一、礦山帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)
帶式輸送機(jī)是礦山生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)暮诵难b備，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)采礦作業(yè)的連續(xù)性與安全性。隨著礦山向大型化、長(zhǎng)距離方向發(fā)展，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)在工程應(yīng)用中面臨一系列技術(shù)制約。
長(zhǎng)距離分布式監(jiān)控的通信與同步難題
礦山主運(yùn)輸巷道往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里，沿線(xiàn)分布多個(gè)驅(qū)動(dòng)站、轉(zhuǎn)載點(diǎn)和大量保護(hù)裝置（拉繩開(kāi)關(guān)、跑偏傳感器、打滑檢測(cè)等）。傳統(tǒng)采用多臺(tái)PLC分段控制、依靠工業(yè)交換機(jī)級(jí)聯(lián)通信的方式，存在數(shù)據(jù)同步性差、故障時(shí)難以準(zhǔn)確定位的問(wèn)題。各段控制系統(tǒng)時(shí)鐘獨(dú)立，全線(xiàn)聯(lián)動(dòng)停機(jī)需要依賴(lài)復(fù)雜的聯(lián)鎖邏輯，響應(yīng)時(shí)間不確定。研究指出，帶式輸送機(jī)存在28大類(lèi)故障風(fēng)險(xiǎn)，需要覆蓋全線(xiàn)的實(shí)時(shí)感知與協(xié)同控制能力。
海量安全信號(hào)的可靠采集與實(shí)時(shí)響應(yīng)
輸送機(jī)沿線(xiàn)每隔數(shù)十米就需布置拉繩開(kāi)關(guān)和跑偏傳感器，一條數(shù)公里長(zhǎng)的輸送線(xiàn)可能涉及數(shù)百個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)點(diǎn)。傳統(tǒng)方案將這些信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)電纜直接引入中央控制柜，不僅布線(xiàn)成本高、施工周期長(zhǎng)，而且長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)易受電磁干擾，在潮濕、粉塵惡劣環(huán)境下故障率較高。拉繩開(kāi)關(guān)觸發(fā)后需在數(shù)百毫秒內(nèi)完成緊急停機(jī)，信號(hào)傳輸延遲將直接影響人員與設(shè)備安全。
關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段缺失，維護(hù)模式被動(dòng)
滾筒軸承、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)部件是輸送機(jī)的高故障風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。傳統(tǒng)維護(hù)以定期巡檢和事后維修為主，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期故障征兆。突發(fā)軸承卡死可能引發(fā)火災(zāi)或皮帶斷裂等重大事故。研究顯示，基于傳感器和物聯(lián)網(wǎng)的故障診斷系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)皮帶跑偏、打滑、撕裂等故障，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警。將振動(dòng)監(jiān)測(cè)納入控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修（CBM）已成為行業(yè)趨勢(shì)。
設(shè)備調(diào)試與參數(shù)維護(hù)的工作量大
輸送機(jī)沿線(xiàn)眾多IO從站需要逐個(gè)配置地址、設(shè)定參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試周期長(zhǎng)，且容易因人為設(shè)置錯(cuò)誤導(dǎo)致通信故障或信號(hào)誤報(bào)。換產(chǎn)或技術(shù)改造時(shí)，參數(shù)維護(hù)同樣面臨繁瑣的工作量。
二、解決方案概述：基于BL370的光纖環(huán)網(wǎng)一體化監(jiān)控平臺(tái)
本方案以ARMxy BL370系列邊緣工業(yè)計(jì)算機(jī)為核心，結(jié)合EtherCAT光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)覆蓋全線(xiàn)、實(shí)時(shí)同步、智能預(yù)警的帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
統(tǒng)一控制核心：采用BL372B作為主控制器。其異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)實(shí)現(xiàn)任務(wù)分工：四核ARM Cortex-A53處理器運(yùn)行Linux系統(tǒng)，承載振動(dòng)數(shù)據(jù)分析、健康狀態(tài)評(píng)估、數(shù)據(jù)通信和報(bào)警推送等上層應(yīng)用；獨(dú)立的ARM Cortex-M0內(nèi)核，在Linux-RT-5.10.198實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的調(diào)度下，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)EtherCAT環(huán)網(wǎng)通信管理、安全信號(hào)實(shí)時(shí)響應(yīng)和振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集。
基于EtherCAT的光纖冗余環(huán)網(wǎng)：通過(guò)內(nèi)置的IgH EtherCAT主站，配合工業(yè)級(jí)光纖介質(zhì)轉(zhuǎn)換器（如Beckhoff CU1521系列），構(gòu)建覆蓋全線(xiàn)驅(qū)動(dòng)站、轉(zhuǎn)載點(diǎn)、沿線(xiàn)保護(hù)裝置的光纖冗余環(huán)網(wǎng)。光纖傳輸具有抗電磁干擾、傳輸距離遠(yuǎn)（多模光纖可達(dá)2km，單�？蛇_(dá)20km以上）、帶寬高等優(yōu)勢(shì)，特別適合礦山復(fù)雜電磁環(huán)境下的長(zhǎng)距離通信。環(huán)網(wǎng)拓?fù)淇稍谌我还?jié)點(diǎn)斷線(xiàn)時(shí)自動(dòng)愈合，保障系統(tǒng)通信的可靠性。
