Алгоритмическое обеспечение. Для проведенной обобщенной классификации аппаратного и алгоритмического обеспечения асрфи с учетом сказанного выше, общее уравнение измерений в операторной форме будет иметь вид

Взаимодействие узлов локальных сетей происходит на основе протоколов канального уровня. Международным институтом инженеров по электро- технике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE ) было разработано семейство стандартов 802.х, которое регламентирует функционирование канального и физического уровней семиуровневой модели ISO / OSI . Ряд этих протоколов являются общими для всех технологий, например, стандарт 802.2, другие протоколы (например, 802.3, 802.3u, 802.5) определяют особенности технологий локальных сетей.

На подуровне LLC существует несколько процедур, которые позволяют устанавливать или не устанавливать связь перед передачей кадров, содержащих данные, восстанавливать или не восстанавливать кадры при их потере или обнаружении ошибок. Этот подуровень реализует связь с протоколами сетевого уровня. Связь с сетевым уровнем и определение логических процедур передачи кадров по сети реализует протокол 802.2. Протокол 802.1 дает общие определения локальных вычислительных сетей, связь с моделью ISO / OSI . Существуют также модификации этого протокола, которые будут рассмотрены позже.

Подуровень МАС определяет особенности доступа к физической среде при использовании различных технологий локальных сетей. Протоколы МАС-уровня ориентированы на совместное использование физической среды абонентами . Разделяемая среда ( shared media ) применяется в таких широко распространенных в локальных сетях технологиях, как Ethernet , Fast Ethernet , Gigabit Ethernet , Token Ring , FDDI . Использование разделяемой между пользователями среды улучшает загрузку канала связи , удешевляет сеть , но ограничивает скорость передачи данных между двумя узлами.

Каждой технологии МАС-уровня соответствует несколько вариантов (спецификаций) протоколов физического уровня ( рис. 4.1). Спецификация технологии МАС-уровня определяет среду физического уровня и основные параметры передачи данных ( скорость передачи , вид среды, узкополосная или широкополосная).

Так, протоколу 802.3 , описывающему наиболее известную технологию Ethernet , соответствуют спецификации физического уровня: 10Base-T, 10Base-FB, 10Base-FL . Число 10 показывает, что скорость передачи данных составляет 10 Мбит/с, Base – система узкополосная. Спецификация 10Base -T предусматривает построение локальной сети на основе использования неэкранированной витой пары UTP не ниже 3-й категории и концентратора . Спецификации 10Base -FB, 10Base-FL используют волоконно-оптические кабели. Более ранние спецификации 10Base -5 и 10Base -2 предусматривали использование "толстого" или "тонкого" коаксиального кабеля .

Протоколу Fast Ethernet (802.3u) соответствуют следующие спецификации физического уровня:

• 100Base-T4 , где используется четыре витых пары кабеля UTP не ниже 3-й категории;
• 100Base-TX – применяется две пары кабеля UTP не ниже 5-й категории;
• 100Base-FX – используется два волокна многомодового оптического кабеля.

Помимо Ethernet и Fast Ethernet на МАС-уровне используется еще ряд технологий: Gigabit Ethernet со скоростью передачи 1000 Мбит/c – стандарты 802.3z и 802.3ab; 10Gigabit Ethernet со скоростью передачи 10 000 Мбит/c – стандарт 802.3ае, а также ряд других. Например, протокол 802.5 описывает технологию сетей Token Ring , где в качестве физической среды используется экранированная витая пара STP , с помощью которой все станции сети соединяются в кольцевую структуру. В отличие от технологии Ethernet , в сетях с передачей маркера ( Token Ring ) реализуется не случайный, а детерминированный доступ к среде с помощью кадра специального формата – маркера ( token ). Сети Token Ring позволяют передавать данные по кольцу со скоростями либо 4 Мбит/c, либо 16 Мбит/c. По сравнению с Ethernet технология Token Ring более сложная и надежная, однако Token Ring несовместима с новыми технологиями Fast Ethernet , Gigabit Ethernet , 10Gigabit Ethernet . Технологии Ethernet и совместимые с ними как раз и рассматриваются в настоящем курсе лекций.

Передаваемый в сеть пакет инкапсулируется в поле данных кадра протокола LLC , формат которого приведен на табл. 4.1 .

Флаги определяют границы кадра LLC . В поле данных ( Data ) размещаются пакеты сетевых протоколов. Поле адреса точки входа службы назначения (DSAP – Destination Service Access Point ) и адреса точки входа службы источника (SSAP – Source Service Access Point ) длиной по 1 байту адресуют службу верхнего уровня, которая передает и принимает пакет данных. Например, служба IP имеет значение SAP , равное 0х6. Обычно это одинаковые адреса. Адреса DSAP и SSAP могут различаться только в том случае, если служба имеет несколько адресов точек входа. Таким образом, адреса DSAP и SSAP не являются адресами узла назначения и узла источника, да и не могут быть таковыми, поскольку поле длиной 1 байт позволяет адресовать только 256 точек, а узлов в сети может быть много.

Поле управления ( Control ) имеет длину 1 или 2 байта в зависимости от того, какой тип кадра передается: информационный ( Information ), управляющий (Supervisory), ненумерованный (Unnumbered). У первых двух длина поля Control составляет 2 байта, у ненумерованного – 1 байт . Тип кадра определяется процедурой управления логическим каналом LLC . Стандартом 802.2 предусмотрено 3 типа таких процедур:

• LLC1 – процедура без установления соединения и подтверждения;
• LLC2 – процедура с установлением соединения и подтверждением;
• LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением.

Процедура LLC1 применяется при дейтаграммном режиме передачи данных. Для передачи данных используются ненумерованные кадры. Восстановление принятых с ошибками данных производят протоколы верхних уровней, например, протокол транспортного уровня. В дейтаграммном режиме функционирует, например, протокол IP .

Процедура LLC2 перед началом передачи данных устанавливает соединение, послав соответствующий запрос и получив подтверждение, после чего передаются данные. Процедура позволяет восстанавливать потерянные и исправлять ошибочные данные, используя режим скользящего окна . Для этих целей она использует все три типа кадров (информационные, управляющие , ненумерованные). Данная процедура более сложная и менее быстродействующая по сравнению с LLC1, поэтому она применяется в локальных сетях значительно реже, чем LLC1, например, протоколом NetBIOS / NetBEUI .

Широкое применение процедура, подобная LLC2, получила в глобальных сетях для надежной передачи данных по ненадежным линиям связи. Например, она используется в протоколе LAP -B сетей Х.25, в протоколе LAP -D сетей ISDN , в протоколе LAP -M сетей с модемами, частично – в протоколе LAP -F сетей Frame Relay .

Процедура LLC3 задействуется в системах управления технологическими процессами , когда необходимо высокое быстродействие и знание того, дошла ли управляющая информация до объекта.

