CN106415417B - 用于运行自动化装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于运行自动化装置（1）、优选地运行自动化单元（1a）的方法，所述自动化装置具有用于自动化地生产的输入输出模块（3a、b）和操纵器（2a、b）以及计算设备（5），其中在所述计算设备（5）上实施SPS计算机程序（6），用于为输入输出模块（3a、b）提供可编程逻辑控制器，所述SPS计算机程序（6）经由模块总线（7）与所述输入输出模块（3a、b）处于通信技术连接用于操控输入输出模块（3a、b）。所述方法的特征在于，在计算设备（5）上实施单元监控计算机程序（8），用于经由SPS计算机程序（6）的SPS接口（9）操控SPS计算机程序（6），单元监控计算机程序（8）为操纵器（2a、b）提供NC控制器（10），并且单元监控计算机程序（8）经由网络总线（11）与所述操纵器（2a、b）处于通信技术连接用于操控操纵器（2a、b）。
Description
技术领域
本发明涉及按照权利要求1的前序部分所述的用于运行自动化装置的方法。
背景技术
由现有技术已知可编程逻辑控制器（speicherprogrammierbare Steuerungen,SPS），利用所述可编程逻辑控制器能够在自动化技术中对机器或设施的执行元件、尤其末端执行器和提供系统（Bereitstellungsysteme）、以及传感器和其他功能单元进行编程和自动地进行操控。原则上通过可编程逻辑控制器可操控的这样的功能元件不仅单独地而且以组合方式在这里和随后通常被称作输入输出模块。传统地，所述可编程逻辑控制器通过专门为此设置的设备以及电子装置予以提供。这样的可编程逻辑控制器经常经由总线、诸如现场总线与输入输出模块通信，所述可编程逻辑控制器被设立用于对所述输入输出模块进行操控。
同时，以下可编程逻辑控制器也是已知的，其功能性通过在计算机上所实施的计算机程序来提供。这样的计算机程序可以被称作SPS计算机程序，其中利用这样的SPS计算机程序运行的系统总地又可以被称作软SPS。因此不再为可编程逻辑控制器设置专门的硬件，而是通过计算机程序构成所述可编程逻辑控制器的功能性，所述计算机程序在传统计算机上或者在为自动化环境设置的工业PC或者嵌入式PC上运行。为了操控输入输出模块，可以相应地将这样的计算机同样地连接到现场总线上。
由现有技术并且特别地由EP 1 586 967 A2（本发明以所述EP 1 586 967 A2为出发点）也已知通过这样的SPS计算机程序的软件扩展。这样的已知扩展例如可以用于：通过驱动程序等能够实现与专门设备的通信。然而在该现有技术中所介绍的扩展是扩展模块、诸如动态程序库或者DLL（动态链接库（Dynamic-link libraries）），所述扩展模块可以由SPS计算机程序激活（angesprochen）或者绑定（eingebunden）。在此，所述扩展模块因此最后处于SPS计算机程序的软件技术监控下。在软件技术意义上由该扩展对可编程逻辑控制器的监控（Kontrolle）未被设置。
在作为自动化系统组成部分的自动化单元情况下经常地发生：由可编程逻辑控制器操控的输入输出模块布置在操纵器（Manipulator）处，所述操纵器例如是多轴机器人。特别地，输入输出模块可以布置在操纵器的工具中心点（Tool-Center-Point（TCP））处。
这样的操纵器经常通过数字控制（这里和随后称作NC控制器（NC-Steuerung））在所述操纵器的运动方面被操控。所述NC控制器原则上也可以通过在计算机上实施的计算机程序来提供。通过在操纵器处设置输入输出模块，由输入输出模块实施的活动（所述活动例如由SPS计算机程序预先给定）以及操纵器的运动（所述运动再次由NC控制器监控）处于紧密关联。
发明内容
以此为背景，本发明的任务在于，如下改善用于运行自动化装置的方法和尤其这样的自动化装置：即能够实现用于可编程逻辑控制器的计算机程序和用于操控操纵器的NC控制器之间的更好集成，其中可编程逻辑控制器的功能性通过计算机程序来提供。
所提及的问题在具有权利要求1的前序部分的特征的用于运行自动化装置的方法情况下通过权利要求1的特征部分的特征来解决。
以下认识对于本发明是重要的：除了用于提供可编程逻辑控制器的SPS计算机程序和所述可编程逻辑控制器之外，在软件技术上以上级的方式在计算设备上设置单元监控计算机程序，所述单元监控计算机程序一方面为了操控输入输出模块而操控SPS计算机程序的接口，并且另一方面提供NC控制器的功能，其中于是通过所述单元监控计算机程序自身执行对操纵器和其他组件的操控。
换句话说，所述单元监控计算机程序构成在软件技术意义上上级的“顶部”（Dach），所述“顶部”具有包括在其监控之下的SPS功能性在内的用于自动化装置的所有必要的功能，并且可以通过这种方式彼此协调这些功能。在此，可以模块化地访问SPS计算机程序的功能性，其中所述SPS计算机程序可以作为已经存在的组件被引入到总系统中。通过在单元监控计算机程序的庇护下的这种统一，也可以总地向外提供系统的统一接口，所述接口使得能够再次以统一的方式操控自动化装置。
按照从属权利要求3的优选的扩展方案涉及用于将输入输出模块以及操纵器连接到计算设备的有利的总线系统。
按照从属权利要求6至8的优选的扩展方案再次描述在计算设备的进程结构和操作系统之内SPS计算机程序或者单元监控计算机程序的有意义的划分。
从属权利要求9描述在计算设备上在单元监控计算机程序和SPS计算机程序之间的进程间通信的有利的可能性，这些可能性尤其胜任对所述两个程序的同步性要求。
从属权利要求10至12描述将NC处理装置（NC-Verarbeiter）设计为单元监控计算机程序的组成部分，以及描述所述NC处理装置一方面与SPS计算机程序以及另一方面与操纵器操控的专门相互作用。
如从属权利要求13至15描述的，在操纵器的所述操控以及其他访问时，大大有利地使用面向对象的软件架构。
附图说明
随后根据优选实施例的附图阐述本发明的其他细节、特征、目标和优点。在附图中，
图1示出用于实施按照建议的方法的自动化装置的示意图，
图2示出图1的自动化装置的计算设备上的软件结构的示意图，
图3示出按照图1的自动化装置的单元监控计算机程序的数据流的示意图，
图4示出图3的单元监控计算机程序的架构的示意图。
具体实施方式
按照建议的方法用于运行具有操纵器2a、b和输入输出模块3a、b的自动化装置1，其中操纵器2a、b和输入输出模块3a、b分别被设立用于自动化地生产。
在图1中示出这样的自动化装置1，其中这里设置两个操纵器2a、b和两个输入输出模块3a、b，其中输入输出模块3b是安全模块4。所述安全模块4例如可以提供紧急停机功能性（Notaus-Funktionalität）。在图3中仅仅分别示出一个操纵器2a和一个输入输出模块3a。
应当根据按照建议的方法被运行的自动化装置1此外具有计算设备5。自动化装置1尤其可以是自动化单元1a，也即是用于在例如较大工厂的较大自动化系统之内自动化的模块化装置。
按照建议，在计算设备5上实施SPS计算机程序6，用于为输入输出模块3a、b提供可编程逻辑控制器，其中SPS计算机程序6经由模块总线7与输入输出模块3a、b处于通信技术连接，用于操控所述输入输出模块3a、b。
按照建议的方法现在特征在于，在计算设备5上实施单元监控计算机程序8，用于经由SPS计算机程序6的SPS接口9操控SPS计算机程序6，单元监控计算机程序9为操纵器2a、b提供NC控制器10，并且单元监控计算机程序8经由网络总线11与操纵器2a、b处于通信技术连接，用于操控所述操纵器2a、b。
操纵器2a、b如前述可以是多轴操纵器，并且尤其是六轴操纵器。计算设备5也可以由多个单独的计算单元组成。同样，不仅SPS计算机程序6而且单元监控计算机程序8可以由一系列单独的计算机程序构建，所述计算机程序也可以分别在自身的进程中被实施。对此的详情在下面被描述。
在一种优选的实施中，输入输出模块3a、b具有布置在操纵器2a、b处的应用设备12。输入输出模块3a、b也可以由这样的应用设备12组成。所述应用设备12可以尤其布置在操纵器2a、b的工具中心点处，并且优选地在此可以是工具、测量设备或者记录设备（Aufnahme）。于是可以尤其通过SPS计算机程序6通过操控输入输出模块3a、b自身来操控应用设备12。
另外优选的是，模块总线7是现场总线13。可替代地或者附加地，网络总线11可以是以太网总线14，其中在此情况下尤其实时以太网总线14a可以被考虑。实时以太网总线14a是按照提供实时性的协议的以太网总线。
同样优选的是，单元监控计算机程序8经由网络总线11与传感器设备15a、b处于通信技术连接用于读取（Auslesen）传感器设备15a、b。在图1的实施例中，传感器设备15a是行扫描器并且传感器设备15b是摄像机或者摄像机系统，其中于是摄像机系统的每个单独的摄像机可以不同地被设计。
自动化装置1和特别地自动化单元1a（如已经确定的那样）可以与其他自动化装置一起是较大自动化系统的组成部分，所述较大自动化系统例如以中央方式被控制。在这样一种情况下优选地规定，单元监控计算机程序8经由工厂总线16提供单元监控接口，单元监控计算机程序8与所述工厂总线16处于通信技术连接。在图2中示出相应的工厂总线驱动程序16a。通过这种方式，控制多个自动化单元的中央计算器也可以访问自动化单元1a和特别地访问计算设备5上的单元监控计算机程序8。
原则上，计算设备5可以是任意的计算机式设备，因此例如特别地是工业计算机或者其他微处理器系统。然而优选的是，计算设备5是个人计算机17。这提供以下可能性：除了单元监控计算机程序8外，在计算设备5上还灵活地实施其他计算机程序。这里此外优选的是，SPS计算机程序6和单元监控计算机程序8在用于个人计算机17的多媒体操作系统18上运行。
在图2中示意性地示出所述关联。这里可以首先看出SPS计算机程序6，所述SPS计算机程序6实现不同的功能块，这里是末端执行器功能6a、工具的进给系统（Zuführsystem）6b、工件数据库6c以及安全功能6d。每个这样的功能均可以通过自身的模块在软件技术意义上被实现。模块总线驱动程序6e被设置用于与模块总线7以通信技术方式连接。（在软件技术意义上）向外的接口构成上面已经描述的SPS接口9。
单元监控计算机程序8经由所述SPS接口9激活SPS计算机程序6。单元监控计算机程序8此外具有用于与网络总线11以通信技术方式连接的网络总线驱动程序8a。单元监控计算机程序8的尤其软件技术的其他模块是可视化模块8b、诊断模块8c、机器人模块8d、常态传感器模块8e、位置传感器模块8f、激光传感器模块8g以及NC模块8h。这些模块彼此通信。此外还可以设置其他模块。
除了用于以通信技术方式连接到工厂总线16的上述工厂总线驱动程序16a外，在单元监控计算机程序8之外并且在操作系统上现在又运行配置模块18a，这里所述操作系统是多媒体操作系统18，所述配置模块18a例如允许经由多媒体操作系统18的传统用户界面对单元监控计算机程序8进行访问用于配置。
此外优选的是，分别通过不同的进程来实施SPS计算机程序6和单元监控计算机程序8。术语“进程（Prozess）”这里可以在软件技术意义上来理解。在此，不仅SPS计算机程序6而且单元监控计算机程序8可以分别通过一个单独的进程被实施。但是也可能的是，SPS计算机程序6和单元监控计算机程序8分别通过多个不同的进程被实施。将SPS计算机程序6或者单元监控计算机程序8划分成单独的进程在此可以对应于按照图2的图示划分成模块或者对应于类似的划分，但是多个模块也可以被联合并且在一个单独的进程中被实施。在此也可能的是，若干模块至少部分地通过操作系统提供，因此例如驱动程序。
优选地将单元监控计算机程序8划分成不同的进程规定，在NC进程中实施单元监控计算机程序8的用于提供NC控制器10的NC子计算机程序，并且在操纵器进程中实施单元监控计算机程序8的用于操控操纵器2a、b的操纵器子程序。在此，操纵器进程因此不同于NC进程。NC控制器10（以及因此NC子计算机程序）处理NC指令，所述NC指令一方面涉及输入输出模块3a、b的操控并且另一方面涉及操纵器2a、b的操控。从NC指令所获得的关于操纵器2a、b操控的信息（也即“没有”（“bereinigt” von）关于输入输出模块3a、b操控的信息）于是可以由操纵器子程序执行。用于提供NC控制器10的所述NC子程序按照在图3中的图示可以是图2的NC模块8h并且单元监控计算机程序的操纵器子程序可以是图2的机器人模块8d。
SPS计算机程序6的SPS接口9原则上可以由任意的程序并且与此相应地从不同的进程被激活。一方面，通过单元监控计算机程序8激活所述SPS接口9用于操控输入输出模块3a、b，另一方面，经由SPS接口9也提供数据用于调用，所述数据于是例如可以通过单元监控计算机程序8的可视化模块8b被显示在计算设备5的屏幕上。
也可能的是，计算设备5的操作系统并且尤其多媒体操作系统18的系统进程必须访问SPS计算机程序6的SPS接口9。在此，经常为了在输入输出模块3a、b的行动与操纵器2a、b的运动之间建立同步性，用于操控输入输出模块3a、b的访问与例如在屏幕上可视化相比更重要并且尤其更时间关键。
因此优选的是，计算设备5提供多个用于与SPS计算机程序6通信的进程间通道，而且以至少部分不同的优先化（Priorisierung）提供。这里优先化意味着以下顺序：经由这样的进程间通道的相应通信以所述顺序由操作系统执行，其中对经由具有较高优先级的进程间通道的通信比对经由具有较低优先级的进程间通道的通信更快地做出反应。特别地，具有较高优先级的过程可以使具有较低优先级的当前处理的过程中断。这一方面可以通过以下方式发生，即单独的进程经由进程间通道提供通信，并且根据进程间通道的相应优先级执行所述通信。可替代地或者附加地，每个进程间通道可以被分派给具有与进程间通道的优先级相对应的优先级的进程，其中于是相应的进程按照其优先级被执行。
此外优选的是，NC子计算机程序和在可视化进程中实施的可视化程序分别经由进程间通道与SPS计算机程序6通信，并且NC子计算机程序的进程间通道比可视化程序的进程间通道更高地被优先化。这考虑所描述的情形：通过NC子计算机程序的操控比可视化更重要的，并且应当比可视化更快速地被实施。
参考图3和图4的图示优选地规定，单元监控计算机程序6具有NC处理装置19，所述NC处理装置用于将NC程序20转化为用于操控输入输出模块3a、b的切换指令21。可替代地或者附加地，NC处理装置19也可以被设立用于将NC程序20转化成用于操控操纵器2a、b的几何数据22a和/或技术数据22b。图3和图4的相应图示是互补的，因为在图3中首先示出数据的处理流，并且在图4中描述了接口的软件技术构造。
NC处理装置19一方面可以由多个模块组成，所述模块分别在自身的进程中被实施。可替代地，NC处理装置19可以总共地在一个进程中被实施，其中在此尤其可以是上述NC进程。因此，NC处理装置19可以尤其对应于上述NC子计算机程序或者由该NC子计算机程序包括。因此，NC处理装置也可以通过上述NC模块8h构成。
上述NC程序20现在是NC指令序列，所述NC指令以明码文本被撰写。这也被称作G代码。G代码可以包括G指令，但是也可以包括M指令和通用参数。NC处理装置19包括NC解释器19a和NC指令转换器19b，所述NC指令转换器19b访问指令数据库23。NC解释器19a和NC指令转换器19b将NC程序20的明码文本一方面转化成分别用于操控操纵器2a、b的几何数据22a和/或技术数据22b，和另一方面转化成用于操控输入输出模块3a、b的切换指令21。在此，切换指令21的产生也可以基于技术数据22b。
NC程序20也可以包括对传感器数据的参阅或者与传感器数据的相关性，使得优选地规定，NC处理装置19也被设立用于，将NC程序20转化成用于读取传感器设备15a、b的传感器询问。
在本示例中，NC处理装置19还包括NC数据收集器19c，所述NC数据收集器19c在执行NC程序时自动地将所产生的数据项存放在协议数据库（Protokolldatenbank）24中。
此外规定，NC处理装置19基于几何数据22a和/或基于技术数据22b实施用于对操纵器2a、b进行轨迹规划（Bahnplanung）的计算例行程序25。优选地，由计算例行程序25实施的轨迹规划包括运动学变换，也即从笛卡尔坐标到轴坐标的转换或者反之亦然。可替代地或者附加地，由计算例行程序25实施的轨迹规划也可以包括内插法。基于计算例行程序25的结果，于是可以给操纵器2a的一个或多个位置调节器25a供应主导参量。所述变型方案对应于图3的图示。与该图示不同地，也可以通过机器人模块8d提供计算例行程序25。
按照另一变型方案，所述计算例行程序25执行上述运动学变换，但是不执行轨迹规划。这里基于运动学变换，给操纵器2a、b的（未示出的）机器人控制器供应运动学变换的结果。然后相应地通过所述机器人控制器提供上述位置调节器25a的功能性以及轨迹规划。
关于输入输出模块3a、b特别地规定，NC处理装置19实施切换指令21，其中单元监控计算机程序8（NC处理装置19确实是其组成部分）访问SPS计算机程序6的SPS接口9，并且SPS计算机程序6根据所述访问经由模块总线7操控输入输出模块3a、b。
对于所述访问和其他访问，在此可以设置专门类型的封装（Kapselung），如这里随后再次参考图4示出的。特别地优选地规定，用于操控操纵器2a、b、优选地也用于读取传感器设备15a、b、尤其也用于实施计算例行程序25的NC处理装置19 访问单元监控计算机程序8的封装接口26，并且根据所述访问经由网络总线11来操控操纵器2a、b。此外优选的是，必要时接着也经由网络总线11读取传感器设备15a、b，并且根据所述访问执行其他的、尤其也执行轨迹规划。
不仅对封装接口26的该访问而且对SPS接口9的访问可以借助于面向对象的接口类进行。因此优选的是，对封装接口26和/或对SPS接口9的访问包括对操纵器类27a、输入输出模块类27b、轨迹规划类27c和/或传感器类27d类型的面向对象的接口类27的访问。因此从而为这些访问提供（分别对于操纵器、输入输出模块、轨迹规划例行程序或者传感器的操控）始终相同的接口，并且可能的区别在实现中被简述（gekapselt）。对SPS接口9的访问特别地可以包括对输入输出模块类27b的访问。
现在通过以下方式对这些区别予以考虑，即如优选的那样，分别通过操纵器对象28a、输入输出模块对象28b或者传感器对象28d实现操纵器类27a、输入输出模块类27b和/或传感器接类27d，所述操纵器对象28a、输入输出模块对象28b或者传感器对象28d与操纵器2a、b、单输入/输出模块3a、b或者传感器设备15a、b的类型有关。同样，轨迹规划类27d可以通过轨迹规划对象28d来实现，所述轨迹规划对象28d与专门算法有关，其中轨迹规划以及特别地内插法和运动学变换利用所述算法来实现。
Claims (20)
1.用于运行自动化装置（1）的方法，所述自动化装置具有用于自动化地生产的输入输出模块（3a、b）和操纵器（2a、b）以及计算设备（5），其中在所述计算设备（5）上实施SPS计算机程序（6），用于为所述输入输出模块（3a、b）提供可编程逻辑控制器，所述SPS计算机程序（6）经由模块总线（7）与所述输入输出模块（3a、b）处于通信技术连接用于操控所述输入输出模块（3a、b），其中在所述计算设备（5）上实施单元监控计算机程序（8），用于经由所述SPS计算机程序（6）的SPS接口（9）操控所述SPS计算机程序（6），其中所述单元监控计算机程序（8）为所述操纵器（2a、b）提供NC控制器（10），并且所述单元监控计算机程序（8）经由网络总线（11）与所述操纵器（2a、b）处于通信技术连接用于操控所述操纵器（2a、b），并且其中所述单元监控计算机程序（8）具有NC处理装置（19），所述NC处理装置（19）用于将NC程序（20）转化为用于操控输入输出模块（3a、b）的切换指令（21），并且用于将NC程序（20）转化为用于操控操纵器（2a、b）的几何数据（22a）和/或技术数据（22b）。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入输出模块（3a、b）具有布置在所述操纵器（2a、b）处的应用设备（12）。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述应用设备（12）是工具、测量设备或者记录设备。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模块总线是现场总线（13），和/或所述网络总线（11）是以太网总线(14)。
5.按照权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述单元监控计算机程序（8）经由所述网络总线（11）与传感器设备（15a、b）处于通信技术连接用于读取所述传感器设备（15a、b）。
6.按照权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述单元监控计算机程序（8）经由工厂总线（16）提供单元监控接口，所述单元监控计算机程序（8）与所述工厂总线（16）处于通信技术连接。
7.按照权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述计算设备（5）是个人计算机（17），所述SPS计算机程序（6）和所述单元监控计算机程序（8）在用于个人计算机（17）的多媒体操作系统（18）上运行。
8.按照权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，分别通过不同的进程实施所述SPS计算机程序（6）和所述单元监控计算机程序（8）。
9.按照权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在NC进程中实施所述单元监控计算机程序（8）的、用于提供NC控制器（10）的NC子计算机程序，并且在操纵器进程中实施所述单元监控计算机程序（8）的、用于操控操纵器（2a、b）的操纵器子程序。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述计算设备（5）提供多个用于与所述SPS计算机程序（6）通信的具有至少部分不同的优先化的进程间通道。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所述NC子计算机程序和在可视化进程中实施的可视化程序分别经由一个进程间通道与所述SPS计算机程序（6）通信，并且所述NC子计算机程序的进程间通道比可视化程序的进程间通道更高地被优先化。
12.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述NC处理装置（19）被设置用于将NC程序（20）转化成用于读取传感器设备（15a、b）的传感器询问。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，所述NC处理装置基于所述几何数据（22a）和/或所述技术数据（22b）实施用于对所述操纵器（2a、b）进行轨迹规划的计算例行程序（25）。
14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，所述计算例行程序（25）包括运动学变换和/或内插法。
15.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，所述NC处理装置（19）实施所述切换指令（21），其方式是所述单元监控计算机程序（8）访问所述SPS计算机程序（6）的所述SPS接口（9），并且所述SPS计算机程序（6）根据所述访问经由所述模块总线（7）操控所述输入输出模块（3a、b）。
16.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，所述NC处理装置（19）为了操控所述操纵器（2a、b）而访问所述单元监控计算机程序（8）的封装接口（26），并且所述操纵器（2a、b）根据所述访问经由所述网络总线（11）被操控。
17.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，所述NC处理装置（19）也为了读取所述传感器设备（15a、b）而访问所述单元监控计算机程序（8）的封装接口（26），并且根据所述访问所述传感器设备（15a、b）经由所述网络总线（11）被读取。
18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，所述NC处理装置（19）也为了实施计算例行程序（25）而访问所述单元监控计算机程序（8）的封装接口（26），并且根据所述访问执行轨迹规划。
19.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，对所述封装接口（26）和/或对所述SPS接口（9）的所述访问包括对操纵器类（27a）、输入输出模块类（27b）、传感器类（27c）和/或轨迹规划类（27d）类型的面向对象的接口类（27）的访问。
20.按照权利要求19所述的方法，其特征在于，所述操纵器类（27a）、所述输入输出模块类（27b）和/或所述传感器类（27c）分别通过操纵器对象（28a）、输入输出模块对象（28b）或者传感器对象（28c）来实现，所述操纵器对象（28a）、输入输出模块对象（28b）或者传感器对象（28c）与所述操纵器（2a、b）、所述输入输出模块（3a、b）或者所述传感器设备（15a、b）的类型有关。
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