作者：譚愛紅，揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

許常武，揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠有限公司

導(dǎo)讀

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設(shè)過(guò)程中，機(jī)械制造企業(yè)的難點(diǎn)是智能車間的設(shè)計(jì)。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，大量的帶網(wǎng)絡(luò)接口的智能設(shè)備的投入使用，智能車間的實(shí)施成為可能。本文從車間生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、過(guò)程管控、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、能耗管理和物流倉(cāng)儲(chǔ)等方面提出了車間MES執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)對(duì)企業(yè)實(shí)施 MES 的過(guò)程提出了四個(gè)注意事項(xiàng)。

01

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，工業(yè) 4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算及人工智能等有了更強(qiáng)大的基礎(chǔ)支撐，很多企業(yè)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了規(guī)模較大的數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設(shè)工作，經(jīng)過(guò)近幾年的努力，許多企業(yè)成功地完成了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的初步階段，辦公協(xié)助系統(tǒng)、企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)和 3D 打印等先進(jìn)管理手段已經(jīng)成為標(biāo)配。企業(yè)的信息化水平得到了顯著提升。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型對(duì)企業(yè)提出全方位的要求，而且，在一些企業(yè)中，雖然實(shí)施了信息化改造，但由于認(rèn)識(shí)、水平和基礎(chǔ)條件的限制，各個(gè)信息系統(tǒng)往往各自為政，互不協(xié)調(diào)，造成信息的物理隔絕，企業(yè)信息沒有真正流通起來(lái)。究其原因，一方面是由于企業(yè)信息化的基礎(chǔ)不夠扎實(shí)、缺少互聯(lián)互通的平臺(tái)系統(tǒng)；另一方面是一些復(fù)雜過(guò)程如機(jī)械制造企業(yè)車間生產(chǎn)管理，難以用數(shù)字化來(lái)描述，許多設(shè)備上又缺少信息互通的接口等，再加上以前網(wǎng)絡(luò)傳輸速度較慢、受環(huán)境因素影響較大的原因，許多機(jī)械制造企業(yè)不敢也不愿去做這項(xiàng)工作。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，目前，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在傳輸速率、覆蓋面和深度、信號(hào)時(shí)延、終端接入量等方面取得了質(zhì)的飛躍，逐漸成為新一代的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這讓制造車間的數(shù)字化建設(shè)成為了可能。如何在 5G 環(huán)境下建立一套制造車間的智能管理系統(tǒng)，本文對(duì)此進(jìn)行了探討。

02

企業(yè)信息化管理平臺(tái)的要求 要建立智能制造車間，企業(yè)首先要建設(shè)包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PLM）、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)（OA）等的企業(yè)數(shù)字化管理集成平臺(tái)，如圖1 所示。通過(guò)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)管理數(shù)字化并實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。

利用 5G 網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備與接入設(shè)備進(jìn)行專門的 5G 通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，形成企業(yè)全 5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸氛圍，實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延和超大帶寬需求，為更多的 5G 智能制造應(yīng)用構(gòu)建良好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)環(huán)境。構(gòu)建 5G 專網(wǎng)頻段，實(shí)現(xiàn) 5G 信號(hào)保障，提供 5G 端到端的連接。 為了確保企業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的安全可靠，企業(yè) 5G 網(wǎng)絡(luò)最好要能夠提供雙冗余信號(hào)，確保能夠?qū)崿F(xiàn)公有云平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)安全。只有建立了強(qiáng)大的 5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，智能車間的建設(shè)才更加容易實(shí)現(xiàn)。 ?

03

基于5G環(huán)境下的機(jī)械制造企業(yè)

智能車間MES 的設(shè)計(jì)

智能車間的建設(shè)，最核心的是要建立一套在5G環(huán)境下的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）。用該系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)過(guò)程控制、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理、能耗管理和現(xiàn)場(chǎng)文明生產(chǎn)等數(shù)據(jù)管理，同時(shí)該系統(tǒng)還要能夠整合車間各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車間全面數(shù)據(jù)平臺(tái)及報(bào)表可視化平臺(tái)，讓數(shù)據(jù)賦能業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理可視化到智能決策的提升，推動(dòng)智慧車間的全面升級(jí)，增強(qiáng)企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力。據(jù)此，設(shè)計(jì)出機(jī)械制造企業(yè)智能車間MES執(zhí)行系統(tǒng)框架，如圖2所示。 ?

