物聯(lián)網(wǎng)智慧工廠
背景
物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)已經(jīng)開啟了制造業(yè)的第四次工業(yè)革命(Industry 4.0),從傳統(tǒng)的“自動(dòng)化”邁入以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的“智動(dòng)化”生產(chǎn)模式,從半自動(dòng)化或單機(jī)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)步到基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)及機(jī)器對(duì)人(M2P)的溝通方式。如果再進(jìn)一步與企業(yè)的信息系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析技術(shù)相結(jié)合,將可創(chuàng)造出智慧工廠無限的可能。
借助物聯(lián)網(wǎng)趨動(dòng)的智慧流程,智慧工廠將可減輕對(duì)人力的依賴、改善生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)度、正確度及效率、提高產(chǎn)能與質(zhì)量、降低成本,最終增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
根據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)信息(IDC)發(fā)布的市場(chǎng)研究分析,全球制造業(yè)潛在的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模到2018年時(shí)將達(dá)到9,130 億美元,相比2014年的4,720億美元,年平均復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)達(dá)到17.93%,在整體物聯(lián)網(wǎng)市值14.4兆美元中占比最高,達(dá)27%。
此外,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備公司思科(Cisco)評(píng)估,全球制造業(yè)所使用的6400萬臺(tái)機(jī)器中有92%的設(shè)備尚未聯(lián)網(wǎng),遍布在各地的生產(chǎn)線上。理論上,要推動(dòng)生產(chǎn)智動(dòng)化最理想的方式是直接把這些機(jī)器更換成新的智慧化機(jī)器,但對(duì)許多考慮成本的制造業(yè)者而言,這并非務(wù)實(shí)之舉,因?yàn)樗麄円呀?jīng)投資大筆資金在既有的生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)化機(jī)器上,這些既有的設(shè)備必須使用多年才能收回成本。
因此,比較可行的解決方案是在可接受的預(yù)算范圍內(nèi),設(shè)法讓既有設(shè)備能夠聯(lián)網(wǎng),進(jìn)而整合到智能工廠系統(tǒng)中,以搜集這些設(shè)備和機(jī)器的運(yùn)行數(shù)據(jù)并加以分析。
挑戰(zhàn)
以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)制造環(huán)境結(jié)合了廠區(qū)的操作技術(shù)及管理層的信息技術(shù)。前者是通過網(wǎng)絡(luò)串連各項(xiàng)設(shè)備與裝置,實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)化、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、環(huán)境監(jiān)控、能源管理等工作;后者則是指管理層使用的信息應(yīng)用系統(tǒng),包括企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)(ERP)、客戶資源管理系統(tǒng)(CRM)以及各種不同的信息分析工具等這些元素一旦連接在一起,會(huì)產(chǎn)生各種支持多個(gè)子系統(tǒng)的虛實(shí)整合系統(tǒng)(CPS)。在此類應(yīng)用情境中,系統(tǒng)運(yùn)行必須十分穩(wěn)定可靠,而各個(gè)設(shè)備和應(yīng)用系統(tǒng)之間流動(dòng)的數(shù)據(jù)則必須十分安全,并且達(dá)到最小的延遲。因而,網(wǎng)絡(luò)連接性和有效率的數(shù)據(jù)流是智慧工廠最基本的要求。然而,欲將廠區(qū)既有設(shè)備和其他資產(chǎn)連接上網(wǎng)絡(luò),卻面臨著多重挑戰(zhàn):
■傳統(tǒng)的技術(shù)零散且難以整合
自從自動(dòng)化生產(chǎn)問世以來,已發(fā)展出各種各樣的技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn),混雜于生產(chǎn)線的操作中,即使同一家公司不同廠區(qū)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),也可能部署了各種不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。但工業(yè)4.0的概念,是將各項(xiàng)單獨(dú)的生產(chǎn)元素通過網(wǎng)絡(luò)整合串連,而獲取對(duì)于管理或操作決策而言十分重要的信息。不幸的是,現(xiàn)實(shí)中有許多阻礙,智能工廠的實(shí)施者面對(duì)如下的困難場(chǎng)景:
