Auf dem Weg zur Lieferkette der Industrie 4.0 -- Referenzmodelle und Industrie 4.0 - KomponentenDr. Michael Hoffmeister, FESTO AG & Co. KG 1
Auf dem Weg zur Lieferkette der Industrie 4.0
Referenzmodelle und
Industrie 4.0-Komponente
Dr. Michael Hoffmeister
Auf dem Weg zur Lieferkette der Industrie 4.0 -- Referenzmodelle und Industrie 4.0 - KomponentenDr. Michael Hoffmeister, FESTO AG & Co. KG 2
Dr. Michael Hoffmeister
Disclaimer: Dieser Vortrag verweist auf Ergebnisse der Plattform Industrie 4.0 und des VDI/
VDE GMA FA 7.21.
Weiteres Material bezieht sich auf aktuell diskutierte Ansätze in den Gremien des ZVEI.
► Mitglied und Sprecher von Arbeitskreisen des ZVEI für Industrie 4.0
► Obmann des VDMA Einheitsblatts 66415
► Portfolio Management Software für Festo AG & Co. KG
► Diplom Informatik (Karlsruhe KIT)
► Promotion Maschinenbau (Fraunhofer IPA)
► Echtzeitsysteme, IT Beratung, SPC / Big Data, Intelligente
Produktion,Semantik, Mechatronisches Engineering
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Inhalt
►Vorbemerkungen Was ist Industrie 4.0?
►Mit welcher Produkt- und Innovationsstrategie agiert Festo?
►Wie entwickeln wir unsere Standards?
►Wie sehen die nächsten Herausforderungen aus?
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Industrie 4.0 beschreibt den grundlegenden Wandel …
… der Wertschöpfungsketten und
des Lebenszyklus von Produkten,
bei dem reale und virtuelle Welt
zusammen wachsen. […]
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Keine Unfälle Energieeffizienz: Ihr Auto bremst optimal
Adaption: Ihr Auto wählt eine andere Route
Geschäftsmodell: Was würden Sie für Ihre "grüne Welle" zahlen?
Vernetzung: Alle Ampeln passen sich der Verkehrssituation an
Warum eine Vernetzung aller Dinge?
+ Auto
+ Navigation
+ Netz
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Industrie 4.0 in der Welt neuer Geschäftsmodelle und Märkte
Internet der Dinge und Dienste (IoT&S)
B2C B2B = Industrielles Internet
Technologische Ebene: All-IP Konnektivität / Dienste&Plattformen / Big data&AnalyticsQuelle: T-Systems, 14.4.2015
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Schulterschluss mit den Industrieverbänden, der Wirtschaft und der Politik
Die Produktion der Zukunft wird weltweit diskutiert und gestaltet
Ziele:
• Standardisierung
• Pilotprojekte/praktische Umsetzung
• Entwicklung von Technologien
• Geschäfts und Organisationsmodelle
Verband der Elektroindustrie
Verband der Maschinen- und Anlangenbauer
Verzahnung zwischen BMWi und der chinesischen Initiative „Made in China 2025“
Plattform I 4.0
Allianz aus Politik, Wirtschaft, Gewerkschaften und Forschung
Verband der Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien
Collaboration of technology innovators, vertical market leaders, researchers, universities and governments.
VDI/VDE
► Fokusprojekt
Industrie 4.0
► GMA 7.21
► uvm.
