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PLC控制的抢答器设计毕业论文设计完整版


学号:2012203264

咸阳职业技术学院

毕业论文 ( 设计 )
基于 PLC 控制的抢答器设计





陈杰 机电一体化 PLC 技术技术 李锁牢 2014 年 10 月

学科专业 研究方向 指导教师 完成时间

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一、摘要(含关键词) ??????????????????????? 3 二、前言?????????????????????????????4 三、主要内容 第一章 整体方案的选择?????????????????????? 5 1.1 整体功能介绍 1.2 控制要求 ???????????????????????? 5

?????????????????????????? 5 ???????????????5

1.3 用单片机和 PLC 分别做系统的比较

1.4 控制特点分析 ?????????????????????????7 1.5 PLC 机型的选择步骤与原则 ???????????????????7 1.6 抢答器流程图 ?????????????????????????8 1.7 程序中所使用的 FX 系列 PLC 的编程元件介绍???????????10 第二章 软件设计?????????????????????????12 2.1I/O 分配 ???????????????????????????12

2.2 程序运行过程分析 ???????????????????????13 致谢???????????????????????????????15 参考文献 ????????????????????????????16

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[摘 要]本文介绍了利用三菱 FX2N 系列 PLC 对知识竞赛抢答器的控制, 阐述了控制方案。实现抢答器功能的方式有多种,可以采用早期的模 拟电路、数字电路或模数混合电路。近年来随着科技的飞速发展,单 片机、PLC 的应用不断地走向深入,同时带动传统的控制检测技术的 不断更新。本文采用日本三菱公司生产的 FX2N-48MR 型 PLC 作为核 心控制器进行四路抢答器系统的设计,并且设计出了系统结构图、程 序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案。同时根据知识竞赛抢 答器的控制要求和特点,确定 PLC 的输入输出分配,并进行现场调试。

关键词:

PLC

知识竞赛抢答器

PLC程序设计

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前言
可编程控制器(PLC)是一种新型的通用自动化控制装置,它将传统的继电 器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,具有控制功能强,可靠性高,使 用灵活方便,易于扩展等优点而应用越来越广泛。可编程控制器(Programmable Logic Controller)即 PLC。现已广泛应用于工业控制的各个领域。他以微处理 为核心, 用编写的程序不仅可以进行逻辑控制, 还可以定时, 计数和算术运算等, 并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。美国电气制造 商协会经过 4 年调查,与 1980 年将其正式命名为可编程控制器(Programmable Controller ) ,简写为 PC 。后来由于 PC 这个名称常常被用来称呼个人电脑 (Personal Computer) ,为了区别,现在也把可编程控制器称为 PLC。 抢答器是作为一种电子产品,早已广泛应用于各种智力和知识竞赛等场合, 但目前所使用的抢答器有的电路比较复杂不便于制作,可靠性低,实现起来很困 难。随着电子技术的发展,应用系统向小型化,快速化,大容量,重量轻的方向 发展。而 PLC 具有通用性强,使用方便,适应面广,可靠性高,抗干扰能力强, 编程简单等特点,且以微处理器为基础,综合了计算机技术,自动控制技术和网 络通信技术等现代科技技术而发展起来的一种新型工业自动控制装置, 是将计算 机技术应用于工业控制领域的新产品。 由于 PLC 具有的优点及特点,使我们编程灵活,系统安装和维修简单,却在 抢答器的制作时能够更加方便和精确, 是竞赛真正达到公平, 公正, 公开。 同时, 随着时代的不断发展进步, 抢答器不断的在知识性,娱乐性和趣味性的比赛中出 现,丰富了人们的生活文化和娱乐活动。 本次设计我选用了最具特色和极有代表性的三菱 FX2N 系列 PLC 对八路抢答 器进行编程设计和失误控制。 在设计中试用 AUTOCAD 软件完成整体框架和各部分 硬件设计;然后使用 GX Developer 软件进行各部分程序编程,理清楚设计思路, 利用 GX Simulator 仿真软件对八路抢答器进行各部分模块仿真。

