基于PLC的CA6140车床改造设计
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物理与电子工程学院2012级本科课程设计 物理与电子工程学院 《PLC原理与应用》 课程设计报告书 设计题目： 专 业： 班 级： 学生姓名: 学 号: 指导教师： 2015年 11 月 20 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 物理与电子工程学院课程设计任务书 专业： 班级： 学生姓名 学号 设计题目 基于PLC的CA6140车床改造设计 课程名称 PLC原理与应用 设计目的： 通过设计车床改造有关的PLC控制程序熟悉PLC系统设计流程，加深对PLC设计目的、主要内容（参数、方法）及要求 工作原理的理解，熟练掌握相关指令的编写方法，在实践中加深对工业通信技术理论知识的理解。 主要内容： 1、课程设计应包含硬件电路原理图，软件设计流程图，软件设计程序，仿真电路图等部分内容。 2、基本功能包括：自动控制；手动控制。 3、主要技术参数：PLCS7-200；CA6140车床。 工作量 2周时间，每天3学时，共计42学时 第1天：明确课程设计的目的和意义，根据课程设计要求查找相关资料 第2-3天：学习课程设计中用到的S7-200PLC相关知识 第4-5天：根据课程设计的要求完成硬件选型及硬件电路设计。 进度安排 第6-7天：学习CAD软件，绘制硬件电路原理图。 第8-10天：学习S7-200编程软件，完成软件系统设计。 第11-12天：通过试验箱，进行仿真调试。 第13-14天：撰写课程设计报告。 [1]阮友德.PLC、变频器、综合应用实训 [M].北京:中国电力出版社，2009. [2]何献忠.可编程控制器应用技术 [M].北京:清华大学出版社,2007. 主要参考资料 [3]张铮.机电控制与PLC[M].北京:机械工业出版社,2007. [4]冯薇.电气控制与可编程序控制器[M].北京：化学工业出版社，2006. 指导教师签字 教研室主任签字 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 摘 要 随着可编程序控制器（简称PLC）技术的发展，由于其功能强大、容易使用、高可靠性，广泛的工业现场适应性和方便的工艺扩展性能，PLC在工业自动控制过程中得到了越来越广泛的应用，常常被用来作为现场数据的采集和设各的控制。组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，在PC机上可开发出友好人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行 “智能”控制。 本次设计正是在这种背景下，运用西门子S7-200PLC对普通机床进行的现代化程控改造，讨论了控制流的选择。 关键词：可编程序控制器；控制流 I 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 目 录 1 绪论 .................................................................................................... 1 1.1概述 ......................................................................................................... 1 1.2 程控机床的意义 ..................................................................................... 1 2 机床改造方案的确定及系统的选择 .................................................. 1 2.1 CA6140车床的概述 ................................................................................ 1 2.2 S7-200 CPU介绍 ..................................................................................... 3 2.3 PLC在电气控制系统中的应用............................................................... 3 3 对CA6140车床控制系统的选择 ...................................................... 4 3.1 PLC的选型.............................................................................................. 4 3.2 系统的控制过程 ..................................................................................... 5 3.3 系统的组成 ............................................................................................. 6 4 PLC的基本工作原理 .......................................................................... 6 4.1 系统程序流程图 ..................................................................................... 