CN104296534A - 一种用于密闭电石炉的料斗式布料装置和自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于密闭电石炉的料斗式布料装置和自动控制方法,在电石炉生产过程中根据电石炉炉顶料仓的料位情况进行自动布料,同时根据布料机上料斗的料位情况进行料斗自动补料,核心思路是处理器通过采集各个炉顶料仓的料位情况判断是否有料仓缺料,同时采集布料机料斗的储料情况;当出现料仓缺料状况时同时布料机上的料斗储料情况满足补料条件时进行自动下料,如果布料机上的料斗储料情况不满足则给料斗加料到满足补料条件然后进行补料操作;没有炉顶料仓需要补料时将所有料斗装满料,如此循环;本发明提出的环形布料装置安全稳定、自动化程度高,能够满足电石炉炉顶料仓的无人化自动加料。
Description
技术领域
本发明属于冶炼炉技术领域及自动控制领域,特别涉及一种用于密闭电石炉的料斗式布料装置和自动控制方法。
背景技术
我国已成为世界上最大的电石生产国和消费国。而原料供应是电石生产的重要组成部分,良好的原料供应能够提升电石生产的效率。在传统的电石炉原料供应过程中,基本都需要有人在供料现场进行协调操作,有的还需要人在现场对输送上来的原料进行手动处理。而在原料的输送过程中会产生大量的粉尘,还有噪声,会使得原料供应的现场环境比较恶劣,如果人长时间处于这样的生活环境中,容易诱发一些不必要的疾病,会对人的身心健康产生很不好的影响。因此对于电石炉生产过程的原料供应方式进行现代化改造是迫在眉睫的,研究出一种能够脱离人工、在现场自动进行原料供应操作的自动供料系统是十分有必要的。这样不但能够使人免于工作于恶劣的环境中,同时采用自动供料系统也能够更加精确的控制电石炉生产过程供料情况,提升生产效率。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种用于密闭电石炉的料斗式布料装置和自动控制方法,能够根据各个炉顶料仓的缺料情况自动的进行补料,摆脱了人的现场管理,实现了电石炉原料供应的安全、稳定、高效的自动化输送。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种用于密闭电石炉的料斗式布料装置,包括一个环形转动装置1,环形转动装置1连接有用于控制其启停与转速的交流电机2,其特征在于,在环形转动装置1上固定有若干个可自动翻转的储料料斗3,储料料斗3随环形转动装置1转动,每个储料料斗3的内部安装有用于检测料位的雷达料位计4,外部安装有用于检测储料料斗3位置的霍尔线性位置传感器5,在环形转动装置1外部设置有向储料料斗3供料的振动给料机7以及向电石炉炉顶供料的炉顶料仓8,炉顶料仓8位于储料料斗3下方,所述交流电机2、储料料斗3、雷达料位计4、霍尔线性位置传感器5以及振动给料机7通过现场总线12连接PLC控制器13,PLC控制器13根据储料料斗3的位置以及储料料斗3和炉顶料仓8的料量,控制储料料斗3翻转通过炉顶料仓8向电石炉加料。
所述环形转动装置1外部安装有辅助检测各个储料料斗3位置的电磁铁6,所述电磁铁6通过电磁继电器自动控制开关。
在所述储料料斗3底部靠近环形旋转装置1中心的位置安装有与储料料斗3底部相连接的油压缸,储料料斗3底部通过转轴与环形旋转装置1远离中心的部分相连接,当需要翻转储料料斗3时,PLC控制器13控制油压缸推动储料料斗3围绕转轴进行翻转;当储料料斗3中的原料全部加入到电石炉中后,PLC控制器13又控制油压缸收缩,将储料料斗3拉回到原始位置。
所示炉顶料仓8由主体9、进料口阀门10和下料口阀门11组成,其中进料口阀门10和下料口阀门11分别位于主体9的顶部开口和底部开口处。
