水电站计算机监控技术教案.docx
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水电站计算机监控技术教案
教案
2017～2018学年第一学期
课程名称水电站计算机监控技术
课程学时28
开课系部水利系
教研室水电站动力设备
授课班级水动1531
主讲教师曹彧徽
职称助教
福建水利电力职业技术学院教务处制
教案首页
课程名称
水电站计算机监控技术
课程代码
总学时数
学分
课程类型
□公共课专业课
必修课□选修课
考核方式
□考试考查□其它：
课程总体
目标
要求学生在掌握计算机网络基础知识的前提下掌握水电站计算机监控系统的类型及特点，理解计算机监控系统数据采集与处理，重点掌握微机现地自动控制装置
教材
教材名称
水电站计算机监控技术
主编
黄少敏
出版社
中国电力出版社
出版时间
2008
参考书
1
教材名称
主编
出版社及
出版时间
2
教材名称
主编
出版社及
出版时间
其它教学
资源
1
2
课题
（内容）
绪论
授课地点
授课时间
授课课时
2
教学目标
1、了解电力电能生产、输送、销售的几个特点
2、水电站监控系统的复杂性
教学重点
实现水电站优化运行该如何做
教学难点
水电站计算机监控技术的应用
教学方法
讲授法，通过对水电站监控系统的概略的介绍，让同学了解水电站计算机监控系统所起到的重要作用
教学手段
教学内容
一、电力电能生产、输送、销售的几个特点：
1.电网的总容量大
2.各区域网间的横向联系越来越多，电能的输送线路长
3.电能生产方式多样化
4.对可靠性、稳定性和电能质量提出更高要求
二、使用计算机监控技术的目的：
提高水电站自动化水平
三、水电站监控系统的复杂性
1.发电计划取决于水情及水库的调度计划
2.大中型水电站在电力系统中承担峰荷和腰荷
3.作为电力系统频率控制任务的主要电站
4.电力系统故障时的重要后备
从以上四点可以看出水电站运行的特点是：
一天之内机组运行方式频繁变化，并且要求达到很高的调节品质（regulationquality）（对模拟量控制系统工作质量的一种评价。
根据热力生产过程的要求，评价调节品质主要有稳定性、准确性和快速性三个指标）。
因此必须通过完善各种自动化元件，达到全盘优化运行调度。
发展各种可靠性高的自动控制、自动调节装置，加强水电站的水情预报以及与外部的通讯联系，发展各种可编程序控制器，以提高水电站的自动化水平、调节品质和安全程度，逐步将优化过的调度命令，全盘自动化地实时付诸执行。
四、基于以上条件实现水电站优化运行应该如何做？
1.实现站级自动化
2.实现能与水库优化调度计划相协调的优化控制
考虑本水电站的运行要求，也要考虑梯级水电站或跨流域水电站的运行方式对本电站的影响
而传统的自动控制技术无法实现这些要求
五、水电站计算机监控技术的应用
●计算机监控系统是传统的自动控制技术与计算机技术相结合的产物
●计算机监控系统的发展经历了人工监控、电话调度和远动化（远动化就是在远离水电站的控制中心实现水电站运行的自动控制操作功能，水电厂实现远动化后，不仅能节省大量运行人员，提高水电厂的经济效益）直到以计算机为核心、以现代数据通信为基础的计算机监控
六、水电站计算机监控技术的优点
1.提高水电站运行的可靠性
2.提高水电站的经济运行水平
3.提高劳动生产率
七、基本名词解释
1.信息：
认识主体所感知或所表达的事物运动及其变化方式的形式、内容和效用
信息处理：
信息的收集、加工、存储、传递、施用
2.电磁干扰：
电磁兼容性（EMC，ElectroMagneticCompatibility）是指电器、电子产品能在规定的电磁环境中正常工作，并不对该环境中其他产品产生过量的电磁干扰（EMI，Electro-MagneticInterference）。
这里包含着两个方面的要求：
其一是要求产品对外界的电磁干扰具有一定的承受能力；其二是要求产品在正常运行过程中，该产品对周围环境产生的电磁干扰不能超过一定的限度。
开课之前跟学生问好，教育学生懂得礼仪。
通过讲解水电站监控系统的复杂性引出将来同学们在水电站工作的重要性
详细介绍这门课程的重要性和难度，介绍水电站控制技术越来越先进的原因。
并说明现代水电站对工作人员的技术要求越来越高，鼓励同学们力争上游，用心学习。
通过讲解水电站计算机监控技术的优点说明使用计算机作为监控系统核心的必然趋势。
板书设计
小结
1、水电站生产过程的特点
2、水电站计算机监控技术的应用
3、水电站应用计算机监控技术的优点
作业/
实践项目
1、水电站生产过程有何特点？
2、水电站监控系统的发展经历了哪几个阶段？
目前处于哪个阶段？
课题
（内容）
计算机网路基础知识与计算机操作系统类型
授课地点
授课时间
授课课时
2
教学目标
1、了解计算机网络及其组成
