自动化生产线因其效率高,柔性好,慢慢的变成了现代制造业的重要发展趋势。自动化生产线将机械工程与电子工程结合,使得待加工的产品能够自动的在机械加工装置上完成预定的各个工序和工艺过程,大大的提高了生产效率,降低了劳动成本。一个典型的自动化生产的全部过程最重要的包含原料供给、自动加工装配、自动检验测试、自动包装等环节,在这些环节之间,物料(加工工件)的传输是依靠物料搬运站完成的,因此物料搬运的运行效率直接影响整个生产线PLC作为物料搬运站的控制器,以气动元件作为执行机构,详细论述了以2-自由度机械操作手为核心的物料搬运站控制管理系统和执行系统的设计,实现工件的夹取搬运放置这三个工作环节。实验根据结果得出,该装置很好的模拟了实际加工生产环节中工件的运送过程,采用移位指令编写的梯形图程序,具有一定的创新性。该设计能让学生更好的接触实际在做的工作中的整机设备,能够系统的培养电气设备的设计、组装、调试和维护等职业素养,并有效的训练了学生PLC程序设计的能力。
物料搬运站的结构示意图如图1所示,其基本功能是实现工件的抓取、搬运、放置,在这一环节中包含的动作有:气动手抓的打开与夹紧,提取模块的带动气动手抓的上升与下降,滑动模块的左移和右移。物料搬运站的结构如图1所示。
提取模块由气动手抓、薄型单活塞防转气缸组成,薄型单活塞防转气缸用于气动手爪机构的提升与下降;在其行程位置处安装有磁感应接近开关,用于判断其提升与下降运行的到位情况。气动手爪:用于夹取工件的执行机构,并在气动手爪上安装磁感应接近开关实现其张开的限位检测。 滑动模块主要由磁性耦合式无杆气缸和固定支架组成,其最大的作用是在夹取工件完成后,将提取模块输送到行程位置。在无杆气缸的两个行程位置安装有磁感应接近开关,用于判断其左移与右移的到位情况。\
物料搬运站的执行机构是气动控制系统,其方向控制阀的控制方式为电磁控制或手动控制。各执行机构的逻辑控制功能是通过PLC控制实现的。
从气源出来的气体经过二联件处理后进入到汇流板。通过相应的电磁换向阀可进入气动执行元件,分别驱动磁性耦合式无杆气缸的左右运动,薄型单活塞防转气缸的上升下降运动、气动手抓的抓料和松料动作。整个气动系统的3个气缸全部采用出气节流调速,电磁阀采用1个三位五通阀和2个二位五通阀。选用集装式电磁换向阀,将所有电磁换向阀由电磁阀岛集装在一起,以减小占用空间。物料搬运站气动控制回路原理图如图2所示。
2A为气动手抓控制回路,气动手抓的动作分为两种:2Y1得电2Y2失电,电磁阀处于左位工作,气爪处于松开状态;2Y2得电2Y1失电,电磁阀处于右位工作,气爪处于夹紧状态。
3A为薄型活塞杆防转气缸气动控制回路:3Y1得电,电磁阀切换到左位工作,薄型单活塞杆气缸伸出下降状态;3Y1失电,电磁阀自动切换右位工作,薄型单活塞杆气缸缩回上升状态。3物料搬运站软件系统设计
物料搬运站的控制要求是:当设备接通电源与气源、PLC运行后,首先执行复位动作,夹爪打开、提取模块上升到上限位处、无杆气缸驱动提取模块移动到最左端。接下来进入工作运行模式,按启动按钮,夹爪下降并夹取工件,上升后移向右工位,到达最右端后夹爪下降释放工件,之后夹爪上升并移动到最左端,等待下一个工作信号。在工作过程中设置复位、开始指示灯,用于指示系统当前的工作状态。3.1流程图设计
物料搬运站动作简单,动作主要由长行程无杆缸和气动夹爪部完成,当接受到工作指令后夹爪开始下降,下降到为后夹爪闭合,夹取工件后开始上升,上升到位后向右边横向移动到位后夹爪下降并打开,将工件放置到下一站后上升并横向左移至最左端。设计流程图如图3所示。
物料搬运站的PLC程序设计,可采用顺序控制指令实现,也可采用移位指令实现,在此根据搬运站工作流程图,采用移位指令来实现,物料搬运站PLC控制程序如图4所示。
搬运工作站设计完成后,先进性硬件的组装、电气线路和气动控制回路连接。然后用Step7编程软件编写程序并下载至PLC中进行单站调试运行。单站运行无误后,可采用PPI通讯方式与其他工作站进行联机调试。
