CN112816582A - 基于一体化控制的VOCs在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于一体化控制的VOCs在线监测系统，包括：预处理控制板，通过PCB板进行温度控制，实时获取加热状态，基于开关控制量通过电磁阀来控制气流的流向和通断；在线色谱仪控制板，控制进入色谱仪的样品气维持在一定温度，通过阀位状态组合成相应的应用形态，控制色谱仪执行相应的业务功能；FID信号控制板，用于控制氢火焰离子检测器的点火、量程调节；EPC控制模块，用于调节各个气路系统的载气流量；一体化工控机，用于与上述模块相连接，交互数据，获取实时监测数据，并进行远程控制。本发明通过一体化控制模式，降低了成本，并通过PCB板级工控系统，实现了远程故障排查、远程控制，且配置灵活，反馈及时，极大地提高系统的可运维性。

Description

基于一体化控制的VOCs在线监测系统

技术领域

本发明涉及大气环境监测的技术领域，特别涉及一种基于一体化控制的VOCs在线监测系统。

背景技术

VOCs是形成细颗粒物(PM2.5)和臭氧(O3)的重要前体物，相对于颗粒物、二氧化硫、氮氧化物污染控制，VOCs管理基础薄弱成为大气环境管理短板。当前，石化、化工、工业涂装、包装印刷、油品储运销等行业已经成为VOCs重点排放源。为保卫蓝天、进一步改善环境空气质量，迫切需要全面加强重点行业VOCs综合治理；而治理的评估效果需要靠监测数据说话。但现有的各种监测设备如温控表、气体发生器均为单机设备，其运行状态和参数只能现场查看，往往形成信息孤岛，存在故障无法及时告警和处理的风险。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于一体化控制的VOCs在线监测系统，能够远程进行控制及故障排查。

根据本发明的第一方面实施例的基于一体化控制的VOCs在线监测系统，包括：预处理控制板，包括第一温控模块及第一阀控模块，其中，所述第一温控模块用于通过PCB板进行温度控制，实时获取加热状态，所述第一阀控模块用于基于开关控制量通过电磁阀来控制气流的流向和通断；在线色谱仪控制板，包括第二温控模块及第二阀控模块，其中，所述第二温控模块用于控制进入色谱仪的样品气维持在一定温度，所述第二阀控模块用于基于开关量的输出，通过限位开关和电机组成转阀系统，通过阀位状态组合成相应的应用形态，控制色谱仪执行相应的业务功能；FID信号控制板，用于控制氢火焰离子检测器的点火、量程调节；EPC控制模块，用于调节各个气路系统的载气流量，接收点火指令，保证FID火焰的燃烧状态；一体化工控机，用于与所述预处理控制板、所述在线色谱仪控制板、所述FID信号控制板及所述EPC控制模块相连接，交互数据，获取实时监测数据，并进行远程控制。

根据本发明实施例的基于一体化控制的VOCs在线监测系统，至少具有如下有益效果：通过一体化控制模式，仅需一台工控机，降低了成本，并通过PCB板级工控系统，可运用低耦合、多线程并接方式，配置灵活，反馈及时，实现了远程故障排查、远程控制，极大地提高系统的可运维性。

根据本发明的一些实施例，所述一体化工控机包括：预加载模块，用于与下位机建立自动连接，下发预设参数，发送预热指令，通过所述预处理控制板及所述在线色谱仪控制板进行控温，以及通过所述EPC控制模块进行载气流量调节，并实时监测温度和载气流量是否到达预设值；点火就绪模块，用于下发点火指令，通过所述FID信号控制板执行点火，通过基线判定FID是否点火成功，根据点火结果进行重新点火或生成点火故障信息；循环监测模块，用于通过所述在线色谱仪控制板进行采样，通过所述FID信号控制板进行采样，生成标准色谱图，并在采集图谱过程中监测火焰燃烧状态。

根据本发明的一些实施例，所述一体化工控机还包括：数据分析显示模块，用于对接收到的数据按分类进行处理，在交互界面中实时显示污染因子的体积浓度、质量浓度、排放速率，以及谱图信息。

