PLC控制系统研究毕业论文要点.docx
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PLC控制系统研究毕业论文要点
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本科生毕业论文（设计）
题目：
PLC控制系统研究
内容摘要
在可编程控制器诞生之前，继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用，随着生产规模的逐步扩大，大规模和超大规模集成电路的迅速发展，以16位和32位微处理器构成的微机化可编程控制器得到了惊人的发展，使之在概念上、设计上、性能价格比等方面有了重大的突破。
可编程控制器具有了高速计数、中断技术、PID控制等功能，同时联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程控制器的应用范围和领域不断扩大。
本文从可控编程器PLC的研究背景与意义出发，首先讨论了PLC的发展现状与发展趋势，接着，详细讨论了PLC的定义和各种优点，PLC控制系统的特点和生产厂家，进而研究了PLC控制系统的设计原则和主要步骤，最后，列举了PLC控制的恒压无塔供水系统的具体实现过程，熟悉了整个PLC控制系统的设计及硬件和软件系统，文章具有一定的指导意义。
关键词：
可控编程器；PLC；设计；恒压无塔供水系统
1绪论
1.1课题的背景及意义
PLC是现今最常用的控制设备，几乎可以完成工业控制领域的所有任务。
其实，现在的PLC对模拟量也有很强的处理能力。
所以在大多数工业控制系统中，PLC已取代工控机（IPC）作为主控器来完对成复杂的工业自动控制任务。
目前世界上着名的PLC生产厂家有美国的AB通用电气公司、日本的三菱、欧姆龙、德国的西门子以及法国的施耐德等等。
PLC自产生后，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，为控制行业带来了新一轮的革命。
20世纪20年代起人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统的继电接触器控制系统。
由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位。
但是以各种继电器为主要元件的电气控制线路可能需要成千只继电器来构成，需要使用成千上万根导线来连接，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。
运行时，又产生大量的噪声，消耗大量的电能。
为保证控制系统的正常运行，需要安排大量的电气技术人员进行维护。
系统出现故障，排除故障又非常困难。
尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或控制柜，系统改造的工作量极大。
所以通用性和灵活性较差[1]。
到20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入、输出电路不匹配和编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。
20世纪60年代末，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求加工的生产线亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置。
为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，1968年美国通用汽车制造公司（GM）公开招标，对控制系统提出具体要求，归纳其要求，其核心是：
该设备要使用计算机技术，能让以前的电气技术人员很容易掌握的编程语言，该设备与被控制设备连接方便，不需要使用特别的供电方式。
根据这些要求，美国数字设备公司（DEC公司）于1969年研制开发出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14,并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功。
当时人们把它称为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC,可编程序控制器由此诞生。
由于它主要用来取代继电接触器逻辑控制，系统功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等。
PLC诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，日本、德国、法国等国家也相继研制成各自的PLC.PLC自问世以来，经过近40年的发展，在美、德、日、法等工业发达国家已成为重要的产业之一。
世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。
产量产值大幅度上升而价格则不断下降。
1.2发展现状及趋势
1.2.1发展现状
目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理。
如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。
现在，世界上有200多家PLC生产厂家，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色。
其中，美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。
欧洲PLC产品主要制造商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司。
