Лекции по Информационным технологиям в металлургии

Конспект лекций

по курсу «Информационные технологии в металлургии»





























					









































Введение.

Понятие об информатике, ее предмете и задачи.

Современный этап развития человеческого общества – это эпоха постиндустриального информационного общества. Если на предыдущих этапах развития прогресс общества зависел от развития производственных сил, то это означало развитие средств производства в промышленности, сельском хозяйстве и других сферах экономики. Предыдущий этап развития общества – индустриальный.

Для постиндустриального общества главным ресурсом становится информационные технологии. Таким образом, развитие информационных технологий впрямую определяет развитие общества. Экономические затраты общества на развитие информационных технологий растут гораздо высокими темпами, чем затраты на развитие промышленных технологий. Развитие промышленных технологий становится практически невозможным без информационных технологий. Объем информации, сопровождающий промышленное производство растет быстрыми темпами.

Информационный поток, сопровождающий технологический процесс, постоянно усиливается, а человеческие возможности по обработке этой информации ограничены. Таким образом, для обработки большого количества информации в единицу времени, для систематизации, анализа данных и подготовки принятия решения по управлению технологическим объектом у человека остается все меньше времени. Ошибки, связанные с управлением технологическими процессами, становятся более дорогими, так как растет мощность оборудования и т.д.

Часть задач по управлению технологическим объектом, связана со сбором информации, ее обработкой, хранением, принятием решения, переходит к информационным системам.

Информационные системы используют информационные технологии для  обработки информации в технологических процессах, подготовки принятия решения по управлению этими процессами.

Информационные системы – это человеко-машинные системы. Элементом таких систем является лицо, принимающее решение (ЛПР). ЛПР, в конечном счете,   определяет, какие управляющие воздействия в данный момент должны быть предприняты для управления технологическими процессами. ЛПР – это человек, ведущий технологический процесс. В зависимости от масштаба технологической системы, это может быть сменный оператор, ведущий процесс, старший плавильщик, начальник цеха, главный инженер и т.д.

Задача информационной системы – на основе информации о технологическом процессе подготовить необходимые данные для принятия решения.

Ядром информационной системы является компьютер, как устройство по обработке информации. Сама обработка информации подразумевает, что информационная система является совокупностью аппаратных средств и программного обеспечения.

Информационная система – это искусственно созданная человеком взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемая для получения, хранения, обработки и выдачи информации в интересах поставленной цели.

Цель информационной системы – управление технологическим объектом.

Развитие информационных систем, первоначально, осуществлялась на тех направлениях, которые требовали обработки больших объемов информации за короткое время. В первую очередь, внедрялись там, где ошибки, связанные  с процессом управления, приводили к большим экономическим и другим потерям.

На первом этапе развития информационные системы были очень дороги и по этой причине применялись не везде, а только там, где их применение было экономически оправдано.

Развитие компьютерной технологии и информационных технологий осуществляется очень быстро, поэтому стоимость средств обработки информации, приходящееся на единицу информации, быстро снижается. Таким образом, применение информационных систем становится экономически оправдано и на технологических переделах цветной металлургии. В последние 3-5 лет происходит очень активное вытеснение предыдущих поколений средств автоматизации и переход к использованию информационных систем для управления всеми переделами цветной металлургии.

Инженер – технолог реально принимает участие в управлении технологическим процессом в качестве элемента информационной системы как ЛПР.

Основные процессы в информационной системе следующие:

Сбор, первичная обработка и оценка достоверности информации.

Источником информации о технологическом процессе служат датчики физических величин, расположенные на технологическом объекте. Они измеряют физические величины: температуру, давление, массовый расход, объемный расход. Помимо датчиков физических величин информация о процессе – это результат химических или иных анализов сырья и полученных продуктов.

Преобразование информации.

Источники информации (датчики) выдают информацию в различном виде: аналоговом или цифровом (если температура измеряется термометром сопротивления, то информация о температуре опосредована, датчик измеряет температуру, а результат измерения – сопротивление – аналоговая величина). Устройства обработки информации – компьютеры – дискретные устройства, способны обрабатывать цифровую, дискретную информацию. Таким образом, необходимо преобразование информации из аналоговой формы в цифровую – аналого-цифровое преобразование (АЦП).

Передача информации в пункт хранения.

Хранение собранной информации – самостоятельная задача информационной системы.

Выдача информации ЛПР в наиболее удобной для восприятия форме.

Компьютерная (модельная) поддержка принятия решения.

Информационная система должна на основе собранной информации  и имеющейся модели технологического объекта, определить оптимальное управляющее воздействие и выдать их ЛПР. Решение на управление технологическим объектом остается за ЛПР.

Различают 2 типа информационных систем: 

Фактографические

Документальные

В фактографических системах образуются факты, конкретные значения данных об объекте.

В документальных системах оперируют с не структурируемыми данными (тексты). Цель такой информационной системы – выдача информации, соответствующей определенному запросу пользователя такой системы. Например, поисковые системы в Интернете.



Информационная структура предприятия.

Информационная структура – иерархическая структура, в ней можно выделить 5 уровней. В основе всей структуры технологический объект:



MRP (Manufacture Resource Planning) – планирование ресурсов производства.

MES (Manufacture Execution System) – система исполнительного производства.

SCADA (Supervisory Control Data Acquisition) – диспетчерское управление.

Control – локальное управление.

Input/Output – ввод/вывод.









Целью информационной структуры предприятия является информационное обеспечение технологического процесса, прямое технологическое управление.

Информационные технологии – система методов и способов сбора, накопления, поиска, хранения, обработки и передачи информации на основе применения средств вычислительной техники. Информационные технологии являются аналогами материального производства.

Материальное производство			 Информационная технология



Информационная технология

Данные

Информационный продукт		

Технологический процесс

Сырьё

Продукт

		  

















В качестве данных информационной технологии используют различные виды исходной информации. На уровне АСУТП такими данными являются характеристики работы технологического объекта, которым мы управляем. Эти данные содержат сведения о химическом составе, массовых процентах поступающего сырья, это величины, характеризующие режим работы аппарата, его состояние.

При управлении технологическим объектом с помощью АСУТП информационным продуктом являются те параметры, те характеристики технологического объекта, которые являются управляющими воздействиями и поддерживается на технологическом объекте с помощью регулятора.

Для более высоких уровней, входящих в АСУ предприятия в качестве исходных данных фигурируют другие показатели технологического процесса (количество продукта, масса металла, извлечение по технологии и т.д.).

Задача этих уровней информационной структуры – планирование работы предприятия для оптимального использования имеющихся ресурсов.

Информационный продукт этих двух уровней означает план работы предприятия.

По типу данных различают несколько типовых информационных технологий.



Тип данных

Числовые

Текст

Графика

Знания

Объекты реального мира

Тип информаци-онных технологий

●Языки программ-мирования

●Табличные процессоры

●СУБД (системы управления базами данных)

●Текстовые процессоры

●Графичес-кие процессоры

●Эксперт-ные системы

●Мультиме-дия



В отличие от фактов, знания представляют собой совокупность закономерностей, правил, объединяющих следующие факты. Таким образом, для обработки знаний требуются специфические информационные технологии, способные логически обрабатывать имеющиеся закономерности и выводить из них, на основе логической обработки, новые закономерности, т.е. знания. Такие системы носят название экспертных систем. Они используют методы искусственного интеллекта.

Различные виды данных, различные виды информационных технологий требуют создание интегрируемой среды – это означает, что комплексные программы, относящиеся к различным информационным технологиям, должны работать так, чтобы можно было использовать результаты обработки их, полученных другими типами информационных технологий. Интегрированная среда предполагает, что существует средство обмена информации между различными видами технологии.



Основные задачи информационных технологий для управления технологическими процессами.

Информационные технологии сбора и обработки информации. Технологический процесс, которым мы управляем с помощью АСУТП является источником информации, на основе которого в АСУТП вырабатываются управляющие воздействия в соответствии с выбранным объектом, и эти процессы в последующем организуются на объекте.

АСУТП осуществляет следующие основные функции:

1. Информационные функции.

Это сбор и обработка информации по состоянию технологического объекта. С этой целью на технологическом объекте устанавливаются датчики физических величин (массовых и объемных расходов, температур, давлений, скоростей, составов). Помимо опросов датчиков и считывания результатов, в АСУТП осуществляется обработка поступающей информации. В результате измерения составов и масс полученных продуктов рассчитывается извлечение.

2. Управляющая функция.

Регулирование – стабилизация технологических параметров, т.е. поддерживание их заданных значений (например, путём изменения расхода топлива поддерживается температура печи).

Программное управление – значение технологического параметра поддерживается таким образом, чтобы обеспечить выбранный закон изменения регулируемой величины.

