1.1. Bendra samprata apie informaciją ir signalus

 

Senokai pasibaigė Industrinės visuomenės era, kada dauguma visuomenės narių gamino materialius produktus, užtikrinančius visuomenės egzistenciją. Šiandien gyvename sparčiai besivystančioje Informacinėje visuomenėje, kurioje informacija ir jos apdorojimas vaidina pagrindinį vaidmenį. Dabar svarbiausia yra ne pagaminti patį produktą, bet pagaminti taip, kad tai būtų atlikta naudojant mažiausius energetinius, materialinius, valdymo ir kitus resursus. Ieškant optimaliausių variantų reikia apdoroti labai didelį informacijos kiekį, todėl šiuolaikinėje visuomenėje dauguma žmonių dirba renkant ir apdorojant informaciją bei kuriant naujas kompiuterizuotas informacines sistemas, kurios automatizuotų informacijos surinkimą ir apdorojimą. Pati informacija tapo produktu. Žodis ,,informacija“ suvokiamas ne tik kaip įvairūs finansiniai, buhalteriniai, technologiniai ir t. t. duomenys. Vaizdai, garsai, pojūčiai bendroje informacijos apimtyje sudaro didžiąją jos dalį. Informacija kuriama visoje mus supančioje erdvėje. Bet koks atsitiktinis įvykis gali būti informacija. Standartas LST ISO/IEC2382 informaciją apibrėžia kaip ,,Žinios, kurios sumažina arba panaikina neapibrėžtumą apie tam tikro įvykio iš galimų įvykių aibės įvykimą. Informacijos teorijoje sąvoka „įvykis“ suprantama taip pat, kaip ir tikimybių teorijoje, nurodyto elemento buvimas tam tikroje elementų aibėje“ir t.t;

Informacijos kiekį apibūdina pašalinto neapibrėžtumo kiekis. Kuo labiau netikėtas pranešimas (t.y., kuo mažesnė jo tikimybė), tuo daugiau informacijos jis perduoda. Vidutinis vieno pranešimo informacijos kiekis H yra vadinamas informacijos šaltinio entropija. Tai ne kas kita, kaip neapibrėžtumo tarptautinis sinonimas.

Norėdami informaciją apdoroti ir kaupti, būtina ją perduoti iš vieno erdvės taško į kitą.

Informacijos šaltinio sparta R apibrėžiama taip:

R= H/T(1.1)

čia T- vidutinė vieno pranešimo perdavimo trukmė.

Informacijos perdavimą nagrinėja telekomunikacijų teorija. Šio mokslo objektas yra ne konkrečios perdavimo sistemos ar įrenginiai, bet apibendrinti jų modeliai.

Informacijos perdavimui naudojami įvairūs signalai. Tai gali būti šviesos, garso, elektriniai, nerviniai, temperatūros skirtumo ir t. t. Ypač daug informacijos galima perduoti molekuliniame lygyje, pavyzdžiui – genetiniais kodais.

Viduramžiais informacijos perdavimui naudojo šviesos, garso ir kitus tais laikais prieinamus signalus. Pavyzdžiui, informacija apie Katalikų bažnyčios popiežiaus rinkimų rezultatus buvo perduodama juodais arba baltais dūmais. Didesnį informacijos kiekį galima buvo perduoti atitinkamuose pilies languose įžiebiant ugnis. Praktiškai tai buvo optinis informacijos perdavimas, kurio sparta dėl technikos netobulumo buvo maža.

Nepriklausomai nuo to, kokio tipo signalus naudojame, yra būtinas informacijos kodavimas, kuris rodo ryšį tarp atitinkamų informacijos elementų ir signalų. Sudaroma lentelė, kurią bendrąja prasme galime pavadinti kodų lentele. Pavyzdžiui jeigu šviesa pasirodo du kartus – karalius miega, tris kartus- miega sargyba ir t. t. Norint užtikrinti perduodamos informacijos saugumą būtina šią kodų lentelę, pagal tam tikras taisykles, nuolat keisti.

Signalai perduodami tam tikra terpe, kuri praleidžia tuos signalus. Šviesos signalai gerai sklinda beorėje erdvėje, optine skaidula, oru. Elektriniai signalai gerai sklinda terpėje iš įvairių metalų - vario, aukso, sidabro ir kitų. Nepriklausomai nuo peravimo terpės tipo, beveik visais atvejais, signalą veikia trukdžiai, kurie blogina perdavimo sąlygas. Prisiminant senovę, šviesos signalų sklidimui labiausiai trukdė rūkas, o dūminio signalo nepamatysi ne tik dėl rūko, bet ir naktį. Informacijos perdavimą bendrąja prasme galime nagrinėti pagal 1.1 pav. pateiktą schemą.

Tai labai apibendrinta informacijos perdavimo sistema. Nagrinėdami konkrečias sistemas, kurios informacijos perdavimui naudoja vienokią ar kitokią perdavimo terpę ir signalus, detalizuosime atskirų mazgų veikimą. Kai kuriais atvejais informacijos skaidymo į elementus gali ir nebūti. Nereikėtų pamiršti, kad informacijos perdavimo sistema labai priklauso ir nuo perduodamos informacijos pobūdžio, reikalavimų perdavimo spartai, patikimumui ir saugumui.

1.1. pav. Informacijos perdavimo sistema

Signalų perdavimas ir priėmimas, tai fizinis šių funkcijų realizavimas. Pavyzdžiui perduodant informaciją šviesa, perdavimą galima suprasti kaip laužo atidengimas ir uždengimas, o priėmimas – šviesos signalų stebėjimas. Pamačius kiek kartų pasirodė šviesa, pagal kodų lentelę galima nustatyti, kokia informacija buvo perduota. Sujungus kelis perdavimus, gauname pilną pranešimą. Šiuolaikinėje ryšio sistemoje perdavimo įrangoje vykdomas ir linijinis kodavimas arba moduliacija, atskirais atvejais kodavimas ir signalo moduliacija.

Pagal informacijos šaltinio S sujungimo su imtuvu I būdą, informacijos apsikeitimas gali būti:

1. Vienpusis ryšys arba simpleksas SX (Simplex,) – tai toks ryšys, kai informacija perduodama tik viena kryptimi. Informacijos šaltinis S tik perduoda, o imtuvas I tik priima. Vienpusio ryšio pavyzdžiu gali būti radijo ir televizijos programų transliavimas.

 

1.2 pav. Vienpusis ryšis

2. Pakaitinis dvipusis ryšys arba pusiau dupleksas HDX (Half-Duplex) – tai toks ryšys, kai informacija perduodama abiem kryptim, tačiau ne vienu metu. Jeigu analizuosime A ir B punktus, tai kiekvienas jų turi siųstuvą ir imtuvą tarpusavyje sujungtus viena perdavimo terpe. Kai punktas A perduoda, B punktas gali tik priimti ir atvirkščiai.

 

1.3 pav. Pakaitinis ryšis

3. Dvipusis ryšys arba pilnasis dupleksas FDX (Full Duplex) arba tiesiog

dupleksas DX (Duplex) – tai toks ryšys, kai informacija gali būti perduodama vienu metu abiem kryptim. Punktai A ir B tuo pačiu metu perduoda savo informaciją ir priima iš kito punkto gaunamą informaciją.

 

1.4 pav. Dvipusis ryšis

Dvipusio ryšio atveju informacija tuo pačiu metu perduodama ir priimama, todėl naudojamos atskiros fizinės terpės arba dažnių juostos. Beveik visa šiuolaikinė įranga dirba dupleksiniame rėžime.

