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儀表自動化與工藝安全

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儀表自動化與工藝安全
      提  綱
一、背景及引言
二、安全儀表系統(tǒng)
三、雅克拉采氣廠儀表自動化管理經(jīng)驗介紹 
四、幾點體會和建議
2005年12月11日6時許，英國邦斯菲爾德油庫發(fā)生火災(zāi)爆炸，燒毀油庫20座，受傷43人，直接經(jīng)濟(jì)損失2.5億英鎊。
儲罐罐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。
防火堤的密閉性不好
儲罐計量系統(tǒng)存在故障，液位報警系統(tǒng)未能啟動自動聯(lián)鎖切斷進(jìn)油，導(dǎo)致大量油料從儲罐頂部人孔、通氣孔等溢出。
      案例分析
石油石化行業(yè)事故原因分布

什么是自動化（Automation）？
      生產(chǎn)過程不依賴或少量依賴人的干預(yù)而主要依靠預(yù)設(shè)指令和程序自動完成工作的過程。
一、背景及引言
    1、自動檢測系統(tǒng)（如SCADA）：利用各種檢測儀表對主要工藝參數(shù)進(jìn)行測量、指示或記錄的系統(tǒng)稱為自動檢測系統(tǒng)。
    2、自動測控系統(tǒng)（如DCS）：利用各種檢測儀表及自動控制裝置對主要工藝參數(shù)進(jìn)行自動控制，使其在受到外界干擾后仍能回到規(guī)定數(shù)值范圍內(nèi)的系統(tǒng)稱為自動控制系統(tǒng)。
    3、安全控保系統(tǒng)（如ESD）：在生產(chǎn)過程中，當(dāng)工藝參數(shù)超出允許范圍時，為保護(hù)人員及設(shè)備安全而自動采取緊急措施以防止事故發(fā)生或擴(kuò)大的系統(tǒng)為安全控保系統(tǒng)。
自動控制系統(tǒng)分哪些種類？
一、背景及引言
過程控制層
（PCS）
PCS（過程控制系統(tǒng)）為基礎(chǔ)自動化層。主要解決工藝設(shè)備、裝置的生產(chǎn)流程控制，保證生產(chǎn)過程安全平穩(wěn)，產(chǎn)品質(zhì)量合格。
制造執(zhí)行層
（MES）
管理決策層
（ERP）
MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）為生產(chǎn)過程運(yùn)行優(yōu)化層。主要制定生產(chǎn)作業(yè)計劃，數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)校正等，對整個生產(chǎn)運(yùn)行過程進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化管理。
ERP（企業(yè)資源計劃）為生產(chǎn)經(jīng)營管理層。主要制定企業(yè)經(jīng)營決策、發(fā)展規(guī)劃和生產(chǎn)大綱、負(fù)責(zé)市場銷售、企業(yè)電子商務(wù)平臺等。
石油石化行業(yè)自動化系統(tǒng)發(fā)展趨勢是什么？
信息技術(shù)與自動化技術(shù)相結(jié)合（工業(yè)IT）——管控一體化
一、背景及引言
自動化能為安全生產(chǎn)做些什么？
降低人工勞動強(qiáng)度，減少操作風(fēng)險；
提高測量檢測的準(zhǔn)確度和信息傳輸?shù)膶崟r性，保證裝置、設(shè)備的安全運(yùn)行；
對整個工藝生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)測、精確控制、應(yīng)急處理，為生產(chǎn)過程提供安全保障；
為管理者、決策者提供更準(zhǔn)、更快、更全面、更有效的信息資料，方便統(tǒng)一管理和調(diào)度指揮。
自動化技術(shù)已成為確保安全生產(chǎn)的極其重要的科技手段。
一、背景及引言
      提  綱
一、背景及引言
二、安全儀表系統(tǒng)
三、雅克拉采氣廠儀表自動化管理經(jīng)驗介紹 
四、幾點體會和建議
石油化工安全保護(hù)級別
1. Process
2.  DCS -集散控制系統(tǒng)
3.  Alarm  Operators-操作員報警
4.  SIS  安全儀表系統(tǒng)
5. Relief Devices  釋放設(shè)備
6. Physical protection  物理保護(hù)
7. Emergency Response  緊急響應(yīng)
工藝過程
      安全儀表系統(tǒng)（SIS）
自動控制系統(tǒng)中影響工藝安全的因素
自控系統(tǒng)中儀表本質(zhì)安全（防爆、防輻射等）
測量信號的準(zhǔn)確性（過程參數(shù)、報警）
控制器（結(jié)構(gòu)、冗余度、快穩(wěn)準(zhǔn)）
連鎖邏輯控制（回路靈敏度、穩(wěn)定性）
安全保護(hù)控制系統(tǒng)（讓儀表發(fā)揮更大的安全作用）
隨著對安全的重視，對安全儀表系統(tǒng)要求越來越高。
如何命名？ 
安全儀表系統(tǒng)  SIS(Safety Instrumented System)
安全控制系統(tǒng)  SCS(Safety Control System) 
