DE19622295A1 - Arrangement for data transmission in process control systems - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Datenübertragung in Prozeßleitsystemen, wie sie in der Verfahrenstechnik angewendet werden.The invention relates to an arrangement for data transmission in process control systems, as they are used in process engineering.
In der Meß-, Steuerungs- und Regelungstechnik ist es seit längerem üblich, über eine Zweitdrahtleitung ein Feldgerät zu speisen und Meßwerte von diesem Feldgerät zu einem Anzeigegerät und/oder zu einer regelungstechnischen Anlage beziehungsweise Stellwerte von einer regelungstechnischen Anlage zum Feldgerät zu übertragen. Dabei wird jeder Meßwert beziehungsweise Stellwert in einen proportionalen Gleichstrom umgeformt, der dem Speisegleichstrom überlagert wird, wobei der den Meßwert beziehungsweise Stellwert präsentierende Gleichstrom ein Vielfaches des Speisegleichstroms sein kann. So ist üblicherweise der Speisestrombedarf des Feldgerätes auf ca. 4 mA eingestellt und der Dynamikumfang des Meßwertes beziehungsweise Stellwertes auf Ströme zwischen 0 und 16 mA abgebildet, so daß die bekannte 4. . .20 mA-Stromschleife verwendbar ist.In measurement, control and regulation technology it has been common for a long time to use a Second wire line to feed a field device and measured values from this field device a display device and / or to a control system or Transfer control values from a control system to the field device. Here each measured value or manipulated value is converted into a proportional direct current transformed, which is superimposed on the DC feed current, the measured value or direct current presenting a multiple of the Can be direct current. So is usually the supply current requirement of the Field device set to approx. 4 mA and the dynamic range of the measured value or manipulated value on currents between 0 and 16 mA, so that the known 4th. .20 mA current loop can be used.
Zur Vermeidung von Meßwertverfälschungen infolge Potentialverschleppung und aus sicherheitstechnischen Gründen sind die Stromkreise für die Meßwerterfassung und die Meßwertverarbeitung überwiegend galvanisch voneinander getrennt ausgeführt.To avoid measurement falsifications due to potential carryover and off For safety reasons, the circuits for data acquisition and the processing of the measured values is mainly galvanically separated from each other.
Neuere Feldgeräte zeichnen sich darüber hinaus durch universelle, weitgehend an den jeweiligen Prozeß adaptierbare Eigenschaften aus. Dazu ist parallel zum unidirektionalen Gleichstromübertragungsweg ein bidirektional betreibbarer Wechselstromübertragungsweg vorgesehen, über den in Richtung zum Feldgerät Parametrierdaten und aus Richtung des Feldgerätes Meßwerte und Zustandsdaten übertragen werden. Die Parametrierdaten und die Meßwerte sowie die Zustandsdaten sind auf eine Wechselspannung moduliert, vorzugsweise frequenzmoduliert. Newer field devices are also characterized by universal, largely on the adaptable properties from each process. This is parallel to unidirectional direct current transmission path a bidirectionally operable AC transmission path is provided, via the towards the field device Parameterization data and measured values and status data from the direction of the field device be transmitted. The parameterization data and the measured values as well as the status data are modulated to an alternating voltage, preferably frequency-modulated.
In der Prozeßleittechnik ist es üblich, im sogenannten Feldbereich Feldgeräte, das sind Meß-, Stell- und Anzeigebaugruppen, entsprechend den vorgegebenen Sicherheitsbedingungen vor Ort anzuordnen und zu verknüpfen. Diese Feldgeräte weisen zur Datenübertragung untereinander analoge und digitale Schnittstellen auf. Die Datenübertragung wird dabei über die Speiseleitungen der im Wartenbereich angeordneten Stromversorgung vorgenommen. Zur Fernsteuerung und Ferndiagnose dieser Feldgeräte sind auch Bediengeräte in dem sogenannten Wartenbereich vorgesehen, an dessen Sicherheitsbestimmungen regelmäßig geringere Anforderungen gestellt sind.In process control engineering, it is common in the so-called field area field devices that are measuring, adjusting and display modules, according to the given Arrange and link security conditions on site. These field devices have analog and digital interfaces for data transmission with each other. The data transmission is via the feed lines in the waiting area arranged power supply made. For remote control and remote diagnosis these field devices are also control devices in the so-called waiting area provided, the security regulations of which are regularly lower Requirements are made.
