Об организации информационных массивов в автоматизированных системах управления технологическими процессами

При исследовании любого из одного видов структур данных автоматизированных систем возникают следующие задачи: определения вида (класса) структуры; представления структуры; размещения данных; обработки данных.

Прямоугольные структуры данных автоматизированных систем, названные так по аналогии с выдаваемыми на печать результатами в виде колонки чисел, первыми среди других структур стали использоваться в программировании.

Представление в основной памяти. Для прямоуголь­ных структур эффективным представлением логического порядка элементов является представление элементов в том физическом порядке, в котором они будут расположены в основной памяти (ОЗУ) промышленных компьютеров.

Для представления в ОЗУ промышленных компьютеров одномерного массива целых чисел эти числа размещают (записывают) в порядке следования. Двумерные массивы (матрицы) представляют также размещением в ОЗУ промышленных компьютеров элементов в порядке следования: элементы первого столбца, второго и т. д.

При представлении прямоугольной структуры в устройствах памяти прямого доступа (магнитные диски или барабаны) возможны два случая: структура размещается и не размешается на одной дорожке (странице). Если структура не размешается на одной дорожке, появляется дополнительная задача по минимизации числа поясков или числя операций по просмотру дорожек.

Существуют различные способы представлении данных во внешнем запоминавшем устройстве, зависящие от вида представляемой структуры данных и операций, которые выполняются с данными. Выбор формы представле­ния данных должен соответствовать операциям, и алгоритм обработки данных должен составляться с учетом выбранной формы представления данных.

Таким образом, надо не только выбрать наилучшую форму представ­ления данных автоматизированных систем, но и в соответствии с нею составить программу обработки данных должен содержать и несколько раз больше доступов к строке, чем к столбцу. Поэтому при числе доступов к строке приблизительно таком же, как и к столб­цу, метод хранения подматриц более аффективный. Если чаще не­обходимо иметь доступ к строке (например, в линейном программировании), более эффективный метод хранения в строку.

В трансляторах и операционных системах наиболее распространен дру­гой тип прямоугольной структуры данных —- таблицы, представляющие собой набор элементов (записей), каждый из которых имеет отличительный признак — ключ. Элементы выбираются из таблицы и записываются в нее по ключу. Например, в таблице значений функции ключом является значение аргумента, а информацию песет значение функции. Значения аргумента и функции вместе образуют элемент таблицы, или запись.

Поиск сводится к определению по заданному ключу адреса хранения табличной записи, если она имеется в таблице. Решение этой задачи зависит от структуры, т. е. от способа организации таблицы, основной характеристи­кой которой является среднее время поиска одной записи. Это время пропор­ционально средней длине поиска, т. е, среднему числу записей, которые необходимо просмотреть для поиска требуемой записи. По способу органи­зации различают неупорядоченные и упорядоченные таблицы.

В неупорядоченных таблицах записи располагаются подряд, без пропус­ке что облегчает их составление. Поиск требуемой записи в этих таблицах выполняется методом последовательного просмотра (записи просматрива­ются подряд, начиная с первой).

Неупорядоченные таблицы увеличивают время поиска записей, поэтому в трансляторах в операционных системах их используют в качестве временных таблиц, заполняемых при работе системы. При этом первые две позиция мас­сива — вектора, отображающего таблицу в памяти программируемых логических контроллеров (ПЛК), обычно используют для указания максимально допустимого номера записи я номера первой сво­бодной строки таблицы.

В упорядоченных таблицах записи могут быть упорядочены (ранжированы) по возрастанию цифрового кода ключа или по частоте обращения к ним. В первом случае для поиска записей в таблице чаще применяется метод двоичного поиска, во втором — метод последовательного просмотра.

Типичной структурой хранения или размещения прямоугольных струк­тур данных является вектор — набор расположенных рядом элементов хра­нения. Вектор определяется адресом базы (база — первое машинное слово, соответствующее фактическому млн воображаемому элементу данных с но­мером, размером элементов и длиной.

