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标题: 基于AVR的自动扶梯 [打印本页]
作者: admin    时间: 2015-4-28 14:52
标题: 基于AVR的自动扶梯
第一部分  总体概述
          1.1  研究背景
          自动扶梯广泛应用于大型商场、超市、机场、地铁、宾馆等场合，大多数扶梯在客流量大的时候，工作于额定的运行状态，在没有乘客时仍以额定速度运行，具有耗能大、机械磨损严重、使用寿命低、运行不够安全等缺点，为此我们设计了利用ATmega128开发板和EVK1100与变频控制相结合的节能及安全监控系统以改善扶梯以往的缺点，我们期望通过本项目的设计与实施，来掌握利用ATMEL UC3A0512和ATmega128芯片完成项目，使ATMEL芯片在中国应用得更加广泛。
           
          1.2  自动扶梯使用现状分析
          随着自动扶梯的拥有量不断的上升和前段时间各地频发的自动扶梯运行事故，扶梯节能降耗和安全运行的研究已引起社会各界的关注，研究扶梯的节能降耗方法和加强扶梯的安全性能已经是大势所趋。
           
          1.3  节能原理及运行监控分析
        节能原理：大多数自动扶梯驱动系统的核心是一个交流(AC)感应电机。尽管交流感应电机是可靠的动力源，许多"终端用户"却不知交流电机在载荷较轻时，其效率很低。 由于大多数交流电机固有的设计，交流电机20% ～40%做的是无用功，这部分能量常常以热量的形式白白被浪费掉，在谈节能方式之前，首先对自动扶梯的电机能耗进行分析。

         

       

        图1-1  电机的功率流向图

         

        从图1-1中可以看出，电动机在正常运行状态下的功率损耗主要有3个部分:即定子铜耗定子铁耗和转子铜耗。由于转子中的电流频率很低， 因此转子的铁耗较小，可以忽略不计，另外，机械损耗和附加损耗也是较小的将可其忽略。而定子铜耗和转子铜耗分别与定子和转子中的电流的平方成正比，因此，减小电流将显著降低这两种损耗。至于定子中的铁耗，包括磁滞损耗和涡流损耗， 两者都近似地与电源频率成正比， 与铁芯中的磁感应强度的平方成正比由此可见，减小频率和降低铁芯磁通密度将会显著降低定子铁耗。

         

        根据电机学原理可知：

        输入功率=定子铜耗+铁耗+转子铜耗+机械损耗+附加损耗+输出功率= (定子铜耗+转子铜耗) + (铁耗+机械损耗+附加损耗) +输出功率=可变损耗+损耗+输出=损耗+输出功率从以上分析可知，要想使自动扶梯电机节能，就必须从减少电机损耗和减少输出功率两方面进行。

         

        1)减少损耗：减少损耗也就是提高电机的工作效率。通常电机的工作效率在75% ～80%额定负载时效率最高。 在轻载时可调整输入电压来减少损耗，当可变损耗等于不变损耗时，异步电机的效率达到最大值。

         

        2)减少输出功率：电机的输出功率与转速成正比，采用变频调速可线性减少自动扶梯的输出功率，而达到节能的目的。微机变频调速是通过调节电源的频率来改变异步电机的转速，在自动扶梯无人空载时可降低扶梯的转速(如20%或50%额定转速) ，进行节能，在扶梯检测到需要载人时再事前恢复到正常速度， 变频器在轻载时，可自行调整输入电压来降低损耗。

         

        根据异步电机的等效电路可以计算电机的各种运行性能，也可以通过空载试验和短路试验做出异步电机的“圆图”，进而得到电机输出转矩M2、效率η、转差率s、定子电流I1、功率因数cosθ等参数与电机输出功率P2 的关系曲线，典型异步电机的运行性能，如图所示。

         

       

