化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)《化工儀表及自動化》教學(xué)大綱

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1、 化學(xué)化工學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)《化工儀表及自動化》教學(xué)大綱 一、說 明 適用專業(yè) 應(yīng)用化學(xué) 先修課程 大學(xué)物理、化工原理、電子電工學(xué) 總學(xué)時 48(32+16) 總學(xué)分 2.5 (一)本課程的目的、要求 化工儀表及自動化是從自動控制系統(tǒng)的基本概念入手,系統(tǒng)講述構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的各個基本環(huán)節(jié),包括被控對象、測量元件及變送器、顯示儀表、自動控制儀表、執(zhí)行器等;以及簡單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)與新型控制系統(tǒng)。 通過對本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)能了解化工自動化的基本知識,理解自動控制系統(tǒng)的組成、基本原理及各環(huán)節(jié)的作用;能根據(jù)工藝要求,與自控設(shè)計(jì)人員共同討論和提出合理的自動控制方

2、案;能在工藝設(shè)計(jì)和技術(shù)改造中,與自控設(shè)計(jì)人員合作,綜合考慮工藝與控制兩個方面,并為自控設(shè)計(jì)人員提供正確的工藝條件與數(shù)據(jù);能了解化工對象的基本特性及其對控制過程的影響;能了解基本控制規(guī)律及其控制器參數(shù)與被控過程的控制質(zhì)量之間的關(guān)系;能了解主要工藝參數(shù)(溫度、壓力、流量及物位)的基本測量方法和儀表的工作原理及其特點(diǎn);在生產(chǎn)控制、管理和調(diào)度中,能正確地選用和使用常用的測量儀表和控制裝置,使它們充分發(fā)揮作用;能在生產(chǎn)開停過程中,初步掌握自動控制系統(tǒng)的投運(yùn)及控制器的參數(shù)整定;能在自動控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中,發(fā)現(xiàn)和分析出現(xiàn)的一些問題和現(xiàn)象,以便提出正確的解決方法;能在處理各類技術(shù)問題時,應(yīng)用一些控制論、系統(tǒng)論

3、、信息論的觀點(diǎn)來分析思考,尋求考慮整體條件、考慮事物間相互關(guān)聯(lián)的綜合解決方法。 (二)內(nèi)容選取和實(shí)施中注意的問題 本課程總學(xué)時為48學(xué)時,其中理論課32學(xué)時,同時為了使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際,幫助學(xué)生掌握所學(xué)內(nèi)容,安排16學(xué)時的實(shí)驗(yàn)課。理論課應(yīng)注意典型儀表及原理的詳細(xì)講解與一些先進(jìn)儀表發(fā)展方向的了解相結(jié)合;其中典型化工單元的控制方案對應(yīng)化專業(yè)不要求。實(shí)驗(yàn)課程以實(shí)驗(yàn)為主,并安排一定量的習(xí)題。 (三)教學(xué)方法 本課程的教學(xué)內(nèi)容通過課堂教學(xué)、習(xí)題訓(xùn)練、現(xiàn)場參觀等教學(xué)形式來全面掌握。通過主講老師講授、同學(xué)們討論、上習(xí)題課的方式進(jìn)行。采用多種教學(xué)方式與教學(xué)手段相結(jié)合。注意把理論與開設(shè)的實(shí)驗(yàn)配套講解。

4、 (四)考核方式 本課程為考察課,平時成績及作業(yè)40%+實(shí)驗(yàn)成績40%+期末化工自動化單元小設(shè)計(jì)20%;滿分100分。 (五)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時分配 教學(xué)章節(jié) 教學(xué)內(nèi)容 學(xué)時安排 備注 1 自動控制系統(tǒng)的基本概念 3 2 過程特性及數(shù)學(xué)模型 3 3 檢測儀表及傳感器 9 4 自動控制儀表 3 5 執(zhí)行器 3 6 簡單控制系統(tǒng) 4 7 復(fù)雜控制系統(tǒng) 6 8 新型控制系統(tǒng) 1 二、大 綱 內(nèi) 容 第一章 自動控制系統(tǒng)的基本概念 1. 自動控制系統(tǒng)的組成 2. 自動控制系統(tǒng)的方塊圖 3. 過渡

5、過程和品質(zhì)指標(biāo) 說明與要求: (1) 掌握自動控制系統(tǒng)的組成,了解各組成部分的作用以及相互影響和聯(lián)系; (2) 理解自動控制系統(tǒng)中常用的各種術(shù)語,掌握方塊圖的意義及畫法; (3) 熟悉管道及控制流程圖上常用符號的意義; (4) 了解控制系統(tǒng)的幾種分類形式,掌握系統(tǒng)的動態(tài)與靜態(tài); (5) 掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)在階躍干擾(擾動)作用下,過渡過程的幾種基本形式及過渡過程品質(zhì)指標(biāo)的含義。 教學(xué)重點(diǎn): 自動控制系統(tǒng)的組成及各環(huán)節(jié)作用,自動控制系統(tǒng)組成方塊圖,自動控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)。 教學(xué)難點(diǎn): 自動控制系統(tǒng)的過渡過程 第二章 過程特性及數(shù)學(xué)模型 1. 數(shù)學(xué)模型及描述方法 2.

6、機(jī)理建模 3. 描述對象特性的參數(shù) 4. 實(shí)測建模 說明與要求: (1) 了解建立被控對象數(shù)學(xué)模型的意義及數(shù)學(xué)模型的建立方法; (2) 掌握用機(jī)理建模的方法建立簡單對象數(shù)學(xué)模型; (3) 掌握表征被控對象特性的三個參數(shù),包括放大系數(shù)、時間常數(shù)、滯后時間的物理意義及其對控制質(zhì)量的影響; (4) 了解被控對象特性的實(shí)驗(yàn)測定方法。 教學(xué)重點(diǎn): 一階對象、二階對象特性參數(shù)K、T、τ含義及其對控制過程的影響。 教學(xué)難點(diǎn): 對象數(shù)學(xué)模型建立的機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模,一階對象、二階對象特性參數(shù)K、T、τ含義及其對控制過程的影響。 第三章 檢測儀表及傳感器 3.1 檢測儀表基本知識

7、 1. 測量過程與測量誤差 2. 檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo) 3. 檢測系統(tǒng)中的常見信號類型 4. 檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式 5. 檢測儀表與測量方法的分類 6. 化工檢測的發(fā)展趨勢 說明與要求: (1) 了解化工檢測的發(fā)展趨勢; (2) 理解測量過程與測量誤差,檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo); (3) 掌握檢測系統(tǒng)中的常見信號類型、檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式、檢測儀表與測量方法的分類。 教學(xué)重點(diǎn): 測量誤差、檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)、常見信號類型、信號傳遞形式。 教學(xué)難點(diǎn): 測量誤差分析、檢測儀表品質(zhì)指標(biāo)的計(jì)算確定、檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式。 3.2 壓力檢測 1. 壓力單位及測壓

8、儀表 2. 彈性式壓力計(jì) 3. 電氣式壓力計(jì) 4. 智能式變送器 5. 壓力計(jì)的選用及安裝 說明與要求: (1) 了解壓力單位及測壓儀表; (2) 理解并掌握各類壓力計(jì)的機(jī)構(gòu)原理和工作原理; (3) 掌握壓力計(jì)的選用及安裝。 教學(xué)重點(diǎn): 彈性式壓力計(jì)、電氣式壓力計(jì)的測壓原理。 教學(xué)難點(diǎn): 壓力計(jì)的選用及安裝。 3.3 流量檢測 1. 差壓式流量計(jì) 2. 轉(zhuǎn)子流量計(jì) 3. 漩渦流量計(jì) 4. 質(zhì)量流量計(jì) 5. 其他流量計(jì) 說明與要求: (1) 了解節(jié)流現(xiàn)象與流量基本方程式; (2) 理解各類流量計(jì)的機(jī)構(gòu)原理和工作原理; (3) 掌握差壓式流量計(jì)和轉(zhuǎn)

9、子流量計(jì)工作原理。 教學(xué)重點(diǎn): 各類流量計(jì)的測量原理和方法,流量變送器的工作原理。 教學(xué)難點(diǎn): 差壓式流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、橢圓齒輪流量計(jì)工作原理分析。 3.4 物位檢測 1. 物位檢測的意義及主要類型 2. 差壓式液位計(jì) 3. 其他物位計(jì) 說明與要求: (1) 了解物位檢測的意義及主要類型; (2) 理解零點(diǎn)遷移的原理并掌握具體的計(jì)算方法; (3) 掌握各類液位測量儀表的測量原理和使用場合。 教學(xué)重點(diǎn): 差壓式液位計(jì)和零點(diǎn)遷移問題。 教學(xué)難點(diǎn): 法蘭式差壓變送器測量液位和零點(diǎn)遷移的判斷及計(jì)算。 3.5 溫度檢測 1. 概述 2. 熱

10、電偶溫度計(jì) 3. 熱電阻溫度計(jì) 4. 溫度變送器 說明與要求: (1) 了解測溫儀表的分類和溫度檢測的基本原理; (2) 理解熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)、溫度變送器的測量原理; (3) 掌握補(bǔ)償導(dǎo)線與冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒跋嚓P(guān)計(jì)算,溫度變送器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳的方法。 教學(xué)重點(diǎn): 熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)、溫度變送器的測量原理。溫度補(bǔ)償理論及方法。 教學(xué)難點(diǎn): 熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)、溫度變送器工作過程的線路分析。 3.6 顯示儀表 1. 模擬式顯示儀表 2. 數(shù)字式顯示儀表 3. 新型顯示儀表 說明與要求: (1) 了解新型顯示儀表的發(fā)展趨勢; (2) 理解

11、模擬式顯示儀表原理以及工作原理分析; (3) 掌握自動平衡電子電位差計(jì)、電子自動平衡電橋和數(shù)字式顯示儀表的工作原理。 教學(xué)重點(diǎn): 自動平衡電子電位差計(jì)、電子自動平衡電橋和數(shù)字式顯示儀表的結(jié)構(gòu)原理和工作原理。 教學(xué)難點(diǎn): 平衡電子電位差計(jì)、電子自動平衡電橋和數(shù)字式顯示儀表的原理分析。 第四章 自動控制儀表 1. 控制儀表的作用與分類 2. 模擬式控制儀表 3. 數(shù)字式控制儀表 說明與要求: 了解自動控制儀表作用與分類,了解模擬式電動控制器的基本構(gòu)成原理及各部分組成,掌握單回路數(shù)字控制器、可編程序控制器的基本情況。 教學(xué)重點(diǎn): DDZ-III型電動調(diào)節(jié)器、可編程調(diào)節(jié)

12、器的基本構(gòu)成及原理。 教學(xué)難點(diǎn): 控制儀表的原理分析,KMM可編程調(diào)節(jié)器的實(shí)際運(yùn)用。 第五章 執(zhí)行器 1. 氣動執(zhí)行器 2. 閥門定位器與電-氣轉(zhuǎn)換器 3. 電動執(zhí)行器 說明與要求: (1) 了解執(zhí)行器的作用及種類,理解氣動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與工作原理, (2) 掌握執(zhí)行機(jī)構(gòu)正反作用、控制機(jī)構(gòu)正反裝、執(zhí)行器氣開氣關(guān)形式及其選擇,理解控制閥的流量特性及其種類,了解電動執(zhí)行器的組成及作用。 教學(xué)重點(diǎn): 氣動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與工作原理,執(zhí)行器氣開氣關(guān)形式及其選擇,控制閥的流量特性及其種類。 教學(xué)難點(diǎn): 控制閥的流量特性,電動執(zhí)行器 第六章 簡單控制系統(tǒng) 1. 概述

13、2. 被控變量的選擇 3. 操縱變量的選擇 4. 控制器控制規(guī)律的選擇及參數(shù)整定 5. 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及操作中的常見問題 說明與要求: (1) 了解簡單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成及作用; (2) 掌握簡單控制系統(tǒng)中被控變量、操縱變量選擇的一般原則; (3) 了解各種基本控制規(guī)律的特點(diǎn)及應(yīng)用場合; (4) 掌握控制器正、反作用確定的方法; (5) 掌握控制器參數(shù)工程整定的方法。 教學(xué)重點(diǎn): 被控變量、操縱變量的選擇??刂破骺刂埔?guī)律的選擇及參數(shù)整定。 教學(xué)難點(diǎn): 控制器參數(shù)的整定方法,控制系統(tǒng)操作中的常見問題的分析及解決。 第七章 復(fù)雜控制系統(tǒng) 1. 串級控制系統(tǒng)

