牽引供電系統(tǒng)的遙信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).doc

存檔資料 成績： 華東交通大學(xué)理工學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 書所屬課程名稱 遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目 牽引供電系統(tǒng)的遙信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 分 院 電 信 分 院 專業(yè)班級(jí) 09 級(jí) 電力1 班 學(xué)號(hào) 20090210470139 學(xué)生姓名 袁幸平 指導(dǎo)教師 趙 巍 2013 年 1 月 3 日 2011-2012年第二學(xué)期 華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告華東交通大學(xué)理工學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）任 務(wù) 書專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 電力1班 姓名 袁幸平 一、課程設(shè)計(jì)（論文）題目 牽引供電系統(tǒng)的遙信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 二、課程設(shè)計(jì)（論文）工作：自 2012 年12 月 24 日起至 2013 年 1 月 3 日止。三、課程設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容要求： 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的核心是SCADA系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)中，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟。針對(duì)開閉所主接線電路圖，進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出牽引供電系統(tǒng)的遙信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。要求：(1) 計(jì)算機(jī)繪制開閉所通用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；(2) 設(shè)計(jì)一個(gè)具體的MCS51單片機(jī)數(shù)據(jù)采集最小系統(tǒng)，開關(guān)量輸入數(shù)據(jù)，路數(shù)為16路，開關(guān)量輸入數(shù)據(jù)類型為各斷路器、隔離開關(guān)的狀態(tài)信息；(3) 選用問答式傳輸規(guī)約，以16路開關(guān)量為例，編寫上傳調(diào)度中心的遙信數(shù)據(jù)報(bào)文的幀結(jié)構(gòu)；(4) 計(jì)算機(jī)繪制相應(yīng)的遙信數(shù)據(jù)采集程序流程圖 學(xué)生簽名： 2013 年 1月 3 日課程設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱意見序號(hào)項(xiàng) 目等級(jí)優(yōu)秀良好中等及格不及格1課程設(shè)計(jì)態(tài)度評(píng)價(jià)2出勤情況評(píng)價(jià)3任務(wù)難度評(píng)價(jià)4工作量飽滿評(píng)價(jià)5設(shè)計(jì)中創(chuàng)新性評(píng)價(jià)6論文書寫規(guī)范化評(píng)價(jià)7綜合應(yīng)用能力評(píng)價(jià)綜合評(píng)定等級(jí)評(píng)閱人 趙 巍 職稱 講 師 2013年1 月 3 日 目錄第1章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求.5第2章 程序設(shè)計(jì)目的.6第3章 程序?qū)崿F(xiàn)思路.12第4章 程序清單（或正文）.17第5章 課程設(shè)計(jì)心得.18第6章 參考文.19第1章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的核心是SCADA系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)中，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟。針對(duì)開閉所主接線電路圖，進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出牽引供電系統(tǒng)的遙信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。