Наиболее широкое распространение в локальных сетях получила процедура LLC1, в которой используются только ненумерованные типы кадров.

На передающей стороне кадр LLC -уровня передается на МАС- уровень, где инкапсулируется в кадр соответствующей технологии данного уровня. При этом флаги кадра LLC отбрасываются. Технология Ethernet предусматривает кадры четырех форматов, которые незначительно отличаются друг от друга. На табл. 4.2 приведен наиболее распространенный формат кадра стандарта 802.3/ LLC .

Преамбула кадра состоит из семи байт 10101010, необходимых для вхождения приемника в режим синхронизации. Начальный ограничитель кадра (Start of Frame Delimiter – SFD) – 10101011 вместе с преамбулой в итоге составляют 8 байт . Далее следуют физические адреса узла назначения (DA – Destination Address ) и узла источника ( SA – Source Address ). В технологиях Ethernet физические адреса получили название МАС- адресов. Они содержат 48 двоичных разрядов и представляются в шестнадцатеричной системе. В локальных сетях адресация узлов производится на основе МАС-адресов , которые "прошиты" в ПЗУ сетевых карт.

Адрес , состоящий из всех единиц FFFFFFFFFFFF, является широковещательным адресом ( broadcast ), когда передаваемая в кадре информация предназначена всем узлам локальной сети.

Младшие 24 разряда МАС-адреса (6 шестнадцатеричных разрядов) задают уникальный номер оборудования, например, номер сетевой карты . Следующие 22 разряда задают идентификатор производителя оборудования. Старший бит , равный 0, указывает на то, что адрес является индивидуальным, а равный 1 – на то, что адрес является групповым. Второй старший бит , равный 0, указывает, что идентификатор задан централизованно комитетом IEEE . В стандартной аппаратуре Ethernet идентификатор всегда задан централизованно. Несмотря на то, что в МАС-адресе выделена старшая и младшая части, МАС- адрес считается плоским ( flat ).

Поле L ( рис. 4.3) определяет длину поля данных Data , которое может быть от 46 до 1497 байт (в информационных кадрах процедуры LLC2 – до 1496 байт , поскольку поле Control – 2 байта). Если поле данных меньше 46 байт , то оно дополняется до 46 байт .

Поле контрольной суммы ( FCS – Frame Check Sequence ) длиной в 4 байта позволяет определить наличие ошибок в полученном кадре за счет использования алгоритма проверки на основе циклического кода .

4.2. Локальные сети технологии Ethernet

В сетях технологии Ethernet , построенных на основе логической топологии " общая шина ", разделяемая среда передачи данных является общей для всех пользователей, т. е. реализуется множественный доступ к общей среде. Для передачи данных используется манчестерский код , скорость передачи составляет 10 Мбит/с, т.е. длительность битового интервала равна 0,1 мкс. Между кадрами должен быть интервал длительностью 9,6 мкс. Переданную в сеть информацию может получить любой компьютер , у которого адрес сетевого адаптера совпадает с адресом DA передаваемого кадра, или все компьютеры сети при широковещательной передаче. Однако передавать информацию в любой момент времени может только один узел. Такой способ обмена данными получил название метода множественного доступа к среде с распознаванием несущей и фиксацией коллизий (CSMA/CD – Carrier Sence Multiply Access with Collision Detection ), суть которого объясняется ниже.

При одновременной передаче данных двумя компьютерами возникает так называемая коллизия , когда данные двух передающих узлов накладываются друг на друга и происходит потеря информации . Поэтому прежде чем начать передачу, узел должен убедиться, что общая шина свободна. Для этого он прослушивает среду. Если какой-либо компьютер сети уже передает данные, то в сети обнаруживается несущая частота передаваемых сигналов. Если по окончании передачи сразу два узла попытаются одновременно начать передачу своих данных, то возникнет коллизия , которая фиксируется компьютерами. Узел, первым обнаруживший коллизию , усугубляет ее путем передачи в сеть специальных JAM - сигналов для оповещения всех компьютеров сети. При этом компьютер должен немедленно прекратить передачу данных и выдержать паузу в течение некоторого случайного интервала времени. По окончании этого интервала узел может вновь попытаться передать свои данные.

Длительность паузы составляет

T п =T отс xL,

где T отс – интервал отсрочки, равный 512 битовым интервалам, т. е. при скорости 10 Мбит/с интервал отсрочки T отс = 51,2 мкс;

L – случайное целое число , выбранное из диапазона , где N – номер повторной попытки передачи узлом данного кадра. N изменяется от 1 до 10. Всего повторных попыток передачи может быть 16, но после 10-ой попытки число N не увеличивается. Таким образом, L может принимать значения от 0 до 1024, а пауза T п = 0 - 52,4 мс. После 16-й неудачной попытки, приведшей к коллизии , кадр отбрасывается.

Длительность передачи кадра Т к должна быть больше максимально возможного времени обнаружения

Канальный уровень (Data Link) обеспечивает обмен данными через общую локальную среду. Он находится между сетевым и физическим уровнями модели OSI. Поэтому Канальный уровень должен предоставлять сервис вышележащему уровню, взаимодействуя с сетевым протоколом и обеспечивая инкапсулированным в кадр пакетам доступ к сетевой среде. В то же время, канальный уровень управляет процессом размещения передаваемых данных в физической среде. Поэтому канальный уровень разделен на 2 подуровня: верхний подуровень логической передачи данных LLC – Logical Link Control, являющийся общим для всех технологий, и нижний подуровень управления доступом к среде MAC – Media Access Control (рис.4.1). Кроме того, на канальном уровне обнаруживают ошибки в передаваемых данных.

Рис. 4.1. Подуровни канального уровня

Взаимодействие узлов локальных сетей происходит на основе протоколов канального уровня. Международным институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE) было разработано семейство стандартов 802.х, которое регламентирует функционирование нижних уровней (канального и физического) семиуровневой модели ISO/OSI. Ряд этих протоколов являются общими для всех технологий, например, стандарт 802.2, другие протоколы (например, 802.3, 802.5) определяют особенности технологий локальных сетей.

На подуровне LLC существует несколько процедур, которые позволяют устанавливать или не устанавливать связь перед передачей кадров, содержащих данные, восстанавливать или не восстанавливать кадры при их потере или обнаружении ошибок. Этот подуровень реализует связь с протоколами сетевого уровня. Связь с сетевым уровнем и определение логических процедур передачи кадров по сети реализует протокол 802.2. Протокол 802.1 дает общие определения локальных вычислительных сетей, связь с моделью ISO/OSI. Существуют также модификации этого протокола, которые будут рассмотрены позже.