日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，韩国的三星（SAMSUNG）、LG等，这些生产厂家的产品占有80%以上的PLC市场份额。
经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，国内PLC应用市场仍然以国外产品为主。
国内公司在开展PLC业务时有较大的竞争优势，如：
需求优势、产品定制优势、成本优势、服务优势、响应速度优势。
1.2.2发展趋势
随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。
（1）在产品规模方面，向两极发展。
一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC。
以适应单机及小型自动控制的需要。
另一方面，向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展。
随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高，要求用户存储器容量也越来越大。
（2）向通信网络化发展
PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。
PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。
目前，PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。
各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。
PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的组成部分。
（3）向模块化、智能化发展
为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来，PLC厂家先后开发了不少新器件和模块，如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了PLC的应用范围，还提高了系统的可靠性。
（4）编程语言和编程工具的多样化和标准化
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。
PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP（制造自动化协议）靠拢，使PLC的基本部件，包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化。
1.3本文的主要内容
本文研究的是PLC控制系统。
全文共分为五章，各章内容简介如下：
第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；
第二章是PLC的简介，主要介绍了PLC的定义，优势以及PLC可控编程器的组成，工作原理和生产厂家；
第三章是全文的重点，只要介绍了PLC控制系统设计时应注意的主要问题，主要探讨了设计原则和设计步骤；
第四章举出PLC控制系统应用的一个例子，即PLC控制的恒压无塔供水系统的具体实现过程，对PLC控制系统的设计更加熟悉；
第五章是全文的总结。
本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。
2PLC简介
2.1PLC的定义和特点
2.2.1PLC的定义
PLC的全称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
根据1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做如下定义：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的操作指令，并通过数字式或模拟式的输入/输入控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计[2]。
2.2.2PLC的特点
PLC是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的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，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。
用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
可编程控制器具有如下特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
为确保一些极其重要用户使用在极其苛刻条件下，部分PLC厂商采用硬件或软件冗余措施，使PLC的平均无故障工作时间更长。
同时，现有PLC通常都带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息，提供用户使用。
这样，整个系统具有极高的可靠性。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
随着科学技术的进步和电子技术的发展，PLC厂商也大力发展PLC硬件和软件技术，形成了大、中、小各种规模的系列化产品，用于各种规模的工业控制场合。
不仅完善了逻辑处理功能，而且还有完善的数据运算能力，用于各种数字控制领域控制。
同时，随着PLC的功能单元大量完善，PLC可用于位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制场合中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，接口简单，编程语言易于为工程技术人员接受，其梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
