污水处理厂自控系统方案.docx
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污水处理厂自控系统方案
天水工业园区
污水处理厂自控系统
技
术
方
案
北京华联电子科技发展有限公司
2014年9月29
天水工业园区污水厂自控系统方案及相关技术说明
一、系统概述：
天水工业园区污水处理厂的自控系统由PLC站与监控操作站控制管理系统组成的自控系统和仪表检测系统两大部分组成。
前者遵循“集中管理、分散控制、资源共享”的原则；后者遵循“工艺必需、先进实用、维护简便”的原则。
为了满足武威工业园区污水处理厂工程实现上述要求，必须保证控制系统的先进性和可靠性，才能保证本厂设备的安全、正常、可靠运行。
本方案本着质量可靠、技术先进、性价比高的原则，结合我公司在实施其它类似项目中的设计、实施和组织的成功经验，充分考虑技术进步和系统的扩展，采用分层分布式控制技术，发挥智能控制单元的优势，降低并分散系统的故障率，保证系统较高的可靠性、经济性和扩展性，从而实现对各现场控制设备的操作、控制、监视和数据通讯。
1.1系统基本要求
工控通讯网络为光纤冗余环型工业以太网，通讯波特率≥100Mbps，系统自适应恢复时间<300ms，通讯距离（无中继器）≥1Km，网络介质要求使用可直埋的光缆,在出现故障时,可在线增加或删除任意一个节点,都不会影响到其他设备的运行和通讯。
本系统采用先进的监控操作站控制系统，即系统采用全开放式、关系型、面向对象系统结构，支持不同计算厂家的硬件在同一网络中运行，并支持实时多任务，多用户的操作系统。
主要用于污水厂的生产控制、运行操作、监视管理。
控制系统不仅有可靠的硬件设备，还应有功能强大，运行可靠，界面友好的系统软件、应用软件、编程软件和控制软件。
1.2系统可靠性的要求
控制系统在严格的工业环境下能够长期、稳定地运行。
系统组件的设计符合真正的工业等级，满足国内、国际的安全标准。
并且易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，适应较宽的温度变化范围。
系统具备良好的电磁兼容性，支持I/O模板在系统运行过程中进行带电热插拔。
能够承受工业环境的严格要求。
1.3系统的先进性
系统的设计以实现“现场无人职守，分站少人值班”为目的。
设备装置的启、停及联动运转均可由中央控制室远程操纵与调度。
1.4系统的故障诊断
控制系统有一套完整的自诊断功能，可以在运行中自动地诊断出系统的任何一个部件是否出现故障，并且在监控软件中及时、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息。
在系统发生故障后，I/O的状态应返回到系统根据工艺要求预设置的状态上。
1.5系统扩展性和兼容性
为了保证武威工业园区污水处理厂扩建或改造时满足工厂的控制要求，控制系统具有较强扩展能力。
控制系统主要用于污水处理厂的生产控制、运行操作、监视管理。
不仅有可靠的硬件设备，还有功能强大，运行可靠，界面友好的系统软件、应用软件、编程软件和控制软件。
监控系统的数据库结构为面向对象的，实时式，关系型数据库。
操作系统和监控软件具有冗余和容错及灾难性恢复等功能。
二、系统结构及特点：
2.1控制系统结构
天水工业园区污水处理厂自控系统采用分层分布式结构网络控制方式。
该控制系统共分为主控级（中控室）和现地控制层（分控站）。
实现相应控制层设备的监视、操作、控制和网络通讯连接。
网络结构图如下：
2.2中控室
拟设于综合楼内。
中央控制室的监控管理操作站系统完成全厂的自动控制。
包括两套互为热备的监控工作站、印机、UPS电源。
中央控制系统通过工业以太网，采用光缆与各现场控制PLC站连接。
这两套工作站为热冗余配备，可以分别侧重监测或组态功能，故障时互为备用，具有灵活的运行方式。
为观显示全厂工艺过程全貌，方便管理，在中控制室设立了电动投影屏幕和投影仪，显示全厂工艺流程图和主要参数及设备运行状态。
通过大容量的UPS为中央控制室的所有设备提供了高质量的电源。
2.3分控站
每个分控站配置一套PLC控制柜。
