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    一種門式起重機監(jiān)控管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

    2016-09-07 08:56:12陸中杰郭勝軍
    關鍵詞:控件起重機報警

    陸中杰, 郭勝軍

    (中海網(wǎng)絡科技股份有限公司,上海 200135)

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    一種門式起重機監(jiān)控管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

    陸中杰,郭勝軍

    (中海網(wǎng)絡科技股份有限公司,上海 200135)

    為提高大型起重機械的安全管理水平,預防和減少起重機械重大事故發(fā)生,以S7-300系列可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)為基礎進行數(shù)據(jù)采集,應用視窗控制中心(Windows Control Center, WinCC)組態(tài)軟件、VB、JAVA EE框架和關系數(shù)據(jù)庫的軟件技術設計和實現(xiàn)起重機監(jiān)控管理系統(tǒng)(Crane Management System, CMS)。該系統(tǒng)不僅對提高港口大型起重機的安全管理水平、預防和減少起重機重特大事故發(fā)生具有重要意義,也為起重機管理信息化打下了基礎。

    PLC; WinCC; 數(shù)據(jù)庫; JAVA EE; VB

    0 引 言

    門式起重機屬于大型起重機械的一種,具有場地利用率高、作業(yè)范圍大、適用面廣及通用性強等特點,在港口貨場得到了廣泛使用,主要用于料場貨、港口散貨等貨物的裝卸[1]。其金屬結構像門形框架;承載主梁下安裝有2條支腳,可直接在地面的軌道上行走;主梁兩端具有外伸懸臂梁。由于大型起重機械的安全生產(chǎn)形勢較為嚴峻,國家特種設備安全部門等相關機構聯(lián)合制定了《大型起重機械安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實施方案》,要求推動大型起重機械監(jiān)控管理系統(tǒng)的使用工作,以提高大型起重機械的安全性能,進而預防和減少起重機械重特大事故的發(fā)生。[2]

    起重機監(jiān)控管理系統(tǒng)(Crane Management System, CMS)是一個綜合性系統(tǒng),融合了自動化、計算機、信息化、通信和檢測等多個領域的技術,具有集設備工作狀態(tài)監(jiān)視、設備維護和保養(yǎng)、故障檢測和預防、運營和管理等功能于一體的管理平臺。[3]這里就起重機監(jiān)控管理系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)進行敘述。

    1 系統(tǒng)設計

    起重機監(jiān)控管理系統(tǒng)以可編程邏輯控制器(Programmable Loic Controller, PLC)為基礎進行數(shù)據(jù)采集,以服務器為數(shù)據(jù)管理中心進行數(shù)據(jù)管理,以視窗控制中心(Windows Control Center, WinCC)和WEB頁面為前端界面進行信息展示和交互,對起重機運行過程中的數(shù)據(jù)進行挖掘、處理和存儲,進而實現(xiàn)對起重機的全面監(jiān)控和管理。

    1.1硬件架構

    起重機監(jiān)控管理系統(tǒng)架構見圖1,其由本地LCMS系統(tǒng)和遠程RCMS系統(tǒng)兩部分構成,二者之間通過無線局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換。

    1) 本地LCMS系統(tǒng)由信號采集PLC、LCMS客戶端、視頻系統(tǒng)、交換機及無線AP組成。LCMS中的信號采集PLC用于采集起重機的數(shù)據(jù)和信號;攝像機、編碼器和硬盤錄像機用于采集、存儲及傳輸視頻數(shù)據(jù);LCMS客戶端用于監(jiān)控起重機的過程數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù),并通過無線局域網(wǎng)與RCMS通信。

    2) RCMS系統(tǒng)由RCMS客戶端、WEB/數(shù)據(jù)庫服務器、交換機及無線AP組成。RCMS客戶端用于管理各個LCMS客戶端的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)存儲在本地服務器,數(shù)據(jù)主要通過與LCMS端的數(shù)據(jù)庫進行同步來獲得;此外,服務器還提供WEB服務。

