淺談現(xiàn)場總線技術(shù)及其發(fā)展
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企業(yè)：控制網(wǎng)
領(lǐng)域：PLC /PAC/PCC/RTU
行業(yè)：輸配電
- 點(diǎn)擊數(shù)：2525 發(fā)布時(shí)間：2005-07-04 13:58:08
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從現(xiàn)場總線的產(chǎn)生、概念、特點(diǎn)及其體系結(jié)構(gòu)入手，闡述了它的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，分析了為迎接現(xiàn)場總線這場自控領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)變革應(yīng)采取的對策。
1 引言
現(xiàn)場總線FF（Field Bus）的概念起源于70年代，當(dāng)時(shí)主要考慮將操作室的現(xiàn)場信號和到控制儀器的控制信號由一組總線以數(shù)字信號形式傳送，不必每個(gè)信號都用一組信號線。隨著儀表智能化和通訊數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場成為可能，由全數(shù)字現(xiàn)場控制系統(tǒng)代替數(shù)字與模擬分散型控制系統(tǒng)已成為工業(yè)化控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。現(xiàn)場總線已經(jīng)發(fā)展成為集計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)、現(xiàn)場控制、生產(chǎn)管理等內(nèi)容為一體的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Field-bus Control System）。它將通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備，用于過程和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，將傳統(tǒng)的DCS三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變成兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了可靠性，實(shí)現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系。
2 現(xiàn)場總線的產(chǎn)生
縱觀控制系統(tǒng)的發(fā)展史，每一代新的控制系統(tǒng)的推出都是針對老一代控制系統(tǒng)存在的缺陷而給出的解決方案，最終在用戶需求和市場競爭兩大外因的推動(dòng)下占領(lǐng)市場的主導(dǎo)地位，現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的產(chǎn)生也不例外[1]。
2.1 模擬儀表控制系統(tǒng)
模擬儀表控制系統(tǒng)于六七十年代占主導(dǎo)地位。其顯著缺點(diǎn)是：模擬信號精度低，易受干擾。
2.2 集中式數(shù)字控制系統(tǒng)
集中式數(shù)字控制系統(tǒng)于七八十年代占主導(dǎo)地位。采用單片機(jī)、PLC、SLC或微機(jī)作為控制器，控制器內(nèi)部傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，克服了模擬儀表控制系統(tǒng)中模擬信號精度低的缺陷，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。它的優(yōu)點(diǎn)是容易根據(jù)全局情況進(jìn)行控制計(jì)算和判斷，在控制方式、控制時(shí)機(jī)的選擇上可以統(tǒng)一調(diào)度和安排；不足的是，對控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性。
2.3 集散控制系統(tǒng)（DCS）
集散控制系統(tǒng)（DCS）于八九十年代占主導(dǎo)地位。其核心思想是集中管理、分散控制，有力地克服了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)中對控制器處理能力和可靠性要求高的缺陷；不足的是，不同廠家的DCS系統(tǒng)之間以及DCS與上層Intranet、Internet信息網(wǎng)絡(luò)之間難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連和信息共享，因此DCS從這個(gè)角度出發(fā)實(shí)質(zhì)是一種封閉專用的、不具可互操作性的分布式控制系統(tǒng)而且DCS造價(jià)十分昂貴。在這種情況下，用戶對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出了開放化和降低成本的迫切要求[1]。
2.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）作為新一代控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)場總線開放且具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場各控制器及儀表設(shè)備互連，構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限；另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)。可以說，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征[4]。
3 現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
3.1 現(xiàn)場總線的概念
現(xiàn)場總線是應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。即通過該系統(tǒng)將傳感器、執(zhí)行器與控制器等“現(xiàn)場”設(shè)備相互連接起來，形成具有控制功能的系統(tǒng)[2]。
3.2 現(xiàn)場總線與局域網(wǎng)的區(qū)別