柜内包括可编程序控制器、操作员界面HMI、24VDC电源装置、冗余光纤交换机、电源防雷过电压保护装置、小型断路器、接线端子、小型继电器，安装连接缆线和附件等。
根据污水厂工艺特点，构筑物的布置和现场控制的分布情况，设置四个PLC现场子站，PLC现场子站选用可编程序控制器（PLC），PLC为模块化结构，硬件配置较灵活，易于扩展，软件编程方便。
并且PLC子站与相应的MCC置于同一地点，节省其间电缆。
当中控室监控工作站故障退出运行或通道故障使分控站控制单元和主控级监控工作站通讯中断时，各现地控制单元能独立运行，进行控制和监视，提高运行可靠性。
1#现场控制站位于污泥浓缩脱水机房内。
负责监控：
粗格栅及进水泵房、细格栅及曝气沉砂池、撇水池、污泥浓缩脱水机房。
控制对象为：
1#、2#回转式细格栅除污机；无轴螺旋压榨机；桁车；吸砂机；中心传动浓缩机10WF1、10WF2、10WF3轴流风机。
IO点数统计：
数字量输入DI：
83；数字量输出DO：
34；模拟量输入AI:
17；模拟量输出AO:
1。
2#现场控制站位于鼓风机房及变配电间内。
负责监控：
加药间、鼓风机房和变配电间。
控制对象为：
7GB2、7GB3、7GB5、7GB6鼓风机、7GV2、7GV3、7GV5、7GV6电动蝶阀；7ZF11、7ZF12、7ZF13、7ZF14、7ZF21、7ZF22、7ZF23、7ZF24、7ZF31、7ZF32、7ZF33、7ZF34轴流风机；8WF1、8WF2、8WF3轴流风机；2GV电动调节阀。
IO点数统计：
数字量输入DI：
113；数字量输出DO：
40；模拟量输入AI:
8；模拟量输出AO:
6。
3#现场控制站位出水泵房内。
负责监控：
消毒池、清水池、出水泵房。
控制对象为：
1#、2#、3#、4#离心泵；6FM1、6FM2、6FM3轴流风机；12XHB1、12XHB2循环泵；12BJB1、12BJB2补水泵。
IO点数统计：
数字量输入DI：
26；数字量输出DO：
9；模拟量输入AI:
10；模拟量输出AO:
0。
4#现场控制站位于A2/O+MBR池附属建筑内。
负责监控：
A2/O+MBR池。
（此站控制系统供应商已集成，具备以太网通讯接口，配置触摸屏和不间断电源。
）
2.4控制系统特点
2.4.1由于控制设备的分布特点及控制的独立性，采用现地元件层实现自动化仪表的数据采集，采用现地控制单元实现了相对独立设备的本体控制；从而大大减轻了操作员工作站监控操作站的负荷，有利于各级控制设备监控功能的合理分配和利用；
2.4.2由于各现地控制单元相对独立，并且能够脱网独立运行，特别是在集控层总线网络瘫痪时，能够保证现地单元可靠地运行，大大提高了控制系统的可靠性；
2.4.3采用分层分布式控制方式，使得总线网络的通讯负荷减少、通讯误码率大大降低，解决了数据通讯的瓶径问题，同时使网络结构更清晰、检修维护更方便；
采用分层分布式控制方式，该控制系统具有更好的扩展性，若需对系统扩展，只要将接入相应的网络层中即可，不会影响到集控层网络的运行和操作。
三、系统控制方式及功能描述：
3.1系统控制方式：
现场手动模式：
设备的现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时，通过现场控制箱或MCC控制柜上的按钮实现对设备的启/停、开/关操作。
遥控模式：
即远程手动控制方式。
现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式时，操作人员通过操作面板或中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘选择“遥控”方式并对设备进行启/停、开/关操作。
自动模式：
现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且现场控制站的“自动/遥控”设定为“自动”方式时，设备的运行完全由各PLC根据污水处理厂的工况及生产要求来完成对设备的运行或开/关控制，而不需要人工干预。
控制方式设计为：
就地手动控制优先，在此基础上，设置远程遥控和自动控制。
控制级别由高到低为：
现场手动控制、遥控控制、自动控制。
