基于PLC的水塔水位自动控制系统.docx
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基于PLC的水塔水位自动控制系统
课程设计
设计题目：
基于PLC的水塔水位控制系统
院系：
电气工程系
专业：
电子信息工程
年级：
2012级
姓名：
飞
指导教师：
西南交通大学峨眉校区
年月日
课程设计任务书
专业电子信息工程姓名飞学号20128092
开题日期：
年月日完成日期：
2014年12月15日
题目简易漏电报警器
一、设计的目的
二、设计的容及要求
三、指导教师评语
四、成绩
指导教师（签章）
年月日
摘要
目前，大量的高位生活用水和工作用水逐渐增多。
因此，不少单位自建水塔储水来解决高层楼房的用水问题。
最初，大多用人工进行控制，由于人工无法每时每刻对水位进行准确的定位监测，很难准确控制水泵的起停。
要么水泵关停过早，造成水塔缺水；要么关停过晚，造成水塔溢出，浪费水资源，给用户造成不便。
利用人工控制水位会造成供水时有时无的不稳定供水情况。
后来，使用水位控制装置使供水状况有了改变，但常使用浮标或机械水位控制装置，由于机械装置的故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦。
因此为更好的保证供水的稳定性和可靠性，传统的供水控制方法已难以满足现在的要求。
本文采用的是西门子S7-200PLC可编程控制器作为水塔水位自动控制系统核心，对水塔水位自动控制系统的功能性进行了需求分析。
主要实现方法是通过传感器检测水塔的实际水位，将水位具体信息传至PLC构成的控制模块，来控制水泵电机的动作，同时显示水位具体信息，若水位低于或高于某个设定值时，就会发出危险报警的信号，最终实现对水塔水位的自动。
关键词：
水位自动控制、西门子S7-200PLC、水泵、传感器
第一章绪论
在工业生产中，电流、电压、温度、压力、液位、流量、和开关量等都是常用的主要被控参数。
其中，水位控制越来越重要。
在社会经济飞速发展的今天，水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的作用。
一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。
因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。
任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。
就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补给。
传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、可靠性差等缺点。
可编程控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。
鉴于其种种优点，目前水位控制的方式被PLC控制取代。
同时，又有PID控制技术的发展，因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。
在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的水位进行自动控制。
比如自动控制水塔、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。
虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同。
但其原理都小异。
特别是在实际操作系统中，稳定、可靠是控制系统的基本要求。
因此如何设计一个精度高、稳定性好的水位控制系统就显得日益重要。
采用PLC控制技术能很好的解决以上问题，使水位控制在要求的位置。
第二章可编程器简介
2.1可编程控制器的产生
可编程控制器是60年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。
PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。
根据实际应用对象，将控制容编成软件写入控制器的用户程序存储器。
控制器和被控对象连接方便。
可编程控制器的产生和继电器--接触器控制系统有很大关系。
继电器--接触器控制已有百年历史，它是一种弱电信号控制电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修等优点。
对于工作模式固定，要求比较简单的场合非常适用，至今仍有广泛用途。
但是当工作模式改变，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件及接线都要作相应变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧的控制柜，另做一个新的控制柜使用，阻碍了产品更新换代。
随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换。
继电器--接触器控制难以满足市场需求，此问题首先被美国通用汽车公司提了出来。