本发明还提供了用于密闭电石炉的料斗式布料装置的自动控制方法,包括如下步骤:
实时采集获取炉顶料仓8和储料料斗3中的料量;
实时采集获取储料料斗3的位置;
判断储料料斗3是否满足布料条件,如不满足,则控制交流电机2工作,带动环形转动装置1和其上的储料料斗3转动,将未满料的储料料斗3对应至振动给料机7,由振动给料机7向其中加料,直至满足布料条件;
当满足布料条件时,判断是否有炉顶料仓8缺料,当有,控制交流电机2工作,带动环形转动装置1和其上的储料料斗3转动,将满料的储料料斗3对应至缺料的炉顶料仓8,控制其翻转向炉顶料仓8加料。
优选地,当储料料斗3满足布料条件,同时又没有处于缺料状态的炉顶料仓8时,判断是否所有的储料料斗3都满料,如果有未满料的储料料斗3,则控制交流电机2工作,带动环形转动装置1和其上的储料料斗3转动,将未满料的储料料斗3对应至振动给料机7,由振动给料机7向其中加料,直至所有的储料料斗3处于满料状态。
所述布料条件为:
当一半以上的储料料斗3满料时满足布料条件;
当一半以上的储料料斗3未满料时,如果满料的储料料斗3个数大于等于缺料的炉顶料仓8个数的一倍时,满足布料条件;
否则不满足布料条件。
当储料料斗3不满足布料条件,或者当储料料斗3满足布料条件,但没有炉顶料仓8缺料,又有储料料斗3处于未满料状态,需要利用振动给料机7进行加料时,采用振动给料机-料斗单级排队模型进行排队计算,由振动给料机7和缺料的储料料斗3构成排队系统,系统中缺料的储料料斗3为顾客,振动给料机7为服务机构,向缺料的储料料斗3提供加料服务,服务规则属于先到先服务模式,设该输入过程为泊松过程,事件流强度为λ,服务时间服从一般分布,即构成M/G/1排队模型;
当储料料斗3满足布料条件,向缺料的炉顶料仓8加料时,采用环形转动装置-炉顶料仓单级排队模型进行排队计算,由环形转动装置1和缺料的炉顶料仓8构成排队系统,系统中缺料的炉顶料仓8为顾客,环形转动装置1为服务窗,向缺料的炉顶料仓8提供加料服务,排队系统容量和潜在顾客数均为常数,设炉顶料仓8缺料事件发生的间隔时间和环形转动装置1为炉顶料仓8服务的时间均为负指数分布,每个炉顶料仓8出现缺料的强度均为λ,环形转动装置1的平均服务率为μ;假设在某时刻n个炉顶料仓8中有c个出现缺料状况,剩余n-c个的料位还未到达下限,那么n-c个料仓出现缺料状况的强度为λ(n-c),则该排队系统构成一个生灭过程,相邻状态之间系统内料斗数相差不大于1,即下一状态待加料的炉顶料仓数目只可能增加一个或减少一个,该过程的一步转移只能发生在相邻状态之间,即构成M/M/1/n/n单服务窗闭合式排队模型。
在任何状态下,需要保证任一个炉顶料仓8的进料口阀门10和下料口阀门11至少有一个处于关闭状态。
本发明同时对各个炉顶料仓8的下料情况进行实时监测,判断固定时间内炉顶料仓8中的下料量是否满足设定阈值,当不满足时进行报警操作,提醒操作员检查是否有设备故障以及生产是否正常。
与现有技术相比,本发明电石炉炉顶料仓加料系统分为振动给料机向料斗内加料和环形转动装置向炉顶料仓加料两个工作过程,在生产过程中炉内的原料不断的被消耗,这些原料由输料管提供,当输料管中的料位下降到一定程度的时候,启动环形转动装置,将有料的料斗旋转至缺料料仓上方,完成炉顶料仓内混合块料的补充;在炉顶料仓加料完毕后,环形转动装置将空料斗旋转至振动给料机下方,向其中加入新的混合块料。整个工作过程中存在多种随机事件,根据上述两个排队模型进行建模仿真控制。
