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基于plc控制的气流除尘机
目录
1.气流除尘机的介绍4
1.1概述4
1.2自动控制系统构成及其功能4
1.2.1自动控制系统的构成4
1.2.2系统的功能5
2.主要器件介绍6
2.1罗茨泵6
2.1.1罗茨泵的物理原理及工作原理6
2.1.2罗茨泵特点6
2.1.3罗茨泵的结构7
2.2软启动器7
2.2.1软启动器的工作原理7
2.2.2软启动器的软起动方式8
2.2.3软启动器的选用8
2.2.4西门子公司SIRJUS3RW30软启动器9
2.3变频器9
2.3.1变频器工作原理9
2.3.2变频器的构成10
2.3.3变频器的特点11
2.3.4SAMCO-M变频器介绍12
2.4光电开关13
2.4.1传感器13
2.4.2光电传感器13
2.4.3E3JK型光电传感器14
2.5计数显示器15
2.5.1DSQY08J205-4的计数显示器。
16
3.气流除尘机的PLC控制系统设计17
3.1可编程控制器(PLC)的特点17
3.2编程序控制器的选择及工作过程18
3.2.1可编程序控制器的选择18
3.2.2可编程序控制器的工作过程18
3.2.3可编程序控制器的使用步骤19
3.3PLC的工作原理20
3.4可编程序控制器OMRONCMP1A20
4.硬件电路设计22
4.1主电路的设计22
4.2顺序流程图23
4.3PLC的硬件电路设计24
5.PLC的软件设计25
5.1PT与PLC之间的通信25
5.2电器元件目录表25
5.3I/O分配表26
5.4编写程序27
6.结论31
7.致谢32
参考文献33
附录1CPM1A-30EDR34
附录2主电路图35
附录3I/O分配图36
附录4气流除尘机外观图37
1.气流除尘机的介绍
1.1概述
气流除尘机是制革业中一种专用于皮革除尘的先进设备。
皮革经过磨革工序后,要清除皮革表面的皮屑微粒,除尘原理如图1所示。
当皮革通过该机时,利用高速气流和吸尘装置即可清除附着在皮革两面的皮屑微粒,以满足下道喷浆工序的工艺要求。
气流除尘机设有三组气室,两组气室喷气口向下,一组气室喷气向上。
由鼓风机产生的低压清洁空气,以15立方米/分的排气量,经三根直径为51cm的管道,通过机内空气过滤器进入气室,再从喷气口(长1850mm,宽为0.1mm)喷出,形成高压气幕,将附在皮革表面的灰屑吹起,然后通过吸尘系统(3根直径为150mm的洗尘管)经离心风机进入布袋滤尘器,滤尘后排出清洁气流。
该生产线灰尘较多,工作环境恶劣,其电气控制部分选用PLC作为控制核心,配以触摸监控屏(PT)作为人机交互界面HMI,实现了皮革除尘生产线无人操作、生产过程远程监控和实时计数统计功能。
该系统适用于各种皮革加工,输送速度可调、生产效率高。
另设有定时电动除尘机构,能够防止环境污染。
1.2自动控制系统构成及其功能
1.2.1自动控制系统的构成
图2为气流除尘机自动控制系统框图。
该系统以日本欧姆龙CPM1APLC作为控制核心,配以欧姆龙NT30-ST131PT,EPSONESC/P打印机,够长了一小型工作站,分别控制罗茨泵电机、传送带电机、离心风机电机、抖尘电机、送料机构,并有系统运行及故障显示。
高压气流由LG15/02-08-1罗茨泵产生,其拖动电机为55kw,1450r/min的三相异步电动机。
设备投入使用时,必须先启动罗茨泵产生高压气流,然后启动送料、吸尘电机。
由于罗茨泵拖动电动机容量较大,故采用西门子公司SIRJUS3RW30软启动器。
该启动器具有三种整定形式:
将电压整定到相当于电网电压的百分之几;秒范围的启动斜坡时间;秒范围的制动斜坡时间。
完全满足罗茨泵电机的单速启动要求。
传送带电机由日本三垦公司SAMCO-M变频器采用开环矢量控制,可以实现无级变速,以便根据不同类型皮革(猪皮、羊皮、牛皮等),选择不同的速度。
离心风机电机功率为7.5kW,可直接启动。
皮件数由E3JK型光电开关产生脉冲信号,经过PLC程序的采集处理后,作为准确计数值,输入PLC进行累计和统计。
操作按钮盒设有启动、停止、自动/手动转换开关,大批量生产时采用自动方式,手动方式下用于设备检修调整时使用.另外本机设有声光报警装置,系统运行异常时,立即停机并发出报警信号。
PLC及周围控制设备装于生产现场电气控制柜内,CPM1APLC自带有一个RS422适配器,可用RS422电缆经B500-AL004型链接适配器(即RS-232/422电平转接器)以1:
1上位链接直接与PT的RS232接口相连,最远传输距离可达500m。
1.2.2系统的功能
(1)监控和数据处理:
PT可代替工控计算机作为人机界面(HMI),交互性好,可对整个系统的运行状态进行实时监控。
监控画面直观地反映了皮革除尘生产过程中的动作流程,系统通过应用程序对采集到的实时数据进行处理。
对不同的皮革类型,分别进行产量统计,方便今后的生产管理。
(2)参数设定和修改:
将工艺人员提供的各种工艺参数数值存放在PT内存中,操作人员可根据生产工艺要求,设定传送带的输送速度、定时抖尘的时间等,可在线修改各种设定参数。
(3)系统报表及报警处理:
操作人员可通过实时趋势图、历史趋势图和报表查询实时数据、历史数据及设备运行状态,便于对故障进行分析或优化工艺参数的设定。
