DE10320031A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen der Betriebssicherheit eines Prozessstellgeräts - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen der Betriebssicherheit eines Prozeßstellgeräts (1) mit einem Stellglied (2) und einem Stellantrieb (3) zum Verfahren des Stellglieds (2) sowie einem Stellungsregler (7) in einem Sicherheitskreis. eine Steuereinrichtung (4) steht mit dem Stellungsregler (7) zum Austauschen von Steuersignalen in Verbindung und ist an den Stellantrieb (3) so gekoppelt, daß der Stellantrieb (3) zum Verfahren des Stellglieds (2) mittels der Steuereinrichtung (4) betätigbar ist, um das Stellglied (2) in einem Störfall mit Hilfe eines Ansteuern des Stellantriebs (3) durch die Steuereinrichtung (4) aus einem Ausgangszustand in einen Endzustand zu verfahren. Eine Meßeinrichtung (13) ist zum Erfassen von Meßsignalen vorgesehen, die ein Verfahren des Stellglieds (2) aus dem Ausgangszustand anzeigen. Der Stellungsregler (7) umfaßt Mittel (9) zum Erzeugen eines Steuersignals für ein teilweises Verfahren des Stellglieds (2) im Rahmen eines Prüfzyklusses für das Prozeßstellgerät (1) und zum Übertragen des Steuersignals über eine Signalverbindung (11) von dem Stellungsregler (7) an die Steuereinrichtung (4).
Description
- Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Steuerungs- und Regelungstechnik für ein Prozeßstellgerät in einem Sicherheitskreis.
- In verfahrenstechnischen Anlagen existieren neben den Einrichtungen zum Regeln und zum Betreiben der Anlage häufig Baukomponenten, deren Aufgabe es ist, im Störfall die verfahrenstechnische Anlage in einen sicheren Betriebszustand zu bringen. Die hierfür eingesetzten Baukomponenten haben im Normalbetrieb der verfahrenstechnischen Anlage in der Regel keine Funktion, d. h. sie werden über einen langen Zeitraum nicht benutzt. Erst im Störfall dienen sie dazu, die verfahrenstechnische Anlage zu sichern, indem diese in einen sicheren Betriebszustand gebracht wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine vollständige Absperrung oder Öffnung kritischer Rohrleitungen handeln, was bedeutet, daß die Baukomponente zum Absperren/Öffnen der kritischen Rohrleitungen aus einem Ausgangszustand, in welchem die kritischen Rohrleitungen vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen sind, in einen Endzustand gebracht werden, in welchem die kritischen Rohrleitungen dann vollständig geschlossen oder vollständig geöffnet sind. Hierfür genutzte Baukomponenten werden auch als sicherheitsrelevante Baukomponenten bezeichnet. Bei der Baukomponente handelt es sich in der Regel um ein Prozeßstellgerät, welches ein Stellglied zum Eingriff in den Prozeß in der verfahrenstechnischen Anlage, einen Stellantrieb zum Verfahren des Stellglieds sowie eine Ansteuereinheit (Stellungsregler, Magnetventil-Kombination oder dergleichen) umfaßt. Bei dem Stellglied kann es sich beispielsweise um ein Prozeßventil handeln.
- Die häufig längeren Zeiträume, in denen das Prozeßstellgerät in dem Sicherheitskreis nicht betätigt wird, machen es notwendig, die Funktionstüchtigkeit des Prozeßstellgeräts testweise zu prüfen, so daß sichergestellt ist, daß das Prozeßstellgerät in dem Sicherheitskreis im Störfall die ihm zugedachte Schutzfunktion für die verfahrenstechnische Anlage erfüllen kann. Aus der Druckschrift
US 6,186,167 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Sicherheitsventil testweise verfahren wird, wobei das testweise Verfahren mit Hilfe von Steuersignalen ausgelöst wird, die mit Hilfe einer digitalen oder analogen Ventilsteuerung erzeugt werden. Hierbei werden die erzeugten Steuersignale auf einen Stellantrieb gegeben, um das Stellglied testweise zu betätigen. - Aus der Druckschrift WO 99/21066 ist eine Anordnung zum Prüfen der Funktionsfähigkeit einer Sicherheitseinrichtung in einer verfahrenstechnischen Anlage bekannt. Zum Steuern der Sicherheitseinrichtung sind zwei Magnetventile vorgesehen, wobei ein Magnetventil zum testweisen Ansteuern der Sicherheitseinrichtung dient. Das andere Magnetventil ist vorgesehen, um die Sicherheitseinrichtung im Störfall anzusteuern.
