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    1、前言

    分散型控制系統(tǒng)（DCS）是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，以危險(xiǎn)分散控制，操作和管理集中為特性，集先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、CRT技術(shù)和控制技術(shù)即4C技術(shù)于一體的新型控制系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，DCS正向著多元化、網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放化、集成管理方向發(fā)展，使得不同型號(hào)的DCS可以互連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并可通過(guò)以太網(wǎng)將DCS系統(tǒng)和工廠管理網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上網(wǎng)，成為過(guò)程工業(yè)自動(dòng)控制的主流。

    2、DCS的結(jié)構(gòu)組成

    DCS主要分為三大部分：帶I/O部件的控制器、通訊網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)接口（HMI）?？刂破鱅/O部件直接與生產(chǎn)過(guò)程相連，接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備送來(lái)的信號(hào)；人機(jī)接口是操作人員與DCS相互交換信息的設(shè)備；通訊網(wǎng)絡(luò)將控制器和人機(jī)接口聯(lián)系起來(lái)，形成一個(gè)有機(jī)的整體。從某種意義上說(shuō)，控制器是“心臟”；人機(jī)接口是“眼睛”；通訊網(wǎng)絡(luò)則是“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。DCS的典型結(jié)構(gòu)如圖一：

圖1 DCS的典型結(jié)構(gòu)

    3、DCS的通訊網(wǎng)絡(luò)

    3.1 發(fā)展歷程

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，DCS自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，先后經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展時(shí)期，具體劃分為：

    (1) 1975―1980 初創(chuàng)期。此時(shí)的DCS通訊系統(tǒng)只是一種初級(jí)局部網(wǎng)絡(luò)，全系統(tǒng)由一個(gè)通訊指揮器指揮，對(duì)各單元的訪問(wèn)是輪流詢(xún)問(wèn)方式。如TDC-2000、MOD-3等。

    (2) 1980―1985 成熟期。采用局域網(wǎng)絡(luò)，由主從式星型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成對(duì)等式的總線網(wǎng)絡(luò)通信或環(huán)網(wǎng)通信，擴(kuò)大了通信范圍，提高了傳輸速率。如TDC-3000、MOD-300等。

    (3) 1985―1990 擴(kuò)展期。在局域網(wǎng)絡(luò)方面采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO的OSI開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)的參考模型，使符合開(kāi)放系統(tǒng)的各制造廠的產(chǎn)品可以互連，互通信以及進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，第三方軟件以可以應(yīng)用。改變了過(guò)去DCS各廠自成系統(tǒng)的封閉結(jié)構(gòu)，DCS由原來(lái)的僅能應(yīng)用發(fā)展到不僅能應(yīng)用而且能開(kāi)發(fā)。TDC-3000（帶UCN網(wǎng)）Centum XL等。

    (4) 90年代以后，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放期。采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和規(guī)程，即IEE802（以太網(wǎng)）、IEE802.4（令牌總線）、EEFDDI（光纖分布數(shù)據(jù)界面）、TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)協(xié)議）或MAP（制造自動(dòng)化協(xié)議）等，使不同廠家型號(hào)、不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可共存一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到產(chǎn)品互換、資源共享的目的。如Centum CS-3000、Advant-500等。

    3.2 通訊網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

    通訊網(wǎng)絡(luò)是DCS的重要支柱，執(zhí)行分散控制的各單元以及各級(jí)人機(jī)接口要靠通訊系統(tǒng)連成一體，這種在局部區(qū)域內(nèi)使用各種數(shù)據(jù)通訊的設(shè)備互連的通訊網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為局域網(wǎng)（LAN）。它是一個(gè)高通訊速率，低誤碼率，快速響應(yīng)的局部網(wǎng)絡(luò)，具有組織靈活，易于擴(kuò)展，資源共享的特點(diǎn)，然而DCS完成的是工業(yè)控制，因此它與一般的辦公室用局部網(wǎng)絡(luò)有所不同，具有如下的特點(diǎn)：

