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文檔簡(jiǎn)介

第二章

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

與通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)7/27/2023基本內(nèi)容:計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理、組成及分類;計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、分類、通信協(xié)議、傳輸媒體及互聯(lián)設(shè)備。重點(diǎn)和難點(diǎn):計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理,DDC,DCS和FCS的體系結(jié)構(gòu)及特點(diǎn);BACnet協(xié)議及Lontalk協(xié)議的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。7/27/2023第一節(jié)建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)一、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理控制過(guò)程:數(shù)據(jù)采集→比較→計(jì)算控制量→輸出控制信號(hào)性能指標(biāo)要求:穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo):穩(wěn)態(tài)誤差動(dòng)態(tài)性能指標(biāo):峰值時(shí)間,調(diào)節(jié)時(shí)間,超調(diào)量等實(shí)時(shí)性7/27/2023

2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成①硬件部分計(jì)算機(jī):主機(jī)、外設(shè)、系統(tǒng)總線、過(guò)程輸入設(shè)備、人機(jī)聯(lián)系設(shè)備、通信設(shè)備等現(xiàn)場(chǎng)儀表:測(cè)量、變送、執(zhí)行7/27/2023②軟件部分系統(tǒng)軟件:操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、通信網(wǎng)絡(luò)軟件、診斷程序;應(yīng)用軟件:過(guò)程輸入程序、過(guò)程控制程序、過(guò)程輸出程序、人機(jī)接口程序、打印程序、公共服務(wù)程序、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、組態(tài)軟件等。7/27/20233、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類按控制形式分:開環(huán)、閉環(huán)按控制規(guī)律分:順序控制常規(guī)控制(PID)先進(jìn)控制(最優(yōu)、預(yù)測(cè))智能控制(模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng))7/27/2023按應(yīng)用分:操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制(SCC)集散控制系統(tǒng)(DCS)-分布式控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)7/27/2023操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)特點(diǎn):1.開環(huán)控制系統(tǒng)2.控制動(dòng)作由操作人員完成7/27/2023直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)特點(diǎn):1.閉環(huán)控制系統(tǒng)2.控制任務(wù)由計(jì)算機(jī)承擔(dān)3.一臺(tái)計(jì)算機(jī)通常要控制幾個(gè)甚至幾十個(gè)回路7/27/2023監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制(SCC)特點(diǎn):1.通常采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)2.DDC用計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù)3.SCC用計(jì)算機(jī)承擔(dān)高級(jí)控制與管理任務(wù)7/27/2023分布式控制系統(tǒng)(DCS)-集散控制系統(tǒng)特點(diǎn):1.有多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)2.分散控制,集中管理7/27/2023現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)7/27/2023計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)7/27/2023(1)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)①系統(tǒng)組成過(guò)程輸入通道過(guò)程輸出通道過(guò)程控制計(jì)算機(jī)7/27/2023

②基本算法PID:離散化:(T為采樣周期)7/27/2023位置式PID:增量式PID:其中:7/27/2023①體系結(jié)構(gòu)基本思想:分散控制、集中操作分三級(jí):1、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)2、監(jiān)控級(jí)3、企業(yè)管理級(jí)(2)集散控制系統(tǒng)(DCS)7/27/2023②基本組成現(xiàn)場(chǎng)I/O控制站:采集各種參數(shù)和狀態(tài)信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;信息的傳送與接收;現(xiàn)場(chǎng)控制操作員站:為操作人員提供人機(jī)界面,使操作員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài),各種參數(shù)的值是否異常等,并可通過(guò)輸入設(shè)備對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié);處理歷史數(shù)據(jù),完成報(bào)表、歷史趨勢(shì)曲線7/27/2023

工程師站:對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行離線配置和組態(tài)管理計(jì)算機(jī):收集各部門信息,進(jìn)行分析綜合,并作出決策,實(shí)現(xiàn)管理控制一體化數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò):傳送數(shù)據(jù)7/27/2023③數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)控制用通信網(wǎng)絡(luò)的要求:高的可靠性和安全性良好的實(shí)時(shí)性強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)的拓卜結(jié)構(gòu):總線型網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)星形網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議:標(biāo)準(zhǔn)的:OSI工業(yè)應(yīng)用:Proway、MapBAS應(yīng)用:BACnet、Lontalk7/27/2023