Подуровень МАС определяет особенности доступа к физической среде при использовании различных технологий локальных сетей. Протоколы МАС-уровня ориентированы на совместное использование физической среды абонентами. Разделяемая среда (shared media) используется в таких широко распространенных в локальных сетях технологиях как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI. Использование разделяемой между пользователями среды улучшает загрузку канала связи, удешевляет сеть, но ограничивает скорость передачи данных между двумя узлами.

Каждой технологии МАС-уровня соответствует несколько вариантов (спецификаций ) протоколов физического уровня (рис.4.1). Так протоколу 802.3 , описывающему наиболее известную технологию Ethernet , соответствуют спецификации физического уровня: 10 Base - T , 10 Base - FB , 10 Base - FL . Спецификация 10Base-T предусматривает построение локальной сети на основе использования неэкранированной витой пары UTP не ниже 3 категории и концентратора (hub). Спецификации 10Base-FB, 10Base-FL используют волоконно-оптические кабели. В более ранних спецификациях 10Base-5 и 10Base-2 применялся “толстый” и “тонкий” коаксиальные кабели.

Протоколу Fast Ethernet (802.3u) соответствуют следующие спецификации физического уровня:

100Base-T4, где используется четыре витых пары кабеля UTP не ниже 3 категории;

100Base-TX – применяется две пары кабеля UTP не ниже 5 категории;

100Base-FX – используется два волокна многомодового оптического кабеля.

Помимо Ethernet и Fast Ethernet на МАС уровне используется еще ряд технологий: Gigabit Ethernet со скоростью передачи 1000 Мбит/c – стандарты 802.3z и 802.3ab; 10Gigabit Ethernet со скоростью передачи 10000 Мбит/c – стандарт 802.3ае, а также ряд других. Например, протокол 802.5 описывает технологию сетей Token Ring, где в качестве физической среды используется экранированная витая пара STP, с помощью которой все станции сети соединяются в кольцевую структуру. В отличие от технологии Ethernet в сетях с передачей маркера (Token Ring) реализуется не случайный, а детерминированный доступ к среде с помощью кадра специального формата – маркера (token). Сети Token Ring позволяют передавать данные по кольцу со скоростями либо 4 Мбит/c, либо 16 Мбит/c. По сравнению с Ethernet технология Token Ring более сложная и надежная, однако, Token Ring не совместима с новыми технологиями Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10Gigabit Ethernet. Технологии Ethernet и совместимые с ними и рассматриваются в настоящем курсе лекций.

Передаваемый в сеть пакет инкапсулируется в поле данных кадра протокола LLC, формат которого приведен на рис.4.2.

Рис. 4.2. Формат кадра LLC

Флаги определяют границы кадра LLC. В поле данных (Data) размещаются пакеты сетевых протоколов. Поле адреса точки входа службы назначения (DSAP – Destination Service Access Point) и адреса точки входа службы источника (SSAP – Source Service Access Point) длиной по 1 байту адресуют службу верхнего уровня, которая передает и принимает пакет данных. Например, служба IP имеет значение SAP равное 0х6. Обычно это одинаковые адреса. Адреса DSAP и SSAP могут различаться только в том случае, если служба имеет несколько адресов точек входа. Таким образом, адреса DSAP и SSAP не являются адресами узла назначения и узла источника, да и не могут быть таковыми, поскольку поле длиной 1 байт позволяет адресовать только 256 точек, а узлов в сети может быть очень много.

Поле управления (Control) имеет длину 1 или 2 байта в зависимости от того, какой тип кадра передается: информационный (Information), управляющий (Supervisory), ненумерованный (Unnumbered). У первых двух длина поля Control составляет 2 байта, у ненумерованного – 1 байт. Тип кадра определяется процедурой управления логическим каналом LLC. Стандартом 802.2 предусмотрено 3 типа таких процедур:

LLC1 – процедура без установления соединения и подтверждения;

LLC2 – процедура с установлением соединения и подтверждением;

LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением.

Процедура LLC 1 используется при дейтаграммном режиме передачи данных. Для передачи данных используются ненумерованные кадры. Восстановление принятых с ошибками данных производят протоколы верхних уровней, например, протокол транспортного уровня. В дейтаграммном режиме функционирует, например, протокол IP.

Процедура LLC 2 перед началом передачи данных устанавливает соединение, послав соответствующий запрос и получив подтверждение, после чего передаются данные. Процедура позволяет восстанавливать потерянные и исправлять ошибочные данные, используя режим скользящего окна. Для этих целей она использует все три типа кадров (информационные, управляющие, ненумерованные). Данная процедура более сложная и менее быстродействующая по сравнению с LLC1, поэтому она используется в локальных сетях значительно реже, чем LLC1, например, протоколом NetBIOS/NetBEUI.

Широкое применение процедура, подобная LLC2, получила в глобальных сетях для надежной передачи данных по ненадежным линиям связи. Например, она используется в протоколе LAP-B сетей Х.25, в протоколе LAP-D сетей ISDN, в протоколе LAP-M сетей с модемами, частично – в протоколе LAP-F сетей Frame Relay.

Процедура LLC3 используется в системах управления технологическими процессами, когда необходимо высокое быстродействие и знание того, дошла ли управляющая информация до объекта.

Таким образом, наиболее широкое распространение в локальных сетях получила процедура LLC1, в которой используются только ненумерованные типы кадров.

На передающей стороне кадр LLC уровня передается на МАС-уровень, где инкапсулируется в кадр соответствующей технологии данного уровня. При этом флаги кадра LLC отбрасываются. Технология Ethernet предусматривает кадры четырех форматов, которые незначительно отличаются друг от друга. На рис.4.3 приведен наиболее распространенный формат кадра 802.3/LLC.

Рис.4.3. Формат кадра Ethernet 802.3/LLC

Преамбула кадра состоит из семи байт 10101010, необходимых для вхождения приемника в режим синхронизации. Начальный ограничитель кадра (Start of Frame Delimiter - SFD) – 10101011 вместе с преамбулой в итоге составляют 8 байт. Далее следуют физические адреса узла назначения (DA – Destination Address) и узла источника (SA – Source Address). В технологиях Ethernet физические адреса получили название МАС-адресов. Они содержат по 48 двоичных разрядов и представляются в шестнадцатеричной системе. В локальных сетях адресация узлов производится на основе МАС-адресов, которые «прошиты» в ПЗУ сетевых карт.

Адрес, состоящий из всех единиц FFFFFFFFFFFF, является широковещательным адресом (broadcast), когда передаваемая в кадре информация предназначена всем узлам локальной сети.

Младшие 24 разряда МАС-адреса (6 шестнадцатеричных разрядов) задают уникальный номер оборудования, например, номер сетевой карты. Следующие 22 разряда, за исключением двух старших, задают идентификатор производителя оборудования. Старший бит равный 0 указывает на то, что адрес является индивидуальным, а равный 1 – адрес является групповым. Второй старший бит равный 0 указывает, что идентификатор задан централизованно комитетом IEEE. В стандартной аппаратуре Ethernet идентификатор всегда задан централизованно. Несмотря на то, что в МАС-адресе выделена старшая и младшая части, МАС-адрес считается плоским (flat).