    1.2軟件架構

    從軟件的邏輯架構看,系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)訪問層、數(shù)據(jù)通信層、業(yè)務邏輯層和應用層,其中:數(shù)據(jù)存儲層用于對數(shù)據(jù)庫進行CRUD(Create, Retrieve, Update, Delete)操作;數(shù)據(jù)訪問層封裝了數(shù)據(jù)存儲層的具體實現(xiàn),為業(yè)務邏輯層訪問數(shù)據(jù)存儲層提供訪問接口;數(shù)據(jù)通信層通過WinCC的通信組件與PLC進行數(shù)據(jù)交換;業(yè)務邏輯層封裝了CMS系統(tǒng)的各個功能模塊,包含軌跡錄制、軌跡回放、視頻監(jiān)控、報警管理和設備管理;應用層包含了WEB應用組件。系統(tǒng)邏輯架構見圖2。

    圖1 系統(tǒng)結構

    圖2 系統(tǒng)邏輯架構

    1.3系統(tǒng)特點

    系統(tǒng)以西門子WinCC組態(tài)系統(tǒng)軟件為主框架,結合ActiveX數(shù)據(jù)對象(ActiveX Data Objects, ADO)和VB控件進行開發(fā),具備數(shù)據(jù)和狀態(tài)實時監(jiān)控、歷史信息查詢、設備管理及報警管理等功能;其LCMS系統(tǒng)與RCMS系統(tǒng)間的故障和業(yè)務等信息具備實時一致性;同時,系統(tǒng)提供WEB服務,intranet用戶可通過瀏覽器查詢起重機的相關數(shù)據(jù)及其運行狀態(tài)。[4-5]

    2 關鍵技術研究

    2.1運動軌跡記錄與回放

    當起重機出現(xiàn)故障或發(fā)生事故時,發(fā)生時間點前后的相關數(shù)據(jù)(如起重機的位置、速度和載重,電機的轉速、電流等)能為故障或事故發(fā)生原因分析提供很大幫助。

    通常軌跡記錄可使用定時可視化Basic腳本(Visual Basic Script, VBS)將需要記錄的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫,但是數(shù)據(jù)記錄的頻率高、數(shù)量大,同時VBS的執(zhí)行效率低,若長期頻繁地進行大規(guī)模的記錄插入操作,會導致軟件運行緩慢,影響系統(tǒng)響應速度。而WinCC本身具有變量記錄功能,其方式也是將數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫內。相比前一種數(shù)據(jù)錄制方案,其性能更優(yōu),能以高頻率(10 ms級別)記錄大量變量而不影響軟件的整體性能。需注意,WinCC在寫入數(shù)據(jù)庫時對數(shù)據(jù)進行了壓縮,讀取時需用特別的方式進行還原。

    軌跡回放時,先將選定時間長度的所有數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中讀取到對應的內存數(shù)組中,隨后在回放時按系統(tǒng)采集頻率遍歷數(shù)組的數(shù)據(jù)。

    2.2WinCC平臺視頻監(jiān)控

    通過硬盤錄像機和攝像機可簡單地實現(xiàn)視頻監(jiān)控功能,并能在硬盤錄像機上查看圖像畫面。然而,系統(tǒng)為體現(xiàn)其整體性、提高集成度、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理,考慮將視頻監(jiān)控功能嵌入到WinCC中,充分縮減上位機操作軟件的類型和數(shù)量,提高系統(tǒng)的操作體驗。

    由于WinCC屬于二次開發(fā)平臺,而硬盤錄像機提供的開發(fā)包是基于一次開發(fā)平臺的,因此不能直接在WinCC中針對硬盤錄像機進行編程開發(fā)。通常視頻編碼器提供SDK ActiveX控件,而WinNCC可嵌入VB控件,因此將視頻編碼器作為WinCC的視頻數(shù)據(jù)源。視頻信號經(jīng)過視頻編碼器編碼后輸出到WinCC,通過對VB開發(fā)控件編程可實現(xiàn)在WinCC中視頻監(jiān)控的功能。

