開(kāi)關(guān)柜智能操控系統(tǒng)的研發(fā)

李歡

【摘 要】 開(kāi)關(guān)柜智能操控系統(tǒng)是為監(jiān)控開(kāi)關(guān)柜而設(shè)計(jì)的，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行開(kāi)關(guān)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)，開(kāi)發(fā)與其相匹配的智能化操控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二次回路監(jiān)控的效果。本文介紹了開(kāi)關(guān)柜智能操控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，為相關(guān)人員提供了借鑒和參考意義。

【關(guān)鍵詞】 開(kāi)關(guān)柜 智能 操控 研發(fā)

開(kāi)關(guān)柜是一種高壓成套配電設(shè)備，是將有關(guān)一、二次設(shè)備按特定的線路方案組裝而成，在電力系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。智能化控制在開(kāi)關(guān)柜中的應(yīng)用也成為必然的發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)展開(kāi)關(guān)柜智能操控系統(tǒng)的工作有著重要的學(xué)術(shù)意義和明顯的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。開(kāi)關(guān)柜智能操控系統(tǒng)是為監(jiān)控開(kāi)關(guān)柜而設(shè)計(jì)的，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行開(kāi)關(guān)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)，開(kāi)發(fā)與其相匹配的智能化操控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二次回路監(jiān)控的效果。主要內(nèi)容是采集信號(hào)來(lái)源，做出迅速的反饋，及時(shí)的通報(bào)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部操控結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)柜工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)操控。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的方案是根據(jù)開(kāi)關(guān)柜的組成、監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)、溫濕度的采集、故障診斷、通信技術(shù)等方面進(jìn)行仔細(xì)分析的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。系統(tǒng)不僅要達(dá)到對(duì)開(kāi)關(guān)柜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與操控的目的，還要符合開(kāi)關(guān)柜智能化的要求，因此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮實(shí)時(shí)性、可靠性及安全性等方面的要求。在總體設(shè)計(jì)方案中，采用了核心板加外圍模塊組成完整的平臺(tái)，同時(shí)在底層硬件基礎(chǔ)上逐步構(gòu)建系統(tǒng)的軟件框架，引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，不但能滿足目前系統(tǒng)的要求，同時(shí)便于系統(tǒng)的升級(jí)與擴(kuò)展。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)針對(duì)開(kāi)關(guān)柜相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求，以ARM硬件平臺(tái)為核心，配以相應(yīng)的外圍電路模塊，構(gòu)建了一個(gè)開(kāi)關(guān)柜智能操控系統(tǒng)的硬件部分。

（1）開(kāi)關(guān)位置和缺相檢測(cè)通過(guò)光電隔離經(jīng)過(guò)ARM平臺(tái)處理，由LED顯示開(kāi)關(guān)工作位置及缺相故障所在，并通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)來(lái)告知開(kāi)關(guān)柜目前工作情況；

（2）通過(guò)溫濕度傳感器采集開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫濕度，并判斷是否在要求范圍之內(nèi)，如異常則通過(guò)溫濕控制輸出電路對(duì)溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)；

（3）通過(guò)人機(jī)接口電路對(duì)溫濕度上下限進(jìn)行設(shè)置更正，并通過(guò)LCD顯示目前的溫濕度；

（4）設(shè)計(jì)電路的時(shí)候?yàn)榱藴p少各類信號(hào)的相互干擾，采用了光電隔離技術(shù)，很大程度上提高了號(hào)傳遞的準(zhǔn)確性。

2.1 微處理器

微處理器并不是通用的CPU，和通用的CPU有些區(qū)別，以通用計(jì)算機(jī)的CPU為基礎(chǔ)，具有體積小、功耗低、重量輕、成本低等特點(diǎn)?？紤]到本設(shè)計(jì)體積較小，功能比較齊全，為滿足儀器功耗低，安裝方便等特點(diǎn)，硬件系統(tǒng)選擇了NXP半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM的CPU-LPC2214處理器。

