Лекции - Автоматизированная информационная система ГУ имени

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА г. Семей
Документ СМК 3уровня
УМКД
УМКД
Программа дисциплины
УМКД 042- 18“Компьютерные технологии в
11.1.20.92/03-2013
науке и образовании” учебно- Редакция №1
От ______________
методические материалы
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Компьютерные технологии в науке и образовании»
для специальности 6М070200 – Автоматизация и управление
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2013
СОДЕРЖАНИЕ
1 Глоссарий
2 Лекции
3 Практические занятия
4. Блок контроля знаний
1 Глоссарий
КОМПЬЮТЕР (англ . computer, от лат. computo - считаю), то же, что ЭВМ;
термин, получивший распространение в научно-популярной и научной
литературе, является транскрипцией английского слова computer, что означает
вычислитель.
КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ , широкое внедрение ЭВМ (компьютеров) в различные
сферы человеческой деятельности (напр., для управления технологией,
транспортом, энергетическими и др. производственными процессами;
проектирования сложных объектов; планирования, учета и обработки
статистических данных, организационно-административного управления;
проведения научных исследований, обучения, диагностирования и т. д.).
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ детерминизм. Стандарт, определяющий достигнутый
уровень общественной формацией: жизненный уровень, социальное обеспечение
и разновозрастной состав.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ оснащение - комплекс устройств для поддержки и
фиксации инструментов и заготовок, сборочных и разборочных операций,
логистических операций по доставке готовой продукции или ее комплектующих.
НАУКА , сфера человеческой деятельности, функция которой - выработка и
теоретическая систематизация объективных знаний о действительности; одна из
форм общественного сознания; включает как деятельность по получению нового
знания, так и ее результат - сумму знаний, лежащих в основе научной картины
мира; обозначение отдельных отраслей научного знания. Непосредственные
цели - описание, объяснение и предсказание процессов и явлений
действительности, составляющих предмет ее изучения, на основе открываемых
ею законов. Система наук условно делится на естественные, общественные,
гуманитарные и технические науки. Зародившись в древнем мире в связи с
потребностями общественной практики, начала складываться с 16-17 вв. и в ходе
исторического развития превратилась в важнейший социальный институт,
оказывающий значительное влияние на все сферы общества и культуру в целом.
Объем научной деятельности с 17 в. удваивается примерно каждые 10-15 лет
(рост открытий, научной информации, числа научных работников). В развитии
науки чередуются экстенсивные и революционные периоды - научные
революции, приводящие к изменению ее структуры, принципов познания,
категорий и методов, а также форм ее организации; для науки характерно
диалектическое сочетание процессов ее дифференциации и интеграции, развития
фундаментальных и прикладных исследований. См. Научно-техническая
революция.
НАУКОВЕДЕНИЕ , изучает закономерности функционирования и развития
науки, структуру и динамику научной деятельности, взаимодействие науки с
другими сферами материальной и духовной жизни общества. Зародилось в 30-х
гг. 20 в.; в 60-х гг. оформилось в самостоятельную отрасль исследований.
И - используемая буква у многих народов, в частности, используется почти
всеми славянами при написании курсовых работ, рефератов и дипломов.
И
буква
непростая,
славная
такая.
Может
всех
соединить,
Людям
радость
подарить,
И
свободу,
и
успех
–
Гласный звук не хуже всех.
ОБРАЗОВАНИЕ , процесс развития и саморазвития личности, связанный с
овладением социально значимым опытом человечества, воплощенным в
знаниях, умениях, творческой деятельности и эмоционально-ценностном
отношении к миру; необходимое условие сохранения и развития материальной и
духовной культуры. Основной путь получения образования - обучение и
самообразование.
Лекции
Лекция 1. Тема: Общие сведения о компьютерных технологиях
Какие элементы структуры определяют развитие человеческого
сообщества? Принцип разнообразия предполагает равноположен-ность
различий, объединение их общей (всеобщей!) связью, но при этом не означает
рявнозначимости различий. Те различия, которые обладает наиболее широкими,
интенсивными и разнообразными связями, играют наибольшую роль. Если на
базе экономических отношений в масштабах планеты и человечества
развиваются более тесные связи, чем на основе культурных или политических,
то экономическим отношениям в данном случае принадлежит большая роль, чем
всем остальным. Так, собственно и происходило в XX веке - глобальность
современного мира реализована прежде всего в .экономическом -особенно
финансовом, и, во-вторых, в информационном аспектах. Но это не выводит за
пределы глобалистики все другие аспекты и элементы, так как последние входят
в систему всеобщих связей, находятся под воздействием глобализации. Но
важно подчеркнуть при этом такую задачу глобалистики, как исследование тех
элементов и структур, которые определяют развитие человеческого сообщества
сегодня.
И, конечно, глобалистика, исследуя человечество как целостность, изучает
комплекс проблем и противоречий, порождаемых процессами глобализации, в
особенности те проблемы, которые угрожают будущности человеческого
сообщества.
Кроме того, глобалистика занимается моделированием возможного
развития этих процессов и .путей предотвращения или снижения риска
глобальных катастроф.
Безусловно, изучение глобальности не могло быть уделом только одной
науки. Основанием глобалистики служат дисциплины общенаучного порядка, как "старые" - системология и кибернетика, теория
информатики и семиотика, эволюционные концепции глобального и
универсального эволюционизма, так и новые - синергетика и диатро-дика.
Синергетика привносит в глобалистику идею самоорганизующегося мира.
Диатропика акцентирует роль фактора разнообразия, усиливает влияние
системных теорий необходимого и избыточного разнообразия.
При зарождении и в процессе становления в глобалистике выявились три
основных направления, изучающих определенный набор и профиль глобальных
проблем:
социологическое (в широком смысле), включающее изучение
экономических и политических мироотношений, где интенсивно ис
следовалась проблема глобализации мироэкономических связей и ми
рового политического порядка;
антропоэкологическое с акцентом на отношения человечест
ва и природы, которое позволяло рассматривать проблемы выживания
человеческого рода, эволюционных экологических кризисов;
культурологическое, исследующее современную и классиче
ские цивилизации и делающее упор на проблемы глобализации культур и
возможности рождения глобальной культуры как таковой, на взаимодействие
цивилизаций и роль доминирующей, "центральной" цивилизации, на описание
контуров и признаков мировой (или общечеловеческой) цивилизации.
К этому перечню можно добавить разработку глобальных проблем (и
проблем мироцелостности вообще) в ключе информационных и семиотических
теорий.
Все эти подходы представляют широкий подход к глобальности
современного мира. Но на данном этапе глобалистика как наука с собственным
предметом и соответствующими ему методами находится в стадии становления.
И большинство тех, кто исследует человеческое (глобальное) сообщество
предпочитают определять глобалистику в более узком смысле: она трактуется
как междисциплинарное исследование глобальных проблем современности природных и общественных. Специалисты по-разному определяют "пакет" таких
проблем, однако, главные из них (экологическая, энергетическая, сырьевая,
продовольственная, демографическая и некоторые другие), кажется, уже
общепризнанны. На детальное изучение именно этих проблем - их места в
современном мире, а также на поиски путей их эффективного решения и была до
сих пор направлена энергия исследователей. Что же касается других проблем,
тоже важных, то им уделяется значительно меньше внимания, равно как и
глобалистике в целом.
Поскольку читаемый студентам УГНТУ курс называется «Глобальные
проблемы современности», то им предлагается именно изложение глобалистики
в ее узком понимании.
1.1. Понятие и признаки глобальных проблем
Глобальные проблемы современности - это комплекс актуальных,
жизненно важных и острых противоречий современного мира, представляющие
опасность существованию и прогрессу человечества в современную эпоху (
Апухтина Н.Г. Человек в эпицентре глобальных проблем современности.Челябинск, 1997.-С.6).
Глобальными принято называть такие проблемы, которые отвечает
четырем признакам:
они имеют общечеловеческий характер и затрагивают инте
ресы не только всего человечества в целом, но и отдельных людей
практически на любой территории планеты;
выступают в качестве объективного фактора экономического
и социального развитая всего мира, равно как и отдельных континен
тов, регионов и стран;
изучение и разрешение их предполагает объединение усилий
всех или множества людей планеты, стран, правительственных орга
нов и гражданских организаций на международном уровне;
нерешенность глобальных проблем грозит выживанию чело
вечества, его будущности.
При этом важно понимать, что глобальность любой проблемы
определяется не столько ее ролью в жизни обездоленной и страждущей части
населения мира, сколько значением для судеб всех народов, населяющих нашу
планету (можно провести параллель между зарождением отдельных негативных
общепланетарных процессов и появлением злокачественных клеток в
человеческом организме, в результате чего здоровые клетки становятся
своеобразными "заложниками" больных). Кроме того, когда речь идет о
нерешенности этих проблем, наивным было бы предположение, что все
проблемы могут быть разрешены. Чаще речь идет о регулировании и контроле
уровня их остроты.
Глобальные проблемы современности как комплекс острейших
социоприродных противоречий, затрагивающих весь мир, отличаются от круга
"региональных", "локальных" и "местных" проблем.
При этом глобальные проблемы обязательно имеют тот или иной веер
своих проявлений на региональном, локальном и местном уровне, в то время как
кроме глобальных проблем существует еще большой комплекс собственно
региональных, локальных и местных проблем, природа которых иная, а сфера
влияния значительно уже.
Понятием "региональный" характеризуют актуальные проблемы,
возникащие в пределах отдельных континентов, крупных социальноэкономических центров мира, в отдельных мировых социальных системах, в
крайнем случае - в крупнейших странах мира. Такого уровня катастрофой стали,
к примеру, Чернобыльская авария, засуха, охватившая в 1968 году 18
африканских государств, превратившая их в пустыню, а также многие другие
катастрофы.
Понятием "локальный" обозначают проблемы отдельных го-судаоств и
крупных территорий некоторых из них. К их числу следует относить и
трудности, возникшие в результате серьезных природных стихий:
землетрясений, наводнений, цунами; военные и национальные конфликты типа
карабахского, югославского, северо-ирландского и т.п.
"Частными" могут считаться проблемы отдельных районов, государств и
населенных пунктов, например, промышленные аварии, дефицит пресной воды,
транспортные проблемы и т.п.
В каком общем соотношении находятся понятия ^глобальный",
"региональный", локальный" и "местный" ?
Глобальной может считаться проблема, если она актуальна относительно
любого региона планеты, хотя не одинаково остра для всех регионов. Все
глобальные проблемы одновременно являются региональными. При этом
локального или местного значения они непосредственно могут и не иметь, то
есть не все из числа региональных проблем являются глобальными.
Между глобальными и региональными проблемами границы довольно
четкие, что позволяет выделить определенное количество глобальных проблем в
определенный исторический период.
Границы региональных, локальных и частных проблем более условны,
подвижны, их число более значительно. Все проблемы мобильны. Одни по мере
их разрешения теряют свою актуальность, утрачивают глобальный характер и
переходят в разряд региональных либо локальных; другие могут "подниматься"
в количественном и качественном отношении до масштаба глобальных.
1.2. Классификация глобальных проблем современности и их взаимосвязь
Специалисты по-разному определяют "пакет" глобальных проблем. Их
список в литературе определяется числом от двух-трёх до 2500 проблем.
В одной из самых обстоятельных работ в этой области, подготовленной
членами Римского клуба А.Кингом и Б.Шнайдером "Первая глобальная
революция" (1989), в качестве особо важных социоприродных процессов,
лежащих в основе современной мировой проблематики, названы: рост
масштабов антропогенной деятельности; глобальное потепление климата и его
влияние
на
энергетику;
глобальное
обеспечение
продовольствием;
демографические сдвиги; информационное общество.
Названные социоприрод!гые процессы вызывают "особое беспокойство"
потому что количественный состав обитателей планеты и энергия их действий
имеют предел - планетную сферу. Это установил американский математик и
физик Джон фон Нейман, сформулировав свой знаменитый "постулат
ограниченной размерности". Нарушение предела приводит к коллапсу. Именно
неминуемый коллапс, т.е. катастрофа планетарного масштаба, угрожает
будущим поколениям.
Названные А.Кингом и Б.Шнайдером важнейшие социоприрод-пые
процессы в той или иной степени всегда семгутствовали человечеству, но
никогда они не имели такого, планетарного масштаба. Впервые в истории
человечества его деятельность, т.е. антропогенное воздействие стало угрожать
собственной безопасности людей. От решения вышеназванных вопросов зависит
судьба будущего планеты -будет она обитаема или нет.
Существуют различные классификации глобальных проблем, но любая из
них условна, так как все проблемы находятся в тесной взаимосвязи и
взаимозависимости, не имеют четких границ и переплетаются.
Так по общепринятой классификации, разработанной в начале 1980-х гг.
Лекция 2 Тема: Наука и рациональность
Известная неопределенность, неоднозначность понятия рациональности
требует согласованности как в отношении понятия рациональности, так и в
отношении
существа
самой
проблемы.
Рациональность (в предельно широком ее понимании) в практической и
духовной деятельности людей не имеет достаточно отчетливых границ,
охватывая как целеполагание, проект, так и совокупность избираемых шагов,
позволяющих
в
конечном
счете
достичь
поставленной
цели.
Рождение
феномена
рациональности
связывается
с
коренным
реформированием европейской философии в Новое время, выразившимся в
ее сциентизации и методологизации. Пионером этой реформы принято
считать Декарта, пробудившего человеческий разум освободиться и от оков
мистики и откровения, и от рассудочной ограниченности схоластики.
Цель идеологов рационализации философии и человеческой культуры в
целом состояла в утверждении науки (прежде всего математики) в качестве
безоговорочного и единственного лидера. Вера и авторитет (Библии и
Аристотеля) должны были уступить место критической рефлексии , точному
расчету и идеологической непредвзятости. Культ «естественного света
разума», несущего в себе не только критический, но и конструктивный заряд,
получил впоследствии наименование «классической» или собственно
философской
рациональности.
Между тем многие философы прошлого и настоящего времени указывают на
неправомерность
отождествления
философской
рациональности
с
рациональностью научной с ее критериями логичности, дискурсивности,
системности и т.п. Особая опасность содержится в «очищении» философской
рациональности от нравственного контекста как не имеющего отношение к
установлению объективной истины. Постклассическая философия XIX века
предприняла
попытку
раздвинуть
узко-рассудочные
границы
сциентизированной философии и повернуть ее лицом к социальногуманистическим
ценностям,
идущим
еще
из
античности.
Подлинно рациональный, действительно разумный путь человеческого
развития
это не только глубоко продуманный и рассчитанно сбалансированный, но
прежде всего нравственный путь, при котором долг, альтруизм, милосердие и
прочие архаичные и, строго говоря, нерациональные факторы не
вытесняются, где знание не подавляет совести. Формально истина доступна
всякому здравствующему, но воистину истине, по словам Сократа, причастен
лишь тот, кто способен употребить свой разум на благо всего человеческого
рода. Всякое рафинирование рациональности (культ «чистой» науки) есть, в
сущности, противоестественное выхолащивание духовного мира человека.
Это не только антигуманно, но и неразумно, ибо человеческая разумность
состоит, кроме всего прочего, в том, чтобы понимать, принимать и ценить то,
что лежит за ее пределами и что, в конечном счете, определяет условия ее
собственного
существования
и
функционирования.
Знание (в том числе и научное) не складывается и не развивается в рамках
узко понимаемых рациональных критериев в обход неформализованных,
внерациональных
духовных
реалий.
Сциентистская
концепция
рациональности при всей своей привлекательности и ясности целей так и не
смогла окончательно избавить философское и научное мышление от того
нерационального
шлейфа,
который
всегда
тянется
за
ними.
Современная философская мысль все более склоняется к убеждению в
многообразии форм рациональности, их исторической обусловленности,
определяемой в значительной мере личностью мыслителя и особенностью
эпохи. Проблема «разных» рациональностей не только реальна, но и весьма
актуальна.
Вместе с тем заслуживает внимания и концепция единства рациональности,
понимаемая, однако, как диалектическое единство многообразных
проявлений разума. Рациональность научная, философская, религиозная и т.д.
не альтернативы, но грани единого и многоликого человеческого разума. Все
дело в акцентах, приоритетах: научных, нравственных, художественных и
т.д., сменяющих (но не отменяющих) друг друга в силу объективных условий
исторического и логического развития человеческой культуры. Выявляя
специфику этих особенностей рациональности, используют понятия «форма»
или «тип» рациональности, тем более что сама рациональность имеет целый
ряд критериев, ни один из которых не обладает абсолютной значимостью.
Ценностный критерий рациональности не менее актуален, чем, скажем,
критерий
логический.
Вопрос
об
истоках
рационализма
(рациональности)
в
известной
мере
вопрос
об
истоках
самой
философии.
При всей насыщенности мифологией, античная философия решительно
переключает свое внимание к истинно сущему и апеллирует к понятию,
логике, факту. У философа изначально проявляется природная склонность к
наукам, т.е. сфере умопостигаемого, интерес к объективному и
закономерному,
а
не
случайному
и
изменчивому.
В пользу изначальной и сознательной рационализации, новой формы
общественного сознания, зародившейся в лоне мифологии, говорит и тот
факт, что введение Пифагором самого понятия «философия» совпало с
рождением античной математики. Число оказалось самой рациональной из
всех известных людям чувственно-воспринимаемых и умопостигаемых
«вещей». Арифметика и особенно геометрия оказались стимулами и
средствами развития естествознания, и первые философские программы
античных
мыслителей
были
программами
математическими.
Характерной чертой античного рационализма, определившей и суть первой
европейской интеллектуальной революции, следует, видимо, считать
формирование культуры дефиниции . Превосходство понятий над
чувственными образами, умозрений над впечатлениями и мнениями,
дедукции над индукцией, рефлексии над обыденным сознанием лучше и
раньше других уловил и использовал Сократ. Именно он начинает
кардинальный поворот всей философии в сторону переосмысления природы
разума
и
оснований
достоверности
знания.
Философия
не всезнайство и не цветистая риторика, но знание сущего и причины,
понимание законов становления явлений, торжество разума и
справедливости.
Одним из важнейших принципов разума Сократ считал принцип
целесообразности, объективной нормативности. Вещи не только изменчивы,
но и устойчивы, иначе они были бы в принципе непознаваемы. В любой из
них, даже находящейся в стадии становления, есть некоторое объективное
устойчивое ядро, фиксируемое в имени (понятии). Имя не тождественно
вещи, но, зная его, имея понятие вещи, и, тем самым выходя за ее пределы,
можно постичь ее сущность. Имя не случайно и не субъективно, именно
имена-понятия
делают
вещи
интеллектуально
зримыми.
По достоинству оценив объективную значимость и рациональный смысл
имен-понятий, Платон создает свою философскую систему прежде всего как
систему понятийную. В этой ситуации даже слово, как материальная
оболочка имени-понятия, способно исказить смысл и значение последнего.
«Всякий, имеющий разум, никогда не осмелится выразить словами то, что
является плодом его размышления, и особенно в такой негибкой форме, как
письменные
знаки».
Истинно
понятийное
мышление
в
сущности
«беззвучная
беседа»
души
с
собой.
В истории становления и развития культуры речи и рационального мышления
вообще трудно найти более значимое звено, чем то, что древние греки
называли диалектикой. Лишь диалектика, как способность «чистого»
мышления проникать в сущность вещей и процессов, могла претендовать на
право именоваться подлинной наукой, поскольку имела дело не с
преходящим и изменчивым, но с «божественным и постоянным», умела
«видеть все сразу». Демонстрируя и развивая возможности диалектики в
системе рационального мышления, Платон первым ввел особый,
диалектический род суждения, дополнив им широко практиковавшиеся в
античной философии эстетический, этический, эротический и другие виды
суждений.
Настаивая на трактовке философского мышления как умозрительного
искусства, Платон, как и Сократ, вовсе не отрицал значение человеческих
чувств и страстей и отнюдь не считал наличие «воска в ушах» условием
истинного философствования. В ряде своих сочинений он говорит о
естественной и необходимой гармонии чувственного и рационального.
Удовольствие, игнорирующее рассудок, - иррационально и пагубно;
рассудок, не приносящий наслаждения и подавляющий страсти, - ущербен.
Чувства и разум имеют различную природу и ведут к различным результатам.
Вещи (явления), конечно, доступны чувствам, но их сущности постигаются
только размышлением. При всей привлекательности и неизменной силе
чувств и естественных страстей, человек с их помощью не достигает в жизни
многого. И истинный любитель мудрости, если он хочет чего-то достичь
своим учением, должен взять власть над удовольствиями и вожделениями,
надеть
на
них
узду
рассудочности.
Известная ограниченность роли чувств в познавательной деятельности
становится абсолютной при столкновении субъекта познания с вещами
«безвидными», бестелесными, реальность и значимость которых
превосходит, однако, реальность и значимость всех чувственно
воспринимаемых природных и искусственных объектов и явлений. Речь идет
о платоновских Идеях, которые представляют собой феномен
субстанционального характера, эксплицируемый как сугубо рациональная
(смысловая) предпосылка всех чувственно воспринимаемых вещей и
олицетворяющая собой закон и основу их природного и искусственного
конструирования. Идеи пребывают в природе как бы в виде образцов,
парадигмических
причин
всех
вещей.
Идея
носитель и хранитель вечных и неизменных свойств и характеристик, родовая
квинтэссенция.
Идея
единство многого, познать многое можно лишь познав это единое.
Руководствуясь объективно существующей Идеей какой-либо вещи, природа
творит те или иные чувственно-материальные предметы, подражание
соответствующим сверх-природным Идеям. Природа, следовательно, не
причина самой себе. В ней все изначально озарено божественным Разумом.
Идея и порождает вещь и наполняет ее смыслом, никогда не растворяясь в
ней до конца, как и в какой угодно сумме вещей-копий. Вещь как явление
доступна органам чувств; вещь со стороны ее сущности (Идеи)
воспринимается
лишь
«очами
разума».
Платоновская экспликация Идей в качестве родовых сущностей сыграла
важную роль в формировании одного из важнейших направлений
философского
рационализма
реализма с его культом общих понятий. Вместе с тем на Идеях, как
априорных формах сущего, представляющих собой в конечном счете вечные
самодовлеющие акты божественного разума, отчетливо видна печать
мифотворчества,
теологии
и
языческого
пантеизма.
Платон рассматривал свою Идею прежде всего через призму ее
прагматической, аксиологической
и нравственной функций. Отсюда
и два различных типа философской рациональности, сложившихся в рамках
системы
объективного
идеализма.
Идея
это объективный природный (в смысле естественности) и социальный
(нравственный, эстетический, эротический, политический и т.д.) закон, идеал
для подражания. По законам пользы, справедливости, красоты,
содержащимся в Идеях-нормативах, творит и природа, и человек. Критерий
совершенства (идеала) есть первый и подлинный критерий (принцип) Идеи. В
то
же
время
Идея
не гносеологический абстракт и не чистое понятие, но имманентная основа
всего сущего, всей реальной жизни с ее радостями, проблемами и
противоречиями. Не случайно Платон допускал возможность и даже
неизбежность «вражды» между Идеями. Это предопределило характер
платоновского
рационализма,
его
своеобразную
интерпретацию.
Отчетливо нравственно-аксиологическая тенденция, положенная Сократом в
основание
истинной
философии,
безоговорочно
сохраненная
и
конкретизированная Платоном, сформировала особый тип философского
мышления. Но прямая связь его с философской рациональностью многим
представляется сомнительной. С позиций XVII в. какая-либо позитивная
связь здесь вообще исключена. И тем не менее, если не абсолютизировать
«классическую»
концепцию
рациональности
и
не
считать
ее
безальтернативной, то платоновскую социальную (моральную, правовую,
политическую и проч.) философию правомерно расценивать как в высшей
степени разумную (для своего времени во всяком случае), а, следовательно,
рациональную доктрину. Абсолютно бесспорен один из доводов разума
Платона: абстрактного гуманизма, абстрактной нравственности, абстрактной
истины, абстрактной рациональности нет. Разумно, рационально только то,
что
человечно,
гуманно,
духовно.
Итак,
Новое
время
эпоха не зарождения, но возрождения философского рационализма прежде
всего как высочайшей культуры и самодисциплины разума. Новый
(«классический») рационализм оказался своего рода «снятием» рационализма
античного, но «снятием» не диалектическим. К некоторым ценностям
античной модели рациональности, утраченным позднейшей европейской
философией и культурой, имеет смысл вернуться не только ради
восстановления «исторической справедливости», но прежде всего с целью
более глубокого понимания существа и границ этого феномена.
Рационализм Нового времени предложил принести на жертвенный алтарь
чистого разума весь нерациональный человеческий «хлам». Культ Веры был
заменен
культом
Науки.
Декартовское сомнение призвано снести здание прежней традиционной
культуры и отменить прежний тип сознания, чтобы тем самым расчистить
почву для постройки нового здания - культуры рациональной в самом своем
существе. Когда мы говорим о научной революции XVII века, то именно
Декарт являет собой тип революционеров, усилиями которых и была создана
наука нового времени. Прежняя наука выглядит, по Декарту, так, как древний
город с его внеплановыми постройками, среди которых, впрочем,
встречаются и здания удивительной красоты, но в котором неизменно кривые
и узкие улочки; новая наука должна создаваться по единому плану и с
помощью единого метода. Вот этот метод и создает Декарт, убежденный в
том, что применение последнего сулит человечеству неведомые прежде
возможности, что он сделает людей «хозяевами и господами природы».
Декарт убежден, что создание нового метода мышления требует прочного и
незыблемого основания. Такое основание должно быть найдено в самом
разуме, точнее, в его внутреннем первоисточнике - в самосознании. «Мыслю,
следовательно, существую» - вот самое достоверное из всех суждений. Но
чтобы оно приобрело значение исходного положения философии,
необходимы, по крайней мере, два допущения. Во-первых, восходящее к
античности (прежде всего к платонизму) убеждение в онтологическом
превосходстве умопостигаемого мира над чувственным, ибо сомнению у
Декарта подвергается прежде всего мир чувственный, включая небо, землю и
даже наше собственное тело. Во-вторых, чуждое в такой мере античности и
рожденное христианством сознание высокой ценности «внутреннего
человека», человеческой личности, отлившееся позднее в категорию «Я». В
основу философии нового времени, таким образом, Декарт положил не
просто принцип мышления как объективного процесса, каким был античный
Логос, а именно субъективно переживаемый и сознаваемый процесс
мышления, такой, от которого невозможно отделить мыслящего. Декарт
исходит из самосознания как некоторой чисто субъективной достоверности,
рассматривая при этом субъект гносеологически, то есть как то, что
противостоит объекту. Расщепление всей действительности на субъект и
объект, противопоставление субъекта объекту характерно не только для
рационализма,
но
и
для
эмпиризма
XVII
века.
С противопоставлением субъекта объекту связаны у Декарта поиски
достоверности знания в самом субъекте, в его самосознании. Французский
мыслитель считает самосознание («мыслю, следовательно, существую») той
точкой, отправляясь от которой и основываясь на которой можно воздвигнуть
все остальное знание. «Я мыслю», таким образом, есть как бы та абсолютно
достоверная аксиома, из которой должно вырасти все здание науки, подобно
тому как из небольшого числа аксиом и постулатов выводятся все положения
евклидовой
геометрии.
Аналогия с геометрией здесь вовсе не случайна. Для рационализма XVII века,
включая Декарта, Мальбранша, Спинозу, Лейбница, математика является
образцом строгого и точного знания, которому должна подражать и
философия, если она хочет быть наукой. А что философия должна быть
наукой, и притом самой достоверной из наук, в этом у большинства
философов той эпохи не было сомнения. Что касается Декарта, то он сам был
выдающимся математиком, создателем аналитической геометрии. И не
случайно именно Декарту принадлежит идея создания единого научного
метода, который у него носит название «универсальной математики» и с
помощью которого Декарт считает возможным построить систему науки,
могущей обеспечить человеку господство над природой. А что именно
господство над природой является конечной целью научного познания, в этом
Декарт
вполне
согласен
с
Бэконом.
Метод, как его понимает Декарт, должен превратить познание в
организованную деятельность, освободив его от случайности, от таких
субъективных факторов, как наблюдательность или острый ум, с одной
стороны, удача и счастливое стечение обстоятельств, с другой. Образно
говоря, метод превращает научное познание из спорадического и случайного
обнаружения истин - в систематическое и планомерное их производство,
позволяет науке ориентироваться не на отдельные открытия, а идти, так
сказать, «сплошным фронтом», не оставляя пропущенных звеньев. Научное
знание, как его предвидит Декарт, это не отдельные открытия, соединяемые
постепенно в некоторую общую картину природы, а создание всеобщей
понятийной сетки, в которой уже не представляет никакого труда заполнить
отдельные ячейки, то есть обнаружить отдельные истины. Процесс познания
превращается в своего рода поточную линию, а в последней, как известно,
главное - непрерывность. Вот почему непрерывность - один из важнейших
принципов
метода
Декарта.
Согласно Декарту, математика должна стать главным средством познания
природы, ибо само понятие природы Декарт существенно преобразовал,
оставив в нем только те свойства, которые составляют предмет математики:
протяжение
(величину),
фигуру
и
движение.
Центральным понятием рационалистической метафизики является понятие
субстанции, корни которого лежат в античной онтологии. Декарт определяет
субстанцию как вещь (под «вещью» в этот период понимали не эмпирически
данный предмет, не физическую вещь, а всякое сущее вообще), которая не
нуждается для своего существования ни в чем, кроме самой себя.
Сотворенный мир Декарт делит на два рода субстанций - духовные и
материальные. Главное определение духовной субстанции - ее неделимость,
важнейший признак материальной - делимость до бесконечности. Здесь
Декарт воспроизводит античное понимание духовного и материального
начал. Таким образом, основные атрибуты субстанций - это мышление и
протяжение, остальные их атрибуты производны от этих первых:
воображение, чувство, желание - модусы мышления; фигура, положение,
движение
модусы
протяжения.
Нематериальная субстанция имеет в себе, согласно Декарту, идеи, которые
присущи ей изначально, а не приобретены в опыте, а потому в XVII веке их
называли врожденными. В учении о врожденных идеях по-новому было
развито платоновское положение об истинном знании как припоминании
того, что запечатлелось в душе, когда она пребывала в мире идей. С XVII века
начинается длительная полемика вокруг вопроса о способе существования, о
характере и источниках этих самых врожденных идей. Врожденные идеи
рассматривались рационалистами XVII века в качестве условий возможности
всеобщего и необходимого знания, то есть науки и научной философии.
Что же касается материальной субстанции, главным атрибутом которой
является протяжение, то ее Декарт отождествляет с природой, а потому с
полным основанием заявляет, что все в природе подчиняется чисто
механическим законам, которые могут быть открыты с помощью
математической науки - механики. Именно в XVII веке формируется та
механистическая картина мира, которая составляла основу естествознания и
философии
вплоть
до
начала
XIX
века.
Но в XIX веке на смену механике приходит термодинамика, а с появлением
теории эволюции Дарвина происходит сдвиг интереса от физики в сторону
биологии. Наука постоянно обогащается новыми методологическими
принципами, часто противоположными принятым ранее; новыми подходами;
новыми понятиями, как частными, применяемыми в отдельных областях
познания,
так
и
общенаучными.
Так, согласно Риккерту, предметом исследования науки является бесконечное
многообразие эмпирического мира, причем бесконечное и «вширь», и
«вглубь», то есть и экстенсивно, и интенсивно. Познание означает
преодоление этой бесконечности с помощью понятий. Задачи естественных
наук
в том, что они упорядочивают интенсивное и экстенсивное многообразие
явлений эмпирического мира с помощью логических средств
понятий, а понятия в свою очередь базируются на суждениях, продуктах
рассудочной разумной деятельности. В естествознании преодоление
бесконечного многообразия материала достигается посредством обобщения.
Установление закона, к которому стремятся естественные науки, есть, по
Риккерту, максимальное упрощение налично-данного многообразия
посредством обобщения. Чем более общим является закон, тем ближе
естествоиспытатель
к
достижению
своей
цели.
Вслед за Риккертом Вебер жестко формулирует принцип: всякое познание
есть суждение. Не интуиция, не вчувствование, не непосредственное
постижение, а суждение. Суждение предполагает противопоставление
познающего
субъекта
познаваемому
объекту.
Эмпирический
мир
это не просто хаотическое многообразие, как полагали Риккерт и
Виндельбанд; это многообразие предстает исследователю уже как-то
организованным в известном единстве, комплексе явлений, связь между
которыми
пусть
еще
недостаточно
установленная
все-таки
предполагается
существующей.
В современной естественнонаучной картине мира имеет место саморазвитие.
В этой картине присутствует человек и его мысль. Она эволюционна и
необратима. В ней естественнонаучное знание неразрывно связано с
гуманитарным.
Поэтому при определении типов рациональности Вебер шел по пути
выявления социологического аспекта религии (с которым он связывает ее
воздействие на процесс исторического развития), отправляясь от
рассмотрения того, какой способ отношения к миру «задается» - находясь с
ним
в
«избирательном
сродстве»
тем или иным комплексом религиозных «идей», заключенных в
соответствующей «картине мира». На основе сопоставления мировых
религий Вебер счел возможным выделить три самых общих типа, три способа
отношения к «миру», заключающих в себе соответствующую установку,
предопределяющую направленность деятельности людей, вектор их
социального
действия.
Первый он сопрягает с конфуцианским и даосистским религиознофилософским воззрением, получившим распространение в Китае. Второй
с индуистским и буддистским, распространенным в Индии. Третий
с иудаистским и христианским, возникшим на Ближнем Востоке и
распространившимся в Европе, а в последствии и на Американском
континенте.
Первый Вебер определил как приспособление к миру, второй
как
бегство
от
мира,
третий
как овладение миром. Этим изначальным мироотношением обусловлен,
согласно Веберу, и соответствующий тип рациональности, задающий общее
направление
последующей
рационализации
как в пределах «картины мира», так и в самом мире.
Главный результат современного естествознания, по Гейзенбергу, в том, что
оно разрушило неподвижную систему понятий XIX века и усилило интерес к
античной
предшественнице
науки
философской рациональности Аристотеля и Платона. Положительная в свое
время
фундаментальная
черта
науки
стремление абстрагироваться от человека, стать максимально безличной
делает ее ныне неадекватной реальности и ответственной за экологические
трудности, поскольку человек стал самым мощным фактором изменения
действительности.
Человек овладевает миром через его познание, но это познание не может быть
абсолютным. Тем не менее наука, давая человеку ценнейший, неубывающий
ресурс
информацию, является необходимым способом отражения объективного
мира, и ни мистика, ни интеллектуальное созерцание, ни поэтическое
отношение к природе не заменит науку в деле объяснения мира и
прогнозирования
последствий
его
изменения
человеком.
Наука находится в процессе перманентного развития. Согласно Попперу, она
развивается благодаря выдвижению смелых предположений и их
последующей беспощадной критике путем нахождения контрприемов.
Каждая теория уязвима для критики, в противном случае она не может
рассматриваться в качестве научной. Если теория и противоречит фактам, она
должна быть отвергнута. Вся история научного познания и состоит, согласно
Попперу, из такого рода смелых предположений и их опровержений и может
быть
представлена
как
история
«перманентных
революций».
В эпистемологии существует традиционная проблема источников знания.
Откуда берется наше знание: из опыта, из разума или из того и другого, а
если верно последнее, то каково взаимоотношение опыта и разума? Для
Поппера этой проблемы в эпистемологии не существует. Неважно, из какого
источника возникли те или иные идеи в науке. Они могут быть навеяны
опытом, другими теоретическими концепциями, они могут присниться, они
могут быть взяты из мифологии. В конце концов, вся современная наука
возникла из мифа, потому что демокритовская теория о том, что мир состоит
из атомов, с точки зрения содержания принципиально не отличается от мифа.
Все дело не в том, откуда возникла та или иная идея, а в том, как с нею
начинают обращаться после ее появления. Если она вовлекается в процедуру
рационального обсуждения, если к ней применяются нормы критической
дискуссии, и она выдерживает испытание дискуссией и позволяет
осуществлять дальнейшее исследование, значит, она включается в процесс
порождения научного знания, а потому и сама является научной.
Когда Поппер разработал свою теорию рациональности, он претендовал на
то, что она довольно хорошо описывает реальное положение вещей в науке.
По мнению Фейерабенда, попперовский вариант плюрализма не согласуется с
научной практикой и разрушает известную нам науку. Но если наука
существует, разум не может быть универсальным и неразумность исключить
невозможно. Эта характерная черта науки, считает Фейерабенд, и требует
анархистской эпистемологии. Осознание того, что наука несвященна и что
спор между наукой и мифом не принес победы ни одной из сторон, только
усиливает
позиции
анархизма.
Одно из наиболее общих возражений против использования и существования
несоизмеримых теорий заключается в опасении, что они сильно ограничили
бы
действие
традиционного,
недиалектического
рассуждения.
Фейерабенд предлагает посмотреть на критические стандарты попперианской
школы, которые образуют содержание «рационального» рассуждения.
Эти
стандарты
стандарты критики: рациональное обсуждение состоит в попытках
критиковать, а не в попытках доказывать или делать вероятным. Развивайте
ваши идеи так, чтобы их можно было критиковать; атакуйте ваши идеи,
пытаясь не защищать их, а выявлять их слабые места; устраняйте их тотчас
же, как только эти слабые места выявились, - таковы некоторые правила,
установленные
критическими
рационалистами.
Эти правила становятся более конкретными, когда мы обращаемся к
философии науки, и в частности к философии естественных наук.
В естествознании критика связана с экспериментом и наблюдением.
Содержание теории состоит из совокупности тех базисных утверждений,
которые ей противоречат (потенциальных фальсификаторов). Возрастание
содержания равнозначно возрастанию уязвимости, следовательно, теории с
бульшим содержанием предпочтительнее теорий с меньшим содержанием.
Возрастание
содержания
приветствуется,
уменьшение
содержания
нежелательно.
Теория,
противоречащая
признанному
базисному
предложению,
должна
быть
устранена.
Наука, принимающая правила критического эмпиризма этого рода, будет,
согласно
Фейерабенду,
развиваться
следующим
образом.
Мы начинаем с проблемы. Она является не только результатом нашей
любознательности, но и теоретическим результатом. Она возникает в
результате того, что определенные ожидания не оправдываются. Факт не
согласовывается с ожиданиями и принципами, лежащими в основе этих
ожиданий. Свидетельствует ли он о том, что наши ожидания ошибочны? В
этом
и
состоит
проблема.
Важно заметить, отмечает Фейерабенд, что элементы проблемы не просто
даны. Факт становится объектом нашего внимания лишь благодаря
определенному ожиданию (например, факт несоразмерности существует
только благодаря ожиданию регулярности) и имеет смысл, только если у нас
есть
правило.
Итог этой части попперовской доктрины: исследование начинается с
проблемы. Проблема есть результат столкновения между ожиданием и
наблюдением, которое в свою очередь сформировано ожиданием.
Формулирование проблемы требует ее решения, что означает изобретение
теории, которая фальсифицируема (в большей степени, чем любая из ее
альтернатив),
но
еще
не
фальсифицирована.
Затем начинается критика теории, выдвинутой при попытке решить
проблему. Успешная критика раз и навсегда устраняет теорию и создает
новую
проблему,
а
именно:
требуется объяснить, почему теория до сих пор была успешной;
почему
она
оказалась
несостоятельной.
Для решения этой проблемы нам нужна новая теория, которая воспроизводит
успешные следствия старой теории, отвергает ее ошибки и дает
дополнительные
предсказания,
которых
раньше
не
было.
Таковы некоторые формальные условия, которым должна удовлетворять
приемлемая наследница опровергнутой теории. Приняв эти условия, можно
продвигаться вперед посредством предположений и опровержений от менее
общих к более общим теориям и расширять содержание человеческого
познания.
Открывается (или строится при помощи ожиданий) все больше и больше
фактов, которые затем объясняются теориями. Изобретение новых теорий
зависит от наших способностей и других счастливых обстоятельств (как,
например, удовлетворительная сексуальная жизнь). Однако до тех пор, пока
эти способности сохраняются, предложенная схема дает корректное
понимание роста знания, удовлетворяющее требованиям критического
рационализма.
Здесь Фейерабенд ставит вопрос: возможно ли иметь известную нам науку и
одновременно
придерживаться
этих
правил?
На этот вопрос он твердо и решительно отвечает «нет».
Во-первых, реальное развитие учреждений, идей, практических действий
часто начинается не с проблемы, а с некоторой несущественной активности,
например, с игры, приводящей в качестве побочного эффекта к разработкам,
которые впоследствии могут быть интерпретированы как решения
неосознанных
проблем.
Во-вторых,
строгий
принцип
фальсификации,
или
«наивный»
(догматический) фальсификационизм, по мнению Фейерабенда, уничтожил
бы известную нам науку и никогда не позволил бы ей начаться.
В-третьих, требование роста содержания с его точки зрения также
невыполнимо.
Теории, вызывающие ниспровержение всеобъемлющей и хорошо
обоснованной концепции и впоследствии занимающие ее место,
первоначально ограничены лишь весьма узкой областью фактов и весьма
медленно распространяются на другие сферы. Пытаясь развить новую
теорию, мы должны сначала сделать шаг назад от имеющихся данных и
исследовать
проблему
наблюдения.
Постепенно
возникающий
концептуальный аппарат теории начинает определять ее собственные
проблемы, а прежние проблемы, факты и наблюдения оказываются
забытыми, либо отстраняются как несущественные. Это совершенно
естественное
и
бесспорное
развитие.
Почему некоторая идеология должна ограничиться старыми проблемами,
которые имеют смысл только в рамках отброшенного контекста?
Почему она должна рассматривать «факты», которые привели к этим
проблемам
или
играли
роль
в
их
решении?
Почему бы ей не следовать своим собственным путем, изобретая собственные
задачи
и
образуя
свою
собственную
область
«фактов»?
Предполагается, что универсальная теория должна иметь некоторую
«онтологию», которая детерминирует, что именно существует, и таким
образом устанавливает область возможных фактов и сферу возможных
вопросов.
Развитие
науки
согласуется
с
этим
рассуждением.
Новые концепции сразу устремляются по новым направлениям и с
подозрением относятся к старым проблемам и к старым фактам, которые так
сильно занимали умы более ранних мыслителей. А там, где новые теории
уделяют внимание предшествующим, они присоединяются к старым
программам, с которыми они явно несовместимы.
Лекция №3 Тема: Компьютерные технологии
В настоящее время в мире происходят постоянные изменения стратегий и
методов, и проблематика данного исследования по-прежнему несет актуальный
характер.
Представляется, что анализ тематики Компьютерные технологии в науке и
образовании достаточно актуален и представляет научный и практический
интерес.
Характеризуя
степень
научной
разработанности
проблематики
Компьютерные технологии в науке и образовании, следует учесть, что данная
тема уже анализировалась у различных авторов в различных изданиях:
учебниках, монографиях, периодических изданиях и в интернете. Тем не менее,
при изучении литературы и источников отмечается недостаточное количество
полных и явных исследований тематики Компьютерные технологии в науке и
образовании.
Научная значимость данной работы состоит в оптимизации и
упорядочивании существующей научно-методологической базы по исследуемой
проблематике – еще одним независимым авторским исследованием.
Практическая значимость темы Компьютерные технологии в науке и
образовании состоит в анализе проблем как во временном, так и в
пространственном разрезах.
С одной стороны, тематика исследования получает интерес в научных
кругах, в другой стороны, как было показано, сущесвтует недостаточная
разработанность и нерешенные вопросы. Это значит, что данная работа помимо
учебной, будет иметь теоретическую, так и практическую значимость.
Определенная значимость и недостаточная научная разработанность
проблемы Компьютерные технологии в науке и образовании определяют
научную новизну данной работы.
Нормативно-правая база состоит из действующего законодательства
Российской Федерации по состоянию на April 11, 2014.
Теоретико-методологическую базу исследования составили четыре группы
источников. К первой отнесены авторские издания по исследуемой
проблематике. Ко второй отнесены учебная литература (учебники и учебные
пособия, справочная и энциклопедическая литература, комментарии к
законодательству). К третьей отнесены научные статьи в периодических
журналах по исследуемой проблематике. И к четвертой отнесены
специализированные веб-сайты организаций.
Эмпирическую базу составил практическая информация касательно
Компьютерные технологии в науке и образовании.
При проведении исследования Компьютерные технологии в науке и
образовании были использованы следующие методы исследования:

анализ существующей источниковой базы по рассматриваемой
проблематике (метод научного анализа).

обобщение и синтез точек зрения, представленных в источниковой
базе (метод научного синтеза и обобщения).

моделирование на основе полученных данных авторского видения в
раскрытии поставленной проблематики (метод моделирования).
Будущие исследования Компьютерные технологии в науке и образовании
также актуальны в целях постоянного и обоснованного решения проблемы
данной работы.
Результаты могут быть использованы для будущих исследований
Компьютерные технологии в науке и образовании.
Объект работы - система реализации Компьютерные технологии в науке и
образовании.
Предмет исследования – частные вопросы деятельности системы
Компьютерные технологии в науке и образовании.
Цель работы – изучение темы Компьютерные технологии в науке и
образовании как с российской, так и с зарубежной точек зрения.
Поставленная цель определяет задачи исследования:
1. Рассмотреть теоретические подходы к Компьютерные технологии в
науке и образовании;
2. Выявить основную проблему Компьютерные технологии в науке и
образовании в современных условиях;
3. Показать пути решения выявленных проблем и сделать расчет путей их
решения Компьютерные технологии в науке и образовании;
4. Провести Обозначить тенденции развития тематики Компьютерные
технологии в науке и образовании.
Работа состоит из введения, глав основной части, выводов (заключения),
списка литературы и приложений.
Во введении обоснована актуальность выбора темы, определены предмет,
объект, цель и соответствующие ей задачи, охарактеризованы методы
исследования и источники информации, показаны научная и практическая
значимость, выявлена проблема и поставлена гипотеза.
В первой главе рассмотрены общетеоретические вопросы Компьютерные
технологии в науке и образовании. Определяются основные понятия,
обуславливается актуальность Компьютерные технологии в науке и
образовании.
В главе второй, практической, рассмотрены те же понятия, на
практической основе Компьютерные технологии в науке и образовании.
Глава третья имеет аналитический характер и на основе отдельных данных
делается анализ современного состояния, а также делается анализ перспектив и
тенденций развития Компьютерные технологии в науке и образовании, сделаны
выводы и предложения
Результаты исследования могут быть применены на практике
Лекция № 4
Тема: Возможность информационных технологий
Лекция № 5. Тема: Каскадные АСР
Каскадные АСР применяют для автоматизации объектов, обладающих
большой инерционностью по каналу регулирования, если можно выбрать менее
инерционную по отношению к наиболее опасным возмущениям промежуточную
координату и использовать для нее то же регулирующее воздействие, что и для
основного выхода объекта.
Хр1
W
W1
2
1
y1
1
R1
y

Хр
R
y0
Рис. 1
В этом случае в систему регулирования включают два регулятора –
основной (внешний) – 1 (на рисунке), служащий для стабилизации основного
выхода объекта y и вспомогательный (внутренний) – 2 (на рисунке),
предназначен для регулирования вспомогательной величины y 1 .
Сравнение одноконтурных и каскадных АСР показывает, что вследствие
более высокого быстродействия внутреннего контура
в каскадной АСР
повышается качество переходного процесса,
особенно при компенсации
возмущений поступающих по каналу регулирования.
Пример:
Каскадная система регулирования температуры (2) жидкости на выходе из
теплообменника с корректирующим заданием регулирования расхода пара (1).
При возмущении по давлению пара регулятор 1 изменяет степень
открытия регулирующего клапана таким образом, чтобы поддержать заданный
расход. При нарушении теплового баланса в аппарате вызванный, например,
входной температурой, расходом жидкости, приводящим к отклонению
выходной температуры от заданного значения регулируемой температуры (2)
корректирует задание регулятору расхода 1.
Основы расчета каскадных АСР
Существуют два метода расчета:
1. Начинают с основного регулятора, при этом предполагается, что его
настройки не зависят от настроек вспомогательного.
2. Начинают со вспомогательного регулятора, при этом предполагается, что
внешний регулятор отключен.
Wэ1
R1
Преобразуем структурную схему 2-х
определения W(экв.) к виду
контурной каскадной АСР для
Xвх
Xзд
2Р
Xр2
1Р
Xр1
Wоб
X
2
W
X
2
р
Рис.3
2
Методика расчетаРкаскадной системы основана на предположении что возможен
расчет первого контура регулирования независимо от других после
об1
1
определенных настроек регулятора этого контура переходят к определению
настроек следующего регулятора в контуре который входит регулятор с уже
определенными настройками.
1. по амплитудно-фазовой характеристикой регулируемого объекта
Wоб1(jw) который промышленную регулируемую величину X1 с
регулируемую величину с регулирующем воздействием Xp окружающие
параметры настройки регулятора 1Р по методу расчета 1-контурной
системы.
Для основного регулятора 2Р объект регулирования является системой из
собственного управления и вспомогательного регулятора 1Р. Поэтому для
расчета основного регулятора 2Р необходимо определить FA{ эквивалентного
регулируемого объекта Wоб2(jw). Передаточная функция такого эквивалентного
объекта находится следующим образом
X ( p )  Wоб * X p1 ( p )

X p1 ( p )  W p1 ( p ) * X p 2 ( p )  X 1 ( p )
X 1 ( p )  Wоб ( р ) * X p1 ( p )

(1)
( 2)
(3)
Подставляя (2) и (3) в (1) получаем

X ( p)  Wоб ( p)W p1 ( p) X p 2 ( p)  Wоб1 ( p) X p1 ( p)


X ( p)  W p1 ( p) Wоб ( p) X p 2 ( p)  Wоб ( р)Wоб1 ( р) X p1 ( p)



т.к.Wоб ( р) Х р1 ( р)  Х ( р)  Х р  W р1 ( р) Wоб ( р) Х р 2 ( р)  Wоб1 ( р) Х ( р) 
Wобэ2 
Wоб ( р)W p1 ( p)
Х ( р)

Х р 2 ( р) 1  Wоб1 ( р)W p1 ( p)
В том случае инерция регулируемого объекта по каналу вспомогательной
величины X1 значительно меньше инерционности основного регулируемой
величины Х (Т>>Т1) то быстродействие внешнего регулятора Р1 будет
значительно выше регулятора 2Р. В этом случае Wобэ2 для регулятора 2Р=
Х ( р )  Хр 2( р )
Х 1 ( р )  Wоб1 ( р ) Хр1( р )
Х ( р )  Wоб ( р ) Хр 2( р )
Wобэ2 ( р ) 
W ( р ) Хр1( р) Wоб ( р )
Х ( р)
 об