根据本发明的一些实施例，所述第一温控模块包括：采样探头温控模块，用于根据加热指令，对采样探头进行加热和温度控制；伴热管线温控模块，用于根据加热指令，对伴热管线进行加热和温度控制；预处理加热盒温控模块，用于根据加热指令，对预处理加热盒进行加热和温度控制。

根据本发明的一些实施例，所述第一阀控模块包括：采样电磁阀，用于基于开关控制量，对气流进行采集；反吹电磁阀，用于基于开关控制量，控制气流反射运动；校准电磁阀，用于基于开关控制量，进行系统校准。

根据本发明的一些实施例，所述第二温控模块包括：柱箱温控模块，用于对柱箱进行加热和温度控制；阀箱温控模块，用于对阀箱进行加热和温度控制；FID检测器温控模块，用于对FID检测器进行加热和温度控制。

根据本发明的一些实施例，所述第二阀控模块包括十四通阀及十通阀，基于开并输出量通过阀位状态组合成不同的应用形态。

根据本发明的一些实施例，EPC控制模块包括：载气流量控制模块、燃气流量控制模块和助燃气流量控制模块。

根据本发明的一些实施例，还包括：烟气参数变送器，用于通过采集4-20mA烟气参数对应的电流信号，并转换为数字信号，通过串口传输给所述一体化工控机；气体发生器，用于监测发生器的状态数据，通过串口传输给所述一体化工控机包括氢气发生器和零气发生器。

根据本发明的一些实施例，所述烟气参数变送器包括：温度传感器，采用PT100作为传感器探头，输出4-20mA电流模拟量；压力传感器，通过电阻式原理，输出4-20mA电流模拟量；流速传感器，通过皮托管压差法，输出4-20mA电流模拟量；湿度传感器，通过氧化锆法，输出4-20mA电流模拟量；氧含量传感器，通过氧化锆法，输出4-20mA电流模拟量。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的系统的主要模块示意图；

图2为本发明实施例的系统的详细模块示意图；

图3为本发明实施例的系统中的工控机的内部模块示意框图；

图4为本发明实施例的系统中的工控机工作流程示意图。

附图标记：

预处理控制板100、在线色谱仪控制板200、FID信号控制板300、EPC控制模块400、一体化工控机500、烟气参数变送器600、气体发生器700；

第一温控模块110、采样探头温控模块111、伴热管线温控模块112、预处理加热盒温控模块113；

第一阀控模块120、采样电磁阀121、反吹电磁阀122、校准电磁阀123；

第二温控模块210、柱箱温控模块211、阀箱温控模块222、FID检测器温控模块223；

第二阀控模块220、十四通阀221、十通阀222；

AD信号采集单元310、FID信号控制单元320；

载气流量控制模块410、燃气流量控制模块420、助燃气流量控制模块430；

预加载模块510、点火就绪模块520、循环监测模块530、数据分析显示模块540；

温度传感器610、压力传感器620、流速传感器630、湿度传感器640、氧含量传感器650；

氢气发生器710、零气发生器720。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

名词解释：

FID：氢火焰离子检测器。

EPC，电子流量控制器。

零气，零级空气，一种常见的气体混合物，它的主要成分由氧和氮组成，一般要求总烃含量小于2×10-6、水分含量小于5×10-6.12，主要作用作气敏色谱仪载气或氢火焰离子化色谱仪的助燃气。

参照图1，本发明的实施例的方法包括：预处理控制板100、在线色谱仪控制板200、FID信号控制板300、EPC控制模块400及一体化工控机500。预处理控制板110，包括：第一温控模块110，用于通过PCB板进行温度控制，实时获取加热状态，以及，第一阀控模块120，用于基于开关控制量通过电磁阀来控制气流的流向和通断。在线色谱仪控制板200，包括第二温控模块210，用于控制进入色谱仪的样品气维持在一定温度，以及，第二阀控模块220，用于基于开关量的输出，通过限位开关和电机组成转阀系统，通过阀位状态组合成相应的应用形态，控制色谱仪执行相应的业务功能。FID信号控制板300，用于控制氢火焰离子检测器的点火、量程调节。EPC控制模块400，用于调节各个气路系统的载气流量，接收点火指令，保证FID火焰的燃烧状态。一体化工控机500，用于与预处理控制板、在线色谱仪控制板、FID信号控制板及EPC控制模块相连接，交互数据，获取实时监测数据，并进行远程控制。

