DQ90BSC頂驅(qū)高轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制編碼器丟脈沖故障研究

摘" " 要：介紹了DQ90BSC頂驅(qū)用西門子S120變頻器驅(qū)動(dòng)主電機(jī)控制系統(tǒng)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模式下，頂驅(qū)給定轉(zhuǎn)速超過(guò)120 r/min時(shí)，頂驅(qū)變頻器報(bào)“F31118 編碼器1：轉(zhuǎn)速差超公差”故障停機(jī)現(xiàn)象，深入剖析轉(zhuǎn)速閉環(huán)和開(kāi)環(huán)控制原理及轉(zhuǎn)速閉環(huán)和開(kāi)環(huán)模式切換原理。利用STARTER軟件trace功能，實(shí)時(shí)分析給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線，借助示波器測(cè)量編碼器A、B通道實(shí)際反饋波形，綜合分析了由于編碼器線路電磁干擾導(dǎo)致丟脈沖的原因，按照EMC電磁兼容性規(guī)范，重新采購(gòu)屏蔽雙絞電纜，對(duì)編碼器線路重新進(jìn)行鋪設(shè)后，徹底解決了轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模式下高轉(zhuǎn)速丟脈沖的故障，大大提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，且減少了設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間。

關(guān)鍵詞：頂驅(qū)；高轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；編碼器；丟脈沖故障；維修

Pulse loss fault of high-speed closed-loop control encoder in DQ90BSC top drive

XIN Congbing， LI Huiyan， WANG Xilu， REN Xinwen

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：This study mainly focused on the hardware topology of the main motor drive control system of the Siemens S120 frequency converter for the DQ90BSC top drive. In speed closed-loop control mode， “F31118 encoder 1： speed difference exceeding tolerance” fault shutdown occurred on the top drive frequency converter when the top drive′s given speed exceeded 120 r/min. Combining with the above phenomenon，" further analysis was conducted on the principles of speed closed-loop and open-loop control， as well as the principles of speed closed-loop and open-loop mode switching. The speed and actual speed curves were analyzed in real time by the STARTER software′s trace function. Actual feedback waveforms of encoder channels A and B were measured by oscilloscope. On this basis， reasons for pulse loss caused by electromagnetic interference in the encoder circuit were comprehensively analyzed. Then， according to EMC specifications， shielded twisted pair cables were purchased and the encoder circuit was relayed. Afterward， the problem of pulse loss in high-speed closed-loop control mode was completely solved， greatly improving equipment′s stability and reliability in operation and reducing equipment downtime.

Keywords：top drive; high-speed closed-loop control; encoder; pulse loss fault; maintenance

1" " DQ90BSC頂驅(qū)控制系統(tǒng)硬件介紹

1.1" " 硬件組成

DQ90BSC頂驅(qū)控制系統(tǒng)由PLC柜、司鉆控制臺(tái)、西門子S120變頻控制系統(tǒng)、本體控制柜組成，如圖1所示。西門子S7-300 CPU315-2DP做主控制器，安裝在配電室頂驅(qū)PLC柜內(nèi)，與本體控制柜（安裝在頂驅(qū)本體上）內(nèi)通訊模塊ET200M、司鉆控制臺(tái)內(nèi)通訊模塊ET200pro、配電室頂驅(qū)驅(qū)動(dòng)柜S120 CU320模塊組成PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。

圖1中，PLC柜①安裝在配電室；司鉆控制臺(tái)②安裝在鉆臺(tái)司鉆房?jī)?nèi)；S120變頻模塊、CU320控制單元和SMC30編碼器接口模塊③安裝在配電室傳動(dòng)柜內(nèi)；二層臺(tái)轉(zhuǎn)接箱④內(nèi)有從配電室到二層臺(tái)通訊用的光纖通訊模塊、配電室頂驅(qū)傳動(dòng)柜到二層臺(tái)轉(zhuǎn)接用的編碼器電纜；頂驅(qū)本體控制柜⑤安裝在頂驅(qū)本體上；游動(dòng)電纜⑥從二層臺(tái)轉(zhuǎn)接箱接至頂驅(qū)本體接線箱，包括頂驅(qū)主電機(jī)動(dòng)力電纜、風(fēng)機(jī)和油泵電纜、光纖通訊電纜、編碼器電纜等；編碼器電纜⑦從傳動(dòng)柜經(jīng)電纜拖鏈、井架底座電纜橋架至二層臺(tái)轉(zhuǎn)接箱④。

