計算機控制技術(shù)課程設(shè)計--油庫計算機監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

1、<p><b>　　課 程 設(shè) 計</b></p><p>　　電子工程學院 自動化專業(yè) 自1201班</p><p>　　題 目 《計算機控制技術(shù)》課程設(shè)計 </p><p>　　油庫安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計一（采用板卡方案） </p><p><b>　　二○一五年十月</b>&

2、lt;/p><p><b>　　《計算機控制技術(shù)》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　題 目油庫計算機監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計一（采用板卡方案）</p><p>　學生姓名學號專業(yè)班級</p><p>　設(shè)計內(nèi)容與要求課程設(shè)計主要完成某油庫計算

3、機監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計。要求運用已學過各類傳感器、輸入輸出模塊、工控計算機、現(xiàn)場總線等的知識，完成計算機監(jiān)控系統(tǒng)硬件方案、設(shè)備選型、總體設(shè)計等各功能的設(shè)計。要求熟悉相關(guān)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成與設(shè)計方案，學會計算機監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計的步驟和方法，具有初步設(shè)計小型計算機監(jiān)控系統(tǒng)硬件方案的能力。課程設(shè)計內(nèi)容及基本要求如下：1.熟悉油庫工藝流程、監(jiān)控目標及監(jiān)控要求。2.學會常用的監(jiān)控系統(tǒng)I/O硬件（各類板卡、智能儀表、智能模塊、PLC等）參數(shù)及使用

4、，了解其工作原理。3.學會不同自動化設(shè)備廠家各類板卡、智能儀表、智能模塊、PLC等的選型，能用所選廠家硬件搭建符合工藝流程和監(jiān)控目標的硬件系統(tǒng)。4.完成監(jiān)控系統(tǒng)硬件方案設(shè)計，畫出原理圖。 5.課程設(shè)計時間一周，完成課程設(shè)計報告。</p><p>　起止時間2015年10月19日 至 2015年10月25日</p><p>　指導教師簽名年 月 日</p><

5、p>　系（教研室）主任簽名年 月 日</p><p>　學生簽名年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題意義1</p><p>　　1.2 油庫的

6、簡介1</p><p>　　1.1.1 定義1</p><p>　　1.1.2 作用2</p><p>　　1.1.3 分類2</p><p>　　1.1.4 分級2</p><p>　　1.1.5 發(fā)展3</p><p>　　1.1.6 油庫的安全簡介3</p&

7、gt;<p>　　1.3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的介紹3</p><p>　　1.4 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點與原則4</p><p>　　1.4.1 主要特點4</p><p>　　1.4.2 設(shè)計原則4</p><p>　　2 油庫安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計5</p><p>　　2.1 系

8、統(tǒng)的總體設(shè)計5</p><p>　　2.2 油田油庫監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計5</p><p>　　2.3 系統(tǒng)的初步分析5</p><p>　　2.4 系統(tǒng) I/O點數(shù)統(tǒng)計5</p><p>　　系統(tǒng)I/O 點數(shù)可以通過列表的形式來列舉。6</p><p>　　3 系統(tǒng)監(jiān)控硬件選型與介紹8</p&

9、gt;<p>　　3.1 主機部分8</p><p>　　3.2 板卡的選擇9</p><p>　　3.2.1 板卡PCI- 17139</p><p>　　3.2.2 板卡PCI-172110</p><p>　　3.3 接口選擇10</p><p>　　4 系統(tǒng)監(jiān)控方案設(shè)計11

10、</p><p>　　4.1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計11</p><p><b>　　5 結(jié)論14</b></p><p><b>　　參考文獻15</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1