3.1 車間生產(chǎn)計(jì)劃管理

通過(guò) MES 與 ERP 互通，實(shí)現(xiàn)智能車間生產(chǎn)計(jì)劃的排產(chǎn)。MES 對(duì) ERP 系統(tǒng)中的生產(chǎn)管理計(jì)劃 MRP 進(jìn)行解讀，使之變成車間的生產(chǎn)計(jì)劃。ERP 系統(tǒng)中的總生產(chǎn)計(jì)劃比較粗放，不能有效指導(dǎo)車間的具體生產(chǎn)，而MES 則必須在接受到ERP 系統(tǒng)的指令后，能夠迅速將主生產(chǎn)計(jì)劃根據(jù) PLM 系統(tǒng)中的產(chǎn)品加工工藝流程、產(chǎn)品裝配 BOM等技術(shù)文件將車間生產(chǎn)要求轉(zhuǎn)化為車間可執(zhí)行的數(shù)字指令，同時(shí) MES 根據(jù)車間人員、智能設(shè)備的生產(chǎn)能力及流水線的工作節(jié)拍將生產(chǎn)計(jì)劃準(zhǔn)確地傳輸?shù)郊庸と藛T和加工工位。物流、加工過(guò)程、零部件的加工進(jìn)度、產(chǎn)品的裝配和入庫(kù)等信息通過(guò) 5G+ 的相關(guān)設(shè)備進(jìn)入 MES，同時(shí)加工質(zhì)量的信息數(shù)據(jù)通過(guò)5G+檢測(cè)設(shè)備同步進(jìn)入MES中，實(shí)現(xiàn)從 ERP 主生產(chǎn)計(jì)劃到 MES 計(jì)劃調(diào)度的全面對(duì)接和雙向傳輸，最終實(shí)現(xiàn) MES 和 ERP 的集成。通過(guò)集成，企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)車間加工數(shù)據(jù)在整個(gè)系統(tǒng)的流通，保證信息的追溯和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化和可視化的進(jìn)度管理。

3.2 車間生產(chǎn)過(guò)程控制管理

MES 貫穿生產(chǎn)制造的全過(guò)程，通過(guò) MES 建立重要零部件的追溯體系，用激光刻碼機(jī)等特定設(shè)備在定義好的零件上標(biāo)刻 QR Code，追溯原材料批次、加工工單、生產(chǎn)廠家和加工人員等。智能設(shè)備之間進(jìn)行互聯(lián)，通過(guò)多種傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集卡等方式，采集機(jī)床運(yùn)行的多種加工參數(shù)、零件測(cè)量數(shù)據(jù)和報(bào)警信息等，并將數(shù)據(jù)反饋給 MES 和 PMC。車間管理者可以通過(guò)設(shè)備互聯(lián)頁(yè)面，實(shí)時(shí)了解加工狀態(tài)，并分析機(jī)床 OEE 值。在發(fā)生報(bào)警的情況下，系統(tǒng)可以發(fā)信息提示相關(guān)人員進(jìn)行處理。

在過(guò)程控制中，車間通過(guò) PLC 數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)者輸入等方式采集設(shè)備和生產(chǎn)者加工信息并輸入 MES。

3.3 車間智能設(shè)備管理

采用 5G+ 設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)全面感知、信息高效處理，實(shí)現(xiàn)車間柔性生產(chǎn)。對(duì)各類智能設(shè)備（如圖 3所示）、生產(chǎn)線等進(jìn)行 5G 網(wǎng)絡(luò)采集，在相關(guān)總線和網(wǎng)絡(luò)接口的基礎(chǔ)上，通過(guò) 5G 模組轉(zhuǎn)為 5G 信號(hào)，再通過(guò) 5G專線網(wǎng)絡(luò)，將采集的設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，再通過(guò)邊緣計(jì)算 MEC 移動(dòng)實(shí)時(shí)響應(yīng)并處理。提升了工業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集能力。