BITKOM
► Cyber Physical
Systems
► I4.0 Interoper-
abilität
► I4.0 Markt &
Strategie
► Dialogplattform
ZVEI
Führungkreis I4.0
► SG Strategie
► SG Modelle
► SG Forschung
► SG Sicherheit
VDMA
► Forum Industrie
4.0
DIN/ DKE
► Steuerkreis
Plattform I4.0 AG2Plattform Industrie 4.0► AG1 Normung und Referenzmodelle
► AG2 Innovation und Forschung
► AG3 Sicherheit vernetzter Systeme
► AG4 Rechtliche Rahmenbedingungen
► AG5 Arbeit, Aus- und Weiterbildung
Das Plattformprojekt wirkt heute und morgen als
Klammer für Industrie-4.0-relevante Aktivitäten in D
Quelle: Roland Heidel, SIEMENS
Digitale Agenda der Bundesregierung► Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
► Bundesministerium für Bildung und Forschung
Wir lassen uns von vier
"Haupt-Aspekten der Industrie 4.0" leiten
Horizontale Integration Vertikale Integration
Durchgängiges Engineering Mensch als Dirigent der Wertschöpfung
Wertschöpfungskette • Lebenszyklus-Kosten •
Kundenindividualisierte Produkte
Rekonfigurierbarkeit • Losgröße 1 • Apps •
Stetiger Wandel
Systems Engineering • entlang der
Lieferbeziehungen • Digitale FabrikOrchestrierung • Skill-Sets •
Wissensarbeit • Schulung & Training
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► Industrie 4.0 vergrößert signifikant die operativen Stärken eines Unternehmens
► Darüber hinaus werden die Entwicklungskompetenzen (Marktreaktion, Wandelbarkeit, Vorlaufzeit) sowohl von Zulieferer als auch Unternehmen verbessert
► Qualität und Kosten aller Partner der Wertschöpfungskette verbessern sich(Kosten, die nicht anderen obigen Kategorien entsprechen)
13
Nutzen der Industrie 4.0 aus Sicht von absehbaren Anwendungsfällen
9
6
5
4
2
VERFÜGBARKEIT & PRODUKTIVITÄT
MARKTREAKTION
WARTUNG
QUALITÄT
KOSTEN
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Inhalt
►Vorbemerkungen Was ist Industrie 4.0?
►Mit welcher Produkt- und Innovationsstrategie agiert Festo?
►Wie entwickeln wir unsere Standards?
►Wie sehen die nächsten Herausforderungen aus?
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Zahlen und Fakten eines unabhängigen Familienunternehmens
Über 30.000 Katalogprodukte
9,0 % vom Umsatz fließen in F&E
Dienstleistung in 176 Ländern
1
• 300.000 Kunden weltweit
• 2,45 Milliarden Euro Umsatz (2014)
• 18.000 Mitarbeiter, davon >8.000 in D
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Fabrik- und Prozessautomatisierung – für die gesamte Steuerungskette
Steuerungen
• Positionen erkennen
• Prüfen und überwachen
• Bearbeiten
Technologie-
neutral:
elektrisch
pneumatisch
servopneu-matisch
Motion
• Linear und rotativ
• Drehen und Schwenken
• Greifen und Klemmen
Prozessautomatisierung
• Mischen und Dosieren
• Abfüllen
• Trennen
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Wir erfüllen Kundenanforderungen auf jeder Skala: Individuelle Lösungen, die System haben!
