Принципы построения автоматических систем управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Институт электроэнергетики и информатики

Кафедра электрооборудования и автоматизации промышленных предприятий

Контрольная работа

по дисциплине «Автоматические системы управления»

вариант №3

Работу выполнил:

Студент группы Кч- 311 СДЭП

Скала Евгений Викторович

Екатеринбург 2013

Принципы построения АСУ

автоматизированный система управление массив

Новизна и необычность АСУ, огромная масштабность и сложность, большая стоимость, трудоемкость и продолжительность работ, многоплановость возникающих в процессе ее построении проблем требуют регламентации и упорядочения этого процесса в соответствии с определенной системой принципов построения АСУ. Для АСУ организационного типа выделены следующие принципы построения АСУ:

· системности;

· развития (открытости);

· совместимости;

· стандартизации (унификации);

· эффективности.

Принцип системности заключается в том, что при декомпозиции должны быть установлены такие связи между структурными элементами системы, которые обеспечивают цельность АС и ее взаимодействие с другими системами. Системный анализ является научно-методической основой разработки АСУ, охватывающей как управляющую и управляемую части системы, так и ее внешнюю среду. Системный подход должен применяться при проектировании как объекта, так и органа управления в процессе их совместного функционирования. Принцип системного подхода должен проявляться при разработке всех видов обеспечения. В математическом обеспечении используется совокупность взаимосвязанных моделей. В программном обеспечении необходимо применять единообразную структуру построения, программную совместимость, наличие операционных систем, стандартизацию программ, использовать общие пакты прикладных программ. В техническом обеспечении обеспечивается взаимосвязь ЭВМ и периферийных устройств. В информационном обеспечении обеспечивается единство информационной базы, единой системы классификации и кодирования технико-экономической информации, использование унифицированной системы документации.

Принцип развития (открытости) заключается в том, что исходя из перспектив развития объекта автоматизации, АС должна создаваться с учетом возможности пополнения и обновления функций и состава системы без нарушения ее функционирования. Принцип предусматривает возможность ввода новых и совершенствования решаемых задач как при поэтапном вводе системы в действие, так и при дальнейшем ее развитии, сохраняя при этом целостность системы и взаимосвязи между задачами. Этот принцип связан с гибкостью, адаптацией системы к изменениям во внешней среде. При разработке АСУ следует обеспечить согласованность пропускной способности отдельных частей системы. В простейшем случае для последовательных участков добиваются, чтобы пропускная способность каждого последующего участка была не меньше, чем у предшествующего. При разработке АСУ, для которой существуют аналоги, следует использовать опыт предыдущих разработок. Каждый раз, когда в проекте используется иное решение, его необходимо обосновать соответствующим системным анализом. Для объекта нового типа на основе анализа группы объектов разработку АСУ ведут таким образом, чтобы ее можно было использовать в дальнейшем для аналогичных систем. Разрабатываемые АСУ должны обладать повышенной живучестью, то есть способностью некоторой компенсации нарушений функций отдельных частей и устройств. Система должна продолжать выполнение основных функций при таких нарушениях, хотя эффективность ее может оказаться пониженной. Один из путей повышения живучести системы - обеспечение возможности автономной работы ее подсистем, которые выполняют свои функции, хотя и с ухудшенной эффективностью, в течение некоторого времени без связи с вышестоящей подсистемой. Другим способом является возможность временного выполнения всех или части функций одной подсистемы другой (специфическая форма резервирования). С самого начала разработки АСУ важно предусмотреть поэтапный ввод ее в эксплуатацию. Это позволяет при ограниченных ресурсах быстрее получить реальный эффект, обеспечивает более плавный переход сотрудников к работе в новых условиях, улучшает отработку и опробование отдельных частей системы, повышает уверенность в ее будущей успешной работе.

Принцип совместимости заключается в том, что при создании систем должны быть реализованы информационные интерфейсы, благодаря которым она может взаимодействовать с другими системами в соответствии с установленными правилами. В соответствии с ГОСТ 34.003-90 совместимость АС - это комплексное свойство двух или более АС, характеризуемое их способностью взаимодействовать при функционировании. Совместимость АС включает техническую, программную, информационную; организационную, лингвистическую и, при необходимости, метрологическую совместимость. Техническая совместимость АС характеризуется возможностью взаимодействия технических средств этих систем. Программная совместимость АС характеризуется возможностью работы программ одной системы в другой и обмена программами, необходимыми при взаимодействии АС. Информационная совместимость АС характеризуется возможностью использования в них одних и тех же данных и обмена данными между ними. Организационная совместимость АС характеризуется согласованностью правил действия их персонала, регламентирующих взаимодействие этих АС. Лингвистическая совместимость АС характеризуется возможностью использования одних и тех же языковых средств общения персонала с комплексом средств автоматизации этих АС. Метрологическая совместимость АС характеризуется тем, что точность результатов измерений, полученных в одной АС, позволяет использовать их в другой системе.

Принцип стандартизации (разумной типизации, типовых проектных решений, унификации) заключается в том, что при создании систем должны быть рационально применены типовые, унифицированные и стандартизованные элементы проектные решения, пакеты прикладных программ, комплексы компоненты. Это особенно важно при создании АСУ высоких уровней управления, для которых трудоемкость работ достигает несколько тысяч человеко-лет. Принцип типовых проектных решений при разработке АСУ не предполагает максимальную типизацию. Приспособление типовых проектных решений к конкретным условиям требует много усилий, средств и времени, и кроме того многие типовые решения могут морально устареть. Поэтому типизация должна быть разумной. Уровень типизации может быть различным: от уровня подсистем и выполняемых ими функций до типовых программ решения специальных задач.

Принцип эффективности заключается в достижении рационального соотношения между затратами на создание АС и целевыми эффектами, включая конечные результаты, получаемые в результате автоматизации.

Выделяют ряд дополнительных принципов, применение которых позволяет повысить эффективность разработки и внедрения АСУ:

· первого руководителя;

· новых задач;

· автоматизации документооборота;

· единства информационной базы.

Принцип первого руководителя (человеко-машинный принцип) подразумевает непосредственное участие первого руководителя, как человека, глубоко понимающего сущность и важность внедрения АСУ, в перестройке организационной структуры в условиях АСУ, в перераспределении функций и задач коллективов, их обучением, формированием нового отношения персонала к своим обязанностям и стилю работы. Т. е., разработка и внедрение АСУ должны находиться в ведении высшего руководителя той организации, для которой она разрабатывается.

Принцип новых задач предполагает при проектировании АС поиск задач таких, что их решение позволяет обеспечивать высокую эффективность АСУ. Этот принцип требует анализа управленческих задач и выявления потерь, происходящих в объектах управления. Высокая эффективность создаваемой АСУ в значительной степени обеспечивается введением принципиально новых задач, как правило, оптимизационных. Такие задачи в существующей системе при ручной технологии не решались или решались частично из-за отсутствия адекватной модели, невозможности переработать большой объем информации и добиться нужной точности, детальности и скорости расчетов.

Непосредственным следствием принципа системного подхода являются принципы автоматизации документооборота и единства информационной базы. В АСУ недостаточно лишь выполнять на ЭВМ расчеты по тем или иным моделям. Необходимо автоматизировать все остальные процессы, связанные с движением информации - сбор, хранение, передачу, обработку данных и выдачу их для использования в виде подготовленных машиной документов или в иной удобной форме. Принцип автоматизации документооборота предполагает, что весь поток документов, которыми обмениваются орган и объект управления, в условиях АСУ, проходит через один информационный центр. Принцип единства информационной базы исключает дублирование информации.

Принципиальные особенности проектирования и внедрения АСУ

Выелены следующие особенности проектирования АСУ:

· проектирование АСУ ведется для конкретного предприятия;

· АСУ создается в единственном экземпляре (это повышает роль математических методов на этапе системного проектирования);

· при проектировании закладывается возможность дальнейшего развития АСУ, т. е. предусматривается возможность постепенного добавления новых функций, что еще больше усиливает роль первых этапов проектирования;

· ввод АСУ в эксплуатацию производится поэтапно в течение ряда лет эксплуатации;

· значительное количество решений в АСУ принимает человек, поэтому необходимо при проектировании предусматривать переработку информации людьми;

· объект управления, представляющий собой элемент многоуровневой иерархической системы управления, функционирует в условиях стохастических воздействий внешней среды;

· затраты на разработку ПО и ИО АСУ значительно превышают стоимость технических средств.

Работы по созданию и внедрению АСУ должен возглавить первый руководитель. Приказом по предприятию создается специальное структурное подразделение, занимающееся разработкой АСУ, независимо от того, ведется разработка сторонней организацией или силами самого предприятия.

Организация и проведение работ по созданию и внедрению АСУ определяются следующими возможными условиями:

· АСУ создается для действующего предприятия без проведения его реконструкции, наращивания мощностей по выпуску продукции и расширения номенклатуры выпускаемых изделий;

· АСУ создается одновременно с реконструкцией предприятия и расширением производства;

· АСУ создается для вновь строящегося предприятия.

Последние два условия позволяют получить максимальный эффект о внедрения системы.

Способы организации информационных массивов: преимущества и недостатки

Рейд может состоять из дисков различной емкости и быстродействия.

RAID 0

Дисковый массив без отказоустойчивости (Striped Disk Array without Fault Tolerance).Дисковый массив без избыточного хранения данных. Информация разбивается на блоки, которые одновременно записываются на отдельные диски, что обеспечивает повышение производительности. Такой способ хранения информации ненадежен, поскольку поломка одного диска приводит к потере всей информации, поэтому уровнем RAID как таковым не является.

RAID 0 - дешевый и производительный, но ненадежный. За счет возможности одновременного ввода / вывода с нескольких дисков массива RAID 0 обеспечивает максимальную скорость передачи данных и максимальную эффективность использования дискового пространства, так как не требуется места для хранения контрольных сумм. Реализация этого уровня очень проста. RAID 0, как правило, применяется в тех областях, где требуется быстрая передача большого объема данных. Для реализации массива требуется не меньше двух винчестеров.

Преимущества:

- наивысшая производительность в приложениях, требующих интенсивной обработки запросов ввода / вывода и данных большого объема;

- простота реализации;

- низкая стоимость;

- максимальная эффективность использования дискового пространства - 100%.

Недостатки:

- не является «настоящим» RAID'ом, поскольку не поддерживает отказоустойчивость;

- отказ одного диска влечет за собой потерю всех данных массива.

RAID 1

Дисковый массив с зеркалированием (Mirroring & Duplexing) Дисковый массив с дублированием информации (зеркалированием данных). В простейшем случае два накопителя содержат одинаковую информацию и являются одним логическим диском. При выходе из строя одного диска его функции выполняет другой. Для реализации массива требуется не меньше двух винчестеров.

RAID 1 - простейший отказоустойчивый массив

Преимущества:

простота реализации;

простота восстановления массива в случае отказа (копирование);

Недостатки:

высокая стоимость - 100-процентная избыточность;

невысокая скорость передачи данных.

RAID 2

Отказоустойчивый дисковый массив с использованием кода Хемминга (Hamming Code ECC). Схема резервирования данных с использованием кода Хэмминга для коррекции ошибок.

Поток данных разбивается на слова - причем размер слова соответствует количеству дисков для записи данных. Для каждого слова вычисляется код коррекции ошибок, который записывается на диски, выделенные для хранения контрольной информации. Их число равно количеству бит в слове контрольной суммы.

RAID 2 не получил коммерческого применения. Если слово состоит из четырех бит, то под контрольную информацию отводится три диска. RAID 2 - один из немногих уровней, позволяющих обнаруживать двойные ошибки и исправлять «на лету» одиночные. При этом он является самым избыточным среди всех уровней с контролем четности. Эта схема хранения данных не получила коммерческого применения, поскольку плохо справляется с большим количеством запросов.

Преимущества:

достаточно простая реализация;

коррекция ошибок «на лету»;

очень высокая скорость передачи данных;

при увеличении количества дисков накладные расходы уменьшаются.

Недостатки:

низкая скорость обработки запросов;

высокая стоимость;

большая избыточность.

RAID 3

Отказоустойчивый дисковый массив с параллельной передачей данных и четностью (Parallel Transfer Disks with Parity). Отказоустойчивый массив с параллельным вводом / выводом данных и диском контроля четности. Поток данных разбивается на порции на уровне байт (хотя возможно и на уровне бит) и записывается одновременно на все диски массива, кроме одного. Один диск предназначен для хранения контрольных сумм, вычисляемых при записи данных. Поломка любого из дисков массива не приведет к потере информации.

В RAID 3 информация разбивается на порции одинакового размера. Этот уровень имеет намного меньшую избыточность, чем RAID 2. Во втором рэйде большинство дисков, хранящих контрольную информацию, нужны для определения неисправного разряда. Как правило, RAID-контроллеры могут получить данные об ошибке с помощью механизмов отслеживания случайных сбоев. За счет разбиения данных на порции RAID 3 имеет высокую производительность. Поскольку при каждой операции ввода / вывода производится обращение практически ко всем дискам массива, то одновременная обработка нескольких запросов невозможна.

Этот уровень подходит для приложений с файлами большого объема и малой частотой обращений (в основном это сфера мультимедиа). Использование только одного диска для хранения контрольной информации объясняет тот факт, что коэффициент использования дискового пространства достаточно высок (как следствие этого - относительно низкая стоимость). Для реализации массива требуется не меньше трех винчестеров.

Преимущества:

отказ диска мало влияет на скорость работы массива;

высокая скорость передачи данных;

высокий коэффициент использования дискового пространства.

Недостатки:

сложность реализации;

низкая производительность при большой интенсивности запросов данных небольшого объема.

RAID 5

Отказоустойчивый массив независимых дисков с распределенной четностью (Independent Data Disks with Distributed Parity Blocks). Самый распространенный уровень. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, отсутствует выделенный диск для хранения информации о четности, нет асимметричности конфигурации дисков.