通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控，運(yùn)行效率監(jiān)控，設(shè)備故障異常管理，設(shè)備維修保養(yǎng)預(yù)警管理，減少設(shè)備宕機(jī)導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī)，提升設(shè)備利用效率、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。同時(shí)控制生產(chǎn)過(guò)程中因設(shè)備故障導(dǎo)致的不良品流出。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備故障進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控及設(shè)置故障預(yù)警值，提前預(yù)測(cè)并實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備故障情況，縮短故障的處理時(shí)間，確保安全生產(chǎn)。

3.4 車間質(zhì)量管理 設(shè)計(jì)質(zhì)量管控系統(tǒng) QMS，對(duì)車間加工質(zhì)量進(jìn)行控制。依據(jù) BOM 清單，對(duì)零部件進(jìn)行實(shí)體編碼標(biāo)識(shí)或批次碼標(biāo)識(shí)。車間質(zhì)檢員可通過(guò) 5G+IPAD 在 QMS 中獲取零部檢、過(guò)程檢、來(lái)料檢、成品檢和抽檢等質(zhì)檢數(shù)據(jù)，比對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料質(zhì)量管理、過(guò)程質(zhì)量管理、成品質(zhì)量管理、不合格品處理，以及報(bào)表和看板等功能。同時(shí)智能檢測(cè)設(shè)備也可對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，將合格/不合格數(shù)據(jù)信息通過(guò) MES 反饋給 QMS，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車間加工質(zhì)量的有效控制。 對(duì)于出廠產(chǎn)品的管理，則可以通過(guò)相關(guān)工業(yè)物聯(lián)碼標(biāo)識(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)牌智能標(biāo)識(shí)，客戶通過(guò)相關(guān)系統(tǒng)可以查詢到生產(chǎn)產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝信息、物料信息、流程信息和設(shè)備調(diào)試記錄等信息。

3.5 物流倉(cāng)儲(chǔ)管理 車間按照節(jié)拍化生產(chǎn)理念組織生產(chǎn)，工藝規(guī)劃細(xì)分到各個(gè)工位，將物料的相關(guān)屬性寫入產(chǎn)品 MBOM 和工藝路線。 AGV 智能小車連接 5G 或 WiFi，用于成品庫(kù)、原料庫(kù)、車間裝配線運(yùn)輸、檢測(cè)線運(yùn)輸和涂裝線運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)原料入庫(kù)、產(chǎn)品裝配及包裝、入庫(kù)等流轉(zhuǎn)自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)物流優(yōu)化。 建立自動(dòng)化立庫(kù)（包含原料庫(kù)、成品庫(kù)）及智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng) WMS。通過(guò) WMS 對(duì)倉(cāng)庫(kù)實(shí)行全庫(kù)位管理，并建立數(shù)字化的庫(kù)位模型，物料的分布和庫(kù)存量一目了然。依據(jù) BOM 清單，物料通過(guò) 5G+IPAD 掃碼入物料庫(kù)，物料數(shù)據(jù)同步到 WMS 中。WMS 根據(jù)物料的出入庫(kù)情況，分析出常用物料、呆滯品等信息。在物料使用頻率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，靈活設(shè)定 WMS 的入庫(kù)原則，確保常用物料的庫(kù)位盡量靠近出庫(kù)口，減少物流的行程，提高出入庫(kù)效率。 通過(guò) WMS，對(duì)時(shí)效性物料實(shí)行“先進(jìn)先出”和“先失效先出”的出庫(kù)策略管理。通過(guò)對(duì)每種物料設(shè)定合理的安全庫(kù)存、采購(gòu)周期等屬性，將信息流轉(zhuǎn)變?yōu)槲锪鳎畲笙薅鹊臏p少采購(gòu)量和實(shí)現(xiàn)最小庫(kù)存量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.6 車間能耗管理 設(shè)計(jì)生產(chǎn)能源管理模塊，實(shí)施對(duì)智能電表、天然氣流量計(jì)、自來(lái)水和壓縮空氣流量計(jì)等計(jì)量?jī)x表的數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)車間、生產(chǎn)線和智能設(shè)備等多個(gè)管理層級(jí)的能源消耗，按年、月、周和班次等時(shí)間維度統(tǒng)計(jì)能源消耗；并結(jié)合產(chǎn)量、產(chǎn)值等錄入模塊，實(shí)現(xiàn)各個(gè)管理層級(jí)和時(shí)間維度的單耗計(jì)量。對(duì)高耗能設(shè)備的三相電流、三相電壓、三相功率、功率因數(shù)和諧波等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；當(dāng)設(shè)備參數(shù)超過(guò)限值時(shí)，自動(dòng)發(fā)出告警提示；對(duì)設(shè)備的重點(diǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合工藝參數(shù)，綜合分析設(shè)備的能源效率。對(duì)于有多個(gè)設(shè)備組成的連續(xù)生產(chǎn)線，分析產(chǎn)線各個(gè)設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行情況，避免當(dāng)主產(chǎn)線停止運(yùn)行時(shí)，輔助設(shè)備還在空轉(zhuǎn)運(yùn)行。 結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃和能源單耗的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)未來(lái)的能源消耗進(jìn)行月度和年度預(yù)測(cè)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工廠的最大需量曲線，當(dāng)最大需量達(dá)到閾值時(shí)，通過(guò)調(diào)整可中斷負(fù)荷來(lái)控制最大需量，節(jié)約能源。