在密闭电石炉原料输送供应过程中依据两个原则,首先PLC控制器收集到储料料斗上雷达料位计的数据,判断料位情况是否满足布料条件,不满足条件时依据振动给料机-料斗单级排队模型给环形转动装置上的储料料斗进行加料操作使其达到布料条件;当满足布料条件时控制器处理采集到的密闭电石炉炉顶料仓中雷达料位计数据,检查是否有电石炉炉顶料仓处于缺料状态,当有料斗处于缺料状态时同时依据环形转动装置-炉顶料仓排队模型给缺料炉顶料仓进行补料操作;没有炉顶料仓缺料时系统依据振动给料机-料斗单级排队模型将所有环形转动装置上的储料料斗全部装满原料。如此循环进行,保证电石炉生产过程中原料能够安全、高效、稳定的供应到电石炉炉体中。
附图说明
图1是本发明一种用于密闭电石炉料斗式自动布料装置结构图。
图2是本发明储料料斗结构示意图。
图3是本发明储料料斗俯视图。
图4是本发明炉顶料仓结构示意图。
图5是本发明炉顶料仓俯视图。
图6是本发明一种用于密闭电石炉料斗式自动布料装置的自动控制方法控制流程图。
图7是本发明根据振动给料机-料斗单级排队模型的系统排队状态流图。
图8是本发明根据环形转动装置-炉顶料仓单级排队模型的系统排队状态流图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示,本发明用于密闭电石炉的料斗式自动布料装置包括一个环形转动装置1,环形转动装置上安装有一个交流电机2,该交流电机2能够被用于自动控制环形转动装置1的启停和转速,在环形转动装置1上还固定有若干个可自动翻转的储料料斗3。
其翻转实现的方法是:在储料料斗3底部靠近环形旋转装置1中心的位置安装有与储料料斗3底部相连接的油压缸,储料料斗3底部通过转轴与环形旋转装置1远离中心的部分相连接,当需要翻转储料料斗3时,PLC控制器13控制油压缸推动储料料斗3围绕转轴进行翻转;当储料料斗3中的原料全部加入到电石炉中后,PLC控制器13又控制油压缸收缩,将储料料斗3拉回到原始位置。
如图2所示,储料料斗3内部侧上方安装有可检测其料位的雷达料位计4,储料料斗3外侧下方安装有可检测其位置的霍尔线性位置传感器5,如图3所示,在环形转动装置1外部还安装有辅助检测各个储料料斗3位置的电磁铁6,电磁铁6可通过电磁继电器自动控制开关。在环形转动装置1的外部,还有一个给储料料斗3供料的振动给料机7,以及若干个用于给电石炉炉顶供料的炉顶料仓8,如图4和图5所示炉顶料仓8由主体9、进料口阀门10和下料口阀门11组成。各个雷达料位计4、霍尔线性位置传感器5和电磁铁6,以及需要进行自动控制的执行装置都通过现场总线12连接到用于自动控制本料斗式布料装置自动运行的PLC控制器13,PLC控制器13收集所述装置安装的所有传感器的数据并对这些数据进行滤波处理,根据收集到的数据情况以及系统运行前预设好的一些阈值和其他参数采用相应的自动控制方法进行对应的自动布料以及自动加料处理。
如图6所示,根据实际应用过程中的现场的不同情况采用的相应的自动控制方法如下:
(1)PLC控制器13在每次循环开始时采集到各个数据信息(主要包括料位信息与位置信息),根据采集到的数据情况进行处理之后进行下一步动作。
(2)根据得到的采集数据,当储料料斗3储料情况不满足给电石炉的炉顶料仓8布料时。在加料过程中首先采用振动给料机-料斗单级排队模型进行排队计算。
在由环形转动装置1上的缺料的储料料斗3和混合块料仓的振动给料机7构成的排队系统中,缺料的储料料斗3为顾客,混合块料仓的振动给料机7作为服务机构,向缺料的储料料斗3提供加料服务,服务规则属于先到先服务模式。设该输入过程为泊松过程,事件流强度为λ,服务时间服从一般分布,即构成M/G/1排队模型。
系统排队情况如图7所示,在M/G/1排队模型示意图中各记号的定义说明如下:
Wn:表示第n个储料料斗3加料结束时,排队系统内还留有的储料料斗3的个数,将离开的储料料斗3编为第n号。
Cn:表示第n+1号储料料斗3在加料期间,新进入排队系统的储料料斗3的个数。从图中可以看出,当第n+2号储料料斗3在加料时,排队系统内有原有的Wn-1个储料料斗3和新加入排队的Cn个储料料斗3,即Wn+1=Wn+Cn-1。
记Tn为第n号储料料斗3离开的瞬间,下一个(第n+1号)储料料斗3所需的服务时间(从第n号离开排队系统开始算起)。由Tn的定义可知,服务时间{Tn,n≥1}是独立且同分布的随机变量序列,记服务时间均值是TF,方差为负荷强度ρ=λTF。
在实际生产过程中,振动给料机7的电机转速通常设定为恒定值,振动给料机7将一个储料料斗3从料空加到料满的时间可认为是定值,所以服务时间服从定长分布,即σF=0。
根据Pollaczek-Khintchine(P-K)公式,得到下列环形转动装置1加料M/G/1单级排队模型的运行指标:
排队系统中的储料料斗3的个数均值:
储料料斗3等待加料的平均时间:
排队等候加料的储料料斗3的个数均值:
储料料斗3在排队系统内逗留时间的均值:
得到预期的需要加料的储料料斗3之后,将振动给料机7下方的电磁铁6接通,PLC控制器13根据采集到的相应的储料料斗3下方的霍尔线性位置传感器5的数据判断否该储料料斗3已经对准到振动给料机7的给料位置,当没有对准时启动交流电机2,使环形转动装置1转动,从而使得该储料料斗3能够对准到振动给料机7的给料位置。储料料斗3到达给料位置之后,启动振动给料机7开始给储料料斗3进行加料操作,然后根据采集到的该储料料斗3内的雷达料位计4的料位数据判断是否已经加满,未加满则继续进行加料,料满后继续判断是否还有储料料斗3需要进行加料操作,如果没有就断开相应的电磁铁开关,要是还有就继续上述排队理论对下一个需要加料的储料料斗3进行下一轮加料操作。
(3)当收集到的数据表明储料料斗3中的储料情况满足布料条件同时电石炉炉顶料仓8有缺料情况时,PLC控制器13先对缺料的炉顶料仓8进行初步操作,将该炉顶料仓8的下料口阀门11关闭,然后打开进料口阀门10准备进行补料操作,阀门的操作完成之后接通该炉顶料仓8对应的电磁铁6。然后PLC控制器13根据收集到的数据判断是否已经有满料的储料料斗3对准该缺料的炉顶料仓8,如果没有对准,则启动交流电机1,使环形转动装置1转动从而使得满料的储料料斗3能够对准到该缺料的炉顶料仓8。满料的储料料斗3到达下料位置之后,接通其翻转装置将储料料斗3中的原料加入到该缺料的炉顶料仓8中,然后根据该炉顶料仓8上雷达料位计4的料位数据判断是否已经加满,未加满继续进行下一次循环加料操作,如果已经料满,断开该炉顶料仓8上对应的电磁铁开关,关闭该炉顶料仓8的进料口阀门10,之后打开该炉顶料仓8的下料口阀门11,使得原料能够持续不断的供应到电石炉炉体工作区域中参与生产。
在炉顶料仓加料过程中,各个缺料炉顶料仓8的需求情况满足环形转动装置-炉顶料仓单级排队模型。环形转动装置1和缺料的炉顶料仓8构成了一个M/M/1/n/n单服务窗闭合式排队模型,其中缺料的炉顶料仓8为顾客,环形转动装置1作为服务窗向其提供加料服务,排队系统容量和潜在顾客数均为常数。设炉顶料仓8缺料事件发生的间隔时间和环形转动装置1为炉顶料仓8服务的时间均为负指数分布,每个炉顶料仓8出现缺料的强度均为λ,环形转动装置1的平均服务率为μ。假设在某时刻n个炉顶料仓8中有c个出现缺料状况,剩余n-c个的料位还未到达下限,那么n-c个炉顶料仓8出现缺料状况的强度为λ(n-c)。易知该排队系统构成一个生灭过程,相邻状态之间系统内储料料斗3个数相差不大于1,即下一状态待加料的炉顶料仓8数目只可能增加一个或减少一个,该过程的一步转移只能发生在相邻状态之间。
系统排队情况如图8所示,预设炉顶料仓8的数量共13个,所以系统有13个可能的状态,记pk为系统处于状态k的概率,状态流图中k表示在当前状态下排队系统内共有k个炉顶料仓8,环形转动装置1正在为一个炉顶料仓8加料,剩余k-1个在排队等待。