Структура ряда автоматизированных систем. Представление прямоугольных структур в памяти программируемых логических контроллеров (ПЛК) характеризуется небольшим размером рабочего поля памяти и малым време­нем обработки, что обусловлено соответствием логического порядка элементов данных их физическому порядку. Однако в современных информационных вычислительных системах многочисленные данные находятся в таких функциональных отношениях, что не могут быть представлены о виде прямоугольных структур.

Структуру ряда можно определить, как структуру, в которой включение, исключение или доступ почти всегда производятся к первому или последнему элементу (записи). Основные разновидности этой структуры следующие:

строка — упорядоченный одномерный набор элементов, доступ к каждому из которых осуществляется последовательным просмотром элементов с одного из концов строки;

стек - упорядоченный одномерный динамически изменяемый набор элементов, в котором все включения и исключения выполняются на одном конце набора;

очередь — упорядоченный одномерный динамически изменяемый набор элементов, в котором все включения производятся на одном конце набора, а все исключения — на другом; все включения и исключения элементов выполняются на обоих концах набора.

Определение структуры ряда. Ряды — самые распространенные структуры: программы - ряды букв, тексты — ряды слов я т. д. Рядом целых чисел может считаться одномерный массив целых, но ряд чисел к может считаться массивом: длина ряда не может быть определена и известна заранее, а длина массива должна быть известна. Действия, выполняемые со структурами рада, полностью отличаются от действий с массивами: операции с массивами обычно проводятся с соответствующими элементами массивов одинаковой размерности, а операции с рядом - это подстановки, конкатенациии (сцепления), вычеркивания, вставки и т. д. Обработка и представление структур взаимосвязаны.

В отличие от прямоугольных структур для структуры ряда используются другие способы представления данных.

Представление в основной памяти. Предположим, что нужно представить ряд целых. Использование такого же представления, что и в прямоугольных структурах, затруднено, так как заранее не известна длина ряда.  Это затруднение можно преодолеть резервированием для каждого ряда максимума памяти, но такое «расточительство» памяти приводит к резервированию всей свободной памяти, и выполнение длительных в этом случае операций (конкатенаций, вычеркиваний, вставок) требует большего числа перемещений данных.

Для определения логического порядка элементов структуры автоматизированных систем применяются различные способы приписывании к представлению каждого элемента указателя, который может указать следующий элемент,

Указатель — это любой вид информации, способный указать элемент в памяти программируемых логических контроллеров (ПЛК).

Каждый элемент представляется в машинном слове, в адрес следующего элемента записы­вается в следующем машинном слове. На месте указателя последнего элемента временно записывается, например, нуль. Указатель, приписываемый по­следнему элементу ряда, называется ограничителем.

Способы приписывания каж­дому элементу указателя, ведущего к следующему элементу, конечно, зависят от типа данных и вида указателя,

Если в прямоугольной струк­туре легко исследовать элементы «вверх» и «вниз», то в структуре ряда «движение» возможно лишь в одном направлении. Такие струк­туры ряда называются однонаправленными рядами.

Кольцевое представление целесообразно, если набор элементов не обла­дает упорядоченной структурой; в этих случаях кольцо может быть приписано указателем любому из элементов такого набора.

Во многих практических случаях техника представ­ления ряда используется дли соединений блоков па­мяти — сцепленных блоков Примером может служить динамическое размещение прямоугольных структур при условии многоплановости задач, если сцепленные блоки имеют фиксированную длину, то существенных разли­чий между рядами простейших данных и рядами сцепленных блоков нет.  Трудности возникают, если блоки имеют переменную длину с представлением длины блока.

При обработке текстовой информации ряды букв можно представить, как ряды блоков последовательностей букв (подрядов). При этом конец блока должен быть отмечен специальным знаком, например, заштрихованным прямоугольником, от которого указатель ведет в следующий блок.

Представление во внешней памяти программируемых логических контроллеров (ПЛК). Для увеличения эффективности программ обработки данных рекомендуется ряды элементарных данных (букв, цифры и т.д.) не засылать непосредственно в устройства прямого доступа, а использовать сцепленные блоки, которые могут иметь постоянную или переменную длину.