    (1) 具有快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，一般辦公室自動(dòng)化計(jì)算機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間為2-6s，而它要求0.01-0.5s

    (2) 具有極高的可靠性，必須連續(xù)、準(zhǔn)確運(yùn)行，數(shù)據(jù)傳送誤碼率低于10-8―10-11，系統(tǒng)利用率在99.999%以上

    (3) 適合于在惡劣環(huán)境下工作，能抗電源干擾、雷擊干擾、電磁干擾和低電位差干擾。

    (4) 分層結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)DCS的分層結(jié)構(gòu)，其通訊網(wǎng)絡(luò)也必須具有分層結(jié)構(gòu)，如分為現(xiàn)場(chǎng)總線，車(chē)間級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等不同層次。

    3.3 通訊網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)體系

    早期的DCS系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)都是專(zhuān)用的，DCS有幾級(jí)網(wǎng)絡(luò)，完成不同模件之間的通訊。從目前的情況來(lái)看，DCS的最多網(wǎng)絡(luò)級(jí)有四級(jí)，它們分別是I/O總線、現(xiàn)場(chǎng)總線、控制總線和DCS網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖二：

圖2 DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    (1) I/O總線

    它把多種I/O信號(hào)送到控制器，由控制器讀取I/O信號(hào)，I/O模件之間并不交換數(shù)據(jù)。I/O總線包括并行總線和串行總線。I/O總線的傳輸速率是不高的，從幾十K到幾兆不等，為了快速，最好是并行總線。采用并行總線，其I/O模件必須與控制器模件相鄰。若采用串行總線，I/O模件和控制器之間的距離也要比較近才行。通常把控制器模件和I/O模件裝在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)或相鄰的機(jī)柜內(nèi)。

    (2) 現(xiàn)場(chǎng)總線

    現(xiàn)場(chǎng)總線是90年代初發(fā)展起來(lái)的，遠(yuǎn)程I/O應(yīng)該采用現(xiàn)場(chǎng)總線，如CAN、LONWORKS、HART總線等。在DCS系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程I/O采用HART總線比較多。比如現(xiàn)場(chǎng)的變送器，距離控制器機(jī)柜比較遠(yuǎn)，常把16個(gè)變送器來(lái)的信號(hào)編成一組，用HART總線把信號(hào)送到控制器，控制器同時(shí)讀進(jìn)16個(gè)變送器來(lái)的信號(hào)。采用現(xiàn)場(chǎng)總線，控制器和變送器兩者距離可達(dá)1公里以上。

    (3) 控制總線

    把完成不同任務(wù)的三種控制器連在一條總線上，實(shí)現(xiàn)控制器之間的通訊，稱(chēng)為控制總線。在控制總線上的不同控制器的數(shù)量不受限制，在這一條總線上除三種不同的控制器模件以外，還有DCS網(wǎng)絡(luò)的接口模件。在控制總線上，控制器之間可以調(diào)用數(shù)據(jù)，使得模擬量和開(kāi)關(guān)量之間的結(jié)合很好?？刂瓶偩€不是DCS系統(tǒng)都具有，可以把各種控制器分別連到DCS網(wǎng)絡(luò)上，控制器之間的數(shù)據(jù)調(diào)用通過(guò)DCS網(wǎng)絡(luò)?？刂瓶偩€的傳輸速率與I/O總線的傳輸速率相類(lèi)似。通常是幾十K到幾兆之間。當(dāng)CPU和存儲(chǔ)器的能力比較強(qiáng)時(shí)，把開(kāi)關(guān)量的邏輯運(yùn)算和模擬量的采集功能都在一個(gè)控制器中完成，這樣在控制總線上就只有一種形式的控制器。其通訊協(xié)議類(lèi)似以太網(wǎng)，采用載波監(jiān)聽(tīng)，令牌廣播發(fā)送。

    (4) DCS網(wǎng)絡(luò)