11、課題意義</b></p><p>　　隨著科學技術(shù)的不斷進步，特別是工業(yè)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，我們已經(jīng)開始步入一個嶄新的自動化控制新時代。計算機自動監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應用于離散過程、連續(xù)過程等各種工業(yè)自動化領(lǐng)域以及電力、化工、食品、水處理等各個行業(yè)[1]?，F(xiàn)在國內(nèi)外都將計算機監(jiān)控系統(tǒng)對油田聯(lián)合站的各個生產(chǎn)工藝過程進行實時監(jiān)控、與數(shù)據(jù)采集等，計算機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展為油庫的自動化監(jiān)測注入了新的活力。因為油庫是

12、油氣運輸過程中的一個重要環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到外輸原油的質(zhì)量，其工藝特點是系統(tǒng)關(guān)聯(lián)緊密、操作規(guī)程嚴格、系統(tǒng)運行狀況復雜多變且系統(tǒng)過程中流程多變[2]。所以采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)對其工藝過程進行實時監(jiān)控可以有效的提高生產(chǎn)率、減少事故發(fā)生率、降低工人的勞動強度。本文主要針對油庫發(fā)油、卸油等工藝過程介紹了其計算機監(jiān)控系統(tǒng)硬件以及軟件的設(shè)計。 </p><p>　　1.2 油庫的簡介</p><p>

13、;<b>　　1.1.1 定義</b></p><p>　　用來接收、儲存和發(fā)放原油或原油產(chǎn)品的企業(yè)和單位都稱為油庫。同時，油庫也指用以貯存油料的專用設(shè)備，因油料具有的特異性用以相對應的油庫進行貯藏。油庫是協(xié)調(diào)原油生產(chǎn)、原油加工、成品油供應及運輸?shù)募~帶，是國家石油儲備和供應的基地，它對于保障國防和促進國民經(jīng)濟高速發(fā)展具有相當重要的意義。所謂油庫是指將開采的原油集中進行管線運輸，進行油罐的存

14、儲，完成對來油、輸油及有關(guān)儲油量的計算、盤存管理[3]。在此過程中，對含水的原油要進行脫水工藝處理，這樣就形成了原油集輸?shù)娜舾蓚€工藝處理過程，如下圖所示</p><p><b>　　圖 1-1</b></p><p><b>　　1.1.2 作用</b></p><p>　　1.生產(chǎn)基地用于集積或中轉(zhuǎn)油料；2.供銷部門

15、用于平衡消費流通領(lǐng)域；3.企業(yè)部門用于保證生產(chǎn)；4.國家戰(zhàn)略儲備。</p><p><b>　　1.1.3 分類</b></p><p>　　1、按油庫的管理體制和經(jīng)營性質(zhì)可分為獨立油庫和企業(yè)附屬油庫兩大類。獨立油庫是指專門從事接收、儲存和發(fā)放油料的獨立經(jīng)營的企業(yè)和單位。企業(yè)附屬油庫是工業(yè)、交通或其它企業(yè)為滿足本部門的需要而設(shè)置的油庫。2、按主要儲油方式可分為

16、地面（或稱地上）油庫、隱蔽油庫、山洞油庫、水封石洞庫和海上油庫等。地面油庫與其他類型油庫相比，建設(shè)投資省、周期短，是中轉(zhuǎn)、分配、企業(yè)附屬油庫的主要建庫形式，也是目前數(shù)量最多的油庫。3、油庫還可按照其運輸方式分為水運油庫、陸運油庫和水陸聯(lián)運油庫；按照經(jīng)營油品分為原油庫、潤滑油庫、成品油庫等[4]。4、油庫按照油罐的總?cè)莘e劃分為小型油庫，其容積為一萬立方米以下，中型油庫其容積為一萬至五萬立方米，大型油庫其容積為五萬立方米以上。</

17、p><p><b>　　1.1.4 分級</b></p><p>　　油庫主要儲存可燃的原油和石油產(chǎn)品。大多數(shù)儲存汽油、柴油等輕油料，有些庫還儲存潤滑油、燃料油等重質(zhì)油料。油庫的儲油容量越大、輕質(zhì)油料越多、業(yè)務(wù)范圍越廣，其危險性就越大；一旦發(fā)生火災或爆炸等事故，影響范圍大，對企業(yè)和人民的生命財產(chǎn)造成的損失也大。因此從安全防火觀點出發(fā)，根據(jù)油庫總儲油容量大小，分成若干等