- In der Druckschrift
DE 44 19 548 ist ein Verfahren zur Überwachung der vorgesehenen Funktionsfähigkeit eines Stellgeräts beschrieben, wobei dem eigentlichen Stellsignal am Ausgang eines Stellungsreglers ein Testsignal überlagert wird, welches zur Prüfung der vorgesehenen Funktionsfähigkeit und der Identifikation der technischen Parameter (z. B. Reibung) des Stellgeräts dient. - Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Prüfen der Funktionsfähigkeit eines sicherheitsrelevanten Prozeßstellgeräts in einem Sicherheitskreis anzugeben, so daß die Ausfallwahrscheinlichkeit für das sicherheitsrelevante Prozeßstellgerät im Störfall vermindert wird.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 9 gelöst.
- Die Erfindung umfaßt den Gedanken, in einer Anordnung, bei der der Stellantieb eines Prozeßstellgeräts zum Verfahren des Stellglieds mit Hilfe einer Steuereinrichtung angesteuert werden kann und die Steuereinrichtung an einen Stellungsregler gekoppelt ist, mit Hilfe des Stellungsreglers ein Steuersignal zum teilweisen Verfahren des Stellglieds zu erzeugen und das erzeugt Steuersignal an die Steuereinrichtung über eine Signalverbindung zu übermitteln. In Abhängigkeit von dem Steuersignal steuert dann die Steuereinrichtung den Stellantrieb an, um das Stellglied teilweise aus seinem Ausgangszustand zu verfahren. Das teilweise Verfahren des Stellglieds wird mit Hilfe einer Meßeinrichtung, die Teil des Stellungsreglers sein kann, erfaßt. Auf diese Weise wird ein Prüfzyklus ausgeführt, bei dem sowohl die Steuereinrichtung als auch der Stellantrieb und das Stellglied, einschließlich einer Ansteuereinheit (z. B. Stellungsregler), auf Funktionstüchtigkeit geprüft werden, so daß bei erfolgreicher Absolvierung des Prüfzyklusses davon ausgegangen werden kann, daß die Reaktionskette von der Steuereinrichtung über den Stellantrieb zum Stellglied im Störfall in vorgesehener Art und Weise funktioniert und die verfahrenstechnische Anlage in einen sicheren Betriebszustand bringt.
- Der Vorteil, welcher mit der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik erreicht wird, besteht darin, das sämtliche Baukomponenten des Sicherheitskreises, die im Störfall zusammenwirken müssen, in den Prüfzyklus einbezogen sind. Das testweise Verfahren des Stellglieds zum Prüfen der Funktionstüchtigkeit erfolgt nicht unter Umgehung einzelner Baukomponenten, die im Störfall sicherheitsrelevant sind, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn ein Steuersignal zum Prüfen indirekt über die Steuereinrichtung, ohne diese auszulösen, auf den Stellantrieb eingeleitet wird, d. h. ohne Eingriff der Steuereinrichtung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine separate Steuereinrichtung, die lediglich zum Prüfen der Funktionsfähigkeit des Prozeßstellgeräts vorgesehen ist, eingespart werden kann.
- Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, daß beim Erfassen der Meßsignale mit Hilfe der Meßeinrichtung zeitaufgelöste Wegsignale erfaßt werden. Hierdurch kann auf einfache Weise im Prüfzyklus die geforderte Bewegung des Stellglieds überprüft werden.
- Zur weitergehenden Analyse des teilweisen Verfahrens des Stellglieds kann bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, daß aus den erfaßten zeitaufgelösten Wegsignalen Bewegungsparameter ermittelt werden. Hierbei können beispielsweise Geschwindigkeits- oder Beschleunigungswerte oder Werte für den Weg oder charakteristische Zeiten ermittelt werden. Des weiteren kann vorgesehen sein, daß mit Hilfe der ermittelten Bewegungsparameter ein Zeit-Weg-Diagramm erstellt wird.
- Die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens für verschiedene verfahrenstechnische Anlagen werden bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung dadurch erweitert, daß beim Erfassen der Meßsignale mit Hilfe der Meßeinrichtung eine Leckagemessung ausgeführt wird.