2.2 電源及復(fù)位電路

在該系統(tǒng)中，需要提供3路電壓電源，其中，LPC2214內(nèi)核電源為1.8V，LPC2214的I/O口電源電壓為3.3V，其他外圍電路部分器件需5V電源。為確保系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，使用復(fù)位邏輯芯片將控制器初始化為某一確定的狀態(tài)。

2.3 開(kāi)關(guān)量輸入及動(dòng)態(tài)輸出顯示電路

開(kāi)關(guān)量輸入及動(dòng)態(tài)輸出顯示電路主要是在線監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜各設(shè)備功能是否正常運(yùn)行，通過(guò)模擬輸出采用高亮顯示出目前開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行的狀態(tài)"開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)光電禍合，并行接口電路輸入到微機(jī)進(jìn)行保護(hù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要有工作位置、試驗(yàn)位置、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)和儲(chǔ)能等信號(hào)提供給控制系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。由于在采集各種工作狀態(tài)的信號(hào)時(shí)，相互之間會(huì)有多個(gè)干擾，為防止各種信號(hào)的干擾，本系統(tǒng)利用光電禍合器TLP521-4實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)隔離，去掉公共地線的電氣聯(lián)系，隔離效果不錯(cuò)，電路中LPC2214的GPIO口負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)的采集做出相應(yīng)的正確判斷。

為了能夠準(zhǔn)確的及時(shí)的捕捉到目前開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行的狀態(tài)，在系統(tǒng)中加入了動(dòng)態(tài)輸出顯示電路，顯示電路采用高亮LED顯示，一目了然便于觀察。

2.4 溫濕度控制電路

由于開(kāi)關(guān)柜中很多元器件的正常工作對(duì)溫度和濕度是有要求的，溫度過(guò)低元器件不能正常工作或損壞，濕度過(guò)高會(huì)在絕緣表成形成凝露，降低絕緣性能而放電，因此準(zhǔn)確的溫濕度測(cè)量控制可以大大提高開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行的安全性。

采用SHT71溫濕傳感器，每隔一定時(shí)間采集開(kāi)關(guān)柜溫度與濕度信息，當(dāng)溫度和濕度出現(xiàn)異常時(shí)，由報(bào)警模塊進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和除濕降溫系統(tǒng)，使用風(fēng)扇進(jìn)行降溫除濕控制，風(fēng)扇由繼電器控制，人機(jī)交換電路可設(shè)定溫濕度閡值，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)有效監(jiān)控和管理。

2.5 語(yǔ)音提示報(bào)警電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有語(yǔ)音提示報(bào)警功能，能夠通過(guò)聲音來(lái)識(shí)別目前的工作情況，以便更好地掌控操控動(dòng)向。當(dāng)斷路器位于實(shí)驗(yàn)位置與工作位置之間時(shí)，此時(shí)斷路器處于合閘位置時(shí)，有“請(qǐng)分?jǐn)嗦菲鳌钡恼Z(yǔ)音提示；當(dāng)斷路器位于實(shí)驗(yàn)位置與工作位置之間或處于工作位置時(shí)，如果測(cè)到接地刀合閘，有“請(qǐng)分接地開(kāi)關(guān)”的語(yǔ)音提示；當(dāng)柜體主回路送電時(shí)，柜前有人停留，語(yǔ)音提示“本回路帶電”。

2.6 人機(jī)接口電路

本操控系統(tǒng)需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的輸入，主要有溫濕度上，下限的設(shè)置，以及參數(shù)的校準(zhǔn)信息等，因此需要相應(yīng)的信號(hào)輸入電路。

2.7 存儲(chǔ)電路

本操控系統(tǒng)在語(yǔ)音報(bào)警和液晶顯示的時(shí)候需要保存報(bào)警程序和上下限設(shè)置溫濕度數(shù)據(jù)，因此要求這些數(shù)據(jù)在掉電后不能丟失。