1.2" " 硬件拓?fù)?/p>

PLC硬件組態(tài)如圖2所示，司鉆操作指令由司鉆控制臺(tái)IO模塊采集，用PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)將所有操作指令傳送到配電室PLC柜內(nèi)S7-300 CPU 315-2 DP，經(jīng)CPU邏輯運(yùn)算處理后，用PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)控制頂驅(qū)本地控制柜內(nèi)的IO模塊，IO模塊控制對(duì)應(yīng)頂驅(qū)組件的電磁閥，實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)的各項(xiàng)操作。

頂驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)S120硬件拓?fù)淙鐖D3所示，S7-300 CPU與CU320 PROFIBUS通訊，采用通訊報(bào)文的方式控制和監(jiān)控S120變頻器的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)主軸正反轉(zhuǎn)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、速度控制和扭矩控制。

2" " 轉(zhuǎn)速閉環(huán)與轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制模式

S120變頻器驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)可以配置兩種控制模式：帶編碼器轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模式和無(wú)編碼器轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制模式[1]。設(shè)計(jì)兩種控制模式的目的是設(shè)備冗余功能，兩種模式互為備用，從而提高了設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性，正常情況下采用帶編碼器轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模式，該模式對(duì)轉(zhuǎn)速控制和扭矩控制精度高。

2.1" " 帶編碼器轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模式

在如圖4所示的帶編碼器轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模式下，頂驅(qū)主電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速由安裝在主電機(jī)轉(zhuǎn)子上的連接軸編碼器采集，比較給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速，根據(jù)負(fù)載波動(dòng)，用直接轉(zhuǎn)矩控制算法，采用PID實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)主電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流，達(dá)到精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的目的。

圖4中，轉(zhuǎn)速給定通道①有兩種配置模式。模式一，通過(guò)配置CU320的IO通道，實(shí)現(xiàn)啟停控制和速度給定；模式二，通過(guò)配置CU320通訊報(bào)文的命令字和狀態(tài)字，實(shí)現(xiàn)啟?？刂?、速度給定和反饋、扭矩限制以及故障復(fù)位等功能。編碼器速度反饋通道⑤如圖5所示。

頂驅(qū)變頻模塊配置兩組驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組DDS1和DDS2。DDS1參數(shù)配置中，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組DDS1有效時(shí)，圖5中標(biāo)號(hào)①處DDS顯示為“0”且處于激活狀態(tài)，標(biāo)號(hào)②選擇開(kāi)關(guān)在“0”位置，PID控制器主電機(jī)速度實(shí)際反饋值采集編碼器通道。

參數(shù)p1300配置如下：p1300[0]Open-loop/closed-loop control operating mode = [21] Speed control（with encoder）。

2.2" " 無(wú)編碼器轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制模式

在正常鉆井作業(yè)工況時(shí)，如遇編碼器損壞導(dǎo)致轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模式故障，頂驅(qū)無(wú)法正常運(yùn)行，在應(yīng)急情況下可以切換至無(wú)編碼器轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制模式下運(yùn)行，如圖6所示。

在無(wú)編碼器轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制模式下，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組DDS2有效，圖6中標(biāo)號(hào)①處DDS顯示“1”且處于激活狀態(tài)，標(biāo)號(hào)②選擇開(kāi)關(guān)在“1”位置。

參數(shù)p1300配置如下：p1300[1]Open-loop/closed-loop control operating mode=[20] Speed control（encoderless）。

2.3" " 驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組切換原理

2.3.1" " 帶編碼器與無(wú)編碼器模式切換原理

帶編碼器閉環(huán)控制模式切換到無(wú)編碼器開(kāi)環(huán)控制模式時(shí)，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組由DDS0切換至DDS1。配電室頂驅(qū)PLC控制柜上的帶編碼器與無(wú)編碼器切換開(kāi)關(guān)，通過(guò)PLC DI口I7.3切換無(wú)編碼器模式。如圖7所示，標(biāo)號(hào)①中輸入I7.3，對(duì)應(yīng)切換開(kāi)關(guān)；標(biāo)號(hào)②DB18.DBX21.1對(duì)應(yīng)圖8中標(biāo)號(hào)①控制字第2位CU_S_008 ： r2090.1。

圖8標(biāo)號(hào)①中，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組切換參數(shù)p820配置如下：p820[1]BI： Drive Data Set selection DDS bit 0 CU_S_008： r2090.1。