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第一章
1.1 整体功能介绍

整体方案的选择

知识竞赛抢答器,顾名思义就是用于比赛时,跟对手比反应时间,思维运转 快慢的新型电器。随着社会科技技术的不断发展,他的应用场合也随之增加;技 术含量大大提升;更加方便可靠。目前, 形式多样、功能完备的抢答器已广泛应 用于电视台、商业机构、学校及企事业单位, 它为各种竞赛增添了刺激性、娱乐 性, 在一定程度上丰富了人们的业余生活。用PLC进行知识竞赛抢答器设计,其 控制方便,灵活,只要改变输入PLC的控制程序,便可改变竞赛抢答器的抢答方 案。

1.2 竞赛抢答器的控制要求
(1)知识竞赛抢答器能使 4 个队同时参加抢答。 (2)设裁判队为裁判台,参赛对为参赛台。裁判台设有音响和裁判灯,并 且设有裁判台开始按钮 SB0 和裁判台复位按钮 SB5;参赛台设有参赛台抢答按钮 以及参赛台灯。1-4 号参赛台分别对应按钮 SB1-SB4 及参赛台灯 EL1-EL4。 (3)知识竞赛抢答器能适合以下比赛规则:出题后,各队抢答必须在裁判 说出 “开始” 并按下裁判台的开始按钮 SB0 后 15S 内抢答, 并由数码管显示时间。 如提前抢答,抢答器发出“违规”信号。15S 时间到,如无队抢答,则抢答器给 出时间已到信号,该题作废。在有队抢答的情况下,则抢答器发出“抢答”信号, 数码管开始计时,并由数码管显示出抢到题的参考队号,抢到题的队必须在 30S 内答完题,如 30S 内未答完,则作超时处理。 (4)灯光与音响信号的意义如下: [1] 音响叫(响 1S)+某台灯亮,由某参赛队正常抢答。 [2] 音响叫(响 1S)+某台灯亮+总台灯亮,某参赛队违规。 [3] 音响叫(响 1S)+裁判台灯亮,无人抢答或答题超时。 (5)在某个题结束后,裁判员按下台上的复位按钮 SB5,抢答器恢复原来 的状态,为下一轮抢答作好准备。

1.3 用单片机和 PLC 分别做系统的比较
所谓单片机系统就是采用目前市场上的单片机 CPU 及其它外围芯片, 根据不 同系统设计电路板, 最终设计成一台简易的计算机系统,并在此基础上设计程序 以达到所要求的控制功能。这种形式在 80 年代国内很流行,但由于受到本身可
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靠性及其它方面 的限制,目前除了仪表上仍然采用外,在工业现场的应用已逐 步被 PLC 所代替。 单片机的可扩展性:由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的, 所以要增加一个功能就要重新设计线路,而且对应的程序都要重新设计。这样对 于增加功能的开发成本和周期都 会增加。 可编程控制器(PLC) : 所谓 PLC 系统就是采用目前市场上各大工业控制厂 家生产的可编程控制器, 根据要求选用不同的模块,在此基础上设计程序以达到 所设计的功能。这种形式目前在工业现场应用最为广泛。 PLC 的可靠性:进口 PLC 采用的 CPU 都是生产厂家专门设计的工业级专用处 理器,其余各元件也是直接向生产厂家购买的,经过严格挑选的工业级元件,另 外它的电源模块也是集各大公司工业控制的经验而特别设计的, 抗干扰性特别是 抗电源干扰能力有很大提高,即使在电源很差和变频调速的干扰下仍能正常工 作。 PLC 的可扩展性:要增加一个功能只要增加相应的模块和修正对应的程序, 而 PLC 的编程相对比较简单,这样对于开发周期会缩短。 PLC 的可维护性:PLC 本身有很强的自诊断功能,一旦系统出现故障,根据 自诊断很容易诊断出故障元件, 即使非专业人员也能维修,如果故障由于程序设 计不合理引起,由于它提供完善的调试工具,要找出故障也较为简单。 操作:PLC 的操作采用触摸式操作终端,人机界面,全屏显示,上面设计了 很详尽的操作指南,即使第一次使用,也能根据提示顺利操作,这就降低了对操 作人员的要求,一般工人也能很快掌握。另外,一旦系统发生故障,画面自动切 换到故障提示画面, 提示故障原因和排除方法。甚至可以显示故障在机器上的位 置,维修人员可以根据提示很快排除故障。 特点:价格与前二种控制器相比略贵,可靠性好,操作简单。 综合以上的分析和比较,最终决定采用 PLC。