2.8 通信電路

在整個(gè)設(shè)計(jì)中，下位機(jī)需要將采集的信號(hào)及時(shí)與PC機(jī)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)交換，考慮到通信距離不遠(yuǎn)，因此采用了RS一232方式進(jìn)行串口通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在μC/OS-II操作系統(tǒng)中，使用任務(wù)創(chuàng)建OSTaskCreate定義了5個(gè)主要任務(wù)，包括開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集任務(wù)、溫濕度控制任務(wù)、液晶顯示任務(wù)、存儲(chǔ)任務(wù)、人機(jī)通信任務(wù)。軟件系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖詳見(jiàn)圖3。endprint

3.1 初始化任務(wù)

在系統(tǒng)復(fù)位，完成μC/OS-II系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)開(kāi)始建立了初始化任務(wù)，初始化任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，用來(lái)進(jìn)一步完成硬件的初始化，然后建立控制任務(wù)，最后將自己刪除。

3.2 開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集控制程序

系統(tǒng)需要對(duì)工作位置、實(shí)驗(yàn)位置、缺相漏電、儲(chǔ)能、斷路器開(kāi)/合進(jìn)行相關(guān)的判斷，從而在主板上相應(yīng)的顯示出來(lái)當(dāng)前的狀態(tài)，進(jìn)行相關(guān)的提示，缺相漏電報(bào)警，這里面就要考慮到很多中斷問(wèn)題。進(jìn)入相應(yīng)的中斷以后，系統(tǒng)立即會(huì)調(diào)用相關(guān)的控制程序及語(yǔ)音處理程序。

3.3 溫濕控制模塊軟件程序

溫濕度的采集有助于了解開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部溫濕度是否正常，以便達(dá)到保護(hù)的作用。如果溫濕度超過(guò)上限溫濕設(shè)定或者低于下限設(shè)定，那么系統(tǒng)立即進(jìn)入除濕降溫處理的程序當(dāng)中，啟動(dòng)加熱器或者風(fēng)扇，同時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警提示。

3.4 液晶顯示程序

人機(jī)交換可以實(shí)現(xiàn)良好的可視化界面操作，通過(guò)鍵盤和LCD，能夠?qū)崟r(shí)的顯示和修改溫濕狀態(tài)參數(shù)，各界面之間通過(guò)按鍵進(jìn)行切換，由于YM128*64擁有一系列操作指令，通過(guò)這些指令可以實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏的控制。

3.5 V++界面設(shè)計(jì)

用戶的主界面由5部分組成，其功能分別如下：

（1）時(shí)間顯示。這要用于顯示當(dāng)前PC機(jī)的時(shí)間，方便用戶準(zhǔn)確把握。

（2）溫濕度采集。實(shí)時(shí)采集開(kāi)關(guān)柜監(jiān)測(cè)的溫濕度情況，了解溫濕度實(shí)時(shí)變化的情況。

（3）高壓帶電顯示。及時(shí)反饋各相是否正常運(yùn)行。

（4）開(kāi)關(guān)量采集。本系統(tǒng)主機(jī)工作中需要監(jiān)測(cè)的開(kāi)關(guān)量很多，不僅要知道其各自的工作狀態(tài)，還需要對(duì)各種狀態(tài)進(jìn)行控制，如：合閘、分閘。

（5）報(bào)警模塊。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜出現(xiàn)異常情況的時(shí)候，需要及時(shí)的反饋給操作人員。

4 結(jié)語(yǔ)

微機(jī)保護(hù)裝置實(shí)時(shí)控制可大大提高保護(hù)性能和可靠性，在實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜保護(hù)的同時(shí)，操控系統(tǒng)實(shí)際上就是一臺(tái)高性能！多功能的計(jì)算機(jī)，在整個(gè)開(kāi)關(guān)柜系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的終端作用。它可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的獲取開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部運(yùn)行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，也可將它所獲得的被保護(hù)元件的任何信息和數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測(cè)人員，而且在無(wú)故障正常運(yùn)行情況下完成多種功能，滿足開(kāi)關(guān)柜保護(hù)系統(tǒng)選擇性！準(zhǔn)確性！可靠性以及實(shí)時(shí)性多任務(wù)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳振生.智能化高壓電器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].電氣開(kāi)關(guān)，2002（1）：28-29.