Die Datenübertragung zwischen den Bediengeräten im Wartenbereich und den Feldgeräten wird durch Überlagerung der bekannten 20 mA-Stromschleifen mit Hilfe der der FSK-Modulation (Frequenz Shift Keying) realisiert. Dabei werden zwei Frequenzen, die den binären Zuständen "0" und "1" zugeordnet sind, rahmenweise analog übertragen.The data transfer between the control units in the waiting area and the Field devices is created by superimposing the known 20 mA current loops that realizes FSK modulation (frequency shift keying). This will be two Frequencies that are assigned to the binary states "0" and "1", frame by frame transmitted analog.
Die Rahmenbedingungen für das FSK-Signal und die Art der Modulation sind in der "HART Physical Layer Specification Revision 7.1-Final" vom 20.06.1990 (Rosemount Dokument Nr. D8900097; Revision B) beschrieben. In dieser Veröffentlichung sind darüber hinaus zwei grundlegende Netzwerktopologien zur Verknüpfung von Feldgeräten mit Bediengeräten angegeben.The framework conditions for the FSK signal and the type of modulation are in the "HART Physical Layer Specification Revision 7.1-Final" from June 20, 1990 (Rosemount Document No. D8900097; Revision B). In this release are also two basic network topologies for connecting Field devices with operating devices specified.
Die erste Netzwerktopologie betrifft eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Dabei ist an jedes Bediengerät nur ein Feldgerät anschaltbar. Durch das Feldgerät ist sowohl analoge wie digitale Übertragung zugelassen.The first network topology concerns a point-to-point connection. It is on each operating device can only be switched on one field device. Through the field device is both Analog and digital transmission permitted.
Die zweite Netzwerktopologie betrifft eine Busstruktur, bei der eine Mehrzahl von Feldgeräten über einen gemeinsamen Bus an ein Bediengerät anschaltbar sind. Dabei ist ausschließlich die digitale Datenübertragung zugelassen. Aufgrund definitionsgemäßer Parametervorgaben ist die maximale Anzahl der an einen Bus anschaltbaren Feldgeräte auf 15 und die maximale Länge des Busses auf etwa 3300 m beschränkt.The second network topology relates to a bus structure in which a plurality of Field devices can be connected to an operator panel via a common bus. Here only digital data transmission is permitted. Because of The maximum number of parameters on a bus is by definition connectable field devices at 15 and the maximum length of the bus at about 3300 m limited.
Entscheidender Bestandteil dieser definitionsgemäßen Parametervorgaben ist der Innenwiderstand der den Feldgeräten zugeordneten Stromversorgungseinrichtungen. The crucial component of these definition parameters is the Internal resistance of the power supply devices assigned to the field devices.
Feldgeräte werden in der Regel mit einer stabilen und geglätteten Versorgungsgleichspannung gespeist. Der Innenwiderstand einer diesen Anforderungen genügenden Spannungsquelle ist nahezu Null.Field devices are usually made with a stable and smoothed DC supply voltage fed. The internal resistance of one of these The voltage source that meets the requirements is almost zero.
Da die Speiseleitungen der Stromversorgung zu den Feldgeräten auch für die Datenübertragung benutzt werden, ist der Innenwiderstand der Spannungsquelle dem Eingangswiderstand der jeweiligen Empfängerschaltung parallel geschaltet, so daß der resultierende Abschlußwiderstand aus Senderichtung ebenfalls nahezu Null ist. Eine Kommunikation ist daher nur möglich, wenn eine ausreichend große Impedanz zur Modulation vorgesehen wird.Since the supply lines of the power supply to the field devices also for the Data transmission are used, the internal resistance of the voltage source is the Input resistance of the respective receiver circuit connected in parallel, so that the resulting terminating resistance from the direction of transmission is also almost zero. Communication is therefore only possible if the impedance is sufficiently large is provided for modulation.