1.2. Analoginiai signalai

19-tame ir 20-tame amžiuose dažniausiai buvo naudojami elektriniai signalai sklindantys laidinėmis linijomis arba erdvėje, radijo bangų pagalba. Perduodant informaciją elektriniais signalais anksčiau ir dabar dažniausiai naudojamas periodinis, laiko atžvilgiu netrūkus, sinusinis signalas S(t):

S(t)=A sin(2πf+φ) (1.2)

Tokio signalo kitimo dėsnis yra žinomas, todėl jis priklauso determinuotiems arba reguliariems signalams. Šiais signalais perduoti informaciją galima keičiant:

• A- signalo amplitudę, kuri matuojama Voltais [V] arba Amperais[A];
• f- amplitudės svyravimų dažnį, matuojamą Hercais [Hz];
• φ- signalo fazę, matuojamą Radianais [rad].
• Reguliaraus signalo atitinkamo parametro keitimas priklausomai nuo perduodamos informacijos, vadinamas signalo moduliacija. Keisdami amplitudę gauname amplitudinę moduliaciją AM (ASK) (Amplitude Shift Keying), dažnį - dažninę DM (FSK, Frequency Shift Keying), fazę – fazinę moduliaciją FM (PSK, Phase Shift Keying). Matematiškai nesunku įrodyti, kad moduliuojant signalą jo spektras išsiplečia priklausomai nuo jį moduliuojančio informaciją nešančio signalo, moduliacijos tipo ir moduliacijos indekso. Nešantį signalą f₀ moduliuojant žemesnio dažnio signalu F, taikant amplitudinę moduliaciją papildomai gausime taip vadinamas šonines dedamąsias (f₀ +F) ir (f₀ –F). Naudojant DM ir FM dedamųjų gaunasi dar daugiau.
• 

  1.5 pav. AM virpesio spektras
• Jeigu signalas moduliuojamas sudėtingu signalu sudarančiu dažnių juostą F1-F2, tada gaunamos šoninės juostos, viena - nuo (f₀ –F2) iki (f₀ –F1), kita- nuo (f₀ +F1) iki (f₀ +F2).
• Informacijos perdavimas naudojant tolydžiojo laiko funkcijas dažnai vadinamas analoginiu signalu, o ryšio sistemos – analoginėmis ryšio sistemomis. Informacijos kiekį, kuri perneša analoginis signalas išmatuoti gana sunku.

1.3. Skaitmeniniai signalai

• Perduodant skaitmeninę informaciją (raides, skaičius) pačioje įrangoje tarp atskirų mazgų ir tarp atskirų informacijos šaltinių ir gavėjų nutolusių sąlyginai nedideliais atstumais naudojami diskrečiojo laiko signalai, turintys pertraukiamą laikinę charakteristiką. Ryšių sistemos, naudojančios diskrečiojo laiko signalus vadinamos skaitmeninėmis.
• Perduodant vienetą perduodama pastovi įtampa (srovė). Perduodant nulį įtampa (srovė) linijoje lygi nuliui arba neigiama. Optinėse skaidulose vienetas perduodamas šviesos impulsu.
• 

   
• 1.6 pav. Diskrečiojo laiko signalo pavyzdys

Skaitmeninės informacijos kiekis I_n apibrėžiamas šitaip:

 

kur Pn yra n-ojo pranešimo perdavimo tikimybė.

Esant skaitmeniniam signalui, vieno pranešimo informacijos kiekis H išreiškiamas sekančiai:

 

Informacijos kiekis yra matuojamas bitais. Bitas yra informacijos kiekis, kuris reikalingas atskirti du vienodos tikimybės įvykius. Kaip jau minėta, tai 1 arba 0. Informacijos kodavimui, įrenginių talpai nusakyti dažnai naudojami 8 bitai, kurie sudaro baitą, žymime B.

Moduliacijos sparta arba perdavimo spartai matuoti naudojamas bodas- tai vienodos trukmės elementų kiekis per sekundę. Priklausomai nuo informacijos perdavimo metodo ir naudojamų kodų, vienas bodas gali pernešti informaciją apie kelis bitus. Jeigu perdavimo terpėje veikia stiprūs trukdžiai, tada 1 bitas gali būti perduodamas naudojant keletą bodų.

Idealus diskrečiojo laiko signalas turi begalo platų spektrą. Panagrinėtume pačio paprasčiausio, periodinio stačiakampių impulsų –meandro formos signalo spektrą. Tokį signalą galima aprašyti Furjė (Fourier) eilute, kaip sumą nelyginių harmonikų :

1.4 paveiksle matome, kad prie sinusinio signalo, kurio dažnis atitinka meandro dažnį pridėjus signalus su triskart ir penkis kartus didesniais dažniais (3-čia ir 5-ta harmonika) suminio signalo forma artėja prie stačiakampių formos. Realiose sistemose praleidžiami tik tam tikro dydžio dažniai, todėl signalų kitimo sparta visada yra baigtinė ir trūkio taškų neturi, todėl tenkina Dirchlė (Dirichlet) sąlygas. Kai Dirichlė sąlyga tenkinama, Furjė eilute galima aprašyti bet kokios formos signalą.

1.7 pav. Meandro formos signalo formavimas sudedant nelygines harmonikas

Matematiškai nesunku įrodyti, kad vieno stačiakampio impulso dažnių juostos plotis yra atvirkščiai proporcingas impulso trukmei.

1.4. Signalų diskretizavimas ir kvantavimas

Naikvistas (H. Nyquist) dar 1928 pastebėjo, o V. Kotelnikovas įrodė, kad bet kokią tolydžiojo laiko funkciją galima perduoti diskrečiojo laiko imčių (impulsų) seka, jei imčių dažnis F_d yra du kartus didesnis nei maksimalus dažnis tame signale F. Tai ir yra signalo diskretizavimas.

F_d≥2F (1.6)

 

1.8 pav. Tolydžiojo laiko signalo pavertimas diskrečiu

1.8 paveiksle pateikto signalo pagrindinis dažnis yra mažas, todėl atrodytų ir diskretizavimo dažnis turėtų būti mažesnis. Šiame paveiksle pateikto signalo forma skiriasi nuo harmoninio virpesio, nes savo sudėtyje turi ne tik pagrindinį dažnį, bet ir kitų dedamųjų, ko išdavoje diskretizavimo dažnį arba tankį reikia imti didesnį. Gautas impulsinis D_dis signalas su besikeičiančia amplitude dar mažiau atsparus trukdžiams ir iškraipymams, turi labai platų dažnių spektrą, todėl informacijos perdavimui nenaudojamas.

Siekiant supaprastinti signalą, impulsų amplitudei suteikiama tik tam tikra artimiausio lygio reikšmė. Šis procesas vadinamas kvantavimu. Imčių verčių kiekis priklauso tik nuo to, kiek skilčių dvejetainio skaičiaus naudosime imčių amplitudei perduoti arba kitaip- signalui koduoti. Jeigu amplitudės vertei koduoti naudosime 4-is bitus, tai signale galės būti ne daugiau, kaip 2⁴= 16 kvantavimo lygių. Skaitmeninis signalas (kodas) gautas vykdant tolydžiojo signalo diskretizavimą ir kvantavimą vadinamas signalu su impulsine kodine moduliacija PCM (Pulse Code Modulation).

1.9 pav. Signalo kvantavimas ir kodavimas: A- signalas po diskretizacijos su kvantavimo lygiais; B – kodas gautas atlikus kvantavimą ir kodavimą; C- signalo su PCM moduliacija viena iš versijų.