通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产品多样性的需求，公开对外招标，要求制作一种新的工业控制装置取代传统的继电器--接触器控制，对其新装置提出的要求就是著名的GM10条，即：
1.编程方便，可在现场修改程序；
2.维修方便，采用模块化结构；
3.可靠性高于继电器控制柜；
4.体积小于继电器控制柜；
5.可将数据直接送入管理计算机；
6.在成本上可与继电器控制竞争；
7.输入可以是交流115V；
8.输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀；
9.在扩展时，原有系统只要很小变更；
10.用户程序存储容量至少能扩展到4K字节。
1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。
接着美国MODICON公司也研制出084控制，从此，这项新技术迅速在世界各国得到推广应用。
1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18。
1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。
我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。
进入20世纪70年代，随着微电子技术的发展，尤其是PLC采用通讯微处理器之后，这种控制器就不在不局限于当初的逻辑运算了，功能得到更进一步增强。
进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。
PLC虽然问世时间不长，但随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。
90年代以后，工业控制几户全部被PLC占领。
国外专家预言，PLC将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAC/CAM）中跃居首位。
2.2PLC的发展
随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，特别是进入80年代以来，PLC已广泛地使用16位甚至32位微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。
这时的PLC已不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（ProgrammableController）更为合适，简称为PC，但为了与个人计算机（Persona1 Computer）的简称PC相区别，一般仍将它简称为PLC（ProgrammableLogicController）。
PLC是微机技术与传统的继电器-接触器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。
根据实际应用对象，将控制容编成软件写入控制器的用户程序存储器。
继电器控制系统已有上百年历史，它是用弱电信号控制强电系统的控制方法，在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除困难，花费时间长，严重地影响工业生产。
在工艺要求发生变化的情况下，控制柜的元件和接线需要作相应的变动，改造工期长、费用高，以至于用户宁愿另外制作一台新的控制柜。
而PLC克服了继电器-接触器控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点，并将控制器和被控对象方便的连接起来。
由于PLC是由微处理器、存储器和外围器件组成，所以应属于工业控制计算机中的一类。
对用户来说，可编程控制器是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此如果在初步设计阶段就选用可编程控制器，可以使得设计和调试变得简单容易。
从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。
由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。
目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。
我国从1974年也开始研制可编程序控制器，1977年开始工业应用。
目前它已经大量地应用在楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域，并涌现出大批应用可编程序控制器的新型设备。
掌握可编程序控制器的工作原理，具备设计、调试和维护可编程序控制器控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。
2.3PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本与微型计算机相同，如图2-1所示：
2-1PLC硬件结构
2.4PLC的工作原理
循环扫描
PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：