Хр 2( р ) Wоб1 ( р) Хр1( р) Wоб1 ( р )
Р  ( )
На входе вспомогательного регулятора 1Р воздействие 2 параллельное системе
контура основного регулятора 2Р с передаточной функцией =произведению
функции объекта и передаточной функции второго. Контур вспомогательного
регулирования 1Р с передаточной функцией Wоб1(р) т.к. передаточная функция
системы параллельно включенных звеньев = сумме передаточных функций
звеньев, то передаточная функция эквивалентного вспомогательного
регулируемого объекта
Wобэ1 ( р)  Wоб1 ( р)  Wоб ( р)Wр2( р)
АСР с дополнительным импульсом по производству с промежуточной точки.
Такие системы применяются при автоматизации объектов в которых
регулируемый параметр распределение по пространственной координате. Как в
аппаратах пластинчатого или трубчатого типа.
Особенность таких объектов состоит в том, что основной регулируемой
координатой является технический параметр на выходе из аппарата возмущение
распространяется по всей длине аппарата а регулируемое воздействие подается
на его вход. При этом 1-контурная АСР не обеспечивает заданное качество
регулирования в следствии большой инерции канала регулирования. Подача на
вход различных дополнительных импульсов из промежуточной точки аппарата
дает оперативный сигнал и регулятор включается в работу прежде чем выходная
координата отклонится от заданного значения. Чтобы регулирование без
статической
ошибки
необходимо
чтобы
установившемся
режиме
дополнительный импульс исчезал, с этой целью вспомогательную величину
пропускают через реальное дифференцирующее звено так, что сигнал
регулятора   y  y1  y0
y1  0
в установившемся режиме y  y 0
Взаимосвязанные системы регулирования
Объекты с несколькими входами и выходами взаимно связанные между собой с
несколькими входами или выходами называются многосвязными.
Х1
Х2
Х3
Х1
Х2
Х3
Y1
Y2
Y3
Y1
Y2
Y3
Рис.1 а – односвязные объекты; б – многосвязные объекты
Динамика многосвязных объектов описывается системой дифференциальных
уравнений, а в преобразованном по Лапласу виде – матрицей передаточных функций.
W11
W21
W12
W22
W13
W23
... W1n
... W2n
W31
...
W32
W33
... W3n
...
Wm1 Wm2 Wm3 ... Wmn
где Wjn(p)=Xj+Yk – передаточная функция по каналу õ j  ók .
Существуют два подхода к автоматизации многосвязных объектов:
1. Несвязанное регулирование – регулирование отдельных координат с помощью
одноконтурных АСР.
2. Связанное регулирование – регулирование многоконтурных систем, в которых
внутренние перекрестные связи объекта компенсируются внешними
динамическими связями между отдельными контурами регулирования.
Схема объекта с двумя взаимосвязанными координатами представлена на рис.2.
W11
Х1
W21
Х2
Y1
W12
W22
Y2
Рис.2 Схема объекта с двумя взаимосвязанными координатами
Система несвязанного регулирования
Y10
R1
Хp1
W11
W21
Y1
W12
W22
Y2
Хp2
R2
Y20
Рис.3 Структурная схема несвязанного регулирования объекта со взаимосвязанными координатами
Для качественной оценки взаимного влияния контуров регулирования используются
комплексные коэффициенты связности:
W (i )  W21 (i )
kñâ(i )  12
W11 (i )  W22 (i )
Коэффициент связности вычисляют на нулевой частоте (т.е. в установившемся режиме)
и на рабочих частотах регуляторов  è  . В частности, при  =0 значение Ксв
ð1
ð2
определяется отношением коэффициентов усиления по перекрестным и основным каналам:
k k
K ñâ(0)  12 21 .
k11  k 22
Если на этих частотах K ñâ  0, объект можно рассматривать как односвязный; при
K ñâ  1, целесообразно поменять местами прямые и перекрестные каналы («перекрестное»
регулирование); при 0  K ñâ  1 расчет одноконтурных АСР необходимо вести по
передаточным функциям эквивалентных объектов.
Системы связанного регулирования. Автономные АСР
Основой построения систем связанного регулирования является принцип
автономности. Применительно к объекту с двумя входами и выходами понятие автономности
означает взаимную независимость выходных координат у1 и у2 при работе двух замкнутых
систем регулирования.
Условие автономности складывается из двух условий инвариантности: инвариантности
первого выхода у1 по отношению к сигналу второго регулятора хР2 и инвариантности второго
хР1:
ó1 (t , õÐ2 )  0
ó2 (t, õÐ1 )  0
t, õ Ð1, õ Ð2.
Т.е. сигнал хР1 можно рассматривать как возмущение для у2, а сигнал хР2 – как
возмущение для у1. Тогда перекрестные каналы играют роль каналов возмущения (рис. 4).
y10
R1
Хр1
Х21
Х1
W11
R21
Хр1
W21
Рис.4 а)
y
1
Хр1
W12
Х2
Х12
y
R12
2
W22
y 20
Хр2
R2
Рис.4 б)
Хр1
R21
R1
Х21
Х1
Х12
Х2
y
1
W11
W21
W12
W22
2
y 20
Хр2
R12
y
R2
Рис.4 в)
Рис.4 Структурные схемы автономных АСР:
а) – компенсации воздействия от второго регулятора в первом контуре регулирования;
б) – компенсации воздействия от первого регулятора в втором контуре регулирования;
в) – автономной системы регулирования двух координат.
Для компенсации этих возмущений в систему регулирования
вводят динамические
устройства с передаточными функциями R12(p) и R21(p), сигналы от которых поступают на
соответствующие каналы регулирования или на выходы регуляторов.
Передаточные функции имеют вид:
W ( p)
W ( p)
R12 ( p)   12
;
R21 ( p)   21
W22 ( p)
W11 ( p)
Лекция № 6. Тема: Регулирование основных технологических
параметров.
К основным технологическим параметрам относятся: расход, уровень,
давление, температура, рН и показатели качества (концентрация, плотность,
вязкость и т.д.)
Регулирование расхода.
Системы регулирования расхода используются практически во всех
системах автоматизации, АСР расхода заключается в стабилизации
материального потока, а для обеспечения заданного состава смеси применяют
системы регулирования соотношения расходов.
Системы регулирования расхода характеризуются двумя особенностями:
А) Малой инертностью самого объекта регулирования;
Б) Наличием высокочастотных составляющих в сигнале измерения,
расходе, обусловленных пульсациями давления в трубопроводе. Которые могут
быть вызваны работой насосов или компрессоров или случайными колебаниями
расхода при дросселировании потока через сужающее устройство.
Схема объекта регулирования:
G2
G1
1
2
L
1 – измеритель расхода; 2 – регулирующий клапан; L – несколько метров
Рис.1
Объектом является участок трубопровода между точкой измерения
расхода (1) и регулирующим органом 2.
Динамика канала расход вещества через клапан – расход вещества через
расходомер описывается апериодическим звеном первого порядка с чистым
запаздыванием. Время  составляет зам секущ для и несколько секущих для
жидкости. Значение Т0 несколько секунд.
Ввиду малой инертности объекта регулирования особые требования
предъявляются к выбору средств автоматизации и методов расчета АСР. В
частности, в промышленных условиях инертность цепей контроля и
регулирования расхода становится соизмеримой с инертностью объекта и ее
следует учитывать при расчете систем регулирования.
Структурная схема системы регулирования расхода:
1
 p 0
5
e
Top  1
K2
T2 p  1
2
K1
3
e p
T 1 1
G0
R(p)
4
1 – объект;
2 – первичный преобразователь расхода;
4 – импульсные линии;
5 – исполнительное устройство.
Рис. 2
3 – регулятор;
Выбор закона регулирования
должно отвечать требуемым качеством
переходных процессов. Для регулирования расхода без статической
погрешности в одноконтурной АСР применяется ПИ-регулятор. Если АСР
расхода является внутренним контуром в каскадной системе регулирования
регулятор расхода может осуществить П-закон регулирования. Применение ПД
и ПИД законов в промышленных регуляторах расхода не рекомендуется из-за
наличия высокочастотных помех в счетчике расхода, что приводит к
неустойчивой работе регулятора. В противном случае необходимо
предварительное сглаживание сигнала расхода.
В системах регулирования применяют один из трех способов изменения
расхода:
1) Дросселирование потока вещества через регулирующий орган,
устанавливаемый на трубопроводе (клебен, шибер, ).
2) Изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника
энергии (изменение числа оборотов двигателя насоса, угла поворота лопастей
вентилятора).
3) Байпасирование, т.е. переброс избытка вещества из основного трубопровода в
обводную линию.
Схемы регулирования расходов после центробежного (а) и поршневого (б)
насосов.
4
1
2
1
FE
FE
FC
2
3
FC
3
4
1. Измерители расхода; 2. Регулирующий клапан; 3. Регулятор; 4. Насос.
Рис. 3
Схемы регулирования расхода сыпучих веществ.
А) Изменением степени открытия; Б)
Изменением
скорости
регулирующей
движения
1
1
4
2
5
2
PC
PC
3
3
1. Бункер; 2.
3. Регулятор;
Электродвигатель.
4.
Регулирующая
заслонка;5.
Рис. 4
В качестве датчика расхода может использоваться взвешивающее
устройство определяющее массу
Регулирование pH
Системы регулирования pH можно разделить на два типа, в зависимости от
требуемой точности регулирования:
1. Если скорость изменения рН невелика, а допустимые пределы ее колебаний
достаточно широки, применяют позиционные системы регулирования,
поддерживающие рН в заданных пределах: pH í  pH  pH â .
2. Системы, обеспечивающие регулирование процессов, в которых требуется
точное поддержание рН на заданном значении. Для их регулирования
используют непрерывные ПИ- или ПИД-регуляторов.
Особенностью объектов при регулировании pH является нелинейность их
статических характеристик, связанная с нелинейной зависимостью pH от
расходов реагентов.
Кривая титрования, характеризующая зависимость рН pH
от расхода кислоты G1.
II
Титрование – это химический анализ,
I
состоящий в постепенном прибавлении одного
I
раствора с известной концентрации.
II
На кривой можно выделить три характерных
Рис.1 Зависимость величины
участка: I – относящийся к нейтральным средам,
рН от расхода реагента
близок к линейному и характеризуется очень большим
коэффициентом усиления, II и III участки относятся к сильно щелочным или
кислотным средам, обладают наибольшей кривизной.
На первом участке объект по своей статической характеристики
приближается к релейному элементу. Практически это означает, что при расчете
линейной АСР коэффициент усиления настолько мал, что выходит за пределы
рабочих настроек промышленных регуляторов. Так как собственно реакция
нейтрализации проходит практически мгновенно, динамические характеристики
аппаратов определяются процессом смещения и в аппаратах с
перемешивающими
устройствами
достаточно
точно
описываются
дифференциальными уравнениями 1-го порядка с запаздыванием. При этом, чем
меньше постоянная времени аппарата, тем сложнее обеспечить устойчивое
регулирование процесса, так как начинают сказываться инерционность приборов
и регулятора и запаздывание в импульсных линиях.
Для обеспечения устойчивого регулирования рН применяют специальные
системы. На рисунке 2 показан пример системы регулирования рН с двумя
регулирующими клапанами.
1
2
G
G
1
2

1
QC
3
õÐ0  
0
Рис.2 Функциональная схема
õÐÍ
õÐ0   õÐ0
õÐÂ
õÐ
Рис.3 Статические характеристики
клапанов
Клапан 1, обладающий большим условным диаметром, служит для грубого
регулирования расхода и настроен на максимальный диапазон изменения
выходного сигнала регулятора õ ðí , õ ðâ (рис. 3 кривая 1). Клапан 2, служащий
для точного регулирования, рассчитан на меньшую пропускаемую способность и


G1
настроен таким образом, что при õ ð  õ0ð   он полностью открыт, а при
õð  õ0ð   - полностью закрыт (кривая 2). Таким образом, при незначительном
отклонении рН от рН0, когда õ0ð    õ ð  õ0ð  , степень открытия клапана 1
практически не изменяется, и регулирование ведется клапаном 2. Если
õ ð  õ0ð   , клапан 2 остается в крайнем положении, и регулирование
осуществляется клапаном 1.
На втором и третьем участке статической характеристики (рис.1) ее
линейная аппроксимация справедлива лишь в очень узком диапазоне рН, и в
реальных условиях ошибка регулирования за счет линеаризации может
оказаться недопустимо большой. В этом случае более точные результаты дает
кусочно-линейная аппроксимация (рис.4), при которой линеаризованный объект
имеет
ðÍ
ðÍ  k 2 G1  a2
ðÍ
ðÍ  k 0 G1
ðÍ  k1G1  a1

ðÍ 0
ðÍ 0  
ðÍ
0
G1
G10
G1
Рис.4 Кусочно-линейная аппроксимация статической
характеристики объекта при регулировании рН
переменный коэффициент усиления:
k  k 0 ïðè ðÍ  ðÍ 0   ;
k  k 0 ïðè ðÍ  ðÍ 0   ;
ðÍ - ðÍ 0   .
k  k 0 ïðè
На рис.5 приведена структурная схема такой АСР. В зависимости от рассогласования
ðÍ , включается в работу один из регуляторов, настроенный на соответствующий
коэффициент усиления объекта.
G
1
рН
Объект
рН0
R0
()
()
R0
ðÍ  
sign (ðÍ   )
()
R0
Рис.5 Структурная схема системы регулирования рН с двумя
Регулирование параметров состава и качества.
В процессах технологии большую роль играет точное поддержание
качественных параметров продуктов (состава газовой смеси, концентрации того
или иного веществ в потоке и т. п.). Эти параметры характеризуются
сложностью измерения. В ряде случаев для измерения состава используют
хроматографический метод. При этом результат измерения бывает известен в
дискретные моменты времени, отстоящие друг от друга на продолжительность
цикла работы хроматографа. Аналогичная ситуация возникает и тогда, когда
единственным способом измерения качества продукции является в той или иной
степени механизированный анализ проб.
Дискретность измерения может привести к значительным дополнительным
запаздываниям и снижению динамической точности регулирования. Чтобы
уменьшить нежелательное влияние задержки измерения, используют модель
связи качества продукта с переменными, которые измеряют непрерывно. Эта
модель может быть достаточно простой; коэффициенты модели уточняют,
сравнивая рассчитанное по ней и найденное в результате очередного анализа
значе6ние качественного параметра. Таким образом, одним из рациональных
способов регулирования качества является регулирование по косвенному
вычисляемому показателю с уточнением алгоритма его расчета по данным
прямых анализов. В промежутках между измерениями показатель качества
продукта может быть рассчитан экстраполяцией ранее измеренных значений.
Блок-схема регулирования параметра качества продукта показана на рис.6.
Вычислительное устройство в общем случае непрерывно рассчитывает оценку
показателя качества ~õ (t ) по формуле
~
õ  F (~
y (t ))  F ((t  t ), y(t ), y(t
),.....),
1
2
i
i
i -1
у(t)
xp (t)
1
~
ó (t )
4
~
õ
2
ó(ti )
3
Рис.6 Блок-схема АСР параметра качества продукта:
1-объект; 2-анализатор качества; 3-вычислительное устройство; 4регулятор
в которой первое слагаемое отражает зависимость ~õ от непрерывно измеряемых
переменных процесса или величин, а второе – от выхода экстраполирующего
фильтра.
Для повышения точности регулирования состава и качества применяют
приборы с устройством автоматической калибровки. В этом случае система
управления производит периодическую калибровку анализаторов состава,
корректируя их характеристики.
Регулирование соотношения расходов
Можно осуществить по следующим схемам
1)(а) при незаданной общей нагрузке
б) –то-же при использовании реле соотношения и обычного регулятора
1
G1
1
G1
FE
FE
2
G2
2
G2
FE
4
FFC
4
FC
FY
3
А)
FE
6
5
Б)
Рис.7
Расход G1 называется «ведущий». Может меняться произвольно, второе
вещество подается в определенном соотношении(  ) с первым, так что
«ведомый» расход равен
G1  G 2 . G реле соотношения устанавливает заданный коэффициент
соотношения, который подается в виде заданного регулятору 5, а он
обеспечивает поддержание ведомого расхода G2.
(в) при заданной общей нагрузке
2) при заданной общей нагрузке и коррекции коэффициента т.е. соотношение по
5
третьему
параметру
FC
FC
7
7
5
1
1
G1
G1
FE
FE
2
2
G2
G2
FE
FE
4
FFC
4
FFC
3
3
8
TC
FFY
9
1,2 измерители расхода , 3 регулятор соотношения , 4,7-регулирующие клапаны
, 5- регулятор расхода , 6- реле соотношения , 8- регулятор температуры , 9устройство ограничения предназначено для ограничения
Рис. 8
В случае изменения задания по расходу G1,автоматически изменяется и расход
G2
---- Предназначено для ограничения  н     в
FFY
АСР соотношения расходов является внутренним контуром в каскадной
системе регулирования заданного технологического параметра ( t 0 C ) при этом
заданный коэффициент соотношения устанавливается внешним регулятором в
зависимости от этого параметра G1  G 2
Регулирование уровня
Уровень является косвенным показателем гидростатического давления в
аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального
баланса, когда приток равен стоку и скорость изменения уровня равна 0. В более
сложных процессах сопровождающихся изменением фазового состояния
вещества, уровень является не только характеристикой гидравлических, но и
тепловых и массообменных процессов. Такие процессы протекают в
испарителях, конденсаторах , выпарных установках и т. д.
В общем случае изменение уровня описывается уравнением вида
S
dL
 Gв х  Gв ых  Gоб
dt
S-площадь горизонтального сечения аппарата
Gвх  Gвых -расходы жидкости на входе аппарата и на выходе из него
G об -кол-во жидкости, образующейся (или расходуемой) в аппарате за единицу
времени
В зависимости от точности поддержания уровня применяют два способа
регулирования:
1) позиционное регулирование-уровень поддерживается в заданных достаточно
широких пределах LH  L  LB такие системы устанавливают на сборниках
жидкости или промежуточных емкостях.
LC
6
к запасной
емкости
4
5
3
2
LE
1
1-насос, 2-аппарат, 3-сигнализатор уровня,
регулирующие клапаны
Рис.9
4-регулятор
уровня,
5,6-
При достижении предельно допустимого значения уровня происходит
автоматическое переключение тока на запасные емкости.
2) непрерывное регулирование при котором обеспечивается стабилизация
уровня на заданном значении L  L0
Особенно высокие требования предъявляются к точности регулирования
уровня в теплообменных аппаратах в которых уровень жидкости существенно
влияет на тепловые процессы. Например в паровых теплообменниках уровень
конденсата определяет практическую поверхность теплообмена. В таких АСР
используют ПИ ..ра.
При отсутствии фазовых превращений в аппарате уровень в нем
регулируют одним из 3-х способов: а)регулирование на «притоке»
б)регулирование на «стоке»
в)регулирование соотношения расходов жидкости на входе и выходе из
аппарата с коррекцией по уровню
FF
2
LC
LC
2
1
LC
FFC
FE
Рис. 10
в случае когда гидродинамические процессы в аппарате сопровождаются
фазовыми превращениями, можно регулировать уровень изменением подачи
теплоносителя (или хладагента).
пар
2
3
1
LC
Греющий пар
1-испаритель, 2-регулятор, 3-регулирующие клапаны
Рис. 11
в таких аппаратах уровень взаимосвязан с другими параметрами (ZB давлением
), поэтому выбор способа регулирования уровня должен выполняться с учетом
остальных контуров регулирования
Регулирование теплообменников смешения
Для создания необходимого температурного режима в химических
аппаратах используют передачу энергии в результате смешения двух веществ
с разным теплосодержанием.
Во многих задачах регулирования состава или температуры в
резервуаре с мешалкой при определении передаточных функций принимают
перемешивание идеальным. Тогда объект описывается дифференциальным
уравнением первого порядка с постоянной времени, равной времени
пребывания в резервуаре.
Однако на практике отмечается запаздывание, по истечении которого
изменение концентрации или температуры питания происходит на выходе из
резервуара. Это запаздывание (называемое запаздыванием смешения)
зависит от размеров резервуара, вязкости жидкости, конструкции и скорости
вращения мешалки, определяющих интенсивность перемешивания.
Экспериментальные исследования показывают, что в первом приближении
запаздывание смешения можно принять равным (2—5)n 1 для плоской
лопастной мешалки и (1,1 – 2)n 1 — для турбины (где n — число оборотов
мешалки в единицу времени).
Рассмотрим статические характеристики процесса смешения, в аппарате
непрерывного типа, в котором смешиваются два потока с расходами G1 и G2 ,
температурами 1 и  2 и удельными теплоемкостями c p1 и c p 2 .
а) принципиальная схема
G2 ,  2 , с р 2
G1 , 1 , с р1
G1  G2 , , с р
б) структурная схема
1
G2
2
z

G1
Рис.12
Найдем статические характеристики объекта по каналу регулирования
G1 - 1 и каналам возмущения G2 -  2 , 1 -  2 (см. рис.б).
Уравнение теплового баланса:
G1 · 10 · c p1 + G2 ·  2 · c p 2 =( G1 + G2 )·  с р ,
(1)
10 - заданная температура потока.
где с р =( G1 · c p1 + G2 · c p 2 )/( G1 + G2 ).
(2)
Отсюда

G1  10  c p1
G1  c p1  G2  c p 2

G2   2  c p 2
(3)
G1  c p1  G2  c p 2
Как видно из уравнения (3), характерной особенностью теплообменников
смешения является нелинейность статических характеристик по каналам,
связывающим расход любого вещества с температурой смеси  , и линейность
характеристик по температурным каналам 1 -  и  2 -  .
При условии малых отклонений координат объекта от их заданных значений
можно провести линеаризацию зависимости (3) и найти приближенно
коэффициенты усиления объекта по каждому каналу.
Обозначим заданные значения входных и выходных координат через
0
G1 , G20 , 20 , и разложим функцию (3) в ряд Тейлора в малой окрестности
G10 , G20 , 20 .
0
  
 
 G1  G10  
    
 G1 
 G2
0


0

 
 G2  G20  

  2


0

  2   20 ,



G20  c p1  c p 2  (10   20 )
  
 
где 
2
G10  c p1  G20  c p 2
 G1 
0

 

 G2

G 0  c  c  ( 20  10 )

  1 p1 p 2
2
G10  c p1  G20  c p 2

0

(4)

G20  c p 2
  

  0
G1  c p1  G20  c p 2
  2 
0


Переходя к отклонениям y     0 , х р  G1  G10 , хВ1  G2  G20 , х В 2   2   20 ,
получим уравнение статической характеристики в виде:
y  k p  x p  k1  x B1  k 2  x B 2 ,
0
  
 ,
где k p  

G
 1
 
k1  
 G2
0

 
 , k 2  

  2



0
Анализ зависимостей (4) показывает, что даже при обычных возмущениях,
наблюдаемых на практике, ошибка в результате линеаризации может
оказаться существенной. Например, при увеличении расхода G2 на 30% по
сравнению с заданным коэффициент усиления k p может измениться на 5—
25%, k1 — на 25—40% от расчетных, в зависимости от соотношения расходов
G1 и G2 . Стабилизация отношения
G1
  0 позволяет уменьшить влияние этой
G2
нелинейности, так как (из уравнения (3) ):

10  с р1
G
с р1  2  c p 2
G1

 20  c p 2
G1
 c p1  c p 2
G2

10  c p1
c p1 
1
0

 c p2
 20  c p 2
 0  c p1  c p 2
и при отсутствии других возмущений, кроме G2, будет обеспечиваться
постоянство выходной температуры.
Наличие других источников возмущения, кроме G2, потребует введения
коррекции  0 .
Рассмотрим несколько вариантов систем автоматизации теплообменников
смешения и проведем их сравнительный анализ по качеству процессов
регулирования.
Вариант 1.
G2
G1
Т
С
1

G1
2
z

G1
Объект
0
Регулят
ор
Рис. 13
Задача стабилизации выходной температуры смеси  решается
применением одноконтурной замкнутой системы регулирования, в которой
регулирующим воздействием является расход G1 . Использование регулятора с
ПИ- или ПИД законом регулирования гарантирует поддержание заданного
значения  в установившемся режиме, однако качество переходного процесса
может оказаться неудовлетворительным при большой инерционности канала
регулирования и сильных возмущениях.
Вариант 2.
G1
F
E
F
F
C
G2
F
E

Регулято
р
G

0
R
z
G1
FF
C
Р
ис
.5
б)

Объек
т
Т
С
F
E
а
G2
Регулятор
2
0
2
Z
R

G1
0
Регулятор
1
R
б
Рис.4 Функциональная (а) и структурная (б) схемы каскадной
АСР температуры в теплообменнике смешения: 1-регулятор
температуры; 2 – регулятор соотношения расходов
Рис. 14
Вариант 2 включает систему регулирования соотношения расходов G1 и G2.
Это разомкнутая система регулирования,
способная
обеспечить
инвариантность регулируемой температуры смеси  к возмущениям по
расходу G2 , однако при наличии любого другого возмущения  не будет
равна заданной.
Вариант 3 (рис. 4) отличается от предыдущего введением коррекции
коэффициента соотношения в зависимости от значения температуры второго
потока  2 , так что корректирующее устройство 2 является компенсатором
возмущения по  2 . Таким образом, данная система регулирования может
обеспечивать независимость выходной температуры от двух основных
возмущений - G2 и  2 . Однако при наличие других возмущений (например,
изменение теплопотерь в окружающею среду) температура будет
отклоняться от заданной.
Варианты 4 и 5 являются разновидностями комбинированных АСР, в
которых обеспечивается компенсация основных возмущений и вводится
обратная связь по регулируемой координате.
Вариант 4 – система регулирования соотношения расходов G1 и G2 с
коррекцией коэффициента соотношения по выходам температуры смеси  (рис.
5), т.е. двухкаскадная АСР. Основным (внешним) регулятором является
регулятор температуры 1, а вспомогательным (внутренним) – регулятор
соотношения 2, осуществляющий компенсацию возмущения по расходу G2.
2
1
ТС
ТY
ТE
G2, 2
G1
ТЕ
Rк

Рис.G52 а)
2
Z

G1
Объект
Регулятор
R
0
0
1 – регулятор температуры; 2 – компенсатор.
Рис.14 Функциональная (а) и структурная (б) схемы комбинированной
АСР температуры в теплообменнике смешения:
Лекция №7 Тема: Системы двухпозиционного регулирования
Такие системы имеют в своем составе 2-х позиционный регулятор,
выходная величина которого может принимать 2 значения, соответственно
минимальные Xmin и максимальные Xmax величины, регулирующего воздействия
на объект. Такие системы относятся к нелинейным. На рис.1 представлена
структурная схема нелинейной АСР.

х
у
Wоу
Рис. 1 Нелинейная АСР
Если объект регулирования в динамическом отношении представлении
интегрирующим звеном с передаточной функцией:
W
Ê îá
,
Òð
то при поступлении на вход объекта регулирующего воздействия Хрег=В
регулируемая величина будет изменяться по линейному закону:
Õ  Ê îá  Â  t
Если на вход объекта будет подано воздействия Хрег=-В, то регулируемая
величина будет изменяться в обратную сторону:
Õ   Ê îá  Â  t
При этом в замкнутой АСР при релейной статической характеристики
регулятора (рис.3) зона не чувствительности 2а в установившемся режиме
возникают автоколебания (рис.4).
Хр
Если объект представляет
Â
W=
Ê îá
Òð
  arctgT
2a
Â

t
Рис.2 Переходная характеристика объекта
управления
Рис.3 Статическая
характеристик арегулятора
апериодическое звено 1-го порядка с передаточной функцией
Wîá 
t1
t2
Ê
Òð  1
T=t1+t2
a
t
-a
Â
t
Â
то при поступлении на вход регулирующего воздействия Хрег=-В, регулируемая
величина будет изменяться по экспоненциальному закону :

Ò
Õ  Ê îá  Â  (1  å )
Характер автоколебаний примет вид:
t1
a
t
-a
Â
t
Â
t2
В общем случае регулятор может оказывать в одну сторону воздействие
В1, а в другую В2, причем В1  В2.
Ê îá  å ð
Если объект управления имеет запаздывание, т.е. W 
.
Òð
a
t
-a

