摘 要:目前我國礦井提升機(jī)中的主要系統(tǒng),通常選用的是電器控制系統(tǒng),用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)節(jié)速度,并由繼電器和接觸器組成的一種控制裝置。一般的提升機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速電控系統(tǒng)具有很多的缺點(diǎn),例如在控制上不夠簡單、明了;應(yīng)用時(shí)可靠性較差;調(diào)節(jié)速度的效果較低等。鑒于以上種種因素,通過選擇PLC和變頻器并把兩者組合到一起的控制措施,能夠很好的對(duì)原來電控系統(tǒng)進(jìn)行一定的改善,從而增強(qiáng)電控系統(tǒng)的整體效果,并對(duì)其安全性和可靠性,以及控制能力和速度調(diào)節(jié)上做出明顯改善。
關(guān)鍵詞:提升機(jī);電控系統(tǒng);PLC;變頻器
引言
提升機(jī)屬于大型的提升機(jī)械設(shè)備,通常使用較為廣泛的是礦井提升機(jī),它所發(fā)揮的效果是連接地面和井下輸送的樞紐。因?yàn)樗陨碜饔玫年P(guān)系,又被稱作是礦井的“咽喉”,所以必須要確保提升機(jī)在井道內(nèi)的安全性能,避免在井道中突發(fā)意外事故,給工作人員帶來一定的危害,耽誤工作正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)大多都是選用繼電器和接觸器組成的控制系統(tǒng),但是,由于該控制系統(tǒng)有很多不完善的地方,使用性能和維護(hù)性能都比較差,所以導(dǎo)致了其很難跟上現(xiàn)今礦業(yè)發(fā)展的前進(jìn)腳步。綜上所述,這種傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)會(huì)逐漸地消失,而新式的PLC與變頻器控制系統(tǒng)將會(huì)成為新的發(fā)展方向。文章從安全、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)等幾個(gè)方面為主要出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行改革。
據(jù)統(tǒng)計(jì),我國現(xiàn)在所使用的礦井提升機(jī)大多數(shù)是選擇那種傳統(tǒng)的交流電控制系統(tǒng)[1]。該電控系統(tǒng)在起動(dòng)和調(diào)速換擋時(shí)電流的沖擊力過大,屬于有級(jí)調(diào)速,且調(diào)速的平滑性較差,速度低時(shí)機(jī)械特性綿軟,靜差率較大,而且容易發(fā)生機(jī)械故障,節(jié)能效果低。為了改善傳統(tǒng)交流繞線式轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)上的不足[2],通過PLC和變頻器合二為一的控制措施針對(duì)傳統(tǒng)電控系統(tǒng)實(shí)行完善處理,使提升電動(dòng)機(jī)較為廣泛區(qū)域中的無極平滑調(diào)速得到了很好的改善,并且在機(jī)器運(yùn)行時(shí)可以結(jié)合電動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用狀況,來確保電動(dòng)機(jī)一直正常有序的進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),而且這樣的控制系統(tǒng)還非常適用于環(huán)境較為惡劣的工作場地,還具有相當(dāng)優(yōu)良的節(jié)能省電性能。PLC、變頻調(diào)速電控系統(tǒng)的好處還有很多,比如它可以提高生產(chǎn)工作效率;具有較強(qiáng)的調(diào)速功能;減少機(jī)械設(shè)備帶來的沖擊;降低電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的溫度,從而大大避免了電機(jī)運(yùn)行時(shí)因?yàn)闇囟冗^高所造成的機(jī)械故障等問題;系統(tǒng)較為自動(dòng)化,保護(hù)設(shè)施完善,安全性能較高,如此也有效的降低了工作人員的錯(cuò)誤發(fā)生率。因此,選擇PLC與變頻器來增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性能與可控性能,會(huì)使整個(gè)體系變得越發(fā)好用穩(wěn)定??偠灾?,PLC、變頻調(diào)速一定會(huì)是未來提升機(jī)電控系統(tǒng)的總體趨勢。
1 總體設(shè)計(jì)
PLC 控制的大功率礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動(dòng)力裝置、液壓站、變頻器、操作臺(tái)和控制監(jiān)視系統(tǒng)所構(gòu)成的,系統(tǒng)框圖如圖1 所示。
動(dòng)力裝置主要有主電機(jī)、減速器、卷筒、制動(dòng)器和底座,完成人、物、料的運(yùn)輸作業(yè)。使主電機(jī)經(jīng)過減速器時(shí)向卷筒供給牽引所需要的動(dòng)能。