Aus der DE 43 43 540 ist eine Anordnung zur potentialgetrennten Übertragung von Gleich- und Wechselstromsignalen über Zweidrahtleitungen bekannt, die aus einem Wechselrichter einer Koppelstufe mit galvanischer Trennung und einem Gleichrichter zur unidirektionalen Gleichstromübertragung und einem Übertrager zur Wechselstromübertragung besteht, wobei dem Wechselrichter eine erste Reiheninduktivität vorgeschaltet ist, dem Gleichrichter eine zweite Reiheninduktivität nachgeschaltet ist und die erste und die zweite Reiheninduktivität Wicklungen des Übertragers zur Wechselstromübertragung sind. Dieser Anordnung sind Mittel zur Stromversorgung zuordnen bar, die eine impedanzmäßig angepaßte Speisung des jeweilig angeschlossenen Feldgeräts erlaubt.DE 43 43 540 describes an arrangement for the electrically isolated transmission of DC and AC signals via two-wire lines known from a Inverter of a coupling stage with galvanic isolation and a rectifier for unidirectional direct current transmission and a transformer for There is alternating current transmission, the inverter being a first Series inductor is connected upstream, the rectifier a second series inductance is connected downstream and the first and the second series inductance windings of the AC transformer are. This arrangement is a means of Assign power supply bar, the impedance-matched supply of the connected field devices allowed.
Um darüber hinaus Daten zwischen einem Bediengerät und dem Feldgerät mittels FSK-moduliertem Wechselstrom austauschen zu können, ist aus der DE 42 32 922 bekannt, Feldgeräte über einen Buskoppler an den Datenbus anzuschließen, der bidirektional ausgelegt ist und in Sende- und Empfangsrichtung identische Bauteile in identischer Reihenfolge aufweist, wobei während der Datenübertragung ausschließlich die der jeweiligen Übertragungsrichtung zugeordneten Bauteile angeschlossen sind. Zur Impedanzanpassung ist dabei dem Speisegerät ein Serienwiderstand nachgeschaltet. Aufgrund der Impedanzverhältnisse ist jedoch für jedes Feldgerät ein separater Buskoppler erforderlich, so daß bei einer Vielzahl von Feldgeräten der Aufwand für die Buskoppler sehr groß ist.To also use data between an operator panel and the field device To be able to exchange FSK-modulated alternating current is from DE 42 32 922 known to connect field devices via a bus coupler to the data bus is designed bidirectionally and identical components in the send and receive direction identical sequence, with only during the data transmission the components assigned to the respective direction of transmission are connected. The supply unit has a series resistor for impedance matching downstream. Due to the impedance conditions, however, one is required for each field device separate bus coupler required, so that with a variety of field devices Effort for the bus coupler is very large.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Erhalt des Gleichstomübertragungsweges zwischen einem Steuergerät und einem Feldgerät, eine Vielzahl von Feldgeräten mit möglichst geringem Aufwand zur bidirektionalen Wechselstromkommunikation mit einem Bediengerät über einen seriellen Datenbus zu vernetzen.The invention is based, while maintaining the task Direct current transmission path between a control device and a field device, a large number of field devices with the least possible effort for bidirectional AC communication with an operator panel via a serial data bus network.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 beschrieben.According to the invention, this object is achieved with the means of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are in claims 2 and 3 described.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. The necessary drawings show:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Datenübertragung Fig. 1 is a block diagram of an arrangement for data transmission
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erweiterten Anordnung zur Datenübertragung Fig. 2 is a block diagram of an extended arrangement for data transmission
Fig. 3 eine Detaildarstellung eines Dämpfungsgliedes. Fig. 3 is a detailed view of an attenuator.