Размещение автоматизированных систем. Главным достоинством структур ряда, обусловившим их широкое распространение, следует считать большую функциональную гибкость при обработке массовых текстовых (нецифровых) данных, редактировании данных и компиляции программ. Существенным недостатком структур ряда является отсутствие иерархии данных.

Стек обычно размещают в памяти программируемых логических контроллеров (ПЛК) в виде вектора, длина которого должна быть равна максимально ожидаемой длине стека. При этом необходимо хранить указатель (указатель стека), указывавший на вершину стека. Пpи добавлении в стек нового элемента значение указателя увеличивается на единицу, а при исключении — уменьшается на единицу.

Очереди целесообразно хранить в памяти программируемых логических контроллеров (ПЛК) в виде циклического списка с двумя указателями (один — на начало, другой — на конец очереди). При исключении из очереди первого элемента в первый указатель записывают ссылку на следующий элемент списка, которая содержалась в поле указателя исключаемого элемента, а при включении в очередь нового элемента в которой указатель записывают ссылку на новый элемент.

Характер действий, выполняемых с рядами, определяет только динамическое распределение памяти (память заполняется при возрастании рядов и освобождается при их уменьшении).

Типовые процеду­ры обработки автоматизированных систем. В процессе обработки рядов разли­чают две основные процедуры: смешения (мешаное кодирование), выполняемого в процессе хранения и восстановления элементов ряда, и обработки таблиц. Смешение, как правило, выполняется в системах данных, использующих ряды записей, а обработка таблиц — в системах, обрабатывающих ряды букв или цифр.

Основной идеей процедуры смешения является адресация по содержанию. Адрес, определяющий место хранения элемента, определяется значением элемента и вычисляется при выполнении нескольких действий, совокупность которых называется смешением. Вычисления выполняются над значением этого элемента или полем (областью) его представления (так называемым ключом). Результат - мешаный код этого элемента.

Списковые структуры автоматизированных систем. В списковых структурах логический порядок данных определяется указателями, т. е. данные размещаются в последовательной совокупности ячеек. Элементы списка могут быть подсписками, элементы подсписка — подсписками и т. д. Таким образом, списковые структуры вводят более сложную иерархию данных чем структуры ряда, к являются многоуровневыми.

Любая списковая структура представляет собой набор элементов, каждый из которых состоит из двух полей: в одном из них размещен элемент данных или указатель на него, а в другом — указатель на следующий элемент списка, который также может быть списком. Списковые структуры позволяют легко включать новые элементы между любыми двумя уже имеющимися. Для исключения элементов из списка изменяются указатели. Такое свойство списков широко используется в системном программировании.

Применение списковых структур целесообразно, если в памяти программируемых логических контроллеров (ПЛК) необходимо разместить несколько динамически изменяющихся массивов с   неизвестным заранее числом элементов, или необходимо упорядочить элементы данных без их физического перемещения либо соединить элементы данных, хранящиеся в различиях участках памяти программируемых логических контроллеров (ПЛК). Особенно эффективное применение списков для объединения записей переменной длины.

Нелинейные структуры автоматизированных систем. Во многих применениях массовых данных программируемых логических контроллеров (ПЛК) обрабатывают нелинейные (топологические) структуры, в которых данные хранятся на многих уровнях и находятся в сложных «родственных» взаимо­отношениях.

Деревья — структуры автоматизированных систем, состоящие из наборов вершин (узлов), каждая из которых содержит информацию и указатель на вершины нижнего уровня. В структуре этого класса для каждой пары вершин существует единствен­ная соединяющая их цепь (связь).

Графы по сравнению с деревьями более разнообразные структуры: на вершину может указывать более чем одна другая вершина. Структуры графов составляют большой класс многоуровневых нелинейных структур. Самой распространенной и обобщающей из них является ориентированный граф, который в системном программировании используется для моделирова­ния различных типов структур данных. Ориентированный граф отличается от дерева тем, что на его вершину может указывать более чем одна другая вершина. Наглядно граф представляют, изображая его вершину точками, а дуги — непрерывными линиями со стрелкой на конце.

