双座四层电梯PLC联动电气控制系统设计11级机电5班.docx
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双座四层电梯PLC联动电气控制系统设计11级机电5班
柳州职业技术学院
毕业设计（论文）
题目:
双座四层电梯PLC联动电气控制系统设计
姓名陆**
学号20110103***
专业机电一体化技术
年级2011级
指导教师邓其*
完成时间2013-11-26
柳州职业技术学院毕业设计（论文）
任务书
机电工程系（部）机电一体化技术专业5班学生学号********
一、毕业设计（论文）题目：
双座四层电梯PLC联动电气控制系统设计
二、毕业设计（论文）工作规定进行的日期：
2013年9月26日起至2013年11月26日止
三、毕业设计（论文）进行地点：
柳州职业技术学院
四、任务书的内容：
目的：
毕业设计是实现高职高专工科学生培养目标的重要的实践性、综合性教学环节。
它是对学生所学知识的综合训练，也是对知识转化为能力的实际测试；对进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力；对培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力；全面提高毕业生的素质，使之能较快地适应工程实践的需要起着极其重要的作用。
任务：
设计技术要求：
（1）设计某一4层双座电梯电气控制系统，有检修和自动两种控制方式，具备快捷工作流程，符合宾馆客梯使用。
（2）设计电梯主电路和控制电路，具有适合实际操作的楼层控制和显示单元，绘制完整的电路图。
（3）电梯由变频器和小型PLC联合控制，具有无级调速功能，编写完整的PLC控制程序，做好变频器功能设置说明。
（4）要有必要的短路、过载、连锁保护。
（5）撰写设计论文，装订成册。
工作日程安排：
9月26日-10月7日：
下达毕业设计任务书，分组明确设计课题，收集参考资料。
10月7日10月14日：
编制设计方案。
10月14日-10月20日：
方案设计。
10月21日-11月10日：
实施设计任务。
11月10日-11月15日：
整理并撰写毕业设计说明书,完成初稿工作。
11月15日-11月22日：
修改设计说明书，完成定稿工作。
11月22日-11月24日：
交毕业设计,经过审查后准备答辩。
11月24日-11月26日：
毕业设计（论文）审阅评分并进行答辩。
11月30日：
将毕业设计归档、清点、装订、装袋后上交归档。
设计（论文）要求：
1、根据所选的课题，要求学生独立完成设计工作，训练学生运用所学专业知识解决工程实际问题的能力。
2、要求学生在通读教材、理解和掌握所学基础知识和基本方法的基础上,查阅相关参考书,吃透每一个知识点,结合内容进行实例分析。
3、要求学生对基本概念要做到深刻理解,对基本原理要弄清弄懂,对基本方法要熟练掌握,通过工程知识和工程技能的综合训练,以达到提高分析问题、解决问题的能力。
4、通过毕业设计，提高学生科研和实际技能水平，提高识图、制图、查阅技术手册，正确运算、文字表达能力和组织管理的能力。
5、培养学生独立工作的能力，进一步巩固和扩展专业知识，提高自学能力和工作适应能力。
6、培养学生严谨求实，理论联系实际的工作作风和严肃认真的科学态度。
学生开始执行任务书日期：
2013年9月26日指导教师签名：
年月日
学生送交毕业设计（论文）日期：
2013年11月26日教研室主任签名：
年月日
学生签名：
2013年11月26日
摘要
电梯在现代文明社会中扮演着重要的角色，电梯技术的发展很大程度
上与社会的进步息息相关，代表着社会的繁荣程度。
随着现代高层建筑的不断发展，高层建筑内电梯的数量也在增加，单电梯的控制技术已不能适应这种情况，如何有效的对电梯进行控制，避免重复召唤也显得日益重要。
本文首先叙述在当代社会中电梯的重要性，对电梯进行并联控制的重要性及必要性，然后我查阅相关西门子公司的S7-200CN系列PLC，通过比较选用226型CPU，并使用EM223扩展模块进行扩展。
随后了解了电梯的系统结构及其各部分的运行原理。