        图1-2 运行特性曲线

        由图1-2可见，异步电机在轻载或空载时的效率是很低的，理由是电机的激磁电流即电机的空载电流较大，电机的定子铜耗，特别是定子铁耗在轻载时并不比额定载荷时降低多少，因为空载电流较大，导致电机在轻载时功率因数很低。异步电机的这一运行特性，正是能在自动扶梯上实现降压节能的基础。
         

        运行监控原理：自动扶梯发生事故的主要原因有：扶梯逆转、扶梯电机过热引起火灾、扶梯上人数过多引发扶梯事故。本项目通过局域网通信将自动扶梯的运行情况通过局域网传输到监控中心，监控中心人员在扶梯不正常运行时在监控中心可通过局域网控制自动扶梯的运行，从而在第一时间解决危险。

         

          1.4  系统控制分析
          1.4.1  系统节能运行方案
          当有乘客进入扶梯入口处时，光电感应装置检测到有效信号，此信号被送入ATmega128，经过处理输出一个控制信号，经过继电器模块使变频器按照设定的加速度进行无极变速，达到一个稳定的速度开始正常运行。同时定时器T1清零并开始计时，当T1在小于系统设置的T2时间段内，光电感应装置检测到一个新的乘客进入，则T1又清零并重新开始计时，如果T1一直运行到大于T2的时间段后，表明在设置的T2时间内没有新的乘客进入，此时扶梯通过变频器切换到低频运行，开始进入低速节能运行状态。此后若T1在小于系统设置的T3时间段内，光电感应装置检测到新的乘客进入，则T1再度清零并计时，同时变频器从低速节能运行状态开始缓慢加速到额定速度运行，若T1的值大于T3，则表明扶梯在节能运行状态下经过等待后还无乘客进入，此时扶梯就从低速节能运行状态变为停止，从而达到最大节能。
           
          安全方面：系统通过摄像头和温度传感器、人数计数传感器监检测，将扶梯现场运行情况和具体数据传输的监控中心的PC机，监控人员在监控室可以通过局域网观察扶梯运行数据，当扶梯运行数据超出了设定值时现场会发出警报，并在显示屏上显示故障。中心人员可通过局域网在网页上观察扶梯运行情况，从而在第一时间通过在局域网网页上的操作对扶梯进行控制。另外扶梯上安装了急停按钮，当发生是事故时扶梯乘客可按下急停按钮，使扶梯停止运行。
           
       

        图1-3  系统时序图

         

          1.4.2  自动运行的要求
           
          1.4.3  电气控制要求
           
          1.4.4  检测装置满足的要求
        安装在扶梯入口处的乘客检测装置检测是否有人乘梯。但是为了确保乘客的安全， 按照《自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范》的要求自启动的扶梯，应在该使用者走到梳齿相交线之前启动运行， 故乘客检测装置应满足以下要求。

         

        （1）光束， 应设置在梳齿相交线之前至少1.3m外。

        （2）触点踏垫， 其外缘应设置在梳齿相交线之前至少1.8m处， 沿运行方向的触点踏垫长度至少为0.85m处。

         

        在实际设计时可选择安装在扶手进出口处的光电漫发射装置来实现改要求，本系统设计时选择光电漫反射装置， 能够确保每一个从不同方向走过来的乘客都能被有效的探测到， 从而实现自启动的功能。

         

       

           
        图1-4  自动扶梯运行模式流程图

        1.5  项目实现的功能
          节能方面：通过增加变频器来控制扶梯运行的速度，当梯上有乘客时，扶梯以高速运行（例如额定速度），提高客流量，当乘客检测装置在一段时间内没有检测到乘客通过时，扶梯开始减速转为低速运行（例如0.2m/s，参数可设置），此时一直处于待机运行中，即为非自启动节能。  
           
          （1）运行状态描述
          变频控制，无人时低速，有人时高速。高速运行时间记为T1，可通过ATmaga128开发板程序进行设置，具体时间根据梯的提升高度和速度而定。
           