a
 ð
å
t
-a
Уменьшение зоны не чувствительности 2а приводит к уменьшению
периода колебаний Т, и увеличению числа переключений
регулятора.
Уменьшение числа переключений возможно за счет количества энергий
коммутируемых регулятором при этом следует иметь ввиду, что регулируемое
воздействие регулятора должно полностью компенсировать самые большие
возможные возмущающие воздействия на объект. Увеличение постоянной
времени объекта при прочих равных условиях увеличивает период колебаний и
уменьшает частоту переключений регулятора. Уменьшение диапазона
колебаний регулируемой величины при двухпозиционном регулировании
возможно за счет количества энергии коммутируемой регулятором в результате
чего снижается скорость изменения регулируемой величины при переключениях
регулятора. Улучшение качества двухпозиционных регуляторов
путем
уменьшения количества коммутируемой регулятором энергии называется
методом неполного притока и оттока.
2
1
При полностью закрытом вентиле 1 в обходной линии система
осуществляет неполный отток энергии, при закрытии регулируется
соленоидным вентилем 2.
Второй метод – метод прерываний (двухпозиционное импульсное
регулирование). Осуществляется за счет кратковременных принудительных
переключений регулятора в противоположное состояние. При этом скорость
увеличения и уменьшения значений регулируемой величины значительно ниже
и диапазон колебаний.
Зд1
Д
ГИ
Где Д – двухпозиционный датчик;
ГИ – генератор импульсов.
Хр
Зд2
Лекция № 8 Тема : Автоматизированные системы управления (АСУ)
Общие вопросы управления
АСУ - сложная управляющая система, в которой совместно
использованы
возможности
персо
нала
управления,
современной
информационно-вычислительной
техники,
математических
методов
оптимального управления.
Управляющая часть этих систем представляет собой совокупность людей
(персонала управления) и вычислительных машин. На основе рационального
распределения между ними разнообразных управляющих функций стремятся
наилучшим образом использовать возможности тех и других, достигнуть
лучшего эффекта управляющей части в целом. Если в системах автоматического
управления или регулирования все функции по управлению осуществляются без
непосредственного участия человека с помощью специальных технических
устройств (регуляторов), а в традиционных системах производственного или
административного (организационного) управления они возлагаются на
персонал, то решение задач управления совместно персоналом и техническими
устройствами (ЭВМ) - первая характерная черта автоматизированных систем.
Подобное построение управляющей части системы связано с переходом от
автоматизации управления отдельными параметрами ТП, агрегата или даже
связанного управления рядом параметров процесса в одном агрегате к
управлению значительно более сложными объектами – производственными
комплексами, участками производства, предприятиями и т.п.
Такое построение управляющей части связано с переходом от решения
сравнительно
простых
задач
стабилизации
заданных
параметров
технологических режимов работы агрегатов или поиска допустимых планов
работы производственных комплексов к решению значительно более трудных
задач оптимизации работы агрегатов, производственных комплексов, сложных
социально-экономических систем.
При современном уровне развития техники управления взаимодействие
персонала и технических устройств в АСУ оказывается наиболее плодотворным,
т.к. управление только персоналом недостаточно эффективно, управление
только ЭВМ невозможно. Конкретное распределение в АСУ функций между
ЭВМ и персоналом управления, степень автоматизации функций управления
определяются тем, в какой мере можно получить в ЭВМ всю необходимую для
управления информацию, подготовить математическое описание управляемого
процесса и эффективные алгоритмы выбора оптимальных управляющих
воздействий.
Распределение
функций
зависит
от
экономической
целесообразности их автоматического выполнения, надежности имеющихся
технических средств в АСУ. Этим же определяются и функции вычислительных
машин в системе.
Функции ЭВМ в АСУ
1) В простейшем случае вычислительная машина предназначена лишь для
организации сбора, накопления и первичной переработки информации.
Информация обрабатывается и представляется персоналу управления
(оператору, диспетчеру и др.) в виде, удобном для восприятия. На основе этой
информации персонал принимает и реализует решения по управлению
производством. Решения оператора реализуются без участия ЭВМ, хотя в
отдельных случаях ЭВМ используется в качестве средства накопления команд
управления, выработанных персоналом, и передачи этих команд
непосредственно на рабочие места. Такой режим использования ЭВМ в
автоматизированных системах управления называют информационновычислительным.
2) Вычислительные машины могут быть использованы в системах для
подготовки рекомендаций (советов) по управлению. В этом случае, кроме
выполнения информационных функций, вычислительные машины решают также
различные задачи планирования и управления и выдают персоналу
рекомендуемые решения. Персонал имеет также возможность вводить в машину
свои варианты решений по управлению, как для их оценки, так и для
обязательного выполнения. Такой режим использования ЭВМ в АСУ называется
управляющим.
3) Характерная особенность использования ЭВМ в АСУ в настоящее время
- решение задач управления на научной основе. Широкое использование
современных ЭВМ в управляющей части АСУ позволяет искать, подготавливать
и рекомендовать не только допустимые, но и наилучшие в некотором заданном
смысле управления. Мы их называем оптимальными. Используя ЭВМ, мы
получаем возможность искать подобное оптимальное управление достаточно
строго, формализованными (математическими) методами.
В качестве основных элементов научного управления в АСУ отметим
такие, как:
- системный анализ объекта и задач управления, основанный на
многостороннем рассмотрении сложных, взаимосвязанных явлений;
- постановка задачи управления, как задачи оптимизации по
некоторому критерию оценки эффективности функционирования
системы;
- построение структуры решения общей задачи управления и
структуры системы путем достаточно строгой декомпозиции
(разложения) общей задачи высокой размерности на ряд
взаимосвязанных локальных и координирующих задач;
- использование
экономико-математических
моделей
объекта
управления для прогноза поведения и выбора оптимальных
управлений.
Для создания автоматизированных систем управления необходимо
решение, по крайней мере, 3 групп задач:
1) описания механизма функционирования данной системы, критериев
и методов управления ею;
2) проектирования технической структуры и технических средств
получения, передачи и переработки информации;
3) организация производства в условиях автоматизации управления.
При разработке современной АСУ можно выделить следующие ее этапы:
исследование и описание объекта, постановку задачи управления;
- синтез алгоритмической и функциональной структур системы;
- создание информационной и технической структур;
- подготовку математического обеспечения (моделей, алгоритмов,
программ);
- синтез системы в целом (ее системная спецификация).
История создания АСУП
История развития автоматизации производства включает в себя несколько
этапов.
1. Локальные САР, в которых каждый автоматический регулятор отвечал
за функционирование своего контура регулирования. ("Локальные" [лат. Lokalis]
- местный, свойственный данному месту, не выходящий за определенные
пределы). Локальные системы управления технологическим оборудованием и
процессами предназначены для контроля и управления отдельными, не
связанными между собой объектами и в иерархической системе управления
образуют нижний уровень. Эти системы одноконтурные и однофакторные,
степень автоматизации - частичная. Локальные системы управления выполняют
следующие функции: автоматический контроль, учет, защиту, блокировку и
логическое управление. Согласованная работа локальных контуров, число
которых в ТП может быть большим, проводиться оперативным персоналом.
2. Следующий этап развития - автоматизированные системы управления
ТП. АСУТП – это человеко-машинный комплекс, предназначенный для решения
различных задач управления технологическими процессами.
Локальные САР входят в АСУТП, как составная часть согласование
контуров регулирования в АСУТП проводит также оперативный персонал, но с
использованием ЭВМ.
3. АСУП - автоматизированные системы управления производством
(предприятием).
Управление
производством
это
информационный
процесс,
обеспечивающий выполнение какого-либо материального процесса и
достижение им определенных целей.
Сравнительный анализ АСУТП и АСУП
Управление производством и ТП имеет ряд отличий:
1) Производством управляют люди, в процессе управления они
воздействуют на людей. Технологическим процессом также управляют люди, но
они воздействуют на "вещи" – средства производства и предметы труда.
Средством труда в современном производстве является машина, человек
получает данные о работе машины – ее состоянии, о наличии и качестве сырья,
материалов и готовой продукции, сравнивает их с плановыми и нормативными
данными, принимает решение и передает его машине, изменяя режим ее работы.
В системе «человек – машина» - человек – субъект управления; машина - объект
управления.
2) Продукт труда в управлении ТП - продукт производства или услуга.
Продукт труда в управлении производством – информация.
3) При управлении ТП осуществляется координация составляющих
производственного
процесса,
отдельных
технологических
операций
технологического процесса, а не людей, как при управлении производством. Это
третье отличие.
4) Управление осуществляется циклично, длительность циклов зависит от
уровня управления. Самые короткие циклы используются при управлении ТП. В
самом коротком цикле управления производством имеется несколько циклов
управления ТП.
5) Только в управлении ТП можно создать автоматические системы с
замкнутой обратной связью. На других уровнях управление осуществляется
людьми, и автоматическое управление невозможно.
6) Основной объект управления в АСУТП - технологический процесс,
оборудование, в АСУП – объединение производств, производство или его части.
Автоматизация управления производством (предприятием) основана на
применении современных методов и средств автоматической обработки
информации для учета, анализа, планирования и принятия управленческих
г) Интегрированная
АСУ
а) САРЗаданАСУП
Отчеты
б) АТК
Задан
Отчеты
ие
ие
Производстве Отчеты
АСУТ _
УправляющЛР
Сигналы
д, Yд>
АСУТ
Задан I=<X
П
_ персонал
ие сигналы
к датчикам
нный
ие
U = φ(I,
П
I
I
Z*)
U
ОР
_
ТОУ
ТОУ
в) АПК
АСУП Отчеты
Задани
е
Производствен
ный_ персонал
I
U
решений. В системах автоматического управления все функции по управлению
осуществляются без непосредственного участия человека с помощью
Рис. 1
регуляторов, в АСУП и АСУТП решения по управлению осуществляются
совместно персоналом и ТСА (включая ЭВМ).
ТОУ – средства производства, технологические процессы, используемые в
производстве материальных услуг;
АТК – автоматизированный технологический комплекс;
АПК – автоматизированный производственный комплекс.
Функции АСУП: контроль, учет, анализ, планирование.
Объединение нескольких АСУТП между собой и АСУП, осуществляемое с
целью повышения общей технической и экономической эффективности,
ВНЕШНЯЯ СРЕДА
Отраслевая
АСУ
АСУП
предприятием
верхний уровень
управления
производством
АСУП
производством
средний уровень
управления
производством
АСУ
агрегата
ТП
ТП
АСУ
агрегата
ТП
ТП
ТП
АСУ
агрегата
ТП
приводит к появлению интегрированных
иерархическому принципу.
нижний уровень
управления
производством
ТП
ТП
ТП
АСУ,
которые
объект
управления
строятся
по
Рис. 2
На верхней ступени стоит отраслевая АСУ (ОАСУ), с которой
последовательно связаны АСУ на предприятии, АСУ в цехах и на участках, а на
нижней ступени находятся АСУТП.
Функциональная структура взаимодействия АСУТП и АСУП в
интегральной АСУ
Рассмотрим функциональную структуру взаимодействия АСУП с АСУТП.
АСУП
з
о
о
9
Блок
связи
о
8
и
з
Оперативный
персонал
Вторичные
приборы и
автоматические
регуляторы
и
7
з
з
з
4
Датчики
и
Преобразователи
3
2
_
Х
ЛР
НЦУ
ИМ+РО
5
_
ТОУ
6
и
и
и
УВК
1
РУ, ДУ
Y
Рис. 3
Функции всех элементов АСУТП.
1. ТОУ - источник информации в АСУТП в виде набора технологических
параметров X=(X1,X2,…,Xm) и потребитель информации в виде регулирующих
воздействий Y=(Y1,Y2,…,Yn). В качестве ТОУ может быть вся технологическая
цепочка, отдельные ее узлы или агрегаты.
И - информация; з - задание (управление); О - отчет; РУ - ручное
управление; ЛР - локальное регулирование; НЦУ - непосредственное цифровое
управление.
2. Датчики (первичные измерительные преобразователи, чувствительные
элементы) - средства получения информации в АСУ.
3. Преобразователи - это средства преобразования и передачи информации
в АСУТП.
4. ВП и АР – в совокупности составляют средства локального
регулирования. ВП служат источником визуальной информации для ОП.
5. ИМ+РО - это средства реализации регулирующих воздействий на ТОУ.
6. УВК - средства вычислительной техники, специализированная ЭВМ,
предназначенная для вычислений и для реализации функций АСУТП.
7. Оперативный персонал - технологи, специалисты по автоматизации,
операторы ЭВМ, программисты, электронщики - непосредственно отвечающие
за оперативное управление процессом.
8. Блок связи- средства телефонной, телевизионной, компьютерной,
организационной связи АСУТП с вышестоящей АСУП.
9. АСУП - автоматизированная система управления производством
(предприятием).
Выполняет функции: маркетинга, календарного планирования, поставок
сырья, сбыта готовой продукции, финансирования и т.д.
Объектом управления для АСУ завода является трудовой процесс
непосредственного производства товарной продукции и вся административнохозяйственная деятельность предприятия, неизбежно сопровождающая основной
процесс производства продукции.
Для современной черной металлургии характерна высокая степень
концентрации производства: расширение предприятий и выпуск основной части
всей продукции своей отрасли сравнительно небольшим числом крупных
заводов. Стремление к концентрации производства вызвано экономическими
показателями крупных предприятий.
При увеличении объема производства на 1%, себестоимость продукции
снижается на 0,05%. Однако, полное использование всех возможностей
высококонцентрированного,
крупного
производства
сдерживается
возрастающими при этом трудностями управления. Огромный ассортимент и
объем выпускаемой продукции, большое число и разнообразие ТП, агрегатов и
режимов их работы, высокий уровень возмущений - все это требует высокого
уровня организации системы управления предприятием, т.е. способности
оперативно принимать множество хорошо обоснованных решений, каждое из
которых основано на анализе разнообразной информации, прогнозе и оценке
большого числа возможных вариантов режимов работы для значительного числа
агрегатов.
Режимы работы АСУТП, информационные потоки в ИАСУ
Режимы работы АСУТП: 1) автоматизированные;
2) автоматические.
Автоматизированные режимы можно разделить на:
1. Режим ручного управления (РУ), когда оперативный персонал (ОП)
непосредственно воздействует на регулирующие органы (РО), управляя
процессом.
Этот режим предусматривается в обязательном порядке в любой АСУТП и
применяется в случае технических отказов средств автоматизации и при
ВП
Х
1
2
И
И
3
ОП
И
4
7
РУ
У
5
1
выполнении функции АСУТП запуск и останов оборудования.
В этом режиме имеем разновидность АСУТП без вычислительного
комплекса.
Режим дистанционного управления.
АСУТП с ВК, выполняющим информационные функции. Эта
разновидность АСУТП включает в себя локальные системы автоматического
контроля, регулирования, объединенные центральным пультом управления, на
котором работает оператор. В соответствии с технологической инструкцией
оператор
осуществляет
дистанционное
управление
отдельными
исполнительными механизмами или изменяет задания регуляторам в локальных
системах регулирования. ВК выполняет информационные функции
1
И
Х
И
2
3
6
ИМ
ДУ
И
7
У
5
з
1
ЛР
4
АР
централизованного контроля, вычисление некоторых комплексных показателей,
а также контроля работы и состояния оборудования. ВК дает оператору
дополнительную информацию, которую он использует при управлении
процессом.
3. Режим " совета "- кроме выполнения информационных функции УВК
сам решает задачу управления, т.е. вычисляет управляющие воздействия и
выдаёт рекомендации - «советы» - оперативному персоналу. Персонал
анализирует эти советы, вносит при необходимости какие-то изменения и выдает
задания автоматическим регулятором с пульта управления вручную.
При реализации режима " совета " имеем разновидность: советующая
АСУТП.
ОП
1
Х
И
2
Советы
И
3
6
И
7
4
И
з
АР
ИМ
ЛР
4
АР
5
У
1
4. Режим "диалога" – ОП проводит оптимизацию технологического
процесса, активно используя при этом ЭВМ. Для этого разрабатывается
специальная интерактивная (диалоговая) программа обмена данными между
УВК и персоналом управления.
1 1
ХХ
22
И
И
И
И
33
УВК
ВП
АР
ОП
И
зЛР
47
64
ВП
косвенное
7
ИМ
АР У
ИМ
ЛР
54
12
У
1
Диалог
управление
И
6
Диалоговая АСУТП описывается данным графом.
Автоматические режимы работы АСУТП делятся на:
1. Режим супервизорного управления (косвенного).
Когда УВК решает задачу оптимального управления и через
автоматические задатчики устанавливает задания для локальных регуляторов.
АСУТП с ВК, выполняющим функции центрального управляющего устройства.
2. Режим непосредственного цифрового управления (НЦУ) – УВК решает
задачу оптимизации и берет на себя функцию многоканального цифрового
1
Х
И
2
И
3
УВК
6
НЦУ
ИМ
5
У
1
7
регулятора.
В этом режиме исчезает такой элемент КТС, как ВП и АР, вместе с ними и
громоздкие щитовые помещения, перечисленные выше.
Наиболее распространенным режимом работы АСУТП на практике
является режим «совета». В АСУТП в данный момент времени могут
реализоваться все режимы одновременно по различным локальным каналам
управления.
Лекция 9. Тема: Постановка задачи автоматизированного управления
Общее представление об управлении производственным процессом
В современных условиях для эффективного автоматизированного
управления производством необходимо хорошо ориентироваться в
математических методах анализа организационно-управленческих проблем и
иметь четкое представление о той роли, которую эти методы играют в
производственной сфере деятельности предприятия.
Проблему управления производственным процессом в самом общем виде
можно сформулировать следующим образом: управление производственным
процессом заключается в планировании и контроле применительно к входным,
промежуточным и выходным потокам определенных материальных
компонентов на том или ином промышленном предприятии с целью получения
оптимальной прибыли в пределах возможностей и в соответствии с общими
тенденциями развития предприятия.
Таким образом, для автоматизированного управления производственным
процессом требуется способ, с помощью которого можно было бы получать
непрерывные оценки потребительского спроса, финансовых возможностей,
ресурсов рабочей силы и т.д. Эти оценки должны учитывать не только текущие
значения упомянутых выше параметров, но и их возможные изменения в
будущем.
Структура производственного процесса
Структуру производственного процесса можно изобразить в виде блок
производственнотехнический блок
процесс переработки
руководящие
указания
информация
производственнотехнический блок
процесс переработки
поток
информация
руководящие
указания
производственнотехнический блок
процесс переработки
поток
производственнотехнический блок
процесс переработки
схемы:
Рис. 1 Структура производственного процесса в представлении вход-выход
На входе мы имеем сырье, используемое в процессе получения конечного
продукта. Термин сырье здесь применяется в обобщенном смысле. Во входном
блоке могут присутствовать не только сырьевые материалы (уголь, железная
руда, и т.д.), но и готовые изделия (детали машин, полупроводниковые элементы
и т.д.), являющиеся компонентами более сложных изделий, выпускаемых на
предприятии.
В ходе производства за счет использования комплексного ресурса
(технических средств, времени, финансов, квалифицированного персонала,
искусства управления и т.д.) происходит превращение сырья в готовую
продукцию, фигурирующую на выходе.
Управление производством предполагает прогнозирование с целью
определения оптимальных объемов выпускаемой продукции, уточнение
потребностей в сырье, долгосрочное планирование производства, а разработку
детализированных планов реализации текущих процедур и операций во всех
узлах производственного контура.
Степень сложности процесса превращения исходных материалов в
готовую продукцию в зависимости от структуры предприятия изменяется в
широких пределах. Потоки материальных компонентов, участвующих в
технологических процессах могут носить как непрерывный, так и дискретный
характер.
Выходной продукт может появиться в результате сборки, комплектации и
т.д. многих разнотипных элементов, изготавливаемых в разных узлах
производственно-технологического контура.
В процессе переработки исходного сырья в конечный продукт
выполняется различное число технологических процедур.
Однако, независимо от характера этих процедур, производственный
процесс может протекать лишь при условии, что этим процессом управляют в
той или иной степени.
Функции управления производством. Количественный анализ
Структура функций, связанных с управлением производством, включает
следующие основные элементы:
1) прогнозирование спроса на выпускаемую продукцию, позволяющие
представить прогнозируемые величины, как функции времени;
2) слежение за фактическим спросом, сравнение наблюдаемого спроса
с запрогнозированным и (в случае необходимости) уточнение
составленных ранее прогнозов;
3) определение экономически обоснованных объемов заказов при
закупке готовой продукции, полуфабрикатов или сырья и
экономически оправданных объемов производимой продукции;
4) определение экономически обоснованной системы управления
запасами;
5) определение производственных потребностей и уровней запасов в
конкретные моменты времени;
6) слежение за уровнем запасов, сравнение текущих объемов запасов с
запланированными и (в случае необходимости) пересмотр планов
выпуска продукции;
7) составление детализированных календарных планов выпуска
продукции, оформление производственных заданий, распределение
нагрузок в рамках имеющегося машинно-агрегатного парка и т.д.
8) сетевое планирование работ с использованием сетевых методов
(сетевой метод PERT [Program Evaluation and Review Technikque] –
«Программа развития и обзора»; сетевой метод «дерево» и т.д.)
Внедрение в деятельность промышленного предприятия электронновычислительной техники и автоматизированных систем обработки информации
создают условия для централизации управления производственным процессом и
использование в процессе выполнения перечисленных выше функций
управления производства методов количественного анализа.
Этот переход к решению задач организационного управления заключается
в следующем.
Мы начинаем с рассмотрения реальной ситуации и пытаемся отобразить ее
на некоторую математическую модель. Такого рода модели в большинстве
случаев представляют собой упрощенные описания реальных ситуаций.
Результат анализа выбранной нами модели формируется в виде
управляющего решения. Поскольку речь идет о решении практических задач
организационного управления, в каждом конкретном случае на основе модели
должны формироваться решения, поддающиеся проверке на оптимальность.
Подтверждение того, что получаемые решения отвечают предъявленным к
ним требованиям, может быть достигнуто либо в результате надлежащим
Реальная
ситуация
Управляющее
решение
Структуризация
Модели
Оптимизация
Формирование
управляющего
воздействия
образом построенного статистического анализа, либо путем регистрации явного
улучшения качества функционирования системы управления предприятия
(производства) при практической реализации этого решения.
Внедрение АСУП на предприятии оправдано, если облегчается
организационная деятельность или позволяет добиться положительного
Рис. 2 Подход к решению задач организованного управления с помощью
исследования операций
экономического эффекта. Это невозможно, если исходные данные не
обладают достаточной точностью и достоверностью. Не исключено также, что
при использовании в управлении производством современных методов
оптимизации, мы лишь повысим оперативность управления и стабильность
производственного процесса.
Структурно процесс количественного анализа на основе метода
исследований операций можно представить в виде следующей схемы.
Лекция 10 Тема: Промышленная сеть для поддержки АСУ
В современных системах автоматического управления промышленная
связь играет исключительно важную роль. Она обеспечивает взаимодействие
управляющих систем между собой, а также соединяет их с информационными
системами более высокого уровня.
Принципы построения промышленной сети
Существует два основных принципа построения структуры
промышленной
сети
для
АСУ
ТП.
Первый – централизованная структура, в которой центром системы является
мощное вычислительное устройство, от которого «звездой» подключаются
оконечные устройства управления и исполнительные механизмы. Данный
принцип построения является наиболее удобным в смысле администрирования,
поскольку есть единая точка контроля над всей системой. Однако такая
структура ненадежна: выход из строя «центра звезды» вызывает простой всей
сети. Эту проблему можно решить за счет создания «дублирующего центра», но
такой вариант приводит к значительному удорожанию сети в целом. Еще один
минус – отсутствие возможности расширения функционала системы. При
необходимости добавления большого количества исполнительных механизмов
приходится менять центральное устройство, что само по себе нерационально и
убыточно.
Второй принцип – распределенная структура, состоящая из множества узлов,
между которыми осуществляется обмен данными по цифровым каналам
промышленной сети. Такой вариант построения является, конечно, более
дорогим с точки зрения затрат на администрирование, зато более надежным –
при выходе из строя одного из узлов система продолжает функционировать.
Распределенная структура более гибкая и позволяет наращивать систему без
существенного изменения действующей ее части. Кроме того, она дает
возможность расположить узлы, в качестве которых выступают контроллеры и
интеллектуальные устройства ввода-вывода, максимально близко к оконечным
устройствам (датчикам и исполнительным механизмам), за счет чего
сокращается длина сигнальных кабелей. Это позволяет не только экономить на
сигнальных кабельных линиях, но и избежать необходимости строить
дополнительные громоздкие конструкции для прокладки кабеля.
Для передачи данных в промышленной сети существует множество
протоколов и интерфейсов, например Modbus, Ethernet, CAN, LON, PROFIBUS и
др. Протоколы разработаны с учетом особенностей производства и технических
систем, обеспечивают надежные соединения и высокую точность управления.
Оборудование, для которого они предназначены, должно устойчиво работать
при высоких температурах или влажности, в условиях сильной вибрации или
химически активной среды.
Структура АСУ ТП
Промышленные АСУ ТП строятся по принципу трехуровневой
системы.
Нижний уровень (полевой) – состоит из датчиков и исполнительных
механизмов, устанавливаемых на технологических объектах. Для связи с
датчиками
используются:
- AS-интерфейс – для организации связи с датчиками и исполнительными
устройствами.
Позволяет подключать датчики и исполнительные механизмы к системе
управления на основе построения сети с использованием одного двухжильного
кабеля, посредством которого обеспечивается как питание всех сетевых
устройств, так и опрос датчиков и выдача команд на исполнительные
механизмы;
- HART-протокол – основан на методе передачи данных с помощью частотной
модуляции, при этом цифровой сигнал накладывается на аналоговый токовый.
Частотно-модулированный сигнал является двухполярным и при использовании
соответствующей фильтрации не искажает основной аналоговый сигнал 4–20
мА.
Средний уровень (контроллерный) – состоит из промышленных
контроллеров, силовой, сигнализационной автоматики и прочих устройств
аналого-цифрового, цифро-аналового, дискретного, импульсного и другого
преобразования, а также устройств для сопряжения с верхним уровнем
(шлюзов). Для передачи данных на этом уровне могут применяться интерфейсы
и
протоколы
PROFIBUS,
Modbus,
СAN,
LON
и
Ethernet.
Рассмотрим протокол PROFIBUS с точки зрения применения на среднем уровне
АСУ ТП.
PROFIBUS – семейство промышленных сетей, обеспечивающих
комплексное
решение
коммуникационных
проблем
предприятия.
Под этим общим названием понимается совокупность трех различных, но
совместимых протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA.
Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и предназначался для работы на
так называемом цеховом уровне. Основное применение – передача больших
объемов
данных.
Протокол PROFIBUS-DP используется для высокоскоростного обмена
данными
между
программируемым
логическим
контроллером
и
распределенными устройствами связи с объектом. Физическая среда передачи –
экранированная витая пара стандарта RS-485. Скорость обмена прямо зависит от
длины сети и варьируется от 100 кбит/с на расстоянии 1200 м до 12 Мбит/с на
дистанции до 100 м. Взаимодействие узлов в сети определяется моделью Master
–
Slave
(«ведущий
–
ведомый»).
PROFIBUS-PA – это сетевой интерфейс, физическая среда передачи данных
которого соответствует стандарту IEC 61158-2. Может применяться для
построения сети, соединяющей исполнительные устройства, датчики и
контроллеры, расположенные непосредственно во взрывоопасной зоне.
Верхний уровень (информационно-вычислительный) – состоит из
оборудования для визуализации технологических процессов. Для передачи
данных на этом уровне используются технологии Industrial Ethernet.
Промышленные сети верхнего уровня
Сети верхнего уровня служат для передачи данных между контроллерами
серверами и операторскими рабочими станциями. Иногда в состав таких сетей
входят дополнительные узлы: центральный сервер архива, сервер
промышленных приложений, инженерная станция и т.д. Но это уже опции.