3.2主控级设备：
天水工业园区污水处理厂自控系统主控工作作站接收全厂设备的运行状况，同时也对现地控制设备发送各种控制命令。
主控级工作站由两套互为热备的台湾研华公司生产的IPC-610H型工控机作为主要控制设备，采用Microsoft公司的WindowsXP操作系统和德国西门子的自动化监控组态软件WINCC开发版工业组态软件，完成数据的采集、设备的控制和监视以及与各分控站的通讯功能等。
主控级设备功能:
3.2.1数据采集
●实时采集各个终端站传送的各类数据和信号，通过在彩色监视器（TFT）显示总工艺流程图，分段工艺流程图，供电系统图，工艺参数，电气参数，电气设备运行状态等。
●操作站以"人—机"对话方式指导操作，自动状态下，可用键盘或鼠标器设定工艺参数、控制电气设备。
3.2.2数据处理
●对来自各现地控制单元的实时数据和相关设备状态信息进行数据校验检测；
●实现系统的故障检测和诊断功能，如总线网络中途断线、站的失电、站地址的冲突、模块配置不对应等常见故障；
●汇总各现地控制单元的所有上送数据和状态信息。
●数据查询功能：
对系统中存储的相关设备数据能够按照时间、时段、设备、报警等各种方式进行查询；
●数据检测功能：
对现地控制单元上送数据进行实时性、可靠性等验证，保证数据的正确性；
●根据采集的实时数据生成相应的各类生产报表、形成历史数据记录、趋势曲线记录等；
●完成语音报警等功能；
3.2.3控制和监视
●实现全厂各个现地控制单元的实时监视；
●通过人机终端，实时显示各现地控制单元的状态信息和实时控制。
3.2.4数据通讯
通过光纤总线网络实现主控级计算机与分控站PLC和智能通讯装置的实时数据通讯；
3.2.5画面显示
●根据系统采集的各分控站控制单元设备的实时数据和状态信息，实时刷新系统的相关画面；
●实时显示系统的总工艺流程图，分段工艺流程图，供电系统图，工艺参数，电气参数，电气设备运行状态等；
●系统画面中设置导航画面，通过导航画面可方便实现画面的快速切换；
●在每个画面设置画面帮助，可为操作员提供快速操作帮助；
3.2.6存储和打印
实时记录和存储系统中各分控控制单元中相关设备的实时数据，并形成历史数据文件。
实时存储和打印的数据主要有：
●各类操作记录；
●各类事故和故障记录；
●各类报表记录等。
3.2.7事故、故障报警
●系统可实现系统中各分控控制单元所有设备的事故、故障等的报警、记录以及相应的报警画面弹出显示、语音报警等功能，并且能够按照报警发生的时间、次序、设备名称、事故和故障名称等等进行查询等。
3.2.8保护功能
系统具有多种安全设备、操作员操作权限设置、操作命令确认、操作口令确认、设备联锁等功能，可实现系统的安全、可靠、正常运行。
●系统设置有操作员操作权限等级设置，可根据操作要求，进行相应权限的登录操作；
●操作员在操作过程中设置有操作口令和操作命令确认，有效地避免了设备的误动；
3.2.9自诊断功能
系统能够提供完善的硬件和软件自诊断功能，主要包括：
●计算机硬件设备及接口设备的自检；
●系统通讯网络连接的自检；
●系统相关设备的自检、故障提示等功能。
软件
3.2.10系统软件
选用具有开放式软件接口的实时多任务、多用户系统的MicrosoftWindowsXp中文版网络操作系统。
3.2.11数据库软件
采用实时分布式关系型数据库系统，通过对监控对象的组态，实时监测和控制各监控对象，并自动生成操作记录、遥信变位、事故记录等实时数据。
历史数据库能够通过DDL、DDE及OLE等与其它应用软件交换数据，并带有标准的SQL接口和ODBC接口，为系统维护、管理提供技术基础。
3.2.12应用软件
包括工业实时监控组态软件、现场总线组态软件、数据库软件、标准工业控制和专用水处理过程控制图形库等。
工业实时监控组态软件配置有开发版（无限点）、运行版和监控版。
其主要功能是：
（1）运行监控
采用图控软件组态设计中控室的运行监控软件，具有中文界面、操作提示和帮助系统。
操作界面主要以流程图方式表示，从总体流程图直到每个单体的局部流程图，在流程图上显示的设备，均可点击进入该设备的进一步细节数据或对其进行控制。
工艺过程、运行数据和设备状态均以图形方式直观表示。
