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1 SEMINARIOS TECNOLOGICOS OFICIALES PROFIBUS/PROFINET Fernando Conde Certified PI Engineer Ctra. de SantCugat, 63 Escalera B Planta 1ª, Rubí, Barcelona T F TODO LO QUE SIEMPRE QUISO SABER DE PROFIBUS Y NUNCA SE ATREVIÓ A PREGUNTAR Ctra. de SantCugat, 63 Escalera B Planta 1ª, Rubí, Barcelona T F

2 Un poco de Historia El proyecto Process Field Bus Las especificaciones de Profibus DP son el resultado de un proyecto de investigación de 3 años ( ) con 12 participantes: Y cinco institutos de investigación: Objetivos Estandarizar un bus de campo para: - Comunicación digital. - Menos cable - Muchos componentes - En un modo seguro y fiable - Alta velocidad - Tanto como para Ind. de Manufactura como el control de procesos. 2

3 Objetivos Estandarizar un bus de campo para: -Se basa en un intercambio cíclico de datos entre uno (o varios) masters y diferentes esclavos. -A cada ciclo se preguntan a todas las estaciones -Máximo 244 bytes de entrada y 244 bytes de salida. (redondeo al byte). -Velocidad máxima 12 Mbauds. -Configuración y parametrización en el master y en los esclavos. -Diagnóstico a diferentes niveles. -Hasta 124 esclavos. -Hasta 32 elementos por segmento. Características Básicas 3

4 Topología PROFIBUS El proyecto Process Field Bus Las especificaciones de Profibus DP son el resultado de un proyecto de investigación de 3 años ( ) con 12 participantes: Y cinco institutos de investigación: t 4

5 Nodos Instalados safety 10 motion mantenimiento productividad redundancia estándares excelencia seguridad process automation calidad Ahorro energético wireless 5

6 Constante modernización Funcionalidades extendidas Data exchange Broadcast Modo Síncrono Time Stamp HART sobre DP Redundancia Data exchange asíncrono Ingeniería (EDD,FDT) Comunicaciones Fail-Safe Alarmas Data Exchange cíclico Configuración GSD, Diagnosis 6

7 Profibus o Profinet? Profibus Profinet Velocidad de actualización 1 xx xxx Medidas cableado 2 xx xxx Perfiles 3 xx xxx Topología flexible 4 xx xxx Disponibilidad xxx xxx Programación y configuración xxx xxx Re-utilización de la red xx xxx Sencillez instalación xx xxx Precio y disponibilidad?????? 1 La más rápida de Profibus = la normal de Profinet. No es siempre un factor determinante 2 Profinet más amplia pero solo en tiradas de 80 metros 3 ProfiEnergy sólo disponible en Profinet 4 Wifi: Mucho más efectiva en Profinet que en Profibus 14 MEJORES PRACTICAS EN ARQUITECTURAS PROFIBUS DP Cómo evitar problemas de puesta en marcha y mantenimiento gracias a un correcto diseño de la instalación profibus DP. 7

8 15 CUMPLIR NORMATIVAS INFORMACIÓN TESTEO NINGÚN PROBLEMA Mejores prácticas en redes Profibus Una adecuado diseño y tendido de la red profibus nos podrá evitar muchos problemas de mantenimiento y puesta en marcha. Fallos de diseño pueden causar problemas días, semanas o meses después de la puesta en marcha. Deben tenerse en cuenta una serie de factores siguiendo al pie de la letra todas las normas escritas. Y también las normas no escritas. 8

9 Factores a tener en cuenta: Velocidad de la red: Ligado a la velocidad de actualización de I/O A los componentes de la red A las distancias de la red Repetidores Fibra óptica Recomendación: Elegir la velocidad más baja según nuestros requerimientos de actualización de I/O. Esto nos dará más margen para futuras ampliaciones. Factores a tener en cuenta: Tipo de cable: Utilizar siempre un cable específico profibus. Utilizar siempre el cable adecuado para cada situación: Rígido, Flexible, Trailing, Hybrid 9

10 Factores a tener en cuenta: Conectores: Utilizar el adecuado a cada tipo de cable: El grosor del cable. Tornillo <-> Prensado // Multiconductor <-> Conductor Único Recomendación: Evaluar adquirir los cables + conectores montados en fábrica. Montar al menos un conector con conexión de diagnosis por segmento. Factores a tener en cuenta: Componentes de la red: Dependiendo de la periferia a instalar deberemos considerar la instalación adicional de: Masters (si es superior a 124) Repetidores y hubs. Si tenemos más de 31 componentes. Si necesitamos estructura de árbol. Si necesitamos separar potenciales. Si necesitamos aumentar distancias. Si necesitamos reemplazar dispositivos en caliente. Conversores fibra óptica. Aumentar distancia. Eliminar interferencias EMC. Terminadores activos. Recomendación: La instalación de hubs y repetidores puede proporcionarnos una mayor flexibilidad en el tendido del cableado que redunde en un menor coste de instalación y una mayor operatividad. 10

11 Normas de cableado Respetar las distancias máximas: Teniendo en cuenta la velocidad seleccionada. Respetar las separaciones entre líneas: Líneas de potencia. Líneas de control de motores. Líneas telefónicas. Realizar unas buenas conexiones a tierra: Según las especificaciones profibus. Prestar atención a los Spurs Recomendación: NO Estrellas (aunque están permitidas a baja velocidad ). Normas de cableado: Normas no escritas One meter rule : Recomendación: Nunca un cable de menos de un metro entre dos dispositivos. 11

12 Normas de instalación: Proteger los equipos Humedad Suciedad Normas de terminadores Colocar un terminador en cada final de segmento. Si se prevé que el dispositivo final pueda estar apagado, instalar terminadores activos externos. 12

13 Documentación Debe recopilarse toda la información sobre el material utilizado en la instalación: Archivos de Configuración GSD, DTM Cambio de PC. Cambios de versión del dispositivo. Programas y útiles de configuración y programación. Algunos dispositivos requieren software y/o hardware adicional para su configuración. Programas y configuraciones. Cambio o ampliación de la instalación. Documentación de los dispositivos. Tendido y composición REAL de la red por ella misma y en relación con el resto de la instalación

14 27 DETECCIÓN DE ERRORES Y OPTIMIZACIÓN DE REDES PROFIBUS Introducción al mantenimiento de redes Profibus Detección de problemas en redes Profibus Los problemas en redes Profibus no son siempre de fácil detección. El diagnóstico del problema no siempre es claro: A veces falla No se activa una salida cuando toca Apagando y encendiendo se soluciona El número de posibles causas no es muy elevado, pero si pueden estar distribuidas por una instalación extensa. Terminadores de fin de línea mal colocados, Alimentaciones, cables de potencia o tierras inadecuadas, Reglas de cableado incumplidas, Errores de configuración, Interfaces dañados o no homologados... 14

15 Revisar los conectores Bajar la velocidad Aumentar time-outs Instalar un amplificador Instalar otro amplificador Soluciones clásicas que todos conocemos Es necesario saber cuál es el problema para poder actuar en consecuencia. Es un error realizar actuaciones sin saber las verdaderas causas del problema (perdida de tiempo y dinero). Requerimientos para la detección del problema Información: Es imprescindible disponer de la información específica de la instalación: Sus componentes, tendido del cable, programas y archivos de configuración Herramientas: Multímetro Osciloscopio digital. Analizador de Protocolos. Formación: Conocer las características y normativas a cumplir en las redes Profibus. Saber como utilizar las herramientas e interpretar la información que nos dan. 15

16 Información: Se detecta que muchos responsables de instalaciones Profibus no tienen una información sobre su instalación: Que dispositivos lo componen. Tendido de la red (Por dónde pasa el cable). Disponer de toda la información sobre los dispositivos: Archivos GSD correspondientes a la versión del dispositivo. Parámetros de configuración del sistema. Herramientas de configuración del dispositivo. Software. Hardware. Herramientas: Osciloscopio digital Permite observar la onda eléctrica dentro de la red profibus para detectar posibles problemas de: Ruidos electromagnéticos Defectos en el cableado Terminadores incorrectos Averías en dispositivos Dependiendo de la onda incluso es posible detectar el lugar del problema (distancia desde el punto de medida). 16

17 Herramientas: Analizador de protocolos Permite observar las tramas de comunicación para detectar: Fallos de configuración Estadísticas de fallos Problemas puntuales Desajustes de parámetros Herramientas: Existen diferentes herramientas en el mercado con diferentes prestaciones: Comprobación de continuidad Análisis de tramas Visualización de la señal eléctrica Data logging Comprobación de valores de las variables Master Profibus Configurador número estación Generador informes Detección arquitectura 17

18 Demostración análisis ANALIZADOR CON CONEXIÓN LAN/WLAN Analizador conectado permanentemente a la WEB para diagnóstico y mantenimiento remoto. PLC Elementos de Campo Web/TCP/IP Analizador Internet 36 18

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20

21 41 42 PROFINET LAS NUEVAS TECNOLOGIAS AL SERVICIO DE LA INDUSTRIA 21

22 Evolución en automatización de plantas 43 En los 80 empieza la era digital en automatización, PLCs, intercambio de información entre sistemas inteligentes (integración horizontal) En los 90, integración de datos de producción, se busca la productividad en los procesos, lean manufacturing En los 00, ahorro energético, gestión centralizada de plantas La demanda de funcionalidades crece continuamente Situación inicial y Requerimientos 44 Le suena esto? Redes distintas en oficina y producción Soluciones propietarias Diagnósticos, servicio y mantenimiento sólo es posible on site, y es costoso Sus requerimientos Redes uniformes y seguras según estándares Reutilización y estandarización de ingeniería en todas sus plantas Acceso, servicio y mantenimiento desde cualquier lugar Reducir los costes de ingeniería, puesta en marcha y operación 22

23 Qué es PROFINET? 45 Es el bus de campo basado en ethernet para cualquier aplicación Cubre los mercados y tecnologías clave en automatización, de presente y de futuro Soportado por la más grande organización de automatización para soluciones de comunicaciones safety 46 motion mantenimiento productividad redundancia estándares excelencia seguridad process automation calidad Ahorro energético wireless 23

24 PROFINET Un bus para todas las tareas 47 PG/PC HMI PLC IWLAN Control ejes Elementos de Campo Diagnósticos Servo Access- Point Elementos de Campo Web/TCP/IP Internet Acceso a los automatismos desde cualquier lugar. PROFINET es Ethernet Estándar 48 Tecnología de Switching Comunicaciones en paralelo Envío y recepción simultaneos (full-duplex) Caminos de comunicación paralelos Número ilimitado de dispositivos Tiempos de respuesta muy cortos 1,440 bytes por trama Switch Switch Switch Switch. 24

25 safety 49 motion mantenimiento productividad redundancia estándares excelencia seguridad process automation calidad Ahorro energético wireless PROFINET Diversas topologías de red 50 Integración de switches en los dispositivos = flexibilidad. Topologías en árbol y estrella Anillos redundantes con reconfiguración automática Anillo Bus Árbol Estrella Reducción de costes y mayor flexibilidad Alta disponibilidad 25

26 Incluyendo comunicación via WIFI 51 PROFINET via WLAN con Tecnología estándard Industrial WLAN (IEEE ) Bluetooth (IEEE ) Simplificación de la ingeniería (planificación, puesta en marcha, operación y documentación) Seguridad de la red Integra Safety HMI (interfaces hombre máquina) móviles SCALANCE W y tan conveniente, resistente y seguro como los sistemas cableados! Mayor flexibilidad y movilidad safety 52 motion mantenimiento productividad redundancia estándares excelencia seguridad process automation calidad Ahorro energético wireless 26

27 PROFINET es Ethernet a tiempo real 53 Internet Factory Automation Motion Control PROFINET Industrial Ethernet 100ms 250µs Servicios IT TCP/IP RT IRT Permitiendo acceso online directo a dispositivos de campo... mantenimiento y servicio desde cualquier sitio... monitorización de datos de producción/calidad Tiempo Real escalable y comunicaciones IT simultáneas e ilimitadas PROFINET es Ethernet a tiempo real PC Internet Explorer HTTP PROFINET SNMP Socket Real-Time RT IRT TCP / UDP IP PROFINET Field devices 54 Ethernet PC SNMP/OPC server Sensor system PROFINET PLC PROFINET cumple los estandares de comunicación CP/IP en cumplimiento con las normas IEEE y comunicaciones en tiempo real. 27

28 safety 55 motion mantenimiento productividad redundancia estándares excelencia seguridad process automation calidad Ahorro energético wireless PROFINET en Motion Control 56 COMUNICACION IRT (isochronous ( real time)... Permite la sincronización de controladores de ejes con la máxima precisión... Consigue comunicación en tiempo real permitiendo la modularidad de máquinas... Permite gran número de nodos con un tiempo de respuesta mínimo...ofrece un tiempo real escalable + comunicación TCP/IP simultanea y no restringida 28

29 Sincronismo en los controles de ejes 57 Almacenamiento isócrono de los valores de posición y activación isócrona de las salidas sin jitter (desviación en el tiempo) Ejemplo: Rotativas (impresión diarios), Operación síncrona de los rodillos de impresión Velocidad del papel: 15 m/s (54 km/h) Path per µs = 15 µm 1000 grid points / cm (2540 dpi) un grid point = 10 µm Requerimientos: Jitter << 1 µs PLC Disp. I/O Drive Drive Menos Jitter Mejor Calidad PROFINET IRT, Cómo trabaja? El camino rápido para motion control 58 Fast Ethernet con Cambio simultaneo de los setpoints technología switch y los valores actuales (100 Mbit/s) Sincronización horaria de los Switches Ciclo de comunicación determinístico Reserva de áreas de tiempo Carril adelantamiento Requerimientos para el modo isócrono Esencial para motion control Rendimiento Garantizado para motion & IT IRT Reserved for IRT IRT RT RT TCP/IP RT TCP/IP RT RT TCP/IP RT RT TCP/IP RT TCP/IP Carril normal PROFINET con IRT (Real-Time Isócrono) 29

30 Incremento del Rendimiento 59 Beneficios y valor añadido para los usuarios Real-time + comunicación TCP/IP en paralelo Aplicaciones Isocronas para Motion Control Gran avance en comparación con otros buses de campo Valores de rendimiento para aplicaciones Motion Control con PROFINET en IRT Tiempo de ciclo 1 ms 500 µs 250 µs Número de nodos *) Jitter <1 µs <1 µs <1 µs Reserva para comunicaciones abiertas con otro protocolos IT 50% 50% 50% *) Número de dispositivos, cada uno con 40 bytes de entrada y 40 de salida en un controlador con 4 puertos. Los límites del controlador específico, como área I/O, tiempo de ciclo o nodos deben ser considerados. PROFINET Mayor productividad y calidad de producto safety 60 motion mantenimiento productividad redundancia estándares excelencia seguridad process automation calidad Ahorro energético wireless 30

31 Diagnósticos avanzados 61 Acceso a sus datos desde cualquier lugar Localización rápida de fallos Mensajes de fallo en varios lenguajes Resumen de diagnosticos directo al canal incluso a través de gateways Usando estándares de IT Fácil localización gracias a la vista de la topología Diagnósticos de dispositivos Diagnósticos de cable Acceso vía web Objetivo: Rápida puesta en marcha e incremento de la disponibilidad. safety 62 motion mantenimiento productividad redundancia estándares excelencia seguridad process automation calidad Ahorro energético wireless 31

32 Seguridad (Security) 63 Internet Ofrece protección para Errores de direccionamiento y mal uso Acceso no autorizado (evitar manipulación) Características Escalabilidad e instalación rápida Solo se requieren conocimientos básicos de IT Utilizando sistemas de seguridad probados y estándares (IDS/IPS, firewalls, VPN) Facilita El uso de Ethernet en todos los niveles de automatización Redes Verticales Incremento el uso de los estándares de IT en automatización Security PROFINET Industrial Ethernet Incremento de la seguridad y el rendimiento en sus procesos productivos. safety 64 motion mantenimiento productividad redundancia estándares excelencia seguridad process automation calidad Ahorro energético wireless 32

33 PROFINET en Process Automation DCS ERP MES Ethernet backbone Intercambio de datos entre I/O, DCS e IT Integración de varios buses de campo vía proxys 65 PROFIBUS DP PROFINET PROXY PROFIBUS PA HART PROFINET FF H Integración con sistemas existentes (proxys proxys) 66 Pasarelas para PROFIBUS DP, PROFIBUS PA, Interbus, AS-Interface, Modbus, etc PROFINET Comunicaciones transparentes entre PROFINET y PROFIBUS Proxy PROFIBUS Protege su inversión Integración transparente, sin programación 33

34 Puede seguir usando sus programas de usuario Simplemente reconfigure su hardware no requiere reprogramación Las herramientas tienen el mismo look & feel El mismo sistema de diseño para PROFIBUS y PROFINET PROFIBUS PROFINET Reduce tiempo y dinero en ingeniería y tests Funciones clave para Automatización 68 Integración buses de campo Configuración en Run (CiR) DCS DeviceNet DCS PROFIBUS DP Remote I/O Proxy PROFIBUS PA PROFINET HART Sincronismo de tiempo FF H1 Todas ellas incorporadas en PROFINET System Master Clock (GPS, DCF77, ) Redundancia escalable Primario Controlador redundante Backup Control 1 Control 2 Control 3 Backup Clock Master Red Redundante Device Device Proxy Dispositivo con conexión redundante Dispositivo con conexión sencilla 34

35 Visión de futuro: Diseño de perfiles 69 El respaldo de la asociación PI Internacional permite un avance en las características de los productos Profinet: No está anclado en las especificaciones originales. Los denominados perfiles añaden funcionalidades a los productos Profinet manteniendo la tecnología al día. Por ejemplo PROFIsafe y PROFIenergy, CBA, PROFIdrive En próximas sesiones PROFIENERGY AHORRO ENERGETICO CON PROFIenergy 35

36 Propósito PROFIenergy Cada vez es más importante diseñar las instalaciones teniendo en cuenta el ahorro energético: Ahorro en costes de producción. Ahorro en costes de mantenimiento. Cumplimiento de normativas medioambientales. Profinet ha desarrollado una solución para el control y el ahorro energético basado principalmente en la desconexión de equipos Puntos débiles de las soluciones actuales Controlador HMI hardware suplementario Conmutación manual: Consumo de tiempo. Arranque poco fiable. Frecuentemente sólo un interruptor principal. Uso de hardware externo Requiere espacio y dinero. Requiere Ingeniería y mantenimiento. DC24V Programación individual. I/O Distribuidas Motion Control & Drives Las soluciones discretas raramente son aceptables. El posible ahorro en las paradas no suele considerarse. 36

37 Como hemos comentado anteriormente la tecnología Profibus/Profinet soporta los denominados perfiles que permiten implementar nuevas funcionalidades sobre la infraestructura de comunicaciones. Por ejemplo: Profidrive: Profisafe: Control de motores Control de Safety PROFIENERGY Promovido por la asociación alemana de fabricantes de automóviles AIDA desde hace unos años PI está implementando un nuevo perfil denominado Profienergy Dicho perfil está diseñado específicamente para la monitorización y control de la energía consumida por los dispositivos Profinet En una primera versión: Energía eléctrica. Posteriormente se incluirá: Gas, Vapor, Aire comprimido, Agua. 37

38 PROFIENERGY Profienergy está siendo adoptado por los principales fabricantes de dispositivos Profinet. PROFIENERGY Poniendo a disposición del usuario a través del diseño de la aplicación funcionalidades de control y ahorro energético: Consumo de energía típico (kwh,, 15min) Fin de Semana Fin de Semana Consumo de energía en paro 60 % aprox. Con PROFIenergy ahorro hasta 80% 38

39 PROFIENERGY Mediante funcionalidades de control de los dispositivos durante los paros de máquina Consumo de energía típico (kwh,, 15min) Fin de Semana Fin de Semana Consumo de energía en paro 60 % aprox. Con PROFIenergy ahorro hasta 80% PROFIENERGY -E Incluyendo funciones de medida del gasto energético: 39

40 PROFIENERGY Con Profienergy los elementos periféricos contienen los dispositivos de conexión de potencia y actúan autónomamente ante las ordenes de inicio y fin de pausa. PROFIenergy : Cinco buenas razones 1. Ahorro de costes gracias a la no necesidad de hardware adicional. 2. Ahorro de energía incluso en pausas cortas gracias a actuaciones selectivas. 3. Gran estabilidad del sistema a través de coordinación de las operaciones. 4. Protección de inversiones, ya que permite la integración de sistemas existentes. 5. Libertad en la selección de los dispositivos a través de un estándar independiente de la marca. Ejemplo: Sector automóvil, a 2 turnos, el 47% de la energía se consume durante tiempos de parada Profienergy puede ahorrar un 70% de la energía que se consume durante los tiempos de parada (total = 33%) Controlador HMI En un línea con un consumomedio de 210,000 kwh anuales, el ahorro potencial sería de 7,000 cada año (a 0.10 per kwh). DC24V I/O DistribuidasMotion Control & Drives 40

