水电站计算机监控系统(第一章).ppt

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1、水电站计算机监控技术,第一章 计算机网络基础知识第一节 计算机网络概述,一、计算机网络知识简介： （一）计算机网络 1、局域网：局域网指在地理上距离较近的网络，简称LAN。 2、广域网：广域网是在一个广泛地理范围内所建立的计算机通信网，简称WAN （二）计算机网络的组成： 计算机网络由计算机系统、通信链路和网络节点组成 1、资源子网：提供资源共享所需的硬件、软件及数据等资源，提供访问计算机网络和和处理数据的能力 2 、通信子网：完成数据的传输、交换以及控制，提供计算机网络的功能。 3 、计算机网络和拓扑结构（所谓网络和拓扑结构系指网络的链路（Link）和节点（Node）在地理上所形成的几何构成

2、 ） 拓扑结构（1）总线形（ 2）环形 （3）星形（4）树形（ 5）点到点互联模式,4、计算机网络功能： （1）对分散的业务部门提供实时集中控制 （2）能够做到资源共享 （3）能够提高计算机的可靠性及可用性 （4）能进行分步处理,第二节 计算机操作系统类型,操作系统就是替我们管理计算机的一种软件，是用来控制和管理计算机硬件资源、软件资源，提供用户操作规范的一系列程序的总和。 在操作系统出现之前，只有专业人士才懂得怎样使用计算机，而在操作系统出现之后，不管你是否是计算机专业毕业，只要经过简单的培训，你都能很容易地掌握计算机。 有了操作系统之后，我们就不直接和计算机的硬件打交道，不直接对这些硬件发

3、号施令。 我们把要做的事情告诉操作系统，操作系统再把要做的事情安排给计算机去做，等计算机做完之后，操作系统再把结果告诉给我们，这样是不是省事多了？,计算机操作系统演变过程,第一阶段：状态机操作系统（1940年以前） 第二阶段 ：单一操作员、单一控制端操作系统（20 世纪40年代） 第三阶段：批处理操作系统（20世纪50年代） 第四阶段：多道批处理操作系统（20世纪60年代） 第五阶段：分时操作系统（20世纪70年代） 实时操作系统 第六阶段：现代操作系统（1980年以后）,批处理以前的大型机（Mainframe）上所采用的系统，需要把一批程序事先写好（打孔纸带），然后计算得出结果分时现在流行的

4、PC，服务器都是采用这种运行模式，即把CPU的运行分成若干时间片分别处理不同的运算请求实时一般用于单片机上，比如电梯的上下控制中，对于按键等动作要求进行实时处理 网络操作系统（NOS）是网络的心脏和灵魂，是向网络计算机提供服务的特殊的操作系统 分布式软件系统(Distributed Software Systems) 是支持分布式处理的软件系统,是在由通信网络互联的多处理机体系结构上执行任务的系统。它包括分布式操作系统、分布式程序设计语言及其编译(解释)系统、分布式文件系统和分布式数据库系统等。,第二节 计算机操作系统类型,一、批处理操作系统 (1) 用户脱机使用计算机：作业提交后直到获得结果

5、之前，用 户无法与作业交互。(2) 作业成批处理：采用成批处理作业。(3) 多道程序并行：充分利用系统资源。 多道批处理系统的资源利用效率特征是基于各作业对系统资源的需求差异得到的。 二、分时系统（分时操作系统（Time Sharing Operating System）是一种联机的多用户交互式的操作系统。一般采用时间片轮转的方式，使一台计算机为多个终端服务。对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话能力。）,交互性：系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间。 多用户同时性：多个用户同时工作，共享系统资源，提高了资源利用率。节省维护开支，可靠性高：笨终

6、端至今仍在使用。促进了计算机的普遍应用，提高资源利用率：远地用户通过终端（较便宜）联机使用。 独立性：各用户独立操作，互不干扰。,三、实时操作系统(Real Time Operating System)是一种联机的用于实时控制和实时信息处理领域的操作系统，主要用于过程控制、事务处理等有实时要求的领域，其主要特征是实时性和可靠性。,实时系统的特征(1)实时时钟管理：提供系统日期和时间、定时和延时等时钟管理功能；(2)过载保护：缓冲区排队，丢弃某些任务，动态调整任务周期；过载是指进入系统的任务数目超出系统的处理能力。(3)高度可靠性和安全性容错能力（如故障自动复位）和冗余备份（双机，关键部件）。,