液壓站主要是由液壓泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、油箱、方向閥、節(jié)流閥、溢流閥等元件所構(gòu)成的液壓裝置。根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置液體的流向和壓力向其提供油液,其適用范圍較廣,在驅(qū)動(dòng)裝置和液壓站分離的各類設(shè)備上都能夠使用,將兩者用油管連接起來,液壓系統(tǒng)就可以完成所規(guī)定的動(dòng)作。液壓系統(tǒng)的使用原因是該系統(tǒng)在動(dòng)力輸送時(shí)用途較廣,且工作效率高,整體構(gòu)造簡單、實(shí)用。
變頻器是變換電源頻率的裝置,應(yīng)用最多的是“交-直-交”變頻器,其主要結(jié)構(gòu)可分為四部分:(1)整流單元,其作用是把工作頻率不變的交流電變換成直流電;(2)高容量電容,其作用是保存更換后的電力能源;(3)逆變器,其主要作用是把大功率開關(guān)晶體管排列構(gòu)成電子開關(guān),使直流電轉(zhuǎn)換為其他頻率和幅度可控的方波信號(hào);(4)控制器,其主要作用是根據(jù)所設(shè)的程序運(yùn)行,控制輸出方波的狀態(tài),讓其疊加成與正弦波相似的交流電,并驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。
操作臺(tái):其結(jié)構(gòu)必須要易于操作,由左操作臺(tái)、右操作臺(tái)以及指示臺(tái)共同組成的,左方操作臺(tái)要安裝兩個(gè)啟動(dòng)手柄,用來控制速度輔助給定和制動(dòng)力給定,還要有電源和磁場的送電按鈕,安全復(fù)位按鈕、緊急停止按鈕;燈、閘試驗(yàn)按鈕,快開按鈕等等。右方操作臺(tái)上需要有主令操作手柄;工作、控制方式的選擇開關(guān)以及信號(hào)聯(lián)絡(luò)按鈕等。中間指示臺(tái)需要有運(yùn)行參數(shù)顯示儀表、主要操作信號(hào)以及故障信號(hào)指示燈。操作臺(tái)屬于礦井提升機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分,透過它能夠設(shè)定工作方法以及控制方法,能夠向工作區(qū)域傳達(dá)工作指示和細(xì)致部署,從而達(dá)到對(duì)提升機(jī)的正常運(yùn)作、運(yùn)轉(zhuǎn)速度、結(jié)束以及緊急制動(dòng)等情況進(jìn)行很好的指示和控制。
控制監(jiān)視系統(tǒng):該系統(tǒng)是操作人員和控制系統(tǒng)以及輸送系統(tǒng)三者間的紐帶,它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測提升機(jī)輸送系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)的各類狀況,做到充分且及時(shí)的了解到實(shí)際情況,整個(gè)控制功能和調(diào)速都是由軟件控制,當(dāng)控制參數(shù)確定后,就不可更改,且控制的精準(zhǔn)度高,工作性能穩(wěn)定,一旦出現(xiàn)問題可以很好的對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理。
控制系統(tǒng)工作原理:當(dāng)開車人員接收到開車指令,并啟動(dòng)開始按鈕,這時(shí)所呈現(xiàn)的內(nèi)部狀態(tài)是把380V動(dòng)力電源連接到變頻器。然后可以松開液壓制動(dòng)閥,把主令控制器向正方或者反方推進(jìn),此時(shí)提升機(jī)才開始正式運(yùn)行,司機(jī)可以通過指示燈和顯示儀表確切了解提升機(jī)的具體運(yùn)行情況和運(yùn)行參數(shù)。在提升機(jī)工作時(shí),提升機(jī)運(yùn)行的主速度給定控制為S形曲線,由PLC控制,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換,從模擬量輸出口輸出,以驅(qū)動(dòng)變頻器工作。變頻器的輸出頻率可以以實(shí)際需要進(jìn)行更改,以操作臺(tái)的速度控制手柄給予輔助作用的方式進(jìn)行。旋轉(zhuǎn)編碼器能夠測出電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度,把該信號(hào)輸入到調(diào)速控制計(jì)算機(jī)[3],PLC會(huì)根據(jù)相關(guān)信號(hào)累計(jì)計(jì)算出提升機(jī)的具體速度和運(yùn)行距離,監(jiān)視器會(huì)一直不間斷的觀察提升機(jī)的速度和方位。
2 變頻調(diào)速主電路設(shè)計(jì)和選擇