Какие сети используются на верхнем уровне? В отличие от стандартов
полевых шин, здесь особого разнообразия нет. Фактически, большинство сетей
верхнего уровня, применяемых в современных АСУ ТП, базируется на
стандарте Ethernet (IEEE 802.3) или на его более быстрых вариантах Fast
Ethernet и Gigabit Ethernet. При этом, как правило, используется полный стек
коммуникационных протоколов TCP/IP. В этом плане сети операторского
уровня очень похожи на обычные ЛВС, применяемые в офисных
приложениях. Использование единого сетевого стандарта позволяет упростить
интеграцию АСУ ТП в общую сеть предприятия, что становится особенно
ощутимым при реализации и развертывании систем верхнего уровня типа MES
(Мanufacturing Еxecution System) .Однако у промышленных сетей верхнего
уровня есть своя специфика, обусловленная условиями промышленного
применения.
Типичными
требованиями,предъявляемыми
к
таким
сетям,являются:
1. Большая пропускная способность и скорость передачи данных. Объем трафика
напрямую зависит от многих факторов: количества архивируемых и визуализируемых
технологических параметров, количества серверов и операторских станций, используемых
прикладных
приложений
и
т.д.
В отличие от полевых сетей жесткого требования детерминированности здесь нет: строго
говоря, неважно, сколько времени займет передача сообщения от одного узла к другому – 100
мс или 700 мс (естественно, это не важно, пока находится в разумных пределах).
Главное, чтобы сеть в целом могла справляться с общим объемом трафика за
определенное время. Наиболее интенсивный трафик идет по участкам сети,
соединяющим серверы и операторские станции (клиенты). Это связано с тем, что
на операторской станции технологическая информация обновляется в среднем
раз в секунду, причем передаваемых технологических параметров может быть
несколько тысяч. Но и тут нет жестких временных ограничений: оператор не
заметит, если информация будет обновляться, скажем, каждые полторы секунды
вместо положенной одной. В то же время если контроллер (с циклом
сканирования в 100 мс) столкнется с 500-милисекундной задержкой поступления
новых данных от датчика, это может привести к некорректной отработке
алгоритмов
управления.
2. Отказоустойчивость. Достигается, как правило, путем резервирования
коммуникационного оборудования и линий связи по схеме 2*N так, что в случае
выхода из строя коммутатора или обрыва канала, система управления способна в
кратчайшие сроки (не более 1-3 с) локализовать место отказа, выполнить
автоматическую перестройку топологии и перенаправить трафик на резервные
маршруты.
3. Соответствие сетевого оборудования промышленным условиям
эксплуатации. Под этим подразумеваются такие немаловажные технические
меры, как: защита сетевого оборудования от пыли и влаги; расширенный
температурный диапазон эксплуатации; увеличенный цикл жизни;
возможность удобного монтажа на DIN-рейку; низковольтное питание с
возможностью резервирования; прочные и износостойкие разъемы и
коннекторы. По функционалу промышленное сетевое оборудование
практически не отличается от офисных аналогов, однако, ввиду специального
исполнения, стоит несколько дороже.
Промышленная сеть Industrial Ethernet обеспечивает эффективную связь
верхнего уровня и базируется на международных стандартах (IEEE
802.3/IEEE 802.3u).
На
Западе
коммуникационная
технология
построения
единой
информационной сети, объединяющей интеллектуальные контроллеры,
датчики и исполнительные механизмы, определяется одним термином
fieldbus (полевая шина, или промышленная сеть).
Fieldbus - это, во-первых, некий физический способ объединения устройств
(например, RS485) и, во-вторых, программно-логический протокол их
взаимодействия.
Корнем термина fieldbus является слово field - область, сфера, место
приложения. Промышленные сети (fieldbuses) применяются на уровне
устройств, обслуживающих реальный процесс производства и переработки
материалов. Выход в системы представления (визуализации) данных,
коммерческие и административные системы организуется, как упоминалось
выше, через стандартные офисные сети типа Ethernet через протокол TCP/IP.
Переход на fieldbus-технологию обещает улучшение качества, снижение
затрат и повышение эффективности конечной системы. Эти обещания
основаны на том факте, что принимаемая или передаваемая информация
кодируется в цифровом виде. Каждое устройство может выполнять функции
управления, обслуживания и диагностики. В частности, оно может сообщать о
возникающих ошибках и обеспечивать функции самонастройки. Это
существенно увеличивает эффективность системы в целом и снижает затраты
по ее сопровождению. Серьезный ценовой выигрыш получается за счет
проводников и монтажных работ: аналоговая технология связи требует, чтобы
каждое устройство имело собственный набор проводов и собственную точку
соединения. Fieldbus устраняет эту необходимость, так как использует всего
одну витую пару проводников для объединения всех активных (контроллеры)
и пассивных (датчики) устройств.
В число узлов сети входят компьютеры, выполняющие функции NC и
SCADA. Это могут быть обычные персональные компьютеры и
специализированные программируемые логические контроллеры, называемые
промышленными компьютерами. Специфика ПЛК - наличие нескольких
аналоговых
и
цифровых
портов, встроенный интерпретатор
специализированного языка, детерминированные задержки при обработке
сигналов, требующих незамедлительного реагирования. Однако ПЛК, в
отличие от IBM PC, рассчитаны на решение ограниченного круга задач в силу
специализированности программного обеспечения.
В целом промышленные компьютеры имеют следующие особенности:
1) работа в режиме реального времени (для промышленных персональных
компьютеров разработаны такие ОС реального времени, как OS-9, QNX,
VRTX и др.); 2) конструкция, приспособленная для работы ЭВМ в цеховых
условиях (повышенные вибрации, электромагнитные помехи, запыленность,
перепады температур, иногда взрывоопасность); 3) возможность встраивания
дополнительных блоков управляющей, регистрирующей, сопрягающей
аппаратуры, что помимо специальных конструкторских решений
обеспечивается использованием стандартных шин и увеличением числа плат
расширения; 4) автоматический перезапуск компьютера в случае "зависания"
программы; 5) повышенные требования к надежности функционирования. В
значительной мере специализация промышленных компьютеров определяется
программным обеспечением. Конструктивно промышленный компьютер
представляет собой корзину (крейт) с несколькими гнездами (слотами) для
встраиваемых плат. Возможно использование мостов между крейтами. В
качестве стандартных шин в настоящее время преимущественно используются
шины VME-bus (Versabus Module Europe-bus) и PCI (Peripheral Component
Interconnect).
Программная связь с аппаратурой нижнего уровня (датчиками,
исполнительными
устройствами)
происходит
через
драйверы.
Межпрограммные связи реализуются через интерфейсы, подобные OLE. Для
упрощения создания систем разработан стандарт OPC (OLE for Process
Control). Обычными для промышленных сетей являются предельные
расстояния между узлами (датчиками, исполнительными устройствми и
контроллерами) в сотни метров, размеры сообщений - до одного килобайта (в
сжатой форме). Опрос датчиков периодический. Важное требование к
промышленной сети - обеспечение работы в реальном масштабе времени,
поэтому для АСУТП сети типа Ethernet не подходят, поскольку в них не
гарантируется ограничение задержек сверху
Существуют три основных режима обмена данными, эффективность
использования которых зависит от конкретной задачи.
● Режим «Ведущий ведомый». В этом простейшем режиме один из
узлов ПС является ведущим устройст вом, которое последовательно опр
шивает подчиненные узлы. В зависимости от содержания запроса в домый
узел либо выполняет полученную команду, либо передает ведущему текущие
данные с подключенных оконечных устройств. Типичным примером
ЦПС, построенной на таком принципе, являются сети PROFIBUS. Как
правило, роли ведущего и ведомого закрепляются жестко и не меняются в
процессе функционирования сети.
● Режим «Клиент сервер». Данный режим имеет много общего с
предыдущим и используется в системах с гибким распределением функций.
Узел клиент запрашивает данные, а узел сервер их предоставляет. При этом
клиент может запрашивать несколько узлов, а сервер – иметь несколько
клиентов. Также функции клиента и сервера могут совмещаться на одном
узле. Примером может послужить ПС Foundation Fieldbus.
● Режим «Подписка». В этом режиме узел, нуждающийся в регулярном
поступлении какой либо информации, подписывается на её получение от
другого узла, после чего получает регулярные рассылки данных без
дополнительных запросов. Режим имеет два варианта: в первом случае
данные передаются циклически с определенным интервалом вне зависимости
от динамики информации; во втором случае данные передаются только в
случае их изменения. Данный режим также используется в сетях Foundation
Fieldbus.
Одним из основных критериев оценки систем АСУ ТП является
надежность.
● По надежности цифровой метод передачи данных намного
превосходит аналоговый. Передача в цифровом виде малочувствительна к
помехам и гарантирует доставку информации благодаря встроенным в
протоколы ПС механизмам контрольных сумм, квитирования и повтора
искаженных пакетов данных.
● Надежность функционирования систем АСУ ТП на базе ПС
с
интеллектуальными узлами значительно выше,
чем в традиционных
структурах.
● Важной проблемой является защита ПС от повреждения кабельной
сети, особенно в том случае, если его топология имеет вид шины. Для
критически важных технологических участков эта задача должна решаться
дублированием линий связи или наличием нескольких альтернативных путей
передачи информации.
Системы АСУ ТП редко делаются раз и навсегда; как правило, их состав
и структура подвержены коррекции в си лу изменяющихся требований
производства. Поэтому важными критериями оценки закладываемых в
проект решений являются гибкость и модифицируемость комплекса. По этим
показателям
ПС, несомненно, намного превосходит традиционную
централизованную схему: добавление или удаление отдельных точек ввода
вывода и даже целых узлов требует минимальных монтажных работ и
может произ водиться
без остановки системы
автоматизации.
Переконфигурация системы осуществляется на уровне программного
обеспечения и также занимает минимальное время. Другая проблема,
связанная с развитием
системы
вопрос совместимости протоколов,
заложенных в интеллектуальные оконечные устройства, стоял очень остро.
Сейчас практически все широко распространенные решения в этой сфере
стандартизованы, что поз воляет
разработчикам АСУ ТП
выбирать
оборудование из широкого спектра поставщиков, оптимизируя стоимость
проекта и его технологическую структуру.
Пример промышленной сети - Profibus, скорость 12 Мбод, пакеты до 247
байт, расстояния до 1,5 км. Имеет выход в сеть АСУП, в качестве которой
чаще всего используется сеть Ethernet. Наряду с Profibus, используют и другие
протоколы, например, популярен протокол CAN. На физическом уровне в
Fieldbus часто используют интерфейс RS-485 - витая пара, длина сегмента до
1,2 км, на сегменте может быть до 32 узлов
CAN, LON, PROFIBUS, Interbus-S, FIP, FF, DeviceNET, SDS, ASI, HART,
ControlNet и несколько десятков протоколов еще - это сегодняшняя ситуация
на рынке промышленных сетей. Каждая из них имеет свои особенности и
области применения. На этом фоне отсутствует единый международный
стандарт промышленной сети. Это приводит к тому, что каждая технология
развивается самостоятельно в состоянии неизбежной конкуренции. Ясно, что
со временем определится ведущая, например, пятерка технологий, вокруг
которой будет сосредоточено основное внимание пользователей и бизнес
независимых производителей. Таким центром кристаллизации де-факто можно
считать сегодня европейский стандарт EN50170. Со стороны Европейского
комитета по стандартизации CENELEC поступили предложения по
расширению EN50170 за счет промышленных сетей Foundation Fieldbus и
ControlNet. Если такое предложение будет принято, EN50170 превратится
реально в международный стандарт, каждая отдельная часть которого будет
определять отдельную fieldbus-технологию.
Лекция №11 Тема: Протоколы промышленных сетей
1. ASI
Первые продукты, работающие по технологии ASI, вышли на рынок в 1993
году. Сегодня эта технология поддерживается рядом известных фирм: IFM,
Limberg, Siemens, Pepperl+Fuchs, Allen-Bradley и др.
Основная задача этой сети - связать в единую информационную
структуру устройства самого нижнего уровня автоматизируемого
процесса (датчики и разнообразные исполнительные механизмы) с системой
контроллеров. Это следует из названия: Actuator Sensor Interface (ASI).
ASI-интерфейс позволяет через свои коммуникационные линии передавать
не только данные, но и запитывать датчики. Здесь используется принцип
последовательной передачи на базовой частоте. Информационный сигнал
модулируется на питающую частоту.
Позоляет
полностью
исключить из АСУ ТП аналоговые линии связи, кроссировочные шкафы и
другое вспомогательное оборудование. Максимальное время цикла опроса
составляет 5 10 мс, то есть сравнимо с циклом отработки программы в
контроллере. Благодаря этому сети на базе AS интерфейса активно
применяются в распределенных АСУ ТП реального времени, например в
системах управления конвейерными производствами.Первоначально AS
интерфейс был ориентирован на работу исключительно с бинарными
данными, поэтому длина информационной посылки рекордно малая — всего
4 бита. Тем не менее новая редакция спецификации AS интерфейса позволяет
подключать к сети аналоговые датчики и поворотные шифраторы.
Максимальное количество
узлов равно 62, максимальная длина с
использованием повторителей — 300 м. Данные и питающее напряжение
передаются по одной паре проводов.
В качестве физической среды используется специальный неэкранированный
двухпроводный кабель с трапециевидным профилем. Этот кабель позволяет
подключать датчики, устанавливаемые на подвижных частях механизмов.
Топологией ASI-сети может быть шина, звезда, кольцо или дерево с циклом
опроса 31 узла за 5 мс. Максимальный объем данных с одного ASI-узла - 4 бит.
2. CAN
История этого протокола началась в начале 80-х годов, когда технология
создания и эксплуатации современных транспортных средств потребовала
установки на них большого числа датчиков, увязываемых в единую
информационную сеть с замыканием на бортовом компьютере автомобиля.
Компания BOSCH (Германия) разработала для этой цели протокол CAN
(Control Area Network), получивший статус международного стандарта
ISO11898. По своим характеристикам он удовлетворяет не только требованиям
задач реального времени, но и реализует высокую степень обнаружения и
исправления ошибочных телеграмм.
CANbus - это последовательная шина с децентрализованным доступом на
основе модели CSMA/CM. Возможные коллизии, связанные с одновременным
запросом шины, разрешаются на основе приоритетности передаваемых
сообщений.
История развития этого протокола - яркий пример того, как не доведенная
до конца работа по стандартизации приводит к появлению целого семейства
несовместимых друг с другом протоколов. Дело в том, что развитие CAN
остановилось на определении только первых двух уровней OSI-модели.
Появилось большое число разработок 7-го уровня для CAN, оформленных как
самостоятельные протокольные решения: SDS (Honeywell), DeviceNET (Allen
Bradley), CAL (CiA-ассоциация), CAN11 (BMW), SeleCAN (Selectron),
Kingdom (Kvaser), MiCAN (RMI) и несколько других.
Количество
узлов ПС, работающих на основе CAN, исчисляется
десятками миллионов. Практически у каждого крупного про изводителя
микроконтроллеров есть изделие с CAN интерфейсом. Основными
достоинствами, определившими высокую популярность этого протоко ла у
разработчиков встраиваемых и промышленных систем, являются высокая
скорость (до 1 Мбит/с), метод доступа CSMA/СA (не путать с CSMA/CD,
реализованным в Ethernet), возможность иметь в сети не сколько ведущих
устройств, надежная система обнаружения и исправления ошибок. CSMA/СA
сочетает нные одновременно. Благодаря этому гарантируется доставка
сообщения, то есть система является детерминированной. «Гарантией
качества» CAN являются автомобили «Мерседес», электроника которых
работает именно по этому протоколу. Технические характеристики (для
DeviceNet): максимальное расстояние 500 м, максимальное количество узлов
64, длина информационной посылки 8 байт, используемый кабель Belden
3082A.
3. HART
Протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer), разработанный
фирмой Rosemount Inc. в середине 80-х годов, реализует известный стандарт
BELL 202 FSK (Frequency Shift Keying), основанный на 4 20мА-технологии
HART протокол используется в двух режимах подключения.
В большинстве случаев применяется соединение «точка точка» (рис. 1 а),
то есть непосредственное соединение прибора низовой автоматики
(преобразователя информации, датчика, исполнительного устройства и
т.п.) и не более чем двух ведущих устройств.
.
Схема взаимоотношений между узлами сети основана на принципе
MASTER/SLAVE. В HART-сети может присутствовать до 2 MASTER-узлов
(обычно один). Второй MASTER, как правило, освобожден от поддержания
циклов передачи и используется для организации связи с какой-либо системой
контроля/отображения данных. Стандартная топология - "звезда", но возможна
и шинная организация. Для передачи данных по сети используются два
режима:
1) асинхронный: по схеме "MASTER-запрос\SLAVE-ответ" (один цикл
укладывается в 500 мс);
2) синхронный: пассивные узлы непрерывно передают свои данные
MASTER-узлу (время обновления данных в MASTER-узле за 250-300 мс).
В многоточечном режиме (рис. 1 б) до 15 ведомых устройств (slave)
могут соединяться параллельно двухпровод ной линией с теми же двумя
ведущими устройствами (master). При этом по линии осуществляется только
цифровая связь. Сигнал постоянного тока 4 мА обеспечивает вспомогательное
питание ведомых приборов по сигнальным линиям. Типовые
HART
компоненты и схема их подключения показаны на рис. 2
За одну посылку один узел может передать другому до 4 технологических
переменных, а каждое HART-устройство может иметь до 256 переменных,
описывающих его состояние. Контроль корректности передаваемых данных
основан на получении подтверждения.
Стандарт для передачи аналоговых сигналов значениями тока в диапазоне
4 20 мА известен уже несколько десятков лет и широко используется при со
здании систем АСУ ТП, в химической индустрии, теплоэнергетике, в пище
вой и многих других отраслях промыш ленности. Традиционно для измерения
различных физических величин (дав ления, объема, температуры и т.д.)
предлагается множество приборов с токовым выходом 4 20 мА. Достоинством
данного стандарта является простота его реализации, массовое ис пользование в
приборах и возможность помехоустойчивой передачи аналогового сигнала на
относительно большие расстояния. Однако при создании нового поколения
интеллектуальных приборов и датчиков потребовалось наряду с передачей
аналоговой информации передавать и цифровые данные, соответствующие их
новым расширен ным функциональным возможностям. В середине 80 х годов
американская компания Rosemount
разработала
протокол
Highway
Addressable Remote Transducer (HART). В начале 90 х годов протокол был
дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом . Вначале он был
нормирован только для применения в режиме соединения «точка точка», затем
появилась
возможность применять протокол в режиме многоточечного
соединения («mul tidrop»).
HART протокол основан на методе передачи данных с помощью
частотной модуляции (Frequency Shift Keying, FSK), в соответствии с широко
распространенным коммуникационным стандартом
Bell 202. Цифровая
информация передаётся частотами 1200 Гц (логическая 1) и 2200 Гц (логичес
кий 0), которые накладываются на аналоговый токовый сигнал (рис. 3).
Частотно
модулированный сигнал
является
двухполярным и при
применении
соответствующей фильтрации
не влияет на основной
аналоговый сигна л 4 20 мА. Скорость передачи данных для HART
составляет 1,2 кбит/с. Каждый HART компонент требует для цифровой
передачи соответствующего модема.
Благодаря наличию двух ведущих
устройств каждое из них может быть
готово к передаче через 270 мс
(время ожидания). Цикл обновления
данных повторяется 2 3 раза в
секунду в режиме запрос/ответ и 3 4
раза в секунду в пакетном режиме.
Несмотря на относительно большую длительность цикла, в большинстве
случаев он является достаточным для управления непрерывными
процессами.
Важнейшим условием для передачи HART сигналов является то,
что нагрузка в общей цепи коммуникационного канала должна быть
в пределах 230...1100 Ом. В противном случае возникает несоответствие
допустимым качестве первичного
ведущего устройства, как правило,
используется устройство связи с объектом (УСО) или программируемый
логический контроллер, а в качестве вторичного — портативный HART
терминал или отладочный ПК с соответствующим модемом. При этом
аналоговый
токовый сигнал передается
от ведомого прибора к
соответствующему
ведущему устройству. Цифровые сигналы могут
приниматься или передаваться как от ведущего, так и от ведомого
устройства. Так как цифровой сигнал наложен на аналоговый, процесс
передачи аналогового сигнала происходит без прерывания.
4.
PROFIBUS
При построении многоуровневых
систем автоматизации, как правило, стоят задачи организации
информационного обмена между уровнями. В одном случае необходим обмен
комплексными сообщениями на средних скоростях. В другом - быстрый обмен
короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена
(уровень датчиков). В третьем требуется работа в опасных участках
производства (переработка газа, химическое производство). Для всех этих
случаев PROFIBUS имеет решение. Сегодня, говоря о PROFIBUS,
необходимо иметь ввиду, что под этим общим названием понимается
совокупность трех отдельных протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUSDP и PROFIBUS-PA. Все три варианта протокола используют общий
канальный уровень (уровень 2 OSI-модели).
Протокол PROFIBUS-DP (рис. 2), был спроектирован для организации
быстрого канала связи с датчиковым уровнем. В основе алгоритма работы
лежит модель циклического опроса каналов. Скорость обмена прямо зависит
от длины сетевого сегмента и варьируется от 100 кбит/с на расстоянии 1200
метров до 12 Мбит/с на дистанции до 100 метров. Кроме этого, существует
набор ациклических функций для конфигурирования, диагностики и
поддержки сигналов. В DP-протоколе существуют три типа устройств:
мастер Класса-2 (DPM2): может выполнять функции конфигурирования и
диагностики устройств сети;
мастер Класса-1 (DPM1): это программируемые контроллеры (PLC, PC), в
оперативном режиме выполняющие функции ведущего узла в сети;
ведомые устройства (DP Slave): это пассивные устройства с
аналоговым/дискретным вводом/выводом.
DP-протокол позволяет организовать мономастерную (один DPM1 и до 126
DP-Slaves) и многомастерную конфигурацию (несколько DPM1 и DP-Slaves).
Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был предназначен для
работы на так называемом цеховом уровне. Здесь требуется высокая степень
функциональности, и этот критерий важнее критерия скорости. FMS-протокол
допускает гибридную архитектуру взаимодействия узлов, основанную на
таких понятиях, как виртуальное устройство сети, объектный словарь
устройства (переменная, массив, запись, область памяти, событие и др.),
логическая адресация и т.д.
Протокол PROFIBUS-PA - это расширение DP-протокола в части
технологии передачи, основанной не на RS485, а на реализации стандарта
IEC1158-2 для организации технологии передачи во взрывоопасных средах.
Он может использоваться в качестве замены старой 4-20мА-технологии связи.
Для коммутации устройств нужна всего одна витая пара, которая может
одновременно использоваться и для информационного обмена, и для
запитывания устройств.
На одном физическом канале (RS485 или оптоволоконном) одновременно
могут работать устройства PROFIBUS всех трех типов. Рабочая скорость
передачи может быть выбрана в диапазоне 9,6-12000Ккбит/с.
PROFIBUS - это маркерная шина, в которой все циклы строго
регламентированы по времени и организована продуманная система таймаутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии в сети. Настройка
всех основных временных параметров идет по сценарию пользователя.
Исследования, проведенные независимыми западными маркетинговыми
компаниями, свидетельствуют о том, что PROFIBUS покрывает свыше 40%
рынка открытых промышленных сетей в Германии и Европе. Идет
стремительный процесс завоевания и американского рынка. Но самое главное
то, что сегодня PROFIBUS рассматривается как кандидат на обретение статуса
международного стандарта IEC (МЭК).
Каналы связи
В зависимости от требований, предъявляемых к сети PROFIBUS, для
передачи данных могут использоваться различные виды каналов связи.
-Электрические каналы связи выполняются экранированной витой парой. Для
прокладки линий связи -может использоваться множество кабелей для
различных условий эксплуатации. Большинство из этих кабелей поддерживает
технологию
быстрого
соединения
(Fast
Connect).
-Оптические каналы связи PROFIBUS могут выполняться стеклянными или
пластиковыми оптоволоконными кабелями, предназначенными для различных
условий
эксплуатации.
-Применение модуля ILM позволяет осуществлять передачу информации по
инфракрасным
каналам
на
расстояние
до
15м.
-Комбинированные системы.
В составе одной сети PROFIBUS может
использоваться комбинированное сочетание различных каналов связи.
Лекция №12 Тема: Протоколы промышленных сетей 2
FOUNDATION FIELDBUS
Эта сеть родилась в результате сотрудничества двух ведущих американских
ассоциаций - ISP и WorldFIP, которые до 1993 года пытались самостоятельно
создать универсальную промышленную сеть. В 1994 году появилась
ассоциация Fieldbus Foundation, продвигающая на рынке и обеспечивающая
поддержку сети Foundation Filedbus (FF). После многолетних безуспешных
попыток разработать универсальную промышленную сеть, предпринятых
ведущими комитетами по стандартизации IEC и ISA, ассоциация Fieldbus
Foundation пришла к синтезированному решению с использованием наработок
из разных источников под общим названием Foundation Fieldbus.
Итак, FF сегодня - это:
физический уровень H1 FF (медленный), обеспечивающий рабочую
скорость 31,25Ккбит/с. Эта реализация физического уровня основана на
модифицированной версии стандарта IEC 1158-2 и предназначена для
объединения устройств, функционирующих во взрывоопасных газовых средах;
-физический уровень H2 FF (быстрый), обеспечивающий рабочую скорость
до 1КМбит/с и также основанный на стандарте IEC 1158-2;
-сетевой уровень, использующий элементы проекта IEC/ISA SP50
универсальной промышленной сети;
-прикладной уровень, включающий элементы из проекта ISP/Profibus.
Основная область применения этой сети - самый нижний уровень
распределенной системы автоматизации с обвязкой устройств,
работающих во взрывоопасных средах и использующих сеть как для
информационного обмена, так и для собственной запитки.
У протоколов FF и Profibus-PA много общего и именно поэтому со стороны
европейской ассоциации по стандартизации CENELEC сделано предложение о
включении FF в стандарт EuroNorm 50170 в качестве самостоятельной его
части.
PROFIBUS PA и FOUNDATION™ fieldbus имеют ряд общих характеристик :
• обе системы удовлетворяют требованиям спецификаций физического
уровня H1 IEC/ISA, которые определяют среду передачи данных;
• обе системы искробезопасны и способны по одним и тем же проводам
передавать как данные, так и электро питание для подключенных к сети
устройств, что позволяет использовать их во взрывоопасных зонах;
• обе системы поддерживаются между народными организациями,
объединяющими как конечных пользователей, так и поставщиков;
• обе системы могут быть развернуты в качестве цифровой замены аналого
вых каналов 4 20 мА с использовани ем тех же самых, уже существующих
линий связи;
• обе системы поддерживают работу в многоточечном режиме, благодаря
чему снижаются затраты на монтаж и обслуживание кабельного хозяйсва.
Однако между сетевыми системами имеются и
существенные
различия.
На прикладном уровне PROFIBUS PA вместо FMS использует расширения
DP, что приводит к ограничению возможностей по удаленному
конфгурированию, а также по чтению и записи.
Хотя обе системы способны управлять событиями в самой сети, применяемая
в
PROFIBUS
PA
коммуникационная
модель
«главный
подчиненный»(ведущий-ведомый), а также отсутствие протокола системного
администрирования делают PROFIBUS PA неудовлетворительным решением
для управления распределенными процессами.
FOUNDATION™ fieldbus, напротив, создавалась не только для организации
обмена цифровой информацией между управляющим устройством сети и
устройствами
нижнего
уровня (полевого оборудования), но
и для
распределенного управления, вклю чая поддержку функции автоматического
конфигурирования (plug and play), что существенно расширяет границы
совместимости оборудования.
FOUNDATION™ fieldbus при передаче данных одновременно поддерживает
маркерный доступ и
обмен по расписанию. Прикладной уровень
в
FOUNDATION™
fieldbus
обеспечивает
поддержку
квитированного
взаимодействия между клиентом и сервером, что может использоваться для
изменения оператором значений уставок, удаленной загрузки и настройки
параметров конфигурации. Кроме того, поддерживается рассылка оповещений
об
аварийных событиях и их подверждений. Это основано на том же
прикладном уровне, который используется в PROFIBUS FMS.
В PROFIBUS PA один ведущий узел использует протокол DP для опроса
подчиненных узлов, содержащих функциональные блоки ввода/выво да. Время
опроса всех узлов сети зави сит от количества узлов и ряда других факторов,
поэтому детерминированным может быть только время начала опроса.
Одним из
достоинств полевой шины является возможность
распределения функций управления процессом среди устройств нижнего
уровня (уровня
полевых устройств) АСУ
ТП.
Архитектура
FOUNDATION™ fieldbus, основанная на модели публикации данных
одними сетевыми узлами и подписки на эти данные других сетевых узлов,
позволяет организовывать тесное взаимодействие между устройствами
