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毕业论文-基于PLC和触摸屏的煤矿泵房控制系统设计

中国矿业大学

本科生毕业设计

姓名: *** 学号:***

学院:**

专业:**

论文题目:基于PLC和触摸屏的煤矿泵房控制系统设计

专题:

指导教师:**职称:**

**年**月徐州

中国矿业大学徐海学院毕业论文任务书

专业年级** 学号***学生姓名***

任务下达日期:***

毕业论文日期:***

毕业论文题目:基于PLC和触摸屏的煤矿泵房控制系统设计

毕业论文专题题目:

毕业论文主要内容和要求:

1.设计一套基于PLC和触摸屏的煤矿泵房自动控制系统,达到高效,安全的控制水泵电机轮流工作的目的,节能高效的目的。

2.掌握PLC及触摸屏硬件选型基础。

3.掌握煤矿水泵工作原理。

4.掌握触摸屏使方法。

指导教师签字:

郑重声明

本人所呈交的毕业论文,是在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本毕业论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕业论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名:日期:

中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书

指导教师评语(①基础理论及基本技能的掌握;②独立解决实际问题的能力;③研究内容的理论依据和技术方法;④取得的主要成果及创新点;⑤工作态度及工作量;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):

成绩:指导教师签字:

年月日

中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书

评阅教师评语(①选题的意义;②基础理论及基本技能的掌握;③综合运用所学知识解决实际问题的能力;④工作量的大小;⑤取得的主要成果及创新点;⑥写作的规范程度;⑦总体评价及建议成绩;⑧存在问题;⑨是否同意答辩等):

成绩:评阅教师签字:

年月日

中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答辩情况

提出问题

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基本

正确

有一

般性

错误

有原

则性

错误

没有

回答

答辩委员会评语及建议成绩:

答辩委员会主任签字:

年月日学院领导小组综合评定成绩:

学院领导小组负责人:

年月日

摘要

在本设计中首先对煤矿井下排水系统进行概述,然后根据排水控制的要求,进行自动控制方面的设计。本系统采用西门子的S7-300系列PLC,有自动、半自动和手动三种操作方式可供选择。为了防止工作水泵及管路磨损过于严重、备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而导致电机和电气设备受潮或有其他故障不能及时发现,本系统采用水泵及管路的“自动轮换”工作制。系统还提出了应用触摸屏以图形、图像、数据、文字等方式,直观、形象、实时的反应系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度等参数。关键词:井下排水;泵站监控;PLC;触摸屏;

ABSTRACT

In the design of the coal mine drainage system first were reviewed in this paper, and then based on the drainage control requirements, the design of automatic control. The system USES the Siemens S7-300 PLC series, have to be automatic, semi-automatic and manual operation of three way to choose from. In order to prevent the work from the pump and pipeline wear too serious, spare pump and its electrical equipment or spare line a long time and lead to the motor and electrical equipment damp or have other fault can not be found that the system USES the water pump and pipeline "automatic rotation" of duty. The system also put forward the application with graphics, image, touch screen data, text and other way, intuitive, image, real-time response system working state and water warehouse water level, motor working current, motor parameters such as temperature.

Keywords: touch screen; PLC; Pump station monitoring; Underground drainage

目录

1 绪论 (1)

1.1研究背景 (1)

1.2井下排水系统存在的主要问题 (2)

1.3排水系统为何要实现自动控制 (2)

1.4我国矿井主排水系统的现状 (3)

1.5本节课题研究的主要内容 (3)

1.6 小结 (4)

2 排水系统主要技术简介 (5)

2.1离心式水泵的工作原理 (5)

2.1.1离心式水泵排水系统组成 (5)

2.1.2射流泵或真空泵的工作原理 (6)

2.1.3离心式水泵的启动和停机过程 (7)

2.2可编程逻辑控制器的概况 (8)

2.2.1可编程逻辑控制器的发展历程 (8)

2.2.2可编程逻辑控制器的结构 (9)

2.2.3可编程逻辑控制器的应用领域和主要特点 (10)

2.2.4 PLC的基本工作原理 (11)

2.3触摸屏简介 (12)

2.3.1 触摸屏的工作原理 (13)

2.3.2 触摸屏的主要特性 (13)

2.3.3 触摸屏的类型 (14)

