CN200985032Y - Led铁路信号机控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种铁路信号机，特别是一种发光二极管作为发光光源的LED铁路信号机控制系统。在室内通过直流稳压电源将交流输入转化为直流的工作电源，再通过信号点灯电路送到室外防护电路，提供给LED光源工作，由于本实用新型采用直流向室外供电，电缆绝缘造成的漏泄电流可忽略不计，室外又不用稳压电源或变压器等整流电子器件，大大降低了故障率，空载电流为零，故其安全控制距离比原系统大大提高，同时，线间电容就不能造成干扰，也就从根本上消除了干扰的最大来源。对于由于电缆不平衡而引起的外部交流电造成的干扰为次要干扰，可通过防护电路完全滤除。此外，由于采用了直流供电，低通滤波器中的滤波电容器的容量可以较大。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种铁路信号机，特别是一种发光二极管作为发光光源的LED铁路信号机控制系统。
技术背景
原有的铁路信号机基本采用12V/25W白炽灯作为光源，如图1中所示，室内信号点灯控制电路采用交流220V电源经过熔断器、灯丝监督继电器DJ、信号点灯控制电路输出，经过室外电缆(从几百米至十几公里)分别送至变压器BXU、BXL、BXH，经过降压至12V，供12V/25W的白炽黄灯U、绿灯L、红灯H使用。
白炽灯因其寿命短、能耗大、容易发生断丝，其报警故障方式显得比较落后。而LED信号机具有寿命长，节能等优点，在不久的将来必将替代白炽灯，成为铁路信号机的主流。但由于LED信号机在铁路上的应用还刚刚起步，大部分只是停留在单纯替代12V/25W的白炽灯上，使得现有的铁路LED信号机存在以下的问题：
1、系统可靠性低。
虽然LED发光管寿命大大超过白炽灯，但支持其LED正常工作的附加设备多为电子器件，并且通常设在恶劣的室外环境中，这些电子器件的故障率远远高于LED发光管本身，结果影响了信号机整体的可靠性。
2、防干扰能力差。
因为LED发光管只要有微安级电流便能使其点亮，其冷阻和热阻相差不大，且阻抗较高；而白炽灯冷阻非常小，故现有的LED信号机比白炽灯更易受干扰而误亮，因干扰造成乱显示多有发生。
如图2是采用交流供电造成干扰的原理图，图中假设一条电缆中有两架信号机。由于目前铁路信号车站点灯电路大部分为单断，即如图中XJF220电源同一线束的是连在一起的，控制线只对去线XJZ220进行控制。平常在未开放信号时S1、S2两架信号机都亮红灯，C1为红灯去线和绿灯去线间的线间电容、C2为S2红灯去线对S1绿灯去线的线间电容、C3为S1红灯去线对S2绿灯去线的线间电容、C4为S2红灯去线对绿灯去线的线间电容。两绿灯的其等效电路如图3中所示，可见每个绿灯L经过两个并联的线间电容接通交流电源，这就是造成误亮的最大原因，从图中可见，电缆的线间电容越大、同缆中信号机数量越多、电源电压越高，干扰电压就越高。
3、节能特性不能充分发挥。
现有的LED铁路信号机如果只从亮度考虑其功耗只需要白炽灯的1/3，但由于必需保证其电流大于灯丝监督继电器的可靠工作电流，目前铁路LED信号机的能耗只有XSLE型节省50％，其它型号基本上与白炽灯一样，没有把LED节能的作用最大的发挥出来。
4、短路故障比以前白炽灯大为增加，容易发生因整流器件击穿造成烧毁继电器、变压器的现象，甚至因短路室外信号机已灭灯，但室内灯丝监督继电器仍然在励磁状态，结果造成信号升级事故。其原因有三：一是由于仍采用传统的交流供电，室外必需有整流器件，而整流器件在室外恶劣的环境下很容易发生击穿；二是沿用传统的主灯丝断丝报警模式，只对开路进行报警，没有短路保护，而白炽灯在物理结构上已经考虑了避免短路的结构，又没有电子器件，故发生以上事故概率大大低于LED信号机；三是信号点灯电路标准图上传统的过流保护是采用0.5A熔断器，由于LED信号机内阻大，即使变压器二次侧的整流器短路，在一次侧的短路电流也较小，不足以使其熔断。该电流随不同型号的LED信号机和不同的距离其电流大小不同，最小的甚至只有170mA左右。当信号机超过一定距离后即使在电缆侧短路，室内的熔断器也不能熔断。这是原系统一直存在的缺陷，只是由于白炽灯信号机出现短路的故障概率很低，故此问题一直未被重视，而对于LED光源的信号机如果不能解决此问题，将严重影响其推广使用。