Akivaizdu, kad įrangoje kvantavimo lygių kiekis priklauso nuo tolydžiojo, dar kitaip vadinamo analoginio, signalo amplitudės kitimo diapazono ir kvantavimo žingsnio-atstumo tarp gretimų kvantavimo lygių ΔU. Siekiant pasiekti didelį perduodamo signalo tikslumą, reikalingas didelis diskretizavimo dažnis ir didelis kvantavimo lygių skaičius, kuris tiesiog proporcingas kodo skilčių skaičiui. Didinant kodo skilčių skaičių, tiesiogiai didėja perduodamo signalo sparta. Panagrinėkime balso perdavimą telefoniniu kanalu. Dabar standartai pateikia gana skirtingus kanalo parametrus, bet klasikinis telefoninis kanalas turi praleisti dažnių juostą nuo 0,3 iki 3,4 kHz. Vadovaujantis 1.6 formule, diskretizavimo dažnį pasirenkame 8 kHz. Įvertindami tai, kad raidžių kodavimui naudojame 7 bitus + 1 bitą nelygiškumo (kanalo kodavimas) kontrolei, tai ir amplitudės kodavimui naudosime 8 bitus. Tada signalą galime kvantuoti 2⁸ =256 lygiais, ko visiškai pakanka gerai telefoninio pokalbio kokybei užtikrinti. Šiuo atveju, telefoninį kanalą perduodant skaitmeniniais kodais su PCM moduliacija mums reikės 8000*8=64 000 bps arba 64 kbps. Tai ir yra standartinė skaitmeninio kanalo su PCM moduliacija sparta. Siekiant užtikrinti tokią spartą reikalingas kanalas su plačia dažnių juosta. Nesunku įrodyti, kad kanalo kaina tiesiog proporcinga praleidžiamai dažnių juostai, todėl šiuolaikinėje technikoje taikomi įvairius būdai siekiant perduoti tą pačią informaciją su galimai mažesne skaitmeninio signalo sparta ir tuo pačiu atpiginti paslaugų kainas. Tai pasiekiama naudojant įvairius signalo kodavimo metodus, kurių yra gana daug. Esminis balso kodavimo bruožas yra tai, kad ryšio kanalu perduodamas ne pats kalbos signalas, o to signalo sudarymo modelio parametrai, kuriuos naudodamas imtuvas atkuria kalbą. Atsiradus greitiems signalų procesoriams pradėta naudoti hibridinius (mišrius) kodavimo metodus, tokius kaip kodinio žadinimo linijinis nuspėjantis kodavimas CELP (Code-Excited Linear Prediction). Šių metodų yra gana daug, tai linijinis nuspėjantis žadinimo vektorine suma kodavimas VSELP (Vector Sum Excided Liner Predictive Coding), ACELP ir kiti. Kodavimo esmę sudaro tai, kad naudojama kalbos kodų knyga, kurioje surašyta tam tikri kalbos parametrai ir jų kodai. Pirmiausiai kalbos signalas diskretizuojamas, po to pagal tam tikrą algoritmą vykdomas elementų apjungimas į atitinkamus kalbos elementus ir pagal kalbos kodų knygą elementai paverčiami kodais. Imtuve viskas daroma atvirkščiai. Tokie įvairūs mišraus kodavimo principai naudojami ir ITU-T.G.729, G.723 standarte aprašytuose koderiuose, kurie balsą gana suprantamai gali perduoti atitinkamai 8 ir 5,3 kbps sparta.

1.5. Fizinės terpės ir kanalo pralaida

Pagal Hartlėjaus-Šenono (R. Hartley – C. Shannon) formulę teorinis informacijos pralaida -C yra tiesiog proporcinga praleidžiamų dažnių juostai -B ir priklauso nuo signalo-S ir trukdžių vidutinės galios -N santykio:

C=B log₂(1+S/N) (1.7)

Vadovaujantis formule ir elementaria logika galime padaryti išvadą, kad informacijos perdavimo sparta bus tuo didesnė, kuo fizinė terpė sugebės praleisti aukštesnius dažnius.

Kanalo arba fizinės terpės pralaidą galima skaičiuoti ir pagal Naikvisto (Nyquist) formulę:

C=2B log₂ M (1.8)

Čia M-informacinio parametro galimų skirtingų būsenų skaičius. Prisiminus informacijos perdavimą laužais, tai galėtų būti keli šviesumo lygiai. Pavyzdžiui jei visas laužas šviečia- karalius miega, jei pusė laužo uždengta-miega sargyba. Savaime suprantama, kad kuo mažesni trukdžiai, tuo tokių būsenų skaičius bus didesnis (galima uždengti1/4 laužo, arba uždenginėti ne tik horizontaliai, bet ir vertikaliai). Elektriniuose signaluose kelias reikšmes ir tuo pačiu būsenas gali turėti perduodamo virpesio amplitudė, dažnis arba fazė. Būsenų skaičius priklauso ne tik nuo naudingo signalo ir triukšmų santykio, bet ir nuo įrangos tobulumo, nes kuo įranga tobulesnė, tuo daugiau būsenų ji gali atskirti. Formuojant skirtingas būsenas galima naudoti ne tik skirtingas amplitudes, bet ir skirtingas fazes, todėl galimų būsenų skaičius yra gana didelis.

Informacinio parametro būsenų skaičių lengviausia suprasti analizuojant skaitmeninių signalų perdavimą. Siekiant sumažinti pagrindinį perduodamų impulsų dažnį naudojamas informacijos jungimas. Jeigu skaitmeninės informacijos perdavimui naudojamos 4-jos amplitudės būsenos, tada informacinius elementus galime jungti po du ir taip pagrindinį signalo dažnį sumažiname dvigubai.

1. lentelė. Informacijos elementų perdavimas naudojant skirtingas signalo amplitudes.

Informacijos elementai	Perduodamo signalo amplitudė
10	0,5U
11	U
01	-0,5U
00	-U

20 pav. Skaičiaus 1001perdavimas naudojant 2 amplitudės būsenas-A variantas ir 4 būsenas -B variantas

Siekiant sumažinti signalo spektrą, galima jungti ne tik po du, bet ir daugiau bitų.

Kartais informacijos laidumas vadinamas kanalo talpa (channel capacity), nes vartotojai dažniausiai susiduria ne su konkrečia perdavimo terpe, bet kanalu, kuris gaunamas sutankinant (multiplexing) perdavimo terpę. Kanalas sudaromas, galima pasakyti pagaminamas, aparatūros pagalba ir suprantamas, kaip vienas tam tikros informacijos rūšies perdavimas ir priėmimas. Tai gali būti televizinis, telefoninis, radijo kanalas ir t.t.. Labai daug įvairių kanalų tipų naudojama duomenų perdavime. Kanalą galime įsivaizduoti kaip tam tikrą informacijos perdavimo spartą užtikrinanti kelią, kurį sukuria įranga, multipleksuojanti perdavimo terpę. Kuo platesnis kelias, tuo didesnis judėjimo greitis, o kuo kanalas turi platesnę praleidžiamų dažnių juostą, tuo didesnę informacijos perdavimo spartą jis užtikrina.

Informacijos teorijoje kanalas gali būti apibūdinamas sąlyginėmis tikimybėmis pranešimų imtuve gauti pranešimą, kai iš pranešimų šaltinio yra išsiųstas konkretus pranešimas.

Vienas iš parametrų apibudinčių kanalą ir fizinę terpę yra dažninė amplitudinė charakteristika, pagal kurią nustatoma perduodamų dažnių juostos plotis. Kanalo apibudinimui, ypač duomenų perdavimo, naudojama pralaida (throughput), kuri nusakoma maksimalia perdavimo sparta, tiesiogiai susijusia su informacijos laidumu B. Perdavimo terpė perduoda labai plačią dažnių juostą, todėl sutankinanti (multipleksuojanti) įranga iš vienos plačios dažnių juostos sukuria daug siauresnių juostų- kanalų arba trumpalaikių virtualių sujungimų, kuriais informacija perduodama ir priimama. Jeigu sakome telefoninis kanalas, tai suprantame kaip tam tikrą galimybę suprantamai perduoti kalbą. Tradicinis telefoninis kanalas suprantamas kaip signalų, kurių dažnių juosta yra nuo 300 Hz iki 3,4 kHz perdavimas- priėmimas. Šiuo atveju kanalas vadinamas skaidriu, nes perduoda visus signalus, telpančius į dažnių juosta, nekeisdamas jų formos. Jeigu kanalo formavimui naudojami šiuolaikiniai, hibridiniai koderiai, veikiantys pagal ITU-T.G.729, G.723 ar kitus standartus, kanalo kokybė vertinama ne pagal praleidžiamų dažnių juostą, bet pagal subjektyvų parametrą MOS (Mean Opinion Score), kuris parodo perduodamos kalbos suprantamumą 5-ų balų sistemoje. Toks kanalas yra neskaidrus, nes pritaikytas perduoti tik kalbos signalams.

Populiariausių perdavimo terpių ir kanalų perduodamos dažnių juostos parodytos 21 pav.

21 pav. Įvairų fizinių terpių praleidžiamos dažnių juostos ir populiariausi dažnių diapazonai

Egzistuoja šeši dažnių juostos pločio apibrėžimai. Jeigu prie dažnių juostos plotis joks papildomas pavadinimas nepridedamas, tai suprantame kaip 3dB arba pusės galios juostos plotis, – tai nepertraukiamas dažnių diapazonas, kuriame galios spektrinis tankis būtų ne mažesnis už pusę maksimalios galios spektrinio tankio. Jeigu keturpolio, perdavimo terpės arba kanalo tyrimui naudojame harmoninį signalą, tada dažnių juostos pločiui apibudinti galime naudoti amplitudžių santykį. Šiuo atveju išėjimo A_išėj. ir įėjimo A_įėj. amplitudžių galios svyravimai neviršija 3dB.