14、2. 其他復(fù)雜控制系統(tǒng) 說明與要求: (1) 掌握串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作過程、特點(diǎn)及應(yīng)用場合; (2) 掌握串級控制系統(tǒng)中副變量的確定及主、副控制器正反作用的選擇; (3)了解串級控制系統(tǒng)中主副控制器參數(shù)的工程整定方法; (4) 理解設(shè)置均勻控制系統(tǒng)的目的及控制方案。 (5) 了解比值控制系統(tǒng)的各種類型,掌握單閉環(huán)比值控制方案的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn); (6) 掌握前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用場合; (7) 理解連續(xù)型選擇性控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制方案,了解開關(guān)型選擇性控制系統(tǒng),了解積分飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生及防止方法; (8) 理解分程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用場合; (9) 了解多沖量控制系

15、統(tǒng)的意義,理解三沖量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 教學(xué)重點(diǎn): 串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用。主、副控制器控制規(guī)律的選擇。主、副控制器正反作用的選擇??刂破鲄?shù)整定與系統(tǒng)投運(yùn)。 教學(xué)難點(diǎn): 根據(jù)實(shí)際情況控制規(guī)律的選擇。控制器正反作用的選擇??刂破鲄?shù)整定方法與系統(tǒng)投運(yùn)。 第八章 新型控制系統(tǒng) 1. 自適應(yīng)控制系統(tǒng) 2. 預(yù)測控制系統(tǒng) 3. 智能控制系統(tǒng) 4. 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制 5. 模糊控制系統(tǒng) 6. 最優(yōu)控制系統(tǒng) 7. 控制管理一體化 教學(xué)要求: (1) 了解自適應(yīng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、用途及主要類型; (2) 了解預(yù)測控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)與專家系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)額基本概念;

16、 (3) 對神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、故障檢測與故障診斷的基本概念有所了解。 教學(xué)重點(diǎn): 新型控制系統(tǒng)的類型及用途,以及未來新型控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 教學(xué)難點(diǎn): 各類新型控制系統(tǒng)的控制原理。 三、教材和主要參考書 教材: 厲玉鳴. 化工儀表及自動化(第五版). 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011. 主要參考書: 1.孫自強(qiáng).生產(chǎn)過程自動化及儀表. 上海:華東理工大學(xué)出版社,1999. 2. 樂建波. 化工儀表及自動化(第二版). 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005. 修訂/制定人:李梅生 審核人: 修訂/制定日期: 2013 年 09月 附實(shí)驗(yàn)大綱:

17、一、說 明 (一)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要? 1. 本實(shí)驗(yàn)是為配合《化工儀表及自動化》課程的課題教學(xué)開設(shè)的。通過實(shí)驗(yàn)操作,使學(xué)生加深對《化工儀表及自動化》課程內(nèi)容的理解,掌握教學(xué)大綱要求的相關(guān)內(nèi)容,在提高理性認(rèn)識的同時增加感性認(rèn)識,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力。 2. 掌握化工生產(chǎn)過程主要參數(shù)(溫度、壓力、流量、物位等)測量裝置的工作原理,使用方法。 3. 掌握化工生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)中主要控制設(shè)備及裝置的構(gòu)成及工作原理。 4. 掌握自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理及控制系統(tǒng)的投運(yùn)過程。 5. 了解自動控制系統(tǒng)的仿真技術(shù)及其使用方法。 (二)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選取和實(shí)施中注意的問題 本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選取根據(jù)理論課所學(xué)

18、內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)課時數(shù)選取四個典型的實(shí)驗(yàn),盡量含蓋所學(xué)內(nèi)容,使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際,幫助學(xué)生掌握所學(xué)內(nèi)容。同時選取一些選做實(shí)驗(yàn),學(xué)生根據(jù)自己的興趣課余選取完成,選做實(shí)驗(yàn)不做強(qiáng)性要求。本課程以實(shí)驗(yàn)為主。 (三)考核方式與要求 采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的評定方法,滿分100分,具體為:預(yù)習(xí)占20%,實(shí)驗(yàn)操作占40%,實(shí)驗(yàn)報(bào)告占40%。 (四)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與時數(shù)安排 序號 實(shí)驗(yàn)名稱 教學(xué)時數(shù) 備注 1 單容自蘅水箱液位特性測試實(shí)驗(yàn) 4 必做 2 雙容水箱特性的測試 4 必做 3 上下水箱液位串級控制 4 必做 4 單容液位定值控制系統(tǒng) 4 必做 5 鍋爐內(nèi)膽水溫定值控