2、掌握计算机操作系统的定义和作用
教学重点
计算机组网的目的及计算机网络的分类
教学难点
计算机监控系统中的实时操作系统
教学方法
1、通过对计算机网络和计算机操作系统的介绍让学生了解计算机网络的组成和功能及其拓扑结构
2、通过对计算机操作系统的介绍让学生掌握各种操作系统的特点和用途
教学手段
教学内容
第一节计算机网络概述
一、什么是计算机网络
计算机网络是利用通信设备和网络软件，把地理位置分散而功能独立的多个计算机（及其他智能设备）以相互共享资源和进行信息传递为目的的连接起来的一个系统
二、计算机网络的组成部分
●若干个主机：
用来向用户提供信息服务
●一个通信子网：
由一些通信链路和节点交换机组成，用于进行数据通信
●一系列的通信协议及相关的网络软件：
通信协议是为了确保计算机之间能进行互联并尽可能少的发生信息交换错误而制定的一组规则或标准，实现通信协议的软件（及硬件）是计算机网络不可缺少的组成部分。
开放系统互联参考模型（OSI/RM）
美国国防部的TCP/IP协议系列（Internet网采用）
三、计算机组网的目的
1、数据通信
2、对地域分散的业务部门提供实时集中控制
3、资源共享
4、实现分布式信息处理
5、提高计算机系统的可靠性和可用性
四、计算机网络的分类
1、有线网和无线网
2、星型网，总线网，环形网
3、TCP/IP网，SAN网，IPX网
4、局域网LAN，广域网WAN，城域网MAN
第二节计算机操作系统类型
一、什么是操作系统？
操作系统（OS）是计算机中最重要的一种系统软件，是一些程序模块的集合，它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理地安排计算机的工作流程，控制和支持应用程序的运行，并向用户提供各种服务，使得用户能灵活、方便、有效地施用计算机。
二、操作系统的作用
●操作系统承担资源的调度和分配任务，以避免冲突，保证程序正常有序的运行
●为用户提供友善的人机界面
●为应用程序的开发和运行提供一个高效率的平台：
操作系统屏蔽了几乎所有物理设备的技术细节，它以规范、高效的方式向应用程序提供有力的支持
有了操作系统，计算机才能成为一个高效、可靠、通用的信息处理系统
1、Windows操作系统
是一种在个人计算机上广泛使用的操作系统，由美国微软公司开发，提供了多任务处理和图形用户界面。
2、UNIX操作系统（历史最悠久的通用式操作系统）
美国bell实验室开发的一种通用多用户交互式分时操作系统，已成为国际上目前使用最广泛、影响最大的主流操作系统之一。
由于UNIX系统提供了一系列的网络通信工具和协议，著名的TCP/IP网络协议就是在UNIX系统上开发成功的，因此UNIX系统已成为很多分布式系统中服务器选用的一种网络操作系统。
NetBSD（UNIX的一个变种）的用户界面
3、实时系统
一些特殊的应用系统，如军事指挥和武器控制系统、电力网调度和工业控制系统、证券交易信息处理系统等，它们要求计算机完成任务有严格的时间约束，并希望对外部事件能快速做出响应，应具有很高的可靠性和安全性，这些系统所使用的操作系统称为实时操作系统。
实时指对随机发生的外部事件作出及时的响应，并对其进行处理。
实时系统通常包括实时过程控制和实时信息处理两种系统。
国内几种常用的实时操作系统
（1）DeltaOS
（4）HBOS
（3）EEOS
（2）HopenOS
4、网络操作系统
●网络操作系统与通常的操作系统的区别：
网络操作系统是网络上各计算机能方便而有效地共享网络资源，为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关规程的集合。
网络操作系统与通常的操作系统有所不同，它除了应具有通常操作系统应具有的处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理外，还应具有以下两大功能：
（1）提供高效、可靠的网络通信能力；
（2）提供多种网络服务功能，如：
远程作业录入并进行处理的服务功能；文件转输服务功能；电子邮件服务功能；远程打印服务功能
●以目前常用的NOS来说,主要有UNIX系统,Netware系统和WindowsNT系统。
以推出的时间来说,UNIX为最早,Netware为第二,WindowsNT最晚。
除去技术上的原因,依靠推出时间早的优势,UNIX几乎独霸了最早具有连网需求的邮电、银行、铁路、军事等领域,而随着网络技术的发展,虽然出现了像WindowsNT这样界面更友好的操作系统,但用户出于保护投资及使用习惯上的原因不情愿完全抛弃一种操作系统,从而导致了操作系统的共存与混用。
6、分布式操作系统
网络式操作系统：
是使联网的计算机能方便而有效地共享网络资源，为网络用户提供所需各种服务的软件和有关协议的集合。
功能主要包括：