- Die in Verbindung mit Sicherheitskreisen bestehenden Anforderungen hinsichtlich der Gewährleistung von Sicherheitsstandards können bei einer Fortbildung der Erfindung dadurch erfüllt werden, daß ein Verlauf des Prüfzyklusses elektronisch protokolliert und in einer Speichereinrichtung elektronisch gespeichert wird. Hierdurch stehen elektronische Informationen über die durchgeführten Prüfzyklen für eine stichprobenartige Kontrolle zur Verfügung. Die Speichereinrichtung ist bevorzugt netzunabhängig ausgeführt, d. h. sie verfügt über eine vom normalen Stromnetz unabhängige Energieversorgung, beispielsweise auf Basis einer Batterie.
- Die Bedienungsfreundlichkeit beim Anwenden des Verfahrens wird bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch erhöht, daß der Prüfzyklus für das Prozeßstellgerät mit Hilfe einer Fernsteuerung ausgelöst wird, beispielsweise über ein BUS-System oder HART.
- Zweckmäßig kann eine Ausführungsform der Erfindung vorsehen, daß der Stellantrieb ein pneumatischer Stellantrieb ist, welcher zum teilweisen Verfahren des Stellglieds als Reaktion auf das Ansteuern durch die Steuereinrichtung teilweise entlüftet wird. Pneumatische Stellantriebe sind insbesondere für explosionsgefährdete Umgebungen in verfahrenstechnischen Anlagen geeignet.
- Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Stellantrieb ein hydraulischer Stellantrieb ist, welcher zum teilweisen Verfahren des Stellglieds als Reaktion auf das Ansteuern durch die Steuereinrichtung teilweise hydraulisch betätigt wird. Hydraulische Antriebe können hohe Kräfte erzeugen. Die hydraulische Pumpe kann einfach angetrieben werden, beispielsweise mittels eines Motors, der wiederum mit elektrischer Energie versorgt wird. Es ist eine einfache Wandlung elektrischer Energie in hohe Kräfte möglich.
- Die in den abhängigen Unteransprüchen zu der Vorrichtung zum Prüfen der Betriebssicherheit eines Prozeßstellgeräts in einem Sicherheitskreis genannten Merkmale weisen die in Verbindung mit zugehörigen abhängigen Verfahrensansprüchen genannten Vorteile entsprechend auf.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf
1 näher erläutert. -
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Prozeßstellgerät1 mit einem Stellglied2 und einem Stellantrieb3 zum Verfahren des Stellglieds2 . Bei dem Stellglied2 handelt es sich beispielsweise um ein Prozeßventil, welches als Teil eines Sicherheitskreises ausgebildet ist, um im Störfall eine Rohrleitung in einer verfahrenstechnischen Anlage zu schließen/öffnen. - Eine als Magnetventil ausgebildete Steuereinrichtung
4 ist über eine pneumatische Verbindung5 an den Stellantrieb3 gekoppelt. An der Steuereinrichtung4 liegt eine Signalleitung6 an, die weiterhin an einem Stellungsregler7 angelegt ist. Über die Signalleitung6 wird ein Steuersignal an den Stellungsregler7 und die Steuereinrichtung4 übertragen. Zeigt das über die Signalleitung6 übertragene Steuersignal einen Normalbetriebszustand der überwachten verfahrenstechnischen Anlage an, was beispielsweise mit Hilfe eines 24-Volt-Pegels geschieht, so steuert die Steuereinrichtung4 die pneumatische Hilfsenergie für den pneumatischen Steuerantrieb3 so, daß der Stellantrieb3 belüftet ist. Wenn das über die Signalleitung6 übertragene Steuersignal demgegenüber einen Störfall anzeigt, was in dem gewählten Beispiel dem Ausfall des 24-Volt-Pegels entspricht, wird der Stellantrieb3 mit Hilfe der Steuereinrichtung4 über den pneumatischen Ausgang5 so angesteuert, daß der Stellantrieb3 entlüftet wird. Die