2.3.4 各类触摸屏介绍 (14)

2.3.5各类触摸屏原理 (19)

2.4 小结 (20)

3 泵房排水系统总体方案设计 (21)

3.1排水系统的功能 (22)

3.1.1排水系统的控制方式 (22)

3.1.2水泵与排水管道的工作过程 (22)

3.1.3水泵的开启与自动关闭 (22)

3.1.4参数的显示 (23)

3.1.5故障检测 (24)

3.2系统结构框图 (25)

3.3排水系统双位逻辑控制方式 (25)

3.4排水系统控制过程 (27)

3.5排水系统监测系统的特点 (29)

3.6 小结 (29)

4 硬件设计 (30)

4.1 PLC种类和硬件选型 (30)

4.1.1 控制系统的输入/输出参数统计 (30)

4.1.2 PLC系统选型 (32)

4.2水位与系统参数检测 (33)

4.3触摸屏选型 (35)

4.4 小结 (36)

5 泵站排水系统的软件设计 (37)

5.1 PLC的软件设计 (37)

5.1.1 操作方式的选择 (37)

5.1.2 水泵及管路的自动轮换工作 (38)

5.1.3 动态监测及保护功能的实现 (40)

5.2 上位机的软件实现 (41)

5.2.1 设计要求 (41)

5.2.2 设计内容 (42)

5.2.3 界面显示 (42)

5.3 上位机与PLC的通信 (46)

5.3.1 PLC部分 (46)

5.3.2 上位机部分 (48)

5.4 小结 (49)

6 总结与展望 (50)

6.1总结 (50)

6.2展望 (51)

参考文献 (51)

英文原文 (53)

中文译文 (62)

致谢 (68)

1 绪论

井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一,担负着井下积水排除的重要任务。然而,目前我国的井下排水系统仍由很多依靠传统的人工操作方式。本章分析这种排水系统的组成及工作过程,指出其存在的问题,为井下主排水系统自动控制的研究提供依据。

1.1研究背景

在煤矿地下开采的过程中,由于地层中含水的涌出,雨水和江河中水的渗透,水砂充填和水力采煤矿井的井下供水,将要有大量的水昼夜不停地汇集于井下。矿井涌水与采区的水文地质及当地的气象条件有关系,涌水量在不同的季节也呈现不同。在一些大水矿井,矿井涌水量可达到每秒17立方米,甚至超过每秒20立方米。另外,煤炭开采过程中,由于地层结构被破坏,岩层断裂,使采区与储水层连通,发生突水事故,涌水量会突然增加。如果不能及时地将这些积水排送到井上,井下的生产就可能受到阻碍,井下的安全就会得不到保障,严重者会造成重大事故。给人民的生命、国家的财产都带来了极大的威胁。因此,井下排水就显得尤为重要。井下排水系统的任务就是把流入井下煤矿巷道中的矿井积水排送至地表。

根据统计,每开采1吨煤就要排出2-7吨矿井水,有时甚至要排出30-40吨矿井水。井下排水设备所配备电机的功率,小的几千瓦到几十千瓦,大的几百千瓦到上千千瓦,在我国煤炭行业中,井下排水用电量占原煤生产总耗电量的18%-41%,一般为20%左右。因此,井下排水设备运转的可靠性(安全运转)与经济性(效率高、电耗量小),具有十分重要的意义。矿井水的成分很复杂,它对水泵和水管的腐蚀性,不仅与游离硫酸的存在有关系,而且也和硫酸镁、硫酸铁和硫酸铝的存在有一定关系。矿井水的物理性质和酸度,可用氢离子浓度(又叫氢离子指数)pH值的大小来表示。由于酸性矿井水对金属具有腐蚀破坏作用,所以井下排水设备的钢铁零件,一旦遇到酸性矿井水时,将会很快遭到破坏。因此,当pH值小于5时,就必须采用耐酸泵等防酸措施。

1.2井下排水系统存在的主要问题

目前,我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人工操作排水系统,以离心式水泵系统为主。这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础,泵站的起停时间判断,完全依赖于工人的经验和已有的操作规程。当水仓水位到达设定的高水位时,工人打开射流泵(或真空泵),为水泵抽真空,同时观测真空表的读数。真空度达到要求后,起动水泵机组,使水泵运转。当水泵出水口压力表读数达到要求时,开起闸阀进行排水,同时关闭抽真空的射流泵(或真空泵)。