分布式IO就近采集：在沿線(xiàn)各關(guān)鍵位置（如驅(qū)動(dòng)站、每隔數(shù)百米的接線(xiàn)盒）部署EtherCAT分布式IO站，站內(nèi)配置X系列數(shù)字量模塊就近接入拉繩開(kāi)關(guān)、跑偏傳感器等安全信號(hào)，配置Y37振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊就近采集滾筒軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)，大幅縮短信號(hào)傳輸距離，提高抗干擾能力。
軟件定義智能運(yùn)維：通過(guò)上層軟件工具，將全線(xiàn)安全信號(hào)集中監(jiān)控、振動(dòng)趨勢(shì)分析與預(yù)測(cè)預(yù)警、遠(yuǎn)程告警推送等功能融于一體。
三、具體IO需求與模塊化選型配置
礦山帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)IO點(diǎn)數(shù)的需求量較大，且對(duì)特定信號(hào)的處理有專(zhuān)門(mén)要求。
1. 核心控制單元選型
主控制器：BL372B（3×EtherCAT網(wǎng)口，1×X板槽，2×Y板槽）。網(wǎng)口一連接光纖環(huán)網(wǎng)，接入沿線(xiàn)所有驅(qū)動(dòng)站和IO從站；網(wǎng)口二可預(yù)留或連接本地操作站；網(wǎng)口三接入礦區(qū)工業(yè)以太網(wǎng)，用于與中控室SCADA系統(tǒng)通信。
處理核心：SOM372（RK3562J，32GB eMMC，4GB LPDDR4X），為存儲(chǔ)振動(dòng)特征數(shù)據(jù)、歷史報(bào)警記錄和運(yùn)行日志提供充足容量。
操作系統(tǒng)：Linux-RT-5.10.198內(nèi)核，保障環(huán)網(wǎng)通信周期和振動(dòng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。
2. 分布式IO配置策略與選型
推薦采用“主控+分布式EtherCAT IO站”的架構(gòu)。根據(jù)輸送線(xiàn)長(zhǎng)度和監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度，分段部署多個(gè)IO站。
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功能區(qū)域
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信號(hào)需求
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選型型號(hào)
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功能說(shuō)明與配置建議
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沿線(xiàn)安全信號(hào)采集
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數(shù)字輸入（DI），接入沿線(xiàn)的拉繩開(kāi)關(guān)、兩級(jí)跑偏開(kāi)關(guān)、打滑檢測(cè)、堵料開(kāi)關(guān)等保護(hù)裝置信號(hào)。每數(shù)十米需接入一組信號(hào)。
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X14板（4路高速DI模塊）或 X23板（4DI+4DO）
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在沿線(xiàn)每隔200-300米部署一個(gè)IO站，根據(jù)該段內(nèi)保護(hù)裝置的數(shù)量配置X系列DI模塊。高速DI模塊的低延遲特性有助于確保緊急停機(jī)信號(hào)的快速響應(yīng)。
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驅(qū)動(dòng)站狀態(tài)監(jiān)測(cè)
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數(shù)字輸入（DI）：電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、制動(dòng)器狀態(tài)、油位開(kāi)關(guān)、冷卻風(fēng)機(jī)狀態(tài)等。數(shù)字輸出（DO）：控制電機(jī)啟停、制動(dòng)器動(dòng)作、報(bào)警指示等。
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組合使用 Y11/Y12板（8DI）、Y21/Y22板（8DO）、X23板（DI/DO）
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根據(jù)驅(qū)動(dòng)站的實(shí)際點(diǎn)數(shù)靈活配置，集中處理驅(qū)動(dòng)站邏輯控制與狀態(tài)反饋。
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滾筒軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)
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IEPE（集成電路壓電）型振動(dòng)加速度傳感器信號(hào)輸入。此類(lèi)傳感器用于測(cè)量軸承座的振動(dòng)加速度，是評(píng)估旋轉(zhuǎn)設(shè)備健康狀態(tài)的關(guān)鍵手段。通用型工業(yè)振動(dòng)傳感器典型靈敏度為100 mV/g，頻率響應(yīng)范圍1 Hz - 12 kHz。
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Y37板（4路IEPE測(cè)量模塊）
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在關(guān)鍵滾筒（如驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒）軸承座安裝IEPE加速度傳感器，通過(guò)Y37板為其提供恒流源并采集振動(dòng)信號(hào)�？刂破骺蓪�(duì)原始振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，提取時(shí)域指標(biāo)（峰值、有效值）和頻域特征，用于軸承故障的早期診斷和趨勢(shì)分析。