18、級并制訂出與之相應的安全防火標準，以保證油庫的建設(shè)者更加合理和長期安全運營。國家標準《石油庫設(shè)計規(guī)范》（GBJ24）根據(jù)油庫儲存油料總?cè)萘慷嗌賹⒂蛶旆譃樗膫€等級。不同等級的油庫安全防火要求有所不同[5]。容量愈大，等級愈高，防火安全要求愈嚴格；油品的輕組分愈多，揮發(fā)性愈強，防火安全要求也愈嚴格?？値烊?萬立方米以上的油庫為大型建設(shè)項目。等級 總?cè)萘?m&sup3;一級是>10W，二級是3W-10W，三級是1

19、W-3W，四級是1000-1W，五級是<1000其中，總?cè)萘肯抵甘蛶斓墓Q容量和桶裝油品設(shè)計存放量之總和，不包括不但任長期任務(wù)的輔助罐以及石油庫自用油品儲罐的容量。如石油庫有加油站時，其油罐也不包括在總?cè)萘績?nèi)</p><p><b>　　1.1.5 發(fā)展</b></p><p>　　隨著我國石油工業(yè)的飛速發(fā)展，油庫發(fā)展也很快，除了石油系統(tǒng)、供銷系統(tǒng)和軍事系

20、統(tǒng)建有一系列專用油庫外，其他企業(yè)，如鐵道、交通、電力、冶金等部門也建有各種類型的油庫，以保證運輸和生產(chǎn)的正常運行。</p><p>　　1.1.6 油庫的安全簡介</p><p>　　油庫危險性大，不安全因素多，一旦發(fā)生事故，將可能造成人員的傷亡和財產(chǎn)的大量損失，造成極壞的影響。</p><p>　　在我國油庫管理中，標準制度不健全以及落實不到位是制約油庫安全管理

21、的最主要的隱患。目前，各油庫以及中轉(zhuǎn)站的自動化程度越來越高，先進的測試儀器以及計量設(shè)備使用使得人為影響逐步減少。因此，建立和落實合理的、適合本油庫的規(guī)范作業(yè)流程和安全制度，對于油庫的安全作業(yè)和效益的最大化有著積極的意義。安全工作的行為準則是油庫企業(yè)安全的生命線。只有抓住貫徹規(guī)章制度這根主線，油庫安全工作才能落到實處，才能有力度、有效果[6]。首先，要從學知識、強素質(zhì)，學規(guī)章、守制度抓起，準確理解各項法規(guī)制度的內(nèi)在含義。</p>

22、;<p>　　1.3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的介紹</p><p>　　所謂計算機監(jiān)控就是利用傳感器裝置將被監(jiān)控對象中的物理參量（如溫度、壓力、流量、液位、速度）轉(zhuǎn)換為電量，并且在計算機的顯示裝置中以數(shù)字、圖形或曲線的方式顯示出來，從而時操作人員能夠直觀而迅速的了解被監(jiān)控對象的變化過程。通過應用計算機監(jiān)控技術(shù)，可以穩(wěn)定和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源和原材料的消耗，降低生產(chǎn)成本。還可以降低勞動強度。

23、</p><p>　　計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以由一下幾個部分組成：計算機（含可視話的人機界面）、輸入輸出裝置（板卡），監(jiān)測、變送機構(gòu)。</p><p>　　設(shè)計原則有可靠性原則、使用方便原則、開放性原則、經(jīng)濟性原則、開發(fā)周期短原則。主要特點是實時性，可靠性，較強的輸入輸出能力，應用軟件豐富。 </p><p>　　圖1-2就是一個典型的計算機測控系統(tǒng)組成原理圖。&