7、实时系统与批处理系统和分时系统的区别（1）专用系统：许多实时系统是专用系统，而批处理与分时系统通常是通用系统。（2）实时控制：实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的迅速响应，具有较强的中断处理机构。（3）高可靠性：实时系统用于控制重要过程，要求高度可靠，具有较高冗余。如双机系统。（4）事件驱动和队列驱动：实时系统的工作方式：接受外部消息，分析消息，调用相应处理程序进行处理。（5）可与通用系统结合成通用实时系统：实时处理前台作业，批处理为后台作业。,四、网络操作系统 它具有如下特征： 1、计算机网络是一个互连的计算机系统的群体。这些计算机系统在地理上是分散的，可在一个房间里、在一个单位里、在

8、一个城市或几个城市里，甚至在全国或全球范围。 2、这些计算机是自治的。每台计算机有自己的操作系统，它们是在网络协议控制下协同工作。 3、系统互连要通过通信设施(硬件、软件)来实现。 4、系统通过通信设施执行信息交换、资源共享、互操作和协作处理，实现多种应用要求。,五、分布式操作系统 与计算机网络系统存在的区别： 1、作为计算机网络，已制定了明确的通信网络协议体系结构及一系列协议族。 2、分布式系统要求具有统一的操作系统，实现系统操作的统一性。 3、系统的透明性。 4、分布式系统的基础是网络。,水电站计算机监控系统及数据通信的特点：,分层分布式的控制系统，主要有微机监控、微机保护、电能质量自动调

9、节控制等多个子系统 在水电站生产过程中，计算机要求实时，安全可靠地操作被控对象，对生产过程的数据传输的实时性、安全性和可靠性提出极高的要求,数据通信是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方式。要在两地间传输信息必须有传输信道，根据传输媒体的不同，有有线数据通信与无线数据通信之分。但它们都是通过传输信道将数据终端与计算机联结起来，而使不同地点的数据终端实现软、硬件和信息资源的共享。,第三节 计算机系统的数据通信基础,一、数据通信系统基本组成 通信控制器：通信控制器管理到主机或计算机网络的数据输入输出。它可以是复杂的前台大型计算机接口或者简单的设备如多路复用器、桥接器和路由器。这些设备把

10、计算机的并行数据转换为通信线上传输的串行数据，并完成所有必要的控制功能、错误检测和同步。现代设备还完成数据压缩、路由选择、安全性功能，并收集管理信息。,收发器或调制解调器 调制解调器，是一种计算机硬件，它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的脉冲信号，而这些脉冲信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收，并译成计算机可懂的语言。这一简单过程完成了两台计算机间的通信。,调制：传送数据时，发送方利用“0”和“1”的区别略为调整一下正弦波信号的幅度（或频率，或相位），这个过程称为“调制”，然后就可以进行长距离传输。,解调：到达目的地时，接受方再把正弦波信号携带的信息检测出来，并转换成适合计算

11、机接受的高、低电平形式。,二、数据通信方式 数据通信方式主要采用并行通信和串行通信两种 、远距离数据通信的基本模型 2、数据通信系统的工作方式 按信息传输的方向和时间化分： （1）单工通信 （2）半双工通信 （3）全双工通信,三、数据传输原理 1、信号都是二进制的数据信息，对于传送“0”与“1”，基本上有基带传输和频带传输两种 (1)基带传输： 在数据通信中，由计算机或终端等数字设备直接发出的二进制数字信号形式称为方波，即“1”或“0”，分别用高(或低)电平或低(或高)电平表示，人们把方波固有的频带称为基带(由消息直接转换成的未经调制变换的信号所占的频带，理论上基带信号的频谱是从0到无穷大)，

12、方波电信号称为基带信号。 在数字信号频谱中，把直流（零频）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称为基带。因此，数字信号被称为数字基带信号，在信道中直接传输这种基带信号就称为基带传输。,(2)频带传输：,远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。 频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。,宽带传输 通过借助频带传输，可以将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道

13、可以携带不同的信号，这就是宽带传输。宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号。如CATV、ISDN等。,2、通常字符同步（或帧同步）传输的同步技术有异步传输和同步传输两种 （1）异步传输：异步传输每次只传送一个字符。 （2）同步传输：同步传输每次传送几个字节的数据块。,3、并行通信和串行通信,四、数据转换技术 1、调制与解调装置的组成与作用 (1)调制器的主要作用就是波形变换器 . (2)解调器的作用就是波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号 . 2、调制与解调装置的工作原理,3、调制解调器的分类 调制解调器可以根据传输速率、调制方式或功能的先进程度进行分类。 五、常用串