如圖9所示，CU320通訊報(bào)文控制字中的每一位可以自由配置，標(biāo)號(hào)①對(duì)應(yīng)控制字第2位。

2.3.2" " A編碼器與B編碼器切換原理

DQ90BSC頂驅(qū)主軸由雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，A、B電機(jī)上各安裝一只編碼器。在頂驅(qū)運(yùn)行時(shí)，只能一只編碼器參與速度反饋，另一只編碼器處于備用狀態(tài)，當(dāng)在用編碼器故障時(shí)，可以手動(dòng)切換至備用編碼器運(yùn)行。A、B編碼器切換時(shí)，不用切換驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組DDS0激活。

A、B編碼器切換原理如圖10所示，圖10（a）中標(biāo)號(hào)①I13.3和I13.4為PLC柜上編碼器切換開(kāi)關(guān)連接的數(shù)字輸入模塊DI口，I13.4為“1”時(shí)，標(biāo)號(hào)②DB18.DBX21.0置“1”，對(duì)應(yīng)圖10（b）標(biāo)號(hào)②程序段編碼器B參與速度反饋；圖10（a）中標(biāo)號(hào)①I13.3為“1”時(shí)，標(biāo)號(hào)②DB18.DBX21.0置“0”，對(duì)應(yīng)圖10（b）標(biāo)號(hào)④程序段編碼器A參與速度反饋。DB18.DBX21.0對(duì)應(yīng)控制字第1位CU_S_008： r2090.0。

TM31 數(shù)字輸出DO9參數(shù)配置如圖11所示，圖11（a）配置參數(shù)p4039 BI：TM31 signal source for terminal DI/DO9 = CU_S_008： r2090.0；圖11（b）標(biāo)號(hào)①處配置，TM 31的數(shù)字輸出DO9控制中間繼電器K80見(jiàn)圖12標(biāo)號(hào)①，切換編碼器A和B脈沖信號(hào)反饋通道。

編碼器A、B的接線原理如圖13所示[2]，圖中標(biāo)號(hào)①處每只編碼器的接線由3對(duì)屏蔽線組成，端子1和2、7和8分別為編碼器供電，端子3和4、5和6、9和10、11和12分別接A、B兩個(gè)通道信號(hào)；按照EMC電磁兼容性規(guī)范，每對(duì)電源線和信號(hào)線屏蔽層PE均采用雙端接地方式。

3" " 故障案例

3.1" " 故障現(xiàn)象

“中油海11”平臺(tái)頂驅(qū)空載運(yùn)行測(cè)試時(shí)，在無(wú)編碼器模式下主軸轉(zhuǎn)速給定0～200 r/min運(yùn)行正常；切換至帶編碼器模式時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速給定0～120 r/min運(yùn)行正常，從120 r/min加速至150 r/min，然而運(yùn)行不到2 min，頂驅(qū)變頻器就報(bào)“F31118編碼器1：轉(zhuǎn)速差超公差”故障進(jìn)而停機(jī)，報(bào)警信息如圖14所示。

3.2" " 原因分析

根據(jù)上述故障現(xiàn)象，結(jié)合《SINMATIC S120參數(shù)手冊(cè)》第3.2節(jié)故障和報(bào)警列表中關(guān)于“F31118 編碼器1：轉(zhuǎn)速差值超出公差”的原因和處理措施，初步判斷編碼器及編碼器反饋回路有問(wèn)題，用西門子STARTER軟件在無(wú)編碼器模式下監(jiān)控編碼器實(shí)際反饋速度與給定速度曲線如圖15所示，對(duì)圖中曲線進(jìn)行分析得知，主電機(jī)給定速度在0～1 800 r/min時(shí)，編碼器反饋速度正常；主電機(jī)給定速度從1 800 r/min加速至2 400 r/min，運(yùn)行2 min左右編碼器反饋速度突降至0，幾毫秒后又恢復(fù)至2 400 r/min，頻繁波動(dòng)導(dǎo)致變頻器報(bào)“F31118編碼器1：轉(zhuǎn)速差超公差”故障，如圖16所示。

故障原因分析過(guò)程如下：

第一步，排除編碼器損壞問(wèn)題，更換同型號(hào)新編碼器一只，再次跟蹤編碼器反饋曲線，故障依舊，可以排除編碼器損壞原因。

第二步，排除最大轉(zhuǎn)速差值參數(shù)配置p492，根據(jù)圖17所示，p492=100 r/min。結(jié)合圖15所示，在主電機(jī)給定轉(zhuǎn)速2 400 r/min時(shí)，編碼器反饋速度頻繁波動(dòng)至0，轉(zhuǎn)速差為2 400 r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于p492設(shè)置的最大轉(zhuǎn)速差值100 r/min，可以完全排除p492參數(shù)配置問(wèn)題。