此外，铁路信号机构标准中对灯光半功率角的要求是：水平方向为2°12”，垂直方向为1°10”。而一般LED发光管的半功率角各个方向是相同的。这样有相当一部分光线未被利用。
在信号联锁条件中，必需检查信号机的状态，故设置了灯丝监督继电器DJ，当点灯电路工作正常时，通过灯丝监督继电器的电流使其励磁，当出现灯泡断丝或传输线路中断等故障造成灭灯时，灯丝继电器则处于失磁落下状态，以此判断信号点灯电路的工作状态再控制联锁电路。现有LED光源的信号机安全控制距离大部分都低于原白炽灯系统，为了有效监督信号灯工作状态，要求设备的空载电流加上电缆的漏泄电流小于灯丝监督继电器的释放电流。即要求当信号灯泡断丝时，保证灯丝监督继电器释放。由于大部分LED都使用稳压电源，而一般稳压电源的空载电流都高于原系统信号变压器的空载电流，故其安全控制距离小。
因此现有的LED光源铁路信号灯没有从系统上考虑如何避免LED的缺点，如何发挥LED的最大优点。
实用新型内容
本实用新型克服了上述缺点，提供了一种可靠性高、抗干扰、系统能耗低、效率高的LED铁路信号机控制系统。
本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：一种LED铁路信号机控制系统，包括
直流稳压电源电路：将输入的交流电源转化为直流工作电源；
信号点灯控制电路：控制点灯信号；
防护电路：与信号点灯电路的输出端相连，滤除干扰信号和防止雷击；
LED光源电路：接收防护电路的输出，实现发光显示；以及
报警电路：对采集线路中的信号实现报警和防护。
所述报警电路还可包括：
点灯电流采样电路：对直流稳压电源电路输出的电流信号进行采样；
报警控制电路：接收点灯电流采样电路采集到的电流信号，在判断采样信号超过设定值时，输出报警信号；
短路保护电路：当采样电流大于短路设定值，在输出报警信号的同时输出一控制信号，切断可调直流电源的输出。此电路也可设在可调稳压电源内；
以及实现报警的报警输出电路。
所述直流稳压电路可包括固定直流电源和可调稳压电源，所述可调电源电路的输出连接所述信号点灯控制电路电路，所述固定直流电源电路为所述报警电路提供低压工作电源。
所述防护电路可包括连接的雷电保护电路、快速电脉冲滤波电路和低频滤波电路。
所述报警电路还可包括灯位电压采样电路，所述灯位电压采样电路接收所述信号点灯电路输出的点灯控制信号，并将采样结果送入所述报警控制电路。
所述报警输出电路可包括分别与所述报警控制电路的输出端相连的报警显示电路和报警信号输出电路。
所述可调稳压电源中，可包括从输入端依次连接的变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路，所述稳压电路的输出还连接有电压调节电路。
所述电压调节电路可包括一个将电源电压降低到某一固定值的电路，构成门限检测电路。
所述LED光源电路可包括门限电路和LED矩阵电路，所述门限电路限制所述防护电路输出信号中的干扰信号后，输出到所述LED矩阵电路中，所述LED光源其成像宽度和高度比为1.5∶1～2.5∶1。
所述可调稳压电源电路中，电源输入可经过整流桥和MOS功率管斩波后输入到高频变压器的输入端，所述高频变压器的输出端通过所述滤波电容滤波后输出给所述信号点灯电路，所述高频变压器的另一自馈线圈输出端经二极管整流后输入到一个电流控制型脉宽调制芯片中，同时在一个与MOS开关功率管源极相连的取样电阻上建立的直流电压也被反馈到所述电流控制型脉宽调制芯片的同相输入端，产生脉冲宽度可调的驱动信号，用来控制所述MOS开关功率管的导通和关断。