用户按工艺要求实时或定时打印生产报表及故障记录报表。
当被控制对象中的工艺参数或设备发生异常时,系统将通过画面和声音进行报警。
2.主要器件介绍
2.1罗茨泵
罗茨真空泵(简称罗茨泵)是一种旋转式变容真空泵。
它是由罗茨鼓风机演变而来的。
根据罗茨真空泵工作范围的不同,又分为直排大气的低真空罗茨泵;中真空罗茨泵(又称机械增压泵)和高真空多级罗茨泵。
2.1.1罗茨泵的物理原理及工作原理
一、罗茨泵的物理原理
罗茨泵(roots-typepump)是一种无内压缩的真空泵,通常压缩比很低,故高、中真空泵需要前级泵。
罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外,还取决于前级泵的极限真空。
为了提高泵的极限真空度,可将罗茨泵串联使用。
罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。
由于转子的不断旋转,被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内,再经排气口排出。
由于吸气后v0空间是全封闭状态,所以,在泵腔内气体没有压缩和膨胀。
但当转子顶部转过排气口边缘,v0空间与排气侧相通时,由于排气侧气体压强较高,则有一部分气体返冲到空间v0中去,使气体压强突然增高。
当转子继续转动时,气体排出泵外。
罗茨泵在泵腔内,有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上,由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。
在转子之间,转子与泵壳内壁之间,保持有一定的间隙,可以实现高转速运行。
二、罗茨泵的工作原理
罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。
由于转子的不断旋转,被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内,再经排气口排出。
由于吸气后v0空间是全封闭状态,所以,在泵腔内气体没有压缩和膨胀。
但当转子顶部转过排气口边缘,v0空间与排气侧相通时,由于排气侧气体压强较高,则有一部分气体返冲到空间v0中去,使气体压强突然增高。
当转子继续转动时,气体排出泵外。
如图为罗茨泵转子由0°转到180°的抽气过程。
在0°位置时,下转子从泵入口封入v0体积的气体。
当转到45°位置时,该腔与排气口相通。
由于排气侧压强较高,引起一部分气体返冲过来。
当转到90°位置时,下转子封入的气体,连同返冲的气体一起排向泵外。
这时,上转子也从泵入口封入v0体积的气体。
当转子继续转到135°时,上转子封入的气体与排气口相通,重复上述过程。
180°位置和0°位置是一样的。
转子主轴旋转一周共排出四个v0体积的气体。
2.1.2罗茨泵特点
在较宽的压强范围内有较大的抽速;起动快,能立即工作;对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感;转子不必润滑,泵腔内无油;振动小,转子动平衡条件较好,没有排气阀;驱动功率小,机械摩擦损失小;结构紧凑,占地面积小;运转维护费用低。
因此,罗茨泵在冶金、石油化工、造纸、食品、电子工业部门得到广泛的应用。
2.1.3罗茨泵的结构
抽气原理在泵腔内,有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上,由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。
在转子之间,转子与泵壳内壁之间,保持有一定的间隙,可以实现高转速运行。
由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵,通常压缩比很低,故高、中真空泵需要前级泵。
罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外,还取决于前级泵的极限真空。
为了提高泵的极限真空度,可将罗茨泵串联使用。
2.2软启动器
软起动器是一种集软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置,国外称为SoftStarter。
它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。
运用不同的方法,控制三相反并联闸管的导通角,使被控电机的输入电压按不同的要求而变化,就可实现不同的功能。
2.2.1软启动器的工作原理
软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器,将其接入电源和电动机定子之间。
这种电路如三相全控桥式整流电路,主电路图见图1。
使用软启动器启动电动机时,晶闸管的输出电压逐渐增加,电动机逐渐加速,直到晶闸管全导通,电动机工作在额定电压的机械特性上,实现平滑启动,降低启动电流,避免启动过流跳闸。
待电机达到额定转数时,启动过程结束,软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管,为电动机正常运转提供额定电压,以降低晶闸管的热损耗,延长软启动器的使用寿命,提高其工作效率,又使电网避免了谐波污染。
