第2章 计算机监控的基础知识.docx

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第2章计算机监控的基础知识

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2.1计算机应用基础

一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的。

硬件是指构成计算机的物理设备；而软件是指计算机系统中的程序、数据以及开发、使用和维护程序所需文档的集合。

硬件是计算机系统的基础，软件是计算机系统的“灵魂”。

如果没有软件，计算机就不能工作，人们通常把不配备任何软件的计算机称为裸机。

在计算机技术发展进程中，计算机的硬件和软件是相互依赖、相互支持、缺一不可的。

2.1.1计算机系统的组成和结构

1．计算机的硬件系统

构成计算机的硬件系统通常有五大功能部件：

输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。

其结构如图2-1所示。

图2-1计算机基本结构

（1）输入设备

将数据、程序、文字符号、图像、声音等信号输送到计算机中。

常用的输入设备有：

键盘、鼠标、数码照相机、光笔、光电阅读器和扫描仪以及各种传感器等。

（2）输出设备

将计算机的运算结果或者中间结果打印或显示出来。

常用的输出设备有：

显示器、打印机、绘图仪等。

（3）存储器

将输入设备接收到的信息以二进制的数据形式存放在存储器中。

存储器有两种，分别叫做内存储器和外存储器。

内存储器是主机的一部分，它用来存放正在执行的程序和数据，可与中央处理器直接交换数据。

外存储器属于外部设备，用来存放运算的原始数据和运行结果。

（4）运算器

运算器是完成各种算术运算和逻辑运算的装置，能做加、减、乘、除等数学运算，也能做比较、判断、查找、逻辑运算。

（5）控制器

控制器是计算机指挥和控制其各部件工作的机构，其工作过程与人的大脑指挥和控制人的各器官一样。

上述五大部件通过系统总线形式互连，传递数据、地址和控制信号。

这些系统总线按信号类型分成了三类，分别称为数据总线、地址总线和控制总线。

通常，我们把运算器和控制器合在一起称为中央处理器（CentralProcessingUnit），简称CPU，将中央处理器和存储器合在一起称为主机。

输入设备和输出设备简称I/O设备。

I/O设备和外存储器合在一起称为外部设备。

2．计算机的软件系统

软件是计算机系统中必不可少的组成部分。

人们针对某一需要而为计算机编制的指令序列称为程序，而指令是指计算机执行操作的命令。

程序连同有关的数据和说明资料称为软件。

简单地讲，软件就是程序加上文档。

配上软件的计算机才成为完整的计算机系统。

计算机软件越丰富，计算机功能越强大，它使计算机具有非凡的灵活性和通用性。

根据计算机软件的作用，计算机软件通常分为系统软件、数据库软件、应用支撑软件、应用软件以及工具软件等。

（1）系统软件

系统软件完成从输入设备取得数据，向输出设备送出数据，向外存写数据，从外存读数据，对数据的常规管理等基础工作，这些基础工作由一系列指令来完成。

人们把这些指令集中组织在一起，形成专门的软件，称为系统软件。

系统软件除了完成上述基本工作外，还进行着对硬件的管理，使在一台计算机上同时或先后运行的不同应用软件有条不紊地合用硬件设备。

常用的系统软件有Windows和Linux两种。

（2）数据库软件

数据库软件能够有组织地、动态地存储大量数据，使人们能方便、高效地使用这些数据。

现在比较流行的数据库软件有FoxPro、Oracle、DB-2.Access、SQL-server等。

（3）应用支持软件

应用支持软件对应用软件起到支撑的作用，如各种驱动程序、接口程序、编解码程序等都属于应用支撑软件。

（4）应用软件。

应用软件是专门为某一应用目的而编制的软件。

水电站微机监控系统中的上位机软件就属于一种应用软件。

（5）工具软件

工具软件专门为其他软件提供工具性服务。

例如，VC、VB、Delphi等可以开发计算机监控的上位机软件；PLC梯形图编程软件、组态软件可以编译现地控制程序；除VC、VB、Delphi、PLC梯形图编程软件、组态软件以外，在水电站计算机监控中应用较多的辅助设计软件、测试软件、调试软件等都属于工具软件。