（5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.2PLC控制系统的构成
PLC控制系统由硬件部分和软件部分组成。
对于整个PLC控制系统来说，其硬件部分不仅包括选择符合控制要求的PLC机型、存储器容量、电源模块、输入/输出模块、通信模块、模拟量输入/输出模块和特殊功能模块等，还应当包括选择合适的可编程控制器外围装置、设备与接口，如输入设备（控制按钮、开关、传感器等）、执行装置（接触器、继电器等）和由执行装置控制的现场设备（水泵、鼓风机、阀门等）。
其系统结构如图2-1。
图2-1PLC的系统结构
（1）中央处理器
中央处理器（CPU）是PLC的核心部分，它通过系统总线与用户存储器、输入/输出（I/O）、通信端口等单元相连。
通过制造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。
其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、调用系统程序对用户程序进行编辑或编译并把相应的操作数转存到内存中去、从存储器上读取和执行程序，还可以进行PLC内部故障的诊断等。
（2）存储器
根据存储器存储内容的不同，把存储器分为：
系统程序存储器：
用来存放系统程序的存储器。
系统程序相当于计算机操作系统，主要包括检查程序、编译程序和监控程序，是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。
用户程序存储器：
用来存放用户根据控制要求编制的程序。
不同类型的PLC，其存储容量也不一样。
数据存储器：
用以存放PLC运行中的各种数据的存储器。
因为运行中数据不断变化，所以这种存储器必须可读写。
（3）输入/输出（I/O）单元
输入/输出（I/O）单元是PLC与外部设备连接的纽带。
输入单元接收现场设备向PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。
输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备的。
（4）电源部分
不同型号的PLC有不同的供电方式，所以PLC电源的输入电压既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。
PLC内部使用的电源是整体的供给中心，它的优劣直接影响到PLC的功能和可靠性，因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。
（5）通信端口
PLC的CPU模块上至少有一个通信端口。
通过这个通信端口，PLC可以直接和编程器或上位机相连。
（6）编程器
几乎每个PLC厂家都有自己的编程器。
用户通过编程器来编写控制程序，并通过编程器接口将自己的控制程序输入到PLC。
它还可以在线检测程序的运行情况。
软件部分主要包括对PLC进行I/O点地址、内部继电器、定时器、计数器等的分配，PLC控制程序的设计（梯形图、语句表、流程图等），还有一些技术文件等。
2.3PLC工作原理
当PLC投入运行后，整个PLC其工作过程一般分为三个阶段：
即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
PLC的扫描工作过程如图2.2所示。
图2.2PLC的扫描工作过程
1）输入采样阶段
在PLC上电自检后进入输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有现场设备的输入状态和模拟量数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的锁存器单元内。
2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段[3]，CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到遇到结束。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
在输入采样、输出刷新的这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2.4PLC主要生产厂家
从20世纪70年代初开始,在30多年的时间里，PLC的生产已发展成一个巨大的产业，曾出现PLC生产厂家众多、PLC品种繁多，而且与个人计算机（PC）相比，PLC的硬件、软件的体系结构都是封闭的，在硬件方面，各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用，在软件方面，各厂家的PLC编程语言和指令系统的功能和表达方式也不一致，形成了互不兼容的现状。
纵观生产PLC的众多厂家中较有影响力的、在我国市场占有较大份额的公司及其产品主要情况如下[4]：
1）美国A-B公司。
主推PLC-5系列大型PLC，其CPU模块主要有PLC-5/10、5/11、5/12、5/15、5/20、5/25、5/30、5/40、5/60、5/250等。
小型PLC主要是SLC-500。
2）德国西门子（SIEMENS）公司。
主要优势在大型机S5-115U、S5-135U、S5-155U；其中机型S-100U也是很好的产品。
历史上SIEMENS的产品素以优良的品质和高昂的价格著称，为了改变其形象，占领新的市场份额，近年来该公司相继推出了小型机S7-200和S7-300，已经给该公司带来了新的声誉。
3）美国的GEFANUC公司。
其有优势的产品是90系列PLC：
90-70、90-30、90-20和分布式I/O系统GeniusI/O等。
4）日本OMRON公司。
其产品主要有3个系列：