Поле L (рис.4.3) определяет длину поля данных Data, которое может быть от 46 до 1497 байт (в информационных кадрах процедуры LLC2 – до 1496 байт, поскольку поле Control – 2 байта). Если поле данных меньше 46 байт, то оно дополняется до 46 байт.

Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) длиной в 4 байта позволяет определить наличие ошибок в полученном кадре, за счет использования алгоритма проверки на основе циклического кода.

Формирование кадров на подуровнях МАС и LLC

В 1980 году в институте IEЕЕ был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.x, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей . Позже результаты работы этого комитета легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1...5. Эти стандарты были созданы на основе распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring. Стандарты IEEE 802 имеют достаточно четкую структуру, приведенную на рис. 4.5.

Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов локальных сетей принимали участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволокне, американским институтом по стандартизации ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мбит/с. Работы по стандартизации протоколов ведутся также ассоциацией ЕСМА, которой приняты стандарты ЕСМА-80, 81, 82 для локальной сети типа Ethernet и впоследствии стандарты ЕСМА-89,90 по методу передачи маркера.

Стандарты семейства IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня семиуровневой модели OSI - физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты как для локальных, так и для глобальных сетей.

Специфика локальных сетей также нашла своё отражение в разделении канального уровня на два подуровня:

Управления логической связью (Logical Link Control, LLC);

Управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).

Подуровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот подуровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в распоряжение той или иной станции сети в соответствии с определенным методом доступа. После того как доступ к среде получен, ею может пользоваться более высокий подуровень - подуровень LLC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различной степенью качества транспортных услуг. В современных ЛС получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих различные методы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

Рисунок 4.5 - Структура стандартов IEEE 802.x

Подуровень LLC осуществляет управление логической связью, то есть устанавливает виртуальный канал связи, отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности и реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через подуровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. На подуровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием
или отсутствием на этом подуровне процедуры восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого подуровня.

Протоколы подуровней MAC и LLC взаимно независимы - каждый протокол подуровня MAC может применяться с любым протоколом подуровня LLC, и наоборот.

Для предоставления сервиса сетевому уровню канальный уровень должен использовать сервисы, предоставляемые ему физическим уровнем . Физический уровень принимает необработанный поток битов и пытается передать его по назначению. Этот поток не застрахован от ошибок. Количество принятых битов может быть меньше, равно или больше числа переданных битов. Кроме того, значения принятых битов могут отличаться от значений переданных. Канальный уровень должен обработать ошибки и, если нужно, исправить их.

Обычно канальный уровень разбивает поток битов на отдельные кадры и считает для каждого кадра контрольную сумму. Когда кадр прибывает в пункт назначения, его контрольная сумма подсчитывается снова. Если она отличается от содержащейся в кадре, то канальный уровень понимает, что при передаче кадра произошла ошибка, и принимает меры (например, игнорирует испорченный кадр и посылает передающей машине сообщение об ошибке).

Разбиение потока битов на отдельные кадры представляет собой более сложную задачу, чем это может показаться на первый взгляд. Один из способов разбиения на кадры заключается во вставке временных интервалов между кадрами, подобно тому, как вставляются пробелы между словами в тексте. Однако сети редко предоставляют гарантии сохранения временных параметров при передаче данных, поэтому возможно, что эти интервалы при передаче исчезнут или, наоборот, будут добавлены новые интервалы.

Поскольку для отметки начала и конца кадра полагаться на временные параметры слишком рискованно, были разработаны другие методы маркировки границ кадров:

Подсчет количества символов;

Использование сигнальных байтов с символьным заполнением;

Использование флаговых последовательностей с битовым заполнением;

Использование запрещенных сигналов физического уровня.

Второй метод формирования кадров решает проблему восстановления синхронизации после сбоя при помощи маркировки начала и конца каждого кадра специальными байтами. В прошлом стартовые и стоповые байты отличались друг от друга, но в последнее время большинство протоколов перешло на использование в обоих случаях одного и того же байта, называемого флаговым. Таким образом, если приемник теряет синхронизацию, ему необходимо просто найти флаговый байт, с помощью которого он распознает конец текущего кадра. Два соседних флаговых байта говорят о том, что закончился один кадр и начался другой.

Алгоритмическое обеспечение (Лекция)

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Алгоритмы первичной обработки информации

2. Алгоритмы вторичной обработки информации

3. Алгоритмы прогнозирования значений величин и показателей

4. Алгоритмы контроля

Алгоритмическое обеспечение – совокупность взаимосвязанных алгоритмов. Множество алгоритмов делятся на 6 групп:

1. Алгоритмы первичной обработки информации (фильтрация, учет нелинейности характеристики).

2. Алгоритмы определения показателей процесса (алгоритмы вторичной обработки информации), определение интегральных и средних значений, скорости, прогнозирования и т.д.

3. Алгоритмы контроля.

4. Алгоритмы цифрового регулирования и оптимального управления.

5. Алгоритмы логического управления.

6. Алгоритмы расчета технико-экономических показателей.

1. Алгоритмы первичной обработки информации

Первичная обработка информации включает фильтрацию полезного сигнала, проверку информации на достоверность, аналитическую градуировку датчиков, экстраполяцию и интерполяцию, учет динамических связей.

Фильтрация – операция выделения полезного сигнала измерительной информации из его суммы с помехой. В зависимости от помех выделяют следующие фильтры:

1. фильтры низких частот (НЧФ).

2. высоко - частотные фильтры (ВЧФ).

3. полосовые фильтры (ПФ, пропускают сигналы определённой частоты).

4. режекторные фильтры (ПФ, не пропускают сигналы определенной частоты).

Наиболее распространенными являются НЧФ, которые подразделяются на фильтры скользящего среднего, фильтры экспоненциального сглаживания и медианные.

Разностное уравнение фильтра экспоненциального сглаживания

Получим уравнение фильтра экспоненциального сглаживания при следующих допущениях:

допущение 1: полезный сигнал x (t ) представляет собой случайный стационарный процесс с известными статическими характеристиками M x – математическое ожидание; D x – дисперсия; - автокорреляционная функция, показывающая степень связи между значениями сигнала в моменты времени, сдвинутые относительно друг друга на время τ. Полезный сигнал не коррелирован с помехой.

допущение 2: помеха f (t ) представляет собой случайный стационарный процесс, некоррелированный с полезным сигналом и с известными статическими характеристиками M f =0; ; при этом k <0 m >0.