用一台PLC控制两台四层电梯的双电梯联动控制系统具有传统电梯所不具备的巨大优越性，本文设计利用PLC设计双电梯联动控制系统。
该控制系统采用可编程控制器作为控制器，并使用基于“最少等待时间”的并联调度规则来运行2台电梯。
本论文给出了PLC控制系统的基本结构，控制原理和实现方法的细节。
同时给出了系统I/O分配表及关键模块的梯形图。
其运行结果表明，它极大地增强了电梯运行的效率，减少了重复召唤的浪费。
关键词
双电梯PLC梯形图
引言
随着城市建设的不断发展，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。
电梯就是用于高层建筑物中的固定式升降运输设备，它有一个装载乘客的轿厢，沿着垂直或倾斜角度小于15°的导轨在各楼层间运行，是垂直运行的电梯（通常也简称为电梯）、倾斜方向运行的自动扶梯、倾斜或水平方向运行的自动人行道的总称。
随着城市建设的不断发展，高层建筑不断增多，电梯在国民经济和生活中有着广泛的应用。
电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工具已与人们的日常生活密不可分。
有了电梯，摩天大楼才得以崛起，现代城市才得以长高。
据估计，截至2002年，全球在用电梯约635万台，其中垂直电梯约610万台，自动扶梯和自动人行道约25万台。
电梯已成为人类现代生活中广泛使用的人员运输工具。
人们对电梯安全性、高效性、舒适性的不断追求推动了电梯技术的进步。
如今，世界各国的电梯公司还在不断地进行电梯新品的研发、维修保养服务系统的完善，力求满足人们对现代建筑交通日益增长的需求。
然而，近年来随着建筑业的蓬勃发展，高层建筑和智能化建筑的不断涌现，人们对电梯提出了越来越高的要求，单台电梯往往不能满足建筑物内的交通需要，这时候就需要合理安装多台电梯来缓解电梯运行的压力，因此电梯群控系统（elevatorgroupcontrolsystem）应运而生。
与此同时，随着自动化技术的快速发展，也极大地促进了电梯控制技术的进步,大量先进的控制技术应用于电梯群控系统,使得电梯群控系统的控制特性得到很大的改善。
针对目前这一现状，本论文以两台四层电梯为设计对象，对电梯的群控问题进行了较为深入的分析研究，提出了一些自己的认识和看法，设计出了一套双电梯PLC联动控制系统。
第1章绪论
1.1课题研究的背景
在很久以前，人们就会运用一些原始的升降工具来运送人和货物，这些升降工具的驱动力一般是人力或畜力。
到19世纪初，在欧美开始用蒸汽机作为升降工具的动力。
1845年，第一台液压驱动升降机研制成功，液压驱动的介质是水。
尽管升降机被一代代富有革新精神的工程师们进行不断改进，然而真正被工业界普遍认可的升降机仍未出现，直到1852年世界第一台安全升降机的诞生。
1852年，美国纽约杨克斯的机械工程师奥的斯先生发明了世界第一台安全升降机。
1857年3月23日，奥的斯公司在纽约为一座专营法国瓷器和玻璃器皿的商店安装了世界第一台客运升降机。
1862年，奥的斯公司采用单独蒸汽机控制的升降机问世。
1878年奥的斯公司在纽约百老汇大街155号安装了第一台水压式乘客升降机，这是以直流电动机为动力的世界第一台电力驱动升降机，从此诞生了名副其实的电梯。
自从电梯系统提出15-20年，它已经逐步演变成如今高科技的现代化设施。
两个现代化项目的主要问题通常是：
现有设备的可靠性已达到不可接受的程度，不能满足乘客的流量，因此也增加了旧体制的交通处理能力。
2003年2月19日国务院颁布了《特种设备安全监察条例》，明确规定电梯是特种设备，并对电梯的含义做了叙述：
“电梯，是指动力驱动，利用沿刚性导轨运行的箱体或者固定线路运行的梯级（踏板）进行升降或者平行运送人、货物的机电设备”。
这种对电梯的论述，被称作广义电梯概念，既包括上下运送人、货物的升降式电梯，也包括用于水平或倾斜输送乘客的自动人行道和自动扶梯。
而随着现代建筑技术的不断突飞猛进，高层和超高层建筑如雨后春笋一般。
在这些高层、大规模建筑中为满足乘客流量过多的需要一般都安装了多部电梯。