    2.3RCMS與PLC通信

    RMCS主要用于集中管理碼頭的所有起重機。與LCMS側重于起重機的實時監(jiān)控不同,RCMS側重于起重機的數(shù)據(jù)管理,提供起重機歷史數(shù)據(jù)的查詢、分析和報表等功能。因此,選用VB進行開發(fā)比選用WinCC更為合適。但是,RCMS也應具有部分實時數(shù)據(jù)監(jiān)控功能作為輔助,因此必須與PLC通信來獲取數(shù)據(jù)。這里以西門子PLC為例,采用以太網(wǎng)連接方式,備選有以下3種通信方式。

    1) MODBUS/TCP協(xié)議方式。需將PLC作為從站進行編程,調用標準MODBUS通信功能塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù);將VB作為主站,使用WINSOCKET 控件對MODBUS協(xié)議進行編程發(fā)送。采用該方式的優(yōu)點是TCP協(xié)議與MODBUS協(xié)議的標準性和開放性,缺點是當需要改變監(jiān)控數(shù)據(jù)時必須修改PLC程序。

    2) OPC(OLE for Process Control)方式。需在RCMS端組態(tài)和配置OPC SERVER,同時在PLC中配置好S7連接通道。在VB環(huán)境中引用Simens OPC Daautomation 2.0后即可用西門子OPC SERVER的接口函數(shù),對連接服務器、添加OPC組對象、添加數(shù)據(jù)項及同步數(shù)據(jù)讀寫進行編程。采用該方式的優(yōu)點是在修改通信內容時不必改動PLC,直接修改OPC SERVER的配置即可;此外,OPC作為一個標準,使得RCMS端可連接不同廠商的PLC。采用該方式的缺點是數(shù)據(jù)需經(jīng)過OPC SERVER中轉,通信延遲較高,數(shù)據(jù)刷新速度較低。

    3) S7CONNECTION方式。使用S7協(xié)議可很容易地讀寫出各PLC內的I,Q,M,DB等區(qū)域的數(shù)值。由于S7協(xié)議是保密的,無法直接編程,因此PLC廠家專門開發(fā)了封裝S7通信協(xié)議的組件PRODAVE,提供了豐富的操作接口函數(shù)。采用該方式的優(yōu)點是可以快速訪問PLC內任意存儲器的數(shù)據(jù),且改變通信數(shù)據(jù)時無需改動PLC的配置和程序。采用該方式的缺點是其不支持并發(fā)連接,當前激活的連接只有1個時,必須將其關閉后才能切換到其他連接。

    這里采用的是使用PRODAVE進行S7通信的方式。對比MODBUS/TCP方式,該方式無需修改PLC端程序;對比OPC方式,OPC服務器占用RCMS端資源多、通信延遲高、故障恢復周期長。對于其他品牌的PLC,既可選擇使用MODBUS/TCP和OPC等標準方式進行通信,也可針對PLC專用協(xié)議進行編程實現(xiàn)。

    3 系統(tǒng)實現(xiàn)

    3.1PLC數(shù)據(jù)采集

    起重機械的控制系統(tǒng)本身具有主控PLC,包含了大部分監(jiān)控系統(tǒng)中需要采集的數(shù)據(jù),可直接使用。但是,為將起重機控制系統(tǒng)本身與CMS管理系統(tǒng)區(qū)分開,同時又不破壞原起重機的PLC程序,需在LCMS中采用一套獨立的PLC來采集數(shù)據(jù)。LCMS的PLC可通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線協(xié)議或MODBUS-RTU協(xié)議與起重機本地PLC通信來讀取需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)。此外,PLC中還配置了開關量信號、4~20 mA電流信號、0~10 V直流電壓信號和熱電阻信號的處理模塊,連接安裝在起重機上用來進行安全監(jiān)測的傳感器以采集數(shù)據(jù)。

    LCMS的PLC控制器一方面會將采集到的各種信號經(jīng)處理后傳輸?shù)絎inCC的監(jiān)控畫面上顯示,另一方面會判斷當前的狀態(tài)是否會觸發(fā)系統(tǒng)報警。在控制器中,根據(jù)不同的報警設置了不同的報警觸發(fā)位,一旦該位被置位,WinCC的報警系統(tǒng)就會給出報警提示。