按功能比較，現(xiàn)場總線連接自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖菣z測、狀態(tài)、控制信息等小批量數(shù)據(jù)信息，傳輸速率低，但實(shí)時(shí)性高。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺(tái)計(jì)算機(jī)，是一種高速信息網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖俏谋尽⒙曇簟D像等大批量的數(shù)字信息，傳輸速率高，但不要求實(shí)時(shí)性。按實(shí)現(xiàn)方式比較，現(xiàn)場總線可采用雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等通訊介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)成本低。局域網(wǎng)需要專用電纜，如同軸電纜、光纖等，實(shí)現(xiàn)成本高。
3.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)通常由現(xiàn)場智能儀表、控制器，現(xiàn)場總線系統(tǒng)，監(jiān)控、組態(tài)計(jì)算機(jī)三部分組成。它由三層網(wǎng)絡(luò)組成: 最底層(即I/O 端)為低速現(xiàn)場總線(如FF的H1, Device Net或Profibus的PA)連成的控制網(wǎng)絡(luò)CNET，連接各種智能儀表(包括壓力變送器、溫度變送器、流量測量儀表及調(diào)節(jié)閥等)，各控制器節(jié)點(diǎn)下放到現(xiàn)場, 構(gòu)成一種徹底的分布式控制體系結(jié)構(gòu)；中間一層采用中速網(wǎng)(如FF 的H2 或Profibus的DP)連接控制器、數(shù)據(jù)集中器、遠(yuǎn)程I/O及智能I/O設(shè)備，形成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNET；最上一層即決策支持層MNET，采用高速以太網(wǎng)連接各控制器與站級計(jì)算機(jī)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)電氣傳動(dòng)控制、儀表控制和計(jì)算機(jī)控制一體化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用線形、總線形、星形、環(huán)形等。一般情況下采用線形結(jié)構(gòu),通訊介質(zhì)可用雙絞線、光導(dǎo)纖維電纜、同軸電纜、電力線、無線、紅外線等各種形式。
4 現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)
現(xiàn)場總線在技術(shù)上主要具有以下特點(diǎn)：
4.1 系統(tǒng)的開放性
開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，不同廠家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn)信息交換。一個(gè)具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶，用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。
4.2、互可操作性與互用性
互可操作性是指實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。
4.3 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性
現(xiàn)場總線設(shè)備能處理各種參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)信息及故障信息，能在部件、甚至網(wǎng)絡(luò)故障的情況下獨(dú)立工作，大大提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。
4.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性
由于現(xiàn)場設(shè)備本身可完成自動(dòng)控制的基本功能，控制站功能分散在現(xiàn)場儀表中，通過現(xiàn)場儀表就可以構(gòu)成控制回路，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。
4.5 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性
作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本安防爆要求等。
5 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望
5.1 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
從20世紀(jì)90年代以后，現(xiàn)場總線技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了群雄并起、百家爭鳴的局面。目前已開發(fā)出有40多種現(xiàn)場總線，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具有影響力的有5種，分別是FF、Lon Works、Profibus、CAN和HART[2]。
5.1.1 FF是現(xiàn)場總線基金會(huì)(Field bus Foundation)的簡稱，由美國儀器協(xié)會(huì)（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount
主要應(yīng)用于石油化工、連續(xù)工業(yè)過程控制中的儀表。
FF遵照 ISO/OSI模型，其通信模型由物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，應(yīng)用層及用戶層四層構(gòu)成，在OSI模型基礎(chǔ)之外增加了用戶層。FF定義兩種速率的總線，低速總線H1采用本安型總線供電，滿足本安防爆要求，支持總線型或樹型，波特率為31.25kbps，傳輸距離為0.2km-1.9km(取決于介質(zhì))；高速總線H2，支持總線型，波特率為1.0Mbps/750m或2.5Mbps/500m。FF采用容令牌和查詢通信方式為一體的技術(shù)。