安全保護(hù)控制系統(tǒng) SGCS (Safeguard Control System) 
安全監(jiān)測與控制系統(tǒng) SrCS (Safety Related Control System)
安全儀表系統(tǒng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
1994年，德國標(biāo)準(zhǔn) DINV19250
1996年，美國標(biāo)準(zhǔn) ISA 84.01 
1998年，國際標(biāo)準(zhǔn) IEC61508-1:1998 … IEC61508-7:2000 
2003年，國際標(biāo)準(zhǔn) IEC61511-1:2003 … IEC61511-3:2003
2006年前 中國標(biāo)準(zhǔn)  SH/T 3018:2003 , SY/T 10045:2003 …
2006年，中國標(biāo)準(zhǔn)  GB/T 20438:2006,   2007年1月1日實施
2007年，中國標(biāo)準(zhǔn)  GB/T 21109:2007,   2007年12月1日實施
      安全儀表系統(tǒng)（SIS）
DCS用于生產(chǎn)過程的連續(xù)測量、常規(guī)控制（連續(xù)、順序、間歇等）、操作控制管理，保證生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行；
SIS用于監(jiān)視生產(chǎn)裝置的運(yùn)行狀況，對出現(xiàn)異常工況迅速進(jìn)行處理，使危害降到最低，使人員和生產(chǎn)裝置處于安全狀態(tài)；
DCS是“動態(tài)”系統(tǒng)，它始終對過程變量連續(xù)進(jìn)行檢測、運(yùn)算和控制，對生產(chǎn)過程進(jìn)行動態(tài)控制，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量；
SIS是“靜態(tài)”系統(tǒng)，正常工況時，它始終監(jiān)視生產(chǎn)裝置的運(yùn)行，系統(tǒng)輸出不變，對生產(chǎn)過程不產(chǎn)生影響，非正常工況下時，它將按照預(yù)先的設(shè)計進(jìn)行邏輯運(yùn)算，使生產(chǎn)裝置安全聯(lián)鎖或停車；
SIS比DCS在可靠性、可用性上要求更嚴(yán)格，IEC61508、IEC61511、ISA S84.01、GB/T21109強(qiáng)烈推薦SIS與DCS硬件獨(dú)立設(shè)置。
SIS的特點以及與DCS的區(qū)別
安全功能   Safety Function
                    針對特點的危險事件，為達(dá)到和保持過程的安全狀態(tài)，由
                        SIS、其他技術(shù)安全相關(guān)系統(tǒng)或外部設(shè)施實現(xiàn)的功能(21109-1:p13)
功能安全   Functional Safety
                     SIS本身的安全性（如儀表的本質(zhì)安全，防爆等）
                       SIS的安全功能是完整的、可靠的（功能是安全的）(21109-1:p8)
安全儀表功能 SIF (Safety Instrumented Function)
                       SIS系統(tǒng)所實現(xiàn)的安全功能。   21109譯為“儀表安全功能”
安全儀表系統(tǒng)的相關(guān)概念
安全完整性  Safety Integrity 在規(guī)定的時間內(nèi)、在所有規(guī)定的條件下, 成功
                          實現(xiàn)所要求的安全功能的平均概率(21109-1:p14)
安全完整性等級：SIL(Safety Integrity Level)   簡稱：安全度等級
定義：一種離散的等級，用于規(guī)定分配給SIS的安全儀表功能的
                          完整性要求（傳感器、控制器、執(zhí)行器）   短板效應(yīng)   (21109-4:p14)
作為衡量安全功能重要因素，是安全系統(tǒng)的核心. 可理解為整體可靠性
要求時平均失效概率：PFD avg (average Probability of Failure on Demand)
在要求時就執(zhí)行其設(shè)計功能要求的平均失效概率。
連續(xù)時危險失效概率：PDF per hour(Probability of  Dangerous Failure)
連續(xù)操作模式下每小時危險失效概率。
安全儀表系統(tǒng)的相關(guān)概念
安全度等級（SIL）確定
SIL	說 明	PFD average	PDF per hour
4	災(zāi)難性傷害	≧10-5 ~﹤10-4	≧10-9 ~﹤10-8
3	保護(hù)人員	≧10-4 ~﹤10-3	≧10-8 ~﹤10-7
2	主要財產(chǎn)和產(chǎn)品保護(hù)，可能損害人	≧10-3~﹤10-2	≧10-7 ~﹤10-6
1	財產(chǎn)和物品一般保護(hù)	≧10-2 ~﹤10-1	≧10-6 ~﹤10-5
根據(jù)工藝條件確定危險因素（C、F、 P 、W）
根據(jù)危險因素確定SIL
根據(jù)SIL確定SIS的各個部件