Граф можно представлять списками, например, списком с элементами, число которых определяется числом вершин; каждый элемент является списком, если начало его — вершина, а конец — список смежных вершин. Но для определения «потомства» вершины необходимо исследова­ние списка. Если граф не изменяется (или изменяется не так часто), то список «потомства» вершины можно разместить в собственном списке для этой верши­ны.

Разработано много других представлений графов, основанных на списко­вых или других структурах. Например, граф может быть определен его узло­вой матрицей, представленной прямоугольной структурой, т. е. двумерны» массивом.

Сплетения — это такие структуры систем управления технологическими процессами, которые обобщают структуры де­ревьев и графов. Их применяют в трансляторах для отображения деревьев и графов в памяти программируемых логических контроллеров (ПЛК). Но особенно важное значение структуры сплетений имеют в ассоциативном программировании.

Основным отличительным свойством сплетений от других типов структур наличие у каждого элемента сплетения нескольких полей с указателями на другие элементы того же сплетения. В одном из этих полей помещается элемент данных или указатель на него. Каждый элемент сплетения может содержать информацию о числе полей с указателями и формате поля данных.

Сплетения лучше других типов структур отображают сложные многоуровневые структуры данных в памяти программируемых логических контроллеров (ПЛК). Представление сплетений для таких структур нагляднее, чем списковое.

База данных (БД) систем управления технологическими процессами — это совокупность взаимосвязанных хранящихся вместе данных при наличии такой минимальной избыточности, которая допускает их использование оптимальным образом для одного или нескольких приложений; данные запоминаются так, чтобы они были независимы от про­грамм, использующих эти данные; для добавления новых или модификации существующих данных, а также для поиска данных в БД применяется общий управляемый способ. Концепцию БД, эффективно используемая при по­строении информационно-поисковых систем, с некоторыми дополнениями и изменениями может быть использована и в системах автоматизации.

При проектировании БД особенно выпукло проступает противоречие между скоростью поиска информации в БД и ее гибкостью. Основное требование на построение гибких БД заключается в полной независимости трех ос­новных уровней описания данных; ориентированных на нужды прикладных программ (подсхема), являющихся глобальным описанием логической структуры БД («схема») и описания физической организации (расположения на физических носителях).

Однако максимальное соответствие схемы физического расположения на носителях схеме пользователя является существенным фактором обеспечения необходимого быстродействия. Решением является введение иерархических БД. При этом на разных уровнях иерархической БД АСУ ТП приходится отдавать предпочтение различным критериям — на низшем (задачи управления ТП) предпочитается быстродействие, на верхнем (задачи контроля, отчетность) — гибкость.

Информационные носители систем управления технологическими процессами характеризуют следующие основные показатели:

Габаритные размеры носителя, обычно три — длина, ширина толщина (высота).

Емкость при установленных размерах, выраженная в двоичных единицах.

Время записи единицы информации — поскольку это время зависит от технических средств (машин или производительности человека), ведущих запись информации, то практически удобнее пользоваться таким показате­лем, как скорость записи информации, выражающаяся в количестве двоичных единиц информации в единицу времени: дв. ед./с; дв. ед./мин; дв. ед./ч.

Время считывания систем управления технологическими процессами — также зависит от технических параметров машин или производительности человека. Этот показатель удобно в ряде случаев заменять скоростью считывания, выражающей количество информации, считываемое в единицу времени.

Время поиска систем управления технологическими процессами — определяет время, необходимое для отыскания нужной информации.

Срок службы информационных носителей систем управления технологическими процессами — определяет время, в тече­ние которого носитель пригоден для технической эксплуатации. Иногда удобнее характеризовать носитель вместо срока службы количеством допус­тимых обращений к нему.

Надежность систем управления технологическими процессами — показателем надежности можно также считать количе­ство допустимых обращений к носителю, не вызывающих разрушения инфор­мации.

Стоимость носителя систем управления технологическими процессами — при оценке эффективности применения носителя показатель стоимости играет очень важную роль. Удобнее, однако, пользо­ваться показателем удельной стоимости носителя, равной частному от деления стоимости носителя на его объем. Достоинство этого, как и любого дру­гого универсального, показателя состоит в возможности непосредственного сравнения между собой носителей различного качества.

Сравнение носителей производится при прочих равноценных характе­ристиках.