传统的电梯电器控制系统是一个继电器控制系统。
它有诸多缺点，例如：
电路复杂，故障率高和可靠性较差；以及极大的影响了电梯的运行质量。
在这种情况下，有必要采用电梯群控系统[5]对建筑物内的多部电梯进行管理调度，协调各电梯的运行，提高电梯的服务质量和运行效率。
因此，研究和制造智能化、高效的电梯群控系统能满足规模越来越庞大的现代建筑群的需要，具有极其重要的现实意义，备受工业界的关注。
另外电梯的电气系统由拖动系统和控制系统两部分组成。
在传统的电气控制系统中采用的继电器逻辑控制，由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等诸多缺点，正逐渐被淘汰。
目前的电梯设计中一般使用可编程控制器（PLC），它具有功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低等优点。
同时维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。
当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后．控制系统即进行下列运作：
根据轿厢所处位置及乘员所处层数．判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。
将轿厢停在选定的楼层上；同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。
另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。
这些优点使得PLC控制的电梯系统成为现在的主流。
1.2课题研究的意义
1967年晶闸管用于电梯驱动，交流调压调速驱动控制的电梯出现。
1983年，变压变频（VVVF）控制的电梯出现，由于其良好的调速性能、舒适感和功能等特点迅速成为电梯的主流产品[6]。
1984年在日本已将其用于2m/s以上的高速电梯。
1985年以后，又将其延伸到中、低速交流调速电梯。
交流变频调速技术被认为是电梯行业的当代技术。
在我国，老的直流电梯已被淘汰，交流双速梯、ACVV交流调速梯逐渐被VVVF交流变频变压调速电梯所取代，控制系统已在大量采用PLC和微电脑控制技术，最高梯速已达到4m/s。
当前，在电梯电力拖动方面，除了大容量电梯还采用直流拖动系统以外，用交流变频调速方式取代直流调速方式，已成为高速电梯的主流。
电梯的控制系统经历了继电器控制、可编程序控制（PLC）、单片微机控制、多微机控制多种形式。
继电器控制系统是80年代最广泛的一种电梯控制方式，具有控制逻辑线路简单、直接、易于理解和掌握的优点，但由于该类系统是由众多继电器、接触器构成，使用一段时间后其接触点往往会接触不良，所以电梯故障高，同时众多的继电器、接触器动作噪声较大，整个控制柜体积大，这些都成为继电器控制的巨大缺点。
随着多微机系统在电梯控制系统中的应用，电梯控制方式发生了巨大的变化，因为微机在电梯中的应用不仅取代了大部分继电器和选层器，整个系统也变得更加可靠，灵活性更加提高，功能极大地增强了。
但由于微机的集成度高，功能项目固化，所以一般的维修人员及工程人员修改或增加不了其功能。
如果要修改或增加其功能就要找回生厂家或用专用的工具，及其的麻烦，限制了电梯控制系统的可调性。
可编程序控制器取代继电器构成的电梯控制系统，可以实现由继电器实现的逻辑控制功能，而且触点少、可靠高、故障率低、维修方便、噪声小，最主要的是可编程序控制系统的"可编程"功能，使得当改变电梯的控制功能时，只要更改程序即可，对于安装和维修人员非常方便。
而PLC的编程语言虽然不尽相同，但都有通俗易懂，便于自学的优点，一般的维修及工程人员都能掌握,PLC电梯控制系统比较适用于小高层的楼房。
PLC（ProgrammableLogicalController）全称可编程逻辑控制器，凭借其良好的可操作性，自诞生起就始终处于工业自动化领域的主战场，为各类工业设备提供非常可靠的控制手段。