停泵过程要进行相反的操作。当水仓积水降至低水位时,先将电动闸阀关死,再停水泵机组。

根据现场涌水量的不同,工人还要判断同时投入几台水泵工作,以便于既能及时排出积水,又能使泵站合理使用,避免过度频繁的起停。其存在的问题有如下几点:

①效率低、可靠性差。这种排水系统的工作流程完全由手工完成,工人按部就班的完成各个执行件的操作。另外,对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验。作业过程比较复杂,要求工人具有很强的责任心,否则可能出现误操作,甚至发生大的事故。

②工人劳动强度大。人工操作无法避免高强度的劳作。尤其是闸阀的操作,劳动量最大。而且,水泵房要时时有人值守,以便在发生异常情况时,及时报警检修。

1.3排水系统为何要实现自动控制

针对上述排水系统存在的问题,本文提出了基于PLC的矿井主排水自动控制系统的设计。自动控制系统的应用,将使得排水系统可靠性增强,整个工作流程通过软件的编程来实现,程序确定后,水泵机组将按给定的程序自动启停水泵、开合阀门,极大的减小工人的劳动强度。PLC将水泵机组的运行状态与参数经过安全生产监测系统传至地面生产调度监控中心主机,管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态,又可根据自动化控制信息,实现井下主排水系统的遥测、遥控。

1.4我国矿井主排水系统的现状

井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程。随着控制理论和现代检测技术的发展,自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定的进步。

传统的继电器控制方法,用人工进行检测(如人工检测水仓水位、淤泥厚度、管道、闸阀及配电设备状况等),这种检测控制方法效率低,工人劳动强度大,且由于井下环境恶劣,导致故障率较高。所以靠人工检测的方法已不适应煤炭发展的需要,取而代之的是自动化排水系统。

随之,一种新颖的矿井排水计算机自动控制系统问世。由于矿井排水系统属于多变量、非线性、时变的复杂系统,特别是在管道和水泵等环节中,各变量之间又存在着交叉,因此矿井排水系统非常适合于采用模糊控制的方法进行动态监测和故障诊断。该系统采用先进的集散式控制方式,建立了多级模块化的结构体系,提出了多参数的模糊综合决策方法。

目前,PLC在国内外工业控制中已获得广泛应用,在矿井排水系统中,采用PLC自动监测排水系统的运行状况,自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵启动的自动切换等,所得到的动态资料准确性高,控制的可靠性高。

1.5本节课题研究的主要内容

对目前我国煤矿井下排水系统的现状,本课题研究开发适合我国煤矿的井下自动排水系统。主要研究内容包括:

1.开发电气控制系统,用PLC控制系统代替传统继电器控制系统。选择可靠的控制器及附属电器元件,适应井下环境,符合矿用设备的安全标准;并充分利用井下条件,使控制简便可行。

2.根据排水控制的要求,进行PLC硬件和软件的设计,以达到地面化轮换工作和“避峰就谷”的目的,使水泵房工作更加高效节能。

3.把超声波液位传感器用于煤泥水水位的测量。

4.在触摸屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况,实时显示水位、流量、压力、温度、等参数,超限报警,故障画面自动弹出,故障点自动闪烁。具有故障记录,历史数据查询等功能。

5.使用电量检测模块对水泵电机的电源输入进行监测,并建立PLC与该模块之间的通信,可以使PLC根据各个水泵电机的电量监测数据判断他们的

运行状态,做到有故障及时发现及时处理。

6.研究PLC控制系统的可靠设计问题。

1.6 小结

井下排水系统自动化程度低是我国煤矿企业普遍面临的问题。随着煤炭行业的发展,对排水系统自动化的要求越来越高,在此背景下,本课题提出了井下排水系统集中控制的研究方案。

2 排水系统主要技术简介

2.1离心式水泵的工作原理

目前各大煤矿井下排水系统普遍采用离心式水泵作为主排水泵,对排水系统的控制主要还是对离心式水泵的控制。离心式水泵不同与其他的水泵,它的启动过程和停机过程都是非常复杂的,有其独特的启动和停机步骤,如果控制程序不是按照步骤进行控制的,水泵就会无法启动和正常工作,严重的话,会缩短水泵的使用寿命,甚至损坏电机和水泵。所以为了很好的对离心式水泵进行控制,有必要了解它的工作原理和控制方法。