要求：(1) 計(jì)算機(jī)繪制開閉所通用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；(2) 設(shè)計(jì)一個(gè)具體的MCS51單片機(jī)數(shù)據(jù)采集最小系統(tǒng)，開關(guān)量輸入數(shù)據(jù)，路數(shù)為16路，開關(guān)量輸入數(shù)據(jù)類型為各斷路器、隔離開關(guān)的狀態(tài)信息； (3) 選用問答式傳輸規(guī)約，以16路開關(guān)量為例，編寫上傳調(diào)度中心的遙信數(shù)據(jù)報(bào)文的幀結(jié)構(gòu)；(4) 計(jì)算機(jī)繪制相應(yīng)的遙信數(shù)據(jù)采集程序流程圖。第2章 程序設(shè)計(jì)目的在一個(gè)現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)中，為了能正確和及時(shí)地掌握每時(shí)每刻都在變化著的電力系統(tǒng)運(yùn)行情況，控制和協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，處理影響整個(gè)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的事故和異常情況，保證電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須具備一個(gè)完善的電力系統(tǒng)信息收集和執(zhí)行系統(tǒng)，將分散在幾十公里、幾百公里以至上千公里以外的各發(fā)電廠和變電所的大量表征電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息，迅速、正確、可靠地送到調(diào)度控制中心，同時(shí)將控制中心的控制和調(diào)節(jié)命令傳送到各發(fā)電廠和變電所，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)視和控制。第3章 程序?qū)崿F(xiàn)思路3.1 各開關(guān)原件及數(shù)據(jù)采集點(diǎn)編號(hào)3.1.1 各開關(guān)元件編號(hào)如圖3.1 所示，對(duì)紐結(jié)型開閉所主接線電路中的開關(guān)元件進(jìn)行編號(hào)，其中QS1QS10為隔離開關(guān)編號(hào)，QF1QF6為斷路器編號(hào)。圖3.1 各開關(guān)元件編號(hào)圖3.1.2 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)定義 根據(jù)圖3.1中各開關(guān)元件的編號(hào)，對(duì)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的開關(guān)元件進(jìn)行十六制定義，數(shù)據(jù)定義如表3.1所示。表3.1 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)定義編號(hào)00H01H02H03H04H05H06H07H開關(guān)QS1QS2QS3QS4QS5QS6QS7QS8編號(hào)08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH開關(guān)QS9QS10QF1QF2QF3QF4QF5QF63.2 被控站通用系統(tǒng)開閉所自動(dòng)化終端裝置由系統(tǒng)電源、功能插件、接口插件或接口端子板、蓄電池等組成。此外，還可以根據(jù)用戶實(shí)際需要配置各種通信單元等擴(kuò)展設(shè)備，開閉所自動(dòng)化終端概要圖見圖3.2，功能插件包括主控插件、交流采樣插件、遙信采集插件、遙控插件。接口插件包括交流采樣接口插件、端子板、遙控輸出接口插件、遙信采集接口插件。開閉所自動(dòng)化終端裝置各功能插件中，主控插件、系統(tǒng)電源模塊屬于基本插件，其余功能插件遙信采集插件、遙控輸出插件、交流采樣插件和通信插件為選配插件，可以根據(jù)用戶需要靈活配置，接口插件應(yīng)根據(jù)功能插件的配置進(jìn)行相應(yīng)選擇。圖3.2 開閉所自動(dòng)化終端結(jié)構(gòu)圖3.2.1 數(shù)據(jù)采集通道如圖3.3所示，數(shù)據(jù)采集通道設(shè)計(jì)成十六路模擬量的輸入，遙信信息通常由電力設(shè)備的輔助接點(diǎn)提供，輔助接點(diǎn)的開合直接反應(yīng)出該設(shè)備的工作狀態(tài)。提供給遠(yuǎn)動(dòng)裝置的輔助接點(diǎn)大多為無源接點(diǎn)，即空接點(diǎn)，這種節(jié)點(diǎn)無論是在“開”狀態(tài)還是“合”狀態(tài)下，接點(diǎn)兩端均無電位差。斷路器和隔離開關(guān)提供的就是這一類輔助接點(diǎn)。另一種輔助接點(diǎn)則是有源節(jié)點(diǎn)，有源節(jié)點(diǎn)在“開”狀態(tài)時(shí)兩端有一個(gè)直流電壓，是由系統(tǒng)蓄電池提供的110V或220V直流電壓。一些保護(hù)提供此類接點(diǎn)。各開關(guān)量對(duì)應(yīng)的引腳如表3.2所示。圖3.3 數(shù)據(jù)采集通道圖表3.2 各開關(guān)量對(duì)應(yīng)的引腳引腳P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7開關(guān)QS1QS2QS3QS4QS5QS6QS7QS8引腳P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7開關(guān)QS9QS10QF1QF2QF3QF4QF5QF63.2.2 控制輸出通道 控制輸出通道通常以繼電器觸點(diǎn)的方式提供，繼電器一方面可以起到信號(hào)隔離作用，另一方面直接介入控制回路，控制回路中信號(hào)的通斷。若提供的繼電器觸點(diǎn)容量不夠時(shí)，還可以再介入一級(jí)中介繼電器。如圖3.4所示，控制輸出為一對(duì)動(dòng)合觸點(diǎn)，遙控對(duì)象為“0”時(shí)，觸點(diǎn)斷開；遙控對(duì)象為“1”時(shí)，繼電器動(dòng)作，觸點(diǎn)閉合。一般繼電器可以提供一對(duì)動(dòng)合觸點(diǎn)和一對(duì)動(dòng)斷觸點(diǎn)，實(shí)際系統(tǒng)中要接動(dòng)合觸點(diǎn)還是接動(dòng)斷觸點(diǎn)，應(yīng)視要求 而定。圖3.4 控制輸出通道圖3.3 MCS51單片機(jī)最小系統(tǒng)3.3.1 原理框圖采用多通道共享采樣/保持器與A/D轉(zhuǎn)換器。這種A/D轉(zhuǎn)換輸入方式適合于對(duì)同一信號(hào)不同量程的A/D轉(zhuǎn)換，它也比較經(jīng)濟(jì)，占用CPU輸入口少，因而可以更有效地利用CPU的輸入口。尤其對(duì)于那些接口有限的微型機(jī)，這種方式更有效。CPU對(duì)各路通道的訪問采用軟件控制，由多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換.。原理框圖如圖3.5所示。圖3.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理框圖3.3.2 系統(tǒng)電路圖該系統(tǒng)以MCS51單片機(jī)為核心，可以對(duì)16路模擬量、16路數(shù)字開關(guān)量和兩路脈沖量進(jìn)行采集，模擬量采集精度達(dá)到12位，在實(shí)際應(yīng)用中，可以對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行直接采集，如果要對(duì)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電流量進(jìn)行采集時(shí)，還需加入采樣電阻，把電流轉(zhuǎn)換成電壓后進(jìn)行采集。對(duì)采集的脈沖量的頻率取決于單片機(jī)的時(shí)鐘頻率，一般不能高于單片機(jī)的運(yùn)行時(shí)鐘，如單片機(jī)用12MHz的晶振，則采集的脈沖頻率只能低于12MHz。本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中已調(diào)試通過，采集的數(shù)據(jù)精度高，速度快。鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)由遠(yuǎn)動(dòng)控制主站、遠(yuǎn)動(dòng)終端和通信通道三部分組成，是近年來在國內(nèi)全面推廣的鐵路電力新技術(shù)，其技術(shù)含量高，是涉及鐵路電力工程設(shè)計(jì)、各級(jí)電力調(diào)度管理模式、遠(yuǎn)動(dòng)終端的數(shù)據(jù)采集和處理、各級(jí)遠(yuǎn)動(dòng)控制主站與遠(yuǎn)動(dòng)終端之間數(shù)據(jù)通信及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等多專業(yè)的系統(tǒng)工程。單片機(jī)8051芯片提供16位地址線，其尋址空間為64K字節(jié)。由于8051除提供讀寫控制信號(hào)外，還提供了程序指令讀取控制信號(hào)。因此8051的程序空間和數(shù)據(jù)空間是分開的，最大尋址空間為64K字節(jié)。實(shí)際上，數(shù)據(jù)空間除可以分配給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，還可以分配給其他外圍芯片。如圖3.6所示為設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理框圖。系統(tǒng)選擇一個(gè)串行的A/D轉(zhuǎn)換芯片，用模擬開關(guān)作擴(kuò)展，兩個(gè)模擬開關(guān)即可擴(kuò)展成16路的模擬量輸入。開關(guān)量的采集可以直接用單片機(jī)的I/O，用兩個(gè)并口即可完成16路的開關(guān)量采集。AT89C51單片機(jī)還有兩個(gè)外部中斷接口，即可用來測(cè)量脈沖量的輸入，采集其輸入頻率。單片機(jī)可以通過串口與上位PC機(jī)進(jìn)行通訊，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)上。 圖3.6 十六位最小系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理第4章程序清單或正文4.1 規(guī)約及主站、子站地址4.1.1 傳輸規(guī)約報(bào)文：Polling方式中無論是主站向子站發(fā)送的命令。還是子站向主站回送的數(shù)據(jù)，都稱報(bào)文。每個(gè)報(bào)文含有一個(gè)完整的意義，但是不同的報(bào)文長度不一定相同。類別與類型：類型是指數(shù)據(jù)不同的分類。數(shù)據(jù)的類型分別為模擬量、狀態(tài)量、狀態(tài)變化量、時(shí)標(biāo)量等。類別指數(shù)據(jù)或信息一舉不同的掃描周期劃分為12345670類。對(duì)各種數(shù)據(jù)要分別指定屬于某一類別，任一類別掃描周期可由外面輸入定義。模塊：一臺(tái)RTU由若干模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊有特定的地址說明，模塊地址通常占一個(gè)人字節(jié)，但只用其中的低五位表示。這里的模塊是邏輯概念而不是物理概念。一個(gè)物理概念的模塊可以占一個(gè)模塊地址，也可以占兩個(gè)模塊地址；與此同時(shí)，一個(gè)地址的模塊也可以由好幾塊印制板構(gòu)成。RTU與前置機(jī)之間采用異步通信方式，字符格式是：一位起始位，一位停止位，無奇偶校驗(yàn)位，每個(gè)字符八位數(shù)據(jù)位。4.1.2 主站和子站地址(1) 報(bào)文的格式本規(guī)約中的報(bào)文可分為三種報(bào)文格式：主站向子站詢問的報(bào)文格式，子站向主站回答確認(rèn)或否定確認(rèn)的報(bào)文格式，主站向子站或子站向主站傳送數(shù)據(jù)的報(bào)文格式。主站向子站詢問的報(bào)文格式見圖4.1(a)，我們稱它為報(bào)文格式1。報(bào)文的第一個(gè)字節(jié)為子站地址i，可以取00HFFH。當(dāng)RTU地址取FFH時(shí)，該報(bào)文為廣播命令，他是面向全部子站設(shè)備的操作命令，所有子站都要接受收，第二個(gè)報(bào)文類型可以取05H和1AH。當(dāng)報(bào)文類型代碼為05H時(shí)，該報(bào)文為類別詢問報(bào)文；為1AH時(shí)，該報(bào)文為重復(fù)詢問報(bào)文。類別詢問報(bào)文的數(shù)據(jù)區(qū)為一個(gè)字節(jié)，稱詢問類別，它的8位與8種類別對(duì)應(yīng)，。當(dāng)主站希望收集某幾個(gè)類別的變化數(shù)據(jù)時(shí)，就將詢問類別的某幾位置“1”。如果詢問第8類別的數(shù)據(jù)，就將詢問類別字節(jié)置成全“0”。重復(fù)詢問報(bào)文的數(shù)據(jù)區(qū)為兩個(gè)字節(jié)，稱重復(fù)詢問類別標(biāo)志和詢問類別標(biāo)志。當(dāng)主站發(fā)出的類別詢問報(bào)文沒有收到子站的正確回答時(shí)，主站向子站發(fā)送重復(fù)詢問報(bào)文。重復(fù)詢問報(bào)文中的重復(fù)詢問類別標(biāo)志是原先發(fā)送的類別報(bào)文中詢問類別字節(jié)的重復(fù)。該報(bào)文中的詢問類別標(biāo)志字節(jié)某位為“1”，表示原先發(fā)送的類別詢問報(bào)文中沒有詢問的類別，這一次需要訪問。報(bào)文的校驗(yàn)碼為一個(gè)字節(jié)。 (a) 格式1 （b） 格式2圖4.1 主站向子站詢問的報(bào)文格式子站向主站回答確認(rèn)或否定確認(rèn)的報(bào)文格式見圖4.1(b)，我們稱它為報(bào)文格式2，。這兩種報(bào)文都是三個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)為子站地址，取00HFEH。第二字節(jié)報(bào)文類型取06H時(shí)，確認(rèn)報(bào)文，它表示子站正確收到主站命令；取15H時(shí)，為否定確認(rèn)報(bào)文。第三字節(jié)類別標(biāo)志字節(jié)的07位，與數(shù)據(jù)類別的07位相對(duì)應(yīng)。如果RTU中某一類別的數(shù)據(jù)有變化，在子站向主站的回答報(bào)文中，將報(bào)文標(biāo)志字節(jié)中的對(duì)應(yīng)位置成“1”，數(shù)據(jù)無變化的類別，對(duì)應(yīng)位取“0”。這種報(bào)文不帶校驗(yàn)字節(jié)。傳送數(shù)據(jù)的報(bào)文格式見圖4.2，我們稱它為報(bào)文格式3。報(bào)文的第一個(gè)字節(jié)為子站地址，第二字節(jié)的8位中只用低6位作為報(bào)文類型的代碼。在子站向主站的報(bào)文中，最高位為“1”表示子站的事件順序記錄向主站報(bào)告，次高位為“1”表示子站的隨機(jī)存儲(chǔ)器出錯(cuò)。第三個(gè)字節(jié)的取值范圍時(shí)00HFBH。