    3.2接口模塊

    接口模塊是一種為WinCC和底層數(shù)據(jù)庫提供服務的中間件,其封裝了對數(shù)據(jù)庫的CRUD操作及一些業(yè)務邏輯,為WinCC訪問底層數(shù)據(jù)庫提供了統(tǒng)一的接口。接口模塊的開發(fā)環(huán)境是基于Visual Basic 6.0設置的[6]。

    3.2.1模塊的結構

    模塊的主體是類模塊,包含報警、回放和數(shù)據(jù)管理等3個模塊,用于存放一些共享屬性和方法,供類模塊中的方法調用。數(shù)據(jù)庫的訪問則使用了微軟的ADO應用接口。

    3.2.2模塊中主要包含的函數(shù)

    模塊中主要包含以下函數(shù)。

    (1) Private Sub Class_Initialize():類模塊初始化,設置模塊必須的參數(shù)。

    (2) Private Sub Class_Terminate():類模塊銷毀時,釋放所占用的資源。

    (3) Public Sub OpenSQLServer():打開數(shù)據(jù)庫連接。

    (4) Public Sub CloseSQLServer():關閉數(shù)據(jù)庫連接。

    (5) Public Sub DBExecuteSQL(SQLStr As String):執(zhí)行字符串語句SQL命令;參數(shù)SQLStr為字符串類型。

    (6) Public Function DBGetRecordset(SQLStr As String) As ADODB.Recordset:查找字符串指定的數(shù)據(jù)庫記錄,返回記錄集對象;參數(shù)SQLStr為字符串類型SQL語句。

    (7) Public Function CMSGetAlarmHistory(AlarmD As String, AlarmT As String, QType As Integer) As ADODB.Recordset:查找符合條件的歷史報警記錄,返回記錄集對象;參數(shù)AlarmD為日期字符串。

    (8) Public Sub CMSAlarmProcessList(ByVal TagIDM As String):查詢當前的報警記錄。

    (9) Public Sub CMSStartPlaying(ByVal SPointer As Integer):運動軌跡回放。

    3.2.3模塊的使用

    在開發(fā)環(huán)境中將接口模塊編譯成可執(zhí)行文件并運行。在WinCC的VBS腳本編輯器中調用CreateObject方法創(chuàng)建接口模塊的對象實例,并通過對象實例調用類的方法實現(xiàn)業(yè)務邏輯。

    3.3監(jiān)控功能設計

    LCMS端主要用于實時監(jiān)控,其軟件采用西門子WinCC開發(fā),根據(jù)功能分為起重機狀態(tài)實時監(jiān)控、起重機運動軌跡回放、報警管理和視頻監(jiān)控等界面。

    3.3.1起重機狀態(tài)實時監(jiān)控

    起重機需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)量通常較大,將其全部顯示在同一個界面上顯然不太合適。因此,將狀態(tài)實時監(jiān)控界面分為總體監(jiān)控界面和分部監(jiān)控界面兩部分,其中:總體監(jiān)控界面中只顯示起重機最重要的數(shù)據(jù);分部監(jiān)控界面則根據(jù)起重機的特性,按照功能結構設計有大車監(jiān)控、小車監(jiān)控、起升監(jiān)控和鉤移監(jiān)控界面,所有監(jiān)控的信號和數(shù)據(jù)都會在這些界面上顯示出來。

    LCMS中的PLC負責采集起重機上所有需要監(jiān)控的信號和數(shù)據(jù),是起重機狀態(tài)實時監(jiān)控的數(shù)據(jù)源。為將PLC采集到的數(shù)據(jù)顯示在界面上,必須在WinCC內建立通信變量,變量地址與PLC的內部地址對應。由于起重機會同時包含多個相同的部件,因此若需要創(chuàng)建的變量相同,則可以利用結構變量簡化工作量。此外,為保證數(shù)據(jù)的實時性,選用工業(yè)以太網(wǎng)作為傳輸介質。

