Информационные технологии

Составные части интерфейса

Доступ к объектам и их экземплярам возможен только через систему окон различных типов, при этом ряд окон связан с конкретным объектом. Сценарий работы пользователя состоит из двух фаз: выбор окон и работа с ними. Для упрощения работы с окнами их группируют в соответствии с их функциональными потребностями. С этой целью вводится механизм разделов, которые предоставляют возможность создания иерархии функционально ориентированных разделов, в каждый из которых включается необходимый набор других разделов и окон.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10

По средствам спецификации окон для каждого из объектов возможно указать допускаемые режимы работы с экземплярами и составить видимые атрибуты с режимами работы с ними.

Фаза выбора объектов должна поддерживаться следующими фнкциями:

работа с общим каталогом окон в главном разделе,

создание нового раздела,

удаление раздела,

редактирование описания раздела,

передача и определение окон между разделами,

движение по иерархии разделов,

отбор разделов для работы,

отбор окон для работы.

Окно - средство взаимосвязи пользователя с системой и представляемое как специальный объект. Проектирование пользовательского интерфейса представляет собой процесс спецификации окон.

Преимущество WEB-технологии является удобная форма представления информационных услуг потребителю, имеющая следующие особенности:

информация предоставляется потребителю в виде публикаций,

публикация может объединить источники информации различной природы и географического положения,

изменения в информационных источниках мгновенно отражается в публикации,

в публикации могут содержатся ссылки на другие публикации без ограничения на место положение и источники последних,

потребительские качества публикации соответствуют современным стандарстам мультимедиа,

публикатор не заботится о процессе доставки потребителю,

число потенциальных потребителей информации практически неограниченно,

публикации отражают текущую информацию время запаздывания определяется скоростью подготовки электронного документа,

информация предоставленная в публикации легко доступна благодаря гиперссылкам и средствам контекстного поиска,

информация легко усваивается потребителем благодаря имеющемуся спектру изобразительных возможностей,

технология не предъявляет особых требований к типам и источникам информации,

технология допускает масштабирование решения т.е. увеличения числа одновременно обслуживаемых пользователей не требующих радикальной перестройки системы.

Контрольные вопросы к теме “Базовые информационные процессы, их характеристика и модели”.

1. Какие информационные процессы являются базовыми?

2. В каких представлениях рассматривается предметная область?

3. Перечислите формы исследования данных.

4. Объясните суть декомпозиции на основе объектно-ориентированного подхода?

5. Что такое инкапсуляция, полиморфизм и наследование?

6. Какие существуют методы обогащения информации?

7. Что собой представляет модель OSI?

8. Какие существуют протоколы сетевого взаимодействия?

9. Что такое драйвер?

10. Что такое дейтаграммный протокол?

11. Укажите функции, выполняемые протоколами канального уровня.

12. Какие функции выполняют протоколы среднего уровня?

13. Какие функции выполняют протоколы верхнего уровня?

14. Поясните содержание числовой и нечисловой обработки информации.

15. Охарактеризуйте виды обработки информации.

16. Какие существуют архитектуры ЭВМ с точки зрения обработки информации?

17. Определите содержание основных процедур обработки данных.

18. Поясните особенности принятия решений в различных условиях.

19. Укажите основные компоненты поддержки принятия решений.

20. Какие существуют системы поддержки принятия решений?

21. Дайте характеристику способов организации данных.

22. Укажите отличия базы данных, хранилища данных, витрины данных, репозитария.

23. Какие модели используются для описания предметной области?

24. Какие модели используются на концептуальном уровне?

25. Какие модели используются на логическом уровне?

26. Какие модели используются на физическом уровне?

27. Дайте краткую характеристику основных типов баз данных.

28. Сформулируйте подходы к проектированию баз данных?

29. Что такое СУБД и каковы ее стандарты?

30. Укажите способы реализации СУБД.

31. Опишите содержание процесса проектирования баз данных.

32. Какие существуют критерии оценки баз данных?

33. Что такое интерфейс и какова его роль в процессе представления и использования информации?

34. Какие существуют виды интерфейсов?

35. На чем основана концепция гипертекста?

36. В чем заключается концепция публикаций информации?

Базовые информационные технологии

1. Мультимедиа технологии. Характерной особенностью являются:

объединение многокомпонентной информационной среды (текст, звук, графика) в однородном цифровом представлении,

обеспечение надежного и долговечного хранения больших объемов информации.

Многокомпонентная мультимедиа среда разделяется на три группы: аудио, видео ряды и текстовая информация. Основными направления использования мультимедиа технологий являются:

- электронные издания для целей образования и развлечения,

- телекоммуникационный спектр применения от просотра книг до участия в мультимедиа конференциях,

- мультимедиа информационные системы выдающие по запросу пользователя наглядную информацию.

2. Геоинформационные технологии предназначены для широкого внедрения в практику методов и средств работы с пространственно временными данными представленными в виде систем электронных карт и предметной обработки информации для различных категорий пользователей. Большинство современных ГИС осуществляют комплексную обработку информации: сбор первичных данных, накопление и сохранение информации, различные виды моделирования, автоматизированное проектирование, документационное обеспечение. Основные области использования ГИС: электронные карты, городское хозяйство, государственные земельный кадастр, экономика, экология, специальные системы военного назначения.