运行参数和目标控制参数，可以点击进入其属性或进行设定修改。
（2）数据库的生成及管理
提供整个监控系统运行的各种数据参数、各机械电气设备状态、以及各接口设备状态的实时数据库及历史数据库，并能根据信息分类生成各种专用数据库，且具有在线查询、修改、处理、打印等数据库管理软件，可进行日常的操作及维护，同时还具有ODBC功能，与其它数据库建立共享关系。
保存在内存中的实时数据库应存贮由各种监控对象的动态数据，数据刷新周期应可调，以保证关键数据的实时响应速度。
短期历史数据库应能够保存7天的实时数据和组合数据，并不断地予与刷新（其数据来自于实时数据库）。
历史数据库中能够存入各设备的运行参数、报警记录、事故记录、调度指令等。
并具有存贮3年运行数据的能力。
（3）组态
通信组态：
生成各种通信关系。
明确节点间的通信关系，可实现现场仪表与PLC之间、PLC与监控计算机之间，以及计算机与计算机之间的数据通信。
控制系统组态：
生成各种控制回路。
明确系统的控制功能，各控制回路组成结构、控制方式与策略。
（4）图形生成及查询
应用软件具有强力而有效的图形组态显示功能。
能画出总平面图、工艺流程图、设备平立面布置图、电气主接线图等。
在确定监控画面后，可对监控对象进行形象图符设计、组态、连接、生成完整的实时监控画面，使用户能够在显示器上查询到各种监控对象的动态信息及故障，其形式可以是图像、报表、曲线、以及直方图等，并在投影屏上有动态显示数据。
同时，还具有友好的中文人机接口界面，采用图形、图标方式，使管理人员方便地使用鼠标器或键盘对系统进行管理、控制。
通过监控画面的切换，进行数据查询、状态查询、数据存贮、控制管理等各种操作。
（5）日常管理
日常的数据管理是对采集到的各种数据进行计算、处理、分类，自动生成各种数据库及报表，供实时监控、查询、修改、打印，生成后的报表文件的修改或重组。
软件系统的可靠性能够保证数据的绝对安全，防止对数据的非法访问，特别是对原始数据的修改。
按操作等级进行管理，一般情况下，至少设置三级操作级，即观察级、控制操作级、维护即，每一级都设有访问控制。
具有日常的网络管理功能，维持整个局域网的运行，定时对各接口设备进行自检、异常时发出报警信号。
（6）设备管理
对组成系统的所有硬件设备及运行状态进行在线监测及自诊断；对实时监控的所有对象的运行状态进行监测及自诊断；对各类设备运行情况（如工作累计时间、最后保养日起）进行在线监控，并存入相应文档，以备维护保养；对设备故障提出参考处理意见。
（7）能耗管理
软件系统能够对系统的设备运行记录及控制模式进行综合考虑，使系统能在最低的能耗下发挥最大的效益。
（8）工控组态软件
系统监控组态软件是一个精心设计开发的实时系统工作平台。
软件本身及相关文档均为中文版本，为国际或国内知名组态软件。
具有全图形化界面、全集成、面向对象的开发方式，使得系统开发人员使用方便、简单易学。
功能覆盖广，软件组合灵活，高效性、内在结构和机制的先进性应该确保用户可快速开发出实用而有效的自动化监控系统。
数据采集方面，同时支持多种PLC的通讯，如施耐德、西门子、AB等多家产品的数据通讯，具有很强的兼容性；支持同时采集各种PLC、仪表、变频器、板卡、RTU等设备的数据；支持电话拨号、电台、GPRS、VPN等远程多种通讯方式；具备相位采集功能。
工作站应可对整个系统设置安全管理。
支持使用用户，权限，优先级，安全区的方式为用户提供安全验证。
工作站监控、组态必须的软件均基于WindowsXP操作系统。
系统可以在各种语言版本的操作系统上运行，可以在画面中同时使用汉字及其他多国文字和符号；具备全中文的开发和运行环境。
组态软件能支持OPC标准，同时具备OPCServer和OPCClient功能，可以快速、可靠地与众多不同生产商制造的硬件设备实现可靠的通讯。
支持变量的快速搜索，并且为方便用户二次开发，组态软件必须支持全中文变量名和函数名及结构变量和引用变量；支持变量的批量生成、合并、导入、导出；支持自定义函数。
具备设备模型和图形模型功能，通过设备模型快速创建变量和关于该变量的逻辑计算处理。
通过图形模型可以快速部署已经制作好的图形动画.
