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摘要
中国改革开放几十年以来，各行各业高速发展，其中制造业发展迅猛，依赖人口红利低成本实施大规模制造，大规模分销，随着中国东西部经济格局的变化，人口老龄化的波动，东南亚地区制造业的崛起，中国制造业面临转型。随着德国政府发布的工业 4.0 发展战略以及中国政府制定的《中国 2025》行动纲领，政府、企业层面高度重视制造业向自动化、数字化、智能化转型。小熊电器股份有限公司从 2005 年成立开始一直高速发展，企业属于劳动密集型。因此，建立自动化制造系统迫在眉睫。
本论文对小熊加湿器产品地图进行研究，选取产量达到 80%的型号并对其核心部件水箱进行研究，对加湿器水箱自动化制造体系做分析、探索。目的是设计加湿器水箱自动化的制造系统，提升企业的自动化水平。本论文首先分析了自动化制造的国内外现状、查阅了相关的文献，对加湿器水箱自动化制造的背景、相关理论、关键技术、系统功能需求、系统设计等详细的论述。
文献查阅。主要是对相关的自动化控制理论，PLC 相关技术，机械手的发展应用等等进行查阅，了解国内外行业的研究应用现状。
功能分析。以软件系统设计开发理论为基础，建立加湿器水箱自动化制造系统，实现减人增效，保证品质的目标。各�？楣δ芸刹僮餍郧�，通用性强，可以快速更换型号。
系统设计。根据功能�？榈姆治�，系统整体划分为程序编译，状态监控，运动控制，系统调试四大�？�。对各个功能�？榈脑俗鞣绞�、业务工作流程进行了详细的设计。同时对硬件�？榈纳杓剖凳┙辛擞τ貌馐�，确保系统运行稳定。
本论文是对小熊电器股份有限公司的加湿器水箱自动化制造系统进行设计与实施，小熊是中国最大的加湿器制造商，该自动化系统的实施对企业，对行业具有标杆性的示范作用，属于加湿器制造行业内的首次实现自动化，具有创新性。
同时，系统成功后企业内部可以推广到其它产品，从而极大的提高经济效益，推动企业制造转型。
关键词：自动化，PLC,机械手，制造转型
abstract
Since China's reform and opening up for decades, all walks of life have developed at a high speed, among which the manufacturing industry is developing rapidly, relying on demographic pidend to implement large-scale manufacturing and large-scale distribution at low cost. With the change of economic structure in the East and west of China, the fluctuation of aging population, the rise of manufacturing industry in Southeast Asia, China's manufacturing industry is facing transformation. With the development strategy of industry 4.0 issued by the German government and the action program of China 2025 formulated by the Chinese government, the government and enterprises attach great importance to the transformation of manufacturing industry to automation, digitization and intelligence. Since its establishment in 2005, bear Electric Appliance Co., Ltd. has been developing at a high speed. It is a labor-intensive enterprise. Therefore, the establishment of automatic manufacturing system is imminent.
This paper studies the product map of bear humidifier, selects the model with the output of 80% and studies the water tank, analyzes and explores the automatic manufacturing system of humidifier water tank. The purpose is to design the automatic manufacturing system of humidifier water tank and improve the automation level of enterprises. This paper first analyzes the status quo of automatic manufacturing at home and abroad, consulting the relevant literature, discusses the background of automatic manufacturing of humidifier water tank, related theory, key technology, system functional requirements, system design and so on.
Literature review. It mainly refers to the relevant automation control theory, PLC related technology, the development and application of manipulator, etc., to understand the research and application status of domestic and foreign industries.
Functional analysis. Based on the theory of software system design and development, the automatic manufacturing system of humidifier water tank is established to achieve the goal of reducing manpower, increasing efficiency and ensuring quality. Each module has strong operability and versatility, and can change models quickly.
System design. According to the analysis of functional modules, the system is pided into four modules: program compilation, state monitoring, motion control and system debugging. The operation mode and business workflow of each functional module are designed in detail. At the same time, the design and implementation of the hardware module are tested to ensure the stable operation of the system.
This paper is to design and implement the automatic manufacturing system of humidifier water tank of Xiaoxiong Electric Appliance Co., Ltd. Xiaoxiong is the largest humidifier manufacturer in China. The implementation of the automation system has a benchmark role for enterprises and the industry. It is the first time to realize automation in the humidifier manufacturing industry, which is innovative.