Логическое управление – изменяется параметр управления в соответствии с определёнными логическими правилами.

Оптимальное управление – для осуществления оптимального управления предварительно необходимо решить оптимизационную задачу, выработать оптимальную величину воздействий и поддерживать эти величины с помощью регуляторов. Для реализации такого управления в АСУТП должна быть модель технологического процесса.

3. Вспомогательные функции.

АСУТП является ответственной системой. Сбои в работе АСУТП означают потерю контроля над управляемым процессом. АСУТП должна обладать высокой надёжностью. Для обеспечения надёжности служат вспомогательные функции, которые обеспечивают контроль технологических и программных средств АСУТП.

К АСУТП относятся три нижних уровня информационной структуры.

Input/Output – непосредственно взаимодействует с объектом. Его задачи:

Сбор информации с объекта.

Результаты этих величин передаются на следующий уровень Control.

Функция Output предполагает, что с уровня Control на технологический объект передаются управляющие воздействия. Для этого технологический объект снабжают исполнительными механизмами. Назначение его – воздействие на регулирующий орган. Исполнительные механизмы могут быть электрическими, электромагнит-ными, пневматическими, гидравлическими.

Уровень Control. Основная задача – непосредственное управление технологи-ческими параметрами. Для этого АСУТП имеет соответствующие аппаратные и программные средства (программируемые логические контроллеры – ПЛК (PLC)). ПЛК представляет собой специализированную ЭВМ или промышленный компьютер. Программное обеспечение этого уровня позволяет организовывать с помощью ПЛК  локальные регуляторы, каждый из которых воспринимает информацию с датчика физической величины, вычисляет управляющее воздействие и передаёт исполнительным механизмам соответствующий сигнал, который превращается в положение регулирующего органа.

Уставка регулятора – то значение величины, которое необходимо поддер-живать с помощью регулятора. Значение уставки выбирается на уровне SCADA.

Уровень SCADA – уровень диспетчерского управления. Получает информацию о технологическом процессе с нижних уровней информационной структуры (Input/Output и Control). Основная задача уровня SCADA – диспетчерское управление технологическим процессом. Для этого в составе SCADA систем имеется ряд специфических средств:

Средство, позволяющее представить технологический объект наиболее наглядно. Чаще всего в составе SCADA систем имеется мнемосхема, на ней в соответствующих точках выводится в реальном времени текущие значения технологических параметров.

Модельная система поддержки принятия решений (МСППР). Задача её: на базе математической модели  технологического процесса отыскать оптимальное управляющее воздействие, которое за тем превращается в уставки локальных регуляторов.

Таким образом, SCADA система с уровня Control получает информацию о текущих значениях технологических параметров. Далее информация обрабатывается на основе математической модели, вычисляются уставки регуляторов и уставки возвращаются в локальные регуляторы.

В составе SCADA есть другие компоненты, позволяющие в частности, архивировать данные о технологическом процессе. Эти архивные данные по запросу персонала выдаются в графическом виде зависимости измеряемой величины от времени. Такие графики носят название тренд. Они позволяют оценить динамику изменения состояния технологического процесса во времени.

АСУТП содержит 1-е три уровня информационной системы.

SCADA система выдаёт информацию на более высокие уровни информационной структуры предприятия.

Уровень MES – уровень исполнения производства получает информацию от SCADA системы. Информация обобщённая. Уровень SCADA позволяет управлять отдельным технологическим аппаратом или отдельной технологической операцией. На уровне MES собирается информация с многих SCADA систем. В информации не содержится сведений о локальных параметрах технологических процессов (например, суточное количество перерабатываемой шихты, часовой расход энергии, средний состав шихты и др.). на основе этой информации на уровне MES рассчитываются материальные и энергетические балансы, характеризующие всю технологическую схему. На этом же уровне формируются плановые  задания для SCADA систем.

Наиболее высокий уровень – MRP – решение стратегических задач развития предприятий. Анализ результатов работы предприятия за относительно долгосрочный период (квартал, полугодие, год). Определяются критические точки технологии, а так же технические и экономические решения, которые позволяют оптимизировать работу предприятия в целом.

При построении АСУТП используется системный подход. В данном случае эта концепция предполагает:

нормализацию данных;

стандартизацию форм обмена информацией;

гибкие средства, позволяющие объединить различные аппаратные и программные части АСУТП.

Неотъемлемой частью АСУТП является устройство сопряжения с объектом (УСО). УСО соответствует уровню Input/Output информационной системы.

Задача: создать АСУТП, позволяющую управлять процессом плавки.

TE – термопара.

QE – количество шихты.

FE – датчик подачи топлива и дутья.

В составе УСО есть два модуля: модуль ввода (МВВ) и модуль вывода.

Нормализация данных.

Датчики физических величин преображают измеренную величину в определённый вид сигнала, чаще всего это электронный сигнал. Информация об измеренной величине в таком сигнале присутствует в аналоговой форме: это либо напряжение, либо ток. Датчики разрабатываются в соответствии с существующими стандартами ГСП. В рамках ГСП существуют унифицированные сигналы: 0…2В, 0…10В, -10…10В, – сигналы напряжения, – 0…20мА, 2…20мА, – сигналы тока.

Программируемые логические контроллеры, входящие в состав АСУТП – это цифровые электрические машины. Т.о. возникает ещё одна задача: преобразование аналоговой величины в цифровую форму. Для этого существуют модули аналого-цифрового преобразования (АЦП) и наоборот ЦАП – цифро-аналоговое преобразование.

УСО обеспечивает так же:

гальваническую развязку;

фильтрацию сигналов, передаваемых от датчиков контроллеру.

УСО является неотъемлемой частью АСУТП, соответствует уровню Input/Output.



Технологии хранения информации.

По мере развития технологических процессов в металлургии информационный поток, сопровождающий технологический процесс, усиливается.

Для оценки состояния технологического процесса необходимо иметь возможность проследить за длительный период времени того или иного параметра. Следовательно, возникает необходимость хранить результаты измерений в течение довольно длительного времени. В совокупности получается большой массив информации.

С другой стороны, эта информация должна быть доступна, т.е. любой элемент информации может быть из массива извлечён за приемлемое время. Технология хранения информации основана на применении баз данных (БД).

БД представляет собой упорядоченный массив информации. Для создания и работы с БД служит специальные программные средства, называемые системы управления БД (СУБД). В составе информационной системы для управления технологическим объектом обязательно существует БД и СУБД.

Основные задачи, решаемые использованием СУБД:

создание БД, формирование её логической структуры;

наполнение БД, т.е. размещение в БД необходимой информации;

редактирование информации, содержащейся в БД;

поиск необходимой информации в БД;

формирование отчётов.



Модельные системы поддержки принятия решений (МСППР).

Сами информационные системы для управления технологическими процессами появились относительно недавно.

МСППР появились в начале 70-х гг., особенно развивались в 80-е гг. благодаря развитию методов моделирования и применения компьютеров для управления технологическими процессами. Основная задача МСППР – обработка информации и помощь ЛПР. Основное направление МСППР – выработка решений по управлению технологическими процессами в плохо структурированных задачах.

Хорошо структурированные задачи управления – кода поведение объекта достаточно хорошо известно, т.е. хорошо известна внутренняя структура объекта управляемого объекта, известны элементы и связи между объектами. Хорошо структурированная система – детерминированная система.

С другой стороны достаточно много технологических объектов, которые можно отнести к классу плохо структурированных, их внутренние связи и элементы изучены недостаточно. Управление такими объектами в существенной степени зависит от опыта и интуиции персонала.

В состав МСППР входят следующие необходимые компоненты:

БД о процессе (составы, режимы).

Базы моделей.

Человеко-машинный интерфейс – обращается к БД и базам моделей для поиска информации и выработки решений.



Технология экспертных систем (ТЭС).

ТЭС служит для обработки информации о процессах и использует методы искусственного интеллекта. Элементами экспертных систем являются эксперты и знания.

Экспертом выступает специалист, имеющий достаточно большой опыт управления технологическим процессом.

Основная идея экспертных систем – использование опыта экспертов том случае, когда технологический процесс управляется менее квалифицированным персоналом.

Экспертная система содержит три необходимых элемента:













Эксперт, взаимодействуя с редактором базы знаний, передаёт свои знания базе знаний.

Пользователь через интерфейс пользователя общается с базой знаний.

БД хранит факты (результаты измерения составов, технологических параметров процессов и т.д.).

Знания – закономерности, связывающие факты.

МСППР и экспертные системы являются наиболее высоким уровнем информационных технологий для управления технологическими процессами. Создание таких технологий требует значительных усилий, в том числе с участием специалистов предметной области.



Архитектура современных аппаратных и программных средств.

Информационные технологии основаны на применении компьютерной техники. Т.о. необходимо иметь определённые знания, касающиеся архитектуры аппаратных и программных средств.