3.7 車間現(xiàn)場(chǎng)管理 由于智能車間中采用大量的自動(dòng)化生產(chǎn)線和智能設(shè)備等，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管控的要求就非常嚴(yán)格。如何做好智能車間的現(xiàn)場(chǎng)管理，采用 5G+ 工具是一個(gè)非常有效的辦法。 安裝 5G+AI 攝像頭。實(shí)施安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)采集人員行為數(shù)據(jù)智能圖像識(shí)別，對(duì)未佩戴安全帽、吸煙、玩手機(jī)、煙火、人員逗留、人員出入預(yù)警和通道異物等情況分析報(bào)警。同時(shí)通過(guò)智能 AI 監(jiān)測(cè)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境的安全監(jiān)測(cè)。 采用各類傳感器、溫控器等智能設(shè)備及時(shí)將車間現(xiàn)場(chǎng)的不安全因素傳送給各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)車間全方位、無(wú)死角的監(jiān)管。 ?

04

MES 與其他信息管理系統(tǒng)的集成

實(shí)施智能車間的 MES 與企業(yè)的 CRM、PLM、ERP、SRM 和 OA 等系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)研發(fā)設(shè)計(jì)協(xié)同、供應(yīng)鏈協(xié)同、生產(chǎn)制造一體化和車間管理協(xié)同。

MES 與 ERP 集成。ERP 中的生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品交貨信息及全程的生產(chǎn)管控要能夠及時(shí)傳輸?shù)?MES 中，MES 根據(jù) ERP 主生產(chǎn)計(jì)劃建立車間的生產(chǎn)計(jì)劃，車間對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程的各種信息要能夠反饋到 ERP 系統(tǒng)中。

MES 與 PLM 集成。研發(fā)人員通過(guò) PLM 系統(tǒng)將與產(chǎn)品相關(guān)信息（包括零件信息、配置、文檔、圖紙文件和結(jié)構(gòu)信息等）及所有與產(chǎn)品相關(guān)過(guò)程（包括過(guò)程定義和管理）傳遞到 MES，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全過(guò)程跟蹤管控，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、編碼規(guī)范化、圖紙數(shù)字化、工藝數(shù)字化、審批流程化和簽字電子化。