高效、可靠的网络通信；对网络中共享资源进行有效的管理；提供电子邮件、文件传输、共享硬盘、打印机等服务；网络安全管理；提供互操作能力。
分布式操作系统：
为分布式计算机系统配置的操作系统。
能直接对系统中各类资源进行动态的分配和调度、任务划分、信息传输协调工作，并为用户提供一个统一的界面和标准的接口，用户通过这一界面实现所需要的操作以及使用系统资源，使系统中若干台计算机相互协作完成共同的任务，有效地控制和协调诸任务的并行执行，并向系统提供统一的、有效的接口软件集合。
分布式操作是网络操作系统的更高级形式，它保持网络操作系统所拥有的全部功能，同时又具有透明性、可靠性、高性能等。
网络操作系统与分布式操作系统虽然都属于管理分布在不同的地理位置的计算机，但最大的差别是：
网络操作系统工作时必须确认网址，而分布式系统用户则不必知道计算机的确切地址；分布式操作系统负责整个系统的资源分配，通常能够很好的隐藏系统内部的实现细节，如对象的物理位置、并发控制、系统故障等。
这些对用户都是透明的。
在教学过程中，教育学生科学严谨的学习作风和工作作风，培养学生分析问题和解决问题的能力。
详细介绍我们国家的计算机网络的发展概况，培养学生爱国，为国骄傲的情操。
通过讲解操作系统的作用，引出我们国家在计算机操作系统方面取得的成就。
结合同学们在现实生活中对计算机操作系统的使用经验，详细讲解操作系统的发展历史和几种重要的操作系统的诞生。
实时系统是水电站监控系统的主要形式，由于学生对实时系统比较陌生，在讲解的时候尽量用到很多的实例和故事，增加学生的理解。
由于现在计算机及其网络的普及，在讲解网络操作系统的时候，结合学生的生活经验，可以通过几个实例把这个知识点讲透。
板书设计
小结
1、计算机网络基础知识概述
2、计算机操作系统类型
作业/
实践项目
1、计算机操作系统有几种？
各有何特征？
2、为什么说计算机网络可以提高计算机的可靠性和可用性？
课题
（内容）
计算机系统的数据通信基础
授课地点
授课时间
授课课时
2
教学目标
1、掌握数据通信系统的基本组成
2、了解数据的通信方式
3、了解数据传输的原理
4、了解常用的数据转换技术
教学重点
数据通信系统的基本组成及数据传输的原理
教学难点
常用的串行通信技术
教学方法
通过对数据通信系统的基本组成的讲解和对数据传输原理的强化训练，使学生掌握数据通信系统的基础知识。
通过对光纤通信系统的介绍来扩宽学生对数据通信的知识的掌握。
教学手段
教学内容
水电站计算机监控系统实质上是由多台微机组成的分层分布式的控制系统，主要包括微机监控、微机保护、电能质量自动调节等多个子系统。
而各子系统一般采用智能模块化的组成结构，因此必须通过内部的数据通信，才能完成各子系统内部和各子系统之间的信息交换。
一、数据通信系统基本组成
●通信的基本任务是传递信息，因此通信至少需由三个要素组成，即信息的发送者（称为信源），信息的接收者（称为信宿）以及信息的传播媒介。
●调制与解调
原因：
长距离传输数据时，如果也直接传送代表二进位信息的电平信号，那么导线的电阻会使电信号逐渐减弱，以至于最终接受方无法收到或者识别信号。
而研究发现，正弦波之类的持续震荡信号能够在长距离通信中比其他信号传送得更远，因此把这种正弦波信号作为携带信息的“载波”
●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，并转换成适合计算机接受的高、低电平形式。
●无线广播的调制解调过程
将音频信号加到所发射的电磁波上去，这样音频信号才能随着电磁波传到接收点，这就是现在大家所熟悉的"调制"过程。
另一个是当携带有音频信号的电磁波到达接收点以后将音频信号取出，经过耳机还原声音，这就是所谓的"解调"过程。
二、数据通信方式
1、远距离数据通信的基本模型
有线形式：
双绞线、同轴电缆、光纤
无线形式：
微波通道、无线扩频
受到干扰时要进行差错检查
2、数据通信系统的工作方式
单工方式
半双工方式
全双工方式
（1）单工方式
资料始终是从A设备发向B设备。
（2）半双工方式
资料能从A设备传送到B设备，也能从B设备传送到A设备。
在任何时候资料都不能同时在两个方向上传送，即每次只能有一个设备发送，另一个设备接收。
但是通讯双方依照一定的通讯协议来轮流地进行发送和接收。
（3）全双工方式
允许通信双方同时进行发送和接收。
这时，A设备在发送的同时也可以接收，B设备亦同。
全双工方式相当于把两个方向相反的单工方式组合在一起，因此它需要两条数据传输线。
在计算机串行通讯中主要使用半双工和全双工方式。
三、数据传输的原理
●什么叫基带
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。
