵/恒壓供水系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)總體圖4、工作過(guò)程城市供水系統(tǒng)在手動(dòng)狀態(tài)下,各類設(shè)備控制根據(jù)操作面板上按鈕輸入來(lái)控制,無(wú)邏輯限制,即不根據(jù)傳感器狀態(tài)進(jìn)展控制。在自動(dòng)方式下,進(jìn)展閉環(huán)控制,系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到外部傳感器狀態(tài)對(duì)設(shè)備進(jìn)展啟停、調(diào)速控制,氣工作過(guò)程如下:一個(gè)過(guò)程結(jié)束#主要工作過(guò)程示意圖1首先,采集壓力傳感器反響信號(hào),將該傳感器輸出模擬信號(hào)狀 換為PL3處理數(shù)字信號(hào);2其次,PLC艮

8、據(jù)壓力反響值,以及變頻器輸出頻率,對(duì)模擬量 進(jìn)展數(shù)據(jù)處理;3最后,在PL/,數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算后,產(chǎn)生控制信號(hào),來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) 驅(qū)動(dòng)器控制。這樣就完成了一個(gè)工作過(guò)程。三、硬件系統(tǒng)配置以上介紹了城市恒壓供水系統(tǒng)機(jī)械構(gòu)造及其相關(guān)設(shè)備,根據(jù)其工作 原理和控制系統(tǒng)功能要求,本節(jié)主要介紹如何設(shè)計(jì)城市供水系統(tǒng)控制系統(tǒng) 和所所需各種硬件設(shè)備,因此可以設(shè)計(jì)出城市供水系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)框 圖,如下列圖所示,在此控制系統(tǒng)中核心處理器是PLC,其輸入和輸出量主要為數(shù)字量,只有一組模擬量輸入。1、PLC選型根據(jù)城市供水電氣控制系統(tǒng)功能要求,從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面來(lái)考慮,選擇西門子S7- 200系歹U PLC作為城市供水電氣控制系統(tǒng)

9、控制主 機(jī)。由于城市供水電氣控制系統(tǒng)輸入 /輸出端口較少,而其控制過(guò)程相 對(duì)復(fù)雜,因此采用CPU224乍為該控制系統(tǒng)主機(jī)。由于使用數(shù)字量輸入點(diǎn)較多, 因此除了 PLC主機(jī)自帶I/O外,還需 要擴(kuò)展一定數(shù)量I/O擴(kuò)展模塊,在此使用EM221輸入擴(kuò)展模塊,8點(diǎn)DC 輸入型,可以滿足控制系統(tǒng) I/O需求。在該控制系統(tǒng)中,還需要采集模擬量功能要求,因此需要再擴(kuò)展一 個(gè)模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊。西門子公司專門為S7-200系歹U PLC配置了模擬量輸入/輸出模塊EM235該模塊具有較高分辨率和較強(qiáng)輸出 驅(qū)動(dòng)能力,可以滿足控制系統(tǒng)功能要求。2、PLCI/O資源配置根據(jù)系統(tǒng)功能要求,對(duì) PLCI/O進(jìn)展配置

10、,具體分配如下所示。1數(shù)字量輸入局部在此控制系統(tǒng)中,所需要輸入量根本上都屬于數(shù)字量,主要包括各種 控制按鈕、旋鈕等數(shù)字輸入,共有15個(gè)數(shù)字輸入量,如下表所示:表1數(shù)字輸入量地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備急停2#泵變頻啟動(dòng)手動(dòng)啟動(dòng)3#泵工頻啟動(dòng)自動(dòng)啟動(dòng)3#泵變頻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)加速電動(dòng)機(jī)減速1#泵工頻啟動(dòng)水池進(jìn)水閥門1#泵變頻啟動(dòng)變頻器復(fù)位2#泵工頻啟動(dòng)2數(shù)字量輸出局部在這個(gè)控制系統(tǒng)中,主要輸出控制設(shè)備有各種接觸器、閥門等,共有7個(gè)輸出點(diǎn),其具體分配如表 2所示。數(shù)字輸出量地址分配輸出地址輸出設(shè)備輸出地址輸出設(shè)備1#泵工頻接觸器3#泵工頻接觸器1#泵變頻接觸器3#泵變頻接觸器2#泵工頻接觸器

11、水池閥門2#泵變頻接觸器3、模擬量輸入局部由于需要采集一個(gè)壓力傳感器所反響數(shù)據(jù),因此擴(kuò)展了一個(gè)模擬量輸入/輸出模塊,模擬量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)備AIW0壓力傳感器根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求,以及 I/O分配情況,下列圖所示為城市恒壓供水控制系統(tǒng)硬件連接圖。急停I0.0I0.1Q0,0I0.2I0.3Q0.1I0.4S7-200I0.5CPU224Q0.2I0.6+I0 7Q0.3EM221I1.0I1.1Q0.4I1.2I1.3Q0.5I1.4I1.5Q0.6I1.6fj=r xh4自動(dòng)啟動(dòng)水池高位水油彳田代T力7四1處NA 44.丁 斗南田 411#水-L狽刀功1#泵變頻啟動(dòng)1#索丁非而啟動(dòng)