In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Anordnung zum Datenaustausch in einem Prozeßleitsystem dargestellt. Die Erfindung geht dabei von einem Feldgerät 10 aus, das über ein Koppelmittel 20 mit einem Steuergerät 30 verbunden ist. Dabei ist das Koppelmittel 20 zur galvanischen Trennung des Stromkreises vom Steuergerät 30 vom Stromkreis des Feldgerätes 10 ausgeführt.In Fig. 1 is a block diagram of an arrangement is shown for exchanging data in a process control system. The invention is based on a field device 10 which is connected to a control device 30 via a coupling means 20 . The coupling means 20 is designed for the electrical isolation of the circuit from the control device 30 from the circuit of the field device 10 .
Zur Gleichstromübertragung vom Steuergerät 30 zum Feldgerät 10 wird die für sich bekannte 4. . .20mA-Stromschleife verwendet. Die Kommunikation zwischen dem Steuergerät 30 und dem Feldgerät 10 ist bezogen auf die Gleichstromübertragung unidirektional. Soweit das Feldgerät 10 ein Meßwertaufnehmer ist, repräsentiert die 4. . .20mA-Stromschleife den aufgenommenen Meßwert, der zum Steuergerät 30 übertragen wird. Wenn das Feldgerät 10 als Stellglied ausgeführt ist, wird die 4. . .20mA-Stromschleife vom Steuergerät 30 gespeist und repräsentiert den am Feldgerät 10 einzustellenden Stellwert.For the direct current transmission from control device 30 to field device 10 , the 4th known per se. .20mA current loop used. The communication between the control device 30 and the field device 10 is unidirectional in relation to the direct current transmission. As far as the field device 10 is a sensor, the 4th. .20mA current loop the measured value that is transmitted to the control unit 30 . If the field device 10 is designed as an actuator, the 4th. .20 mA current loop fed by the control device 30 and represents the control value to be set on the field device 10 .
Zur galvanischen Trennung des Gleichstromes der 4. . .20mA-Stromschleife weist das Koppelmittel 20 eine Kettenschaltung aus einem Wechselrichter, einem Übertrager und einem Gleichrichter auf, wobei der Wechselrichter jeweils in die getriebene Stromschleife und der Gleichrichter in die treibende Stromschleife geschaltet ist. For galvanic isolation of the direct current of the 4th. .20mA current loop, the coupling means 20 has a chain circuit comprising an inverter, a transformer and a rectifier, the inverter being connected to the driven current loop and the rectifier being connected to the driving current loop.
Derartige Koppelmittel 20 sind für sich bekannt und beispielsweise in der DE 43 43 450 ausführlich beschrieben.Coupling means 20 of this type are known per se and are described in detail, for example, in DE 43 43 450.
Parallel zu diesem unidirektionalen Gleichstromübertragungsweg ist ein gleichfalls galvanisch getrennter, jedoch bidirektionaler Wechselstromübertragungsweg zum Feldgerät 10 vorgesehen, über den Parametrierdaten zum Feldgerät 10 und Diagnosedaten vom Feldgerät 10 zu einem Bediengerät 50 übertragen werden.Parallel to this unidirectional direct current transmission path, there is also a galvanically separated, but bidirectional, alternating current transmission path to the field device 10 , via which parameterization data for the field device 10 and diagnostic data are transmitted from the field device 10 to an operating device 50 .
Das Bediengerät SO kann dabei als für sich bekannter Personalcomputer 51 mit angeschlossenem Modem 52 ausgeführt sein.The operating device SO can be designed as a personal computer 51 known per se with a connected modem 52 .
Zur galvanisch getrennten Übertragung des Wechselstromsignals weist das Koppelmittel 20 einen separaten Wechselstromübertrager 21 auf, dessen Wicklungen vom treibenden und getriebenen Strom der kommenden und gehenden 4. . .20mA-Stromschleifen durchflossen sind. Dabei ist vorgesehen, daß die Stromstärken des treibenden und des getriebenen Gleichstromes betragsmäßig exakt identisch und bezogen auf die Durchflutung des Wechselstromübertragers 21 entgegengesetzt gerichtet sind, so daß der Wechselstromübertrager 21 gleichstromkompensiert ist. Darüber hinaus ist vorgesehen, den Wechselstromübertrager 21 mit einem Kern aus hochpermeablem Werkstoff aufzubauen.For the galvanically isolated transmission of the alternating current signal, the coupling means 20 has a separate alternating current transformer 21 , the windings of which are driven by the driving and driven current of the coming and going 4th. .20mA current loops are flowed through. It is provided that the current strengths of the driving and driven direct currents are exactly identical in terms of magnitude and directed in opposite directions with respect to the through-flow of the alternating current transformer 21 , so that the alternating current transformer 21 is compensated for direct current. In addition, it is provided to build the AC transformer 21 with a core made of highly permeable material.