14、行通信技术 在串行通信中，要求发送和接收双方必须遵守统一的规定，这样才能保证通信正常进行，这些对数据传送方式的规定就是通信协议。通信协议包括数据格式和时间限制等方面的定义和要求 RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的。,主板上的接口,光纤接口,并行接口主要是连接打印机、扫描仪、等，比串行接口应用要广泛，而且速度也比串行快8倍左右,HDMI接口 这个接口主要是为了简化多条终端接线，并提供更高带宽的数据传输速度和数字化无损传送音频、视频信号。VGA和DVI接口并不支持音频传输，目前唯有HDMI能在一条数据线上同时传送影、音信号的能

15、力。,一、RS-232串行通信接口,RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。其传送距离最大约为15米，最高速率为20kb/s，并且RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的。所以，RS232只适合于本地通讯使用,COM串行接口,元器件常识：市场上把公头的接插件叫做DRXX，母头的叫DBXX，比如我们电脑上的串口，在市场上叫做DR9，不是DB9，很多人都误叫做DB9，实际上的DB9是两个把两个DR9互相连接在一起的接口。 在文章中，我把所有的串口设备接口都统一叫做RS232接口。,零MODEM 方式的最简单连接（即三线连

16、接），图中的2 号线与3 号线交叉连接是因为在直连方式时，把通信双方都当作数据终端设备看待，双方都可发也可收。在这种方式下，通信双方的任何一方，只要请求发送RTS 有效和数据终端准备好DTR 有效就能开始发送和接收。,DB9所用到的管脚是2（RXD）、3（TXD）、5（GND）这三个。因此现在都把RS232接口叫做DB9。,2、RS-422串行通信接口与PLC控制系统的研究 RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232 之不足而提出的。为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到1200米（速率低于1

17、00kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。,（2）PLC上位连接系统 工业控制领域中PLC作为一种高效、灵活、可靠的控制器，有着广泛的应用。以PLC控制器为核心，上位PC机为实时监控体的控制系统已成为工业自动化PLC控制系统的一个发展方向。实现PLC与PC的通信可以实现向上级提供诸如工艺流程图、动态数据画面、报表显示等多种窗口技术，使PLC控制系统具有良好的人机界面，通过上位机对PLC数据的读写监控实现现场数据的采集、传送以及生产过程调度的自动化和信息化，其应用前景十分广阔。

18、（3）上位连接系统的原理(主从式总线型工业局域网),3、RS-485串行通信 其特殊的线路连接而具有如下的特点： (1)某一设备与其他设备的连接只需两根导线。 (2)不能实行全双工通信，在任何时刻，只允许连接中的一台设备发送信息，其他设备的发送器电路输出应处于高阻状态。 (3)由于485总线上缺乏仲裁机制，挂接在485总线上的所有设备中必须安排一个设备作为主设备，并为它编制软件来调度其他设备的接收和发送，形成主从式总线网络。,六、光纤通信系统 光纤通信是一种以光波为信息载体，以光导纤维为传输媒介的崭新的通信方式。 光纤通信又分为单模和多模二种 （一）光纤通信系统的基本组成 （二）光纤通信的特点

19、 1、传输频带宽、通信容量大 2、损耗低 3、不受电磁干扰 4、设备相对简单,什么叫光纤？（optical fiber） 又称为光导纤维，一种传输光能的波导介质，一般由纤芯和包层组成。 微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light emitting diode,LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。,第四节 计算机总线技术,一、总线的概念 是应用在生产现场、在微机化测量控制设备这间实现双向串行

20、多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 二、现场总线的基本结构 1、数据总线DB 2、地址总线AB 3、控制总线CB 4、电源总线,三、现场总线体系结构、分类与特点 1、现场总线的体系结构 现场总线的体系结构主要表现在以下六个方面： （1）现场通信网络 （2）现场设备互连 （3）互操作性 （4）分散功能块 （5）通信线供电 （6）开放式互连网络 2、现场总线分类 （1）CAN总线等 3、现场总线的体系结构特点 现场总线的体系结构具有基础性、灵活性、分散性和经济性等特点。 4、现场总线的优越性,四、现场总线的技术特点 1、开放性2、交互性3、自治性4、适应性 五、内部总线的分类及应用 1、PC（PC/XT、PC/AT）总线 2、CAN总线 六、以太网网络技术 1、网络系统结构 2、数据通信方法,六、总线仲裁 （一）集中式仲裁机构 1、菊花链法（串链法） （1）总线请求BR （2）总线批准BG （3）总线忙BB 2、投票法 使用一个程序可编的寄存器，并与一组投票计数线相连。 3、独立请求法 每个设备有自己独立的BR、BG线与总线机构相连 实际应用时，由上述三种方法结合应用，可获得更好的仲裁效果。 （二）分散式,