    它把現(xiàn)場(chǎng)控制器和人機(jī)界面連成一個(gè)系統(tǒng)。為了確保通訊可靠，DCS生產(chǎn)廠家無(wú)論是電纜，還是通訊接口，都作成冗余的，一條網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，另一條備用網(wǎng)絡(luò)立即投入運(yùn)行。連在DCS通訊網(wǎng)絡(luò)上的部件稱(chēng)為結(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）。在地理位置上，結(jié)點(diǎn)可以分散配置，各結(jié)點(diǎn)的距離各DCS系統(tǒng)不同，有的可達(dá)幾百米。DCS網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率在幾百K至一百兆之間，網(wǎng)絡(luò)的總長(zhǎng)度可達(dá)幾公里，最短也有幾百米，網(wǎng)絡(luò)不夠長(zhǎng)時(shí)需加中繼器。

    4、DCS的通訊網(wǎng)絡(luò)特性

    DCS中參與網(wǎng)絡(luò)通訊的最小單位為結(jié)點(diǎn)，發(fā)送信號(hào)的源結(jié)點(diǎn)把信號(hào)進(jìn)行編碼，然后送到傳輸介質(zhì)（通訊電纜），最后被接收這一信號(hào)的目的結(jié)點(diǎn)接收，而要保證在眾多結(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)合理傳送，還必須將通訊系統(tǒng)構(gòu)成一定網(wǎng)絡(luò)，并且遵循一定的網(wǎng)絡(luò)控制方法才能實(shí)現(xiàn)，因此說(shuō)通訊介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通訊協(xié)議是DCS通訊網(wǎng)絡(luò)特性的三要素。

    4.1 通訊介質(zhì)

    通訊介質(zhì)又稱(chēng)為傳輸介質(zhì)或信道，它是連接網(wǎng)上站或結(jié)點(diǎn)的物理信號(hào)通路，主要有雙絞線、同軸電纜、光導(dǎo)纖維三種。最早的DCS采用雙絞線或同軸電纜，傳輸速率在1Mbps以下，目前的DCS主要采用同軸電纜或光纖，通信速率為1-10Mbps。
 
   (1) 雙絞線

    把兩根平行導(dǎo)線按一定節(jié)距絞合在一起的信號(hào)線。雙絞線最大帶寬為100KHz―1MHz,，其傳輸速率低于2Mbps，傳輸距離可達(dá)15Km或更長(zhǎng)。這種把多股導(dǎo)線封裝在屏蔽護(hù)套內(nèi)構(gòu)成一根電纜的結(jié)構(gòu)，能較好地抑制電磁感應(yīng)干擾，但由于雙絞線有較大的分布電容，故不宜傳輸高頻信號(hào)。

    (2) 同軸電纜

    由中心導(dǎo)體，固定中心導(dǎo)體的電介質(zhì)絕緣層，外屏蔽層導(dǎo)體和外絕緣層構(gòu)成，它又分基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜兩種，它們的傳輸速率可分別達(dá)到10Mbps和50Mbps，傳輸距離為幾公里和數(shù)十公里，同軸電纜的抗干擾性較雙絞線好，它可傳輸高頻和中頻信號(hào)。

    (3) 光導(dǎo)纖維

    網(wǎng)絡(luò)信息經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器變換成光信號(hào)，在光纜中進(jìn)行傳輸，光信號(hào)在光纖中的傳輸速率大約是電信號(hào)在銅導(dǎo)線中傳輸速率的2/3，因此光纖纜傳輸?shù)难舆t就大些，但光導(dǎo)纖維不受電磁場(chǎng)的影響，適用于特別惡劣的環(huán)境，由于造價(jià)昂貴，目前尚未被廣泛采用。

    4.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式

    網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌侵妇W(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的互連方式，在DCS中通常有總線型、環(huán)型、星型三種?？偩€型在邏輯上也是環(huán)型的，星型通常只用于小系統(tǒng)。

    (1) 總線型網(wǎng)絡(luò)