由于在近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，从而信道容量不会发生变化，因此，在局域网中通常使用基带传输技术。
●什么叫频带传输
人的语音频率范围在80Hz到12KHz
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。
●什么叫宽带传输
在基带传输中我们常常会有一个深有体会的问题，就是等等等——在这种情况下，我们就非常羡慕并向往一种传输了，这种传输的名字就叫——宽带传输。
所谓宽带，就是指比音频（4KHZ）带宽还要宽的频带，简单一点就是包括了大部分电磁波频谱的频带。
使用这种宽频带进行传输的系统就称为宽带传输系统，它简直就可以容纳所——有的广播，并且还可以进行高速率的数据传输。
对于局域网而言，宽带这个术语专门用于使用传输模拟信号的同轴电缆，可见宽带传输系统是模拟信号传输系统，它允许在同一信道上进行数字信息和模拟信息服务。
●异步通信及其协议
其中各位的意义如下：
起始位：
先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始。
资料位：
紧接着起始位之后。
资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。
通常采用ASCII码。
从最低位开始传送，靠时钟定位。
奇偶校验位：
资料位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来校验资料传送的正确性。
停止位：
它是一个字符数据的结束标志。
可以是1位、1.5位、2位的高电平。
空闲位：
处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。
波特率：
是衡量资料传送速率的指针。
表示每秒钟传送的二进制位数。
例如资料传送速率为120字符/秒，而每一个字符为10位，则其传送的波特率为10×120＝1200字符/秒＝1200波特。
四、常用串行通信技术
串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议（不要与通用串行总线UniversalSerialBus或者USB混淆）。
大多数计算机包含两个基于RS232的串口。
串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。
同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。
●RS—232串行通信
1、什么是现场总线控制系统？
现场总线的技术基础是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是应用于各种计算机控制领域的工业总线，因现场总线潜在着巨大的商机，世界范围内的各大公司投入相当大的人力、物力、财力来进行开发研究。
当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域，由于现场总线技术的不断创新，过程控制系统由第四代的DCS发展至今的FCS（FieldbusControlSystem）系统,已被称为第五代过程控制系统。
而FCS和DCS的真正区别在于其现场总线技术。
现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C（Computer计算机、Control控制、Commcenication通信）技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。
2、什么是DCS
分散控制方式：
仪表间相距过远、仪表盘尺寸过大、无法全面了解信息及操作；集中控制方式：
危险过于集中，计算机出现故障时整个生产装置瘫痪；集散控制方式：
控制功能分散、操作管理集中---DCS。
RS—422串行通信接口
RS-422A总线采用平衡输出的发送器，差分输入的接收器。
如图所示。
●RS—485串行通信
RS-485适用于收发双方共享一对线进行通信，也适用于多个点之间共享一对线路进行总线方式联网，但通信只能是半双工的，线路如图所示。
五、光纤通信系统
1、什么叫光纤？
（opticalfiber）
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（lightemittingdiode,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。
在多模光纤中，芯的直径是15μm~50μm，大致与人的头发的粗细相当。
而单模光纤芯的直径为8μm~10μm。
芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光线保持在芯内。