22 pav. Dažninė amplitudinė charakteristika ir praleidžiamų dažnių juosta

Gali būti naudojamas absoliutinis juostos plotis- tai dažnių skirtumas f₂-f₁, kur f₁ ir f₂ parinkti taip, kad šiame intervale būtų sukaupta 99% signalo galios.

Galios juostos plotis – dažnių skirtumas f₂-f_1, kur f₁ ir f₂ parinkti taip, kad šiame intervale būtų sukaupta 99% signalo galios. Be šių juostų dar gali būti pirmojo nulio juostos plotis, riboto spektro juostos plotis, ekvivalentusis juostos plotis [3].

Signalai paprastai perduodami praleidžiamų dažnių juostoje. Vertinant perdavimo terpę arba kanalą labai svarbus ir signalo galingumo mažėjimo santykis, kuris vadinamas slopinimu (attenuation). Signalo galingumas daugeliu atvejų mažėja logaritmine skale, todėl slopinimas A yra išeinančio P_išei. ir įeinančio P_įei. galingumų logaritminis santykis. Slopinimas matuojamas decibelais (dB) sudarančiais 1/10 Belo. Tam, kad atsakymas būtų decibelais, naudojamas daugiklis iš 10. Formulė atrodo taip:

A=log₁₀ P_išei./ P_įei. (1.9)

Žodinėlis

Žodinėlis

1	Adityvusis trukdys	Trukdys, kuris prisideda prie signalo
2	Amplitudinė moduliacija AM (ASK, Amplitude Shift Keying)	Reguliaraus signalo amplitudės keitimas priklausomai nuo perduodamos informacijos
3	Amplitudiniai –dažniniai iškraipymai	Šie iškraipymai pasireiškia tuo, kad skiriasi atskirų spektro dedamųjų slopinimai.
4	Analoginis signalas	Informacijos perdavimas naudojant tolydžiojo laiko funkcijas
5	Baitas	8 bitai
6	Bitas	Informacijos kiekis, kuris reikalingas atskirti du vienodos tikimybės įvykius
7	Blokiniai kodai	Pranešimas skirstomas į tam tikro kiekio ženklų (intervalų) blokus, prie kurių pridedami kontroliniai ženklai.
8	Bodas	Perdavimo sparta. Vienodos trukmės elementų kiekis per sekundę
9	Chromatinė dispersija	Atsiranda dėl nevienodo bangų sklidimo greičio skaiduloje
10	Čipai	Duomenų bito suskaidymas į daug trumpesnius impulsus, kurie ir vadinami Čipais
11	Dažninė DM (FSK, Frequency Shift Keying)	Reguliaraus signalo dažnio keitimas priklausomai nuo perduodamos informacijos
12	Determinuotas arba reguliarus signalas	Signalas, kurio kitimo dėsnis yra žinomas
13	Dinaminis diapazonas	Didžiausios ir mažiausios perduodamo dydžio verčių santykis
14	Diplekseris (Diplexer)	Įtaisas skirtas siunčiamiesiems ir priimamiesiems signalai atskirti
15	Diskretizavimas	Tolydžiojo laiko funkcijos perdavimas diskrečiojo laiko imčių (impulsų) seka, kai imčių dažnis yra du kartus didesnis nei maksimalus dažnis tame signale
16	Dvipusis ryšys DX (Duplex)	Kai informacija gali būti perduodama vienu metu abiem kryptim
17	Entropija	Vidutinis vieno pranešimo informacijos kiekis
18	Fazinė moduliaciją FM (PSK, Phase Shift Keying).	Reguliaraus signalo fazės keitimas priklausomai nuo perduodamos informacijos
19	Fliuktuaciniai trukdžiai	Šie trukdžiai kyla dėl chaotiško elektros krūvininkų judėjimo
20	Fragmentavimas	Paketo skaidymas į mažesnius
21	Gauso kanalas	Praleidžia signalus, kurių spektras išsidėstęs praleidžiamų dažnių juostoje, kanalo parametrai nekinta, o signalas kanale veikiamas adityviuoju baltuoju Gauso triukšmu.
22	Geostacinarinis palydovas	Palydovas, kurio padėtis sąlyginai fiksuota (stacionari) žemės atžvilgiu
23	Hemingo nuotolis	Parodo skilčių kiekį tarp leistinų kodo žodžių
24	Impulsinė kodinė moduliacija PCM (Pulse Code Modulation).	Skaitmeninis signalas (kodas) gautas vykdant tolydžiojo signalo diskretizavimą ir kvantavimą
25	Informacija	Žinios, kurios sumažina arba panaikina neapibrėžtumą apie tam tikro įvykio iš galimų įvykių aibės įvykimą
26	Informacijos kiekis	Pašalinto neapibrėžtumo kiekis
27	Informacijos kodavimas	Rodo ryšį tarp atitinkamų informacijos elementų ir signalų
28	Inkapsuliacija.	Paketo turinio papildymas
29	Intermoduliaciniai iškraipymai IMD (Intermodulation Distortion).	Kombinacinių dažnių atsiradimas išėjimo signale. Šie iškraipymai priklauso netiesiniams.
30	Kanalas	Suprantamas, kaip vienas tam tikros informacijos rūšies perdavimas ir priėmimas
31	Kanalų (grandinių ) komutacija	Kai informacijos šaltiniui, tam tikram laikui priskiriamas kanalas arba perdavimo terpė
32	Kvantavimas	Suteikimas tik tam tikros artimiausios reikšmės
33	Kvantavimo triukšmas	Skirtumas tarp orginalaus analoginio signalo ir to signalo imties skaitmeninės vertės.
34	Kvantavimo žingsnis	Atstumas tarp gretimų kvantavimo lygių
35	Langas	Baitų kiekis, kuris perduodamas be patvirtinimo
36	Ląstelė	Fiksuoto ilgio paketas
37	Moduliacija	Reguliaraus signalo atitinkamo parametro keitimas priklausomai nuo perduodamos informacijos
38	Multipleksavimas
39	Multiplekseris
40	Multiplikatyvieji trukdžiai	Šie trukdžiai atsiranda atsitiktinai kintant ryšių linijos arba kanalo perdavimo koeficientui,
41	Netiesiniai iškraipymai	Pasireiškia tuo, kad išėjimo įtampa nustoja būti proporcinga įėjimo įtampai, ko pasekoje atsiranda signalo įvairios harmonikos.
42	Pakaitinis dvipusis ryšys HDX (Half-duplex)	Kai informacija perduodama abiem kryptim, tačiau ne vienu metu
43	Perkrovos triukšmas (overload noise)	Atsiranda, kai įėjimo signalas viršija didžiausią kvantavimo lygį.
44	Plesiochroninė skaitmeninė hierarchija PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy)	Laikinio kanalų išskyrimo įranga, kai kiekvienas komplektas turi savo laikrodį - taktinių impulsų generatorių
45	Poliarizacijos modų dispersija PMD	Vyksta dėl poliarizacijos modų, sklindančių x ir y plokštumose greičių skirtumo.
46	Protokolas	Signalų apsikeitimo algoritmas.
47	Sąsają	Standartizuotas sujungimas, kuriame standartizuotas signalų apsikeitimo algoritmas (protokolas), signalų parametrai, o kartais net ir mechaninė jungtis.
48	SDH konteineris	Savotiški paketai - matricos, kuriuose yra tik tarnybinė ir kanalinė informacija. Konteineryje nėra gavėjo ir siuntėjo adreso, nes reikalinga kanalo arba srauto informacija išskiriama priklausomai nuo laiko momentų multiplekseryje.
49	Signalizacija	Valdymo signalai, kurie perduodami abonento šaukimo ir sujungimo užbaigimo fazėje
50	Sinchroninė skaitmeninė hierarchija SDH (Synchronous Digital Hierarchy)	Laikinio kanalų išskyrimo įranga turinti vieną centrinį sinchronizacijos šaltinį ir centralizuotą valdymą
51	Sinchroninis optinis tinklas SONET (Synchronous Optical Network)	Amerikietiška SDH versija
52	Sinchronizacija	Siųstuvo ir imtuvo dažnių suvienodinimo procesas
53	Skaidrus kanalas	Perduoda visus signalus, telpančius į dažnių juosta, nekeisdamas jų formos
54	Skaitmenės sistemos	Ryšių sistemos, naudojančios diskrečiojo laiko signalus
55	Susidūrimas CD (Collision Detection)	Susidūrimas tinkle įvyksta dėl signalų vėlinimo,kai tuo pačiu metu du tinklo įrenginiai pradeda perdavinėti informaciją
56	Tarpženklinė interferencija ISI (Intersymbol Interference).	Kai kanalo arba perdavimo terpės dažnių juostos plotis yra mažesnis lyginant su informacijos perdavimo sparta, tada impulsai išplatėja, persikloja ir imtuvas jų negali išskirti.
57	Telekomunikacija	Įrenginiai ir kiti objektai susiję su informacijos perdavimu
58	Tolydieji kodai	Sudaromi nepertraukiamai tarp informacijos ženklų įterpiant kontrolinius ženklus
59	Transliacinis adresas	Adresas pagal kurį visi tinklo įrenginiai priima paketą. MAC adreso atveju, toks adresas susideda iš vienetų - FF FF FF FF FF FF, IP adreso atveju, adreso dalyje, kuri žymi kompiuterio numerį, būna visi vienetai. Pavyzdžiui, C klasės tinklo transliacinis adresas galėtų būti: 192.168.1.255
60	Transliacinis domenas	Kai tą patį paketą su transliaciniu MAC adresu priima visi į šią tinklo dalį įjungti tinklo kompiuteriai
61	Tvarkdarys (Gatekeeper)	Telefono numerį keičia į IP adresą ir atvirkščiai bei vykdo kitas valdymo funcijas
62	Vienpusis ryšys SX (Simlex)	Kai informacija perduodama tik viena kryptimi
63	Vietinis tinklas LAN	Tai toks tinklas, kurio galiniai tinklo įrenginiai priklauso tam pačiam transliaciniam domenui ir tam pačiam tinklui (potinkliui) pagal IP(IPX) adresą.
64	Virtualus vietinis tinklas VLAN	Tas pat kaip ir LAN atveju, tik organizuojamas programinėmis priemonėmis
65	Wi-Fi (Wireless Fidelity)	Bevielio ryšio technologija, kuri leidžia duomenis perduoti nuo 1Mbps (standartas IEEE 802.11) iki kelių šimtų Mbps (standartas IEEE 802.11n) 10-100 m. atstumu.
66	WiMAX (Worldwide interoperability for Microwave Access)	Bevielio ryšio technologija, kuri leidžia sparčiai perduoti duomenis dideliais atstumais. Ši technologija gali suteikti bevielio ryšio prieigą keliasdešimt kilometrų spinduliu nuo ryšio stotelės arba pasiekti iki 70 megabitų per sekundę spartą