属于Micro机种的SP系列——SP10、SP16、SP20；低档机P系列——C20P、C28P、C40P、C60P和C20板式机；较P系列处理速度提高一个量级，有的还与上位机有通信联网能力的H系列机，如C20H、C28H、C40H、C60H、C200H、C1000H、C2000H。
到了20世纪90年代初期，OMRON公司又推出了全新的模块式CMQ1机。
5）日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）。
主要是F系列和A系列两个系列。
F系列是整体式结构的小型机，较新的产品有F1、F2、FXO、FXON、FX2、FX2C，其中主推FX2。
A系列是模块组合式中大型PLC，又分3个小系列，主要包括A1N、A2N（S1）A3N；A1S（S1）、A2S（S1）、A2AS（S1）、A（S1）、A3A。
3PLC控制系统设计的原则步骤
3.1影响PLC控制系统的因素
PLC控制系统通常由PLC和生产现场设备组成。
PLC包括中央处理器、主机箱、扩展机箱及相关的网络与外部设备；生产现场设备包括继电器、接触器、各种开关、极限位置、安全保护、传感器、仪表、接线盒、接线端子、电动机、电源线、地线、信号线等。
它们当中任何一个出现故障都会影响系统正常工作。
因此,分析其对系统可靠性影响的程度,是进行可靠性设计、提高控制系统工作可靠性的重要依据。
就PLC本身而言其工作可靠性是非常高的。
以三菱的F1,F2,FX系列为例。
据称其平均无故障工作时间可达30万小时。
有资料表明,在PLC控制系统故障中,PLC的故障仅占系统故障的5%,PLC控制系统的故障主要发生在生产现场设备中,通常占系统故障的95%；与PLC相接的输入、输出设备的可靠性是影响PLC控制系统可靠性的主要因素。
3.2PLC控制系统的设计原则
对于一个电控系统来说,可靠性设计的主要任务是预测和预防系统所有可能发生的故障，确定系统潜在的隐患和薄弱环节,通过设计预防和设计改进,有效地消除隐患和薄弱环节,使系统达到规定的可靠性要求。
可靠性设计的方法通常包括:
制定和贯彻可靠性设计准则、元器件、零部件的正确选择与使用、降额设计、冗余设计、耐环境设计、热设计、电磁兼容设计、动态设计（健壮设计）等内容。
PLC作为一种高可靠性的控制装置,在其所组成的控制系统中,系统的可靠性主要取决于与它的输入、输出端相连接,处于生产现场的输入信号元件、输出执行元件的可靠性。
因此,采用高质量的元器件,对故障率较高的元器件进行状态监控和故障诊断,充分利用PLC内部丰富的软元件代替某些元器件或者屏蔽输入的误信号,对关键部位采用冗余设计以确保工作可靠等,都是提高PLC控制系统可靠性的有效措施[5]。
（1）尽量使用成熟技术和高质量元器件,防范和化解故障风险
所谓“成熟技术”，是指所选用的PLC和类似的系统设计,经历过一定的生产实践考验,设计人员对需使用的技术有经验或有掌握它的能力。
一般来说,设计一个PLC控制系统,使用的成熟技术要占75%以上。
因为控制系统一旦投入运行,就很难有机会反复修改。
在设计的硬件电路和软件程序中,如果存在某种欠缺,可能一直隐藏在系统中,不为人知。
当遇到使其发生破坏作用的条件时,后果就非常严重了。
只有选择高质量的元器件,才能使系统达到高的可靠性要求。
元器件的可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。
固有可靠性主要靠元器件的设计和制造来保证,使用可靠性则靠设计者正确的选择和使用来保证。
因此,必须重视正确选择和使用元器件,优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途且供应渠道可靠的标准元器件。
（2）设计故障检测程序,提高系统工作可靠性
控制系统工作循环各工步的运行一般都有严格的时间规定,以这些时间为参数,在要检测的工步动作开始的同时,起动一个定时器,监测其工作状态。
定时器的设定值,为该工步动作所需要的最大可能时间。
若动作在规定时间内完成,发出一个完成信号,使定时器清零,表明监控对象工作正常；否则,发出报警信号,停止正常工作循环程序。
在PLC控制系统工作正常时,各输入、输出信号和中间记忆装置之间存在确定的逻辑关系,一旦出现异常逻辑关系,必定是控制系统出现故障。
因此,可以预先编写一些常见故障的异常逻辑程序加到用户程序中。
（3）利用PLC内部定时器,屏蔽输入的误信号
PLC经常用于控制生产机械的运动。
有些机械的运动速度均匀,运动行程与时间关系确切。
以自动循环控制中某行程开关为例,在每一个循环中,它总是在同一时刻动作,发出信号。
由于现场工作条件恶劣,实际操作中可能因为振动等原因产生信号,使系统误动作。
如果编程时,用两个内部定时器,限定PLC只在该开关正常发信号的时间内采样,屏蔽掉其他时间内可能发出的误信号,就可提高PLC输入信号的可靠性。
（4）PLC内部定时器与外部元器件结合,对某些关键部位进行双重保护
为了提高PLC控制系统的可靠性,对关键的故障或关键的部位要在硬件和软件上设置双重保护。
以某自动焊接机的燃烧供气系统控制为例,燃气（乙炔或丙烷）的关火顺序（先关燃气,后关氧气）不能颠倒,否则可能回火,引起爆炸。
通常氧气延时关断的时间由外接的时间继电器K来调定。
但是,如果该时间继电器本身故障或操作失误导致氧气关断延时太少,就可能颠倒关气顺序。
为确保燃烧供气系统安全可靠,可设定一个PLC内部定时器T0作氧气延时关断的双重保护。
正常时,氧气电磁阀由外部继电器KT控制,若KT发生故障或设定时间太短,T0会自动使氧气电磁阀延时关断,起到双重保护的作用。
（5）合理配置PLC及其硬件和软件资源冗余
在设计中、大型PLC控制系统时,可能要采取多种方式的冗余,以确保系统运行可靠。
如在核电站、有毒有害的化工生产环境,中央处理器的双机热备、冷备冗余,是最常见方式。
另外,双系统冗余即中央处理器和全部输入/输出、组网通信完全冗余
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