Практическая работа по дисциплине: Основы теории сложных систем Фамилия: Некипелова Имя: Анастасия Отчество - файл

приобрести
скачать (243.6 kb.)



ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ИМ. ПРОФ. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА»

(СПбГУТ)

ИНСТИТУТ НЕПРЕРЫВНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

По дисциплине: Основы теории сложных систем




Фамилия:_Некипелова_

Имя:_Анастасия__

Отчество:_Сергеевна__

Курс:_3__________

Студ. билет № :_1810304____

Группа №:_ИБ86-с_____

Дата сдачи работы:__________­­__


Проверил:______________
Санкт-Петербург

2020

Задание:


Рисунок 1 – Структурная схема АСУ умным домом
Необходимо:

  1. На данной схеме выделить уровни АСУ.

  2. Привести анализ и описание технического уровня.

  3. Привести анализ и описание программного уровня.

  4. Описать какие виды передачи информации в данной АСУ используются.



Умный дом представляет собой комплекс оборудования, позволяющий быстро решать все бытовые вопросы. Он полностью автоматизирован. Система способна сама принимать решения и выполнять отдельные задачи. Человек может управлять гаджетами путем нажатия кнопок на пульте или в мобильном приложении, а также голосовыми командами.

В зависимости от особенностей самой системы к ней может подключаться бытовая техника, мультимедийное оборудование, аппаратура для контроля климата в помещении и прочие устройства. Имеется возможность управления и комплексом безопасности: сигнализацией, камерами слежения.

Для частных коттеджей разработана система «умное здание». Помимо прочего она позволяет отслеживать состояние отопления, водоснабжения, контролировать подачу газа и так далее. По сути это расширенная версия смарт-дома.

Под термином умный дом обычно понимают интеграцию следующих систем в единую систему управления зданием:


Система управления это:


Система связи это:

Телефонная связь и локальная сеть здания.

Существует несколько платформ и протоколов, с помощью

которых связываются подсистемы умного дома:

персональный компьютер. Для передачи данных в такой сети используется всего один провод. Отличается дешевизной и простотой установки.

Система отопления, вентиляции и кондиционирования HVAC обеспечивает регуляцию температуры, влажности и поступление свежего воздуха. Кроме этого, HVAC экономит энергию за счет рационального использования температуры среды. Некоторые подсистемы:


Система освещения:

Контролирует уровень освещенности в помещении, в том числе для экономии электроэнергии за счет рационального использования естественного освещения. Некоторые подсистемы:

Системы электропитания:

Обеспечивают бесперебойное питание, в том числе за счет автоматического переключения на альтернативные источники электропитания. Некоторые подсистемы:


Система безопасности и мониторинга:


Иерархическая структура АСУ ТП включает в себя:
1) уровень технических средств САУ – управляющие устройства, к которым относятся:

- первичные измерительные преобразователи (ПИП), предназначенные для преобразования контролируемого параметра в сигнал определенной формы, удобной для дальнейшей обработки и преобразований (например, термопара преобразует температуру в термоЭДС);

- нормирующие преобразователи (НП), осуществляющие преобразование сигналов от ПИП в эквивалентные унифицированные сигналы (например, преобразование термоЭДС в унифицированный токовый сигнал от 0 до 5 мА или в унифицированный пневматический сигнал от 20 до 100 кПа);

- локальные автоматические регуляторы;

- исполнительные устройства в составе исполнительных механизмов, предназначенных для усиления мощности командного сигнала, полученного от регулятора, и регулирующих органов, представляющих собой технические средства изменения материального или энергетического потока, влияющего на регулируемую величину ТОУ;

2) уровень технических средств АСУ ТП – контроллеры и управляемые автоматические регуляторы;

3) уровень оперативного персонала АСУ ТП – автоматизированные рабочие места оператора-технолога и инженера, реализованные с использованием персональных компьютеров.

Технические средства первого уровня размещаются непосредственно на объекте управления, второго и третьего уровня – в помещениях аппаратных и операторных.



Контроллеры АСУ ТП являются многофункциональными программируемыми устройствами. Они выполняют следующие функции:

- воспринимают результаты контроля состояния ТОУ (аналоговые и дискретные сигналы нормирующих преобразователей) и выполняют их обработку;

- формируют аналоговые и дискретные управляющие сигналы исполнительных устройств и/или сигналы и команды на изменение функции автоматических регуляторов САУ.

Технические средства третьего уровня обеспечивают ведение базы данных, визуализации состояния технологического оборудования, формирование отчетности, ручное дистанционное управление технологическим оборудованием.