24、lt;/p><p>　　圖1-2 計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.4 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點與原則</p><p>　　1.4.1 主要特點</p><p>　?。?）實時性。對工業(yè)生產(chǎn)過程進行實時在線監(jiān)測與控制，按優(yōu)先級進行采集和輸出調(diào)節(jié)，保證被控系統(tǒng)的正常運行。</p><p>　?。?）可靠性。

25、菊友在較惡劣的工作現(xiàn)場長期工作的能力，據(jù)有良好的故障診斷和維護性。</p><p>　?。?）較強的輸入/輸出能力。可與工業(yè)現(xiàn)場的檢測儀表和控制裝置相連接，完成各種測量控制任務(wù)。</p><p>　?。?）應用軟件豐富，目前打多少計算機監(jiān)控系統(tǒng)以WINDOWS 做工作平臺，系統(tǒng)軟件、應用軟件豐富，可提供良好的人機界面，特別傻組件軟件更為用戶提供了方便。</p><p&g

26、t;　　1.4.2 設(shè)計原則</p><p>　　可靠性原則、使用方便原則、開放性原則、經(jīng)濟性原則、開發(fā)周期短原則。</p><p>　　2 油庫安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計</p><p>　　2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計</p><p>　　系統(tǒng)的總體設(shè)計是進入實質(zhì)性設(shè)計階段的第一步，也是最重要和最關(guān)鍵一步，起總體設(shè)計過程圖如圖2-1.<

27、/p><p><b>　　圖2-1</b></p><p>　　2.2 油田油庫監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　油庫是指將開采的原油集中進行管線運輸，進行油罐的存儲，完成對來油、輸油及有關(guān)儲油量的計算、盤存管理[7]。在此過程中，對含水的原油要進行脫水工藝處理，這樣就形成了原油集輸?shù)娜舾蓚€工藝處理過程。</p><p&

28、gt;　　2.3 系統(tǒng)的初步分析</p><p>　　根據(jù)此油庫的工藝流程可知系統(tǒng)需要監(jiān)控的液位、溫度、壓力、氣體濃度，以及監(jiān)測及各個泵運行狀況顯示。其中：液位、溫度、壓力、氣體濃度等信號經(jīng)過相應的變送氣后都會轉(zhuǎn)換為與現(xiàn)場最大、最小值對應的 4～20MA電流信號，都是模擬量輸入信號。</p><p>　　2.4 系統(tǒng) I/O點數(shù)統(tǒng)計</p><p>　　系統(tǒng)I/

29、O 點數(shù)可以通過列表的形式來列舉。</p><p>　　表2-1 某油田監(jiān)控系統(tǒng)I/O變量表</p><p>　　在詳細統(tǒng)計完I/O點數(shù)后，還要列寫每個點的參數(shù)表，參數(shù)表中每一個值都必須與現(xiàn)場完全對應，在此僅模擬兩個：</p><p>　　表2-2 模擬量I/O點參數(shù)表</p><p>　　表2-3 數(shù)字量I/O點參數(shù)表</p&g

30、t;<p>　　3 系統(tǒng)監(jiān)控硬件選型與介紹</p><p><b>　　3.1 主機部分</b></p><p>　　在油庫工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，腐蝕性氣體多，且需要計算機24小時連續(xù)不斷地運行，因此對生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備較其他行業(yè)要求更高。所以針對主機，我們選擇由我國臺灣省研華公司生產(chǎn)的IPC-610H型工控機，該機適合于對數(shù)據(jù)的收集，處理有極高專業(yè)要求的行業(yè)，

31、能給各行業(yè)提供高性能、高可靠性的工業(yè)級計算機平臺[8]。</p><p>　　圖3-1 研華IPC-610H</p><p><b>　　主要特征</b></p><p>　　·IPC-610專為沖擊、震動、高溫等惡劣環(huán)境設(shè)計 </p><p>　　·支持14槽ISA/PCI底板 </p&