2.1.2适用于水电站监控系统的典型微型计算机

在水电站监控系统中微机处于核心地位，适用于水电站监控的典型微型计算机有：

工业级微型计算机即工控机IPC、可编程序控制器PLC和单片机。

1．工控机

个人计算机，即PC机是不适用于工业控制领域的，但PC机具有广阔的硬件支持厂商和丰富的软件产品，软硬件开发环境好，开发工具丰富，有良好的用户界面和图形显示功能，因此PC机对工业控制领域的吸引力是巨大的，在这种背景下对PC进行改造（如提高抗干扰能力，提高防振能力等）产生了工业级PC机，即工控机IPC。

工控机是工业级的微型计算机，构成其硬件的元素基本与个人微型计算机相同，工控机的硬件结构可以分为3种：

一种类似于普通的台式个人微型计算机，称为普通型工控机；第二种是一体化工控机；第三种是模块化工控机。

工控机IPC与普通PC机兼容，在普通PC机上运行的DOS（磁盘操作系统）系统、Windows（视窗软件，即图形操作系统）、各种实时多任务操作系统等软件均可在工控机IPC机上运行。

工控机是面向控制的计算机，工控机的应用软件运行在DOS操作系统平台上或Windows操作系统平台上或网络平台上。

应用软件采用高级语言编制为主，也有采用高级语言和汇编语言混合编程技术的。

对于简单的小型控制系统，可以利用工控机制造厂商提供的用于控制的组态软件。

利用这些现成的组态软件，开发速度较快，但是现成的组态软件局限性较大，这些软件是按照通用系统进行设计、编制的，且这些软件以西文为主，在我们国内使用不是很习惯，对控制系统中很多特殊的要求无法满足，对于大型的监控系统，组态软件无法满足使用要求，因此像水电站计算机监控系统这种复杂的控制系统，工控机的应用软件通常是由开发研究单位根据被监控的水电站设备的要求而设计、编制的。

工控机在水电站计算机监控系统中主要作为上位机、前置计算机，因其数据存储、管理能力较强，人机界面好，电站运行人员容易掌握使用。

从工控机的性能来看，工控机也可以作为现地控制单元计算机。

下面对普通型工控机、一体化工控机和模块化工控机的硬件结构进行分别介绍，并着重介绍普通型工控机。

（1）普通型工控机

普通型工控机的硬件组成一般有：

机箱、CPU卡、显示卡、硬盘、软盘驱动器、电子盘卡、数据采集卡、控制输出卡、通信卡、显示器、键盘等，这些组成部分中除机箱、CPU卡外，其他部分不一定是每台工控机都必须具备的，是根据工控机的使用场合来组合选用的。

1）机箱

工控机IPC的机箱采用全钢封闭式结构，可以有效防止电磁干扰，全封闭的钢机箱可以上屏安装，工控机机箱内的电源采用开关电源，给计算机提供高质量的电源，电源的平均无故障工作时间MTBF至少在50000h。

