DE3802947C2 - Schaltkreis für sicherungstechnische Aufgaben - Google Patents
Schaltkreis für sicherungstechnische AufgabenInfo
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
- H03K19/007—Fail-safe circuits
- H03K19/0075—Fail-safe circuits by using two redundant chains
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B9/00—Safety arrangements
- G05B9/02—Safety arrangements electric
Description
Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis für sicherungstechnische
Aufgaben nach dem Oberbegriff von Patentan
spruch 1.
Aus der DE-PS 15 37 379 ist ein Schaltkreis für sicherungstechnische
Aufgaben mit zwei Schaltwerken und
Funktionsüberwachung bekannt.
Die Möglichkeit, gemeinsame Grundelemente der Schaltwerke
als Träger des Informationsinhaltes vorzusehen, wird in
der DE-PS 15 37 379 jedoch nicht angedeutet.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltkreistechnik
für sicherungstechnische Aufgaben mit extrem
großer Sicherheit im signaltechnischen Sinne,
wobei alle Grundbausteine bei jeder Informationsänderung
ihren Zustand ändern, und somit eine
ständige Überprüfung aller Grundbausteine gegeben
ist. Außerdem kann im Fehlerfall das defekte Bauteil
sofort angezeigt werden, so daß der Fehler
sogleich erkannt, geortet und durch Tausch von
Baugruppen von einem Nichtfachmann schnellstens
beseitigt werden kann. Hierdurch werden die Schaltwerke
in kürzester Zeit wieder betriebsbereit.
Dies ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei Sicherheitseinrichtungen.
Falls es sinnvoll ist, werden
die Schaltwerke im Fehlerfall angehalten. Alle
Ausgänge nehmen dann den Zustand an, der zur
sicheren Seite führt. Bei der Ringkerntechnik
gehen Informationen hierbei nicht verloren,
da die jeweils eingeschriebene Polungsrichtung
auch im spannungslosen Zustand beibehalten wird.
Man muß sich darüber im klaren sein, daß es keine
absolute Sicherheit gibt. Das Sicherheitsverhalten
im signaltechnischen Sinne wird definiert
als die mittlere Zeitdauer von 2 Fehlern, die
gleichzeitig auftreten und zur unsicheren Seite
führen. Diese Zeit muß so lange wie nur möglich
durch geeignete Maßnahmen gemacht werden, um sich
der absoluten Sicherheit asymptotisch zu nähern.
Es sind sicherungstechnische Schaltkreistechniken
bekannt z. B. Relaistechnik, Verdopplung oder Vervielfachung
von nicht sicheren elektronischen Bausteinen
oder Rechnereinheiten, Drei-Phasen-MT-Schaltkreistechnik
und URTL-Schaltkreistechnik. Die Drei-Phasen-MT-Schaltkreistechnik
ist aus signaltechnisch sicheren elektronischen
Baueinheiten aufgebaut. Das sicherungstechnische
Verhalten eines URTL-Schaltwerks beruht auf
der Möglichkeit, fehlerhafte Signale rechtzeitig zu
erkennen und ihre Wirkung durch Sperren aller Ausgänge
zu verhindern. Dieser Stand der Technik ist aus nachstehenden
Unterlagen zu ersehen:
Elektronische Schaltkreistechnik nach dem Fail-Safe-Prinzip. Zeitschrift Signal und Draht 63 (1971) 9
Drei-Phasen-MT-Schaltkreissystem für die Eisenbahnsignaltechnik. Siemens-Zeitschrift 43. Jahrgang, August 1969, Heft 8, Seite 660 bis 665.
URTL, eine integrierte Schaltkreistechnik nach dem fail-safe-Prinzip. Siemens-Druckschrift D 500/119 November 1973.
URTL, ein Schaltkreissystem mit selbsttätiger Fehlermeldung. Zeitschrift Signal und Draht 64 (1972) 1/2.
Elektronische Schaltkreistechnik nach dem Fail-Safe-Prinzip. Zeitschrift Signal und Draht 63 (1971) 9
Drei-Phasen-MT-Schaltkreissystem für die Eisenbahnsignaltechnik. Siemens-Zeitschrift 43. Jahrgang, August 1969, Heft 8, Seite 660 bis 665.
URTL, eine integrierte Schaltkreistechnik nach dem fail-safe-Prinzip. Siemens-Druckschrift D 500/119 November 1973.
URTL, ein Schaltkreissystem mit selbsttätiger Fehlermeldung. Zeitschrift Signal und Draht 64 (1972) 1/2.