例：普光氣田SIS系統(tǒng)
工藝：高壓、高產(chǎn)、高含硫化氫
            周圍居民點多、住戶分散
風(fēng)險：風(fēng)險高、會造成多人死    
            亡，避免事故發(fā)生的可能小
SIL：  第4級
SIS：  德國HIMA
            冗余Rosemount智能檢測儀表
            雙光纜（地下、地面）+5.8G
            無線網(wǎng)橋
            高性能SDV/BDV閥
            線路ESD閥分段泄漏關(guān)斷

SIS用戶應(yīng)注意的問題
注意選擇在行業(yè)中選擇使用業(yè)績佳，限制少，拒動率、誤動率低的SIS系統(tǒng)。
注意安全儀表系統(tǒng)（SIS）知識的培訓(xùn)。 
加強(qiáng)現(xiàn)場巡檢，儀表進(jìn)水、短路、意外損壞、雷電沖擊等均會造成SIS系統(tǒng)故障。
在SIS系統(tǒng)日常運(yùn)行中，定期導(dǎo)出事件順序記錄SOE （Sequence Of Event） 以便及時發(fā)現(xiàn)存在的隱患。 
檢維修及測試維護(hù)。
      提  綱
一、背景及引言
二、安全儀表系統(tǒng)
三、雅克拉采氣廠儀表自動化管理經(jīng)驗介紹 
四、幾點體會和建議
        雅—大兩站自動化設(shè)備占全廠90%以上，從井口采出到天然氣處理站處理都集成了高度自動化控制。
        雅—大兩站生產(chǎn)過程控制都采用了DCS,站內(nèi)包含大型機(jī)組有：透平式膨脹增壓機(jī)、天然氣外輸壓縮機(jī)組、熱媒爐、冷水機(jī)組、儀表風(fēng)空壓機(jī)組、穩(wěn)定氣壓縮機(jī)組等等，機(jī)組撬塊兒分別采用PLC獨(dú)立控制，選用MODBUS RS485通訊協(xié)議與DCS通訊。
        雅—大凝析氣田井口使用了井口液壓控制柜和RTU，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通過無線數(shù)字電臺與中控室進(jìn)行通訊。
      （一）自控儀表現(xiàn)狀
備注：20
        雅克拉集氣處理站目前站內(nèi)同時使用了3套控制系統(tǒng)，用于生產(chǎn)過程控制的Honeywell PKS系統(tǒng)、用于安全保護(hù)的FSC緊急停車系統(tǒng)，以及用于西氣東輸生產(chǎn)控制的安控PLC系統(tǒng)。其中PKS有320個過程控制點，750個SCADA點。設(shè)置6個操作站，1個工程師站，服務(wù)器冗余配置。
PKS系統(tǒng)
FSC系統(tǒng)
安控系統(tǒng)
      （一）自控儀表現(xiàn)狀
備注：21
備注：21
        大澇壩集氣處理站DCS系統(tǒng)采用FOXBORO公司I/A Series系統(tǒng)。配置1對冗余CP60控制器，3對FCM10E冗余通信模塊，52個FBM輸入輸出模塊。I/O點數(shù)共計395個，SCADA點719個。
I/A Series機(jī)柜
I/A Series操作站
      （一）自控儀表現(xiàn)狀
備注：22
備注：22
    雅—大兩站各類調(diào)節(jié)閥120余臺，氣控兩位閥、電動閥150余臺，可編程邏輯控制器40余個，各類溫度、壓力、流量、液位、火氣等檢測儀表1000余臺。
ORBIT軌道球閥
FISHER調(diào)節(jié)閥
DANIEL超聲波流量計
壓力變送器
露點分析儀
火焰探測器
      （一）自控儀表現(xiàn)狀
備注：23
備注：23
          雅—大凝析氣田井口采用RTU采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)并控制井口控制柜，RTU將信息通過數(shù)傳電臺無線傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)。
不是標(biāo)準(zhǔn)的SCADA
      （一）自控儀表現(xiàn)狀
備注：24
備注：24
      （二）自控儀表管理經(jīng)驗介紹
目前該采氣廠專職儀表技術(shù)人員11人，采處一隊5人（含中原待運(yùn)行人員兩名），采處二隊4人，采處四隊1人。

