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三菱FX2N PLC編程實戰(zhàn)：從基本邏輯到高級應用

作者：佚名文章來源：網絡整理點擊數：更新時間：2025/5/3

簡介：三菱FX2N PLC編程實例涵蓋多個方面，從定時器應用、機械手控制到數據處理、定時中斷、浮點運算、通信協議等，旨在深入解析和掌握該系列PLC的編程技巧。這些實例不僅涉及基礎的邏輯控制，也包括更為復雜的運動控制和實時系統設計。通過具體案例的實戰(zhàn)演練，用戶將能更好地理解和應用PLC在自動化控制中的實際操作，提升開發(fā)與調試自動化系統的能力。

1. PLC編程基礎與三菱FX2N概述

PLC編程基礎

可編程邏輯控制器（PLC）是現代工業(yè)自動化中的核心設備，它允許工程師使用編程軟件來創(chuàng)建控制邏輯，實現對各種工業(yè)設備的自動控制。PLC編程通常包括梯形圖、功能塊圖、指令列表等多種編程語言，其中梯形圖是最常用的視覺編程方法。

三菱FX2N系列概述

三菱FX2N系列PLC是市場上廣泛使用的工業(yè)級控制器之一，其小巧的體積和豐富的指令集滿足了多種工業(yè)自動化需求。FX2N PLC支持高速計數器、模擬量控制以及通訊等多種高級功能，使其成為工程師和制造商們的首選控制解決方案之一。

編程環(huán)境與工具

三菱提供專為FX2N系列設計的編程軟件GX Developer，它集成了編程、調試、監(jiān)控等功能，提供了友好的用戶界面，使得PLC程序的編寫、測試和維護變得更加簡單快捷。在開始編程之前，我們需要熟悉GX Developer軟件的基本操作和編程技巧。

2. 定時器應用實例與機械手控制編程

2.1 定時器應用實例

2.1.1 定時器的基本概念與應用

定時器是PLC編程中用于控制時間間隔的重要功能單元。它可以用于設置特定的操作在指定的時間后執(zhí)行，或執(zhí)行一定時間長度的操作。在三菱FX2N系列PLC中，定時器可以配置為延時（ON延時）定時器或積算（累計）定時器。

延時定時器（T） ：在輸入條件為ON時開始計時，計時完成后輸出變?yōu)镺N，輸出保持到輸入條件變?yōu)镺FF。可以用于控制燈的延時開關或者機械部件的延遲啟動。

積算定時器（CT） ：類似計數器，每當輸入條件為ON，就累計一次預設的時間值。通常用于長時間的累計計時，例如統計設備運行的總時間。

定時器可以是100ms、10ms、1ms為單位進行時間的設置，具體取決于PLC型號和定時器類型。

2.1.2 定時器編程案例分析

讓我們來看一個簡單的應用實例：一個工業(yè)自動門的控制程序。自動門需要在有人接近時感應到信號并打開，延遲一段時間后自動關閉。

| 步驟 | 操作 | 描述 |
| ---- | ---- | ---- |
| 1    | 檢測到有物體接近傳感器 | 輸入X0變?yōu)镺N |
| 2    | 啟動定時器T0計時 | T0預設時間10秒 |
| 3    | 定時器完成計時，輸出Y0變?yōu)镺N | 激活電動機開門 |
| 4    | 延遲時間過后，定時器T0的輸出變?yōu)镺FF | 輸出Y0變?yōu)镺FF |
| 5    | 關門電動機停止，門關閉 | 門自動關閉 |

以上步驟可以用PLC梯形圖編程來實現：

| 輸入/輸出 | PLC指令 |
| --------- | ------- |
| X0 | 感應信號輸入 |
| T0 | 延時定時器 |
| Y0 | 開門電動機 |

通過以上案例，我們可以看到定時器在自動化設備控制中如何實現時間控制邏輯。

2.2 機械手控制編程

2.2.1 機械手控制的需求分析

機械手（機器人手臂）在自動化生產線上廣泛應用于物料搬運、裝配、包裝等任務。在PLC編程中，需要通過執(zhí)行一系列的輸入和輸出邏輯控制機械手的運動。PLC在機械手控制中需要處理輸入信號（如傳感器、開關、按鈕等），并生成相應的輸出（如電機啟動、氣缸伸縮等）。