本实用新型通过直流稳压电源将交流输入转化为直流的工作电源，再通过信号点灯电路电路、室外电缆和防护电路相连，通过防护电路滤除干扰后提供给LED光源发光工作，由于本实用新型采用直流供电，电缆绝缘造成的漏泄电流可忽略不计，室外又不用稳压电源或变压器，空载电流为零，故其安全控制距离比原系统大大提高，同时，采用了直流供电，线间电容就不能造成干扰，也就从根本上消除了干扰的最大来源。对于由于电缆不平衡而引起的外部交流电造成的干扰为次要干扰，可通过防护电路完全滤除。此外，由于所述的方案是直流供电，低通滤波器中的滤波电容器的容量可采用较大，将干扰可彻底消除。而且还可省去灯丝监督继电器内的整流器，不再需要灯丝防雷，又进一步降低了系统的故障率。
附图说明
图1为现有铁路信号机控制系统的电路示意图；
图2为现有铁路信号机控制系统中交流供电干扰原理图；
图3为图2中输出电缆线间电容的等效电路图；
图4为本实用新型的原理框图；
图5为本实用新型实施例1中可调稳压电源的电路原理图；
图6为本实用新型中防护电路的电路原理图；
图7为本实用新型中电流采样电路的原理图；
图8为本实用新型中灯位电源采样电路的原理图；
图9为本实用新型中报警输出、门限测试及过流保护输出电路原理图；
图10为本实用新型中485串口输出电路的原理图；
图11为本实用新型中键盘扫描LED显示控制框图；
图12为本实用新型实施例2中可调稳压电源的电路原理图；
图13为图12中U16内部简化方框图。
具体实施方式
如图1中所示，本实用新型的第一种实施例包括安装在控制室内的直流稳压电源电路、信号点灯电路、报警电路以及室外的防护电路、LED光源电路。所述直流稳压电源为两组，一组为固定直流电源电路提供所述报警电路所用，另一组为可调稳压电源，其输出通过信号点灯电路控制室外LED信号机点灯，通过可调的稳压电源可适应不同距离的信号机。所述室外的防护电路和LED光源电路构成LED信号机，所述LED光源电路又包括门限电路和LED矩阵电路。所述报警电路包括单片机、灯位电压采样电路、点灯电流采样电路、门限测试电路、灯位报警显示电路、报警输出电路，所述灯位电压采样电路和点灯电流采样电路分别采集可调稳压电源输出的电流信号和信号点灯电路输出的电压信号，发送给所述的单片机，通过单片机进行判断实现报警，所述单片机还连接有用于输出报警信号的485串行接口。
所述直流稳压电源电路如图5中所示，其中固定直流电源中，将AC220交流电源经变压器B2降压、整流桥D3整流后送入三端稳压器U3，U3输出为3.3V作为单片机的工作电源，同时所述变压器B2降压后的交流电源还同时经整流桥D2整流后送入三端稳压器U2，所述稳压器U2输出5V作为外围485接口电路电源。所述可调稳压电源将AC220交流电源通过另一变压器B1降压、整流桥D1整流后送入三端稳压器U1，所述稳压器U1输出直流电源供LED信号机点灯。稳压器U1的接地端(即2脚)和地线之间的两个分压电阻R1、R3和滑动电阻P1，另一电阻R2跨接在所述稳压器U1的输出端(3脚)和接地端(2脚)之间，通过调节所述滑动电阻P1即可调整输出电压高低，从而适应不同型号和距离的信号机的供电需求。一个继电器的触点的一端连接在两分压电阻R1、R3之间，另一端接地，构成门限检测电路，当需要检查室外信号机光源内门限电路时，单片机控制报警器内MX门限检查继电器励磁，该继电器接点将电源内电阻R3和P1短路，使输出降低到门限规定值，通过调整R1数值，即可调整门限检查规定值。所述稳压器U1输出端串联有过流继电器接点GL，当单片机检测到过流信号，使设在报警器内的过流继电器(图中未标示)励磁，该接点切断输出，也使信号点灯电路中灯丝监督继电器DJ失磁落下。R4为电流采样电阻，点灯电流在R4上的压降作为采样电压，输出给报警电路。本实施例中，由于采用现有的短路保护功能是通过采集可调稳压电源的电流信号，通过报警电路进行判断并实现保护。