6 4.2 系统I/O口分配表及PLC外部接线图 .................................................. 7 4.3 系统程序流程图 ..................................................................................... 8 4.4 仿真图 ..................................................................................................... 9 心 得 体 会 ........................................................................................... 9 参 考 文 献 ......................................................................................... 10 附 录 .................................................................................................. 12 II 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 1 绪论 1.1概述 目前我国在世界上是机床消费的第一大国，并正由制造大国向制造强国发展。但是，我国现在机械制造水平与发达国家相比较差距很大，设备的陈旧，技术水平的落后，严重地影响了生产力和发展。我国现在有大量可用的普通机床，对这些机床进行程控化改造是用少的投资来提高生产效率、提高效益的有效途径。 迄今为止，我国现有数以万计的陈旧落后的机床，这些是机床大修和程控改造实施的赖以生存的现实基础之一。简单分析有以下几点： （1）机床设备造价高昂，显著的经济效益是程控改造行业发展的动力。 （2）一般改造的费用仅为购置新设备费用的30%左右。 （3）通过程控改造可以进一步满足用户对设备的工艺需求以获取更大的效益。 1.2 程控机床的意义 早期机床的控制方式是以继电器控制占主导地位，造成控制系统有明显的缺点，如：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，造成时间和资金的严重浪费。为此，对原有机床利用可编程控制器（PLC）对控制系统进行改造；这些都是实现改造的可行性研究，他们体积小、功能强、灵活性和适应性好以及模块化结构的一系列优点，特别是高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，受到广大技术开发人员和用户的青睐，他们在工业控制领域迅猛发展，得到越来越广泛的应用，成为现代工业控制的支柱之一。 因此，程控机床具有广阔的发展前景和极具重要的研究意义，是现代工业发展的趋势，起着不可估量的作用。 2 机床改造方案的确定及系统的选择 2.1 CA6140车床的概述 为了进一步对程控机床系统的了解，现以CA6140型号的车床为例进行研究。CA6140型普通车床适合于车削内、外圆柱面、圆锥面、端面及其它旋转面；能够车削多种公制、英制、模数及径节螺纹，并能作钻孔、拉油槽等加工。本机床的主要特点是：主轴孔径大(φ72mm)，变速范围广(11-1600转/分)；主轴支承采用双列向心短柱滚子轴承与60度接触角双向推力向心球轴承组合，动静刚度高，抗震型高。 主传动齿轮全部采用淬火磨削；床身采用超音频淬火，导轨面硬度在HRC45以上；精度保持性好。床头箱采用外循环润滑，有利于散热、降噪、防泄漏。操作系统简洁适用，指示明晰，定位准确，手感好。机床外形美观[1]。床鞍和横向拖板可以快速进退。尾座可卸荷；尾座套筒直径大，刚性好。 主要技术参数如表2-1： 1 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 表2-1 技术参数 型号与规格 最大工件长度 最大加工长度 最大工件 回转直径 主轴 床身上 拖板上 正转范围 反转范围 内孔直径 内孔锥度 进给量 纵向范围 横向范围 加工螺纹 公制螺纹 英制螺纹 模数螺纹 径节螺纹 床鞍刀架 横向最大行程 小刀架最大行程 刀杆尺寸 纵向快移速度 横向快移速度 尾座套筒 最大行程 内孔锥度 2 CA6140 1000mm 950mm 400mm 230mm 11-1600r.p.m 14-1450r.p.m 72mm Metricc system 0.038-6.28mm/rev 0.014-2.27mm/rev 1-192mm 2-24tpi 0.25-48mm 1-96DP 260mm 130mm 25*25mm 4.4m/min 1.6m/min 150mm Morse No.5 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 2.2 S7-200 CPU介绍 西门子S7系列可编程控制器分为S7-400、S7-300、S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小型可编程控制器系统。S7-200系列可编程控制器有CPU21X系列，CPU22X系列，其中CPU22X型可编程控制器提供了4个不同的基本型号，常见的有CPU221，CPU222，CPU224和CPU226四种基本型号[2]。 小型PLC中，CPU221价格低廉能满足多种集成功能的需要。CPU 222是S7-200家族中低成本的单元，通过可连接的扩展模块即可处理模拟量。CPU 224具有更多的输入输出点及更大的存储器。CPU 226和226XM是功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。四种型号的PLC具有下列特点： （1）集成的24V电源：可直接连接到传感器和变送器执行器，CPU 221和CPU222具有180mA 输出。