В.Г.Трегуб

ОСНОВИ КОМП’ЮТЕРНО-ІНТЕГРОВАНОГО КЕРУВАННЯ

конспект лекцій для студентів напряму 0925
“Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології”
денної та заочної форм навчання

	Схвалено
на засіданні кафедри  автоматизації та комп’ютерно-
інтегрованих технологій 
Протокол №14 від 22.05.2006 р.	

	

Київ  НУХТ  2006

	Трегуб В.Г. Основи комп’ютерно-інтегрованого керування: Курс лекцій для студентів напряму 0925 “Автоматизація та комп’ютерно-інтег-ровані технології ден. та заочн. форм  навчання –  К.: НУХТ, 2006. –   с.

	Рецензент Б.М. Гончаренко, д-р техн. наук
	
	В.Г. Трегуб, д-р техн. наук

                                                                                    В.Г. Трегуб, 2006 
                                                                                    НУХТ, 2006

ї

ЗМІСТ
Вступ                                                                                                           ...5                                                                                                      
1. Основні принципи  комп’ютерно-інтегрованого управління        ...7
2. Збір і первинна обробка інформації  в АСК                                   ...11
2.1. 	Загальна характеристика задач збору  інформації  в АСК              ...11          
2.2. 	Перетворення сигналів у ІВК і задачі первинної обробки 
інформації                                                                                           ...15
2.3. Вибір періоду  опитування  датчиків                                                 ...18                                  
2.4. Фільтрація сигналів і аналітичне градуювання датчиків                  ...29
2.5.	Алгоритмічна  самодіагностика  і підвищення достовірності  
первинної  інформації                                                                        ...36            
2.6. Визначення  узагальнених  показників                                              ...42
Контрольні питання                                                                                …46                                            
3. Оптимальне керування технологічними комплексами                ...50               

3.1. 	Задачі оптимального управління  ТК  та методи декомпозиції
цих задач                                                                                             ...50
3.2. Оптимальне  керування  ТК  з  агрегатами неперервної дії            ...54
3.3. Оптимальне керування ТК  з агрегатами періодичної дії                ...61
3.4. 	Системи автоматизації виробничого  потоку  рідинних 
продуктів                                                                                             ...66
3.5. Системи автоматизації виробничого  потоку  сипких 
продуктів                                                                                             ...73
Контрольні питання                                                                                …79                                            
4. 	Автоматизовані системи керування технологічними                   
процесами                                                                                             ...82              
4.1. Загальна характеристика АСКТП                                                      ...82                                                   
4.2. Вузли верхнього рівня                                                                        ...93
4.3. Обчислювальні мережі верхнього рівня                                           ...99
4.4. Вузли  нижнього  рівня                                                                     ...120                                                         
4.5. Очислювальні мережі нижнього рівня                                            ...124 
Контрольні питання                                                                              …135                                           
5. Інтеграція систем керування                                                           ...140
5.1. 	Загальна характеристика інтегрованих систем                              ...140                    
5.2. Корпоративна система керування  бізнес-процесами                   ...149
5.3. Корпоративна  обчислювальна мережа                                         ...163
Контрольні питання                                                                              …172                                           
Література                                                                                               ...175

ВСТУП

Дисципліна «Основи комп’ютерно-інтегрованого керування (ОКІК)» належить до дисциплін базової професійної підготовки (БПП) бакалаврів напряму «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології», що да-ють студентам уявлення про структуру і основні принципи побудови ав-томатизованих систем керування (АСК), охоплюючи у разі необхідності деякі з основних напрямів науково-дослідних робіт зі створенням АСК. Її  викладається паралельно з іншими дисциплінами БПП («Метрологія, технологічні вимірювання та прилади», «Технічні засоби автоматизації» тощо), причому базою для їх є дисципліни початкової теоретично-профе-сійної підготовки: «Теорія автоматичного керування» і «Виробничі про-цеси та обладнання об’єктів автоматизації». У свою чергу, дисципліни БПП забезпечують подальше вивчення дисциплін заключної теоретично-професійної та професійно-практичної підготовки («Автоматизація техно-логічних процесів», «Автоматизація бізнес-процесів», «Основи проекту-вання систем автоматизації» тощо).
Мета вивчення дисципліни «Інтегровані АСК» полягає  в  підготовці  студентів до самостійного розв’язання теоретичних та прикладних задач побудови комп’ютерно-інтегрованих систем керування технологічними та економічними  процесами в харчовій  промисловості з використанням су-
часних технічних засобів і насамперед  індустріальних та  офісних  ком-п’ютерів  і мікропроцесорних  контролерів.
У результаті вивчення  дисципліни  студент  повинен  
знати:
•	загальну тенденцію та проблеми автоматизації технологічних та бізнес -процесів галузі; 
•	структури та функції автоматизованих систем керування технологічни-ми процесами  (АСКТП) та интегрованих   АСК;
•	алгоритми  первинної  обробки інформації  та алгоритмичної  самодіаг-ностики;
•	алгоритми оптимального управління технологічними комплексами, з ланками, які функціонують неперервно або періодично;
•	види інтеграції в інтегрованих системах;
•	алгоритми автоматизованого керування  бізнес-процесами;
вміти:
•	проводити  аналіз  технологічних та організаційних комплексів з метою побудови багаторівневої  розподіленої  системи керування цими комп-лексами;
•	вибирати алгоритми для первинної обробки інформації;
•	розробляти алгоритми для оптимізації  роботи технологічних та  орга-нізаційних комплексів;
•	розробляти системи автоматизації виробничих потоків підприємств та координації роботи технологічних і організаційних комплексів.

1.	ОСНОВНІ ПРИНЦИПИ КОМП’ЮТЕРНО-ІНТЕГРОВАНОГО
КЕРУВАННЯ

Більшість систем керування, які зараз використовуються, є комп’юте-рно-інтегрованими, тому що основними технічними засобами таких сис-тем є комп’ютери, застосування яких дозволяє інтегрувати кілька функцій управління. Практично комп’ютерно-інтегровані системи керування (КІСК) виникли як розвиток інтегрованих автоматизованих систем керу-вання  (ІАСК), які в свою чергу є одним з багатьох видів АСК – автомати-зованих систем керування.
Серед скорочених назв інтегрованих систем автоматизації найбільш поширені дві:  ІАСК – інтегрована автоматизована система керування  і КІСК – комп’ютерно-інтегрована система керування. Водночас ІАСК – це один з багатьох видів АСК, стандартизоване визначення якої формулює-ться так: АСК – це автоматична система, призначена для автоматизації процесів збирання та пересилання інформації про об’єкт керування, її перероблення та видачі керувальних дій на об’єкт керування.
До найпоширеніших видів АСК належать:
АСКТП (АСК технологічними процесами) – автоматизована система,  призначена для вироблення та реалізації керувальних дій на технологі-чний об’єкт керування згідно з прийнятими критеріями керування. АСКТП виконує свої функції на рівні окремого апарата або технологічного комп-лексу (ТК),  до якого належать установка,  відділення, цех або виробни-цтво.
АСКП (АСК підприємством) – інтегрована АС, призначена для ефек-тивного керування виробничо-господарською діяльністю підприємства.
ІАС (інтегрована АС) – сукупність двох і більше взаємопов’язаних АС, в якій функціонування  однієї (кількох) з них залежить від функціону-вання іншої (інших) так, що цю сукупність можна розглядати як єдину АС. 
Поняття «інтегрована» широко використовується в назві сучасних систем автоматизаціі, але дуже часто  в нього вкладають різний зміст. Найчастіше під ним розуміють систему, що інтегрує функції АСКТП і АСКП, тобто функціонально ІАСК = АСКТП + АСКП. Іноді ця формула стає ширшою ІАСК = АСКТП + АСКП + САПР + АСКЯ, тобто додається система автоматизованого проектування (САПР) і автоматизована сис-тема керування якістю (АСКЯ). Але й саму АСКП, як видно із наведеного визначення, іноді також називають інтегрованою, маючи на увазі об'єд-нання  кількох пакетів програмного забезпечення в один інтегрований.
З появою в системах керування комп’ютерів як основного технічного засобу з’являється новий термін: комп'ютерно-інтегровані системи керу-вання (КІСК). КІСК –  ієрахічно-розподілена система, що інтегрує фу-нкції  керування технологічними та організаційно-економічними процесами під-приємствва і складається з робочих станцій, об’єднаних у локально-об-числювальні мережі.
Структурно інтегрована АСК складається з двох основних частин: АСКТП і АСКП.  У свою чергу, АСКТП також має дві основні частини: це локальна обчислювальна мережа (ЛОМ) і система керування технологіч-ними процесами (СКТП). Що стосується АСКП (зараз більш поширеною є інша її назва – корпоративна система керування бізнес-процесами – КСКБП), то вона в свою чергу, також містить в своєму складі також дві частини: корпоративну обчислювальну мережу (КОМ), яка об’єднує, як правило, кілька локальних обчислювальних мереж (ЛОМ) та систему ке-рування бізнес-процесами (СКБП). КСКБП на відміну від АСКП вирішує дві проблеми: перша – це об’єднання різнородних мереж та друга – ство-рення єдиної системи управління бізнес-процесами. Описана структура наведена на рис.1.1.
Обчислювальні мережі, як відомо, поділяють на:
локальні ЛОМ (LAN – Local  Area Network), 
корпоративні КОМ (EWN – Enterprise  Wide Network), 
міські МОМ (MAN – metropolitan  Area Network),
регіональні РОМ та глобальні ГОМ (WAN – Wide  Area Network). 

ІАСК

КСКБП

АСКТП

Рис. 1.1

КОМ

СКБП

ЛОМ

СКТП

ЗАГАЛЬНА ІНФОРМАЦІЙНА БАЗА

Стандартизоване визначення ЛОМ формулюється так: ЛОМ – систе-ма, яка забезпечує на обмеженій території один чи кілька каналів зв’язку, наданим приєднаним до неї абонентам для короткочасного  монопольно-го користування. Стандартизованого визначення інших мереж немає,  але зазначені мережі суттєво відрізняються одна від одної значеннями  основних характеристик: (1) максимальною швидкістю передавання да-них (ШПД), (2) максимальною кількістю вузлів, (3) максимальною відста-нню між вузлами, (4) топологією мережі, (5) апаратною та програмною платформами, (6) фізичним середовищем передавання даних (типом кабелю зв’язку) та (7) методом доступу до нього. 
При цьому під терміном вузол  розуміють точку мережі, в який обс-луговуюється користувач чи підмикається комунікаційний канал. У ме- Стандартизоване визначення ЛОМ формулюється так: ЛОМ – систе-ма, яка забезпечує на обмеженій території один чи кілька каналів зв’язку, наданим приєднаним до неї абонентам для короткочасного  монопольно-го користування. Стандартизованого визначення інших мереж немає,  але зазначені мережі суттєво відрізняються одна від одної значеннями  основних характеристик: (1) максимальною швидкістю передавання да-них (ШПД), (2) максимальною кількістю вузлів, (3) максимальною відста-нню між вузлами, (4) топологією мережі, (5) апаратною та програмною платформами, (6) фізичним середовищем передавання даних (типом кабелю зв’язку) та (7) методом доступу до нього. 

ЗАГАЛЬНА  ІНФОРМАЦІЙНА  БАЗА

Наведена структура ІАСК є скоріш технічною, ніж функціональною. Розгляд функціональної структури потребує виділення функціональ-них рівнів з ураховуванням значення інформаційної інтеграції, яку в даному випадку забезпечує, насамперед, наявність загальної інформа-ційної бази. Точна, своєчасна та достовірна інформація на виробництві все більшою мірою визначає продуктивність праці, рівень витрат, якість і конкурентну  спроможність продукції. Інформатизація підприємства почи-налась одночасно з двох боків: «зверху» та «знизу». «Зверху» – в  офі-сах створювалися інформаційні структури, що відповідали за роботу під-приємства у цілому. Спочатку це було планування матеріальних ресурсів (MRP – Material Requirements Planning). Потім цей стандарт був розши-рений до планування усіх матеріальних ресурсів разом з обладнанням (MRP II – Manufacturing Recourse Planning), необхідних для виробництва.  Зараз цей рівень (ЕRP – Enterprise Recourse Planning) об’єднує усі ресу-рси, необхідні для роботи підприємства, включаючи управління фінан-сами і матеріально-технічним постачанням, організацію документообігу і т.п.   
«Знизу» на виробництві інформація від різних датчиків використову-валась, насамперед, для безпосереднього керування технологічним про-цесом за допомогою пристроїв зв’язку з об’єктом, МПК  та ІПК. Це рівень локальних систем автоматизації (CL – Control  Level), на якому замика-ються найбільш короткі контури управління виробництвом. Потік інфо-рмації від датчиків надходить далі на рівень візуалізації контроля і управління (SCADA – Supervisory Control  and  Data  Acquisition). На цьо-му рівні здійснюється оперативне керування технологічним процесом, приймаються рішення, спрямовані, насамперед, на утримання стабільно-сті процесу.
Якщо два нижні рівні належать до АСКТП, то верхній, безумовно, – до КСКБП.  Для їх зв’язування –  з метою використання цими системами загальної інформаційної бази – введено проміжний рівень управління виробнитвом (MES – Manufacturing Execution Systems). Його основне призначення – впорядкування та обробка первинної інформації про хід виробничого процесу таким чином, щоб ця інформація могла бути вико-ристаною в КСКБП  у реальному часі та звичайній для цих систем формі.
Підсумовуючи викладене, слід зазначити, що ІАСК повинна мати, як мінімум, чотири функціональні рівні,  розташовані  в  такому  порядку зго-ри донизу: ЕRP – MES – SCADA – LC. Кожний із цих рівнів реалізується, як зазначалося вище, з допомогою робочих станцій та обчислювальних мереж.
2. ЗБІР І ПЕРВИННА ОБРОБКА ІНФОРМАЦІЇ  В АСК

2.1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАДАЧ ЗБОРУ  ІНФОРМАЦІЇ  В АСК

Основною функцією АСК, як свідчить її стандартизоване визначення (див. розділ 1), є збирання, пересилання та перероблення інформації про об’єкт керування. У той же час збір і первинна обробка інформації є функцією інформаційного забезпечення АСК, що є системою форм і ме-тодів інформаційного відображення об’єкта керування (ОК) і забезпечен-ня ефективного систематичного обміну інформацією між АСУ і ОК з ме-тою відстеження його стану і вироблення необхідних керувальних дій. У цьому визначенні відображено одну з основних особливостей інформа-ційного забезпечення: без інформації неможливе керування, інформація потрібна як автоматизованим, так і неавтоматизованим системам. Це підкреслює і стандартизоване визначення: інформаційне забезпечення - це інформаційна база автоматизованої системи і засоби її організації та реалізації.
У процесі керування виконуються такі основні операції, пов’язані з інформацією: 
*	 збір і первинна обробка інформації про стан зовнішнього середо-ища і об’єкта керування;
*	 вторинна обробка інформації і вироблення необхідних керуваль-их дій.   
Зупинимося докладніше на першій операції, враховуючи, що зміст другої операції аналізуватиметься під час розгляду відповідних систем керування. Первинна інформація в АСУ може бути поділена за різними ознаками, причому найбільш суттєвими є такі: спосіб отримання та  хара-ктер інформації. За  першою  ознакою  виділяють  автоматичний (здебі-льшого від  датчиків) та ручний (здебільшого від технічних засобів для ручного вводу) ввід, за другою – технологічна та бізнесова інформа-ція, тобто інформація про технологічні та економічні процеси.
Основним джерелом бізнесової інформації  в АСК є документообіг,  схема якого вказує на місця документоутворення і маршрутів руху доку-ментів. Виробничі документи поділяють за багатьма ознаками і, насам-перед, на первинні та вторинні, причому до перших відносят ті, що мають дані про стан і фінансово-господарську діяльність підприємства. Для зру-чності вводу даних у ЕОМ  інформацію документа поділяють на три ча-стини: 
*	 пояснювальну, що має необхідні текстові пояснення, які в ЕОМ не вводяться;  
*	 змістову, яку становлять дані про виробничі об’єкти; 
*	 службову, що необхідна для машинної обробки документа.
Структура змістової частини документа складна і може містити різні інформаційні сукупності, якими є реквізит та техніко-економічний показ-ник (ТЕП). Реквізит – це елементарна інформаційна сукупність, що скла-дається з кількох символів, які утворюють слово або кілька слів,  відокре-млення яких неможливе без втрати економічного змісту. Виділяють рек-візит-ознаку та реквізит-основу. Перший характеризує якісні властиво-сті продукту (наприклад, найменування, гатунок, вид виконання, номе-нклатурний номер і т. і.), другий – його числові характеристики (напри-клад, кількість, вартість і т. і.). Сукупність одного реквізита-основи та одного або кількох реквізитів-ознак складає ТЕП:  
                                           P = ( Q, X1,...,Xn),                                           (2.1) де Q – реквізит-основа; X1,..., Xn – реквизит-ознака. Наприклад, вартість 1 м матеріалу 1-го гатунку – 20 грн. Тут Q = 20, підмет – вартість (в рек-візитах-ознаках іноді виділяють підмет), ознака  продукту – 1 м матеріа-лу 1-го гатунку, одиниця виміру – грн. Таким чином, ТЕП визначає одну характеристику об’єкта.
Основним джерелом технологічної інформації  в ІАСК є канал пе-едавання сигналів (КПС), що складається з лінії зв’язку (ЛЗ) і пристроїв зв’язку з об’єктом (ПЗО). Комплекс КПС іноді  називають системою зв’я-ку з об’єктом. Сукупність КПС з датчиком є інформаційно-вимірювальним каналом (ІВК) або вимірювальним каналом АСКТП (ВК АСКТП), тобто ІВК = КПС + Д =  Д + ЛЗ + ПЗО.
Стандартизоване визначення ВК АСКТП таке: це функціонально об’-єднана частина АСКТП, призначена для автоматизованого створення ін-формативного сигналу про властивості технологічного об’єкта керування (ТОК), перетворення його на інформаційний сигнал вимірюваної фізичної величини та подання його у вигляді натурального числа і (чи) цифрового коду. У  ПЗО відбувається перетворення інформації з аналогової або ди-скретної форми на цифрову форму, в якій ця інформація вводиться та виводиться з ЕОМ. Існує стандартизоване визначення ПЗО: це пристрій, призначений для введення сигналів з об’єкта в АС та виведення сигналів на цей об’єкт. Узагальнена структура ІВК наведена на рис. 2.1.
ПЗО залежно від виду сигналу складається з комутатора аналого-вого або дискретного сигналу (КАС або КДС)  та аналогово-цифрового (АЦП) або дискретно-цифрового (ДЦП) перетворювача. З метою змен-шення вартості АЦП та ДЦП виконують багатоканальними і канали  по-чергово підмикаються до відповідних датчиків через КАС або КДС.  Між датчиком та  ПЗО  іноді   вмикають   модуль  нормалізації  (МН)  або блок 
формування аналогового (БФАС) чи дискретного (БФДС) сигналів, які приводять сигнали до заданого рівня, а також можуть виконувати опера-ції фільтрації, множення на коефіцієнт, перетворення струму на напругу. 

Датчик

П З О
КДС - ДЦП
КАС - АЦП

Рис. 2.1

ЕОМ

ЛЗ

ТОК

                                                         
     
Принцип зв’язку ЕОМ з датчиком може бути синхронним, асинхрон-ним або комбінованим. Найбільш поширений зв’язок за синхронним при-нципом, коли процес передавання інформації розбивається на цикли рів-ної тривалості тактуючими сигналами пристрою поточного часу - тайме-ра. На початку кожного циклу проводиться послідовне опитування датчи-ків і перетворення сигналів на цифровий код. Час, який витрачається на цю операцію, значно менший від інерційності об’єкта, тому вважається, що вся інформація від датчиків уводиться в оперативний запам’ятовую-чий пристрій (ОЗП) ЕОМ практично одночасно. Після введення інформа-ції ЕОМ протягом тривалості часу циклу виконує обробку даних і разра-хунок необхідних керувальних дій, які лишаються незмінними до наступ-ного тактуючого сигналу.

Датчик

П З О
КДС - ДЦП
КАС - АЦП

Рис. 2.1

ЕОМ

ЛЗ

ТОК

Якщо зв’язок побудований за асинхронним принципом на пристрій переривання замість тактуючих сигналів надходять сигнали від датчиків переривань (ДП), безпосередньо зв’язаних з об’єктом (наприклад, датчи-ків аварійного стану). Кожний сигнал переривань є вимогою про припи-нення виконуваних обчислень і перехід до виконання підпрограм, які від-овідають даному сигналу. ЕОМ реагує на сигнал переривання з ураху-анням пріоритету одних сигналів переривання над іншими. В разі ком-бінованого принципу зв’язку використовують як синхроний, так і асинхро-ний  принципи зв’язку. 

2.2. 	ПЕРЕТВОРЕННЯ СИГНАЛІВ У ІВК І ЗАДАЧІ ПЕРВИННОГО 
ОБРОБЛЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ

Основним видом технологічної інформації в ІАСК, як відзначалось вище, є поточні значення технологічних змінних, які перетворюються ви-мірювальними  перетворювачами найчастіше на  аналогові сигнали і да-лі приведені до цифрової форми вводяться в ЕОМ. Ця первинна інфор-мація непридатна ні для подання її оператору, ні для подальшого Вико-ристання з метою розрахунку керувальних дій, тому її піддають різним видам обробки, яку називають первинною, маючи на увазі, що в резуль-таті вторинної обробки вже будуть сформовані керувальні дії. Таким чи-ном, метою первинної обробки інформації є отримання достовірних оці-нок поточних значень контрольованих змінних на основі інформаційних сигналів, що надійшли до ЕОМ.
Розглянемо перетворення, яким піддають вимірювану величину у ти-повому  ІВК  (рис. 2.2).  На  виході  датчика  Д  формується  корисний  си-гнал y(t), який зв’язаний з вимірюваною величиною x(t) за допомогою статичної характеристики датчика  y(t)= f [x(t)].                    

Д

КАС

Рис. 2.2

ПЗО

z*(kT0)

z(kT0)

x(t)

z(t)

e(t)

y(t)

ЕОМ

АЦП

+

ТОК

  

Якщо y – стандартний електричний сигнал, то його подають на вхід ЕОМ, в інших випадках використовують додаткове перетворення сигна-лу. Оскільки при цьому відбувається тільки масштабне змінення сигналу, то таким перетворенням можно знехтувати. Під час вимірювань або  пе-редавання по лініях зв’язку на корисний сигнал  y(t)  можуть накладатися шкідливі  сигнали (шуми),  в  цьому  разі,  припускаючи  що вони адитив-ні відносно корисного сигналу, отримаємо значення сигналу на вході до комутатора аналогового сигналу (КАС)
                                     z(t) = y(t) + e(t),                                             (2.2) 
де e(t) – шкідливий сигнал. 
У КАС сигнал z(t) квантується за часом при кроці такого квантування Т0 (час, через який кожний канал з допомогою КАС підмикається до АЦП), тому до АЦП надходить не безперервна функція сигналу z(t) (рис. 2.3,а), а послідовність імпульсів – «решітчаста» функція (рис. 2.3,б)  сиг-налу z(kТ0): 
                          z(kТ0) = z(t)  при  t = kТ0,      k = 0,1,2,...                                                                
                          z(kТ0) = 0     при   t =kТ0.                                          (2.3)       

 

                                                                       

kT0

t

z

z

а 

б 

Т0

Рис. 2.3

В АЦП відбувається перетворення амплітуди імпульсів  z(kT0) на  чи-сла z*(kT0) у коді ЕОМ. Сигнал квантується за рівнем, при якому весь діа-пазон можливих значень z ділиться 2n частин, де  n – кількість розрядів у двійковому коді чисел, якими оперує ЕОМ. За такого квантування 
                             z*(kTo) = Dz F[z(kT0)/Dz],                     (2.4)                     де Dz - крок квантування за рівнем (ціна меншого розряду в коді числа).
                                  Dz = (zmax – zmin)/2n,                                           (2.5)                   
де zmax, zmin – найбільше і найменше значення z; F[...] – функція «ціла частина від числа в [...]».
Дамо оцінку впливу  квантування сигналу за часом і за рівнем на то-чність отриманої інформації. Найпростіше оцінити вплив квантування за рівнем. З виразу (2.4) випливає, що похибка від такого квантування не може  перевищувати  Dz, який  визначається співвідношенням (2.5). От-же, найбільше відносне приведене значення  цієї похибки не перевищує величини: 
                                        dрв =  Dz / (zmax – zmin) = 1/2n.                              (2.6) Сучасні ЕОМ, як правило, працюють з n > 16, отже dрв < 1/65536 = =1,535. Таким чином, похибкою  від  квантування за рівнем можна знехту-   
вати і вважати z*(kTo) = z(kTo).
Похибка від квантування за часом значно більша. Квантування не-перервної  функції з періодом Tо призводить до зміни її спектра і в зага-льному випадку до втрати інформації. Особливо чітко це видно на  спект-ральних характеристиках  неперервної та решітчастої функцій. Спектр неперервної функції – це монотонна функція з екстремумом при частоті wo (рис. 2.4,а), а спектр решітчастої функції – періодична функція з періо-дом Тo= 2p/wo (рис. 2.4,б).

 0               w0            w

0        wЗ         w

Рис. 2.4

z(jw)

а

б

z(jw)

                                                                      

Як видно з рис. 2.4 чим більше Тo  і менше wo, тим більше накладан-ня зміщених спектрів, особливо при високих частотах, що приводить до змінення спектра і втрат інформації.  Втрат інформації не станеться при wo ³ 2wз, тому що у цьому разі відсутнє накладання спектрів. Це суть ві-домої теореми Котельнікова – Шеннона, яка формулюється так: якщо не-перервна функція має обмежений спектр і кінцеве число екстремумів, то існує такий максимальний інтервал часу Dt між відліками, при якому є можливість відновити дану функцію за її дискретними відліками
                        Tо =2p/wo = 2p/2wЗ = p/wЗ = p/2pfЗ = 1/ 2fЗ,                                 (2.7)
де wз  або  fз  – частота  зрізу,  тобто  гранична частота, якою обмежений спектр неперервної функції. 
Аналіз перетворення інформації в ІВК показує, що для отримання оператором або подальшого використання інформації, отриманої від датчиків, потрібно розв’язати такі задачі первиннї обробки інформації (ПОІ):
перша: відновити оцінку  z^(t) за z(kTо) за  допомогою інтерполяції або екстраполяції з одночасним вибором То;                      
друга: відновити оцінку y^(t)  за значенням z^(t) з допомогою фільт-рації сигналу z^(t), тобто відокремити шуми e(t);
третя: відновити оцінку x^(t)  за значенням y^(t) з допомогою ана-літичного градуювання датчиків.
Таким чином, при виконанні цих операцій  ПОІ відбувається ніби зво-ротний рух по ІВК і послідовне визначення оцінок сигналів z^(t), y^(t), x^(t). Крім наведених до ПОІ належать також дві додаткові операції:
четверта: коригування відновлених значень x^(t) з урахуванням ві-дхилення умов вимірювання від номінальних;
п’ята:  контроль і підвищення достовірності первинної інформації.

3. ВИБІР  ПЕРІОДИЧНОСТІ  ОПИТУВАННЯ  ДАТЧИКІВ

2.3.1. Загальна характеристика задачі

Задачу вибору періоду опитування датчиків То розв’язують з ураху-ванням двох суперечливих міркувань. Збільшення То, з одного боку зни-жує завантаження процесора задачами ПОІ, а з другого боку, зростає по-хибка визначення x^(t) або y^(t) у моменти часу kTо > t > (k–1)Tо. Здава-лося б, цю проблему легко можно вирішити вибираючи То за допомогою теореми Котельнікова–Шеннона , але її використання наштовхується на ряд принципових ускладнень.
Реальні неперервні сигнали є кінцевими за часом, отже їх спектри не обмежені, тому wЗ не можна визначити, а треба вибирати. Вибір wЗ за цих умов призводить до втрати високочастотних складових спектра і, от-же, до похибки. Однак, якщо допустити обмеження з точності відтворе-ння  y^(t), то  наближене подання безперервного повідомлення у  вигляді  дискретної послідовності величин можливе. При цьому для підвищення точності відновлення використовують різні методи екстра- та інтерпо-ляції. 
Методи екстраполяції використовують в оперативному керуванні ви-обництвом, коли необхідно визначити майбутні значення критерію керу-вання, тобто з деяким випередженням.  Методи інтерполяції застосову-ють для відновлення значень параметра у моменти часу, що передують останній  точці замірювання.
Як критерій найліпшого наближення поновлюваної  оцінки z^ до його дійсного значення z застосовують одне з двох значень дисперсії похибки:
при керуванні технологічним процесом – максимальне можливе в ін-тервалі інтерполяції Dz.max;
при визначенні середніх величин – усереднене на інтервалі інтер-поляції  Dz.сер.
При цьому існують два методи вибору То:  перший – точний, за авто-кореляційною функцією; другий –  наближений,  за реалізацією випадко-вого процесу.

                                                  
2.3.2. Вибір періодичності опитування датчиків за автокореляційною функцією

Для розв’язання цієї задачі необхідно попередньо вибрати метод на-ближення відновленої функції z^(t) до дійсної z(t) за дискретними значе-ннями замірів z(kTо). Найпростішим серед цих методів є метод східчас-тої екстраполяції, за яким
                          z^(t) = z(kTо)     при  (k+1)Tо > t ³ kТо ,
                      z^(t) = 0             при   kТо > t ³ (k+1)Tо .                     (2.8)
Графічна реалізація співвідношення (2.8) подана на рис. 2.5. Цей метод не потребує обчислень і тому широко використовується в мікро-процесорних контролерах (МПК), але він дає найбільшу похибку порів-няно зі складнішими методами, що потребують обчислень. 

Рис.2.5

То

z^(t)

t(kTо)

z(kTо)

z(t)

z

                                                    

                                                                                      

                                                                                    

Дисперсія похибки такої екстраполяції
                              D z..e = M {z[(k+1)Tо] - z(kTо)}2,                     (2.9)          а для стаціонарних випадкових процесів:
                  M{z[(k+1)Tо]} =  M[z(kTо)] = Rz(0) + mz 2, 
                  M{z[(k+1)Tо] × z(kTо)} = Rz(Тo) + mz2.                               (2.10)
Підставивши (2.10) в (2.9), отримаємо вираз для дисперсії похибки східастої екстраполяції: 
                                 Dz.e = 2 [Rz(0) – Rz(Tо)],                                    (2.11)
де Rz(0), Rz(Tо) – значення автокореляційної функції відповідно при таких значеннях аргумента: Dt = 0  і Dt = Tо.
Якщо не вдається вибрати То, що забезпечує необхідну точність, то вибирають більш точний метод поновлення z^(t). До таких належить, на-самперед, метод лінійної інтерполяції, при застосуванні якого дисперсія похибки інтерполяції зменшується у 3 рази порівняно до методу східчас-тої екстраполяції, а необхідна пам’ять збільшується у 2 рази: 
                         Dz.e   = 2 [Rz(0) – Rz(Tо)] /3.                             (2.12)       Якщо лінійна інтерполяція проводиться за двома точками, то при парабо-лічній екстраполяції використовуються вже три точки, але суттєвого зменшення дисперсії цей метод не дає, тому поширення він не отримав.
Після проведення операцій фільтрації та аналітичного градуювання датчиків і отримання оцінки x^(t)  максимально можливе значення диспе-рсії похибки ІВК буде визначатися двома складовими: дисперсією екст-раполяції Dx.e і дисперсією погрішності засобів вимірювання  Dx.вим:
                               Dx.max  = Dx.e   + Dx.вим .                                                                          (2.13)
Формула (2.13) справедлива в тому разі, коли похибка засобів ви-мірювання не залежить від значень вимірюваних величин, а системати-чна складова похибки вимірювання дорівнює 0. У разі використання схід-частої екстраполяції формула (2.13)  має  такий вигляд:   
                           Dx.max  = 2 [Rz(0) – Rz(Tо)] + D x.вим .                                (2.14) 
Усереднена на інтервалі інтерполяції дисперсія похибки має такий 

вигляд:                                              То
                Dx.max   = 2 [Rх(0) –  ò Rх(Dt) d(Dt)/То] + D x.вим.              (2.15)
                                                                                           0
Вираз (2.14) можна використати для розв’язання таких задач:                      
прямої  –  визначення максимально можливої похибки ІВК при зада-ному значенні То (застосовують для ІВК МПК),
оберненої – визначення То, за якого максимально можлива похибка ІВК не перевищує заданого значення (застосовують для ІВК ЕОМ).
Використаємо вираз (2.14) для аналізу факторів, що впливають на дисперсію екстраполяції. Як видно з цього виразу, Dx.e залежить від двох факторів: То і інтенсивності спаду автокореляційної функції Rх(Dt) (рис. 2.6). Як видно з рис. 2.6, при одному й тому самому То дисперсія екстра-поляції менша у більш інерційному процесі. Водночас для отримання од-накової дисперсії  екстраполяції  у менш інерційному процесі  треба ви-би рати менше То.. З  розглянутого  можно  зробити висновок, що бажано при підмиканні ІВК до ЕОМ розподіляти датчики на кілька груп з бли-зькими діапазонами розрахункових То. 

Рис.2.6

2

Dt

1

D(1)x.e/2

D(2)x.e/2

Rx

То

1 – інерційний об’єкт
2 – малоінерційний об’єкт

 

                                              

2.3.3. 	Вибір періоду опитування датчиків за реалізацією 
випадкового процесу

Для  розрахунку То за  допомогою  співвідношення  (2.14)  необхідно мати автокореляційну функцію, одержання  якої потребує  досить знач-них додаткових обчислень.  Крім того, іноді без розрахунку похибки  конт-рольованої величини задаються тільки її відносним збільшенням за раху-нок квантування сигналу за часом  або відносним збільшенням дисперсії Dx.e/Dx, де Dx – загальна дисперсія величини, що вимірюється, Dx = Dx.об + + Dx.вим, причому Dx.об – це дисперсія контрольованої величини x, яка ви-никла за рахунок випадкових процесів безпосередньо в самому об’єкті. Для визначення То у цьому випадку використовують таке співвідноше-ння:
                                         4DtспDx.e/Dx³То,                    (2.16)                              де Dtсп – час спаду автокореляційної функції, тобто час, за який автоко-реляційна функція досягне значень  0,05Rx(0) ³ Rx(Dtсп) . Як видно з ви-разу (2.16), для розрахунку періодичності опитування датчиків у цьому разі достатньо знати тільки Dtсп, не знаючи всієї залежності R(Dt).
Мінімальне значення Dtсп визначається за реалізацією випадкового процесу (рис. 2.7) за такою формулою:                                
                                            (Dtсп) min =  1/ no = tp/ No ,                               (2.17)   
де mx  – математичне сподівання випадкового процесу x(t); tp – трива-лість реалізації випадкового процесу, яка вибирається такою, щоб No³100; де No – кількість перетинів випадковим процесом лінії марема-тичного споді-вання на часовому інтервалі tp. 

Рис. 2.7

tp

t

mx

x

 

                          
З допомогою формули (2.16) також можна розв’язати як пряму, так і обернену задачі.