以下是機械手控制編程的一般需求：

起始位置確認：機械手在編程開始時需要確認其在起始位置。
步進序列執(zhí)行：根據生產需要，控制機械手沿著預定的路徑執(zhí)行抓取、移動、放置等動作。
安全檢測：檢測機械手運動范圍內是否有障礙物或其他意外情況。
反饋信號處理：接收機械手各個部件的反饋信號，確保動作準確無誤。

2.2.2 機械手控制的編程實踐

以一個簡單的機械手臂抓取物品的場景為例，下面是PLC編程可能的邏輯：

當起始按鈕（X0）被按下，機械手移動到抓取位置。
到達后，氣缸伸出（Y0）進行抓取操作。
緊接著氣缸縮回（Y1），機械手抬起（Y2）。
然后機械手移動到指定放下位置。
到達后，氣缸再次伸出放下物品（Y0），然后縮回（Y1）。
機械手返回到起始位置等待下一次循環(huán)。

對應的梯形圖如下：

       +----[ X0 ]----+(S)----[ Y0 ]----+
       |              |                 |
       |              +----[ T1 ]-------+
       |              |                 |
       +----[ T1 ]----+(R)----[ Y1 ]----+
       |              |                 |
       |              +----[ Y2 ]-------+

在此代碼中， T1 是一個輔助繼電器，用來控制執(zhí)行動作的時間順序， (S) 表示置位指令， (R) 表示復位指令。

通過機械手控制編程的實踐，我們可以深入理解PLC在實際設備控制中的應用。

3. 高級編程技巧：數據處理和狀態(tài)監(jiān)控

3.1 數據處理技巧

3.1.1 數據處理的基本概念

在PLC編程中，數據處理是實現復雜控制邏輯和數據管理不可或缺的一部分。基本的數據處理包括數據的讀取、寫入、轉換和運算等。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，數據處理功能越來越豐富，包括對字符串的操作、浮點數的算術運算，以及通過數據表格實現的復雜算法等。

數據處理不僅限于數據本身的處理，還涉及到數據的存儲、檢索和安全性。數據處理的優(yōu)化直接影響到PLC程序的運行效率和控制系統的穩(wěn)定性。例如，在執(zhí)行排序、查找等操作時，一個高效的算法能夠顯著減少CPU的負載和內存的使用。

3.1.2 高級數據處理實踐案例

讓我們來看一個高級數據處理的案例——數字濾波算法。在工業(yè)環(huán)境中，經常會有各種噪聲干擾采集到的模擬信號，使用數字濾波可以去除這些噪聲，提高數據的準確性。

假設我們有一個模擬溫度傳感器的信號輸入，其值波動較大，我們需要通過算法實現一個簡單的一階低通濾波器，以平滑信號。在三菱PLC中，我們可以利用其內置的算術指令來實現這個功能。

// 假設 D100 存儲原始溫度值，D102 存儲濾波后的溫度值，K1000 是濾波系數
// D102 = (D100 * K1000 + D102 * (65536 - K1000)) / 65536
// 加載原始值和濾波系數
LD D100
MUL K1000
LD D102
MUL K65536
SUB K1000
ADD
ST D102

上面的代碼段使用了MUL（乘法）、ADD（加法）、SUB（減法）和ST（存儲）指令來實現濾波計算。計算中，原始值和濾波后的值根據濾波系數K1000進行加權平均，以此來實現信號的平滑。

3.2 狀態(tài)監(jiān)控技巧

3.2.1 狀態(tài)監(jiān)控的理論基礎

狀態(tài)監(jiān)控是通過檢測和分析系統運行過程中的各種狀態(tài)信息，以確保系統按照預定的方式運行，及時發(fā)現并處理異常。在PLC中，狀態(tài)監(jiān)控通常涉及到信號的采集、條件判斷、事件響應和處理。

為了有效地實現狀態(tài)監(jiān)控，通常會采用以下幾種方法：

輪詢：通過定時掃描各個監(jiān)控點，獲取狀態(tài)信息。
中斷：當系統狀態(tài)發(fā)生變化時，自動觸發(fā)中斷服務程序。
狀態(tài)機 ：通過定義不同的狀態(tài)和狀態(tài)之間的轉換邏輯，實現復雜的狀態(tài)監(jiān)控。
智能算法 ：利用機器學習等智能算法，預測和識別異常行為。