Технологии защиты информации. Цели и способы защиты передаваемых данных:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11

4. CASE-технологии (автоматизированное проектирование ПО). Существует два подхода в технологии разработки ПО: 1) функционально-модульный основан на принципе алгоритмической декомпозиции с выделением функциональных элементов и установлением строгого порядка выполняемых действий; 2) объектно-ориентированный основан на объектной декомпозиции с описанием поведения системы в терминах взаимодействующих объектах.

Под CASE-технологией понимается комплекс программных средств поддерживающих процессы создания и сопровождения ПО, включающие анализ, формулировку требований, проектирование, генерацию кода, тестирование, документирование, обеспечение качества, конфигурирование управления и управление проектом. Существующие CASE-технологии ориентированы на структурный подход, объектно-ориентированный или комбинированный. Существуют спецификации и стандарты для создания распределенных объектных систем в разнородных средах, среди которых выделяют базис под названием Object Manegment Architecture (OMA).

Спецификация OMA:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12

Брокер запроса объектов определяет механизмы взаимодействия объектов в разнородной сети. Объектные сервисы являются основными системными сервисами используемые разработчиками для создания приложений. Универсальные средства являются высокоуровневыми системными сервисами ориентированные на поддержку пользовательских приложений. Объекты приложений предназначены для решения конкретных прикладных задач.

5. Телекоммуникационные технологии. Разновидности архитектуры компьютерных сетей: 1) одноранговая; 2) классическая «клиент-сервер»; 3) «клиент сервер» на основе WEB-технологии.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 13

Любое программное приложение можно представить в виде структуры состоящей из 3 компонентов: 1) компонент представления (КП) реализующий интерфейс пользователя; 2) прикладной компонент (ПрК); 3) компонент доступа к информационным ресурсам или менеджер ресурсов (МР), выполняющий накопления и управление данными.

Выделяют следующие модели архитектуры «клиент-сервер»:

Модель доступа к удаленным данным

Модель сервера управления данными

Модель комплексного сервера

Трехзвенная архитектура «клиент-сервер»

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 14

-:невысокая производительность, снижение общей скорости обмена при передачи больших объемов информации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 15

+: уменьшение объемов информации передаваемой по сети, унификация и широкий выбор средств создания приложений.

-: отсутствие четкого разграничения между КП и ПрК.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 16

+: высокая производительность, централизованное администрирование, экономия ресурсов сети.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 17

Архитектура клиент-сервер на основе WEB-технологии:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 18



Технологии ИИ

Система называется интеллектуалной, если в ней реализуются следующие принципы:

Накапливать знания об окружающем систему мире, классифицировать и оценивать их с точки зрения прагматической полезности и непротиворечивости, инициировать процессы получения новых знаний, осуществлять соотношение новых знаний с ранее хранимыми;

Пополнять поступившие знания с помощью логического вывода, отражающего закономерности в окружающем систему мире или накопленных ранее знаниях, получать обобщенные знания на основе более частных знаний и логически планировать свою деятельность;

Общаться с человеком на языке максимально приближенном к естественному человеческому языку и получать информацию от каналов аналогичных тем, которые использует человек при восприятии окружающего мира, уметь формировать для себя или по просьбе человека объяснение собственной деятельности, оказывать пользователю помощь за счет тех знаний, которые хранятся в памяти и тех логических средств рассуждения, которые присущи системе.

Обобщенная структура интеллектуальной системы:

Рис. 19

БЗ представляет собой совокупность сред хранящих знания различных типов. База факторов хранит конкретные данные. База правил хранит элементарные выражения называемые процедурами. База процедур содержит прикладные программы, с помощью которых выполняются все необходимые преобразования и вычисления. База закономерностей включает различные сведенья относящиеся к особенностям той среды в которой действует система. База метазнаний (база знаний о себе) содержит описание самой системы и способов ее функционирования. База целей содержит целевые структуры называемые сценариями, позволяющими организовать процессы движения от исходных фактов, правил, процедур к достижению той цели, которая поступила в систему от пользователя либо были сформулированы самой системой в процессе ее деятельности в проблемной среде.

Таким образом, машина БЗ осуществляет представление и обработку знаний.

Решатель выполняет функцию рассуждения.

Блок дедуктивного вывода осуществляет в решателе дедуктивные рассуждения. Кроме этого данный блок осуществляет эвристические процедуры поиска и решения задач, как поиск путей решения задачи по сценариям при заданной конечной цели. Блоки индуктивного и правдоподобного вывода служат для реализации рассуждений, которые не носят дедуктивного характера, т.е. для поиска по аналогии, прецеденту и т.п. назначение блока функциональных преобразований состоит в решении задач расчетно-логического и алгоритмического типа. Блок планирования использует в задачах планирования решений совместно с блоком дедуктивного вывода.

Функции общения реализуются как с помощью естественного языка и с помощью рецепторов и эффекторов. В зависимости от набора компонентов реализованных рассмотренных функциях, можно выделить следующие основные разновидности интеллектуальных систем: интеллектуальные информационно-поисковые системы, экспертные системы, расчетно-логические системы, гибридные экспертные системы.

Интеллектуальные информационно-поисковые системы являются системами взаимодействия с проблемно ориентированными БЗ на естественном языке, ограниченном грамматически и лексически.