2.1.1离心式水泵排水系统组成

离心式水泵排水系统主要由离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成。

1.滤水器和底阀

滤水器安装在吸水管的下端,插入吸水下面,不得低于0.5m。其作用是防止井底沉积的煤泥和杂物吸入泵内,导致水泵被堵塞或被磨损。在滤水器内装有舌型底阀,其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水,以及停泵后的存水不导致漏掉。但是现在的排水系统中,为了提高排水效率,减少水泵腐蚀,一般不用底阀,而用射流泵或真空泵为水泵和吸水管注水。

本系统采用无底阀排水。

2.闸阀

调节闸阀安装在靠近水泵排水管上方的排水管路上,位于逆止阀的下方。其功用为:

1)调节水泵的流量和扬程。

2)起动时将它完全关闭,以降低起动电流。

调节闸阀的优点是流动阻力和关闭压力较小,安装时无方向性,能够方便地调节水泵的流量和扬程等。其缺点是密封面容易擦伤,检修较为困难,高度尺寸较大,在安装位置受到限制时,安装不便,结构较复杂,价格较高。

3.逆止阀

逆止阀安装在调节闸阀的上方,起作用是当水泵突然停止运转时,或者在未关闭调节闸阀的情况下停泵时,能自动关闭,切断水流,使水泵不导致受到水力冲击而遭到损坏。

4.压力表

压力表安装在水泵的排水接管上,为检测吸水管的真空管用。常用的压力表为普通弹簧管压力表,根据其结构特征可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径有60mm,100mm,150mm,200mm,和250mm五种。压力表所测出来的压力叫做表压力或相对压力,它比绝对压力小1个大气压。

5.真空表

真空表安装在水泵的吸水接管上,为检测吸水管的真空度用。根据其结构特征可分为径向无边、径向带边和轴向带边三种。表壳的公称直径和压力表一样,也分为60mm,100mm,150mm,200mm,和250mm五种。真空表的测量范围为0--0.1MPa(一个大气压)。

6.引水装置

离心式水泵在起动前必须将吸水管和泵腔内注满水才能进入运行状态,否则水泵转动时将无法吸水,形成“干烧”,严重影响水泵的使用寿命。在无底阀的排水系统中,水泵每次起动都要灌水,这一个工作由抽真空设备完成,一般使用射流泵或真空泵。它们的工作原理不同,但都能在系统中使水泵工作腔达到一定的真空度,保证系统正常工作。

本系统采用射流泵为排水泵注水,并用球阀作为射流泵的控制阀门。

2.1.2射流泵和真空泵的工作原理

水泵房排水设备一般安置在水井液面以上,所以水泵启动前的灌水一般采用吸入式。为了减少井水吸入阻力,提高泵站运行效率,吸水管不宜设置底阀。无底阀吸入式灌水,要采用专业的引水设备,对水泵排水腔和吸水管路进行抽真空,使水泵运行前充满水。饮水设备一般为真空泵或射流泵。真空泵运行效率高,水泵启动快,但需要提供专门的驱动设备。射流泵结构简单,操作方便,根据矿井的地下环境和条件,射流泵的应用更为普遍。

1.射流泵排水原理

射流泵结构包括;喷嘴、吸入室、混合管、扩散管。射流泵的工作原理是水射流时候的“虹吸现象”。如图2-1,高压水以流量Q1由喷嘴高速射出时,连续挟走了吸入室内的空气,在吸入内造成不同程度的真空,被抽升的液体在大气压力作用下,以流量Q2由管3进入吸入室内,两股液体(Q1+Q2)在混

合管4中进行能量的传递和交换,使流速、压力趋于拉平,然后,经扩散管5使部分动能转化为压力能后,以一定的流速由管道6输送出去。

1.进水管;

2.喷嘴;

3.吸水管;

4.混合管;

5.扩散管;

6.压出管

图2-1射流泵系统结构图

射流泵工作时要有高压水源,使喷嘴处产生高速水流,通过哄吸收入室产生真空,将低处的水吸入水泵内,再启动水泵。射流泵应该连接于水泵的最高处。在开启射流泵前,要把水泵排水管上的闸阀关闭。射流泵具有结构简单、占地少、安装容易、工作可靠、维护方便等优点,是一种常用的饮水设备,适合井下排水设备使用。