В непрерывном варианте свойства фильтра экспоненциального сглаживания описываются ДУ:

.

Передаточная функция - апериодическое звено

.

Заменив производную - разностью и получаем разностное уравнение:

– разностное уравнение

А ,

где Т – постоянная времени, Т 0 – период опроса датчика, γ – параметр настройки регулятора. Оптимальное значение определяется путём минимизации погрешности фильтра. Оптимальное значение параметра настройки фильтра зависит от статических свойств полезного сигнала, помехи. На практике в большинстве случаев эти параметры определить нельзя, чем меньше , тем сильнее сглаживающее свойство фильтра, однако при малых значениях может произойти искажение полезного сигнала.

Данный фильтр является самым распространенным низкочастотный фильтром.

Разностное уравнение фильтра скользящего среднего

В аналоговом виде (непрерывный вариант) уравнение ФСК имеет вид:

.

Используя метод прямоугольников можно получить разностное уравнение:

Заменив интеграл суммой (применяя для интегрирования метод прямоугольников), получим:

Т= nT 0 , n – это число точек усреднения, параметр настроек фильтра. Оптимальное значение n определяется путём минимизации погрешности (дисперсии ошибки) фильтра и зависит от статических свойств полезного сигнала и помехи.

Чем больше n , тем больше сглаживающее свойство фильтра.

Статические фильтры нулевого порядка

Статический фильтр – фильтр, который в аналоговом варианте представляет собой параллельное соединение (n +1) цепочек, состоящих из усилительного звена и звена чистого запаздывания.

ПФ такого фильтра имеет вид:

При n =0 имеем статический фильтр нулевого порядка W (p )= b 0 → .

При использовании данной формулы y (t ) будет смещённой оценкой полезного сигнала x (t ),

т.е. - математическое ожидание выходного сигнала.

Для получения несмещённой оценки необходимо использовать следующую функцию:

В этом случае .

b 0 в качестве параметра настройки .

Для программной реализации статического фильтра нулевого порядка используют формулу:

Статические фильтры первого порядка

ПФ таких фильтров имеет вид: .

Математическое ожидание:

Для того чтобы фильтр имел несмещенную оценку при учете

Где - параметры настройки фильтра.

Минимизируя значение ошибки фильтрации, получаем: .

Для программной реализации - - период опроса датчика.

Разностное уравнение: .

при n =0 имеем статический фильтр нулевого порядка W (p )= b 0 .

При использовании данной формулы y (t ) будет смещённой оценкой полезного сигнала x (t ), т.е. - математическое ожидание выходного сигнала

Для получения несмещённой оценки необходимо использовать следующую функцию: .

В этом случае .

b 0 в качестве параметра настройки .

Для программной реализации статического фильтра первого порядка используют формулу: .

Робастные фильтры

Фильтры данного типа предназначены для фильтрации аномальных выбросов. К числу робастных фильтров относят медианный фильтр, фильтр релейно – экспоненциального сглаживания.

Медианный фильтр

Реализация медианного фильтра осуществляется по формуле: , где М – параметр настройки,

med – оператор, означающий операцию оценки медианы.

Оценка медианы проводится по следующему алгоритму:

Проводится упорядочение отсчетов в ряд по возрастанию.

При нечетном М в качестве медианы выбирается центральное значение этого ряда. При четном значении в качестве медианы выбирается полусумма двух средних значений ряда.

Фильтр релейно-экспоненциального сглаживания

Алгоритм работы данного фильтра имеет вид:

,

где - среднеквадратическое отклонение (СКО) помехи, - модуль приращения полезного сигнала на соседних отсчетах.

Разностные уравнения фильтров с заданной АЧХ

Если необходимо реализовать низкочастотный фильтр с заданной АЧХ, то для этих целей необходимо использовать ЛАЧХ (логарифмическая АЧХ).

- зависимость коэффициента передачи гармонического сигнала от частоты.

.

Необходимо определить ЛАЧХ, а затем ПФ и далее от ПФ перейти к дискретной ПФ, используя преобразования Лапласа.

Передаточная функция (ПФ) – отношение, в изображении Лапласа выходной функции к входной при нулевых начальных условиях.

, где р – комплексная величина.

Дискретное преобразование:

.

Произвели замену переменной:

.

Переход от ПФ к дискретной ПФ может быть произведен на основе от ношения: .

После получения дискретной ПФ можно легко получить разностное уравнение, пользуясь теоремой о смещении (запаздывании):

Смещенная решетчатая функция

.

Не рекуррентная, не рекурсивная система: - наличие только входных сигналов в правой части, - наличие выходных сигналов.

Для АЧХ, вида

(*);

.

A и B подставляем в выражение (*) и ДПФ определена. Далее необходимо написать разностное уравнение и составить программу.

Теорема о смещении:

;

Преобразуем, применяя теорему о смещении, и получаем

Для высокочастотного фильтра с характеристикой : ;

;

.

Для полосового фильтра:

;

;

.

Для режекторного фильтра:

;

;

.

Для реализации процедуры фильтрации применяются и другие фильтры кроме рассмотренных, являющиеся более сложными адаптивными и АЧХ с крутыми фронтами. К числу таких фильтров относят фильтры Чебышева, Калмана, Винера.

Проверка достоверности информации

Недостоверность информации появляется при отказах информационно-измерительных каналов. Отказы бывают двух видов: полные и частичные. Полный отказ наступает при выходе из строя измерительного преобразователя, или при повреждении линии связи. При частичном отказе технические средства сохраняют работоспособность, однако погрешность измерения превышает допустимое значение.

Алгоритмы, позволяющие обнаруживать полные отказы:

1) алгоритм допускового контроля параметра : проверка условия - X i min ≤ X i ≤ X i max

X i min – минимально возможное значение i -го параметра;

X i max – максимально возможное значение i -го параметра.

Если условие не выполняется, то информация недостоверная. В этом случае используют достоверную информацию, полученную в предшествующий момент времени, либо используют среднее значение i -го параметра.

2) Алгоритм основан на определении скорости изменения i -го параметра и проверки условия :

A ≤ Xi ≤ B

Х i =dX i (t)/dt

dX i (t )/ dt =(X i (k )- X i (k -1))/ T 0 , где T – период опроса, T=dt

3) Алгоритм аппаратного резервирования – алгоритм контроля информации, с помощью которого выявляются частичные отказы, основанные на использовании информационной избыточности. Избыточность может быть получена путем резервирования информационно – измерительных каналов (аппаратная избыточность), или путем определения некоторых параметров с помощью прямого измерения, так и путем расчетов через другие параметры.