3.2.2 狀態(tài)監(jiān)控的編程實踐

以一個機械臂控制系統為例，我們需要監(jiān)控其在運行過程中各個關節(jié)的角度變化，以及它們是否達到預定的極限位置。在這種情況下，我們可能會使用到比較指令和中斷功能。

// 檢測關節(jié)1角度是否達到上限
LD D200 // D200 存儲關節(jié)1角度值
SUB K1000 // K1000 是設定的上限值
OUT M100 // M100 是上限告警標志位
// 當上限告警發(fā)生時，觸發(fā)中斷程序，執(zhí)行緊急停止
EXT INT0 // 假設INT0是上限告警中斷
LD M100
OUT T100 // 啟動定時器T100進行延時處理
LD T100
OUT M101 // M101 是機械臂停止信號

在上面的代碼中，我們首先使用LD和SUB指令來檢測關節(jié)角度是否超過設定的上限值，然后通過OUT指令將結果存儲在M100標志位中。如果M100為真，則觸發(fā)中斷服務程序，執(zhí)行緊急停止操作。

通過狀態(tài)監(jiān)控，我們能夠及時發(fā)現并處理潛在的危險，以確保系統的穩(wěn)定運行。隨著技術的發(fā)展，狀態(tài)監(jiān)控將會更加智能化，集成了更多的預測分析和自適應調整功能。

4. 定時中斷功能與實時性提升

4.1 定時中斷功能的理論與實踐

4.1.1 定時中斷功能的基本理論

定時中斷功能是PLC高級編程中不可或缺的一部分，它允許PLC按照預定的時間間隔周期性地執(zhí)行特定的任務。不同于一般的定時器，定時中斷功能能夠在PLC運行的任何時刻插入，即使是在執(zhí)行其他任務時也能強制執(zhí)行中斷程序。這對于需要高度實時性和精確時間控制的工業(yè)應用來說至關重要。

在三菱FX2N系列PLC中，定時中斷功能是通過內部時鐘來實現的。系統預設了一些定時中斷的周期，如1ms、10ms、100ms等。用戶可以根據具體需求，選擇合適的中斷周期，并在該周期內編寫中斷程序。

4.1.2 定時中斷功能的編程實踐

在三菱PLC的編程軟件GX Developer中，可以通過特定的編程指令來設置定時中斷。以下是一個簡單的示例，說明如何設置10ms的定時中斷。

// 選擇中斷號
D0 K4
// 設置定時中斷周期（10ms）
D1 K10
// 啟動定時中斷
D8000 K1
// 中斷程序部分
// 當定時中斷發(fā)生時，執(zhí)行以下程序
// 例如，閃爍D100通道的燈
閃爍燈:
    X0: // 檢測輸入信號
    OUT Y0 // 輸出信號到Y0
    LD M0 // 檢測M0標志位
    INV M1 // 反轉M1
    OUT M0 // 更新M0標志位
    RETI // 返回中斷
// 中斷程序結束

在上述代碼中，我們首先設置了中斷號（D0 K4）和中斷周期（D1 K10），然后啟動了定時中斷（D8000 K1）。在中斷程序部分，我們使用了一個簡單的梯形圖邏輯來實現一個燈的閃爍效果。 RETI （Return From Interrupt）指令用于退出中斷程序，返回到主程序繼續(xù)執(zhí)行。

4.1.3 定時中斷的優(yōu)勢與應用場合

使用定時中斷功能具有幾個明顯的優(yōu)勢： - 高實時性 ：能夠保證在設定的時間點準確執(zhí)行任務，這對于某些對實時性要求極高的應用非常重要。 - 程序的清晰性 ：在主程序之外獨立編寫中斷程序，使得程序結構更加清晰，便于理解和維護。 - 資源優(yōu)化 ：由于中斷程序僅在需要時執(zhí)行，因此可以優(yōu)化CPU的使用，減少不必要的資源浪費。

典型的使用場合包括： - 周期性數據采集 ：如連續(xù)監(jiān)測傳感器數據。 - 周期性控制任務 ：如周期性調整機器的工作狀態(tài)。 - 精確的時間管理 ：如時間標記，事件計時等。