. 廠區(qū)里常使用的各種控制器,包括可程序化邏輯控制器(PLC)、以PC架構(gòu)為基礎(chǔ)的可編程自動(dòng)控制器(PAC)及嵌入式的微控制器(MCU)等,往往是由多個(gè)不同供貨商所供應(yīng),使用的技術(shù)也不一樣。
. 從過去到現(xiàn)在,許多PLC供應(yīng)廠商使用不同的通訊標(biāo)準(zhǔn)連接 PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線,有些廠商還自行發(fā)展自用的標(biāo)準(zhǔn)。即便有某些標(biāo)準(zhǔn)在市場(chǎng)上追隨者眾多,也未能成為唯一的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果就是同一生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需同時(shí)部署多個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)以支持各家廠商的設(shè)備。
. 甚至有些生產(chǎn)設(shè)備連傳統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)端口或串行端口都沒有。
■OEM廠商的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)
原始設(shè)備制造商通常不愿提供設(shè)備操作協(xié)議的原始代碼,以保護(hù)他們的知識(shí)產(chǎn)權(quán)益。這使得整合不同設(shè)備成為完整系統(tǒng)的工作橫生阻撓。甚至有時(shí)提供設(shè)備的公司已經(jīng)解散。
■客戶拒絕對(duì)既有系統(tǒng)進(jìn)行重新配置
生產(chǎn)設(shè)備的管理者常常拒絕系統(tǒng)集成商對(duì)既有系統(tǒng)及設(shè)備的軟件內(nèi)容進(jìn)行增減或調(diào)整。
■數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性無法滿足客戶要求
雖然許多既有設(shè)備采用 PC架構(gòu)并可產(chǎn)生紀(jì)錄文件,但這些紀(jì)錄文件并非實(shí)時(shí)產(chǎn)生且數(shù)據(jù)經(jīng)常缺漏。而且不同的設(shè)備廠商提供的紀(jì)錄文件數(shù)據(jù)格式不一,使得數(shù)據(jù)復(fù)寫和系統(tǒng)擴(kuò)縮變得復(fù)雜。
策略
工廠建設(shè)與投資的金額往往相當(dāng)巨大且費(fèi)時(shí),因此將工廠既有設(shè)備轉(zhuǎn)變成基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧工廠時(shí),必須從多個(gè)角度進(jìn)行考慮,且思考的角度應(yīng)當(dāng)具備以下特點(diǎn):
■解決方案應(yīng)具通用性和可擴(kuò)展性
新的智慧工廠必然需架構(gòu)在通用型的技術(shù)架構(gòu)上,非獨(dú)家廠商的秘密配方,以避免過去各家技術(shù)無法整合的痛點(diǎn)。更重要的是,這個(gè)架構(gòu)必須是可以彈性擴(kuò)展的,不用擔(dān)心因?yàn)楫a(chǎn)能需求新增機(jī)臺(tái)后,無法維護(hù)。
■成本效益
對(duì)于許多正考慮實(shí)施智能工廠連網(wǎng)的制造業(yè)廠商而言,考慮的第一重點(diǎn)自然是最終效益能否大于付出成本,這對(duì)于流程比較復(fù)雜的工廠尤其重要,因?yàn)檫@類工廠往往已經(jīng)購(gòu)置了許多昂貴的生產(chǎn)組件,他們會(huì)希望設(shè)備能一用多年,以回收投資成本,最好不需要為了構(gòu)建智慧工廠而停機(jī),或是停機(jī)時(shí)間越短越好,如此可提高制造業(yè)廠商實(shí)施智能化工廠的意愿。
■實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集
對(duì)于支持物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)而言,取得實(shí)時(shí)信息決定了未來營(yíng)運(yùn)模式能否成功。因此,信息的取得必須實(shí)時(shí),以支持重大且立即的決策。
■降低甚至無需更改既有設(shè)備的配置
為了減輕對(duì)客戶資產(chǎn)造成的沖擊,解決方案的部署最好對(duì)既有設(shè)備的軟硬件只進(jìn)行較少或零調(diào)整,以避免造成不穩(wěn)定或損害,并將停機(jī)時(shí)間降到最低。
■數(shù)據(jù)傳輸帶寬最大化
隨著越來越多生產(chǎn)組件被連接到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),將有更多數(shù)據(jù)需要在更短時(shí)間內(nèi)完成傳輸,網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效利用(最好大于85%)就越發(fā)重要,以容納更多的連網(wǎng)設(shè)備。
■動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)