(3)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)①現(xiàn)場(chǎng)總線的含義現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò),是多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。7/27/2023②現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的基本組成7/27/2023③現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn):現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)分散型控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)截止于控制器或現(xiàn)場(chǎng)控制單元,現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)仍然是一對(duì)一的模擬信號(hào)傳輸。而現(xiàn)場(chǎng)總線把通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或生產(chǎn)設(shè)備,即延伸到傳感器、變送器或執(zhí)行器等?,F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連一對(duì)信號(hào)傳輸線將N個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)連接在一起,相互之間能夠進(jìn)行雙向信號(hào)傳輸。7/27/2023互操作性來(lái)自不同制造廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,不僅可以互相通信,而且可以統(tǒng)一組態(tài),構(gòu)成所需的控制回路,共同實(shí)現(xiàn)控制策略。分散的體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線廢棄了DCS的現(xiàn)場(chǎng)控制單元和控制器,把DCS控制器的功能塊分散給現(xiàn)場(chǎng)儀表,從而構(gòu)成虛擬控制站。

通信線供電現(xiàn)場(chǎng)總線常用線為雙絞線,通信線供電方式允許現(xiàn)場(chǎng)儀表直接從通信線上獲取能量。

開放式互連網(wǎng)絡(luò)即可以與同類網(wǎng)絡(luò)互連,也可與不同類型網(wǎng)絡(luò)互連。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和功能塊統(tǒng)一組態(tài),能把不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體,構(gòu)成統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。7/27/2023現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS7/27/2023集散控制與現(xiàn)場(chǎng)總線控制的區(qū)別7/27/2023集散控制與現(xiàn)場(chǎng)總線控制的區(qū)別7/27/2023集散控制與現(xiàn)場(chǎng)總線控制的區(qū)別7/27/2023DCS和FCS的比較現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備與控制器之間采取一對(duì)一(所謂的I/O接線方式,傳遞4-20mA或20VDC信號(hào)。采用數(shù)字式通信方式取代設(shè)備級(jí)的信號(hào)(4-20mA或20VDC),使用一根電纜連接所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。7/27/20237/27/2023④BAS常用的現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF(FoundationField-bus)局部操作網(wǎng)LonWorks(LocalOperatingNetwork)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS(ProcessFieldBus)控制局域網(wǎng)CAN(ControllerAreaNetwork)7/27/20237/27/20237/27/2023應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線的集散控制系統(tǒng)7/27/2023二、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星形,總線形,環(huán)形,樹形,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)BAS多采用總線式或環(huán)式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。且以總線機(jī)構(gòu)最為普遍。7/27/2023

BAS中采用總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性:對(duì)于集散系統(tǒng),采用總線結(jié)構(gòu)把中央站和分站連接在同一通信信道,最能簡(jiǎn)化線路敷設(shè)。采用總線結(jié)構(gòu)增掛和摘除分站都十分方便,增設(shè)設(shè)備或改變建筑物的使用意圖時(shí),分站的增減都很容易。尤其對(duì)分期建造的BAS有利。在豐富軟件的支持下,可以為某些特殊的監(jiān)控對(duì)象或系統(tǒng)設(shè)置專用的二級(jí)操作站或遠(yuǎn)程操作終端。7/27/20232.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分類按距離分:局域網(wǎng),廣域網(wǎng),城域網(wǎng)按傳輸媒體分:有線網(wǎng),無(wú)線網(wǎng)按數(shù)據(jù)交換方式分:共享形網(wǎng)絡(luò),交換形網(wǎng)絡(luò)7/27/2023建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)是一種局域網(wǎng)。局域網(wǎng)的種類:構(gòu)成辦公自動(dòng)化系統(tǒng)。構(gòu)成終端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。構(gòu)成實(shí)時(shí)過(guò)程控制系統(tǒng),并逐步將信息管理系統(tǒng)納入其中。7/27/20233.計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

協(xié)議是關(guān)于信息交換的術(shù)語(yǔ),由語(yǔ)法、語(yǔ)義和定時(shí)三部分組成。開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型一個(gè)典型的開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在工業(yè)和商業(yè)的控制系統(tǒng)上,按照布置所有的開放系統(tǒng)元件,使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議作為本系統(tǒng)語(yǔ)言,無(wú)需翻譯,可以相互通信。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的ISO7498所定義的開放系統(tǒng)互連模型OSI作為通信網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的參考模型,它詳細(xì)描述了軟件功能的七個(gè)層次。如表一所示:7/27/20237/27/2023

建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議:

TCP/IP協(xié)議,BACnet協(xié)議,Lontalk協(xié)議①

TCP/IP協(xié)議主要用于Internet的數(shù)據(jù)交換,一系列協(xié)議集合的總稱。TCP:面向連接的協(xié)議。IP:以數(shù)據(jù)報(bào)的形式傳輸數(shù)據(jù)。TCP/IP的體系結(jié)構(gòu):物理層(數(shù)據(jù)鏈路層)、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。7/27/2023概述