本发明的实施例中的一体化工控机，参照图3，包括：预加载模块510，用于与下位机建立自动连接，下发预设参数，发送预热指令，通过预处理控制板及在线色谱仪控制板进行控温，以及，通过EPC控制模块进行载气流量调节，并实时监测温度和载气流量是否到达预设值；点火就绪模块520，用于下发点火指令，通过FID信号控制板执行点火，通过基线判定FID是否点火成功，根据点火结果进行重新点火或生成点火故障信息；循环监测模块530，用于通过在线色谱仪控制板进行采样，通过FID信号控制板进行采样，生成标准色谱图，并在采集图谱过程中监测火焰燃烧状态；数据分析显示模块540，用于对接收到的数据按分类进行处理，在交互界面中实时显示污染因子的体积浓度、质量浓度、排放速率，以及谱图信息。

本发明实施例的VOCs在线监测系统，基于一体化控制，参照图2，包括：预处理控制板100、在线色谱仪控制板200、FID信号控制板300、EPC控制模块400、一体化工控机500、烟气参数变送器600、气体发生器700。如图2所述，每一个模块下可衍生更多控制单元，以气体发生器700为例，气体发生器包括氢气发生器710和零气发生器720。各个模块通过RS232串口与一体化工控机进行通讯；一体化工控机作为全局大脑，能够接收各模块传输的数据，同时也能根据约定协议控制各个模块。

参照图2，一体化工控机500是VOCs在线监测系统的控制核心，它包括工控机及硬件接口，也包括一体化软件，用于数据采集、时序控制、谱图绘制、分析计算进行远程控制，处理远程故障告警信息等操作。

预处理控制板100取代了传统的PLC，可采用稳定可靠低成本PCB板方案，从而节省成本；包括两大模块，即第一温控模块110和第一阀控模块120。第一温控模块110包括：采样探头温控模块111、伴热管线温控模块112和预处理加热盒温控模块113。为防止VOCs冷凝，实现全程高温伴热，必须对采样探头、伴热管线和预处理加热盒进行加热和温度控制，一般温度控制在120℃以上。本发明的实施例中，取消了常规的单机式温控器，通过PCB板进行温度控制，获取各温控模块的加热状态，传输给一体工控机进行实时显示，工控机检测到温度不达标，将发送升温指令给相应的温控模块，一定时间反复通过指令控制仍检测不达标，则生成相应的故障警报信息。第一阀控模块120包括：采样电磁阀121、反吹电磁阀122和校准电磁阀123，主要用于基于单片机的开关量输出，通过开关不同电磁阀来控制样品气、标准气的流向和通断，从而实现采样分析、反吹、系统校准等功能。

在线色谱仪控制板200，包括：第二温控模块210和第一阀控模块220。其中第二温控模块210包括：柱箱温控模块211、阀箱温控模块212和FID检测器温控模块213，分别对柱箱、阀箱及FID检测器进行温度控制。为防止VOCs冷凝造成堵塞和管路污染，样品气进入色谱仪后也必须保持在100℃以上，保证水以气态的形式存在，在本发明的实施例中，设置柱温和阀温120℃，FID检测器温度160℃。第一阀控模块220包括：十四通阀221和十通阀222，主要基于单片机的开关量输出，通过限位开关和电机组成转阀系统。本发明实施例中的十四通阀和十通阀通过阀位状态组合成不同的应用形态，从而实现色谱仪的相应的业务功能，如：内部采样、进样和反吹等功能。在线色谱仪通过通过阀控模组，以双阀三柱单检测器的方法检测固定污染源有机废气中挥发性有机物。