采氣廠堅持以人才培養(yǎng)為重點，甲方人員必須掌握核心技術(shù)；

甲方（采氣廠儀表技術(shù)員）+乙方（中石天馬、中原待運(yùn)行）維護(hù)模式逐漸轉(zhuǎn)為甲方獨(dú)立維護(hù)模式，特別是自控系統(tǒng)維修維護(hù)工作，一直以來由甲方自控技術(shù)人員自行開展；
1、重視儀表自控技術(shù)人員培養(yǎng)
備注：25
備注：25
有效的人才培養(yǎng)=理論培養(yǎng)+實踐鍛煉
（1）建立選送派學(xué)培訓(xùn)機(jī)制
        選派技術(shù)人員去Honeywell（天津）和Foxboro（上海）廠家學(xué)習(xí)。
（2）建立引進(jìn)助學(xué)培訓(xùn)機(jī)制
       利用新裝置投產(chǎn)、老設(shè)備維修保養(yǎng)、產(chǎn)品售后回訪等機(jī)會，邀請廠家人員開展現(xiàn)場培訓(xùn)。服務(wù)期間，技術(shù)人員全程跟蹤并協(xié)助處理。

FISHER調(diào)節(jié)閥交流會

學(xué)習(xí)超聲波流量計維修保養(yǎng)
      （二）自控儀表管理經(jīng)驗介紹
技術(shù)人員一起研究膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)及控制原理
（3）建立導(dǎo)師帶徒培訓(xùn)機(jī)制
首先學(xué)習(xí)工藝安全。處理現(xiàn)場故障是成長的最佳方法。
（4）建立內(nèi)部交流合作機(jī)制
各分隊間相互邀請，一同解決疑難問題，相互交流學(xué)習(xí)。
（5）建立崗位成長成才機(jī)制
流程改擴(kuò)建、技改的DCS畫面和過程組態(tài)均由儀表技術(shù)員完成。
（6）建立一崗多能成才機(jī)制
 “強(qiáng)電—弱電”一體化。
總之：領(lǐng)導(dǎo)重視 團(tuán)隊氛圍
為新員工講解DCS系統(tǒng)常見故障