BACnet通信協(xié)議是由美國(guó)供熱、制冷及空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)發(fā)起制定并得到美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(ANSI)的批準(zhǔn),由樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的生產(chǎn)商、用戶參與制定的一個(gè)開放性標(biāo)準(zhǔn)。是一個(gè)完全開放的建筑設(shè)備自控網(wǎng)。主要包括建筑設(shè)備自動(dòng)控制功能及其數(shù)據(jù)信息的表示方式、五種LAN通信協(xié)議及它們之間的通信協(xié)議組成。②

BACnet協(xié)議7/27/2023BACnet協(xié)議的體系結(jié)構(gòu):由一系列與軟件及硬件相關(guān)的通信協(xié)議組成,規(guī)定了計(jì)算機(jī)控制器之間所有對(duì)話方式。BACNet參考并簡(jiǎn)化了OSIRM(開放系統(tǒng)互連參考模式),形成包容許多局域網(wǎng)的簡(jiǎn)單而實(shí)用的四級(jí)體系結(jié)構(gòu)。7/27/2023

BACnet協(xié)議的信息數(shù)據(jù)表示方式:

BACnet協(xié)議信息數(shù)據(jù)表示方式定義了18種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象類型(通過(guò)“對(duì)象”把DDC內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成通用的、明確的、抽象化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信),通過(guò)不同對(duì)象的組合實(shí)現(xiàn)DDC不同的控制功能。7/27/2023設(shè)備對(duì)象:每一臺(tái)設(shè)備都具有一個(gè)設(shè)備對(duì)象,它的屬性用以描述該設(shè)備的全部特性。為各種對(duì)象定義了123種屬性。7/27/2023BACnet數(shù)據(jù)通信協(xié)議的服務(wù)功能:定義:是一個(gè)BACnet設(shè)備向其它BACnet設(shè)備進(jìn)行申請(qǐng)、獲取信息,命令其它BACnet設(shè)備執(zhí)行某種操作或通知事件已經(jīng)發(fā)生的方法。BACnet定義了35種服務(wù)功能,分為6組。報(bào)警與事件服務(wù)、文件訪問(wèn)服務(wù)、對(duì)象訪問(wèn)服務(wù)、遠(yuǎn)程設(shè)備管理服務(wù)、虛擬終端服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)安全性。這些服務(wù)又分為兩種類型:一種是確認(rèn)服務(wù)(C),令一種是不確認(rèn)服務(wù)(U)。7/27/2023

BACnet協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):BACnet采用5種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)傳送:Ethernet、BACnet、MS/TP(主從/令環(huán)牌)、PTP(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))、LonTalk。為BACnet制定的通信協(xié)議,用于單元控制器及其它IO設(shè)備之間。用于RS-232口直接或通過(guò)MODEM從遠(yuǎn)程工作站撥號(hào)。選用多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的原因:用各種不同的局域網(wǎng)性價(jià)比適應(yīng)不同場(chǎng)合的要求。對(duì)于不同要求的系統(tǒng),采用不同的通信速率和通信量的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)各網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn),選用不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以適應(yīng)不同的要求。7/27/2023

BACnet與企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)Internet的互聯(lián)必須采用IP協(xié)議的方式進(jìn)行,需要附加傳輸層協(xié)議。在BACnet中引入分組裝拆器(PAD)進(jìn)行BACnet/IP通信。7/27/20231#2#3#7/27/20237/27/2023③Lontalk協(xié)議

Lontalk協(xié)議是LonWorks技術(shù)所使用的通信協(xié)議,是LonWorks技術(shù)的核心技術(shù)之一。

LonWorks

技術(shù)概述

LonWorks技術(shù)由美國(guó)Echelon公司20世紀(jì)90年代初開發(fā)推出的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信的單層分布式控制網(wǎng)絡(luò)。

Lonworks技術(shù)基于LonTalk協(xié)議采用自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式把控制單元連接成開放的測(cè)控網(wǎng)絡(luò),這個(gè)網(wǎng)絡(luò)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模式。

7/27/2023

LonWorks組成

LonWorks的技術(shù)組成包括LonWorks節(jié)點(diǎn)、路由器、LonTalk協(xié)議、LonWorks收發(fā)器、LonWorks網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具和節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具。