Alle bekannten Schaltkreistechniken, bis auf die URTL-Technik,
haben den Nachteil, daß Schaltungsteile, die
nicht ständig benutzt werden, nicht ununterbrochen
überwacht werden. Erst beim Benutzen dieser Schaltungsteile
wird ein zwischenzeitlich eingetretener Fehler
offenbar. Dies führt dann zu einer Betriebshemmung
und u. U. zu einem Gefahrenzustand. Bei Schaltkreisen
mit Vervielfachung von signaltechnisch nicht sicheren
Schaltkreisen steht und fällt die Sicherheit mit dem
Aufbau der Schaltkreise für das Vergleichen oder
für die Mehrheitsentscheidung. Außerdem können durch
extreme äußere Einflüsse auf die gesamte Anlage
(hohe Temperaturen; Überspannungen; Erschütterungen
und Resonanzerscheinungen) gleiche Bauteile in den
vervielfachten Schaltwerken gleichzeitig ausfallen,
so daß immer ein Unsicherheitsfaktor besteht.
Die URTL-Technik ist bauteilseitig nicht selbstsicher
aufgebaut. Bei letzterer Technik wird die mittlere
Zeitdauer zwischen zwei Doppelfehlern mit mindestens
10¹⁸ Jahren angegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltkreistechnik
mit vervielfachter Sicherheit aufzubauen,
wobei jeder Einzelfehler sofort angezeigt, eingegrenzt
und beseitigt werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1
angegeben.
Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
Diese Anordnung bedingt, daß bei einer Informationsänderung
sämtliche Grundelemente ihren Zustand ändern,
dies wird überwacht, im Fehlerfalle angezeigt und
kann zum Sperren beider Schaltwerke ausgenützt werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß z. B. bei Anwendung der 7-Phasen-MT-Schaltkreistechnik,
die nachstehend beschrieben
wird, die mittlere Zeitdauer zwischen zwei Doppelfehlern
auf mindestens
10¹⁶ mal 10¹⁸=10³⁴ Jahren
erhöht wird. Dieser Wert gilt für den einzelnen Ringkern unter der Voraussetzung, daß für URTL- und 3- Phasen-MT-Schaltkreistechnik der gleiche Wert von 10¹⁸ zugrunde gelegt wird, jedoch der 1. Wert wegen der kleineren Taktfrequenz von 1,2 kHz anstatt 120 kHz um den Faktor 1/100 vermindet werden muß. Da es sich um völlig verschiedene Arten von Sicherheitsbetrachtungen handelt, ist das Multiplikationsgesetz der Wahrscheinlichkeitsrechnung hierbei gültig. Die 7-Phasen-MT-Schaltkreistechnik ist eine Kombination der 3-Phasen-MT- mit der URTL-Schaltkreistechnik und vereinigt die großen Vorteile beider Techniken.
10¹⁶ mal 10¹⁸=10³⁴ Jahren
erhöht wird. Dieser Wert gilt für den einzelnen Ringkern unter der Voraussetzung, daß für URTL- und 3- Phasen-MT-Schaltkreistechnik der gleiche Wert von 10¹⁸ zugrunde gelegt wird, jedoch der 1. Wert wegen der kleineren Taktfrequenz von 1,2 kHz anstatt 120 kHz um den Faktor 1/100 vermindet werden muß. Da es sich um völlig verschiedene Arten von Sicherheitsbetrachtungen handelt, ist das Multiplikationsgesetz der Wahrscheinlichkeitsrechnung hierbei gültig. Die 7-Phasen-MT-Schaltkreistechnik ist eine Kombination der 3-Phasen-MT- mit der URTL-Schaltkreistechnik und vereinigt die großen Vorteile beider Techniken.
So gehen bei Energieausfall keine Informationen verloren.
Es stehen inverse Ausgangsinformationen zur
Verfügung, die eine sichere Schnittstelle für die
Ausgänge ermöglicht. Für diese extrem hohe Sicherheit
ist der doppelte Aufwand wie bei der 3. Ph.-MT-Technik
erforderlich. Bei Anlagen, deren Ausfall unübersehbaren
Schaden verursachen z. B. Atomkraftwerk in Tschernobyl,
Weltraumtechnik und Höchstgeschwindigkeitsbahnen
sollte nicht am Sicherheitssystem gespart werden.
Sorgt man durch konstruktive Maßnahmen dafür, daß
nicht signaltechnisch sichere Rechnersysteme, die
vervielfacht sind infolge äußerer Einflüsse gleichzeitig
nicht den gleichen Fehler bekommen können, so kann
die Schaltkreistechnik laut Erfindung als Vergleicher
bzw. Mehrheitsentscheider vorteilhaft eingesetzt
werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1
bis Fig. 10 dargestellt und wird im folgenden näher
beschrieben.