          （2）运行步骤
          当扶梯上电停止等待，有方向（比如上行）开始运行时，此时扶梯以低速开始节能运行进入待机等待。下方光电传感器检测是否有人通过，当有人通过时，控制器内部的定时器（记为T）清零，此时扶梯开始缓慢加速至额定速度运行。额定运行时定时器（记为T）开始计时.当有一段时间没人乘梯即T≥T1时，扶梯又开始减速进入低速运行待机等待状态，如此循环往复运行。
           
          安全监控方面：局域网安全监控主要使用了EVK1100开发板，用于局域网通信，通过网线可与上位机完成数据交换。通过摄像头监控中心的人员可以看到扶梯的运行情况，当发现扶梯有危险时监控中心的人员可以通过局域网网页上的STOP按钮让扶梯停止运行。当故障确定解除后工作人员可以通过RUN按钮让扶梯重新工作。
           
          另外，当扶梯的电机超负荷运行导致温度高于100℃时，温度传感器会发出警报（模拟时设定40℃）。当扶梯运行速度过快和过慢时，单片机通过读取速度传感器反馈的速度判断险情从而报警。当扶梯上人数达到系统设定的最高人数时会提醒乘客稍后再使用，当出口处的光电传感器检测到有人出扶梯时，人数会自动减一，提示会自动解除。
           
          1.6  系统总体分析
          1.6.1  系统框图
        自动扶梯变频控制系统是在原工频控制系统的基础上，加装光电探测传感器、变频器、摄像头、温度传感器、ATMEGA128开发板、ATmega128以及其他必要的辅助元件，进行变频运行及安全监控。

         

        ATmega128开发板是控制系统的核心，它的作用是对各种输入信号如乘客光电检测，控制扶梯节能运行，并对扶梯运行情况进行检测与显示。EVK1100进行安全监测并对信号进行处理，控制危险情况下时扶梯的停止并发出警报等。变频器的作用是根据ATmega128的输入控制信号改变扶梯驱动电机的电源频率，使扶梯能够以一定的加速度进行软启动或进入低速节能状态运行。故障显示装置的作用是对各种故障现象进行显示。

         

       

        图1-6  系统框图

         

        该控制系统主要由红外探测传感器、变频器、ATmega128开发板、EVK1100开发板和其他必要辅助元件等组成。安装在入梯口的光电探测传感器，随时监测自动扶梯的载客情况；ATmega128开发板是控制系统的核心，它接收光电探测传感器、温度传感器、速度传感器等装置送来的各种输入信号，并对接收的输入信号进行处理，实现运行、停止、故障判断及记录、状态显示等功能；变频器主要是根据ATmega128开发板的输出控制信号改变电源频率，自动调节扶梯的运行速度，保证启动运行平稳。

         

          1.6.2  系统主电路分析
        由于自动扶梯使用场合的特殊性，相当一部分扶梯的空载时间往往大于载客时间，为了提高整个系统的安全可靠性，降低成本，本设计采用旁路变频控制。即在原来工频空载系统的基础上（即保留主电机原工频空载系统）加装光电感应开关、变频器和ATmega128芯片等装置。其主电路图如图1-7所示。

         

       

        图1-7  旁路变频控制系统主电路

         

          变频器的R、S、T端子与市网的三相电源通过保护开关相连，U、V、W与扶梯的电机电源端通过交流接触器KM1相连接，扶梯的上行和下行方向通过切换KM3与KM4主触点分别导通来控制。为了严格防止扶梯由于程序故障导致逆行，KM3（上行）和KM4（下行）导通与否不通过程序控制，而是由工作人员手动控制，同时为了防止工作人员误操作，可设置二次确认的方式以保证绝对安全，即必须依次按下两个按钮才可确保扶梯改变运行方向。检修模式下，扶梯由变频器供电，以设定的低速运行。FR为市网供电工作时扶梯电机过载保护装置热继电器，M为扶梯三相驱动电机。
           