2.3.5. Визначення часу циклу контролера 

У контролерах, як і в комп’ютерах, що працюють в реальному масш-табі часу, інформація опрацьовується циклічно і поновлюється один раз за цикл. Час циклу То на вході (час опитування датчиків) і на виході конт-ролера (час формування керувальних дій) може бути як однаковим, так і різним. Найчастіше в контролерах час циклу на його вході задається жо-рстко, а на виході вибирається з умов відповідності алгоритмічної ємності задачі алгоритмічній ємності контролера.
Алгоритмічна ємність контролера – це кількість алгоритмів, потріб-них для розв’язання задачі керування. Алгоритмічна потужність МПК – це мак-симальна кількість алгоритмів, які одночасно опрацьовуються в МПК при установленому часі циклу То. Мета даної перевірки – встановити, чи не перевищує кількість алгоритмів, потрібних для розв’язання задачі керування тієї кількості алгоритмів, яку можна одночасно опрацювати в МПК при заданому  часі  То. Водночас  слід  ураховувати, що  кожний  ал- 
гоблок (АБ) використовує не лише часові ресурси МПК, але й ресурси його пам’яті. Якщо в процесі перевірки виявиться, що за час То не вда-ється опрацювати всі необхідні алгоритми, то слід переглянути розподіл задач за МПК, збільшивши їх кількість. Розглянемо розв’язання цієї за-дачі для контролерів типу «реміконт-ломіконт».
1. 	Реміконти великої та середньої канальності (РВСК). Алгорит-мічна ємність цих контролерів – 64, період формування керувальної дії То.вих  встановлюється  під час програмування і може дорівнювати одному з чотирьох значень: 0,27; 0,51; 1,02; 2,04 с. Час опитування аналогових входів То.вх дорівнює 0,51 с і не залежить від То.вих. Тому при То = 0,27 с з двох груп аналогових входів у кожному модулі АЦП обслуговується тільки одна група – непарна і кількість аналогових входів – 32, а не 64, як при інших значеннях То.вих. Крім того, з метою захисту від шкідливих си-гналів на вхід алгоритму надходить усереднене значення двох останніх відліків, а якщо То > 0,51 с, то на вхід алгоритму надходить останнє зна-чення, усереднене на інтервалі То. Для мінімізації затримки, яка виникає через циклічність опрацювання інформації, алгоблок (АБ) з меншим но-мером повинен формувати сигнал, що надходить на вхід АБ, який має більший номер. У цьому разі максимальна затримка, що виникає, наб-лижається до То.
РВСК можна використовувати тоді, коли кількість необхідних алго-ритмів не перевищує 64, причому у разі використання алгоритмів регулювання – 45 (обмеження пам’яті). Час циклу То має бути більшим чи дорівнювати загальному часу Тзаг, необхідному для розв’язання всіх за-дач у кожному циклі
То ³ Т заг = Тc + Та + Тсд ,
де Тc – системний час, що залежить від моделі РВСК і кількості зон (8 зон по 8 АБ в кожній зоні), обмежується 0,06 – 0,24 с і визначається з точ-ністю 0,03 с; Та – час обслуговування АБ, що залежить від типу алго-ритму, який  реалізує АБ і перебуває в межах 0,01 – 0,03 с для одного алгоритму; Тсд – час самодіагностики, який жорстко не зафіксований, тому що самодіагностика виконується у час, що залишився від обслуго-вування АБ, і якщо вона не встигає закінчитися у межах одного циклу, то розтягується на кілька циклів. У розрахунках приймають, що Тсд = 0,1Тc. Для врахування часу, який витрачається для обміну за інтерфейсними каналами, а також запасу для наступних функціональних розширень бе-реться коефіцієнт 1,25, тобто То = 1,25 Тзаг.
2. Ломіконти. В цих контролерах час циклу визначається, як час що розділяє два послідовних опитування одного й того ж модуля ДЦП, а  ве-личина То змінна і може змінюватися від циклу до циклу, коли при зміні технологічного режиму вмикаються або вимикаються блоки чи велика кі-лькість секцій програми користувача ПрП.  Однак у стаціонарних техно-логічних режимах час циклу ломіконта сталий і перебуває в інтервалі від 30 до 500 мс. 
У цикл ломіконта входять такі операції: опитування дискретних вхо-дів ВД і їх запам’ятовування; виконання ПрП; контроль відсутності збоїв збереження інформації в оперативній пам’яті і контроль справності мо-дулів постійної і оперативної пам’яті; формування стану фізичних виходів модулів ЦДП і ЦАП за значенням дискретних ДВ і аналогових АВ ви-ходів, а також деякі додаткові операції. У фоновому режимі, асинхронно до циклу, ломіконт виконує такі фуцнкції: опитування модулів АЦП і формування значень аналогових входів ВА; організація широтно-імпу-льсного перетворення і вивід інформації в модулі ЦИП;  обмін цифровою інформацією між основним і резервним комплектами у дубльованих мо-делях; обмін цифровою інформацією з пультом, ЕОМ та іншими ломі-контами; реалізація таймер-генераторів, а також  ряд інших функцій. При цьому  період опитування датчиків залежно від кількості каналів, що пі-дімкнуто до модуля АЦП,  дорівнює: То = 60 К (мкс), де К – кількість аналогових сигналів на вході конкретного АЦП.
Тривалість циклу ломіконта визначається за формулою
Т о = ТПрП + ТА + Тдод + Тдуб + Тоб,
де ТПрП – час виконання ПрП, який залежить від обсягу секцій, що вико-нуються у кожному циклі; ТА – час виконання алгоритмів, який залежить від кількості використаних стандартних алгоритмів; Тдод – додатковий час, що залежить від кількості замовлених змінних; Тдуб – додатковий час у дубльованих моделях; Тоб – додатковий час обміну за цифровими каналами.
Час виконання програми ПрП ТПрП орієнтовно оцінюється за обсягом секцій, виконаних у поточному циклі, виходячи з 40 мкс на байт. Оскільки максимальний обсяг секції 256 байт, то відповідний ТПрП такої секції ста-новить 10,24 мс. Але  при такому  наповненні  загальний  обсяг ПрП у 16 кбайтів потребує всього 62 – 63 секції з 256 (8 блоків по 32 секції). Тому тут потрібний більш точний розрахунок, при якому вважають, що кожна логічна умова чи дія займає 2 байти, тоді 16 кбайтів відповідають приблизно 8000  елементарних логічних умов або дій. Крім того, у кожній непорожній секції 6 байтів займає зберігання службової інформації. Із за-гального обсягу у 16 кбайтів перші 162 байти відводяться під заголовок ПрП. Обсяг заголовка збільшується в разі використання технологічної клавіатури. Кожній клавіш, запрограмований як технологічний (таких кла-вішів 64) додає до обсягу заголовка 11 байтів, тобто максимально 64х11= = 704 байти.
Час виконання алгоритмів ТА пов’язаний із тим, що алгоритми ломі-конта у  системній пам’яті зберігають проміжну інформацію, яка є влас-ною інформацією алгоритмів. Якщо ПрП містить звернення до алгоритму, для  роботи  якого  потрібна  власна  пам’ять, то потрібна кількість байтів виділяється даному алгоритму і викликає необхідність у витраті часу для виконання алгоритмів. Цей час наводиться у паспорті контролера, Так, наприклад,  для алгоритмів ПИ-А – це 6,2; ПИ-И – 5,4 ; ПИД-А – 8,4; ПИД-И – 7,9; ДИФ – 4,7; ФЛТ – 2,7; СЛЖ – 2,2; СУМ – 3,4; СЕЛ – 2,0 мс. Для алгоритма МЗД ТА = 1,2+0,5N мс, де N – кількість змі-нних.
Додатковий час Тдод залежить від кількості замовлених змінних і ста-новить  20 мс  при  малій  і  до 70 мс  при  максимальній кількості змінних. Максимальна кількість змінних NЗ= 512 (ВД) + 128 (ВА)+ +512 (ДВ) + 128 (АВ) + 8 (КБ) + 256 (КС) + 64 (ТМ) + 32 (ИВ) = 1640. Отже, на одну змінну приходиться 70/1640 = 0,048 мс, але загальне значення Тдод³ ³ 20 мс.
Додатковий час у дубльованих моделях Тдуб на 5 (15) мс більший ніж Тдод у недубльованих, тобто Тдуб = 5 + [(Тдод -20) 10 / 50]= 1 + 0,2 Тдод.
-Додатковий час обміну за цифровими каналами Тоб залежить від інтенсивності обміну інформацією (байт/с) за цифровими каналами і виз-начається з розрахунку 100 – 150 мкс за байт/с.
3. Реміконти малої канальності (РМК).  В РМК, так само як і в ін-ших реміконтах, час циклу То сталий і встановлюється при програмуванні в діапазоні 0,2 – 2 с з кроком 0,2 с, причому на вході і виході РМК він од-наковий. То  визначається за формулою:
 То = ТАБ +Трез,
де ТАБ – загальний час, який витрачається на обслуговування алгоблоків; Трез – резервний час, який приймають не меншим 0,04 - 0,08 с. Самодіаг-ностика в цих контролерах виконується так, як і у РВСК. Отже при збіль-шенні резерву часу затримка виявлення несправності зменшується. 
Іншою особливістю РМК є те, що час обміну інформацією за інтер-фейсними каналами входить до ТАБ. Під час роботи інтерфейсного ка-налу потік повідомлень  може  бути нерівномірним і при окремих пікових навантаженнях  на  інфтерфейс  ТАБ  може  зростати  з  порушенням  не-рівності То >ТАБ. У цьому разі контролер  автоматично  розтягує То   для того, щоб обов’язково обслужити всі АБ. Але при цьому порушується правильний відлік реального часу (тобто виникає часова похибка), тому засоби само-діагностики сигналізують про виникнення несправності типу «похибка». Якщо з часом співвідношення То >ТАБ почне знову вико-нуватися, то похика зникає. Загальний час обслуговування алгоритмів визначають за формулою
     N                       
                                            ТАБ  =   å ТАi,,                                          (2.18)
    1
де ТАi, – повний час, що витрачається на i - й АБ. У загальному випадку цей час визначають за формулою:
                                                  ТАi = ТБ i+ m i ТМ i                                                       (2.19)
де ТБi – базовий час, який витрачається на обслуговування i-го АБ при нульовому значенні модифікатора; mi – модифікатор i-го АБ, що задає додаткові властивості алгоритму, наприклад, в суматорі – кількість вхо-дів, що підсумовуються; ТМi – додатковий час i-го АБ, який витрачається при кожному прирості модифікатора на одиницю. Значення ТБi та ТМi бе-руться із паспорта контролера.

2.4. ФІЛЬТРАЦІЯ СИГНАЛІВ І АНАЛІТИЧНЕ ГРАДУЮВАННЯ ДАТЧИКІВ

2.4.1. Загальна характеристика задачі фільтрації 

Це друга задача ПОІ, яка проводиться для того, щоб відокремити ко-рисний сигнал датчика від шкідливих сигналів – шумів. У загальному ви-падку фільтрацією називають всяке інерційне перетворення сигналів. В АСК фільтрація може здійснюватися апаратурно – з допомогою аналого-вих RC-фільтрів, або програмно – з допомогою ЕОМ. Апаратурні фі-льтри, які найчастіше є аналоговими, як правило, мають меншу похибку перетворення сигналу і заощаджують машинний час, але вони потре-бують додаткових витрат на апаратурні засоби і за  їх  допомогою важко реалізувати складні алгоритми фільтрації.  Тому на практиці більш поши-рені програмні фільтри, які є дискретними.
Якість фільтрації оцінюють за допомогою дисперсії похибки фільтра-ції, яка дорівнює математичному сподіванню квадрата різниці корисного y(t)  та фільтрованого yф(t) сигналів 
                                  Dф = M [ y(t) – yф(t) ]2.                         (2.20)   Можливе використання і інтегрального критерію якості фільтрації
                                              Т 
                                 Iф = Т-1 ò êy(t) – yф(t) êdt .                                    (2.21)
                                              0 
Фільтр вибирають з умов мінімізації наведених показників, ураховую-чи однак існуючу суперечність між точністю та вартістю. Існують два ме-тоди побудови оптимального фільтра:
•	зміною структури та параметрів фільтра, при цьому розв’язується  за-дача структурно-параметричної побудови оптимального фільтра;
•	зміною параметрів попередньо вибраного фільтра типової структури, при цьому розв’язується параметричної оптимізації фільтра типової структури.
Застосовуючи перший метод, у результаті розв’язання задачі отри-мують оптимальний  статистичний фільтр (ОСФ), однак на практиці його не використовують через складність структури та відсутність точних ста-тистичних характеристик випадкових процесів y(t) та e(t). У той же час ОСФ теоретично має  мінімально можливу похибку фільтрації і тому мо-же бути застосований як еталон, тобто помилку реальних фільтрів визна-чають у відсотках похибки ОСФ.
Задачу параметричної оптимізації обраного типового фільтра розв’я-зують експериментально або аналітично для порівняно вузького, але на-йбільш  поширеного набору вхідних даних, роблячи такі припущення:
*	 сигнал y(t) є стаціонарним випадковим процесом, для якого відомі оцінки математичного сподівання my, дисперсії Dy і автокореляційної функції 
                       Ry(Dt) = Dy exp( – aDt) = Ry(0) exp( – aDt),                         (2.22)      
*	 сигнал е(t) також є стаціонарним випадковим процесом некоре-льованим і адитивним сигналу y(t), для якого математичне сподівання   me = 0, а автокореляційна функція
                   Re(Dt) = De exp( – maDt) = kDy exp( – maDt),                (2.23)     де a, m, k  – коефіцієнти,  причому  k<1 (амплітуди шумів менші за амп-литуди корисного сигналу), а m>1(шуми більш високочастотні). 
Отримана в результаті фільтрації оцінка y^ = yф повинна задоволь-няти таким вимогам:
*	 бути незміщеною (математичне сподівання не повинне змінювати-ся в результаті фільтрації): my = myф;
*	 оцінка дисперсії помилки фільтрації повинна бути мінимальною. 
Остання вимога для типового фільтра задовольняється шляхом роз-в’язання задачі параметричної оптимізації 
                                   D^ф           min Þ p*,                                        (2.24)
                                                      p                                                           
де  р, р* – вектор параметрів фільтра та його оптимальне значення.
Розрахунок Dф  звичайно виконують в частотній області з викорис-танням спектральних щільностей                                    
                                        Dф = p-1 ò Sф^(w) dw,                                         (2.25)                                                                      
де Sф^(w)  – оцінка спектральної щільності функції eф(t) = yф(t) – y(t), причому Sф^(w) визначається за формулою
                       Sф^(w) = Se^(w) | Wф(jw)| 2  + Sy^(w)|Wф(jw) –1|2 ,                        (2.26)                                           
| Wф (jw)| –  модуль (амплітуда)  АФХ   фільтра;    Se^(w),   Sy^(w)  – оцінки  спектральних  щільностей  відповідно  функцій e(t) i y(t), які визначають-ся за формулами
       Sy^(w) = 2 Dya / ( a2 + w2);   Se^(w) =  2 k Dy m a / [(ma)2 + w2].           (2.27)
Розглянемо далі найпоширеніші типові фільтри: ковзного серед-нього, експоненціальний та статистичні.

2.4.2. Фільтр ковзного середнього

Цей фільтр на практиці реалізується, як правило, програмним шля-хом. Фільтрація сигналу досягається за рахунок обчислення середнього на деякому ковзному інтервалі часу. Розрахункова формула дискретного фільтра ковзного середнього (ФКС) має такий вигляд
                                                    b - 1 
                                yф (kTо) = b-1 å z [(k -  i)Tо],                               (2.28) 
                                                             i = o                                                                                     де  b –  пам’ять  фільтра, тобто кількість значень сигнала z, за якими ро-блять усереднення. 
ФКС є однопараметричним і р = b. Щоб отримати оптимальне зна-чення b необхідно розрахувати Dф  за допомогою співвідношень  (2.25 – 2.27). Аналітичне вирішення цієї задачі приводить до досить складних виразів, тому тут використовують або номографований числовий метод ви-значення b за відомими значеннями  k,m і a [5] , або експерименталь-ний метод. Порівнювальний аналіз показує, що ФКС дає найбільшу похибку фільтрації порівняно з іншими дискретними типовими фільтрами і потребує більшої пам’яті, тому його застосовують при розв’язанні тих задач, в яких необхідно розраховувати усереднене значення змінної.

2.4.3. Експоненціальний фільтр 

Експоненціальний фільтр (ЕФ) – найпоширеніший з типових фільт-рів, який  використовують  як  в  аналоговому, так  і  в  дискретному  виг-ляді. В аналоговому вигляді ЕФ – аперіодична  ланка  першого порядку з коефіцієнтом передачі kф = 1  ( з умов незміщенності оцінки)
                                      Tф  (dyф/ dt) + yф =  z,                                  (2.29)     де Tф – постійна часу фільтра. При вирішенні задачі (2.24) оптимальне значення Tф визначають експериментально.
При переході до дискретного варіанта ЕФ рівняння (2.29) набуде та-кого вигляду:
               (Tф / Tо) { yф(kTо) –  yф[(k – 1)Tо]} + yф(kTо)  = z(kTо),       (2.30)         а після перетворень і заміни Tо/(Tф + Tо) = g отримаємо розрахункову формулу дискретного експоненціального фільтра
                     yф(kTо) = g z(kTо )  + (1 – g) yф[(k – 1)Tо].                   (2.31)        Як видно з рівняння (2.31), експоненціальний фільтр є також однопара-метричним. При розв’язанні рівнянь (2.25 - 2.27 та 2.31) одержимо
                        Dф  = Dy  [ a/(g + a) + kg/( g + am)].                          (2.32) Якщо для розв’язання задачі  (2.24) продиференціювати (2.32) і розв’яза-ти рівняння dDф/ dg = 0,  то формула для розрахунку оптимального зна-чення g  буде матиме такий вигляд: 
                            g* = a ( Ö km  –  m) / ( 1 – Ö km ).                              (2.33)
Ця формула справедлива тільки за умови, що  km > 1. При km < 1     g < 0 ( чисельник співвідношення (2.33) – від’ємний, знаменник – додатний), що не має фізичного змісту. 
Перевагою ЕФ перед ФКС є, насамперед, менша ємність необхідної пам’яті. Крім того, ЕФ в аналоговому варіанті поступається за якістю  фі-льтрації ОСФ тільки на 10 – 30%, а в дискретному, у разі неточного зна-ння математичного сподівання сигналу датчика (похибка понад 3%)  – на 30 – 70% , що відповідає найліпшому результату серед аналогічних за складністю фільтрів. При точному знанні  математичного сподівання  сиг- налу датчика (похибка  не більше 3%) краще використовувати статис-тичні незміщені  фільтри, які в цьому разі поступаються ОСФ лише на 5 – 10 %.
2.4.4. Статистичні фільтри
  
Статистичні фільтри (СФ) формують оцінку фільтрованого сигналу як зважену суму відліків z(kTo), z[(k-1)To], z[(k-2)To],... В аналоговому варіанті  СФ описується таким рівнянням:           
                                                                n 
                  yф(t) = z(t) Wф(р) = z(t) å bi exp (- pToi),                        (2.34) 
                                                        i = 0                                                 
де Wф(р) – передатна функція фільтра;  bi - його параметри;  i Î  0, n  – порядок статистичного фільтра.  В дискретному варіанті загальна фор-мула статистичного фільтра має такий вигляд
                                                n        
                              yф(kTo) =  å bi z[(k - i)To].                                     (2.35) 
                                               i = 0 
Для випадку, коли i = 0, формула (2.35) набуде такого вигляду:                                                       
                                         yф(kTo) =   bо z(kTo),                               (2.36)      причому bо < 1, тобто зміст такої фільтрації полягає у зниженні впливу шумів на корисний сигнал за рахунок зменшення сигналу z, однак у цьо-му  випадку  фільтр дає зміщену оцінку сигнала за рахунок того, що
                                       myф  ¹ my = mz.  
Щоб зробити оцінку незміщенною, формулу (2.36) записують так
                                 yф(kTo) =   bо z(kTo)  +  a,                                (2.37)         і далі, знаходячі  а  отримують формулу незміщенного СФ нульового по-рядку
                          yф(kTo) =   bо z(kTo) + my(1 - b).                            (2.38)      Якщо оцінка my  відома зі значною похибкою, то застосування цього СФ приводить до великих помилок фільтрації. Розв’язання задачі параме-тричної оптимізації (2.24) цього фільтра приводить до такої формули ви-значення оптимального значення параметра фільтра:
                                    bo* = Dy/ (Dе  + Dy),                                      (2.39)    або для умов (2.23) 

                                      bо*=  1/ (k  + 1).                                             (2.40)
Для випадку, коли i = 1, формула (2.35) набуде такого вигляду:                                                       
                           yф(kTo) =   bо z(kTo) + b1 z[(k – 1)To].               (2.41)      Це зміщений СФ першого порядку. Увівши умову незміщеності оцінки   mуф= my  = my(bо  + b1), отримаємо b1 = 1 – bо, звідки
                     yф(kTo) =   bо z(kTo) + (1 - bо) z[(k – 1)To].                  (2.42)    Це незміщений  СФ першого порядку, що просто реалізується програм-ним шляхом і тому має приблизно таке ж поширення, як і ЕФ. Задача  параметричної оптимізації цього фільтра для умов (2.22, 2.23) також мо-же бути розв’язана аналітично з допомогою співвідношення
                         bо =  0,5 { 1 +  [DRу / (DRу + DRе)]},                       (2.43)     де DRу = Rу(0) –  Rу (To),  DRе = Rе(0) –  Rе (To).

2.4.5. Реалізація фільтрів у контролерах

Розглянуті вище типові фільтри, як правило, можуть бути реалізова-ні  в контролерах з допомогою стандартних алгоритмів, що наяні в їхніх бібліотеках. Так, наприклад, у контролерах типу “реміконт-ломіконт” ЕФ може бути реалізовано з допомогою алгоритмів ФЛТ (бібліотечний но-мер – 011)  у ломіконта  і ФИЛ (35) – у реміконта малої канальності. У ло-міконта можливе автопідстроювання Tф, значення якої може змінюватися у тому ж діапазоні, що й інші сталі часу:  1 с – 72 год 14 хв 56 с, у ремі-конта малої канальності цей діапазон 0 – 819 с, хв або год.  Реміконти великої канальності не мають окремого алгоритму ЕФ, оскільки такі філь-три включені у склад більшості алгоритмів регулювання, причому Tф  мо-же настроюватися у межах 0,02 – 545 хв при Tо = 1,02 с.
Алгоритмів СФ нема в бібліотеках вказаних контролерів, тому що їх легко можна реалізувати з допомогою алгоритму підсумовування  СУМ. Що стосується  ФКС,  то  такі  алгоритми мають реміконти великої –  СКС (27) і малої – СКС (49) канальності, причому у перших 5 ³ b, a y других  12 ³ b.  
2.4.6. Аналітичне градуювання датчиків                                      

Це третя задача ПОІ, яка зводиться до відновлення значення вимі-рюваної величини x за сигналом датчика y. Цю операцію виконують за до-помогою характеристики градуювання датчика:
                                              xг = f - 1 ( y),                                          (2.44)    що є функцією, оберненої до її статичної характеристики:
                                                y = f  (x).                                             (2.45)  Остання може бути задана аналітично або у вигляді таблиці. У першому випадку труднощів з побудовою (2.44), як правило, не виникає. Таблично найчастіше задаються нелінійні статичні характеристики. За таких умов для розрахунку x за виміряними значеннями y використовують один з та-ких двох методів:
*	 всю градуювальну таблицю заносять до пам’яті ЕОМ, а значення x в будь-якій проміжній точці, що не сбігається з табличним, розраховують за допомогою методів нелінійної інтерполяції. Недоліком цього методу є велики витрати пам’яті;
*	 градуювальну таблицю апроксимують поліномом m-го ступеня    
                                                             m 
                                            xг  =  å ai  y i,                                           (2.46)                              
                                                            i = 0                                                                                        
параметри якого ai  визначають методом найменших квадратів. Викори-стання полінома (2.46) дає відносно гірші точнісні характеристики, але не потребує великих витрат пам’яті. Обчислення за формулою (2.46) ви-конують в ЕОМ за схемою Горнера:
           m
     xг = å ai y i = {[( amy  + am-1) y + am-2] y  + ... + a1 } y  + ao.           (2.47)
          i = 0                                                                                                         
Якщо датчик експлуатується в умовах, відмінних від нормальних, то 
коригують значення вимірюваних зміних, вносячи поправки на відхиле-ння умов роботи датчика від  нормальних                   
                                         xо  =  kп xг,                                                 (2.48)      де xо –  відкориговане значення  x,  kп – поправковий коефіцієнт.                       

2.5. АЛГОРИТМІЧНА  САМОДІАГНОСТИКА  І ПІДВИЩЕННЯ ДОСТОВІРНОСТІ  ПЕРВИННОЇ   ІНФОРМАЦІЇ

2.5.1. Загальна характеристика задачі

Алгоритмічна самодіагностика – одна з найважливіших задач ПОІ, то-му що в АСК використовують інформацію про сотні змінних величин, і  для зниження імовірності попадання у систему невірогідної інформації необхідним є контроль її достовірності. Самодіагностика є одним з видів діагностики, що  виконується автоматично. Іншим видом діагностики є тестування, яке виконує оператор. Розрізняють три види самодіагностики АСК: апаратна – контролюється справність технічних засобів, програ-мна – справність програмного забезпечення,  алгоритмічна – справність алгоритмічного забезпечення.
Обсяг апаратної та програмної самодіагностики зазвичай фіксова-ний і не залежить від структури системи управління. На відміну від цього, обсяг алгоритмічної самодіагностики визначають при розробці системи керувань. Однією з функцій алгоритмічної самодіагностики є виявлення відмови ІВК  і підвищення достовірності інформації.
Недостовірна інформація з’являється при відмовах ІВК, які поділя-ють на повні і часткові (метрологічні або параметричні). При повній від-мові технічні засоби ІВК втрачають працездатність, при частковій – на відміну від повної, технічні засоби ІВК зберігають првцездатність, але по-хибка вимірювання перевищує допустиму. Для виявлення часткової відмови необхідно  створити  інформаційну  надмірність за рахунок апа-ратурного резервування або використання логічних зв’язків між контро-льованими змінними.
2.5.2. Виявлення повної відмови і підвищення достовірності 
інформації

Повну відмову виявляють з допомогою алгоритмів допускового кон-тролю змінної та швидкості змінення сигналу. Алгоритм допускового кон-ролю змінної величини базується на тому, що при роботі об’єкта змінна xi  або відповідний сигнал датчика yi  не можуть вийти за певні межі, які виз-начаються максимальними (xi.max,yi.max) і мінімальними (xi.min,yi.min) значен-нями відповідних змінних 
                       xi.max < xi < xi.min,  yi.max < yi < yi.min.                  (2.49)         При виконанні цієї умови роблять висновок про відмову ІВК. Для більшої надійності подання такої інформації висновок про повну відмову ІВК роб-лять при виконанні також умов алгоритму допускового контролю швидко-сті зміни сигналу
                        {yi(k Tо) –  yi[(k – 1) Tо]} / Tо  > Vi.max ,                       (2.50)     де Vi.max  – максимальне можливе значення швидкості зміни сигналу.
Підвищення достовірності інформації при повній відмові пов’язане  з заміною недостовірної оцінки сигналу ІВК, що відмовив, достовірною оці-нкою, для чого використовують попереднє або усереднене на деякому часовому інтервалі значення змінної, що передує виявленню відмови. При цьому оператору обов’язково виводиться повідомлення про відмову. 

2.5.3. Виявлення часткової відмови з використанням апаратурного резервування і підвищення достовірності інформації

Наявність апаратурного резервування пов’язана з використанням двох і більше паралельних вимірів. При цьому вважаються малоімовір-ними такі сітуації:
•	одночасна поява двох і більше джерел недостовірної інформації;
•	одночасна зміна характеристик двох джерел інформації, при якій ін-формація про показник, що залежить від цих джерел, залишається незмінною;
•	вихід показника, який залежить від кількох вимірюваних величин, за встановлені межі внаслідок варіації цих величин, кожна з яких досто-вірна.
Для виявлення часткової відмови використовують один з таких ал-горитмів, причому інформація про часткову відмову з’являється при вико-нанні наведених нерівностей:
1)  порівняння з середнім              
                                            |yj  –  yсер| > cj,                                        (2.51)         
де  j Î  1, m ; m –  кількість паралельних вимірів; yсер  – середнє значення y;  c – найбільше допустиме значення модуля різниці, пов’язане з абсо-лютною похибкою D. Недоліками цього алгоритму є, по-перше, потреба у трьох і більше паралельних вимірах, по-друге, необхідність в обчисленні yсер;
2) порівняння з еталоном                  
                                                | yj  -  yе| > cj,                                       (2.52)      
 де yе –  сигнал еталонного датчиака, похибка якого у 4 і більш разів мен-ша за похибку інших датчиків. Недоліком цього алгоритму є велика вар-тість еталонного датчика;
3) парне порівняння                    
                                               | y1  –  y2 | > b,                                             (2.53)       
де b –  найбільше допустиме значення, як правило, визначається як сума абсолютних похибок обох датчиків, тобто  b = D1 + D2. Недоліком цього алгоритму є неможливість визначення ІВК, де сталась відмова;
4) попарне порівняння             
                                                | yj  –  yk | > b,                                             (2.54)    
де j та k Î  1, m, але k ¹ j. Цей алгоритм використовують при m>2. ІВК, який відмовив, знаходять, аналізуючи нерівності (2.54), що виконуються. Вони мають спільне значення yj , що відноситься до ІВК, який відмовив. Перевага цього алгоритму порівняно з алгоритмом (2.51) полягає в тому, що в даному разі не потрібен розрахунок yсер на етапі виявлення від-мови.
За умови незалежності похибки від оцінки вимірюваної величини се-реднє значення сигналу датчика визначається за формулою:
                                                    m                                    
                                    yсер  =  k å (yj /sj),                                         (2.55)                                                                               
                                                             j=1                                                                             де sj – середне квадратичне відхилення виміру величини yj  j-тим прила-дом; k –  ваговий коефіцієнт, який  приводить  оцінку  yсер   до  незміщено-го вигляду. Якщо sj  однакові, то  k = 1/ m, якщо sj  різні: 
                                                       m                                    
                                         k = å (1/ sj)-1,                                           (2.56)                                                                               
                                                       j=1                                                                                 і оцінка буде незміщеною.                                                                                                    
Для підвищення достовірності інформації у разі виявлення часткової відмови і m>2 вилучають джерело часткової відмови і визначають нове значення yсер, а  у разі m=2 застосовують той же метод, що і при виявле-нні повної відмови. 

2.5.4. Виявлення часткової відмови з використанням логічних зв’язків і підвищення достовірності інформації

Найчастіше логічні зв’язки між контрольованими змінними для вия-влення часткової відмови  використовують  при вимірі витрати матеріа-льного чи енергетичного потоку. Для створення в цьому випадку інфор-маційної надмірності використовують такі прийоми:
•	визначення витрати рідини на виході з місткості за витратою рідини на вході в місткость та швидкістю зміни рівня рідини в місткості; 
•	визначення витрати речовини з рівняння балансу.
В останьому випадку виявлення часткової відмови та підвищення достовірності інформації можливе з допомогою розв’язання такої задачі методом невизначених множників Лагранжа. При цьому цільова функція формується як середнєзважена сума квадратів відхилень (DQi) виміря-них (Qi) і  скоригованих (Qi*) значень витрат:
                 n                                n
             k å (Qi- Qi*)2/si2  = k å(DQi2 / si 2)         min Þ Qi* ,                       (2.57) 
               i=1                              і=1                             DQi                                                                                  
де i Î  1, n, а n – кількість датчиків,  що  вимірюють  витрати, які є складо-вими одного рівняння матеріального або енергетичного балансу; si - се-редня квадратична похибка i-го датчика;   k – масштабний множник, який приводить оцінку до незміщеного вигляду при  умові, що k å(1/ si2 ) = 1.  А обмеження типу рівностей має такий вигляд:
                                           
                                               n
                                        å DQi  - A =  0,                                                  (2.58) 
                                       i=1                                                                                                                                        де А – різниця  між виміряними витратами, що складають одне рівняння балансу. У розв’язанні цієї задачі спочатку складають допоміжну  функ-цію Лагранжа:    
                                            n                        n
                    F(DQi,l)  =  k å DQi2/si2 + l(å DQi  – A),                               (2.59) 
                                           i=1                 i=1                                                         де  l  –  невизначений множник Лагранжа.
Далі знаходять значення вагових коефіцієнтів k/si2  і часткові похідні F за всіма незалежними змінними DQi  і  l. Дорівнюючи їх 0, вирішують си-стему рівнянь відносно незалежних змінних, знаходячи скориговані значення Qi*.  Сума останніх повинна дорівнювати 0. За значеннями DQi   з допомогою (2.53) знаходять ІВК, який відмовив.

2.5.5. Алгоритмічна самодіагностика в контролерах

Самодіагностика аналогових входів в реміконтах здійснюється з до-помогою таких  типових  алгоритмів, як  НОР  (бібліотечний	номер – 46) – «нуль-орган» або  СИТ (53) – «середнє з трьох»  в РВСК  та ПОК (29) – «пороговий контроль» або СИТ (53) – в РМК. Можливі варіанти тут відріз-няються кількістю ІВК. 
При відсутності дублювання ІВК і відомому допустимому діапазоні змінення контрольованої величини використовують схему порогового конролю (аналог схеми виявлення повної відмови), яка для РСВК наве-дена на рис. 2.8. Сигнал, який діагностується, подається на один з не-масштабованих входів (1,3,5,7) алгоблока (АБ) з НОР – алгоритмом. На відповід-ний масштабний вхід (2,4,6,8) подається опорний сигнал (100%),  який  інвертується. Коефіцієнт, який визначає  поріг спрацьовування ну-ль-органа визначається за формулою:

                           Н1 (Н2,Н3,Н4) = (ymax – ymin)/2,                              (2.60)                                  

                                                                                 

РГ12

Рис.2.8

y

АЦП2

НОР

Датчик

1,3,5,7

100%

2,4,6,8

Відмова

12.1

                                                                                                                                                                                  
а масштабний коефіцієнт на вході суматора НОР-алгоритма за форму-лою
                               К2(К3,К4,К5) = - (ymax – ymin)/200.                              (2.61)
АБ з НОР-алгоритмом може діагностувати до 4 аналогових входів. У такому АБ налагодженню підлягають сталі часу фільтра (Т1–Т4), який має кожний  канал, і Н5 – гістерезіс нуль-органа,  однаковий   для  всіх  каналів Н5 = 0. Вихідний дискретний сигнал, який фіксує несправність, може бути використаний для перемикань і блокування АБ, подаватися на індівідуальні дискретні виходи реміконта або надходити на вихід «відмо-ва». Останній  варіант доцільний у дубльованих моделях, де за сигналом «відмова» може  здійснюватися перемикання на резервний комплект.
Якщо  даних про граничноможливі значення  сигналу y  не має, то ді-агностування може вестися за схемою незбігів (аналог виявлення частко-вої відмови), при якій на пари входів АБ 1-2, 3-4, 5-6, 7-8 з НОР-алго-ритмом подаються однакові аналогові входи. Тут може дублюватися весь ІВК при дублюванні датчиків, або лише КПС (при підмиканні одного датчика до двох КПС), або врешті лише ПЗО з відповідною  перевіркою ІВК, КПС або ПЗО. У цьому випадку коефіцієнт Н1(Н2,Н3,Н4) відповідає допустимому розходженню сигналів b (2.53), а К2(К3,К4,К5) = 1. Решта настройок і з’єднань ті ж самі, що й в попередньому випадку.
Обидва розглянутих варіанти здійснюють лише діагностику відмов без підвищення достовірності інформації. Для підвищення достовірності інформації застосовують схему виділення середнього з трьох за допомо-гою АБ з СИТ-алгоритмом, який відкидає максимальний і мінімальний си-гнали, пропускаючи середній за значенням сигнал. Так, як і в поперед-ньому випадку, залежно від місця разпаралелювання сигналу, діагносту-ватися може ІВК, КПС  або лише ПЗО. Вихідний сигнал СИТ-алгоритма фільтрується, підсумовується з завданням  і  обмежується  стандартним обмежувачем. В алгоритмі передбачено також пороговий контроль відхи-лення вхідних максимального і мінімального сигналів від середнього. Як-що це відхилення більше від встановленої величини Н3 або Н5, то на дискретному виході 12.1 або 12.2 з’являється сигнал «відмова».

2.6. ВИЗНАЧЕННЯ  УЗАГАЛЬНЕНИХ  ПОКАЗНИКІВ

Розрахунок узагальнених показників, включаючи і техніко-економічні, є однією з найбільш поширених задач АСК, вирішення якої, в свою чергу, потребує розв’язання таких підзадач:
*	  інтегрування  і  усереднення поточних значень вимірюваних величин;
*	  визначення невимірюваної величини, включаючи і техніко-економічні показники (ТЕП), що пов’язані аналітичною або регресійною залежністю з  декількома вимірюваними величинами.

2.6.1. Інтегрування та усереднення поточних значень вимірюваних величин

Задача дискретного інтегрування безперервно змінюваної за часом вимірюваної величини виникає в разі необхідності визначити сумарну кі-лькість речовини або (та) енергії, які вносять або отримують на вироб-ництві за певний інтервал часу (наприклад, витрати електроенергії, па-лива, різних речовин за годину, зміну, добу).
Дійсне значення сумарної кількості речовини або енергії Sx за інте-рвал часу Т характеризується площею, обмеженою кривою x(t) зміни витрати цієї речовини або енергії
                                                     Т  
                                        Sx(T) =  ò x(t) dt.                                         (2.62)
                                                     0
Звідси середнє значення
                                            xсер  = Sx/T.                                             (2.63)
Найпростіший метод дискретного інтегрування – це метод прямо-кутників (рис. 2.9), що полягає у визначенні площі прямокутників (з постійним розміром одного боку То), які розміщені на площі  інтегрування  
                                                                           n-1
                                           Sx^(kTo) = To å x(kTo).                                   (2.64)
                                                                k=0

Безпосереднє використання формули (2.64) для дискретного інтегрування в
ЕОМ нераціональне, оскільки при цьо-му треба зберігати  n значень x в па-м’яті машини. Тому застосовують ре-курентну формулу (reccurens - лат., той, що повертається) з розрахунком площі на кожному кроці площі за фор-
мулою

0  1   2          k  k+1           n-1 n      t

Рис.2.9

x

To

                                              

 

                                
                              Sx^(kTo) = Sx^[(k–1)To] + To×x(kTo),                      (2.65)    
при Sx^(0) ¹ 0, n – 1 ³ k ³ 0. Це простий метод, однак він застосовується тільки при немалих n, оскільки він не враховує останнє значення орди-нати, що при малих n приводить до значних похибок. Значно менша по-хибка  дискретного інтегрування у разі застосування методу трапецій, при використанні якого розраховується площа трапецій. Водночас же час метод трапецій потребує більших витрат пам’яті. Рекурентна формула розрахунку площі за цим методом має такий вигляд:
                   Sx^(kTo) =Sx^[(k–1)To] + 0,5To{x(kTo)+ x[(k–1)To]},           (2.66) при Sx^(0) = 0; n ³ k ³ 1.                                                                              Дискретне усереднене значення знаходять за формулою:
xсер = Sx^/ kTo.
У контролерах типу «реміконт-ломіконт» для інтегрування і усеред-нення використовують такі стандартні алгоритми: ИНТ(бібліотечний но-мер – 33) і ДИС (50) – в РМК, ИНТ(22) і ДСР(29) – в РСВК, ИНТ(012) – в ломіконтах. 
2.6.2. Визначення невимірюваних величин

До невимірюваних величин відносяться як шукані величини, які немо-жливо  безпосередньо  виміряти  через відсутність датчиків, так і узагальнені показники, включаючи і ТЕПи. Визначення шуканої вели-чини, як правило, пов’язане з виміром непрямих показників, тобто вели-чин, що якимось чином пов’язані з шуканої і характеризують її змінення.  Потім за допомогою цих показників обчислюють шукану величину, при-чому зв’язок між непрямими показниками і шуканою величиною носить найчастіше стохастичний характер. В цьому випадку розрахунок шуканої величини здебільшого виконують методами регресійного аналізу, приво-дячи стохасти-чний зв’язок між ними до лінійної форми:
                                                      L
                                       x^ = bo + å bi ji ,                                         (2.67)
                                                     i=1                                                                                           де x^ – оцінка шуканої величини; j i – непрямі показники. До такого виду зв’язку можуть бути приведені багато нелінійних форм рівнянь шляхом відповідних перетворень, включаючи і логарифмування, та заміни змі-нних. 
Розрахунок параметрів рівняння (2.67) виконують методом наймен-ших квадратів з одночасним вибором кількості членів регресійного полі-нома, аналізуючи значення дисперсії оцінки шуканої величини, що роз-раховується за формулою:
                                     N                       L
                       D = (N – L)-1 å [x(n) – bo – å bi j i (n)]2,                             (2.68)
                                         n=1                     i=1                                                                                 де n Î 1, N – обсяг вибірки; i Î 1, L – кількість членів полінома.
З формули видно, що зі збільшенням обсягу вибірки збільшується точність визначення шуканої величини за рівнянням регресії (2.67). Що стосується кількості членів регресійного полінома L, то вплив цієї вели-чини на D є двобічним. З одного боку, збільшення L дозволяє виявити  все більш тонкі особливості поновлюваної функції і зменшити D за рахунок зменшення чисельника формули (2.68). З іншого боку, при L близьких до N  збільшення кількості членів регресійного полінома  приво-дить до зниження точності розрахунку, враховуючи  зменшення знаме-нника формули (2.68). Тому в кожному конкретному випадку шукають оп-тимальне значення L.
Більш простою є задача визначення узагальнених показників, включаючи і ТЕПи, тому, що між цими шуканими величинами і показни-ками (вимірюваними величинами – ВВ), існує, як правило, відомий ста-тичний зв’язок. Ускладнення, які тут виникають, іноді пов’язані  з тим, що в момент вимірювання ТЕПи і ВВ  можуть бути розділені динамічними ка-налами. Тому для підвищення точності розрахункової моделі бажано урахувати чи компенсувати динамічні зв’язки між велинами, що входять до цієї моделі. Подібна задача може виникнути і при використанні регре-сійної моделі. Для підвищення її точності також бажано  відділити стохас-тичний зв’язок  від  динамічного. 
Найчастіше шукана величина або узагальнений показник характери-зують вихід об’єкта, а величини, що вимірюються  – вхід. В цьому випад-ку величину, що вимірюється на вході об’єкта j, треба привести до вихо-ду об'єкта, тобто замінити величиною j п.                                                                                                                   
Для цього застосовують такі методи:
1) j п(t) = j (t – t зап),                                                                        (2.69)  де tзап – значення аргумента взаємокореляційної функції  Rxj (Dt), що від-повідає її максимуму, тобто t зап = arg max Rxj(Dt);
2) 	j п(t) = b j (t – t зап) + mj (1 – b),                                               (2.70)        де  b = Rxj(tзап)/ kj Dj ; mj  – математичне сподівання величини j ; kj – ко-ефіцієнт передачі об’єкта по каналу «j – x»; Dj – дисперсія зміни вели-чини j. 
Найкращі результати компенсації динамічної похибки дає формула (2.70), але для її використання потрібно знати математичне сподівання та дисперсію величини j, значення яких, як правило, невідоме. Тому найчатіше вживають формулу (2.69), використовуючи не тільки зсув у часі, але й усереднення вимірюваної величини.