12、1#刀例2#泵變頻啟動(dòng)3#臬丁癡啟動(dòng)3#泵變頻啟動(dòng)由云h木n力n:束七例V L/J u坯 由動(dòng)木口減束水油井水閥門ZJ7凹乂工力,|因1 J少貝石中為之1Li1,壓力傳感器AIW0 EM2351#泵工頻接觸器1#泵變頻接觸器2#泵工頻接觸器2#泵變頻接觸器3#泵工頻接觸器3#泵變頻接觸器水池閥門城市供水控制系統(tǒng)硬件連接圖4、其他資源配置要完成系統(tǒng)控制功能除了需要 PLC主機(jī)及其擴(kuò)展模塊之外,還需要各種開關(guān)、接觸器和變頻器等儀器設(shè)備。1接觸器在變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中,其中所有設(shè)備運(yùn)行都不是連續(xù),而是根據(jù)控制面板上按鈕情況或者根據(jù)傳感器反響值進(jìn)展動(dòng)作,因此需要PLC根據(jù)當(dāng)前工作情況,以及按鈕情況來(lái)

13、控制所有設(shè)備起停,共需要個(gè)接觸器:1#泵工頻接觸器、2#泵工頻接觸器、3#泵工頻接觸器、1#泵變頻接觸器、 2#泵變頻接觸器、3#泵變頻接觸器。1# 泵工頻接觸器:1# 泵工頻接觸器是連接1#泵到工頻電網(wǎng)接觸器,通過(guò)PLC輸出指令控制泵工頻運(yùn)行或者停頓;2# 泵工頻接觸器:2#泵工頻接觸器是連接2#泵到工頻電網(wǎng)接觸器,通過(guò)PLC輸出指令控制泵工頻運(yùn)行或者停頓;3# 泵工頻接觸器:3#泵工頻接觸器是連接3#泵到工頻電網(wǎng)接觸器,通過(guò)PLC輸出指令控制泵工頻運(yùn)行或者停頓;1# 泵變頻接觸器:1# 泵變頻接觸器是連接1#泵到變頻器接觸器,通過(guò)PLC輸出指令控制泵變頻運(yùn)行或者停頓;2# 泵變頻接觸器:2

14、#泵變頻接觸器是連接2#泵到變頻器接觸器,通過(guò)PLC輸出指令控制泵變頻運(yùn)行或者停頓;3# 泵變頻接觸器:3#泵變頻接觸器是連接3#泵到變頻器接觸器,通過(guò)PLC輸出指令控制泵變頻運(yùn)行或者停頓; 2變頻器該系列中MM43債頻器是一種風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載專用變頻器,能適用于各種變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),尤其適合用于工業(yè)部門水泵和風(fēng)機(jī),主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:體積小,構(gòu)造緊湊;采用模塊化構(gòu)造,組態(tài)靈活;采用較高脈沖開關(guān)頻率,運(yùn)行時(shí)噪聲較小;具有完善電動(dòng)機(jī)和變頻器保護(hù)功能;具有較高輸出轉(zhuǎn)矩;具有旁路功能,可平安地將電動(dòng)機(jī)直接切換為電源供電;具有節(jié)能功能,可最大限度地節(jié)約能源;如果對(duì)水泵進(jìn)展驅(qū)動(dòng)時(shí),可以對(duì)無(wú)載泵內(nèi)無(wú)水空轉(zhuǎn)狀態(tài)

15、進(jìn)展監(jiān)測(cè);3 組驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),可使變頻器在3 組驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)下工作;10、復(fù)合制動(dòng)功能可實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng);11、可設(shè)置跳轉(zhuǎn)頻率,可在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)諧振時(shí)將機(jī)械所受應(yīng)力降到最低;12、 捕捉再啟動(dòng)功能, 可使變頻器與正在轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)連接時(shí)所受沖擊力最??;13、變頻器根據(jù)PTC/KTY俞入信號(hào)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)展過(guò)溫度控制,保護(hù)電動(dòng)機(jī);14、可介入網(wǎng)絡(luò)中。各類按鈕在這個(gè)控制系統(tǒng)自動(dòng)操作中,采用三種機(jī)械按鈕,控制供水系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行,手動(dòng) / 自動(dòng)按鈕使用按鈕,即旋到一邊接通,旋到另一邊就斷開;自動(dòng)啟動(dòng)按鈕采用觸電觸發(fā)式按鈕;急停按鈕使用旋轉(zhuǎn)復(fù)位按鈕,按下后系統(tǒng)停頓,旋轉(zhuǎn)后自動(dòng)彈起復(fù)位。在手動(dòng)控制狀態(tài)時(shí),對(duì)于每個(gè)設(shè)備都對(duì)應(yīng)設(shè)