變頻器可以輸出頻率可調(diào)的交流電源,在變頻器的控制輸入單元中接入頻率設(shè)定電路,該系統(tǒng)中通過PLC輸出電壓信號(hào)(0~12V) 來控制變頻器的頻率。安全回路可以在提升機(jī)發(fā)生故障時(shí)控制提升機(jī)使其進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)。為了更好的保證人員和設(shè)備的安全,通常會(huì)針對(duì)不同的故障采取不同的解決措施。另外在變頻器的外圍安裝聲光報(bào)警輸出口和制動(dòng)單元,使回路有著較好的故障監(jiān)視作用,不管是什么地方出現(xiàn)故障,都能夠準(zhǔn)確的實(shí)施安全制動(dòng)和警報(bào)功能,更有效地對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù),使其在提升機(jī)使用中占據(jù)了較為主要的優(yōu)勢。變頻調(diào)速主控電路如圖2所示。變頻器在選擇時(shí)應(yīng)該多注意其負(fù)載性能,明確提升機(jī)的負(fù)載能力。因?yàn)橛嘘P(guān)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的設(shè)備都存在靜摩擦力,所負(fù)載的慣性力較大,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要充足的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。變頻器具備低頻轉(zhuǎn)矩提升能力和短時(shí)過流能力。通常低速負(fù)載嚴(yán)重時(shí),想提升轉(zhuǎn)矩能力增強(qiáng)電壓,就會(huì)引發(fā)電流保護(hù)措施。在選擇時(shí)一定要格外注意這方面情況,將變頻器的總?cè)萘刻嵘患?jí)進(jìn)行控制。使用矢量控制或是直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器能夠在沒有電流的狀況下產(chǎn)生較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
2.1 變頻器的容量選擇
變頻器的容量的構(gòu)成分別為額定電流、電動(dòng)機(jī)功率以及額定容量三部分。在對(duì)其進(jìn)行選擇時(shí),變頻器的額定電流是反映變頻裝置負(fù)載狀態(tài)的首要部分。負(fù)載電流不可以大于變頻器額定電流是選用變頻器容量的根本。變頻器額定功率一般按交流異步電動(dòng)機(jī)功率一致選取。電動(dòng)機(jī)的容量和級(jí)數(shù)以及它的額定電流都是不一樣的,因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)級(jí)數(shù)的增長,使得其額定電流增大。在選變頻器時(shí)不但要注意其效用和性能以外,還要選擇那種經(jīng)濟(jì)適用的類型,通常不需要預(yù)留出較多的功率余量,當(dāng)變頻器和電動(dòng)機(jī)的功率互相配合時(shí),大大提升了輸出波形的質(zhì)量,改善變頻器的控制程度。
2.2 聲光報(bào)警回路
變頻器報(bào)警輸出是將其常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在接觸器的線圈電路內(nèi),當(dāng)變頻器因故障不能正常工作時(shí),報(bào)警輸出的常閉觸點(diǎn)動(dòng)作,使接觸器線圈失電,將變頻器與電源斷開,進(jìn)行安全保護(hù)。為了保護(hù)報(bào)警輸出的觸點(diǎn),在接觸器的線圈兩端,并聯(lián)阻容吸收電路(即RC震蕩電路)。同時(shí)其常開觸點(diǎn)閉合,將報(bào)警指示燈和電笛接通,進(jìn)行聲光報(bào)警。與此同時(shí),控制繼電器得電,其觸點(diǎn)將聲光報(bào)警電路自鎖,使變頻器斷電后,聲光報(bào)警能持續(xù)下去,直到工作人員按下停止按鈕時(shí)報(bào)警才能解除。
2.3 制動(dòng)控制回路
控制回路大都是控制模擬量的,每當(dāng)控制器收到一個(gè)輸入量時(shí),就需要根據(jù)相關(guān)程序和算法測算出一個(gè)輸出量,如此輸入和輸出就形成了一個(gè)循環(huán),這個(gè)循環(huán)就叫做控制回路。控制回路分開環(huán)和閉環(huán)兩種。開環(huán)控制回路是指輸出的數(shù)據(jù)跟輸入的數(shù)據(jù)沒有太大的關(guān)聯(lián),輸出主要是結(jié)合實(shí)際情況擬定的。閉環(huán)控制回路是指輸出會(huì)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋而決定的,兩者之間是相互聯(lián)系的。閉環(huán)回路控制在應(yīng)用上屬于較為普遍的方式。提升機(jī)負(fù)載的慣性通常是比較大的,如果變頻器的輸出頻率低到0Hz時(shí),就會(huì)出現(xiàn)持續(xù)動(dòng)作的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象被叫做蠕動(dòng)現(xiàn)象,又叫做爬行現(xiàn)象,而在礦山提升機(jī)這樣的大型負(fù)載機(jī)械中,發(fā)生蠕動(dòng)的情況會(huì)帶來非常嚴(yán)重的危害。所以,變頻器調(diào)速時(shí)一定要設(shè)計(jì)出能耗制動(dòng)和直流制動(dòng)的功能。