Экспертные системы - вычислительные системы, использующие знания эксперта и процедур логического вывода для решения проблем, которые требуют проведения экспертизы и позволяют дать объяснение полученным результатам.

Расчетно-логические системы позволяют решать управленческие и проектные задачи по их постановкам (описанию) и исходным данным независимо от сложности математической модели этих задач.

Гибридные экспертные системы включают в себя лучшие черты экспертных и расчетно-логических систем.

Контрольные вопросы по теме “Базовые информационные технологии”

1. Какие существуют типы базовых информационных технологий?

2. Каковы характерные особенности мультимедиа-технологий?

3. Каковы основные компоненты мультимедиа-среды?

4. Какие стандарты используются при создании мультимедиа-продуктов?

5. Какие задачи решают геоинформационные технологии?

6. Какие существуют типы геоинформационных систем?

7. Какие классы данных используются в геоинформационных системах?

8. Какие модели используются для представления данных в геоинформационных технологиях?

9. Каковы принципы построения цифровой карты?

10. Какие виды обработки информации используют современные геоинформационные системы?

11. Какие существуют виды информационных угроз?

12. Какие существуют способы защиты информации от нарушений работоспособности компьютерных систем?

13. Какие существуют виды преднамеренных информационных угроз?

14. Каковы основные способы запрещения несанкционированного доступа к ресурсам вычислительных систем?

15. Что такое идентификация и аутентификация?

16. Какие существуют способы разграничения доступа к информационным ресурсам?

17. Что такое криптография и каковы ее основные задачи?

18. В чем отличие симметрических криптографических систем от ассиметриче-ских?

19. Что понимают под остаточной информацией и каковы угрозы доступа к ней?

20. Какие существуют уровни защиты информации от компьютерных вирусов?

21. Каковы цели и способы защиты информации при сетевом обмене?

22. Что такое CASE-технология и какой подход к проектированию информационных систем она использует?

23. Какие компоненты включает в себя стандарт ОМА для создания распределенных объектных систем?

24. Какие основные блоки содержит объектно-ориентированное CASE-средство?

25. Каковы основные критерии оценки и выбора CASE-средств?

26. Каковы разновидности архитектур компьютерных сетей?

27. Какие используются модели архитектуры «клиент-сервер»?

28. В чем отличие двухзвенной архитектуры «клиент-сервер» от трехзвенной?

29. Каковы особенности архитектуры «клиент-сервер», основанной на Web-технологии?

30. Каковы особенности Интернет-технологии?

31. Каковы основные компоненты Интернет-технологии?

32. Что такое броузер и какие его типы используются на практике?

33. Какие виды подключений используются для выхода в Интернет?

34. Какие протоколы используются для передачи данных в Интернете?

35. Каковы основные принципы и нормы работы Интернете?

36. Какие функции реализует интеллектуальная система?

37. Какова структура интеллектуальной системы?

38. Какие существуют разновидности интеллектуальных систем?

39. Каковы основные свойства информационно-поисковых систем?

40. Каковы основные свойства экспертных систем?

41. Каковы основные свойства расчетно-логических систем?

42. Каковы основные свойства гибридных экспертных систем?

43. Каковы типы моделей представления знаний в искусственном интеллекте?

44. В чем отличие фреймовых моделей от продукционных?

45. На какие типы предметных областей ориентированы экспертные системы?

46. Какие методы используются экспертными системами для решения задач?

47. В чем отличие поверхностных экспертных систем от глубинных?

48. По совокупности каких характеристик определяют особенности конкретной экспертной системы?

49. Что называют демонстрационным прототипом экспертной системы?

50. Какие инструментальные средства используются для построения экспертных систем?

51. Какие алгоритмы поиска решений используются в интеллектуальных системах расчетно-логического типа?

52. Каковы особенности гибридной экспертной системы?

Информационные технологии организационного управления (корпоративные информационные технологии)

Корпоративное управление и создание корпоративных информационных систем в настоящее время опираются на различные информационные технологии, так как, к сожалению, не существует универсальной технологии. Можно выделить следующие три группы методов управления: ресурсами, процессами, корпоративными знаниями (коммуникациями). Среди информационных технологий в качестве наиболее используемых можно выделить следующие:

СУБД, Workflow (стандарты ассоциации Workflow Management Coalition), Интранет. На рис. 6.1 показаны место и назначение каждой из информационных технологий [1, 23].

На рис. 6.2 интенсивность цвета соответствует степени поддержки информационными технологиями методов управления.

Задача управления ресурсами относится к числу классических методик управления и является первой, где стали широко использоваться информационные технологии. Это связано с наличием хорошо отработанных экономико-математических моделей, эффективно реализуемых средствами вычислительной техники. Рассмотрим эволюцию задач управления ресурсами.

Первоначально была разработана методология планирования материальных ресурсов предприятия MRP (Material Requirements Planning), которая использовалась с методологией объемно-календарного планирования MPS (Master Planning Schedule). Следующим шагом было создание методологии планирования производственных ресурсов (мощностей) - CRP (Capacity Requirements Planning). Эта методология была принципиально похожа на MRP, но ориентирована на расчет производственных мощностей, а не материалов и компонентов. Эта задача требует больших вычислительных ресурсов, даже на современном уровне.

Рис. 20

Объединение указанных выше методологий привело к появлению задачи MRP «второго уровня» - MRP II (Manufacturing Resource Planning) - интегрированной методологии планирования, включающей MRP/CRP и использующей MPS и FRP (Finance Resource/requirements Planning) - планирование финансовых ресурсов. Далее была предложена концепция ERP (Economic Requirements Planning) - интегрированное планирование всех «бизнес-ресурсов» предприятия.

Эти методологии были поддержаны соответствующими инструментальными средствами. В большей степени к поддержке данных методологий применимы СУБД.

Следующим шагом было создание концепции управления производственными ресурсами - CSPP (Customer Synchronized Resource Planning) - планирование ресурсов, синхронизированное с потреблением. Отличием данной концепции является учет вспомогательных ресурсов, связанных с маркетингом, продажей и послепродажным обслуживанием. На рис. 6.3 показано соотношение между понятиями CSSP, ERP и стадиями жизненного цикла товара.

В связи с тем, что в современном производстве задействовано множество поставщиков и покупателей, появилась новая концепция логистических цепочек (Supply Chain). Суть этой концепции состоит в учете при анализе хозяйственной деятельности всей цепочки (сети) превращения товара из сырья в готовое изделие (рис. 6.4).

При этом акцент сделан на следующие факторы:

* стоимость товара формируется на протяжении всей логистической цепочки, но определяющей является стадия продажи конечному потребителю;

* на стоимости товара критическим образом сказывается общая эффективность всех операций;

* наиболее управляемыми являются начальные стадии производства товара, а наиболее чувствительными - конечные (продажные).

Рис. 21

Дальнейшим развитием концепции логистических цепочек является идея виртуального бизнеса (рис. 6.5), представляющего распределенную систему нескольких компаний и охватывающего полный жизненный цикл товара, или разделение одной компании на несколько «виртуальных бизнесов».

Рассмотренные выше методологии нашли проявление как в отдельных программных продуктах, так и в рамках Интранета, как инструмента корпоративного управления.

Интранет представляет собой технологию управления корпоративными коммуникациями в отличии от Интернета, являющегося технологией глобальных коммуникаций. В телекоммуникационных технологиях выделяют три уровня реализации: аппаратный, программный и информационный. С этой точки зрения Интранет отличается от Интернета только информационными аспектами, где выделяются три уровня: универсальный язык представления корпоративных знаний, модели представления, фактические знания.

Рис. 22

Рис. 23

Универсальный язык представления корпоративных знаний не зависит от конкретной предметной области и определяет грамматику и синтаксис. На данном этапе не существует единого языка описания и к этой категории может быть отнесен графический язык описания моделей данных, сетевых графиков, алгоритмов и др. Задачей универсального языка представления корпоративных знаний является: унификация представления знаний, однозначное толкование знаний, разбиение процессов обработки знаний на простые процедуры, допускающие автоматизацию.

Модели представления определяют специфику деятельности организации. Знания этого уровня являются метаданными, описывающими первичные данные.

Фактические знания отображают конкретные предметные области и являются первичными данными.

Интранет дает ощутимый экономический эффект в деятельности организации, что связано в первую очередь с резким улучшением качества потребления информации и ее прямым влиянием на производственный процесс. Для информационной системы организации ключевыми становятся понятия «публикация информации», «потребители информации», «представление информации».

Архитектура Интранета явилась естественным развитием информационных систем: от систем с централизованной архитектурой, через системы «клиент-сервер» к Интранету.

Идея централизованной архитектуры была классически реализована в мэйнфреймах, отличительной чертой которых была концентрация вычислительных ресурсов в едином комплексе, где осуществлялось хранение и обработка огромных массивов информации. Достоинства: простота администрирования, защита информации.

При использовании персональных компьютеров появилась возможность переноса части информационной системы непосредственно на рабочее место. Таким образом, возникла необходимость построения распределенной информационной системы. Этим целям соответствует архитектура «клиент-сервер», основанная на модели взаимодействия компьютеров и программ в сети (рис. 6.6).

В традиционном понимании системы «клиент-сервер» осуществляют поставку данных, и для них характерно следующее:

* на сервере порождаются данные, а не информация;

* для обмена данными между клиентами используется закрытый протокол;

* данные передаются на компьютеры клиентов, на них интерпретируются и преобразуются в информацию;

* фрагменты прикладной системы размещаются на компьютерах клиентов.

Основные достоинства систем «клиент-сервер»:

* низкая нагрузка на сеть (рабочая станция посылает серверу базы данных запрос на поиск определенных данных, сервер сам осуществляет поиск и возвращает по сети только результат обработки запроса, т.е. одну или несколько записей);

* высокая надежность (СУБД, основанные на технологии «клиент-сервер», поддерживают целостность транзакций и автоматическое восстановление при сбое);

* гибкая настройка уровня прав пользователей (одним пользователям можно назначить только просмотр данных, другим просмотр и редактирование, третьи вообще не увидят каких-либо данных);

Рис. 24

* поддержка полей больших размеров (поддерживаются типы данных, размер которых может измеряться сотнями килобайт и мегабайт).

Однако системам «клиент-сервер» присущ ряд серьезных недостатков:

* трудность администрирования, вследствие территориальной разобщенности и неоднородности компьютеров на рабочих местах;

* недостаточная степень защиты информации от несанкционированных действий;

* закрытый протокол для общения клиентов и сервера, специфичный для данной информационной системы.

Для устранения указанных недостатков была разработана архитектура систем Интранет, сконцентрировавших и объединивших в себе лучшие качества централизованных систем и традиционных систем «клиент-сервер» (рис. 6.7).

Вся информационная система находится на центральном компьютере. На рабочих местах находятся простейшие устройства доступа (навигаторы), предоставляющие возможность управления процессами в информационной системе. Все процессы осуществляются на центральной ЭВМ, с которой устройство доступа общается посредством простого протокола, путем передачи экранов и кодов нажатых клавиш на пульте.

Основные достоинства систем Интранет:

* на сервере вырабатывается информация (а не данные) в форме, удобной для представления пользователю;

* для обмена информацией между клиентом и сервером используется протокол открытого типа;

Рис. 25

* прикладная система сконцентрирована на сервере, на клиентах размещается только программа-навигатор;

* облегчено централизованное управление серверной частью и рабочими местами;

* унифицирован интерфейс, не зависящий от программного обеспечения, используемого пользователем (операционная система, СУБД и др.).

Важным преимуществом Интранета является открытость технологии. Существующее программное обеспечение, основанное на закрытых технологиях, когда решения разработаны одной фирмой для одного приложения, может быть, кажутся более функциональными и удобными, однако резко ограничивают возможности развития информационных систем. В настоящее время в Интранете широко используются открытые стандарты по следующим направлениям [15]:

* управление сетевыми ресурсами (SMTP, IMAP, MIME);

* телеконференции (NNTP);

* информационный сервис (НТРР, HTML);

* справочная служба (LDAP);

* программирование (Java).

Тенденции дальнейшего развития Интранета:

* интеллектуальный сетевой поиск;

* высокая интерактивность навигаторов за счет применения Java-технологии;

* сетевые компьютеры;

* превращение интерфейса навигатора в универсальный интерфейс с компьютером.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами

Автоматизированные технологические процессы

Для современного машиностроения характерны такие взаимоисключающие тенденции, как повышение потребительских, эксплуатационных требований к деталям машин, их конструкции и возможностям, при снижении их материало и энергоемкости; повышение качества разработок новых изделий при сокращении сроков и уменьшении их себестоимости. Методы автоматизации проектирования и технологической подготовки производства превращаются в систему взаимосвязанных конструкторских, технологических и расчетных решений, основанных на соответствующих программных и аппаратных комплексах. Автоматизация технологических процессов в производственной сфере проходит путем широкого внедрения мехатронных объектов. Аппаратурные, вычислительные и программные возможности в настоящее время позволяют легко создавать системы управления объектами и процессами, используя для этого ограниченный набор функционально завершенных устройств процессорного управления, контроллеров, модулей связи с датчиками, с исполнительными и другими подсистемами. При этом возможно применение либо вариантов базового программного обеспечения, предоставляемого разработчиками аппаратных блоков и модулей, либо разработанные самостоятельно прикладные программные средства. Современные технологии изготовления некоторых деталей, элементов конструкций реализованы благодаря мехатронному научному и техническому базису.

Этапы развития автоматизированных систем управления

Современная АСУТП (автоматизированная система управления технологическим процессом) представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления. Создание АСУ сложными технологическими процессами осуществляется с использованием автоматических информационных систем сбора данных и вычислительных комплексов, которые постоянно совершенствуются по мере эволюции технических средств и программного обеспечения.

Появлению программного обеспечения полностью автоматизирующего процессы управления большим количеством разнородного технологического оборудования, оснащенного микроконтроллерами и/или микро-ЭВМ, предшествовало несколько этапов.

Первый этап отражает внедрение систем автоматического регулирования (САР). Объектами управления на этом этапе являются отдельные параметры, установки, агрегаты; решение задач стабилизации, программного управления, слежения переходит от человека к САР. У человека появляются функции расчета задания и параметры настройки регуляторов.

Второй этап - автоматизация технологических процессов. Объектом управления становится рассредоточенная в пространстве система; с помощью систем автоматического управления (САУ) реализуются все более сложные законы управления, решаются задачи оптимального и адаптивного управления, проводится идентификация объекта и состояний системы. Характерной особенностью этого этапа является внедрение систем телемеханики в управление технологическими процессами. Человек все больше отдаляется от объекта управления, между объектом и диспетчером выстраивается целый ряд измерительных систем, исполнительных механизмов, средств телемеханики, мнемосхем и других средств отображения информации (СОИ).

Третий этап - автоматизированные системы управления технологическими процессами - характеризуется внедрением в управление технологическими процессами вычислительной техники. Вначале - применение микропроцессоров, использование на отдельных фазах управления вычислительных систем; затем активное развитие человеко-машинных систем управления, инженерной психологии, методов и моделей исследования операций и, наконец, диспетчерское управление на основе использования автоматических информационных систем сбора данных и современных вычислительных комплексов.

От этапа к этапу менялись и функции человека (оператора/диспетчера), призванного обеспечить регламентное функционирование технологического процесса. Расширяется круг задач, решаемых на уровне управления; ограниченный прямой необходимостью управления технологическим процессом набор задач пополняется качественно новыми задачами, ранее имеющими вспомогательный характер или относящиеся к другому уровню управления.

Диспетчер в многоуровневой автоматизированной системе управления технологическими процессами получает информацию с монитора ЭВМ или с электронной системы отображения информации и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов.