Santrumpos

ADSL	Asymmetrical Digital Subscriber Line
	Asimetrinė skaitmeninė abonentinė linija
API	Application Process Interface
	Atvirąją taikymo procesų sąsaja
ATM	Asynchronous Transfer Mode
	Asinchroninis perdavimo būdas
BPSK	Binary Phase Shift Keying
	Dvejetainė fazinė manipuliacija
CDMA	Code Division Multiple Access
	Kanalų dalinimas kodais
CELP	Code-Excited Linear Prediction
	Kodinio žadinimo linijinis nuspėjantis kodavimas
CSD	Circuit-switched Data
	Duomenų perdavimas vykdant gandinių komutavimą
CSMA/CD	Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
	Kolektyvioji nešlio jutimo kreiptis su susidūrimų (kolizijų) aptikimu
DSLAM	Digital Subscriber Line Access Multiplexer
	Abonentinių skaitmeninių linijų multiplekseris
DSSS	Direct Sequence Spread Spectrum
	Tiesinės sekos spektro sklaidos technologija
DWDM	Dense Wavelength Division multiplexing
	Didelio skaičiaus bangų ilgių multipleksavimas
EGPRS	Enhanced general packet radio service
	Patobulinta GPRS sistema
FHSS	Frequency Hopping Spread Spectrum
	Šokinėjančių radijo bangų technologija
FWM	Four-Wave Mixing
	Keturių bangų maišymas
GGSN	Gateway GPRS Supporting Node
	GPRS sąsajos palaikymo mazgas
GMSK	Gaussian minimum-shift keying
	Gauso moduliacija su minimaliu dažnio poslinkiu
GPRS	General Packet Radio Service
	Paketinio perdavimo paslaugos
GSM	Global System for Mobile Communications
	Globali mobiliojo ryšio sistema
HSDSD	High-Speed Circuit Switch Data
	Didelės spartos duomenų perdavimas naudojant grandinių komutavimą
IEEE	Institute of Electrical and Electronics Engineers
	Elektrotechnikos ir elektronikos inžinierių institutas
ISDN	Integated Services Digital Network
	Visuminių paslaugų skaitmeninis tinklas
ITU	International Telecommunications Unit
	Tarptautinis telekomunikacinis komitetas
LAN	Local Area Network
	Vietinis tinklas
LEO	Low Earth Orbit
	Žemos orbitos palydovai
MPLS	Multi protocol Label swiching
	Paketų su žymėmis komutavimo technologija
NRZ	Non return to zero
	Kodavimas be grįžties į nulį
OFDM	Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
	Ortogonalus dažnių multipleksavimas
OSI	The Reference Model of Open Systems Interconnection
	Rekomenduojamas atvirų sistemų sąveikos modelis
PBX	Private Brach Exchange
	Žinybinė komutavimo stotis
PSTN	Public Switched Telephone Network
	Viešas telefoninis tinklas
QPSK	Quadrature Phase Shift Keying
	Kvadratūrinė fazinė manipuliacija
RAS	Remote Access Server
	Tolimosios kreipties serveris
RTP	Real Time Protocol
	Realaus laiko protokolas
RZ	Return to Zero
	Grįžties į nulį kodavimas
SSA	Skaitmeninio signalo apdorojimas
SBS	Stimulated Brillouin Scattering
	Žadinantis Briloin išbarstymas
SGSN	Serving GPRS supporting node
	GPRS palaikymo mazgas
SIM	Subscriber Identity Module
	Abonento identifikavimo modulis
SIP	Session initiation protocol
	Sesijų inicijavimo protokolas
SPM	Self-Phase Modulation
	Savaiminė fazės moduliacija
SRS	Stimulated Raman Scattering
	Žadinantis Raman išbarstymas
STM	Synchronous Transport Module
	Sinchroninis transportinis modulis
TDM	Time division multiplexing
	Laikinis kanalų išskyrimas
UMTS	Universal Mobile Telecommunication System
	Universali mobili trečios kartos 3G sistema
VLAN	Virtual Local Area Network
	Virtualus vietini tinklas
VoIP	Voice over IP
	Balso perdavimas internetu
VSELP	Vector Sum Excided Liner Predictive Coding
	Linijinis nuspėjantis žadinimo vektorine suma kodavimas

2. Valdiklių programinė įranga

Tikslai:

1. Suprasti programinės įrangos paskirtį ir funkcijas.
2. Suvokti programinių priemonių standartizavimo uždavinius ir naudą.
3. Išmanyti industreinės programinės įrangos sudėtines dalis ir jų paskirtį.
4. Žinoti tipines programavimo kalbas ir jų taikymo ypatumus.
5. Susipažinti su Step -7 programair jos taikymo metodika.

Temos studijoms reikalingas laikas:

Paskaitos	2 val
Praktika	2 val
Savarankiškas darbas	2 val

     Tenka pažymėti, kad nuolat yra atnaujinama ne tik aparatinė įranga – modernizuojami arba sukuriami nauji moduliai, bet dar labiau – programinė įranga. Valdiklių programinė įranga turi savo specifiką. Ilgą laiką skirtingų tipų PLV buvo kuriama nestandartizuota programinė įranga. Tai labai smarkiai ribojo galimybes kurti automatizuoto valdymo sistemas su įvairių gamintojų gaminiais. Šiuo metu standartas apibrėžia tipinius reikalavimus programinei įrangai, todėl jos struktūra pamažu vienodėja, nors skirtingų gamintojų programinės įrangos projektuotojams teikiamos galimybės ir labai skiriasi.

Centriniame procesoriuje esanti realaus laiko operacinė sistema valdo laikomųjų programų vykdymą. Norint vykdyti duomenų mainus tarp valdiklių, operacinė sistema dažnai papildoma specialiais programiniais funkciniais blokais. Konkretesnę valdiklių konfigūraciją sunku pateikti, nes skirtingų firmų valdiklių vidinė struktūra labai įvairi.