Компьютер – это прибор для автоматизации, создания, хранения, обработки и транспортировки информации.

Работа компьютера основана на последующем выполнении определенных операций, предписанных программой. Таким образом, использование компьютерной техники  означает использование аппаратных и программных ресурсов. С одной стороны компьютер – электронное устройство для обработки информации, но без наличия программы ничего не делает. С другой стороны, программа предписывает последовательность действий, но реализуется на определенном устройстве.

Концепция персонального компьютера (ПК) означает, что пользователь компьютера решает задачи предметной области, не обладая знаниями в области программирования и компьютерной техники, то есть без помощи дополнительного персонала.

ПК имеет три основные части:  

Процессор

Память

Периферийные устройства

Эти части ПК, будучи электронными устройствами, связаны между собой системой шин. Шина – набор электрических проводников. Назначение электрических сигналов на шине, их электрические характеристики стандартизированы. Таким образом, использование стандартной шины делает аппаратную часть компьютера открытой архитектурой, то есть в компьютерную систему, как в целостное устройство, могут объединяться три составляющих различных производчиков и изготовителей. 

Совместимость составляющих компьютера означает, что они совместимы функционально, электрически и конструктивно.

Основной узел – процессор. Его функция – исполнение программ, которые хранятся в памяти. В современных ПК процессор выполнен на одном кристалле, то есть это специализированная микросхема, такое устройство называется микропроцессором. Процессор общается с памятью, взаимодействует так же и с периферийными устройствами этот обмен осуществляется с помощью шины. Объем информации очень значительный. Для обращения к элементам информации требуется определенный адрес, который задается в виде двоичного числа. Чем больше разрядов в двоичном адресе, тем больше элементов памяти может быть задействовано. Основным свойством является разрядность шины. Большинство современных ПК используют 32-х разрядную шину.

Производительность процессора определяется числом элементарных действий в секунду, которые он способен выполнять. Таким элементарным действием может быть чтение, запись и т. д. Для каждой операции требуется определенное время. Время в компьютерной системе должно быть синхронизировано. Для выполнения элементарного действия требуется определенный квант времени – такт. Чем короче такт, тем больше операций в секунду будет выполняться.

Второй важнейшей характеристикой процессора является тактовая частота. Тактовые частоты наиболее распространенных процессоров: 1,5…3 ГГц.



Память.

Назначение памяти – хранение данных и программ.

Всю память можно разделить на две части:

Внутреннюю память

Внешнюю память



Внутренняя память выполнена на специализированных микросхемах, имеет относительно небольшой объем, но имеет высокое быстродействие. Память организована таким образом, что информация хранится в виде двоичных слов (8 разрядов), любое слово байт. Важнейшей характеристикой памяти является ее объем.

Внутренняя память компьютера делится на:

ROM (Read Only Memory)- предназначена только для чтения.

RAM (Random Access Memory) – память с произвольным доступом.

 ROM (ПЗУ – постоянные запоминающие устройства) – хранит некоторые программы, записанные на этапе изготовления компьютера, и предназначены, в основном, для запуска компьютерной системы. Объем примерно 64 Мб.

RAM (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство) – основная часть информации размещается в ОЗУ примерно 512 Мб.

ПЗУ – энергонезависимая часть памяти, там информация хранится после выключения компьютера.

В ОЗУ информация хранится в виде электрического заряда. Такой способ хранения информации обеспечивает высокое быстродействие, но является энергозависимой.



Внешняя память отличается тем, что информация хранится на физических носителях. Размещение информации на физическом носителе изменяется путём изменения свойств поверхности носителя (оптических или магнитных). Устройство для хранения информации, относящееся к внешней памяти, может использовать постоянные или сменные носители информации. На сегодня, такими устройствами хранения информации являются жёсткие магнитные диски (ЖМД), гибкие магнитные диски (ГМД), оптические (лазерные) диски (CD).

ЖМД. Носителем информации является несменный диск (5 дюймов). Размещение информации осуществляется определённым образом, для этого вся поверхность делится на концентрические дорожки. Каждая дорожка разделена на сектора. Информация записывается в нужный сектор на нужной дорожке. Запись производится магнитной головкой. Диск вращается со скоростью: 5400 об/мин (80Гб), 7200 об/мин, ок.10000 об/мин.



ГМД используют такой же принцип записи, но имеет гораздо меньший объём (1,44Мб).

На оптических носителях информации запись осуществляется изменением коэффициента отражения поверхности. Для этого воздействуют на поверхность носителя лазерным лучом. Чтение информации, записанной на такой поверхности, осуществляется с помощью лазерной головки. В остальном, работа ЖМД и CD практически одинакова.

Внешняя память в отношении хранения информации так же является энергонезависимой, т.е. записанная на поверхности носителя информация сохраняется практически бесконечно долгое время.

Флэш-память. Использует электронные методы записи информации. Предназначена для кратковременного хранения информации. В основе памяти – специализированная микросхема – до 4 Гб. Обладает двумя полезными характеристиками: приемлемый объём и достаточное быстродействие. Информация будет в порядке в течение 105 циклов записи-чтения.



Периферийные устройства.

Предназначены для ввода и вывода информации при работе с ПК.

Устройства ввода информации:

Клавиатура

Мышь

Сенсорный экран

Сканер – оптическое устройство, содержащее подвижную линейку оптических датчиков, которые механическим приводом перемещается вдоль поверхности. Он предназначен для ввода информации с бумажного листа.

Видеокамера

Цифровой фотоаппарат

Сетевые карты и другие устройства для работы с сетью

Ввод информации с внешних устройств осуществляется с небольшими скоростями, требует значительного времени по компьютерным меркам. Устройство ввода информации – одна из самых медленных систем.

Устройства вывода информации:

Монитор (LCD – жидкокристаллический дисплей)

Медиа-проектор

Сетевые карты и модемы

Аппаратные средства компьютеров разрабатываются с использованием принципов открытой архитектуры системы. Такая архитектура предполагает, что любые части компьютерной системы совместимы функционально, электрически и конструктивно. 

В процессе работы компьютерные системы обмениваются определенными электрическими сигналами. Функция совместимости означает, что устройства способны ״понимать״ друг друга, поскольку назначение любых сигналов строго стандартизировано.

Электрическая совместимость означает, что все характеристики сигналов, которыми обмениваются устройства в компьютерной системе, стандартизированы.

Конструктивная совместимость. Для объединения частей компьютерной системы используются стандартные типы электрических соединителей (разъёмы).

 Открытая архитектура позволяет использовать узлы, изготовленные самыми разными изготовителями, для сборки компьютерной системы. Открытая архитектура позволяет оптимизировать компьютерную систему в аппаратном отношении: для различных задач, выполняемых на компьютере, требуются различные характеристики компьютерной системы, например, различная производительность процессора, объём памяти, периферийные устройства, – т.о. пользователь может собрать систему для решения собственных задач.

В конструктивном отношении различают:

Desktop – настольный;

Notebook – карманный.



Архитектура программных средств.

Компьютер представляет собой единство аппаратных и программных средств.

Hardware – аппаратные средства компьютера (железо).

Компьютерная программа позволяет выполнять на одном и том же железе самые разные задачи.

Software – программное обеспечение, имеет иерархическую структуру. Существует несколько уровней программного обеспечения, на каждом уровне программа решает свои специфические задачи, взаимодействует с собой и аппаратной частью:

Базовый уровень.

Операционная система (ОС).

Прикладное программное обеспечение (ПО).

Программы базового уровня.

На этом уровне программы наиболее тесно взаимодействуют с аппаратной частью компьютера. По объёму – самые маленькие. Физически эти программы размещаются в постоянной памяти компьютера – ROM (ПЗУ). Эти программы настроены на работу с конкретными узлами компьютера. Это уровень системы BIOS (Basic Input/Output System). Чаще всего BIOS создаётся на специальной микросхеме ПЗУ. Некоторые параметры BIOS можно менять в процессе эксплуатации компьютера.

Основная функция программ этого уровня – тестирование работоспособности компьютерной системы, загрузка ОС, обеспечение взаимодействия ОС с аппаратными средствами компьютера.

Программа тестирования (PoST – Power on Self Test), являющаяся основной частью BIOS, запускается в момент включения компьютера и определяет работоспособность его основных частей: проверяется работоспособность процессора, постоянной памяти и др.

После выполнения программы PoST, управление передаётся следующей части BIOS, программе загрузчику ОС. На этом действие BIOS не заканчивается. После загрузки ОС он осуществляет взаимодействие с аппаратными средствами компьютера.

Операционная система (ОС).

ОС – это большой программный комплекс. ОС обеспечивает основные функции работы компьютера:

Управление ресурсами компьютерной системы;

Загрузка прикладного ПО;

Обеспечение работоспособности прикладных программ с аппаратной частью компьютера.