    總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖三示。所有結(jié)點(diǎn)都掛接在總線上，為控制通訊，有的設(shè)有通訊控制器，采取集中控制方式；有的把通訊控制功能分設(shè)在各通訊接口中，稱(chēng)為發(fā)散控制方式?？偩€型通訊網(wǎng)絡(luò)的性能主要取決于總線的“帶寬”，掛接設(shè)備的數(shù)目及總線訪問(wèn)規(guī)程?？偩€型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可大可小，擴(kuò)展方便，易設(shè)置備用部件，安裝費(fèi)用低，某設(shè)備故障不會(huì)威脅整個(gè)系統(tǒng)，是目前廣泛采用的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如TDC-3000、Centum CS-3000等為雙總線型網(wǎng)絡(luò)。

圖3 總線型網(wǎng)絡(luò)

    (2) 環(huán)型網(wǎng)絡(luò)

    環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖四示。網(wǎng)上所有結(jié)點(diǎn)都通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路連接，并構(gòu)成一封閉環(huán)，工作站通過(guò)結(jié)點(diǎn)接口單元與環(huán)相連，數(shù)據(jù)沿環(huán)單向或雙向傳輸，當(dāng)然在雙向傳輸時(shí)須考慮路徑控制問(wèn)題。環(huán)型結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制邏輯簡(jiǎn)單，掛接或摘除結(jié)點(diǎn)也比較容易，系統(tǒng)的初始開(kāi)發(fā)成本以及修改費(fèi)用較低，環(huán)型結(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題是可靠性較差，當(dāng)結(jié)點(diǎn)處理機(jī)或數(shù)據(jù)通道出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)威脅，雖可通過(guò)增設(shè)“旁路通道”或采用雙向環(huán)形數(shù)據(jù)通道等措施加以克服，但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。如Advant-500、MOD-300、INFI-90等采用雙環(huán)冗余網(wǎng)絡(luò)。

圖4 環(huán)型網(wǎng)絡(luò)

    (3) 星型網(wǎng)絡(luò)

    星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖五示。星的中心為主結(jié)點(diǎn)，其他為從結(jié)點(diǎn)，網(wǎng)上各從站間交換信息都要通過(guò)主站，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)體現(xiàn)了一種集中式通訊控制策略，主結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)全部信息的協(xié)調(diào)和傳輸，一旦發(fā)生故障，殃及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。為了提高可靠性，主結(jié)點(diǎn)采用冗余結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)投資較大。如JX-300等采用星型網(wǎng)絡(luò)。

圖5 星型網(wǎng)絡(luò)

    4.3 通訊網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議

    當(dāng)結(jié)點(diǎn)連到DCS的通訊網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，通常有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，控制器把數(shù)據(jù)送到接口，人機(jī)界面從網(wǎng)絡(luò)接口讀取數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)遵循網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，常用的DCS的通訊控制方式分為令牌廣播式、問(wèn)詢(xún)式和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式三種，通訊協(xié)議是由各DCS生產(chǎn)廠家自行開(kāi)發(fā)的，一般不公開(kāi)。它們各有特點(diǎn)，應(yīng)用都較為廣泛。

    (1) 令牌廣播式協(xié)議

    令牌廣播式由一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)令牌（令牌是特別的比特組，比特組內(nèi)無(wú)源地址和目的地址），令牌沿環(huán)繞行。拿到這個(gè)令牌的結(jié)點(diǎn)就改變令牌中一個(gè)特定位，將令牌變成一信息幀的幀起始定界符，加掛上構(gòu)成一幀所需要的其余字段以發(fā)送信息，網(wǎng)絡(luò)上的其他結(jié)點(diǎn)都在收聽(tīng)信息。當(dāng)本站檢測(cè)到幀的目的地址與本站地址相符時(shí)，就接收該信息幀（目的結(jié)點(diǎn)）。同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)該幀，直到該幀回到發(fā)送站（源結(jié)點(diǎn)），才把該幀釋放。再發(fā)送新令牌。在同一時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息，其他都在收聽(tīng)。這種協(xié)議的特點(diǎn)是只有持有令牌的結(jié)點(diǎn)才能發(fā)送信息。令牌廣播式協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，可以連接多個(gè)人機(jī)界面的結(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)上的結(jié)點(diǎn)都是平等的，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)發(fā)送信息。在環(huán)型和總線型網(wǎng)絡(luò)中用得較多，如Beiley INFI-90、Advant-500系統(tǒng)等。