在子站向主站的報(bào)文中，數(shù)據(jù)至少包含一個(gè)類別標(biāo)志，它是數(shù)據(jù)區(qū)的第一個(gè)字節(jié)，類別標(biāo)志字的某一位為“1”時(shí)，表示子站某一類別的數(shù)據(jù)有變化，需要向主站報(bào)告，因此數(shù)據(jù)區(qū)長度N的取值可為01HFBH。圖4.2 主站向子站傳送數(shù)據(jù)的報(bào)文格式(2) 主站和子站的地址子站向主站的回答報(bào)文共有10條，按功能可分為確認(rèn)報(bào)文、診斷報(bào)文和傳送報(bào)文，詳細(xì)見表4.1。主站向子站發(fā)送的命令共有24條，按功能可分為：查詢命令，送參數(shù)命令，控制命令和專用命令四大類。表4.2列出了24種命令的分類、各種命令的名稱、報(bào)文類型碼和報(bào)文字節(jié)數(shù)。表4.1 子站向主站回答報(bào)文表報(bào)文分類報(bào)文名稱報(bào)文類型報(bào)文字節(jié)數(shù)確認(rèn)報(bào)文確認(rèn)06H3否定確認(rèn)15H3送數(shù)報(bào)文電源合閘16H6向主站報(bào)告時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)出現(xiàn)17H7模塊狀態(tài)變化18H可變用數(shù)據(jù)回答主站的類別詢問1BH可變用數(shù)據(jù)回答主站的數(shù)據(jù)召喚報(bào)文1CH可變帶缺損指示的數(shù)據(jù)回答1DH可變報(bào)告參數(shù)組號(hào)2FH7表4.2 主站子站的命令報(bào)文表命令分類命令名稱報(bào)文類型報(bào)文字節(jié)數(shù)查詢命令召喚故障模塊02H5類別詢問05H4請(qǐng)求數(shù)據(jù)報(bào)文0DH可變召喚事件記錄數(shù)據(jù)0FH7重復(fù)詢問1AH5查詢參數(shù)組號(hào)2EH5送參數(shù)命令設(shè)置RTU工作方式03H可變發(fā)送壓縮因子04H13設(shè)置時(shí)鐘0CH11設(shè)置回答數(shù)據(jù)區(qū)最大長度10H6發(fā)送掃描頻率11H13發(fā)送濾波系數(shù)13H13指定參數(shù)組號(hào)2DH6控制命令復(fù)位RTU01H5停止RTU掃描07H5允許RTU掃描08H5停止I/O模塊掃描09H可變?cè)试SI/O模塊掃描0AH可變電源合閘確認(rèn)12H5專用命令診斷報(bào)文0EH可變同步命令14H5預(yù)同步命令19H9帶反送校核的遙控命令1EH9圖4.3 數(shù)據(jù)采集傳遞流程圖第5章課程設(shè)計(jì)心得經(jīng)過這次對(duì)區(qū)間遙信采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使我進(jìn)一步了解了遙信在鐵路系統(tǒng)中的重要性，鐵路的電力供應(yīng)與鐵路的行車和安全密切相關(guān)，是鐵路運(yùn)輸基層設(shè)施的重要組成部分。列車速度的提高，各種車輛安全監(jiān)測(cè)設(shè)備的投入，對(duì)供電系統(tǒng)的可靠性要求越來越高。提高供電質(zhì)量，縮小故障影響范圍，減少停電時(shí)間，是鐵路部門對(duì)供電段提出的基本要求。根據(jù)遠(yuǎn)動(dòng)終端的功能要求，建立了完成各種功能的特殊模塊，各功能模塊的功能軟件各不相同。隨著鐵路貫通線，變配電所綜合自動(dòng)化的不斷建設(shè)和配電自動(dòng)化系統(tǒng)功能的日臻完善，電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)已成為鐵路供電段向鐵路沿線各種行車安全監(jiān)控設(shè)備不斷提供優(yōu)質(zhì)供電不可缺少的工具。通過本次課程設(shè)計(jì)，可以得出以下結(jié)論：(1) 遙信信息通常由電力設(shè)備的輔助接點(diǎn)提供，輔助接點(diǎn)的開合直接反映出該設(shè)備的工作狀態(tài)；(2) 不論是有源還是無源觸點(diǎn)，必須加入信號(hào)隔離措施，以免強(qiáng)電系統(tǒng)損壞遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備；(3) 在遙信狀態(tài)的采集方面采用雙觸點(diǎn)遙信的處理方法，提高遙信信源的可靠性和準(zhǔn)確性。 變電站自動(dòng)化的任務(wù)是：完成對(duì)變電所電氣量及非電氣量的采集和電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所正常運(yùn)行時(shí)的監(jiān)視和操作，從而保證變電所正常運(yùn)行和安全。第6章參考文獻(xiàn)（資料）1 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.北京:北京航空航天出版社,1999.2 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