16、置一個(gè)按鈕,采用觸電觸發(fā)式按鈕,即按下接通,松開復(fù)位。人機(jī)界面該系統(tǒng)采用西門子公司 TD200文本顯示器,該顯示器可適用于所有 S7 200系列PLC,采用TD200主要完成以下功能:顯示信息;設(shè)定和修改控制系統(tǒng)參數(shù);8 個(gè)可由用戶定義功能鍵,可替代普通按鍵;提供強(qiáng)制 I/O 檢測(cè)功能。TD2000連接很簡(jiǎn)單,只需在所提供連接電纜接到S7 200系歹U PLCPPI接口上即可,在距離不超過(guò)其規(guī)定范圍時(shí),有PLC對(duì)其進(jìn)展供電。在編程時(shí),可利用西門子公司提供編程軟件STEP7-Micro/WIN32,由于在 CPU中已經(jīng)保存了一個(gè)專門區(qū)域用于與TD200進(jìn)展數(shù)據(jù)交換,所以只需要將顯示及修改中間繼電

17、器、存放器等與文本顯示器相應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)展連接即可。5) 傳感器四、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、1#泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制工廠過(guò)程分析:1#電機(jī)變頻運(yùn)行,啟動(dòng)PID運(yùn)算,調(diào)節(jié)1#電機(jī)工作在適宜頻率上,當(dāng)用水量增加時(shí),1#電機(jī)運(yùn)行頻率也隨著增加,當(dāng)經(jīng) PID調(diào)節(jié)后反響值依然小于標(biāo)準(zhǔn)值, 即用水量大于1#變頻運(yùn)行所能到達(dá)最大出水量,那么定時(shí)5S,如果5s后,反響值不小于標(biāo)準(zhǔn)值,那么用水量減少 了,那么用1#變頻調(diào)節(jié)即可,如果 5s后,反響值依然小于標(biāo)準(zhǔn)值,說(shuō)明目前用水量大于1#電機(jī)變頻運(yùn)行出水量,此時(shí)如果變頻器輸出頻率還沒(méi) 有到達(dá)最大值50赫茲,那么有1#電機(jī)繼續(xù)變頻運(yùn)行調(diào)節(jié),如果此時(shí) 1#電機(jī)運(yùn)行頻率到達(dá)50赫茲

18、,那么將1#變頻變?yōu)楣ゎl,啟動(dòng)2#變頻。2、2#泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制工廠過(guò)程分析:1#電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行,2#電機(jī)變頻運(yùn)行,啟動(dòng)PID運(yùn)算,調(diào)節(jié)2# 電機(jī)工作在適宜頻率上: 1當(dāng)用水量減少,即壓力反響值增加,2#變頻運(yùn)行頻率降低,如果用水量繼續(xù)減少, 那么經(jīng) PID 調(diào)整2#變頻運(yùn)行頻率繼續(xù)降低,當(dāng)不能再低時(shí) PID 調(diào)節(jié)滿足不了要求 ,壓力反響值依然大于標(biāo)準(zhǔn)值用水量小 ,那么定時(shí)延遲5S, 5s后再將反響值與標(biāo)準(zhǔn)值比擬,如果反響值依然大于標(biāo)準(zhǔn)值,說(shuō)明目前用水量小于1#工頻運(yùn)行出水量,那么啟動(dòng)1#泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制,即1#泵變頻運(yùn)行;如果5s后,反響值小于標(biāo)準(zhǔn)值,那么說(shuō)明用水量增加了,那么用2#變頻調(diào)節(jié)

19、增加頻率即可,即1#工頻運(yùn)行, 2# 變頻運(yùn)行。 2當(dāng)用水量增加,即壓力反響值降低,2#變頻運(yùn)行頻率增加,如果用水量繼續(xù)增加,那么經(jīng)PID 調(diào)整2#變頻運(yùn)行頻率繼續(xù)增加,當(dāng)經(jīng)PID調(diào)整完后,反響值依然小與標(biāo)準(zhǔn)值 PID 調(diào)節(jié)滿足不了要求 ,那么定時(shí)延遲5S, 5s后再將反響值與標(biāo)準(zhǔn)值比擬,如果反響值依然小于標(biāo)準(zhǔn)值,說(shuō)明目前用水量大于 1#電機(jī)工頻運(yùn)行和2#電機(jī)變頻運(yùn)行出水量,此時(shí)如果變頻器輸出頻率還沒(méi)有到達(dá)最大值50 赫茲,那么有2# 電機(jī)繼續(xù)變頻運(yùn)行調(diào)節(jié), 如果此時(shí)2#電機(jī)運(yùn)行頻率到達(dá)50 赫茲, 那么將2#變頻變?yōu)楣ゎl,啟動(dòng)3#變頻。如果5s后,反響值大于標(biāo)準(zhǔn)值,說(shuō)明用水量減少了,那么用2#變頻調(diào)節(jié)減少頻率即可,即1#工頻運(yùn)行, 2# 變頻運(yùn)行。3、3#泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制工作過(guò)程分析:1#、2#電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行,3#電機(jī)變頻運(yùn)彳f,啟動(dòng) PID運(yùn)算,調(diào)節(jié)3#電機(jī)工作在適宜頻率上:1當(dāng)用水量減少,即壓力反響值增加,3#變頻運(yùn)行頻率降低,如果用水量繼續(xù)減少,那么經(jīng)PID調(diào)整3#變頻運(yùn)行頻率繼續(xù)降低,當(dāng)不能再低

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