部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图所示。
当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。
对于不同型号的PLC，图中的扫描过程中各步的顺序可能不同，这是由PLC部系统程序决定的。
1）部处理 ：
在这一阶段，CPU检测主机硬件，同时也检查所有的I/O模块的状态。
在RUN模式下，还检测用户程序存储器。
如果发现异常，则停机并显示出错。
若自诊断正常继续向下扫描。
2）处理通信请求 ：
在CPU扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通信端口接收到的任何信息。
即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通信任务。
3）输入处理 ：
在这一阶段，对各数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。
4）执行用户程序 ：
在PLC中，用户程序按先后顺序存放。
在这一阶段，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。
执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行自述或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。
执行用户程序的过程与计算机基本相同。
5）输出处理：
在这一阶段，CPU用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出部件转换成被控设备的所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。
可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图所示：
PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。
扫描周期长短主要取决于程序的长短，它对于一般工业设备通常没有什么影响，但对控制时间要求较严格，响应速度要求快的系统，为减少扫描周期造成的响应延时等不良影响，一般在编程时应对扫描周期精确计算，并尽量缩短和优化程序代码。
2.5PLC的主要应用
最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。
随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。
如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大围、跨地域的控制与管理。
PLC已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。
1、用于开关量控制
PLC控制开关量的能力是很强的。
所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。
由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。
2、用于模拟量控制
模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。
工业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。
作为一种工业控制电子装置，PLC若不能对这些量进行控制，那是一大不足。
为此，各PLC厂家都在这方面进行大量的开发。
目前，不仅大型、中型机可以进行模拟量控制，就是小型机，也能进行这样的控制。
PLC进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的A／D、D／A单元。
它也是I/O单元，不过是特殊的I/O单元。
A/D单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送入PLC。
D/A单元，是把PLC的数字量转换成模拟量，再送给外电路。
作为一种特殊的I/O单元，它仍具有I/O电路抗干扰、外电路隔离，与输入输出继电器（或部继电器，它也是PLC工作存的一个区。
可读写）交换信息等等特点。
这里的A/D中的A，多为电流，或电压，也有为温度。
D/A中的A，多为电压，或电流。
电压、电流变化围多为0～5V，0～10V，4～20mA。
有的还可处理正负值的。
这里的D，小型机多为8位二进制数，中、大型多为12位二进制数。
A/D、D/A有单路，也有多路。
3、用于数字量控制
实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有数字量。
如机床部件的位移，常以数字量表示。
数字量的控制，有效的办法是NC，即数字控制技术。
这是50年代诞生于美国的基于计算机的控制技术。
当今已很普及，并也很完善。
目前，先进国家的金属切削机床，数控化的比率已超过40％～80％，有的甚至更高。
PLC也是基于计算机的技术，并日益完善。
故它也完全可以用于数字量控制。