32、gt;<p>　　·支持四個前端抽取磁盤驅(qū)動器和一塊內(nèi)置3.5”硬盤 </p><p>　　·1個帶防塵過濾網(wǎng)的86CFM風扇 </p><p><b>　　選配 </b></p><p>　　·Inter PIV 2.4GM CPU </p><p>　　·

33、西部數(shù)據(jù)80G硬盤 </p><p>　　·Kingston 256M內(nèi)存 </p><p>　　·工業(yè)鍵盤及光電鼠標 </p><p>　　顯示器則選用帶19寸LCD和VGA/Video/S-Video/DVI端口的工業(yè)平板顯示器。</p><p>　　圖3-2 工業(yè)平板顯示器</p><p

34、><b>　　主要特征</b></p><p>　　·19寸SXGA TFT LCD分辨率達到1280*1024 </p><p>　　·輸入信號自動識別 </p><p>　　·最高亮度可達250cd/m2 </p><p>　　·多掃描功能：支持SXGA，XGA，S

35、VGA，VGA和文本模式</p><p>　　·支持多信號輸入:VGA,DVI,Video和S-Video </p><p>　　·不銹鋼機箱,符合NEMA4/IP65標準的防銹前面板 </p><p>　　·支持面板安裝,壁掛式安裝,機架安裝和VESA懸臂安裝 </p><p>　　3.2 板卡的選擇&l

36、t;/p><p>　　3.2.1 板卡PCI- 1713</p><p>　　所有的氣體濃度監(jiān)測和液位、溫度、壓力信號為模擬信號，可采用PCI總線模擬輸入/輸出板卡。由于AI信號共有45路,故可選用兩塊PCI-1713總線模擬輸入卡。</p><p>　　圖3-3 板卡PCI-1713</p><p>　　PCI-1713是一款PCI總線的隔

37、離高速模擬量輸入卡，它提供了32個模擬量輸入通道，采樣頻率可達100KS/s，12位分辨率及2500YDC的支流隔離保護。2500YDC隔離保護，32路單端或16路差分模擬量輸入，或組合輸入方式，12位A/D轉(zhuǎn)換分辨率，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率可達100KS/s，每個輸入通道的增益可編程，卡上4K采樣FIFO緩沖器，支持軟件、內(nèi)部定時器出發(fā)或外部觸發(fā)[9]。</p><p>　　3.2.2 板卡PCI-1721&

38、lt;/p><p>　　由于AO信號共有4路，故可選用一塊4路增強模擬量輸出卡PCI-1721。</p><p>　　圖3-4 板卡PCI-1721</p><p>　　PCI-1721是一款高性能PCI總線模擬輸出卡，每個模擬量輸出通道都帶有一個12為的雙緩沖DAC.輸出卡具有強大的獨特功能，PCI-1721是要求連續(xù)高速模擬量輸出或?qū)崟r波形輸出應用的理想選擇。5M

39、HZ最大數(shù)字更新速率，自動校準功能，4路模擬量輸出帶1KFIFO，每個模擬量輸出通道帶一個12位DAC，帶外/內(nèi)部出發(fā)的實時波形輸出功能，同步輸出功能。</p><p><b>　　3.3 接口選擇</b></p><p>　　圖3-4 模塊PCI-1730</p><p>　　實用工業(yè)I/O卡，32chDI,32chDO卡，各有16ch帶

40、光隔32路隔離DIO通道，32路TTL電平DIO通道，高輸出驅(qū)動能力，中斷能力，2個20針接口用于隔離數(shù)字量I/O通道，2個接口用于TTL數(shù)字量I/O通道，用于隔離輸入和輸出通道的D型接口。</p><p>　　4 系統(tǒng)監(jiān)控方案設(shè)計</p><p>　　4.1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　監(jiān)控系統(tǒng)采用一臺研華工控主機配帶19寸LCD和VGA/Video/S