Аппаратная избыточность – признак отказа, нарушение условия - | X i - ­ X ­| < C , где

‌Х­ – это среднее значение по всем измерительным преобразованием

X i – значение, полученное от i измерительного преобразования

С – наибольшее допустимое значение модуля разности (2-3 от средне квадратичной погрешности изменения преобразования)

4) Уравнение материального баланса имеет вид: f ( x 1 , x 2 , …. x n )=0. Уравнение выполняется лишь в том случае, если значения параметров x 1 , x 2 , …. x n соответствуют истинным значениям. Если параметры изменяются с погрешностью , имеем . При подстановке значений , получим . Если , то информация считается недостоверной.

X - измеряемая величина,

Y - установившийся сигнал

y = f (x ) -статическая характеристика датчика.

Под аналитической градуировкой датчика (АГД) понимают определение (восстановление) измеряемой величины по сигналу, снимаемому с датчика (преобразователя).

, где x ^ - оценка измеряемой величины, полученная по сигналу, снимаемому с датчика; f -1 – обратная функция y = f (x ).

Если градуировочная характеристика измерительного преобразования задана аналитически, то АГД сводится к реализации вычислительной операции.

Если статическая характеристика датчика линейная: y = ax + b , то аналитическая градуировка сводится к реализации вычислительных операций, то есть к формуле =(y - b )/ a .

В этом случае аналитическая градуировка датчика выражается в масштабировании. Однако большинство промышленных датчиков (преобразователей) имеют нелинейную статическую характеристику, которая часто определяется экспериментально и представляется в виде графика или градуировочной таблицы (для этого используют паспортные данные). При табличном представлении градуировочной характеристики применяют способ АГД, заключающийся в аппроксимации градуировочной характеристики аналитическим выражением. Одним их наиболее распространенных методов аналитической градуировки является аппроксимация при помощи степенных полиномов:

где - коэффициенты, которые должны быть численно определены;

n – степень полинома.

Используя эту формулу, возникает ряд задач:

1. Выбор критерия, по которому определяется коэффициенты a j ;

2. Определение степени полиномов (n ), обеспечивающие требуемую точность аппроксимации.

В зависимости от критерия, используемого для аппроксимации, различают следующие полиномы:

1. Полиномы наилучшего равномерного приближения (НРП).

Критерием определения коэффициентов данных полиномов выступает требование обеспечения заданной точности в любой точке диапазона работы датчика. Для аппроксимации данного полинома необходимо минимизировать линейную форму, для чего используются методы линейного программирования (решение задачи оптимизации). Линейное программирование – раздел математики, в которых рассматриваются методы определения экстремума линейного критерия при линейных ограничениях. Наиболее распространенный метод линейного программирования – симплекс метод (метод последовательно улучшения плана). Недостатком полинома НРП является сложность определения коэффициентов, то есть необходимость решения задачи линейного программирования.

2. Асимптотические полиномы.

Достоинством является возможность предварительной оценки степени полинома до расчёта коэффициента. Расчёт коэффициентов базируется на градуируемой таблице. Приведем фрагмент этой таблицы:

a≤y≤b

x 0 , x 1 , x 2 – значения измеряемого параметра, соответствующие y 0 , y 1 , y 2

3. Регрессионные полиномы используются для АГД нестандартных датчиков. В качестве критерия определения коэффициентов принимается величина среднеквадратической погрешности аппроксимации в диапазоне изменения измеряемой величины: (минимизируется сумма квадратов ошибок)

Для определения коэффициентов полинома используется метод наименьших квадратов, при котором минимизируется критерий и решается система уравнений:

dI (..)/ da 0=0

…..

dI (..)/ dan =0

Сравнивая разные полиномы можно сделать вывод: регрессионные полиномы дают наименьшую среднеквадратичную ошибку. Полиномы НРП дают минимум максимальной ошибки, а асимптотические занимают промежуточное положение между ними.

Применение интерполяции и экстраполяции при контроле параметров и показателей

Процесс получения инфо о непрерывно-изменяющихся величинах в АСУ ТП происходит дискретно во времени, поэтому возникает задача восстановления значений измеряемых величин в моменты времени, несовпадающие с моментами замеров.

Для управления, когда необходимо знать значение измеряемой величины в текущий или будущий момент времени используется метод экстраполяции значения величины, полученной в предшествующий момент времени.

Для анализа работы производства и вычисления технико-экономических показателей необходимо определить значение величин в предшествующие моменты времени, в этом случае используются методы интерполяции.

В большинстве случаев экстраполяцию осуществляют ступенчатым методом. При ступенчатой экстраполяции о значении измеряемой величины в любой текущий момент времени судят по измеренному значению величины последней токи замера. Погрешность ступенчатой экстраполяции: ,

где - автокорреляционная функция (устанавливает степень связи);

T 0 - период опроса датчик а;

Погрешность измерительного преобразования.

Таким образом, погрешность ступенчатой экстраполяции зависит от статических свойств измеряемой величины, периода опроса и погрешности измерительного канала, что необходимо учитывать при выборе периода опроса.

Для интерполяции чаще всего применяется кусочно-линейная аппроксимация, которая проводится по двум точкам с использованием следующей формулы:

Менее точной является ступенчатая интерполяция.

Учёт динамический связей

Наличие инерционного датчика может существенно исказить частотный состав измеряемого сигнала, например, при измерении температуры в печах применяют массивные чехлы для защиты термопар от механических повреждений, что вызывает значительную динамическую погрешность.

Если принять статический коэффициент передачи инерционного датчика равный единице, то есть при , то необходимо учитывать следующую связь: , т.е. в текущий момент времени на выходе датчика формируется сигнал несущий информацию о значении параметра в предшествующий момент времени, т.е. в момент времени .

2. Алгоритмы вторичной обработки информации

К основным операциям вторичной обработки относят:

· определение интегральных и средних значений величин и показателей;

· определение скорости изменения величины и показателей;

· определение величин и показателей, неизмеряемых прямым методом (косвенное измерение);

· прогнозирование значений величин;

· определение статических характеристик, величин и показателей.

Применяются для управления и анализа работы. Большое значение имеет определение суммарных количеств вещества или энергии, получаемых в производстве за определенный интервал времени. Примерами являются расходы электроэнергии, топлива за час, смену, сутки и так далее. Этим же целям служит определение средних значений измеряемых величин, являющихся режимными показателями (среднее время, среднее давление и т.д.)

Рассмотрим методы дискретного интегрирования, непрерывно изменяющейся во времени измеряемой величины. Далее приведены численные методы интегрирования.

1. Метод прямоугольников.

Суть метода состоит в замене реализации x(t ) её ступенчатой экстраполяцией за время t .

, , где - период опроса датчика.

В представленном виде алгоритм интегрирования используется редко, для его реализации требуется запоминать все значения . На практике используется рекуррентная формула:

2. Метод трапеций.

Более точным является метод трапеции. Рекуррентная формула: .

Погрешность метода трапеции меньше погрешности метода прямоугольников на величину:

.