记表示系统负荷水平或者强度,对于炉顶料仓8加料排队系统,为保证向直流电石炉持续供应混合块料,环形转动装置1的服务强度μ应大于炉顶料仓8缺料事件流的强度,故ρ<1,根据状态流图列出K氏方程。
解得系统处于每个状态的概率:
根据概率归一化条件,系统处于每个状态的概率之和为1,即
解得
则服务窗处于忙期的概率Pbusy=1-p0,下面对系统的运行指标进行求解,系统的队长Ls等于单位时间内出现缺料状况的炉顶料仓8的个数的均值而系统内未缺料的炉顶料仓8均值为这些炉顶料仓8出现缺料状况的强度为即系统的有效到达率λe,由于缺料的炉顶料仓8均需环形转动装置1给其加料,所以有下面的等式:
解得排队系统中炉顶料仓8个数均值
将减去正在加料的炉顶料仓8的均值(1-p0)即可得到排队等待的炉顶料仓8个数均值:
排队等候加料的平均等待时间:
炉顶料仓8在排队系统内逗留时间的均值:
同时不管在任何时候,无论炉顶料仓8处于下料状态还是布料状态,都要保证炉顶料仓8中的进料口阀门10和下料口阀门11至少有一个处于关闭状态。因为在密闭电石炉的工作过程中,会产生一些有害气体,同时电石炉处于不间断生产。如果在电石炉生产过程中,炉顶料仓8中的进料口阀门10和下料口阀门11都处于打开状态,会导致有害气体通过下料管道从炉顶料仓中逸出,污染空气。
(4)PLC控制器13采集到的数据表明环形转动装置1上的储料料斗3的储料情况满足布料条件,不过没有炉顶料仓8处于缺料状态,此时判断是否所有的储料料斗3都满料,如不是,则对缺料储料料斗3进行加料操作。
(5)系统同时对各个炉顶料仓的8下料情况进行实时监测,判断固定时间内炉顶料仓8中的下料量是否满足设定阈值,当不满足时进行报警操作,提醒操作员检查是否有设备故障以及生产是否正常。
Claims (10)
1.一种用于密闭电石炉的料斗式布料装置,包括一个环形转动装置(1),环形转动装置(1)连接有用于控制其启停与转速的交流电机(2),其特征在于,在环形转动装置(1)上固定有若干个可自动翻转的储料料斗(3),储料料斗(3)随环形转动装置(1)转动,每个储料料斗(3)的内部安装有用于检测料位的雷达料位计(4),外部安装有用于检测储料料斗(3)位置的霍尔线性位置传感器(5),在环形转动装置(1)外部设置有向储料料斗(3)供料的振动给料机(7)以及向电石炉炉顶供料的炉顶料仓(8),炉顶料仓(8)位于储料料斗(3)下方,所述交流电机(2)、储料料斗(3)、雷达料位计(4)、霍尔线性位置传感器(5)以及振动给料机(7)通过现场总线(12)连接PLC控制器(13),PLC控制器(13)根据储料料斗(3)的位置以及储料料斗(3)和炉顶料仓(8)的料量,控制储料料斗(3)翻转通过炉顶料仓(8)向电石炉加料。
2.根据权利要求1所述用于密闭电石炉的料斗式布料装置,其特征在于,所述环形转动装置(1)外部安装有辅助检测各个储料料斗(3)位置的电磁铁(6),所述电磁铁(6)通过电磁继电器自动控制开关。
3.根据权利要求1所述用于密闭电石炉的料斗式布料装置,其特征在于,在所述储料料斗(3)底部靠近环形旋转装置(1)中心的位置安装有与储料料斗(3)底部相连接的油压缸,储料料斗(3)底部通过转轴与环形旋转装置(1)远离中心的部分相连接,当需要翻转储料料斗(3)时,PLC控制器(13)控制油压缸推动储料料斗(3)围绕转轴进行翻转;当储料料斗(3)中的原料全部加入到电石炉中后,PLC控制器(13)又控制油压缸收缩,将储料料斗(3)拉回到原始位置。
4.根据权利要求1所述用于密闭电石炉的料斗式布料装置,其特征在于,所示炉顶料仓(8)由主体(9)、进料口阀门(10)和下料口阀门(11)组成,其中进料口阀门(10)和下料口阀门(11)分别位于主体(9)的顶部开口和底部开口处。