К ресурсам компьютерной системы относятся: процессорное время, объёмы внутренней и внешней памяти, периферийные устройства.

При работе компьютера выполняется, как правило, несколько задач под управлением многих программ. Т.о. важнейшей функцией ОС является организация работы этих программ на имеющемся аппаратном обеспечении.

Разместить ОС в постоянной памяти компьютера достаточно сложно, т.к. она занимает много места, поэтому программы, относящиеся к ОС, хранятся во внешней памяти: ЖМД, CD, дискете. Т.о. в процессе загрузки ОС необходимо указать, где она хранится программе загрузчику.

Без ОС невозможно исполнение программ следующего прикладного уровня. Одна из функций ОС – загрузка прикладных программ и обеспечение их работоспособности.

Прикладное программное обеспечение (ПО).

С помощью программ этого уровня непосредственно выполняются те задачи, которые решает пользователь. Т.о. работа на компьютере превращается в работу  с ПО.

Для взаимодействия с пользователем ПО имеют интерфейс – это часть ПО, которая обеспечивает ввод и вывод информации в наиболее удобном виде. Интерфейс является частью ПО. В настоящее время в ОС и в приложениях преимущественно используется графический оконный интерфейс.



Помимо такого 3-уровнего деления можно произвести классификацию компьютерных средств по выполняемым функциям:

системное ПО;

пакеты прикладных программ (ППП);

инструментальные средства.

Системное ПО – совокупность программ для обеспечения работы компьютера, в т.ч. в компьютерных сетях. Оно делится на две части:

		базовое системное ПО;

		сервисное системное ПО.



Базовое системное ПО – минимально необходимое системное обеспечение для работы компьютера.

Сервисное ПО выполняет вспомогательные функции – служебные программы (утилиты). Сервисная часть может дополнять основную часть ОС.

Работа пользователя на компьютере представляет собой взаимодействие с программой ОС и прикладными программами. Управление ОС осуществляется с помощью интерфейса ОС. Существует 2 варианта интерфейса:

командный язык ОС;

графический оконный интерфейс.

В 1-м варианте для исполнения любых действий ОС должна получить команду пользователя (DIR – просмотр, COPY – копировать, ERASE – удалить и т.д.).

В большинстве современных ОС используется графический оконный интерфейс. Для управления ОС в этом случае нет необходимости запоминания многочисленных команд. Пользователь управляет действиями ОС, используя графические изображения на экране компьютера (иконки).

Основная функция ОС – управление ресурсами компьютера. Ресурсы компьютера – время работы процессора, объёмы внутренней и внешней памяти, время работы периферийных устройств. Т.о. ОС постоянно (пока включён компьютер) следит за использованием ресурсов и распределяет их между многочисленными программами, которые в данный момент работают на компьютере. Большинство действий ОС при этом скрыто от пользователей. ОС следит за размещением информации в оперативной памяти и внешней памяти. ОС следит за использованием периферийных устройств (последовательность вывода информации на принтер, последовательность ввода информации с клавиатуры, мыши и других устройств).

Для конечного пользователя нет необходимости глубоко знать ОС, но следует знать основные функции, выполняемые задачи и возможности управления ОС.

Требования к ОС общего назначения, работающих на большинстве компьютеров, можно свести к следующему:

Расширяемость ОС. Аппаратные средства развиваются быстрее, чем сами ОС; т.к. ОС большой комплекс, то обновляется довольно редко. Т.о. расширяемость означает возможность добавления к ОС новых программ – драйверов (Driver), обеспечивающих работу новых аппаратных средств. Для обеспечения расширяемости используется модульный принцип: ОС является совокупностью частей, которые в процессе работы взаимодействуют между собой.

Переносимость. ОС не должна зависеть от аппаратных средств, т.е. возможность работы ОС на компьютере с почти любой аппаратурной конфигурацией. На одном и том же аппаратном обеспечении могут работать различные ОС.

Надёжность, отказоустойчивость. Отказ ОС означает невозможность выполнения на компьютере.

Совместимость ОС. Сами ОС непрерывно развиваются. Совместимость – возможность работы ПО, предназначенного для работы более ранних версий ОС под управлением более поздних версий (совместимость сверху – вниз).



Операционные системы (ОС).

Основная функция ОС – управление ресурсами компьютера, к ним относятся внутренняя и внешняя память, процессорное время и время работы периферийных устройств. ОС является большим по объему программным комплексом и хранится во внешней памяти на жестком магнитном диске. При включении компьютера ОС частично копируется во внутреннюю память компьютера и в процессе работы компьютера остается в этой памяти постоянно (резидентная часть).

По мере необходимости программы, входящие в эту часть ОС обращаются к жесткому магнитному диску (ЖМД) и подгружаются необходимые другие части ОС.



Управление памятью.

Внутренняя память компьютера одновременно используется самой ОС и прикладными программами. Таким образом, встает задача разделения внутренней памяти таким образом, чтобы работающие программы не мешали друг другу. Распределение внутреннего объема памяти не является постоянным. В составе ОС есть программы, отвечающие за динамическое распределение памяти между прикладными программами (диспетчеры памяти), которые являются составной частью ОС.

Управление внешней памятью. К устройствам внешней памяти относят ЖМД и оптические диски. Современные ОС используют файловые структуры. Основная идея в том, что информация на устройствах внешней памяти хранится в файлах, записях определенного формата. Файлы могут содержать как обрабатываемые данные, так и программы для их обработки. Работа с внешней памятью состоит в том, что используются программные файлы и файлы данных, необходимые для работы этих программ. С точки зрения хранения информации во внешней памяти безразлично является ли файл программой или это файл данных. ОС занимается анализом устройств внешней памяти и распределяет поверхность носителя для размещения на этой поверхности соответствующих файлов. Информацию о размещении файлов ОС ведет постоянно в виде таблицы FAT (File Allocation Table).



Процессорное время.

Работа компьютера – исполнение программы. Программа используется процессором, как последовательность программ, поступающих во времени, таким образом, если на компьютере выполняется в данный момент несколько программ, то процессорное время должно разделяться между этими программами. В процессе работы компьютера исполняется всегда несколько программ.

Для разделения времени работы процессора существуют разные алгоритмы управления процессорным временем. Общая идея сводится к последовательному выполнению программ на одном процессоре.

Таким образом, В любой ОС есть средства, позволяющие управлять одновременно внутренней и внешней памятью, процессорным временем и временем работы периферийных устройств.

Существует несколько алгоритмов управления ресурсами компьютера.

По особенностям распределения ресурсов различают следующие типы ОС:

По числу одновременно исполняемых задач.

Однозадачные

Многозадачные

В однозадачных ОС в данный момент времени может исполняться одна пользовательская задача (MS DOS).

В многозадачных ОС возможно исполнение нескольких пользовательских задач одновременно (Windows), это требует распределения между задачами процессорного времени, памяти и периферийных устройств. Для этого ОС должна иметь соответствующие возможности.

По числу одновременно работающих пользователей различают.

Однопользовательские ОС 

В этих ОС в любой момент времени может обслуживаться только один пользователь (Windows).

Многопользовательские (Unix, Linux).

Многозадачные ОС по управлению ресурсами могут быть разделены на несколько типов:

Системы пакетной обработки информации

Системы с разделением времени

Системы реального времени

Системы пакетной обработки информации.

Для исполнения нескольких задач на компьютере используют одни и те же ресурсы компьютерной системы. В режиме пакетной обработки любая задача должна выполняться от начала и до конца. Таким образом, на процессоре ОС готовит мультипрограммную смесь, в этой смеси чередуются  программы, требующие различных затрат ресурсов компьютерной системы. Есть программы, использующие большое количество процессорного времени, но малый объем памяти на ЖМД. Другие программы требуют меньше процессорного времени, но чаще обращаются к ЖМД

Путем составления такой смеси удается максимизировать пропускную способность компьютерной системы в целом. В настоящее время таких ОС не существует, потому что задачи в таких ОС не могут быть интерактивными.

Системы реального времени.

В них переход от одной задачи к другой осуществляется по сигналам прерывания, которые генерируются самой исполняемой задачей. Если ОС получает сигнал прерывания, вызванный какой-то задачей, то выполнение программы, которая происходит в данный момент, приостанавливается, результаты запоминаются, а управление передается задаче, вызвавшей прерывание. Та программа, которая выполняется в отсутствие сигнала прерывания – фоновая программа. В простейшем случае она анализирует прерывание задач. Такие ОС используются, как правило, в информационных системах АСУТП. Прерывание в таких задачах формируются тогда, когда готов результат измерения какого-то физического параметра с помощью соответствующего датчика.

В настоящее время используются несколько типов ОС, которые относятся к различным классам.