At the same time, after the success of the system, the enterprise can be extended to other products, so as to greatly improve economic benefits and promote the transformation of enterprise manufacturing.
Key words: automation, PLC, manipulator, manufacturing transformation
目录
第一章 绪 论
1.1 研究工作的背景与意义
1.1.1 研究工作的背景
在当今世界上的人类历史文明发展过程当中，出现过几次具有革命性、里程碑意义的重大工业革命，推动社会不断进步，走上新的辉煌。其中，第一次是在18 世纪 60 年代的蒸汽机出现，推动了机器的普及和发展，使得英国成为第一个工业国家。第二次是 19 世纪 70 年代发电机的出现，进入了电气时代。第三次是 20世纪 40 年代计算机的普及应用，推动了自动化的工业革命。21 世纪正在往新能源、智能化、人工智能方面发展[1]
,推动新的技术革命。
自动化是企业经营生产活动过程不断追求的目标[2],1946 年美国福特公司提出了自动化的概念，经历了几十年的发展，结合现代控制理论、电子技术、计算机集成系统、PLC[3]、机器人等，呈现了多元化的发展态势，表现为系统化、柔性化、智能化、集成化。制造领域的自动化是世界上各个国家，各类制造企业的重点研究方向，是国家和企业发展的主要方向之一。它对提高我们的产品质量，提升企业的综合竞争力。例如：第一，可以切切实实的把我们的生产率提高；第二，同时可以明显的降低生产成本；第三：强度降低，减轻生产员工的劳动强度；第四：提高制造系统的敏捷性[4]、增强柔性，进而提高企业的市场竞争能力、对促进制造型企业转型升级具有极其重要的意义[5].
早在 2013 年，在欧洲的老牌制造强国德国的汉诺威工业博览会上，德国政府向全世界发布《德国 2020 高新技术战略》，这个战略当中内容相当丰富，其中最为重要的内容是：提出工业 4.0 的概念，其核心特征是互联，推动数据流动自动化。
工业 4.0 主要的含义是指进一步利用物联信息系统（Cyber-Physical System 简称CPS），将我们企业生产运作中的研发、供应链，内部制造以及前段销售的信息数据化、智慧化，并且高效的连接用户，准确的把握用户的需求，最后达到快速，有效，个性化的产品供应的目的。
随后，在 2015 年，中国政府发布了《中国制造 2025》的发展纲要，在这个纲要当中，旗帜鲜明的提出发展的基本方针："创新驱动，质量为先，绿色发展，结构优化，人才为本" [6].首次在国家层面提出了要围绕实现制造强国的战略目标，明确了 9 大战略任务和重点内容，也同步提出了 8 个方面的战略支撑和保障计划。
制造业是中国经济的重要支撑点和发力点，是发展的主体，没有强大领先的制造业，就没有国家的强盛和富强。
近几年以来，无论是从国外还是国内，都在持续的推进智能制造。尤其是中国的制造业，在 80、90 年代开始逐步大规模的发展起来，依靠着低端的人力成本，迅速的从低端的产业中发展起来，其本质是大规模制造，低成本分销。在 2008 年金融�；院�，制造业的发展模式发生了巨大的变化，过去赖以发展的优势逐步丧失，过去靠低成本竞争的弱点逐步暴露出来。因此，传统的模式失效了，在新时期下的制造转型升级路径是怎样，值得企业家去思考。作为制造业，首先还是要有成本优势。通过各种方法去建立新的成本优势，这个新的成本优势建立过程是立体的，全面的，系统的[7].其中有一点就是制造的自动化。因此，中国的各级政府、各类型的企业都在思考自动化的实施。
1.1.2 研究工作的意义