所述防护电路的原理图如图6中所示，由防雷电路、快速电脉冲滤波及低通滤波器组成，其中分别并联在输入输出端的压敏电阻U和瞬变电压抑制器TVS实现雷电保护，电容C5、C6、C7、共模电感L能够滤除快速电脉冲的干扰，四头电容C8能够滤除低频干扰。所述四头电容C8具有故障导向安全特性，不管电容的哪个极断线，都将造成电路不通，使信号机灭灯，不至于因为干扰而错误点亮，导向安全，所述防护电路保证在交流电气化铁路区段的强干扰下也能正常工作。
所述点灯电流采样电路的原理图如图7中所示，从所述可调稳压电源输出的电流信号经过由运算放大器U4构成的放大电路后，再经过瞬变电压抑制器TVS2的钳位防护、电容C9、C10的滤波后输入到单片机中。
所述信号点灯电路和灯位电压采样电路如图8中所示，信号点灯电路为现有的点灯电路，在电缆的传输回路中串联有灯丝监督继电器DJ。灯位采样电路中三个光电耦合器U5、U6、U7输入端分别从信号点灯接点电路中取样，提取一，二，三灯位(红，黄，绿)信息，通过光电隔离耦合后输出给单片机，以区分灯位，根据提取的灯位信号在报警时进行相应的显示，提示用户故障发生在哪一灯位回路中。
报警输出、门限测试及过流保护输出电路如图9中所示，单片机判断电流超出合理范围点亮灯位报警灯的同时，输出一个报警信号，使光电耦合器U8导通，进而使报警继电器BJ励磁，继电器接点接通传统的报警电路报警。当进行门限测试时，单片机输出信号使U9导通，门限测试继电器MX励磁，其接点短路可调电源电路中的电阻R3，P1使点灯电压降低到门限测试电压。此时如果点灯电流降为零，即表示光源内门限电路良好。当LED信号机发生短路，电流超过规定数值，单片机输出信号使U10导通，过流继电器GL励磁，其接点切断点灯电源，使DJ灯丝监督继电器释放，达到故障导向安全。上述情况如果是发生在点亮的是一灯位(规定为禁止灯光)时，需待短路故障消失后自动或经过人工复原再恢复供电；如果上述情况是发生在非一灯位，则单片机控制U10导通一定时间，约0.5秒后恢复(该时间需保证DJ灯丝监督继电器失磁落下)，保证信号关闭后可以点亮禁止灯光。
所述485串口输出电路如图10中所示，通过三个光耦U11、U12、U13对单片机和RS485总线电路进行隔离，提高系统的抗干扰能力，瞬变电压抑制器管并联在RS485总线U14两端和对地处，对电路进行瞬态保护，RA、RB为偏置电阻，进行网络失效保护。单片机通过485串口输出将LED信号机点灯有关信息参数传输给上位机-微机监测设备。这些信息包括：正常浏览信息-信号机地址，灯位，电压，电流；报警信息-超上限报警，超下限报警和短路报警；参数查询信息-设置报警上限、报警下限的数值。
所述单片机还连接有键盘扫描、LED显示控制电路，如图11中所示，图中U1 5为LED数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片，单片机通过I2C总线与该芯片进行双向通信。SDA为串行数据线，SCA为串行时钟线，CONTROLL为键盘中断请求。键盘设有6个：“+”、“-”、“菜单”、“取消”、“确认”和“门限测试”。LED显示设有：4个数码管和若干功能指示灯。室外光源的LED发光管采用特殊的管芯，其形状为长方形，长与宽之比为2∶1，由于铁路信号机构标准中对灯光半功率角的要求是：水平方向为2°12”，垂直方向为1°10”。这样经过聚焦后其成像为长方形，正好与铁路标准向吻合。避免一般LED的圆形成像，从而提高了光源利用率。LED矩阵中每条支路用7个发光管串联，共8条支路并联组成矩阵，每条支路电流定为20mA，这样光源总计电流为160mA，可适合目前铁路使用的所有型号DJ灯丝监督继电器的需要。