4、用于数据采集
随着PLC技术的发展，其数据存储区越来越大。
如OMRON公司的PLC，前期产品C60P的DM区仅64个字，而后来的C60H达到1000个字；到了CQMI可多达6000个字。
这样庞大的数据存储区，可以存储大量数据。
数据采集可以用计数器，累计记录采集到的脉冲数，并定时地转存到DM区中去。
数据采集也可用A/D单元，当模拟量转换成数字量后，再定时地转存到DM区中去。
PLC还可配置上小型打印机，定期把DM区的数据打出来。
PLC也可与计算机通讯，由计算机把DM区的数据读出，并由计算机再对这些数据作处理。
这时，PLC即成为计算机的数据终端。
5、用于进行监控
PLC自检信号很多，部器件也很多，多数使用者未充分发挥其作用。
其实，完全可利用它进行PLC自身工作的监控，或对控制对象进行监控。
这里介绍一种用PLC定时器作看门狗，对控制对象工作情况进行监控的思路。
如用PLC控制某运动部件动作，看施加控制后动作进行了没有，可用看门狗办法实现监控。
具体作法是在施加控制的同时，令看门狗定时器计时。
如在规定的时间动作完成，即定时器未超过警戒值的情况下，已收到动作完成信号，则说明控制对象工作正常，无需报警。
若超时，说明不正常，可作相应处理。
如果控制对象的各重要控制环节，都用这样一些看门狗"看"着，那系统的工作将了如指掌，出现了问题，卡在什么环节上也很好查找。
还有其它一些监控工作可做。
对一个复杂的控制系统，特别是自动控制系统，监控以至进一步能自诊断是非常必要的。
它可减少系统的故障，出了故障也好查找，可提高累计平均无故障运行时间，降低故障修复时间，提高系统的可靠性。
6、用于联网、通讯
PLC联网、通讯能力很强，不断有新的联网的结构推出。
PLC可与个人计算机相连接进行通讯，可用计算机参与编程及对PLC进行控制的管理，使PLC用起来更方便。
为了充分发挥计算机的作用，可实行一台计算机控制与管理多台PLC，多的可达32台。
也可一台PLC与两台或更多的计算机通讯，交换信息，以实现多地对PLC控制系统的监控。
PLC与PLC也可通讯。
可一对一PLC通讯。
可几个PLC通讯。
可多到几十、几百。
PLC与智能仪表、智能执行装置（如变频器），也可联网通讯，交换数据，相互操作。
可联接成远程控制系统，系统围面可大到10公里或更大。
可组成局部网，不仅PLC，而且高档计算机、各种智能装置也都可进网。
可用总线网，也可用环形网。
网还可套网。
网与网还可桥接。
联网可把成千上万的PLC、计算机、智能装置组织在一个网中。
网间的结点可直接或间接地通讯、交换信息。
联网、通讯，正适应了当今计算机集成制造系统（CIMS）及智能化工厂发展的需要。
它可使工业控制从点（Point）、到线（（Line）再到面（Aero），使设备级的控制、生产线的控制、工厂管理层的控制连成一个整体，进而可创造更高的效益。
这个无限美好的前景，已越来越清楚地展现在我们这一代人的面前。
以上几点应用是着重从质上讲的。
从量上讲，PLC有大、有小。
所以，它的控制围也可大、可小。
小的只控制一个设备，甚至一个部件，一个站点；大的可控制多台设备，一条生产线，以至于整个工厂。
可以说，工业控制的大小场合，都离不开PLC。
一般讲，工业生产过程可分为两种类型；连续型生产过程（如化学工业）及非连续型，即离散型生产过程（如机械制造业）。
前者生产对象是连续的，分不出件的；后者为离散的，一件件的。
由于PLC有上述几个方面的应用，而且，控制的规模又可大、可小，所以，这两种类型的生产过程都有其用武之地。
事实上，PLC已广泛应用于工业生产的各个领域。
从行业看，冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等等，几乎没有不用到它的。
不仅工业生产用它，一些非工业过程，如楼宇自动化、电梯控制也用到它。
农业的大棚环境参数调控，水利灌溉也用到它。
PLC能有上述几个围广泛的应用，是PLC自身特点决定的，也是PLC技术不断完善的结果。
2.6西门子S7-200系列PLC的编程元件
plc通过程序的运行实施控制的过程其实质就是对存储器中数据进行操作或处理的过程，根据使用功能的不同，把存储器分为若干个区域和种类，这些由用户使用的每一个部存储单元统称为软元件。
各元件有其不同的功能，有固定的地址。
软元件的数量决定了可编程控制器的规模和数据处理能力，每一种PLC的软元件是有限的。
为了理解方便，把PLC部许多位地址空间的软元件定义为部继电器（软继电器）。
但要注意把这种继电器与传统电气控制电路中的继电器区别开来，这些软继电器的最大特点就是其线圈的通断实质就是其对应存储器位的置位与复位，在电路（梯形图）中使用其触点实质就是对其所对应的存储器位的读操作，因此其触点可以无限次的使用。
编程时，用户只需要记住软元件的地址即可。
每一软元件都有一个地址与之一一对应，其中软继电器的地址编排采用区域号加区域编号的方式。
即PLC部根据软元件的功能不同，分成了许多区域，如输入／输出继电器、辅助继电器、定时器区、计数器区、顺序控制继电器、特殊标志继电器区等，分别用I、Q、M、T、C、Ｓ、SM等来表示。
1、数字量输入继电器（I）
输入继电器也就是输入映像寄存器，每个PLC的输入端子都对应有一个输入继电器，它用于接收外部的开关信号。