различных производителей, объединенными в одну сеть. Таким образом,
логика алгоритма управления может быть перенесена на нижний уровень
системы управления (т.е. УСО, датчики и исполнительные механизмы).
Архитектура «ведущий подчиненный», используемая в PROFIBUS, означает,
что весь обмен происходит по инициативе ведущего устройства. В результате
из за непредсказуемых задержек невозможно обеспечить функционирование
распределенных по устройствам нижнего уровня контуров управления с
обратной связью.
Функции системного администрирования в FOUNDATION™ fieldbus
обеспечивают исполнение функциональных блоков на разных узлах сети в
точно заданной последовательности в течение детерминированных интервалов
времени, что необходимо при реализации контуров регулирования на нижнем
уровне системы.
Подсистема администрирования и канальный уровень FOUNDATION™
fieldbus способны также выполнять следующие важные функции:
• автоматическое присвоение сетевого адреса при добавлении нового
устройства, что обеспечивает функциональность plug and play;
• предотвращение дублирования сетевых адресов, каждому устройству на
значается один уникальный адрес;
• синхронизация времени в прикладных программах;
• поиск тегов; это устраняет необходимость в репликации системной базы
данных, содержащей информацию об устройствах.
PROFIBUS не имеет средств системного администрирования, а значит, не
способен обеспечить выполнение описанных ранее функций.
Функциональная совместимость устройств — это возможность замены
устройства полевой шины одного изготовителя на устройство другого
изготовителя без потери функциональности или степени интеграции с сис темой
управления или хост контроллером. Функциональная совместимость устройств
позволяет пользователю для своего проекта выбрать наиболее подходящую
аппаратуру, независимо от того, кто является производителем конкретного
контроллера, датчика, исполнительного механизма или иного полевого
оборудования.
В то время как семиуровневая
модель OSI является общепринятой
в области сетевых коммуникаций,
FOUNDATION™ fieldbus вводит
еще один, восьмой уровень,
называемый
пользовательским
(User Level). В этом, в частности,
состоит ее отличие от PROFIBUS
PA. Элементами пользовательского
уровня
в
архитектуре,
используемой
FOUNDATION™
fieldbus, являются функциональные
блоки, которые представляют собой
стандартизированные
объекты
управления, такие, например, как
аналоговый вход, аналоговый выход
и
ПИД регу лятор (рис. 1).
Существуют также дополнительные стандартные функциональные блоки, такие
как дискретный вход, дискретный выход, селектор сигналов, операторский ввод,
блок отношение/смещение и блок отношение. Функциональные блоки
встроены в датчики и исполнительные устройства, за счет чего обеспечивается
высокий уровень их функциональных возможностей.
PROFIBUS не имеет полностью определенных стандартных функциональных
блоков. Вместо этого используются так называемые «профили»
для
определения функций, главным образом таких простых, как ввод и вывод. При
этом собственно управление осуществляется специальным хост контроллером.
В пользовательский уровень (User Layer) FOUNDATION™ fieldbus
включена возможность описания устройств на языке описания устройств (Device
Description Language, DDL). Описания устройств можно рассматривать как
своеобразные драйверы устройств. Поставщики оборудования предоставляют
описания своих устройств пользователям. После считывания описания устройств
хост системой система, как и все подключенные к ней устройства, способна
поддерживать весь спектр функциональных возможностей устройства.
PROFIBUS не имеет средств, аналогичных описанию устройства. Совместимое
с PROFIBUS оборудование должно соответствовать профилям устройств,
допустимый набор которых определяется ассоциацией PNO. Профили,
содержащие базовый набор параметров устройства, жестко заданы и не
расширяемы. Это означает, что PROFIBUS распознает только базовый
набор параметров, являющихся общими для всех устройств определенного
типа. Чтобы получить возможность доступа к дополнительным или
расширенным параметрам или возможностям конкретного устройства,
необходимо написать специальную программу.
Более
того,
спецификации PROFIBUS не содержат никаких
возможностей для обеспечения выполнения стандартных приложений во всех
PROFIBUS совместимых устройствах.
В то время как организации, под держивающие PROFIBUS, ссылаются на
строгое соблюдение профилей как на доказательство совместимости, на самом
деле это относится скорее к вопросам сетевой совместимости и совсем
недостаточно для настоящей совместимости уровня plug and play.
Например, для
совместимого
с PROFIBUS датчика температуры
гарантируется возможность обмена данными через сеть PROFIBUS.
Пользователь будет в состоянии выполнять базовые функции, такие как
установка пределов измерения, считывание температуры и т.д., однако без
специального программирования он не сможет выполнить специфические для
конкретного датчика операции, такие, например, как калибровка. Это
объясняется отсутствием в PROFIBUS возможностей описания устройств.
Используя FOUNDATION™ fieldbus, пользователь может легко подключить
устройство к сети и после загрузки описания устройства взаимодейст вовать с
ним без каких либо ограни чений. Технология FOUNDATION™ fieldbus
обеспечивает полный доступ ко всем данным, в том числе к параметрам,
специфичным для данного устройства.
Лишь некоторые версии PROFIBUS являются открытыми. Фактически
компания Siemens все свои сети на базе RS 485 называет PROFIBUS, несмотря
на то, что некоторые из них являются частнофирменным решением Siemens. С
другой стороны, FOUNDATION fieldbus разработана в полностью открытой и
нейтральной
по
отношению к различным производителям среде.
Спецификации
FOUNDATION fieldbus опубликованы и доступны всем
желающим.
Кроме того, в ассоциации Fieldbus Foundation установлены такие правила,
что любая часть сетевой технологии, будь то микросхемы или реализации
протоколов, принимаются, только если для них существует несколько
поставщиков.
Технология PROFIBUS, разработанная компанией Siemens в 1989 г., в на
стоящее время применяется большим числом пользователей, чем FOUNDA
TION™ fieldbus. Однако следует заметить, что протокол, используемый
PROFIBUS, был разработан значительно раньше, чем протокол Fieldbus
Foundation, и основан на менее современной технологии.
Число инсталляций PROFIBUS, объявленное ассоциацией PNO, отчасти
вводит в заблуждение, так как существует множество версий PROFIBUS, ряд
из которых не совместим друг с другом. Кроме того, компания Siemens
разработала ряд протоколов, которые она называет PROFIBUS, не смотря на то,
что эти протоколы не приняты органами стандартизации Германии или
организацией PROFIBUS Users Group.
FOUNDATION™ fieldbus получает все более широкое распространение среди
производите лей аппаратно программных средств для систем промышленной
автомати зации, предъявляющих повышенные требования к отказоустойчивости
и надежности работы систем. За по следние несколько месяцев системы,
использующие технологию Fieldbus Foundation, были установлены такими
крупными компаниями, как Dow Chemical, Syncrude Canada, Ltd. и Daishowa
Paper.
Подробное изучение состава членов ассоциации Fieldbus Foundation в
сравнении с PNO также показывает, что наибольшие вложения в разра ботку
новых изделий будут прихо диться на FOUNDATION™ fieldbus.
Для большинства конечных пользо вателей все перечисленные ограничения
делают PROFIBUS PA скорее временной заменой системы «4...20 мА», чем
законченной сетевой архитектурой, с которой имеет смысл связывать свое
будущее.
Заключение
В течение последних нескольких лет развитие промышленных (полевых)
сетевых архитектур было одной из самых обсуждаемых тем среди
производителей
и
потребителей
оборудования
для
промышленной
автоматизации. С середины 80 х го дов предпринимались попытки вы работать
единый стандарт полевой шины (fieldbus), устанавливающий требования к
открытому цифровому протоколу обмена, который бы обес печивал
возможность взаимодейст вия контроллеров, устройств связи с объектом,
датчиков и исполнитель ных механизмов разных производи телей.
С топологией fieldbus связано много ожиданий:
• это было огромным шагом вперед в области АСУ ТП подобно тому, как
поколение назад интерфейс 4–20 мА практически полностью вытеснил
пневмоавтоматику;
• стало возможным обеспечить двунаправленную помехоустойчивую связь
между различными устройства ми системы управления;
• поскольку к единственному сегменту шины
может
подключаться
несколько устройств различного назначения, отпадает
необходимость
прокладки отдельных линий связи и кабелей к каждому устройству, что
существенно снижает затраты на монтаж и обслуживание кабельного хозяйства;
• устройства становятся
способными передавать диагностическую
информацию на верхний уровень системы управления, позволяя операторам
немедленно локализовать неисправность;
• к промышленной сети могло бы быть подключено любое совместимое по
протоколу устройство, независимо от фирмы производителя.
И, наконец, самое важное:
• поскольку «настоящий» стандарт на полевую шину позволяет устройствам
обмениваться информацией по принципу «точка точка», стало бы возможным
распределить управление технологическим процессом непосредственно на
уровне датчиков и исполнительных механизмов.
К преимуществам такого рода распределенных систем управления
относится полное (за
счет параллельной обработки)
использование
вычислительных ресурсов микропро цессорных устройств нижнего уровня АСУ
ТП, что может привести:
• к сокращению времени реакции на события;
• к лучшей управляемости автоматизированной системы;
• к улучшению диагностики;
• к большей гибкости;
• к возможности использовать освободившиеся вычислительные ресурсы
верхних уровней АСУ ТП для решения дополнительных задач, в том числе для
управления производством в целом (АСУП).
Вне всякого сомнения, FOUNDATION™ fieldbus — более открытый
протокол, разработанный и поддерживаемый организацией, в состав которой
входит большинство крупнейших производителей аппаратно- программных
средств для промышленрной автоматизации. И, напротив, контроль над
PROFIBUS PA осуществляется одной компанией.
Хотя технология PROFIBUS PA, веоятно, сможет удовлетворить по
требности большого числа пользова телей в ближайшем будущем, эта
технология, несомненно, является устаревшей по сравнению с открытой,
постоянно совершенствующейся технологией FOUNDATION™ fieldbus.
6. Interbus
Спецификация Interbus была разработана фирмой Phoenix Contact в 1984
году и быстро завоевала прочные позиции в сфере распределенных АСУ ТП
благодаря целому ряду интересных структурных решений. Прежде всего следует
отметить максимальное рас стояние, которое может охватывать эта ПС, — до 13
километров (рис. 1). Для сетей, физический уровень которых основан на
стандарте RS 485, этот показатель очень высок, и обеспечивается он благодаря
ретрансляции сигнала в каждом узле. Максимальное количество узлов 512,
расстояние между узлами до 400 метров, используемый кабель Belden 3119A.
Узлы ретрансляторы образуют основу то пологии Interbus, оконечные же уст
ройства подключаются к дополнительным кольцевым сегментам, в которых
питающее напряжение передается вме сте с данными. Длина дополнительных
сегментов может составлять до 200 метров, для их прокладки используется
обычная неэкранированная витая пара. Доступ к среде передачи данных в
Interbus организован по принципу суммирующего фрейма и обеспечивает га
рантированное время передачи информации. Таким образом, Interbus является
хорошим решением для унифицированной автоматизации производства,
компоненты которого территориально разнесены на большое расстояние.
7.WorldFIP
Протокол WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol) разработан на
основе французского стандарта, известного как NFC46-600 или FIP. Его
разработал консорциум компаний, производящих полевые устройства, в
которых используется система сообщений. Протокол WorldFIP удовлетворяет
требованиям реального времени. Главные члены консорциума - Honeywell,
Baily Controls, Cegelec, Allen Bradley, Telemecanique, Electricity de France, Elf.
Протокол построен на гибридном (централизованный/децентрализованный)
доступе к шине и для передачи данных использует режим широкого вещания
(broadcast). Контроль обеспечивается со стороны центрального узла сети
(central unit), называемого Арбитром. Основной поток данных организован как
набор отдельных переменных, каждая из которых идентифицирована своим
именем. Любая переменная, обработанная в одном узле-передатчике, может
быть прочитана всеми узлами-приемниками одновременно. Использование
режима широкого вещания избавляет от процесса присваивания каждому
устройству уникального сетевого адреса.
Функции управления некоторым процессом могут распределяться между
различными устройствами на шине. Это возможно потому, что все
"приемники" одновременно принимают одинаковые переменные, а время
обновления данных и их передача подчиняются строгому контролю. Основу
FIP составляет "база данных реального времени".
8. Беспроводные промышленные сети
Протокол IEEE 802.11 в промышленной автоматике – преимущества и
ограничения
Стандарт IEEE802.11 как наиболее популярный среди протоколов для
беспроводных сетей используется в офисах как «вставка» в проводной канал и
как способ доступа в Internet. До недавнего времени применению этой
технологии
в
промышленной
автоматике
мешала
низкая
и
труднопредсказуемая надежность подобной связи. Это и понятно, ведь для
упрощения внедрения технологии IEEE 802.11 создатели предусмотрели
невысокую мощность передатчика и не самую «пробивную» частоту. Поэтому
до сих пор применение технологии IEEE 802.11 ограничивается лишь
мониторингом не опасных процессов, где потеря связи даже на минуту не
критична. А на производстве сплошь и рядом мощные электромагнитные поля,
преграды, непроницаемые для радиосвязи и т.п.
Применение беспроводных решений для промышленности оправдано, если:
-помехи не высоки и позволяют в 99% держать связь;
-потеря связи на 5…10 с не критична;
-проводная связь невозможна из-за высокой стоимости или мобильности
компонент в системе управления.
Мобильность и расстояния – это признаки, прежде всего, логистических
комплексов. Расстояния без мобильности – охранные системы и системы
видеонаблюдения. Помимо складских терминалов такие же условия
функционирования характерны для открытой разработки полезных
ископаемых и на стройплощадках. Однако низкий уровень автоматизации этих
отраслей позволяет лишь «мониторить», но
не управлять.
Усложнение, резкое увеличение товарных
потоков во всем мире привело к взрывному
росту и переоснащению логистических
комплексов. Крупный склад, портовый узел
ежесуточно обрабатывает сотни тысяч
единиц разного рода предметов и без единой
информационной сети работать не может.
Особенностью логистических комплексов
является наличие множества подвижных
объектов – погрузчиков, работа которых
требует
постоянной
информационной
поддержки.
Таким образом, задача по модернизации
информационной сети крупного склада (порта) выглядит так:
-комплекс размещен на площади более 100 Га
-предметы находятся как в помещении, так и на открытых контейнерных
площадках; они перемещают при помощи погрузчиков, на каждом --есть
терминал, постоянно связанный со всей информационной системой складского
комплекса;
-погрузчики могут работать как в автоматическом режиме (без оператора), так
и с оператором;
-обновление информации на терминале может быть и периодическим и по
запросу и в on-line;
-по территории размещены «точки доступа» так, чтобы обеспечивать
максимальное покрытие, минимизировать площадь участков, недоступных для
связи.
Или, другими словами, требуется включить подвижные объекты в
информационную сеть комплекса.
Для решения подобных задач компания МОХА разработала свой набор
оборудования и ПО, реализовав схему «роуминга» (известную в сотовой
телефонии) для информационных сетей меньшей распределенности.
Предложенное решение достаточно просто. Помимо обмена информацией
погрузчики и точки доступа постоянно тестируют качество связи, при этом
погрузчик каждый момент времени привязывается к той точке, качество связи
с которой наилучшее. Опрос каналов связи проходит периодически, и в
каждый момент времени погрузчик «общается» только с одной точкой
доступа. Происходит постоянное динамическое переключение с одной точки
на другую. Рассмотрим список устройств, необходимых для оснащения
«подвижной» части складского комплекса.
1. Nport W2150 Plus – беспроводной Ethernet сервер последовательных
устройств. Именно микропрограмма этого устройства и реализует функцию
«роуминга», выбирая наиболее походящую по условиям связи точку доступа.
2. Терминал или компактный компьютер, для транспорта. Здесь можно
рекомендовать серию TREK панельных компьютеров с 10” сенсорным
экраном. Если же погрузчики работают без оператора – вполне подойдет
компактный компьютер серии eBox.
3. Оборудование для точки доступа, можно брать произвольное, лишь бы
технические характеристики соответствовали условиям применения.
10.Omron CompoBus/S
Протокол CompoBus/S - это разработка
фирмы OMRON. Сеть представляет
собой двух или четырех - проводную
линию с ответвлениями и терминалами
ввода/вывода. Время опроса 32 узлов
происходит менее 0.5 сек. Compobus/S
позволяет работать с аналоговыми
синалами. Широкий набор терминалов
позволяет построить распределенную
систему управления локальными участками за минимальное время с
максимальной эффективностью. Мастер модули Compobus/S имеются в ряду
модулей всех типов контроллеров ОМРОН.
-Подключение до 32 узлов;
-Скорость передачи данных до 750 кбод;
-Расстояние коммуникационного обмена до 500 м;
-Количество точек ввода / вывода до 256;
-Время опроса узлов сети до 0.5 мс;
-Широкий набор терминалов ввода/вывода;
-Терминалы связи с датчиками;
-Поддержка аналоговых сигналов.
Лекция № 13 Тема: Преимущества Ethernet-технологий
Широкое промышленное применение сетей Ethernet обусловлено следующими
очевидными моментами:
1. Промышленные сети верхнего уровня объединяют множество операторских
станций и серверов, которые в большинстве случаев представляют собой
персональные компьютеры. Стандарт Ethernet отлично подходит для
организации подобных ЛВС; для этого необходимо снабдить каждый компьютер
лишь сетевым адаптером (NIC, network interface card). Коммуникационные
модули Ethernet для промышленных контроллеров просты в изготовлении и
легки в конфигурировании. Стоит отметить, что многие современные
контроллеры уже имеют встроенные интерфейсы для подключения к сетям
Ethernet.
2. На рынке существует большой выбор недорого коммуникационного
оборудования для сетей Ethernet, в том числе специально адаптированного для
промышленного применения.
3. Сети Ethernet обладают большой скоростью передачи данных. Например,
стандарт Gigabit Ethernet позволяет передавать данные со скоростью до 1 Gb в
секунду при использовании витой пары категории 5. Как будет понятно дальше,
большая пропускная способность сети становится чрезвычайно важным
моментом для промышленных приложений.
4. Очень частым требованием является возможность состыковки сети АСУ ТП
с локальной сетью завода (или предприятия). Как правило, существующая ЛВС
завода базируется на стандарте Ethernet.
Широкое промышленное применение сетей Ethernet обусловлено следующими
очевидными моментами:
1. Промышленные сети верхнего уровня объединяют множество операторских
станций и серверов, которые в большинстве случаев представляют собой
персональные компьютеры. Стандарт Ethernet отлично подходит для
организации подобных ЛВС; для этого необходимо снабдить каждый компьютер
лишь сетевым адаптером (NIC, network interface card). Коммуникационные
модули Ethernet для промышленных контроллеров просты в изготовлении и
легки в конфигурировании. Стоит отметить, что многие современные
контроллеры уже имеют встроенные интерфейсы для подключения к сетям
Ethernet.
2. На рынке существует большой выбор недорого коммуникационного
оборудования для сетей Ethernet, в том числе специально адаптированного для
промышленного применения.
3. Сети Ethernet обладают большой скоростью передачи данных. Например,
стандарт Gigabit Ethernet позволяет передавать данные со скоростью до 1 Gb в
секунду при использовании витой пары категории 5. Как будет понятно дальше,
большая пропускная способность сети становится чрезвычайно важным
моментом для промышленных приложений.
4. Очень частым требованием является возможность состыковки сети АСУ ТП
с локальной сетью завода (или предприятия). Как правило, существующая ЛВС
завода базируется на стандарте Ethernet.
Преимущества Ethernet-технологий
В настоящее время промышленный Ethernet уже де-факто стал стандартом.
По некоторым оценкам, около четверти производственного оборудования будет
иметь Ethernet-интерфейс, что позволит оборудованию в цехах эффективно
вписаться в единую Ethernet-сеть предприятия. Современный промышленный
Ethernet начал заимствовать новейшие мировые тенденции, свойственные
офисным решениям, например поддержку встроенных вэб-серверов в датчиках,
контроллерах, серверах доступа, что обеспечивает доступ к этим устройствам из
любой точки мира.
Проще говоря, в промышленной автоматизации современные интранет-
интернет-технологии стали базовыми.
Особенности промышленного Ethernet
На рынке сегодня существует несколько типов сетевых протоколов. Тем не
менее все большее число производителей сетевого оборудования склоняются в
пользу промышленного Ethernet - протокола. Его отличительные особенности
состоят в следующем:
• Быстрое восстановление соединения.
Если в офисном Ethernet это время может составлять десятки секунд и даже
минуты, то в промышленном не должно превышать 300-500 мс, иначе
производственное оборудование может выйти из строя.
• Резервируемая технология.
Повышает надежность системы управления при выходе изстроя одного из
сегментов сети.
• Более высокое время наработки на отказ.
Оно составляет свыше 77 500 ч, что снижает вероятностьстановок
производства.
• Резервируемое питание. Например, от сети и резервных аккумуляторов.
• Уведомление об аварийных ситуациях. Посылка e-mail - сообщений или
выдача сигналов на
релейные выходы для уведомления персонала об обрывах сегментов,
превышении трафика.
• Индустриальный дизайн. Промышленные корпуса, обеспечивающие
функционирование устройств в агрессивных средах, пыле-влагозащищенные,
выдерживающие большой диапазон рабочих температур.
• Специальные направляющие для крепления в индустриальных шкафах.
• Совместимость с системой управления.
Поддержка устройствами SNMP(управления.
Поддержка ОРС(технологий.
Сеть
устройств
Нижний уровень этой сети (сеть устройств) составляют сенсоры, датчики,
измерительные устройства, которые могут быть как аналоговыми, так и
цифровыми (интеллектуальными, содержащими встроенные контроллеры). На
этом уровне могут располагаться также контроллеры и серверы доступа,
преобразующие входные сигналы в Ethernet-пакеты для передачи на следующий
уровень сети управления. При использовании устройств и контроллеров с
интерфейсом, отличным от индустриального Ethernet, здесь же располагаются
устройства преобразования интерфейса — шлюзы. Все шлюзы и Ethernetконтроллеры, кроме передачи собственно данных от устройств, должны
обеспечивать верхние уровни сети также и информацией о состоянии этих
устройств.
Уровень
управляющей
сети
Следующий, самый важный уровень сети - собственно управляющая
производственным процессом сеть. Основу ее чаще всего составляет
резервируемое оптоволоконное и электрическое Ethernet-кольцо. Это наиболее
важное звено общей сети, и прекращение его функционирования может повлечь
большие производственные потери. Правильный выбор оборудования позволит
избежать финансовых потерь в будущем. На этом уровне располагаются
индустриальные
Ethernet
коммутаторы,
составляющие
опорную
технологическую сеть, контроллеры устройств с Ethernet-интерфейсом,
устройства взаимодействия с АРМ технологических процессов (SCADAсерверы),
интеллектуальные
панели
управления.
На этом же уровне могут быть установлены интеллектуальные видеосерверы
для управления видеокамерами, расположенными в ответственных местах
производства или хранения продукции. Данные с видеосерверов в реальном
режиме времени обеспечивают информацией о состоянии контролируемых
объектов и могут быть интегрированы в единую систему управления
предприятием.
На уровне управляющей сети происходят следующие процессы:
• сбор, обработка и накопление информации обо всех параметрах технологического процесса и промышленного оборудования и контроллеров, а также
о
его
состоянии;
• обнаружение критических и аварийных ситуаций в работе оборудования и
уведомление
обслуживающего
персонала;
•
управление
технологическим
процессом
с
АРМ-операторов;
• формирование всех данных о состоянии и параметрах технологического
процесса
для
- управления предприятием.
использования
в
системах;
Информация из управляющей сети в реальном времени передается на уровень
сети предприятия.
На самом верхнем уровне сети - сети предприятия - происходит формирование
всех необходимых форм для обеспечения функционирования производства
(потребности в материалах, готовая продукция), состоянии технологического
оборудования (простои, аварии), итоговых отчетных форм для руководящего
персонала, ERP-систем и т.д.
Создание современных промышленных сетей автоматизации на основе
Ethernet
Традиционно сеть Ethernet используется для сопряжения и связи персональных компьютеров (ПК) и рабочих станций, но в классическом виде с разделяемой средой связи она не удовлетворяет требованиям систем реального времени
и многих систем управления, так как имеет непредсказуемые задержки и даже
не гарантирует доставку сообщений. Первые сети обеспечивали скорость передачи 10 Мбит/с. Потом появился Fast Ethernet и обеспечил быструю связь со
скоростью 100 Мбит/c, благодаря чему получил широкое распространение во
многих применениях, включая приборные системы измерений, системы промышленной автоматизации, распределённые системы управления, бортовые
системы и др.
В настоящее время основными стандартами для создания промышленных
сетей являются Fast Ethernet и другие стандарты, построенные на его основе, в
первую очередь — PPOFINET (IEC 61158). В таких сетях обеспечивается
скорость передачи данных до 100 Мбит/c. Однако всё активнее применяются
гигабитные промышленные сети, выпускается соответствующее сетевое
оборудование, способное функционировать в условиях температурных
колебаний, вибраций, электромагнитных излучений и т.п. Коммутируемые
сети Ethernet с гигабитными скоростями стали стандартными в 2006 году, и
многие процессорные модули уже имеют встроенный интерфейс (или несколько интерфейсов) Gigabit Ethernet как обязательное унифицированное
средство сопряжения с внешними устройствами.
Классическая звездообразная топология офисных сетей обычно формируется вокруг серверов в центральном здании. Промышленные сети распределяют по технологическим помещениям, зачастую находящимся в разных зданиях
или на значительном удалении; при этом к ним предъявляются повышенные
требования по надёжности и времени восстановления. Звездообразная топология промышленных сетей позволяет кратковременно отключать отдельные сегменты, например для профилактики, но здесь постоянно присутствует
риск отказа в центральном узле сети. Общая протяжённость кабелей в топологии «звезда» значительно возрастает (особенно если технологический процесс «вытянут в длину»), так как приходится прокладывать связи от центра ко
всем распределённым узлам. Это приводит к дополнительному увеличению
стоимости и повышенному риску электромагнитных наводок в неэкранированных витых парах. Риск электромагнитных наводок в линиях связи устраняют применением оптоволокна. Как правило, его прокладывают в коробах
вдоль кабелей электропитания со средними и низкими номиналами напряжения. Однако, говоря о возможности устранения некоторых проблем, следует
помнить, что в звездообразной топологии могут проявиться и другие проблемы, например проблема «вещательного шторма», создающего нерабочий
режим в сети.
На основе Ethernet, используя сетевое оборудование для промышленных
применений, на предприятиях создают интегрированные сети, объединяющие
технологические системы и системы управления. Это выдвигает новые требования к ширине полосы частот, резервированию, протоколам. Важное место
среди сетевого оборудования занимают коммутаторы. Коммутаторы для
промышленных сетей по своему исполнению соответствуют жёстким условиям эксплуатации. Как правило, они изготавливаются в вариантах для устано ки
на монтажную рейку, размещения в специальном шкафу или монтажа в
приборном корпусе. Выбор коммутатора зависит от условий и особенностей
его применения. Важнейшие характеристики коммутатора — тип и количество
портов. Тип портов определяется принятым протоколом и средой передачи
(витая пара — IEEE 802.3ab, оптоволокно — IEEE 802.3az). Характерным
примером коммутаторов для гигабитных промышленных сетей являются
модульные управляемые коммутаторы серий MICE и Power MICE (рис. 1) компании Hirschmann.
Рис. 1. Модульные управляемые коммутаторы MICE и Power MICE для
промышленных сетей
Рис. 2. Защищённый управляемый коммутатор MACH1000
Диагностика и настройка управляемых коммутаторов возможна через Webсерверы. Передача по витой паре через порт 1000Base-T поддерживает также
автоматическую нисходящую установку скорости 100 или 10 Мбит/c для
подключения оконечных устройств в соответствии с их возможностями. Для
передачи данных по гигабитному сегменту с витой парой на расстояние до 100
м требуется кабель с 4 парами проводов, удовлетворяющий требованиям
каналов связи, как минимум, 5-й категории; при более высоких требованиях
применяются кабели 6-й категории. Для передачи по оптоволокну на расстояние до 550 м используют многомодовый кабель (1000Base-SX), а для
больших расстояний (20 км) — одномо-довый кабель (1000Base-LX).
По мере развития промышленных сетей совершенствовались способы повышения их надёжности. Метод группового преобразования предполагал
группирование и дублирование каналов связи: все кабели не укладываются в