對(duì)于實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)的工廠而言,產(chǎn)能與營(yíng)運(yùn)決策息息相關(guān),設(shè)備配置和流程經(jīng)常必須調(diào)整,因此物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必須能提供動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)功能,使得生產(chǎn)組件和流程重新設(shè)定所需要的時(shí)間可以縮到最短,以減少調(diào)整時(shí)的整體停機(jī)時(shí)間。
■可擴(kuò)展且可靠
物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)既然必須連接大量設(shè)備,理想的解決方案應(yīng)該具備最大的可擴(kuò)展性,以有效管理各種元素組態(tài)并支持未來的系統(tǒng)擴(kuò)展,且所有元素必須以可靠的方式連接,才能支持高時(shí)效性與關(guān)鍵任務(wù)的應(yīng)用。
■知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)
不同于傳統(tǒng)單機(jī)設(shè)備,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一旦上線,數(shù)據(jù)便暴露在風(fēng)險(xiǎn)之中,因此智慧工廠解決方案必須整合有效的保護(hù)措施。
■彈性化的虛實(shí)整合系統(tǒng)(CPS)架構(gòu)
虛實(shí)整合系統(tǒng)(CPS)結(jié)合信息與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)與實(shí)體元素,并串連各個(gè)設(shè)備的功能,而能實(shí)現(xiàn)既有設(shè)備的互聯(lián)和智動(dòng)化。這項(xiàng)新的IT技術(shù)使得傳統(tǒng)拼接式、孤立的生產(chǎn)設(shè)備得以整合、轉(zhuǎn)型成靈活的、無縫接軌的系統(tǒng)體系(SoS),從而符合用戶的生產(chǎn)流程需求。從各個(gè)子系統(tǒng)搜集得來的數(shù)據(jù)可自發(fā)地、實(shí)時(shí)地、在任何時(shí)間內(nèi),在系統(tǒng)內(nèi)分享,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能制造。有別于傳統(tǒng)的5層架構(gòu),基于發(fā)布/訂閱(Pub/Sub)機(jī)制的虛實(shí)整合系統(tǒng)(CPS)可以自發(fā)地、實(shí)時(shí)地,在任何時(shí)間內(nèi)共享數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)智能制造。
解決方案
凌華科技結(jié)合經(jīng)市場(chǎng)證明的技術(shù)專業(yè)度、以及多年來耕耘自動(dòng)化、通信、工業(yè)計(jì)算領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn),所提供的產(chǎn)品,其整合性和功能在出廠前都會(huì)經(jīng)過充分驗(yàn)證,讓OEM廠商的解決方案得以快速上市,無需經(jīng)過冗長(zhǎng)調(diào)整及測(cè)試過程。凌華科技智慧工廠解決方案可加速尚未聯(lián)網(wǎng)的工廠棕色地帶(Brown Field)變成綠色地帶(Green Field),打破達(dá)到工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)的障礙,讓工廠通過以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智能制造,優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)、提升效率和利潤(rùn)。
凌華科技的解決方案產(chǎn)品包括:
網(wǎng)絡(luò)與通信
嵌入式計(jì)算機(jī)
量測(cè)與自動(dòng)化
■MXE-200i系列物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)
MXE-200i是加固、可靠、應(yīng)用就緒的嵌入式邊緣計(jì)算機(jī),可協(xié)助已經(jīng)安裝了傳感器的工廠設(shè)備或其他資產(chǎn)連接到其他網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備、以及(或)云端應(yīng)用系統(tǒng)并分享數(shù)據(jù)。MXE-200i搭配Intel Atom.E3826處理器,支持 Intel.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)科技(Intel.IoT Gateway Technology)解決方案,同時(shí)預(yù)安裝WindRiver.IDP XT 2.0/3.1智能型設(shè)備平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)完整的物聯(lián)網(wǎng)功能。MXE-200是目前市面上加固性最高的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),適合應(yīng)用于嚴(yán)苛的環(huán)境,并符合工業(yè)等級(jí)的防止電磁干擾和電磁耐受性標(biāo)準(zhǔn)(EN61000-6-4,61000-6-2),可保護(hù)客戶的資產(chǎn)并降低整體擁有成本(TCO)。