IndividuelleKonfigurationen
InstallationsfertigeLösungen
EinzelneKomponente
Wertschöpfung
StandardProdukte
Innovativ
10% R&D Budget
Umfassend
Breites Angebot
von Antrieben,
Controllern und
Steuerungen
Kompetent
von Komponente
bis zur fertigen
Lösung
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• Keine Druckluftverschwendung bei Anlagenstillstand
• Selbstständige Leckagen-Erkennung
• Online Prozessüberwachung, Fernwartung sowie regulieren der Parameter über PROFIBUS
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Energieeffizienz-Modul
Wir schaffen Komponenten mit dezentraler Intelligenz
Feldbusknoten mit Feldbusschnittstelle für eine online Datenübertragung
2/2 Wege-Absperrventil ermöglicht Auto-Stopp-Funktion
Durchflusssensor und Drucksensor für die Prozessüberwachung
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Standards für Softwarearchitektur und Datenaustausch entlang der Wertschöpfungskette
Wir schaffen Horizontale und vertikale Integration
IO Link / Feldbusse
Kommunikation auf Shop Floor Ebene
OPC UA
Schnittstellen-Standard um Daten zwischen Systemen verfügbar zu stellen
I4.0-Standards
Beschreibungssprache im Engineering-Prozess
ServiceWartungInbetriebnahmeProduktionEngineeringKonfiguration & Angebot
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Disruptive Ansätze:Produktions-Stationen direkt verbunden mit ERP-System
Motivation für Hersteller von ERP-Systemen
► Optimierung Produktion, Ressourcen, Energie
► Tiefes Verständnis von Abläufen, Varianten, Qualität
► Nur eine einzige Quelle für alle "master data"
Konsequenzen
► Aktivitäts-Verlagerung Systemintegrator IT-Hersteller
► Direkte Anbindung von SPSen und modularen Subsystemen
► Beherrschung der Komplexität durch Informations-Modelle
Anteil von Festo
Festo "Transfer Factory" mit modularen Stationen
Produkt-Tracking, Qualitätsmessung, komplexe Rezepte, verschiedene Routen
Siemens SPSen und OPC-UA Integration
FirmenzentraleHannover Messe, 2014Hannover Messe, 2015
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Volle Prozesskontrolle durch nahtlose Integration von ERP bis zur SPS
Beispielhafter Ablauf:
1) Alle relevanten Automatisierungsdaten liegen in der Domäne ERP und SAP ME:
Routen,
Rezepte für einzelne Stationen,
Qualitätsziele
2) Start Produktion - Material kommt zur Station - SPSwird beschrieben (Material/ Operation spezifisch)
3) Material wird datenabhängig bearbeitet -Resultate und Messungen werden zurück in SAP ME aufgenommen
4) Qualitäten und Toleranzen durch SAP ME geprüft -Entscheidungen über nächste Operation -> Maschine
5) Routing erfolgt basierend auf dieser Entscheidung (z.B. Ausschuss-Weiche, nächste Operation …)
6) Material zur nächsten Station, Schreiben der SPS-Parameter …
OPC UA
Round-trip < 200ms!
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Inhalt
►Vorbemerkungen Was ist Industrie 4.0?
►Mit welcher Produkt- und Innovationsstrategie agiert Festo?
►Wie entwickeln wir unsere Standards?
►Wie sehen die nächsten Herausforderungen aus?
Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0)
Quelle Plattform Industrie 4.0
(1) Moderne
Architektur:
Schichten
(2) Lebenszyklus/
Wertschöpfung
(3)
Hierarchie-
Ebenen
Das RAMI4.0 deckt die ganze Lieferkette ab!
26
Typen als auch Instanzen
verändern sich über die
Lebenszeit!
Ansatz der
Industrie 4.0 - Komponente
Jede I4.0-Komponente deckt
ein Volumen im RAMI ab
.. und integriert verschiedene
Layer
.. interagiert und koordiniert
über I4.0-konforme
Kommunikation
Wir schaffen eine weltweit
eindeutig anzusprechende
virtuelle Repräsentation für
Typen und Instanzen.