19、制系統(tǒng) 4 選做 6 鍋爐內(nèi)膽溫度特性的測試 4 選做 7 單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng) 4 選做 8 下水箱液位前饋-反饋控制系統(tǒng) 4 選做 9 盤管出水口溫度滯后控制系統(tǒng) 4 選做 二、實(shí) 驗(yàn) 內(nèi) 容 實(shí)驗(yàn)一 :單容自蘅水箱液位特性測試實(shí)驗(yàn) 1. 掌握單容水箱的階躍響應(yīng)測試方法; 2. 掌握同一控制系統(tǒng)采用不同的控制方案的實(shí)驗(yàn)過程。 說明和要求: 首先了解實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)和組成;觀察試驗(yàn)裝置中各種儀表,記錄各種儀表的規(guī)格并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 實(shí)驗(yàn)二:雙容水箱特性的測試 1. 掌握雙容水箱的階躍響應(yīng)測試方法; 2. 掌握同一控制系統(tǒng)采用不同

20、的控制方案的實(shí)驗(yàn)過程。 說明和要求: 詳細(xì)記錄測試數(shù)據(jù),畫出特性曲線圖,完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 實(shí)驗(yàn)三:上下水箱液位串級控制 1. 了解復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的構(gòu)成; 2. 掌握復(fù)雜過程控制一—串級控制方法; 3. 控制要求:超調(diào)量σ<20%,調(diào)節(jié)時間Ts≤3T,余差<5%。 說明和要求: 學(xué)會水箱液位串級控制操作,詳細(xì)記錄測試數(shù)據(jù),完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 實(shí)驗(yàn)四:單容液位定值控制系統(tǒng) 1. 了解簡單過程控制系統(tǒng)的構(gòu)成; 2. 掌握簡單過程控制的原理; 3. 控制要求:超調(diào)量σ<20%,調(diào)節(jié)時間Ts≤3T,余差<5%。 說明和要求: 詳細(xì)記錄測試數(shù)據(jù),畫出定值控制特性曲

21、線圖,完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 實(shí)驗(yàn)五:鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)(選做) 1. 了解單回路溫度控制系統(tǒng)的組成及工作原理; 2. 研究P、PI、PD和PID四種調(diào)節(jié)器分別對溫度系統(tǒng)的控制作用; 3. 分析動態(tài)水溫與靜態(tài)水溫在控制效果上有何不同。 說明和要求: 詳細(xì)記錄測試數(shù)據(jù),畫出單回路溫度控制定值控制特性曲線圖,完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 實(shí)驗(yàn)六:鍋爐內(nèi)膽溫度特性的測試(選做) 1. 了解鍋爐內(nèi)膽溫度特性測試系統(tǒng)的組成原理; 2. 掌握鍋爐內(nèi)膽溫度特性的測試方法。 說明和要求: 詳細(xì)記錄測試數(shù)據(jù),畫出特性曲線圖,完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 實(shí)驗(yàn)七:單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)(選做) 1. 了解

22、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)組成; 2. 掌握比值計(jì)算方法;掌握比值控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定和投運(yùn)方法。 說明和要求: 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告及實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 實(shí)驗(yàn)八:下水箱液位前饋-反饋控制系統(tǒng)(選做) 1. 了解液位前饋-反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理; 2. 掌握前饋補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)與調(diào)試; 3. 掌握前饋-反饋控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定和投運(yùn)方法。 說明和要求: 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告及實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 實(shí)驗(yàn)九:盤管出水口溫度滯后控制系統(tǒng)(選做) 1. 認(rèn)識滯后的形成,及其對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響; 2. 掌握滯后控制系統(tǒng)的常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法。 說明和要求: 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告及實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 三、實(shí)驗(yàn)教材和主要參考書 教材: 應(yīng)化教研室. 化工儀表及自動化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書. 自編.2006. 主要參考書: 1. 厲玉鳴. 化工儀表及自動化(第五版). 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011. 2.鐘漢武主編.化工儀表及自動化實(shí)驗(yàn).北京.化學(xué)工業(yè)出版社.1999.

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