Durch die vorgesehene Gleichstromkompensation wird dabei auch bei kleinsten Bauformen des Wechselstromübertragers 21 trotz hochpermeablem Kernwerkstoffes die Sättigung des Kerns vermieden, jedoch die Wechselstromimpedanz des Übertragers 21, die den Eingangswiderstand für das bidirektionale Wechselstromsignal darstellt, soweit erhöht, daß eine wechselspannungsmäßige Parallelschaltung mehrerer Koppelmittel 20 unter Einhaltung der Pegel- und Impedanzgrenzwerte für das zur Wechselstromübertragung verwendete FSK-Signal gemäß HART-Protokoll ohne Verstärkermittel ermöglicht wird.Due to the DC compensation provided, the saturation of the core is avoided even in the smallest designs of the AC transformer 21, despite the highly permeable core material, but the AC impedance of the transformer 21 , which represents the input resistance for the bidirectional AC signal, is increased to such an extent that an AC parallel connection of several coupling means 20 is observed the level and impedance limit values for the FSK signal used for AC transmission according to the HART protocol are made possible without amplifier means.
Zur Parallelschaltung mehrerer Koppelmittel 20 an einen Datenbus 70 ist der Datenbus 70 jeweils über ein Dämpfungsglied 40, das mindestens ein kapazitives Schaltelement aufweist, steuergeräteseitig an jedes Koppelmittel 20 angeschlossen. Dabei ist vorgesehen, daß der Wechselstromkreis des Datenbusses 70 über die Reihenschaltung aus dem Innenwiderstand des jeweiligen Gleichstromempfängers 20 oder 30 und der steuergeräteseitige Wicklung des Übertragers 21 geschlossen ist. Soweit das Feldgerät 10 ein Meßwertaufnehmer ist, ist das Steuergerät 30 Empfänger des unidirektionalen Gleichstroms und der Eingangswiderstand des Steuergeräts 30 ist bezüglich des Wechselstromkreises des Datenbusses 70 mit der steuergeräteseitigen Wicklung des Übertragers 21 in Reihe geschaltet. Wenn das Feldgerät 10 als Stellglied ausgeführt ist, ist das Koppelmittel 20 Empfänger des vom Steuergerät 30 eingespeisten unidirektionalen Gleichstroms und der Eingangswiderstand des Koppelmittels 20 ist bezüglich des Wechselstromkreises des Datenbusses 70 mit der steuergeräteseitigen Wicklung des Übertragers 21 in Reihe geschaltet.To connect a plurality of coupling means 20 in parallel to a data bus 70 , the data bus 70 is connected to each coupling means 20 on the control unit side via an attenuator 40 which has at least one capacitive switching element. It is provided that the AC circuit of the data bus 70 is closed via the series connection of the internal resistance of the respective DC receiver 20 or 30 and the control unit-side winding of the transformer 21 . As far as the field device 10 is a transducer, the control device 30 is the receiver of the unidirectional direct current and the input resistance of the control device 30 is connected in series with the control device-side winding of the transmitter 21 with respect to the AC circuit of the data bus 70 . If the field device 10 is designed as an actuator, the coupling means 20 is the receiver of the unidirectional direct current fed in by the control device 30 and the input resistance of the coupling means 20 is connected in series with the control unit-side winding of the transmitter 21 with respect to the AC circuit of the data bus 70 .