再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。
光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。
纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。
2、什么叫单模光纤和多模光纤的区别？
根据传输点模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。
所谓"模"是指以一定角速度进入光纤的一束光。
单模光纤采用固体激光器做光源，多模光纤则采用发光二极管做光源。
多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模分散（因为每一个“模”光进入光纤的角度不同它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。
），模分散技术限制了多模光纤的带宽和距离，因此，多模光纤的芯线粗，传输速度低、距离短，整体的传输性能差，但其成本比较低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境下。
单模光纤只能允许一束光传播，所以单模光纤没有模分散特性，因而，单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大，传输距离长，但因其需要激光源，成本较高。
3、光纤通信的基本组成
光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号,并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路.光纤线路的功能是把来自发射机的光信号,以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机.光接收机的功能是把从光纤线路输出产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号,并经放大和处理后恢复成发射前的电信号.
当传输距离很远，线路衰减过大时，需要增加光中继器，对传输信号进行中继放大。
对模拟信号而言，要使信号不失真，就要求光源具有良好的线性特性，由于常用的光源，尤其是半导体激光器LD的非线性比较严重，故现在的光纤通信系统，除少数专用系统之外，几乎所有公用及大多数专用光纤系统都采用数字式。
4、光纤通信的特点
●频带宽，通信容量大。
●损耗低，中继距离长
●抗电磁干扰
●无串音干扰，保密性好。
●光纤线径细、重量轻、柔软
●光纤的原材料资源丰富，用光纤可节约金属材料
在教学过程中明确以马克思主义为指导、以展现学术前沿为标准、以满足思想政治工作需要为目标的学科定位。
讲解调制解调的概念和应用的时候，通过在PPT上展示几张猫（调制解调器）的实物图片，引入调制解调器的重要作用，由于很多学生接触过调制解调器却不知道它的作用，在这边就可以大大引起学生们的兴趣，学到的东西也很多。
讲解数据通信方式的时候一定要引入现在流行的最新的数据通信方式，这样才能让学生们跟得上时代。
讲解数据传输的原理的时候，从最基本的基带传输讲起，从基带传输的不足，引入频带传输，最后讲解学生们很熟悉的宽带传输，特别讲解宽带在我们国家的发展。
重点讲解RS-232和RS-485这两种重要的串行通信技术，是计算机网络组网的重要接口，并提醒同学们注意掌握好这两种串行通信的接口，为将来工作做好准备。
在这边事先给同学们概略的介绍一下现场总线技术以及它的重要特点，为下节课做好准备。
由于目前光纤通信已在我们国家广泛地使用，教材中对光纤通信的重要性没有全面的说明，在讲解这个知识点的时候一定要补充教材的内容，说明通信方式在随着时代的变化而变化。
在讲光纤通信的时候一定要同学们注意在通信线路中信号的变化，光纤是传导光信号的，必须要有将电信号转变成光信号的设备。
板书设计
小结
1、数据通信方式和数据传输原理
2、常用串行通信技术
3、光纤通信系统
作业/
实践项目
1、光纤通信可分几种？
其传输特点各有何不同？
2、计算机网络的传输介质有几种？
课题
（内容）
计算机控制系统总线技术
授课地点
授课时间
授课课时
2
教学目标
掌握总线的概念，了解现场总线的基本结构，了解内部总线的分类及应用
教学重点
总线的概念及现场总线的基本结构
教学难点
以太网技术及总线仲裁
教学方法
讲授与启发式相结合通过对总线概念和基本结构的介绍，引出现场总线体系结构、分类
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