在工控机机箱上除个人计算机所具有的负压风扇外，还有机箱的正面装有正压风扇，并加装空气过滤器。

为满足扩展需要，机箱中的插槽数量也多于PC机机箱中的，有14个PC/AT插槽。

2）CPU卡

工控机CPU卡上有中央处理单元CPU芯片、2个串行口、1个并行口、软/硬驱接口、高速缓冲存储器、看门狗定时器、键盘接口等，可在60℃下运行。

根据使用需要可以选用386、486、奔腾586UPC卡，IPCCPU卡基本同PC机的类似，但PC机的CPU卡一般是没有看门狗定时器的，运行温度在40℃以下。

CPU卡结构如图2-18所示。

3）显示卡

IPC机中的显示卡用于向显示器传送显示信号，所起的作用与PC机中的显示卡一样。

对于没有显示器的工控机，工控机的机箱中将没有显示卡。

4）硬盘、软驱、电子盘卡

IPC机中的硬盘、软盘驱动器、电子盘卡等也是根据需要进行配置，在PC机中通常是有硬盘、软盘驱动器的，电子盘卡一般是没有的。

5）数据采集卡、控制输出卡

数据采集卡、控制输出卡是IPC机中所特有的板卡，在PC机中是没有这2种板卡的，数据采集卡有开关量I/O采集卡、模拟量A/D采样卡等，控制输出卡有开关量输出控制卡、模拟量D/A输出控制卡等，这些板卡有各种型号和规格，根据需要选用。

6）通信卡

通信卡主要用于IPC机，显示器通常是普通PC机的标准配置，但对于IPC机来说却不是标准配置，在许多应用场合中，IPC不需配置显示器，但也有许多场合是需要配置显示器的，显示器的尺寸也不是PC机通常的14英寸，而是20英寸或21英寸。

7）键盘

键盘是作为PC机的标准配置，PC机配置有101键或102键标准键盘，但对于IPC机来讲，键盘却不按其标准配置，考虑到调试程序的方便，IPC机现在也往往带有101键或102键标准键盘，根据使用场合不同，有的工控机的键盘带有防水等功能。

有主键盘区、副键盘区和功能键区。

（2）一体化工控机

一体化工控机的硬件特征是显示器、薄膜键盘、CPU卡、软盘驱动器、硬盘等与机箱组成为一体，结构紧凑。

一体化工控机箱小巧，如台湾研华产品，所带显示器尺寸有14、15英寸，也有10英寸规格，所带显示器可以是彩色CRT阴极射线管显示器，也可以是彩色液晶显示器，有的显示器还带有触摸屏，取代薄键盘，显示器的分辨率有1024×768或600×480或640×200。

在一体化工控机的机箱前面带带有薄膜键，但由于机箱面积所限，薄膜键键的数量要少于标准键盘，因此，一体化工控机带有101键标准键盘的接口，以便于程序编制和调试；一体化工控机的机箱，其结构也是可以上屏的，以便于组成计算机控制系统，根据不同的型号，机箱内的插槽数量为4~10个PC/AT插槽，机箱内的CPU卡根据使用需要选用，可以选用386、486、奔腾586CPU卡，以组成不同档次的一体化工控机；其他的电子盘卡、数据采集卡、控制输出卡、通信卡等也是根据需要选用，以便组成满足使用要求的一体化工控机。

（3）模块化工控机

模块化工控机的各种插件卡做成模块，机箱为插件架，通常不配显示器和键盘。

2．可编程序控制器

可编程序控制器，英文称ProgrammableLogicController，简称PLC。

可编程序控制器是采用微机技术的通用工业自动化装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以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指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，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，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。

用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。

可编程序控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。

其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，可编程序控制器的硬件是标准的、通用的。

根据实际应用对象，将控制内容写入控制器的用户程序内，控制器和被控对象连接也很方便。

随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时可编程序控制器已不再是仅有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、调节和数据通信功能。

可编程序控制器对用户来说是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程序控制器，在实施阶段再确定工艺过程。

另一方面，从制造生产可编程序控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。

由于这些特点，可编程序控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。

目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。

世界著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B（Allen-Bradly）公司、GE（GeneralElectric）公司；日本的三菱电机（MitsubishiElectric）、欧姆龙（OMRON）；德国的西门子（Siemens）和法国的TE（Telemecanique）公司等。