支持类C语言等作为内置编程语言，支持系统事件，变量改变事件，报警事件，热键事件，条件事件，自定义函数、定时脚本和调度脚本等多种脚本类型，为用户提供方便的开发平台。
组态软件支持各种运算函数，包括：
事件驱动的算术和逻辑运算、逻辑关系运算、报警状态处理、定时器、对数和指数运算、三角函数、按位运算、字符串处理、数制转换、取平均值、最大值、最小值、取中间值、记录历史值、统计操作次数和操作持续时间等功能在内的统计运算。
软件画面支持在开发和运行时的无极缩放，画面可以按比例缩放；支持图层的操作，可以把不同的图素分配到不同的图层上去，进行开发和管理，图层可以控制显示和隐藏；支持GDI+，支持过渡色和透明色；
组态软件具备多样图库,含有污水处理工程基本图库元素，节省绘图开发时间。
采用项目树使得程序生成灵活，程序组织清晰明了。
Windows下的在线帮助功能；项目文件备份功能；工程支持口令保护；能支持WebServer功能。
远程客户可透过网络,配合服务器及浏览器取得与现场一致之运作画面。
提供分布式报警,操作员可同时从多个远程位置浏览及确认警报信息。
为满足江南污水处理厂自控系统要求，实现软件界面人性化、实物化、动态化，同时考虑其安全性、通用性及易扩展性，监控软件选用德国西门子的自动化监控组态软件WINCC。
自动化监控软件的基本技术要求如下：
·基于WindowsXp或vista平台；
·基于实时的客户／服务器结构及组件（COM）内核；
·全面支持ActiveX控件及控件安全容器技术；
·内置微软标准编程语言,嵌入式VisualBasicforApplication；
·支持OPC客户及OPC服务器模式；
·标准SQL/ODBC接口,易于与关系数据库集成；
·丰富的图符图形工具，动画向导，功能键可以预定义，标签组编辑功能，给予时间和事件调度处理功能；
·报警和信息管理，报警过滤，和远程报警管理；
·支持WindowsXp或vista用户级安全系统；
·支持SOA功能；
·图表对象和趋势显示，历史数据采集；
·有与上层管理信息系统接口，可以同时连接多种下位控制器，易于系统扩充。
a.监控计算机软件功能要求
·组态软件
--通信组态：
生成各种通信关系。
可实现现场仪表与PLC之间、PLC与监控计算机之间，以及计算机与计算机之间的数据通信。
--控制系统组态：
生成各种控制回路。
各控制回路组成结构、控制方式与策略。
·维护软件：
对现场控制系统软硬件的运行状态进行监视、故障诊断，以及软件的测试维护等。
·仿真软件：
对控制系统的部件（通信节点、网段、功能模块等）进行仿真运行。
可对系统进行组态、调试、研究。
·设备管理软件：
对现场设备进行维护管理。
配置专门的设备管理软件。
·监控软件
--实时数据采集：
将现场的实时数据送入计算机，并置入实时数据库的相应位置。
--常规控制计算与数据处理：
标准PID，积分分离，超前滞后，比例，一阶、二阶惯性滤波，高选、低选，输出限位等
--优化控制：
根据数学模型,完成监控层的各种先进控制功能：
专家系统、预测控制、模糊控制等
--逻辑控制：
时间程序控制，如完成开、停车的顺序启停过程。
--报警监视：
监视生产过程的参数变化，并对信号越限进行相应的处理，如声光报警等。
--运行参数的画面显示：
带有实时数据的流程图、棒图显示，历史趋势显示等。
--报表输出：
生产报表的打印输出。
--操作与参数修改：
实现操作人员对生产过程的人工干预，修改给定值，控制参数、报警设定等。
·文件管理
--数据库管理：
在线与历史数据管理、综合利用、保存等。