Основой, необходимым условием эффективной реализации диспетчерского управления, имеющего ярко выраженный динамический характер, становится работа с информацией, т. е. процессы сбора, передачи, обработки, отображения, представления информации.

От диспетчера уже требуется не только профессиональное знание технологического процесса, основ управления им, но и опыт работы в информационных системах, умение принимать решение (в диалоге с ЭВМ) в нештатных и аварийных ситуациях и многое другое. Диспетчер становится главным действующим лицом в управлении технологическим процессом.

Говоря о диспетчерском управлении, нельзя не затронуть проблему технологического риска. Технологические процессы в энергетике, нефтегазовой и ряде других отраслей промышленности являются потенциально опасными и при возникновении аварий приводят к человеческим жертвам, а также к значительному материальному и экологическому ущербу.

Статистика говорит, что за тридцать лет число учтенных аварий удваивается примерно каждые десять лет. В основе любой аварии за исключением стихийных бедствий лежит ошибка человека.

В результате анализа большинства аварий и происшествий на всех видах транспорта, в промышленности и энергетике были получены интересные данные. В 60-х годах ошибка человека была первоначальной причиной аварий лишь в 20% случаев, тогда как к концу 80-х доля “человеческого фактора” стала приближаться к 80 %.

Одна из причин этой тенденции - старый традиционный подход к построению сложных систем управления, т. е. ориентация на применение новейших технических и технологических достижений и недооценка необходимости построения эффективного человеко-машинного интерфейса, ориентированного на человека (диспетчера).

Таким образом, требование повышения надежности систем диспетчерского управления является одной из предпосылок появления нового подхода при разработке таких систем: ориентация на оператора/диспетчера и его задачи.

Концепция SCADA как систем верхнего уровня современных АСУТП

До недавнего времени многочисленные попытки объединить в единый технико-технологический и программно-информационный комплекс разнородные по своему построению системы автоматизации производства на уровне групп станков, участков, цехов не имели успеха. Основная причина этого - отсутствие единого подхода к разработке, построению и функциям программного обеспечения и естественно - невозможность их объединения в единую систему. При укрупненном рассмотрении каждая технологическая единица может иметь свои датчики, приводы, систему управления. Несколько технологических единиц могут быть объединены локальной системой управления (на базе контроллера или ЭВМ).

Логическим обобщением методологии интеграции всех этапов производства на базе применения компьютерно ориентированных технологий проектирования и изготовления являются SCADA-системы.

Концепция SCАDA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) предопределена всем ходом развития систем управления и результатами научно-технического прогресса. Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации.

Дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI - Human Machine Interface/Man Machine Interface), предоставляемого SCADA-системами, полнота и наглядность представляемой на экране информации, доступность “рычагов” управления, удобство пользования подсказками и справочной системой и т. д. - повышает эффективность взаимодействия диспетчера с системой и сводит к нулю его критические ошибки при управлении.

Следует отметить, что концепция SCADA, основу которой составляет автоматизированная разработка систем управления, позволяет решить еще ряд задач, долгое время считавшихся неразрешимыми: сократить сроки разработки проектов по автоматизации и прямые финансовые затраты на их разработку.

В настоящее время SCADA является основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами).

Управление технологическими процессами на основе систем SCADA стало осуществляться в передовых западных странах в 80-е годы. Область применения охватывает сложные объекты электро- и водоснабжения, химические, нефтехимические и нефтеперерабатывающие производства, железнодорожный транспорт, транспорт нефти и газа и др.

В России диспетчерское управление технологическими процессами опиралось, главным образом, на опыт оперативно-диспетчерского персонала. Поэтому переход к управлению на основе SCADA-систем стал осуществляться несколько позднее. К трудностям освоения в России новой информационной технологии, какой являются SCADA-системы, относится как отсутствие эксплуатационного опыта, так и недостаток информации о различных SCADA-системах. В мире насчитывается не один десяток компаний, активно занимающихся разработкой и внедрением SCADA-систем. Каждая SCADA-система - это “know-how” компании и поэтому данные о той или иной системе не столь обширны.

Большое значение при внедрении современных систем диспетчерского управления имеет решение следующих задач:

выбора SCADA-системы (исходя из требований и особенностей технологического процесса);

кадрового сопровождения.

Выбор SCADA-системы представляет собой достаточно трудную задачу, аналогичную принятию решений в условиях многокритериальности, усложненную невозможностью количественной оценки ряда критериев из-за недостатка информации.

Подготовка специалистов по разработке и эксплуатации систем управления на базе программного обеспечения SCADA осуществляется на специализированных курсах различных фирм, курсах повышения квалификации. В настоящее время в учебные планы ряда технических университетов начали вводиться дисциплины, связанные с изучением SCADA-систем. Однако специальная литература по SCADA-системам отсутствует; имеются лишь отдельные статьи и рекламные проспекты.

Обобщенная структура АСУТП

Многие проекты автоматизированных систем контроля и управления (СКУ) для большого спектра областей применения позволяют выделить обобщенную схему их реализации, представленную на рис. 1.

Как правило, это двухуровневые системы, так как именно на этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами. Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно - аппаратной платформой. Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) - включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам (PLC - Programming Logical Controller), которые могут выполнять следующие функции:

сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса;

управление электроприводами и другими исполнительными механизмами;

решение задач автоматического логического управления и др.

Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи.

В качестве локальных PLC в системах контроля и управления различными технологическими процессами в настоящее время применяются контроллеры как отечественных производителей, так и зарубежных. На рынке представлены многие десятки и даже сотни типов контроллеров, способных обрабатывать от нескольких переменных до нескольких сот переменных.

К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта, за время, определенное для каждого события.

Для критичных с этой точки зрения объектов рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОСРВ). Контроллеры под управлением ОСРВ функционируют в режиме жесткого реального времени.

Разработка, отладка и исполнение программ управления локальными контроллерами осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения, широко представленного на рынке.

К этому классу инструментального ПО относятся пакеты типа ISaGRAF (CJ International France), InConrol (Wonderware, USA), Paradym 31 (Intellution, USA), имеющие открытую архитектуру.

Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня (см. рис.). В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, интеллектуальные или коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции. Некоторые из них перечислены ниже:

сбор данных с локальных контроллеров;

обработка данных, включая масштабирование;

поддержание единого времени в системе;

синхронизация работы подсистем;

организация архивов по выбранным параметрам;

обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем;

работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним уровнем;

резервирование каналов передачи данных и др.

Верхний уровень - диспетчерский пункт (ДП) - включает, прежде всего, одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть размещен сервер базы данных, рабочие места (компьютеры) для специалистов и т. д. Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM PC различных конфигураций.

Станции управления предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи и призваны решать SCADA-системы. SCADА - это специализированное программное обеспечение, ориентированное на обеспечение интерфейса между диспетчером и системой управления, а также коммуникацию с внешним миром.

Спектр функциональных возможностей определен самой ролью SCADA в системах управления и реализован практически во всех пакетах:

автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системы автоматизации без реального программирования;

средства исполнения прикладных программ;

сбор первичной информации от устройств нижнего уровня;

обработка первичной информации;

регистрация “алармов” и исторических данных;

хранение информации с возможностью ее постобработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных);

визуализация информации в виде мнемосхем, графиков и т.п.;

возможность работы прикладной системы с наборами параметров, рассматриваемых как “единое целое” (“recipe” или “установки”).

Рассматривая обобщенную структуру систем управления, следует ввести и еще одно понятие - Micro-SCADA. Micro-SCADA - это системы, реализующие стандартные (базовые) функции, присущие SCADA-системам верхнего уровня, но ориентированные на решение задач автоматизации в определенной отрасли (узкоспециализированные). В противоположность им SCADA-системы верхнего уровня являются универсальными.

Этапы разработки АСУТП

Разработка АСУТП, использующих SCADA-системы, вне зависимости от процесса и конкретного пакета SCADA подразумевает следующие основные этапы:

разработка архитектуры системы в целом. АСУТП строится в клиент-серверной архитектуре. Определяется функциональное назначение отдельных узлов автоматизации и их взаимодействие;

создание прикладной системы управления каждым узлом автоматизации (вернее, алгоритма автоматизированного управления этим узлом);

анализ и устранение аварийных ситуаций;

решение вопросов взаимодействия между уровнями АСУТП; подбор линий связи, протоколов обмена; разработка алгоритмов логического взаимодействия различных подсистем;

решение вопросов возможного наращивания или модернизации системы;

создание интерфейсов оператора;

программная и аппаратная отладка системы.

Работа SCADA-систем

Современные технологические процессы предполагают использование большого числа разнообразного основного и вспомогательного технологического оборудования. Для обеспечения взаимодействия разнородного оборудования с различными уровнями SCADA-системы применяется большое количество устройств связи с объектами, программируемыми логическими контроллерами, системами числового управления станками и роботами. На рис. 2 представлена иерархия уровней АСУТП. Как было сказано выше, SCADA представляет собой верхний уровень управления технологическим процессом. Информационные потоки с нижних уровней (технологического оборудования, контроллеров управления оборудованием и исполнительными механизмами) поступают на уровень SCADA, где принимаются решения по оперативно-тактическому управлению технологическим процессом.

Рис. 27 - Уровни автоматизированных систем управления технологическими процессами

SCADA-системы представляют собой мощную оболочку для разработки практически любой системы автоматического управления - от цеха до завода. На этапе создания прикладной автоматизированной системы управления, имеющиеся наборы графических примитивов, обеспечивающих динамическое отображение всех производственных процессов и ситуаций посредством удобного операторского интерфейса, “привязываются” к конкретному оборудованию, датчикам, измеряемым и контролируемым параметрам.

Для установки исполнительных механизмов, электродвигателей, клапанов, емкостей, трубопроводов и прочего используемого в технологическом процессе оборудования достаточно щелчка мышью. Привязка параметров оборудования к потребностям процесса также проста, выполняется за несколько “щелчков” мышью. Глобальные и “тактические” параметры процесса заносятся в формы, организованные в виде таблиц или баз данных. Устанавливаются стандартные органы управления процессом, организуется опрос датчиков контроля.

Формируются “рабочие окна” визуализации (в том числе анимационной) параметров, состояний и характеристик, необходимых оператору для контроля и оперативного принятия решений. После этого на легко доступном для специалистов эксплуатационников специализированном языке записываются логические и математические формулы, составляющие алгоритмы отображения параметров процессов и управления технологическим оборудованием.