本发明实施例中的FID信号控制板300包括：AD信号采集单元310及FID控制单元320FID检测器产生的微电流信号经过AD信号采集单元310后，由微电流模拟信号变成电压数字信息，AD信号采集单元310将电压信息通过串口输出给工控机，由工控机根据电压信号绘制谱图实现色谱分析。FID控制单元320用于执行FID点火、量程调节等功能。

EPC控制模块400，由带有温度、压力补偿的比例阀、开关阀及压力或流量传感器构成，通过控制电路中的PID设置与参数调节，消除因环境温度、分析系统温度、柱系统阻力、阀件的机械磨损等造成的偏差，使载气在各色谱系统的气路中有非常稳定的流速，从而保证在分析过程中，基线稳定、检测器响应准确、阀的开闭准确；完成对载气流量控制、分流进样控制的综合控制功能。EPC控制模块400包括：载气流量控制410、燃气流量控制420和助燃气流量控制430。本发明的实施例中，采用零级空气作载气和助燃气，采用高纯氢气作为燃气。通过EPC调节各个气路系统的流量，保证FID火焰的燃烧状态，保证各路载气流量稳定，从而确保测量的重现性和稳定性。相较与传统的机械阀，EPC最大的好处就是实现了流量控制的数字化，极大提高了调试和运维的工作效率，在FID火焰熄灭的情况下，也能采用远程调节控制的方法重新点火。EPC控制板400通过串口与工控机进行数据交换。

烟气参数变送器600，通过采集4-20mA电流信号转换为数字信号，获得烟气参数，并将烟气参数传输到工控机。烟气参数变送器包括：温度传感器610一般采用PT100作为传感器探头，输出4-20mA电流模拟量；压力传感器620采用电阻式原理，输出4-20mA电流模拟量；流速传感器630采用皮托管压差法，输出4-20mA电流模拟量；湿度传感器640和氧含量传感器650均采用氧化锆法，分别输出4-20mA电流模拟量。

气体发生器700，包括：氢气发生器710以及零气发生器720。氢气发生器710，采用电解水的原理，为在线色谱仪供给纯度超过99.999％、压力达到0.4MPa的氢气。本发明实施例的工控机通过串口读取氢气发生器的状态数据，能在第一时间发现氢气发生器的异常情况，从而保障系统稳定运行和设备人员安全。零气发生器720通过串口与工控机进行数据交换，采用400℃高温贵金属催化技术，将气源中的空气进行除烃除水除尘，通过零气发生器后的零气要求烃类＜0.1ppm，持续为在线色谱仪提供清洁、稳定的零级空气。

本发明的实施例中，参照图4，基于一体化控制的VOCs在线监测系统运行阶段包括如下步骤：

S0、开始；

S1、上电，系统检查无误后上电；

S2、一体化工控机下发默认配置至各模块；工控机开机后，作为上位机的工控机和其它模块对应的下位机的自动建立连接，下发预设参数到各个模块；

S3、烟气参数变送器将采集数据传输给工控机；

S4、气体发生器气将仪表工作状态和参数传输给工控机，其中，S2,S3,S4同步进行；

S5、预处理控制板开始控温，包括：T1、采样探头温度；T2、采样伴热管温度；T3、预处理加热盒温度；

S6、在线色谱仪控制板开始控温，包括：T4、采样柱箱温度；T2、采样阀箱温度；T3、采样FID检测器温度；

S7、EPC控制板开始调节气流流量，包括：C1、调节载气气流流量；C2、调节燃气气流流量；C3、调节助燃气的气流流量；

S8、FID信号控制器待机，其中，S5,S6,S7,S8并行；

S9、AD数据采集关闭；

S10、系统实时监测温度和流量是否到达预设值，如果到达进行S11，如果未达到，则继续下发升温和调流量指令。

S11、温度和流量就绪后，工控机下发点火指令，FID控制板执行，同时AD采集ON，开始绘制谱图；

S12、系统通过基线自动判定FID火焰是否点着，系统预设了熄火报警阈值，如果FID的信号值低于阈值，说明火焰是熄灭状态，在点火失败的情况下，系统将进行三次点火尝试，如果仍然失败，会报送故障信息；