ОС семейства Windows(98, XP, 2000 и др.) – многозадачные, однопользовательские системы, ориентированные для ПК, для решения наибольшего числа задач.

ОС семейства Unix (Linux) – многозадачные и многопользовательские. И та и другая годятся для любого ПК.

Многопользовательские Unix – подобные системы содержат более развитые средства защиты пользователей.

ОС семейства OS/2,OS9 предназначены для более узкого круга задач. OS9 –  это система реального времени.

Современные ОС общего назначения используют графический – оконный интерфейс для общения с пользователем, хотя Unix может использовать и командный язык.



Оболочки операционной системы.

Для управления ОС со стороны пользователя могут использоваться два способа: командный язык и графический интерфейс.

Некоторые ОС (Unix)созданы как системы с командным интерфейсом, а некоторые (Windows) – с графическим.

Оболочка ОС является самой программой компьютера, которая работает вместе с ОС и оболочка обеспечивает удобный интерфейс для пользователя. 

Командный интерфейс означает, что пользователи должны знать все команды и ключи к этим командам. Сочетание команд и ключей образует несколько сотен.

Графический интерфейс для управления ОС интуитивно понятен пользователю и не требует запоминания многих команд ОС.

Графический интерфейс предполагает, что все действия ОС достигаются путем манипуляции на экране графическими образами.



Сетевые операционные системы.

Сетевые ОС – это часть ОС, которая работает совместно с основной частью ОС, обеспечивает возможность для пользователя работать в компьютерных сетях.

Сетевые ОС в некотором прошлом дополняли возможности ОС в части работы с сетями. ОС последующих поколений не требуют дополнительной установки компонентов, в них уже содержатся необходимые компоненты для работы с сетями.



Сервисное программное обеспечение.

Программы диагностики.

Программную диагностику аппаратной части компьютера выполняет одна из программ (POST), хранящаяся в BIOSE. Назначение этих программ – определяют быстродействие компьютерной системы, детальный текст памяти (как внутренней, так и внешней), определяют работоспособность периферии.

Программы сервисного программного обеспечения могут устанавливаться самостоятельно и запускаются по требованию пользователя.



Антивирусные программы.

Компьютерный вирус – программа, способная несанкционированно распространяться на компьютере или в сети и вызывать нелегальные действия. Последствия работы вирусов могут быть различными. В самом тяжелом случае вирус уничтожает информацию в памяти компьютера (на ЖМД). Менее вредные вирусы могут замедлить работу ОС и прикладных программ, могут выводить сообщения на мониторе и т.д.

Три типа антивирусных программ:

Фильтры

На обнаружение

На лечение

Современные антивирусные программы обладают всеми тремя типам защиты.



Программы обслуживания дисков.

По мере работы с файлом может быть такая ситуация , когда один файл записан в разных частях поверхности жесткого диска. Обращение к этому файлу становится более длительным.

Для сокращения времени обращения к файлам, для оптимизации свободного пространства на поверхности диска, служат программы обслуживания дисков – дефрагментаторы.

Архиваторы и деархиваторы.

Это специальные программы, основная задача которых сжатие файлов для их хранения или пересылки в более компактном виде. В некоторых случаях удается уменьшить объем файла в несколько раз. Не любая информация может быть сжата.



Прикладное программное обеспечение.

ПК предполагает, что он должен использоваться в качестве инструмента для решения задач из предметной области пользователей. Предполагается, что пользователь не является программистом и имеет начальные знания в области компьютерной техники. Такая концепция выдвигает в число основных пользовательских средств пакета прикладных программ (ППП). ППП разработаны профессиональными программистами и ориентированы на решение пользовательских задач. ППП делятся на:

общего назначения

проблемно-ориентированные пакеты

расширяющие функции ОС

интегрированные



Пакеты общего назначения созданы для автоматизации обработки информации, возник у пользователей различных предметных областей. Среди таких задач следующие:

Обработка текста

Несложные расчеты

Деловая графика

Проблемно-ориентированные пакеты предназначены для решения задач в узкой предметной области. К ним относятся:

Статистические пакеты

Математические пакеты

Экспертные системы

Издательские системы

Пакеты для обработки изображений

Бухгалтерские пакеты

Пакеты по учету продаж

расширяющие функции ОС предназначены для управления экспериментальными установками, для управления специальным оборудованием, для работы с некоторыми видами периферии.

интегрированные пакеты разработаны так, чтобы обеспечить наиболее удобную среду, позволяющие решать самые различные задачи.

Microsoft Office

Open Office, Star Office – Linux

Объединяются :

текстовый редактор Word

электронные таблицы Excel

СУБД – Access

электронные презентации Power Point

В интегрированном пакете изначально компоненты созданы так, чтобы обеспечить наиболее эффективное и простое взаимодействие между чатом. Любой компонент пакета может легко взаимодействовать с другими компонентами, обмениваясь информацией.

Расчеты и деловая графика, которая выполнена в среде электронных таблиц, могут быть использованы текстовым редактором, а данные для расчетов могут храниться в базах данных, поиск может осуществляться средствами СУБД.

Средством обмена, как правило, является ״буфер обмена״ (Clip board).

Концепция пакетов прикладных программ освобождает пользователя от необходимости создавать собственные программы для решения пользовательских задач. Таким образом, ППП – мощные инструменты, способные многократно увеличить производительность труда пользователей. От пользователя требуется понимание принципов работы таких инструментов и практические навыки, позволяющие овладеть ими уверенно. По второй причине программы, входящие в состав интегрированных пакетов, должны обладать интуитивно понятным и унифицированным интерфейсом.



Компоненты ППП общего назначения.

Текстовые редакторы.

Независимо от предметной области, практически все пользователи работают с текстами. Текстовые редакторы предназначены для работы с данными, преимущественно являющимися текстом.

Основные функции:

Создание текста. Предполагает ручной набор с клавиатуры, либо импортирование с других программ. Текст может импортироваться при вводе со сканера.

Любой текстовый редактор имеет функцию редактирования. Для этого программа текстового редактора может осуществлять поиск фрагментов, замену частей текста, вставку.

Форматирование текста. Разбиение текста на страницы, автоматические переносы в конце строки, установка границ абзацев, предварительный просмотр. Программы текстовых редакторов позволяют компоновать текст с другими объектами, созданными с помощью других прикладных программ (таблицы, рисунки и другие изображения), в результате компоновки с этими объектами получается комплексный сложный документ. Связывание частей сложного документа в единый комплексный документ возможен в том случае, если редактор является компонентом интегрированного пакета. Таким пакетом является MS Office, MS Word. Современные текстовые редакторы построены по концепции wisywig (что видишь то и получишь), изображение, выводимое на экран, при печати  будет воспроизводиться также как на экране.

Текстовые редакторы содержат очень развитые средства для оформления текста. В текстовых редакторах содержаться средства синтаксического и орфографического контроля.



Электронные таблицы.

Идея электронных таблиц с 1979 года MS Excel.  

Основные функции:

Электронные таблицы преимущественно работают с числами, основной процесс – вычислительный. С помощью электронных таблиц можно проводить несложные расчеты. Эти функции означают, что имеется большое количество встроенных функций, которые объединяются в группы (около 250 функций):

математические

для работы с датами 

для работы с базами данных и т.д.

Важной особенностью электронных таблиц является наличие логических функций. С их помощью электронные таблицы превращаются практически в язык программирования, позволяющий выполнить любой вычислительный алгоритм: циклические вычисления, ветвление алгоритма по условию. Электронные таблицы запоминают весь алгоритм вычислений. Во многих разновидностях существуют специальные языки, позволяющие записать такой алгоритм. Такая запись называется макрос. Электронные таблицы, как и текстовые редакторы, являются компонентами интегрированного пакета и позволяют использовать объекты, созданные другими программами.

	В электронных таблицах имеются развитые средства деловой графики для отображения числовых данных в графическом виде (мастер диаграмм).

Электронная таблица является подходящим инструментом для моделирования.



Данные

↓

Алгоритм

↓

Результат

В электронных таблицах могут содержаться надстройки, содержащие дополнительные функции. К ним относится пакет анализа – инструмент статистической обработки данных, поиск решения – средство для решения оптимизационных задач.

В электронных таблицах отсутствует ряд функций, позволяющих решать серьезные задачи: матричные расчеты, интегрирование.

  

Графический редактор.

Для работы с изображениями существует графический редактор.

Изображение, как вид данных, имеет свои особенности. Изображения можно разделить на два типа:

	Штриховые

	Полутоновые  

В штриховых изображениях существует только два уровня яркости, соответствующие черному и белому участку изображения (чертежи).

В полутоновых изображениях имеются переходы яркости от полностью чёрных к белым (фотография). Изображения могут быть чёрно-белыми и цветными. В чёрно-белых есть определённые переходы яркости градации, а в цветных – разные цвета и переходы.