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1.4 控制特点分析
知识竞赛抢答器通过 PLC 进行按控制要求编程, 其主要的输入就是通过裁判 员和参赛选手的按钮,然后将信号传递给信息分析中心(PLC) ,PLC 将根据信号 作出相应的响应。知识竞赛抢答器有六个输入信号(即六个按钮) ,九个输出信 号(即五个台灯信号、一个音响信号、三个数码管输出信号) 。由上可知 PLC 共 有六个输入点,九个输出点。

1.5 PLC 机型的选择步骤与原则
随着 PLC 技术的发展,PLC 产品的种类也越来越多。不同型号的 PLC,其结 构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同,适用的场合也 各有侧重。因此,合理选用 PLC,对于提高 PLC 控制系统的技术经济指标有着重 要意义。 PLC 的选择主要应从 PLC 的机型、容量、I/O 模块、电源模块、特殊功能模 块、通信联网能力等方面加以综合考虑。 PLC 机型的选择 PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提 下,力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点: (一) 合理的结构型式 PLC 主要有整体式和模块式两种结构型式。 整体式 PLC 的每一个 I/O 点的平均价格比模块式的便宜, 且体积相对较小, 一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中;而模块式 PLC 的功能扩展 灵活方便,在 I/O 点数、输入点数与输出点数的比例、I/O 模块的种类等方面 选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。 (二) 安装方式的选择 PLC 系统的安装方式分为集中式、 远程 I/O 式以及多台 PLC 联网的分布 式。 集中式不需要设置驱动远程 I/O 硬件,系统反应快、成本低;远程 I/O 式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程 I/O 可以分散安装在现场 装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程 I/O 电源;多台 PLC 联网的分布 式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型 PLC,但 必须要附加通讯模块。 (三)相应的功能要求
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1.6 流程图
当裁判按下开始按钮时,四个参赛对处于抢答状态,假如是一号参赛队先抢 到题目,PLC 先判断抢答是否成功,若成功,则进行下一部看是否在规定的抢答 时间内答题,若在规定时间内,则答题结束;若超时,则提示主持人;如果抢答 没有成功,则判断是否抢答犯规,若法规,某法规台灯亮,总台灯亮出指令 (LD/LDI/LDP/LDF/OUT) 触点串联指令(AND/ANI/ANDP/ANDF) (1)AND(与指令)一个常开触点串联连接指令,完成逻辑“与”运算。 (2)ANI(与反指令)一个常闭触点串联连接指令,完成逻辑“与非”运算。 (3)ANDP 上升沿检测串联连接指令。 (4)ANDF 下降沿检测串联连接指令。 触点串联指令的使用如图 1-1 所示。

图 1-1 传送指令的使用 使用应用 MOV 指令时应注意: 1)源操作数可取所有数据类型,标操作数可以是 KnY、KnM、KnS、T、C、D、 V、Z。 2)16 位运算时占 5 个程序步,32 位运算时则占 9 个程序步。 (2) 移位传送指令 SMOV SMOV(P)指令的编号为 FNC13。该指令的功能是将