3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
PLC的核心部分是微處理器,它包含著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及通信技術(shù)共同組成的新型、通用的自動(dòng)控制裝置。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)提升機(jī)的多種作業(yè)形式,可以做到自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、調(diào)驗(yàn)繩等動(dòng)作,而且還便于轉(zhuǎn)換,大大改良了提升時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定的前提條件,在加減速度和等速以及爬行問題上有效的進(jìn)行了改善。
PLC根據(jù)運(yùn)行方式對(duì)變頻器實(shí)現(xiàn)S形速度給定控制,實(shí)現(xiàn)箕斗運(yùn)行速度的準(zhǔn)S形曲線。PLC還完成各種保護(hù)監(jiān)視功能。監(jiān)控內(nèi)容包括: 超速監(jiān)視、過卷監(jiān)視、實(shí)時(shí)速度監(jiān)視、井筒過卷監(jiān)視、變頻器故障監(jiān)視、礦車行程監(jiān)視、過載監(jiān)視、深度指示器監(jiān)視等,上述的監(jiān)視內(nèi)容一旦發(fā)生故障,就會(huì)通過報(bào)警回路報(bào)警或安全回路實(shí)現(xiàn)抱閘停車等保護(hù)措施。
4 PLC 控制程序概述和設(shè)計(jì)
可編程序控制器屬于專業(yè)的數(shù)字運(yùn)算控制裝置,能夠準(zhǔn)確執(zhí)行運(yùn)算、控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)等多種運(yùn)行指令,并用數(shù)字式、模擬式的輸入與輸出來控制設(shè)備系統(tǒng)的生產(chǎn)過程。可編程序控制器和相關(guān)設(shè)備設(shè)施都需要適用于工業(yè)生產(chǎn)情況,要使兩者相互配合成為一個(gè)主體系統(tǒng),在設(shè)計(jì)原則上要使其具備一定的擴(kuò)充作用。
PLC控制主程序完成系統(tǒng)的初始化、自檢、故障診斷、調(diào)速系統(tǒng)控制及安全保護(hù)等一系列工作。當(dāng)系統(tǒng)正式啟動(dòng)時(shí),PLC首先進(jìn)行初始化,并對(duì)高速計(jì)數(shù)單元HSC0和HSC1進(jìn)行下面幾個(gè)操作步驟:寫控制字、定義工作模式、清零、寫設(shè)定值、設(shè)置定時(shí)中斷、連接中斷、啟動(dòng)計(jì)數(shù)[4],然后完成自檢和呈現(xiàn)提升機(jī)初始位置,當(dāng)接收到開車指令時(shí),PLC轉(zhuǎn)入S形速度給定控制,在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,當(dāng)PLC接收到傳感器、接近開關(guān)和變頻器故障等外部控制所傳出的信號(hào)時(shí),PLC控制程序就會(huì)轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的中斷處理程序上,如此來完成超速保護(hù)、過卷、過載、松繩等保護(hù)及提升機(jī)位置、速度監(jiān)控、變頻器故障監(jiān)控等。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)應(yīng)該將其轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的故障處理模塊上進(jìn)行故障清除工作,并且根據(jù)報(bào)警回路報(bào)警和安全回路實(shí)現(xiàn)抱閘停車保護(hù)措施。
5 變頻調(diào)速的發(fā)展以及在提升機(jī)系統(tǒng)中的運(yùn)用
一般的調(diào)速系統(tǒng)中的直流調(diào)速在控制上較為簡單,調(diào)速的精準(zhǔn)度較為準(zhǔn)確,因此使其一直處于主要核心部分,不過這種調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜,而且過流力度不足,適用的場所有限,很難達(dá)到高速度化狀態(tài),如此也就局限了該系統(tǒng)的使用范圍,阻礙了發(fā)展進(jìn)程。而對(duì)于交流調(diào)速來說它的好處和特性都很不錯(cuò),能夠適應(yīng)于各類工作環(huán)境;過流的能力也比一般調(diào)速系統(tǒng)的過流力高;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便簡單;可以長期使用且不容易壞掉;維護(hù)工作也很便利等等?,F(xiàn)今,科學(xué)水平的提升以及電力電子元件的開發(fā)的不斷進(jìn)步,將很多的控制理論知識(shí)不斷融入到交流調(diào)速系統(tǒng)中,讓交流調(diào)速的性能能夠與直流調(diào)速的性能相比較,以不相上下的形式發(fā)展下去,也讓交流調(diào)速的使用規(guī)模與日俱增。近年來隨著電力電子技術(shù)的開發(fā)和DSP微處理器的出現(xiàn),更是給交流調(diào)速系統(tǒng)帶來了很大的提升空間。短短幾十年間交流調(diào)速方式在最初的研究階段到使用階段一直持續(xù)的進(jìn)步著。