5.1.2 Lon Works是局部操作網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（Local operating network）的簡稱，它是美國Echelon公司1991年推出，主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化、工業(yè) 自動(dòng)化和電力行業(yè)等。
Lon Works采用Lon talk通訊協(xié)議，遵循 ISO/OSI參考模型，提供了OSI所定義的全部7層服務(wù)，在所有現(xiàn)場總線中是獨(dú)一無二的。Lon works能支持防爆區(qū)，通信速率為78Kbps/2700m，1.25Mbps/130m，節(jié)點(diǎn)數(shù)32000個(gè)，傳輸介質(zhì)可為雙絞線，同軸電纜，光纖，電源線等。Lon works的核心是Neuron(神經(jīng)元)芯片，內(nèi)含3個(gè)8位CPU，第一個(gè)CPU為介質(zhì)訪問控制處理器，處理Lon talk協(xié)議的第一層和第二層；第二個(gè)CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，實(shí)現(xiàn)Lon talk的第3層到第6層的功能，第3個(gè)CPU為應(yīng)用處理器，實(shí)現(xiàn)Lon talk的第七層協(xié)議，執(zhí)行由用戶編的代碼及用戶的代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。
5.1.3 Profibus是Process Field Bus的簡稱，是德國西門子公司于1987年推出，主要應(yīng)用于PLC。
Profibus由Profibus-FMS(Field bus Message Specification現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范)、Profibus-DP(Decentralized Periphery分散型外圍設(shè)備)、Profibus-PA(Process Automation過程自動(dòng)化)三部分組成。Profibus-FMS使用 RS-485時(shí)為9.6k-500k波特，距離1.6km-4.8km，最多可接122個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用 FSK(頻移鍵控)時(shí)最多32個(gè)節(jié)點(diǎn)，距離可達(dá)5km，介質(zhì)可為雙絞線或光纜；Profibus-DP使用RS-485時(shí)為9.6K-12M波特，最大距離：12M波特時(shí)為100m，1.5M波特時(shí)為200m，可用中繼器加大距離，最大站數(shù)126；Profibus-PA采用總線供電，支持安防爆要求，通信速率為31.25kbps，最大距離為≤1.9km，其每一段上可連接的儀表臺(tái)數(shù)≤32臺(tái),取決于所接入總線儀表設(shè)備的耗電量和應(yīng)用的最大總線電流，只要饋入總線的電源不超過規(guī)定的最大電壓值和電流值，就可以保證在危險(xiǎn)區(qū)域中運(yùn)行的本質(zhì)安全性。
Profibus遵循ISO/OSI模型，通信模型由物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層構(gòu)成，使用單一的總線存取協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層采用混合介質(zhì)存取方式，即主站間按令牌方式，主站和從站間按主從方式工作。DP和FMS使用了同樣的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，PA和DP之間使用分段耦合器能方便地集成在一起。
5.1.4 CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)的簡稱，是由德國的Bosch公司及幾個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)商開發(fā)出來于1993年推出的，應(yīng)用于汽車監(jiān)控、開關(guān)量控制、制造業(yè)等。
CAN協(xié)議遵循 ISO/OSI模型，采用了其中的物理層，鏈路層與應(yīng)用層的三層結(jié)構(gòu)。通信速率為5Kbps/10km，lMbps/40m，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，光纖等，信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，當(dāng)CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，自動(dòng)切斷與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN采用點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播幾種發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，且無主從之分。CAN采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)，不能支持防爆區(qū)。
5.1.5 HART（Highway Addressable Remote Tranducer可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路）是美國Rosemount公司1989年推出，主要應(yīng)用于智能變送器。
HART協(xié)議參照 ISO/OSI模型，通訊模型由物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層構(gòu)成。HART支持模擬、數(shù)字信號在同一線路上同時(shí)存在，可實(shí)現(xiàn)與其它模擬設(shè)備混合使用，通訊速率在4-20mA DC模擬信號上疊加FSK數(shù)字信號時(shí)為1200bps，用屏蔽雙絞線單臺(tái)設(shè)備距離可達(dá)3000m，而多臺(tái)互連距離可達(dá)1500m。HART通訊模式為“問答式”，或“廣播式”，能利用總線供電，可滿足本安防爆要求。
5.2 現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用展望