Имеются библиотеки функциональных блоков, охватывающие практически всю гамму функциональных элементов, применяемых для управления оборудованием, от простейших фильтров обработки сигналов с датчиков до ПИД-регуляторов, интеграторов и т.д.

Ввод поступающих и вывод передаваемых данных организованы как система специальных функциональных блоков. Текущая информация о процессе хранится в специальных базах ввода-вывода. Входные блоки получают информацию и приводят ее в вид, пригодный для дальнейшего анализа и обработки. Блоки обработки реализуют алгоритмы контроля и управления, такие как ПИД-регулирование, задержка, суммирование, статистическая обработка; над цифровыми данными могут проводиться операции булевой алгебры и др. Выходные блоки передают управляющий сигнал от системы к объекту. Для связи с объектами используются широко распространенные интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485, Ethernet. Для увеличения скорости передачи применяются различные методы кэширования данных, что устраняет перегрузку низкоскоростных сетей. Иными словами, если два различных клиента одновременно запрашивают у сервера одни и те же данные, он посылает контроллеру не два запроса, а лишь один, возвращая второму клиенту данные из кэш-памяти.

Исполнительная часть SCADA-системы, работает в режиме реального времени и отвечает за опрос каналов ввода/вывода, выполнение алгоритмов сбора и обработки информации, как с внешних датчиков, так и из баз данных системы. Причем главным приоритетом при передаче и обработке обладают сигналы, поступающие от технологического процесса или на него и влияющие на его протекание. Они имеют приоритет даже больший, чем обращение к диску или действия оператора по перемещению мыши или сворачиванию окон. Для этих целей многие пакеты реализованы с применением операционных систем ОС реального времени, однако в последнее время все больше разработчиков создает свои SCADA-продукты на платформе Microsoft Windows NT, встраивая в нее подсистемы жесткого реального времени RTX (Real Time Extension). При таком подходе можно использовать Windows NT как единую ОС при создании многоуровневых систем, задействовать стандартные функции Win32 API и строить интегрированные информационные системы.

Источники данных в системах SCADA могут быть следующими.

Драйверы связи с контроллерами. Очень важна надежность драйверов связи. Драйверы должны иметь средства защиты и восстановления данных при сбоях, автоматически уведомлять оператора и систему об утере связи, при необходимости подавать сигнал тревоги.

Реляционные базы данных. SCADA-системы поддерживают протоколы, независимые от типа базы данных, благодаря чему в качестве источника данных может выступать большинство популярных СУБД: Access, Oracle и т. д. Такой подход позволяет оперативно изменять настройки технологического процесса и анализировать его ход вне систем реального времени, различными, специально созданными для этого программами.

Приложения, содержащие стандартный интерфейс DDE (Dynamic Data Exchange) или OLE-технологию (Object Linking and Embedding), позволяющую включать и встраивать объекты. Это дает возможность использовать в качестве источника данных даже некоторые стандартные офисные приложения, например Microsoft Excel.

Едва ли не самый важный момент при создании АСУТП - это организация такой системы управления, которая обеспечивала бы надежность и оперативную отработку аварийных ситуаций как в самой системе управления, так и в технологическом процессе. Аварийное сигнализирование и отработка аварийных ситуаций в технологическом процессе в большинстве SCADA-систем выделяются в отдельный модуль с наивысшим приоритетом. Надежность же системы управления достигается за счет горячего резервирования. Можно зарезервировать все: сервер, его отдельные задачи, сетевые соединения и отдельные (или все) связи с аппаратурой. Резервирование происходит по интеллектуальному алгоритму: чтобы не создавать удвоенную нагрузку на сеть, основной сервер взаимодействует с аппаратурой и периодически посылает сообщения резервному серверу, который сохраняет в памяти текущий статус системы. Если основной сервер выходит из строя, резервный берет управление на себя и работает до тех пор, пока основной не приступит к работе. Сразу после этого базы данных основного сервера обновляются данными резервного, и управление возвращается основному серверу.

Важной особенностью SCADA-систем является наличие удобного интерфейса “человек-машина”, поддержки стандартных сетевых протоколов связи, как серверами, так и с любыми Windows - приложениями, встроенных систем автоматического диагностирования и поиска неисправностей, для чего используется экспертная система. При устранении неисправности система может выводить оператору чертежи, схемы, страницы текста, видеоролики и т.п. по обслуживанию или ремонту соответствующего оборудования.

Все SCADA-системы открыты для дальнейшего расширения и усовершенствования и имеют для этих целей встроенные языки высокого уровня, чаще всего Visual Basic, либо допускают подключение программных кодов, написанных самим пользователем. Кроме того, к системам можно подключать разработки иных фирм, объекты ActiveX, стандартные библиотеки DLL Windows. Для реализации этих технологий разработаны специальные инструментальные средства и специализированный интерфейс.

SCADA-система может быть интегрирована с самыми разными сетями: другими SCADA-системами, офисными сетями предприятия, регистрирующими и сигнализирующими сетями (например, охрана и пожарная сигнализация) и т.п. Для эффективной работы в этой разнородной среде SCADA-системы используют стандартные протоколы NETBIOS и TCP/IP. Одно только упоминание протокола TCP/IP уже говорит о том, что SCADA-системы могут работать и в Интернете, тем более что все более актуальной становится передача оперативной и статической информации о процессе на Web-узлы.

...