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擴(kuò)展監(jiān)測(cè)
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模擬量輸入（AI）：電機(jī)繞組溫度、環(huán)境溫度等。
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Y31板（4-20mA AI模塊）
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用于設(shè)備健康監(jiān)測(cè)的輔助信號(hào)采集。
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3. 軟件功能實(shí)現(xiàn)
QuickConfig快速配置沿線(xiàn)IO從站：該工具提供批量配置界面，用于管理沿線(xiàn)眾多EtherCAT IO從站的地址與功能參數(shù)。主要功能包括：
自動(dòng)掃描與拓?fù)渥R(shí)別：接入環(huán)網(wǎng)后自動(dòng)掃描沿線(xiàn)所有IO站，生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。
批量地址分配：在界面中統(tǒng)一對(duì)各從站進(jìn)行編號(hào)和地址分配，無(wú)需逐個(gè)手動(dòng)撥碼。
功能參數(shù)模板化：將同類(lèi)站點(diǎn)（如標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)站）的IO通道配置保存為模板，新建站點(diǎn)時(shí)一鍵應(yīng)用，大幅減少重復(fù)配置工作。
配置下發(fā)與驗(yàn)證：批量將配置參數(shù)下發(fā)至各從站，并自動(dòng)校驗(yàn)通信狀態(tài)，確保全線(xiàn)IO系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確就緒。
BLIoTLink實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)推送與遠(yuǎn)程告警：BLIoTLink作為數(shù)據(jù)代理，持續(xù)從控制器內(nèi)部采集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括：
全線(xiàn)安全報(bào)警信號(hào)（拉繩觸發(fā)、跑偏超限、打滑故障）及發(fā)生位置。
設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（電機(jī)啟停、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、電流負(fù)載）。
Y37板采集的振動(dòng)特征數(shù)據(jù)（有效值趨勢(shì)、峰值預(yù)警）。
BLIoTLink將這些數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)MQTT協(xié)議推送至中控室SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。同時(shí)，可通過(guò)控制器Mini PCIe接口擴(kuò)展4G模塊，在發(fā)生重大報(bào)警（如緊急拉繩、重故障停機(jī)）時(shí)，立即向值班人員手機(jī)發(fā)送告警短信或APP推送，確保無(wú)人值守時(shí)段也能及時(shí)響應(yīng)。
預(yù)測(cè)性維護(hù)與健康狀態(tài)評(píng)估：基于Y37板長(zhǎng)期采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)和電機(jī)電流、溫度等多源信息，系統(tǒng)可構(gòu)建輸送機(jī)關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)評(píng)估模型。相關(guān)研究表明，結(jié)合聚類(lèi)算法和深度學(xué)習(xí)模型能夠有效評(píng)估設(shè)備健康狀態(tài)。當(dāng)振動(dòng)特征偏離基線(xiàn)或出現(xiàn)特定故障頻率時(shí)，系統(tǒng)提前預(yù)警軸承故障風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)維檢工作從被動(dòng)搶修向主動(dòng)預(yù)防轉(zhuǎn)變，研究表明傳感器監(jiān)測(cè)可將連續(xù)輸送可用率從傳統(tǒng)運(yùn)維的80%提升至90%以上。
四、集成化方案的技術(shù)特點(diǎn)分析
相較于傳統(tǒng)“多臺(tái)PLC分段控制+獨(dú)立振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”的分散式架構(gòu)，本一體化方案在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)。
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對(duì)比維度
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傳統(tǒng)礦山輸送機(jī)監(jiān)控方案
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基于BL370與模塊化IO的集成方案
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技術(shù)特點(diǎn)分析
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系統(tǒng)架構(gòu)與同步性
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多臺(tái)PLC分段控制，時(shí)鐘獨(dú)立，通過(guò)交換機(jī)級(jí)聯(lián)通信，全線(xiàn)同步響應(yīng)存在延遲。
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統(tǒng)一時(shí)鐘、光纖環(huán)網(wǎng)。全線(xiàn)所有IO站和驅(qū)動(dòng)站接入同一EtherCAT環(huán)網(wǎng)，分布式時(shí)鐘機(jī)制實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)同步，任一信號(hào)觸發(fā)可同時(shí)聯(lián)動(dòng)全線(xiàn)。