4.2 實時性提升的方法與實踐

4.2.1 實時性的理論基礎

實時性（Real-time performance）是指PLC在規(guī)定的時間范圍內及時響應并處理輸入信號，執(zhí)行相應程序的能力。提升PLC的實時性不僅能夠改善控制性能，還能夠減少潛在的延遲導致的生產損失或安全隱患。

在PLC編程中，影響實時性的因素包括： - 程序的執(zhí)行效率 ：優(yōu)化程序邏輯，減少循環(huán)和冗余計算。 - 中斷的響應速度 ：合理配置和使用中斷，確保關鍵任務能夠及時響應。 - 任務的優(yōu)先級設置 ：通過設置不同的優(yōu)先級，確保重要任務能夠優(yōu)先執(zhí)行。 - I/O掃描速度 ：選擇合適的掃描周期和I/O處理方式，提高數據處理速度。

4.2.2 實時性提升的編程實踐

提升PLC實時性的編程實踐通常涉及對程序邏輯的優(yōu)化以及對PLC資源的合理配置。以下是一些常見的優(yōu)化手段：

優(yōu)化I/O掃描

對于經常變化的輸入，可以使用邊沿觸發(fā)的方式來讀取狀態(tài)，這樣可以減少不必要的掃描，提高處理速度。

優(yōu)先級管理

在程序中合理地分配任務的優(yōu)先級，確保緊急和重要的任務能夠得到及時處理。

任務分割

將復雜或時間要求不同的任務分割成多個子任務，以并發(fā)的方式執(zhí)行，可以提高整體的執(zhí)行效率。

循環(huán)優(yōu)化

減少循環(huán)中的計算量，避免在循環(huán)內部執(zhí)行不必要的指令。例如，通過預先計算常量值或者使用查表法代替復雜的運算。

中斷優(yōu)化

合理利用定時中斷來處理周期性事件，可以提高執(zhí)行效率。

4.2.3 實時性優(yōu)化案例分析

讓我們通過一個案例來分析實時性優(yōu)化的具體應用。假設我們需要開發(fā)一個PLC程序來控制一個流水線的啟動和停止，并且需要實時監(jiān)測一個傳感器信號，該信號表示產品是否到達了指定位置。

原始程序問題

在原始的程序設計中，流水線的控制邏輯和傳感器監(jiān)測邏輯被混合在同一個循環(huán)中處理，這導致每次循環(huán)時都需要執(zhí)行大量的邏輯判斷，尤其當傳感器信號需要頻繁檢測時，會顯著降低整個程序的實時性。

優(yōu)化方案

通過分析程序，我們可以將流水線控制邏輯和傳感器監(jiān)測邏輯分割成兩個獨立的任務，并為傳感器監(jiān)測任務設置高優(yōu)先級。同時，我們引入定時中斷來周期性地執(zhí)行傳感器監(jiān)測邏輯，以確保對傳感器信號的實時響應。

實施步驟

將流水線控制邏輯和傳感器監(jiān)測邏輯分離。
為傳感器監(jiān)測邏輯編寫中斷服務程序。
配置中斷周期，例如設置為10ms。
在中斷服務程序中，僅執(zhí)行對傳感器狀態(tài)的讀取和判斷。
根據傳感器狀態(tài)，實時更新流水線的控制指令。

效果評估

通過上述優(yōu)化方案實施后，流水線的響應時間得到了顯著的提升，傳感器監(jiān)測的實時性也得到了改善。這樣的優(yōu)化不僅提高了生產效率，還為系統運行的安全性提供了保障。

在本章節(jié)中，我們深入探討了定時中斷功能的理論基礎和編程實踐，并結合實時性優(yōu)化的案例分析，展示了如何通過編程手段提升PLC程序的實時性。這些知識和技能對于PLC高級應用的開發(fā)至關重要，并能夠幫助工程師有效地解決工業(yè)控制中的實際問題。

5. 物料運輸小車控制程序與LED燈光循環(huán)顯示

5.1 物料運輸小車控制程序

在工業(yè)自動化領域，物料運輸小車作為搬運和配送的重要組成部分，其控制程序的設計對于提高生產效率和降低人力成本具有重要作用。本小節(jié)將深入探討物料運輸小車控制的需求分析以及編程實踐。