Fig. 1 gibt ein Schema dieser Schaltkreis-Technik
laut Erfindung an. Schaltwerk 1 a hat die Eingänge
2 a (A, B usw.) und die Ausgänge 3 a (C, E usw.) und das
Schaltwerk 1 b hat die inversen Eingänge 2 b ( =α, =β
usw.) und die inversen Ausgänge 3 b ( =γ, =ε usw.)
Die senkrechten Linien sollen die gemeinsamen Grundschaltelemente
4 darstellen, die entweder im Schaltwerk
1 a oder im Schaltwerk 1 b bei jedem Schaltzyklus
ihren Zustand ändern. Durch den inversen Aufbau der
Schaltwerke muß jedes Grundschaltelement seinen Zustand
während eines Schaltzyklus ändern. Diese Bedingung
wird vom "and"-Gatter 5 überprüft, und im Fehlerfall
wird das Schaltelement angezeigt (Tableau 6),
das nicht funktioniert hat. Somit wird ein Fehler
sofort erkannt und - was sehr wichtig ist - eingegrenzt.
Falls erforderlich, kann das UND-Gatter auf die Taktversorgung
7 einwirken, wobei durch Sperren der Steuerimpulse
8 diese beide Schaltwerke stoppt.
Hierbei müssen dann alle Ausgänge zur sicheren Seite
wirken.
Der Erfindungsgedanke ist im Prinzip davon unabhängig,
ob es sich um ein elektro-magnetisches oder ein anderes
physikalisches System handelt, wenn auf dem gleichen
Grundelement sowohl die normale als auch die inverse
Funktion durchgeführt werden kann und dieser Vorgang
überwachbar ist. (siehe Patentanspruch Nr. 8)
Die Bezeichnungen in der Fig. 1 gelten vorwiegend für
ein elektro-magnetisches Schaltwerk und sind für die
anderen Systeme sinngemäß anzuwenden.
Die nachstehenden Ausführungsschaltungen Fig. 2 bis
Fig. 10 einer 7-Phasen-Magnetkern-Transistor-Schaltkreistechnik
(kurz 7-Phasen-M-T-Technik) sollen zeigen, daß
diese neue Idee auch "machbar" ist. Dies könnte man
sonst beim ersten Eindruck bezweifeln.
Die Wahl von 7 Phasen gilt als Beispiel. Werden nur
and- und or-Gatter benötigt, so reichen 5 Phasen. Für
andere Anwendungen kann die Wahl von mehr als 5 oder
7 Phasen Vorteile bieten.
Die Gatterschaltungen für die 7-Phasen-M-T-Technik
Die Gatterschaltungen für die 7-Phasen-M-T-Technik
Fig. 2 bis Fig. 8 sind nach einem einheitlichen Schema
dargestellt, das nachstehend erläutert wird. Die
Ziffern haben die gleiche Bedeutung wie zu Fig. 1
beschrieben. Die Ringkerne 4 sind durch senkrechte
Striche angedeutet. Die Querstriche hierauf geben
die Taktphasen an. Takt 1-3 ist dem Schaltwerk 1 a u.
Takt 4-6 dem Schaltwerk 1 b zugeordnet. Ein Dreieck
nach oben bedeutet "Einlesen" des Kernes. Ein Dreieck
nach unten "Löschen bzw. Auslesen" des Kernes. Die
3 "Beine" am Ausgang gelten symbolisch für die 3 Anschlüsse
des Ausgangstransistors (Tastung, Rückkopplung
und Masse). Der genaue Aufbau hierzu ist den
Bildern 2 u. 3 der Siemenszeitschrift 43. Jahrgang,
August 1969, Heft 8 zu entnehmen. Nur wenn die Tastung
für die jeweilige Taktphase angeschaltet ist, kann
ein Ein- oder Auslesen erfolgen. Der zusätzliche
Prüftransistor 9 wird über alle Takte getastet
und darf bei jedem Taktzyklus nur einen Ausgangsimpuls
abgeben. Kein Impuls oder mehrere Impulse wird
als Fehler ausgewertet. Alternativ kann man die Prüftransistoren
auf die jeweiligen Ausgangstransistoren
im 2. und 5. bzw. im 3. und 6. Takt tasten.
Unter den Ringkernen sind die Symbole der jeweiligen
Gatter dargestellt. Darunter die zugehörigen Wahrheitstabellen.