один и тот же короб по одному и тому же маршруту, а группируются по
частям (например, по северной и по южной частям здания). На следующем
этапе стали резервировать сетевые коммутаторы и конечные терминальные
узлы. Однако наиболее эффективным является метод резервирования
отдельных каналов в кольцевых структурах промышленных сетей.
Управляемые
промышленные
коммутаторы
обеспечивают
время
переключения на резервные каналы порядка десятка-сотен миллисекунд. На
данный момент наиболее отказоустойчивой является кольцевая топология
HIPER-Ring (рис. 4). Она была разработана одним из лидеров в области
промышленных сетей — компанией Hirschmann как решение по созданию
резервированной сетевой инфраструктуры без дублирования линий связи. Это
решение предполагает построение не полностью замкнутых кольцевых связей
в сети Ethernet и обеспечивает обнаружение сбоя в канале с восстановлением
без потерь в течение 200-300 мс за счёт создания обходных путей связи.
Сейчас стремятся снизить время восстановления сети до 50 мс. Такая
топология сети из 1000 узлов была применена при автоматизации аэропорта в
г. Дрездене. Пять зданий были связаны гигабитной сетью Ethernet. Вместо
связующего дерева здесь применили HIPER-Ring с двойным резервированием
в кольце, что обеспечило среднее время восстановления 0,5 с. Примечательно,
что в этом проекте было также выполнено дублирование блоков питания.
Среди примеров резервирования в структурах промышленных сетей Ethernet
известны и другие решения, например избыточные кольцевые сети Turbo Ring и
двойные дублирующие сети.
Классическая сеть Ethernet для систем реального времени
Изначальный для сетей Ethernet протокол множественного доступа к среде
передачи с обнаружением коллизий CSMA/CD — недетерминированный и
поэтому не пригоден для систем реального времени. Решение данной проблемы сводится к применению современной коммутируемой среды связи или к
использованию специальных методов, например метода создания сети с одним
ведущим устройством. С помощью протоколов TCP/IP и новых системных
решений на основе коммутаторов и маршрутизаторов получены определённые
результаты применения этих сетей для задач управления технологическими
процессами и предприятиями.
Применительно к модели взаимодействия открытых систем OSI Ethernet
охватывает её первые два уровня и не касается третьего уровня, на котором
находится прокол TCP/IP. Хабы работают на первом физическом уровне,
коммутаторы — на втором, а маршрутизаторы — на третьем. Коммутаторы
могут интерпретировать сигналы на первых двух уровнях, что отражается в
таблице MAC-адресов. Если адрес отсутствует, то коммутатор посылает его всем
портам. Если устройство не подключено (удалено), то его вход исключается из
базы данных. Тип подключения (MDI/MDIX) определяется автоматически.
Системы реального времени на основе Ethernet создают посредством реализации специальных методов, используя, исходя из соображений стоимости и
быстродействия, различные варианты среды связи. Один из методов создания
систем реального времени вместо протокола CDMA/CD применяет переключаемые интервалы времени, распределяющие передачи пакетов и сообщений в
последовательной сети. Однако при таком методе недостаточно рационально
используется полоса частот. Другой метод основан на построении упрощённого
варианта сети только с одним ведущим контроллером при большом количестве
ведомых устройств без использования коммутируемой среды. Распределённая
система управления на основе такой сети использует метод интеракций одного
ведущего со многими ведомыми устройствами.
Всё же основное направление в решении проблемы реального времени — это
развитие коммутируемой среды связи. Коммутаторы и маршрутизаторы быстрой
связи используют двухточечные каналы для передачи адресуемых IP-пакетов,
при этом на основе таблиц маршрутизации определяют наилучший маршрут в
сети. Сложные функции маршрутизаторов реализуются программно, поэтому
они более совершенны по сравнению с коммутаторами, но медленнее. Новые
маршрутизирующие коммутаторы объединяют преимущества обоих типов
устройств по быстродействию и гибкости сетевой связи.
Важными составляющими в решении проблемы являются переход на оптические каналы связи. Новое поколение промышленных систем управления
начинает переходить на гигабитные сети Ethernet, всё шире используются
кольцевые топологии или многокольцевые структуры, обеспечивая высокую
надёжность сетевых решений. В недалёкой перспективе — создание
широкополосных коммутируемых промышленных сетей 10-Gigabit Ethernet. •
В качестве примеров каналообразующего оборудования
и типовых
аппаратных решений по увеличению производительности и надежности систем
управления можно рассмотреть изделия фирмы Hirschmann.
СЕТЕВЫЕ РЕШЕНИЯ ФИРМЫ HIRSCHMANN
Западногерманская фирма Hirschmann всегда стремилась к применению
новейших технологий в сет вом оборудовании. Так, в 1984 году, почти за 10
лет до появления соответ ствующего стандарта, в университете Штутгарта она
впервые создала локальную сеть Ethernet на базе оптоволокна. В 1990 году
фирма представила Ethernet с кольцевой топологией, защищенной от отказа
узла или обрыва линии. На сегодняшний день Hirschmann выпускает
полную гамму обору дования для создания локальных и глобальных сетей
сколь угодно сложной структуры, прежде всего для эксплуатации в тяжелых
промышленных условиях.
Несмотря на то что стандарт Ethernet одинаков как для офисных, так и для
промышленных сетей, требования к каналообразующей аппаратуре в обоих
случаях существенно разнятся.
Промышленные
условия
предъявляют
значительно более жесткие требования к
надежности, диапазону рабочих температур,
устойчивости к электромагнитным помехам,
вибрационным и иным видам нагрузок. Серия
оборудования Rail изначально разрабатывалась
фирмой Hirschmann для применения в сфере
прмышленной автоматизации и соответствующие
требования были учтены еще на этапе
проектирования.
Обеспечение отказоустойчивости сетевых комплексов достигается целой
гаммой патентованных решений. Уникальная концепция построения
отказоустойчивого кольца (HIPER
Ring) позволяет не только противостоять отдельным отказам оборудования и
линий связи, но и проводить регламентные работы или работы по
реконфигурации сети, не останавливая обмена
данными в системе. Одним из наиеболее примечательных свойств этого
решения является чрезвычайно малое время восстановления после отказа, оно
составляет менее секунды.
В зависимости от степени важности задачи, решаемой на базе сетевого
оборудования серии Rail, разработчик может задействовать различные
заложенные механизмы обеспечения надежности и безотказности. Например,
при наличии у контроллера дублированного сетевого интерфейса любой из
соот ветствующих портов может быть подключен к оптическому кольцу,
или же для достижения более высокого уровня дублирования может быть
добавлено второе оптическое кольцо. Применение коммутаторов позволяет
создавать полностью детерминированные сети.
В номенклатуру каналообразующей аппаратуры фирмы Hirschmann входят
повторители, концентраторы и коммутаторы серии Rail. Кроме того, постав
ляются блоки питания двух типов мощностью 60 и 120 Вт, выполненные в
едином со всем оборудованием данной серии конструктивном стиле.
Повторители
Повторитель предназначен для соединения раз нородных сегментов сети
Ethernet и преодоления проблем, связанных с ограничениями длины сегмента
кабеля. Повторители представляют собой устройства с двумя портами.
Применение повторителей позволяет удлинять сегмент Ethernet до 3000
метров, а RT2 – до 20 км! Пример топологии сети Ethernet, построенной с
использованием повторителей серии RT, показан на рис. 4.
Ethernet, восстанавливающиеся при единичном отказе за считанные доли
секунды. Функция контроля дублирования отдельных устройств может быть
активизирована на любом включенном в сеть коммутаторе с помощью DIP
переключателей..
Концентраторы
Концентратор – это многопортовый повторитель сетевого интерфейса с
равноправными портами. Получив сигнал от одной из подключенных к нему
станций, концентратор транслирует его на все свои активные порты.
Концентраторы можно использовать как автономные устройства
или
соединять друг с другом, увеличивая тем самым размер сети и создавая бо
лее сложные топологии. Их основное назначение — объединение отдельных
рабочих мест в рабочую группу в составе локальной сети.
Пример топологии сети Ethernet, построенной с использованием
концентратора RH1 TP, показан на рис. 5.
Не менее важным средством обеспечения надежности функционирования
сети является так называемая процедура Jabber control, часто именуемая
сетевыми администраторами «контролем болтливости». При возникновении не
исправностей в сетевой интерфейсной карте может возникнуть ситуация, когда
в сеть будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов.
Такого
рода неисправность может значительно снизить
пропускную
способность сети или даже блокировать нормальную работу значительного ее
участка, что неприемлемо для ответственных приложений. Для предотвращения
подобных ситуаций в устройствах серии Rail реализована схема, которая
проверяет количество битов, переданных в пакете. Если максимальная длина
пакета регулярно превышается, то узел автоматически отключается от сети.
Более широкие возможности обеспечивает применение концентратора RH1
TP/FL этой же серии, который позволяет гибко и эффективно строить
разветвленные сетевые структуры, используя кабельные системы как на базе
витой пары, так и оптоволокна. Каждый такой концентратор имеет три входа для
кабеля типа витая пара и два входа для дуплексного оптического кабеля с разъё
мом BFOC. Порты для витой пары используются, как правило,
для
подключения терминального оборудования, а оптические интерфейсы
применяются в основном для построения магистрали, охватывающей большую
террито рию. Впрочем, возможна и иная топология. Например, в том случае,
когда терминальное оборудование находится в техноло гических зонах с
высоким уровнем электромагни ных помех, магистраль может строиться на
основе витой пары, а терминальное оборудование подключаться посредством
оптоволокна, нечувствительного к внешним воздействиям такого рода. В обоих
случаях в магистраль может быть включено не более 11 концентраторов.
Важнейшей особенностью данных устройств
является
возможность
формирования
отказоустойчивой кольцевой топологии
HIPER Ring.
Построение такой топологии возможно на базе оптоволоконных линий с
использованием
концентраторов
RH1 TP/FL. Для этого, во первых,
необходимо физически замкнуть существующую линейную топологию (рис.
6), соединив свободные оптические порты крайних устройств, а во вторых,
нужно установить один из включенных
в кольцо концентраторов в
состояние «следящего» за основной линией связи, для чего соответствующий
DIP переключатель устанавливается в поло жение «redundant» («за пасной»).
Отказ любого узла построенной кольцевой топологии HIPER Ring или обрыв
линии связи будет обнаружен «следящим» концентратором в течение 20
миллисекунд, после чего подключается запасной
сегмент и про исходит
полное восстановление функциональности сети по запасному пути. Cемейство
Rail концентраторов так же включает устройство RH1 CX+, ориентированное
на сетевые структу ры с более широким набором приме няемых кабельных
систем. Эта модель имеет два порта для подключения витой пары
(соединитель RJ 45), один порт — оптоволоконный (соединитель BFOC) и ещё
один порт, соответствую щий спецификации 10Base 2 для «тоного»
коаксиального кабеля (соединитель BNC).
Рис. 6. Пример реализации отказоустойчивой кольцевой топологии HIPER
Ring с использованием концентраторов RH1 TP/FL
Коммутаторы
Коммутаторы являются более интеллектуальными, чем концентраторы,
устройствами. Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу
соответствия портов адресам подключенных к ним сетевых узлов. Эту таблицу
администратор сети может создать самостоятельно или задать режим её
автоматичес кого формирования встроенными средствами устрой ства.
Используя таблицу адресов и содержащийся в передаваемом пакете адрес
получателя, коммутатор направляет полученный пакет только в тот порт, где
нахо дится адресат. Исключение делается только в случае широковещательных
рассылок или при передаче пакетов с неизвестным адресом полу чателя,
которые рассылаются по всем подключенным соединениям. На основе
описанной процедуры коммутатор фактически выполняет важнейшую
функцию сегментирования сети Ethernet, что в конечном счёте значительно
расширяет
её
суммарную пропускную способность. В современных
коммутаторах передача данных между любыми парами портов происходит
независимо и, следова тельно, для каждого виртуального со единения
выделяется
вся полоса кана ла. Скорость
соединения определяется
автоматически и не требует вмешатель ства обслуживающего персонала.
Коммутаторы RS1 и RS2 фирмы Hirschmann (рис. 7) поддерживают Ethernet
со скоростью передачи данных 10 и 100 Мбит/с.
Рис. 8. Кольцевая топология с использованием коммутаторов
Основные варианты
коммутаторов таковы:
топологических структур, создаваемых с помощью
● магистраль,
● отказоустойчивое кольцо,
● отказоустойчивое объединение отдельных сегментов.
Магистральная топология сети с коммутаторами принципиально не
отличается от рассмотренных ранее структур. В зависимости от модели
магистраль может строиться либо на основе витой пары (100 Мбит/с), либо
оптоволокна. Так как применение ком мутаторов снимает проблему колли
зий, то снимаются и ограничения на количество объединяемых устройств.
которые проходит информационный пакет, растет и время его доставки до
конечного адреса. Разработчики систем реального времени должны учиты вать
это обстоятельство.
Следует однако иметь в виду, что с ростом числа промежуточных узлов,
через которые проходит информационный пакет, растет и время его доставки до
конечного адреса. Разработчики систем реального времени должны учитывать
это обстоятельство.
Другое ограничение на размер
сети связано с требованиями,
накладываемыми
дополнительно применяемыми функциями, например
алгоритмом обеспечения отказоустойчивости. Так, соответствующая кольцевая
структура на базе устройств RS2 (рис. 8) может состоять не более чем из 50
узлов,
что
обеспечивает
автоматическое
восстановление обмена при единичном от казе за
время 500 миллисекунд. Наряду с применением
коммутаторов для построения сетей с магистральной
или кольцевой структурой существует третий
типовой вариант их использования, который
предполагает
создание резервированных путей
обмена информационными пакетами
между
отдельными сегментами Ethernet (рис. 9).
При этом одно устройство RS2 объявляется
ведущим, и первоначально все пакеты идут по его
линии. Соединение, относящееся к ведомому устройству, находится в состоянии
ожидания. Обмен данными между коммутаторами о состоянии линий связи
осуществляется по контрольной линии, соединяющей порты stand by.
Максимальная длина контрольной линии определяется суммарным
сопротивлением кабеля, которое не должно превышать 10 Ом. В случае отказа
основной линии авто матически (не бо лее чем за 0,5 с) включается запасной
канал. При восстановлении работоспособнос ти основной линии
информационный поток немедленно пойдет по ней. С помощью этого механизма
можно организовать сетевую структуру «двойное кольцо».
Нетрудно видеть, что описанные топологии могут комбинироваться в
зависимости от требований к сетевой структуре. Гибкость и универсальность
устройств серии Rail позволяют сетевым администраторам создавать
экономичные, надежные и высокопроизводительные системы.
Лекция № 14, 15 Тема: Промышленные сети SIMATIC NET
Что означает наименование SIMATIC NET?
Своим семейством промышленных сетей SIMATIC NET фирма SIEMENS
представляет открытую гетерогенную систему связи, предназначенную для
использования на всех уровнях иерархии систем автоматизированного
управления в условиях промышленного производства.
SIMATIC NET - это общее название семейства коммуникационных сетей,
объединяющих программируемые контроллеры SIEMENS, серверы, рабочие
станции и персональные компьютеры
Для связи контроллеров, станций распределенной периферии и средств
человеко-машинного
интерфейса
используются
сетевые
компоненты
промышленных сетей.
PROFIBUS – сеть полевого уровня, в основном используется для связи
контроллеров со станциями распределенной периферии и операторскими
станциями, а также для передачи данных между контроллерами. Топология,
как правило, шинная, скорость передачи данных – до 12Mbps (обычно 1,5Mbps
при длине сегмента до 200 метров). Возможен вариант оптических сетей.
PROFINET – новые промышленные сети, основанные на Industrial Ethernet.
Скорость – 100Mbps. Отличие от Industrial Ethernet – возможность
гарантированной передачи данных за определенное время (RT, Real Time и IRT,
Isochronous Real Time).
Для обмена данными между контроллерами используется профиль PROFINET
CBA (Component Based Automation).
Существуют станции распределенной периферии для сетей PROFINET (профиль
PROFINET IO).
Планируется, что PROFINET со временем вытеснит сети PROFIBUS.
SINAUT ST7 - организация распределенных систем мониторинга и
управления технологическим процессом в распределенных конфигурациях на
основе станций управления SIMATIC S7, с использованием сети WAN (Wide
Area Network)
Industrial Ethernet – промышленный вариант Ethernet, в основном
предназначенный для передачи данных от контроллеров к операторским
станциям, а также для обмена данными между контроллерами.
Обмен данными между интеллектуальными партнерами по связи
(программируемыми контроллерами, промышленными компьютерами,
системами человеко-машинного интерфейса и т.д.) системы автоматизации
SIMATIC выполняют через сети MPI (Multi Point Interface), PROFIBUS или
Industrial Ethernet.
Опрос датчиков и приводов, а также выдача команд управления
производится циклически с использованием области отображения вводавывода контроллеров и соответствующих команд управления связью.
Подобные варианты связи в системах автоматизации SIMATIC могут
осуществляться через сети PROFIBUS-DP, AS-Interface и EIB.
Idustrial Ethernet - это мощная сеть верхнего уровня управления,
соответствующая международным стандартам IEEE 802.3 (Ethernet, 10Мбит/с) и
IEEE 802.3u (Fast Ethernet, 100Мбит/с). Скорость – до 100Mbps, топология –
звезда, длина участка – до 100 метров (увеличивается с помощью
коммутаторов).
В сочетании с использованием технологии коммутируемых сетей и
автоматической настройкой режимов передачи Industrial Ethernet позволяет
создавать системы связи, отвечающие наиболее высоким коммуникационным
требованиям. Автоматическая поддержка двух скоростей передачи данных
позволяет осуществлять постепенный переход на новые сетевые компоненты.
Ethernet занимает 80% рынка мировых локальных сетей. Industrial Ethernet
позволяет использовать Intranet и Internet, открывая новые возможности по
организации связи с системами автоматизации, их дистанционному
обслуживанию и диагностике. Все эти новые возможности активно
используются компонентами SIMATIC NET.
Промышленная витая пара (10BASE–T).
Среда передачи представляет собой экранированный кабель с двумя
витыми парами с волновым сопротивлением 100 Ом. На концах кабеля,
согласно стандарту 10BASE–T, располагаются разъемы RJ–45. В рамках
семейства продукции SIMATIC NET в качестве альтернативы также возможно
использование разъемов sub–D .
Витая пара позволяет устанавливать соединения “точка – точка” между
двумя электрически активными компонентами. Это означает, что между ООД
и портом сетевого компонента всегда устанавливается прямая связь (прямой
канал). Сетевой компонент осуществляет усиление принятых сигналов и их
дальнейшую передачу через все свои выходные порты. В сетях Industrial
Ethernet семейства SIMATIC NET эти задачи выполняются такими сетевыми
компонентами, как OLM, ELM, OSM и ESM. Максимальная длина канала,
связывающего ООД и сетевой компонент (известная как “длина сегмента”)
не может превышать 100.
Волоконно-оптический канал связи (10BASE–FL)
Реализация Industrial Ethernet (10 Мбит/с) с волоконно-оптическим каналом
связи . В качестве среды передачи используется многомодовый волоконнооптический кабель со стеклянными волокнами типа 62.5/125 мкм или 50/125
мкм.
Промышленная витая пара (100BASE–TX)
. В качестве среды передачи используется экранированный кабель с двумя
витыми парами с волновым сопротивлением 100 Ом. Характеристики
передачи данных кабеля должны удовлетворять требованиям, предъявляемым
к кабелям категории 5.
Волоконно-оптический кабель (100BASE–FX)
В качестве среды передачи используется многомодовый волоконнооптический кабель со стеклянными волокнами 62.5/125 мкм или 50/125 мкм
или одномодовый волоконно-оптический кабель со стеклянными волокнами
10/125 мкм.
Волоконно-оптические кабели позволяют устанавливать соединения “точка
– точка” между двумя активными компонентами. Один из сетевых
компонентов выполняет усиление принимаемых сигналов и дальнейшую
передачу данных через выходные порты. В сетях SIMATIC NET Industrial
Ethernet эта задача выполняется оптическим коммутирующим модулем (OSM).
В любой момент времени по сети может передаваться лишь один
пакет данных. Каждый пакет данных проходит через все сегменты. Когда
одна станция передает, все остальные станции принимают. Станция получает
право на передачу в соответствии с методом доступа к среде передачи
CSMA/CD. В состав изделий, функционирующих в соответствии с методом
доступа CSMA/CD и формирующих ЛС совместного доступа, входят модули
OLM/ELM, Mini UTDE, Mini OTDE, звездообразный разветвитель ASGE.
С использованием данных компонентов можно создавать шинные,
звездообразные и кольцевые топологии.
Идеальной средой передачи для организации таких линий связи являются
многомодовые стеклянные волокна типа 50/125 мкм и 62.5/125 мкм.
Длина оптического канала связи зависит от имеющегося оптического
энергетического потенциала, а так же от потерь мощности оптического
излучения на длине волны 850 нм.
Оптический канал, который связывает передатчик и приемник,
характеризуется энергетическим потенциалом.
Данный параметр определяет разность между мощностью оптического
излучения, отдаваемой в канал (в отдельное волокно) оптическим
передатчиком, и мощностью, которая должна быть на входе оптического
приемника для надежного обнаружения сигнала.
В сетях Industrial Ethernet используются следующие компоненты и
кабели:
• Компоненты
OLM/ELM
Звездообразный разветвитель с интерфейсными картами
Mini OTDE
• Кабели
Волоконно-оптические кабели
Витая пара, TP корд
Триаксиальный кабель
Пример шинной топологии с использованием OLM
Узел 2
Узел 1
Электрические и оптические модули связи (ELM, OLM)
Рисунок 6–1 Industrial Ethernet OLM
Ethernet ELM
Рисунок 6–2 Industrial
Рисунок 6–6 Оптические/электричесие коммутирующие мод (OSM/ESM)
Модули OLM/ELM восстанавливают (регенерируют) форму и амплитуду
принятого сигнала.
Оптические/электрические коммутирующие модули OSM/ESM версии 2
являются недорогим и эффективным средством для построения
коммутируемых сетей, работающих при скоро
стях передачи данных 100 Мбит/с.
Industrial Ethernet является основой для построения систем управления с
распределенным интеллектом, поддерживающими стандарт PROFInet. Этот
стандарт существенно упрощает организацию связи между Industrial Ethernet и
сетями полевого уровня, объединение в одну систему продукции различных
производителей, позволяет заменить трудоемкие операции программирования
систем связи их графическим проектированием
PROFIBUS
Коммуникационная сеть полевого уровня и уровня отдельных
производственных участков, базирующаяся на стандарте EN 50170–1–2 и
использующая гибридный метод доступа к шине (маркерное кольцо между
активными узлами и "ведущий - ведомый" между активными и пассивными
узлами). Средой передачи может являться витая пара, волоконно-оптический
кабель или беспроводная среда.
PROFIBUS–PA – это сеть PROFIBUS для приложений в автоматизации
непрерывных процессов. Она объединяет коммуникационный протокол
PROFIBUS–DP и технологию передачи IEC 61158–2.
Сети PROFIBUS могут быть реализованы с использованием одной из
следующих сред:
Экранированная витая пара (волновое сопротивление 150 Ом)
Искробезопасная экранированная витая пара (для PROFIBUS-PA)
Волоконно-оптический кабель
Беспроводные сети (ИК-технология)
Различные коммуникационные сети могут использоваться независимо или,
в случае необходимости, объединяться между собой.
В сетях PROFIBUS используются методы доступа, описываемые
стандартом EN 50170, Том 2, а именно “Token Bus” (сеть с передачей
маркера или маркерное кольцо) для активных станций и “Master–Slave”
(Ведущий-Ведомый) – для пассивных.
Оборот маркера (логическое кольцо)
Ведомый
Ведомый
Ведомый Ведомый Ведомый
Ведущий = активная станция Ведомый = пассивная станция
Маркерное кольцо ■** Ведущий-Ведомый
Рисунок 1-1 Принципы технологии доступа к среде передачи
информации в сетях PROFIBUS
Активные и пассивные узлы
Технология доступа не зависит от конкретной среды передачи данных. На
рисунке 1–1 “Принципы технологии доступа к среде передачи информации в
сетях PROFIBUS” показана гибридная технология доступа с участием
активных и пассивных узлов. Ниже приводятся краткие пояснения:Все
активные узлы (ведущие) формируют логическое маркерное кольцо, имеющее
фиксированный порядок, при этом каждый активный узел "знает" другие
активные узлы и их порядок в логическом кольце (порядок не зависит от
топологии расположения активных узлов на шине).
Право доступа к каналу передачи данных, так называемый “маркер”,
передаётся от активного узла к активному узлу в порядке, определяемом
логическим кольцом.
Если узел получил маркер (адресованный именно ему), он может
передавать пакеты. Время, отпущенное ему на передачу пакетов, определяется
временем удержания маркера. Как только это время истекает, узлу разрешается
передать только одно сообщение высокого приоритета. Если такое сообщение
у узла отсутствует, он передаёт маркер следующему узлу в логическом кольце.
Маркерные таймеры, по которым рассчитывается максимальное время
удержания маркера, конфигурируются для всех активных узлов.
Если активный узел обладает маркером, и если для него сконфигурированы
соединения с пассивными узлами (соединения "ведущее устройство-ведомое
устройство"), производится опрос пассивных узлов (например, считывание
значений) или передача данных на эти устройства (например, передача
уставок).
Пассивные узлы никогда не принимают маркер.
Описанная технология доступа поддерживает вход и выход узлов из
логического кольца во время работы.
Встроенные оптические интерфейсы, OBT, OLM
Оптическая передача данных в сетях SIMATIC NET PROFIBUS реализуется
с использованием встроенных оптических портов, оптических шинных
терминалов (OBT) и модулей оптической связи (OLM). В качестве среды
передачи используются двужильные волоконно-оптические кабели,
выполненные из стекла, волокон с полимерной оболочкой или пластиковых
волокон. Двужильные волоконно-оптические кабели содержат два проводящих
оптических волокна, заключённых в общую оболочку.
Модули со встроенными оптическими портами и оптическими шинными
терминалами (OBT) можно соединять между собой только для формирования
оптических сетей, имеющих шинную топологию.
С помощью модулей OLM можно получать оптические сети, имеющие
шинную топологию, топологию типа "звезда" и "кольцо". При использовании
кольцевой топологии достигается резервирование канала передачи сигнала, и
она лежит в основе построения сетей с высокой степенью надёжности.
Архитектура протоколов и профили
Из рис.1.2, представляющего архитектуру протоколов PROFIBUS, можно
видеть, что в ней реализованы уровни 1,2 и 7. С точки зрения пользователя
PROFIBUS подразделяется на 3 профиля протокола: DP, FMS и PA.
PNO-профиль
DP--устройств
для
PNO-профиль
для
FMS-устройств
Основные
функции
Расширенные функции
DP
User
Interface
Direct Data Link Mapper
(DDLM)
Layer 7
(Applicatio
n)
i
1
к
3-6
Layer 2
(Link)
Data
Fieldbus
(FDL)
Link
Data
Layer 1
(Phisik)
Phisical-Layer
(RS485/LWL)
Основные функции
Расширенные
функции
Application
Layer Interface
(ALI)
ApplicationLayer
Fieldbus
Message
Specification (FMS)
НЕ
г
Layer
ИСПОЛЬЗУ
Layer
Link
PNO-профиль
для DP--устройств
DP
User
Interface
Direct
Data Link Mapper
(DDLM)
i
Ю
ТС Я
1
Data Link Layer
Fieldbus Data Link
(FDL)
IEC-Interface
Phisical-Layer
(RS485/LWL)
IEC 1158-2
Рис. 1.2 Архитектура протоколов PROFIBUS
PPOFIBUS-DP
PROFIBUS-DP применяет уровни 1 и 2, а также пользовательский
интерфейс. Уровни с 3 по 7 не используются. Благодаря такой архитектуре
достигается быстрая передача данных. Direct Data Link Mapper (DDLM)
организует доступ к уровню 2. В основу пользовательского интерфейса
положены необходимые пользовательские функции, а также системные и
аппаратно-зависимые функции различных типов PROFIBUS-DP-приборов.
Этот профиль протокола PROFIBUS оптимизирован для быстрого обмена
данными специально для коммуникаций между системами автоматизации и
децентрализованной периферией на полевом уровне.
PROFIBUS-FMS
В PROFIBUS-FMS применяются уровни 1,2 и 7. Пользовательский уровень
состоит из FMS (Fieldbus Message Specification) и LLI (Lower Layer Interface).
FMS содержит пользовательский протокол и предоставляет в распоряжение
коммуникационные службы.
LLI реализует различные коммуникационные связи и создает для FMS
аппаратно-независимый доступ к уровню 2. FMS применяется для обмена
данными на уровне ячеек (PLC и PC).
PROFIBUS-PA
PROFIBUS-PA применяет расширенный PROFIBUS-DP-протокол передачи
данных. Техника передачи согласно IEC 1158-2 обеспечивает надежность и
питание полевых приборов через шину. Приборы PROFIBUS-PA могут
благодаря применению специальных устройств (PROFIBUS-PA-Links) в
простейшем случае интегрироваться в PROFIBUS-DP-сеть.
PROFIBUS-PA – специальная концепция, позволяющая подключать к общей
шине датчики и приводы, находящиеся во взрывоопасной зоне.
Активные участники, подключенные к PROFIBUS, упорядочены по
возрастанию их адреса в логическое маркерное кольцо (Token-Ring) (рис.1.16).
Время одного обращения маркера через всех активных участников
называется временем обращения маркера. С помощью устанавливаемого
заданного времени обращения маркера Ttr (Time Target Rotation) определяется