MES 與 SRM 集成。采購(gòu)部門通過(guò) SRM 系統(tǒng)與車間MES 對(duì)接，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的協(xié)同管理。通過(guò)系統(tǒng)評(píng)估供應(yīng)商績(jī)效，實(shí)現(xiàn)績(jī)效和供貨配額規(guī)范透明化管理，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)業(yè)務(wù)流程變革，通過(guò)電子對(duì)賬，減少人工對(duì)賬出錯(cuò)率，提高工作效率，通過(guò)條碼管理、送貨通知，實(shí)現(xiàn)快速出入庫(kù)，提高庫(kù)存周轉(zhuǎn)率。

MES 與 OA 系統(tǒng)集成。OA 系統(tǒng)是企業(yè)辦公管理的重要手段，企業(yè)決策和具體管理一般都是要通過(guò) OA 系統(tǒng)，而車間管理的一些重要數(shù)據(jù)也必須能夠及時(shí)通過(guò) OA 系統(tǒng)傳遞到企業(yè)的決策部門。MES 中績(jī)效考核、人員管理等數(shù)據(jù)要能與 OA 系統(tǒng)進(jìn)行相互傳輸。

05

MES 設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意事項(xiàng)

5.1 智能車間設(shè)計(jì)全面考慮、按需分步進(jìn)行

智能車間的設(shè)計(jì)從一開始就要有通盤的考慮，不能因?yàn)槟壳坝性S多條件不具備就不考慮。正確的做法是在全面評(píng)估企業(yè)實(shí)施 MES 的信心后，建議企業(yè)可以將容易實(shí)施的先做起來(lái)，對(duì)于目前有難度或條件不具備的要預(yù)留接口空間，不能出現(xiàn)一起上，一個(gè)都用不好的情況。

5.2 MES 軟件模塊的選擇

現(xiàn)在能夠完全做好全系統(tǒng)的 MES 軟件的供應(yīng)商并不多，MES 的各子模塊的設(shè)計(jì)也千差萬(wàn)別。由于軟件設(shè)計(jì)人員和車間管理的人員對(duì)車間管理需求的理解不一致，導(dǎo)致許多 MES 不能很好地適應(yīng)車間管理的需求。

5.3 實(shí)施過(guò)程中要預(yù)留應(yīng)急通道

作為管理工具，MES 也不是萬(wàn)能的，尤其是在剛開始實(shí)施的階段。企業(yè)實(shí)施 MES 的目的是為了提高效率，降低人工成本和管理成本，如果因?yàn)槟承┩话l(fā)因素導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，則一定要預(yù)留人工處理的流程，不能被系統(tǒng)所困。

5.4 要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)操作人員技能水平的培訓(xùn)，提高系統(tǒng)的可靠性

數(shù)據(jù)收集和處理是 MES 運(yùn)行的關(guān)鍵，而數(shù)據(jù)的處理原則是企業(yè)制定的，合理、科學(xué)的處理方法會(huì)極大提高系統(tǒng)的效率。因此現(xiàn)場(chǎng)操作管理人員要能夠根據(jù)車間管理的實(shí)際不斷修正一些流程，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理的環(huán)境，確保 MES 的高效可靠。

06

結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2021 版）》的相關(guān)要求，企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設(shè)已經(jīng)提上了議事日程。要真正實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，一方面廣大軟件設(shè)計(jì)企業(yè)要能夠根據(jù)企業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的信息化管理軟件，社會(huì)要能夠提供出大量的高素質(zhì)信息化操作使用人才，同時(shí)也要有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)支撐。5G 的發(fā)展適逢其時(shí)，高效、安全、傳輸速率高的優(yōu)勢(shì)可以為 MES 的實(shí)施提供極大的便利。

5G 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)客觀上為車間智能化打下基礎(chǔ)，而MES 模塊的成熟應(yīng)用又為企業(yè)實(shí)施管理提升打開了便利之門。相信，隨著 MES 的進(jìn)一步推廣，大量的“黑燈”制造工廠將成為現(xiàn)實(shí)。

編輯：黃飛

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