Die Anzahl der an einen Datenbus 70 über jeweils ein Dämpfungsglied 40 anschaltbaren Koppelmittel 20 richtet sich dabei nach der konstruktiven Ausgestaltung des Wechselstromübertragers 21 unter Berücksichtigung der sich durch die Parallelschaltung der einzelnen Wechselstromimpedanzen ergebenden Gesamtimpedanz in Bezug auf den durch das HART-Protokoll vorgegebenen Impedanzgrenzwert. Der Datenbus 70 ist an das- Modem 52 des Bediengeräts 50 angeschlossen.The number of coupling means 20 that can be connected to a data bus 70 via an attenuator 40 depends on the design of the AC transformer 21 , taking into account the total impedance resulting from the parallel connection of the individual AC impedances with respect to the impedance limit value specified by the HART protocol. The data bus 70 is connected to the modem 52 of the operating device 50 .
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß jedes Dämpfungsglied 40 gemäß Fig. 3 aus einer in einer Leitung liegenden Kettenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator besteht.In an embodiment of the invention, it is provided that each attenuator 40 according to FIG. 3 consists of a chain circuit in a line consisting of a resistor and a capacitor.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, zur Vervielfachung der mittels eines Bediengeräts 50 bedienbaren Feldgeräte 10 den Datenbus 70 durch aktive Buskoppler 60 zu segmentieren. Dabei ist das Modem 52 des Bediengeräts 50 mit einer Mehrzahl derartiger Buskoppler 60 verbunden, denen jeweils eine maximale vorgebbare Anzahl von Dämpfungsgliedern 40 zur Verbindung mit Koppelmitteln 20 nachgeschaltet sind. Ein derartiger Buskoppler 60 ist in der DE 42 32 922 detailliert beschrieben.In a further embodiment of the invention, in order to multiply the field devices 10 which can be operated by means of an operating device 50, the data bus 70 is segmented by active bus couplers 60 . The modem 52 of the operating device 50 is connected to a plurality of such bus couplers 60 , each of which is followed by a maximum, predeterminable number of attenuators 40 for connection to coupling means 20 . Such a bus coupler 60 is described in detail in DE 42 32 922.
Die Beschreibungen aus den DE 43 43 540 und DE 42 32 922 sind Gegenstand dieser Offenbarung. The descriptions from DE 43 43 540 and DE 42 32 922 are the subject of this Epiphany.
Auf diese Weise ist eine Vielzahl von Feldgeräten 10 mit geringem Aufwand durch ein einziges Bediengerät 50 bedienbar und vorteilhaft vernetzbar.In this way, a large number of field devices 10 can be operated and advantageously networked with little effort by a single operating device 50 .
BezugszeichenlisteReference list
10 Feldgerät
20 Koppelmittel
21 Übertrager
30 Steuergerät
40 Dämpfungsglied
50 Bediengerät
51 Personalcomputer
52 Modem
60 Buskoppler
70 Datenbus 10 field device
20 coupling agents
21 transformers
30 control unit
40 attenuator
50 control unit
51 personal computer
52 modem
60 bus couplers
70 data bus
Claims (3)
- - daß der Übertrager (21) des Koppelmittels (20) gleichstromkompensiert ist,
- - daß das Kernmaterial des Übertragers (21) hochpermeabel ist und
- - daß der serielle Datenbus (70) für jedes Feldgerät (10) über ein mindestens ein kapazitives Schaltelement aufweisendes Dämpfungsglied (40) steuergeräteseitigen dem Koppelmittel (20) derart aufgeschaltet ist, daß der Wechseistromkreis des Datenbusses (70) über die Reihenschaltung aus dem Innenwiderstand des Gleichstromempfängers (20, 30) und der steuergeräteseitige Wicklung des Übertragers (21) geschlossen ist.
- - That the transformer ( 21 ) of the coupling means ( 20 ) is DC-compensated,
- - That the core material of the transmitter ( 21 ) is highly permeable and
- - That the serial data bus ( 70 ) for each field device ( 10 ) via an at least one capacitive switching element having attenuator ( 40 ) control unit side the coupling means ( 20 ) is connected such that the AC circuit of the data bus ( 70 ) via the series circuit from the internal resistance of the DC receiver ( 20 , 30 ) and the control unit-side winding of the transformer ( 21 ) is closed.
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Owner name: ABB PATENT GMBH, 68526 LADENBURG, DE |
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