        旁路变频控制的优点是实现了无人乘梯时低速运行或停止，达到节能、降低噪声、减少机械磨损的目的。由于采用了变频控制，使系统的启动平稳，降低了对电网和机械设备的冲击。

        第二部分  硬件部分
          2.1  ATMEGA128开发板
          ATMEGA128开发板采用了典型的计算机结构，主要是CPU，RAM，ROM和专门设计的输入输出接口电路等组成。ATMEGA128开发板则采用循环扫描工作方式，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。
           
          2.1.1  ATMEGA128开发板控制系统流程
        ATMEGA128开发板的运行、停止、检修、状态显示、故障判断及报警等功能是通过采集光电探测传感器等装置送来的各种输入信号经过ATMEGA128开发板内部逻辑处理，通过输出指令控制变频器、接触器等装置来实现。控制流程图如图2-1所示。

         

       

        图2-1   ATmega128单片机系统控制流程图

         

          在程序设计时，本系统采用模块化的编程思想，将各个功能模块单独编制子程序进行调用。在控制程序中，需要ATmega128单片机处理的最主要的逻辑信号是安全回路检测信号，该信号用了判断扶梯安全回路是否存在故障已及故障存在的位置，因而是自动扶梯安全运行的重要保证。需要ATmega128单片机进行处理的还有扶梯运行模式、状态、检修等信号。所有这些控制信号的给出，都是ATmega128单片机根据各个输入信号通过复杂的控制程序来实现，这些程序之间必须协调一致、判断合理才能完成自动扶梯的整体控制。
           
          ATmega128单片机的程序为循环扫描工作方式、首先ATmega128单片机初始化检查，内部寄存器复位与置位，接着检测扶梯的运行状态和运行模式，然后再将扶梯的各项安全信号状态放入状态寄存器，通过状态字确认扶梯是否处于正常，如正常则输出信号驱动变频器等设备工作，使扶梯进行相应的运行。  
           
       

        ATMEGA128扩展电路

         

       

        图2-2  ATMEGA128开发板输入输出接线图

        2.2  EVK1100开发板
        为了使扶梯运行更安全，我们将控制扶梯运行部分与监控扶梯安全的部分分开。控制扶梯使用ATMEL的ATmega128芯片，监控扶梯安全使用的是ATEML的EVK1100开发板。这样当控制运行的部分突然出现故障时，监控中心可以通过安全监控电路使扶梯停止运行。EVK1100开发板使用的是UC3A0512芯片。UC3A 系列拥有512K 字节的闪存，并拥有一个内置10/100以太网媒体接入控制器 (MAC)、10/100-Mbps IEEE(R) 802.3 标准以太网 MAC 可实现设计能通过互联网协议堆栈进行通讯的联网的植入式系统。

         

       

        图2-3  EVK1100开发板

         

          2.3  变频器（FR-A700）
        变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。变频器主要由五部分组成:整流回路、逆变器、控制电路、制动组件和保护回路.变频调速控制方式一般大体可分为两种，开环控制和闭环控制，后者需要电动机轴转速反馈。普通的电压/频率(V/F)控制属于开环方式，闭环控制方式包括转差频率控制、矢量控制等方式。

         

        根据系统需要，本系统选用三菱公司生产的FR-740变频器，该变频器可方便设定启动额度频率、运行频率、加速时间、驱动转矩等参数，可满足系统所需的各种功能要求。其实物如图2-3。

         

       

        图2-3  FR-A700

         

          2.3.1 ATMEGA128开发板与变频器的连接图
          变频器与ATMEGA128开发板的输出端口连接如图所示，当光电检测装置检测到乘客信号时，Y0输出，变频器的RH端子有输入信号，变频器根据预先设置的频率和加速时间控制扶梯电机缓慢加速启动，当在设置的时间段T2内检测不到新的乘客时。Y1输出，变频器的RM端子有输入信号，变频器按照预先设置的较低的频率输出，控制扶梯以节能方式运作。通过给变频器的RH，RM，RL的三个端子进行不同输入组合，可设置不同的运行频率输出。当在设置的时间T3段内检测不到新的乘客时，Y2输出，变频器的停止信号控制端子MRS有输入信号，变频器停止输出，扶梯停止运作。变频器的SD端与ATMEGA128开发板的COM端相连接。连接如图2-4所示。
           