Taikomųjų uždavinių programavimui gamintojai pateikia standartines funkcijų ir funkcinių blokų bibliotekas. Be standartinių, dažnai pateikiamos bibliotekos, skirtos tam tikros grupės (pvz., reguliavimo, pozicionavimo) arba tam tikros pramonės šakos (pvz., cemento pramonės) uždaviniams programuoti. Kartu su valdikliais gamintojai pateikia jų programavimo sistemas, dažniausiai instaliuojamas standartiniuose PC kompiuteriuose.

Pagrindinės programavimo sistemos dalys: redaktoriai, kompiliatoriai, debugeriai, modeliavimo ir imitavimo priemonės, komunikacijų programinė įranga, tarnybinės programos, pvz., vartotojo sukurtų funkcinių blokų jungimui į sistemą.

Susipažinsime su SIMATIC valdikliams skirta STEP7 programa, teikiančia itin plačias galimybes jos vartotojams. Per trumpą laiką pasirodė net penkios STEP 7 versijos. Jei pirmoji versija dirba tik Windows 3.1, tai – antroji ir trečioji – Windows 95/NT aplinkoje, naujausios - Windows XT aplinkoje. Pirmoji Step 7 versija savo galimybėmis bei dizainu žymiai skiriasi nuo vėlesnių versijų.
 

2.1. Industrinė programinė įranga

Tai tarpusavyje susiję programų paketai, skirti automatinėms sistemoms, naudojančioms S7, M7 arba C7 valdiklius. Šie paketai leidžia lengvai spręsti beveik visus automatizavimo uždavinius:

•   Projektuoti, konfigūruoti ir priskirti parametrus aparatūrai ir komunikacijoms;
•   Vartotojui kurti programas;
•   Dokumentuoti;
•   Testuoti, paleisti ir aptarnauti aparatūrą;
•   Valdyti procesus;
• Archyvuoti.

SIMATIC industrinė programinė įranga naudoja standartą IEC1131-3 ir Windows 95/NT ir vėlesniųjų OS aplinką. Ši programinė įranga teikia tokius privalumus:

•  Bendri duomenys (simboliniai vardai, konfigūravimo ir parametrizavimo duomenys) yra saugomi centralizuotai ir yra prieinami visiems programinės įrangos komponentams;
•  Yra patogi valdymo (Manager) funkcija, leidžianti kurti projektus, koordinuoti visus programinius komponentus;
•  Numatyta galimybė konvertuoti programas, sukurtas STEP 5 programų paketu;
•  Yra atvira kitų firmų produkcijai;
•  Numatytos plačios diagnostinės galimybės, leidžiančios sumažinti eksploatavimo ir remonto išlaidas.

SIMATIC industrinė programinė įranga turi modulinį dizainą -kiekviena programų priemonė gali būti naudojamas individualiai, priklausomai nuo poreikių, ir yra skirstoma į keturias grupes:

•   Standartinės priemonės, į kurių sudėtį įeina STEP 7 pilna versija, naudojama visiems S7, M7 arba C7 valdikliams programuoti, STEP 7-Mini, naudojama S7-300, S7-400 ir C7 valdikliams programuoti bei STEP 7-Mikro/Win - tik S7-200 valdikliams programuoti;
•   Inžinierinės priemonės, skirtos konkretiems uždaviniams spręsti ir naudojamos kaip priedas prie standartinių priemonių. Prie jų priklauso: aukšto lygio kalbos (SCL, ProC/C++ ir kt.), grafinės kalbos (GRAPH, HiGRAPH, CFC ir kt.) ir papildoma įranga diagnostikai, aptarnavimui, imitavimui ir pan. (PDIAG, PLCSIM, TeleService ir kt.);
•   Darbiniai paketai), kuriuos sudaro dalinai perprogramuojami tipiniai uždaviniai - kaip PID ir Fuzzy reguliatoriai, valdymas realiame laike ir pan. Jie gali būti tiesiog integruoti į operacinę sistemą arba pateikiami atskirai, kaip programiniai paketai, bet su atitinkamais reikalavimais aparatūrinei daliai;
•   "Žmogus-mašina" sąsaja - yra skirtas procesų vizualizavimui, operatoriniam valdymui. Jį sudaro ProTool ir ProoTool/Lite paketai, skirti operatoriaus paneliams konfigūruoti, ProAgeni - procesų diagnostikai ir WinCC - aukšto lygio procesų vizualizavimui.
• 2.1.1. STEP 7 programų paketo elementai

      Centriniame procesoriniame įtaise (CP) yra šios programos:

    Operacinė sistema, kuri organizuoja visą procesoriaus darbą ir nėra susieta su procesų valdymo problemomis. Ji sprendžia tokius uždavinius, kaip pakartotinio paleidimo užtikrinimas, įėjimo ir išėjimo buferių paruošimas, kreipimasis į vartotojo programą, pertraukimų ir klaidų nustatymas, atminties paskirstymas ir kt. Vartotojas gali keisti kai kuriuos iš anksto nustatytus operacinės sistemos parametrus, pavyzdžiui, skanavimo ciklo trukmę, laiko funkcijas ir kt.;

     Vartotojo programa, kuri vėliau pakraunama į CP. Joje yra visos instrukcijos valdyti technologinį procesą.  Ji taip pat sprendžia  tokius uždavinius, kaip pakartotinio paleidimo sąlygos, duomenų apdorojimas, reakcija į pertraukimus ir klaidas ir kt.

          STEP 7 programinis paketas leidžia vartotojo programą struktūrizuoti į individualias, nepriklausomas dalis - blokus. Tai suteikia šiuos privalumus:

•   Struktūrizuota programa yra lengviau suprantama;
•   Individualios programos dalys gali būti standartizuotos;
•   Programos organizacija yra supaprastinta;
•   Lengviau modifikuoti programą;
•   Derinimas yra lengvesnis, nes galima testuoti atskiras programos dalis;
•   Valdymo sistemos paleidimas pasidaro lengvesnis.

Vartotojo programa susideda iš sekančių elementų:

•   Organizacinių blokų OB (Organization Blocks), kurie yra loginiai blokai ir formuoja interfeisą tarp operacinės sistemos ir vartotojo programos, kontroliuoja PLV paleidimą, ciklinį bei pertraukiamą programos vykdymą, reaguoja į sutrikimus bei klaidas;
•   Sisteminiu funkcinių blokų SFB (System Function Blocks) ir sisteminiu funkcijų SFC (System Functions), kurie yra standartiniai ir yra integruoti į CP operacinę sistemą. Į juos galima kreiptis iš vartotojo programos. Jie taip pat priklauso loginių blokų grupei;
•   Funkcijų FC (Function) ir funkcinių blokų FB (Function Blocks), kurie priklauso loginių blokų grupei ir sudaro vartotojo programos pagrindą. Jei FB blokai visada turi jiems priskirtą atminties sritį – duomenų bloką, tai FC - tokios atminties srities neturi;
•   Duomenų blokų DB (Data Blocks), kuriuose saugomi vartotojui reikalingi duomenys. Jie būna bendri (Shared), kuriais gali naudotis visi loginiai blokai ir priskirti (Instance), kuriais naudojasi tik FB;
•   Instrukcijų (Instructions), kurių dėka yra kuriami blokai įvairiose programavimo kalbose;
•   Adresų (Addresses), į kuriuos įeina ne tik atminties, bet ir įėjimų bei išėjimų sritys;

2.1 pav. Programų blokų tipų taikymas

     Kad loginis blokas vartotojo programoje būtų apdorotas, į jį turi būti kreiptasi. Tai įmanoma padaryti tik loginiuose blokuose (OB, FB, FC, SFB ir SFC). Kiekvienas kreipimasis reiškia šuolį (Jump) į kitą bloką. Baigus vykdyti visas instrukcijas bloke, į kurį buvo kreiptasi, toliau yra vykdoma pertraukta programa. Grįžimo adresas kviečiančiame bloke yra laikinai išsaugojamas.

    Blokų kreipimosi gylis (Nesting depth) nusako programos hierarchiją (2.2 pav.) ir priklauso nuo CP (CPU314 kreipimosi gylis yra 8).