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為長(zhǎng)距離輸送線(xiàn)提供了統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)和高實(shí)時(shí)性響應(yīng)能力，有利于提升緊急停機(jī)聯(lián)鎖的可靠性。
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安全信號(hào)處理路徑
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長(zhǎng)電纜直接接入中央柜，信號(hào)衰減大，易受干擾，故障點(diǎn)排查困難。
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分布式就近采集。X系列DI模塊安裝于沿線(xiàn)IO站，信號(hào)本地捕獲后通過(guò)光纖數(shù)字鏈路傳輸，抗干擾能力強(qiáng)。
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提高了微弱開(kāi)關(guān)信號(hào)的可靠性，減少了電纜長(zhǎng)度和故障點(diǎn)。
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狀態(tài)監(jiān)測(cè)集成度
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振動(dòng)監(jiān)測(cè)作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)分離，難以與運(yùn)行狀態(tài)關(guān)聯(lián)分析。
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監(jiān)測(cè)與控制一體化。Y37板接入同一控制器，振動(dòng)數(shù)據(jù)與設(shè)備啟停狀態(tài)、負(fù)載電流帶統(tǒng)一時(shí)間戳關(guān)聯(lián)記錄。
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為健康狀態(tài)評(píng)估和故障根因分析提供了多維度關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。
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設(shè)備調(diào)試與維護(hù)
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沿線(xiàn)從站需逐個(gè)手動(dòng)設(shè)置地址和參數(shù)，耗時(shí)長(zhǎng)、易出錯(cuò)。遠(yuǎn)程診斷能力有限。
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集中配置與遠(yuǎn)程診斷。QuickConfig實(shí)現(xiàn)批量參數(shù)下發(fā)和拓?fù)涔芾�，BLRAT支持遠(yuǎn)程接入查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、診斷故障。
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顯著縮短了系統(tǒng)部署和故障響應(yīng)時(shí)間，降低了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量。
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通信可靠性
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工業(yè)交換機(jī)級(jí)聯(lián)，任一節(jié)點(diǎn)故障或線(xiàn)路中斷可能導(dǎo)致分段失聯(lián)。
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光纖冗余環(huán)網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)拓?fù)渲С志�(xiàn)路單點(diǎn)故障時(shí)自動(dòng)愈合，通信不中斷。光纖介質(zhì)抗電磁干擾、適合礦山環(huán)境。
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提升了長(zhǎng)距離通信的可靠性和可用性。
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五、總結(jié)
以ARMxy BL370邊緣控制器為核心的礦山帶式輸送機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)，其核心思路是通過(guò)統(tǒng)一控制平臺(tái)、光纖冗余環(huán)網(wǎng)、分布式IO架構(gòu)與集成化軟件工具，將傳統(tǒng)上分散的多段控制、安全信號(hào)采集、振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)推送功能融合為一個(gè)有機(jī)整體。
該方案通過(guò)EtherCAT光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全線(xiàn)設(shè)備的微秒級(jí)同步和可靠通信，通過(guò)X系列模塊化IO實(shí)現(xiàn)安全信號(hào)的分布式就近采集，通過(guò)Y37 IEPE模塊實(shí)現(xiàn)滾筒軸承振動(dòng)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，通過(guò)QuickConfig簡(jiǎn)化沿線(xiàn)從站配置，通過(guò)BLIoTLink實(shí)現(xiàn)報(bào)警推送和遠(yuǎn)程監(jiān)控。這種集成化技術(shù)路徑，為應(yīng)對(duì)礦山帶式輸送機(jī)在長(zhǎng)距離同步控制、海量安全信號(hào)可靠采集、預(yù)測(cè)性維護(hù)和快速故障響應(yīng)等方面的工程需求，提供了一種系統(tǒng)性的解決方案，有助于礦山企業(yè)構(gòu)建安全性更高、運(yùn)維成本更低、設(shè)備可用性更強(qiáng)的新一代輸送監(jiān)控裝備。
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