经试验运行测试,基于PLC控制的物料搬运站可以在一定程度上完成将物料从上一工作站搬运到下一工作站的功能,还可以实现物料的自动循环搬运。在调试运行时,应该有人守侯在设备旁,时刻注意设备的运行情况,一旦发生执行机构相互冲突的事件,应及时操作保护设施,如切断设备执行机构的控制信号回路、切断气源等,以避免造成设备的损坏。
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《自动化生产线安装与调试》是工科类高等职业院校一门重要的、实践性很强的专业课程,要求学生不但能够很好的掌握自动化生产线的理论知识,(包括硬件结构,各元器件的作用,气动回路的构成,气缸的结构、工作原理),而且能够熟练的利用编程软件对PLC进行现场编程,对设备进行联机调试,在设备运行过程中能够自主并且快速的确定并排除故障。目前随着我国自动化生产线的不断发展和完善,大中型企业在生产中使用生产线的比例不断提高,所需要的人工操作岗位越来越少,也就是说所需要的熟练操作工人数量在不断减少,柔性自动化设备的操作和维护人员的比例在不断的提高,这就需要培养出理论和实际操作能力都很强的高素质技能型人才,而高等职业教育的特点是既重视讲授理论知识,又突出实践操作技能的训练,以培养高素质技能型人才为目标。实践操作训练主要形式是实验实训教学。从2003年评估开始,很多高职院校都陆续建立了自动化生产线实验室,花费巨资购置了自动化生产线实验实训设备。但通过这几年的调研和教学发现,在实现实验教学计划及教学实施过程中存在一些问题:
《自动化生产线安装与调试》课程的实践环节主要包括相关实验和实习,但目前很多院校因为设备、场地、课时分配等原因不能保证足够的实践教学,教学内容和教学计划都过于“理论化”,没有突出课程“实践性”和“应用性”的教学特点,不利于实现本课程在高职院校中的教学目标。
目前各院校都加强了实验室建设,购买大量的实验设备,但随着各院校招生规模的扩大及实践教学环节的加强,需要的实验设备缺口很大,而一台实验设备动辄几十万,大部分高职院校由于经费有限,购置的生产线设备仍不能满足教学需求,有的学校甚至没有相关的实验设备。
很多院校购置了生产厂家生产的成品实验装置,而这些设备往往和实际教学脱节,有的设备功能单一,结构简单,只能进行“简单验证式”和“非真实器件模拟”的实验,不能使学生深刻理解生产线的工作原理,全面了解真实的控制过程,不能实现学生毕业后“零距离上岗”的最终目标。
在一些学校至今仍沿用老师编好详尽的实验指导书,讲固定的程序,缺乏多模式多层次的实验教学方法,而学生“依葫芦画瓢”,学生只需要进行简单的程序输入就可以完成实验,不能达到培养学生创新思维和综合职业能力的目的。
因此,我们急需设计一种综合性强,价格低廉,能够培养学生创新思维和综合职业能力,在同行业中各项技术和指标都比较先进,既能做各种模拟演示实验又能展示工厂实际生产过程的自动化生产线综合实验台。同时结合我们的实验台,要调整实践和理论课时的比例,加强实践教学环节,调整实验内容,使其能更好的完成对于高素质技能型人才的培养目标。
在我国,高等职业教育规模已经很大,高职院校有1000多所,大部分院校由于教学经费问题,不能及时的更换或者购买最新的实验设备,导致教学实验台和工厂实际的生产线存在着不小的差距,从而直接影响到高职学生的就业和择业,而本课题将研究设计一种自动化生产线实验平台,达到以下目标:
(1)具有综合性和真实性:既能做自动化生产线真实过程的展示实验,又能做PLC一般演示实验,能解决高职院校实验设备不合适的问题。
(2)具有可开发性:可以根据实验情况,引出PLC的I/O插口,为平台开发出其他实验,由学生自己动手,设计实验项目,调动学生自我能动性,进行设计开发,可以解决实验教学方式呆板落后的问题。