Информация, предоставляемая оператору АСУ ТП, может иметь различные виды:

- обобщенная мнемосхема объекта автоматизации;

- мнемосхемы отдельных ТОУ с индикацией величин контролируемых параметров;

- диаграммы изменения контролируемых параметров (текущие и за отчетные промежутки времени: смена, сутки, месяц);

- панели контроля и управления регуляторами;

- аварийные и технологические сообщения.

Проектирование АСУ ТП осуществляется поэтапно. На первом этапе разрабатывается структурная схема управления. Следующий этап проектирования – разработка схем автоматизации, которые являются основным документом, определяющим функциональную структуру узлов автоматического контроля и автоматического регулирования, а также оснащения их техническими средствами автоматизации. 

Рисунок 1 – Уровни АСУ


Контроллеры АСУ ТП являются многофункциональными программируемыми устройствами. Они выполняют следующие функции:

- воспринимают результаты контроля состояния ТОУ (аналоговые и дискретные сигналы нормирующих преобразователей) и выполняют их обработку;

- формируют аналоговые и дискретные управляющие сигналы исполнительных устройств и/или сигналы и команды на изменение функции автоматических регуляторов САУ.

Технические средства третьего уровня обеспечивают ведение базы данных, визуализации состояния технологического оборудования, формирование отчетности, ручное дистанционное управление технологическим оборудованием.



Информация, предоставляемая оператору АСУ ТП, может иметь различные виды:

- обобщенная мнемосхема объекта автоматизации;

- мнемосхемы отдельных ТОУ с индикацией величин контролируемых параметров;

- диаграммы изменения контролируемых параметров (текущие и за отчетные промежутки времени: смена, сутки, месяц);

- панели контроля и управления регуляторами;

- аварийные и технологические сообщения.

Проектирование АСУ ТП осуществляется поэтапно. На первом этапе разрабатывается структурная схема управления. Следующий этап проектирования – разработка схем автоматизации, которые являются основным документом, определяющим функциональную структуру узлов автоматического контроля и автоматического регулирования, а также оснащения их техническими средствами автоматизации.

Описание видов передачи данных


Ethernet

Физическая спецификация технологии Ethernet определяется типом среды передачи и скоростью модуляции и обозначается 10Base-Х. Число 10 в названии означает битовую скорость передачи данных этих стандартов — 10 Мбит/с, а слово Base — метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц. Последний символ Х в названии стандарта физического уровня указывает на тип среды передачи.

10Base-5 — «толстый» коаксиальный кабель диаметром 10 мм (0,5 дюйма). Диаметр центрального медного провода 2,17 мм имеет волновое сопротивление 50 Ом. Кабель используется как моноканал для всех станций. Такие характеристики имеют кабели марок RG-8 й RG-11. Максимальная длина сегмента — 500 метров. На концах сегмента устанавливаются терминаторы («поглощающие») с волновым сопротивлением 50 Ом, они поглощают сигналы, распространяющиеся по кабелю, и предотвращают возникновение отраженных сигналов. Терминатор — это соединитель («папа») с запаянным в нем резистором. Станция подключается к кабелю при помощи приемника-передатчика, который называется трансивер (transmitter + receiver = transceiver). Трансивер может присоединяться к линии как методом физического контакта, так и бесконтактным методом.

Трансивер — это часть сетевого адаптера, выполняющего следующие функции:



Последнюю функцию иногда называют «Контролем болтливости», что является буквальным переводом английского термина (jabbercontrol). Во время возникновения неисправностей в адаптере может сложиться ситуация, когда на кабель безостановочно будет передаваться последовательность случайных сигналов. Поскольку кабель — это общая среда для всех станций, работа сети будет заблокирована одним неисправным адаптером. Чтобы этого не случилось, на выходе передатчика ставится схема, проверяющая время передачи кадра. Если максимально возможное время передачи пакета превышается (с определенным запасом), то эта схема просто отсоединяет выход передатчика от кабеля. Максимальное время передачи кадра (вместе с преамбулой) составляет 1221 мкс, а время джабер-контроля устанавливается равным 4000 мкс (4мс).

Упрощенная структурная схема трансивера:

Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (AttachmentUnitInterface, интерфейс подключения сетевого оборудования) длиной до 50 м, состоящим из 4-х крученых пар.