改革开放几十年以来，我们依赖着人口红利、劳动力优势得以发展，跟西方发达国家的制造水平相差甚远，制造现场混乱、浪费大，产品质量无法保证，不良率高。因此，制造的精益化、自动化、数字化、智能化是发展的必经之路[8].因此，对于小熊电器以生产小家电的企业来说，必须跟随国家的发展趋势，提升企业的制造力。因此，本项目研究实施的主要意义有以下几方面：
1、实施自动化是制造转型升级的路径。随着公司的发展规模壮大，生产产品的数量不断增多，为了适应新时期市场的需求，快速响应顾客的需求，必须实施自动化生产制造[9]. 2、具有示范性、标杆性的作用。公司有五个工厂，组装生产线有五十条，部装生产线三十多条，绝大部分都是传统的手工作业，靠人工操作完成的。因此，本课题的研究对企业的标杆性示范性起到促进作用。
3、具有促进产品标准化改善的作用。要实施自动化制造，产品的外观尺寸不能过度变化，不能过于差异化。否则不便于批量生产提升效率，不便于换型号生产。因此可以倒逼前段开发进行产品设计标准化。
4、减员增效，品质保证，提升用户满意度。通过加湿器水箱自动化系统的设计与实施，减少生产员工的操作不稳定性，减少运输，从而提升品质稳定性，提高用户满意度。
1.2 国内外的现状分析
随着机电、计算机、机器人、PLC 等多方面的技术进步和发展，各个行业、领域都在探索自动化及自动化系统的设计与实施[10] .在中国家电制造业以产品力提升为核心的转型升级大潮来临，如何更好地保证产品稳定性、提高生产效率、降低产品下线率、提高产品工艺品质，成为摆在家电产业链中所有企业必须面临的课题。
国外现状：世界上工业发达，技术领先的国家特别注重自动化的研究和资金的投入，布局也比较早。智能制造这个概念自从 20 世纪 80 年代末提出以来，世界各国都对智能制造的实施路径进行了探索，并且投入专家进行系统的全面研究，智能制造技术是首先要研究的对象[11] ,通过对制造技术的探索，可以实现满足经济全球化和社会产品需求差异化的变化。因此，智能制造技术集成应用的环境- -智能制造系统被提出。从二十世纪八十年代末期开始，亚洲先进的制造强国已经开始探索如何实施和推动智能制造系统，主要的内容包括：第一，公司集成和全球制造、第二：制造领域知识体系[12]、第三：分布式智能系统控制原理、第四：产品快速实现的分布智能系统控制技术等。
世界主要工业化发达国家美国，德国，日本是自动化领域探索的标杆，他们走在自动化领域的最前沿。他们都是把智能制造作为重振制造业战略的重要举措。
各个国家都经历了不同程度的金融�；寤�，各政府在经济下滑或经济复苏的过程中，在寻求�；饩龇桨傅墓讨�，美国、德国、日本等政府和相关领域的专家、专业人士纷纷提出通过发展智能制造来重振制造业。以日本为例，在第二次世界大战结束后，日本工业处于重振发展的起点，市场的需求模式由二战前的大规模生产转变为多样化、个性化的需求方式。为此，以丰田为代表的企业着重研究精益生产模式，致力于减少浪费，推动精益化，自动化。同时，家电业的集成电路也是高速发展，在汽车制造业、家电制造业的发展中，自动化的实施使得日本企业的成本、效率、库存周转率等方面得到大幅度改善。在发展的中后期，机械手、机器人也逐步得到普遍的应用。
工业较为发达的国家，在汽车、重工业、家电、电气，电机，PCB 等行业的自动化应用较为成熟，而且走在各个行业的前列。例如：西门子实现多品类的工控机混流生产，施耐德开关实现制造和包装过程全自动化，丰田汽车多种型号实现全自动混流生产�；魅�，机械手，AGV,悬挂链，自动物流等多方式的应用是非常常见。其中，家电领域的部件自动化装配，螺钉固定的自动化，运输周转的自动化，包装的自动化。从单点的自动、单工位的自动化，逐步发展到多工序，整线的自动化。从工件表面涂装到金属表面抛光加工到总装装配，各个领域的应用非常的成熟。
国内现状：与此同时，随着中国 GDP 的逐年增长，综合国力的增强，人民群众的生活水平逐年提升。因此，劳动力成本持续上升、人员管理难度进一步的持续增加。制造业、服务业等曾经赖以生存的人口红利正在逐步减弱，那么，如何控制企业的综合成本，特别是劳动力成本，提高制造和服务的效率、产值，是另一道亟需解决的难题。