(3)能真实展现自动化生产线工作的实际过程,同时学生可以自主设计设备动作过程和动作顺序,通过动作过程和动作顺序,自主设计出相应的控制程序,以提高学生的动手能力和PLC编程能力;
[1]李斯兴 加强技能素质培训 培养高等技术应用性人才。 职教纵横,2001
水泥大规模集成自动化生产过程是一个复杂的理化反应过程,不仅其调控系统具有大惯性、纯滞后、非线性等特点,同时整个生产线的运行工况较为复杂多变、设备相互间联锁众多、各种检测信号间相互影响较大,如果采用常规的现地人工控制或继电器仪表静态监视控制,很难达到现代化水泥生产工艺自动化控制要求。本文针对水泥生产线自动控制需求,采用以PLC可编程控制器为核心的DCS控制系统,设计具有面向水泥全厂总生产过程在线监控的全厂计算机监控系统,通过实现水泥生产全过程各阶段动态监控管理一体化,使水泥在生产过程中不仅具有先进的过程控制自动化水平,同时为水泥生产管理信息化提供重要信息源。
水泥生产线中主流控制系统依然以PLC+DCS控制系统为主,且PLC+DCS控制系统将会在很长一段时间内在水泥全集成生产线中发挥非常良好的应用效果。尤其在网络集成集约化功能需求的当今,具有联网数据信息通信共享的PLC控制器已成为控制系统的核心,能够有效支持现场总线协议,实现水泥生产线中DCS与PLC在全过程在线监视控制系统中的有效集成。根据现代化水泥集成自动化生产线实际功能需求,笔者提出一套水泥生产线全过程各环节计算机在线监控与管理方案,全线采用具有联网通信功能的PLC控制器+DCS构筑完善的水泥生产线在线监控系统。基于CAN总线的水泥生产线全集成自动化控制系统总体方案如图1所示。
从图1可知,以PLC为核心的现场站完成控制系统各环节中的模拟量/数字量数据采集和集中控制功能。工程师站和操作员工作站主要实现在中控室对现地所有监控设备远程操控、故障报警、运行状态仿真显示、运算数据分析存储、统计分析报表、趋势显示,可以根据系统运行需求和调控要求定时或随时打印出监控人员所需的各种运行工况状态数据信息。可设总工程师和厂长指挥信息管理系统、生产调度系统等,使总工程师和厂长能够实时掌握和了解现场水泥生产线的运行工况状态,便于其制定科学合理的调控决策,提高全厂科学合理、高效经济的管理水平。
根据水泥生产线操作、监视、控制等实际功能需求,在全集成自动化控制系统设计过程中力求功能结构的简明清晰、投资性价比较高、运行安全可靠性较高、功能集成完善的特性,按照分层分布式结构构筑控制系统结构。控制系统按照功能结构要求,分为现场设备层、过程控制层、以及主站监控层三层。现场设备层通过过程控制层通信网络与主站监控层进行数据信息的实时共享。采用光纤以太网技术,通讯速率可以达到100Mbps,同时具有非常良好的抗干扰能力。数据采集系统采用成熟的SuperInfo2.0数据采集智能模块,其可以满足水泥生产线自动控制系统数据信息接口、实验室调速数据接口、人工输入数据接口等相关工单元共同构成,其中自动控制系统数据接口主要采集水泥生产线中已运行和正在实施的DCS分散集控系统、PLC现地控制单元等控制系统中的实时运行数据信息,同时按照扩容扩展功能需求预留控制系统与其它系统间交互通信的接口,接口均按照网络通信协议要求配置独立网关模式,通过TCP/IP网络通信协议就可以完成不同控制系统间的网络连接。
从图1可知,水泥生产线中的现场监控设备较多,需要采集的数据信号量种类较繁杂、数量较多,主要包含压力、流量、电流、转速等信号。数据采集智能模块先通过内部A/D模数转换单元,将压力、流量等模拟量信号转换成计算机能够识别的标准点信号后,通过通信通道远程传送到水泥生产线集控中心,同时主站监控系统通过网络通信信号直接额接收现地PLC控制单元发出的对应控制信号,实现对现地设备系统的远程监视调控。由于水泥生产线较大,有些信号传输距离较远,且现场电磁干扰较为严重,所以在控制系统设计时其现场检测信号宜采用4~20mA标准直流信号表;而温度测量点是水泥生产线控制的核心,其温度传感器集中布设在烧成部分,且温度范围在100~1200℃大范围内波动,因此选用K和E分度的热电偶和高精度的温度控制器。