Контрольні питання

1.	 Наведіть і опишіть загальну технічну структуру комп’ютерно-інте-грованої системи керування (КІСК). Які найбільш поширені види автома-тизованих систем керування використовуються в харчовій промисловості і яке їх призначення ?
2.	 Наведіть і опишіть загальну технічну структуру комп’ютерно-інтег-рованої системи керування (КІСК). Які функціональні рівні має КІСК і яке їх призначення ?
3.	 Яке призначення первинної і вторинної обробки інформації в КІСК ? Як поділяють первинну інформацію за способами її отримання і харак-тером ? Яке джерело і структура бізнесової інформації ?
4.	 Наведіть і опишіть структуру інформаційно-вимірювального каналу. Які існують принципи зв’язку датчика і ЕОМ ?
5.	 Наведіть і опишіть структуру інформаційно-вимірювального каналу. Як перетворюється сигнал під час проходження каналу ?
6.	 Наведіть і опишіть структуру інформаційно-вимірювального каналу. Які похибки виникають під час квантування сигналу за рівнем ?
7.	 Наведіть і опишіть структуру інформаційно-вимірювального каналу. Які похибки виникають під час квантування сигналу за часом ? 
8.	 Наведіть і опишіть структуру інформаційно-вимірювального каналу. Який зміст і для чого можна використати теорему Котельникова–Шенно-на ?
9.	 Наведіть і опишіть структуру інформаційно-вимірювального каналу (ІВК) та  коротко охарактеризуйте задачі первинної обробки інформації.
10.	 Яке призначення і особливості побудови пристроїв зв’язку з об’єк-том (ПЗО) ? Як перетворюється сигнал в ПЗО ? 
11.	 З яких міркувань вибирають період опитування датчиків у задачі первинної обробки інформації ? Які застосовують критерії і методи у разі такого вибору ?
12.	 Як вибирають періодичность опитування датчиків за автокореля-ційною функцією ? Охарактеризуйте вхідні дані і результати розв’язання прямої задачі такого вибору.
13.	 Як вибирають періодичность опитування датчиків за автокореляційною функцією ? Охарактеризуйте вхідні дані і результати розв’язання зворотної задачі такого вибору.
14.	 Як вибирають період опитування датчиків за реалізацією випадко-вого процесу ? Порівняйте такий вибір з вибором за автокореляційною функцією 
15.	 Як визначають період опитування датчиків у разі підмикання ІВК до контролера і до комп’ютера ?
16.	 Як визначають тривалість циклу реміконтів великої та середньої канальності ?
17.	 Як визначають тривалість циклу ломіконтів ?
18.	 Як визначають тривалість циклу реміконтів малої канальності ?
19.	 Для чого застосовують фільтрацію під час первинної обробки ін форма-ції ? Які використовують критерії оцінки якості фільтрації і методи розробки фільтрів ? 
20.	 Для чого застосовують фільтрацію під час первинної обробки ін- формації ? Які використовують критерії оцінки якості фільтрації і методи технічної реалізації фільтрів ? Наведіть порівнювальну оцінку останніх.
21.	 Опишіть фільтр ковзного середнього, його параметричну оптиці-зацію, переваги і недоліки.
22.	 Опишіть експоненціальний фільтр,  його параметричну оптимізм-цію, переваги і недоліки.  
23.	 Опишіть статистичний фільтр нульового порядка, його параметри-чну оптимізацію, переваги і недоліки.  
24.	 Опишіть статистичний фільтр першого порядку, його параметри-ну оптимізацію, переваги і недоліки. 
25.	 Як реалізують типові фільтри в контролерах реміконт ? Опишіть алгоритми, які при цьому використовують.
26.	 Як реалізують типові фільтри в контролерах ломіконт ? Опишіть алгоритми, які при цьому використовують.
27.	 Для чого і як проводиться аналітичне градуювання датчиків ?                                      
28.	 Для чого необхідна алгоритмічна самодіагностика ? Який зміст по-вної і часткової відмов ? Як виявляють повну відмову і підвищують при цьому досто-вірність інформації ? 
29.	 Як виявляють часткову відмову за допомогою апаратурного ре-зервування у разі використання алгоритму „порівняння з середнім” ? Як при цьому підвищують достовірність інформації ?
30.	 Як виявляють часткову відмову за допомогою апаратурного резе-рвування у разі використання алгоритму „порівняння з еталоном” ? Як при цьому підвищують достовірність інформації ?
31.	 Як виявляють часткову відмову за допомогою апаратурного резервування у разі використання алгоритму „парне порівняння ? Як при цьому підвищують достовірність інформації ?
32.	 Як виявляють часткову відмову за допомогою апаратурного резе-рвування у разі використання алгоритму „попарне порівняння ? Як при цьому підвищують достовірність інформації ?
33.	 Як виявляють часткову відмову за допомогою логічних зв’язків між змінними і підвищують при цьому достовірність інформації ?
34.	 Наведіть і опишіть схему виявлення повної відмови за допомогою НОР (ПОК) -алгоритма реміконта. 
35.	 Наведіть і опишіть схему виявлення часткової відмови за допо-могою НОР(ПОК)-алгоритмів реміконта. 
36.	 Наведіть і опишіть схему виявлення часткової відмови з допомо-гою СИТ-алгоритму реміконта. Як при цьому підвищують достовірність інформації ?
37.	 Як інтегрують і усереднюють поточні значення вимірюваних вели-чин за допомогою методу прямокутників ? Порівняйте цей метод з мето-дом трапецій.
38.	 Як інтегрують і усереднюють поточні значення вимірюваних вели-чин за допомогою методу трапецій ? Порівняйте цей метод з методом прямокутників.
39.	 Як визначають невимірювані величини через вимір непрямих по-казників у разі стохастичного зв’язку між ними ? Як при цьому зменшують статичну похибку такого визначення ?
40.	 Як визначають невимірювані величини через вимір непрямих по-казників у разі стохастичного зв’язку між ними ? Як при цьому зменшу-ють динамічну похибку такого визначення ?
3. ОПТИМАЛЬНЕ КЕРУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ КОМПЛЕКСАМИ

3.1. ЗАДАЧІ ОПТИМАЛЬНОГО КЕРУВАННЯ  ТЕХНОЛОГІЧНИМИ  КОМПЛЕКСАМИ ТА МЕТОДИ ДЕКОМПОЗИЦІЇ ЦИХ ЗАДАЧ

1.Технологічні комплекси як об’єкти керування. Технологічні ком-плекси (ТК) мають складну структуру і складаються з великої кількості взаємозв’язаних апаратів, об’єднаних матеріальними та енергетичними потоками у відділення, цехи та виробництва. В загальному випадку ТК  складається з ланок – дільниць виробництва, які розглядаються як єдине ціле, причому ланкою може бути апарат, група апаратів або цех. У ко-жної ланки виділяють три групи змінних: вхідні х, вихідні y та керувальні дії u. Загалом ці величини є векторами, але можуть бути і скалярами. Парамет-рична схема ТК наведена на рис. 3.1, де х – вхідні змінні, що характер-ризують кількість і якість речовини та енергії на вході у ланку;  y – вихідні змінні, що характеризують ті ж величини, але на виході з ланки;  u –  вла-сні керувальні дії ланки. Змінні x і y називають змінними стану ТК, а виходи y, що є одночасно входами інших ланок – зв’язками.
Існує принципова відмінність між вихідними величинами y одного й того ж апарата або агрегату, коли він розглядається як автономний об’-єкт автоматичного керування і коли  він є ланкою ТК. У першому випадку вихідними величинами часто вважають такі, що характеризують техноло-гічний процес усередині апарата або агрегату, наприклад, тиск, темпера-тура, рівень, густина тощо; у другому – такі, що характеризують матері-аль-ний або енергетичний потік на виході з апарата або агрегату.

x

y

u

i-ланка

Рис. 3.1

Характер складного ТК  визначається типом ланок та способом їх об’єднання. Виділяють 4 типи ланок: з’єднувальні (рис. 3.2,а), роз’єдну-вальні (рис. 3.2,б), об’єднувальні (рис. 3.2,в) та складні (рис. 3.2,г). За  способом об’єднання ланок виділяють такі елементарні структури ТК: з послідовним з’єднанням ланок (рис. 3.3,а), з послідовним з’єднанням ланок та зворотним зв’язком (рециклом) (рис. 3.3,б), з паралельним з’єд-нанням ланок (рис. 3.3,в). Прикладом перших ТК є багатокорпусні випа-рні установки, других – дефекосатураційне відділення, третіх – парові ко-тли, що працюють на загальну парову магістраль.

.

.

а

б

в

Рис. 3.3

а

б

в

г

Рис.3.2

2. Задача оптимального керування ТК. Розглянемо загальну пос-тановку задачі оптимального керування складним ТК. Цільова функція оптимального керування складним ТК є функцією входів, виходів і керу-вальних дій ланок і, як правило, має адитивну форму                                             
                                      n 
                              I  =  å ji(xi,yi,ui)        opt,   i  Î 1, n,                            (3.1)
                                    i    
де ji – цільова функція і-ї ланки; n – кількість ланок в ТК. Для послідовної структури ТК, коли критерій оптимізації є продуктивністю технологічного комплекса, цільова функція залежить від виходу останньої ланки                                          
                                      I  =  jn( yn)        opt.                                            (3.2)  
Обмеження цієї задачі W  складаються з математичної моделі  ТК  та власне обмежень на змінні. Математична модель ТК  у свою чергу скла-дається з математичних моделей і-ї ланки та зв’язків. Першу записують у такому вигляді:
                                    yi = fi (xi, ui),   i Î 1, n,                                       (3.3)
а другу – у такому вигляді:
                                         m       
                                 xi  =  å cij yi ,  і  Î 1, n,   j Î 1, m,                         (3.4)
                                          j 
де m – кількість вихідних змінних, що об’єднує хі; с – коефіцієнт, який ураховує частку об’єднуваного потоку у загальному.
Кожна з трьох груп змінних має власні обмеження:
                                        xi  Î xi мin, xi max,                                                                  (3.5)
                                        yi  Î yi min, yi max,                                                                  (3.6)
                                        ui  Î ui min, ui max.                                                                 (3.7)
Таким чином, загальна математична постановка задачі оптималь-ного керування складними ТК включає співвідношення (3.1 – 3.7). 
3. Декомпозиція задачі оптимального керування ТК. Розмірність такої задачі дуже велика і дорівнює n(sx+ sy+ su), де sx, sy, su – кількість складових відповідно до векторів x, y i u, тому розв’язанню цієї задачі обов’язково передує її декомпозиція як засіб зменшення розмірності. Найпошеринішим методом декомпозиції є декомпозиція з проміжними завданнями (ДПЗ), при цьому використовується та обставина, що змінні ui  належать тільки до однієї ланки, а змінні xi та yi  визначають міжлан-кові зв’язки ТК. 
ДПЗ полягає у тому, що значення внутрішніх зв’язків, які з’єднують окремі ланки, задаються верхнім рівнем ієрархії управління, а на нижньо-му рівні розв’язують підзадачі керування при заданих зв’язках. Це озна-чає, що задаються значеннями yi*, далі за допомогою (3.4) розраховують xi*. Після чого задачу оптимізації ТК  розбивають на  n+1 підзадач: n ло-кальних підзадач керування окремою ланкою і одну підзадачу коор-динації (центру), яка є задачею верхнього рівня ієрархії. При цьому роз-мірність локальної підзадачі буде становити su, а розмірність підзадачі координації n(sx+ sy).
Локальні підзадачі формулюються таким чином: знайти керувальні дії ui, що забезпечують максимум цільової функції ji при заданих входах xi* і виходах yi*:
                                 ji (x*i, y*i , ui)        opt,                                         (3.8)
                                         yi = fi (xi, ui),                                                (див. 3.3)
                           W:   хi  = xi*,                                                               (3.9) 
                                        yi = yi*,                                                             (3.10)
                                  ui  Î uimin, uimax.                                                                 (див. 3.7)
На верхньому рівні розв’язується така задача: знайти x*i і  y*i, що забезпечують максимум цільової функції I при заданих керувальних діях:
                                       n 
                          I  =  å ji (xi, yi , u*i)        opt,                                (див. 3.1)
                                  i    
                                             m       
                                     xi  =  å cij yi ,                                             (див. 3.4)
                                              j 
                              W:   xi  Î xi мin, xi max,                                                              (див. 3.5)
                                     yi  Î yi min, yi max,                                                             (див. 3.6)

Враховуючи, що методи розв’язання задач нижнього рівня вивчаю-ться в інших дисциплінах, розглянемо далі методи розв’язання  підзадачі верхнього рівня.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

3.2. 	ОПТИМАЛЬНЕ  КЕРУВАННЯ  ТК  З  АГРЕГАТАМИ 
НЕПЕРЕРВНОЇ ДІЇ

3.2.1. Оптимальне керування ТК  з паралельно працюючими агрегатами

Системи паралельно працюючих агрегатів неперервної дії (АНД) до-сить поширені. До них відносяться системи паралельно працюючих насо-сів, теплообмінників, котлоагрегатів та інших апаратів. Паралельна стру-ктура ТК має певні переваги:
підвищує надійність роботи устаткування за рахунок перерозподілу навантажень;
дає можливість узгодити навантаження агрегатів різної продуктивно-сті шляхом послідовного з’єднання дільниць з різною кількістю апаратів;
дозволяє нарощувати потужність групи паралельно працюючих агре-гатів за рахунок підмикання нових.
Якщо окремий ТК паралельної структури працює з недовантажен-ням, то виникає задача оптимального перерозподілу навантажень, яка розв’язується як підзадача координації задачі оптимізації такого компле-ксу. Існують два варіанту постановки такої підзадачі: перший – розподіл вхідного навантаження і другий – розподіл вихідного навантаження. Най-більш поширений перший варіант, коли необхідно розподілити задану кі-лькість сировини або енергії для досягнення максимальної продуктив-ності:                                                  
                                                   n 
                                           å ji(xi)        max,                                         (3.11)
                                            i    
                                            n      
                                            å xi  = xо,                                                    (3.12)
                                     W:   і
                                            xi  Î xi мin, xi max.                                                         (див. 3.5)

За такої постановки задачі задане навантаження комплексу на вході xо  (3.12) фактично використовується як математична модель зв’язків.
Вибір способу розв’язання цієї задачі залежить від виду цільової функції. Якщо вона лінійна, то задачу можна розв’язують методами ліній-ного програмування.  Якщо цільова функція нелінійна, безперервна, опу-кла та її можна диференцювати, тобто є задачею нелінійного програ-ммування, то вона може бути розв’язана за допомогою невизначених множників Лагранжа. При цьому для визначення максимуму необхідно, щоб характеристика ланки була опукла угору, тобто d2j/dx2<0, а при визначені мінімуму – опукла донизу, тобто d2j/dx2>0, якщо  ji(xi) може бу-ти двічі продиференцьована. І, нарешті, якщо цільова функція має до-вільну форму, то застосовують метод динамічного програмування (МДП), покроково розв’язуючи задачу. При цьому спочатку навантаження розпо-ділюють між двома агрегатами, потім між третім і двома першими, які розглядають, як один, і т.д.
Більш докладно розглянемо перший і другий випадки, враховуючи що найчастіше МДП використровують для паралельної структури ТК. При лінійності цільової функції:
                                          ji(xi) = ai  +  bi xi,                                          (3.13)
де ai, bi – постійні коефіцієнти. Для розв’язання задачі (3.11)  крім методів лінійного програмування можна застосувати і більш простий метод ран-жування агрегатів за величиною bi з побудовою ряду:
                                       b1  > b2  >  ...  > bi   > ... > bn .                                            (3.14)
Далі задачу розв’язують в такій послідовності. Спочатку для всіх агре-гатів встановлюють навантаження xi = xi.max. Якщо при цьому сумарне на-вантаження перевищує задане
                                                          n 
                                                 å xi   > xо ,                                              (3.15)
                                                  i    
то зменшують до найменшого значення навантаження агрегату з найме-ншим нахилом характеристики bn, тобто xn  = xn min і знову перевіряють наявність нерівності (3.15), зменшуючи навантаження агрегатів n – 1, n –– 2 і т.д. доти, доки загальна сума не стане меншою xо. Тоді визначають наванаження j-го агрегату за формулою:
                                                     j - 1              n
                                     xj = xо – å xi max   – å xi min,                                 (3.16)
                                                     i =1           j+1

причому всі агрегати з 1-го по (j–1)-й залишають з максимальним наван-таженням, а агрегати з (j+1)-го по n-й – з мінімальним. На практиці, коли загальне навантаження паралельних агрегатів близьке до максимально можливого, виявляється, що всі агрегати, крім останього за рангом, по-винні працювати з постійним максимальним навантаженням, а всі коли-вання загального навантаження сприймає останній за рангом агрегат.
Як зазначалось вище, у разі безперервної, нелінійної, опуклої цільо-вої функції, яка може бути продиференційована, застосовують метод невизначених множників Лагранжа. При цьому спочатку складають допоміжну функцію Лагранжа з урахуванням (3.11) і (3.12):
                                               n                            n
                       F(xi,l)  =  å j i (xi) + l(xо  - å xi)                                  (3.17)
                                             i=1                          i=1

де  l  –  невизначений множник Лагранжа. Далі визначають часткові похі-дні за всіми незалежними змінними, тобто xi і l, розв’язуючи систему n+1 рівнянь. Отриманий таким чином розв’язок є необхідною умовою оптимі-зації такого ТК  і має бути перевірений на достатність. Зазначимо, що при відсутності обмеження на сумарний потік (3.12) розглянута задача розв’язується методом класичного аналізу, а попередня, при лінійній ці-льовій функції, надання всім xi = xi max.

3.2.2. Оптимальне керування ТК  з послідовно працюючими агрегатами

Ця система з’єднання агрегатів неперервної дії (АНД) також поши-рена, як  і попередня. Головна  її  перевага  –  це  простота  міжагрегат-них зв’язків.  Схема  такого  ТК   з позначенням основних змінних наведе-на на рис. 3.4.

xn-1

x2

x1

хо

xn

xi

хi-1

un

ui

u2

u1

1-ша
ланка

...

Рис. 3.4

2-ша
ланка

і-та
ланка

...

і-та
ланка

Постановка підзадачі координації задачі оптимального керування та-ким комплексом має вигляд:
                                       n
                                       å ji(xi,xi-1)        max,                                       (3.18)
                                    i    
                                            xi = f (xi-1),                                                      (3.19)
                                W: 
                                     xi Î xi мin, xi max,                                                                        (3.20)

де (3.18) – цільова функція, а (3.19) – математична модель зв’язків, при-чому для такої структури ТК вона одночасно є і математичною моделлю ланки.
Вибір методу  розв’язання цієї задачі так, як і в попередньму випад-ку, залежить від виду цільової функції і виконується аналогічно. Якщо лінійна цільова функція  має такий вигляд
                                 ji(xi, xi-1) = ai  + bi xi-1 + ci xi,                                  (3.21)  
то співвідношення (3.18) після перетворень можна записати таким чи-ном:
                         n            n
                     å ai  + å (bi+1+ci)xi, + b1 x0 + cn xn       max                       (3.22)                                     
                   i             i                                                                                     
У цьому випадку задача лінійного програмування виявляється виродже-ною, оскільки значення xi визначається знаками при коефіцієнтах. Якщо цільова функція максимізується, то 
                             при    bi+1+ci > 0        xi = xi max,                              (3.23)                                                 при    bi+1+ci < 0        xi = xi min.                              (3.24)
Розглянемо більш докладно випадок, коли цільова функція  довільна 
для розв’язання задачі застосовують метод динамічного програмування (МДП) Р.Беллмана, що є ефективним методом оптимізації багатостадій-них процесів. Ідея методу полягає у заміні багатомірної задачі оптиміза-ції послідовністю задач меншої розмірності, причому така декомпозиція залежить від виду функції цілі і обмежень. В основі МДП лежить сформу-льований Р.Беллманом принцип оптимальності, згідно з яким оптима-льне керування визначається кінцевою ціллю керування і початковим станом системи і не залежить від стану, який передує початковому. Це означає, що для будь-якої траекторії кожна її дільниця, яка зв’язує будь-які проміжну і кінцеву точки траекторії, також є оптимальною траек-торією.
Покроковий розрахунок оптимальних значень змінних керування і змінних стану найчастіше виконують «з кінця», починаючи з останього і закінчуючи першим агрегатом за допомогою рекурентної формули Бел-лмана, записаної для випадку, коли критерій оптимізації максимізується:
                 Ii*(xi-1, xn*) = max [j i(xi-1, xi) + Ii+1*(xi, xn*)]                         (3. 25)
                                       xi-1 ÎWx
Таким чином, на i-му кроці оптимальне управління вибирають з умов максимуму двох членів суми, що містяться у квадратних дужках, з яких другий Ii+1* – відповідає оптимальному значенню критерію на попередьо-му (i+1)-му інтервалі, а перший j i за допомогою xi-1  змінюють так, щоб максимізувати суму у квадратних дужках.
Процес розв’язання задачі за допомогою МДП поділяють на два ета-пи. На першому – для кожної наступної ланки (кроку) записують таб-лично чи аналітично залежність, що зв’язує xiопт і j iопт з входом даної ла-нки xi-1, а на другому – знаходять конкретні значення xi* і j i*.
Розглянемо детальніше процес розрахунку оптимального керування для випадку, коли задано вихід ТК і задачу розв’язують «з кінця». Споча-тку  при  заданому  xn*  знаходять таку  величину xn-1 , при якій функція цілі для останьої ланки була б максимальною, тобто виходячи з (3. 25) і враховуючи, що In+1 = 0, отримаємо 
                         
                              In*(xn-1, xn*) = max [ j n(xn-1, xn*)].                        (3. 26)
                                                     xn-1

У цьому виразі xn* – задане число, тому процедура максимізації ці-льової функції непотрібна і необхідне значення xn-1опт може бути знайде-не з математичного опису  n-ї ланки

                                        xn-1опт = f n (xn*).                                         (3. 27)

На другому кроці оптимізації до останьої ланки приєднують (n-1)-у ланку і визначають xn-2  так, щоб функція цілі для двох ланок була б мак-симальною. При цьому дві ланки розглядають як одну з виходом xn*  і входом xn-2
                  In-1*(xn-2, xn*) = max [ j n-1(xn-2, xn-1) + In*(xn-1, xn*)].         (3. 28)
                                           xn-2
Одночасно визначають залежність

                                       xn-2опт = f n-1 (xn*, xn-1).                                 (3. 29)

Далі до двох ланок додають 3-тю, 4-ту і т.д. Дійшовши до 1-ї ланки, знаходять xо, що забезпечує максимум функції цілі всієї системи

                      I1*(xо, xn*) = max [ j 1(xо, x1) + I2*(x1, xn*)],                 (3. 30)
                                            xо
                                        xоопт = f1 (xn*, x1).                                       (3. 31)
На другому етапі оптимальні зв’язки розраховують за формулами:
                                     xn-1* = f n (xn*),
                                     xn-2* = f n-1 (xn*, xn-1*),
                                     . . . . . . . . . . . . . . . . . .                   
                                     xо* = f1 (xn*, x1*).
У тому випадку, коли ні вхід, ні вихід системи не задані,  не має зна-чення з кінця чи зпочатку технологічного комплексу починають розраху-нок, але при цьому вхід ТК xо чи його вихід xn є функціями, а не заданими числами, що збільшує розмірність задачі, яка розв’язується. 
Розглянемо випадок, коли задачу ускладнює наявність рециклу (по-вернення) продукта. Такі системи застосовують у випадку, коли ступінь вилучення продукту з сировини при одноразовому проходженні ланцюж-ка послідовних агрегатів виявляється малою і потрібно повторити про-цес. Схема такого комплексу зображена на рис. 3.5. 

хвх

axn

хвих

xn-1

x2

x1

хо

xn

xi

хi-1

un

ui

u2

u1

1-ша
ланка

...

Рис. 3.5

2-ша
ланка

і-та
ланка

...

і-та
ланка

l

l

Цю задачу прагнуть звести до попередньої  з урахуванням таких співвідношень
                          xвх = xо - axn ,   xвих = xn (1 - a),                             (3. 32)     
де a – ступінь рециркуляції. Якщо вхідні і вихідні змінні системи вільні, то задачу оптимізації розв’язують для відповідної розімкнутої системи, а по-тім визначають xвх та xвих, використовуючи (3. 32). Якщо вхідні і вихідні змінні xвх*  та xвих* задані, то задача керування зводиться до оптимізації розімкнутої системи із заданими входом xо*  і виходом xn*
                        xо*= xвх*+ [ axвих/(1- a)],  xn*= xвих*/(1- a).                (3. 33)
Аналогічно чинять, коли задане лише xвх* або тільки xвих*.
Розрахунок можна також вести за методом розриву зворотніх зв’яз-ків. У цьому разі величину xо вважають незалежною змінною, а рівняння зв’язку, пов’язане з рециклом – обмеженням у формі рівності, накладе-ним на змінні величини. Далі розрахунок ведуть за будь-яким методом, який застосовують для розрахунку систем послідовної структури. 

3.3. ОПТИМАЛЬНЕ КЕРУВАННЯ  ТК  З АГРЕГАТАМИ ПЕРІОДИЧНОЇ ДІЇ

Для узгодження роботи агрегатів періодичної дії (АПД) з безперер-вно функціонуючим виробництвом їх організують в технологічні комп-лекси (ТК), які за умови безперервної подачі сировини чи початкового напівпродукту безперервно видають готовий продукт або напівпродукт за рахунок підключення одних агрегатів після закінчення розвантаження інших. У найбільш загальному випадку такий ТК  може мати n паралле-льних ланок по m паралельно увімкнутих агрегатів у кожному з них.
Для вирішення задач керування ТК АПД має значення не тільки кі-лькість паралельних ланок і кількість апаратів у кожній ланці, але й мож-ливість одночасного завантаження або вивантаження кількох АПД. У по-дальшому будемо відрізняти ТК  АПД з послідовно-часовим (ПсЗ) або па-ралельно-часовим (ПрЗ) завантаженням чи вивантаженням (ПсВ, ПрВ). При ПсЗ комплекс має таку потоково-транспортну завантажувальну сис-тему, яка одночасно може здійснювати завантаження лише одного АПД. При ПрЗ можливе одночасне завантаження кількох АПД. Аналогічно, в залежності від можливості одночасного вивантаження кількох АПД від-різняють ТК з ПсВ та ПрВ. Останні, звичайно, мають на виході накопичу-вальні ємності, до яких у період вивантаження можуть одночасно підми-катися кілька АПД.
Комплекси з ПрЗ і ПрВ мають більшу гнучкість в керуванні порівняно з тими, що мають ПсЗ і ПсВ. Особливо це стосується тих систем керу-вання, де основні керувальні дії пов’язані з часом початку завантаження і вивантаження АПД, але наявність накопичувальних ємностей збільшує втрати  корисного  продукту за рахунок збільшення часу перебування продукту в переробці. Можливі 4 схеми поєднання видів завантаження-вивантаження: ПсЗ – ПсВ, ПсЗ – ПрВ, ПрЗ – ПсВ, ПрЗ – ПрВ.   
Кількість агрегатів  комплексу з ПсВ за умови безперервної видачі  готового продукту чи напівпродукту визначають за формулою:
        m => кз mр  = кз tц / tвив = кз (tзав +  tр  +  tвив  +  tпід)/tвив,            (3. 34)       де mр – кількість агрегатів комплексу, що беруть участь у циклі; кз – кое-фіцієнт запасу, який визначає кількість резервних апаратів; tзав,tр, tвив, tпід  – тривалість операцій відповідно завантаження, робочої стадії, виванта-ження, підготовчих (до завантаження), що у сумі визначають тривалість циклу tц. При цьому час вивантаження визначається з умов забезпече-ння необхідної продуктивності комплексу:
                                          tвив = Vр / g*,                                        (3. 35)        де Vр – робочий об’єм апарата, g* – задана продуктивність комплексу. Якщо в процесі керування комплексом необхідно змінювати g*, то для визначення m беруть мінімальне tвив.
У цілому ряді задач оптимізації режимів роботи АПД критерій керу-вання I, який оптимізують, відносять до тривалості циклу tц або до трива-лості робочої стадії tр, тобто 
                                           Iв = I / Т,                                               (3.36)        де Т = tц  або tр. Для визначення оптимального керування в умовах, коли верхня межа Т підлягає вибору, знаходять безліч оптимальних розв’язків I* для різних значень ТÎ( 0, Тmax). А далі побудувавши залежність I*(T), у випадку пошуку максимального IВ, проводять з початку координат дотичну до кривої I*(T), а точка дотику визначить шукані значення Iв* і Т* (рис. 3.6).
У тому разі, коли мета керування зводиться до максимізації цикло-вої продуктивності апарата gц = G/tц, максимальне зняття продукту G  за  одиницю часу може бути визначене за  допомогою кінетичної кривої  G(t),  за якою знаходять таке значення tц , що відповідає максимальному g. Для цього на від’ємній напівосі  абсцис графіка кінетичної кривої G(t) (рис. 3.7) відкладають час допоміжних операцій tд = tзав + tвив+ tпід . Потім з точки А проводять дотичну до кінетичної кривої, визначаючи таким чи-ном точку В. Проекція точки В на вісь абсцис дає оптимальне значення tр* і   tц*, тому що всі інші прямі з точки А, які будуть мати спільні з кіне-тичною кривою точки будуть мати  менші значення g. 

В

tц*

tр*

tд

G

А

t

Т*

IВ*

I*

Т

Рис. 3.7

Рис.3.6

Для комплексу АПД з ПсВ і безперервним вихідним потоком основні керувальні дії пов’язані з часом початку вивантаження і завантаження аг-регатів цього комплексу, тому використання, наприклад, часу початку ви-вантаження для організації безперервного вихідного потоку буде приво-дити до відхилень від оптимальних режимів, оскільки в цьому разі 
                                              tц* ¹ tцн,                                               (3.37)      де tц* – тривалість циклу, що доставляє екстремум функціоналу (3.36), включаючи і знаття продукту за одиницю часу;  tцн – тривалість циклу, ви-брана з умов безперервності вихідного потоку комплексу.
Для ТК АПД з ПрЗ - ПсВ зменшенню  критерію 
                                   m 
                              I = S | tцi* - tцiн |        min                                       (3.38) 
                                  i=1  
сприяє такий алгоритм вибору АПД для вивантаження: по закінченні ви-вантаження одного з АПД наступає початок вивантаження того з го-тових до цієї операції АПД, який раніше за інші досяг оптимальної три-валості циклу tц*. Якщо таких АПД немає, то вивантажують агрегат, який має найбільшу тривалість робочої стадії tр в даний момент. Логі-чна схема алгоритму (ЛСА) для випадку, коли ТК має три АПД, має такий вигляд:
                             1     2  3         2    4  5         4     6  7         6     1     3     5     7     
              L* = Bоßр1ÝßB1q1ßр2ÝßB2q2ßр3ÝßB3q3ßр7Ýр4Ýр5Ýр6Ý,                (3.39)       

де Bо – оператор початку; B1,B2,B3  – оператор відповідно вивантаження 1-го, 2-го і 3-го АПД; р1,..., р7  – логічні умови, що залежать від виконання нерівності t ³ tц* і стану апарата; q1, q2, q3 - очікувальні логічні умови.
             р1= y12  Ù  y13,  y12 = x1  Ù  y2,  y13 = x1  Ù  y3, 
             р2 = y21  Ù  y23,  y21 = x2  Ù  y1,  y23 = x2  Ù  y3,                         (3. 40) 
             р3 = y31  Ù  y32,  y31 = x3  Ù  y1,  y32 =  x3 Ù  y2,
де x1, x2, x3 – логічні змінні, при  tцi < tцi*  xі = 0, при tцi ³ tцi* xі = 1, i =1, 2, 3;  y12, y13, y21, y23, y31, y32 – сигнали, за якими дається дозвіл відповідно 2-м АПД на вивантаження 1-го, 3-м – на вивантаження 1-го, 1-м – на виван-таження 2-го і т.д.
При наявності дозволу yi j = 1, при відсутності  – yi j = 0,  i = 1,2,3;  j = =1,2,3;  i ¹ j.  Кожна з логічних умов р1,р2,р3   виконується, якщо є дозвіл на вивантаження від двох інших АПД. Такий дозвіл надходить, якщо для даного АПД tцi ³ tцi* і xі = 1, а також відсутні дозволи на вивантаження інших АПД від даного. Наприклад, при x1=1, x2=0, x3=0,  відсутні дозволи на вивантаження 2-го та 3-го АПД від першого y21 =0, y31 =0, отже y2 =1, y3 =1, а р1 = 1, тобто логічна умова р1  виконується,  що  приводить  до вивантаже- ння 1-го АПД. Якщо в період  його вивантаження спочатку умови tцi ³ tцi* досягає 2-ий АПД x2=1, а потім 3-ій x3=1, то першим у чергу на вивантаження стає 2-ий АПД. 
Дійсно, оскільки при x3=0, y3 = 0 і y3 =1, то при появі сигналу x2=1 y23=1, а y21  буде дорівнювати 1, коли закінчиться вивантаження 1-го АПД. Із закінченням вивантаження 1-го апарата пов’язане також викона-ння очікувальної умови q1 = y1.
_____________________________________________________________
* Оператори (позиційні), як і логічні умови, можуть приймати значення 0 або 1. Як правило, зна-чення операторів  відповідає увімкненню (1) або вимкненню (0) вико-навчого пристрою. Виконуються оператори зліва направо при відсутності зліва логічних умов (ЛУ) або якщо ці умови виконуються, тобто рi = 1. При невиконанні ЛУ (рi = 0) відбувається перехід за стрілкою, початок якої Ý ставлять праворуч від ЛУ, а кінець ß ліворуч від того оператора, до якого здійснюється перехід. Адресу переходу знаходять за допомогою чисел, проставлених над стрілками. Крім звичайних ЛУ рi є також очікувальні qi, після яких не ставлять стрілки, тому виконання наступного опе-ратора почнеться тільки в разі змінення очікувальної умови свого значення з 0 на 1.

Якщо ні одна з логічних умов р1, р2, р3, тобто  
                                  р7 = р1 Ú р2 Ú  р3 = 1,                                       (3.41)     то здійснюється перехід до другої частини алгоритму, пов’язаної з вико-нанням ЛУ р4 , р5,  р6 , які забезпечують вивантаження того апарата, в якому раніше, ніж в інших, почала виконуватися робоча стадія
                 р4 = y42  Ù  y43,  y42 = x4  Ù  y2,  y43 = x4  Ù  y3, 
                 р5 = y51  Ù  y53,  y51 = x5  Ù  y1,  y53 = x5  Ù  y3,                      (3.42) 
                 р6 = y61  Ù  y62,  y61 = x6  Ù  y1,  y62 =  x6 Ù  y2,
де x4, x5, x6 - логічні умови, пов’язані з тривалістю tр  відповідно 1-го, 2-го і 3-го апарата, тобто, для апарата з максимальним tр  xi+3 = 1, для решти xi+3 = 0  або xi+3 = 1  при tрi = max і xi+3 = 0  при tрi ¹ max.
Описаний алгоритм управління комплексом АПД доцільно викори-стовувати при ПрЗ - ПсВ. При ПсЗ - ПсВ в режимі нормального функціо-нування комплексу послідовність завантаження апаратів зберігається і при їх вивантаженні. Однак незалежно від того, чи використовується ПрЗ, чи ПсЗ при ПсВ для мінімізації (3.38) доцільно коригувати час початку завантаження наступного апарата на основі прогнозованого значення tцi*    
                                            m 
                               tпi =  kп (S tвив i - tцi*),                                          (3.43) 
                                           i=1  
де tпi – зміщення за часом початку завантаження i-го апарата відносно завантаження  попереднього  i-1 (за часом завантаження)  апарата;  kп – 
поправковий коефіцієнт, який ураховує неточність прогнозу tцi*. Значення коефіцієнта вибирають в інтервалі [0,9...1,1] залежно від характеру фун-кції  I*(T)  біля точки tцi*.  Що  стосується  ТК АПД  з ПрВ,  то в цьому разі у зв’язку з відсутністю вимог до tцiн вивантажується той апарат, який у цей момент досяг tцi*.

3.4. СИСТЕМИ АВТОМАТИЗАЦІЇ ВИРОБНИЧОГО  ПОТОКУ  
РІДИННИХ ПРОДУКТІВ 

3.4.1. Характеристика об’єкта керування

Одна з головних вимог автоматизації непереревних виробництв є за-безпечення взаємної узгодженності за продуктивністю окремих техно-логічних комплексів. У разі, коли основний виробничий потік становлять рідинні продукти, таку задачу називають також задачею повздовжньої стабілізації. Необхідність автоматизації виробничого потоку (АВП) обу-мовлена тим, що на окремих часових інтервалах продуктивність послідо-вно розташованих ТК може бути різною в результаті дії непередбачених збурень. Відсутність системи автоматизації виробничого потоку в цьому випадку може привести до роботи окремих ТК в режимах недовантаже-ння або перевантаження, що в свою чергу викликає додаткові втрати корисних продуктів.
Технологічним забезпеченням таких систем автоматизації є каскад буферних (проміжних) збірників (БЗ), які встановлюються між ТК, тобто на вході і виході кожного окремого ТК. За рахунок запасів рідинних про-дуктів, накопичених в БЗ, або вільних об’ємів БЗ відбувається демпфіру-вання коливань витрат. Так, наприклад, якщо сталося східчасте зменше-ння витрати на вході в один з БЗ, то за рахунок накопичених в ньому за-пасів продукту процес зміни витоку з цього БЗ буде розтягнутий у часі і збурен-ня, що надійде до наступного ТК, стане менш важким.
Каскад БЗ, як об’єкт автоматизації, має деякі особливості. Перша стосується їх об’єму. Зрозуміло, що з точки зору автоматизації виробни-чого  потоку  збільшення  об’єму БЗ позитивно впливає на демпфіру-вання його коливань, але з іншого боку це збільшує час проходження продуктом усіх ТК виробництва, а значить, і втрати корисних харчових продуктів при їх переробці. Таким чином, існує оптимальний об’єм БЗ, критерієм визначення якого могла би бути згортка двох локальних крите-ріїв: втрат корисної речовини кінцевого продукту і величини, що харак-теризує вирівнювання виробничого потоку залежно від об’єму БЗ або часу перебування продукту в ньому. В загальному випадку коефіцієнт вирівнювання потоку може бути представлений таким виразом:
                       K =  ( ò D QП(t) dt ) / ( ò D QВ (t) dt ),                             (3.44)
де D QП , D QВ – прирощення витрати продукту на вході і виході БЗ. За ча-сом перебування продукту в БЗ Тпер їх умовно поділяють на малі (Тпер < <10 хв), середні (Тпер= 10...30 хв), великі (Тпер= 30...90 хв) і дуже великі (Тпер > 90 хв). При  розрахунку Тпер враховують об’єм, що перебуває між двома аварійними рівнями, які відповідають спорожненню і переповнен-ню БЗ. 
Друга особливість БЗ пов’язана з тим, що система автоматизації ви-робничого потоку рідинних продуктів часто будується як система регулю-вання рівня в БЗ. В той же час в БЗ продукт, як правило, подається звер-ху, виток продукту забезпечується відцентровим насосом. За цих умов рівень у БЗ не впливає на витрату продукту на вході до БЗ і майже не впливає на його виток, тобто БЗ як об’єкт регулювання рівня є об’єктом без самовирівнювання, що дає змогу описати його рівнянням
                                        SЗ (dh(t)/dt) =  QП(t) - QВ (t),                              (3.45) 
де h – рівень в БЗ, SЗ – площа перерізу збірника. Відсутність самовирів-нювання робить обов’язковим застосування систем регулювання рівня для запобігання переповненню та спорожненню БЗ. 
Найбільш поширені системи автоматизації виробничого потоку (АВП) рідинних  продуктів  у  харчовій  промисловості на цукрових заво-дах, тому коротко зупинимося на особливостях об’єкта управління в цьому випадку. Раціональний об’єм БЗ розраховують за умов перебу-вання в них соку  протягом 10 – 15 хв після дифузії і 20 – 30 хв перед випарюванням, причому апарат холодної дефекації також використовує-ться як БЗ з умою перебування в ньому соку протягом 60 хв. БЗ викону-ються закритими, але з’єднаними з атмосферою. 