41 PROFIsafe UNA APUESTA SEGURA Para la protección de personas, maquinaria y medio ambiente Implementación de Safety 82 En todas las instalaciones es necesario implementar ciertas medidas de Safety para evitar daños en las personas, cosas y medio ambiente. En máquinas complejas dichas medidas pueden ser una parte importante del proyecto 41

42 Visión clásica Safety Clásicamente la implementación de la seguridad en las máquinas se realizaba con un cableado en paralelo al de la automatización y dispositivos adicionales: Sensación de mejor diseño. Sensación de más seguridad. Safety Bus Failsafe I/Os Duplicidad de conexionado. Operatividad limitada. Inspección costosa. Standard PLC Emerg. Off Standard I/Os Emerg. Off Failsafe PLC Fieldbus Office World via Ethernet Como se realiza esta integración integración A través de los denominados Perfiles de la tecnología Profibus/Profinet Permite a PI Internactional añadir nuevas funcionalidades a la estructura Profinet / Profibus aprovechando la estructura básica del sistema Ejemplos: PROFIsafe, PROFIdrive, PROFIenergy, CBA Se definieron las funcionalidades y características necesarias para una instalación Safe : Los aparatos a utilizar deben ser compatibles con dicho Perfil. Marcados como PROFIsafe. 42

43 La solución integrada en Profinet y Profibus para Safety Un solo bus para los datos de control y de seguridad: Cumple con las máximas categorías de seguridad Integra seguridad Nivel 3 / PL e / Cat. 4 Un mismo interface para diagnósticos y para usuario Reduce el número de tipos, partes e interfaces Menos desgaste de piezas (Control directo al drive). Standard PLC Failsafe PLC Emerg. Off Fieldbus Antes Safety Bus Office World via Ethernet Standard I/Os Ahora Emerg.Off Failsafe I/Os Emerg. Off Failsafe PLC Emerg.Off Standard and failsafe I/Os PROFINET Emerg.Off Connection to Office World Ahorro de tiempo, espacio y dinero con seguridad integrada! Comunicaciones safety incluso en Wireless Usando el perfil PROFIsafe Testado y aceptado con PROFINET Estándard y comunicaciones a prueba de fallos sobre el mismo medio de transmisión Puede usarse para paros de emergencia estáticos o móviles Permite el uso de seguridad extendida usando dispositivos PROFINET dedicados Incluso wireless Safety- related data PROFIsafe Layer Standard BUS protocol Safety- related data PROFIsafe Layer Standard BUS protocol Standard data PROFINET Industrial Ethernet Access Point RCoax Standard data Black channel" PROFINET Industrial Ethernet Access Point RCoax Failsafe wireless, como si fuera cableado! Client IO-Device Mobile Panel 43

44 Soluciones de Seguridad Integradas (según IEC ) Las funciones de seguridad básicas son: Safe Torque Off Safe Stop 1 Safe Brake Control que llevan a una safe disconnection de la alimentación del motor cuando se detecta, por ejemplo, una situación peligrosa. Las funciones de seguridad avanzadas son: Safe Operating Stop Safe Stop 2 Safety-Limited Speed Safe Speed Monitor que permiten una monitorización del drive durante la operación o una situación excepcional como en mantenimiento o puesta en marcha. NO SOLO LA TIPICA DESCONEXION: Es posible realizar trabajos de mantenimiento de forma conveniente y segura, reduciendo considerablemente los tiempos de paro. Consideraciones al respecto de este documento -En algunos casos la información contenida en este documento no es tratada a fondo y algunos aspectos no se han tratado con la debida profundidad, por lo que no debe ser tomada como una guia para la detección y resolución de problemas -Para alcanzar los conocimientos suficientes para el diseño de redes Profibus/Profinet, así como la detección y resolución de problemas, recomendamos siempre la asistencia a los cursos oficiales impartidos por el Logitek Competence Center. 44

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