Gegenstand,
z.B. Machine
Verwaltungsschale
Strategisch wichtige Bestandteile der Maschine
(Anlage) werden ebenfalls I4.0 Komponenten
28
Gegenstand(Unbekannt)(Anonym)
(Individuell bekannt)Entität
Gegenstand, z.B. Elektr. Achse
Gegenstand, z.B. Maschine
Gegenstand, z.B. Klemmenblock
Verwaltungs-Schale
Verwaltungs-Schale
Verwaltungs-Schale
Gegenstand, z.B. Standard-SW
Verwaltungs-Schale
Beispiele für I4.0-KomponentenKeine I4.0-Komponente
I4.0-konforme Kommunikation
= Schnittstelle/ DatenformateI4.0-konform ausgeführt
(Gegenstand gibt Zugriffauf Verwaltungsschale)
(Übergeordnetes Systemgibt Zugriff auf
Verwaltungsschale)
I4.0-Komponenten erscheinen nach
Anwendungsfall logisch schachtelbar
29
für manche Anwendungsfälle fasst
die übergeordnete Komponente die
Untergeordneten zusammen
z.B. Aktivierung der Funktion
für andere Anwendungsfälle
erscheinen alle Komponenten einzeln
auf dem Radar von ganz
übergeordneten Fabriksystemen
vorausschauende Wartung
oder Condition Monitoring
Asset-Management
Gegenstand, z.B. Elektr. Achse
Gegenstand, z.B. Maschine
Gegenstand, z.B. Klemmenblock
Verwaltungs-Schale ,
Verwaltungs-Schale
Verwaltungs-Schale
I4.0-konforme Kommunikation ("oben")
I4.0-Komponente I4.0-Komponente
Schnittstelle
Schnittstelle
I4.0-Komponente
…
Gegenstand mitAktiver I4.0-Komm.-
fähigkeit, so dassSchnittstellen
ausgeprägt werdenkönnen
2
= Schnittstelle/ DatenformateI40-konform ausgeführt
Komponenten-Management
1
I4.0-konforme Kommunikation ("unten")
Die Mengengerüste ändern sich
auf IT und AT Ebene!
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Inhalt
►Vorbemerkungen Was ist Industrie 4.0?
►Mit welcher Produkt- und Innovationsstrategie agiert Festo?
►Wie entwickeln wir unsere Standards?
►Wie sehen die nächsten Herausforderungen aus?
Was gehört in die Verwaltungsschale??
Wir nehmen in die "Verwaltungs-Schale" auf:
► Daten ( Handbücher, Laufzeitdaten)
► Dezentrale Funktionen
► Wissen, in einer allgemein anerkannten Semantik. Z.B.
► Wissen über die Komponente
► Wissen über externe Beziehungen
► Merkmalsleisten
► Verweise auf Daten und Informationen
Gegenstand, z.B. Elektr. Achse
Verwaltungs-Schale
Das Rad nicht neu erfinden!
Etablierte internationale Standards! Industrie 4.0 = Industrie 3.0 + X !
Wir werden Standards nutzen für die Schaffung
vieler "Teilmodelle"
33
Verwaltungsschale
Identifikation
Communication
Engineering
Konfiguration
Safety (SIL)
Security (SL)
Lifecycle Status
Energie-Effizienz
Condition Monitoring
Weitere ….
IEC TR 62794 &
IEC 62832 Digital Factory
IEC 61784 Fieldbus Profiles Chapter 2
(Ethernet-Echtzeitfähig)
IEC 61360/ISO13584 Standard data elem.
IEC 61987 Data structures and elements
ecl@ss Database with product classes
IEC 61804 EDDL, IEC 62453 FDT
IEC 62443 Network and system security
IEC 62890 Lifecycle
ISO/IEC 20140-5
EN ISO 13849
EN/IEC 61508 Functional safety discrete
EN/IEC 61511 Functional safety process
EN/IEC 62061 Safety of machinery
VDMA 24582 Condition Monitoring
ISO 29005 oder URI Unique ID Bohren
Fräsen
Tiefziehen
Klemmen
Schweissen
Lackieren
Montieren
Inspizieren
Validieren
Weitere ….
Wie kann die Lieferkette der Plattform Industrie 4.0
aussehen?
34
Konzepte derI4.0-Komponente
Teilmodelle fürAspekte & Prozesse
Sprache der Industrie 4.0
Vorgaben für dieIT-Implementierungund Netze
Verwaltungsschale
Identifikation
Communication
Engineering
Konfiguration
Safety (SIL)
Security (SL)
Lifecycle Status
Energie-Effizienz
Condition Monitoring
Weitere ….
Bohren
Fräsen
Tiefziehen
Klemmen
Schweissen
Lackieren
Montieren
Inspizieren
Validieren
Weitere ….