Entlüftung führt dazu, daß das Stellglied2 , das über ein Kopplungselement8 an den Stellantrieb3 gekoppelt ist, verfahren wird, was die Folge einer Bewegung des Kopplungselements8 ist, die durch eine Feder9 in dem Stellantrieb3 beim Entlüften des Stellantriebs3 ausgelöst wird. Letzteres führt im Störfall zum Verfahren des Stellglieds2 in einen Endzustand, um die verfahrenstechnische Anlage in einen sicheren Betriebszustand zu bringen, in dem beispielsweise eine kritische Rohrleitung mit Hilfe des Stellglieds2 abgesperrt ist. - Um die Funktionstüchtigkeit der Anordnung nach
1 zu prüfen, wird in dem Stellungsregler7 mit Hilfe von Erzeugungsmitteln10 , bei denen es sich zum Beispiel um einen geeigneten Logikbaustein handeln kann, ein Prüfsteuersignal erzeugt und über eine Signalverbindung11 an die Steuereinrichtung4 übertragen. Das Prüfsteuersignal wird erzeugt, um das Stellglied2 teilweise zu verfahren. In Abhängigkeit von dem empfangenen Prüfsteuersignal steuert die Steuereinrichtung4 über den pneumatischen Ausgang5 den Stellantrieb3 an, welcher auf diese Weise betätigt wird, um das Stellglied2 teilweise zu verfahren. Bei der in1 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Signalübertragung des Prüfsteuersignals, indem mit Hilfe einer Schaltereinrichtung12 das Anliegen des über die Signalleitung6 an die Steuereinrichtung4 übertragenen und den Normalbetriebszustand anzeigenden Steuersignals unterbrochen wird. Letzteres entspricht einer zumindest teilweisen Simulation eines Störfalls. - Das teilweise Verfahren des Stellglieds
2 wird mit Hilfe einer Meßeinrichtung13 erfaßt. Bei der Meßeinrichtung13 kann es sich um einen Bewegungssensor oder einen Schallsensor handeln. Je nach Art des verwendeten Sensors handelt es sich bei dem erfaßten Meßwerten um Bewegungs- oder Schallmeßwerte. Die Meßwerte können elektronisch ausgewertet werden, um weitere Informationen automatisch zu ermitteln, die das Verfahren des Stellglieds2 charakterisieren. Ausgehend von Bewegungssignalen können beispielsweise Informationen über die Zeit bis zum Beginn der Bewegung (Losbrechen), Beschleunigung und/oder Geschwindigkeit beim Verfahrens des Stellglieds2 ermittelt werden. Wird mit Hilfe der Meßeinrichtung13 ein teilweises Verfahren des Stellglieds2 als Reaktion auf die Übermittlung des Prüfsteuersignals von dem Stellungsregler7 an die Steuereinrichtung4 registriert, so wurde die Funktionsfähigkeit der Anordnung mit der Steuereinrichtung und dem Prozeßstellgerät1 geprüft. In einer Speichereinrichtung14 können Informationen über ein oder mehrere auf diese Art und Weise durchgeführt An und Weise durchgeführte Prüfzyklen sowie die hierbei erfaßten Meßwerte in elektronischer Form gespeichert werden. Zur Gewährleistung gewünschter Sicherheitsstandards kann vorgesehen sein, daß die Speichereinrichtung14 unabhängig von einer Energieversorgung des Stellungsreglers7 ausgeführt ist. - Gemäß
1 ist eine Unterdrückungseinrichtung15 vorgesehen, die von einer Bedienperson betätigt werden kann, um die gemäß einer statistischen Zufälligkeit oder periodisch ausgeführte Erzeugung des Prüfsteuersignals mit Hilfe der Erzeugungsmittel10 zu unterbinden. - Über eine Signalverbindung
16 zwischen dem Stellungsregler7 und der Steuereinrichtung4 kann der Stellantrieb3 mit Hilfe des Stellungsreglers7 zum Verfahren des Stellantriebs2 angesteuert werden, ohne das hierbei die im Ausführungsbeispiel als Magnetventil ausgeführte Steuereinrichtung4 betätigt wird. - Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.