Fig. 2 stellt die Kombination eines "and"- mit einem
"or"-Gatter auf einem Kern 4 dar. Nach der Formel
A · B =C für das "and"-Gatter ist die Invertierung
das "or"-Gatter α +β =γ. Ist A =1 und B =1, so
kommt im Takt 2 der Ausgangsimpuls C. Bei den anderen
Kombinationen A =0, B =0; A =0, B =1; B =1, A =0 wird der Kern
im 4. Takt durch α +β; α oder β eingelesen, so daß im Takt
5 der Kern mit einem festen Takt ausgelesen wird.
Wie aus den Wahrheitstabellen auch hervorgeht, wird
nach Ablauf der 6 Takte bei allen möglichen Eingangskombinationen
entweder im Schaltwerk 1 a oder 1 b ein
Ausgangsimpuls C bzw. q abgegeben. Dies wird vom Prüftransistor
9 mit einem Impuls, der vom "and"-Gatter 5
ausgewertet wird, überwacht.
Fig. 3 zeigt die Kombination eines "or"- mit einem
"and"-Gatter auf einem Kern. Gegenüber Fig. 2 sind hier
die beiden Gatter auf dem Kern in der Reihenfolge
vertauscht.
Fig. 4 gibt die Kombination eines "nand"- mit einem
"nor"-Gatter an. Die Formel A · B = ergibt invertiert
bzw. α +β =, d. h. ein "nor"-Gatter. Der Strom
1/2 für die Eingänge A und B wird bei der praktischen
Ausführung durch die halbe Windungszahl auf dem Kern
erreicht.
Fig. 5 zeigt die Kombination eines "nor"- mit einem
"nand"-Gatter, d. h. die andere Reihenfolge von Fig. 4.
Fig. 6 gibt die Kombination eines Sperrgatters mit
einem Sperr-Invertgatter an. Die Eingänge α und β
haben verschiedene Windungszahlen, d. h. α hat doppelt
soviele wie β. Hier gilt die Formel bzw. α + =γ annimmt.
Fig. 7 stellt die umgekehrte Reihenfolge von Fig. 6 dar,
d. h. ein Sperr-Invertgatter mit einem Sperrgatter auf
einem Kern.
Fig. 8 zeigt zwei Negatoren auf einem gemeinsamen Kern,
jedoch mit invertierter Anschaltung.
Fig. 9 gibt ein Schaltungsbeispiel einer einfachen
Schaltung mit 2 Eingängen und 2 Ausgängen je Schaltwerk
1 a und 1 b an. Hierbei wird gezeigt, wie die Gatter
von den Fig. 2 bis 8 zusammen wirken.
Für Ausgang C soll gelten:
Für Ausgang E soll gelten:
Beim Sicherheitsnachweis ist es offensichtlich, daß
alle Leitungen und Transistoren, die nach einem Ringkern
führen, bei der ständigen Prüfung dieser Ringkerne
im Fehlerfall erfaßt werden. Eine Ausnahme bilden die
Ausgangstransistoren C, E, γ und ε im Schaltungsbeispiel.
Diese können defekt sein, obgleich die Prüfung der
Ringkerne 4.3 und 4.6 in Ordnung ist. Hier ist eine
Gegentaktschaltung vorzusehen, die bei einem Fehler
in den Ausgangstransistoren stehen bleibt. Bei einer
derartigen Schaltung kann der Übertrager als Ringkern
mit einem Prüftransistor 9′′′ aufgebaut werden, so daß
dieser Schaltungsteil ebenfalls im "and"-Gatter 5
überwacht wird. (Schaltungsteil ist nicht dargestellt)
Fig. 10 zeigt eine Tabelle der 6 Ringkerne 4.1 bis
4.6 des Schaltungsbeispiels nach Fig. 9. Es soll bewiesen
werden, daß bei allen möglichen Taktfolgen
immer alle 6 Ringkerne einen Prüfimpuls abgeben.
In der 4-fach unterteilten Spalte ist der jeweils
neue Schaltzustand angegeben, z. B. in der 1. Zeile:
A =0, B =0, α =1 und β =1.
Die Symbole zum Ringkern 4.1 in der 1. Zeile bedeuten:
In der Taktphase 8.4 liest der Eingang β den Kern ein, und in der Taktphase 8.6 wird der Kern durch einen festen Takt ausgelesen.
Bzw. Ringkern 4.3 in der 1. Zeile:
In der Taktphase 8.5 liest Kern 4.2 den Ringkern 4.3 ein, in der Taktphase 8.6 liest der Impuls von Kern 4.1 diesen Kern mit dem Ausgangsimpuls γ aus.