5.根据权利要求1所述用于密闭电石炉的料斗式布料装置的自动控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
实时采集获取炉顶料仓(8)和储料料斗(3)中的料量;
实时采集获取储料料斗(3)的位置;
判断储料料斗(3)是否满足布料条件,如不满足,则控制交流电机(2)工作,带动环形转动装置(1)和其上的储料料斗(3)转动,将未满料的储料料斗(3)对应至振动给料机(7),由振动给料机(7)向其中加料,直至满足布料条件;
当满足布料条件时,判断是否有炉顶料仓(8)缺料,当有,控制交流电机(2)工作,带动环形转动装置(1)和其上的储料料斗(3)转动,将满料的储料料斗(3)对应至缺料的炉顶料仓(8),控制其翻转向炉顶料仓(8)加料。
6.根据权利要求5所述自动控制方法,其特征在于,当储料料斗(3)满足布料条件,同时又没有处于缺料状态的炉顶料仓(8)时,判断是否所有的储料料斗(3)都满料,如果有未满料的储料料斗(3),则控制交流电机(2)工作,带动环形转动装置(1)和其上的储料料斗(3)转动,将未满料的储料料斗(3)对应至振动给料机(7),由振动给料机(7)向其中加料,直至所有的储料料斗(3)处于满料状态。
7.根据权利要求5或6所述自动控制方法,其特征在于,所述布料条件为:
当一半以上的储料料斗(3)满料时满足布料条件;
当一半以上的储料料斗(3)未满料时,如果满料的储料料斗(3)个数大于等于缺料的炉顶料仓(8)个数的一倍时,满足布料条件;
否则不满足布料条件。
8.根据权利要求7所述自动控制方法,其特征在于,
当储料料斗(3)不满足布料条件,或者当储料料斗(3)满足布料条件,但没有炉顶料仓(8)缺料,又有储料料斗(3)处于未满料状态,需要利用振动给料机(7)进行加料时,采用振动给料机-料斗单级排队模型进行排队计算,由振动给料机(7)和缺料的储料料斗(3)构成排队系统,系统中缺料的储料料斗(3)为顾客,振动给料机(7)为服务机构,向缺料的储料料斗(3)提供加料服务,服务规则属于先到先服务模式,设该输入过程为泊松过程,事件流强度为λ,服务时间服从一般分布,即构成M/G/1排队模型;
当储料料斗(3)满足布料条件,向缺料的炉顶料仓(8)加料时,采用环形转动装置-炉顶料仓单级排队模型进行排队计算,由环形转动装置(1)和缺料的炉顶料仓(8)构成排队系统,系统中缺料的炉顶料仓(8)为顾客,环形转动装置(1)为服务窗,向缺料的炉顶料仓(8)提供加料服务,排队系统容量和潜在顾客数均为常数,设炉顶料仓(8)缺料事件发生的间隔时间和环形转动装置(1)为炉顶料仓(8)服务的时间均为负指数分布,每个炉顶料仓(8)出现缺料的强度均为λ,环形转动装置(1)的平均服务率为μ;假设在某时刻n个炉顶料仓(8)中有c个出现缺料状况,剩余n-c个的料位还未到达下限,那么n-c个料仓出现缺料状况的强度为λ(n-c),则该排队系统构成一个生灭过程,相邻状态之间系统内料斗数相差不大于1,即下一状态待加料的炉顶料仓数目只可能增加一个或减少一个,该过程的一步转移只能发生在相邻状态之间,即构成M/M/1/n/n单服务窗闭合式排队模型。
9.根据权利要求7所述自动控制方法,其特征在于,在任何状态下,保证任一个炉顶料仓(8)的进料口阀门(10)和下料口阀门(11)至少有一个处于关闭状态。
10.根据权利要求7所述自动控制方法,其特征在于,对各个炉顶料仓(8)的下料情况进行实时监测,判断固定时间内炉顶料仓(8)中的下料量是否满足设定阈值,当不满足时进行报警操作,提醒操作员检查是否有设备故障以及生产是否正常。
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