（二）自控儀表管理經(jīng)驗介紹
備注：27
備注：27
2、強(qiáng)化儀表自控系統(tǒng)運(yùn)行管理
DCS報警記錄查詢
ESD控制卡件運(yùn)行狀態(tài)檢查
（1）強(qiáng)化控制系統(tǒng)巡檢維護(hù)管理
查看DCS報警信息，填寫巡檢記錄；
對控制器卡件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查，
定期切換主從服務(wù)器交替運(yùn)行；
定期對機(jī)柜內(nèi)卡件、端子板以及服務(wù)器、操作站電腦主機(jī)箱進(jìn)行除塵；
定期清理磁盤，做好系統(tǒng)備份
      （二）自控儀表管理經(jīng)驗介紹
備注：28
備注：28
（2）強(qiáng)化現(xiàn)場儀表故障分析管理
結(jié)合工藝狀況，加強(qiáng)現(xiàn)場和中控參數(shù)對比；
建立“病歷卡”制度，總結(jié)儀表故障規(guī)律；
根據(jù)工藝案例，編寫《儀器儀表故障案例匯編》，保障工藝安全。

定期檢查、對比、維護(hù)
提高儀器儀表的準(zhǔn)確度和使用率 
儀器儀表“病歷卡” 
故障、施工記錄、調(diào)試記錄 
有據(jù)可查 
發(fā)現(xiàn)故障
解決故障
更快更有效解決問題

（二）自控儀表管理經(jīng)驗介紹
（3）強(qiáng)化自控儀表檢維修管理
依據(jù)《石油化工設(shè)備維護(hù)檢修規(guī)程——儀表部分》標(biāo)準(zhǔn)要求，編寫檢修管理手冊；
DCS系統(tǒng)點檢維護(hù)；
ESD回路測試；
機(jī)組儀器儀表拆檢校驗；
系統(tǒng)軟硬件升級、擴(kuò)容維護(hù)（廠家指導(dǎo)）。
      （二）自控儀表管理經(jīng)驗介紹
    