максимально разрешенное время обращения маркера.
Логическое маркерное кольцо
Мастера (Masters) – активные участники Адр.: 2
Пассивные участники (Slaves)
Рис. 1.16 Метод обмена маркером (токеном)
Метод Master-Slave
Если логическое маркерное кольцо состоит только из одного активного и
нескольких пассивных участников, то это соответствует “чистой” системе
Master-Slave (рис.1.17).
Метод Master-Slave делает возможным мастеру (активному участнику),
который имеет право прямой передачи, опрашивать назначенных ему Slaves
(пассивных участников). Мастер при этом имеет возможность принимать
сообщения от Slave, и соответственно, передавать. Типичная стандартная
шинная конфигурация PROFIBUS-DP базируется на этом методе управления
шиной. Активная станция (DP-Master) обменивается в циклической
последовательности данными с пассивными станциями (DP-Slaves).
Master (активный участник) Slave’ы (пассивные участники)
Рис. 1.17 Метод доступа Master-Slave
Шинные параметры
Безупречное функционирование сети PROFIBUS достигается только тогда,
когда установленные шинные параметры соответствуют друг другу. Шинные
параметры, заданные для одного участника, должны устанавливаться для
каждого другого участника сети, так что они идентичны во всей сети. В целом
шинные параметры зависят от выбранной скорости передачи и задаются
соответствующим инструментом проектирования. Изменения этих наборов
параметров должно проводиться только опытным персоналом.
Все шинные параметры описывают таким образом времена, которые
должны точно соответствовать друг другу. Единицей для измерения этих
параметров является tBIT (time_Bit). Один tBIT – это время передачи по шине
одного бита и называется также временем передачи бита. Это время зависит от
скорости передачи и вычисляется следующим образом:
tBIT = 1/скорость передачи (бит/c)
Например, для скорости передачи 12 Мбит/с время передачи бита – 83 ns, а
для скорости передачи 1,5 Мбит/c – 667 ns.
Резюме:
PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) - это наиболее мощная сеть полевого уровня,
которая может быть использована для большинства практических
применений. Эта сеть отвечает требованиям международных стандартов
IEC
61158
и
EN
50170.
PROFIBUS объединяет технологические и функциональные особенности
последовательной связи полевого уровня. Она позволяет объединять
разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне
датчиков
и
приводов.
PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми
устройствами. Требования пользователей к получению открытой, независимой
от производителя системе связи, базируется на использовании стандартного
протокола
PROFIBUS.
Одни и те же каналы связи сети PROFIBUS допускают одновременное
использование нескольких протоколов передачи данных:
PROFIBUS-FMS: универсальный протокол для решения задач по обмену
данными
между
и\нтеллектуальными
сетевыми
устройствами
(контроллерами, компьютерами/программаторами, системами человекомашинного интерфейса) на полевом уровне.
PROFIBUS-DP: протокол, ориентированный на обеспечение скоростного
обмена данными между системами автоматизации (ведущими DPустройствами) и устройствами распределенного ввода-вывода (ведомыми DPустройствами). Протокол характеризуется минимальным временем реакции и
высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей.
PROFIBUS-PA: протокол обмена данными с оборудованием полевого уровня,
расположенным в обычных или Ex-зонах (зонах повышенной опасности).
Протокол отвечает требованиям международного стандарта IEC 61158-2.
Все оборудование, выпускаемое A&D SIEMENS для сети PROFIBUS,
сертифицировано организацией пользователей PROFIBUS (PNO). Наличие этих
сертификатов гарантирует надежную работу оборудования SIEMENS в
сетевых
структурах
PROFIBUS.
PROFIBUS является открытой сетью полевого уровня. Свыше 500 крупных
мировых производителей выпускает оборудование с встроенным интерфейсом
PROFIBUS-DP. SIEMENS оказывает техническую поддержку всем
производителям, выпускающим оборудование для PROFIBUS.
Поддержка оказывается в форме технических консультаций, поставки
специализированных
микросхем
или
интерфейсных
модулей.
Каналы связи
В зависимости от требований, предъявляемых к сети PROFIBUS, для
передачи данных могут использоваться различные виды каналов связи.
Электрические каналы связи
Электрические каналы связи выполняются экранированной витой парой.
Для прокладки линий связи может использоваться множество кабелей для
различных условий эксплуатации. Большинство из этих кабелей
поддерживает технологию быстрого соединения (Fast Connect).
Оптические каналы связи
Оптические каналы связи PROFIBUS могут выполняться стеклянными или
пластиковыми оптоволоконными кабелями, предназначенными для различных
условий
эксплуатации.
Инфракрасные каналы связи
Применение модуля ILM позволяет осуществлять передачу информации по
инфракрасным каналам на расстояние до 15м.
1.
Практические занятия
Краткое описание технологии практических занятий
Базой лабораторных занятий являются компьютерные классы Института права, социального
управления и безопасности УдГУ.
Занятия проводятся в оборудованных компьютерных классах с соблюдением правил техники
безопасности и Санитарных правил и норм1.
Лабораторные работы помогают овладеть основами пользования информационных
технологий, используемых в науке, образовании и юридической деятельности, получить опыт
работы на электронно-вычислительной машине.
При подготовке к занятию студент должен разобрать вопрос; ознакомиться с кратким
описанием темы; просмотреть дополнительную литературу по данным вопросам. Список
литературы приложен в конце соответствующей темы. В ходе практических занятий студент
выполняет практические задания, предложенные преподавателем. На практическом занятии
студент обязан предъявить выполненные задания и ответить преподавателю на контрольные
вопросы, сопровождая свой ответ демонстрационными примерами.
Тема 6.2. Организация поиска информации в сети Интернет (6 часов)
Цель занятия: приобретение знаний и навыков по поиску правовой информации в
глобальной вычислительной сети Интернет.
Контрольные вопросы:
1.
Понятие браузера. Примеры.
2.
Сервисные возможности браузера Internet Explorer.
3.
Классификация систем поиска информации.
4.
Основные правила формирования сложных поисковых запросов на примере отдельной
поисковой системы.
Методические указания
При подготовке к занятию студент должен ознакомиться с кратким описанием темы (см.
Камалова Г.Г., Русских Ж.А. Информационные системы и технологии в профессиональной
деятельности юриста: Учеб. пособие. Ижевск: Детектив-информ, 2005. С. 109-117.);
просмотреть дополнительную литературу по данным вопросам, выяснить назначение и
сервисные возможности браузеров, иметь представление о видах поисковых систем и
правилах формирования поисковых запросов в них. Необходимо обратить особое внимание на
то, что от корректности написания поисковых запросов зависит эффективность и быстрота
поиска, и потому активно использовать на практике сложные запросы, включающие
логические операторы, шаблоны и т.д. Число документов, полученных в результате поиска,
может быть огромно. Поэтому решающее значение для оптимального поиска информации
имеет правильный набор ключевых слов. Необходимые рекомендации по составлению
«эффективных» запросов содержат сами поисковые ресурсы.
В ходе практических занятий студент выполняет практические задания, приведенные в
указанном учебном пособии. По окончании работы студент обязан предъявить отчет о
выполненных заданиях и ответить преподавателю на контрольные вопросы, сопровождая свой
ответ демонстрационными примерами.
Далее студенту необходимо выполнить лабораторную работу (2 часа) по поиску научной и
практической информации по закрепленному направлению научно-исследовательской работы
и подготовить отчет о проделанной работе.
Рекомендуемая литература:
1.
Информатика и математика для юристов : учеб. пособия для вузов рек. МО РФ. - М.:
Закон и право,ЮНИТИ, 2003
2.
Камалова Г.Г., Русских Ж.А. Информационные системы и технологии в
профессиональной деятельности юриста: Учеб. пособие. Ижевск: Детектив-информ,
2005.
3.
Олифер, В.Г.,Олифер Н.А. Компьютерные сети.Принципы,технологии,сети :
Учеб.пособие для вузов рек.МО РФ. - СПб.: Питер, 2004
Тема 7.1. Визуализация научного и учебного материала с помощью приложения
Microsoft PowerPoint (4 часа).
Цель занятия приобретение знаний и навыков по подготовке иллюстративных и раздаточных
материалов к устным выступлениям с использованием приложения Microsoft PowerPoint.
Контрольные вопросы:
1.
Способы создания презентаций в Microsoft Power Point.
2.
Настройка анимации объектов.
3.
Использование графических, звуковых, видео-объектов в презентации.
4.
Добавление гиперссылок, создание и использование управляющих кнопок.
5.
Создание фотоальбома.
6.
Формирование раздаточного материала.
7.
Изменение, показ, подготовка презентации к доставке по Интернету.
Методические указания
При подготовке к занятию студент должен ознакомиться с возможностями программы
Microsoft PowerPoint, просмотреть дополнительную литературу по данным вопросам,
подготовить ответы на контрольные вопросы.
В ходе практических занятий студент выполняет лабораторную работу по подготовке
компьютерных учебных материалов (лекций, конспектов, заданий) по теме, предложенной
преподавателем. В результате выполнения задания студент должен предъявить готовую
презентацию и ответить преподавателю на контрольные вопросы, сопровождая свой ответ
демонстрационными примерами.
1.
Горшунов, И.С. Работа с пакетом Microsoft Office / И.С. Горшунов . - М.: БИНОМ,
2004.
2.
Информационные технологии управления. Компьютерный практикум : учеб. пособие /
И. С. Аббакумов, Л. Г. Безаева, С. А. Домрачёв и др. ; под общ. ред. А. Н. Данчула. М.: Изд-во РАГС, 2006.
3.
Основы информатики и информационные технологии : учеб. пособие для вузов по
направлению "Экономика" и экон. спец. рек. УМО. Ч. 2 / Рос. экон. акад. им. Г. В.
Плеханова, Каф. информ. технологий ; сост. Л. П. Дьяконова, Ю. Д. Романова ; под ред.
Ю.Д. Романовой. - М.: Рос. экон. акад., 2006.
4.
Практический курс Power Point 2000[Электронный ресурс] : CD-Rom / . - М.: Кирилл и
Мефодий;Uniar;СГУ, 2001. - 577Mb. - (Практ.курсы по информ.технологиям).
Тема 7.2. Создание вебсайтов с помощью редактора Microsoft FrontPage (6 часов)
Цель занятия: приобретение знаний и навыков по подготовке сайтов с помощью приложения
Microsoft FrontPage.
Контрольные вопросы:
1.
Способы создания сайтов в приложении Microsoft FrontPage.
2.
Проектирование, редактирование и форматирование страниц.
3.
Создание гиперссылок.
4.
Использование таблиц в Microsoft FrontPage, их новое назначение. Добавление
диаграмм.
5.
Добавление анимационных эффектов, графики, звука, видео-объектов.
6.
Создание и использование управляющих кнопок.
7.
Основные тэги языка HTML.
Методические указания
При подготовке к занятию студент должен ознакомиться с возможностями программы
Microsoft FrontPage, просмотреть дополнительную литературу по данным вопросам,
подготовить ответы на контрольные вопросы. Приступая к работе необходимо учитывать, что
самые лучшие вебсайты – это те, которые емко выражают основную идею, привлекательно
выглядят, быстро выдают информацию по запросам пользователей. Используя рекомендации
по созданию и дизайну сайтов, а также личный опыт, студент должен выделить основные
положения, позволяющие создать «успешный» сайт.
В ходе практических занятий студент выполняет лабораторную работу по подготовке сайта,
содержащего информацию о проводимых собственных научных исследованиях по
закрепленному направлению. Полученный сайт должен содержать страницу с информацией
об авторе проекта, используемые нормативно-правовые акты, статистический материл, ссылки
на Интернет ресурсы Необходимо использовать на страницах все объекты, обозначенные в
контрольных вопросах. В результате выполнения задания студент должен предъявить готовый
сайт и ответить преподавателю на контрольные вопросы, сопровождая свой ответ
демонстрационными примерами.
Рекомендуемая литература:
1.
Информационные технологии управления. Компьютерный практикум : учеб. пособие /
И. С. Аббакумов, Л. Г. Безаева, С. А. Домрачёв и др. ; под общ. ред. А. Н. Данчула. М.: Изд-во РАГС, 2006.
2.
Мэтьюс М. FrontPage 2000 / Пер.с англ.Под ред.О.Б.Витенко. - Киев: Ирина:ВНV, 1999
3.
Основы информатики и информационные технологии : учеб. пособие для вузов по
направлению "Экономика" и экон. спец. рек. УМО. Ч. 2 / Рос. экон. акад. им. Г. В.
Плеханова, Каф. информ. технологий ; сост. Л. П. Дьяконова, Ю. Д. Романова ; под ред.
Ю.Д. Романовой. - М.: Рос. экон. акад., 2006.
4.
Практический курс Front Page 2000[Электронный ресурс] : CD-Rom / . - М.: Кирилл и
Мефодий;Uniar;СГУ, 2001. - 580Mb. - (Практ.курсы по информ.технологиям).
Тема 8. 1. Применение в науке и образовании пакетов прикладных программ
универсального назначения (2 часа).
Цель занятия: приобретение знаний и навыков по использованию пакетов прикладных
программ универсального назначения в научной и образовательной работе.
Контрольные вопросы:
1.
Авторская подготовка рукописи научной и научно-методической работы в текстовом
редакторе Microsoft Word (создание глоссария, тематических указателей, рефератов,
аннотаций на русском и английском языках).
2.
Сканирование и распознавание текстов с помощью системы оптического
распознавания FineReader. Настройка параметров сканирования.
3.
Системы машинного перевода. Перевод веб-страниц. Системы перевода on-line.
Методические указания
При подготовке к занятию студент должен ознакомиться с возможностями программы
Microsoft Word, FineReader, просмотреть дополнительную литературу по данным вопросам,
подготовить ответы на контрольные вопросы.
Рекомендуемая литература:
1.
Горшунов, И.С. Работа с пакетом Microsoft Office / И.С. Горшунов . - М.: БИНОМ,
2004.
2.
Информационные технологии управления. Компьютерный практикум : учеб. пособие /
И. С. Аббакумов, Л. Г. Безаева, С. А. Домрачёв и др. ; под общ. ред. А. Н. Данчула. М.: Изд-во РАГС, 2006.
3.
Цыганенко, А.М. Программные средства допечатных процессов : Учеб.пособие для
вузов рек МО РФ:В 3кн. Кн.1. Программные средства офисной полиграфии / А.М.
Цыганенко, В.М. Гасов . - М.: Изд-во МГУП, 1999.
Тема 8.2. Основы работы с СУБД Microsoft Access (4 часа)
Цель занятия: приобретение знаний и навыков по проектированию и созданию баз данных с
помощью СУБД Microsoft Access.
Контрольные вопросы:
1.
Понятие базы данных и СУБД.
2.
Использование СУБД для реализации задач профессиональной области
3.
Проектирование и формирование таблиц данных в Microsoft Access.
4.
Поиск информации в Microsoft Access.
5.
Сортировка, фильтрация данных.
6.
Получение и представление информации. Формирование выходных документов
(отчетов).
7.
Обмен данными с другими приложениями Microsoft Office.
Методические указания
При подготовке к занятию студент должен выучить определения понятий базы данных и
СУБД, просмотреть литературу по данным вопросам, подготовить ответы на контрольные
вопросы. Студенту следует обратить внимание на различие в использовании электронных
таблиц и баз данных. Microsoft Access - это система управления реляционными базами
данных, позволяющая формировать данные и решать задачи управления ими. В плане
обработки информации СУБД обладает значительно большими возможностями, чем
редакторы электронных таблиц.
Работе с БД должно предшествовать определение количества, структуры и взаимосвязи
таблиц, входящих в БД, состав каждой таблицы и документов, которые необходимо получить
по информации БД.
В ходе практических занятий студент выполняет задания, предложенные преподавателем и
отчитывается по проделанной работе, отвечает на контрольные вопросы, сопровождая свой
ответ демонстрационными примерами.
Рекомендуемая литература:
1.
Сеннов А. С. Access 2003. Практическая разработка баз данных : учеб. курс / А. С.
Сеннов .- СПб.: Питер, 2006.
2.
Бекаревич, Ю.Б. Microsoft Access за 21 занятие для студента / Ю.Б. Бекаревич, Н.В.
Пушкина . - СПб.: БХВ-Петерб., 2005.
3.
Горшунов, И.С. Работа с пакетом Microsoft Office / И.С. Горшунов . - М.: БИНОМ,
2004.
4.
Диго, С. М. Базы данных : проектирование и использование : учеб. для вузов по спец.
"Приклад. информатика (по областям)" рек. МО РФ / С. М. Диго . - М.: Финансы и
статистика, 2005.
5.
Информатика. Практикум по технологии работы на компьютере : учеб. пособие для
экон. спец. вузов рек. МО РФ / Н. В. Макарова, Е. И. Култышев, А. Г. Степанов и др. ;
под ред. Н. В. Макаровой. - 3 - е изд., перераб. - М.: Финансы и статистика, 2005.
6.
Кошелев, В.Е. Access 2003 : практ. руководство / В.Е. Кошелев . - М.: Бином, 2005
7.
Кузнецов А. Д. Microsoft Access 2003 : русская версия : учеб. курс / А. Д. Кузнецов . СПб.: Питер, 2006.
Тема 11. Автоматизированные системы обработки статистических данных (4 часа)
Цель занятия: приобретение знаний и навыков по проведению статистического анализа
правовых данных с использованием табличного процессора Microsoft Excel.
Контрольные вопросы:
1.
Понятие генеральной и выборочной совокупности.
2.
Способы отбора. Статистическое распределение выборки.
3.
Абсолютные и относительные характеристики.
4.
Корреляция.
5.
Ошибки выборочной средней.
Методические указания
При подготовке к занятию студент должен выучить определения понятий математической
статистики, просмотреть литературу по данным вопросам, подготовить ответы на
контрольные вопросы.
4.2. Методические указания по самостоятельной работе
Методические рекомендации для студентов по дисциплине «Компьютерные технологии в
науке и образовании» по написанию рефератов
Процесс овладения данной дисциплиной должен осуществляться систематически и в
определенном порядке. Изучение конкретной темы обычно начинается с усвоения
лекционного материала. В ходе чтения лекционного материала преподаватель анализирует
современное состояние внедрения компьютерных технологий в научную и образовательную
деятельность. Студенту в ходе изучения дисциплины необходимо уяснить круг вопросов,
выделяемых преподавателем в ходе лекции и самостоятельно дополнить материал вопросами,
анализируемыми в учебниках, учебных пособиях и иных источниках, рекомендованных для
обязательного изучения.
В ходе проработки лекционного материала следует выявить возникшие неточности и сложные
вопросы, недостаточно хорошо усвоенные в ходе лекционных и последующих
самостоятельных занятий студента.
В процессе изучения тем дисциплины студент выбирает наиболее заинтересовавший его
вопрос, тему для написания реферата. Согласно Большого российского энциклопедического
словаря - реферат (от лат. refero - сообщаю), краткое изложение в письменном виде или в
форме публичного доклада содержания научных труда (трудов), литературы по теме. Тема
реферата выбирается из предложенных преподавателем, однако возможен выбор свободной
темы (как в пределах содержания данного курса, так и лежащих «на стыке» изучаемой
дисциплины с иными правовыми курсами). Свободная тема обязательно должна быть
согласована с преподавателем.
Написание реферата, также как большинство видов самостоятельной работы студента
предполагает работу с литературой. Овладение методикой работы с книгой является наиболее
важным и жизненно необходимым средством в стремлении обрести квалификацию. Нужно
установить в работе над книгой строго продуманную систему, которая позволяла бы
студентам выбирать существенное, опустив второстепенное или уже известное. Важно иметь
в виду, что чтение книг – творческий процесс. Он предполагает не просто чтение, но и
ведение записей, которые дисциплинируют читателя, способствуют превращению пассивного
восприятия текста в сознательную, вдумчивую и творческую работу над ним.
Есть ряд общих приемов, характерных для работы с книгой вообще. При первом чтении книги
целесообразно начинать с общего предварительного ознакомления с ней. С этой целью надо
сначала прочесть титульный лист, обратив внимание на фамилию автора, точное название
книги, место издания, издательство и год издания. Затем просмотреть оглавление. Оно дает
общее представление о структуре и содержании книги, принятой автором систематизации
учебного материала. Прочтение введения и заключения позволяет получить представление о
задачах и методах изложения. Общее ознакомление с книгой целесообразно завершить
чтением заключения, которое позволяет понять основные обобщенные выводы, главные
мысли автора.
Чтение книги часто полезно предварять внимательным просмотром соответствующей лекции.
Это позволяет определить главное, отделить его от второстепенного.
При чтении книги необходимо выделять в ней существенное – теоретически и практически
значимое. При первоначальном чтении книги необходимо определить материал, который в
последующем будет использован при написании реферата. Данная часть материала должна
просматриваться повторно и анализироваться с точки зрения полноты, достаточности
раскрытия темы реферата.
Последнее является процессом творческим и помогает вырабатывать навыки стройного,
логического изложения мыслей в письменном виде. При этом важно научиться тщательно
анализировать содержание изучаемой книги, выделять главное кратко.
Содержательная сторона будущего текста реферативной работы должна отражать основные
закономерности проблемы выявленные в использованных в процессе написания работы
книгах и материалах. Здесь должны найти отражение теоретические знания в
соответствующей области, а также практика их применения в соответствующей сфере
деятельности. В структуре работы должны присутствовать выводы по ней, которые по тексту
реферата должны быть достаточно подробно обоснованы и логически выдержаны.
Минимальные формальные требования, предъявляемые к реферативной работе: титульный
лист, оглавление, раскрытие содержания темы, список литературы. Объем работы от 15 до 25
страниц. Текст работы выполняется на листах А4 формата 13-14 размером шрифта через
полуторный межстрочный реферат. Листы работы должны быть скреплены между собой.
Титульный лист работы подписывается студентом. Реферат сдается на проверку
преподавателю читающему лекции одновременно в двух формах представления: на бумажном
носителе и в электронном виде (на дискетке или ином носителе по выбору студента).
Работа должна быть сдана на кафедру не позднее срока назначенного преподавателем, но не
ранее чем через месяц после получения доступа к тематике реферативных работ.
В ходе написания реферата студент может пользоваться помощью преподавателя. Указанную
помощь студент может получить в часы консультаций. График консультаций по согласованию
с преподавателями вывешивается на общедоступных информационных стендах. Необходимо
отметить, что указанные консультации играют огромную роль в самостоятельной работе
студентов. Их основная цель – организовать студентов для учебной и научной работы и
направить по тому пути, на котором она окажется наиболее продуктивной. Консультация – это
не только получение совета, но и методическая помощь, позволяющая наиболее полно
овладеть приемами и методами, усвоения учебного и научного материала. К сожалению,
студенты недооценивают и недостаточно полно используют эту форму обучения и тем самым
упускают дополнительную возможность расширить и углубить свои знания.
Первоначальная оценка реферата осуществляется преподавателем, ведущим данный курс. В
результате данной оценки преподаватель фиксирует глубину содержательного анализа темы и
выполнение формальных требований (указанных выше). Если преподаватель оценивает
проведенную студентом работу как достаточную, то реферат выносится по публичную
защиту, которая производится с целью ознакомить студентов группы с работами их
товарищей, а также дать дополнительный теоретический материал по курсу, повторить и
углубить пройденное.
В процессе публичной защиты реферата: заслушивается доклад, задаются вопросы и
оценивается работа студента-магистра.
При оценивании работы должны быть учтены следующие моменты:
- уровень раскрытия содержания темы;
- наличия рассмотрения проблем существующих в анализируемом вопросе;
- достоинства работы и ее недостатки;
- выполнение формальных требований по оформлению реферата.
После защиты рефераты хранятся на кафедре положенный срок и могут быть использованы
как материал для последующих исследований.
Примерная тематика рефератов
1.
История развития вычислительной техники и алгоритмических идей, составившие
этапы этого развития.
2.
Значение компьютерных технологий в современном обществе, науке и образовании.
3.
Проблемы информатизации профессиональной деятельности человека.
4.
Информационный процесс как основа познавательной деятельности.
5.
История внедрения компьютерных технологий в научную деятельность.
6.
История компьютеризации средней и высшей школы в Российской Федерации.
7.
Понятие и виды систем и информационных образовательных технологий.
8.
Виды моделей применяемых в науке и образовании.
9.
Имитационное моделирование.
10.
Особенности применения математических методов для анализа и формализации
объектов изучения юридической науки.
11.
Математическое моделирование как метод познания и основа применения
компьютерных технологий.
12.
. Применение методов теории вероятности и математической статистики для
выявления закономерностей и построения моделей управления.
13.
Метод экстраполяции и интерполяции в научных исследованиях.
14.
Понятие прогноза и математические методы прогнозирования.
15.
Понятие знаний и базы знаний. Системы искусственного интеллекта.
16.
Математический и вычислительный эксперимент.
17.
Особенности сбора и обработки экспериментальных диагностических данных.
18.
Типы математических моделей в экспериментальном исследовании психологических
функций человека, межличностных взаимодействий в обществе.
19.
Использование трехмерных моделей с целью визуализации и иллюстрации материалов
уголовного дела, следственного эксперимента и т.д.
20.
Системы управления базами данных как средство сбора и предварительной обработки
научной информации.
21.
Системы оптического распознавания, обеспечивающие обработку сканированных
документов и их экспорт в базы данных.
22.
Автоматизированный перевод текстов с основных европейских языков на русский и
обратно.
23.
Использование табличных процессоров при выполнении математических расчетов,
математическом моделировании и обработке данных.
24.
Визуализация информации с помощью средств подготовки презентаций, конструкторов
электронных учебных пособий.
25.
Место информационных баз и справочных систем в современном образовании.
26.
Компьютерные обучающие системы и мультимедиа сопровождение образовательного
процесса: понятие и виды.
27.
Деловые игры в образовании и возможности их компьютерной реализации.
28.
Теоретическая основа построения образовательных программ.
29.
Средства и системы тестирования и контроля знаний
30.
Место информационных баз и справочных систем в современном образовании.
31.
Программные средства, автоматизирующие статистическую обработку данных.
5.ВОПРОСЫ К экзамену
Методические рекомендации по подготовке и сдаче зачета: Изучение любой дисциплины
требует проверки усвоения материала, т.е. проведение итогового контроля. Формами
итогового контроля в высшем учебном заведении являются зачеты и экзамены. При изучении
курса «Компьютерные технологии в науке и образовании» форма итогового контроля – зачет
по данной дисциплине.
При подготовке к зачету требуется повторения ранее изученного материала с тем, чтобы вновь
осмыслить и запомнить полученные знания. Повторение каждый раз должно быть новой
работой: чтение конспектов, устный пересказ, выписка отдельных положений, выводов,
фактов и т.д. Особое внимание при повторении следует уделить трудным, ранее непонятным
положениям. Перед зачетом или экзаменом важно поделиться с товарищами своими
знаниями, обсудить с ними наиболее трудные вопросы и тем самым проверить свое и из
понимание.
Требования, предъявляемые к студенту, сдающему зачет:
1.
Знание и понимание теоретической части дисциплины.
2.
Знание и наличие навыков использования программного обеспечения изучаемого на
практической части дисциплины.
3.
Написание и успешная защита реферата.
4.
Выполнение всех заданий в ходе лабораторных (практических) занятий.
История развития вычислительной техники и алгоритмических идей, составившие этапы этого
развития.
1.
Значение компьютерных технологий в современном обществе, науке и образовании.
2.
Информационный процесс как основа познавательной деятельности. Теоретическое
знание как модель предметной области.
3.
Направления использования компьютерных технологий в научной деятельности.
4.
Цели и задачи информатизации и компьютеризации в образовании: изучение ЭВМ и
применение в образовательном процессе информационных технологий.
5.
История компьютеризации средней и высшей школы в Российской Федерации.
6.
Виды образовательных задач, решаемых с помощью компьютерных технологий.
7.
Особенности применения математических методов для анализа и формализации
объектов изучения юридической науки.
8.
Математический и вычислительный эксперимент.
9.
Трехмерная компьютерная графика и специализированные программные средства
создания трехмерных моделей.
10.
Системы управления базами данных как средство сбора и предварительной обработки
научной информации.
11.
Системы оптического распознавания, обеспечивающие обработку сканированных
документов и их экспорт в базы данных.
12.
Автоматизированный перевод текстов с основных европейских языков на русский и
обратно.
13.
Использование табличных процессоров при выполнении математических расчетов,
математическом моделировании и обработке данных.
14.
Визуализация информации с помощью средств подготовки презентаций, конструкторов
электронных учебных пособий.
15.
Средства и системы тестирования и контроля знаний.
16.
Виды автоматизированных систем тестирования.
17.
Применение компьютерных технологий в организации и управлении образовательным
процессом
18.
Автоматизированные системы обработки статистических данных
19.
Дистанционное образование
20.
Ситуационное моделирование и экспертные системы. Примеры, используемые в
следственной деятельности.
21.
Глобальные информационные системы. Интернет. Примеры использования в научных
целях: проведение научных теле и видеоконференций, ведение научной переписки и
т.д.