       

        图2-4 ATMEGA128开发板与变频器的连线

        2.3.2 ATMEGA128开发板与变频器连接应注意的问题
        数据处理需要时间，存在一定的时间延迟，故在较精确的控制时应予以考虑。因为变频器在运行中会产生较强的电磁干扰，为保证ATMEGA128开发板不因为变频器主电路断路器及开关器件等产生的噪声而出现故障，将变频器与ATMEGA128开发板相连接时应该注意以下几点：

         

        1）对ATMEGA128开发板本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地，而且应注意避免和变频器使用共同的接地线，且在接地时使二者尽可能分开。

         

        2）当电源条件不太好时，应在ATMEGA128开发板的电源模块及输入/输出模块的电源线上接入噪声滤波器和降低噪声用的变压器等，另外，若有必要，在变频器的接线端也应采取相应的措施。

         

        3）当把变频器和ATMEGA128开发板安装于同一操作柜中时，应尽可能使与变频器有关的电线和与ATMEGA128开发板有关的电线分开。

         

        4）通过使用屏蔽线和双绞线达到提高噪声干扰的水平。对于变频器而言，主回路端子PE的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段，因此在实际应用中一定要非常重视。

         

        在变频器等电力电子设备中，为了提高装置的抗干扰和防雷击能力，在电源输入侧均有电容或者压敏电阻组成的电源滤波和压敏电阻、放电管组成的防雷击电路，有些变频器可以直接选用外接模块单元。

         

        在我国，大多数工厂采用三相四线制，有些用户因没有地线，干脆不接，或者为了简单将PE接至零线。在这种情况下，由于防浪涌电路中的电容及压敏电阻漏电流IC和IR较大，一般为几十至几百毫安，在接地情况不够良好的情况下，R0较大，零线与地之间的电压达到几十伏，甚至上百伏，既不符合消防安全规范，也对系统的可靠性产生重大影响，因此在条件允许的情况下应尽量采用专用接地线，避免与其他设备公用接地。变频器接地导线的截面积一般应不小于2.5mm2，长度控制在20m以内。建议变频器的接地与其它动力设备接地点分开，不能共地。

         

          2.4  旋转编码器(E6A2-CW5C)
        旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。

         

        工作原理：由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦信号组合成A、B、C、D，每个正弦相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

         

        本系统采用E6A2-CW5C型的编码器，其实物如图2-5所示

         

       

        图2-5  E6A2-CW5C

         

          编码器有5条引线，其中3条是脉冲输出线，1条是COM端线，1条是电源线。编码器的电源可以是外接电源，也可直接使用ATMEGA128开发板的DC24V电源。电源“-”端要与编码器的COM端连接，“+ ”与编码器的电源端连接。编码器的COM端与ATMEGA128开发板输入COM端连接，A、B相脉冲输出线直接与ATMEGA128开发板的输入端连接(A相与X0相连，B相与X1相连)，连接时要注意ATMEGA128开发板输入的响应时间。有的旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地。
           
          2.5  语音芯片（ISD 1720）
          在本系统中采用ISD 1720型号的语音芯片，来构成语音报警系统，人数过多时，发出警报，提醒乘客，达到语音报警的安全控制。
           
          其实物如图2-7所示
           
       

        图2-7 ISD 1720

         

        1、功能概述

        ISD1700系列录放芯片是一种高集成度，高性能的芯片。它可以多段录音，采样率可在4K至12K间调节，供电范围可以在2.4V至5.5V之间。ISD1700系列录放芯片可工作于独立按键模式和SPI控制模式。芯片内有存储管理系统来管理多段语音，这样在独立按键模式下也能进行多段语音录放。此芯片内有振荡器，可通过外部电阻来调节其振荡频率；还有带自动增益控制（AGC）的话筒运放，模拟线路输入，抗锯齿滤波器，多级存储阵列，平滑滤波器，音量控制，直接驱动喇叭的PWM输出与接外部功放的电流/电压输出。

        2.6  光电开关（GY50-W3-3E1）
          光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。
           
          关电开关的特点：
          （1）、检测距离长。
          （2）、响应速度快。
          （3）、分辨能力高。
          （4）、容易取得规则的检测区。
          （5）、不受磁场和震动的影响。
          （6）、利用光的特性检测。
           
          对于本系统的检测要求，及以上对关电开关的功能分析，我们选用GY50-W3-3E1型号的光电开关用来做光电检测，来满足扶梯系统的检测要求。
           
          其实物如图2-8所示。
           
       

        图2-8  GY50-W3-3E1

         

          2.7  钥匙开关
          钥匙开关分为三位钥匙开关和两位钥匙开关，适用于交流50HZ（或60HZ），电压380V以下，及直流电压220V以下的电磁启动器、接触器、继电器及其它电器线路中作遥远控制和安全控制之用，其中带灯式按钮（LED）发光）还适用于需要灯光信号指示的场合。本系统选用3种状态的钥匙开关，用于切换扶梯的上下行运行，可防止非工作人员接触，造成不必要的故障及事故。
           
          其实物如图2-9所示
       

        图2-9  钥匙开关

           
          第三部分  系统通信
          3.1  计算机（PC）与EVK1100开发板之间的通信
        UC3A 系列拥有512K字节的闪存，并拥有一个内置10/100以太网媒体接入控制器(MAC)、10/100-Mbps IEEE(R) 802.3 标准以太网 MAC 可实现设计能通过互联网协议堆栈进行通讯的联网的植入式系统。本项目使用了EVK1100开发板上的以太网模块，一下是使用方法。

         


         

       

         


         

       

         


         

          

         


         

       

         

          通过操作网页页面可以对自动扶梯进行实时控制，大大增强扶梯的安全性能。
         
          第四部分  结束语
          4.1  此设计系统最终实现的功能
          节能方面：
          1、分时运行：当光电传感器检测到有人时扶梯自动调频并加速，无人时则减速至停止。
           
          安全方面：
          1、局域网安全监控：通过摄像头可观测都整个扶梯的运行情况，扶梯不正常运行时监控中心可通过网页操作，发送指令给EVK1100，EVK1100发出信号是扶梯停止运行。
          2、速度监控：编码器检测扶梯的运行速度，并在速度与设定的速度相比过快或过慢时发出提示。
          3、语音报警：电机温度过高时会向乘客发出提示。
          4、液晶：显示扶梯运行速度，温度，扶梯上的人数，当前时间，故障报警信息 。
          5、线圈保护：KM1常闭和KM2线圈串联，KM2常闭和KM1线圈串联，保证KM1线圈和K M2线圈不能同时的电。
          6、钥匙开关：正，反，停控制，防止非工作人员接触扶梯开关。
          7、急停按钮：变频器或检测传感器出现故障时，可通过此按钮让扶梯停止运行。
           
        自动扶梯控制设计方式多样，各有千秋。通过以上介绍和分析，不难得出这样的结论采用旁路变频控制的自动扶梯的设计，除了运行可靠、稳定性高和安全性能增强外，同时还大大的减少了能源的浪费，这自动扶梯控制系统的基础上都有了一个质的飞跃，实现自动化控制的同时还节约了能源。本设计利用ATMEGA128开发板和三菱FR-A740型变频器控制，运行可靠，性能优良，检修方便。

         

        在传统的扶梯中，不管人流量多少或者有无乘客，扶梯都以额定的速度运行，造成很大的能量损耗，不间断的运行也使得扶梯各部分的机械磨损严重，缩短了扶梯的使用寿命。对传统扶梯的控制系统进行节能改造后，具有调速性能好、节能效果显著、运行安全可靠等优点，是当今社会节能降耗、提高效率的有效手段。同时由于变频器在启动时电流是从零开始缓慢增加的，所以采用变频器技术后，还可以降低扶梯在启动时的冲击电压对电网的影响。




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