■Matrix MXE-5500系列無風(fēng)扇嵌入式計(jì)算機(jī)
MXE-5500系列為四核的加固型無風(fēng)扇計(jì)算機(jī),搭配第六代Intel. Core. i7-6820EQ/i5-6440EQ/i3-6100E處理器,計(jì)算能力較前一代CPU大增30%,圖形指令周期也快30%,且具備硬件媒體編譯碼器,可支持4K超高分辨率顯示,性能優(yōu)越。
凌華科技是Intel.物聯(lián)網(wǎng)解決方案聯(lián)盟高級(jí)會(huì)員(Premier)之一,產(chǎn)品支持Intel.的物聯(lián)網(wǎng)解決方案架構(gòu),并搭配凌華科技新近并購(gòu)的網(wǎng)絡(luò)軟件公司PrismTech,提供以DDS標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的硬件和工具,完整供應(yīng)DDS平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)的云、網(wǎng)關(guān)、霧所有需要的產(chǎn)品。
凌華科技完整的端到端(end-to-end)平臺(tái)解決方案,能滿足物聯(lián)網(wǎng)部署的所有需求,提供易于部署與使用、成本效益高的產(chǎn)品組合,可在幾乎所有制造業(yè)環(huán)境中成功建立物聯(lián)網(wǎng)所需的網(wǎng)絡(luò)連接。
參考案例
Intel.近來與某些頂尖的電子工廠合作,展開一項(xiàng)智慧工廠先導(dǎo)計(jì)劃,希望提供一個(gè)由網(wǎng)絡(luò)連接的智能化生產(chǎn)環(huán)境的示范模型,而在不久的將來進(jìn)行擴(kuò)大推廣。一家電子工廠被選中作為示范工廠,目標(biāo)是將該工廠既有的生產(chǎn)線設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò),以改善生產(chǎn)質(zhì)量與效率。這項(xiàng)示范工廠使用的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)由 Intel.和凌華科技共同提供,凌華科技是Intel.物聯(lián)網(wǎng)解決方案聯(lián)盟(Intel. IoT Solutions Alliance)的高級(jí)會(huì)員(Premier)之一。該工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了:
. 從工廠既有生產(chǎn)組件、新增設(shè)備及數(shù)據(jù)分析平臺(tái)有效地獲取數(shù)據(jù)
. 整合既有組件成為全套的智能生產(chǎn)線
. 串連整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境的安全穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)
. 客制化的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),提供邊緣、云、車間、ERP等服務(wù),支持大規(guī)模生產(chǎn)工作的優(yōu)化。
因此,本方案在生產(chǎn)端安裝了許多遠(yuǎn)程終端及遠(yuǎn)程控制單元(RTU/RCU),以方便從未連網(wǎng)的既有裝置和設(shè)備獲得控制和操作數(shù)據(jù),再通過部署了數(shù)據(jù)分布式服務(wù)(DDS)軟件的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送到后端平臺(tái),而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)的遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)監(jiān)控。
從生產(chǎn)線采集的原始數(shù)據(jù)報(bào)包括了機(jī)器名稱、材料編號(hào)、編程名稱、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)成功/不良計(jì)數(shù)、機(jī)器狀態(tài)、指示燈和告警代碼信息、所有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的運(yùn)行時(shí)間以及其他相關(guān)信息。
為了確保整體網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)的安全和可靠,本方案選用基于DDS標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分發(fā)平臺(tái)。以發(fā)行/訂閱的通訊架構(gòu)為基礎(chǔ)的DDS平臺(tái),具有扁平化、簡(jiǎn)單、解耦、分布式架構(gòu)的特色,可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信及多播功能,無需通過中介設(shè)備,也因此可消除因單一節(jié)點(diǎn)故障造成的網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間,對(duì)于需要高度時(shí)間決定性的應(yīng)用系統(tǒng)而言,DDS可提供絕佳的可靠性和可擴(kuò)展性。