由于水泥生产线全集成自动化控制系统中的数字量、开关量约占控制系统总输入输出接点数的80%左右,同时整个控制过程主要以顺序控制、连锁控制为主,因此,控制系统在设计时选用三菱A系列PLC作为整个水泥生产线过程控制层的控制站,以完成对现地设备数据信息的集成整理和主站控制层控制命令的远程传达。
主站监控层主要完成整个水泥生产线的模拟仿真显示、过程状态监视、运行数据记录分析处理、运行趋势分析、远程操控等功能。主站监控层除了上述多种的可视化服务功能外,还可以通过计算机自动分析形成对应的操控决策,通过通信网络将相应远程操控命令传输到现代操现地电机和各种电器设备,远程操控完成电机的顺序启动、顺序停车、以及事故紧急停车等远程操作。
水泥生产线全集成自动化控制系统中各控制子系统大多具有非线性滞后特性。非线性多变量滞后系统的回路间通常需要相应功能的耦合匹配,因此常规现地分散控制很难满足水泥生产线集成自动化控制功能。采用神经网络的BP“自学习训练”算法,通过对NNC加权处理完成对非线性多变量滞后系统的实时调整,使水泥生产自动控制系统具有较强适应性和自整定特性,进而达到全集成自动化控制功能。
水泥生产线全集成自动化控制系统,是结合水泥企业实际生产功能进行开发设计,能在水泥企业实际生产线中成功应用实施,能够满足现代化集成大规模水泥生产要求,有助于节省原料和能源量消耗,提高控制系统数据信息综合利用效率,确保控制系统高效稳定的运行,降低单位产品的综合生产成本,显著提高了水泥生产企业水泥生产的社会经济效益。与改造实施前相比,吨水泥所消耗的能源资源下降了5%,产量提高了65%,设备运转率提高了5%,工人劳动强度大大降低,所取得的社会经济效益相当可观,具有非常好的应用前景。
水泥生产现代化、集成化、集约化功能需求,发展基于PLC+DCS总线的全集成自动化控制系统以及生产流程的智能自动化控制算法,将成为水泥行业自动化研究发展的重点。在控制系统设计过程中,只有真正了解水泥生产工艺流程和物料特性,并优选先进而成熟的监控设备和软硬件系统,才能确保水泥生产系统达到全集成高自动化程度,推动水泥企业安全可靠、节能经济的进行水泥产品生产。
计算机控制系统的发展是人类科学技术不断发展的产物,科技的进步与发展,技术的创新与改善,对控制系统的要求逐渐提高,精密仪器的生产过程以及微电子技术的制造都要求一套成熟而缜密的计算机控制系统,计算机控制系统需要有处理复杂程序、进行精密控制的能力,计算机控制系统的发展需要依托先进的计算机技术、强大的自动化控制为基础,计算机控制系统对工业自动化生产具有开拓意义。企业应用计算机控制技术进行优化生产结构,将会为公司扩大生产、提高生产效率。
自动控制与计算机技术是计算机控制的基础,计算机科学技术的发展为控制技术的进步带来便利。自动控制技术在工业生产中应用广泛,在计算机控制技术中需要自动控制、传感设备、网络通信、总线传输、系统软件的支持。在科技发展过程中,自动化生产设备不断更新,有效减少了员工的身体负担,提高了企业的生产效率,工业化程度不断提升。工业生产中的自动化技术含量不断提高,使用计算机控制系统在工业化生产过程中可以有效提高生产效率,增加安全性,提高产品质量,有效减少能源和原材料的消耗。
自动化生产线是生产过程的流程路线,整个过程由原料输入、加工筛选、运送原料、装配元件、检验成品一系列生产线活动所构成。基本的工业化生产线需要按照原料进行分类处理、生产加工、成型检测,按照产品的生产流程、产品设备,负责操作的工人进行不同工艺的加工