交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的發(fā)展總共被分為三個(gè)階段:其一,電壓/頻率恒定控制,該控制方法在低頻時(shí)定子電壓比較低,但是還不能夠無視定子的漏抗壓降,所以就需要手動(dòng)提升電壓,來補(bǔ)充定子壓降的不足,負(fù)載情況的差異使得補(bǔ)充的定子壓降值也是不同的,在控制中具備了各種補(bǔ)充特性,來方便操作人員使用。其二,矢量變換控制,該控制的主要方式是仿照直流電動(dòng)機(jī)控制來實(shí)行交流電動(dòng)機(jī)控制,根據(jù)相關(guān)理論知識(shí)使它們兩者結(jié)合,改變磁場坐標(biāo)和電流,再將固定的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,變成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)后,交流控制就變?yōu)橹绷骺刂?。其三,直接轉(zhuǎn)矩控制,它巧妙地避開了矢量控制中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和復(fù)雜的計(jì)算程序,直接在定子坐標(biāo)上進(jìn)行轉(zhuǎn)矩和磁通的計(jì)算,大大提升了控制性能。
提升機(jī)控制系統(tǒng)主要包括模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)和全數(shù)字變頻技術(shù)。減速時(shí)運(yùn)用低頻發(fā)電制動(dòng)手法,把系統(tǒng)的動(dòng)能反映到電網(wǎng)上,跟以動(dòng)制動(dòng)減速效果相比,不光提高了調(diào)速性能,還讓減速到爬行正常過渡,而且節(jié)能性能相當(dāng)突出。在提升機(jī)控制系統(tǒng)中在靜張力差最高值的范圍內(nèi)可以做到正負(fù)力減速和爬行、驗(yàn)繩等作業(yè)形式,合乎控制需求。
6 結(jié)束語
根據(jù)實(shí)際情況不難看出,PLC與變頻器結(jié)合的礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)有著明顯的社會(huì)利益和經(jīng)濟(jì)利益,可以有效的提高提升機(jī)的工作性能,應(yīng)用上也較為方便,并且還有很高的節(jié)能效果。通過PLC和變頻器結(jié)合的方法,得到了較好的成果。解決了提升機(jī)在速度調(diào)節(jié)上的問題,滿足了節(jié)約能源和配合生產(chǎn)的需求和條件。結(jié)合PLC的實(shí)際功能和較好的人機(jī)界面以及通信能力上,很好地完成了司機(jī)在控制室對(duì)提升機(jī)的控制和參數(shù)的調(diào)節(jié),克服了普通提升機(jī)的工作性能差和精準(zhǔn)度低的不足。還運(yùn)用PLC使控制回路的靈活性大大提高,發(fā)生故障時(shí)可以明確看到,而且便于維修、護(hù)理等諸多好處,有著較深的探索意義。
普通的提升機(jī)電控體系通過PLC和變頻器結(jié)合后,解決了原繼電器系統(tǒng)和接觸器、調(diào)速電阻不足的問題,系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更加安全可靠,且性價(jià)比大大增強(qiáng),所控制的程序還可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)改,在提升控制操作水平上有著較為廣泛的使用前景。變頻器調(diào)速系統(tǒng)在對(duì)提升機(jī)進(jìn)行控制時(shí)更加凸顯了它優(yōu)良的控制能力,簡易的操控過程,高效率的運(yùn)行能力和降低故障發(fā)生的能力等好處,如此在礦業(yè)提升機(jī)發(fā)展應(yīng)用中會(huì)更加突出。通過相關(guān)軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測算,結(jié)果表明該系統(tǒng)有著相當(dāng)優(yōu)異的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)和輸出電壓或電流的大小不受影響的能力,以及在有電磁干擾的情況下,設(shè)備、系統(tǒng)、裝置的性能都不會(huì)出現(xiàn)下降的性能,所以也就非常適用于礦業(yè)發(fā)展的要求。
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