[2]楊新民，楊雋琳.電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)培訓(xùn)教材[M].北京：中國(guó)電力出版社，2000.

[3]杜宏，邊靜.配電網(wǎng)自動(dòng)化中的通信方案[J].電力設(shè)備.2002，3（2）；38-40.

[4]錢林.最新低壓開(kāi)關(guān)柜外形與主電路方案設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)圖集[M].北京：中國(guó)電力出版社.

[5]黃邵平，趙毅君.智能型高壓開(kāi)關(guān)柜系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，12（2）：8-12.endprint

3.1 初始化任務(wù)

在系統(tǒng)復(fù)位，完成μC/OS-II系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)開(kāi)始建立了初始化任務(wù)，初始化任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，用來(lái)進(jìn)一步完成硬件的初始化，然后建立控制任務(wù)，最后將自己刪除。

3.2 開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集控制程序

系統(tǒng)需要對(duì)工作位置、實(shí)驗(yàn)位置、缺相漏電、儲(chǔ)能、斷路器開(kāi)/合進(jìn)行相關(guān)的判斷，從而在主板上相應(yīng)的顯示出來(lái)當(dāng)前的狀態(tài)，進(jìn)行相關(guān)的提示，缺相漏電報(bào)警，這里面就要考慮到很多中斷問(wèn)題。進(jìn)入相應(yīng)的中斷以后，系統(tǒng)立即會(huì)調(diào)用相關(guān)的控制程序及語(yǔ)音處理程序。

3.3 溫濕控制模塊軟件程序

溫濕度的采集有助于了解開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部溫濕度是否正常，以便達(dá)到保護(hù)的作用。如果溫濕度超過(guò)上限溫濕設(shè)定或者低于下限設(shè)定，那么系統(tǒng)立即進(jìn)入除濕降溫處理的程序當(dāng)中，啟動(dòng)加熱器或者風(fēng)扇，同時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警提示。

3.4 液晶顯示程序

人機(jī)交換可以實(shí)現(xiàn)良好的可視化界面操作，通過(guò)鍵盤和LCD，能夠?qū)崟r(shí)的顯示和修改溫濕狀態(tài)參數(shù)，各界面之間通過(guò)按鍵進(jìn)行切換，由于YM128*64擁有一系列操作指令，通過(guò)這些指令可以實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏的控制。

3.5 V++界面設(shè)計(jì)

用戶的主界面由5部分組成，其功能分別如下：

（1）時(shí)間顯示。這要用于顯示當(dāng)前PC機(jī)的時(shí)間，方便用戶準(zhǔn)確把握。

（2）溫濕度采集。實(shí)時(shí)采集開(kāi)關(guān)柜監(jiān)測(cè)的溫濕度情況，了解溫濕度實(shí)時(shí)變化的情況。

（3）高壓帶電顯示。及時(shí)反饋各相是否正常運(yùn)行。

（4）開(kāi)關(guān)量采集。本系統(tǒng)主機(jī)工作中需要監(jiān)測(cè)的開(kāi)關(guān)量很多，不僅要知道其各自的工作狀態(tài)，還需要對(duì)各種狀態(tài)進(jìn)行控制，如：合閘、分閘。

（5）報(bào)警模塊。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜出現(xiàn)異常情況的時(shí)候，需要及時(shí)的反饋給操作人員。

4 結(jié)語(yǔ)

微機(jī)保護(hù)裝置實(shí)時(shí)控制可大大提高保護(hù)性能和可靠性，在實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜保護(hù)的同時(shí)，操控系統(tǒng)實(shí)際上就是一臺(tái)高性能！多功能的計(jì)算機(jī)，在整個(gè)開(kāi)關(guān)柜系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的終端作用。它可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的獲取開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部運(yùn)行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，也可將它所獲得的被保護(hù)元件的任何信息和數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測(cè)人員，而且在無(wú)故障正常運(yùn)行情況下完成多種功能，滿足開(kāi)關(guān)柜保護(hù)系統(tǒng)選擇性！準(zhǔn)確性！可靠性以及實(shí)時(shí)性多任務(wù)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳振生.智能化高壓電器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].電氣開(kāi)關(guān)，2002（1）：28-29.