Как показывают расчеты приблизительно на 10% уменьшается погрешность дискретного интегрирования при переходе от метода прямоугольника к методу трапеции при n >10, когда существеннее влияние на результат расчета оказывают кратные числа, следовательно, на практике в большинстве случаев используют метод прямоугольников, как более простой и экономичный.

Среднее значение определяется через интегральное: , где

Время интегрирования.

Дифференцирование дискретно – измеряемых величин. Для анализа хода технологического процесса весьма важным является определение не только численных значений параметров, но и тенденция их применения в текущий момент времени (увеличивается параметр или уменьшается). В этом случаи необходимо определять скорость изменения параметра, то есть осуществлять дифференцирование.

Производная от ошибки необходимо определять и при реализации регулятора, например с ПД, ПИД звеньями.

Наиболее простой алгоритм дискретного дифференцирования основан на использовании следующей функции: , где Т 0 – период опроса датчика.

3. Алгоритмы прогнозирования значений величин и показателей

Для расчета прогнозируемых значения необходимо построить математическую модель временного ряда. В практике краткосрочного прогнозирования наибольшее распространение получили модель авторегрессии и полиномиальная модель.

Модель авторегрессии имеет вид: , где а – коэффициенты, р – порядок. Расчет прогнозируемых значений проводится по формуле: , где - измеренные или прогнозируемые значения временного ряда в моменты времени t =(n - k + l ) To .

Данный алгоритм прост в реализации, но его недостатком является низкая точность, так как результаты а(к) не уточняются по результатам прогноза. Этого недостатка лишен метод полиномиальной модели: , где n - номер текущего шага, l - число шагов прогноза.

Оценка параметров этой модели а уточняется по мере поступления каждого нового значения временного ряда. Для этих целей используется экспоненциальные средние различного порядка.

1 порядка: Z 1 (j )=γ y (j )+(1-γ) Z 1 (j -1)

2 порядка: Z 2 (j )=γ Z 1 (j )+(1-γ) Z 2 (j -2)

… …

r порядка: Z N (j )=γ Z r -1 (j )+(1-γ) Z r (j -1), где - параметр настройки прогнозирования.

Выбор данного параметра основывается на следующих свойствах: если желательно чтобы прогноз базировался на последних значениях временного ряда, то следует выбирать значение , близкое к 1. Если необходимо учитывать и предыдущие значения временного ряда, то необходимо уменьшать.

Расчет коэффициентов осуществляется по формуле для модели 1 порядка:

Расчет коэффициентов осуществляется по формуле для модели 2 порядка:

Коэффициенты в полиномиальном законе рассчитываются через модели 1 и 2 порядка; модели высшего порядка применяются редко, т.к. качество прогноза растет незначительно.

Определение статистических показателей измеряемых величин

Знание статистических характеристик необходимо для оценки качества выпускаемой продукции и определения момента нарушения хода ТП. В этом случае меняются значения статистических характеристик измеряемых величин. Особенностью определения lfyys [ характеристик является использование рекуррентных формул.

Математическое ожидание (1 – не рекуррентная формула, 2 – рекуррентная формула)

Дисперсия (1 – не рекуррентная формула, 2 – рекуррентная формула)

4. Алгоритмы контроля

Понятие контроль более широкое понятие и включает в себя измерение величин и показателей и сравнение их с допустимыми пределами.

Рассмотрим общие и частные постановки задачи определения величин и показателей.

Общая постановка:

Задана совокупность величин и показателей, которые необходимо определить в объекте контроля. Указана требуемая точность их оценки. Имеется совокупность датчиков, которые установлены или могут быть установлены на автоматизированном объекте. Требуется для каждого отдельного показателя найти группу датчиков, частоту их опроса и алгоритмы обработки, получаемых от них сигналов. В результате чего значение этой величины определилось бы с требуемой точностью.

Точность оценки искомой величины определяется точностью работы измерительных цепей (датчика, преобразователя), частотой их опроса и точностью вычислительной переработки измерительных сигналов в искомую величину.

Частные постановки:

1. Определение текущего значения величины непосредственно измерением автоматическим прибором или датчиком.

- когда требуемая точность измерения намного меньше точности датчика с преобразователя;

- когда требуемая точность измерения больше точности датчика или преобразователя.

Второй случай является более общим. Для контроля необходимо найти такие алгоритмы преобразования сигнала датчика, которые бы увеличили точность до требуемого значения. Для этого необходимо произвести анализ существующей погрешности и выявить отдельные ее составляющие, а затем их скомпенсировать, путем использования специальных алгоритмов.

В зависимости от причин возникновения погрешностей применяют следующие алгоритмы, уменьшающие погрешность:

Аналитическая градуировка датчиков.

Если погрешность вызвана нелинейностью статической характеристики датчика.

Фильтрация сигнала от помех.

Если внутри объекта или датчика существует источник значительной помехи, который накладывается на полезный сигнал.

Экстраполяция и интерполяция

Если значительная погрешность оценки величины вызвана большим значением периода опроса.

Коррекция динамической погрешности датчика

Если датчик представляет собой инерционное звено, а измеряемая величина меняется во времени со значительной скоростью.

2. Определение значения величины, вычисляемой по измеренным датчиком сигналам.

Например, оценка суммарного значения, среднего значения, скорости и т. д. В этом случае необходимо выбрать рациональные алгоритмы переработки измеряемого сигнала.

Кроме того здесь не исключено применение алгоритмов АГД, фильтрации и т. д.

Данная задача наиболее сложна в тех случаях, когда не известен характер связи между измеряемыми сигналами и искомой величиной (косвенное измерение). В этом случае необходимо произвести анализ уравнений материального и теплового баланса, которые позволяют выявить эту связь или использовать регрессионный анализ.

Определение периода опроса датчиков измеряемых величин

Период опроса существенно влияет на точность контроля. Рассмотрим способ определения периода опроса, основанный на определении автокорреляционной функции.

Пусть задана среднеквадратичная погрешность . Определение величины x (t ). Требуется найти интервал времени T 0 между замерами, при которых погрешность определение величины не превышало бы заданного значения. Методика основана на зависимости ошибки и автокорреляционной функции:

где- автокорреляционная функция.

,

где n - объем выборки, по которой определяется автокорреляционная функция.

Сущность методики состоит в следующем:

1. Осуществляется съем данных с произвольным периодом опроса T 0 (как можно меньше). Число точек опроса: 30-50. Полученные данные заносятся в таблицу:

;

, , где i – номер строки таблицы, k – номер столбца.

.

2. Строится график зависимости ошибки от периода опроса.

3. По значению по графику определяется значение .

Значение периодов опроса датчиков, используемых на практике.

· Расход: 0.1 – 2с.

· Уровень: ≈5с.

· Давление: 0.5 – 10с.

· Температура: 5 – 30с.