    (2) 問(wèn)詢(xún)式

    問(wèn)詢(xún)式協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)有交通指揮器，當(dāng)人機(jī)界面向控制器請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，必須通過(guò)交通指揮器，由交通指揮器來(lái)向控制器請(qǐng)求數(shù)據(jù)，控制器才能發(fā)送信息給人機(jī)界面。如Honeywell的TDC-2000，F(xiàn)isher的Provox，都有交通指揮器。在星型網(wǎng)絡(luò)中，人機(jī)界面（操作站）可以作為交通指揮器，但它只能連接一個(gè)人機(jī)界面的結(jié)點(diǎn)。由一些回路控制器組成的系統(tǒng)通常都連成星型網(wǎng)絡(luò)。

    (3) 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式

    存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式協(xié)議是一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)出信息，傳給下一個(gè)，這個(gè)結(jié)點(diǎn)接到信息，必須先存下來(lái)，如果自己要，就可以接收下來(lái)，如果不需要，就把它轉(zhuǎn)發(fā)出去。直到需要這個(gè)信息的結(jié)點(diǎn)為止。然后信息再返回到源結(jié)點(diǎn)，才釋放這個(gè)信息。這種協(xié)議主要用于環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中，如Beiley NETWORK-90系統(tǒng)等。

    5、DCS通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向

    從DCS系統(tǒng)誕生至今，DCS系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)歷經(jīng)幾代，第一代主要解決一個(gè)生產(chǎn)裝置中幾個(gè)控制站和一個(gè)或幾個(gè)操作站之間的數(shù)據(jù)通信問(wèn)題；第二代DCS則解決多個(gè)裝置的DCS互聯(lián)問(wèn)題；第三代DCS則解決一個(gè)工廠的多個(gè)車(chē)間互聯(lián)及與全廠計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問(wèn)題。因此可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)的DCS系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)將向以下方向發(fā)展：

    (1) DCS系統(tǒng)的通信功能發(fā)展與全廠管理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向融合，逐漸實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)由多重化結(jié)構(gòu)向扁平化過(guò)渡。

    (2) 實(shí)現(xiàn)完整的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型即ISO/OSI 7層模型，規(guī)定了通信過(guò)程分段和網(wǎng)絡(luò)功能分層，DCS通信標(biāo)準(zhǔn)化或開(kāi)放性。

    (3) 采用數(shù)字通信技術(shù)，控制站內(nèi)采用站內(nèi)通信總線及遠(yuǎn)程I/O總線，以及控制站內(nèi)增加PLC、分析儀表及現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的接口卡，使DCS與現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的接線減少，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行設(shè)備管理，這為DCS的向下兼容并與現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)融合。

    (4) 系統(tǒng)的開(kāi)放性加強(qiáng)，使DCS與CIPS系統(tǒng)的調(diào)度層、管理層、決策層進(jìn)行無(wú)縫連接，將DCS的相關(guān)信息上傳，使其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)為上述三層所共用，避免重復(fù)建庫(kù)，為先進(jìn)控制和優(yōu)化控制建好平臺(tái)，與上層的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)共享數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)管控一體化。

    6、結(jié)束語(yǔ)

    在21世紀(jì)的信息時(shí)代，DCS即將迎來(lái)一個(gè)嶄新的未來(lái)，從而使企業(yè)實(shí)現(xiàn)真正意義上的管控一體化，為建立現(xiàn)代化企業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

    參考文獻(xiàn)

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