3.4.2. Системи автоматизації виробничого потоку

1. 	Алгоритми керування виробничим потоком. Виділяють чотири класи таких алгоритмів і відповідно систем АВП рідинних продуктів:
1) алгоритми оперативного керування продуктивністю ТК і запасами в БЗ, що оптимізують певні техніко-економічні показники виробництва. У математичній моделі такої задачі використовують лінійний опис стаціо-нарного режиму роботи ТК і рівняння (4.45). Такі АСУ працюють у режимі «порадника» і дозволяють оператору-технологу враховувати  усю сукуп-ність виробничих ситуацій  і формувати з дискретністю 1 год і більше ке-рувальні дії, які змінюють запаси в БЗ. Найбільш ефективні такі алгори-тми при  наявності дуже великих БЗ  (Тпер > 90 хв) у поєднанні з алгорит-мами другого класу - алгоритмами стабілізації виробничого потоку;
2) алгоритми стабілізації виробничого потоку з використанням регуля-торів витрати, відповідні системи яких іноді називають системами авто-матизованого управління запасами з метою «гнучкої» динамічної синхро-
нізації продуктивності ТК, що розділені БЗ. Найбільш ефективні такі сис-теми за умов наявності  великих БЗ з Тпер = 30... 90 хв;
3) алгоритми усереднювального регулювання рівня (УРР) у каскаді БЗ, коли за рахунок запасів  або  вільних просторів цих збірників демпфі-рується коливання технологічного потоку. Найбільш ефективні відповідні  системи АВП в каскаді середніх БЗ, тобто при Тпер = 10... 30 хв;
4) алгоритми точного регулювання рівня (ТРР) в БЗ, коли він, урахо-вуючи малий об’єм (Тпер < 10 хв), не в змозі виконувати роль демпфера збурень виробничого потоку і тому рівень в БЗ стабілізується для того, щоб забезпечити нормальні умови роботи насоса і запобігти перепов-ненню збірника.
Для порівняльної оцінки перелічених алгоритмів може бути вико-ристаний коефіцієнт вирівнювання потоку K (3.44) або один чи кілька ін-ших показників ефективності демпферування збурень потоку:
відношення амплитуд коливання QВ (t) до амплитуди коливань QП(t);
оцінка швидкості коливань QВ (t) віднесена до 20АП, де АП – амп-литуда коливань QП(t);
ефективність використання буфера Dh/ (hmax – hmin), де Dh – діапазон поточних змін рівня; hmax , hmin – граничні значення рівня;
частота входу рівня у передаварійну зону hmin+0,075(hmax–hmin)...   hmax – 0,075(hmax – hmin).
2. 	Усереднювальне регулювання рівня (УРР) відрізняється від то-чного регулювання рівня (ТРР) тим, що статична похибка першого зна-чно більша і повинна дорівнювати  можливій зміні рівня за висотою БЗ, тому і при УРР і при ТРР для регулювання рівня застосовують П-ре-гулятор, який в системах УРР має малий коефіцієнт передачі kр і велику статичну похибку, а в системах  ТРР великий kр і малу статичну похибку. Якщо УРР застосовують в БЗ для автоматизації виробничого потоку, то ТРР використовують  в апаратах, які  повинні  працювати при стабільних значеннях рівня рідини в них, або в малих БЗ (Тпер < 10 хв) для за без-печення норма-льного функціонування насосу. 
На рис. 3.8  наведена схема регулювання рівня в БЗ дією на виток зі збірника (рис. 3.8,а) і графіки перехідних процесів у разі ТРР (рис. 3.8,б) і УРР (рис. 3.8,в). Як  видно  з  графіків, при  ТРР  рівень при стрибкоподі-бній зміні витрати на вході до БЗ залишається практично постійним і зміна витоку фактично повторює зміну витрати на вході. При УРР рівень плавно змінюється в широких межах і за рахунок цього поступово змі-нюється виток.
Побудова систем УРР залежить, насамперед, від того, чи має каскад буферних збірників детектувальні властивості в поширенні збурень, то-бто коли збурення поширюються тільки за ходом технологічного процесу. В цьому випадку система УРР складається з П-регуляторів рівня буфе-рних  збірників, які діють на виток рідини  із  збірника. Значення коефіці-єнта передачі  П-регулятора  вибирають  таким, щоб збірник був повним при максимальній витраті і  майже  порожнім при мінімальній.

Перший
збірник

Від попередньої
технологічної
установки

LC
1

t

t

t

t

t

t

QП

h

QВ

QП

h

QВ

а                                               б                                   в  
Рис.3.8.

При недектувальних властивостях каскаду, тобто коли збурення по-ширюються як за ходом технологічного потоку, так і проти його ходу, ре-гулювання рівня дією тільки на виток не дає демпфірування збурень, що пощирюються проти потоку. Дійсно, якщо наступний ТК зменшив свою продуктивність і рівень у збірнику почав збільшуватися, то дія регулятора на збільшення відкриття клапана на витоку зі збірника не приведе до зменшення рівня.  В цьому випадку застосовують зв'язане  регулювання  рівня в двух суміжних  збірниках. Існують три варіанти реалізації такого регулювання: 
1) з множенням сигналів датчиків рівня у двох суміжних БЗ і реаліза-цією такого регулятора:
u = kр h1 (1 – h2), 
де h1 – заповнена частина 1-го збірника (1 – h2) – назаповнена частина 2-го збірника;
2) з двома регуляторами рівня, з’єднаних за каскадним принципом, коли завдання регулятору рівня 1-го збірника коригується залежно від   (1 – h2);
3) з селектуванням сигналів двох регуляторів рівня – найбільш по-ширений варіант, схема якого наведена на рис.3.9. Пристрій для селек-тування LY пропускає на  виконавчий механізм (ВМ) з регулювальним органом (РО),  що розташований між збірниками, найбільший з вихідних сигналів двох регуляторів рівня LC, причому на виході регулятора пе-ршого  збірника сигнал є пропорційним заповненій частині збірника, а на виході регулятора другого збірника – порожній частині збірника.
Можна виділити дві переваги систем з УРР: 
*	  відносно проста апаратурна реалізація, що не потребує виміру витрат, 
*	  можливість реалізації при середньому об’ємі БЗ. 

До наступної
технологічної установки

LC
2

LY
1б

Перший
збірник

Технологічна
установка

Другий збірник

Від попередньої
технологічної
установки

LC
1а

SEL

Рис.3.9

Недоліком таких систем є неповна локалізація збурень потоку в ме-жах однієї дільниці. Цього недоліку не мають алгоритми іншого тиру, які стабілізують виробничий потік з використанням регуляторів витрати.
1. 	Стабілізація виробничого потоку. Ці системи дають можливість локалізувати збурення потоку в межах окремої дільниці, однак  вони скла-дніші, насамперед, через необхідность мати захист  від аварійної ситуації переповнення або випорожнення збірників і мають відносно велику вар-тість  через необхідность  вимірювати витрату, як правило, неоднорідного середовища. Схема реалізації одного з варіантів такої системи наведена на рис. 3.10. 
Якщо рівень у обох БЗ знаходиться у середній зоні витрата продукта стабілізується контуром поз.2, до якого входить датчик витратоміра (2а) та  регулятор (2б). Завдання регулятору поз.2б встановлює система ви-щого рівня керування або оператор ручним  задавальником в результаті розв’язання задачі оперативного керування  продуктивністю ТК і запа-сами в БЗ (алгоритми АВП першого класу). Крім того, для компенсації похибки задавальних пристроїв ще додатково вводиться сигнал від ре-гулятора рівня (поз.1а), що дорівнює (0,1....0,3)Dh1 і повинен за безпе-чити однакову витрату продукта на всіх виробничих дільницях.

До наступної
технологічної установки

LC
3

FC
2б

Перший
збірник

Технологічна
установка

Другий збірник

Від попередньої
технологічної
установки

LY
1в

FE
2а
1

LC
1а

LC
1б

LY
1г

SEL

S

h2ОГР

Від системи
вищого рівня

Рис. 3.10

h1ОГР

У разі збільшення рівня у 2-му збірнику  вище Н2огр або зменшення рівня у 1-му збірнику нижче  Н1огр починають працювати регулятори поз. 1б і 3, причому більший із сигналів через блок селектування (1в) і суматор (1г) зменшує завдання регулятору витрати (можливо до 0), щоб запобігти спорожненню 1-го і переповненню 2-го збірника.
У розглянутих системах автоматизації виробничого потоку рідинних продуктів використано один з найбільш поширених способів зміни вит-рати зміною опору трубопроводу переміщенням регулювального дросе-льного органа (РДО). Його перевагою є простота реалізації, однак при  цьому виникають додаткові втрати енергії потоку. Крім того, його засто-сування можливе тільки при використанні відцентрових насосів. Для по-ршневих, лопатевих та шестерінчастих насосів, які працюють зі сталою витратою, РДО встановлюють на всмоктувальній лінії (див. рис. 3.10, насос після другого збірника). Для відцентрових насосів такий варіант не застосовують, тому що при дроселюванні потоку на всмоктувальній лінії можливе суттєве зниження тиску рідини перед насосом і, як наслідок, виникнення кавітації.
Витрати рідинних продуктів можна змінювати, також зміною продук-тивність насоса за рахунок швидкості обертання його робочого вала. При використанні асинхроних електродвигунів змінного струму найбільш ефективним при цьому є застосування частотних перетворювачів, які випускають  такі фірми-виробники  контролерів як «Schneider Elektric», «Mitsubishi Elektric», «Omron» та інші. Для регулювання потоку рідинних продуктів у цьому випадку використовують каскадну АСР, в якій головним регулятором є  регулятор  рівня  або витрати, а допоміжним – регулятор швидкості обертання робочого вала електродвигуна. Перева-гою цього способу є відсутність втрат енергії потоку через його дросе-лювання, недоліком – ускладнення системи автоматизації.  Остаточний висновок щодо застосування того чи іншого способу зміни витрати роблять на основі порівнювального економічного аналізу. 

3.5. СИСТЕМИ АВТОМАТИЗАЦІЇ ВИРОБНИЧОГО  ПОТОКУ  
СИПКИХ ПРОДУКТІВ 

3.5.1. Характеристика об’єкта керування

Автоматизація взаємної узгодженності за продуктивністю суміжних технологічних комплексів залишається однією з основних вимог до АСК і стосовно виробничого потоку сипких продуктів, тому що і в цьому разі відсутність системи автоматизації виробничого потоку може призвести до роботи окремих ТК в режимах недовантаження або перевантаження, що, у свою чергу, викликає додаткові втрати корисних продуктів.
Об’єктом керування в цьому разі є потоково-транспортна система (ПТС), що  являє  собою комплекс машин та механізмів  для транспорту-вання та  переробки твердих матеріалів в єдиному технологічному пото-
ці. Транспортуючими засобами ПТС є транспортери, елеватори, норії, шнеки, пневмопроводи тощо, які забезпечують  переміщення твердих матеріалів за рахунок роботи їх електроприводів. ПТС складється з діль-ниць і трактів. Дільниця – це частина ПТС, обмежена буферними ємно-стями БЄ (бункерами, накопичувачами тощо) і призначена для викона-ння окремого технологічного процесу. Тракт – це частина дільниці, що може функціонувати автономно. 
Буферні ємності сипких продуктів також установлюють на вході та виході технологічних комплексів, що виконують операції переробки (ТКП), однак  крім  демпфірування  коливань витрат, БЄ часто виконують функції дозуючих живильників. ПТС більш складні за конфігурацією, ніж системи транспортування рідинних продуктів. Крім того, об’єм БЄ, як правило, впливає тільки на час переробки продукту і не впливає на його втрати.
Системи автоматизації ПТС часто складаються з двох підсистем: ди-скретного керування електроприводами та неперевного регулювання ви-трати сипких продуктів.

3.5.2. Системи автоматизації виробничого потоку

1. 	Підсистема дискретного керування електроприводами. Осно-вне призначення – запобігання утворенню завалів твердих матеріалів  на транспортуючих механізмах. Для цього послідовно запускаються меха-нізми у напрямку, зворотному потоку матеріалів, та автоматично  зупиня-ються всі механізми, що розташовані за потоком перед тим  механізмом, який аварійно  зупинився. Через це нумерацію двигунів тракту  чи дільни-ці ПТС починають з першого за запуском двигуна, що розташований в кінці тракта або дільниці. При керуванні ПТС може бути використаний один з таких режимів:
місцевий – керування механізмами з місця їх установки при відсутно-сті блокування з іншими механізмами;
місцевий зблокований – пуск механізму місцевий,  а послідовність пуску інших  механізмів  та  їх  зупинки  через  блокувальні зв'язки;
автоматизований або диспетчерський автоматизований (ДАК) – єдина ручна операція – це пуск першого (головного) механізму, всі інші операції виконуються автоматично.
Для вибору режиму керування використовують перемикач вибору режиму (ПВР), який в простих ПТС є загальним, а в складних – індиві-дуальним, тобто кожний механізм має власний ПВР. Алгоритми дискрет-ного керування електроприводами  повинні задовольняти таким техноло-гічним та електричним вимогам:
*	 наявність нульового захисту і повернення системи у початковий стан після закінчення роботи, що виключає можливість самозапуску ме-ханізмів після їх зупинки;
*	 наявність вимикача аварійної зупинки і захисту від дистанційного пуску у кожного механізму поза залежністю від режиму керування;
*	  наявність тросів, натягнутих вдовж конвеєрів і зв’язані з вимика-чем аварійної зупинки, та електричних тормозів, які попереджують пере-сування стрічки нахиленого конвеєра, що зупинився під дією ваги матері-ала;   
*	 наявність блокування, що не дозволяє дистанційний запуск без до-зволу з місця;
*	 наявність реле швидкості конвеєра, що спрацьовує у разі обриву чи пробуксовки стрічки;
*	 пуск електродвигунів у функції часу або розгону механізмів, щоб запобігти можливісті їх запуску з інтервалом 0,05 – 0,1 с. 
На рис.3.11 наведена  функціональна схема  підсистеми дискретно-го керування електроприводами найпростішої  дільниці ПТС, що склада-ється з трьох траспортерів з двигунами М1 – М2 – М3, які запускаються та зупиняються з допомогою магнітних пускачів КМ1 – КМ2 – КМ3. Під-система має загальний ПВР і  працює за таким алгоритмом. При виборі перемикачем ПВР (на  рис. 3.11 – SA) режиму ДАК і натисканні на кнопку SB4 вмикається передпускова сигналізація HA1 i HA2, встановлена біля механізмів. Після  закінчення необхідної витримки часу відбувається по-слідовний запуск двигунів М1 – М2 – М3 з включенням відповідних сигна-льних ламп HL1 – HL2 – HL3. Після запуску останнього двигуна М3 пе-редпускова сигналізація вимикається, а сигнальні лампи всіх двигунів крім останнього можуть бути відключені кнопкою SB6. У разі аварійної зу-пинки одного з двигунів, наприклад М2, автоматично зупиняються всі наступні за запуском двигуни, причому зупинка останнього (у даному ви-падку  М3) вмикає звуковий сигнал HA3 і всі лампи механізмів, що зали-шились у роботі (у даному випадку двигун М1 і лампа HL1), а лампи двигунів, що зупинилися (HL2 і HL3), будуть погашені. Звуковий сигнал  НА3 можна  відключити кнопкою квітирування SB7. Дільниця  зупиняєть-ся  натисканням на кнопку SB5, а лампи працюючих двигунів у безава-рійному  режимі можуть бути включені кнопкою SB8.
У разі вибору перемикачем SA місцевого зблокованного режиму всі двигуни запускають та зупиняють кнопками, встановленими біля механі-змів SB1 – SB2 – SB3. Однак запустити всі двигуни крім першого  можна тільки за умови, що вже працює попередній за запуском  двигун. Крім то-го аварійна зупинка будь-якого двигуна приводить до вимикання всіх послідовних за запуском двигунів. Звукова сигналізація  в цьому режимі не працює, а світлова працює як в режимі ДАК. При  місцевому режимі, обраному перемикачем SA, двигуни  автономно  запускаються та зупиня-
ються кнопками SB1 - SB2 - SB3, а сигналізація працює так, як і у попе-редньому випадку.

М

М3

 Транспортер 1

М

М2

 Транспортер 2

М

М1

 Транспортер 3

Прила-ди
місцеві

Щит
опера-тора

NS
KM3б

H
SB3

NS
KM2

H
SB2

NS
KM1б

H
SB1

HS
SA

H
SB4

H
SB5

H
SB6

H
SB7

 HL1

HL2

HL3

H
SB8

HA3

НА1

НА2

Від  ТКП 1

Бункер 
1

Бункер 
2

На ТКП 2

М
П
К 

Y
S
A

Рис. 3.11

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

l

Ускладнення цього алгоритма пов’язано з використанням крім пе-редпускової сигналізації – сигналізації дозволу на запуск, коли у режимі ДАК централізований запуск стає можливим тільки за умови натискання на кнопки дозволу, що розташовані біля механізмів. При цьому на щиті опе-ратора вмикаються додаткові сигнальні  лампи і звуковий сигнал  дозволу на централізований запуск. Існують також алгоритми, що за без-печують пуск двигунів у функції часу, а також автоматичний перезапуск двигунів у разі зникнення напруги не більш, ніж на 2 с.  

FE
1а

FC
1б

FE
1а

FC
1б

М

М3

 Транспортер 1

Від  ТКП 1

Бункер 
1

На транспортер 2

LА
2

SC
1в

М

М3

 Транспортер 1

Від  ТКП 1

Бункер 
1

На транспортер 2

LА
2

а

б

Рис. 3.12

Від системи
вищого рівня

Від системи
вищого рівня

                                                     

2. 	Підсистема неперевного регулювання витрати сипких проду-ктів. Узгодження продуктивності суміжних технологічних комплексів переробки (ТКП) твердих матеріалів реалізується з допомогою стабі-лізації витрат цих матеріалів на окремих дільницях ПТС (рис. 3.12), при-чому завдання регуляторам витрати (поз.1б) корегуються в зале-жності задач, що розв’язуються на рівні керування виробництвом. Так само, як у разі автоматизації потоку рідинних продуктів (див. п.3.4), існують два способи зміни витрати сипких продуктів: перший – зміною роботи жи-вильників або дозаторів, які встановлюють на БЄ (рис.3.12,а); другий – за допомогою каскадної  АСР,  в  якій  головним  регулятором є  регуля-тор витрати (поз. 1б), а допоміжним – регулятор швидкості обертання робочого вала електродвигуна (поз.1в) з використанням частотного пе-ретворювача. Обов’язковою є сигналізація граничних рівнів сипких мате-ріалів у БЄ (поз.2).

Контрольні питання

1.	 У чому особливість технологічних комплексів (ТК) як об’єктів ке-рування ? Які існують типи ланок ТК  і як ТК поділяють за способом об’є-днання ланок ? 
2.	 У чому особливість технологічних комплексів (ТК) як об’єктів керу-вання ? Наведіть і опишіть постановку задачі оптимального керування  ТК ?
3.	 У чому особливість технологічних комплексів (ТК) як об’єктів керу-вання ? Для чого і як проводять декомпозицію задачі оптимального керування ТК ?
4.	 Наведіть і опишіть постановку задачі оптимального керування ТК з парале-льно працюючими апаратами неперервної дії ? Як розв’язують цю задачу, коли цільова функція лінійна ?  
5.	 Наведіть і опишіть постановку задачі оптимального керування ТК з паралельно працюючими апаратами неперервної дії ? Як розв’язують цю задачу, коли цільова функція нелінійна, безперервна, випукла та її мож-на продиференціювати ?  
6.	 Наведіть і опишіть постановку задачі оптимального керування ТК з послідовно працюючими апаратами неперервної дії ? Як розв’язують цю задачу, коли цільова функція лінійна ?  
7.	 Наведіть і опишіть постановку задачі оптимального керування ТК з послідовно працюючими апаратами неперервної дії ? Як розв’язують цю задачу, коли цільова функція довільна ?  
8.	 Наведіть і опишіть постановку задачі оптимального керування ТК з послідовно працюючими апаратами неперервної дії? У чому особливість розв’язан-ня цієї задачі у разі наявності ре циклу ?  
9.	 Які особливості має ТК з апаратами періодичної дії (АПД) як об’єкт керування ? Які ТК з АПД мають послідовно часове і паралельно часове завантаження і вивантаження ?
10.	 Які особливості має ТК з апаратами періодичної дії (АПД) як об’єкт керування ? Як оптимізують роботу цього ТК у разі паралельно часового завантаження і вивантаження ?
11.	 Які особливості має ТК з апаратами періодичної дії (АПД) як об’єкт керування ? Як оптимізують роботу цього ТК у разі паралельно часового завантаження і послідовно часового вивантаження ?
12.	 Які особливості має ТК з апаратами періодичної дії (АПД) як об’єкт керування ? Як оптимізують роботу цього ТК у разі послідовно часового завантаження і паралельно часового вивантаження ?
13.	 Які особливості має ТК з апаратами періодичної дії (АПД) як об’єкт керування ? Як оптимізують роботу цього ТК у разі послідовно часового завантаження і вивантаження ?
14.	 Які особливості має каскад буферних збірників (БЗ) та окремий БЗ як об’єкт керування у разі автоматизації виробничого потоку рідинних продуктів ? Як вибирають об’єм БЗ і як їх поділяють за часом перебування продукту в БЗ ?
15.	 Які алгоритми використовують для керування виробничим потоком  рідинних продуктів і як їх вибирають ? Які показники використо-вують як  критерії такого вибору ?
16.	 Наведіть і опишіть схему автоматизації виробничого потоку ріди-нних продуктів за допомогою усередненого регулювання рівня. Порів-няйте її із схемою, в якій використовуються регулятори витрати. 
17.	 Наведіть і опишіть схему автоматизації  виробничого потоку ріди-нних продуктів з регуляторами витрати у разі зміни витрати за допо-могою регулювальних клапанів. Порівняйте її зі схемою, в якій викорис-товуються регулятори рівня. 
18.	 Наведіть і опишіть схему автоматизації  виробничого потоку ріди-нних продуктів з регуляторами витрати у разі зміни витрати за допомо-гою зміни роботи насоса. Порівняйте її зі схемою, в якій використо-вуються регулятори рівня. 
19.	 Які особливості мають потоково-транспортні системи (ПТС) як об’єкти керування у разі автоматизації виробничого потоку сипких про-дуктів ? Які функції має і як реалізується підсистема дискретного керу-вання електропривода-  ми ? 
20.	 Які особливості мають потоково-транспортні системи (ПТС) як об’єкти керування у разі автоматизації виробничого потоку сипких продуктів ? Які функції має і як реалізується підсистема неперервного регулювання витрати сипких продуктів ?

4. 	АВТОМАТИЗОВАНІ  СИСТЕМИ  КЕРУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ  ПРОЦЕСАМИ 

4.1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМИ 

4.1.1. Призначення системи 

Відповідно до стандартизованого визначення, автоматизована  си-стема керування технологічними  процесами (АСКТП) – це автомати-зована система, призначена для вироблення та реалізації керувальних дій на технологічний об’єкт керування згідно з прийнятими критеріями ке-рування. Критерій керування в АСКТП може мати як техніко-економічний  (собівартість вихідних продуктів, прибуток, продуктивність при заданій якості вихідного продукту тощо), так і технологічний (параметри процесу, характеристики вихідних продуктів) характер, тому в цих системах вико-ристовується як технологічна, так і техніко-економічна інформація.
Технологічний об’єкт керування (ТОК) АСКТП  – це сукупність тех-нологічного устаткування і реалізованого за відповідними інструкціями або регламентами технологічного процесу виробництва продуктів, напів-продуктів, виробів чи енергії. Сумісно функціонуючи, ТОК і АСКТП утво-рюють автоматизований технологічний комплекс (АТК). У машинобудува-нні та інших дискретних виробництвах як АТК застосовують гнучкі вироб-ничі системи (ГВС). Тобто, АТК = АСКТП + ТОК. На відміну від АСКТП система локального керування (СЛК) – це сукупність та взаємодія кері-вного (КЕ) та керованого елементів, а об’єкт керування (ОК) – це умовно відокремлена частина системи, на яку впливає система керував-ння для досягнення необхідного результату, тобто СЛК = КЕ + ОК. Таким чином, якщо в поняття СЛК об’єкт керування входить, то в поняття АСКТП – ні.
При класифікації ТОК використовують такі ознаки:
рівень, який посідає об’єкт в організаційно-виробничій ієрархії. При дворівневій ієрархії (нижній-верхній): агрегат або комплекс агрегатів – ви-
робництво, при трьохрівневій ієрархії (нижній – середній – верхній): агрегат – комплекс агрегатів (цех, відділення) – виробництво; 
характер перебігу технологічного процесу. На рівні виробництв існує їх поділ на неперервні, дискретні та неперевно-дискретні. Для перших при неперервному введені сировини характерним є випуск одно-рідної продукції, що являє неперервний (у певних межах) об’єм. У других готова продукція неоднорідна, вона поділена на окремі порції або вироби. На рівні агрегатів їх поділяють залежно від ступеня сполучення двох складових будь-якого технологічного процессу (транспортування продукту або виробу та його перетворення) на неперервні та періодичні. У неперервному процесі ці дві складові невід’ємні одна від одної у часі, у періодичному вони чергуються. В англомовній літературі для визначення дискретних виробництв використовують термін Manufacturing, для визна-чення неперервних – Continuos. Крім того іноді додатково виділяють ще три види виробництв: 
групові (Batch), які пов’язані з дозуванням і паралельною обробкою продуктів;   
енергопостачальні (Utility Management), до яких належать постача-ння енергії, як правило, на великі відстані та розподіл енергоресурсів;
промислові будівлі (Building Management Systems – BMS), до яких належать інженерні комунікації та захист промислових будівль; 
умовна інформаційна потужність ТОУ, що характеризується кіль-кістю технологічних змінних величин, які контролює дана система: най-менша (до 40), мала (до 160), середня (до 650), підвищена (до 2500) та велика (понад 2500).
4.1.2. Функції системи

Функції АСКТП –  це сукупність дій системи, які направлені на до-сягнення конкретної мети керування і являють собою послідовність опе-рацій і процедур, що виконує система. Метою керування може бути еко-номія палива, сировини, матеріалів і інших виробничих ресурсів; забез-печення безпеки функціонування об’єкта; підвищення якості вихідного продукта або забезпечення заданих його параметрів; досягнення опти-мального завантаження устаткування; оптимізація технологічних режи-мів тощо. 
Функції АСКТП розподіляють:
за спрямованостю дії – на основні і допоміжні, причому перші спрямовані за межі системи, другі – в середину системи;
за змістом дії – на керувальні та інформаційні.
До основних керувальних функцій належать: регулювання (ста-білізація) окремих технологічних змінних, однотактне логічне керування  операціями або апаратами (наприклад, захист), програмне логічне керу-вання технологічними апаратами, оптимальне та адаптивне керування ТОК тощо.
До допоміжних керувальних дій належать: реконфігурація обчи-слювального комплексу чи обчислювальної мережі; перемикання техні-чних засобів на аварійне джерело живлення тощо.
Для того, щоб виконати керувальну дію, необхідно послідовно здійс-нити такі три операції: підготовити рішення, прийняти рішення, виробити (реалізувати) керувальну дію.
До основних інформаційних функцій належать: контроль та вимі-рювання технологічних величин, непрямі вимірювання технологічних ве-личин, визначення узагальнених показників, включаючи ТЕП, підготовка і передавання інформації у суміжні системи тощо.
До допоміжних інформаційних функцій належать: контроль стану устаткування АСКТП, визначення показників, які характеризують якість функціонування АСКТП або її частин тощо.
Для того, щоб виконати інформаційну функцію, необхідно послідо-вно здійснити такі три операції: збір і первинну обробку інформації, кон-троль інформації (на достовірність) та аналіз інформації.
Залежно від участі людини у виконанні керувальних і інформаційних функцій розрізнюють автоматизований (за участю людини) і автома-тичний (без участі людини) режими. Реалізація автоматизованого ре-жиму виконання керувальних функцій відбувається за такими варіан-тами:
ручний режим – підсистема технічних засобів (ПТЗ) надає оператору інформацію про стан ТОК, а вибирає і здійснює керувальні дії оператор; 
режим порадника – ПТЗ виробляє рекомендації з керування об’єк-том, а рішення про їх використання реалізує оператор;
діалоговий режим – модифікований режим порадника, тому що опе-ратор має можливість коригувати постановку і умови задачі, яку розв’я-зує КТЗ при виробленні рекомендацій із керування об’єктом.
Реалізація автоматичного режиму виконання керувальних функ-цій відбувається за такими варіантами:
режим непрямого (супервізорного) керування – засоби обчислюва-льної техніки (ЗОТ) змінюють уставки і (або) параметри настроювання  ЛСК;
режим прямого (безпосереднього) керування – ЗОТ безпосередньо впливають на виконавчий механізм.
Перелічені режими визначають класифікацію АСКТП за типом фу-нкціонування, який може бути інформаційним, локально-автоматичним, порадницьким та автоматичним. При інформаційному типі функціону-вання автоматично виконуються лише інформаційні функції, а керувальні здійснюються в  ручному режимі. При локально-автоматичному типі функціонування  автоматично виконуються інформаційні функції і функції ло-кального керування, а  керування процесом у цілому реалізується в ручному режимі. При порадницькому типі функціонування для керува-ння  процесом у цілому використовують режим порадника або діалого-вий режим. При автоматичному типі функціонування керувальні і інфор-маційні функції виконуються автоматично.

4.1.3. Склад системи 

Для функціонування будь-якої системи з засобами обчислювальної техніки потрібно п’ять компонентів: дані (інформаційне забезпечення); правила перетворення даних (програмне забезпечення); пристрої для перетворення даних (технічне забезпечення); персонал, який забезпе-чує функціонування системи (персонал); правила функціонування персо-налу і користувачів (організаційне забезпечення);
Організаційне забезпечення  – це сукупність документів, що уста-новлюють організаційну структуру, права та обов’язки персоналу і корис-тувачів при експлуатації автоматизованої системи (АС). Тобто організаці-йне забезпечення визначає взаємодію персоналу і користувачів з технік-ним і програмним забезпеченням, а також між собою. Воно складається з функціональної, технічної і організаційної структур АСУТП, інструкцій і регламентів для персоналу, і користувачів.
Персонал – це сукупність осіб, що забезпечують функціонування АС. Ту частину персоналу, що забезпечує нормальні умови функціону-вавння АС відповідно до комплектів експлуатаційних документів відно-сять до екусплуатаційного персоналу. Користувач – це особа, що бере участь у функціонуванні АС або має право використовувати і використо-вує результати її функціонування. До користувачів належать оператори-технологи. 
Технічне забезпечення – сукупність апаратних і комунікаційних засобів, носіїв даних та допоміжних матеріалів, які забезпечують реаліза-цію функцій АС,  причому під  апаратними  засобами  розуміють прист-рої, що використовуються для оброблення даних, а під комунікаційними засобами – сукупність ліній пересилання даних та комунікаційних прист-роїв, що дозволяє здійснювати взаємне сполучення прикінцевого облад-нання.
Програмне забезпечення – це сукупність програм, процедур, пра-вил та документації, що забезпечує функціонування АС. Воно складає-ться з загального та спеціального програмного забезпечення. До загаль-ного програмного забезпечення належить частина програмного забезпе-чення (операційна система, драйвери тощо), призначена для організації обчислювального процесу; до спеціального програмного забезпечення – частина програмного забезпечення, розроблена під час створення конк-ретної АС.
Інформаційне забезпечення – це інформаційна база АС і засоби її організації та реалізації. Тобто це система форм і методів інформаційно-го відображення об’єкта управління і забезпечення ефективного систе-матичного обміну інформацією між АС і об’єктом керування з метою від-слідковування його стану і вироблення необхідних керувальних дій. Вод-ночас, інформаційне забезпечення – це сукупність інформації і відповід-ної документації, до якої входять: перелік і характеристика сигналів АТК; опис правил класифікації і кодування інформації і перелік класифікацій-них угрупувань; опис масивів інформації, форм документів, відеокадрів, використаних у системі; нормативно-довідкова (умовно-постійна) ін фор-мація.
Під час створення АСКТП розроблюють деякі «проміжні» види забе-зпечення, до яких  належать математичне,  лінгвістичне та метрологічне. 
Математичне забезпечення – це сукупність математичних методів, моделей та алгоритмів, використаних в АС. На базі математичного забе-зпечення далі створюється програмне забезпечення.
Лінгвістичне забезпечення – це тезауруси* та мовні засоби опису та маніпулювання даними. Воно використовується у розробці  організаці-йного та програмного забезпечень.
*Тезаурус - словник найменувань понять та їх класифікаційних зв’язків, приз-начений для єдиного уніфікованого та формалізованого подання інформаціЇ в АС.

Метрологічне забезпечення – це сукупність наукових і організацій-них методів, норм, правил і технічних засобів, необхідних для досягнення єдності та потрібної точності вимірювань в АС. Цей вид забезпечення має самостійне значення, але використовується й у розробці інформацій-ного забезпечення.
Стандартизоване визначення також іще трьох, додаткових видів за-безпечення АС:
ергономічне забезпечення – сукупність реалізованих в АС рішень з узгодження психологічних, психофізіологічних, антропометричних, фізіо-логічних характеристик і можливостей користувачів АС із технічними ха-рактеристками комплексу засобів автоматизації АС і  параметрами робо-чого середовища на робочих місцях користувачів АС;
методичне забезпечення – сукупність документів, що описують те-хнологію проектування, створення та функціонування АС, методи вибору та застосування користувачами технологічних прийомів для отримання конкретних результатів при функціонуванні АС;
правове забезпечення – сукупність норм, що регламентують право-ві взаємини при  функціонуванні АС та юридичний статус результатів фу-нкціонування. 
Кожний вид забезпечення АСУТП може розглядатися як  система, що має певну структуру, тобто сукупність підсистем, компонентів, еле-ментів, які входять в АС, способів і засобів зв’язку між ними, а також засобів зв’язку з іншими АС. Таким чином, структурний ланцюжок систе- 
ми має такий вигляд: система – підсистема – компонент – елемент. При цьому підсистема – це частина системи, що визначена за функціональ-ною ознакою і є сукупністю компонентів, які беруть участь у виконанні цієї функції; компонент – це частина підсистеми, виділена  за  певною  ознакою чи сукупністю ознак, яка бере участь у реалізації однієї чи кіль-кох функцій підсистеми; елемент – це окрема, відносно самостійна час-тина компонента, що реалізує одну чи кілька функцій АС і розглядається як неподільне ціле.

4.1.4. Структура системи 

Сучасні АСКТП, основною ознакою яких є використання офісних (ОПК) і індустріальних (ІПК) персональних комп'ютерів, мікропроцесор-них контролерів (МПК) та цифрової передачі даних, мають ієрархічно-розподілену структуру. Їх розподільність пов’язана з розподільністю про-цесорів і функцій керування (distributed control system), а ієрархічність з багаторівневою архітектурою побудови. У разі розгляду загальної струк-тури таких систем виділяють їх функціональну і технічну структури.
Функціональна структура (ФС) АСКТП визначає функції операти-вного персоналу і автоматичних пристроїв із керування технологічними процесами та послідовність їх виконання. Вона має найвищий рівень уза-альнення серед інших структур такої системи, тому структуризацію АСКТП починають з розробки її ФС, будуючи в подальшому на її засадах алгоритмічну (математичну), технічну та організаційну структури.  Функ-ціональна структура АСКТП організується за принципами багаторівневої архітектури, причому кожний рівень у виконанні своїх  функцій користу-ється послугами  суміжного, нижчерозташованого рівня. Найбільш узага-льнена функціональна структура таких багаторівневих АСУТП подана в п.1.2:  на нижньому рівні Control Level знаходяться контури безпосеред-нього керування технологічним процесом. Потік інформації від датчиків надходить також на SCADA-рівень, де здійснюється оперативне керува-ння технологічними комплексами. 
Технічна структура ієрархічно-розподілених АСКТП визначає вузли мережі передачі даних та їх з’єднання. Стандартизовано вузол обчислю-вальної мережі (ОМ) визначається як множина ресурсів, зосереджених в одному місці для виконання основних функцій оброблення інформації. Вузли поділяють на крайні, проміжні і суміжні. Крайній вузол – це вузол, якій належить лише одній вітці (шлях, що зв’язує два суміжних вузли і не має проміжних вузлів); Суміжні вузли – це два вузли, зв’язані між собою хоча б одним шляхом, який не містить жодного іншого вузла. Проміжний вузол - це вузол, який належить декільком віткам. Вузли з’єднуються між собою каналами зв’язку, що утворюють мережу. За стандартизованим визначенням мережа – це сукупність вузлів та віток, які їх зв’язують. Лінія зв’язку, по якій сигнали передаються в цифровій формі, називають також лінією передачі даних. Функціональний пристрій вузла, через який дані переходять з вузла в мережу та у зворотньому напрямку називають пор-том. Передавання даних через порт може бути: симплексним – пере-давання даних в одному напрямку від передатчика до приймача; дупле-ксним – одночасне передавання інформації у двох напрямках; напівдуп-лексним – неодночасне передавання інформації у двох напрямках.
Основним вузлом обчислювальної мережі АСКТП є робоча станція (РС), яка за стандартизованим визначенням є  станцією оброблення да-них, призначених для роботи з користувачем, і, як правило, розміщена у крайньому вузлі. В АСКТП РС поділяють на локальні технологічні (ЛТС), операторські (ОПС) і диспетчерські або координуючі (ДКС) (рис.4.1). 

ПШ

ПШ

1 - а
ЛТС

ВП

ПШВ

2 - а
ЛТС

3 - я
ЛТС

ВО

ДКС

1 - а
ОПС

2 - а
ОПС

3 - я
ОПС

ВП

ВО

ВП

ВО

Рис. 4.1.