第三步，在頂驅(qū)本體編碼器接線箱處、二層臺(tái)轉(zhuǎn)接箱處及配電室SMC30編碼器接線處，用示波器分別測(cè)量編碼器的通道波形。在轉(zhuǎn)速為1 800 r/min（每個(gè)脈沖周期為16.8 μs）時(shí)，編碼器通道反饋波形正常；在轉(zhuǎn)速為2 400 r/min時(shí)，編碼器通道反饋無(wú)脈沖波形，如圖18（a）所示，進(jìn)一步判斷為編碼器接線箱至編碼器接口模塊SMC之間電纜的問(wèn)題。

主電機(jī)轉(zhuǎn)速n的計(jì)算公式如下：

n = 60 f /1 024

式中：n為主電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f為頻率，Hz；數(shù)字1 024為編碼器轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)。

用示波器監(jiān)測(cè)編碼器A、B通道的脈沖波形，當(dāng)頻率為50 kHz時(shí)，對(duì)應(yīng)50 000個(gè)脈沖/s，編碼器每轉(zhuǎn)一圈為1 024個(gè)脈沖，約等于50 r/s，對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，對(duì)應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速250 r/min，脈沖頻率、脈沖周期與主電機(jī)轉(zhuǎn)速、主軸轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。根據(jù)圖18（b），示波器上顯示每個(gè)脈沖周期為16.8 μs，對(duì)應(yīng)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為1 740 r/min。

第四步，從配電室編碼器接口模塊SMC30，臨時(shí)鋪設(shè)一根編碼器電纜至頂驅(qū)本體編碼器接線箱處，屏蔽層采用雙端接地。在無(wú)編碼器模式下，再次監(jiān)控編碼器實(shí)際反饋速度與給定速度曲線，無(wú)掉轉(zhuǎn)速現(xiàn)象，用示波器測(cè)量編碼器通道波形，無(wú)丟脈沖現(xiàn)象。切換至帶編碼器模式運(yùn)行，給定轉(zhuǎn)速2 400 r/min，運(yùn)行2 h，無(wú)故障報(bào)警，基本確認(rèn)從配電室至頂驅(qū)本體，編碼器線路存在電磁干擾問(wèn)題[3]。

第五步，從配電室編碼器接口模塊SMC30，臨時(shí)鋪設(shè)一根編碼器電纜至二層臺(tái)轉(zhuǎn)接箱處，按照步驟三再次監(jiān)控編碼器反饋速度曲線和通道脈沖波形，均正常，進(jìn)一步確認(rèn)從配電室至二層臺(tái)轉(zhuǎn)接箱編碼器線路存在電磁干擾問(wèn)題，排除游動(dòng)電纜電磁干擾問(wèn)題。

第六步，檢查從配電室SMC30模塊至二層臺(tái)轉(zhuǎn)接箱編碼器電纜，該電纜采用船用6*2*1雙屏蔽雙絞電纜，抗干擾能力強(qiáng)，檢查兩端屏蔽層均為雙端接地，由雙端接地改為單端接地后，繼續(xù)測(cè)試，故障依舊?？紤]到該電纜的鋪設(shè)路徑是從配電室電纜橋架，經(jīng)井架電纜拖鏈上鉆臺(tái)，然后經(jīng)井架電纜橋架到二層臺(tái)轉(zhuǎn)接箱，電纜拖鏈和井架電纜橋架上鋪設(shè)有絞車、頂驅(qū)600 V動(dòng)力電纜，該電纜從配電間變頻器模塊接至絞車電機(jī)和頂驅(qū)電機(jī)接線箱，動(dòng)力電纜屏蔽層均采用雙端接地，但是與信號(hào)電纜間距小，甚至有交叉現(xiàn)象，未嚴(yán)格按照EMC電磁兼容性規(guī)范鋪設(shè)。