Изображения могут формироваться разными способами:

растровые;

векторные.

В растровых изображениях вся площадь рисунка разбивается на множество точек, каждая точка называется пиксель и характеризуется цветом и яркостью.

Векторные изображения формируются иначе. Векторные изображения – совокупность отдельных отрезков-векторов. Вектора могут быть достаточно маленькими, и, таким образом, изображение представляется единым целым.

Существуют графические редакторы различных типов: растровые и векторные; для обработки штриховых изображений существуют специальные графические редакторы, для полутоновых – свои специальные редакторы (Photo Editor).

Основные функции:

создание изображений – ручное изображение, импорт изображений.

Редактирование изображений: масштабирование, поворот изображений на фиксированный и произвольный угол, вырезать, вставить изображения.

Графические редакторы очень часто содержат библиотеки готовых изображений, управление свойствами изображения: яркостью, цветом, балансом.

Графических редакторов очень много и они встречаются, как компоненты интегрированных пакетов и предназначены для узких предметных областей.



Системы управления базами данных.

MS Access. СУБД позволяет формировать логическую структуру БД на этапе ее создания, осуществлять наполнение базы, поиск информации в БД и выдачу информации по запросу пользователя.



Средства для создания электронных презентаций.

MS Power Point. С помощью средств создания электронных презентаций любые данные могут быть представлены в удобном для восприятия виде. Текст, числа могут быть выведены в виде таблиц, графиков, текста. Средство анимации изображения можно добавить.



Проблемно-ориентированные пакеты прикладных программ.

Предназначены для решения задач, относящихся к узким предметным областям. Так как много задач в различных областях, существует множество проблемно-ориентированных пакетов.

Пакеты для математических и статистических расчетов.

MathCAD, Statistica, Math lab, Stat graphics.

Математические пакеты созданы для решения математических задач. В отличии от электронных таблиц в математических пакетах существует много дополнительных возможностей.

Основные задачи, решаемые математическими пакетами:

Решение уравнений и систем уравнений различных видов

Численное дифференцирование и интегрирование

Решение дифференциальных уравнений различных видов

Матричные методы

Решение задач линейного программирования

Решение оптимизационных задач

Важная особенность математических пакетов в том, что они разрабатываются с использованием специфического интерфейса для математиков. Запись математической задачи средствами такого интерфейса не отличается от традиционной математической записи. 

В математических пакетах имеются средства для решения математических задач методами символьной математики.

В пакетах существуют расширенные средства построения графиков зависимости. Существует возможность построения графиков в полярных координатах. 

Статистические пакеты предоставляют большие возможности для статистической обработки информации.

Первичная статистика, оценка законов распределения случайных величин.

Статистические пакеты позволяют вести регрессионный и корреляционный анализ.



Еще одна функция любого статистического пакета – множественная регрессия, когда функция y зависит  от множества величин.

Планирование эксперимента и обработка данных планированного эксперимента.

Статистические пакеты содержат очень развитые средства графического взаимодействия с пользователем: результаты могут быть представлены  графически, построение доверительных интервалов тоже отображаются на этих графиках.

В любом статистическом пакете предусмотрены очень мощные средства поддержки пользователей, например, в пакете Stat graphics существует средство Stat Advisor, представляющее собой экспертную систему. Для пользователей, недостаточно знакомых с приемами статистической обработки информации, такая система оказывает большую  помощь.

Также существует экспертная система ״консультант плюс״ – для юристов.



Специализированные пакеты для управления технологическими процессами.

Программное обеспечение АСУТП для управления технологическими процессами должно обеспечить  сбор данных о состоянии технологического процесса, некоторую обработку этих данных  для выработки решения по управлению объектом и программные средства, позволяющие реализовать принятое решение при управлении объектом.

программы этого типа должны обладать повышенной надежностью.

важное требование – быстрое время реакции.

программные средства  должны обладать многозадачностью(параллельно решаются несколько задач), таким образом, требуется ОС реального времени, работающие по прерываниям от источников информации.

В информационных системах основная работа по обработке информации сосредоточена на уровне SCADA (диспетчер). Для разработки SCADA систем существуют специализированные пакеты прикладных программ.

Главные функции SCADA систем:

отображение управляемого технологического процесса в наиболее удобном для восприятия виде (мнемосхема).



измерение и отображение  величин технологических параметров.

аварийная сигнализация. 

обеспечение общего уровня процессом (объектом). Во-первых, это выработка управляющих воздействий на основе модельной поддержки принятия решений.

Программные средства, входящие в состав SCADA системы позволяют изменять величины управляющих воздействий персоналу, который ведет технологический процесс. Программно - аппаратные средства АСУТП позволяют управлять положением регулирующих органов дистанционно с рабочего места оператора, ведущего процесс.

ведение архива информации (хранение ≥ 1год).



Средства разработки программ для управления технологическими процессами.

Для разработки SCADA систем существует несколько распространенных пакетов прикладных программ:

Genesis

Win CC

Base Star

Пакет Genesis.

Американской фирмы Iconics, первая версия 1986 год. На основе пакета разработаны SCADA системы для предприятий алюминиевой промышленности: выщелачивание боксита, декомпозиция, спекание, электролиз.

На сегодняшний день пакет стандартный в области АСУТП. Работает в ОС Windows. На основе пакета могут создаваться АСУТП различного масштаба от отдельного технологического объекта до предприятия.

Genesis – интегрированный пакет, в составе которого несколько основных приложений:

Graph Worx 32

Trend Worx 32

Alarm Worx 32

Graph Worx 32 – система визуализации и диспетчерского управления технологическими процессами. Имеется мощная библиотека и инструментальные средства для создания мнемосхем любых технологических процессов. Мы можем создавать мнемосхемы для того технологического процесса, которым хотим управлять, на ней можем отображать значения регулируемых параметров и т.д.

В библиотеке изображений, входящих в это приложение, содержатся практически все элементы технологических процессов: печи различных типов, автоклавы, электролизеры. На мнемосхеме отображаются связи; входят в состав библиотеки изображений (конвейеры различных типов, трубопроводы, вентили, задвижки и т.д.).

При разработки мнемосхемы эти объекты могут быть изменены желаемым образом (масштабирование, поворот изображений и т.д.). Кроме того, в приложении имеются средства деловой графики: диаграммы и графики различных типов.

Trend Worx 32 – многооконное приложение, выполняющее следующие основные функции:

вывод измеряемых параметров на мнемосхему в реальном времени. Представление контролируемой информации в реальном времени в графической форме в виде линий – трендов. Тренд показывает зависимость  контролируемого параметра от времени, с помощью тренда можно проследить изменение параметров в определенное время.

архивация параметров технологического процесса и ведение БД.

статистическая обработка результатов измерений на реальном технологическом объекте в силу действия случайных величин результаты измерений всегда ״отягощены ошибкой״.



Alarm Worx 32 – мультимедийное приложение, его основные функции:

оповещение персонала об обнаруженных аварийных ситуациях.

рассылка электронных сообщений в случае аварийных ситуаций.

это средство позволяет разрабатывать в составе SCADA системы программы, позволяющие контролировать действия персонала в случае аварийной ситуации.

Кроме перечисленных функций Genesis обеспечивает создание развитой системы администрирования и управление правами доступа в соответствии с должностными обязанностями персонала.

Таким образом, применение подобных пакетов разработки SCADA систем – это пример информационных технологий для создания информационных технологий управления технологическими объектами.



Базы данных (БД).

Современный технологический процесс предполагает измерение большого количества технологических параметров, обработку получаемой информации, принятие решения по управлению технологическими процессом и реализацию с помощью аппаратных средств. Чем больше развита технология, тем больше количество информации образуется в единицу времени.

БД предназначены для хранения больших объемов информации, сопровождающей технологические процессы. По мере увеличения количества информации для ее обработки на определенном этапе развития технологии начали применять компьютеры. На этом этапе вырабатывается традиционный подход хранения и обработки информации.

Для обработки информации о технологическом процессе используются прикладные программы. Любая прикладная программа создается для решения определенных задач. Рассмотрим приложения для мастера, ведущего технологический процесс, задачи:

управление загрузкой

управление тепловым режимом

управление дутьем, топливом.

Для решения этих задач требуются определенные данные: состав материалов, соотношения масс, объемов и т.д.

Приложения для сотрудников отделов, задачи:

учет сырья 

учет продукции

учет топлива

Нужны сведения: составы, массы и т.д.

Приложения для главного инженера, задачи:

оптимальное управление несколькими технологическими аппаратами

Каждое приложение использует данные, которые хранятся в соответствующих файлах, таким образом, при традиционном способе хранения, обработки информации возникают специфические недостатки:

избыточность данных – одни и те же данные хранятся в файлах, созданных различными прикладными программами.