软启动器同时还提供软停车功能,软停车与软启动过程相反,电压逐渐降低,转数逐渐下降到零,避免自由停车引起的转矩冲击。
软启动与软停车的电压曲线见图2,3。
2.2.2软启动器的软起动方式
运用串接于电源与被控电机之间的软起动器,控制其内部晶闸管的导通角,使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升,直至起动结束,赋予电机全电压,即为软起动,在软起动过程中,电机起动转矩逐渐增加,转速也逐渐增加。
软起动一般有下面几种起动方式。
(1)斜坡升压软起动。
这种起动方式最简单,不具备电流闭环控制,仅调整晶闸管导通角,使之与时间成一定函数关系增加。
其缺点是,由于不限流,在电机起动过程中,有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏,对电网影响较大,实际很少应用。
(2)斜坡恒流软起动。
这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加,当电流达到预先所设定的值后保持恒定(t1至t2阶段),直至起动完毕。
起动过程中,电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。
电流上升速率大,则起动转矩大,起动时间短。
该起动方式是应用最多的起动方式,尤其适用于风机、泵类负载的起动。
(3)阶跃起动。
开机,即以最短时间,使起动电流迅速达到设定值,即为阶跃起动。
通过调节起动电流设定值,可以达到快速起动效果。
(4)脉冲冲击起动。
在起动开始阶段,让晶闸管在级短时间内,以较大电流导通一段时间后回落,再按原设定值线性上升,连入恒流起动。
该起动方法,在一般负载中较少应用,适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。
2.2.3软启动器的选用
一、选型:
目前市场上常见的软启动器有旁路型、无旁路型、节能型等。
根据负载性质选择不同型号的软启动器。
旁路型:
在电动机达到额定转数时,用旁路接触器取代已完成任务的软启动器,降低晶闸管的热损耗,提高其工作效率。
也可以用一台软启动器去启动多台电动机。
无旁路型:
晶闸管处于全导通状态,电动机工作于全压方式,忽略电压谐波分量,经常用于短时重复工作的电动机。
节能型:
当电动机负荷较轻时,软启动器自动降低施加于电动机定子上的电压,减少电动机电流励磁分量,提高电动机功率因数。
二、选规格:
根据电动机的标称功率,电流负载性质选择启动器,一般软启动器容量稍大于电动机工作电流,还应考虑保护功能是否完备,例如:
缺相保护、短路保护、过载保护、逆序保护、过压保护、欠压保护等。
过载保护功能:
软起动器引进了电流控制环,因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。
通过增加过载电流的设定和反时限控制模式,实现了过载保护功能,使电机过载时,关断晶闸管并发出报警信号。
缺相保护功能:
工作时,软起动器随时检测三相线电流的变化,一旦发生断流,即可作出缺相保护反应。
过热保护功能:
通过软起动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度,一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管,并发出报警信号。
其它功能:
通过电子电路的组合,还可在系统中实现其它种种联锁保护。
2.2.4西门子公司SIRJUS3RW30软启动器
该启动器具有三种整定形式:
将电压整定到相当于电网电压的百分之几;秒范围的启动斜坡时间;秒范围的制动斜坡时间。
完全满足罗茨泵电机的单速启动要求。
SIRIUS3RW30软启动器结构紧凑,使用方便,适用于带式、链式传输装置、泵及风机节能起停。
技术参数:
额定电流:
6-100A;工作电压:
220-575V;功率范围:
1.1-55KW;延时范围:
0-20S;频率范围:
45-66HZ;应用范围:
皮带式传送装置,运输系统(无振动起动、无振动减速、使用低成本的皮带材料)离心泵、活塞泵(避免压力聚变,防止水槌效应,延长管路寿命)搅拌机、混料机(降低起动电流)通风机(节能起停,可使齿轮和V型传送带平稳运转)。
2.3变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
近年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一,电气传动技术面临着一场历史革命,即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。
电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其优异的调速和起制动性能,高效率、高功率因数和节电效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
深入了解交流传动与控制技术的走向,具有十分积极的意义.