首先，国内大部分的中低端制造加工企业由于人力成本相比设备的投入成本更加节省，比如部分地区中小企业的工资相对较低，社保、公积金等方面的福利没有完成执行到位，因此较多的中小企业仍然采取人海战术。其次，由于生产的产品订单多样化，整体的制造管理系统较为薄弱，现场 5S 管理薄弱，远远未达到精益化生产，自动化的导入无法启动实质性的作用。再次，相关的管理人员，技术人员缺乏，对设备、自动化的专业技术人才缺乏，自动化思考非常薄弱。最后，国内的制造业特别是小家电的制造业快速发展，竞争激烈，利润逐步缩减，经营环境发生巨大变化，使得中小企业管理者对自动化投入的意愿降低。
家电业的制造自动化之路，正如火如荼展开，国内家电的龙头企业美的、海尔、格力、格兰仕、TCL 等纷纷上马自动化、智能化。截止 2015 年，美的相继投入超过 1000 台机器人，制造自动化投资超过 20 亿，同时与国外机器人日本川崎、德国库卡等知名企业合作，研究制造、物流自动化项目。家电业的老牌海尔在国内已有四个互联工厂投入使用，部分区域实现所谓的黑灯工厂意味着不用人员看守，由机器人全程自动化的完成产品的生产制造；国内微波炉的领跑者格兰仕继去年投 30 亿元改造中山微波炉生产基地后，2018 年 6~7 月份还将引进洗衣机全自动化生产线，打造自动化标杆品类[13];中山奥马电器的冰箱项目也在筹建自动化程度达 70%的工厂，也将在 2018 年 7 月投产使用。
无论是国内还是国外，在探索自动化、智能制造的时候，其基本框架如图 1-1所示：
1.3 项目来源与研究实施内容
1.3.1 项目来源
小熊电器股份有限公司，创立于 2006 年，总部设在广东省佛山市顺德区，小熊公司在顺德勒流、均安、大良等范围内有五大工厂，是集研发、生产、销售为一体的企业。公司伴随着国内电子商务的这个大环境发展而取得高速的增长，在发展过程中，逐步研究开发新品类，各类产品在国内市场有较高的市场占有率，凭借对用户需求的不断挖掘，对生活场景的妙想和思考，个性化的产品设计、丰富多彩的产品线以及卓越的营销管理模式，公司的规模年均复合增长率达 50%以上。
2018 年公司销售额度达到 25 亿人民币。目前主要产品有养生壶、加湿器、电炖盅、电热饭盒、豆芽机、电蒸锅、酸奶机等三十个品类，生产线的数量达到 50条，员工达到 3000 人， 2018 年产量达到 2500 万台。随着市场竞争的进一步加剧，随着电子商务流量的发展趋向理性和平稳。家电企业的竞争最终回归到品牌力、产品力、渠道力、制造力，其中在制造力提升的过程中，公司重点策略在精益生产的体系构建，在发展转型过程面临以下几方面的影响：
1、企业用工成本进一步加大。一方面，中国经济迅速崛起，改革开放几十年以来，过去重点依赖的人口红利，依靠劳动力低成本的方式已经行不通。随着经济格局的变化，社会的发展，这种劳动红利的优势正在丧失，尤其是东部沿海发达地区珠三角、长三角等区域表现更为明显。另一方面，小熊企业正在谋和国内资本市场布局，登陆 A 股市场。
2、公司生产员工的主力发生变化。80 后、90 后他们作为劳动力市场的新一代，与 60 年代、70 年代的老一代相比，呈现出全新的特点。一是得益于国家的教育事业发展，这批人员受教育程度明显提高，同时，家里条件相对优越，吃苦比较少，职业期望值也相应提高。二是自我意识明显增强，追求个性化，展示自身的特征，找工作的时候会注重工作环境及自我发展前景，更注重精神文化方面的追求，寻求体面的工作。三是实干精神明显不如前辈，消费价值观完全相反，每月的工资消费比较大，对职业追求的方向和能力不强。
3、员工的地域流向发生了变化。东部沿海地区比如：广东、福建、浙江、江苏、上海等地区率先发展，吸引了大量内地的劳动力流入，使得各个行业蓬勃发展，特别是制造业。近几年，国家从政策层面大力发展内地各个城市的产业，以及新农村的建设开发，结合东部一些劳动密集型的产业向中西部转移，比如深圳富士康就是一个典型例子。因此，内地的就业机会增多，再加上东部地区生活成本不断攀升，综合的收入与内地的差距逐步减小，这样也就吸引了大部分外出务工的人员回流。