2.真空泵排水原理

水泵启动前,开动真空泵抽出水泵吸水管和泵体内的空气,由于泵体上口和吸水管下端均已经被水密封,因此,泵体和水泵吸水管内的空气越来越稀薄,形成负压,吸水井中的水在大气压的作用下,随着负压的升高逐渐进入到水泵吸水管和泵体内,直到充满水泵吸水管和泵体,这时关闭真空泵,开动水泵即可排水。

利用射流泵实现无底阀排水时,如果没有其他水源,每一台泵房至少要留一台水泵有底阀排水,以防管中压力水漏光不能启动。射流泵也可以用压缩空气作为动力,射流泵所造成的真空与压力水或压缩空气的压力有关。

2.1.3离心式水泵的启动和停机过程

1.启动过程

当水位传感器在线检测到水位的高度, PLC接受到这个水位的高度并预先设定的需要排水的高度进行对比,判断是否需要开启排水设备来控制水仓

水位在允许的范围内。当水位达到或者高于预定设定的高度时,PLC接通射流泵的电磁阀的线圈,使其开启从而为离心式水泵进行注水。在射流泵的作用下,水泵入口处的真空度会增加,配水井中的水会在大气压的作用注入离心泵的腔体直至注满。这是水泵入口处的真空度会增加到一定的数值而不会再增加。这时,PLC会接受安装在水泵入口处的真空传感器反馈的信号,来决定是否允许接通水泵机组中的电动机出点来启动水泵。

当真空度的数值达到预先设定的值,PLC通过继电器和接触器接通水泵电动机的常开触点使其运行。在电动机启动的过程中,水泵的出口处的压力会逐渐增加。最后会达到某一数值而不再增加。

水泵出口压力通过压力传感器和变送器反馈给PLC。PLC将这个反馈回来的数值(电流信号)与预先设定好的压力值进行比较,当满足条件时,为水泵开启其出口处的的电动机闸阀使得这个水泵组进行排水。同时,关闭射流泵,停止为其引水。

水泵运行过程中,PLC装置监控水泵机组的各个参数,如:水泵入口真空度值,出口压力值,机组电动机电流,流量计测量的管路流量等参数数值,及其变化过程是否符合要求。

2 停机过程

当水位在水泵的作用下逐渐下降,直到达到需要关闭水泵的水平,这时要关闭排水电闸阀,随后关闭水泵电机,使其停止工作。

2.2可编程逻辑控制器的概况

作为通用工业计算机,30年来,可编程控制器从无到有,实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃,其功能从弱到强,实现了逻辑控制到数字控制的进步;其应用领域从小到大,实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备,在世界各地发挥着越来越大的作用。在自动化控制领域,PLC是一种重要的控制设备。目前,世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品,应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等行业。

2.2.1可编程逻辑控制器的发展历程

在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序

动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求,第二年,美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置,首次采用程序化的手段应用于电气控制,这就是第一代可编程序控制器,称Programmable Controller(PC)。个人计算机(简称PC)发展起来后,为了方便,也为了反映可编程控制器的功能特点,可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC),现在,仍常常将PLC简称PC。

PLC的定义有许多种。国际电工委员会(IEC)对PLC的定义是:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。

上世纪80年代至90年代中期,是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持为30~40%。在这时期,PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,PLC逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。

2.2.2可编程逻辑控制器的结构

从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。

中央处理单元(cpu )编程器

系统程序存储器用户程序存储器输

路输出电路

图2-2 PLC 模块图

2.2.3可编程逻辑控制器的应用领域和主要特点

1.可编程逻辑控制器的应用领域

PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、

汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,使用情况主要分为以

下几类:

1)开关量逻辑控制

取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备

的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、

组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2)工业过程控制

在工业生产过程当中,存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连

续变化的量(即模拟量),PLC 采用相应的A/D 和D/A 转换模块及各种各样的

控制算法程序来处理模拟量,完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中

用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制场合

有非常广泛的应用。

3)运动控制

PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模

块,如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块,广泛用于各

种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4)数据处理

PLC 具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数

据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。

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