(LCN)

(FB)

(FB)

ЛТС – це робоча станція, призначена для безпосереднього зв’язку з конкретною дільницею технологічного процесу і вирішення автономних задач керування цією дільницею.  ОПС  – це робоча станція більш висо-кого рівня для керування комплексом технологічних дільниць, з якої мож-ливе керування як безпосередньо технологічним процесом, так і відпові-дними ЛТС. ДКС – це центральна робоча станція, як правило, призна-чена для диспетчерського управління  виробництвом (без безпосеред-нього виходу на технологічний об’єкт), включаючи й узгодження роботи окремих технологічних комплексів.
Найчастіше ЛТС реалізується за допомогою одного або кількох МПК, що мають засоби для роботи у складі мереж. У разі об'єднання кількох МПК нижнього рівня, а також підмикання віддалених ПЗО до датчиків і виконавчих механізмів  вони утворюють обчислювальну мережу нижньо-го рівня, яку називають польовою шиною ПШ (Fieldbus – FB). Основною обчислювальною мережою АСКТП є ЛОМ верхнього рівня – промислова шина виробництва ПШВ (Local Control Network – LCN). Склад  цієї мере-жі може суттєво змінюватися залежно від особливостей виробництва, програмного забезпечення та ідеології розробника. Як правило, до неї підмикають ЛТС, ОПС та ДКС, а іноді і окремі МПК. Необхідність безпо-середнього підмикання  МПК  виникає  при  керуванні невеликими техно-логічними дільницями, які розташовані на значній відстані від основного технологічного обладнання. 
Існують три варіанти  розподілу  функцій  серед  станцій  у розв’яза-нні задач керування: у першому – задачі  керування розв’язують тільки в ЛТС та ОПС, а у  ДКС  передаються  кінцеві результати; у другому – за-дачі керування розв’язують в  ЛТС,  ОПС та ДТС; у третьому – задачі керування розв’язують в ОПС і ДКС, а ЛТС займається тільки збором даних. В останьому випадку ЛТС  виконує функції концентратора даних, що дозволяє замінити декілька ліній зв'язку – однією. 
Таким чином, обчислювальна мережа в АСКТП – це сукупність ком-п’ютерів, мережевих кабелів і апаратури, які працють під керуванням ме-режевої операційної системи (МОС) і прикладного програмного забез-печення (ППЗ). Комп’ютери в ЛОМ використовують як робочі станції  та сервери. За принципом керування мережі поділяють на: мережі з цент-ралізованим управлінням (типу «клієнт-сервер») та мережі з децентра-лізованим управлінням (однорангові). Однорангові мережі називають  ще інакше мережами з рівноправною архітектурою,  тому  що  більшість ко-ристувачів отримує спільний доступ до файлів більшої кількості ПК.  Зав-дяки  своїй простоті та невеликій вартості однорангові мережі мають по-ширення у системах з невеликою кількістю рівноправних  РС. До недолі-ків цього принципу керування належать утруднення,  що виникають у за-хисті інформації, а також у побудові ієрархічних систем керування, тому  в останьому випадку найчастіше  орієнтуються на архітектуру «клієнт-се-рвер». Мережі такої архітектури мають адміністратора мережі, що керує обміном інформації між РС. Крім того,  вони мають засоби зага-льного користування: СУБД-сервери, мережеві принтери тощо. 

4.1.5. 	Створення системи

Існують два варіанти створення АСКТП: традиційний, коли система створюється  проектним  шляхом  за  допомогою  системної  інтеграції, 
та комплексний, коли для побудови АСКТП використовують програмно-тех-нічні комплекси (ПТК), і система створюється з допомогою трансфе-ру ПТК. 
Системна інтеграція зводиться до вибору для досягнення певного чи певних ТЕП створюваної системи, програмно-технічні засобів (ПТЗ) рі-зних виробників і побудови ієрархічно-розподіленої АСКТП з двома, як мінімум, рівнями керування: нижнім – керування агрегатами та верхнім – керування всім виробництвом. Зазначимо однак, що термін «системна інтеграція» не є дуже вдалим через те, що семантика слова «система» поглинає семантику слова «інтеграція», тому краще говорити про інтегра-цію програмно-технічних засобів при створенні системи.
Трансфер ПТК – це застосування для створення АСКТП програмно-технічних засобів одного виробника, причому ПТК – це набір ПТЗ,  основ-ними ознаками якого є сумісність засобів і можливість функціонування їх в єдиній системі, стандартізація інтерфейсів, функціональна повнота,  що дозволяє будувати повністю АСКТП із засобів тільки цього набору. Існує також стандартизоване визначення ПТК як організованої сукупності технічних і програмних засобів АС. Виробництво ПТК почалось у 80-х роках провідними світовими виробниками засобів автоматизації. На да-ний час відомо кілька десятків ПТК, створених у нашій країні та в країнах близького та далекого зарубіжжя.
Із цих двох варіантів створення АСКТП системна інтеграція забез-печує меншу вартість ПТЗ та більшу вартість проектування, ніж транс-фер ПТК.
4.2. 	ВУЗЛИ ВЕРХНЬОГО РІВНЯ 

4.2.1. 	Апаратні засоби вузлів

Вузли верхнього рівня АСКТП – це робочі станції (РС), основними апаратними засобами яких є ОПК або ІПК  та сервери, де формується  база даних. ОПК застосовують  при розташуванні РС у спеціальному приміщенні, а ІПК – при розташуванні РС у виробничому приміщенні. Апаратні засоби РС використовуються для керування технологічним про-цесом, доступу до ресурсів комп’ютерної мережі та взаємодії з іншими РС.
У склад обчислювальної системи на базі ПК входять такі основні під-системи: 
*	 обчислювальна підсистема (центральний процесор, співпроцесор, оперативна пам’ять); 
*	 дискова підсистема (контролер дисків, жорсткий магнітний диск, ди-ковод гнучких магнітних дисків); 
*	 монітор з адаптером монітора; 
*	 клавіатура з контролером клавіатури; 
*	 адаптери (паралельний, послідовний і мережний).  Перший, як пра-вило, використовується для підмикання принтера; другий – для підмикан-ня модема, сканера тощо; третій – для підмикання до обчислювальної мережі.
 Монітор, принтер, модем, сканер є активними зовнішніми пристроя-ми (ЗП), тому що в їх складі є спеціальні контролери чи адаптери, які за-безпечують обмін інформацією між ними і іншими підсистемами. За від-сутності спецконтролера ЗП зараховують до пасивних. До основних хара-ктеристик РС з ПК  належать: 
*	 тип центрального процесора  та максимальна тактова частота; 
*	 наявність  арифметичного  співпроцесора; 
*	 ємність оперативної пам’яті; 
*	 наявність та вид кеш-пам’яті; 
*	 тип шини плати розширення; 
*	 наявність послідовного асинхронного та паралельного адаптерів, а також адаптера обчислювальної мережі;
*	 характеристики дискової підсистеми (обсяг пам’яті, конфігурація та швидкодія нагромаджувача на жорсткому диску; спосіб підмикання до ди-сковода, протокол обміну та швидкість передачі контролера диска);
*	 характеристики відеоадаптера (вид та ємність відеопам’яті, кіль-кість кольорів, роздільна здатність, наявність графічного співпроцесора); 
*	 характеристики  дисплея  (розмір  екрану, тип  інтерфейсу зв’язку з відеоадаптером,  роздільна  здатність, кількість  кольорів, розмір пікселів
зображення)  тощо.
Розглянемо деякі особливості застосування ПК на вузлах вернього рівня:
1) залежність апаратних засобів вузлів верхнього рівня від способу управління мережею. При децентралізованому управлінні основне навантаження лягає на робочі станції (РС), а мережні ресурси розгляда-ються як допоміжні, тому ці РС оснащені потужними ПК з великою єм-ністю оперативної та зовнішньої пам’яті, а також пристроями вводу-ви-воду інформації. При централізованому управлінні основне наванта-ження лягає на мережні сервери, які надають свої ресурси іншим ПК-клієнтам, оброблюють і зберігають основну інформацію комп’ютерної ме-режі, тому у цьому випадку на РС може бути відсутніми  нагромаджувач на жорсткому магнітному диску (ЖМД) та дисковід гнучких магнітних дисків (ДГМД). Однак до серверів у цьому випадку ставлять більш високі вимоги стосовно продуктивності, ємності пам’яті та надійності; 
2) 	застосування у виробничих приміщеннях індустріальних ПК (ІПК), які відрізняються від офісних ПК (ОПК) функціонально і конструкт-тивно. До функціональних особливостей належить підвищена надій-ність та можливість цілодобової роботи у виробничих приміщеннях в умовах запиленості, великих перепадів температур, вібрацій, значних електромагнітних випромінювань, паразитних електромагнітних інтерфе-ренцій та інших несприятливих факторів. Конструктивні особливості – це, насамперед: 
*	 використання пасивної об’єднувальної панелі (ПОП), в один із сло-тів якої вставляється процесорна плата. При цьому,  враховуючи наяв-ність значної кількості зовнішніх пристроїв, допустима кількість плат роз-ширення у ПОП в два-три рази більша, ніж  у стандартної материнської плати в ОПК. Іноді використовують секціонування  ПОП, що дозволяє ко-мпонувати кілька  комп’ютерів в одному корпусі; 
*	 наявність спеціальних захисних засобів для забезпечення підви-щеної вібростійкості, захищеності від забруднення та несанкціонованого доступу до ЖМД та ДГМД, а також розвинена система повітряного охо-лодження зі змінними  фільтрами пиловловлення і невеликим тиском очи-щеного повітря або інертного газу всередині корпусу та зміцнений мета-левий корпус. Коли потрібні висока надійність, широкий діапазон температур та підвищена ударостійкість, використовують нагромаджува-чі з флеш-пам’яттю. Найскладніше забезпечити підвищений ступінь за-хисту від зовнішніх впливів для дисплеїв. У тих випадках, коли габаритні розміри дисплея можуть бути невеликими (до 20” за діагоналлю)  пере-вагу мають пласкі дисплеї з рідиннокристалічними індикаторами (РКІ), але при низьких температурах не придатні ні дисплеї з електроними трубками, ні дисплеї з РКІ. В цьому випадку застосовують електролюмі-нісцетні чи плазмові дисплеї, що мають робочий діапазон температур – 55...+700С при непоганих показниках вібростійкості. В особливо важливих випадках використовують  відмовостійкі ІПК з дублюванням основних вузлів і можливістю їх заміни під час роботи; 
*	 застосування сенсорних екранів.  Використання сенсорного екра-ну  дає можливість малювати на ньому функціональну клавіатуру як час-тину мнемосхеми ТОК. Можливо  також  мати  на екрані кілька функціо-нальних клавіатур залежно від операції,  що  виконується. Поряд із цим використовуються  і  стандартні  клавіатури  з  наклеєними  накладками із прозорого пластика для пило- та бризкозахисту або клавіатури, Вико-нані за мембранною технологією. Існують клавіатури, що можуть працю-вати в агресивних середовищах. З такими же ступенями захисту випуска-ються маніпулятори типу «миша», що не мають рухомих частин. Отрима-ли розповсюдження також індустріальні РС (Industrial Workstation), у яких системний блок і дисплей розташовані в одному захищеному корпусі, а клавіатура, виконана за мембранною технологією, вбудована в передню панель. 

4.2.2. 	Програмні засоби

1. Загальна характеристика. Програмні засоби АСКТП входять до складу програмного забезпечення, яке, як зазначалось вище (п. 4.1.3), є сукупністю програм, процедур, правил та документації, що забезпечують функціонування АСК. Воно складається з загального (ЗПЗ) та спеціаль-ного (СПЗ) програмного забезпечення. Перше містить програми для кон-тролю та  управління обчислювальним процесом, а також стандартні та службові  програми, друге – програми для управління технологічним про-цесом, тобто програми реалізації основних функцій АСУТП. Основними програмним засобом ЗПЗ АСКТП є операційна система (ОС), а основ-ним програмним засобом СПЗ – SCADA-програма. 
ОС виконує базові функції з інтерфейсу з оператором, запуску про-грам, розподілу пам’яті, підтримкм файлової системи і т.п. Сучасні ОС, що використовуються  в АСКТП, поділяють на  універсальні і спеціалізо-ванні. Універсальні ОС, у свою чергу  можуть бути поділені на клієнтські (ОС робочих станцій) та серверні (мережні). У складі останніх виділя-ють протоколи як набір правил, за якими відбувається обмін інформа-цією в мережі. Таким чином, до основних програмних засобів АСКТП мо-жна віднести: клієнтську ОС, мережну ОС і SCADA-програми.
До програмного забезпечення АСКТП ставлять таки вимоги:
•	 надійність і, насамперед, відсутність «зависання»;
•	 швидке реагування на зовнішні дії, тобто робота в реальному ма-сштабі часу (РМЧ), причому для інерційних об’єктів час реагування може складати не десятки мікро-, а десятки та сотні мілісекунд (м’який реаль-ний час – МРЧ);
•	 багатозадачність, тобто можливість одночасної реалізації кількох алгоритмів, та багатопотоковість, тобто можливість виконання в ме-жах однієї задачі кількох незалежних потоків команд.  
2. SCADA-програма (Supervisory Control and Data Асquisition – су-первізорне керування та збір даних) візуалізує функції контролю і керу-вання, фактично об’єднуючи функції спеціального програмного забезпе-чення, програм зв’язку з оператором і систем керування базою даних. Ці пакети програм дозволяють без програмування або з невеликим прог-раммуванням на простих мовних засобах створити повне програмне за-безпечення пультів операторів. 
Останнім часом SCADA-програма стала розглядатися як одна з форм людино-машиного інтерфейсу і отримала більш точну назву SCA-DA/MMI- або SCADA/НMI-програма, де ММІ (Man Machine Interface) або НMI (Human Machine Interface) – інтерфейс людина-машина. Зазначимо, що приставка НМІ може використовуватися і без терміну SCADA для  класу пристроїв більш низького рівня (наприклад, кількарядковий екран), які мають деякі типи контролерів. SCADA-програма є складовою час-тиною більшості ПТК, але створюватися як відкриті системи ці програми почали тільки з другої половини 80-х років, коли з’явилися перші уні-версальні  та відкриті SCADA-програми. Існуючі SCADA-програми відріз-няються за про-грамним середовищем, структурою, функціональними, технічними, економічними характеристиками, а також методами супро-водження. 
Основні функції  SCADA-програми такі: 
*	 збір поточної інформації від МПК та інших  пристроїв, зв’язаних без-посередньо або через мережу з пультом оператора (ПО);
*	 первинна обробка  інформації;  
*	 зберігання архівів та поточної інформації; 
*	 подання поточної, архівованої й аварійної інформації за допомогою динамізованих мнемосхем та трендів;  
*	 показ и запис аварійної інформації в моменти її виникнення; 
*	 друк звітів та протоколів; 
*	 ввід і передача керувальних  дій та повідомлень оператора в конт-ролери  та інші пристрої; 
*	 вирішення прикладних задач користувача; 
*	 информаційний зв’язок із серверами та іншими РС через мережі.
Структурно SCADA-програма складається з інструментальної під-системи, що використовується для розробки дисплейного пульта, та кількох виконавчих підсистем, які забезпечують роботу  пульта в реаль-ному масштабі часу. Перша, як правило, складається з конфігуратора, графічного редактора та різних допоміжних програм. Конфігуратор доз-воляє програмно сформувати мережу підмикання МПК к ПК. Функціями графіч-ного редактора є розроблення мнемосхем, трендів та меню. Друга ВП використовує драйвери для  зв’язку з контролерами, протоколи інформаційних мереж для зв’язку з базами даних і між робочими станціями.
Вимоги до сучасних SCADA-програм насамперед стосуються їхньої максимальної відкритості: 
•	можливість їхньої роботи у типових операційних середовищах; 
•	наявність програмних інтерфейсів для зв’язку з іншими програма-ми; 
•	наявність програмних інтерфейсів для зв’язку з системою керуван-ня базою даних (СКБД); 
•	наявність стандартного інтерфейсу взаємодії з контролерами ОРС і спеціальних ОРС-серверов,  що  дозволяє  безпосередньо інформаці-йно з’єднувати SCADA-програму і контролер без використання спеціаль-них драйверів; 
•	декомпозиційна модульна побудова SCADA-програми з можливі-стю подальшої її модифікації за рахунок додавання нових модулів; 
•	інтеграційне існування SCADA-програми у межах програмного па-кета, що охоплює всі рівні управління підприємством: а) програми конт-ролю і управління для контролерів, б) SCADA для операторів, в) SCADA для диспетчера, г) SCADA для управління бізнес-процесами, д) про-грами обміну інформацією з віддаленими користувачами підприємства та за його межами.

4.3.  ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ МЕРЕЖІ ВЕРХНЬОГО РІВНЯ 

4.3.1. Загальна характеристика мереж

До мереж верхнього рівня АСКТП належать мережі, що реалізують функції ПШВ. Основними апаратними засобами вузлів цих мереж, як заз-началося вище, є офісні та індустріальні комп’ютери, тому ці мережі є комп’ютерними. Враховуючи, що комп’ютерні мережі є об’єктом вивчення і в інших дисциплінах даної спеціальності, коротко зупинимось на їх осно-вних характеристиках, важливих для функціонування АСКТП.
1. 	Принцип керування мережею може бути централізованим (ме-режі «клієнт-сервер»), децентралізованим (однорангові мережі – див.  п.4.1.4) і комбінованим, коли однорангова частина мережі  дає можли-вість обміну файлами без участі адміністратора мережі, а централізова-на частина керує файлами, друкуванням, засобами зв'язку та іншими ме-режевими ресурсами. В АСКТП, враховуючи необхідність ієрархічної ар-хітектури системи, використовують централізований або комбінований прин-ципи управління.
2. Топологія  мережі  може  бути  магістральною («шина»), радіа-льною («зірка»), кільцевою («петля»), деревовидною («дерево») або до-вільною. «Шина» має найвищу структурну надійність та найменшу дов-жину з'єднувальних ліній при нерівномірному розташуванні вузлів. «Зір-ка» має найвищу надійність зв’язку та переваги перед іншими тополо-гіями за всіма характеристиками, крім довжини з’єднувальних ліній, яка у неї найбільша. «Петля» забезпечує найменшу довжину з'єднувальних ліній при рівномірному розташуванні РС на теріторії квадратної форми. «Дерево» затосовується для передачі однієї й тієї ж інформації різним  РС. Найчатіше в АСКТП  використовують топологію «шина» (приблизно до 65 % випадків), на «зірку»  припадає до 25 %, «петля» і «дерево» – найменш поширені.
3. Фізичне середовище передачі даних (кабелі зв’язку). Застосо-вують виту пару – неекранована (ВП) та екранована (ВПЕ), волоконо-оп-тичний кабель (ВОК) – одномодовий (ВОК-ОМ) та багатомодовий (ВОК-БМ) та коаксиальний кабель – вузькосмуговий (ВК) та широкосмуговий (ШК). Зараз в АСКТП для передавання даних на невеликі відстані (до 100м) використовується ВП 5-ї категорії (UTP-5), яка забезпечує швид-кість передавання даних (ШПД) до 150 Мбіт/с, а для передавання даних на великі відстані (до 2 км без підсилення) – ОВ-БМ, максимальна ШПД якого дорівнює кільком Гбіт/с.
4. 	Мережева ОС може бути універсальною або спецалізованою. Пе-ревагами перших є розвинуте прикладне програмне забезпечення та ме-режева ідеологія, що сприяє більш простій інтеграції даної системи в си-стему вищого рівня та меншій вартості , а також багатопотоковість і ба-гатопріоритетна багатозадачність, сталість до зависань, однак вони пра-цюють у «м’якому» реальному часі (час реакції не гірше десятків мілісе-кунд) і при підвищених вимогах до часу реакції і необхідності реалізувати «жорсткий» (не гірше десятків  мікросекунд) використовують ОСРВ (до-кладніше в п.4.2.2). 
5. Мережева архітектура OSI. Практика створення обчислювальних мереж привела їх розробників до застосування деякої стандартної деко-мпозиції функцій – розподілу їх на рівні. До цього часу існує певна невиз-наченність при застосуванні, наприклад, такого поширеного терміну як «протокол», під яким можуть розуміти і апаратурне забезпечення зв’язку, і якість сигналу, і правила обміну інформацією, і методи доступу. Для стандартизації цього поняття використовують стандарт з рівневої архі-тектури обчислювальних мереж. Міжнародна організація стандартів OSI  (International Standarts Organization) запропонувала семи рівневу мере-жеву архітектуру.
1-й, фізичний рівень (Physical Layer) визначає фізичні, механічні  та електричні характеристики ліній зв’язку, відповідає за апаратне забезпе-чення мережі, тобто  забезпечує передачу даних між вузлами мережі, ге-нерує імпульси визначеної форми в певні моменти часу, перетворює сиг-нали від більш високого рівня для передачі їх по кабелю. Іноді, назива-ючи цей рівень фізичним, всі інші рівні відносять до програмних.
2-й, канальний рівень (Data Link) є  рівнем керування лінією передачі даних. Він установлює та перериває взаємодію абонентів; визначає фор-мати кадрів або пакетів (блоки даних, що передаються як одне ціле) ін-формації, що передаються; містить керувальну  інформацію (синхронізу-ючі символи, адреси станцій, величини контролю похибок), а також змі-нну кількість даних. У разі виникнення  похибок  автоматично виконує повторне засилання кадра. Враховуючи складність цього рівня, в ньому виділяють два підрівні:
1-й підрівень MAC (Media Access Control) – контроль доступу до ме-режі (передачею маркера або виявленням колізій)  і  управління нею; 
2-й підрівень LLC  (Logical  Link  Control) –  логічний  контроль мере-жі,  пов’язаний з контролем і передачею повідомлень.
3-й, мережевий рівень (Network Layer) забезпечує маршрутизацію та управління потоком даних у мережі,  тобто відповідає за адресацію і дос-тавку пакетів, може виконувати буферизацію даних. 
4-й, транспортний рівень (Transport Layer) виконує розподіл повідо-млень на пакети при передачі інформації та збір при її прийомі, контро-лює чергу проходження пакетів, узгоджує мережеві рівні різних несуміс-них між собою мереж. 
5-й, сеансовий  рівень (Session Layer) забезпечує взаємодію між ро-бочими станціями (РС), які беруть участь у сеансі зв’язку, визначає поча-ток, проведення і закінчення сеансу обміну інформацією між РС.
6-й  рівень представлення (Presentasion Layer)  забезпечує предта-влення кадрів їх одержувачу, тобто перетворення їх з внутрішнього фор-мату комп’ютера в інший формат, який підходить одержувачу.
7-й прикладний рівень (Application Layer) відповідає за підтримку прикладного програмного забезпечення користувача, тобто забезпечує  прийом повідомлень, їх віртуальне транспортування через сім рівнів до першого, на якому повідомлення передається на іншу РС. 
Беррі Нанс, американський спеціаліст із комп’ютерних мереж, так по-рівнює ці рівні з роботою пошти. Функцію 7-го рівня виконує написаний лист, 6-го – чистий конверт, 5-го – підписаний конверт з листом, 4-го – поштове відділення, 3-го – листоноша, 2-го – поштова скринька, 1-го  – засоби поштового зв’язку.
6. 	Протоколи та методи доступу. Відповідно до стандарту ДСТУ протокол – це  сукупність  правил, що  регламентують формат і  проце-дури обміну даними між двома чи кількома незалежними пристроями, в той же час відповідно до мереженої архітектури OSI можна виділити про-токоли верхнього та нижнього рівнів. Протоколи нижнього рівня за без-печують передачу інформації через канали зв’язку без урахування її змі-сту і відповідають нижнім рівням архітектури OSI. Протоколи верхнього рівня визначають вид і характер взаємодії (пересилання файлів, відда-лений ввід завдань для розрахунків, діалогова взаємодія користувача з БД тощо) користувачів та обчислювальних процесів у різних комп’ютерах через обчислювальні мережі і відповідають середнім та верхнім рівням архітектури OSI. 
Рівень протоколу і рівень АСКТП – це різні поняття, і мережі верх-нього рівня АСКТП можуть використовувати протоколи як верхнього, так і нижнього рівнів OSI, однак найчастіше на верхньому рівні АСКТП вико-ристовуються протоколи нижнього рівня, що відповідають першому, дру-гому і частково третьому рівню архітектури OSI. Це насамперед Ethernet, Arcnet, Token-Ring, FDDI тощо. Вони відрізняються один від одного ме-тодом доступу до фізичного середовища передачі даних, структурою та розміром пакета і описують  порядок взаємодії між вузлами, тобто керу-ють форматом повідомлень у вигляді пакетів, часовими інтервалами, послідовністю роботи та контролем похибок. 
У мережах АСКТП використовують такі методи доступу:  децентра-лізований метод випадкового доступу (ДВД), децентралізований ме-тод детермінованого доступу з маркером (ДДД), централізований ме-тод доступу «ведучий–ведений» (ЦДВВ), децентралізований метод доступу «точка-точка» (ДДТТ). Міжнародний інститут інженерів з елек-тротехніки та електроніки (Institute of Elektrical and Elektronics Engineers – IEEE) розробив стандарти  для  протоколів передачі даних у локальних мережах, причому стандарти  IEEE 802.3, 802.4 і 802.5 описують методи доступу ДВД і ДДД для мережевих каналів даних. 
ДВД використовується у мережі Ethernet, яка була створена фір-мою Xerox  у  1975  році, і  в  подальшому  стала  основою  для стандар-ту IEEE 802.3. У цій мережі адаптери вузлів постійно перебувають у стані прослуховування мережі. Вузол може приступити до передавання пові-домлення тільки тоді, коли мережа буде вільною від передачі пові-домлень. Коли передавати повідомлення  починають одразу два і більш вузлів виникає колізія. Колізія вирішується за допомогою паузи і повтор-ної передачі повідомлення, яка самостійно виконується адаптером без втручання прикладної програми. Всі вузли приймають кожне повідом-лення, але тільки той вузол, якому адресоване повідомлення, підтверд-жує його прийом. Цей протокол є найбільш поширеним через свою про-стоту та шинну фізичну топологію, але з огляду на його недетерміністич-ний характер існує невелика, відмінна від нуля вірогідність, що повідо-млення одного з вузлів ніколи не досягне адресата. Тому якщо потрібна гарантована доставка інформації ліпше застосувати протоколи з марке-ром або програмно емулювати маркерний доступ за допомогою Ethernet. 
ДДД застосовують у мережах Token-Ring, Arcnet та FDDI. Мережа Token-Ring (кільце з маркером) була створена фірмами ІВМ і Техаs In-struments у 1985 році з подальшою розробкою на її основі стандарту ІЕЕЕ 802.5.  У цій мережі, коли вузлу необхідно передати повідомлення, його адаптер чекає надходження маркера. Дочекавшись маркера, він пе-ретворює його на пакет, сформований за протоколом відповідного рівня, і передає сусідньому вузлу. Таким чином пакет переходить від адаптера до адаптера, поки не знайде свого адресата, який встановлює  в  пакеті  певні біти, що підтверджують отримання пакета адресатом, і ретранслює пакет у мережу. Пакет продовжує рух до повернення до вузла-відправни-ка, який перевіряє відсутність помилок у передачі пакета, звільнює мере-жу і передає  новий маркер. За такої передачі повідомлень колізії немож-ливі. Мережа Токеn-Ring має такі особливості: 
мережа являє собою «логічне кільце» і в тому разі, коли фізична то-пологія не є «кільцем», причому пакет передається по такому «логічно-му кільцю» від вузла  до вузла; 
 будь-який із вузлів мережі може виконувати додаткові функції «акти-вного монітора»: реалізувати часовий контроль, передавати нові марке-ри та створювати діагностичні тести. 
Мережа  Arcnet (Attached Recource Computer Network – під’єднан-ня вузлів комп’ютерної мережі) – одна з перших мереж з маркерним ме-тодом доступу була створена фірмою Datapoint, відповідає стандарту ІЕЕЕ 802.4. Передача маркера проходить від вузла до вузла у порядку зменшення логічних адрес, причому станція з найменшою адресою цик-лічно передає  маркер станції з найбільшою адресою, замикаючи таким чином логічне кільце передачі маркера. При цьому послідовність розта-шування вузлів у логічному кільці може не збігатися з послідовністю їх фізичного розташування, а деякі вузли (пасивні) взагалі можуть бути не включені в логічне кільце і працювати тільки на прийом повідомлень. Децентралізовано керує мережею той вузол, який на цей час отримав маркер. Він може реконфігурувати логічне кільце, контролювати переда-чу маркера, змінювати параметри алгоритмів управління, приймати і обробляти запити на підключення пасивних вузлів до логічного кільця, тобто динамічно змінювати логічне кільце, підключення або відключаючи вузли. Додаткові можливості забезпечуються чотирма класами пріори-тетного доступу  до середовища передачі даних. 
Мережа FDDI (Fiber Distributed Data Interface – оптоволоконний розподілений інтерфейс) – відповідає стандарту ISO 9314, працює за схемою передачі маркера в логічному кільці з оптоволоконним кабелем відповідно до стандарту IEEE 802.5 (Токеn-Ring). Відмінність  цих прото-колів пов’язана з необхідністю реалізувати більшу  ШПД (100 Мбіт/с)  на більшу відстань і полягає у такому: 
*	 FDDI оперує з байтами та напівбайтами (нібблами), а не з бітами, що значно збільшує ШПД; 
*	 FDDI передає новий маркер безпосередньо після передачі пакета   (ETR - Early Token Release: раннє звільнення маркера), а не після повер-нення повідомлення, яке було передане в мережу; 
*	 FDDI не використовує систему пріоритетів у резервуванні, а замість цього кожна РС класифікується як асинхронна, коли вона не ставить жор-стких вимог до інтервалів часу між передачами, або синхронна, коли такі вимоги ставляться.
ЦДВВ використовують для зв’язку між активними і пасивними вузла-ми, коли до одного активного вузла підключені один або кілька пасивних і обмін інформацією проходить шляхом «запитання–відповідь».
ДДТТ здійснює передачу пакета тільки між портом-джерелом та пор-том-адресатом, причому  кожній парі вузлів, що взаємодіють, надається віртуальний канал з гарантованою пропускною спроможністю. В разі ви-никнення в мережі кількох одночасних сеансів передачі створюється кі-лька віртуальних каналів. Пропускна спроможність надається за вимогою на кожний сеанс передачі і не залежить від завантаження мережі. Пере-вагами цього методу доступу є, по-перше, можливість утворення віртуа-льних каналів у поширених типах звичайних мереж, по-друге, він забез-печує кожному користувачу гарантовану пропускну спроможність і високу захищенність даних за будь-якої кількості одночасно працюючих вузлів.
7. 	Комунікаційні пристрої. В мережах крім адаптера використовую-ться такі  комунікаційні  пристрої:  повторювач (repeater), концентратор 
(hub, concentrator), міст (bridge), комутатор (switches, switching hub), маршрутизатор (router), шлюз (gateway). 
Повторювач (репітер, ретранслятор) –  пристрій, що підсилює  і  пе- редає сигнал  без  зміни його змісту, відповідає фізичному (першому) рів-
ню моделі OSI. Концентратор – це пристрій, що забезпечує радіальне підключення мережних вузлів; його можна розглядати як багато порто-вий повторювач. Він може бути пасивним (Passive Hub – ПКЦ) і активним (Active Hub – АКЦ). Перший не забезпечує відновлення сигналу і тому застосовується на невеликих відстанях (приблизно до 30 м). Другий за-безпечує відновлення як форми, так і рівня сигналу. Концентратор може виконувати також такі додаткові функції: 
*	 об’єднання сегментів з різними фізичними середовищами в єдиний логічний сегмент; 
*	 автономне відмикання портів у разі їх некоретної поведінки (пош-кодженні кабелю, генерації пакетів помилкової довжини тощо) – автосег-ментація портів; 
*	 підтримка резервних зв’язків між концентраторами в разі відмови основних; 
*	 захист від несанкціонованого доступу; 
*	 підтримка засобів керування мережами. 
Існують також «інтелектуальні» АКЦ, що аналізують потік інформації та керують ним, спрямовуючи до різних мережних вузлів.
Міст – це пристрій, що забезпечує взаємозв’язок локальних мереж з допомогою трансляції кадрів з однієї мережі в іншу, з’єднуючи таким чи-ном мережі одного рівня, але з різними протоколами, відповідає каналь-ному (другому) рівню моделі OSI. При цьому трансляції підлягають тільки кадри, адресовані абонентам інших мереж. За необхідності виконується  перетворення форматів  даних, що  передаються, тому що в мережах різних стандартів використовують кадри різного формату. Таким чином, міст у процесі роботи  послідовно виконує такі основні операції: 
*	 приймає кадри з локальної мережі;
*	 перевіряє їх стан і вилучає помилкові кадри; 
*	 перетворює параметри кадрів; 
*	 передає кадри за новою адресою. 
Властивість мостів розділювати інформаційні потоки в межах однієї ме-режі  використовується для зменшення потоку даних. Використання мос-тів крім зниження навантаження мережі дозволяє: 
*	 нарощувати ЛОМ, яка досягла межі своєї конфігурації; 
*	 підвищити надійність за рахунок організації кількох шляхів між абонентами; 
*	 забезпечити захист мереж, які міст з’єднує; 
*	 узгодити передачу інформації між локальними мережами з різною ШПД. Комутатори виконують ті ж функції, що і мости, з тією різницею, що міст у кожний момент часу передає кадри тільки між однією парою портів (послідовна передача кадрів), а комутатор одночасно підтримує потоки даних між усіма своїми портами  (паралельна передача кадрів). Кожний логічний сегмент підключається до окремого порту комутатора, і тільки в його межах середовище передачі даних залишається загальним. 
Маршрутизатор – це пристрій для з’єднання найчастіше однакових за протоколами високого рівня локальних мереж і визначення оптима-льного маршруту передачі інформації, він відповідає мережевому (тре-тьому) рівню моделі OSI. Шлюз – це пристрій, який забезпечує перетво-рення мережного протоколу в міжмережний і, навпаки, може виконувати функції маршрутизаторів і мостів, відповідає прикладному (сьомому) рі-вню моделі OSI.
4.3.2. Технічна реалізація мереж  

1. Основні тенденції розвитку ЛОМ. Розвиток ЛОМ пов’язаний зі зміною фізичного середовища передачі і комунікаційного обладнання. Спочатку найбільше розповсюдження мали ЛОМ з коаксіальним кабе-лем, у яких як комунікаційне обладнання  використовувся  тільки  мереж-ний адаптер, а у разі необхідності збільшити дійстанційність мережі – повторювач. Більш інтенсивне використання витих пар, які мали суттєві переваги перед коаксіальним кабелем, привело до заміни пасивних коаксіальних сегментів мережами з багато портовими повторювачами (концентраторами). Згодом місце концентраторів поступово зайняли ко-мутатори. Для цієї мети використовуються прості одно функціональні ко-мутатори, які призначені тільки для швидкої передачі кадрів з порта у порт за адресою. Подальший розвиток ЛОМ пов’язаний зі переходом від використання мереж з загальним, але розділеним за часом, середовищ-щем передачі даних до мереж з індивідуальними лініями зв’язку (подібно до телефонних мереж). До останніх належать мережі 100VG-AnyLAN, ATM, а також моди-фіковані відомі мережі: switching Ethernet, switching Token Ring і switching FDDI. АТМ (Asynchronous Transfer Mode – режим асинхронної передачі) – це швидкодіючий дуплексний метод передачі, при якому кожна РС отри-мує власне з’єднання з комутатором АТМ. Ці мережі складаються з комутаторів АТМ, з’єднаних двоточковими лініями зв’язку, причому до кожної РС можно звертатися незалежно, поза циклом (асинхронно).  
2. Фізична та логічна сегментація мережі. Фізична сегментація  мережі пов’язана з поділом її на фізичні сегменти. Фізичний сегмент є ча-стиною магістрального кабелю, яка закінчується кінцевими комунікацій-ними пристроями, у тому числі повторювачами та концентраторами, за допомогою яких збільшують довжину загального середовища передачі даних. Усі комп’ютери, підключені до цього загального середовища пере-дачі даних, утворюють логічний сегмент або домен колізій, в якому за спроби одночасної передачі даних двома вузлами виникає блокування цього середовища. Таким чином, фізичні сегменти мережі розділені пов-торювачами  та  концентраторами,  а  логічні – мостами, комутаторами та шлюзами.
У більшості мереж колективне використання вузлами загального розділеного за часом фізичного середовища веде до суттєвого зниження продуктивності мережі під час інтенсивного трафіку. Загальне середови-ще не в змозі належним чином пропустити потік кадрів, і в мережі виникає черга вузлів, що чекають доступу. Це явище характерне для всіх методів доступу до загального (розділеного) середовища передачі дан-их, але найбільш страждають від цього мережі з випадковим доступом до середовища. Тому у мережах, які мають фізичну сегментацію, вини-кає насичення середовища передачі даних при певній кількості вузлів або при появі нових додатків і, як наслідок, затримки у роботі мережі ста-ють неприпустимими. В мережах верхнього рівня АСКТП цю проблему розв’язують за допомогою логічної сегментації мережі, використовуючи комутатори і маршрутизатори, а іноді мости і шлюзи, причому останнім часом локальні мости і концентратори все більше витісняються комута-торами. Мости залишилися тільки як засоби віддаленого доступу (напри-клад, для зв’язку локальних мереж із глобальними). Замість концентра-торів використовують спеціальні прості одно функціональні комутатори, призначені тільки для швидкої передачі кадрів з порту у порт за адресою. Вартість таких комутаторів з розрахунку на один порт швидко зменшує-ться, наближаючись до меншої вартості одного порта концентратора. Продуктивність мережі з комутаторами перевищує продуктивність мере-жі з концентраторами завдяки тому що в першій з них наявні такі чинни-ки:
*	 передача кадрів тільки у той сегмент, де він потрібний, на відміну від концентратора, який передає кадр, отриманий в один порт, усім іншим портам; 
*	 паралельна передача кадрів між вхідними і вихідними портами, яка дозволяє потенціально збільшити пропускну спроможність в N/2 разів по- рівняно  до  застосування концентратора, де N – кількість портів, що пра-
цюють у класичному напівдуплексному режимі; якщо порти працюють у дуплексному режимі, то прискорення становитиме N разів; 
*	 конвеєрний метод передачі кадру, коли кадр починає передава-тися на вихідний порт відразу після надходження перших байтів з адре-сою призначення.
Однак існують випадки, коли застосування комутаторів не приводить до суттєвого збільшення продуктивності сегмента: 
*	 немає груп вузлів, що обмінюються інформацією, в основному між собою, або більша частина трафіку призначена для одного вихідного по-рту. В цьому разі введення комутаторів у мережу тільки зменшує її про-дуктивність через те, що рішення про передачу кадру з одного сегмента в інший потребує додаткового часу, а потужність потоку кадрів змешує-ться незначно; 
*	 у мережі існує інтенсивне джерело широкомовного трафіку і всі сегменти, які підімкнуто до портів комутатора, «засмічуються» цим трафі-ком; 
*	 комутатор працює у режимі перевантаження.
3. 	Мережа Ethernet. Найчастіше промислові комп’ютерні мережі створюють у вигляді мережі Ethernet. На користь застосування цього протоколу свідчить нерівномірне розташування робочих станцій на хар-чових підприємствах, невелика вартість комунікаційних пристроїв та мо-жливість масштабування  швидкості  передачі  даних  у  ланцюжку  Ether-net – Fast Ethernet – Gigabit Ethernet. Водночас, з огляду на недетерміні-стичний характер протоколу Ethernet, завжди існує невелика, відмінна від нуля ймовірність, що повідомлення одного з вузлів ніколи не досягне ад-ресата, причому ця ймовірність значно збільшується зі зростанням нава-нваження. Тому у випадках, коли  потрібна  гарантована  доставка інфор-мації перевагу мають протоколи Token Ring або FDDI, або програмна емуляція маркерного доступу до Ethernet. Тип комунікаційного обладна-ння: концентратори (КЦ), комутатори (КМ) та маршрутизатори (МШ) – залежить від кількості РС, їх розташування та щільності інформаційних потоків між ними. 
Перший, найбільш простий і дешевий варіант реалізації мережі вер-хнього рівня за допомогою Ethernet показано на рис. 4.3 (застосовані ско-рочення: АМ – адаптер мережі, ВП – вита  пара),  причому перша група РС розташована, наприклад,  у заводоуправлінні, а друга – у виробничо-му корпусі. Обмеження реалізації цієї схеми пов’язані з кількістю вільних портів КЦ, а також з тим, що відстань від КЦ до будь-якої РС не повинна перевищувати 100 м при використанні UTP-5. 