--统计控制软件：
按照数理统计方法分析现场采集的工艺变量数据，监视和评判系统的控制与运行状态，指导操作人员全面掌握生产情况，排除故障。
以科学方法评估生产过程能力，指导系统改进。
包括：
在线与历史数据预处理、各种统计控制图、直方图、事件触发采样、在线报警、过程能力分析、分析记录等。
3.3分控站设备：
武威工业园区污水处理厂自控系统分控站由四个PLC站等组成，每个控制站选用一套用德国西门子S7-300系列PLC，并配备一台北京昆仑通态触摸屏，实现全厂自控仪表及其他设备的监视和控制，同时各分控站与主控级操作站进行数据交换，各分控站接收主控级操作站发来的各种控制命令，最终实现全厂所有设备的监控，保证了全厂设备安全、稳定运行。
3.3.1分控站设备控制功能：
按控制程序对所辖工段内的工艺过程、电气设备进行自动控制，同时采集工艺参数及电气设备运行状态。
通过通信总线与中央控制室的监控管理系统进行通信。
向监控管理系统传送数据，并接受监控管理系统发出的部分开停机命令。
在操作屏上显示所辖工段的工艺流程图，工艺参数，电气参数，及设备运行状态。
通过功能键盘设定工艺参数，控制电气设备。
就地控制：
在设备调试、维修阶段提供现场操作的手段，在意外情况下可以以最快的方式进行现场紧急停车。
分站控制对象包括：
粗格栅及进水泵房、细格栅间及曝气沉砂池、A2/O+MBR生化池、紫外线消毒池、清水池、出水泵房、污泥撇水池、污泥浓缩脱水机房、锅炉房。
粗格栅及进水泵房：
1、粗格栅
（1）功能：
去除污水中较大悬浮物，并拦截直径大于20mm的杂质，确保水泵正常运行。
（2）主要设备：
旋转式格栅2台。
（3）运行方式：
格栅采用自动控制。
根据栅前栅后水位差或格栅工作周期（时间可调）控制，栅格前后的液位差由PLC自动控制清污，同时设手动控制，格栅设工况指示和故障报警系统，与皮带输送机联动工作、延时停机。
栅渣通过带轮的垃圾小斗车收集。
2、进水泵房
（1）功能：
将污水一次提升至细格栅，以便后续构筑物的正常运行。
（2）主要设备：
近期配备潜污泵4台，3用1备。
（3）运行方式：
水泵自动控制运行，根据水位控制水泵轮流工作，设高、低水位报警系统和水泵工况指示及报警系统，低水位时全部水泵停机。
细格栅：
（1）功能：
去除污水中较大漂浮物，并拦截直径大于6mm的固体物，以保证生物处理及污泥处理系统正常运行。
（2）、主要设备：
设回转式细格栅2台；无轴螺旋压榨机一台。
（3）运行方式：
格栅自动控制根据细格栅前后水位差或格栅工作周期（时间可调）实现，细格栅前后的液位差由PLC自动控制清污动作，同时设手动控制。
细格栅设置工况指示和故障报警系统。
两台格栅共用一台无轴螺旋压榨机，将栅渣送至落渣斗，下滑至带轮的垃圾小斗车中。
曝气沉砂池：
（1）功能：
去除污水中比重大于2.65，粒径大于0.2mm的砂粒，保护后续水处理设备，防止管道淤塞。
曝气的功能是使附着在砂粒表面的污泥分离，使沉砂易于脱水，同时避免细小的有机悬浮物沉淀，确保沉砂质量。
（2）主要设备：
一台桥式单槽刮砂机（带撇渣装置）；吸砂泵1台。
（3）运行方式：
桥式单槽刮砂机（带撇渣装置）连续运转，吸砂泵按程序控制定时运转，砂水分离器与吸砂泵同步运转。
A2/O+MBR生化池：
该设备间控制系统已有厂家提供，此方案控制不于考虑，只需要厂家提供数据采集点即可。
紫外线消毒池：
（1）功能：
进行尾水消毒，避免尾水中细菌对水体
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