В случае RAID 5 все диски массива имеют одинаковый размер - но один из них невидим для операционной системы. Например, если массив состоит из пяти дисков емкостью 10 Гб каждый, то фактически размер массива будет равен 40 Гб - 10 Гб отводится на контрольные суммы. В общем случае полезная емкость массива из N дисков равна суммарной емкости N-1 диска.

В RAID 5 отсутствует выделенный диск для хранения информации о четности. Самый большой недостаток уровней RAID от 2-го до 4-го - это наличие отдельного диска (или дисков), хранящего информацию о четности. Скорость выполнения операций считывания достаточно высока, так как не требует обращения к этому диску. Но при каждой операции записи на нем изменяется информация, поэтому схемы RAID 2-4 не позволяют проводить параллельные операции записи. RAID 5 не имеет этого недостатка, так как контрольные суммы записываются на все диски массива, что делает возможным выполнение нескольких операций чтения или записи одновременно. RAID 5 имеет достаточно высокую скорость записи / чтения и малую избыточность.

Преимущества:

высокая скорость записи данных;

достаточно высокая скорость чтения данных;

высокая производительность при большой интенсивности запросов чтения / записи данных;

высокий коэффициент использования дискового пространства.

Недостатки:

низкая скорость чтения / записи данных малого объема при единичных запросах;

достаточно сложная реализация;

сложное восстановление данных.

RAID 6

Отказоустойчивый массив независимых дисков с двумя независимыми распределенными схемами четности (Independent Data Disks with Two Independent Distributed Parity Schemes). RAID 6 - это отказоустойчивый массив независимых дисков с распределением контрольных сумм, вычисленных двумя независимыми способами. Этот уровень во многом схож с RAID 5. Только в нем используется не одна, а две независимые схемы контроля четности, что позволяет сохранять работоспособность системы при одновременном выходе из строя двух накопителей. Для вычисления контрольных сумм в RAID 6 используется алгоритм, построенный на основе кода Рида-Соломона.

RAID 6 использует две независимые схемы контроля четности. Этот уровень имеет очень высокую отказоустойчивость, большую скорость считывания (данные хранятся блоками, нет выделенных дисков для хранения контрольных сумм). В то же время из-за большого объема контрольной информации RAID 6 имеет низкую скорость записи. Он очень сложен в реализации, характеризуется низким коэффициентом использования дискового пространства: для массива из пяти дисков он составляет всего 60%, но с ростом числа дисков ситуация исправляется. RAID 6 по многим характеристикам проигрывает другим уровням, поэтому на сегодня не получил коммерческого применения.

Преимущества:

высокая отказоустойчивость;

достаточно высокая скорость обработки запросов.

Недостатки:

низкая скорость чтения / записи данных малого объема при единичных запросах;

очень сложная реализация;

сложное восстановление данных;

низкая скорость записи данных.

RAID 7

Отказоустойчивый массив, оптимизированный для повышения производительности (Optimized Asynchrony for High I/O Rates as well as High Data Transfer Rates). В отличие от других уровней, RAID 7 не является открытым индустриальным стандартом - это зарегистрированная торговая марка компании Storage Computer Corporation. Массив основывается на концепциях, использованных в третьем и четвертом уровнях. Добавилась возможность кэширования данных. В состав RAID 7 входит контроллер со встроенным микропроцессором под управлением операционной системы реального времени (real-time OS). Она позволяет обрабатывать все запросы на передачу данных асинхронно и независимо.

RAID 7 - зарегистрированная торговая марка компании Storage Computer Corporation. Блок вычисления контрольных сумм интегрирован с блоком буферизации; для хранения информации о четности используется отдельный диск, который может быть размещен на любом канале. RAID 7 имеет высокую скорость передачи данных и обработки запросов, хорошую масштабируемость. Самым большим недостатком этого уровня является стоимость его реализации.

Преимущества:

очень высокая скорость передачи данных и высокая скорость обработки запросов (в 1,5…6 раз выше других стандартных уровней RAID);

хорошая масштабируемость;

значительно возросшая (благодаря наличию кэша) скорость чтения данных небольшого объема;

отсутствие необходимости в дополнительной передаче данных для вычисления четности.

Недостатки:

собственность одной компании;

сложность реализации;

очень высокая стоимость на единицу объема;

не может обслуживаться пользователем;

необходимость использования блока бесперебойного питания для предотвращения потери данных из кэш-памяти;

короткий гарантийный срок.

Matrix RAID

Matrix RAID - это технология, реализованная фирмой Intel в своих чипсетах начиная с ICH6R. Строго говоря, эта технология не является новым уровнем RAID (ее аналог существует в аппаратных RAID-контроллерах высокого уровня), она позволяет, используя небольшое количество дисков организовать одновременно один или несколько массивов уровня RAID 1, RAID 0 и RAID5. Это позволяет за сравнительно небольшие деньги обеспечить для одних данных повышенную надёжность, а для других высокую скорость доступа.

Размещено на Allbest.ru