5.1.1 物料運輸小車控制的需求分析

物料運輸小車的主要功能是沿著預定路徑搬運物料。為了實現這一功能，控制系統需要具備以下基本能力：

路徑導航：小車能夠根據預設的路徑進行移動，可能需要避障功能。
負載管理：能夠自動裝卸物料，并在移動過程中穩(wěn)定保持載荷。
位置定位：需要準確知道小車在路徑上的具體位置。
故障檢測與響應：系統應具備基本的自我檢測能力，能夠在異常情況下采取措施或報警。

為了實現上述需求，我們需要使用PLC控制程序來實現對運輸小車的精確控制。

5.1.2 物料運輸小車控制的編程實踐

為了實現物料運輸小車的自動控制，下面提供一個簡化的PLC控制程序設計流程。這個例子假設小車在兩條平行軌道上移動，通過傳感器識別到的信號來控制小車的啟動、停止和轉向。

// 偽代碼示例
// 假設輸入信號
bool sensor1; // 前方障礙物傳感器
bool sensor2; // 后方障礙物傳感器
bool sensor3; // 目的地到達傳感器
bool start_button; // 啟動按鈕
bool stop_button; // 停止按鈕
// 假設輸出信號
bool motor_forward; // 小車向前運動
bool motor_reverse; // 小車向后運動
// 控制邏輯
if (start_button && !sensor1) {
  motor_forward := true;
} else if (stop_button || sensor1) {
  motor_forward := false;
}
if (sensor3) {
  motor_reverse := true;
  motor_forward := false;
}
if (sensor2) {
  motor_reverse := false;
}

在上述控制邏輯中，我們通過簡單的條件判斷來控制小車的運動。這只是一個基本的框架，實際的PLC程序會更加復雜，需要包含路徑導航、負載管理、位置定位和故障檢測等邏輯。

5.2 LED燈光循環(huán)顯示與移位寄存器

LED燈光循環(huán)顯示是一個常見的工業(yè)和民用示例，通過編程控制LED燈的亮滅，可以實現多種視覺效果。本小節(jié)將探討LED燈光循環(huán)顯示的基本原理和編程實踐。

5.2.1 LED燈光循環(huán)顯示的基本原理

LED燈光循環(huán)顯示通常依賴于移位寄存器（Shift Register）來實現。移位寄存器可以按位移動數據，當數據被移動到最高位或最低位時，它可以通過進位或借位輸出到下一個寄存器。

在LED燈光循環(huán)顯示中，移位寄存器的每一位可以對應一個LED燈的開關狀態(tài)（開/關），通過循環(huán)移動數據位，我們可以控制LED燈的亮滅順序和速度。

5.2.2 LED燈光循環(huán)顯示的編程實踐

下面是一個使用PLC實現LED燈光循環(huán)顯示的簡單示例，展示了如何利用移位寄存器進行控制。

// 偽代碼示例
// 假設輸出信號
bool LED1; // 第一個LED燈
bool LED2; // 第二個LED燈
bool LED3; // 第三個LED燈
// ...
// 一個字節(jié)的移位寄存器
byte shift_register := 0b***; // 初始值，第一個LED燈亮
// 循環(huán)控制
loop {
  // 輸出移位寄存器到LED燈
  LED1 := (shift_register & 0b***) != 0;
  LED2 := (shift_register & 0b***) != 0;
  LED3 := (shift_register & 0b***) != 0;
  // ...
  // 移位操作，循環(huán)移動
  shift_register := (shift_register << 1) | (shift_register >> 7);
  // 延時（根據需要調整循環(huán)速度）
  delay(1000);
}

在這個示例中，我們初始化一個8位的移位寄存器，然后不斷循環(huán)執(zhí)行移位操作，同時將移位寄存器的當前值輸出到對應的LED燈。通過這種方式，我們可以實現LED燈的順序點亮，形成循環(huán)的視覺效果。