Claims (17)
- Verfahren zum Prüfen der Betriebssicherheit eines Prozeßstellgeräts (
1 ) mit einem Stellglied (2 ) und einem Stellantrieb (3 ) zum Verfahren des Stellglieds (2 ) sowie einem Stellungsregler (7 ) in einem Sicherheitskreis, wobei der Stellantrieb (3 ) an eine Steuereinrichtung (4 ), die mit dem Stellungsregler (7 ) zum Austauschen von Steuersignalen in Verbindung steht, gekoppelt ist, so daß der Stellantrieb (3 ) zum Verfahren des Stellglieds (2 ) mittels der Steuereinrichtung (4 ) betätigbar ist und das Stellglied (2 ) in einem Störfall mit Hilfe eines Ansteuerns des Stellantriebs (3 ) durch die Steuereinrichtung (4 ) aus einem Ausgangszustand in einen Endzustand verfahren werden kann, wobei ein Prüfzyklus für das Prozeßstellgerät (1 ) die folgenden Schritte umfaßt: – Erzeugen eines Steuersignals zum teilweisen Verfahren des Stellglieds (2 ) mit Hilfe des Stellungsreglers (7 ); – Übertragen des Steuersignals von dem Stellungsregler (7 ) an die Steuereinrichtung (4 ) über eine Signalverbindung (11 ); – Ansteuern des Stellantriebs (3 ) in Abhängigkeit von dem Steuersignal mit Hilfe der Steuereinrichtung (4 ) zum Betätigen des Stellantriebs (3 ) für das teilweise Verfahren des Stellglieds (2 ) aus dem Ausgangszustand; – Erfassen von Meßsignalen, die das teilweise Verfahren des Stellglieds (2 ) aus dem Ausgangszustand anzeigen, mittels einer Meßeinrichtung (13 ); und – Rückkehren des Stellglieds (2 ) in den Ausgangszustand. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erfassen mit Hilfe der Meßeinrichtung (
13 ) der Meßsignale zeitaufgelöste Wegsignale erfaßt werden. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den erfaßten zeitaufgelösten Wegsignalen Bewegungsparameter ermittelt werden.
- Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet; daß beim Erfassen mit Hilfe der Meßeinrichtung (
13 ) der Meßsignale eine Leckagemessung ausgeführt wird. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verlauf des Prüfzyklusses elektronisch protokolliert und in einer Speichereinrichtung (
14 ) elektronisch gespeichert wird. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfzyklus für das Prozeßstellgerät (
1 ) mit Hilfe einer Fernsteuerung ausgelöst wird. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (
3 ) ein pneumatischer Stellantrieb ist, welcher zum teilweisen Verfahren des Stellglieds (2 ) als Reaktion auf das Ansteuern durch die Steuereinrichtung (4 ) teilweise entlüftet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (
3 ) ein hydraulischer Stellantrieb ist, welcher zum teilweisen Verfahren des Stellglieds (2 ) als Reaktion auf das Ansteuern durch die Steuereinrichtung (4 ) teilweise hydraulisch betätigt wird. - Vorrichtung zum Prüfen der Betriebssicherheit eines Prozeßstellgeräts (
1 ) mit einem Stellglied (2 ) und einem Stellantrieb (3 ) zum Verfahren des Stellglieds (2 ) sowie einem Stellungsregler (7 ) in einem Sicherheitskreis, einer Steuereinrichtung (4 ), die mit dem Stellungsregler (7 ) zum Austauschen von Steuersignalen in Verbindung steht und an den Stellantrieb (3 ) so gekoppelt ist, daß der Stellantrieb (3 ) zum Verfahren des Stellglieds (2 ) mittels der Steuereinrichtung (4 ) betätigbar ist, um das Stellglied (2 ) in einem Störfall mit Hilfe eines Ansteuerns des Stellantriebs (3 ) durch die Steuereinrichtung (4 ) aus einem Ausgangszustand in einen Endzustand zu verfahren, und einer Meßeinrichtung (13 ) zum Erfassen von Meßsignalen, die ein Verfahren des Stellglieds (2 ) aus dem Ausgangszustand anzeigen, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsregler (7 ) Mittel (9 ) zum Erzeugen eines Steuersignals für ein teilweises Verfahren des Stellglieds (2 ) im Rahmen eines Prüfzyklusses für das Prozeßstellgerät (1 ) und zum Übertragen des Steuersignals über eine Signalverbindung (11 ) von dem Stellungsregler (7 ) an die Steuereinrichtung (4 ) umfaßt. - Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (
4 ) und der Stellungsregler (7 ) redundant zum Betätigen des Stellantriebs (3 ) an den Stellantrieb (3 ) gekoppelt sind. - Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (
3 ) ein pneumatischer Stellantrieb ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb (
3 ) ein hydraulischer Stellantrieb ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (
13 ) einen Bewegungssensor zum Erfassen des teilweisen Verfahrens des Stellglieds (2 ) aufweist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (
13 ) einen Schallsensor zum Erfassen des teilweisen Verfahrens des Stellglieds (2 ) aufweist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch eine Unterdrückungseinrichtung (
15 ) zum Unterdrücken des Erzeugens des Steuersignals für das teilweise Verfahren des Stellglieds (2 ) im Rahmen des Prüfzyklusses. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung (
14 ) zum Speichern elektronischer Informationen über den Prüfzyklus. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung zum automatischen Auswerten der Meßsignale, die ein Verfahren des Stellglieds (
2 ) aus dem Ausgangszustand anzeigen.
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