目前，PLC与DCS、工业PC并列成为现代工业自动化的三大支柱。
电梯群控系统是现代化电梯技术的重要组成部分。
它不但有完善的分区服务、运行监控、客流交通统计分析等功能，还具备故障诊断功能。
本文借鉴了现有的电梯群控算法，通过实验验证和改进，使用西门子公司的PLC构建了双电梯联动控制系统，实现了电梯的合理调度。
1.3课题的提出
可编程控制器（PLC）是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点，具有良好的操作性与可调节性，使用PLC进行电梯的电气控制是必然的趋势。
图1-1控制方框图
电梯质量的好坏,在很大程度上是取决于控制系统的质量，所以控制系统的选择尤为重要。
电梯的控制系统主要采用以下三种控制方式:
一是继电器控制系统；二是PLC控制系统；三是微机控制系统。
继电器控制系统由于故障率高,控制方式不灵活及功率消耗大等缺点,目前已逐渐被人们所淘汰。
而微机控制系统虽然在智能控制方面有较强大的功能,但也存在一定的不足之处,即抗干扰性差,系统设计较为复杂,导致一般的维修人员难以掌握其维修技术,这些因素使得微机控制系统应用的广泛性受到严重制约。
而PLC控制系统由于其运行可靠、使用及维修方便、抗干扰性强等优越性,成为当前在电梯控制系中使用的主流控制方式。
当今PLC在电梯中的应用已经很成熟,如图1-1是PLC应用于电梯控制的控制框图。
图中以PLC作为主控制器，一方面采集电梯的各种输入信号，包括电梯的位置、状态、内外指令的按钮信号、门锁信号、门区信号、井道内的强迫减速信号、防冲信号以及消防信号等。
另一方面又把采集到的信号进行计算和处理并给出电梯的楼层信号和速度信号，并驱动相应的开关门信号、方向继电器和抱闸继电器等，这些信号传输给变频器，继而变频器驱动拽引电机以控制电梯的运行。
我们利用PLC内的条件跳转和主控制指令，把对电梯的控制程序划分为几个不同程序段：
检修控制、正常加速和稳速段、减速爬行段、以及开关门阶段（如图1-2所示）。
当给电梯送电时，PLC立即就开始扫描电梯的所有输入、输出信号，检测电梯的安全回路是否接通、厅门轿门是否关闭、继而判断电梯处在何种状态。
在正常自动状态下，PLC检测门锁是否接通，若门锁不通则给出关门信号，控制电梯关门；当门锁接通时，则进入待机状态，此时若收到指令信号则电梯即起动。
当电梯到达减速楼层时，PLC通过比较楼层的基数脉冲和换速点脉冲是否相等来判断电梯的下一步动作，相等时给出电梯减速信号,电梯减速运行；否则电梯继续运行，电梯间试运行时需要判断电梯是否到达平层区，若到达平层区，则给出平层开门信号，否则电梯继续减速。
我们平时乘坐电梯除了要操作开关门按钮外，还要给出要去的目的层指令，PLC通过楼层感应器判断电梯现在所在的楼层继而确定运行方向，然后起动运行。
根据查阅资料了解到的当今电梯控制系统和电梯拖动系统的发展趋势以及掌握的知识，本次设计将采用西门子S7-200PLC，结合安川VS-616G5通用变频器，实现两台
电梯的联动控制系统。
图1-2运行流程图
第2章器件的选择
2.1PLC的选择
2.1.1PLC介绍
1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求，这揭开了可编程控制器的发展篇章。
1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器PDP—14，随后在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段进行了电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称为Programmable，是世界上公认的第一台PLC。
起初它仅是具有逻辑运算、定时、计数等简单功能，用于开关量的控制，实际上只能进行逻辑运算，所以被称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
在20世纪80年代后期，以微处理器构成的微机取得了飞速发展，使得可编程逻辑控制器在概念、设计、性能上都有了新的突破。