2.2  pav. Blokų kreipimosi gylis

     Norint programuoti bloką, reikia nurodyti duomenis, kurie bus jame naudojami, t.y., deklaruoti bloko kintamuosius. Kintamaisiais gali būti:

•   Parametrai, kuriais apsikeičia loginiai blokai;
•   Statiniai kintamieji, kurie išsaugomi priskirtuose DB ir po to, kai bloko vykdymas būna baigtas;
•   Laikini kintamieji, kurie naudojami tik bloko apdorojimo metu ir gali būti pakeisti, bloko vykdymui pasibaigus;
•  Yra naudojami du parametrų tipai:
•  Formalūs, kurie identifikuoja parametrus ir yra nurodomi deklaravimo lentelėje;
•  Faktiniai, kurie pakeičia formalius parametrus, kai yra kreipiamasi į bloką.

    Kiekvienam formaliam parametrui būtina nurodyti deklaravimo ir duomenų tipą.

  Vartotojas pats nustato bloke naudojamų parametrų tipą.

    FB blokų duomenys (IN, OUT, IN_OUT ir STAT) yra saugomi priskirtame DB. TEMP tipo duomenys nėra saugomi. Kadangi FC blokas neturi savo DB, todėl IN, OUT ir IN_OUT parametrai yra saugomi tik kaip rodyklės faktiniams parametrams.

    Visi kintamieji vartotojo programoje turi nustatytą duomenų tipą, kurie gali būti tokie:

•   Elementarūs duomenų tipai, numatyti STEP 7 pakete;
•   Kompleksiniai duomenų tipai, kuriuos kuria vartotojas, naudodamas elementarius duomenų tipus;
•   Vartotojo nustatyti duomenų tipai;
•   Parametrų tipo.

     Vartotojas gali nustatyti pradines vertes, kurios turi būti leidžiamų duomenų diapazone, visiems parametrams ir statiniams kintamiesiems. Jei tai nepadaroma, kaip pradinės yra priskiriamos iš anksto nustatytos (Default) vertės.

2.2. IEC 1131 standarto programavimo kalbos

2.2.1. Valdiklių programavimo standartas IEC 1131-3

       Valdiklių programavimo standartas IEC 1131-3 apibrėžia pagrindinius aparatinės ir programinės įrangos kūrimo reikalavimus.  Dėl savo lankstumo ir atvirumo tobulinimui jis sparčiai populiarėja pasaulyje. Pasirinkę IEC standartą gali įvertinti šiuos privalumus:

•   mažėja laiko sąnaudos (dėl lengvesnio derinimo, eksploatavimo, universalumo);
•   atsiranda mažiau nesusipratimų, mažėja klaidų bei jų taisymo sąnaudos;
•   plačios programavimo galimybės, bendros visam pasauliui programavimo taisyklės;
•   galima derinti įvairių projektų, programų, kompanijų ir šalių komponentus.

2.3. Programavimo kalbos

   Pastaruoju metu plinta standartu IEC 1131-3 reglamentuotos valdiklių programavimo kalbos.

Vartotojų patogumui standartu aprobuotos penkios programavimo kalbos. Dvi iš jų yra grafinės:

•   kontaktų plano (Ladder diagram) kalba;
•   funkcinių  blokinių diagramų (FBD – functional block diagram) kalba;

dvi – tekstinės:

•   komandų sąrašo (IL – instruction list arba STL – statment list) kalba;
•   struktūrizuoto teksto (ST – structured text) kalba;

viena – mišrios struktūros kalba:

•   nuosekliųjų funkcinių diagramų  (SFC – sequential functional chart)   programavimo kalba.

 Jei uždavinys nėra itin sudėtingas ir vartotojas gerai susipažinęs su kontaktinių ar bekontakčių loginių sistemų schemų sudarymo technika, patartina rinktis kontaktų plano (LD  ladder diaram) ar funkcinių blokdiagrmų (FBD) programavimo kalbas.

    Jei programuotojas nėra loginių valdymo sistemų schemų sudarymo technikos specialistas, jis gali rinktis asemblerio tipo tekstinę komandų sąrašo (IL – instruction list arba STL – statment list)  programavimo kalbą.

    Aukšto lygio struktūrizuto teksto (ST – strutured tekst) programavimo kalba, savo struktūra artima algoritminei Pascal programavimo kalbai, gali būti vartojama matematiniu pagrindu sudarytoms programoms, pavyzdžiui, valdymo algoritmus apibūdinantiems moduliams, kurti.

    Kai sistemos valdymo algoritmas apibrėžtas pagal standartą IEC 848 sudaryta SFC diagrama, jei tik leidžia valdiklio galimybės, patogiausia vartoti specialiai tam pritaikytą nuosekliųjų funkcinių diagramų (SFC) programavimo kalbą.

    Visais atvejais sudarytosios valdymo programos ar jų dalys turi būti išbandytos. Tai lei­džia aptikti ir pašalinti klaidas dar pradiniame sistemų kūrimo etape.

2.3 pav. SFC programos fragmentas

    Nuosekliosios funkcinės diagramos (SFC)

 IEC 1131-3 standartas pateikia nuosekliąsias funkcines diagramas (SFC) kaip reikšmingą valdymo sis­temų programavimo priemonę. SFC diagramos vaizdžiai atskleidžia sistemų struktūrą, įgalinančią itin aiškiai pateikti jų valdymo programą. Dėl to jos yra viena svarbiausių IEC 1131-3 standarto dalių.                              

Kiekviena nuosekliosios valdymo sistemos programa susideda iš etapų ir pereigų (etapų vykdymo sąlygų). Be to, joje yra ir kitokia svarbi programos vykdymui ir tolesnei jos eigai informacija.

Nuoseklioji funkcinė diagrama tinka ir tuo atveju, kai programos vykdymo eiga nėra vienareikšmė, o reikia pasirinkti vieną iš kelių galimų jos vykdymo variantų.

       Kitos programavimo kalbos

2.4 pav. IEC 1131-3 standarto programavimo kalbos

   Kitos keturios standarte numatomos programavimo kalbos parodytos 5 paveiksle. Jas išmokus, galima plačiai kurti įvairias sistemas, sudarytas remiantis šiuo standartu.

   Kaip minėta aukščiau, programavimo kalbos susideda iš dviejų tekstinių ir dviejų grafinių versijų.

   Tekstinės versijos:

•   komandų sąrašas (IL);

•   struktūrinis tekstas (ST).

Grafinės versijos:

•   kontaktų planas (LD);

•   funkcinės blokinės diagramos (FBD).

Pateikti pavyzdžiai aprašo tą pačią programos dalį. Programavimo kalbos pasirinkimas priklauso nuo:

     programuotojo bazinio pasirengimo;

•      sprendžiamos užduoties;
•     problemos aprašymo sudėtingumo;
•      valdymo sistemos struktūros;
•     sąryšio su kitais vartotojais/skyriais.

Visos keturios kalbos tarpusavyje susijusios, jos tarsi sudaro gyvenime išbandytų metodų rinkinį. Programos yra puiki įvairius programavimo pagrindus turinčių žmonių tarpusavio bendravimo priemonė.

2.3.1. STEP 7 programavimo kalbos

STEP 7 paketas numato šias pagrindines programavimo kalbas:

•   Kontaktų plano - LAD (Ladder Logic), skirta vartotojui, pripratusiam dirbti su kontaktinėmis schemomis (kontaktai, ritės);
•   Funkcinių blokų - FBD (Function Block Diagram), skirta vartotojui, norinčiam dirbti su loginiais elementais (IR, ARBA ir kt.);
•   Komandų sąrašą - STL (Statement List), skirta vartotojui, kuris pageidauja programuoti kalba, panašia į mašininius kodus.
•   Šios trys kalbos, iš kurių LAD ir FBD yra grafinės, o STL - tekstinė, įeina į standartinį STEP 7 paketą.
•   Be to, galima papildomai įsigyti šias programavimo kalbas:
•   Struktūrinio valdymo - SCL (Stnictured Control), skirta vartotojams, programuojantiems aukšto lygio kalbomis, kaip PASCAL arba C;
•   GRAPH, skirta vartotojui, kuris tiesiogiai programuoja nuoseklias valdymo funkcijas, kurias sudaro žingsnių eilė;
•  HiGraph, skirta vartotojui, kuris tiesiogiai programuoja asinchronines valdymo funkcijas, kurias sudaro būvių diagramos;
•  CFC, skirta vartotojui, kuris tiesiogiai programuoja tolydines valdimo funkcijas, kurias sudaro stambūs valdymo vienetai, kaip PID reguliatoriai ir pan.