源数据(二进制)自动转换成 4 位 BCD 码,再进行移位传送,传送后的目标操

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图 1-2 块传送指令的使用 使用块传送指令时应注意: 1)源操作数可取 KnX、 KnY、KnM、KnS、T、C、D 和文件寄存器,目标操作 数可取. KnT、KnM、KnS、T、C 和 D; 2)只有 16 位操作,占 7 个程序步; 3)如果元件号超出允许范围,数据则仅传送到允许范围的元件。 (5)多点传送指令 FMOV (D)FMOV(P)指令的编号为 FNC16。它的功能是将

源操作数中的数据传送到指定目标开始的 n 个元件中, 传送后 n 个元件中的数据 完全相同。如图 3-12 所示,当 X0 为 ON 时,把 K0 传送到 D0~D9 中。

图 1-3 多点传送指令应用 使用多点传送指令 FMOV 时应注意: 1)源操作数可取所有的数据类型,目标操作数可取 KnX、KnM、KnS、T、C、 和 D,n 小等于 512; 2)16 位操作占 7 的程序步,32 位操作则占 13 个程序步; 3)如果元件号超出允许范围,数据仅送到允许范围的元件中。 2.4.7 三菱 FX 系列 PLC 常数(K、H)
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K 是表示十进制整数的符号,主要用来指定定时器或计数器的设定值及应用 功能指令操作数中的数值;H 是表示十六进制数,主要用来表示应用功能指令的 操作数值。 例如 20 用十进制表示为 K20,用十六进制则表示为 H14。 1.6.1 三菱 FX 系列 PLC 输入继电器(X) 输入继电器与输入端相连,它是专门用来接受 PLC 外部开关信号的元件。 PLC 通过输入接口将外部输入信号状态(接通时为“1”,断开时为“0”)读入 并存储在输入映象寄存器中。如图 3-13 所示为输入继电器 X1 的等效电路。 FX 系列 PLC 的输入继电器以八进制进行编号,FX2N 输入继电器的编号范围 为 X000~X267(184 点)。注意,基本单元输入继电器的编号是固定的,扩展单 元和扩展模块是按与基本单元最靠近开始,顺序进行编号。例如:基本单元 FX2N-64M 的输入继电器编号为 X000~X037(32 点),如果接有扩展单元或扩展 模块,则扩展的输入继电器从 X040 开始编号。 1.6.2 三菱 FX 系列 PLC 输入继电器(Y) 输出继电器是用来将 PLC 内部信号输出传送给外部负载(用户输出设备)。 输出继电器线圈是由 PLC 内部程序的指令驱动,其线圈状态传送给输出单元,再 由输出单元对应的硬触点来驱动外部负载。如图 1-4 所示为输出继电器 Y0 的等 效电路。

图 1-4 输出继电器的等效电路 每个输出继电器在输出单元中都对应有维一一个常开硬触点, 但在程序中供 编程的输出继电器,不管是常开还是常闭触点,都可以无数次使用。 FX 系列 PLC 的输出继电器也是八进制编号其中 FX2N 编号范围为 Y000~Y267(184 点) 。与输入继电器一样,基本单元的输出继电器编号是固定 的,扩展单元和扩展模块的编号也是按与基本单元最靠近开始,顺序进行编号。
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在实际使用中,输入、输出继电器的数量,要看具体系统的配置情况。 1.6.3 辅助继电器 辅助继电器是 PLC 中数量最多的一种继电器, 一般的辅助继电器与继电器控 制系统中的中间继电器相似。 辅助继电器不能直接驱动外部负载,负载只能由输出继电器的外部触点驱 动。辅助继电器的常开与常闭触点在 PLC 内部编程时可无限次使用。 辅助继电器采用 M 与十进制数共同组成编号 (只有输入输出继电器才用八进 制数) 。 1.通用辅助继电器(M0~M499) FX2N 系列共有 500 点通用辅助继电器。通用辅助继电器在 PLC 运行时,如 果电源突然断电,则全部线圈均 OFF。当电源再次接通时,除了因外部输入信号 而变为 ON 的以外,其余的仍将保持 OFF 状态,它们没有断电保护功能。通用辅 助继电器常在逻辑运算中作为辅助运算、状态暂存、移位等。 根据需要可通过程序设定,将 M0~M499 变为断电保持辅助继电器。 2.断电保持辅助继电器(M500~M3071) FX2N 系列有 M500~M3071 共 2572 个断电保持辅助继电器。它与普通辅助继 电器不同的是具有断电保护功能,即能记忆电源中断瞬时的状态,并在重新通电 后再现其状态。 它之所以能在电源断电时保持其原有的状态,是因为电源中断时 用 PLC 中的锂电池保持它们映像寄存器中的内容。 其中 M500~M1023 可由软件将 其设定为通用辅助继电器。 3.特殊辅助继电器 PLC 内有大量的特殊辅助继电器,它们都有各自的特殊功能。FX2N 系列中有 256 个特殊辅助继电器,可分成触点型和线圈型两大类 (1)触点型 其线圈由 PLC 自动驱动,用户只可使用其触点。例如:

M8000:运行监视器(在 PLC 运行中接通) ,M8001 与 M8000 相反逻辑。 M8002:初始脉冲(仅在运行开始时瞬间接通) ,M8003 与 M8002 相反逻辑。 M8011、M8012、M8013 和 M8014 分别是产生 10ms、100ms 、1s 和 1min 时钟 脉冲的特殊辅助继电器。

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M8000、M8002、M8012 的波形图如图 1-5 所示。

图 1-5 M8000、M8002、M8012 的波形图 (2)线圈型 由用户程序驱动线圈后 PLC 执行特定的动作。例如:

M8033:若使其线圈得电,则 PLC 停止时保持输出映象存储器和数据寄存器 内容。 前值变为 0,触点也跟随复位。 1.6.4 微分指令(PLS/PLF) (1)PLS(上升沿微分指令) 在输入信号上升沿产生一个扫描周期的脉冲 输出。 (2)PLF(下降沿微分指令) 在输入信号下降沿产生一个扫描周期的脉冲 输出。 微分指令的使用如图 3-9 所示,利用微分指令检测到信号的边沿,通过置位 和复位命令控制 Y0 的状态。

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第二章 软件设计
2.1 IO 分配
表 2-1 知识竞赛抢答器输入输出口分配表 输入信号 输出信号

名称

代号

输入点编号

名称

代号

输出点编号

EL0

Y0

EL1

Y1

EL2

Y2

3 号参赛台抢答按钮

SB3

X3

3 号参赛台灯

EL3

Y3

4 号参赛台抢答按钮

SB4

X4

4 号参赛台灯

EL4

Y4

裁判台复位按钮

SB5

X5

音响

B

Y5

数码管 1

LE1

Y10-Y16

数码管 2

LE2

Y20-Y26

数码管 3

LE3

Y30-Y36

输出信号驱动音响。 Y10-Y16 输出信号驱动数码管 1 显示各个参赛队的队号。 Y20-Y26 输出信号驱动数码管 2,输出信号驱动数码管 3,显示抢答时间的十位。

2.2 程序运行过程分析说明
1.(1)当裁判台按下开始按钮时,就将信号传入 PLC 中,同时四个参赛队 处于抢答状态。然后根据哪个队最先抢到题目,然后在规定的答题时间内作答,
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或者答题超时。 (由规定显示电路和音响作出反应)例如,1 号参赛队抢到题目, 同时抢答继电器 M1 通电并自锁,抢答继电器 M1 与其它参赛台按钮输入触点相 串联的常闭触点断开,使得在有抢答按钮按下的情况下,其它按钮均无效。抢答 继电器 M1 闭合,答题限时继电器 M2 闭合并自锁,使得答题限时计时器 T 1 开 始计时 (2)无参赛队抢答,抢答继电器M1 未通电闭合(无人抢答),抢答限时计时 器T0计时到,常开触点闭合。当无人抢答时,M1 的常闭触点与T0 的常开触点串 联驱动裁判台灯和音响。 综上所述,当1号参赛队违规抢答、无人抢答、答题超时驱动裁判台灯及正 常抢答、答题驱动音响的梯形图如附图二所示。其中M3为音响驱动继电器,当四 种条件中有一种合符时, M3闭合一个扫描周期, 使得音响驱动输出继电器Y5闭合, 音响发出声音,同时音响限时计时器T2通电计时,经过1S后计时器T1动作,其常 闭触点断开Y5及T2的电源,音响停止发出声音。 2.计时显示程序。 计时显示程序由输出继电器Y20-Y26,Y30-Y36驱动数码管 2和数码管3完成。其中输出继电器 Y20-Y26驱动数码管2,担任秒个位的显示; Y30-Y36驱动数码管3,担任秒十位的显示。 在抢答允许继电器M0闭合后,继电器M9闭合,输出继电器Y20、Y21、Y22、 Y23、Y24、Y25闭合,驱动数码管2显示“0”字符,同时秒脉冲信号产生程序开 始工作。经过1S后,秒脉冲继电器M4闭合一个扫描周期,将M9中“1”的状态移 位至M10中,M10闭合,输出继电器Y21、Y22闭合,驱动数码管2显示“1”字符, 同理, 随着左指令SFTL的运行, 数码管将接着显示 “2、 3、 4、 5???????? 9”字符。

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致谢
几个月的毕业设计即将结束, 在整个毕业设计过程中, 我在孙老师的带领下, 基本完成了本学期毕业设计的任务,通过设计我学到了很多新的知识,学到了很 多书本上没有的东西, 同时, 对以前所学的专业知识, 有了进一步的加深和巩固。 在设计前,通过孙老师的悉心指导,我制定了设计计划,借阅相关资料,做好设 计准备。在设计过程中,我遇到了许多专业上的问题,这些问题都在老师的直接 指导下,得以解决,使我们的设计能够顺利地进行,并最终得以完成。 总结几个月来的设计,体会如下: 首先,团队精神,毕业设计也不例外。这就需要我们充分的利用好各自的优 势,充分的协作,针对设计中出现的问题,站在不同的思考点分析问题,然后加 以讨论,汇结大家的意见,最终达成一致,发挥了团结协作的精神。 其次,对待任何工作,都要全力以赴,不能畏首畏尾。通过这次毕业设计, 我深有体会。 然更重要的是, 在责任心的驱使下, 如何采用何种方法更省时省力, 解决问题的方案很多,永远坚信“方向总比努力重要” ,首先分析课题任务本身, 就拿毕业设计来说,课题有了,关键是往哪个方向着手。 在此,我要感谢在整个设计过程中,给与我及大帮助的老师们,无论是在论 文内容的选择、资料的收集,还是在具体的设计过程中,老师都给与了我们细心 的教导和无微不至的关怀, 尤其在论文的整理过程中,孙老师提出了大量宝贵的 意见和建议,使我们的设计得以更加完善,孙老师严谨的治学态度,真诚的处世 哲学,也将是我们一生学习的财富,在此,请允许我向尊敬的孙老师,致以最真 诚的谢意!

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【参考文献】
(1)廖常初、PLC 的编程方法与工程应用[M]、重庆:重庆大学出版社,2001. (2)郑 成、现代可编程序控制器原理及应用[M]、北京:科学出版社,1999. (3)王 红、可编程控制器使用教程[M] 、 北京:电子工业出版社,2002. (4)王振民、PLC 原理及应用[M] 、大庆石油学院.14-61. (5)王永华、现代电气控制及 PLC 应用技术 [M] 、北京: 北京航空航天大学 出版社, 2003.80-96. (6)江秀汉、可编程序控制原理及应用[M]、 西安:西安电子科技大学出版社, 1998.

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