S13、系统就绪，一切正常后，系统开始自动运行，进入循环；

S14、在循环运行状态，预处理控制板控制采样电磁阀(对应图4中的V1)开启，反吹电磁阀(V2)和校准电磁阀(V3)关闭；

S15、在循环运行状态，在线色谱仪进入小循环，小循环包括采样(对应图4中的Z1)-非甲烷总烃进样(Z2)-间隔(Z3)-苯系物进样(Z4)-苯系物反吹(Z5)共5种状态；

S16、在循环运行状态一体化软件实时采集FID的AD信号，形成标准色谱图，在采集谱图的过程中仍会判断火焰的燃烧状态；

S17、在运行过程中可以点击停止，在无人干预的情况下，系统会持续运行；

S18、点击停止后进入就绪状态；

S19、结束。

尽管本文描述了具体实施方案，但是本领域中的普通技术人员将认识到，许多其它修改或另选的实施方案同样处于本公开的范围内。例如，结合特定设备或组件描述的功能和/或处理能力中的任一项可以由任何其它设备或部件来执行。另外，虽然已根据本公开的实施方案描述了各种例示性具体实施和架构，但是本领域中的普通技术人员将认识到，对本文所述的例示性具体实施和架构的许多其它修改也处于本公开的范围内。

上文参考根据示例性实施方案所述的系统、方法、系统和/或计算机程序产品的框图和流程图描述了本公开的某些方面。应当理解，框图和流程图中的一个或多个块以及框图和流程图中的块的组合可分别通过执行计算机可执行程序指令来实现。同样，根据一些实施方案，框图和流程图中的一些块可能无需按示出的顺序执行，或者可以无需全部执行。另外，超出框图和流程图中的块所示的那些部件和/或操作以外的附加部件和/或操作可存在于某些实施方案中。

因此，框图和流程图中的块支持用于执行指定功能的装置的组合、用于执行指定功能的元件或步骤的组合以及用于执行指定功能的程序指令装置。还应当理解，框图和流程图中的每个块以及框图和流程图中的块的组合可以由执行特定功能、元件或步骤的专用硬件计算机系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。

本文所述的程序模块、应用程序等可包括一个或多个软件组件，包括例如软件对象、方法、数据结构等。每个此类软件组件可包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令响应于执行而使本文所述的功能的至少一部分(例如，本文所述的例示性方法的一种或多种操作)被执行。

软件组件可以用各种编程语言中的任一种来编码。一种例示性编程语言可以为低级编程语言，诸如与特定硬件体系结构和/或操作系统平台相关联的汇编语言。包括汇编语言指令的软件组件可能需要在由硬件架构和/或平台执行之前由汇编程序转换为可执行的机器代码。另一种示例性编程语言可以为更高级的编程语言，其可以跨多种架构移植。包括更高级编程语言的软件组件在执行之前可能需要由解释器或编译器转换为中间表示。编程语言的其它示例包括但不限于宏语言、外壳或命令语言、作业控制语言、脚本语言、数据库查询或搜索语言、或报告编写语言。在一个或多个示例性实施方案中，包含上述编程语言示例中的一者的指令的软件组件可直接由操作系统或其它软件组件执行，而无需首先转换成另一种形式。

软件组件可存储为文件或其它数据存储构造。具有相似类型或相关功能的软件组件可一起存储在诸如特定的目录、文件夹或库中。软件组件可为静态的(例如，预设的或固定的)或动态的(例如，在执行时创建或修改的)。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种基于一体化控制的VOCs在线监测系统，其特征在于，包括：

预处理控制板，包括第一温控模块及第一阀控模块，其中，所述第一温控模块用于通过PCB板进行温度控制，实时获取加热状态，所述第一阀控模块用于基于开关控制量通过电磁阀来控制气流的流向和通断；