LonWorks節(jié)點(diǎn):Neuron芯片節(jié)點(diǎn)和基于Neuron的HostBase節(jié)點(diǎn)。

Neuron芯片(神經(jīng)元芯片)節(jié)點(diǎn)由神經(jīng)元芯片、收發(fā)器、固件和I/O接口電路組成,具備通信和控制功能為一體。核心技術(shù)7/27/2023

Neuron芯片:

Neuron芯片固化有OSI模型的全部七層協(xié)議,能實(shí)現(xiàn)完整的Lonworks的LONTALK通信協(xié)議。其上集成有三個(gè)8位CPU:其中一個(gè)CPU完成OSI模型第一和第二層功能,稱為介質(zhì)訪問(wèn)處理器;一個(gè)CPU是應(yīng)用處理器,運(yùn)行操作系統(tǒng)和用戶代碼;還有一個(gè)CPU是網(wǎng)絡(luò)處理器,作為前兩者的中介,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量尋址、更新、路徑選擇、網(wǎng)絡(luò)通信管理等。由神經(jīng)元芯片構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行對(duì)等通信。7/27/2023每個(gè)Neuron芯片幾乎都具有應(yīng)用CPU、I/O處理單元和通信處理器等功能模塊。7/27/2023每個(gè)Neuron芯片都有一個(gè)48bit的永久性固化序號(hào)ID,用作安裝調(diào)試階段的節(jié)點(diǎn)地址。7/27/20237/27/2023LonTalk協(xié)議是LonWorks系統(tǒng)的靈魂,它固化于神經(jīng)元芯片中,是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)的協(xié)議。執(zhí)行ISO/OSI參考模型,提供全部七層服務(wù)。七層結(jié)構(gòu)自下而上依次稱為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層及應(yīng)用層。

主要功能是管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信,分配節(jié)點(diǎn)地址,運(yùn)行內(nèi)含的沖突檢測(cè)/回避算法,控制物理的/電氣的連接等。LonTalk協(xié)議:7/27/2023

LonWorks技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活,組網(wǎng)方便。

LonWorks網(wǎng)絡(luò)具有自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以是總線型、星型、樹型、復(fù)合型等,實(shí)現(xiàn)真正的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊。LonWorks

技術(shù)支持多種通訊介質(zhì)和多種傳輸速率。支持的通訊介質(zhì)有雙絞線、同軸電纜、光纖、無(wú)線微波、紅外線、超聲波等,甚至多種介質(zhì)能在同一網(wǎng)絡(luò)中混合使用。完善的開發(fā)工具。無(wú)主的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。開發(fā)LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間短,易于維護(hù)。7/27/2023

LonWorks的介質(zhì)訪問(wèn)控制算法原則:盡量避免或者盡可能減少碰撞來(lái)設(shè)計(jì)。LonWorks的MAC算法使得信道在極少發(fā)生碰撞的情況下以其最大能力工作,仍然具有優(yōu)異的性能。將重發(fā)等待時(shí)間隨機(jī)化,可減少碰撞發(fā)生。7/27/2023

NeuronC語(yǔ)言,從ANSIC派生而來(lái),并對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)充和刪減,便于開發(fā)人員高效開發(fā)分布式LonWorks。

LonWorks互操作性的實(shí)現(xiàn)

LonWorks系統(tǒng)的互操作標(biāo)準(zhǔn)是由LonMark互操作協(xié)會(huì)制定的一套標(biāo)準(zhǔn)(LonMark

)。凡產(chǎn)品按該規(guī)定生產(chǎn),就可以結(jié)合在一起,互相通訊和工作。同類產(chǎn)品,不同廠家生產(chǎn),可以相互替換,實(shí)現(xiàn)了互操作。這樣的產(chǎn)品飾以LonMark標(biāo)記。

LonWorks的應(yīng)用編程高級(jí)語(yǔ)言7/27/20237/27/2023BACnet和LonWorks的比較在建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)中,BACnet和LonMark標(biāo)準(zhǔn)互為補(bǔ)充,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制域和管理信息域的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)作。兩者盡管目標(biāo)不一致,但在應(yīng)用時(shí)卻有交叉。7/27/2023

BACnet協(xié)議是為實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)互聯(lián)而制定的標(biāo)準(zhǔn)。BACnet有比LonMark更為大量的數(shù)據(jù)通訊,運(yùn)作高級(jí)復(fù)雜的大信息量,有更強(qiáng)大的過(guò)程處理、組織處理能力。適于大型智能建筑,大型智能建筑其分為若干區(qū)域,此時(shí)很有可能幾個(gè)不同的系統(tǒng)(不同廠家的)存在。如果希望可以在一個(gè)用戶界面進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的操作,

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