Наличие стандартного интерфейса между трансивером и другой частью сетевого адаптера очень полезно во время перехода из одного типа среды передачи в другой. Для этого достаточно только заменить трансивер, а остальная часть сетевого адаптера остается неизменной, потому что она отрабатывает протокол уровня МАС. При этом только необходимо, чтобы новый трансивер (в частности для крученой пары) поддерживал стандартный интерфейс AUI. Для присоединения к интерфейсу AUI используется соединитель DB-15.

Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов должно быть не меньше 2,5 м. На кабеле есть разметка через каждые 2,5 м, указывающая точки подключения трансиверов. Во время присоединения рабочих станций в соответствии с разметкой влияние стоячих волн в кабеле на сетевые адаптеры сводится к минимуму.

Стандарт 10Base-5 определяет возможность использования в сети специального устройства — повторителя (repeator). Повторитель состоит из 2-х (или нескольких) трансиверов, подсоединенных к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором. Для лучшей синхронизации переданных битов повторитель задерживает передачу нескольких первых битов преамбулы кадра, за счет чего увеличивается задержка передачи кадра с сегмента на сегмент, а также уменьшается межкадровый интервал (InterPacketGap, IPG). Структурная схема повторителя:

Стандарт разрешает использовать в сети не более 4-х повторителей и, соответственно, не более 5-и сегментов кабеля. С максимальной длиной сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500 м. Только 3 сегмента из 5-и могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами могут быть ненагруженные.

Правило применения повторителей в сети Ethernet 10Base-5 называется правилом 5-4-3: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента. Ограниченное количество повторителей объясняется вносимыми ими добавочными задержками распространения сигнала. Применение повторителей увеличивает время двойного распространения сигнала, что для надежного распознавания коллизий не должно превышать время передачи кадра минимальной длины, то есть кадра в 72 байта или 576 битов.

Каждый повторитель подключается к сегменту одним своим трансивером, поэтому к нагруженным сегментам можно подключить не более 99-и узлов. Максимальное количество конечных узлов в сети 10Base-5 составляет 99×3 = 297 297 узлов.

Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальную длину отрезка крученой пары между двумя непосредственно соединенными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при наличии крученой пары качеством не ниже категории 3. Эта длина определяется полосой


пропуска крученой пары — на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с во время использования манчестерского кода.

Этот код может использоваться в сетях со скоростью передачи менее 1 Гбит/с и предназначен как для передачи данных, так и для синхронизации. При этом каждый бит-символ делится на две части, причем вторая часть всегда является инверсной по отношению к первой. В первой половине кодированный сигнал представлен в дополнительном виде, а во второй — в обычном. Примеры форм сигналов при манчестерском кодировании показаны на рис. 1.3.10. Верхний уровень сигнала соответствует +0,85 В, нижний —0,85 В.

Основное преимущество манчестерского кода — отсутствие постоянной составляющей в сигнале. Это дает возможность легко применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не нужно дополнительного источника питания для линии связи, резко уменьшается влияние низкочастотных помех, не проходящих через трансформатор, легко решается проблема согласования. Постоянная составляющая равняется среднему значению между двумя уровнями сигнала. Манчестерский код соединяет в бит-сигнале данные и синхронизацию.

При скорости передачи данных 10 Мбит/с манчестерское кодирование к смене частоты колебаний в линии от 5 МГц (соответствует последовательности из нулей и единиц: 1010101010...) до 10 МГц (соответствует переданной цепочке из одних нулей или из одних единиц).

Концентраторы 10Base-T можно соединять друг с другом при помощи тех же портов, предназначенных для подключения конечных узлов. При этом необходимо следить, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственно с приемником и передатчиком другого порта.

Для обеспечения синхронизации станций во время реализации процедур доступа и надежного распознавания коллизий в стандарте определено максимальное количество концентраторов между любыми двумя станциями — 4. Максимальная протяженность сети 4×100 м + 100 = 500 м. Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать общего предела в 1024.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, имеют по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet множество преимуществ. Эти преимущества связаны с делением общего физического кабеля (шины) на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству, что дает возможность контролировать состояние отдельных сегментов.

И хотя логично эти отрезки, как и раньше, образуют общую делимую среду, их физическое разделение дает возможность контролировать ее состояние и отключать их в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера. Это существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet.

В стандарте 10Base-T определена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков крученой пары, соединяющих трансивер конечного

узла и порт повторителя. Эта процедура называется тестом связности (linktest) и основана на передаче каждые 16 мс специальных импульсов J (11000) и К (10001) манчестерского кода между передатчиком и приемником каждой крученой пары. Если тест не проходит, порт блокируется и отключает проблемный узел от сети.

Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, является главным преимуществом технологии 10Base-T по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. Благодаря концентраторам сеть Ethernet приобрела определенные черты отказоустойчивой системы.

Соединение концентраторов по топологии «кольцо» в стандарте 10Base-T запрещено, потому что оно приводит к некорректной работе сети. Это требование означает, что в сети 10Base-T не разрешается создавать параллельные каналы связи между критично важными концентраторами для резервирования связи на случай отказа порта, концентратора или кабеля.


Z-Wave
Z-Wave — это беспроводная радио технология с низким энергопотреблением, разработанная специально для дистанционного управления. В отличие от Wi-Fi и других IEEE 802.11 стандартов передачи данных, предназначенных в основном для больших потоков информации, Z-Wave работает в диапазоне частот до 1 ГГц и оптимизирована для передачи простых управляющих команд с малыми задержками (например, включить/выключить, изменить громкость, яркость и т. д.). Выбор низкого радиочастотного диапазона для Z-Wave обусловлен малым количеством потенциальных источников помех (в отличие от загруженного диапазона 2,4 ГГц, в котором приходится прибегать к мероприятиям, уменьшающим возможные помехи от работающих различных бытовых беспроводных устройств — Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth).

Физический уровень: Передача данных осуществляется на частоте 869.0 МГц (Россия). Модуляция FSK (частотная манипуляция). Скорость передачи: 42 кбит/с, 100 кбит/с и 9.6 кбит/с (для совместимостью со старыми устройствами). Скважность не более 1%. Предельная мощность передачи 1 мВт.

Канальный уровень: Используются пакеты с контролем целостности данных (контрольная сумма) и адресацией получателя и отправителя. В качестве получателя может использоваться multicast адрес или broadcast (в этом случае пакет принимается всеми участниками сети с включенным радио-модулем).

Сетевой уровень: Протокол Z-Wave определяет алгоритм маршрутизации, позволяющий передавать данные между устройствами вне прямой видимости. Все постоянно работающие узлы сети (бывают ещё спящие и "часто слушающие" узлы) могу участвовать в пересылке пакетов между другими участниками сети. Z-Wave использует механизм SourceRouting, т.е. маршрут следования определяется

отправителем. Broadcast и multicast пакеты не маршрутизируются. При невозможности найти нужный узел по маршрутам, записанным в памяти, существует механизм поиска узла по всей сети путём посылки специального пакета ExplorerFrame (см. ниже) всем узлам сети. После успешного нахождения узла новый маршрут записывается отправителем в память для последующего использования.

Транспортный уровень: На данном уровне Z-Wave гарантирует подтверждение доставки и повторную отправку в случае, если пакет не был доставлен до получателя. Каждый узел, участвующий в пересылке, подтверждает факт получения сообщения. Для уменьшения загрузки эфира в Z-Wave используется механизм "молчаливых подтверждений": узел (А), передавший пакет следующему узлу (Б) на пути следования пакета не ждёт подтверждения от него, а видит, что Б отправил пакет дальше узлу С и воспринимает это как факт подтверждения успешной пересылки пакета от А к Б. Получив пакет, конечный узел передаёт назад подтверждения доставки, которое путешествует назад тем же маршрутом до исходного отправителя. Таким образом отправитель всегда знает, дошёл ли пакет до точки назначения или нет.

Сеансовый уровень: Используется только при использовании шифрования, где определяются короткие сеансы с одноразовым ключом.

Прикладной уровень: Z-Wave также определяет алгоритм интерпретации получаемых на прикладном уровне команд. Данный уровень описан набором Классов Команд (CommandClasses). Для некоторых Классов существует несколько вариантов интерпретации команд, которые зависят от Класса Устройства (DeviceClass), определяющего тип устройства.
RS-485
В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных используется одна витая пара проводов, иногда сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом.

Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.

Стандарт RS-485 оговаривает только электрические и временные характеристики интерфейса.

Стандарт RS-485 не оговаривает:



Передача данных идёт по двум линиям, A и B.

В момент отсутствия активного передатчика на шине уровень сигнала в линиях не определен. Для предотвращения ситуации, когда разница между входами A и B меньше 200мВ (неопределённое состояние), иногда применяется смещение с помощью резисторов или специальной схемы. Если состояние линий не определено, то приёмники могут принимать сигнал помехи. Некоторые протоколы предусматривают передачу служебных последовательностей для стабилизации приёмников и уверенного начала приёма.

Интерфейс является полудуплексным: узел не может одновременно и принимать, и передавать данные.