· Концентрация: ≈20с.

Виды контроля

Общей функцией автоматического контроля является фиксация хода технологического процесса во времени и непрерывное (периодическое) сравнение параметров процесса с заданными.

Различают следующие виды контроля:

1. Контроль технологических процессов в нормальном режиме.

2.

3.

4.

5. Контроль включения / выключения оборудования.

6. Контроль производительности оборудования.

7.

Основная операция контроля состоит в том, что для каждого контролируемого параметра x (t i ) в момент времени t необходимо проверять выполнение условия: , где - число параметров, m i – нижний допустимый предел изменения i -го параметра, M i – верхний допустимый предел.

Все контролируемые параметры можно разбить на три группы:

1. Параметры, требующие непрерывного контроля.

2. Параметры, нуждающиеся в периодическом контроле.

3. Свободные показатели процесса.

Непрерывный контроль из-за дискретного характера процесса измерения в автоматических системах осуществить невозможно, так как встает вопрос о шаге дискретизации (период опроса).

Этот шаг должен выбираться из условия: .

Чтобы максимум изменения параметра на отрезке времени t 0 не превышало некоторой заданной положительной величины . С учетом этого условия непрерывного контроля сводится к проверке неравенства: .

К параметрам, нуждающимся в периодическом контроле относятся такие параметры, для которых в некоторый момент времени допустим выход за установленные пределы. Для таких параметров на ;

- начало отсчета времени.

Свободные показатели процесса – это некоторые функции параметров, которые необходимо контролировать: , . Обычно на практике свободные показатели требуют периодического контроля.

Контроль технологического процесса в нормальном режиме.

В зависимости от того к какой группе принадлежит технологический параметр проводится соответствующий контроль (непрерывный либо периодический).

В случае выхода за установленные пределы фиксируется время, номер параметра или соотношения, предел которого был нарушен и величина отклонения от предела со знаком «-». Кроме того оператор, ведущий процесс, должен иметь возможность проконтролировать текущее значение любого технологического параметра. Такой вид контроля называется контролем по запросу. Таким образом, контроль технологии в нормальном режиме сводится к определению значения величин и сравнению их величин с заранее установленными величинами (пределами).

Контроль качества выпускаемой продукции.

Данный вид контроля осуществляется теми же методами, однако в большинстве случаев показатели качества нуждаются в периодическом контроле.

Контроль процесса при выходе его на номинальный уровень мощности.

Основная задача состоит в обеспечение безопасности, поэтому предельные значения могут отличатся от предельного значения в нормальном режиме. Для этих целей используется специальная подпрограмма.

Контроль исправности оборудования.

При выходе их строя оборудования предусматривается ручное или автоматическое включение резервного оборудования.

Контроль включения/выключения оборудования осуществляется по дискретным сигналам, характеризующим текущее состояния оборудования. Например, при заполнении резервуара, он отключается и подключает пустые резервуары.

Контроль производительности оборудования осуществляется на основе технико - экономических показателей.

Контроль над процессом в аварийных режимах.

Предусматривается автоматическая сигнализация, защита и блокировка. Возможно распознавание аварийных ситуаций и автоматический вывод из такой ситуации.

Современная информационная система практически любого производственного процесса представляет собой машинный комплекс, имеющий сложное строение. Для достаточно полного (понятного) описания таких ИС необходимо отразить все ее внутреннее состояние в нескольких "разрезах". Такими "разрезами" являются: функциональная структура, математическое, информационное, техническое, организационное и кадровое обеспечения.

Функциональная структура. Функциональная структура информационной системы представляет собой перечень реализуемых ею функций (задач) и отражает их соподчиненность.

Под функцией ИС понимается круг действия ИС, направленных на достижение частной цели управления.

В свою очередь, различают: информационные функции централизованного контроля и функции вычислительных и логических операций. Информационные функции обязательно должны включать (Рис. 2):

Рис. 2. Функциональная структура информационной системы

1. Измерение, отображение и регистрацию значений параметров;

2. Обнаружение отклонений параметров от установленных пределов, их регистрацию и отображение;

3. Контроль за работой комплекса технических средств ИС;

4. Подготовку и обмен информацией с другими системами.

Управляющие функции должны включать:

5. Определение рационального режима производственного процесса;

6. Формирование и передачу управляющих воздействий на управляемый объект.

Математическое обеспечение. Математическое обеспечение (МО) состоит из алгоритмического и программного обеспечений (Рис. 3).

Рис. 3. Математическое обеспечение информационной системы

Алгоритмическое обеспечение (АО) - это совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, используемых в системе для решения задач и обработки информации.

Программное обеспечение (ПО) подразделяется на общее и специальное ПО.

Общее программное обеспечение (ОПО) - это машинно-ориентированное ПО. Оно реализовано в виде операционной системы, которая управляет работой УВК (супервизор, монитор), тестовых программ и системы программирования, автоматизирующей процесс написания и отладки прикладных программ на языках высокого уровня.

Специальное программное обеспечение (СПО) является проблемно-ориентированным и реализуются в виде комплекса программ решения конкретных задач ИС. Оно подразделяется на общесистемное и прикладное программное обеспечения.

Информационное обеспечение. Информационное обеспечение (ИО) - это совокупность средств и методов построения информационной базы. Оно определяет способы и формы отображения состояния объекта управления в виде данных (внутри УВК), документов, графиков и сигналов (вне УВК).

Информационное обеспечение состоит из внешнего и внутреннего ИО (Рис. 4):

Рис. 4. Информационное обеспечение ИС

Внешнее ИО содержит правила классификации и кодирования, нормативно-справочную информацию, оперативную информацию, методические и инструктивные материалы.

Внутреннее ИО состоит из входных сигналов и данных, промежуточных информационных массивов, выходных сигналов и документов.

Техническое обеспечение. Техническое обеспечение или комплекс технических средств (КТС), ИС которого состоит из средств: получения, преобразования, передачи и отображения информации, вычислительной техники, локального управления и регулирования.

Организационное обеспечение. Организационное обеспечение - это совокупность средств и методов организации производства и управления им в условиях внедрения ИС.

Целью организационного обеспечения является:

· выбор и постановка задач управления;

· анализ системы управления и путей ее совершенствования;

· разработка решений по организации взаимодействия ИС и персонала;

· внедрение задач управления.

Организационное обеспечение включает в себя методики проведения работ, требования к оформлению документов, должностные инструкции и т.д.

Кадровое обеспечение. Кадровое обеспечение - это совокупность методов и средств по организации и проведению обучения персонала приемам работы с ИС. Целью кадрового обеспечения является поддержание работоспособности ИС и возможности дальнейшего ее развития. Кадровое обеспечение включает методики обучения, программы курсов и практических занятий, технические средства обучения и правила работы с ними и т.д.