3、強(qiáng)化儀表自控技術(shù)管理，提高工藝安全水平
采氣廠儀表技術(shù)人員通過不斷摸索裝置運(yùn)行規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工藝流程、機(jī)組設(shè)備上存在的問題，運(yùn)用HAZOP分析方法，開展了一些列隱患治理和儀表自動化優(yōu)化改造工作，解決了一系列難題。
為天然氣處理裝置和高壓氣井的安全、平穩(wěn)生產(chǎn)運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)保障。
 采氣廠儀表自動化技術(shù)改造項目多次獲得分公司技術(shù)革新獎項，部分改造設(shè)計獲得過國家實用新型專利。
      （二）自控儀表管理經(jīng)驗介紹
備注：31
備注：31
（1）解決雅站PKS系統(tǒng)隱患，消除安全大隱患
存在問題：
主從控制器不同步；       
I/O LINK通道A屢次出現(xiàn)通訊故障，使DCS單通道運(yùn)行；        
風(fēng)險分析：
2007年2月，因控制器不同步，主從控制器切換失敗造成全站停車。
DCS通道B故障，同樣會造成全站停車。
問題原因：I/O LINK電纜模塊損壞。
解決方法：2011年9月，雅站檢修期間，由廠家人員來現(xiàn)場更換了I/O LINK 
電纜，并更新了所有卡件firmware文件后，控制系統(tǒng)運(yùn)行正常。
      （二）自控儀表管理經(jīng)驗介紹
備注：32
備注：32
（2）改進(jìn)設(shè)計缺陷，減小安全風(fēng)險
      1）雅站分子篩干燥塔切換程序優(yōu)化：
泄壓階段時間完成后，立即執(zhí)行下一步——打開再生氣進(jìn)出口閥門再生；
干燥塔壓力與再生氣壓力差值過大將造成再生氣對分子篩干燥塔填料床層的沖擊，損壞分子篩，影響干燥塔脫水效果，造成裝置凍堵；
程序中增加干燥塔壓力與再生氣壓力的差值△P≤0.15MPa的條件。
      2）大站關(guān)鍵操作點增加“二次確認(rèn)”：
原設(shè)計中沒有“二次確認(rèn)”畫面；
對系統(tǒng)中的關(guān)鍵操作點（切斷閥的開關(guān)、泵的啟停等）增加二次確認(rèn)。在操作后需點擊“確定”鍵，現(xiàn)場設(shè)備才會動作。減少了中控誤操作。
      （二）自控儀表管理經(jīng)驗介紹
備注：33
備注：33
（3）排除機(jī)組故障，提高安全可靠性
      1）雅站穩(wěn)定氣壓縮機(jī)通訊故障：
壓縮機(jī)與中控室進(jìn)行經(jīng)常中斷，無法監(jiān)控壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)，存在安全隱患。
儀表信號與交流電纜同槽鋪設(shè)，因交流干擾造成RS485信號通訊不良。采取對信號電纜隔離敷設(shè)后，通訊正常。
      2）雅站膨脹機(jī)高轉(zhuǎn)速故障停機(jī)：
膨脹機(jī)冬季夜間運(yùn)行中，頻繁出現(xiàn)高轉(zhuǎn)速停機(jī)現(xiàn)象。查找原因后發(fā)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換模塊受低溫影響，工作不正常。
在控制柜內(nèi)安裝電加熱器，該現(xiàn)象得到了解決。
頻率轉(zhuǎn)換模塊增加電加熱器
膨脹機(jī)組
頻率轉(zhuǎn)換模塊
電加熱器
      （二）自控儀表管理經(jīng)驗介紹
備注：34
備注：34
（4）實施技術(shù)改造，消除安全隱患
              存在隱患：大澇壩氣田金石液控柜無遠(yuǎn)程關(guān)斷功能，工藝存在缺陷，引壓不準(zhǔn)確。高、低壓傳感閥靈敏性能差，高、低壓自動關(guān)斷紊亂。
              風(fēng)險分析:液控柜高低壓關(guān)斷失靈，回壓高時憋壓、爆管；井口生產(chǎn)正常但站內(nèi)出現(xiàn)事故需緊急關(guān)井時無法及時關(guān)井。
              解決方法：對液控柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，增加遠(yuǎn)程關(guān)斷電磁閥和相關(guān)管路，RTU和DCS組態(tài)，當(dāng)高低壓關(guān)斷失效時通過中控室遠(yuǎn)程關(guān)井。
              效果：大大提高了井控安全，獲分公司2010年技術(shù)革新三等獎。
      （二）自控儀表管理經(jīng)驗介紹
備注：35
備注：35
（5）積極開展小發(fā)明小改造，提高安全管理水平
      1）發(fā)明單井“巡檢小衛(wèi)士”并在全廠推廣應(yīng)用
該儀器將巡檢開始、結(jié)束、持續(xù)時間信息通過RTU無線傳輸至中控室。
      2）發(fā)明“工業(yè)電話警報器”（獲國家專利）
該儀器將工業(yè)電話與DCS實現(xiàn)互聯(lián)。報警時，操作員只需用鼠標(biāo)點擊報警按鈕即可實現(xiàn)報警。
      3）頂裝式遠(yuǎn)傳磁翻板液位計設(shè)計改造
雅站閉式排放罐需掀開人孔蓋目測液位，油氣揮發(fā)量大存在較大隱患。設(shè)計制作了頂裝式遠(yuǎn)傳磁翻板液位計。獲分公司2009年技術(shù)革新二等獎。
      （二）自控儀表管理經(jīng)驗介紹
備注：36
備注：36
      提  綱
一、背景及引言
二、安全儀表系統(tǒng)
三、雅克拉采氣廠儀表自動化管理經(jīng)驗介紹 
四、幾點體會和建議
自動化系統(tǒng)建設(shè)要與項目建設(shè)同步，重視初期投入
嚴(yán)把設(shè)計關(guān)，立足為工藝安全服務(wù)的原則
儀表技術(shù)人員必須懂工藝
儀表技術(shù)人員多懂一些設(shè)備、電氣方面的知識，“機(jī)電儀”一體化
重視大型機(jī)組PLC系統(tǒng)知識學(xué)習(xí)
“自動化程度高不代表安全程度高”，系統(tǒng)維護(hù)是關(guān)鍵
多學(xué)習(xí)、培訓(xùn)、交流
      Suggest
備注：38
備注：38

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