本实用新型由于采用了直流供电，可以很方便的使功率很小的LED信号机的电流满足既有的灯丝监督继电器的需要，充分发挥LED信号机的节能作用。该功能是这样实现的：改变光源矩阵中每支路串联发光管的数量、改变并联支路的数量再配合每路电流作微量调整就很容易调整总电流值来满足灯丝监督继电器的需要。例如选用的灯丝监督继电器为JZXC-F16，其励磁值为140mA，可靠工作值选为大于160mA。某光源用55个DEL组成矩阵，设计每路电流为20mA。则可并联8路，其中7路每串7个LED发光管，1路串联6个LED发光管，共计160mA；电压可选32V，功率为5.12W。又如某光源用100个LED发光管，设计每路电流为15mA。系统灯丝继电器仍选用JZXC-F16型。则光源可以并联11路，其中9路每串10个LED发光管，1路串联10个LED发光管。总电流165mA大于160mA，电压可选43V，功率为7.1W。而其它系统的LED信号机必需将功率增加到17～35W才能满足需要。
通过直流稳压电源将交流输入转化为直流的工作电源，再通过信号点灯电路和防护电路，提供给LED光源发光工作，由于本实用新型采用直流供电，电缆绝缘造成的漏泄电流可忽略不计，室外又不用稳压电源或变压器，空载电流为零，故其安全控制距离比原系统大大提高，同时，采用了直流供电，线间电容就不能造成干扰，也就从根本上消除了干扰的最大来源。对于由电缆不平衡引起的外部交流电造成的干扰为次要干扰，可通过防护电路完全滤除。此外，由于所述的方案是直流供电，低通滤波器中的滤波电容器的容量可采用较大，将干扰可彻底消除。而且还可省去灯丝监督继电器内的整流器，不再需要灯丝防雷，又进一步降低了系统的故障率。所述的单片机通过灯位采样确定是点哪个灯位、通过电流采样，与设定的正常范围作比较，如果超出设定的范围，则通过开关量输出和485串口发出相关的报警。以上所有参数的设定和显示是通过所述的键盘扫描LED显示控制电路实现的。所述的门限测试是为了检测光源内门限电路是否正常，当需要测试时可按压测试按钮，单片机向直流可调稳压电源发出指令，使其输出电压降低到门限规定值，要求光源不能点亮，灯丝继电器释放，证明光源内的门限电路工作正常。
本实用新型的另一种实施例，与实施例1基本相似，区别在于所述可调稳压电源中包含有短路保护功能，具体电路如图12中所示，图中U16的型号是UC3842，为电流控制型脉宽调制芯片，其内部简化方框图如图13中所示，交流220V电源经过桥式整流滤波电路D1后，得到大约+200V的直流，这一直流电压被MOS功率管S斩波并通过高频变压器N降压，从N3端变成频率为几十kHz的矩形波电压，再经过输出整流滤波电容C20滤波，就得到了稳定的直流输出电压。其中高频变压器N的自馈线圈N2中感应的电压，经二极管D2整流后所得到的直流电压被反馈到U16内部的误差放大器并和基准电压比较得到误差电压Vr，同时在取样电阻R11上建立的直流电压也被反馈到U16电流测定比较器的同相输入端，这个检测电压和误差电压Vt相比较，产生脉冲宽度可调的驱动信号，用来控制开关功率管的导通和关断时间，以决定高频变压器的通断状态，从而达到输出稳压的目的。图12中，通过电阻R5用来限制C18产生的充电峰值电流。考虑到Vi及Vref上的噪声电压也会影响输出的脉冲宽度，因此，在U16的脚7和脚8上分别接有消噪电容C14和C12。电阻R7是MOS功率管S的栅极限流电阻。
短路保护原理：当电源过载或输出短路时，R11上电压增加，使UC3842的保护电路动作，输出脉冲的占空比减小，输出电压降低，UC3842的供电电压也跟着降低，当低到UC3842不能工作时，整个电路关闭，然后通过电阻R6开始下一次启动过程。这种保护被称为“打嗝”式保护。在这种保护状态下，电源只工作几个开关周期，然后进入很长时间(几百毫秒到几秒)的启动过程，因此，它的平均功率很低。一旦短路故障消失U16又恢复正常工作。调整电阻R11阻值，即可调整短路保护的设定值。