2.3.1变频器工作原理
我们知道,交流电动机的异步转速表达式位:
n=60f(1-s)/p
(1)其中n—异步电动机的转速;f—异步电动机的频率;s—电动机转差率;p—电动机极对数。
由公式
(1)可知,电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系,因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整P)、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整s)和变频调速(调整f)等。
而我们现在运用最广泛的就是变频调速,由转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0~50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
2.3.2变频器的构成
一、变频器的分类
按变频的原理,变频器分为交-交变频器和交-直-交变频器
二、交一交变频器
它是将频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源.其主要优点是没有中间环节,变换效率高。
但其连续可调的频率范围较窄,一般在额定频率的1/2以下,故主要用于容量较大的低速拖动系统中。
三、交一直一交变频器
先将频率固定的交流电整流后变成直流,再经过逆变电路,把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。
由于把直流电逆变成交流电较易控制,因此在频率的调节范围,以及变频后电动机特性的改善等方面,都具有明显的优势,目前使用最多的变频器均属于交一直-交变频器。
根据直流环节的储能方式来分,交一直一交变频器又可分成电压型和电流型两种。
(1)电压型:
整流后若是靠电容来滤波称为电压型,现在使用的变频器大部分为电压型。
电压源型逆变器的中间直流环节由于采用电容储能,因此直流环节电压值不受负载影响,其主要运行特点如下:
逆变器采用PWM技术,既变压又变频;由于直流电压源的箝位作用,交流侧电压波形为矩形波,与负载阻抗角无关,而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异,其波形接近正弦波。
系统响应速度快;可多台逆变器共用一套直流电源并联运行;同一相的上下桥臂有直通短路的可能,这时电流的变化率和峰值都很大,需要在极短的时间内进行保护,所以保护困难;由于整流部分采用不控整流,因此不能实现能量回馈制动。
如果电动机需要向交流电源反馈能量,因直流测电压方向不能改变,所以只能靠改变直流电流的方向来实现,这就需要给交-直变换的整流桥再反并联一套逆变桥。
(2)电流型:
整流后若是靠电感来滤波称为电流型,它的中间直流环节采用大电感作储能元件,无功功率将由大电感来缓冲。
电流源型变换器大多用于大功率的风机水泵调速控制系统,采用可控整流调压、逆变器变频方式运行。
四、交一直一交电压型变频器的主回路构成
(1)主回路构成
[电源输入—整流桥—启动电阻(直流电感)—母线电容—制动单元(制动电阻)]—逆变桥—电源输出。
(2)主要器件
整流桥:
西门康SEMKRON(SKKD162/16100A/SKD)、三社SanRex(DFA)、IXYS(VU)、IRF [InternationalRectifier](160MTKB)、德国Powersem(psd35)等
逆变器:
IGBT:
西门子[优派克]EUPEC(FS、BSM)、Fuji(2MB)等、IPM:
三菱(PM)等、PIM一体模块:
西门子[优派克]EUPEC(FS、FP、BSM)、泰科TYCO(V23990-P89)等
单管IGBT:
APT(AdvancedPowerTechnology)APT60GF120JRD
电解电容:
400V,560V,5600UF以下(包括)
CPU:
TMS320F2406A/7A,TMS320F2813等
光耦:
东芝的TLP3120,7840,HP的HCPL-4504等
缓冲电阻:
单管IGBT、风扇、接触器、散热器、霍尔、温度传感器
2.3.3变频器的特点
一、控制电机的启动电流
当电机通过工频直接启动时它将会产生7到8倍的电机额定电流这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量从而降低电机的寿命,而变频调速则可以在零速零电压启动(当然可以适当加转矩提升)一旦频率和电压的关系建立变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作使用变频调速能充分降低启动电流,提高绕组承受力。
用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低电机的寿命则相应增加。
二、降低电力线路电压波动
在电机工频启动时,电流剧增的同时电压也会大幅度波动,电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。
电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常,如PC机传感器接近开关和接触器等均会动作出错。
而采用变频调速后,由于能在零频零压时逐步启动则能最大程度上消除电压下降。
三、启动时需要的功率更低