（1）PLC的分类

PLC一般可按I/O点数和结构形式来分类。

1）按I/O点数分类

PLC按I/O总点数可分为小型、中型和大型三类。

小于512点为小型PLC（其中小于64点为超小型或微型PLC）；512~2048点为中型PLC；2048点以上的为大型PLC（超过8192点为超大型PLC）。

这个分类界限不是固定不变的，它会随PLC的发展而改变。

2）按结构形式分类

PLC按结构形式可分为整体式和模块式。

①整体式PLC

整体式PLC又称单元式或箱体式PLC。

整体式PLC是将电源、CPU、I/O部件都集中装在一个机箱内。

其结构紧凑、体积小、价格低，一般小型PLC采用这种结构。

整体式PLC由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。

基本单元内有CPU、I/O和电源。

扩展单元内只有I/O和电源。

基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。

整体式PLC一般配备有特殊功能单元、位置控制单元等，使PLC的功能得以扩展。

②模块式PLC

模块式PLC是将PLC各部分分成若干单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的包含在CPU模块中）和各种功能模块。

模块式PLC由框架和各种模块组成，模块插在插座上。

有的PLC没有框架，各种模块安装在地板上。

模块式PLC其配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。

一般大、中型PLC采用模块式结构，有的小型PLC也采用这种结构。

有的PLC将整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC。

它除基本单元和扩展单元外，还有扩展模块和特殊功能模块，配置比较灵活。

（2）PLC的结构及各部分的作用

PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。

PLC的硬件系统结构如下图所示：

1）主机

主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。

CPU是PLC的核心，它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。

PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。

2）输入/输出（I/O）接口

I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。

输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。

输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。

I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。

I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。

3）电源

电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。

4）编程器

编程器是PLC的一种主要的外部设备，用于手持编程，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。

除手持编程器外，还可通过适配器和专用电缆线将PLC与电脑联接，并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。

5）输入/输出扩展单元

I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。

6）外部设备接口

此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。

（2）PLC的工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。

即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

PLC在输入采样阶段：

首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。

随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：

按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

输出刷新阶段：

当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

（3）PLC的特点

1）可靠性高

由于采取了一系列的保证PLC高可靠性的措施，PLC的平均无故障时间一般可达3~5万h。

PLC环境适应性强，它能在工业环境下可靠的工作。

PLC的高可靠性已受到用户普遍认可，这是PLC得到广泛应用的重要原因之一。

保证PLC高可靠性的主要措施有：

良好的综合设计（综合考虑整体的可靠性）；选用优质元器件；采用隔离、滤波、屏蔽等抗干扰技术；采用先进的电源技术；采用实时监控技术和故障诊断技术；采用冗余技术；良好的制造工艺。

2）编程简单

PLC最常见的编程语言是梯形图语言。

梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。

当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。

在大型PLC中还有BASIC等高级编程语言，以便满足各种不同控制对象和不同使用人员的需要。

3）通用性强

各个PLC的生产厂家都有各种系列化产品，各种模块供用户选择。

用户可以根据控制对象的规模和控制要求，选择合适的PLC产品，组成所需要的控制系统。

在作应用设计时，一般不需要用户制作任何附加装置，从而使设计工作简化。

4）体积小、结构紧凑，安装、维护方便

PLC体积小，重量轻，便于安装。

PLC具有自诊断、故障报警、故障种类显示功能，便于操作和维修人员检查，可以通过更换模块插件，迅速排除故障。

PLC的结构紧凑，它与被控制对象的硬件连接方式简单，接线少，便于维护。

（4）PLC在水电站监控系统中的应用

水电站中很多机电设备中的控制均是顺序控制，而PLC特别适用于顺序控制，因此从某种程度上讲PLC已经成为微机监控系统的核心。

PLC主要应用在水轮发电机自动控制、励磁系统控制和辅助设备控制等场合中。

3．单片机

单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU（CENTRALProcessingWrit）、随机存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）、中断系统、定时器/计数器以及I/O（Input/Output）接口电路等主要微型机部件，集成在一块芯片上。

虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的特点，为此称为单片微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer），简称单片机。