При большой длине линии связи возникают эффекты длинных линий. Причина этому — распределенные индуктивные и ёмкостные свойства кабеля. Как следствие, сигнал, переданный в линию одним из узлов, начинает искажаться по мере распространения в линии, возникают сложные резонансные явления. Поскольку на практике кабель на всей длине имеет одинаковую конструкцию и, следовательно, одинаковые распределенные параметры погонной ёмкости и индуктивности, то это свойство кабеля характеризуют специальным параметром — волновым сопротивлением. Не вдаваясь в теоретические подробности, можно сказать, что в кабеле, на приёмном конце которого подключен резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля, резонансные явления значительно ослабляются. Называется такой резистор терминатором. Для сетей RS485 они ставятся на каждой оконечности длинной линии (поскольку обе стороны могут быть приёмными).

Wi-Fi: 802.11 a/b/g/n


Физический уровень 802.11 b

В спецификации 802.11b используется диапазон 2,4 ГГц. Для скорости до 11 Мбит/с, которая сопоставима со скоростью классического стандарта Ethernet, здесь применяется вариант метода DSSS, опирающийся на технику ComplementaryCodeKeying (ССК). Диапазон 2,4 ГГц с шириной полосы примерно в 80 МГц разбит на 14 каналов, каждый из которых, кроме последнего, отстоит от соседей на 5 МГц.

Для передачи данных согласно стандарту 802.11b используется полоса частот шириной в 22 МГц, поэтому одного канала шириной в 5 МГц оказывается недостаточно, приходится объединять несколько соседних каналов. Для того чтобы гарантировать некоторый минимум взаимных помех, возникающих от передатчиков, работающих в диапазоне 2,4 ГГц, комитет 802.11 определил так называемую спектральную маску, определяющую разрешенный спектр мощности передатчика, работающего в каком-либо из каналов. Это спектр должен затухать не меньше чем на 30 дБ на расстоянии 11 МГц от центра канала, что и создает укрупненную полосу шириной в 22 МГц с центром в некотором из 14 каналов. В результате одновременно в одной и той же области покрытия могут работать несколько независимых беспроводных сетей стандарта 802.11b.
Физический уровень стандарта 802.11g
Стандарт 802.11g для физического уровня разработан рабочей группой института IEEE летом 2003 года. Он быстро завоевал популярность, так как обеспечивал те же скорости, то и стандарт 802.1а, то есть до 54 Мбит/с, но в диапазоне 2,4 ГГц, то есть в том диапазоне, где до этого удавалось достигать максимальной скорости в 11 Мбит/с на оборудовании стандарта 802.11b. В то же время стоимость оборудования стандарта 802.11g достаточно быстро стала соизмеримой со стоимостью оборудования стандарта 802.11b, что и стало причиной роста популярности новой спецификации.

В ней, так же как и в спецификации 802.11а, используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). До некоторого времени в США в диапазоне 2,4 ГГц разрешалось применять только технику расширения спектра, такую как FSSS или DSSS. Снятие этого ограничения дало импульс разработкам, в результате появилась новая высокоскоростная беспроводная технология для этого диапазона частот. Для обратной совместимости со стандартом 802.11b поддерживается также техника ССК.

Диаметр сети стандарта 802.11 зависит от многих параметров, в том числе от используемого диапазона частот. Обычно диаметр беспроводной локальной сети находится в пределах от 100 до300 м вне помещений и от 30 до 40 м внутри помещений.

Физический уровень стандарта 802.11n

Стандарт 802.11n, работы над которым были начаты еще в 2004 году, на данный момент времени этот стандарт утвержден.

Основной особенностью стандарта 802.11n является дальнейшее повышение скорости передачи данных (до 300 Мбит/с и выше). Оборудование стандарта 802.11n может работать как в диапазоне 5 ГГц, так и в диапазоне 2,4 ГГц, хотя рекомендуемым диапазоном является диапазон 5 ГГц благодаря большему числу доступных каналов и меньшей интерференции с многочисленным оборудованием, работающим сегодня в диапазоне 2,4 ГГц.



Для достижения высоких скоростей в технологии 802.1 In применено несколько новых механизмов.

Технология MIMO не только способствует улучшению соотношения сигнал/помеха. Благодаря возможности обрабатывать сигналы, пришедшие разными путями, для создания избыточного сигнала для каждого потока можно передавать с помощью нескольких антенн несколько независимых потоков данных (обычно их число меньше, чем число антенн). Эта способность систем MIMO называется пространственным мультиплексированием.




ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации