CN110109372B - 用于模拟受控制的机器或设施的设备以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于模拟受控制的机器或设施的设备(4),包括:过程模拟装置(1),其设计用于为了模拟机器或设施的物理过程而执行模拟步骤(S1);和控制模拟装置(2),其设计用于为了模拟机器或设施的控制而执行模拟步骤(S2),其中,过程模拟装置(1)和控制模拟装置(2)设计用于,为了模拟受控制的机器或设施而在相应的模拟步骤(S1、S2)中交换确定的输出值,其中,控制模拟装置(2)设计用于,将信息传输到过程模拟装置(1),该信息描述了利用控制模拟装置(2)执行的模拟步骤(S2)的结束的结果时间点(ti),并且过程模拟装置(1)设计用于根据结果时间点(ti)调整模拟步骤(S1)中的至少一个的持续时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于模拟受控制的机器或设施的设备,包括过程模拟装置,其设计用于为了模拟机器或设施的物理过程而执行模拟步骤。此外,该设备包括控制模拟装置,其设计用于为了模拟机器或设施的控制器而执行模拟步骤。在此,过程模拟装置和控制模拟装置设计用于,为了模拟受控制的机器或设施而在相应的模拟步骤中交换确定的输出值。此外,本发明涉及一种用于模拟受控制的机器或设施的方法。
背景技术
为了模拟自动化系统、例如受控制的机器、受控制的设施、机器人单元或生产过程,需要将物理过程与对控制器(例如自动化系统的控制程序)的模拟相结合地进行模拟。通常,在数学上对物理过程进行建模并且利用相应的模拟工具进行模拟。然而当实验要求受控对象有精确分析时重要的是,在软件仿真控制器中运行原始的控制程序。
在这种情况下存在的问题是,物理过程持续改变并且还与周围环境相互作用。与之相反,控制器仅在确定的时间点交互,这些时间点通常无法预先已知。模拟工具提供用于模拟步骤的自有的内部步长控制器,其确定应当为哪些时间点计算结果。这些模拟步骤不与控制器的交互点同步。因此,模拟在总体上始终具有系统性的模拟错误,因为物理过程的模拟利用了控制模拟的过时输入值来执行其计算。
目前为止还未解决该问题。仿真控制器的行为是对真实控制器(例如可编程逻辑控制器)的行为的精确再现。在此存在各个时间点,在这些时间点能够实现与周围环境的相互作用,其中,它们通常是未知的。仿真的行为无法在不损失仿真结果的有效性的情况下被改变。如果可能,物理过程的模拟通常设置到固定的步长,以便获得能更好预测的时间行为(Timing-Verhalten)。然而,这关系到效率成本和/或精确性成本。造成的模拟错误有时是可接受的,换而言之模拟能够是“足够好”的。然而尤其在对时间关键的系统进行模拟时,不能应用可支配的设置。系统性的模拟错误能够通过显著减小模拟步长来减少。然而这导致了更高的计算耗费和更低的效率。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种解决方案,如何能够以较小的计算耗费可靠地模拟受控制的机器或设施。
根据本发明的用于对受控制的机器或设施进行模拟的设备包括过程模拟装置,其设计用于,为了模拟机器或设施的物理过程而执行模拟步骤。此外,该设备包括控制模拟装置,其设计用于,为了模拟机器或设施的控制器而执行模拟步骤。过程模拟装置和控制模拟装置设计用于,为了模拟受控制的机器或设施而在相应的模拟步骤中交换确定的输出值。此外提出,控制模拟装置设计用于,将一信息传输到过程模拟装置,该信息描述了利用控制模拟装置执行的模拟步骤的结束的结果时间点。此外,过程模拟装置设计用于,根据结果时间点调整模拟步骤中的至少一个模拟步骤的持续时间。
借助于过程模拟装置能够模拟机器和设施在运行中的行为。因此,利用该设备应当模拟自动化系统,其包括控制器和机器或设施,其中,机器或设施的运行借助于控制器来控制和/或调节。借助于控制模拟装置能够模拟在控制或调节机器或设施时的控制行为。特别地,借助于控制模拟装置能够模拟控制器,其构造为可编程逻辑控制器(SPS)。利用控制模拟装置能够执行时间上连续的模拟步骤,以便再现可编程逻辑控制器的行为。例如,借助于控制模拟装置能够模拟受控对象以用于调节机器或设施。特别地,控制模拟装置包括仿真器,在其上运行控制器的真实控制程序。这带来的优点在于,能够实验真实控制程序的行为。因此,例如不需要,控制系统的行为例如在数学上被描述并且利用相应的模拟工具被再现。利用过程模拟装置同样能够执行时间上连续的模拟步骤。在相应的模拟步骤中确定输出值,其描述了机器或设施的物理行为。例如,输出值能够描述位置、速度、加速度等。
根据虚拟的时间来确定利用控制模拟装置和过程模拟装置所执行的相应的模拟步骤。控制模拟装置和过程模拟装置例如能够依次地运行。借助于控制模拟装置能够在相应的模拟步骤中确定输出值并且将输出值传输到过程模拟装置。这些输出值能够由过程模拟装置应用为用于后续模拟步骤的输入值。以相同的方式,借助于过程模拟装置确定的输出值能够应用为用于控制模拟装置的后续模拟步骤的输入值。因此能够实现协同模拟。
根据本发明提出,控制模拟装置确定结果时间点,其描述了模拟步骤中的一个结束的时间点或者虚拟时间点。控制模拟装置例如能够为所执行的每个模拟步骤确定结果时间点。随后,该结果时间点由控制模拟装置传输到过程模拟装置。在接收之后,过程模拟装置能够使其后续执行的至少一个模拟步骤匹配于该结果时间点。特别地,能够利用过程模拟装置调整至少一个模拟步骤的步长或者持续时间。因此能够实现的是,过程模拟的步长动态地匹配于对控制器的模拟的步长。由此能够阻止在协同模拟中应用过时的输入值并且因此出现模拟错误。因此总体上,能够可靠地执行受控制的机器或设施的模拟。
优选地,过程模拟装置设计用于调整至少一个模拟步骤的持续时间,使得至少一个模拟步骤在结果时间点结束,其中以该持续时间执行模拟步骤。利用控制模拟装置例如能够模拟控制器的主循环。结果时间点描述了模拟该主循环直到哪个虚拟时间为止。随后,利用过程模拟装置能够在模拟循环期间执行一个或多个模拟步骤。模拟步骤的相应的时长能够被如下地确定,即模拟循环在结果时间点结束。因此,物理过程的模拟和控制器的模拟能够分别被执行直到结果时间点为止。对于后续模拟循环来说,能够在过程模拟装置与控制模拟装置之间交换分别确定的输出值。因此,能够防止在模拟时应用过时的输出值。
优选地,过程模拟装置具有构件,其设计用于根据结果时间点调整至少一个模拟步骤的时长。过程模拟装置以及控制模拟装置能够分别包括虚拟时钟。根据虚拟时钟,控制模拟装置能够确定结果时间点。此时,在接收结果时间点之后,过程模拟装置能够使用其虚拟时钟,以便确定应当如何调整模拟步骤的步长。
在另一个设计方案中,控制模拟装置具有事件发生器,其设计用于生成事件信号,其中,事件信号描述结果时间点。此外,过程模拟装置能够具有用于接收事件信号的事件接收器。如果结束模拟步骤,则能够借助于控制模拟装置生成事件。附加于事件信号,控制模拟装置也能够将在模拟步骤中确定的输出值传输到过程模拟装置。因此能够精确地执行协同模拟。
此外有利的是,控制模拟装置设计用于,将模拟步骤中确定的输出值传输到过程模拟装置,并且过程模拟装置设计用于,将这些输出值应用为用于至少一个所执行的模拟步骤的输入值。能够提出,过程模拟装置设计用于,将模拟步骤中确定的输出值传输到控制模拟装置,并且控制模拟装置设计用于,将这些输出值应用为用于后续执行的模拟步骤的输入值。以该方式能够实现协同模拟,以便预测受控制的机器或设施的行为。
在另一个实施方式中,过程模拟装置具有用于存储输入值的缓存。在此特别提出,过程模拟装置设计用于,所存储的输入值中的至少一个输入值根据确定该至少一个输入值的时间点来选择。借助于该设备也能够以有利的方式实现物理过程的模拟和控制器的模拟的并行实施。过程模拟装置具有缓存,在其中能够存储输入值序列。当借助过程模拟装置开始新的模拟或者开始新的模拟循环的时候,能够从缓存中选择以下输入值,该输入值在尽可能迟的时间点被确定或者其具有最高的时间戳。此外,在选择输入值时考虑的是,该输入值在结果时间点之前的一个时间点被确定。随后,对于该模拟来说能够使至少一个模拟步骤的持续时间匹配于结果时间点。
此外有利的是,过程模拟装置具有用于存储输出值的缓存,其中,过程模拟装置设计用于,删除在结果时间点之后确定的输出值。对于后续模拟或者后续模拟循环来说,过程模拟装置能够清空缓存并且仅应用以下输入值,该过程模拟装置与结果时间点一起得到这些输入值。因此,过程模拟装置和控制模拟装置总是利用当前的输入值工作。
如已经提到的那样,控制模拟装置优选地具有用于执行控制器的控制程序的仿真器。在该仿真器上能够再现可编程逻辑控制器的真实控制程序或者真实的控制软件。因此,随后逼真地模拟机器或设施的控制和/或调节。
在另一个实施方式中提出,该设备包括多个过程模拟装置和/或多个控制模拟装置。换而言之,该方法能够扩展到多个过程模拟装置和/或多个控制模拟装置上。在此特别地也提出,结果时间点利用控制模拟装置中的每个来确定并且传输到控制模拟装置。控制模拟装置能够使模拟步骤的相应时长匹配于结果时间点。
根据本发明的方法用于模拟受控制的机器或设施。该方法包括通过借助于过程模拟装置执行模拟步骤来模拟机器或设施的物理过程。此外,该方法包含通过借助于控制模拟装置执行模拟步骤来模拟机器或设施的控制器。此外,该方法包括,为了模拟受控制的机器或设施而在过程模拟装置与控制模拟装置之间交换在相应的模拟步骤中确定的输出值。在此提出,借助于控制模拟装置将信息传输到过程模拟装置,该信息描述了利用控制模拟装置执行的模拟步骤的结束的结果时间点,并且借助于过程模拟装置根据结果时间点来调整模拟步骤中的至少一个的持续时间。
参考根据本发明的设备所提出的优选实施方式和其优点相应地适用于根据本发明的方法。
附图说明
本发明的其他特征由权利要求、附图和附图说明给出。上面描述中提到的特征和特征组合以及下面在附图说明中提到的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能应用在各个给出的组合中,也能应用在其它的组合中,这并不脱离本发明的保护范围。
现在根据优选的实施例以及参考附图详细阐述本发明。在此示出:
图1是根据现有技术用于模拟受控制的机器或设施的设备;
图2是利用根据图1的设备所执行的模拟步骤的时间流程图;
图3是根本发明的一个实施方式的用于模拟受控制的机器或设施的设备;并且
图4是利用根据图3的设备所执行的模拟步骤的时间流程图。
附图中相同或功能相同的元素配有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的用于模拟受控制的机器或设施的设备4。设备4包括过程模拟装置1,其用于模拟机器或设施的物理过程。此外,设备4包括控制模拟装置2,其用于模拟控制器,借助于该控制器控制机器或设施。借助于控制模拟装置2模拟的控制器例如能够是可编程逻辑控制器。控制模拟装置2能够通过软件仿真或仿真器来提供。当前,借助于过程模拟装置1和控制模拟装置2执行协同模拟,以便再现受控制的机器或设施的运行。
过程模拟装置1和控制模拟装置2为了数据传输而相互连接。借助于过程模拟装置1能够执行模拟步骤S1并且在此确定输出值。这在当前通过箭头5示出。这些输出值描述了机器或设施的物理参量。输出值或者物理参量例如能够描述位置、速度和/或加速度。由过程模拟装置1提供的输出值能够由控制模拟装置2接收以作为输入值(箭头6)。借助于控制模拟装置2同样能够提供输出值。这在当前通过箭头7示出。这些输出值例如能够描述电流、电压和/或频率。由控制模拟装置2提供的输出值又能够由过程模拟装置1接收以作为输入值(箭头8)。在当前的实例中,过程模拟装置1和控制模拟装置2经由组件3相互连接。借助于组件3能够控制在过程模拟装置1与控制模拟装置2之间的数据交换。以该方式实现了在过程模拟装置1与控制模拟装置2之间的间接的数据连接。
图2示出了模拟步骤S1的时间流程图,其利用过程模拟装置1和控制模拟装置2执行。在此,相应的模拟步骤S1相关于虚拟时间t示出。相应描述的持续时间和时间点在当前以ms(毫秒)给出。因为过程模拟装置1和控制模拟装置2在协同模拟时必须交换输入值和/或输出值,所以它们不能够并行地运行,而是依次地执行相应的模拟步骤S,在时间点t=0,在应用起始输入值(事件A)的条件下启动控制模拟装置2。此时执行模拟步骤S2并且在此计算输出值。该模拟步骤S2在时间点t=35结束(事件C)。随后停止或者冻结用于控制模拟装置2的虚拟时间t。
接下来启动过程模拟装置1(事件B)。此时,利用过程模拟装置1在时间上连续地执行模拟步骤S1,其中,当前执行四次模拟步骤S1,其相应的持续时间为10ms。在此,一直执行模拟步骤S1直到一个时间点为止,该时间点在时间点t=35之后、即时间点t=40(事件E)。在此,在最后执行的模拟步骤S1中确定的结果不能够应用为用于控制模拟装置2的输入值,因为由此会损害事件的正确顺序。因此,将在时间点t=30确定的结果应用为用于控制模拟装置2的输入值(事件D)。出于相同的原因,将在时间点t=35确定的控制模拟装置2的结果应用为在时间点t=40的用于过程模拟装置1的输入值(事件G)。
接下来借助于控制模拟装置2执行在时间点t=51结束的另一模拟步骤S2(事件F)。之后,借助于过程模拟装置1以相应的10ms的持续时间执行三次连续的模拟步骤S1。在此,控制模拟装置2对于时间点t=51所确定的结果被应用为对于时间点t=60的输入值(事件H)。这在整体上导致的是,两个所执行的模拟利用在时间上不同步的输入值工作。因此,整个协同模拟的模拟错误变得不必要的大。
图3示出了根据本发明的实施方式的设备4。该设备4也包括过程模拟装置1和控制模拟装置2,它们为了数据传输而相互连接。过程模拟装置1包括实施系统16,借助于其能够执行机器或设施的物理过程的模拟。为实施系统16输送模拟模型17或者逻辑模型。此外,过程模拟装置1包括用于输入值的缓存11和用于输出值的缓存12。此外,过程模拟装置1包括虚拟时钟13,其与模拟的执行一致地前进。此外,过程模拟装置1包括事件接收器14,其接下来详细阐述。最后,过程模拟装置1包括用于调整模拟步骤S1的步长的构件15。
控制模拟装置2包括用于执行模拟的实施系统25,模拟例如能够根据IEC 61131标准设计。也为该实施系统25输送模拟模型26。此外,控制模拟装置2包括用于输入值的缓存21以及用于输出值的缓存22。控制模拟装置2也包括虚拟时钟23,其在执行模拟时前进。最后,控制模拟装置2包括事件发生器24。
在此提出,当利用控制模拟装置2结束模拟步骤S2的时候,事件发生器24每次都输出事件信号。例如,如果在模拟中执行控制器或者可编程逻辑控制器的主循环的时候,事件发生器24能够输出事件信号。在此,该事件信号包括虚拟时钟的相应的结果时间点ti。在此,事件信号传输到过程模拟装置1的事件接收器14。此外,借助于控制模拟装置2将对于该结果时间点ti的输出值传输给过程模拟装置1。在接收事件信号之后,借助于具有构件15的过程模拟装置1调整相应的模拟步骤S1的步长或者持续时间,使得其在结果时间点ti提供结果。根据实施系统16或者模拟的解算器也能够计算中间步骤。
为了借助于构件15调整步长,扩展了数字的解算器。例如,在当前应用显式欧拉法,其用于利用所给的初始值解决简单的微分方程。在此,能够以微分方程的形式给出问题:
此时,能够利用离散的时间步tk=t0+kh和步长h计算当前的函数值y(tk)的近似值yk:
yk+1=yk+hf(tk,yk)。
通常,步长h控制为,使得步尽可能大(然而有限制)并且确保局部的错误低于阈值:
由此得出:
下面通过对算法的扩展能够引入:ti是最后事件的虚拟时间。对于模拟步骤S1中的每个都确定步长hk+1和由此引起的虚拟时间tk+1。如果tk+1>ti,那么将步长设置为hk+1=ti-tk。此外拒绝事件。
由此在整体上得出,过程模拟装置1和控制模拟装置2总是以当前的输入值工作。这在图4中示出,其示出了模拟步骤S1和S2的时间流程图,这些模拟步骤利用根据图3的设备4执行。在此识别出,借助于过程模拟装置1调整首先执行的模拟步骤S1的时长或者步长。最后的模拟步骤S1的时长从10ms减小到5ms。因此,四次连续的模拟步骤S1在总体上在时间点t=35之后结束(事件E),其对应于结果时间点ti。以相同的方式调整利用过程模拟装置1后续执行的模拟步骤S1,即其在时间点t=51结束。
根据一个扩展方案也能够设置模拟的并行执行。如已经描述的,过程模拟装置1包括用于输入值和模拟模型的状态的缓存11。在该缓存11中也能够存储事先确定的结果,其由控制模拟装置2接收。与之前描述的方法或者算法类似地,在接收事件信号时,借助于过程模拟装置1将根据控制模拟装置2的虚拟时钟23确定的所接收的结果时间点ti与过程模拟装置1的虚拟时钟13的时间tk+1进行比较。随后,过程模拟装置1删除缓存12中的所有的以下计算结果或者输出值,这些结果或输出值在结果时间点ti之后确定。接着,过程模拟装置1执行新的模拟,其中,在此应用具有最大时间戳的输入值,其在结果时间点ti之前确定。对于该模拟,根据结果时间点ti-如前所述-调整模拟步骤S1的步长。随后,对于下次模拟,过程模拟装置1能够清空缓存11并且应用过程模拟装置与事件信号一起获得的值。因此能够实现的是,过程模拟装置1和控制模拟装置2总是利用当前的值。
该方法也能够扩展到多个过程模拟装置1和/或多个控制模拟装置2上。在该情况下,如前所述那样,与至少一个控制模拟装置2交换数据的所述模拟装置都能够调整模拟步骤S1的步长或者时长。
当前没有改变控制模拟装置的模拟步骤S2的时长,因为控制模拟装置根据IEC61131标准再现了可编程逻辑控制器的真实行为。在此需要的是,控制器(除了特殊的事件之外)在开始主循环时读取输入值并且在执行主循环期间忽略输入值的所有改变。与之相反,受控制的过程的逼真模拟应当考虑控制器影响过程的准确时间点。
附图标记列表
1 过程模拟装置
2 控制模拟装置
3 组件
4 设备
5 箭头
6 箭头
7 箭头
8 箭头
11 缓存
12 缓存
13 虚拟时钟
14 事件接收器
15 构件
16 实施系统
17 模拟模型
21 缓存
22 缓存
23 虚拟时钟
24 事件发生器
25 实施系统
26 模拟模型
A 事件
B 事件
C 事件
D 事件
E 事件
F 事件
G 事件
H 事件
S1 第一模拟步骤
S2 第二模拟步骤
t 时间
ti 结果时间点。
Claims (10)
1.一种用于模拟受控制的机器或设施的设备(4),包括:
过程模拟装置(1),所述过程模拟装置设计用于,为了模拟所述机器或所述设施的物理过程而相关于虚拟时间地执行模拟步骤(S1),和
控制模拟装置(2),所述控制模拟装置设计用于,为了模拟所述机器或所述设施的控制器而相关于虚拟时间地执行模拟步骤(S2),
其中,所述控制模拟装置包括虚拟时钟和事件发生器,
其中,所述过程模拟装置包括虚拟时钟和事件接收器,
其中,所述过程模拟装置(1)和所述控制模拟装置(2)设计用于,为了模拟受控制的所述机器或所述设施而在相应的模拟步骤中交换确定的输出值,其中,
所述控制模拟装置(2)设计用于,将信息传输到所述过程模拟装置(1),所述信息描述了针对利用所述控制模拟装置(2)执行的所述模拟步骤(S2)的结束的虚拟的结果时间点(ti),并且
所述过程模拟装置(1)设计用于,从所述控制模拟装置(2)接收所述结果时间点(ti)并且根据所述结果时间点(ti)来调整所述模拟步骤(S1)中的至少一个模拟步骤的持续时间,以使得后续执行的至少一个模拟步骤匹配于所述结果时间点,
其中,所述事件发生器(24)设计用于,当利用所述控制模拟装置结束模拟步骤的时候生成事件信号,其中,所述事件信号描述所述结果时间点(ti),并且所述过程模拟装置(1)具有用于接收所述事件信号的事件接收器(14),
其中,所述控制模拟装置(2)和所述过程模拟装置(1)交换所述结果时间点(ti)时的特定输出值以作为对方的下一模拟步骤的输入值。
2.根据权利要求1所述的设备(4),其特征在于,
所述过程模拟装置(1)设计用于,调整所述至少一个模拟步骤(S1)的所述持续时间,使得所述至少一个模拟步骤(S1)在所述结果时间点(ti)结束,其中以所述持续时间执行所述至少一个模拟步骤。
3.根据权利要求1或2所述的设备(4),其特征在于,
所述过程模拟装置(1)具有构件(15),所述构件设计用于,根据所述结果时间点(ti)调整所述至少一个模拟步骤(S1)的时长。
4.根据权利要求1或2所述的设备(4),其特征在于,
所述控制模拟装置(2)设计用于将确定的所述输出值传输到所述过程模拟装置(1),并且所述过程模拟装置(1)设计用于将所述输出值应用为用于所执行的至少一个模拟步骤(S1)的输入值。
5.根据权利要求4所述的设备(4),其特征在于,
所述过程模拟装置(1)具有用于存储所述输入值的缓存(11)。
6.根据权利要求5所述的设备(4),其特征在于,
所述过程模拟装置(1)设计用于,所存储的所述输入值中的至少一个输入值根据确定该至少一个输入值的时间点来选择。
7.根据权利要求1或2所述的设备(4),其特征在于,
所述过程模拟装置(1)具有用于存储所述输出值的缓存(12),其中,所述过程模拟装置(1)设计用于,删除在所述结果时间点(ti)之后确定的输出值。
8.根据权利要求1或2所述的设备(4),其特征在于,
所述控制模拟装置(2)具有用于执行所述控制器的控制程序的仿真器。
9.根据权利要求1或2所述的设备(4),其特征在于,
所述设备(4)包括多个过程模拟装置(1)和/或多个控制模拟装置(2)。
10.一种用于模拟受控制的机器或设施的方法,具有以下步骤:
通过借助于过程模拟装置(1)相关于虚拟时间地执行模拟步骤(S1)来模拟所述机器或所述设施的物理过程,其中,所述过程模拟装置包括虚拟时钟和事件接收器,
通过借助于控制模拟装置(2)执行模拟步骤(S2)来模拟所述机器或所述设施的控制器,其中,所述控制模拟装置包括虚拟时钟和事件发生器,并且
为了模拟受控制的所述机器或所述设施,在所述过程模拟装置(1)与所述控制模拟装置(2)之间交换在相应的模拟步骤中确定的输出值,其中,
借助于所述控制模拟装置(2)将一信息传输到所述过程模拟装置(1),所述信息描述了针对利用所述控制模拟装置(2)执行的模拟步骤(S2)的结束的虚拟的结果时间点(ti),并且
借助于所述过程模拟装置(1)从所述控制模拟装置(2)接收所述结果时间点(ti)并且根据所述结果时间点(ti)调整所述模拟步骤(S1)中的至少一个模拟步骤的持续时间,以使得后续执行的至少一个模拟步骤匹配于所述结果时间点,
当利用所述控制模拟装置结束模拟步骤的时候,借助于所述事件发生器(24)生成事件信号,其中,所述事件信号描述所述结果时间点(ti),并且所述过程模拟装置(1)具有用于接收所述事件信号的事件接收器(14),
其中,所述控制模拟装置(2)和所述过程模拟装置(1)交换所述结果时间点(ti)时的特定输出值以作为对方的下一模拟步骤的输入值。
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