41、-Video/DVI端口的工業(yè)平板顯示器帶有UPS電源的A3幅面彩色噴墨打印機。</p><p>　　系統(tǒng)采用板卡對三相分離器和各個泵的油室、水室液位恒定控制。</p><p>　　現(xiàn)場所有模擬輸入量都是先接入昌輝公司十六路巡檢儀，然后計算機通過RS-485總線與巡檢儀及PID控制儀通信，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集進計算機。</p><p>　　現(xiàn)場所有數(shù)字量都是計算機通過研華

42、公司的板卡PCI-1713數(shù)字量讀入現(xiàn)場泵的運行狀態(tài)，再通過研華公司板卡PCI-1721輸出現(xiàn)場泵的啟停指令。</p><p>　　根據(jù)此油庫的工藝流程可知系統(tǒng)需要監(jiān)控各個泵、分離器加熱爐的液位、溫度、壓力、氣體濃度，以及監(jiān)測及各個泵運行狀況顯示。其中液位、溫度、壓力、氣體濃度等信號經(jīng)過相應的變送器后都會轉(zhuǎn)換為與現(xiàn)場最大、最小值對應的 4～20mA電流信號，都是模擬量輸入信號。</p><p&

43、gt;　　各個泵運行狀況對應數(shù)字量輸入信號?？刂品蛛x器上油室、水室的液位恒定可以采用板卡來控制。</p><p>　　各個泵的運行狀況及啟停顯示都是數(shù)字量輸入信號?？梢圆捎梦鏖T子的數(shù)字量輸入模塊。當前液位的信號接入PCI-1713總線的隔離高速模擬量輸入卡，與人工設(shè)置的定值相比較，通過分析，調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來控制油室、水室的液位恒定。</p><p>　　根據(jù)集油站的各個工藝流程，可以看到現(xiàn)場

44、測量類型主要有壓力、溫度、液位、界位、電量等，所以需要相應的測量儀表進行數(shù)據(jù)采集，以及利用控制閥進行遠程控制。</p><p><b>　　19寸平板顯示器</b></p><p>　　圖4-1 監(jiān)控系統(tǒng)方案硬件圖</p><p>　　圖4-2 監(jiān)控系統(tǒng)輸入輸出原理圖</p><p><b>　　5 結(jié)論

45、</b></p><p>　　本次課程設(shè)計主要完成油庫安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計（采用板卡方案）。使我們能夠進一步 用已學過的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計理論和方法進行油庫設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)的初步設(shè)計，了解油庫的基本構(gòu)造及其工藝流程，學會設(shè)置簡單的監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　要求進一步熟悉相關(guān)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成與方案，學會計算機監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計的步驟和方法，培養(yǎng)初步設(shè)計小型計算機安全監(jiān)控

46、系統(tǒng)硬件方案的能力。熟悉聯(lián)合站工藝流程、監(jiān)控目標及要求。學會使用常用的監(jiān)控系統(tǒng)硬件，了解其工作原理。學會計算機監(jiān)控系統(tǒng)各類板卡的選型，能用所選硬件搭建符合聯(lián)合站工藝流程和監(jiān)控目標的硬件系統(tǒng)。</p><p>　　油庫的安全離不開對各個I/O接口的設(shè)置與監(jiān)控，只有將計算機監(jiān)控系統(tǒng)與安全檢測技術(shù)結(jié)合起來，共同分析問題，才能達到更好的監(jiān)控系統(tǒng)，從而控制事故的發(fā)生，更加安全的生產(chǎn)。計算機將會在我們的生活中扮演重要的角色，

47、因此我們應該學習好計算機技術(shù)，掌握各項技能，提高自己的計算機方面的能力。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 徐竟天，汪躍龍，《石油安全工程》課程設(shè)計指導書，西安石油大學</p><p>　　[2] 樊寶德 ，朱煥琴. 油庫消防員[M].中國石化出版社. 2005.

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