CPU224输出280mA，CPU 226、CPU 226XM输出400mA 可用作负载电源。 （2）高速脉冲输出：具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20KHz，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务。 （3）通信口：CPU 221、CPU222和CPU224具有1个RS-485通信口。CPU 226、CPU 226XM具有2个RS-485通信口。支持PPI、MPI通信协议，有自由口通信能力。 （4）模拟电位器：CPU221/222有1个模拟电位器，CPU224/226/226XM有2个模拟电位器。模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28，SMB29）中的数值，以改变程序运行时的参数。如定时器、计数器的预置值，过程量的控制参数。 （5）EEPRO：存储器模块（选件）可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。 （6）电池模块：用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约5 天。选用电池模块能延长存储时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。 （8）不同的设备类型：CPU 221~226 各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。 （9）数字量输入/输出点：CPU 221具有6个输入点和4个输出点；CPU 222具有8个输入点和6个输出点；CPU 224 具有14个输入点和10个输出点；CPU226/226XM 具有24个输入点和16个输出点。CPU22X主机的输入点为24V直流双向光电耦合输入电路，输出有继电器和直流（MOS型）两种类型。 （10）高速计数器：CPU 221/222有4个30KHz高速计数器，CPU224/226/226XM有6个30KHz的高速计数器，用于捕捉比CPU扫描频率更快的脉冲信号。 2.3 PLC在电气控制系统中的应用 PLC 是先进的工业化国家通用的标准工业控制设备，在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术，现在已经成为现代工业控制三大技术支柱 3 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 (PLC,CAD/CAM,ROBOT) 之一，可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子系统。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。用PLC 控制改造其继电器控制电路, 可靠性高、逻辑功能强、体积小，降低了设备故障率, 提高了设备使用效率, 运行效果良好。随着我国电力体制改革的深化，电力市场竞争将更加激烈，降低资源损耗和提高管理效益成为各发电企业的迫切需求。为此，对火电厂辅助车间自动控制水平提出了更高的要求。经过科技人员的不断引进、开发、研究, 我国大型火电站的辅助系统（输煤、化水、除灰、除渣、燃油泵房、循环水泵房等）已由继电器控制过渡到完全由PLC 监控。 PLC 是一种专为工业生产自动化控制设计的，一般而言，无须任何保护措施就可以直接在工业环境中使用。然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC 的正常运行。要提高PLC 控制系统可靠性，一方面生产厂家要提高PLC 的抗干扰能力；另一方面，要在设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合，减少及消除干扰对PLC 的影响。在新的时代，PLC 会有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备、成熟的现场总线通信能力会更好地适应各种工业控制场合的需求，PLC 作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在我国发电厂的电气自动化建设中发挥越来越大的作用。 3 对CA6140车床控制系统的选择 3.1 PLC的选型 PLC 是控制系统的核心部件，正确的选择PLC对整个控制系统技术经济性指标起着重要的作用。选型的基本原则是：所选的 PLC 应能够满足控制系统的功能需要。选型的基本内容应包括以下几个方面： ⑴ PLC 结构的选择 在相同功能和相同 I/O 点数的情况下，整体式 PLC 比模块式 PLC 价格低。 ⑵ PLC 输出方式的选择 不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求。继电器输出型的 PLC 可以带直流负载和交流负载；晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载。 ⑶ I/O 响应时间的选择 PLC 的响应时间包括输入滤波时间、输出电路的延迟和扫描周期引起的时间延 4 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 迟。 ⑷ 联网通信的选择 若 PLC 控制系统需要联入工厂自动化网络，则所选用的 PLC 需要有通信联网功能，即要求 PLC 应具有连接其它 PLC 、上位计算机及 CRT 等接口的能力。 ⑸ PLC 电源的选择 电源是 PLC 干扰引入的主要途径之一，因此应选择优质电源以助于提高 PLC 控制系统的可靠性。一般可选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源，使用直流电源时要选用桥式全波整流电源。 ⑹ I/O 点数及 I/O 接口设备的选择 为实现CA6140车床上述的电气控制要求，所以PLC 可以选择西门子公司的S7 - 200 系列。