可编程计算机控制器(PLC)技术有效推动了工业自动化的飞速发展,可编程控制器(PLC)可以取代继电器实现对逻辑控制器的控制,随着计算机控制设备的发展,PLC完善的功能设置,已经可以超越逻辑控制器的功能,PLC使用了分时多任务功能,可以进行并行的实时控制与操作。
PLC的硬件具有标准化的特点,产品丰富,可以适用于各个生产过程的使用,硬件功能强,产品种类多,方便构建各种范围大小的控制系统。只要在PLC的终端上接入输入输出信号组件就可以构建一个PLC的控制系统。更改一个控制系统只需要使用编程器修改程序即可,根据输入输出组件和应用软件的不同,PLC硬件设备可以控制不同的选定目标。
自动化生产中的现场总线是数字化通信的测量控制设备,在自动化生产的现场使用,广泛应用于自动化制造业,现场总线使用专用处理器置入传统的测量控制器中,具有数字计算和数字通信能力,现场总线使用简单的双绞线作为通信介质,可以使多个测量控制器与计算机网络直接对等连接,自动化生产线的现场总线把分散的测量控制器变成网络探测节点,联机完成自动控制。如现场总线使自控系统与设备之间具有了互相通信实时分析的能力,经过连接网络系统,可以在信息网络及时发现异常,使企业的自动化生产信息沟通更加便利。自动化系统结构使用现场总线技术是企业自动化生产的趋势,现场总线在进行设备数据交换、实时更新数据、显示信息等方面具有方便灵活的特性。
第一,开放性是自动化系统具有的特点,现场总线系统具有公开性和开放性的特点,开放性的系统可以连接任何的设备和系统,以此保证设备运行正常,用户可以根据实际需求,组装不同的系统和设备进行工作。
第二,自动化系统具有可操作性和互用性,自动化系统设备之间构成了互相连接的设备和系统之间的数据沟通和传送,不同的生产设备可以实现设备之间相互代替和
第三,自动化系统现场总线的智能性和功能自治性,现场总线通过传感设备,监控分析处理分散在现场的设备,利用现场的设备可以能完成设备的自动控制,随时诊断系统和设备的运行状态。
随着计算机科学技术的进步,工业自动化程度不断的提高,计算机控制技术在自动化生产线上的应用将更加智能化。在计算机信息技术得到空前繁荣的同时,企业的自动化生产线更加优化,在现实应用中更加的便捷,这样将有效推动高效产品生产事务的发展,有效减少重复事务的工作量。计算机控制技术在自动化生产线上,重点强调通用性和灵活性的特点,有助于提高生产系统的生产效率,节约设计成本,提高运行质量。
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作为汽车整体结构中的重要一环,汽车底盘件的质量优劣将会直接影响到汽车的安全性能。汽车底盘件对焊接技术的要求十分严苛,生产线上的任何失误均有可能引发严重后果。机器人焊接自动化程度高,具备良好的柔性,可按照不同指令完成各类规格产品的焊接工作。为充分发挥出机器人的柔性特点,提高生产效率与质量,充分结合汽车底盘机器人柔性焊接生产线的设计要点,对其进行不断的优化与改良很有必要。
机器人生产线的组成部分主要包括机械系统与控制系统两大板块,机械系统涵盖机器人焊接防护房、两套专用夹具、机器人本体以及一系列周边设备;控制系统则主要涵盖机器人控制系统、周边设备识别与控制系统、人机界面等。在对机器人焊接生产线的相关设备进行设计时,应对机器人焊接生产线的工作需求进行充分考量。从焊接生产线的工作需求来看,设计出的机器人焊接生产线不但要能够顺利完成生产活动,还要确保具有一定的柔性特点,同时能够为焊接产品的质量提供可靠保障。
考虑到前车架工件焊接长度长,工作量大,易在焊接过程中,产生大量热能,因此,夹具设计的合理性十分关键,倘若夹具设计不够合理,焊接后的成品非常容易发生变形,产品尺寸精度明显会发生改变。所以,夹具设计是机器人焊接生产设计中的重要环节。在对焊接夹具进行设计时,需要格外注意这几个方面的内容:①通过标准化、模块化设计,实现电控气动加紧定位。②于长焊缝的定位夹紧部位,使用整体铜材,采取通水冷却的方式,进一步增强生产线的散热能力。③使用具有自动锁定功能的压紧气缸。④提高总成夹的刚性,以满足生产线对压紧力的需求。另外,为避免焊接成品发生变形,提高产品尺寸的精度,机器人生产线应采取双机器人协调的方式,同时进行焊接活动,尽量减少误差。为提高机器人工作的安全性,可在机器人生产线四周添加防护措施,在机器人与回转台间设置弧光挡板,以减轻对其他操作者的干扰。