2.5 pav. STEP 7 programos struktūra

Platesnę informaciją apie programavimo kalbas galima rasti Help meniu Overview of the Programming Languages for SIMATIC S7 skyrelyje.

2.6 pav. Programinė įranga skirta pagrindinėms SIMATIC valdiklių klasėms ir tipams

2.4. Santrauka

1.            Ilgą laiką skirtingų tipų PLV buvo kuriama nestandartizuota programinė įranga. Šiuo metu standartas apibrėžia tipinius reikalavimus programinei įrangai, todėl jos struktūra pamažu vienodėja, nors skirtingų gamintojų programinės įrangos projektuotojams teikiamos galimybės ir labai skiriasi.

2.            Centriniame procesoriuje esanti realaus laiko operacinė sistema valdo vartotojo programų vykdymą.

3.            Taikomųjų uždavinių programavimui gamintojai pateikia standartines funkcijų ir funkcinių blokų bibliotekas. Be standartinių, dažnai pateikiamos bibliotekos, skirtos tam tikros grupės (pvz., reguliavimo, pozicionavimo) arba tam tikros pramonės šakos (pvz., cemento pramonės) uždaviniams programuoti.

4.            Pagrindinės programavimo sistemos dalys: redaktoriai, kompiliatoriai, debugeriai, modeliavimo ir imitavimo priemonės, komunikacijų programinė įranga, tarnybinės programos, pvz., vartotojo sukurtų funkcinių blokų jungimui į sistemą.

5.            SIMATIC valdikliams skirta STEP7 programa - tai tarpusavyje susiję programų paketai, skirti automatinėms sistemoms, naudojančioms S7, M7 arba C7 valdiklius. Šie paketai leidžia lengvai spręsti beveik visus automatizavimo uždavinius.

6.            SIMATIC industrinė programinė įranga naudoja standartą IEC1131-3 ir Windows 95/NT ir vėlesniųjų OS aplinką. Ši programinė įranga teikia tokius privalumus: bendri duomenys (simboliniai vardai, konfigūravimo ir parametrizavimo duomenys) yra saugomi centralizuotai ir yra prieinami visiems programinės įrangos komponentams; yra patogi valdymo (Manager) funkcija, leidžianti kurti projektus, koordinuoti visus programinius komponentus;  yra atvira kitų firmų produkcijai; numatytos plačios diagnostinės galimybės, leidžiančios sumažinti eksploatavimo ir remonto išlaidas.

7.            Standartinės priemonės, į kurių sudėtį įeina STEP 7 pilna versija, naudojama visiems S7, M7 arba C7 valdikliams programuoti, STEP 7-Mini, naudojama S7-300, S7-400 ir C7 valdikliams programuoti bei STEP 7-Mikro/Win - tik S7-200 valdikliams programuoti.

8.            Inžinierinės priemonės, skirtos konkretiems uždaviniams spręsti ir naudojamos kaip priedas prie standartinių priemonių. Prie jų priklauso: aukšto lygio kalbos (SCL, ProC/C++ ir kt.), grafinės kalbos (GRAPH, HiGRAPH, CFC ir kt.) ir papildoma įranga diagnostikai, aptarnavimui, imitavimui ir pan. (PDIAG, PLCSIM, TeleService ir kt.).

9.            Darbiniai paketai, kuriuos sudaro dalinai perprogramuojami tipiniai uždaviniai - kaip PID ir Fuzzy reguliatoriai, valdymas realiame laike ir pan. Jie gali būti tiesiog integruoti į operacinę sistemą arba pateikiami atskirai, kaip programiniai paketai, bet su atitinkamais reikalavimais aparatinei daliai.

10.        "Žmogus-mašina" sąsaja - yra skirtas procesų vizualizavimui, operatoriaus valdymui ir kurį sudaro ProTool ir ProoTool/Lite paketai, skirti operatoriaus paneliams konfigūruoti, ProAgeni - procesų diagnostikai ir WinCC - aukšto lygio procesų vizualizavimui.

11.        Vartotojo programa, turi visas instrukcijas valdyti technologinį procesą.  Ji taip pat sprendžia  tokius uždavinius, kaip pakartotinio paleidimo sąlygos, duomenų apdorojimas, reakcija į pertraukimus ir klaidas ir kt.

12.        STEP 7 programinis paketas leidžia vartotojo programą struktūrizuoti į individualias, nepriklausomas dalis – blokus.

13.        Vartotojo programa susideda iš sekančių elementų: organizacinių blokų OB (Organization Blocks), sisteminiu funkcinių blokų SFB (System Function Blocks) ir sisteminiu funkcijų SFC (System Functions), kurie yra standartiniai ir yra integruoti į CP operacinę sistemą; funkcijų FC (Function) ir funkcinių blokų FB (Function Blocks), kurie priklauso loginių blokų grupei ir sudaro vartotojo programos pagrindą.

14.        Duomenų blokų DB (Data Blocks), kuriuose saugomi vartotojui reikalingi duomenys. Jie būna bendri (Shared), kuriais gali naudotis visi loginiai blokai ir priskirti (Instance), kuriais naudojasi tik FB.

15.        Kad loginis blokas vartotojo programoje būtų apdorotas, į jį turi būti kreiptasi. Tai įmanoma padaryti tik loginiuose blokuose (OB, FB, FC, SFB ir SFC).

16.        Kiekvienas kreipimasis reiškia šuolį (Jump) į kitą bloką. Baigus vykdyti visas instrukcijas bloke, į kurį buvo kreiptasi, toliau yra vykdoma pertraukta programa.

17.        Blokų kreipimosi gylis (Nesting depth) nusako programos hierarchiją ir priklauso nuo CP (CPU314 kreipimosi gylis yra 8).

18.        Norint programuoti bloką, reikia nurodyti duomenis, kurie bus jame naudojami, t.y., deklaruoti bloko kintamuosius.

19.        FB blokų duomenys (IN, OUT, IN_OUT ir STAT) yra saugomi priskirtame DB.

20.        Valdiklių programavimo standartas IEC 1131-3 standartas apibrėžia pagrindinius aparatinės ir programinės įrangos kūrimo reikalavimus. 

21.        Vartotojų patogumui standartu aprobuotos penkios programavimo kalbos. Dvi iš jų yra grafinės: kontaktų plano (Ladder diagram) kalba; funkcinių  blokinių diagramų (FBD – functional block diagram) kalba; dvi – tekstinės: komandų sąrašo (IL – instruction list) kalba; struktūrizuoto teksto (ST – structured text) kalba;  viena – mišrios struktūros kalba: nuosekliųjų funkcinių diagramų  (SFC – sequential functional chart)   programavimo kalba.

22.        Programavimo kalbos pasirinkimas priklauso nuo:   programuotojo bazinio pasirengimo; sprendžiamos užduoties; problemos aprašymo sudėtingumo;    valdymo sistemos struktūros;    sąryšio su kitais vartotojais/skyriais.

23.        Visos keturios kalbos tarpusavyje susijusios, jos tarsi sudaro gyvenime išbandytų metodų rinkinį. Programos yra puiki įvairius programavimo pagrindus turinčių žmonių tarpusavio bendravimo priemonė.

2.5. SVK

1.            Kas tai yra programinė įranga?

2.            Kokios pagrindinės programinės įrangos funkcijos?

3.            Kokie standartizuotos programinės įrangos privalumai?

4.            Kokias žinote pagrindines programavimo sistemos dalis?

5.            Apibudinkite STEP 7 programą.

6.            Apibudinkite pagrindinius SIMATIC industrinės programinės įrangos ypatumus.

7.            Kas tai yra inžinerinės priemonės?

8.            Kas tai yra darbiniai paketai?

9.            Kas tai yra žmogus – mašina sąsaja?

10.        Kas tai yra vartotojo programa?

11.        Kas tai yra duomenų blokas?

12.        Kokius žinote duomenų blokų tipus ir kuo skiriasi jų taikymas?

13.        Kokias žinote programavimo kalbas?

14.        Trumpai apibudinkite kiekvieną iš jų.

15.     Nuo ko priklauso programavimo kalbos pasirinkimas sprendžiant konkretų uždavinį?