这种控制器的功能不再局限于当初的逻辑运算，增加了数值运算、模拟量的处理、通信等功能，成为真正意义上的可编程控制器（ProgrammableController）,简称PC。
但为了与个人计算机PC（PersonalComputer）相区别，可编程控制器仍简称为PLC。
随着可编程控制器的不断发展，其定义也在不断变化。
最终国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下：
“可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器，它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作、并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计”。
实际上，由于可编程控制技术的迅猛发展，许多新产品的功能已超出上述定义。
从硬件来看，PLC主要由CPU，存储器，I/O接口，电源，编程器等构成。
图2-1PLC硬件的基本结构
（1）CPU板
CPU板是PLC的核心部件，它由微处理器CPU、存储器（ROM、RAM）、并行接口（PIO）、串行接口（SIO）及时钟控制电路等组成。
CPU板是PLC的运算、控制中心，用以实现各种逻辑运算、算术运算及对整机进行管理控制；PLC内部携有程序存储器和数据存储器（ROM，RAM），分别用于存储系统程序和用户程序，并生成用户环境；并行接口和串行接口主要用于CUP与各接口电路之间的信息交换。
时钟及控制电路用于产生脉冲及各种控制信号。
（2）输入/输出电路
通常有两种形式的输入电路；直流输入和交流输入电路。
输入电路的作用是接收来自现场输入设备的控制信号，再经光电耦合器隔离后转换成PLC内部的标准电平信号，最后由CPU读入并送至输入映象寄存器中，供程序执行使用。
输出电路的作用是将PLC的输出控制信号送给外部输出设备，通过输出设备控制被控制对象工作。
输出电路有三种形式：
一种是继电器形式，它是通过控制继电器的线圈利用其触点的通断来控制输出设备，实现电气隔离；另一种是晶体管输出型，它通过光电耦合器控制输出开关晶体管通断，进而控制输出设备；第三种是可控硅输出型，通过触发可控硅的通断来实现对外部输出设备的控制。
（3）存储器扩展接口
存储器扩展接口用于连接用户程序存储器及数据存储器的扩展卡盒。
一般扩展卡盒有三种：
一种是COMS开型ROM卡盒，它需要用锂电池后备，以防止断电时程序及数据丢失；另一种是EPROM卡盒，这种卡盒需要用专门的写入器将调试好的用户程序或数据写入EPROM中，擦写时需要用紫外线擦除器；第三种是EEPROM卡盒，是电可擦除存储器，它的写入和擦写只需专用编程器。
（4）I/O扩展接口
I/O扩展接口与CPU之间是以总线方式连接的，因此它可以连接开总量的I/O扩展单元及扩展块，使I/O点数规模在配置更加灵活。
同时也可以配接如模拟量、高速脉冲等单元及通信适配器等特殊功能模块，使PLC的功能大大增强。
（5）编程器及其接口
编程器用于程序以及数据的输入、编辑、调试和检测。
当PLC正常运转时，一般不需要编程器，因此编程器被设计为独立的部件。
为了能对PLC进行编程及调试，在PLC上设有一个专门的编程接口，通过这个接口可以连接各种形式的编程器。
编程器的种类很多，常见的有便携式手持编程器、专用智能编程器，通过计算机和专用接口实现对PLC的编程。
（6）电源
一般PLC使用220V的交流电源，通过电源部件将交流电转换成供PLC的中央处理器，存储器等电子电路工作所需的直流电，使PLC能正常工作。
鉴于电梯控制输入输出口数量较多的问题，本次采用EM223型数字扩展模块进行扩展。
2.1.2工作原理
PLC是以微机为核心的电子部件，可以将它看作是一个由各种继电器、定时器、计数器及状态器组成的组合体。
PLC的输入继电器，由外部开关通过输入端来驱动；PLC内的输出继电器，带有无数内触点和外部输出触点。
此外，PLC还有如定时器、计数器、状态寄存器等“软”元件，这些元件都带有动作线圈和很多电子常开、常闭触点，可以在PLC内自由选择使用。