主控系统可充分利用PLC控制技术,并设置远程操控装置,以实现对机器人生产线一体化控制。PLC选择SIMATIC S8-500,利用Profibus DP总线S远程模块相连。在这样的系统环境中,现场接线数量明显减少,系统稳定性明显增强。另外,ET500S具备热插拔与延伸性特点,能够大大简化系统后期维护保养工作。同时,ET500S极高的自动识别功能,可以在一定程度上完成对系统各环节的动态检测,一旦系统中的任一环节出现故障均能尽快发现。PLC程序使用的是结构化方程编制,每一个子程序均具备特有的功能。在生产不同规格的汽车底盘件时,仅需通过适当调整便能实现。同时各类不同规格产品的生产动作完成后,可永久储存,在有需要的时候可调处历史记录直接使用。
经优化后的机器人焊接生产线具有极强的互换性特点,通用性强,能够在短时间内根据生产需求,调整生产模式,最大化满足多元化产品的生产需求。工装夹具与安装支座的连接更加标准化,水、电、气均采用的是快装接头,能最大化提高生产效率。此外,机器人本身具有极强的互换性特点,柔性强,能够自由转换。焊接生产线中,设有一个公用底板,底板上各方向均具有规格为8t的叉车搬运孔,有效提升了搬运的便捷性。采取柔性控制,在调整夹具的过程中,系统会对人工选择进行识别,识别通过则自动转换焊接程序,识别不通过则出现更换提示,要求工作人员重新选择,有效提高了工作的精确度。
为提高机器人焊接生产线的安全性,经优化的机器人焊接生产线设立封闭机器人焊接防护放,并配备了焊接烟尘净化装置,有效减少了烟尘对机器人生产活动的影响。韩解放均设有自动卷帘门,在焊接环节中自动关闭,以免焊接弧光或火花对人体或机器设备造成损害。于卷帘门的上设置到位开关,方便工作人员更为清楚地掌握卷帘门的工作动态。另外,在门的开关部位设置位置锁,以免装置出现松动,卷帘门异常活动等现象。于自动卷帘门外侧设置安全光,在生产线正常运转的情况下,当检测到有人进入工作环境内或夹具操作环节有人,机器生产线.案例分析
以某越野车底盘构件为例,某越野车底盘构件形状为“口”字型组焊接构件,冲压件材料厚度3~5mm。材料具有极强的回弹性,不易成型。组焊件各零部件配合间隙要求最高不可超过1mm。考虑到产品机构较为复杂,因此在生产的全部过程中,要求各配件孔位尺寸精度偏差最高不可超过0.5mm。结合前车架总成焊接的工艺特点,将该底盘构件分级呈A部横梁总成、B部横梁总成以及左右纵梁总成三部分,各部分总成分别焊接后在进行整个底盘构件的总成焊接。为避免变形,增强总成刚性,提高产品尺寸精度,底盘构件左右纵梁总成与A部横梁总成焊接前,均对各组成部件进行了点定,并将焊接流程为:首先对A部横梁总成、左右纵梁总成以及B部横梁总成进行拼焊;然后进行支架与底盘件的总成焊接。结合焊接件的特点,工艺上选取的是工件预留变形焊接量,利用调整机器人焊接生产线的控制程序,提高了焊件受热的均匀性,有效降低了变形风险。完工后部件尺寸精度均满足使用标准,经初步评估鉴定为合格产品。
综上所述,在机器人焊接生产线的辅助下,汽车底盘件的生产效率与质量均获得进一步的提升。机器人焊接生产线的设计是提高产品生产效率与生产质量的关键,作为汽车底盘件生产的发展法相,机器人焊接生产线具有良好的应用前景。今后,有关该课题的研究还应进一步跟进,争取通过对机器人焊接生产线的不断优化,促进汽车底盘件生产的基本工艺的不断进步。
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