這種方法不僅適用于簡單的燈光循環(huán)顯示，還可以擴展到更復雜的應用中，比如使用更多的LED燈和更復雜的移位邏輯來創(chuàng)建不同的顯示效果。

6. PLC的高級功能實現與遠程監(jiān)控通信協議

6.1 支持三角函數運算的PLC

6.1.1 三角函數運算的理論基礎

在PLC編程中，三角函數運算通常用于處理與角度、距離和速度相關的問題，比如定位系統、角度測量和轉動速度控制等。支持三角函數運算的PLC具有數學運算擴展指令集，可以執(zhí)行正弦（SIN）、余弦（COS）、正切（TAN）等三角函數的計算。這些運算通常在模擬量處理和一些特定的運動控制應用中非常關鍵。

6.1.2 三角函數運算的編程實踐

假設我們需要在PLC中計算一個角度的正弦值，并將結果用于后續(xù)的控制邏輯。三菱FX2N PLC可以通過調用擴展指令集中的三角函數指令來實現這一點。

; 舉例：計算角度值為30度的正弦值
; D0 用于存放角度值（以度為單位）
; D1 用于存放計算結果（正弦值）
MOV K30 D0          ; 將角度值30度加載到D0寄存器
SIN D0 D1           ; 對D0寄存器中的角度值執(zhí)行正弦計算，結果存放在D1寄存器

在上述示例中，我們首先將角度值加載到D0寄存器中，然后使用SIN指令計算這個角度值的正弦值，并將結果保存到D1寄存器中，供后續(xù)程序使用。

6.2 溫控通信實現與高精度浮點運算功能

6.2.1 溫控通信的理論與實踐

在工業(yè)自動化應用中，溫度控制系統（溫控）需要精確地控制設備或環(huán)境的溫度。這通常涉及到與溫度傳感器和執(zhí)行器的通信。PLC通過特定的通信指令，比如模擬量輸入/輸出指令（如AI, AO）來實現溫控的通信。

6.2.2 高精度浮點運算功能的實現

PLC支持高精度的浮點數運算，這對于實現溫控系統中的精確控制至關重要。浮點運算指令（如三菱PLC中的DADD, DSUB, DDIV, DMUL等）可用于執(zhí)行復雜的數學運算。

; 舉例：計算兩個溫度傳感器測量值的平均值
; D0 和 D1 分別用于存放兩個傳感器的溫度值
; D2 用于存放計算結果（平均溫度值）
MOV D0 D2            ; 將第一個傳感器的溫度值賦給D2寄存器
DADD D1 D2           ; 將第二個傳感器的溫度值與D2寄存器中的值相加
DIV K2 D2            ; 將相加后的結果除以2，得到平均溫度值

上述代碼段通過DADD指令將兩個溫度值相加，再用DIV指令除以2得到平均溫度值，最終結果存儲在D2寄存器中。

6.3 PLC遠程監(jiān)控與通信協議RS-232/RS-485

6.3.1 遠程監(jiān)控的理論基礎

遠程監(jiān)控是PLC應用中的一個高級功能，它允許操作人員從遠程位置監(jiān)控和控制PLC系統。這通常通過通信協議如RS-232或RS-485來實現。RS-232是早期計算機與外部設備之間的標準串行通信接口。RS-485是RS-232的改進版本，它支持更長的傳輸距離和更高速的數據傳輸，而且更適合工業(yè)環(huán)境。

6.3.2 通信協議RS-232/RS-485的應用實踐

PLC通過專用模塊或集成接口支持RS-232/RS-485通信協議。通過編程實現數據的發(fā)送和接收，以及對遠程監(jiān)控系統的集成。

; 舉例：PLC通過RS-485發(fā)送命令數據到遠程設備
; D0 存放要發(fā)送的數據
; M0 是發(fā)送請求標志位
MOV D0 M100          ; 將要發(fā)送的數據加載到M100通道
OUT指令 M0            ; 啟動發(fā)送操作，M0作為發(fā)送請求標志位

在實際應用中，通常需要使用PLC提供的特定指令集來完成發(fā)送和接收操作。例如，在三菱PLC中，會使用如TXD/RXD指令來實現數據的發(fā)送和接收操作。需要注意的是，具體的指令和寄存器可能會根據PLC型號和制造商的不同而有所差異。

通過上述章節(jié)內容，我們可以看到PLC編程的高級功能實現與遠程通信協議的應用是如何在實際場景中發(fā)揮作用的。下一章節(jié)我們將繼續(xù)探討更多有關PLC在自動化領域中的應用實例及其優(yōu)化策略。

Tags：三菱FX2N,三菱PLC

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