現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生促進(jìn)了現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，使現(xiàn)場控制的功能更加強(qiáng)大。由于采用了現(xiàn)場總線技術(shù)而帶來了過程控制系統(tǒng)的開放性，使得系統(tǒng)成為具有測量、控制、執(zhí)行和過程診斷等綜合能力的控制網(wǎng)絡(luò)。為更好適應(yīng)工業(yè)過程控制的需要，今后現(xiàn)場總線技術(shù)會(huì)從以下幾個(gè)方面發(fā)展：
(1)基于現(xiàn)場總線的一次儀表和二次儀表的研制
現(xiàn)在，生產(chǎn)自動(dòng)化儀表的廠家必須向現(xiàn)場總線靠攏，開發(fā)出具有現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)的一次及二次儀表。檢測、變換、補(bǔ)償、控制、告警、趨勢分析等功能可以分散在現(xiàn)場解決，簡化上層系統(tǒng)，徹底實(shí)現(xiàn)分散控制、集中管理以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
(2)基于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟、硬件開發(fā)
系統(tǒng)的開放性和通信問題是分散控制系統(tǒng)的突出問題，它需要解決不同廠家軟、硬件產(chǎn)品能否集中到一個(gè)系統(tǒng)的問題。如Lon Works總線技術(shù)的產(chǎn)品，只要遵循Lon Talk標(biāo)準(zhǔn)，幾百家不同產(chǎn)品均可連接在一個(gè)系統(tǒng)中，所以要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的研制必須遵循現(xiàn)場總線的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
(3)開放的組態(tài)技術(shù)研究
目前現(xiàn)場總線系統(tǒng)的組態(tài)是比較復(fù)雜的，需要組態(tài)的參數(shù)多，各參數(shù)之間的關(guān)系比較復(fù)雜，所以研究開放的組態(tài)技術(shù)也是現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢。開放的組態(tài)技術(shù)的研究主要還包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)段互聯(lián)等。在異構(gòu)網(wǎng)連接的網(wǎng)關(guān)路由的開發(fā)方面，Lon Works具有獨(dú)特的優(yōu)勢。
(4)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的增強(qiáng)
網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是從物理形態(tài)上考慮通信網(wǎng)絡(luò)和輸入、輸出線纜網(wǎng)絡(luò)的布置，減少信息的往返傳遞是現(xiàn)場總線系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則。因此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先將相互間信息交換量大的節(jié)點(diǎn)放在同一條支路里。網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要還包括網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸。現(xiàn)場總線的出現(xiàn)形成了低層網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)同時(shí)提供與企業(yè)網(wǎng)、國際互聯(lián)網(wǎng)相連接的可能性。
(5)基于現(xiàn)場總線技術(shù)的全開放控制系統(tǒng)集成技術(shù)的開發(fā)
自動(dòng)化系統(tǒng)與設(shè)備將朝著現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展，并且涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，幾乎覆蓋了所有的過程控制領(lǐng)域。
(6)控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合
實(shí)現(xiàn)Internet-Intranet-Infranet體系結(jié)構(gòu)，對于人們的生產(chǎn)和生活有著重要的意義。如遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就是該體系在生產(chǎn)控制領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用之一。現(xiàn)場總線系統(tǒng)接入Internet，在一定的條件下便可通過Internet監(jiān)視，并控制這些生產(chǎn)系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況和各種參數(shù)[3]。
6 結(jié)束語
現(xiàn)場總線技術(shù)是電子、儀器儀表、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展成果，對自動(dòng)化控制系統(tǒng)和儀器儀表未來的發(fā)展必將具有重要的影響。目前現(xiàn)場總線并存的局面將使現(xiàn)場總線的全面應(yīng)用并取代DCS控制系統(tǒng)還需很長一段時(shí)間，在這段時(shí)間，F(xiàn)CS與DCS相容并蓄，共同發(fā)展。我國在應(yīng)用推廣現(xiàn)場總線技術(shù)過程中，應(yīng)跟蹤并采用國際先進(jìn)的技術(shù)，注重采用TCP/P等開放、免費(fèi)的技術(shù)，這樣不但可以節(jié)約資金，減少技術(shù)的依賴性，有利于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)的開發(fā)，而且減少了專有網(wǎng)絡(luò)的影響，有利于降低項(xiàng)目投資費(fèi)用，形成公平的市場競爭環(huán)境，有利于我國與國際接軌。
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號
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