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[3]杜宏，邊靜.配電網(wǎng)自動(dòng)化中的通信方案[J].電力設(shè)備.2002，3（2）；38-40.

[4]錢林.最新低壓開(kāi)關(guān)柜外形與主電路方案設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)圖集[M].北京：中國(guó)電力出版社.

[5]黃邵平，趙毅君.智能型高壓開(kāi)關(guān)柜系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，12（2）：8-12.endprint

3.1 初始化任務(wù)

在系統(tǒng)復(fù)位，完成μC/OS-II系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)開(kāi)始建立了初始化任務(wù)，初始化任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，用來(lái)進(jìn)一步完成硬件的初始化，然后建立控制任務(wù)，最后將自己刪除。

3.2 開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集控制程序

系統(tǒng)需要對(duì)工作位置、實(shí)驗(yàn)位置、缺相漏電、儲(chǔ)能、斷路器開(kāi)/合進(jìn)行相關(guān)的判斷，從而在主板上相應(yīng)的顯示出來(lái)當(dāng)前的狀態(tài)，進(jìn)行相關(guān)的提示，缺相漏電報(bào)警，這里面就要考慮到很多中斷問(wèn)題。進(jìn)入相應(yīng)的中斷以后，系統(tǒng)立即會(huì)調(diào)用相關(guān)的控制程序及語(yǔ)音處理程序。

3.3 溫濕控制模塊軟件程序

溫濕度的采集有助于了解開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部溫濕度是否正常，以便達(dá)到保護(hù)的作用。如果溫濕度超過(guò)上限溫濕設(shè)定或者低于下限設(shè)定，那么系統(tǒng)立即進(jìn)入除濕降溫處理的程序當(dāng)中，啟動(dòng)加熱器或者風(fēng)扇，同時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警提示。

3.4 液晶顯示程序

人機(jī)交換可以實(shí)現(xiàn)良好的可視化界面操作，通過(guò)鍵盤和LCD，能夠?qū)崟r(shí)的顯示和修改溫濕狀態(tài)參數(shù)，各界面之間通過(guò)按鍵進(jìn)行切換，由于YM128*64擁有一系列操作指令，通過(guò)這些指令可以實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏的控制。

3.5 V++界面設(shè)計(jì)

用戶的主界面由5部分組成，其功能分別如下：

（1）時(shí)間顯示。這要用于顯示當(dāng)前PC機(jī)的時(shí)間，方便用戶準(zhǔn)確把握。

（2）溫濕度采集。實(shí)時(shí)采集開(kāi)關(guān)柜監(jiān)測(cè)的溫濕度情況，了解溫濕度實(shí)時(shí)變化的情況。

（3）高壓帶電顯示。及時(shí)反饋各相是否正常運(yùn)行。

（4）開(kāi)關(guān)量采集。本系統(tǒng)主機(jī)工作中需要監(jiān)測(cè)的開(kāi)關(guān)量很多，不僅要知道其各自的工作狀態(tài)，還需要對(duì)各種狀態(tài)進(jìn)行控制，如：合閘、分閘。

（5）報(bào)警模塊。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜出現(xiàn)異常情況的時(shí)候，需要及時(shí)的反饋給操作人員。

4 結(jié)語(yǔ)

微機(jī)保護(hù)裝置實(shí)時(shí)控制可大大提高保護(hù)性能和可靠性，在實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜保護(hù)的同時(shí)，操控系統(tǒng)實(shí)際上就是一臺(tái)高性能！多功能的計(jì)算機(jī)，在整個(gè)開(kāi)關(guān)柜系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的終端作用。它可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的獲取開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部運(yùn)行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，也可將它所獲得的被保護(hù)元件的任何信息和數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測(cè)人員，而且在無(wú)故障正常運(yùn)行情況下完成多種功能，滿足開(kāi)關(guān)柜保護(hù)系統(tǒng)選擇性！準(zhǔn)確性！可靠性以及實(shí)時(shí)性多任務(wù)的要求。

參考文獻(xiàn)：

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