在线色谱仪控制板，包括第二温控模块及第二阀控模块，其中，所述第二温控模块用于控制进入色谱仪的样品气维持在一定温度，所述第二阀控模块用于基于开关量的输出，通过限位开关和电机组成转阀系统，通过阀位状态组合成相应的应用形态，控制色谱仪执行相应的业务功能；

FID信号控制板，用于控制氢火焰离子检测器的点火、量程调节；

EPC控制模块，用于调节各个气路系统的载气流量，接收点火指令，保证FID火焰的燃烧状态；

一体化工控机，用于与所述预处理控制板、所述在线色谱仪控制板、所述FID信号控制板及所述EPC控制模块相连接，交互数据，获取实时监测数据，并进行远程控制。

2.根据权利要求1所述的基于一体化控制的VOCs在线监测系统，其特征在于，所述一体化工控机包括：

预加载模块，用于与下位机建立自动连接，下发预设参数，发送预热指令，通过所述预处理控制板及所述在线色谱仪控制板进行控温，以及通过所述EPC控制模块进行载气流量调节，并实时监测温度和载气流量是否到达预设值；

点火就绪模块，用于下发点火指令，通过所述FID信号控制板执行点火，通过基线判定FID是否点火成功，根据点火结果进行重新点火或生成点火故障信息；

循环监测模块，用于通过所述在线色谱仪控制板进行采样，通过所述FID信号控制板进行采样，生成标准色谱图，并在采集图谱过程中监测火焰燃烧状态。

3.根据权利要求2所述的基于一体化控制的VOCs在线监测系统，其特征在于，所述一体化工控机还包括：

数据分析显示模块，用于对接收到的数据按分类进行处理，在交互界面中实时显示污染因子的体积浓度、质量浓度、排放速率，以及谱图信息。

4.根据权利要求1所述的基于一体化控制的VOCs在线监测系统，其特征在于，所述第一温控模块包括：

采样探头温控模块，用于根据加热指令，对采样探头进行加热和温度控制；

伴热管线温控模块，用于根据加热指令，对伴热管线进行加热和温度控制；

预处理加热盒温控模块，用于根据加热指令，对预处理加热盒进行加热和温度控制。

5.根据权利要求1所述的基于一体化控制的VOCs在线监测系统，其特征在于，所述第一阀控模块包括：

采样电磁阀，用于基于开关控制量，对气流进行采集；

反吹电磁阀，用于基于开关控制量，控制气流反射运动；

校准电磁阀，用于基于开关控制量，进行系统校准。

6.根据权利要求1所述的基于一体化控制的VOCs在线监测系统，其特征在于，所述第二温控模块包括：

柱箱温控模块，用于对柱箱进行加热和温度控制；

阀箱温控模块，用于对阀箱进行加热和温度控制；

FID检测器温控模块，用于对FID检测器进行加热和温度控制。

7.根据权利要求1所述的基于一体化控制的VOCs在线监测系统，其特征在于，所述第二阀控模块包括十四通阀及十通阀，基于开并输出量通过阀位状态组合成不同的应用形态。

8.根据权利要求1所述的基于一体化控制的VOCs在线监测系统，其特征在于，EPC控制模块包括：载气流量控制模块、燃气流量控制模块和助燃气流量控制模块。

9.根据权利要求1所述的基于一体化控制的VOCs在线监测系统，其特征在于，还包括：

烟气参数变送器，用于通过采集4-20mA烟气参数对应的电流信号，并转换为数字信号，通过串口传输给所述一体化工控机；

气体发生器，用于监测发生器的状态数据，通过串口传输给所述一体化工控机包括氢气发生器和零气发生器。

10.根据权利要求9所述的基于一体化控制的VOCs在线监测系统，其特征在于，所述烟气参数变送器包括：

温度传感器，采用PT100作为传感器探头，输出4-20mA电流模拟量；

压力传感器，通过电阻式原理，输出4-20mA电流模拟量；

流速传感器，通过皮托管压差法，输出4-20mA电流模拟量；

湿度传感器，通过氧化锆法，输出4-20mA电流模拟量；

氧含量传感器，通过氧化锆法，输出4-20mA电流模拟量。

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