Gegenstand, z.B. Elektr. Achse
Gegenstand, z.B. Maschine
Gegenstand, z.B. Klemmenblock
Verwaltungs-Schale
Verwaltungs-Schale
Verwaltungs-Schale
Gegenstand, z.B. Standard-SW
Verwaltungs-Schale
I4.0-konforme Kommunikation
Nationale und Internationale Normierung (DIN SPEC 91345)
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Diskussion: Was bedeuten diese Entwicklungen für ihre Lieferkette?
Komponentenhersteller Zulieferer OEM
Liefert Industrie 4.0-Komponenten
Bietet Industrie 4.0-Dienstleistungen
Verbessert ständig sein Angebot
Nutzt schnelleres Engineering
Optimiert ständig Qualität und Takt
Integriert sich in Supply Chain
Produziert in Losgröße 1
Optimiert sein Wert-schöpfungsnetzwerk
Asset-Management, Tracking/ Tracing,Re-Use
Backup
37
Zentrales Modell: Vom Gegenstand zur I4.0-Komponente
38
Gegenstand/ Entität
Typ/ Instanz
Kommunikationsfähigkeit
Repräsentation
Funktionen
Hier ordnen wir uns in die
Begrifflichkeiten der
Industrie 4.0 ein
Hier trifft die Umsetzungstrategie
Festlegungen im Sinne von
Geschäftslogik und
Automatisierungs-
funktionen
"Verwaltungs-
schale"
Einordnung
Verteilung: Die Daten & Funktionen können
zentral gehostet werden
39
Engineering-Phasen/-Tools
beim Betreiber
IT-Serverlandschaft beim
Betreiber
Komponenten von einzelnen
Komponentenherstellern,
Systemintegrator(en)
Gegenstand, z.B. Maschine 1
Verwaltungs-Schale
Verwaltungs-Schale
Verwaltungs-Schale
Gegenstand, z.B. Maschine 2
Shopfloor
Repository
Gegenstand, z.B. Klemmenblock
Zugriff auf Datenund Funktionen
Identifizierbarkeit
Lebenszyklus der Fabrik
Typ
Entwicklung Nutzung/Wartung
Instanz
Produktion Nutzung/Wartung
Internet of Things:
Daten & Funktionen auf dem Gegenstand
40
Gegenstand, z.B. Elektr. Achse
I4.0-Komponente
Lebenszyklus der Fabrik
Zugriff auf Datenund Funktionen
Typ
Entwicklung Nutzung/Wartung
Instanz
Produktion Nutzung/Wartung
Verwaltungs-Schale
Die I4.0-Kommunikation wird "kapselfähig" im
Sinne der industriellen Kommunikation
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Gegenstand, z.B. Steuerung
Verwaltungs-Schale
Gegenstand, z.B. Elektr. Achse
Verwaltungs-Schale
Gegenstand, z.B. Sensor
I4.0-konforme Kommunikation
Deterministische, Echtzeit-Kommunikation
Kommunikationen können über einenAnschluss abgewickelt werden
=
Sch
nit
tste
lle/
Dat
enfo
rmat
eI4
.0-k
on
form
au
sgef
üh
rt
I4.0-Komponente I4.0-Komponente
Dr. Michael Hoffmeister, Festo
I4.0 SG2
Ein Netzwerk konsistenter Standards zeichnet sich
ab!
43
ISO/IEC
JTC1
IEC/ISO
IEEE
eCl@ss
e.V.
ProSTEP
e.V.
PLC Open
e.V.
AutomationML
e.V.
OPC
Foundation
Time Sensitive Networks
Technologies for IoT
Security
ISO/IEC 2700x
IEC 61360 Rules for Properties
IEC 61387 Sensors Prop.
IEC 62683 Switch Gears Prop.
IEC 62832 Digital Factory
IEC 62443 Security in Automation
Mechanics
STEP + APxxx
Properties
IEC 61987 Sensors
IEC 62683 Switch Gears
30 Segments with product familiesPLC Technologies
IEC 61131
Engineering data
AutomationML
IEC 62714
Services
IEC 62541 OPC-UA
and Companions
Quelle: Heidel, SIEMENS, Hoffmeister, FESTO
Dr. Michael Hoffmeister, Festo
I4.0 SG2Folie 44Frankfurt, 22.01.2015 –
Für Industrie 4.0 müssen wir große Mengen von
Merkmalen bewältigen!