电压调整原理：调整可变电阻P2也就是调整误差放大器的输入电压，也就是改变了其与基准电压的误差，从而改变了驱动信号的脉冲宽度、改变了功率开关管的导通时间，进而改变了输出电压。
门限测试原理：当需要进行门限测试时，单片机输出信号使MX继电器励磁，该接点将R13、C11接到R12上端，使误差放大器输入端电压升高，驱动信号脉冲宽度变窄，从而使电压降低到设定值。调整R12数值，即可调整门限测试设定值。
以上对本实用新型所提供的LED铁路信号机控制系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (10)
1.一种LED铁路信号机控制系统，其特征在于，包括：
直流稳压电源电路：将输入的交流电源转化为直流工作电源；
信号点灯电路：接收到直流工作电源并输出点灯控制信号；
防护电路：通过电缆与信号点灯电路的输出端相连，滤除干扰信号和防止雷击；
LED光源电路：接收防护电路的输出，实现发光显示；
报警电路：在室内采集线路中的电流信号实现报警和防护。
2.根据权利要求1所述的LED铁路信号机控制系统，其特征在于：还包括报警电路，包括
点灯电流采样电路：对直流稳压电源电路输出的电流信号进行采样；
报警控制电路：接收点灯电流采样电路采集到的电流信号，在判断采样信号超过设定值时，输出报警信号；以及
接收报警信号并实现报警的报警输出电路。
3.根据权利要求1或2所述的LED铁路信号机控制系统，其特征在于：所述直流稳压电路包括固定直流电源和可调稳压电源，所述的固定直流电源为所述的报警电路提供工作电源，所述可调稳压电源的输出供所述信号点灯电路用。
4.根据权利要求1或2所述的LED铁路信号机控制系统，其特征在于：所述防护电路包括雷电防护电路、快速电脉冲滤波电路和具有故障导向安全性能的低频滤波电路。
5.根据权利要求1或2所述的LED铁路信号机控制系统，其特征在于：所述报警电路还包括灯位电压采样电路，所述灯位电压采样电路接收所述信号点灯电路输出的点灯控制信号，并将采样结果送入所述报警电路，以判断LED所亮的灯位。
6.根据权利要求2所述的LED铁路信号机控制系统，其特征在于：所述报警输出电路包括分别与所述报警控制电路的输出端相连的报警显示电路和报警信号输出电路。
7.根据权利要求3所述的LED铁路信号机控制系统，其特征在于：所述可调稳压电源电路中，包括从输入端依次连接的变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路，所述稳压电路的输出还连接有电压调节电路。
8.根据权利要求7所述的LED铁路信号机控制系统，其特征在于：所述可调稳压电源还包括串联在稳压电路接地端和地线之间的两个分压电阻和滑动电阻，一个门限检测继电器的触点的一端连接在两分压电阻之间，另一端接地，通过将电源电压降低到固定值，构成门限检测电路。
9.根据权利要求1或2所述的LED铁路信号机控制系统，其特征在于：所述LED光源电路包括门限电路和LED矩阵电路，所述门限电路限制所述防护电路输出信号中的干扰信号后，输出到所述LED矩阵电路中，所述LED光源其成像宽度和高度比为1.5∶1～2.5∶1。
10.根据权利要求3所述的LED铁路信号机控制系统，其特征在于：所述可调稳压电源电路中，电源输入经过整流桥和MOS功率管斩波后输入到高频变压器的输入端，所述高频变压器的输出端通过所述滤波电容滤波后输出给所述信号点灯电路，所述高频变压器的另一自馈线圈输出端经二极管整流后输入到一个电流控制型脉宽调制芯片中，同时在一个与MOS开关功率管源极相连的取样电阻上建立的直流电压也被反馈到所述电流控制型脉宽调制芯片的同相输入端，产生脉冲宽度可调的驱动信号，用来控制所述MOS开关功率管的导通和关断。
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