输入继电器的状态唯一地由其对应的输入端子的状态决定，在程序中不能出现输入继电器线圈被驱动的情况，只有当外部的开关信号接通PLC的相应输入端子的回路，则对应的输入继电器的线圈“得电”，在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。
这些触点可以在编程时任意使用，使用数量（次数）不受限制。
2、数字量输出继电器（Q）
输出继电器也就是输出映像寄存器，每个PLC的输出端子对应都有一个输出继电器。
当通过程序使得输出继电器线圈“得电”时，PLC上的输出端开关闭合，它可以作为控制外部负载的开关信号。
同时在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。
这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。
3、通用辅助继电器（M）
通用辅助继电器如同电器控制系统中的中间继电器，在PLC中没有输入输出端与之对应，因此通用辅助继电器的线圈不直接受输入信号的控制，其触点也不能直接驱动外部负载。
所以，通用辅助继电器只能用于部逻辑运算。
通用辅助继电器用“M”表示，通用辅助继电器区属于位地址空间，围为M0.0~M31.7，可进行位、字节、字、双字操作。
4、特殊标志继电器（SM）
有些辅助继电器具有特殊功能或存储系统的状态变量、有关的控制参数和信息，我们称为特殊标志继电器。
用户可以通过特殊标志来沟通PLC与被控对象之间的信息，如可以读取程序运行过程中的设备状态和运算结果信息，利用这些信息用程序实现一定的控制动作。
用户也可通过直接设置某些特殊标志继电器位来使设备实现某种功能。
特殊标志继电器用“SM”表示，特殊标志继电器区根据功能和性质不同具有位、字节、字和双字操作方式。
其中SMB0、SMB1为系统状态字，只能读取其中的状态数据，不能改写，可以位寻址。
系统状态字中部分常用的标志位说明如下：
SM0.0：
始终接通；
SM0.1：
首次扫描为1，以后为0，常用来对程序进行初始化；
SM0.2：
当机器执行数学运算的结果为负时，该位被置1；
SM0.3：
开机后进入RUN方式，该位被置1一个扫描周期；
SM0.4：
该位提供一个周期为1分钟的时钟脉冲，30秒为1，30秒为0；
SM0.5：
该位提供一个周期为1秒钟的时钟脉冲，0.5秒为1，0.5秒为0；
SM0.6：
该位为扫描时钟脉冲，本次扫描为1，下次扫描为0；
SM1.0：
当执行某些指令，其结果为0时，将改位置1；
SM1.1：
当执行某些指令，其结果溢出或为非法数值时，将改位置1；
SM1.2：
当执行数学运算指令，其结果为负数时，将改位置1；
SM1.3：
试图除以0时，将改位置1；
其他常用特殊标志继电器的功能可以参见S7-200系统手册。
5、变量存储器（V）
变量存储器用来存储变量。
它可以存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果，也可以使用变量存储器来保存与工序或任务相关的其他数据。
变量存储器用“V”表示，变量存储器区属于位地址空间，可进行位操作，但更多的是用于字节、字、双字操作。
变量存储器也是S7-200中空间最大的存储区域，所以常用来进行数学运算和数据处理，存放全局变量数据。
6、局部变量存储器（L）
局部变量存储器用来存放局部变量。
局部变量与变量存储器所存储的全局变量十分相似，主要区别是全局变量是全局有效的，而局部变量是局部有效的。
全局有效是指同一个变量可以被任何程序（包括主程序、子程序和中断程序）访问；而局部有效是指变量只和特定的程序相关联。
S7—200PLC提供64个字节的局部存储器，其中60个可以作暂时存储器或给子程序传递参数。
主程序、子程序和中断程序在使用时都可以有64个字节的局部存储器可以使用。
不同程序的局部存储器不能互相访问。
机器在运行时，根据需要动态地分配局部存储器：
在执行主程序时，分配给子程序或中断程序的局部变量存储区是不存在的，当子程序调用或出现中断时，需要为之分配局部存储器，新的局部存储器可以是曾经分配给其他程序块的同一个局部存储器。
局部变量存储器用“L”表示，局部变量存储器区属于位地址空间，可进行位操作，也可以进行字节、字、双字操作。
7、顺序控制继电器（S）
顺序控制继电器用在顺序控制和步进控制中，它是特殊的继电器。
有关顺序控制继电器的使用请阅读本章后续有关容。
顺序控制继电器用“S”表示，顺序控制继电器区属于位地址空间，可进行位操作，也可以进行字节、字、双字操作。
8、定时器（T）
定时器是可编程序控制器中重要的编程元件，是累计时间增量的部器件。
自动控制的大部分领域都需要用定时器进行定时控制，灵活地使用定时器可以编制出动作要求复杂的控制程序。
定时器的工作过程与继电器接触器控制系统的时间继电器基本相同。
使用时要提前输入时间预置值。
当定时器的输入条件满足且开始计时，当前值从0开始按一定的时间单位增加；当定时器的当前值达到预置值时，定时器动作，此时它的常开触点闭合，常闭触点断开，利用定时器的触点就可以按照延时时间实现的各种控制规律或动作。
9、计数器（C）
计数器用来累计部事件的次数。
可以用来累计部任何编程元件动作的次数，也可以通过
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