Maximale Flexibilität und
Abbildung individueller USPs
kontinuierliche Steigerung der
Interoperabilität und des
Kundennutzens für
Beschaffung, Durchgängiges
Engineering, Wartung, etc.
Absicherung von
Kernaufgaben einer Domäne
(z.B. "Pneumatik", "Chemie")
"kalte" Standards und "konsensuale"
Findung von Merkmalen
Harte Standards
(ISO/IEC..)
"freie" Merkmalsmengen, unterschiedliche
Dateiformate, Firmenstandards
Dr. Michael Hoffmeister, Festo
I4.0 SG2Folie 45Frankfurt, 22.01.2015 –
Wir werden auch auf Zusammenarbeit und das
Mapping verschiedener Bereiche setzen müssen!
Wir könnten es zulassen und
organisieren, dass
verschiedene Partner
Mappings zwischen
Unterschiedlichen Domänen
und zu Standards schaffen
Skaleneffekt!
Wir müssen die rechtliche
Basis für die Abbildung von
Standards in "konsensuale"
Semantiken schaffen
(z.B. ISO eCl@ass)
"kalte" Standards und "konsensuale"
Findung von Merkmalen
Harte Standards
(ISO/IEC..)
"freie" Merkmalsmengen, unterschiedliche
Dateiformate, Firmenstandards
D
B
B
C
A S
A
A
A
B
C
D
S"I40 ready"
Mehrere Lebenszyklen müssen in Industrie 4.0
berücksichtigt werden
46
Quelle: Martin Hankel, Bosch Rexroth
Merkmale einer I4.0-Komponente (I)
► Identifizierbarkeit
Sie ist im Netzwerk eindeutig identifizierbar und ihre physischen Gegenstände werden
mittels eines eineindeutigen Identifiers (ID) identifiziert. Ist sie eine CP43- oder CP44-
Komponente, so ist sie über eine Kommunikationsadresse (z.B. IP-Adresse) erreichbar.
► I4.0-konforme Kommunikation
Die I4.0 Komponenten kommunizieren untereinander mindestens nach dem SOA
Prinzip (inkl. gemeinsamer I4.0-konformer Semantik).
► I4.0-konforme Dienste und Zustände
Sie unterstützt die für ein I4.0-System allgemein standardisierten (auch nachladbaren)
Dienstfunktionen und Zustände.
► Virtuelle Beschreibung
Sie liefert ihre virtuelle Beschreibung einschließlich ihres dynamischen Verhaltens. Diese
Beschreibung wird durch die Virtuelle Repräsentation und das Manifest erreicht (
3.2.4).
47
Merkmale einer I4.0-Komponente (II)
► I4.0-konforme Semantik
Sie unterstützt die für ein I4.0-System standardisierte I4.0-konforme Semantik.
► Security und Safety
Sie bietet für Ihre Funktionalität und Daten einen der Aufgabe entsprechenden
ausreichenden Schutz (Security). Zusätzlich können in Anwendungen auch Maßnahmen
zur funktionalen Sicherheit, Maschinensicherheit notwendig sein (Safety).
► Quality of Services
Sie besitzt die für ihre Aufgabe erforderlichen Eigenschaften als „Quality of Services“
(QoS). Bzgl. der Anwendung in der Automatisierungstechnik sind dies Eigenschaften wie
Echtzeitfähigkeit, Ausfallsicherheit, Uhrensynchronisation, u.a. Diese Eigenschaften
richten sich nach einem Profil aus.
► Zustand
Sie liefert jederzeit ihren Zustand.
► Schachtelbarkeit
Jede Industrie 4.0 Komponente kann aus weiteren I4.0 Komponenten bestehen.
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