4、企业制造转型升级路径的探索。小熊是带来很强的制造业特性的电商公司，有强大的制造体系，但是整体上较为落后，属于劳动密集型。因此，随着公司的发展壮大，需要跟随外部环境的变化，需要在企业内部寻找突破口。本论文通过作者本人的实际工作相结合，选取加湿器水箱的制造进行研究探索，为公司推进自动化制造提供参考借鉴意义。
1.3.2 研究实施内容
该项目利用自动化技术与整体解决方案，对小熊加湿器水箱传统的流水线装配方式进行优化与整合，实现劳动密集型向自动化、智能型制造升级、向敏捷型制造转型[14],形成在高质量、高性能、低成本、顾客特定需求的驱动下的高端制造能力，通过自动化技术改造，实现减人增效，提高产品的稳定性、一致性，减少生产过程中的作业不良，提升工厂软实力，提升工厂柔性生产技术。
作者本人通过对企业的实际情况进行充分的评估，重点对产品型号，生产细节，业务流程的现状进行探索，决定对小熊加湿器水箱自动化制造的做系统设计与实施，主要通过生产设备集成、工序整合、工装夹具的应用，整个方案希望把自动化技术以及检测技术的结合[14].
1.4 本论文的结构安排
本论文就小熊电器的加湿器水箱自动化制造系统的设计与实施进行深入全面的分析，分析各�？榈囊滴窳鞒�，本论文各章节的布局安排思路如下：
第一章：绪论，主要介绍本论文的实施背景、实施内容、完成之后的意义，分析描绘了国内外研究的现状情况，以及本论文要研究设计的主要内容等。
第二章：基本理论和关键技术，主要介绍加湿器水箱自动化制造系统的基本理论知识，所采用的关键技术进行分析探讨。
第三章：系统需求分析，通过对加湿器生产制造系统的业务操作流程，系统流程的数据、相关操作环节的需求进行汇总分析，提出系统总体的目标，应具备的功能�？�。
第四章：系统总体设计，对加湿器水箱自动化制造系统的整体方案、硬件功能实现进行全面的设计，以最终实施并应用。
第五章：对本论文进行总体的总结与展望，并对今后的自动化设计实施方向进行探讨展望。
第二章 基本理论和关键技术
2.1 基本理论
2.2 关键技术
2.2.1 机械手
2.2.2 可编程控制器（PLC）
2.3 本章小结
第三章 系统需求分析
3.1 水箱自动化制造的业务现状描述
3.2 功能需求分析
3.3 系统功能用例分析
3.3.1 程序编译�？�
3.2.2 状态监控�？�
3.3.3 运动控制�？�
3.3.4 系统调试�？�
3.4 其它需求分析
3.5 本章小结
第四章 系统设计与实施
4.1 总体设计
4.1.1 系统设计的理念
4.1.1 系统设计与实施的总目标
4.1.2 系统设计与实施的原则
4.2 系统主要功能�？樯杓�
4.2.1 程序编译�？樯杓�
4.2.2 运动控制�？樯杓�
4.3 系统数据库设计
4.4 程序编译�？橐滴窳鞒躺杓�
4.4.1 打开文件
4.4.2 文件保存和新建文件
4.4.3 锁定按键状态
4.4.5 系统参数设置
4.4.6 流程配置
4.4.7 语言选择
4.5 显示窗口�？樯杓�
4.5.1 视野选择
4.5.2 轨迹
4.5.3 机械手位置点参数
4.6 运动控制�？樯杓�
4.6.1 手动运动控制
4.6.2 位置监控和大臂小臂的单独控制
4.6.3 电机使能和输出端口调试
4.6.4 流程配置关键点下载和位置调试
4.6.5 加工、下载文件和清除报警控制
4.7 系统调试�？樯杓�
4.7.1 机械手状态调试
4.7.2 输出端口状态调试
4.7.3 位置点测试
4.7.4 加工速度和转矩限制调节
4.8 系统的启动和停止�？樯杓�
4.8.1 机械手启动加工�？樯杓�
4.8.2 机械手的停止和报警清除�？樯杓�
4.9 一般故障分析和处理设计
4.9.1 伺服电机报警设计