ПЕОМ

ПЕОМ

ПЕОМ

ПЕОМ

ПЕОМ

ПЕОМ

ПЕОМ

ПЕОМ

КЦ

Рис.4.3

Перша група РС 

Друга група РС

ВП

АМ

АМ

АМ

АМ

АМ

АМ

АМ

АМ

Недоліки цього варіанта пов’язані, по-перше, з невеликим ресурсом розширення мережі; по-друге, з незахищеністю інформації, яку може приймати не тільки РС-адресат; по-третє, з можливістю блокування ро-боти сегмента, коли одна РС передає у мережу помилкові пакети або дві РС інтенсивно обмінюються інформацією. Схема не зміниться, коли за-мість КЦ буде використаний КМ (другий варіант). Застосування КМ лікві-дує перший,  другий і  частково третій  недоліки  схеми з КЦ, причому ва-ртість одного порту простого КМ близька до вартості одного порту КЦ. Водночас до недоліків другого варіанта належать: по-перше, можливість блокування роботи сегмента однією РС, що активно передає широко-мовні запити (broadсasts storm); по-друге, можливість переповнення черги КМ у разі трансляції  всього вхідного трафіку в один порт; по-третє, значна вартість інтелектуальних КМ у разі потреби їх використання. При збільшенні кількості РС і будівль, де вони розташовані, можливі третій і четвертий варіанти мережі Ethernet, зображені відповідно на рис. 4.4 та рис. 4.5.

КМ

Перша група РС

Друга група РС

Третя група РС

КМ

КМ

КМ

Перша група РС

Друга група РС

КМ

КМ

МШ

МШ

Рис.4.4

Рис.4.5

Третій варіант ефективний у разі великого трафіку всередині груп РС. Він має такі переваги: по-перше, це зниження навантаження на ок-ремі КМ і на мережу у цілому; по-друге, можливість створення надлишко-вих зв’язків між КМ, які підтримують протокол Spanning Tree, що підви-щує відмовостійкість мережі. Недоліки цього варіанта такі ж, як і попе-реднього, але третій варіант дорожчий від другого.
Четвертий варіант більш ефективний при підключення груп серверів і створенні дільниць мережі, всі звернення до яких зовні фільтруються. Перевагою цього варіанта є можливість повного контролю за вхідним та вихідним сегментними  трафіками  і, як наслідок, можливість повної ізо-ляції сегмента і виключення перевантажень, пов’язаних з передачею од-нією РС широкомовних запитів. Недоліками є велика вартість (вартість одного порту МШ значно вища від вартості одного порту інтелектуаль-ного КМ) та зменшення відмовостійкості через наявність надлишкових пристроїв. 
Подальший розвиток цієї мережі проходить у таких напрямах:
1) 	використання швидкої мережі Fast Ethernet з тактової частоти у 10 разів більшої, ніж у мережі Ethernet, тобто при ШПД 100 Мбіт/с. Вона базується на топології та принципах звичайної мережі Ethernet. Різниця полягає насамперед в іншому фізичному середовищі передачі даних. У відповідності до стандарту ІЕЕЕ 802.3u для технології Fast Ethernet вико-ристовують такі системи: 100Base-TX та 100Base-T4 – для витої пари (ВП) і 100Base-FX – для  оптоволокна (ОВ).
Система 100Base-TX використовує дві пари проводів: одну – для пе-редачі, іншу – для   прийому, причому допускається застосування витих пар UTP-5 з хвильовим опором 100 Ом та STP-1 з хвильовим опором 150 Ом при довжині сегмента до 100 м і діаметрі мережі (максимальна від-стань між будь-якими двома абонентами) – 200 м . Система 100Base-T4 використовує чотири пари проводів: дві – для односпрямованої передачі, дві інших – для двоспрямованої з такою ж дистанційністю, як і поперед-ня. У цьому разі допускається застосування витих пар UTP-3, UTP-4, UTP-5. Система 100Base-FX використовує двожильний багато модовий ВОК, в якому за одним волокном передається сигнал, а за іншим він приймається. Довжина сегмента – 100 м, допустимий діаметр мережі – 412 м.
Легкість переходу від Ethernet до Fast Ethernet базується на такому: 
*	 загальний метод доступу дозволяє використовувати в мережних адаптерах і портах Fast Ethernet до 80% мікросхем адаптерів Ethernet;  драйвери також містять більшу частину коду для адаптерів Ethernet, а різниця викликана новим методом кодування (4В/5В або 8В/6Т) і наявні- ністю дуплексної версії протоколу;
*	 формат кадру залишається попереднім, що дає змогу аналізатор-рам протоколів застосовувати ті ж методи аналізу, що і для сегментів Ethernet, тільки механічно збільшивши швидкість роботи. 
Недоліки Fast Ethernet пов’язані з тим, що для створення сегментів з поділеним за часом середовищем необхідно застосовувати концентрато-ри (1 – 2 у сегменті) і максимальний діаметр мережі  має бути в межах 136...205 м. У разі використання двох концентраторів відстань між ними не повинна перевищувати 5 – 10 м, тому застосування додаткового кон-центратора збільшує тільки кількість портів, не змінюючи практично від-стань між комп’ютерами. Крім того, поділений за часом сегмент Fast Ethernet не має переваг в обслуговуванні трафіку реального часу, тому що будь-який кадр має рівні шанси захопити середовище передачі даних у відповідності до методу доступу. У той же час крім напівдуплексної вер-сії протоколу, що підтримує ДВД, можлива і дуплексна версія, що працює з комутаторами.   
Наявність загальних особливостей мереж Ethernet і Fast Ethernet до-зволяє під час переходу від Ethernet до Fast Ethernet для збільшення пропускної спроможністі мережі залишати той самий обслуговуючий пер-сонал і засоби аналізу протоколів. Що стосується нових мереж, то в мережах робочих груп  з допомогою Fast Ethernet можна об’єднати бли-зько розташовані комп’ютери, трафік яких має пульсуючий характер з великими, але нечастими сплесками, а значить і нечастими колізіями (наприклад, трафік файлового сервісу, сервісу друку тощо). В магістра-лях будівель Fast Ethernet застосовують як у «чистому» вигляді, так і у поєднанні з FDDI або АТМ;  
2) використання мережі Gigabit Ethernet з тактової частоти у 10 разів більшою, ніж у мережі Fast Ethernet, тобто при ШПД 1 Гбіт/с має два суттєвих обмеження. 
Перше обмеження у застосуванні Gigabit Ethernet пов’язане з тим, що для чіткого визначення колізії кінцевими вузлами і автоматичного по-вторювання передачі спотвореного у результаті колізії кадра, необхідно, щоб час передачі кадра завжди перевищував час подвійного оберту сигналу сегментом мережі. Враховуючи, що час розповсюдження сиг-налу обмежений швидкістю світла, максимальна довжина сегмента при ШПД 10 Мбіт/с – 2500 м, при ШПД 100 Мбіт/с і збереженні мінімального розміру кадру 64 байта – 250 м, а при ШПД 1 Гбіт/с – 25 м. Разом з тим існує велика кількість застосувань, коли довжину сегмента необхідно збі-льшити до 100 м. Є пропозиція збільшити  мінімальний розмір кадру до 512 байт, що дозволяє збільшити діаметр сегмента до 100 м, однак зме-ншує корисну пропускну спроможність мережі. Інша пропозиція базується на застосуванні для з’єднання вузлів у сегмент буферного дуплексного повторювача, що знімає реалізацію ДВД з мережних адаптерів комп’юте-рів, однак повторювач, як і раніше, реалізує поділене за часом середо-вище за рахунок застосування ДВД до кадрів, які надійшли у буфер пор-ту. Такий підхід дозволяє побудувати зв’язки між вузлом та повторюва-чем такої ж довжини, як і при комутаторі, і в той же час зменшити вар-тість комунікаційного обладнання, тому дуплексний повторювач з внутрі-шньою продуктивністю 2 Гбіт/с дешевший ніж комутатор з N портами Gigabit Ethernet продуктивністю N/2x2 Гбіт/с.
Друге обмеження пов’язане з досягненням ШПД 1 Гбіт/с на осно-вних типах кабелів, тому що фізичний рівень оптоволоконної версії Giga-bit Ethernet забезпечує ШПД тільки 0,8 Гбіт/с, однак відстань між вузлами 
для дуплексного режиму становить 550 м, а для одномодового – 3000 м. Що стосується ВП, то планується використати всі 4 пари UTP-5  або 2 па-
ри UTP-6. Підкреслимо, що  особливі  труднощі  виникають  під час реа-лі зації Gigabit Ethernet на поділеному за часом фізичному середовищі.
4. Мережа FDDI (протокол та метод доступу цієї мережі розглянуті в п.4.3.1.) має подвійну кільцеву топологію та двоканальне підключення для підвищення надійності і відповідає стандарту ISO 9314. Можливі та-кож топології типу «зірка», «кільце» та «кільце з зірками. В мережі вико-ристовується більш ефективний метод передавання маркера ETR (Early Token Release – раннє звільнення маркера), порівняно зі стандартом ІЕЕЕ 802.5.
Дистанційність залежить від виду ВОК. При використанні багатомо-дового ВОК з єдиним підмиканням і світлодіодним джерелом світла у діа-пазоні до 1300 нм – дистанційність має межу до 2 км, у разі  використан-ня аналогічного ВОК також з єдиним підмиканням і лазерним джерелом світла дистанційність збільшується до 60 км.
У кожного кільця може бути до 50 вузлів, або до 1000 при викорис-танні повторювачів. Загальна протяжність ВОК за колом може становити до 200 км, однак для забезпечення можливості циклічного повернення від кінця до початку кільця за час відновлення дільниці мережі, що відмови-ла, коло мережі повинно перебувати в межах 100 км. Вузли з подвійним підмиканням в основному кільці можуть бути рознесені на відстань до 2 км при використанні ВОК-БМ і на відстань до 30 км при ви-користанні ВОК-ОМ. 
Високу надійність мережі забезпечує можливість динамічної рекон-фігурації її структури за рахунок подвійного кільця передачі даних і спеці-альних процедур керування конфігурацією. Для цього в мережі викори-стовуються робочі станції (РС) двох типів: 
станція з подвійним підключенням (подвійна) РСД (DAS – Dual Atta-chment Stations), яка має два порти введення-виведення, що утворюють два кільцевих тракти передачі сигналів, причому додаткове кільце вико-ристовується  для  циклічного повернення від кінця до початку в разі пошкодження кабелю або виходу РС з ладу ;
станція з єдиним підключенням РСЄ (SAS - Single Attachment Stati-ons), яка має один порт введення-виведення.
Концентратори, що широко використовуються в FDDI, також поділя-ють на подвійні (КД) та одинарні (КЄ). Більшість пристроїв підключається або до КД, які використовуються на магістральній дільниці мережі, або до КЄ, які в свою чергу підімкнуті до КД і утворюють другий рівень мережі (рис. 4.6). Така топологія називається деревоподібною топологією подві-йного кільця (dual ring-of-trees). Топологія FDDI з меншою кількістю вузлів часто має архітектуру згорнутої магістралі, в якій всі РС підключені до одного концентратора або розташовані в одному кільці. Підключення РС до концентраторів може бути виконане як за допомогою ВОК, так і за допомогою витих пар.

РСД

РСД

РСД

КД

РСЄ

РСЄ

КД

КЄ

РСЄ

РСЄ

РСЄ

Рис. 4.6

Мережа має два режими передачі даних: синхронний та асинхрон-ний. У синхронному режимі РС після надходження маркера передає дані  протягом tc, причому  ТНТ ³ tc, де ТНТ (Token Holding Time – час затрим-ки маркера). Цей режим зазвичай використовується для додатків, чутли-вих до часових затримок, наприклад, при оперативному керуванні. У асинхронному  режимі тривалість передавання інформації tа залежить від часу обертання  маркера  TRT  (Token Rotation Time).  Якщо TRT >    > TТRT (Target Token Rotation Time – контрольний час обертання марке-ра), то передавання даних у асинхронному режимі не відбувається. В но-рмальному режимі передавання маркера TRT=TТRT, а tc +  tа = ТНТ. Най-частіше TТRT= 8 мс. Додатково у асинхронному режимі встановлено до семи рівнів пріоритетів, кожний з яких має власний граничний час пере-давання інформації.  
Стандарт на мережу FDDI має дві складові частини, що належить  до фізичного рівня еталонної моделі OSI (РНY і PMD), та дві складові частини, що належать до канального рівня еталонної моделі OSI (МАС і SMT). Частина РНY визначає кодування та декодування, послідовно-па-ралельне перетворення, відновлення синхронізації. Частина PMD міс-тить описи типів кабелю і з’єднувачів, приймально передавальників та оптичного перемикача. Частина МАС визначає керування доступом до оптичного кабелю, обробку маркера, формування кадрів і коду CRC (Cy-clic Redandancy Code – циклічний надлишковий код виявлення помилок), розпізнавання образів. Частина  SMT (Station Management Layer – рівень керування станціями) забезпечує керування всіма рівнями моделі FDDI, контроль та керування роботою кільця, керування з’єднаннями, форму-вання кадрів SMT і відповідь на них, а також розпізнавання суміжних РС, виявлення відмов та перенастроювання, введення та виведення з кіль-ця, контроль статистичної інформації про трафік.
5. 	Мережа Token Ring має комбіновану топологію «зірка/петля» з вузлами, які радіально підключені до блоків підключення до середовища (БПС), причому останні, з’єднуючись один з одним (якщо їх декілька), ут-воворюють «кільце». Token-Ring відповідає стандарту ІЕЕЕ 802.5 і має максимальне ШПД 16 Мбіт/с. Існує велика кількість типів БПС. У найпро-тішому випадку – це пасивний пристрій,  що дозволяє підімкнути одну станцію до магістрального кабелю, але можливе і використання АКЦ та ПКЦ  (рис.4.7). 

БПС

РС

ПКЦ

РС

РС

АКЦ

РС

РС

РС

Рис. 4.7

РС

РС

БПС

БПС

Максимальна кількість концентраторів та РС в мережі залежить від конструктивних  особливостей  концентраторів. Так, наприклад,  АКЦ IBM
8238 дозволяє підмикати до 16 РС при послідовному з’єднанні в мережі не більше 8 АКЦ, тобто максимально до 128 РС, а АКЦ IBM 8230 – до 20 РС і не більше 4, що з’єднує всі концентратори мережі – 120 м. Таким чином, при більшій ніж  у Ethernet  вартості комунікаційного забезпече-ння, ця мережа має меншу ШПД і дистанційність, однак обертання в ме-режі тільки одного маркера виключає можливість виникнення конфліктів (колізій). 
Коли керування роботою мережі централізоване, то головним мене-джером зв’язку у кільці є активний монітор, яким може бути будь-яка, але у кожний конкретний момент часу тільки одна РС. Активний монітор відповідає за передавання керуючої інформації  та  даних  усіма стан-ціями кільця. Крім того, він підтримує головний тактовий генератор, реа-лізує потрібну затримку передавання інформації, стежить за втраченими кадрами та маркером.  Інші  РС  у  цей час беруть на себе функції пасив-них моніторів, виконуючи всі інші функції керування кільцем. 

4.4. ВУЗЛИ  НИЖНЬОГО  РІВНЯ 

4.4.1. Апаратні засоби

Вузли нижнього рівня АСКТП найчастіше реалізуються з допомогою  програмованих логічних контролерів (ПЛК), які за канальністю поділяють на мало- (приблизно 18-64 входів / виходів), середньо- (приблизно до 320  входів / виходів) та великоканальні (більш 320  входів / виходів). При цьому як додаткові технічні засоби цих вузлів застосовують регулювальні контролери (РК), які теж можуть бути мало-, середньо- та великокана-льні. 
Внутрішня структура контролерів – магістральна, тобто до внутріш-ньосистемної шини підмикаються процесор; пристрої оперативної та пос-тійної  пам’яті (ППП); зовнішні пристрої; засоби оперативного управління; пристрої цифрового зв’язку та пристрої зв’язку з об’єктом. До основних визначальних показників вузлів з  МПК  належать: 
•	характеристика  програмного забезпечення; 
•	ємність оперативної пам’яті; 
•	алгоритмічна ємність  контролера; 
•	інформаційна  ємність контролера; 
•	точність реалізації функцій контролю та керування; 
•	тривалість циклу обробки інформації та наявність фонового режиму; 
•	характеристика  інтерфейсів та протоколів підмикання контролера до засобів більш високого рівня керування; 
•	швидкість передачі інформації до засобів більш високого рівня керу-вання.
Можна виділити три основні напрями, за якими відбуваються зміни у технічному забезпеченні вузлів нижнього рівня АСКТП:
1) поява нових магістрально-модульних контролерів на основі шин-
ної  архітектури  комп’ютерних  засобів,  при  якій  контролери збирають із повністю готових плат. Номенклатура цих плат становить понад 3000 найменувань: процесори, мережеві контролери, блоки пам’яті, мезонинні мо-дулі вводу / виводу зі знімними каналами будь-якого типу (аналого-вого, дискретного, імпульсного) та ін. Плати та рознімання виконані у стандартних форматах Eurocard і вставляються у стандартні конструкти-ви різних типів: рами, стійки, шафи, які мають широкий діапазон викона-ння для різних умов довколишнього середовища: температуру, вологість, наявність пилу, вібрації, електромагнітних шкідливих сигналів;   
2) заміна МПК на ІПК та зближення ПЛК з ІПК при використанні у подальшому архітектури клієнт/сервер. При цьому відбувається заміна автономних ПЛК з централізованим вводом/виводом інформації і нескла-дною графікою – відкритими мережами, що охоплюють такі виробничі  шини, як Profibus, з використанням розподілених  інтелектуальних сис-тем, тривимірної графіки, а також  стандартного  ПЗ, орієнтованого на ОСРЧ у зв’язку з тим, що контролери керують технологічними процеса-ми, включаючи і усунення аварійних ситуацій, в реальному часі, і тому практично завжди повинні мати ОС «жорсткого» РЧ; 
3) 	збільшення питомої ваги вбудованих  вузлів. Характерною рисою систем автоматизації нижнього рівня є те, що вони часто безпосередньо вбудовуються у промислове («бортове») обладнання. Ці системи розта-шовують на самому об’єкті, і часто вони повинні працювати  поза примі-щеннями або в приміщеннях без опалення. У багатьох випадках комп’ю-тери або контролери цих систем є частиною агрегата або механізму, то-му їх називають  вбудованими  (Embedded) і висувають до таких засобів специфічні вимоги, що, насамперед, пов’язані з вібростійкістю, ударо-стійкістю, розширенням робочого діапазону температур, малими габа-ритними розмірами та невеликою споживаною потужністю.  Можливі  та-кож вимоги щодо  вибухобезпечності,  радіаційної стійкості, стійкості до хімічних агресивних середовищ та потужних електромагнітних полів. Фу-нкціональні особливості вбудованих засобів зводяться до такого: 
*	 наявність сторожового таймера (Watchodog Timer), що автоматич-но  перезапускає систему в разі зависання програми;
*	 зберігання параметрів Setup в енергонезалежній пам’яті без засто-сування спеціальних батарейок; програма Setup може бути запущена при завантаженні ПК і призначена для перегляду і модифікації незале-жної CMOS-пам’яті, яка зберігає інформацію про параметри конфігурації ПК (кількість і тип нагромаджувачів на магнітних дисках, тип відіоадап-тера, наявність співпроцесора тощо), має електронні часи. CMOS-па-м’ять – це  мікросхема, яка розташована на системній платі і живиться від спеціальної батарейки чи акумулятора, що може розташовуватися усередині цієї мікросхеми;
*	  завантаження операційної системи із ППП;
*	 використання як нагромаджувачів електроних дисків на базі флеш-пам’яті.
Вбудовані ПК умовно можна поділити на дві групи. До першої на-лежать ПК, що мають кілька плат, об’єднаних системною шиною; до другої – одноплатні ПК. Використання стандартного підходу з системною шиною дозволяє створювати  функціонально більш потужні системи ке-рування, гнучкі при переконфігуруванні та налагодженні на конкретний додаток. Одноплатні ПК, які не мають засобів підтримки системної шини, можуть виявитися дешевшими в тому разі, коли особлива гнучкість  не-потрібна. Однак одноплатні  ПК, як правило, мають шину розширення (Mezzanine Bus) для підмикання додаткових плат, які виконують специи-фічні функції. 
4.4.2. Програмні засоби

Міжнародна Електротехнічна Комісія (МЕК) розробила серію станда-ртів для ПЛК: МЕК 1131-1. «Загальні положення» (1992); МЕК 1131-2 «Специфікації і випробування обладнання» (1992); МЕК 1131-3 «Мови програмування» (1993); МЕК 1131-4 «Рекомендації користувачам»;  МЕК 1131-5 «Специфікація сервісних служб повідомвень». У стандарт МЕК 1131-3 входять 5 мов програмування: 
LD-мова (Ladder Diagram – діаграма покрокової логіки) у графічному вигляді є алгоритмом послідовного розв’язання задачі релейної логіки. В бібліотеку функціональних блоків цієї мови входять: лічильники, реєстра-тори, одновібратори, ПІД-регулятори, обчислювальні блоки, блоки кому-нікацій і операторського інтерфейса і т.д. Аналогом LD-мови є мова ре-лейно-контактних схем;
IL-мова (Instruction List – список інструкцій), за своїми функціональ-ними можливостями аналогічна LD-мові, а зовні схожа на асемблер і більш зручна для програмування складних обчислень;
ST-мова (Structured Text – структурований текст)  є паскале-подіб-ною мовою, що дозволяє реалізувати складні алгоритми з програмува-нням умов переходу, різних циклів, спеціальних математичних функцій тощо;
SFC-мова (Sequential Function Chart – граф послідовного керування) є графічною мовою для для програмування роботи машин та установок, що мають послідовний характер функціонування. Ця мова зручна у на-лагодженні та діагностиці машин; 
FBD-мова (Function Block Diagram – діаграма функціональних бло-ків) є також графічною мовою, з елементами у вигляді функціональних блоків. 
Використання зазначених стандартних мов програмування скорочує час  розробки прикладної  програми завдяки достатньо великій бібліотеці
функціональних блоків; спрощує обслуговування  контролерів  за раху-нок знайомства зі стандартною структурою прикладної програми і прин-ципами її функціонування, заощаджує час для початкового навчання пе-рсоналу, враховуючи знання мов стандарту. Водночас у стандарті відсу-тні сервісні функції редакторів (копіювання, пошук, переноси і т.п.), екс- порту / імпорту програм, конвертування мов однієї в іншу тощо. 

4.5. ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ МЕРЕЖІ НИЖНЬОГО РІВНЯ

4.5.1  Загальна характеристика мереж 

Мережі контролерів найчастіше створюються у вигляді промислових мереж та польових шин ПШ (Fieldbus або Field Network). Значення цих протоколів пов’язане із заміною радіальних з’єднань контролерів з об’є-ктними вимірювальними перетворювачами та виконавчими механізмами (ОВП / ВМ) більш економічним паралельним підмиканням їх до польової шини. Таким чином ПШ – це повністю цифрова двоспрямована багато-чкова комунікаційна система, що використовується для зв’язку ОВП / ВМ з контролерами або комп’ютерами. До таких ОВП / ВМ часто застосо-вують термін “інтелектуальні”, тому що вони за допомогою вбудованого мікропроцесора не тільки перетворюють сигнали у цифрову форму і навпаки, але й виконують деякі операції ПОІ та реалізують алгоритми автоматичного регулювання. В той же час протоколи ПШ дуже різнома-нітні і менш стандартизовані, ніж протоколи комп’ютерних мереж, тому що кожна фірма-виробник контролерів підтримує насамперед свій “фір-менний” протокол, як правило,  несумісний з іншими.
Як фізичне середовище передачі даних в ПШ застосовують виту па-ру, а за наявності  суттєвих  електромагнітних шумів – екрановані ВП або ОВ, середня кількість таких пристроїв в мережі знаходиться в межах 50...200 при довжині мережі 100...1000 м. Для  з’єднання кількох мало-швидкісних мереж  Fieldbus  з багатошвидкісною використовують шлюзи. Більша частина горизонтальних інформаційних потоків мережі – цик-лічного типу з часом циклу 0,25...2 с з довжиною 1...5 байт на підключе-ний пристрій, з затримками в передачі повідомлень порядку 100 мс.
ПШ крім фізичного з’єднання пристроїв має забезпечувати вико-нання таких функцій: 
•	просте підмикання до мережі пристроїв різних виготовлювачів та видалення їх у разі необхідності без створення перешкод іншим при-строям мережі;
•	можливість перевірки всього комплексу обладнання з будь-якої точки мережі;
•	сигналізація аварійного стану пристроїв мережі;
•	можливість виявити та ідентифікувати новий пристрій мережі;
•	можливість пересилати ціклічні та аціклічні дані та синхронізувати роботу двох станцій;
•	використання мінімум двох і максимум чотирьох рівнів пріоритетів;
•	керування ВМ;
•	визначення поточного стану фізичного середовища передачі да-них;
•	запам’ятовування конфігурації пристроїв. 
Таким чином, застосування мереж Fieldbus дає змогу перенести на приладовий рівень функції первинної обробки інформації, регулювання, блокування у гарантованих циклах 50 мс, звільняючи від них ПЛК, розвантажуючи мережу та збільшуючи надійність, оскільки функції контролю і регулювання реалізуються і в разі відмови ПЛК; зменшуються витрати на технічні засоби (у контролерів зникають блоки вводу/виводу, у вимірювальних  перетворювачів –  спеціальні  джерела живлення або живильний кабель, тому що в більшості випадків мережа Fieldbus підло-дить живлення до пристроїв, які з’єднує); скорочується  довжина  з’єдну-вальних ліній (до 40 %) за рахунок заміни радіальних з’єднань на підклю-чення до польової шини.

4.5.2. Технічна реалізація мереж  

1. Мережа Profibus створена кількома університетами та промисло-вими компаніями Німеччини у вигляді двох модифікацій: DP/PA та FMS. Profibus DP/PA базується на німецькому (DIN 19245), європейському (EN 50170) та міжнародному (IEC1158-2 для РА) стандартах, причому в ста-ндарт EN 50170 модифікації FMS та DP включені без змін. Profibus FMS порівняно з Profibus DP/PA має розширені прикладні функції при аналогі-чних основних. Ця мережа має за стандартом OSI трирівневу структуру:  фізичний, канальний та прикладний рівні. Вона економічна, тому що не потребує спеціального обладнання за винятком універсального асин-хронного приймача-передавача; зручна для тієї мережі, де необхідно  реалізувати гібридний підхід з використанням ведучих, ведених та рівноправних вузлів. Недоліки пов’язані зі відсутністю гарантій на певний  час реагування.
Фізичний рівень. Фізичним середовищем для Profibus є екранована вита пара з повним опором100...130 Ом, довжиною не більш 1,2 км. ШПД знаходиться в межах  9,6 кбіт/с ... 2 Мбіт/с. Для критичного часу задач ре-комендована система з 32 активними станціями  на сегмент і максималь-ною кількістю станцій – 126. Кабель – ВП та ОВ. Можливе як ациклічне, так і циклічне передавання даних з 255 байтами в кадрі. Довжину лінії і кількість вузлів можна збільшити за допомогою повторювачів (не більше 3). Кожна термінальна станція, якою закінчується лінія, має забезпечити напругу +5 В та струм не менш 10 мА. В Profibus  використовується такий метод передавання.  Кожен біт кодується без повернення до нуля і пе-редається  диференційною  напругою.  Під  час  періоду мовчання неза-землена диференційна лінія переводиться кінцевим пристроєм на одини-цю. Дані передаються як символьно орієнтовані.
Канальний рівень цієї мережі має  два підрівні: підрівень керуван-ня доступом в середовище (MAC) і підрівень логічного керування канна-лом (LLC). Керування доступом до середовища виконується на основі гібрідного метода, при якому використовують децентралізований метод передачі маркера за “кільцем”, яке утворюють активні станції, і централі-ований метод “ведучий / ведений” (master / slave principle) для зв’язку ак-тивної і пасивної станцій. Активна станція з маркером  може керувати системою і передавати повідомлення. Пасивна станція лише підтверд-жує отримане повідомлення та пересилає інформацію на запитання. Ма-ркер передається від одного активного вузла до іншого за логічним кільцем Cистема master / slave реалізується, якщо в це кільце входить один ведучий вузол і кілька ведених. Для забезпечення оптимального часу відгуку у системі використано таймер заданого часу обернення (TTR – Target rotation time). Коли естафета проходить цикл і повертаєть-ся до вузла за час, менший ніж TTR, вузол може передавати повідом-лення протягом тієї частки періоду, що залишилась. Якщо реальний час циклу більше, ніж TTR, вузол пересилає лише одне повідомлення висо-кого пріоритету  і передає естафету. В системі існує два рівня пріорите-тів, причому повідомлення з високим пріорітетом буде передаватися завжди, незалежно від потужності потоку інформації. В нормальних умо-вах повідомлення з високим пріоритетом передається до повідомлення з низьким пріоритетом.
Кожен блок даних символьно орієнтований і передається асинхрон-но, причому кожний символ має 11 бітів: стартовий, 8 інформаційних, біт перевірки та стоп-біт. Синхронізація  бітів  приймачем  починається з зад
нього  фронту  стартового біта.  Похибки  в  пересиланні  блоків  оброб-ляються  на  рівні  каналів  передачі  даних, крім виключних станів (втра-чені естафети, станції з пошкодженими приймачами-передавачами і т.і.), обробка яких передається користувачу.
Система Profibus забезпечує 4 основні послуги: 
*	 пересилання даних з підтвердженням (ПДП) 
*	 пересилання даних без підтвердження (ПДБ), 
*	 пересилання та запитування даних з відповіддю (ПДВ),
*	 циклічне пересилання та запитування даних (ЦПД). 
Послуга ПДВ дозволяє локальному користувачу передавати інфор-мацію на окрему віддалену станцію і в той же час запитувати інформа-цію, до якої віддалений користувач дозволяє доступ. Ця послуга забезпе-чує отримання вузлом інформації від пасивного вузла. Можливість цик-лічного пересилання дозволяє локальному користувачеві циклічно пере-силати дані віддаленому користувачу і, в свою чергу, отримувати інфор-мацію від нього, що забезпечує  часову і просторову узгодженість даних, причому під першою розуміють властивість, пов’язану з отриманням про-сторово розподіленими користувачами однакових копій значень змінних, а під другою – властивість,  пов’язану з появою в один і той же момент даних користувача, які є в часовому вікні та доступні для їх ви-кори-стання.  Дані віддалених користувачів за вимогою передаються  віддале-ному  мережному контролеру  за  допомогою послуги оновлення  відпові-ді. Користувач збирає дані, циклічно посилаючи ПДВ відповідно до  спис-ку  віддалених вузлів.
Прикладний рівень Profibus поділяють на підрівні. Перший з них – специфікація повідомлень (Fieldbus Message Specification – FMS) описує об’єкти зв’язку, сервис і відповідну модель з точки зору партнера по ко-мунікації. Другий підрівень – інтерфейс нижнього рівня (Lower Layer Inter-face – LLI)  організує  відображення  FMS  та FMA (керування доступом в Field- bus) на FDL (канальний рівень Fieldbus), встановлення зв’язку, від-ключення, диспетчирізацію зв’язку та керування потоками. FMA виконує контекстне конфігурування та виправлення помилок. 
2. Л-мережа ломіконтів реалізується з топологією “зірка”, “кільце”, або “дерево”, причому кожний ломіконт може бути зв’язаний з двома кон-тролерами, як ініціатор обміну інформацією (активний вузол), і ще з дво-ма іншими, як абонент (пасивний вузол). Кожний ломіконт у складі Л-ме-режі може мати цифровий зв’язок з ЕОМ, дисплеєм або (та) принтером по каналах з радіальними інтерфейсами ІРПС і ІРПР за умови наявності у відповідних пристроїв каналів ІРПС або ІРПР та необхідного програм-ного забезпечення. У Л-мережі ломіконт може також виконувати функцію інте-лектуального (активного) ПЗО або системного контролера замість ЕОМ.  В цифровому зв’язку з ЕОМ він є пасивним вузлом, тобто може лише приймати команди від активного вузла, виконувати його команди і відповідати на його запитання. Можливі два режими зв’язку ЕОМ з ломіконтами:
інформаційний – запитання і одержання інформації про поточне зна-чення будь-якої змінної, коефіцієнтів алгоритму; програму користувача (ПрК) та її довжину; справність контролера тощо;
командний – крім функцій інформаційного режиму блокування чи роз- блокування  будь-якої змінної, зміну її значень і значень коефіцієнтів алгоритма тощо.
Канали ІРПС в Л-мережах формують з допомогою модуля МИС2, який в цьому випадку має чотири канали. Кола каналів ІРПС в контролері пасивні, тому як джерело нестабілізованої напруги використовують бло-ки БПС-5 або БПН-24, причому споживаний струм для кожної лінії зв’язку становить 20 мА. Ці канали незалежно один від одного можна настроїти на одну з чотирьох ШПД – 9,6; 4,8; 2,4; 1,2 кбіт/с, але ШПД 3-го і 4-го ка-налів МИС2 повинні збігатися. Дистанційність зв’язку залежить від ШПД: при 9,6 кбіт/с вона – 0,5 км, а при 1,2 кбіт/с – 4 км. У дубльованих моде-лях модуль МИС2 входить до проектно-компонованої частини, тому що забезпечує зв’язок між основним і резервним комплектом, а канал ІРПС в модулі МУС2 використовують у ломіконтах для зв’язку з  пультом опе-ратора. Крім зв’язку за ІРПС у ломіконтах існує також зв’язок за ІРПР за допомогою модуля інтерфейсного паралельного зв’язку МИП, що має один двосторонній канал з дистанційністю 15 м, в якому обмін інформації здій-снюється інформаційними байтами по 8 біт. Як кабель дуплексного зв’я-зку в цих контролерах використовують виту екрановану телефонну пару. 
3. Мережа “Транзит”  реміконтів малої канальності має топологію  “кільце”. В цих контролерах передбачено вбудований інтерфейсний кА-нал цифрового послідовного зв’язку ІРПС, причому керування мережею повністю децентралізоване і виконується самими контролером. Підклю-чення контролерів до мережі не потребує ніякої додаткової апаратури. Передбачено самодіагностування мережі і захист її у разі відмови конт-ролера за допомогою спеціального реле, яке при спрацьовуванні шунтує контролер, що відмовив, зберігаючи цілісність мережі “Транзит”.
В одному “кільці” може бути не більше 15 МПК та шлюзів (Ш), які ма-ють два інтерфейсних канали: мережний – використовується для вмика-ння  в  мережу  “Транзит” і абонентський - для міжмережного зв’язку. Шлюз реалізує також зв’язок мережі “Транзит” з вузлом верхнього рівня керування, яким може бути ПЕОМ або ломіконт. В одне “кільце” можна вмикати до чотирьох шлюзів. Мережу без шлюзу називають закритою, зі шлюзом – відкритою. На рис.4.8 наведена структурна схема одного з можливих варіантів відкритої мережі “Транзит”.

ПЕОМ

Рис. 4.8

МПК

МПК

МПК

Ш

ПМК

МПК

МПК

Ш

В складі бібліотеки алгоритмів цього МПК є алгоритми передавання в мережу та приймання з мережі інформації. Алгоритм передавання доз-воляє  видавати  в  мережу один раз за цикл роботи МПК до 30 числових 
аналогових або до 390 логічних сигналів. Усі сигнали, що видаються, до-ступні всім контролерам мережі. Прийматися можуть будь-які сигнали, що їх видає джерело. Обмін іде з ШПД 9,6 кбіт/с, вид кабелю – ВП, від-стань між сусідніми МПК – 500 м.
4. 	Мережі контролерів MODICON TSX. Фірма Shnaider Electric (SE) випускає функціонально повний набір засобів управління Modicon TSX Momentum для підмикання до різноманітних стандартних шин Modbus Plus, WorldFip, Ethernet TCP/IP, Interbus S, Profibus DP, DeviceNet та інте-грації в архітектурах TSX Premium/Quantum. У набір входять базові моду-лі розподіленого вводу/виводу (аналогові, дискретні, багато функціонал-льні та двонаправлені  дискретні) та  адаптери  (процесорний АП,  кому-нікаційний АК та  розширення АР).  Адаптери  встановлюють безносере-дньо на модулях, а модулі можна розташовувати біля технологічного обладнання. Коли на модулі розподіленого вводу/виводу (МРВВ) встано-влюють АК, то утворюється виносний вузол вводу/виводу, який може бу-ти підімкнуто до будь-якої стандартної польової шини. При цьому такий вузол підтримує системи керування на базі ПК, ПЛК та процесорів TSX Momentum. АП – це функціонально повний ПЛК з процесором, ОЗП та флеш-пам’яттю, тому при встановленні його на МРВВ отримують кон-тролер малої канальності, а АР додає АП додаткові комунікаційні функ-ції. 
Усі АП мають один стандартний порт Modbus і можливість доосна-щення другим додатковим портом. Це може бути другий порт Modbus або порт І/О bus, що дає змогу підімкнути до 80 МРВВ, що розташовані на відстані 15 км. Крім того, при застосуванні АР можливий зв’язок по каналу Modbus Plus або послідовний обмін даними з модемами, опера-торськими терміналами та пласкими дисплейним панелями
Коротка характеристика мережі Modbus: максимальна кількість вузлів – 247, максимальна дистанційність – 5 км, максимальна ШПД – 19,2 кбіт/с, кабель – ВП. Усі передачі в мережі ініціюються головним вуз-лом (ПК або один з ПЛК мережі). Можливі три варіанти мережі: перший – двовузлова мережа через інтерфейс RS-232 на відстань 15 м; другий – багатовузлова (до 32 вузлів) мережа на відстань до 5 км через інтер-фейс RS-485 з допомогою ВП; третій – багатовузлова (до 247 вузлів) на відстань більш ніж 5 км через інтерфейси RS-232 з допомогою ліній зв’язку загального користування, наприклад, телефоних. 
Коротка характеристика мережі Modbus Рlus:  усі вузли „рівно-правні” і мають доступ до мережі, після отримання маркера. Поки вузол має маркер, він може ініціювати передачу повідомлень. Сегмент мережі має до 32 вузлів і довжину до 500 м, за  допомогою репітерів кількість вузлів  можна  збільшити  до 64, а довжину до 2 км. Подальше збільше-ння кількості вузлів (до 15 тис.) потребує використання шлюзів Modbus Рlus. Для пристроїв, що прямо не підтримують Modbus Рlus, застосо-вують міст-мультиплексор з 4-ма портами RS-232. Звичайний ПК через цей порт може програмувати або зчитувати дані з будь-якого вузла цієї мережі. Максимальна ШПД – 1 Мбіт/с, кабель – ВП,  при передаванні на великі відстані та на вибухонебезпечних установках – оптоволокно. Для підви-щення надійності використовують Modbus Рlus з резервуванням, тобто двокабельну мережу. 
У застосуванні TSX Premium та Micro можно також використовувати і дешеві шини фірми SЕ: Uni-Telway або Fipway.  
Шина Uni-Telway працює з інтерфейсом RS-485, забезпечуючи ШПД 19,2 кбіт/с. Метод доступу – master-slave (ведучий-ведений). Конт-ролер master (TSX Premium та Micro) керує розподілом часу доступу до шини між іншими контролерами slave, причому до одного контролера master, на якому має бути встановлена РСМСІА карта TSX SPC 114, може бути підкючено 32 контролери slave (96 адрес). Приклад формува-ння мережі Uni-Telway наведений на рис. 4.9, до апаратурного і комуніка-ційного забезпечення цієї мережі відносяться: ПЕОМ – Celeron-500/ 128M/10Gb/8M CD/S/ATX; МКП-П – контролер TSX Premium; МКП-М – контролер TSX Mi-cro; АК – PCMCIA карта TSX SCP114 для підмикання контролерів до шини Uni-Telway; МК – модуль комунікаційний TSX SCY 21601; КП1 – пасивна Т-коробка TSX SCA 50; КП2 – пасивна двока-нальна коробка TSX SCA 62; КП3 – коробка підключення TSX Р АСС 01; ПДУ1 панель оператора ССХ 17; ПДУ2 – панель оператора Magelis; ФСА – кабель зв’язку з вбудованим адаптером RS232-RS485; ФС1 – кабель підключення TSX SCP CU 4030; ФС2 – кабель підключення TSX SCY CU 6530; ПРШП – пристрій регулювання швидкості приводу Altivar; ФСШ – подвійна екранова вита пара TSX CSA.