电机功率与电流和电压的乘积成正比,那么通过工频直接启动的电机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率在一些工况下其配电系统已经达到了最高极限其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产生严重的影响,从而将受到电网运行商的警告,甚至罚款如果采用变频器进行电机起停,就不会产生类似的问题。
四、可控的加速功能
变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑地加速而且其加速曲线也可以选择(直线加速S形加速或者自动加速)。
而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动,这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗,降低机械部件和电机的寿命。
另外,变频启动还能应用在类似灌装线上以防止瓶子倒翻或损坏。
五、可调的运行速度
运用变频调速能优化工艺过程,并能根据工艺过程迅速改变,还能通过远控PLC或其他控制器来实现速度变化。
六、可调的转矩极限
通过变频调速后能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏,从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。
目前的变频技术使得不仅转矩极限可调甚至转矩的控制精度都能达到35左右。
在工频状态下电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制,而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。
七、受控的停止方式
如同可控的加速一样,在变频调速中,停止方式可以受控并且有不同的停止方式可以选择(减速停车自由停车减速停车直流制动)同样它能减少对机械部件和电机的冲击从而使整个系统更加可靠,寿命也会相应增加。
八、节能
离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗,这在十几年的工程经验中已经得到体现。
由于最终的能耗是与电机的转速成立方比,所以采用变频后投资回报就更快,厂家也乐意接受。
九、可逆运行控制
在变频器控制中要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置,只需要改变输出电压的相序即可,这样就能降低维护成本和节省安装空间。
十、减少机械传动部件
由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出,从而节省齿轮箱等机械传动部件,最终构成直接变频传动系统,从而就能降低成本和空间,提高稳定性。
2.3.4SAMCO-M变频器介绍
SAMCO三垦力达电气有限公司开发的一款高性能多功能静音式通用型变频器。
该变频器是对感应电机进行高速驱动的装置,内置有微处理器,功能齐全,操作简便。
该变频器采用操作面板进行本地运转控制,具有读取警报、通过功能码设定功能参数、串行通讯等功能。
一般适用于钢管生产线等冶金行业领域,应用广泛。
samco-vmo5属于400V系列,型号规格有:
SHF-1.5K~250KSPF-2.2K~315K,SHF额定过载能力:
150%,1分钟;SPF额定过载能力:
120%,1分钟;SHF-75K,SPF-90K以上,重量记载。
安装环境不适宜在高温、低温、湿度较大的场所,也拒绝受到高强振动和冲击的场所,机械产生的火花或粉尘、腐蚀性气体、盐分、水滴、油雾都有可能导致变频器的故障、损坏、老化和引起火灾等事故,故在工矿领域和冶金行业的运用场所受到限制。
该变频器为壁挂型,用IP-20保护结构标准制作而成,安装在控制柜内时一般装上换气扇等通风设备以使变频器的环境温度低于40度,在接线时电源和输入电源端子(R、S、T)之间装上MCCB(断路开关)和MC(电磁接触器)。
输出端子(U、V、W)三相接电机,samco-vmo5通过VVVF(变频变压)控制方式改变对电机的供电输入来控制电机的软启停。
samco-vmo5变频器的控制电路端子说明:
R、S、T为三相电源输入端子,从变压器二次侧三相交流电网引入电能;FA、FB、FC为异常报警信号输出端子以及功能接点输出端子;DI1~DI8为数字信号多功能输入端子,接受电位器传达的正转、反转、多段调速和空转等程序指令;DCM1和DCM2为数字信号共用端子,加24V外部电源配合使用;+V1,+V2,VRF1,IRF/VRF2,ACM端口接设定频率的电位器,+V1,+V2为频率设定的电源端口,VRF1为频率设定端子(0~5V,0~10V或电位器),IRF/VRF2为频率设定端子(4~20MA或0~5V,0~10V或电位器),ACM为模拟信号共用端子;FLASH和JPI为版本升级用端子;TRA和TRB、RXR为RS485电阻端;AOUT1和AOUT2为模拟信号输出端子;DO1、DO2和DO3为多功能输出端子,分别控制:
运转中、频率一致和过负载预报信号往开路集电极传送;接地端口;U、V、W三相交流电输出端子。
2.4光电开关
在科学技术高速发展的
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