Алгоритмические, функциональные и структурные схемы информационных систем

Система автоматизации структурно может быть представлена по-разному.

В общем случае любая система может быть представлена конструктивной, функциональной или алгоритмической структурой.

В теории автоматического управления чаще всего имеют дело с функциональной и алгоритмической структурами (схемами). 

Функциональные и алгоритмические схемы состоят из условных изображений элементов и звеньев (обычно в виде прямоугольников) и различных связей, изображаемых в виде линий со стрелками, показывающих направление передачи воздействий. Каждая линия соответствует обычно одному сигналу или одному воздействию. Около каждой линии указывают физическую величину, характеризующую данное воздействие.

Обычно вначале составляют функциональную схему АСУ, а затем – алгоритмическую.

Структурные схемы ИС

Структурные схемы определяют основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи и служат для общего ознакомления с изделием. На структурной схеме раскрывается не принцип работы отдельных функциональных частей изделия, а только взаимодействие между ними. Поэтому составные части изделия изображают упрощенно в виде прямоугольников произвольной формы.

Допускается применять условные графические обозначения.

Структурная схема разрабатывается на стадиях «проект» и «рабочий проект». На стадии «рабочая документация» при двух - стадийном проектировании структурная схема разрабатывается только в случае изменений технологической части проекта или решений по АСУ ТП, принятых при утверждении проекта автоматизации.

Для составления структурных схем информационных систем применяется графический метод операционных диаграмм. С помощью операционной диаграммы отражаются основные операции, выполняемые в границах информационной системы, а также взаимосвязи между этими операциями и объектами, находящимися вне системы. Они позволяют представить информационную систему с различным уровнем детализации. Для дальнейшей детализации проекта информационной системы на каждом блоке составляется отдельная диаграмма. Основным правилом составления диаграмм является то, что потоки данных, которые выходят за границы блока, не должны иметь обрывов. 

Алгоритмические схемы ИС

В алгоритмической структуре каждая часть предназначена для выполнения определенного алгоритма преобразования входной величины, являющегося частью алгоритма функционирования системы в целом. Алгоритмическая структура характеризует алгоритмы преобразования информации в системе, и состоит из элементарных алгоритмических звеньев и связей между ними.

Алгоритмическая структура (схема) – структура (схема), представляющая собой совокупность взаимосвязанных алгоритмических звеньев и характеризующая алгоритмы преобразования информации в АСУ.

При этом,

алгоритмическое звено - часть алгоритмической структуры АСУ, соответствующая определенному математическому или логическому алгоритму преобразования сигнала.

Если алгоритмическое звено выполняет одну простейшую математическую или логическую операцию, то его называют элементарным алгоритмическим звеном. На схемах алгоритмические звенья изображают прямоугольниками, внутри которых записывают соответствующие операторы преобразования сигналов. Иногда вместо операторов в формульном виде приводят графики зависимости выходной величины от входной или графики переходных функций.

Различают следующие виды алгоритмических звеньев:

• статическое;
• динамическое;
• арифметическое;
• логическое.

Статическое звено – звено, преобразующее входной сигнал в выходной мгновенно (без инерции).

Связь между входным и выходным сигналами статического звена описывается обычно алгебраической функцией. К статическим звеньям относятся различные безинерционные преобразователи, например, резистивный делитель напряжения. 

Динамическое звено – звено, преобразующее входной сигнал в выходной в соответствии с операциями интегрирования и дифференцирования во времени.

Связь между входным и выходным сигналами динамического звена описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями.

К классу динамических звеньев относятся элементы АСУ, обладающие способностью накапливать какой-либо вид энергии или вещества, например, интегратор на основе электрического конденсатора.

Арифметическое звено – звено, осуществляющее одну из арифметических операций: суммирование, вычитание, умножение, деление.

Наиболее часто встречающееся в автоматике арифметическое звено – звено, выполняющее алгебраическое суммирование сигналов, называют сумматором.

Логическое звено – звено, выполняющее какую-либо логическую операцию: логическое умножение («И»), логическое сложение («ИЛИ»), логическое отрицание («НЕ») и т.д.

Входной и выходной сигналы логического звена являются обычно дискретными и рассматриваются как логические переменные.

Алгоритмические структурные схемы по контурам регулирования крайне необходимы при производстве наладочных работ систем автоматизации.

Функциональные схемы ИС

В функциональной структуре каждая часть предназначена для выполнения определенной функции. Такими функциями могут быть: получение информации о состоянии объекта, преобразование сигнала, сравнение сигналов и т. п. Части функциональной структуры называют частями и блоками. Названия элементов и блоков указывают на выполняемые функции, например, задающий элемент, управляющий блок, исполнительный блок.

В проектах автоматизации изображают конструктивные структурные схемы с элементами функциональных признаков.

Полные сведения о функциональной структуре с указанием локальных контуров регулирования, каналов управления и технологического контроля приводятся в функциональных схемах.

Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии. На линиях взаимодействия рекомендуется стрелками (по ГОСТ 2.721-74) обозначать направления хода процессов, происходящих в изделии.

На структурной схеме отображаются в общем виде основные решения проекта по функциональной, организационной и технической структурам автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) с соблюдением иерархии системы и взаимосвязей между пунктами контроля и управления, оперативным персоналом и технологическим объектом управления. Принятые при выполнении структурной схемы принципы организации оперативного управления технологическим объектом, состав и обозначения отдельных элементов структурной схемы должны сохраняться во всех проектных документах на АСУ ТП, в которых они конкретизируются и детализируются в функциональных схемах автоматизации, структурной схеме комплекса технических средств (КТС) системы, принципиальных схемах контроля и управления, а также в проектных документах, касающихся организации оперативной связи и организационного обеспечения АСУ ТП.

Функциональная структура (схема) – структура (схема), отражающая функции (целевые назначения) отдельных частей АСУ.

Такими функциями могут быть:

• получение информации о состоянии объекта управления;
• преобразование сигналов;
• сравнение сигналов и т.п.

В качестве частей функциональной структуры (схемы) АСУ рассматриваются  функциональные устройства. Названия устройств указывают на выполнение определенной функции. Например:

• датчик;
• усилитель;
• блок сравнения;
• управляющий блок;
• исполнительное устройство и т.п.

Конструктивные схемы

К конструктивным схемам относятся кинематические схемы различных устройств, принципиальные и монтажные схемы электрических соединений и т. п. В конструктивной структуре системы каждая ее часть представляет собой самостоятельное конструктивное целое.