PLC控制系统主要由三部分组成：
输入部分、控制部分、输出部分。
输入部分由用户的输入设备如按开关、操作开关、限位开关及传感器等组成。
它们直接与PLC的输入端子相连接，用以产生输入信号，这些信号或来自电梯轿厢操纵控制板，或来自电梯井道。
控制部分是根据被控对象的实际控制要求编制用户的控制程序，并将编制好的程序通过编程器输入PLC内的用户程序存储器中，CPU反复扫描、执行用户程序，并产生各种输出控制信号，通过用户程序来实现PLC的控制功能。
输出部分主要由用户输出设备如接触器、继电器等组成，它们直接和PLC的输出端子相连，用来控制被控制的对象动作。
PLC的工作过程实质上就是执行用户程序的过程。
当PLC运行时，CPU按照分时操作原理每个周期执行一次操作，由于CPU的运算处理速度很快，使得外部出现的结果从宏观来看似乎是同时完成的，这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。
PLC的工作过程分为输入处理、程序执行及输出处理三个阶段。
（1）输入处理
PLC以重复扫描的方式执行用户程序。
在执行程序前首先按地址编码顺序将所有输入端子的通断状态（输入信号）读入输入映像寄存器中，然后开始执行程序。
在执行过程中，即使是输入状态发生了变化，但输入映象寄存器中的内容不变，直到完成一个扫描周期的输入处理才重新读输入状态。
（2）程序执行
在程序执行阶段，PLC顺序扫描用户程序。
每执行一条程序所需要的信息都是从输入映象寄存器和其他软元件映象寄存器中读出并参与运算，然后将执行结果写入有关的软元件映象寄存器中，因此各软元件映象寄储器中的内容随着程序的执行而不断的变化。
（3）输出处理
当全部的指令执行完毕后，将输出映象寄存器中的状态全部传送到输出锁存寄存器中，成为PLC的实际输出并由输出端子送出给执行器。
SIMATICPLC是德国西门子公司在1995年推出的性能价格比比较高的PLC系统。
其中，微型的有SIMATICS7-200系列，中小型的有SIMATICS7-300CN，中高档性能的有S7-400系列。
SIMATICS7系列PLC都具有模块化、无排风扇结构和易于用户掌握等优点，使得S7系列的PLC成为各种从小规模到中大规模应用的首选产品。
S7-200CN可编程控制器是德国西门子公司研制的新型可编程控制器。
它工作可靠、功能强大、存储容量大、编程方便，输出端可直接驱动2A的继电器或接触器的线圈，抗干扰能力强。
因此，能够满足电梯对电气控制系统的要求。
S7-200系列小型PLC（MicroPLC）可应用于各种自动化系统。
紧凑的结构、低廉的成本以及功能强大的指令集使得S7-200PLC成为各种小型控制任务的理想解决方案。
利用西门子S7-200可编程序控制器编写两个四层电梯的控制系统。
分别完成轿内指令、厅外召唤指令、楼层位置指示、平层换速控制、开门控制等控制任务。
具有AS-Interface总线功能的西门子S7-200CNPLC性能较好，功能强大，支持三角函数、开方、对数运算等功能；可在线编辑和监视;通过调制解调器支持远程监控；可以故障诊断，执行单次扫描，强制输出；还可以编辑变量状态表，使用多个可同时打开的窗口可同时显示信号状态和状态表。
所以基于S7-200CNPLC的电梯控制系统是一个网络化、智能化、性价比极高的控制系统。
STEP7-Micro／WIN32是S7-200系列PLC的编程软件。
可以对S7-200所有的功能进行编程。
该软件简单且易学。
其基本功能是协助用户完成应用软件任务。
例如创建用户程序，在修改和编辑过程中编辑器具有简单语法的检查功能。
还可以用软件直接设置PLC的工作方式、参数和运行监控。
同时SIMATIC系列PLCS7-200体积小巧，功能全面，适应中小型机器设备的控制。
适用于各种场合中检测、监测及控制的自动化，应用领域极为广泛，具有较高性价比，在可靠性、操作便捷性、实时
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