4.9.2 编码器失电故障清除设计
4.9.3 原点和关键点位置设置设计
4.9.4 其他报警处理
4.10 硬件设计
4.10.1 各部分功能设计
4.10.2 整体布局图设计
4.6 本章小结
第五章 系统测试
5.1 测试环境准备
5.1.1 测试硬件环境的准备
5.1.2 测试数据的准备
5.2 测试流程与实施方案
5.3 安全性测试
5.4 本章小结
第六章 全文总结与展望
6.1 系统设计与实施总结
在经过接近一年时间的分析、设计与实施，加湿器水箱自动化制造系统调试稳定并投入使用。各个企业在自动化制造领域的探索越来越多，本人根据软件工程的基本要求，从学习调研并结合企业生产经营实际的运作需求，并经过多次讨论和反复论证，找到具体的课题切入点。在查阅了相关的文献、参考资料，对基本理论及关键技术进行分析之后，进行需求分析和功能�？樯杓朴胱詈蟮氖凳�。
在加湿器水箱自动化制造系统设计过程的讨论初期对各种技术方案进行了风险分析，成本分析，实用性分析，可靠性分析，最终选定本论文的方案。在这个过程中，学习到很多软件工程开发，自动化，PLC 等方面的知识，系统开发是一项整体性非常强，协调性非常高，逻辑性非常严谨的工作�？悸堑哪谌萆婕叭嗽辈僮�、物流、信息流、人机交互，安全等方面，在这个过程中，由于没有太多参考的现成案例，需要结合企业的实际产品进行突破，创新，建立行业首创的系统，为企业的转型升级带来实实在在的案例。
该系统已经投入工厂使用，实际效果良好，达到了预期的目的，单班人员由 9人为 3 人，小时产出由 350 个提升到 420 个，提升 20%;生产不良率由原来的 2.5%下降到 1.4%,不良率下降 44%;必要的时候还可以开展夜班工作来满足生产需求，在实现减人增效，提升品质的同时，系统也存在需要进一步完善的地方：
1、换型速度偏慢。系统当初在设计的时候考虑产品的通用性，尽量满足销量较大的产品型号，这样可以把设备系统的利用率提高，充分发挥其价值。但是在加湿器生产淡季的时候，需要频繁切换型号。对转换型号生产的过程中，工装夹具的调试时间偏长。需要进一步攻克解决。
2、系统的自动化程度可以进一步提升。在设计的初期，考虑系统的稳定性，第一个工序仍然采用人工辅助，最后一个工序也是采用人工辅助完成。通过系统设计实施验证后，可以做到进一步的自动化替代。
3、机械手的稳定性比机器人相对要差，在加工部分形状特殊的产品时，需要转动的角度、位移比较精密。在效率和精密要求的双重叠加下，特殊形状的产品对稳定性要求增加。因此，后续扩展新系统的时候可考虑用机器人替代机械手。
4、系统的外观界面不够美观，人机交付的操作性可以进一步的提高。
针对以上的不足之处，已着手分析探讨改善优化方案。由于需要复制推广，将在本系统的基础上结合上述的不足进行 2.0 版本的升级。
6.2 系统使用展望
加湿器水箱自动化制造系统的设计与实施，属于行业的首次应用。该系统大大的提高了生产效率，减少不良品，提高经济效益，提升企业的形象。通过系统程序编译、状态监控，运动控制，系统调试四个�？�，很好的使得加湿器水箱自动化制造过程顺畅的运行。
该系统的设计与实施，为加湿器其它型号的水箱自动化制造系统提供了示范性的效应，同时具有为企业的制造转型升级提供了实施方向、基础技术等重大意义。
致谢
在攻读软件工程硕士期间，感谢学校提供了良好和严谨的学习氛围，对软件工程开发领域的知识进行了系统的、全面的学习，收获良多，感谢电子科技大学所有老师。
在毕业论文的撰写形成的过程中，感谢我的导师彭倍教授的耐心、专业的指导，提出了宝贵的修改意见。感谢企业导师全永兵博士，为我的毕业论文设计与实施提供了支持和方向性的引导。同时，感谢企业在系统的设计与实施应用过程相关同事的大力配合，使得系统成功的、顺畅的完成设计与实施应用。
感谢这一路上给予支持、帮助的老师、同事们！
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