它的价格低，体积小，非常适用于单机自动化控制系统. 该机床的输入信号是开关量信号，输出是负载三相交流电动机接触器等。 车床电气控制系统需要9 个外部输入信号，5 个输出信号。PLC 所具有的输入点和输出点一般要比所需冗余30 % ，以便于系统的完善和今后的扩展预留。所以本系统所需的输入点为12 个,输出点为7 个。现选择西门子公司生产的S7 - 200 系列的CPU224 型PLC ，24V 直流14 点输入。 I/O地址的分配 根据该系统的控制要求，输入输出设备，确定了I/O点数。根据需要控制的开关、设备大约输入点为12 个,输出点为7 个需进行控制，现将I/O地址分配如表3-1所示[3]。 3.2 系统的控制过程 一台CA6140车床，需先启动冷却泵，然后启动主轴，单按钮启动工作台。工作台原点出发到终点限位自动返回2次，再到原点停止，可进行正、反点动，设有总停按钮、工作台停止按钮。 （1）初始状态：SB1，SB2，SB5，SB6，SB7都为OFF；电动机M1，M2，M3也都为OFF。 （2）启动过程：上电后系统进行初始化，当按下按钮SB1（即SB1=ON），电动机M2开始启动；经过2S过后，电动机M1自动启动；当按下按钮SB2（即SB2=ON），电动机M3开始启动，然后向一个方向运动，当碰到终点限位开关时，电动机M3改变运动方向朝另一个方向运动，如此反复运动两次后回到原点停止。 （3）停止及其它状态：当按下按钮SB6（即SB6=ON），电动机M3停止运动（即M3=OFF）；当按下按钮SB3或SB4（SB3=ON/SB4=ON），电动机M3进行点动（即M3=ON）；当按下按钮SB5（即SB5=ON），电动机M1，M2，M3都停止运动（即M1=OFF,M2=OFF,M3=OFF）。 5 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 3.3 系统的组成 该系统主要由主电路部分，控制部分，监控部分和数据通信部分组成。 （1）主电路部分：该部分由三相异步电动机，交流接触器，热继电器，熔断器，刀开关组成。 （2）控制部分：该部分由西门子S7-200PLC，中间继电器，操作台组成。 （3）主电路分析：从图3-1中可以看出，断路器QF将三相电源引入，FU1为主电动机M1的短路保护用熔断器，FR1为M1电动机过载保护用热继电器。为防止在连续点动时的启动电流造成电动机过载，点动时也加入限流电阻R。通过互感器TA接入电流表A以监视主电动机绕组的电流，CA6140车床控制电路原理如图3-1所示。 ~380VU11V12W13QFFU2TCFU4SB6W63V26U61FU5SB1KAKM3FU1nn101FU3SA103105ELU21V22W23KM3FR1KM4KS1U31KAV32W33KS2KMKTKM4KMSB5KAKAFR2KM1KM1SQKM4KAKM3KM4KM1 3FR2KM2SB2U41V42W43M21M22FR1AM23M31M32M33U51V52W53TAKTM23~M33~SB3RKM冷却泵电动机快速移动电动机KM2M11M12M13M13~KS主电动机 图3-1 CA6140车床控制电路原理图 4 PLC的基本工作原理 4.1 系统程序流程图 PLC采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开 6 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。 ⑴ 输入刷新阶段 在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。 ⑵ 程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。 ⑶ 输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中内容，依次送到输出锁存电路并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出[4]。 4.2 系统I/O口分配表及PLC外部接线图 PLC控制系统I/O分配如表4-1所示。 表4-1 PLC控制系统I/O分配表 启动按钮 工作台启动行程开关 工作台正转点动按钮 工作台反转点动按钮 工作台行程开关原点 工作台行程开关终点 主电机原点行程开关 工作台停止按钮 停止按钮 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I1.0 I1.1 主电机正转 主电机反转 冷却泵电机 快速电机正转 快速电机反转 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 7 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 I/O接线图如图4-1所示。 +24VI1MSB1SB2SB3SB4SB5SB6SQnKS10.72MnKS21.0ML+CPU224AC/DC/Rty24VDCL10.00.10.20.30.40.50.6Q1L0.00.10.20.32L0.4N~220VKM5~220VKM2KM3KM4FR2KM1FR1~220V 图4-1 PLC控制系统I/O接线图 4.3 系统程序流程图 如图4-2所示。 图4-2 系统程序流程图 8 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 4.4 仿真图 TITLE=程序注释 心 得 体 会 本设计是针对PLC技术国而电种对机床控制系统的研究。我现有大量可用的普通机床，这些机床控制系统是以继器控制占主导地位的，但这由继电器构成的控制系统存在着明显的缺点，如：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤 9 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 其是对生产工艺多变的系统适应性更差，如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，造成时间和资金的严重浪费。