проблема непротиворечивости; при таком хранении данных нет гарантии, что во всех файлах хранится информация об одинаковых составах шихтовых материалов; данная проблема связана с избыточностью данных.

ограниченная доступность данных; каждое приложение может создать данные в своем формате; чем больше количество файлов, содержащих информацию, тем больше времени для поиска информации в этих файлах; если необходимо чтобы приложения работали с файлами различных типов нужно предпринимать решения.

В настоящее время традиционный способ хранения информации вытесняется технологиями БД. Применение этих технологий решает вышеупомянутые проблемы. Основная идея технологии БД: база создается как структура, доступная для многих приложений, любые данные хранятся в одном месте.

БД – это организационная структура предназначенная для хранения информации. Информация размещается в базе в соответствии с логической структурой БД. Даже если в БД нет никакой информации, есть пустая логическая структура. Бумажной аналогией БД является ежедневник.

БД используют объекты следующих типов:

таблицы

формы

отчеты

запросы

Основным объектом БД являются  таблицы. В простейшем случае таблица представляет собой двумерную структуру. Логическая структура БД тождественна структуре ее таблиц. Таблица – совокупность строк и столбцов. Вся строка представляет собой запись. Любой столбец – поле записи. Таким образом, любая запись БД – совокупность полей. Поле записи определяет групповые средства данных, которые в нем содержатся. Таким образом, поля БД имеют ряд свойств:

		Имя поля – заголовок столбца, используется при автоматизированном поиске информации.

		Тип поля – определяет тип данных, которые хранятся в соответствующем поле записи.

		Размер поля.

		Формат поля определяет способ форматирования данных в любом поле.

		Значение по умолчанию – в пустой БД.

Тип данных может быть различным: числовой; текстовый (текст 28=256 символов); мемо (текстовое поле – содержит ссылку, 216=65535 символов); денежный тип; счетчики (может быть записано только неповторяющееся целое число – служат для нумерации); логический (содержат дискретные значения).

Следующим типом объектов является запросы. Они служат для извлечения информации из БД и выдачи ее пользователю. С помощью запросов пользователь обращается  к таблицам БД и осуществляет поиск нужной информации. Поиск информации осуществляется путем сортировки и фильтрации. Фильтрация предполагает, что над содержимым поля записи проводятся определенные логические действия. 

Условие запроса     Содержимое поля

			    А = В

			    А > В

			    А < В

			    . . . . .

В процессе поиска можно просматривать содержимое не одного, а нескольких полей. Для создания запросов в любой СУБД имеется соответствующий интерфейс.

Запрос в результате поиска выбирает информацию в соответствии с условиями поиска и создает временную таблицу (результирующую таблицу) поиска.

Формы служат для ограничения доступа к БД и предоставление возможности пользователю в соответствии с его полномочиями для ввода информации в БД. С этой целью для каждого типа пользователей создаются свои формы. Форма является ״посредником״ между пользователем  и таблицей БД.

Формы представляют набор полей для ввода данных, этот набор предоставляется пользователю в соответствии с его полномочиями. Для упрощения ввода соответствующие поля форм содержат раскрывающиеся списки.

Отчет – объект БД, предназначенный для вывода информации пользователю. Отчеты ориентированы для вывода информации на печать. В отличие от запросов, отчеты содержат эффективные средства для оформления результатов печати.

Последний объект БД – макросы, - написаны на специальном языке программы, являются средствами типовых операций с БД.

БД работают в двух режимах: проектирования и использования. В режиме проектирования пользователи с БД не работают. В этом режиме создаётся или изменяется структура БД. В режиме использования  можно выделить несколько этапов (наполнение и др.).

Администратор БД – управляющий БД. Только он уполномочен изменять логическую структуру БД. Администратор определяет полномочия пользователей.

Различают много- и однопользовательские БД.

Многопользовательские БД позволяют одновременную работу многих пользователей, при этом пользователи удалены друг от друга и БД. И при этом используются сетевые технологии.

Однопользовательские БД позволяют работу 1-го пользователя и могут быть установлены на компьютере (базы с локальным доступом).

Для работы с многопользовательскими БД используются 2 архитектуры:

файл/сервер

клиент/сервер

так как многопользовательские БД работают с сетевым доступом, то у каждого пользователя есть свой компьютер, работающий в общей сети. В этой сети один из компьютеров выполняет функцию сервера. В нём физически хранится информация о БД. Остальные пользователи могут получить доступ к информации через сервер.



В случае использования файл/серверной архитектуры основная часть работы по обработке информации сосредоточена на компьютере пользователя. В этом случае по запросу пользователя сервер пересылает ему соответствующий файл БД, а его обработка ведётся на компьютере пользователя. Таким образом, в случае использования такой архитектуры, и если БД достаточно большая, требуется пересылка больших объёмов информации по сети. На сегодняшний день такая архитектура практически не применяется.

Применяется клиент/серверная архитектура. В таком случае пользователи формируют запрос помощью специального языка SQL (Structured Query Language). Основная часть по обработке информации в соответствии с запросом возложена на сервер, а роль клиента состоит в формулировании запроса. В соответствии с запросом сервер осуществляет обработку информации в БД. Таким образом объём пересылаемой информации сокращается.

Использовать сервер в качестве хранилища БД не всегда возможно по ряду причин и рискованно с точки зрения надёжности.

В настоящее время для серьёзных задач используется технология распределённых БД.

В распределённых БД информация хранится с более высоким уровнем надёжности. Физически она рассредоточена на нескольких серверах. Чем больше мест хранения, тем меньше вероятность одновременного выхода из строя  нескольких серверов.

В распределённой БД возникает проблема непротиворечивости данных. Она требует того, чтобы информация обновлялась одновременно во всех местах её хранения.

Использование технологий БД предполагает, что информация, хранящаяся в БД, может использоваться разными прикладными программами. Для этого эти программы должны иметь соответствующий интерфейс, позволяющий работать с данными.



Сетевые технологии.

Появились сразу с возникновением компьютера. Идея всех сетевых технологий – совместное использование ресурсов компьютеров, входящих в сеть.

Компьютерная сеть – группа соединённых компьютеров и других устройств, взаимосвязанная между собой с помощью средств связи и осуществляющая распределённую обработку данных.

По масштабам компьютерные сети могут быть очень различными:

LAN (Local Area Network) – локальная компьютерная сеть. Относительно небольшое число компьютеров и относительно небольшие размеры сети (255 компьютеров, протяжённость 1 – 10 км). Локальные сети могут обслужить предприятие, отделы и управления на предприятии, компьютерный класс и т.д. Компьютеры в пределах сети идентифицируются по адресам. Каждый компьютер имеет уникальный адрес. Способы задания адресов могут быть различными:

	Аппаратный уровень MAC (Media Access Control).

	Символьные адреса (USTU.RU).

	Числовые, составные адреса (168.92.32.00) – IP адреса.

Локальные сети могут быть одноранговыми, в пределах таких сетей все компьютеры абсолютно равноправны. В таких сетях каждый обязан заботиться о своей информации самостоятельно.

Противоположным типом локальных компьютерных сетей являются сети с выделенным сервером. В этом случае сервер обеспечивает работу остальных компьютеров. Функцию управления полномочиями пользователей, обеспечение защиты информации возложено на администратора сети – человека, назначенного для управления компьютерной сетью.



Топология сети.

Взаимное расположение компьютеров, объединённых в сеть и конфигурация этой сети.

Типовые топологии: шина, звезда и кольцо.

1.Шина – компьютеры присоединены к физической среде передач.

Особенности шины – все компьютеры присоединяются к одной точке. Направ-ление передачи и приёма противоположно (двунаправленный обмен с сетью). В качестве физической среды чаще всего используют электрический кабель.

Типы физической среды.

Коаксиальный кабель.

центральный проводник;

изолирующая оболочка;

второй электрический проводник

изоляция.





Витая пара – два изолированных электрических проводника, которые скручены между собой, с определенным шагом 20…30 мм

UTP (Unshielded Trusted Pair) – неэкранированная витая пара.

STP (Shielded Trusted Pair) – экранированная пара.

Стандартный тип 8 проводов, 4 пары.

Оптоволоконный кабель использует иной принцип передачи информации, в нем распространяется оптический сигнал.



Радиоканал – сигнал между компьютерами распространяется  не по кабелю, а в виде электромагнитного излучения.

Для сетей с различными топологиями могут быть выбраны различные типы физической среды

Коннекторы – электроразъем. Стандартный разъем BNC.

2.Звезда.

В отличие от топологии шины, на которой легко построить  одноранговую сеть, топология звезда предназначена для сетей с выделенным сервером. 