单片机主要应用于控制领域，用以实现各种测试和控制功能，为了强调其控制属性，也可以把单片机称为微控制器MCU（MicroControllerUnit）。

在国际上，“微控制器”的叫法似乎更通用一些，而在我国则比较习惯于“单片机”这一名称，因此本书使用“单片机”一词。

由于单片机在应用时通常是处于被控系统的核心地位，以嵌入的方式进行使用，为了强调其“嵌入”的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器EMCU（EmbeddedMicroControllerUnit），在单片机的电路和结构中有许多嵌入式应用的特点。

（1）单片机的类型

根据控制应用的需要，可将单片机分为通用型和专用型两种类型。

通用型单片机是一种基本芯片，它的内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需求。

用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个再设计的过程，通过用户的进一步设计，才能组建一个以通用单片机芯片为核心再配以其它外围电路的应用控制系统。

在单片机的控制应用中，有许多时候是专门针对某个特定产品的，例如电度表和IC卡读写器上的单片机等，这种单片机称为专用型单片机。

（2）单片机的程序设计语言和软件

这是提到的是单片机程序设计语言和软件，主要是指在开发系统中使用的，因为在单片机开发系统中可能使用机器语言、汇编语言和高级语言，而在单片机应用系统中只使用机器语言。

机器语言是二进制代码表示的单片机指令，用机器语言构成的程序称之为目标程序。

汇编语言是用符号表示的指令，汇编语言是对机器语言的改进，是单片机最常用的程序设计语言。

虽然机器语言和汇编语言都是高效的计算机语言，但它们都是面向机器的低级语言，不便于记忆和使用，且与单片机硬件关系密切，这就要求程序设计人员必须精通单片机的硬件系统和指令系统。

（3）单片机在水电站微机监控系统中的应用

单片机已经在水电站微机监控系统中获得广泛的应用，如应用在温度巡检、故障诊断等方面。

例如某些励磁调节器中，就专门配置了一块单片机用于调节器的电源故障、脉冲故障、软件故障的检测和通道间的自动切换。

2.2数据通信基础

2.2.1计算机数据通信的概念及作用

1．计算机数据通信的概念

计算机之所以进行数据通信，是因为一个计算机通信系统由3个基本元素组成的：

即发送器、接收器和介质。

这3个基本元素协同工作，组成一个有效的计算机通信系统。

从广义的角度来看，发送器和接收器是进行数据通信的2台计算机。

发送器是发送数据或信息的计算机，数据或信息在这里形成并被准备发送。

接收器是准备接收数据的计算机，是数据或信息到达的目的计算机。

信息可以是1个数据文件，也可以是1个数据文件的一部分或几个数据文件的组合。

介质是发送器和接收器之间的通信信道，通过介质按照一定的通信协议则可以将报文从发送器传到接收器。

介质可以是载波通信、微波通信、光纤通信、无线通信及电话通信通道等。

2．计算机数据通信的作用

在常规水电站中，电站许多设备的运行状态、运行参数信号是通过控制电缆送到中央控制室，用于信号灯或仪表的指示，中央控制室的控制命令也是通过控制电缆送到设备的现地控制单元中，以实现对设备的控制。

数据通信不但在常规水电站中广泛使用，而且在水电站计算机监控系统中占有相当重要的位置。

水电站中的计算机监控系统通常是分层分布式系统，分为电站主控层（通常由上位机、操作台等设备组成）和面向控制对象的现地控制单元。

在通常情况下，现地控制单元保存水电站设备运行状态、运行参数的能力较弱，数据查询的能力也较弱，现地控制单元通常也不配打印机，设备的运行状态、运行参数不能打印出来。

通常的做法是通过计算机数据通信，将现地控制单元的设备的运行状态、运行参数传输到在电站主控层的上位机上并打印出来。

同时，上位机对现地控制单元的控制指令、优化运行指令等也必须通过计算机数据通信送到现地控制单元中，由现地控制单元执行完成。

水电站采用计算机监控后，可以只使用1根数字通信电缆将现地控制单元中的1个计算机装置的所有信号传送到上位机，因此，与常规自动控制系统相比，采用计算监控后，进入中控制室的控制电缆数量将大大减少，可以减少电缆的投资及敷设工作量。

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