然而对这些机床进行改造，是用少的投资来提高生产效率、提高效益的有效途径。 随着计算机技术和PLC技术的发展，PLC以其高性价比、高可靠性、广泛的适用性和组成控制系统的简洁性等诸多优点，得到越来越广泛的应用。为了更好的运用PLC到自动控制系统中去，本次设计对PLC的控制、工作原理和应用方法进行了阐述，随着PLC应用的普及，各种设计方法应运而生。本次设计在对比、综合各种设计方法的基础上，重点提出了一整套PLC在工业现场控制中的设计步骤和方法。从系统的硬件选型、设计到软件的设计方法都进行了一系列的阐述。根据STEP7的程序设计特点，完成了控制程序的编程，利用MCGS组态软件设计了人机界面及实现与PLC的通信。 在今后的发展，随着PLC技术的不断发展，PLC控制必将向智能化、大型网络工厂化方向发展，PLC技术在智能控制，大型网络工厂控制方面的应用研究将成为我今后的研究方向和课题。 参 考 文 献 [1]阮友德.PLC、变频器、综合应用实训[M].北京：中国电力出版社，2009 [2]何献忠.可编程控制器应用技术[M].清华大学出版社，2007 [3]张铮.机电控制与PLC[M].机械工业出版社，2007 [4]冯薇.电气控制与可编程序控制器[M].北京：化学工业出版社，2006 10 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 LD I1.0 O M1.0 AN I0.0 = M1.0 Network 2 LD I1.1 O M1.1 AN I0.0 = M1.1 11 Network 3 LD M0.5 A I0.6 O SM0.1 S M0.0, 1 R M0.1, 5 R Q0.0, 5 Network 4 LD M0.5 A I0.6 LD M0.0 A I0.0 OLD S M0.1, 1 R M0.0, 1 Network 5 LD M0.1 A T37 S M0.2, 1 R M0.1, 1 Network 6 LD M0.4 A I0.5 AN C0 LD M0.2 A I0.1 OLD S M0.3, 1 附 录 R M0.2, 1 R M0.4, 1 Network 7 LD M0.3 A I0.4 S M0.4, 1 R M0.3, 1 Network 8 LD M0.4 A I0.5 A C0 S M0.5, 1 R M0.4, 1 Network 9 LD M0.1 O M0.2 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 O M0.3 O M0.4 O M0.0 AN M1.1 = Q0.2 Network 10 LD M0.1 TON T37, 20 Network 11 LD M0.2 O M0.3 O M0.4 AN M1.1 = Q0.0 Network 12 LDN M1.0 O I0.2 A M0.3 AN M1.1 = Q0.3 Network 13 LD M0.3 EU LD M0.0 CTU C0, 2 Network 14 LDN M1.0 O I0.3 A M0.4 AN M1.1 = Q0.4 Network 15 LD M0.5 = Q0.1 12 物理与电子工程学院2012级本科课程设计 课程设计成绩评定表 院系： 班级： 姓名： 学 号： 分值 优秀 (x≥90%) 参考标准 学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作。 结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰。 设计合理、理论分析与计算正确，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信。 实验数据准确，有很强的实际动手能力和计算机应用能力。 良好 (90%>x≥80%) 参考标准 学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务。 中等 (80%>x≥70%) 参考标准 学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作。 及格 (70%>x≥60%) 参考标准 不及格(x<60%) 参考标准 项目 评分 平时考核 20 学习马虎，纪律涣散，学习态度尚工作作风可，能遵守组不严谨,不织纪律，能按能保证设期完成任务。 计时间和进度。 报报告内容组课织书写 20 程设计报告 结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰。 结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰。 结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整。 内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰。 设计不合理，理论分析与计算有原则错误，文献引用、调查调研有较大的问题。 实验数据不可靠，实际动手能力差。 技术水平 20 设计合理，设计合理、理理论分析与论分析与计计算基本正算正确，文献确，主要文引用、调查调献引用、调研比较合理、查调研比较可信。 可信。 实验数据比较准确，有较强的实际动手能力和计算机应用能力。 设计基本合理，理论分析与计算无大错。 仿真/制作 40 实验数据比较准确，有一定的实际动手能力。 实验数据无大错。 指导教师签名 指导教师评定成绩 13 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/4a580ce19dc3d5bbfd0a79563c1ec5da50e2d6d4.html