In der Taktphase 8.4 liest der Eingang β den Kern ein, und in der Taktphase 8.6 wird der Kern durch einen festen Takt ausgelesen.
Bzw. Ringkern 4.3 in der 1. Zeile:
In der Taktphase 8.5 liest Kern 4.2 den Ringkern 4.3 ein, in der Taktphase 8.6 liest der Impuls von Kern 4.1 diesen Kern mit dem Ausgangsimpuls γ aus.
Wie man sieht, erfolgt in jedem der 24 Felder
ein Ein- und Auslesen des jeweiligen Kernes.
Man kann diese Schaltkreistechnik laut Erfindung als
doppeldynamisch bezeichnen, einmal durch den Takt und
durch die ständige Dynamik aller Ringkerne.
Claims (9)
1. Schaltkreis für sicherungstechnische Aufgaben mit zwei
Schaltwerken (1 a, 1 b) und Funktionsüberwachung, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaltwerke (1 a, 1 b) invers
zueinander arbeiten und gemeinsame Grundelemente (4), die
Träger des Informationsinhaltes sind, aufweisen, so daß
bei jeder Änderung einer Eingangsvariablen oder einer
internen Zustandsvariablen sämtliche Grundelemente (4)
ihren Zustand ändern, und daß zur Funktionsüberwachung
die Änderung der Zustände aller Grundelemente (4) bei
jedem Schaltzyklus überwacht wird.
2. Schaltkreis nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß im Fehlerfalle der jeweils
fehlerhafte Grundbaustein angezeigt wird.
3. Schaltkreis nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß im Fehlerfall beide Schaltwerke
stehen bleiben.
4. Schaltkreis nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein elektromagnetisches
System mit Ringkernen und Transistoren
handelt, wobei inverse Zustandsvariable durch Einschreiben
bzw. Nichteinschreiben einer bestimmten Magnetfeldrichtung
im Ringkern gegeben ist.
5. Schaltkreis nach Anspruch 1 und 4,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall der Energieversorgung
für die Schaltwerke keine Informationen
verloren gehen.
6. Schaltkreis nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß physikalische
Eigenschaften wie elektrische, magnetische, optische,
hydraulische, mechanische oder Kombinationen hiervon
ausgenutzt werden, wobei inverse Zustandsvariable durch
jeweils entgegengesetzte Eigenschaften wie Strom -
kein Strom; Spannung - keine Spannung; Energie - keine
Energie; hell - dunkel; Farbe - Komplimentärfarbe;
Druck - kein Druck; Energie der Lage - Energie der
Bewegung und verriegelt - unverriegelt gegeben
sind.
7. Schaltkreis nach Anspruch 1, 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet, daß einem Ringkern für das eine
Schaltwerk (1 a) eine Gatterart und für das andere Schaltwerk (1 b)
die hierzu invertierte Gatterart zugeordnet ist,
wobei
"and-", "or-", Sperr-, Exklusiv- Oder-Gatter
und Negatoren mit der jeweils invertierten Gatterart
möglich sind.
8. Schaltkreis nach Anspruch 1, 4, 5 und 7
dadurch gekennzeichnet, daß die Gatter zu beliebigen
logischen Verknüpfungen wie Kippstufen, Code-Umsetzer,
Frequenzteiler, Zähler, Schieberegister, Speicher und
Recheneinheiten zusammen geschaltet werden.
9. Schaltkreis nach Anspruch 1, 4, 5, 7 und 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge mittels einer
bekannten Gegentaktstufe, deren Übertrager als Ringkern
mit einem Prüftransistor ausgeführt ist, sicher
an die Folgeschaltung weitergegeben werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883802947 DE3802947C2 (de) | 1988-02-02 | 1988-02-02 | Schaltkreis für sicherungstechnische Aufgaben |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883802947 DE3802947C2 (de) | 1988-02-02 | 1988-02-02 | Schaltkreis für sicherungstechnische Aufgaben |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3802947A1 DE3802947A1 (de) | 1988-06-09 |
DE3802947C2 true DE3802947C2 (de) | 1988-12-29 |
Family
ID=6346402
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19883802947 Expired DE3802947C2 (de) | 1988-02-02 | 1988-02-02 | Schaltkreis für sicherungstechnische Aufgaben |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3802947C2 (de) |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1537379C3 (de) * | 1967-09-22 | 1980-07-03 | Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen | Sicherheitsschaltung zum Durchführen logischer Verknüpfungen für binäre Schaltvariable und deren antivalente Schaltvariable |
-
1988
- 1988-02-02 DE DE19883802947 patent/DE3802947C2/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3802947A1 (de) | 1988-06-09 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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