ПЕОМ

.

.

Т
А

МПК-М

ФСА

КП1

ФС1

ЛТС 2

АК

ПЕОМ

.

.

Т
А

МПК-П

ФСА

КП2

ФС2

ЛТС 3

АК

ПЕОМ

.

.

Т
А

МПК-П

ФСА

КП2

ФС2

ЛТС 1

АК

ПЕОМ

.

.

Т
А

МПК-М

ФСА

КП3

ЛТС 4

До ПШВ

КП2

.

.

   Т   А

ФСШ

КП1

ПДУ1

ФС3

ПДУ2

ПРШП

ПРШП

КП1

Рис. 4.9

МК

                                                                                                                                             
Подвійна екранована вита пара, що використовується як основне фізичне середовище шини ФСШ, має бути підімкнута до землі кожного пристрою. Коробки КП1, КП2 і КП3 можуть бути застосовані  як кінцеві навантажувачі шини, причому коробка КП3 використовується для підми-кання контролерів TSX Micro / Premium до шини Uni-Telway через термі-нальний порт і має у комплекті кабель підключення завдовжки 1 м. КП3 застосовується також для гальванічного розподілу (при L > 10 м) і вста-новлення режиму роботи термінального порта шини (master, slave  або  символьний режим). Кабель  ФС1  з’єднує  коробку  КП1  з картою TSX SCP 114, встановленою на процесорному або комунікаційному модулі. 
Шина Fipway відповідає стандарту WorldFip з організацією доступу через  арбітра  шини  і  має  ШПД  1 Мбіт/с. Принцип дії Fipway забезпеч-чує надійний і постійний цикл опитування станцій мережі незалежно від трафіку  і  кількості  станцій (від 2 до 64), через що можна додавати або вилучати станції  без зниження продуктивності мережі. Характеристики мережі дають змогу передавати до 210 повідомлень зі швидкістю 128 байт/с, причому база загальних слів поновлюється через кожні 40 мс. TSX Pre-mium та Micro під’єднуються до мережі за допомогою плати Fipway РСМСІА, яка встановлюється у кожному процесорному або кому-нікаційному модулі. Приклад формування мережі Fipway наведений на рис. 4.10, до апаратурного і комунікаційного забезпечення цієї мережі відносяться: ПЕОМ – Celeron-500/128M/10Gb/8MCD/S/ATX; МКП-П – контролер TSX Premium; МКП-М – контролер TSX Micro; АК1 – карта TSX FPC 10 для підмикання комп’ютера до шини Fipway;  АК2 – Fipway PCMCIA карта TSX FPР 20 для підмикання контролерів до шини Fipway; МК – модуль комунікаційний TSX SCY 21601; КП1 – Т-коробка відгалу-ження TSX FP ACC 4; АК1 – карта TSX FPC 10 для підмикання комп’ю-тера до шини Fipway; АК2 – Fipway PCMCIA карта TSX FPР 20 для підмикання контро- лерів до шини Fipway; МК – модуль комунікаційний TSX SCY 21601; КП1 – Т-коробка відгалуження TSX FP ACC 4; КП2 – коробка TSX FP ACC 3 для підмикання 2-х РС або РСМСІА карт; ПДУ1 – панель оператора ССХ 17; ПДУ2 – панель оператора Magelis; П – повторювач TSX FP ACC 6; ТЛ –термінатор лінії TSX FP ACC 7; ФС1 – кабель підмикання (КП) TSX FP CG0.0; ФС2 – КП  TSX FP CE 030; ПРШП – пристрій регулювання швид- кості приводу Altivar; ФСО1 – екранована ВП TSX СА.00 для внутрішнього монтажу; ФСО2 – екранована ВП TSX СR.00 для зовнішнього монтажу.

ПЕОМ

КП1

ЛТС 2

ПЕОМ

.

.

Т
А

МПК-П

ФСА

КП2

ФС1

ЛТС 3

АК2Ш

ПЕОМ

.

.

Т
А

МПК-М

ФСА

ФС1

ЛТС 1

АК2

ПЕОМ

.

.

Т
А

МПК-М

ФСА

ЛТС 4

До ПШВ

КП1

ФСО1

ПРШП

ПДУ2

ПДУ1

Рис. 4.10

АК1

ФС2

КП1

ТЛ

МК

ФС1

КП1

АК2

ТЛ

П

До нас-тупного
сегмента

ФСО2

Кабель ФСО1 і ФСО2 є основним кабелем FIP і має хвильовий опір 150 Ом. Комп’ютери та контролери Micro-Premium підмикають до шини через коробки КП1 і КП2 з дев’ятиштекерним з’єднувачем SUB-D, причо-му карта АК1 може бути поставлена тільки на ISA-шину.  

Контрольні питання

1.	Яке призначення автоматизованих систем керування технологічни-ми процесами (АСКТП) ? Наведіть їх класифікаційні ознаки. 
2.	 Які функції виконує АСКТП, їх поділ? Які функції АСКТП відносять до основних інформаційних ? Наведіть приклади таких функцій.
3.	 Які функції виконує АСКТП, їх поділ? Які функції АСКТП відносять до допоміжних інформаційних ? Наведіть приклади таких функцій.
4.	 Які функції виконує АСКТП, їх поділ ? Які функції АСКТП відносять до основних керувальних ? Наведіть приклади таких функцій.
5.	 Які функції виконує АСКТП, їх поділ ? Які функції АСКТП відносять до  допоміжних керувальних? Наведіть приклади таких функцій.
6.	 Які режими керування може реалізувати АСКТП ? Як класифікують АСКТП за типом функціонування ?
7.	 Який склад за видами забезпечення має АСКТП ? Охарактеризуйте  організаційне забезпечення і персонал АСКТП.
8.	 Який склад за видами забезпечення має АСКТП ? Охарактеризуйте  технічне забезпечення АСКТП. Які підсистеми у цьому виді забезпечення виділяють ?
9.	 Який склад за видами забезпечення має АСКТП ? Охарактеризуйте програмне забезпечення АСКТП. Які підсистеми у цьому виді забезпече-ння виділяють ?
10.	 Який склад за видами забезпечення має АСКТП ? Які забезпече-ння відносять до основних, а які до проміжних ? Охарактеризуйте інфор-маційне забезпечення АСКТП та його складові.
11.	 Які робочі станції (РЧ) і обчислювальні мережі (ОМ) може має мати АСКТП ? Залежно від чого і як може змінюватися її технічна структура ? В чому особливість симплексного, дуплексного і напівдуплексного передавання інформації між РЧ ? 
12.	 Які робочі станції (РЧ) і обчислювальні мережі (ОМ) може має мати АСКТП ? Які функції виконують локально-технологічна, операторсь-ка і диспетчерська станції ? 
13.	 Які робочі станції (РЧ) і обчислювальні мережі (ОМ) може має мати АСКТП ? Для чого призначені промислова шина виробництва та польові шини і які РЧ до них підмикають ? 
14.	 Як створюється АСКТП застосування системної інтеграції і у разі використання технологічного трансферу ? Які переваги і недоліки мають ці методи ?
15.	 Які апаратні засоби використовують на вузлах верхнього рівня АСКТП ? Які  функціональні  та конструктивні  особливості  мають  ком-п’ютери,  встановлені у виробничих приміщеннях ?
16.	 Які апаратні засоби використовують на вузлах нижнього рівня АСКТП ? Які зміни відбуваються у технічному забезпеченні цих вузлів ?
17.	 Які програмні засоби використовують на вузлах верхнього і нижнього рівнів АСКТП ? Як поділяють і які функції виконують операційні системи ? Порівняйте універсальні й спеціалізовані операційні системи.  
18.	 Які програмні засоби використовують на вузлах верхнього і ниж-нього рівнів  АСКТП ? Яке призначення і структура SCADA-програм ?
19.	 Коли застосовують і як реалізують централізований, де централі-зований і комбінований принципи керування мережею верхнього рівня АСКТП ? Порівняйте їх між собою.
20.	 Які топології використовують в обчислювальних мережах АСКТП ? Які рекомендації існують щодо їх застосування ? Порівняйте між собою найбільш поширені шинну, зіркову та кільцеву.
21.	 Які види фізичного  середовища передавання даних використову-ють в обчислювальних мережах АСКТП ? Порівняйте їх між собою.
22.	 Які протоколи й методи доступу використовують в обчислюваль-них мережах АСКТП? Як працює мережа у разі децентралізованого випа-дкового доступу? Які переваги й недоліки має цей метод доступу ?
23.	 Які протоколи й методи доступу використовують в обчислюваль-них мережах АСКТП? Як працює мережа у разі децентралізованого де-термінованого доступу ? Які переваги і недоліки має цей метод доступу ?
24.	 Які протоколи й методи доступу використовують в обчислюваль-них мережах АСКТП ? Як працює мережа у разі централізованого досту-пу „ведучий-ведений” ? 
25.	 Які протоколи і методи доступу використовують в обчислюваль-них мережах АСКТП ? Як працює мережа у разі децентралізованого доступу „точка- точка” ? 
26.	 Як функціонує мережа Ethernet ? Який метод доступу вона має ? У чому перевага й недоліки цієї мережі ?
27.	 Як функціонує мережа Токеn Ring ? Який метод доступу вона має ? У чому перевага й недоліки цієї мережі ?
28.	 Як функціонує мережа FDDI ? Який метод доступу вона має ? У чому пе-ревага й недоліки цієї мережі ?
29.	 Які комунікаційні пристрої використовують в обчислювальних мережах верхнього рівня АСКТП ? Яке їх призначення і як функціонують репітери, концентратори і шлюзи ?
30.	 Які комунікаційні пристрої використовують в обчислювальних мережах верхнього рівня АСКТП ? Яке їх призначення і як функціонують мости, комутатори і маршрутизатори ?
31.	 Які комунікаційні пристрої використовують у разі фізичної сегмен-тації об-числювальної мережі (ОМ) ? Як вони функціонують ? У чому недоліки й переваги фізичної сегментації перед логічною сегментацією ОМ ? 
32.	 Які комунікаційні пристрої використовують у разі логічної сегмен-тації обчислювальної мережі (ОМ) ? Як вони функціонують ? У чому недоліки й переваги логічної сегментації перед фізичною сегментацією ОМ ? 
33.	 Наведіть і опишіть схему мережі Ethernet у разі використання ви-тої пари і концентраторів. У чому її переваги й недоліки порівняно зі схемою з комутаторами ?
34.	 Наведіть і опишіть схему мережі Ethernet у разі використання ви-тої пари і комутаторів. У чому її переваги й недоліки порівняно зі схемою з концентраторами ?
35.	 Яке призначення і які функції виконують польові шини ? Наведіть переваги застосування польових шин.
36.	 Яке призначення і як функціонує мережа Profibus ? У чому різниця між активними і пасивними станціями цієї мережі ? Які методи доступу в ній застосовують ? Які чотири види послуг вона забезпечує ?
37.	 Яке призначення і як функціонує мережа Profibus ? Для чого зас-тосовують і як працює таймер заданого часу обернення маркера ?
38.	 Як функціонує мережа з реміконтами великої і середньої каналь-ності ? Через які модулі контролера реалізується зв’язок з ЕОМ ? Яка інформація може передаватися відповідними каналами ? Яка топологія при цьому може бути реалізована і яка швидкість передавання даних ?
39.	 Як функціонує мережа з ломіконтами ? Через які модулі контроле-ра реалізується зв’язок з ЕОМ і іншими контролерами ? Яка інформація може передаватися відповідними каналами ? Яка топологія при цьому може бути реалізована і яка швидкість передавання даних ?
40.	 Як функціонує мережа з реміконтами малої канальності ? Через який блок контролера реалізується зв’язок з ЕОМ і іншими контролерами ? Яка інформація може передаватися відповідними каналами ? Яка топо-логія при цьому може бути реалізована і яка швидкість передавання даних ?

5. ІНТЕГРАЦІЯ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ 

5.1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ІНТЕГРОВАНОЇ АСК  

5.1.1 	. Призначення, функції та створення системи                                                         

Підвищення ефективності і конкурентноспроможності промислових підприємств можливо тільки на основі створення єдиної інформаційної системи, яка інтегрує технологічні і бізнес-процеси в одне ціле, тому сло-во "інтегровані" широко використовується в назві сучасних систем авто-матизаціі. Інтегровані АСК забезпечують  узгоджене та скоординоване ро-зв’язання задач з урахуванням часової і рівневої ієрархії за рахунок поділу загальної задачі керування на компоненти планування, регулю-вання, обліку, аналізу, а також часової ієрархії усередині кожного компо-нента. При цьому інтегрована система забезпечує координацію виробни-чих процесів, оперативного і перспективного планування, адаптації сис-теми за рахунок зміни складу та взаємозв’язків між задачами, а також ха-рактеру взаємодії між її компонентами. 
Можно виділити кілька часткових концепцій інтегрованих АСК (ІАСК)  залежно від того, яка інтеграція є першорядною: технічна, інформаційна, програмна чи організаційна. Як зазначалось у першому розділі, термін «інтегровані АСК» найчастіше визначає системи, що інтегрують функції АСКТП і АСКП, або модифікації останніх у вигляді корпоративної сис-теми керування бізнес-процесами (КСКБП). Можлива також інтеграція АСУП і АСУЯ, АСУП і САПР та всіх зазначених систем разом. Інтегру-вати можна також автоматизовані і неавтоматизовані частини системи, окремі фази циклу керування тощо. Іноді інтегрованими називають і КСКБП, маючи на увазі об'єднання матеріальних і фінансових потоків або кількох пакетів програмного забезпечення (ПЗ) в один інтегрований пакет прикладних програм для бухгалтерії, кадрових служб, збуту-поста-чання та виробництва з центральним фінансовим компонентом. Вибір переважного спрямування інтеграції АСК потребує оцінки ефективності сумісного та узгодженого функціонування локальних АСК, а також витрат на забезпечення їх інтеграції.
Перехід до інтеграції автоматизованих систем пов’язаний із систем-ним аналізом об’єкта і задач керування з урахуванням зовнішних і внут-рішніх зв’язків; з постановкою і формуванням комплексу задач керування як задач оптимізації за загальним для усієї системи критерієм ефектив-ності її функціонування; з використанням моделей бізнес-процесів для об’єднання локальних задач керування, прогнозу  можливих станів об’єк-та та вибору оптимальних керувань. Створення ІАСК потребує такої пос-лідовності робіт: визначення цілей інтегрованої системи; виділення лока-льних об’єктів керування та структури їх цілей і задач; виявлення і аналіз суттєвих зовнішних та внутрішніх зв’язків; моделювання бізнес-процесів з описом організаційної структури, технологічних процесів, документо-обігу; розробка планів реінженірингу підприємства; виділення функціо-нальних підсистем; розробка технології розв’язання задач, їх комолек-сування та напрямів інтеграції АСК; визначення складу АРМ та їх вза-ємодії з базою даних; проектування бази даних; формування вимог до системного ПЗ, інструментальних засобів для програмування приклад-них задач, технік-них засобів та систем зв’язку; вибір конфігурації та складу системи, її організаційної структури; впровадження локальних систем та перехід до їх сумісного функціонування. 
Коли зовнішнє середовище задає не один, а кілька критеріїв оцінки функціонування підприємства, то виникає необхідність впорядкування критеріїв шляхом їх ранжування з допомогою пріоритетів або вагових коефіцієнтів. Вибір пріоритетів є неформальною операцією і може вико-нуватися з використанням методів теорії прийняття рішень. При до-сягненні цільовою функцією заданих значень може проходити зміна прі-оритетів. Наприклад, критерій максимізації продуктивності може втра-тити свій високий пріоритет, коли продуктивність досягла заданого зна-чення.
Структура виробничих зв’язків для кожної виробничої ситуації визна-чає можливість декомпозиції загальної цілі на множину підцілей кожної дільниці підприємства, які утворюють дерево цілей з відображенням зв’я-зків і підпорядкованості цілей (вертикальні рівні), а також функцій керу-вання (оперативне керування виробництвом, керування матеріально-тех-нічним постачанням тощо), які забезпечують досягнення цих цілей (гори-зонтальні рівні). За допомогою дерева цілей декомпозують загальні кри-терії оцінки функціонування підприємства і відповідно до кожної підцілі ставлять певні критерії. Це дозволяє для кожного компонента підприє-мства сформулювати підзадачу керування і отримати функціональну структуру системи керування. Кількість таких підзадач визначається обчислювальними можливостями технічних засобів, складністю розв’я-зання підзадач керування, а також характеристиками збурень, які викли-кають відхилення реальних показників виробництва від планових.

5.1.2. 	Склад  системи                                                                

Інтегрована АСК, як і будь-яка автоматизована система, має чотири основних види забезпечення (організаційне, інформаційне, програмне і технічне), призначення і функції яких розглянуті у четвертому розділі. Створення цих забезпечень у даному разі базується на функціональній, інформаційній, програмній і технічній інтеграції.
Функціональна інтеграція є однією з основних, тому що на ній базується розробка алгоритмічного, програмного та інформаційного за-безпечення і  відповідні  види  інтеграції.  Результатом  функціональної інтеграції  має бути алгоритм оптимального керування підприємством у цілому, однак велика розмірність та складність цієї задачі роблять неможливим її розв’язання без застосування декомпозиції. В той же час, подаючи складну задачу як сукупність більш простих декомпозиційних компонентів, в подальшому необхідно інтегрувати ці компоненти в єдиний комплекс, таким чином методи декомпозиції і інтеграції в ІАСК застосовують разом.
У результаті декомпозиції отримують багаторівневу ієрархічну функ-ціональну структуру, в якій кожна задача верхнього рівня має пріоритет  відносно до задач нижнього рівня, а завданнями для задач нижнього рі-вня є результати розв’язання задачі більш високого рівня. При створенні ІАСК розроблюють не тільки моделі і алгоритми вирішення функціона-льних задач, але і алгоритми зв’язку і узгодження локальних задач. Зв’я-зки між задачами реалізуються за допомогою зовнішніх обмежень, узгод-ження локальних критеріїв і моделей локальних задач. 
Використання принципів багаторівневої ієрархії приводить до виді-лення чотирьох функціональних  рівнів керування: 
перший (верхній) рівень (ЕRP – Enterprise Recourse Planning) зада-чам перспективного та поточного планування, у розв’язанні  яких визна-чаються інтегральні показники оптимальної виробничої програми і розра-ховуються календарні плани на квартал, місяць, тиждень;
другий рівень (MES – Manufacturing Execution Systems) відповідає   задачам оперативного календарного планування, у розв’язанні яких спо-чатку коригуються тижневі календарні плани з урахуванням фактичного виконання виробничої програми, а потім визначаються оперативні зав-дання на поточну добу з урахуванням різних збурень; 
третій рівень (SCADA-програми – Supervisory Control and Data Acqu-isition), відповідає задачам оперативного керування виробництвом, розв’язання  яких  забезпечує оптимальну координацію роботи техноло-гічних комплексів;
четвертий  рівень (Control  Level)  займають задачі керування тех.-нологічними процесами, які забезпечують збір первинної інформації, ко-нтроль і регулювання технологічних процесів.
Інформаційна інтеграція полягає у створенні умов, за яких можли-вий доступ до всіх даних з будь-якої робочої станції ІАСК. Як відомо, дані містяться у базі даних (БД), яка є сукупністю логічно зв’язаних інформаці-йних елементів, що зберігаються в запам’ятовуючих пристроях прямого доступу. Ввід даних у БД, їх пошук, оновлення та реорганізацію виконує  система керування базою даних (СКБД).  В той же час інтеграція всіх да-них в одну БД, враховуючи їх різний характер, веде до зниження ефек-тивності процедур обробки даних. Тому більш ефективним є створення центральної (для задач керування бізнес-процесами) та локальних (для задач керування технологічними процесами) баз даних, причому повинна бути забезпечена сумісність цих БД та доступ до них з будь-якої РС.
Особливі вимоги ставляться при цьому до складу і кількості інфор-мації та часу її обробки, які є критичними факторами при створенні сис-теми. З одного боку, тільки своєчасне подання необхідної інформації мо-же забезпечити якісне прийняття рішень, а з другого – інформаційні по-токи мають бути обмеженими, щоб запобігти перевантаженню їх друго-рядними надто деталізованими даними. Розрізнюють «горизонтальну» інтеграцію інформації, що потрібна для прийняття рішень на певному рівні керування, і «вертикальну», що пов’язана з інтеграцією функцій керування за рівнями керування. У цілому інтегрованими локальні си-стеми будуть тільки у тому разі, коли вони матимуть доступ до всієї інформації, що необхідна для керування відповідним об’єктом, керу-вання на всіх рівнях буде скоординоване з позиції досягнення загальної мети.
Програмна інтеграція  полягає  в  розробці інтерфейса між окре-мими складовими програмного забезпечення з метою їх програмної сумі-сності. Для реалізації такої сумісності необхідно мати технічний інтер-фейс між технічними засобами різних рівнів, інформаційну сумісність всіх рівнів, багатозадачний та багатопотоковий режим роботи ОС, програму-диспетчер для координації основних компонентів програмного забезпеч-чення  та локальних диспетчерів. 
Технічна інтеграція реалізується з допомогою створення на під-приємстві єдиної обчислювальної мережі, що забезпечує збір, передачу та циркуляцію технологічної, техніко-економічної та командної інформації між будь-якими вузлами мережі. Зазначимо також, що обчислювальні можливості технічного забезпечення впливають на кількість деком пози-ційних компонентів задач керування ІАСК.

5.1.3. Структура системи

Функціональна структура системи розглянута в попередьому пункті (п.5.1.2). Що стосується загальної технічної структури системи, то вона наведена на рис.5.1 і відрізняється від технічної структури АСКТП        (рис. 4.1)  наявністю  ще  одного  рівня  РС – організаційно-економічних станцій (ОЕС), що підмкнуті  до  окремої загальнозаводської мережі або  інформаційної шини підприємства ІШП (LAN – Local Area Network або Factory Network) і виконують функції керування бізнес-процесами під-приємства.
 Розглянемо реалізацію наведеної структури на прикладі інтегрова-ної АСК цукрового заводу (рис.5.2), яка має три рівні вузлів та два рівні мереж.
Верхній рівень вузлів  складають такі організаційно-економічні стан-ції (ОЕС): дирекції (ОЕС-ДИР), відділу кадрів та табулювання (ОЕС-ВКТ), служби АСК (ОЕС-АСК), планово-економічного  відділу  та  відділу  праці і зарплати (ОЕС-ПЕВ), бухгалтерії (ОЕС-БУХ), складу буряку та сирови-нної лабораторії (ОЕС-СБЛ), складу цукру (ОЕС-СЦК), відділу матеріаль-ного технічного постачання (ОЕС-ПОС). 
Вузли  верхнього  рівня разом з вузлами середнього рівня керування підімкнуті до локально-обчислювальної мережі (ЛОМ),  причому до вуз-лів середнього рівня належать: робоча станція лабораторії (РСЛ), опера-торські станції  продуктового  відділення  (ОПС-ПРВ)  та ТЕЦ (ОПС -ТЕЦ),  а також диспетчерсько-координуюча станція (ДКС). Остання вико-

С -
АСКТП

С -
СКБД

С -
ДОД

С -
WEB

ОЕС

ВКТ

ЛОМ

ОЕС

АСК

ОЕС

ПЕВ

ОЕС

БУХ

ОЕС

СБЛ

ОЕС

СЦК

ОЕС

ПОС

ОЕС

ДИР

ДКС

РСЛ

ЛШУ-2

ЛШУ-3

ЛШУ-1

ЛТС

ТПБ

ЛТС

ДСС

ЛТС

БВУ

ЛТС

ВА1

ЛТС

ВА3

ЛТС

СШЦ

ЛТС

УПЦ

ЛТС

КА2

ЛТС

ТРЦ

ЛТС

ПДП

ЛТС

БПВ

ЛТС

ФЛТ

ЛТС

ВПВ

ЛТС

ВА2

ЛТС

ККМ

ЛТС

СШЖ

ЛТС

КА1

ЛТС

КА3

ЛТС

ПДВ

ЛТС

НСТ

ОПС

ПРВ

ОПС

ТЕЦ

Рис.5.2

ПШ

ПШ

1-а
ЛТС

ВП

ІШП

ПШВ

2-а
ЛТС

3-я
ЛТС

ВО

ДКС

1-а
ОПС

2-а
ОПС

3-я
ОПС

ВП

ВО

ВП

ВО

1-а
ОЕС

2-а
ОЕС

3-я
ОЕС

Рис. 5.1.

(LAN)

(LCN)

(FB)

(FB)

нує функції диспетчерської станції всього цукрового виробництва, а  та-кож функції оперативного керування тією частиною технологічного  ви-робництва, яке закінчується багатокорпусною випарною установкою.
Сервер АСКТП (С-АСКТП) разом з диспетчерською (координуючою) станцією (ДКС) утворюють систему збору інформації про технологічний процес та має локальну СУБД, що входить до складу С-АСКТП і має од-накову архітектуру з сервером центральної бази даних системи (С-СКБД). Вся інша інформація зберігається в сервері додатків (СД-ДОД). Через WEB-сервер (С- WEB) система може мати зв’язок з Internet.
До вузлів нижнього рівня належать такі локальні  технологічні станції (ЛТС): тракту подачі буряку (ТПБ), бурякопереробного відділення (БПВ), дефекосатурації та сульфітації (ДСС), фільтрації (ФЛТ), багатокорпусної випарної установки (БВУ), вапняного відділення (ВПВ), вакуум-апаратів першого (ВА1), другого (ВА2) та третього (ВА3) продуктів, кристалізато-рів з охолодженням та клерувальних мішалок (ККМ), відділень сушіння цукру (СШЦ), жому (СШЖ) та упаковування цукру (УПЦ), котлоагрегата №1 (КА1),  №2 (КА2)  і т.д., турбінного цеху (ТРЦ),  підготовки  води  (ПДВ) 
та пари (ПДП), насосної станції (НСТ). ЛТС разом з відповідними ОПС утворюють три локальні шини управління (ЛШУ). Перша (ЛШУ-1) відпо-відає ДКС, друга (ЛШУ-2) – ОПС ПРВ, третя (ЛШУ-3) – ОПС ТЕЦ. 
Таким чином, особливостями такої структури ІАСК є:
наявність дворівневої структури мереж з об'єднанням  у  верхній ме-режі  функцій  організаційно-економічного  та  оперативного  управління;
надання функцій диспетчерського управління операторській  станції, що керує основними технологічними дільницями виробництва соку;
        секціонування мережі нижнього рівня залежно від групування робо-чих станцій нижнього рівня навколо операторських станцій.
Обгрунтування першої особливості даної структури базується на та-кому очевидному положенні, що дворівнева мережова структура більш економічна ніж трирівнева. Що стосується іншої особливості, то наявні-сть центральної диспетчерської станції обов'язкова для таких систем, але, враховуючи функції операторської станції виробництва соку, для  спрощення структури їй доручені також функції  диспетчерського  управ-ління. Секціонування мережі нижнього рівня виконано для підвищення живучості ІАСК та спрощення технічної реалізації мережі нижнього  рів-ня.
Елементи наведеної структури виконують такі функції. 
Вузли верхнього рівня забезпечують адміністративно-комерційну діяльність  підприємства, виконуючи функції техніко-економічного плану-вання, бухгалтерського обліку, управління матеріальними, технічними,  трудовими та фінансовими ресурсами.
Функції техніко-економічного планування реалізуються з допомогою розв’язання такого комплексу задач: оптимальна виробнича програма під-приємства і реалізація продукції, технічний розвиток та організація виробництва, показники підвищення  економічної  ефективності вироб-ництва, норми та  нормативи, капітальне будівництво, потреба у  основ-них матеральних ресурсах, собівартість, прибуток та рентабельність, фонди економічного  стимулювання, фінансовий план, соціальний розви-ток, охорона природи та  раціональне використання природних ресурсів. 
Функції бухгалтерського обліку включають задачі з обліку: мате-ріалів, основних засобів, праці і заробітньої плати, витрат на виробни-цтво, готової продукції, платежі банку, розрахунки з дебіторами та креди-торами, а також  зведений звіт та його складання. Іноді додатково ство-рюється ОЕС-ФІН (фінанси), тоді перелічені вище функції ОЕС-ПЕВ та ОЕС-БУХ перерозподіляються і ОЕС-ФІН  розв’язує такі задачі: прибутки та надходження коштів, видатки та відрахування коштів, платежі до бюд-жету та асигнування  з бюджету, кредитні взаємовідношення.
Функції матеріально-технічного постачання  реалізуються у роз-в’язанні таких задач: формування фондів, замовлень та запасів мате-ріальних ресурсів, їх розподіл усередині виробництва. 
Функції збуту готової продукції містять задачі  підтримування норма-тивних запасів на складі заводу, прогнозування попиту, оперативний облік збуту, структури реалізації та  прибутку,  зменшення штрафів та не-устойок за порушення умов постачання. 
Вузли середнього рівня забезпечують керування виробництвом,  До функцій цих вузлів належать календарне та оперативне планування, оперативне керування та облік виробництва, координація роботи діль-ниць технологічного виробництва. При виконанні функцій календарного та оперативного планування розв’язуються задачі формування робочих про-грам на місяць, сезон, рік (календарне планування) та задачі опе-ративного планування на добу, зміну, годину.  Облік  виробництва насам-перед пов'язаний з розрахунком його техніко-економічних показників. Більшість задач планування та керування як на  цьому, так  і  на нижньо-му рівнях, розв’язуються за допомогою методів оптимізації, метою за-стосування яких є максимізація  технологічної складової  прибутку.
 Вузли нижнього рівня виконують функції  автоматичного  контро-лю та регулювання,  логіко-програмного керування  приводами та меха-
нізмами, сигналізацію стану технологічного процесу і обладнання, тобто аналогічні функціям нижнього рівня управління АСКТП. Результати роз-в’язання задач більш високого рівня керування використовуються як за-вдання чи обмеження при розв’язанні задач більш низького рівня керу-вання.

5.2. КОРПОРАТИВНА СИСТЕМА КЕРУВАННЯ  БІЗНЕС-ПРОЦЕСАМИ            

5.2.1. 	Загальна характеристика системи

У першому розділі зазначалося, що корпоративна система керува-ння бізнес-процесами (КСКБП) виконує ті ж функції, що і автоматизова-на система керування підприємством (АСКП) і відрізняється від оста-нньої об’єднанням різнородних мереж у корпоративну обчислювальну мережу (КОМ) та створенням єдиної системи керування бізнес-проце-сами (СКБП). 
Розвиток підприємства залежить від його здатності досягати запла-нованого рівня прибутку. Цього можно досягнути тільки шляхом планува-ння виробництва та постачання товарів замовникам без створення їх де-фіциту та надлишку. Спочатку це забезпечували системи MRP (Material Requirements Planning), які використовували методологію планування матеріальних ресурсів підприємства. Після того з’являється варіант пла-нування виробничих потужностей CRP (Capacity Requirements Planning), об’єднання якого з MRP привело до появи систем MRP II (Manufacturing Recourse Planning). Останні використовували як технологію об’ємно-ка-лендарного планування MPS (Master Planning Shedule), так і планування фінансових ресурсів FRP (Finance Recourse/ Requirements Planning). Ос-новною перевагою цих систем є формування послідовності виробничих операцій, які забезпечують своєчасне виготовлення вузлів для реалізації  плану випуску готової продукції.
Зміни світового ринку, пов’язані з глобалізацією постачання і збуту,  зменшенням тривалості життєвого  циклу  товарів,  збільшенням кількості 
виробництв  товарів  на  замовлення, зростанням конкуренції та інтенси-вності життя, змінили вимоги до управління бізнес-процесами та сприяли появі нових систем ЕRP (Enterprise Recourse Planning) для інтегрованого планування усіх бізнес-ресурсів підприємства: матеріальних, виробни-чих, фінансових та людських. Останньою в цій послідовності технологій керування бізнес-процесами є CSRP-система (Customer Synchronized  Recourse Planning), яка забезпечує повний життєвий цикл продукції – від її проектування за вимогами замовника і до гарантійного і сервісного обслуговування після продажу. 
Що стосується корпоративних мереж, то вони, як правило, створю-ються у  вигляді  Intranet, тобто складаються з кількох ЛОМ і серверів трьох видів: СКБД-сервера (сервера системи керування базою даних), сервера додатків та Web-сервера, через який корпоративна мережа може мати зв'язок з Internet. 
Основна тенденція розвитку цих систем пов’язана з масовим про-никненням Web-серверів і Web-технологій у корпоративне середовище. З’явився термін «Web-інтеграція», введений ІВМ, який використовується для застосування Web-технологій у побудові інформаційних систем під-приємства. Актуальними задачами тут стають інформаційна підтримка партнерів та клієнтів; перенесення частини бізнес-процесів у Internet та їх  автоматизація; створення  корпоративних  порталів, які об’єднують існуючі на підприємстві підсистеми логістики, продажу, докуметообігу тощо. Завдяки унікальним властивостям Web-технологій стає можливим використання дешевих засобів інтеграції інформації і бізнес-процесів як усередині підприємства, так і з партнерами та клієнтами, розв’язання практичних задач керування роботою підприємства, а в деяких випадках Web-інтеграція  проведена  на  основі  детального  аналізу бізнес-проце-сів підприємства стає недорогою і швидкою альтернативою класичній си-стемній інтеграції.
Для вибору і впровадження таких систем використовують один із трьох варіантів:
•	використання програмного продукту всесвітньовідомих розробни-ків (Вааn, J.D.Edwards, i2 Technologies, IBM, Oracle, PeopleSoft, Scalа, SAP, Siebel System, Microsoft і деяких інших). У країнах СНД на підприє-мствах середньої та малої потужності найбільше поширення отримали продукти «1С». Ці системи мають найбільшу вартість і потребують прив’язування до умов конкретного підприємства;
•	використання програмного продукту минулих поколінь, що тим-часово економить кошти, але тільки відкладає перехід на нові технології;
•	арендування у спеціалізованих провайдерів (Application Service Provider – ASP) корпоративних додатків, що забезпечує підприємству доступ  до необхідних програмних продуктів і пристроїв зберігання да-них. У цьому раз підприємство відносно недорого отримує можливість експлуатації сучасної корпоративної системи, а спеціалістам підприєм-ства залишається тільки установка й обслуговування РС та підтримка мережної інфраструктури в належному порядку.

5.2.2. Використання Web-технологій

Використання Web-технологій пов’язано із застосуванням Intеrnet- технології і Intranet-мережі для передачі даних в ЛОМ. Ця мережа фун-кціонує за тими же принципами, що і мережа Intеrnet, але, як зазна-чалось вище, в межах корпоративної мережі. 
Основною перевагою Intranet порівняно з локальними мережами є зменшення витрат на підмикання до мережі віддалених користувачів. Крім того, в Intranet значно легше забезпечити зв’язок між користува-чами, можна проводити відео конференції, організовувати навчання ко-ристувачів, користуватися послугами електронної пошти, оновлювати ін- формацію в режимі реального часу паралельно з роботою користувачів, тобто реалізувати ті функції, які часто виникають при керуванні бізнес-процесами. Водночас  локальні мережі забезпечують більш надійний захист інформації і більш гнучкий розподіл апаратних ресурсів мережі.
Основними компонентами  Intranet є Web-сервери, Web-сторінки і Web-броузери. Web-сервери – це комп’ютери, що керують підмиканням до Intеrnet і зберігають Web-сторінки та відображають їх при отриманні запиту від Web-броузера. Web-сторінки – це текстові файли, які мають інструкції для збору і відображення будь-якої інформації у текстовому чи графічному форматі. Web-броузер – це спеціальна програма, яка  пра-цює так, як в Intеrnet World Wide Web, тобто вона звертається до серве-рів і отримує сторінки, а також відображає зміст цих сторінок відповідно до інструкцій, що там зберігаються. 
Web-сторінки зв’язані між собою з допомогою гіпертекстових поси-лань, які мають вигляд тексту або малюнка і розташовані у довільному мі
сці сторінки. Web-сторінки використовуються не тільки для відображення інформації. У них можуть бути вставлені додаткові програми або поси-лання  на  такі  програми, розташовані  на  сервері, які збирають інфор-мацію, обробляють її та виводять результати в текстовому або графіч-ному форматі. Таке централізоване зберігання додаткових програм знач-но знижує витрати засобів і часу на керування і експлуатацію мережі.
Структура Intranet, що складається зі сторінок і посилань, дозволяє використовувати на РС, підключених до Intranet, різні ОС і апаратне за-езпечення за умови, що вони застосовують сумісний з Internet броузер. В цьому разі сторінка, що надсилає Web-сервер на запитання Web-броу-еров, які працюють на РС, наприклад, під UNIX і під Windows, буде  мати однаковий вигляд на цих РС. 
Створючи Intranet, необхідно послідовно вибрати програмне і апа-ратне забезпечення. Практично всі  мережні  ОС  можуть бути викорис-тані в Іntranet, причому їх новітні версії підтримують протокол ТСР/ІР і мають у своєму складі Web-сервер і Web-броузер. До програмного за- безпечення Intranet належать також:
*	 програми для створення Web-сторінок; 
*	 машина пошуку (спеціальна програма пошуку інформації в Web-сторінках); 
*	 транслятор обміну даними між існуючою БД і Web-застосувань. 
Апаратне забезпечення Intranet відрізняється від апаратного забез-печення локальних мереж тільки наявністю Web-сервера, але необхідно, щоб РС мали швидку графічну підсистему, а також враховували, що Web-сторінки можуть містити звук і анімацію. Монітори повинні мати високу роздільну здатність.
Для використання Web-технологій в мережах нижнього рівня АСКТП фірма Schneider Electric пропонує вбудований Web-сервер як модуль ко-нтролерів TSX Premium, Quantum i Momentum, який забезпечує дві клю-чові комунікаційні функції: використання HTTP-сервера і можливість під-микання до мережі Ethernet за протоколом ТСР/ІР, а також реалізацію вбудованого інтерфейсу користувача або інтерфейсу, підготовленого на основі Web-утіліт. Функція Web забезпечує можливість доступу на вбу-довану Web-сторінку з використанням стандартного Internet-броузера і дозволяє продивлятися сторінки діагностики контролера, конфігурації входів/ виходів, внутрішніх змінних та бібліотеки шаблонів. Web-утіліти дають також додаткові можливості з розробки HTML-сторінок з даними реально-го часу контролерів, гіперпосиланнями на інші ресурси Internet, розвине-ною системою авторизації та завантаженням цих сторінок у ПЛК.
Для застосування Web-технологій в корпоративних бізнес-системах компанія Microsoft пропонує Commerce Server 2002 (MCS’02), що є одним серверних  продуктів, які  утворюють фундамент нової технологічної пла-тформи .NET. MCS’02 може використовуватися як інтегрована платфор-ма  корпоративних  Web-вузлів з підтримкою різноманітних функцій еле-ктронної комерції (е-сommerce):  проведення  маркетінгових акцій;  пози-цювання товарів та послуг в певних сегментах ринку;  створення і керу-вання електроними каталогами товарів і послуг;  проведення торгових операцій через Internet;  аналіз динаміки продажів різних товарів за гру-пами покупців;  організація поштової електронної реклами тощо. 
Кожна інсталяція MCS’02 маніпулює чотирма категоріями об’єктів:
*	 сайти, що є набором Web-застосувань, і надають єдиний інтер-фейс адміністрування, механізми забезпечення безпеки і розмежування прав доступу для усіх Web-застосувань;
*	 ресурси – надають інформацію або бізнес-логіку для роботи сайтів (наприклад, сховище даних, комунікаційні системи, спеціалізовані сер-верні  програми  тощо;  поділяються  на  дві категорії: ресурси сайта (доступ мають застосування одного сайта) та глобальні (доступ мають застосування всіх сайтів даної інсталяції);
*	 застосування – власне програмне забезпечення для конкретної реалізації комерційних та некомерційних сайтів;
*	 Web-сервери – реальні комп’ютери, причому кожна інсталяція MCS’02 може взаємодіяти з одним або кількома Web-серверами.
Архітектура побудови сайта складається максимум з п’яти взаємо-зв’язаних систем: бізнес-аналітики та звітності (Business Analitics Sys-tem); збирання маркетинго-демографічної інформації про споживачів (Profiling System); каталогів товарів і послуг (Product Catalog System); персоналізації інформації (Targeting System); каналів бізнес-процесів КБП (Business Processing Pipelines System). Під час розгортання шаб-лона побудови сайта створюються його бази даних (SQL Server), також з’являється спеціалізоване Web-застосування – пульт  керування  бізнес-процесами ПКБП (Commerce Server Business Desk), з допомогою якого бізнес-менеджери працюють з перерахованими системами.
КБП призначені для  підтримки різних автоматизованих бізнес-тран-закцій (наприклад, оформлення замовлень на постачання товарів, про-ведення купівлі, розсилання рекламних повідомлень тощо). Кожний та-кий канал є послідовністю дій, які повинна виконати система під час про-ведення конкретних бізнес-транзакцій (наприклад, під оформлення за-мовлень це може бути завдання способів доставки, надання скидок, пе-рерахунок вартості замовлення в тій чи іншій валюті тощо).
У застосуванні електронної комерції однією з основних функцій Web-вузлів є збір і аналіз інформації про споживачів та проведення реклам-них компаній для збільшення обсягів продаж товарів та послуг. Для реалізації цих функцій в МСS’02 передбачена достатньо розвинена ін-фраструктура. Журнали відвідань сайтів можуть бути імпортовані у схо-вище даних, а підсистема звітів з допомогою цих даних надає бізнес-менед-жерам різні зрізи цієї інформації на сторінках ПКБП (виділення та сегментування ринків і цільових груп відвідувачів сайтів, статистика від-відувань певних ресурсів тощо). Система збирання маркетинго-демо-графічної  інформації про споживачів доповнює ці дані залученням відві-дувачів в заповнення різних форм зворотнього зв’язку. З допомогою цієї інформації бізнес-менеджери укладють списки користувачів, для яких у подальшому будуть проводитися цільові рекламні акції з використанням електронних засобів.