Обмен осуществляется двунаправленным образом -  ПК – Хаб.









3.Кольцо.Особенностью является то, что каждый компьютер имеет однонаправленный прием передачи данных.

Каждый компьютер, объединенный в сеть, должен обладать аппаратным устройством для присоединения к сети – сетевой адаптер.

Главная функция сетевого адаптера – обеспечение работы компьютера в сети. Адаптер формирует сигнал и передает его в соответствующую физическую среду передачи. Адаптер совместим конструктивно с соответствующей физической средой передачи. Помимо обмена сигналами с сетью, адаптер выполняет ряд специфических функций:

Гальваническая развязка компьютера и сети.

Преобразование сигнала логических уравнений, действующих внутри компьютера и в сети.

Кодирование и декодирование сигнала.

Преобразование кода из параллельного формата, который действует в пределах компьютера в последующий код, который действует в сети.



Объединение компьютеров в сеть с использованием идеологий открытых систем.

Объединений компьютеров в сеть осуществляется в соответствии с моделью OSI (Open System Interconnection) – каждый компьютер, присоединенный к сети, обеспечивает работу на семи уровнях:

7 – прикладной

6 – представления

5 – сеансовый

4 – транспортный 

3 – сетевой 

2 – канальный

1 – физический

Функции:

7 – прикладной уровень реализуется в соответствующих прикладных программах, рабочее окно, которое используется для отправки по сети.

Особенности: информация видна только тому пользователю, которому послана.

6 – уровень представления – информация преобразуется из пользовательского формата в формат понятный следующим уровням. Если необходимо, то осуществляется сжатие для последующей передачи по сети.

5 – сеансовый – определяется служба, ответственная за передачу информации. Формируются адреса получателя и отправителя информации.

4 – транспортный – обеспечивается создание соединения, формируется канал передачи, формируются пакеты. Вся передаваемая информация разбивается на части для последующей передачи по сети.

3 – сетевой – осуществляется маршрутизация

2 – канальный – формируются кадры для передачи  из пакетов. Каждый кадр  помимо передаваемой информации снабжается управляющей информацией, таким образом, получаем кадр, соответствующей такой структуре:



В управляющей информации указывается как передаваемая информация разбита на пакеты и указывается порядковый номер данного пакета.

1 – на физическом уровне каждый кадр преобразуется в последовательность битов и передается в физическую среду передачи.

Такая идеология открытых систем позволяет объединить для работы в сети самые различные по аппаратным и программным средствам компьютеры. При этом передача данных может осуществляться по сетям, имеющих различную топологию и различную физическую среду передачи.

Большая часть обрабатываемой информации возложена на ОС и пользователю совершенно не видна.



Передача данных по сети.

для передачи  из пакетов. бивается на части для последующей передачи.зуется для отправки по сети.
ует в сети.

 информация в сети передается в виде пакетов, что позволяет не занимать сеть любому компьютеру надолго. При передаче информации в виде последовательности пакетов ошибки при передаче легче устраняются (в случае ошибки требуется передача ошибочного пакета, а не всей информации целиком).

Пакет – это группа байтов, единица информации, передаваемой по сети.

Пакет содержит часть передаваемой информации и всегда содержит адресную часть, позволяющую установить, кому этот пакет предназначен в сети. Таким образом, работа компьютера в сети непрерывный просмотр пакетов, в ходе которого из этого потока, выбираются пакеты, предназначенные для данного компьютера. Разбиение данных на пакеты осуществляет ОС.

Помимо адресной пакет содержит служебную часть, где указывается общее количество пакетов в данном сообщении и порядковый номер пакета в данном сообщении.

При передаче пакетов по сетям, встраивается поток, передаваемый по сети. Естественная последовательность пакетов при передаче может нарушаться, у получателя они могут оказываться в случайной последовательности. При получении данных ОС на компьютере получателя осуществляет сборку пакетов, то есть выстраивает их в нужном порядке по номерам.





Стандартные сетевые технологии.

С 1980 года – Ethernet.

В стандартных сетевых технологиях используются стандартные протоколы.

Протокол – это соглашение, в котором установлены форматы переданных данных, те правила, которые должны соблюдаться при разбиении информации и транспортировки по сети.

Стандартные сетевые технологии предусматривают конкретные физические среды передачи, ограничивают число компонентов, протяженность сегмента сети, устанавливают скорость обмена данными и т.д.

Скорость:	Ethernet		Fast Ethernet

			10 Мбит/с		100 Мбит/с

Физическая	10BASE T

среда:		Т – витая пара

			5, 2 – коаксиальный кабель.

Стандарт 10BASE T предусматривает, что в локальной сети может работать до 30 компьютеров, общая протяженность сети до 500 м.

Fast Ethernet – в сегменте сети может находиться до 100 компьютеров, физическая среда – витая пара, либо оптоволоконный кабель.

Если количество компьютеров  превышает ограничения, связанные со стандартными сетевыми технологиями, то при создании сети ее разбивают на отдельные сегменты, а сегменты объединяют в общую сеть с помощью специального оборудования – структуризация.



Управление сетью.

Чаще всего локальные компьютерные сети – сети с выделенным сервером. В этом случае управление сетью возложено на администратора сети.

Администратор осуществляет:

1.управление пользователями (распределение полномочий пользователя по использованию общих сетевых ресурсов).

2.управление ресурсами сети (установка и поддержание в рабочем состоянии сетевых ресурсов).

3.управление конфигурацией сети(добавление новых компьютеров в сеть, разбиение сети на сегменты, защита общей сети от внешнего воздействия, создание учетных записей пользователей – создается для любого пользователя сети и является ключом, который открывает любому пользователю возможность работы с сетью).

В учетную запись входит:

Имя пользователя – логин

Пароль

Права пользователя на доступ к ресурсам сети

Рабочая группа, к которой относится данный пользователь

Забота сетевого администратора состоит в защите информации в компьютерной сети:

1.Физическая защита информации – сервер помещается в помещение с ограниченным доступом.

2.Учетные записи пользователей.

3.Распределение прав для группы пользователей.

4.Аудит сети – все сетевые события документируются (вход – выход пользователя, попытки изменения учетных записей и т.д.)

5.Шифрование данных.



Способы объединения локальных сетей.

Существуют определенные ограничения в развитии локальных сетей:

На длину связей.

Числа компьютеров в сети (связано с адресацией ≤ 255)

На объем передаваемой информации – ограничение трафика.

Если развитие сети ограничивается, то проводят структуризацию сети: физическую и логическую. 

Физическая структуризация позволяет преодолеть ограничения на длину связи, для этого используются определенные виды сетевого оборудования:

Трансивер – это двунаправленное устройство передачи сигнала. Основная функция – усиление сигнала в кабеле. Встраивается между сегментами сети.

Конвертер – меняет физический тип передаваемого сигнала.

Повторитель – повторяет сигнал

Концентратор (Хаб) 8, 16, 24 – канальный

Особенностью всех перечисленных устройств является то, что с точки зрения передаваемой информации они пассивны. Они не обрабатывают информацию, а просто усиливают.

Логическая структуризация используется, когда достигнуты ограничения по трафику.

Когда обмен осуществляется между компьютерами разных сетей, то остальные не могут обмениваться информацией в сети. Чтобы увеличить объем информации в локальной сети используются специальное сетевое устройство – мост (bridge). В отличие от пассивных сетевых устройств мосты осуществляют логическую обработку информации. Если информация предназначена компьютеру того же сегмента, то мост изолирует остальные сегменты сети, пока не закончится передача информации.

Мосты осуществляют преобразование информации на канальном уровне. Если несколько мостов объединены в единое устройство, то образуется коммутатор. Мост обрабатывает кадры.

Логическая обработка информации в мостах и коммутаторах осуществляется с помощью собственного процессора.

Маршрутизатор (router) – применяется в развитых больших компьютерных сетях, когда требуется объединить несколько локальных сетей. Маршрутизаторы определяют оптимальный маршрут передачи информации между локальными сетями с учетом объема информации, передаваемой между сетями в данный момент времени.













Шлюз (gateway) – устройства для соединения разнородных сетей (разные протоколы обмена данными) – требуется преобразование протоколов передачи информации.

Различают сети с коммутацией каналов и с коммутацией сообщений.

В сетях с коммутацией каналов физическое соединение между компьютерами создается на время обмена информацией. Такие сети используют в качестве физической среды передачи телефонные линии, для этого требуется модем.

Сети с коммутацией сообщений – в них компьютеры постоянно присоединены к сети. При передаче информации от компьютера к компьютеру, она запоминается на промежуточных узлах сети. Запоминание осуществляется на коммутаторах сети. На таких коммутаторах формируются узлы коммутации сообщений

Объединение огромного количества локальных сетей привело к созданию глобальной компьютерной сети – Internet.