3.3" " 解決方案

根據(jù)《SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制使用大全》第3章，依照EMC導(dǎo)則進(jìn)行傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的說(shuō)明中EMC電磁兼容性規(guī)范要求，如果高頻噪聲電流有一條正確通道，則高頻噪聲發(fā)射能夠得到抑制。使用非屏蔽電機(jī)電纜，噪聲電流以一個(gè)不確定路線流回變頻器，例如通過(guò)基礎(chǔ)/基礎(chǔ)框架接地器、電纜管道、柜框架等。這些電流通道對(duì)于50～60 Hz的電流來(lái)說(shuō)，有一個(gè)很低的電阻值。然而，噪聲電流感應(yīng)高頻分量能夠產(chǎn)生有問(wèn)題的電壓降。為使故障電流能沿確定路線流回到變頻器，絕對(duì)需要采用屏蔽電機(jī)電纜[4]。屏蔽層必須連接到變頻器外殼，且通過(guò)一個(gè)大表面面積接到電機(jī)外殼。當(dāng)噪聲電流必須回到變頻器時(shí)，屏蔽層雙端接地形成最便利的通道。另外要求信號(hào)電纜與動(dòng)力電纜必須分開(kāi)獨(dú)立布線，最小距離為20 cm，屏蔽必須經(jīng)最大可能面積雙端接地。所以從配電室至二層臺(tái)轉(zhuǎn)接箱編碼器電纜不符合電磁兼容性EMC規(guī)范的要求。必須按照EMC規(guī)范[5]，重新鋪設(shè)從配電室至二層臺(tái)轉(zhuǎn)接箱電纜，在電纜拖鏈處，盡可能遠(yuǎn)離動(dòng)力電纜；另外將原來(lái)的6*2*1雙絞屏蔽電纜改為兩根3*2*1獨(dú)立的雙絞屏蔽電纜，編碼器A和編碼器B電纜分開(kāi)鋪設(shè)，減少編碼器之間信號(hào)干擾。

3.4" " 方案論證

按照上述方案重新鋪設(shè)編碼器電纜后，在帶編碼器模式下進(jìn)行測(cè)試，頂驅(qū)主軸給定速度為200 r/min（對(duì)應(yīng)主電機(jī)給定速度2 400 r/min）穩(wěn)定運(yùn)行3 h，運(yùn)行正常，無(wú)故障報(bào)警現(xiàn)象，如圖19所示。編碼器實(shí)際反饋速度穩(wěn)定無(wú)波動(dòng)，徹底解決了頂驅(qū)變頻器報(bào)“F31118 編碼器1：轉(zhuǎn)速差超公差”故障而停機(jī)的問(wèn)題。

4" " 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合“中油海11”平臺(tái)DQ90BSC頂驅(qū)，在主軸轉(zhuǎn)速120 r/min以上帶編碼器模式運(yùn)行時(shí)，主電機(jī)變頻器出現(xiàn)“F31118 編碼器1：轉(zhuǎn)速差超公差”故障進(jìn)而停機(jī)的問(wèn)題，詳細(xì)論述了DQ90BSC頂驅(qū)電控系統(tǒng)硬件配置及接線、硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、帶編碼器閉環(huán)控制模式與無(wú)編碼器開(kāi)環(huán)控制模式原理及驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組切換原理。利用西門子STARTER專業(yè)調(diào)試軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)編碼器反饋速度曲線，借助示波器監(jiān)測(cè)編碼器A、B通道波形，根據(jù)EMC規(guī)范要求，綜合分析故障原因?yàn)榫幋a器線路受600 V動(dòng)力電纜電磁干擾，重新按照EMC規(guī)范鋪設(shè)編碼器電纜后，徹底解決了主電機(jī)變頻器出現(xiàn)“F31118 編碼器1：轉(zhuǎn)速差超公差”故障，大大提高了頂驅(qū)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]" 蘇雄華，謝永輝. 電機(jī)速度開(kāi)環(huán)控制改閉環(huán)控制項(xiàng)目的改造[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2006，35（7）：133-135.

[2]" 劉建. 北石頂驅(qū)編碼器技術(shù)分析與應(yīng)用[J]. 中國(guó)設(shè)備工程，2017（5）：135-136.

[3]" 俞凱. 電氣工程中自控設(shè)備電磁干擾分析[J]. 價(jià)值工程，2024（9）：119-121.

[4]" 賀海清，李紅英. 變頻器干擾探討[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27（8）：128-130.

[5]" 于超. 淺析EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)[J]. 現(xiàn)代建筑電氣，2023（5）：57-61.

作者簡(jiǎn)介：

辛叢兵（1982—），男，湖北荊州人，工程師，2006年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)主要從事鉆井包設(shè)備的運(yùn)維以及自動(dòng)化設(shè)備升級(jí)改造工作。Email：56314347@qq.com

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