    3.3.2起重機運動軌跡回放

    運動軌跡回放是指將人工選定時間段內的起重機狀態(tài)信號和數(shù)據(jù)動態(tài)地還原出來。這些數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)庫,當系統(tǒng)運行時起重機狀態(tài)數(shù)據(jù)會以較高的頻率存入數(shù)據(jù)庫。運動軌跡回放界面的功能主要包含獲取數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)和回放數(shù)據(jù)等3部分。

    (1) 獲取數(shù)據(jù):以起始時間和結束時間為條件查詢狀態(tài)數(shù)據(jù),將得到的記錄集通過數(shù)據(jù)表格控件在界面上顯示出來,每一行數(shù)據(jù)代表某一個時刻所有記錄點的數(shù)據(jù)集合。

    (2) 保存數(shù)據(jù):創(chuàng)建EXCEL對象,將之前顯示在表格控件中的數(shù)據(jù)按行依次寫入EXCEL對象的表單中,最后保存為EXCEL文件。每執(zhí)行一次軌跡回放,都將分別在本地和RCMS端生成一個數(shù)據(jù)文件。

    (3) 回放數(shù)據(jù):從生成的數(shù)據(jù)文件列表中選取一個數(shù)據(jù)文檔,讀取文檔中的起始時間、結束時間、記錄數(shù)目和每天記錄的具體數(shù)值,將其存放到一個2維數(shù)組中(其中:列表示每個不同的數(shù)據(jù)點對應到相應的變量;行表示不同的時間點)?;胤艜r,根據(jù)采集的頻率將2維數(shù)組中的數(shù)據(jù)按行寫入對應的變量。界面上,通過將圖像的幾何屬性鏈接到變量實現(xiàn)動畫效果,圖像的幾何屬性隨著變量數(shù)值的變化而變化,能夠還原所選時間段內起重機運行的軌跡;同時,對于一些數(shù)值型的屬性(如電流),使用圖表控件顯示其波形。

    3.3.3報警管理

    報警列表分為當前報警列表和歷史報警列表,其中:當前報警列表只顯示當前存在的報警信息;歷史報警列表包含之前所有發(fā)生過的報警信息。當前報警列表的刷新由事件觸發(fā),當PLC報警信號出現(xiàn)時,系統(tǒng)將報警相關信息記錄到當前報警和歷史報警的數(shù)據(jù)表中;當PLC報警信號消失時,當前報警數(shù)據(jù)表中對應的記錄將被刪除,同時更新歷史報警數(shù)據(jù)表中對應記錄的狀態(tài)。

    RCMS端的數(shù)據(jù)庫將會同步本地的當前報警和歷史報警記錄。當本地更新當前報警和歷史報警時,將會把記錄同步到RCMS端。

    3.3.4視頻監(jiān)控

    以MOXA視頻編碼器為例,通過其提供的SDK ActiveX控件[8]可將視頻監(jiān)控畫面嵌入到WinCC中。畫面打開時必須初始化控件的以下屬性。

    (1) HttpPort:Http的端口,通常是80。

    (2) VideoProtocol:設置連接協(xié)議,可以是UDP/TCP/HTTP/Multicast。

    (3) CHIndex:選擇顯示的視頻通道。

    (4) StreamingType:設置編碼類型,可以是MPEG4/MJPEG/H.264。

    (5) ServerIP:編碼器的IP地址。

    此外,開發(fā)時需要用到的方法主要有以下幾種。

    (1) Connect:連接到編碼器。

    (2) Disconnect:斷開編碼器連接。

    (3) SendCameraCommand:發(fā)送控制命令給攝像機,支持左移、右移、上移、下移、放大及縮小等指令。

    3.4管理功能設計

    RCMS端主要用于起重機群的管理,包含報警管理、運動軌跡回放管理、起重機運行維護管理、起重機實時監(jiān)控等功能,側重于數(shù)據(jù)的查詢和報表。管理功能的數(shù)據(jù)源存儲在本地數(shù)據(jù)庫中,其中:報警和運動軌跡的數(shù)據(jù)由所有LCMS的數(shù)據(jù)庫通過事件觸發(fā)同步;運行維護的數(shù)據(jù)需要本地輸入。