系統(tǒng)會(huì)紀(jì)錄生產(chǎn)在線的產(chǎn)量與零件使用,并就生產(chǎn)過程中的半成品進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)分析,就各生產(chǎn)系數(shù)、所有會(huì)影響質(zhì)量和安全的因素進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)告。用戶并可自行設(shè)定警戒系統(tǒng)的警戒參數(shù)。
一旦有警報(bào)發(fā)布,會(huì)馬上上傳通知給管理系統(tǒng)以及所有受影響的工作站,讓相關(guān)人員或工作站采取適當(dāng)措施,避免錯(cuò)誤的操作持續(xù)下去而造成生產(chǎn)線癱瘓或停擺。
當(dāng)系統(tǒng)累積到足夠的歷史數(shù)據(jù),即可開發(fā)問題預(yù)警功能,從而協(xié)助產(chǎn)生主動(dòng)的、先發(fā)的維修作業(yè),避免設(shè)備在操作中發(fā)生故障,防止宕機(jī)或?qū)㈠礄C(jī)時(shí)間縮到最短。
同時(shí),通過積累品管檢測(cè)的數(shù)據(jù),系統(tǒng)還可產(chǎn)生模式來改善檢測(cè)準(zhǔn)確度,避免因錯(cuò)誤的檢測(cè)而造成的生產(chǎn)上的損失,進(jìn)而能改善產(chǎn)品良率。
■關(guān)于凌華
凌華科技憑借其產(chǎn)品和平臺(tái),引領(lǐng)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)。無論是互聯(lián)網(wǎng)還是企業(yè) IT/OT網(wǎng)絡(luò),凌華科技都可以為您提供網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算的能力。為了滿足數(shù)據(jù)決策(Data-to-Decisions)的主要目標(biāo),凌華科技提供了相應(yīng)的解決方案,不僅能夠?yàn)楣I(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)應(yīng)用提供互聯(lián)互通的解決方案,而且還能簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)、開發(fā)和部署。
通過整合卓越的計(jì)算能力,堅(jiān)固耐用的設(shè)計(jì),高可用性和工業(yè)I/O,凌華科技已經(jīng)在業(yè)界建立起自己的品牌優(yōu)勢(shì),可提供高可靠、高質(zhì)量和高性價(jià)比的產(chǎn)品和解決方案,幫助全球客戶縮短產(chǎn)品上市時(shí)間(TTM),同時(shí)通過客制化和系統(tǒng)集成的優(yōu)勢(shì),為客戶有效降低總體擁有成本(TCO),保持低制造成本并延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期。
凌華科技是Intel. Internet of Things Solutions聯(lián)盟高級(jí)會(huì)員(PremierMember),并且積極參與多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織,包括PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)(PICMG.),PXI系統(tǒng)聯(lián)盟(PXISA),VMEBus國(guó)際貿(mào)易協(xié)會(huì)(VITA),嵌入式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織(SGeT),歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)和開放計(jì)算項(xiàng)目(OCP)組織。
凌華科技是一家可提供本地化服務(wù)的全球性企業(yè),總部位于中國(guó)臺(tái)灣,在臺(tái)灣和上海設(shè)有生產(chǎn)制造中心,研發(fā)與整合事業(yè)則位于中國(guó)臺(tái)灣、中國(guó)、美國(guó)、德國(guó);銷售與服務(wù)支持據(jù)點(diǎn)遍及世界各地。凌華科技通過了ISO-9001、ISO-14001、ISO-13485與TL9000認(rèn)證,并已成為臺(tái)灣證券交易所的上市公司(股票代號(hào):6166)。凌華科技的產(chǎn)品遍布5大洲40多個(gè)國(guó)家,提供遍布全球的分銷網(wǎng)絡(luò)和辦事處,全球員工人數(shù)超過1600人。
■關(guān)于Intel.物聯(lián)網(wǎng)解決方案聯(lián)盟(Intel. Internet of Things Solution Alliance)
凌華科技為Intel.物聯(lián)網(wǎng)解決方案聯(lián)盟高級(jí)會(huì)員(Premier)。Intel.與該聯(lián)盟全球400余個(gè)會(huì)員合力提供具有可擴(kuò)展的、可互操作的物聯(lián)網(wǎng)解決方案,產(chǎn)品涵蓋模塊化組件到現(xiàn)成的系統(tǒng),可加速智能設(shè)備和端到端分析的部署。聯(lián)盟會(huì)員通過與Intel.及其他成員的密切合作,以最新的技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新,可協(xié)助系統(tǒng)開發(fā)商提供市場(chǎng)最新最快的解決方案。詳情請(qǐng)見:intel.com/iotsolutionsalliance
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