5.2.3. Функції та структура системи керування

Система керування бізнес-процесами підприємства (СКБП) будує-ться за такими основними принципами:
інтеграція усіх виробничих сфер – СКБП  являє собою комплекс  програм, що об’єднує різні служби підприємства, які функціонують в єди-ному інформаційному середовищі;
модульність – система складається з підсистем та компонентів, при-чому кожний  компонент  може  використовуватися  автономно або у ком-
бінації з іншими компонентами. Це дозволяє користувачу самостійно виз-начати конфігурацію системи;
автономне конфігурування автоматизованих робочих місць (АРМ) – конфігурується автономно залежно від задач, які на ньому виконують-ся, причому права користувача АРМа на доступ до функцій і компонентів системи визначає її адміністратор;
єдина відкрита база даних – відкритий доступ як до інформації опе-ративного характеру, так і до архіву, причому дані,введені зі одного ро-бочого місця, відразу стають доступні всій системі. Система має дозво-ляти  проводити  багаторівневий  контроль  вводу  та обробки інформа-ції, тобто контроль за збутом продукції можна проводити не тільки з служби збуту, але і з бухгалтерії. Доступ до файлів даних можливий та-кож через такі стандартні додатки як Access, Excel та інші; 
архітектура “клієнт-сервер” – для забезпечення необхідної  швид-кісті та надійністі функціонування системи;
багатоофісність – можливість вести облік фінансових операцій од-ночасно на кількох підприємствах об’єднання або кількох відділеннях компанії, причому дані щодо цих операцій можуть зберігатися як в єди-ній, так і в розподілених за окремими підприємствами  базах даних;
надійність та безпека обробки інформації – застосування алгорит-мів логічного контролю вхідних даних для підвищення її достовірності, створення резервних копій баз даних для захисту інформації в разі збоїв технічних засобів, кодування даних при передачі інформації. 
На  рис.5.3   наведена одна з можливих  функціональних  структур СУБП.  Якщо функції СКБП мало  змінюються  від  системи  до  системи,  то склад підсистем цієї системи значною мірою залежить від уподобань фірми-розробника і може змінюватися від чотирьох (збут-постачання, бухгалтеррія, кадри, виробництво)  до 8-ми підсистем. В останьому випа-дку за рахунок перерозподілу функцій додається ще 4 підсистеми:  
“торгівля“ з перерозподілом функцій підсистеми “постачання-збут”,
“фінансовий аналіз“ з перерозподілом функцій підсистеми “бухгалте-рія”,
“адміністратор“ з перерозподілом функцій підсистеми “кадри”.
“матеріальні потоки“ з перерозподілом функцій підсистеми “виробни-цтво”.
Кожна підсистема складається з компонентів. Крім того, функціона-льно до складу СКБП входять:
інтегрована база даних, в якій зберігаються такі дані: первинні до-кументи, об’єкти обліку, картки складського обліку, інвентарні картки, ка-талог та курси валют,  прайс-листи, податки та послуги, договори закупі-влі / продажу, рахунки-фактури, складські документи, план розрахунків, сальдо по рахунках, фінансово-господарські операції, бухгалтерські про-водки, лицьові картки, нарахування та утримання, розрахункові картки, економічні нормативи, аналітичні показники та довідники;

Рис.5.3

ЗАСОБИ КЕРУВАННЯ  БД

ІНТЕГРОВАНА БАЗА ДАНИХ

ЗАСОБИ ВЗАЄ-МОДІЇ З ІНШИМИ СИСТЕМАМИ

ПОСТАЧАННЯ -
ЗБУТ

БУХГАЛТЕРІЯ

КАДРИ

ВИРОБНИЦТВО

засоби керування базою даних, до яких належать генератор звітів, редактор текстів, інтерпретатор графічних об’єктів, мова запитань до БД,
засоби доступу к БД, засоби доступу до таблиць БД, засоби імпорту/екс-порту даних;
засоби взаємодії з іншими системами, які включають засоби обмі-ну інформацією з віддаленими торговельними закладами та засоби імпо-рту платіжних документів у систему “клієнт-банк”.

5.2.4. Підсистеми та компоненти системи керування   

Розглянемо тепер функції та структуру основних підсистем та компо-нентів СКБП. Нарощена схема функціональної структури  СКБП з виді-ленням не тільки підсистем, але й компонентів, наведена на рис.5.4. При її розгляді треба враховувати, що інформаційні потоки є відображенням фінансових та матеріальних потоків, а також  потоків документів.
Підсистема “постачання-збут” призначена для автоматизації фун-
кцій постачання, збуту  та  складських  операцій і складається з чотирьох
компонентів:
компонент “постачання” реалізує повний комплекс операцій, по-в’язаних з надходженням товарно-матеріальних  цінностей (ТМЦ): плану-вання поставок; регістрація рахунків та контрактів на закупівлю; регістра-ція накладних та оприбутковування за ними; отримання інформації про запаси на складах, про надходження ТМЦ, про сплату рахунків та борги перед постачальниками; взаєморозрахунки; інформація  про  витрати  на закупівлі за будь-який період. Компонентом користуються менеджери з закупівель, спеціалісти відділу постачання, працівники бухгалтерії та ін-ших служб, пов’язаних з закупівлею ТМЦ;

ЗАСОБИ ВЗАЄ-МОДІЇ З ІНШИМИ СИСТЕМАМИ

ІНТЕГРОВАНА БАЗА ДАНИХ

ЗАСОБИ КЕРУВАННЯ  БД

ВИРОБНИЦТВО

КАДРИ

БУХГАЛТЕРІЯ

ПОСТАЧАННЯ -
ЗБУТ

ЩОДЕННИЙ ОБЛІК

ВЕДЕННЯ МАТЕ-РІАЛЬНИХ НОРМ

ПОСТАЧАННЯ

КАДРИ

ВЕДЕННЯ ТРУ-ДОВИХ НОРМ

ЗАРПЛАТА

ФІНАНСИ

ЗБУТ

ЗАМОВЛЕННЯ -
ПЛАН - ПОТРЕБА

ЗВІТИ

СКЛАД

СОБІВАРТІСТЬ

ОСНОВНІ ЗАСОБИ

Рис.5.4

компонент “збут”  реалізує повний комплекс операцій, пов’язаних з реалізацією ТМЦ: планування продажів, оформлення та друк рахунків, договорів та накладних; формування продажних цін та друк прайс-арку-шів; отримання інформації про запаси на складах, відвантажені ТМЦ, сплату рахунків та розрахунки з споживачами, прибутки за будь-який пе-ріод;  контроль ефективності роботи менеджерів. Компонентом корис-туються менеджери торгових відділів, спеціалісти відділу збуту, праців-ники бухгалтерії та інших служб, пов’язаних з реалізацією ТМЦ;
компонент “склад”  реалізує повний комплекс операцій, пов’яза-них з обліком, зберіганням та внутрішнім переміщенням ТМЦ: відпуск на виробництво та стороннім організаціям; списання, надходження та пере-міщення; комплектація та розукомплектація; інформація про кількість та вартість запасів ТМЦ у підрозділах підприємства. Цей компонент у свою чергу може складатися з чотирьох елементів: облік, прихід, витрата та контроль ТМЦ. Компонентом користуються менеджери, працівники скла-дів,  бухгалтерії  та  інших служб,  пов’язаних  з обліком  ТМЦ. При іншо-му структурному вирішенні він може входити у склад окремої підсистеми з керування матеріальними потоками.
Підсистема “бухгалтерія” призначена для автоматизації фінан-сово-облікових операцій і складається з таких компонентів:
компонент “щодений облік” автоматизує роботу з касовими доку-ментами, банковськими платіжними документами, розрахунки з підзвітни-ми особами, ведення та облік депонентів.  Цей компонент може склада-тися з таких елементів: каса, банк, розрахунки з підзвітними особами, книга господарських операцій, нормативно-довідкова  інформація. Ком-понентом користуються працівники  бухгалтерії;
компонент “фінанси” призначений для автоматизації формування відомостей, аналітичного обліку, оборотних відомостей, головной книги, розрахунку проводок та документів по них. На основі розрахунків прово-диться аналіз бухгалтерської діяльності як по одній, так і по кількох фіна-
нсових групах одночасно. Цей компонент також може бути поділений на 3 елементи: аналітичний облік, оборотні відомості, розрахунки. Компоне-нтом користуються спеціалісти планово-економічного відділу та праців-ники бухгалтерії;
компонент “звіти”  автоматично формує стандартні та нестанда-ртні звітні документи, такі, як баланс підприємства, звіт про фінансові ре-зультати та їх використання, розрахунок додаткових платежів у бюджет, розрахунок середньорічної вартості майна підприємства, розрахунок по-датку на прибуток та інші. Компонентом користуються працівники бухга-лтерії;
компонент “основні засоби” призначений для автоматизації фун-кцій обліку основних засобів (ОЗ) і нематеріальних активів: веде картки ОЗ і нематеріальних активів, виконує облік операцій з надходження, вибування, переміщення ОЗ,  розраховує амортизацію і проводить пе-реоцінку, формує різні відомості. Може складатися з елементів: облік, надходження і вибуття ОЗ, контроль, довідники. Компонентом користую-ться працівники бухгалтерії та інших служб, які пов’язані з обліком ОЗ та нематеріальних активів.
До складу цієї підсистеми може бути включений і компонент “міжна-родна бухгалтерська звітність”, який призначений для відображення гос-подарської діяльності у міжнародних стандартах і використовується пра-цівниками бухгалтерії та керівництвом підприємства.
Підсистема “кадри” призначена для автоматизації роботи відділу кадрів підприємства і складається з таких компонентів:
компонент“кадри” автоматично формує штатний розпис, веде об-лік співробітників за професіями, категоріями, військовими званнями, посадами тощо,  розраховує  вислугу років, веде облік наказів про при-йом нових співробітників, їх переходи, звільнення та зміни. Інформація про кадри використовується у всіх інших компонентах СУБП;
компонент “зарплата” призначений для автоматизації збору та накопичення інформації з виплати заробітньої плати; розрахунків з на-рахування  та утримання з зарплати, нарядів та шляхових аркушів, лікар-няних, відпускних та міжрозрахункових виплат; формування необхідних відомостей та реєстрів; виконання бухгалтерських проводок. Компонен-том користуються працівники бухгалтерії.
Підсистема “виробництво” призначена для автоматизації функцій планування виробництва і оцінки економічних показників підприємства. Він реалізує повний комплекс операцій, пов’язаних з веденням нормати-вно-довідкової інформації (номенклатура та склад виробів, технологічні операції, види робіт і т.п.); розрахунками плану виробництва на кожен місяць по кожній дільниці,  потреби в матеріальних та трудових ресур-сах, витрат на  виробництво, нормативної собівартості. Ця підсистема складається з чотирьох компонентів: 
компонент “ведення матеріальних норм”: ввід номенклатури та характеристик об’єктів обліку: матеріалів, покупних виробів, напівфабри-катів та готової продукції; розрахунок норми витрати матеріалів та засто-сування покупних виробів;
компонент “ведення трудових норм”: ввід інформації про трудо-ві норми, види робіт, технологічні операції, норми часу, тарифні ставки; перерахування тарифних ставок, а також норми оплати праці при зміні тарифних ставок;
компонент “замовлення – план виробництва – потреба”: ввід інформації про склад виробничих замовлень, запаси напівфабрикатів на початок кожного місяця, фактичний випуск продукції; розрахунок плану виробництва на місяць та резервування матеріалів під замовлення;
компонент “собівартість”: ввід інформації про ціни на матеріали та покупні вироби, параметри статей калькуляції, відсотки розрахунку накладних витрат, кошториси накладних витрат; розрахунок планово-об-лікових цін матеріалів та покупних виробів, собівартості, витрат на ви-робництво, калькуляції собівартості окремих виробів. 
Підсистемою користуються спеціалісти планово-економічного відділу та відділу праці та заробітної плати.
Американська асоціація керування виробництвом і запасами (APICS) вважає, що сучасна система керування підприємством, яка відповідає концепції ERP, повинна мати такі складові:
керування ланцюжком постачання (SCM – Supply Chain Manage-ment);  
вдосконалення планування і складання розскладів (APS – Advanced Planning and Scheduling);
автоматизація продаж (SFA – Sales Force Automation);
автономне конфігурування (SACE – Stand Alone Configuration Engine);
заключне планування ресурсів (FRP – Finite Recource Planning);
аналіз даних у реальному масштабі часу (ВІ – Business Intelligence);
електрона комерція (EC – Electronic Commerce);
керування даними про продукцію (PDM – Product Data Management).

5.3.  КОРПОРАТИВНА  ОБЧИСЛЮВАЛЬНА  МЕРЕЖА 

Корпоративна обчислювальна мережа (КОМ) є мережею, що об’єд-нує кілька різнорідних ЛОМ в межах підприємства, фірми або корпорації. Під час створення КОМ виникають проблеми, пов’язані з об’єднанням (комплексуванням) різних невеликих ЛОМ у мережу з сотнями і навіть тисячами вузлів та  утворенням  магістралі   корпоративної мережі. При цьому для передавання інформації використровуються протоколи верх-ього рівня архітектури ISO.

5.3.1. Протоколи верхнього рівня 

Протоколи верхнього рівня  за моделлю OSI на відміну від протоко-лів нижнького рівня мають засоби для забезпечення правильної послідо-вності приймання даних при перенаправленні файлів, а також засоби для ідентифікації прикладних програм, які мають потребу в обміні да-ними. Незалежно від внутрішньої конструкції кожного конкретного прото-колу всі вони мають спільні функції і властивості:
1) 	ініціалізація зв’язку. Кожний протокол має засоби для ідентифіка-ції РС за ім’ям або(та) номером. Обмін інформацією між вузлами ак-тивізується після ідентифікації РС, що ініціює діалог, вузла-адресата (на-йчастіше  файлового  сервера), причому  втановлюється  один  з  двох типів діалогів: дейтаграма або сеанс. Дейтаграма – це повідомлення, що  передається  в  довільний  момент  часу і  не потребує підтвердже-ння про його прийом одержувачем. Якщо таке підтвердження потрібне, то адресат посилає спеціальне повідомлення. Кожна дейтаграма є само-стійним повідомленням і за наявності кількох дейтаграм порядок їх дос-тавки не гарантується, але швидкість передачі дейтаграм більша, ніж повідомлень у сеансах. Сеанс – це створення логічного зв’язку для обмі-ну повідомленнями між РС із гарантією їх отримання; 
2) відправлення та отримання повідомлень РС-джерелом та РС-адресатом виконується відповідно до засобів, що є у протоколу. Оста-нній накладає певні обмеження на довжину повідомлень і, крім того, надає учасникам діалогу сеансового типу засоби для визначення статусу діалогу;
3) закінчення обміну також виконується за допомогою засобів, які має відповідний протокол.
Становлення корпоративних мереж, як зазначалося вище, тісно по-в’язано з мережею  Internet,  у  рамках  якої були реалізовані основні при-нципи міжмережевих з’єднань та з’явилася нова група міжмережевих протоколів або ІР(Internet Protokol)-протоколів. Найбільш поширеними серед них є стек протоколів ТСР/ІР, тобто послідовність протоколів, які беруть безпосередню участь у передаванні інформації. Це два основні протоколи  мережі Internet. Протокол  ІР є протоколом мережного рівня моделі OSI, він  забезпечує маршрутизацію (доставку за адресою) ме-режевих пакетів, тобто  обмін дейтаграмами, і відповідає за адресацію мережевих вузлів. Протокол ТСР (Transmission Control Protocol) є про-токолом транспортного рівня і забезпечує встановлення надійного з’єд-нання між РС і власне передачу даних, контролює оптимальний розмір пакета і реалізує перепосилання його у разі збою. Цей протокол вважа-ється найбільш функціонально повним і підтримується практично кожною мережевою ОС. Перевагою  цього  протоколу  є  відсутність обмежень на кількість одночасно встановлених з’єднань, тобто кожна РС у деякий проміжок часу може об-мінюватися даними з будь-якою кількістю інших РС по одній фізичній лінії.  Інша перевага цього протоколу в тому, що ме-режі з ним можуть об’єдну-вати РС з різними ОС. 
Ієрархію керування в ТСР/ІР-мережах іноді зображують у вигляді п’я-тирівневої моделі:
1) 	рівень (нижній) апаратних засобів передачі даних (Hardware Level); 
2) 	рівень мережного інтерфейсу (Network Interface) відповідає про-грамному забезпеченню, що реалізує передачу даних на тій чи іншій ді-льниці фізичного середовища. Зазначимо, що протоколи ТСР/ІР орієн-товані на незалежність від середовища  передачі даних, тому ніяких об-межень на програмне забезпечення вони не накладають; 
3) 	міжмережний рівень (Internet Level) представлений протоколом ІР.
Крім маршрутизації його задачею є приховування  апаратно-програмних особливостей середовища передачі даних і подання більш високим рів-ням єдиного уніфікованого і апаратно незалежного інтерфейсу для дос-тавки інформації. Досягнення при цьому канальної (апаратної) не залеж-ності забезпечує використання програмних застосувань, що працюють над ТСР/ІР;
4) 	транспортний рівень (Transport Level) представлений протоколами ТСР і протоколом дейтаграм користувача UDP (User Datagrama Protokol). Перший, на відміну від другого, є протоколом встановленого  з’єднання, при якому два вузли «домовляються» про обмін потоком даних і погод-жують керування цим потоком. При застосуванні другого інформаційний пакет оброблюється і поширюється від вузла до вузла не як частина потоку, а як незалежна одиниця інформації – дейтаграма;
5) 	прикладний рівень (Application Level) має прикладні задачі, які ви-користовують  обидва  транспортні протоколи: задачі обмін файлами (Fi-le Transfer Protocol – FTP) та термінальний доступ до віддалених серве-рів (Telnet);  обмін повідомленнями електронної пошти (Simple Mail Tran-sfer Protocol – SMTP) та тривіальний протокол FTP (Trivial File Transfer Protocol – TFTP) – UDP. Останній застосовують для дистанційного заван-таження без дискових РС, він забезпечує двобічну без автентифікації передачу файлів між вузлами ТСР/ІР.
Зв’язок перелічених рівнів відбувається таким чином. Прикладний рі-вень передає транспортному повідомлення (message), яке має відповід-ний розмір і семантику. Транспортний рівень «розрізає» це повідомлення у разі, коли воно досить велике на пакети (paket), які передаються між-мережному рівню, тобто протоколу ІР. Останній формує ІР-пакети (ІР-дейтаграми) та запаковує їх у кадри (frame), які підходять для даного фі-зичного середовища передавання інформації.   

5.3.2. Утворення магістралі корпоративної мережі і зв’язок з Internet

1. Утворення магістралі корпоративної мережі можливе з допомо-гою одного з чотирьох наведених нижче варіантів. 
•	 Використання технології FDDI та багатопродуктивних мар-шрутизаторів. Цей варіант пов’язаний зі збереженням існуючої магіст-ралі, побудованої на технології FDDI, і підмиканням локальних мереж за допомогою маршрутизаторів. Варіант має два вузьких місця – ШПД FDDI 100 Мбіт/с і суттєві затримки, що створюють маршрутизатори при обро-бці пакетів. Якщо зазначена швидкість достатня для передавання всього ма-гістрального трафіку, то застосовують такі способи прискорення ро-боти маршрутизаторів:
1) за рахунок розпаралелювання обробки пакетів мультипроцесор-ними маршрутизаторами або переведення процедур маршрутизації з процесорного рівня на рівень ASIC (прикладної інтегрованої схеми);
2) за рахунок скорочення кількості операцій при маршрутизації паке-тів, що утворюють у мережі стабільні потоки даних (dataflow). У цьому ви-падку маршрутизатори мають локальні схеми, які знаходять довгогрива-лі з’єднання  між двома конкретними вузлами та додатками, запам’ятову-ють маршрутну інформацію, необхідну для обробки пакетів таких потоків, маркують такий пакет на вході у магістраль спеціальною позначкою і далі швидко обробляють ці пакети без аналізу ІР-заголовка та таблиці марш-рутизації.
*	 Використання технології АТМ (Asynchronous Transfer Mode – режим асинхроної передачі). Це швидкодіючий дуплексний метод пере-дачі, при якому кожна РС отримує власне з’єднання з комутатором АТМ, які з’єднані двоточковими лініями зв’язку, причому до кожної РС можна звертатися незалежно, поза циклом (асинхронно).  У цьому випадку магі-страль  має  не  тільки  більшу  ШПД порівняно з попереднім варіантом, але добре масштабується, тому що більшість інтерфейсів комутаторів АТМ розраховані на ШПД не тільки 155 Мбіт/с, але і 622 Мбіт/с, з подальшим збільшенням її до 1,28 Гбіт/с. Крім масштабування швид-костей, що дозволяє модернізувати магістраль без заміни обладанання, АТМ має найбільш розвинений зараз механізм підтримки необхідної яко-сті обслуговування для трафіку різного типа: від голосового і відеокон-ференцій до пульсуючого трафіку Web-вузлів. Однак перехід на магіст-раль з АТМ вимогає заміни комутаторів і маршрутизаторів з інтерфейс-сами Ethernet, Fast Ethernet  або FDDI на комутатори АТМ із складною системою сигналізації, суттєво більшою вартістю за порт і необхідністю навчання персоналу, що обслуговує мережу.  Крім того, досі не розв’яза-на проблема взаємодії магістралі АТМ  з локальними мережами на тра-діційних протоколах. Не вистачає також специфікацій, на базі яких в од-ній мережі працювало б обладнання  різних  виробників. Існуючі методи LANE, Classical IP та МРОА тільки частково розв’язують цю задачу.
Специфікація LANE(LAN Emulation) перетворює магістраль з АТМ комутаторами на розподілений комутатор, що підтримує традіційні про-токоли локальних мереж, наприклад, Ethernet або FDDI, але це не розв’язує проблеми роботи через магістраль локальних мереж, підімк-нутих через маршрутизатор, тому що пристрої LANE працюють тільки на канальному рівні, а відмова від маршрутизаторів при створенні магіст-ралі корпоративної мережі неможлива. 
Стандарт Classical IP регламентує роботу маршрутизаторів через магістраль АТМ тільки для протокола ІР. Це достатньо давно розроб-лений перший варіант механізму співіснування маршрутизованих мереж і мереж АТМ і тому він не розв’язує всі задачі автоматизації роботи маршрутизаторів через мережу, що не підтримує  широкомовність.
Специфікація МРОА (Multiprotocol оver ATM), яка  повинна  визначи-ти роботу багатопротокольних маршрутизаторів через магістраль АТМ і бути одночасно сумісною з LANE, поки що не знайшла підтримки АТМ Forum* та ключових виробників маршрутизаторів. Однак і за наявності стандарту на роботу багатопротокольних маршрутизаторів через АТМ і достатньої продуктивності цих маршрутизаторів особливості роботи си-стеми сигналізації комутаторів АТМ утруднюють їх використання в магі-стралях корпоративної мережі, тому суттєво збільшується час встанов-лення нових з’єднань, який досягає мілісекунд.
•	 Використання методів прискореного передавання ІР-трафі-ку. Цей варіант пов’язаний з нестандартним способом роботи комутато-рів АТМ. При цьому формат чарунок АТМ, способи поділу пакетів на ча-рунки і наступне складання чарунок у пакети локальних мереж, а також використання невеликого поля номера віртуального каналу VPI /VCI  для
прийняття комутатором рішення про передавання чарунки з порту до порту залишаються без змін.  Змінюється  тільки  спосіб прокладання но-
* АТМ Forum - міжнародна організація, мета якої – сприяння розвитку АТМ як у промисловості, так і у кінцевих користувачів

вого віртуального каналу через мережу АТМ, причому для цього не потрібне проходження запиту через всі комутатори на шляху нового віртуального каналу. Кожний комутатор будує свою таблицю номерів VPI / VCI для проходження чарунок через свої порти відносно незалежно від інших комутаторів, так що для утворення віртуального шляху не потрібна згода всіх інших комутаторів, через які він проходить. 
Віртуальні шляхи прокладають через магістраль тільки для тривалих потоків пакетів даних. Для одиночних пакетів, що не утворюють потоку, комутатори АТМ працюють  як  звичайні ІР-маршрутизатори, тобто обро-бляють  кожний  пакет  відповідно до його заголовка і використовують та-блицю маршрутизації для прийняття рішення про проходження пакета через мережу АТМ.  Як тільки комутатор  знаходить  сталий потік, що про   
ходить через його порти, він встановлює для нього нове віртуальне з’є-днання і надає йому нову адресу VPI / VCI. Далі всі пакети, що надходять в примагістральний АТМ-комутатор, під час поділу на чарунки АТМ маркують адресою VPI / VCI і комутують без затримки на виконання мар-шрутизації всіма комутаторами магістралі АТМ, через які проходить пакет.
Прискорення передавання потоків даних досягається за рахунок ско-рочення часу утворення віртуальних каналів в комутаторах АТМ порівня-но зі стандартною процедурою. Однак при цьому магістральні комута-тори виконують і функції звичайних маршрутизаторів, тому що при обро-бці ІР-пакетов вони будують таблиці маршрутизації, для чого пітримують стан-дартні протоколи обміну маршрутною інформацією, такі як RIP або OSPF. Крім того, вони підтримують локальний протокол поширення маршрутної інформації за АТМ-мережею для побудови таблиць VPI / VCI номерів. Для  підтримки  стандартних АТМ-мереж такі комутатори  мо-жуть створювати  віртуальні  шляхи і стандартним способом з допомогою системи сигналізації. Однак техніка прискореної передачі ІР-трафіку че-рез АТМ-ма-гістралі залишається поки нестандартною.
*	 Використання технології Gigabit Ethernet. У цьому випадку швидкість окремих частин магістралі може гнучко підстроюватися під по-треби трафіку, тому крім Gigabit Ethernet (GE) може використовуватися і Fast Ethernet. Gigabit Ethernet перевищує АТМ-комутатори за ШПД           (1 Гбіт/с проти 622 Мбіт/с), має меншу вартість і не потребує перенав-чання персоналу. Основний недолік всіх мереж Ethernet – гірша якість обслуговування трафіку користувачів, що суттєво в разі, якщо в мережі передаються чутливі до затримок дані. У разі ж, коли основний потік ста-новлять дані файлового сервісу, відсутність гарантій якості обслугову-вання не буде впливати на роботу користувачів мережі. Крім того, велика ШПД  частково  компенсує відсутність механізмів гарантованої пропуск-ної здатності і затримок, тому що пакет 1500 байт передається через незавантажену магістраль GE лише за 12 мкс, а з завантаженням на 30-50% – 30 мкс, що значно менше від затримки у 20 мс, за якої стає по-мітним погіршення якості відеокадрів. 
Порівнюючи наведені варіанти, зазначимо, що технологія FDDI, яка традіційно використовувалася для побудови магістралі КОМ, зараз здає свої позициї, але вибір варіанта для її  заміни досить – складна задача насамперед через відсутність стандарту на більшість перспективних ва-ріантів. Він залежить від вимог додатків до якості обслуговування їх тра-фіку. У багатьох випадках у разі не дуже чутливих до затримок додатків вибирають GE, а для трафіку реального часу – АТМ з використанням ме-тодів прискореного передавання ІР-трафіку. При застосуванні GE досяга-ється добра сумісність з внутрішніми  локальними мережами у разі вико-ристання ними протоколів Ethernet і Fast Ethernet, крім того, поява 10 GE дозволить цій технології зайняти міцні позиції в глобальних мережах. При застосуванні АТМ не виникає проблем з підмиканням до теріторі-альної магістралі провайдера, який часто використовує також цю тех.-нологію. 
2. 	Зв’язок з Internet та його пропускна спроможність, яка значно менша від пропускної спроможності корпоративної мережі – ще одна проблема побудови КОМ. Існують два варіанти реалізації такого зв’язку. За першим (рис.5.5,а) трафік починається як ІР поверх Ethernet,  однак далі на шляху прямування він проходить через системи, що підтримують різні протоколи. На рис. 5.5,а, крім розглянутого вище АТМ і одного з його рівнів адаптації АLL (ATM Adaptation Layer), це такі: 
РРР (Point to Point Protokol) – протокол з’єднання «точка-точка», що належить до класу ТСР/ІР і призначений для передавання ІР-пакетів за виділеними телефоними каналами; забезпечує динамічне настроювання канала,  автоматичні  автентифікацію  та  стиснення  заголовка,  одноча-сне передавання пакетів кількох протоколів;
SONET (Synchronous Optical Network) – cтандарт, що визначає шви-дкість, сигнали та інтерфейси для синхроного передавання даних за воло-конно-оптичними, як правило, одномодовими каналами;
SDH (Synchronous Digital Hierarchy) – cтандарт, подібний до SONET, що застосовується за межами Північної Америки;

Сегмент
КОМ

Телекомунікаційне
обладнання КОМ

Вузол доступу
Internet

Агрегативний 
вузол Internet

Physical
Interface

Physical
Interface

Physical
Interface

 Ethernet    AAL

PPP

ATM

Ethernet

IP

Physical
Interface

SONET/
SDN

ATM

Physical
Interface

   AAL

PPP

ATM

IP

ATM,
FR,
etc

SONET/
SDN

ВП

ОВ

ВП чи
ОВ

а

Physical
Interface

Ethernet

IP

Physical
Interface

SONET/
SDN

Ethernet

Physical
Interface

IP

ATM,
FR,
etc

SONET/
SDN

ВП

ОВ

ВП чи
ОВ

б

Рис. 5.5

Physical
Interface

Physical
Interface

Ethernet

Ethernet

АШ

FR (Frame Relay) – протокол для великошвидкісного передавання кадрів або пакетів, діє на канальному рівні моделі OSI, підтримує декель-ка віртуальних з’єднань на один фізичний порт.
Перетворення пакетів від одного протоколу до другого при такому передаванні  інформації  не  тільки  збільшує вартість передавання, але й ускладнює керування трафіком, що призводить до зниження ефекти-вності роботи мережі у цілому.
Другий варіант (рис. 5.5,б) відрізняється від першого застосуванням Ethernet не тільки в КОМ, але і на абонентському шлейфі (АШ), що з’єд-нує телекомунікаційне обладнання КОМ і вузол доступу Internet. Це дає можливість будувати КОМ тільки з двох компонентів: ІР та Ethernet. При цьому не буде витрат на перетворення протоколів, стане простішою архі-тектура і керування мережею, що підвищить надійність і ефективність експлуатації мережі. 

Контрольні питання

1.	Яке призначення має і функції яких систем виконує комп’ютерно-інтегрована система керування (КІСК) ?  Що входить до складу цієї сис-теми ?   
2.	У чому полягає функціональна інтеграція в КІСК ? Які функціонал-льні рівні існують у КІСК і яке їх призначення ?
3.	У чому полягає інформаційна інтеграція в КІСК ? Як організують ін-тегровану базу даних ? 
4.	У чому полягає програмна і технічна інтеграція в КІСК ? Які вимоги ставлять до складових програмного забезпечення, які інтегрують ? 
5.	Які робочі станції (РЧ) і обчислювальні мережі (ОМ) може має мати КІСК? Які функції виконує організаційно-економічна станція ? 
6.	Які робочі станції (РЧ) і обчислювальні мережі (ОМ) може має мати КІСК? Які сервери використовуються в КІСК ? Залежно від чого і як може змінюватися її технічна структура ?  
7.	Які робочі станції (РЧ) і обчислювальні мережі (ОМ) може має мати КІСК? У чому особливість організації інформаційної шини підприємства ? Які робочі станції і сервери до неї підмикаються ?  
8.	Які функції виконує і яку структуру має корпоративна система керу-вання бізнес-процесами ? Чим вона відрізняється від автоматизованої системи керування підприємством ? Які існують варіанти впровадження цих систем ?
9.	Як використовуються Web-технології під час створення корпора-тивних систем ? У чому полягають особливості технічного і програмного забезпечень у разі використання Web-технологій ?
10.	Яким вимогам повинна відповідати система керування бізнес-про-цесами ? З яких підсистем вона складається ? Яку інформацію зберігає інтегрована база даних цієї системи ?
11.	Які функції виконує і з яких компонентів складається підсистема „поста-чання-збут” системи керування бізнес-процесами ?
12.	Які функції виконує і з яких компонентів складається підсистема „кадри” системи керування бізнес-процесами ?
13.	Які функції виконує і з яких компонентів складається підсистема „бухга-лтерія” системи керування бізнес-процесами ?
14.	Які функції виконує і з яких компонентів складається підсистема „виробництво” системи керування бізнес-процесами ?
15.	У чому особливість організації корпоративної обчислювальної ме-режі у вигляді Intranet-мережі ? Які протоколи використовують у цих мережах ? Опишіть особливості діалогу типу дейтаграма.
16.	У чому особливість організації корпоративної обчислювальної ме-режі у вигляді Intranet-мережі ? Які протоколи використовують у цих ме-режах ? Опишіть особливості діалогу типу сеанс.
17.	Як використовують FDDI-технологію для утворення магістралі ко-рпоративної мережі ? Які при цьому існують методи прискорення роботи маршрутизаторів ? Наведіть недоліки й переваги цього варіанта.
18.	Як використовують Gigabit Ethernet-технологію для утворення магістралі корпоративної мережі ? Наведіть недоліки й переваги цього варіанта.
19.	Як використовують АТМ-технологію для утворення магістралі ко-рпоративної мережі ? Наведіть недоліки і переваги цього варіанта.
20.	Як використовують ІР-технологію для утворення магістралі корпо-ративної мережі ? Наведіть недоліки й переваги цього варіанта.

Література
Основна

1.	Автоматизация  технологических процессов пищевых производств. Учебник для вузов/под ред. Е.Б.Карпина. – 2-е изд.,перераб. и доп. – М.:Агропромиздат, 1985.
2.	Автоматизація технологічних процесів і виробництв харчової промисловості: Підручник / А.П.Ладанюк, В.Г.Трегуб, І.В. Ельперін, В.Д. Цюцюра. - К.: Аграрна освіта, 2001. 
3.	Автоматическое управление в химической промышленности: Учебник для вузов. Под ред. Е.Г.Дудникова. –  М.:Химия,1987.
4.	Волошин З.С.,Макаренко Л.П.,Яцковский П.В. Автоматизация сахар-ного производства. – М.: Агропромиздат,1990.  
5.	Інтегровані автоматизовані системи управління: Метод. вказівки до викон. ла-боратор. робіт для студентів напряму 0925 «Автоматизація і комп’ютерно-інтегровані технології» ден. та заоч. форм навч./ Уклад: В.Г. Трегуб, Є.Л. Календро. – К.: УДУХТ, 2001. 
6.	Інтегровані автоматизовані системи управління: Метод. вказівки до практичних занять для студ. напряму 0925 «Автоматизація і комп’ютер-но-інтегровані технології» ден. та заоч. форм навч./ Уклад.: В.Г.Трегуб. –  К.: НУХТ, 2002. 
7.	Кулаков Ю.А., Луцкий Г.М. Компьютерные сети. –  К.: Юниор,1998. 
8.	Кулаков Ю.А., Луцкий Г.М. Локальные сети. –  К.: Юниор,1998. 
9.	Трегуб В.Г. Автоматизация периодических  процессов в пищевой  про-мышленности. –  К.: Техніка, 1982. 
10.	Трегуб В.Г. Основи комп’ютерно-інтегрованого керування: Навч. по-сіб. – К.: НУХТ, 2005.
11.	Уланов Г.М., Алиев Р.А., Кривошеев В.П. Методы разработки ин-тегрированных АСУ промышленными предприятиями. – М: Энергоатом-издат, 1983.
12.	Шенброт И.М., Алиев Р.А. Проектирование вычислительніх систем распределенных АСУ ТП  – М: Энергоатомиздат, 1989.
13.	Шинер Мітчелл. Толковий словарь комп’ютерных технлогий: Пер. с англ. – К.: Диа-Софт, 2000.
Допоміжна
14.	Алиев Р.А. Методы  интеграции  в системах управления  производ-ством. –  М.: Энергоатомиздат,  1989. 
15.	Ельперін І.В. Промислові контролери: Навч. посіб. – К.: НУХТ, 2003.
16.	Ладанюк А.П. Основи системного аналізу: Навч. посіб. – Вінниця, Нова книга, 2004.