    以西門子PLC為例,運用PRODAVE提供的接口進行編程,實現(xiàn)RCMS與PLC的數(shù)據(jù)通信[9]。PRODAVE主要提供以下API。

    (1) LoadConnection_ex6 :用于建立連接,初始化參數(shù)和適配器。

    (2) UnloadConnection_ex6:關閉連接,必須在退出應用前調用。

    (3) db_read_ex6:讀取背景數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)。

    (4) db_write_ex6:向背景數(shù)據(jù)塊中寫入數(shù)據(jù)。

    (5) field_read_ex6:讀取I,Q,M等區(qū)域中的數(shù)據(jù)。

    (6) field_write_ex6:向I,Q,M等區(qū)域中寫入數(shù)據(jù)。

    3.5WEB 應用

    服務器為接入到本系統(tǒng)的intranet用戶提供WEB應用,主要功能是在線數(shù)據(jù)查詢、分析和報表。

    WEB應用的架構屬于輕量級JAVA EE,采用MVC架構模式使表現(xiàn)層、業(yè)務邏輯層和實體之間的代碼分離[10]。其基于STRUTS2和HIBERNATE框架,前者是較為成熟的MVC框架,核心是采用攔截器來處理請求;后者是著名的ORM框架,可使用對象編程思維來操縱數(shù)據(jù)庫[11-13]。在請求方式上,運用AJAX使頁面能夠實時響應請求,具體采用JQUERY+JSON實現(xiàn)。JQUERY是AJAX的一個框架,其實際上是一個輕量級的JavaScript庫。要實現(xiàn)異步請求就需要使用JQUERY中的.ajax()函數(shù),該函數(shù)將請求通過GET或POST方式發(fā)送至服務器,STRUTS2的攔截器攔截到ACTION后執(zhí)行相應的SERVICE,SERV-ICE通過DAO層對數(shù)據(jù)庫進行讀寫。當請求成功后,$.ajax()會回調一個包含STRUTS2返回數(shù)據(jù)的函

    數(shù),可以把返回數(shù)據(jù)顯示在頁面上。JSON是一種”KEY/VALUE”形式的數(shù)據(jù)格式,其優(yōu)點是相比XML更小、更快、更容易解析。須注意,在STRUTS2中只有引入JSON的插件包才能使STRUTS2支持JSON。

    4 結 語

    將ADO,SQL及控件等技術應用到WinCC的平臺上開發(fā)了起重機監(jiān)控管理系統(tǒng),并結合PLC控制、信息技術、視頻技術及相關組件的應用構建了一個綜合性的系統(tǒng)平臺,實現(xiàn)了大型起重機的監(jiān)控與管理。系統(tǒng)在架構上結合了自動化技術和信息化技術,借助互聯(lián)網(wǎng)技術將底層的過程數(shù)據(jù)融入到了企業(yè)的生產(chǎn)管理中,對提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平具有積極作用。該系統(tǒng)的架構不局限于起重機監(jiān)控領域的應用,同樣適用于其他類型設備的監(jiān)控系統(tǒng)。

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    [12]李剛.Struts 2.x權威指南[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

    [13]孫衛(wèi)琴.精通Hibernate:Java對象持久化技術詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

    Design and implementation of Crane Management System

    LU Zhongjie,GUO Shengjun

    (ChinaShippingNetworkTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200135,China)

    The Crane Management System uses S7-300 PLC for data collection and the combination of software technologies, such as the WINCC, Java EE framework, visual basic and database technology, to build the crane management system. The system is an effective tool for improving the safety management, and the information management as well.

    PLC; WINCC; database; Java EE framework; VB

    2015-10-16

    陸中杰(1982—),男,上海市人,工程師,主要從事工業(yè)自動化系統(tǒng)設計工作。

    1674-5949(2016)01-076-05

    TH213.5; TP277

    A

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