Информационно-управляющие системы: архитектура и разработка

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации 

Уральский федеральный университет  
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

О. Н. Александрова
С. С. Ваулин
Н. В. Папуловская

Информационно-управляющие 
системы: архитектура и разработка

Уч е б н о е  п о со бие

Под общей редакцией доцента Н. В. Папуловской 

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета для студентов вуза,  
обучающихся по направлениям подготовки:
27.03.04 — Управление в технических системах,  
09.03.03 — Прикладная информатика,  
09.03.04 — Программная инженерия 

Екатеринбург 
Издательство Уральского университета 
2021 

УДК 681.518(075.8) 
ББК 32.965.07я73
         А46 

Р е ц е н з е нт ы :
д-р техн. наук, проф., гл. науч. сотр. Института горного дела УрО 
РАН В. М. Аленичев;
кафедра механики и автоматизации технологических процессов 
и производств НЧОУ ВО «Технический университет УГМК» (зав- 
кафедрой канд. физ.-мат. наук П. Ю. Худяков) 

Для оформления обложки использовано изображение с сайта https://www.som.polimi.
it/wp-content/uploads/2020/05/Articolo_Elia_1200x510.jpg

А46
Александрова, О. Н.
Информационно-управляющие системы: архитектура и раз-
работка : учебное пособие / О. Н. Александрова, С. С. Ваулин, 
Н. В. Папуловская ; под общ. ред. доц. Н. В. Папуловской ; М-во 
науки и высшего образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. 
ун-та, 2021. — 146, [2] с.

ISBN 978-5-7996-3338-7

Рассмотрена многоуровневая архитектура информационно-управляющих систем 
(ИУС), представлен обзор компонентов — аппаратуры, промышленных сетей, опе-
рационных систем реального времени, систем диспетчерского управления, систем 
интернета вещей. Излагается программный интерфейс для программирования си-
стем реального времени. Рассматриваются вопросы применения облачных техно-
логий, вопросы экономической эффективности внедрения ИУС. Изложение ведет-
ся с позиций концепции открытых систем.
Пособие предназначено для студентов всех форм обучения, а также может быть 
полезно специалистам в области информационных технологий.
Рис. 20. Табл. 5. Прил. 1.
УДК 681.518(075.8) 
ББК 32.965.07я73

ISBN 978-5-7996-3338-7
© Уральский федеральный  
     университет, 2021

Оглавление

Условные обозначения ..........................................................................5

Список сокращений ...............................................................................6

Предисловие ........................................................................................15

Введение ..............................................................................................17

Раздел A. Архитектура информационно-управляющих систем
1. Архитектура и особенности разработки ИУС ...........................22
1.1. Особенности функционирования  
информационно-управляющей системы ...................................22
1.2. Многоуровневый иерархический подход  
при построении ИУС ..................................................................25
1.3. Концепция интернета вещей  
в информационно-управляющих системах ...............................39
1.4. Архитектурные решения для построения систем  
в концепции интернета вещей ....................................................42
Контрольные вопросы для самопроверки ....................................45
2. Интерфейсы и стандарты ..........................................................47
2.1. Концепция открытых систем ...............................................47
2.2. Интерфейсы открытых систем .............................................49
2.3. Промышленные сети ............................................................60
2.4. Стандартный программный интерфейс  
контроллеров ...............................................................................66

Оглавление

2.5. Инструментальные системы диспетчерского управления .....73
Контрольные вопросы для самопроверки ....................................84
3. Интернет вещей и облачные технологии ..................................87
Контрольные вопросы для самопроверки ....................................93
4. Экономическая эффективность ИУС .......................................94
Контрольные вопросы для самопроверки ....................................98

Раздел Б. Разработка информационно-управляющих систем
5. Системы реального времени ...................................................100
5.1. Операционные системы реального времени .....................100
5.2. Характеристики и примеры использования  
систем реального времени ........................................................107
5.3. Программный интерфейс систем  
реального времени ....................................................................114
Контрольные вопросы для самопроверки ..................................128
6. Примеры реализации и настройки ИУС.................................130
6.1. Разработка системы мониторинга электродвигателей ......130
6.2. Разработка системы на базе модели  
промышленного контроллера под управлением ISaGRAF .....132
Практическое задание .................................................................138

Список библиографических ссылок ..................................................139

Приложение (справочное). Список зарубежных организаций,  
комитетов и комиссий, формирующих стандарты  
на технологии, компоненты и комплексы ИУС .............................143

Условные обозначения

Интересный факт

 

Знаете ли вы?

 

Определение

 

Зависимость

Это надо запомнить

 

Современные тенденции

 

Список сокращений

Список сокращений

АРМ — автоматизированное рабочее место
AC — автоматизированная система 
АСУ ТП — автоматизированные системы управления технологиче-
скими процессами 
АЦП — аналого-цифровой преобразователь 
АЭС — атомная электростанция 
БД — база данных 
Индустрия 4.0 — прогнозируемая четвертая промышленная рево-
люция с массовым внедрением киберфизических систем в производ-
ство и обслуживание человеческих потребностей 
ИУС — информационно-управляющая система 
ММС — магистрально-модульная система 
МФИ — многофункциональный индикатор 
МЭК — Международная электротехническая комиссия (МЭК, 
от англ. IEC — International Electrotechnical Comission) — некоммер-
ческая организация, которая занимается стандартизацией всех элек-
трических, электронных, а также смежных технологий, которые описываются 
в технических документах — стандартах МЭК 
ОВЕН — от англ. Owen-cloud, облачный сервис фирмы «Овен»  
(Россия) 
ОС — операционная система 
ОС РВ — операционная система реального времени 
ПДД — правила дорожного движения 
ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, энергонезависимая 
память с однократной записью 

ПИД-регулятор

ПИД-регулятор — пропорционально интегрально-дифференцирующий 
регулятор 
ПК — персональный компьютер 
ПО — программное обеспечение 
РАН — Российская академия наук 
СУБД — система управления базами данных 
ТЭС — теплоэлектростанция 
УСО — устройство связи с объектом 
УО — управляемый объект 
ЦАП — цифроаналоговый преобразователь 
ЦОД — центр обработки данных 
ЭМВОС — эталонная модель взаимодействия открытых систем 
ACP (Automation Collaborative Platform) — единая платформа автоматизации 

ADA — язык программирования, названный в честь Ады Лавлейс, 
используется для программирования контроллеров и задач реального 
времени 
AIX (Advanced Interactive eXecutive) — операционная система (семейства 
UNIX) производства компании IBM 
AMD — компания США, производитель интегральной микросхемной 
электроники 
API (Application Programming Interface) — интерфейс прикладного 
программирования 
AS-i (Actuator-Sensor-interface) — технология промышленной 
сети для связи датчиков и исполнительных механизмов с контрол- 
лером 
BMS (Business Management Systems) — системы управления бизнесом 

C (Си) — компилируемый статически типизированный язык программирования 
общего назначения 
C++ — компилируемый статически типизированный объектно  
ориентированный язык программирования общего назначения 
CAMAC (Computer Automated Measurement and Control) — стандарт, 
определяющий организацию магистрально-модульной шины, предназначенной 
для связи измерительных устройств с цифровой аппаратурой 
обработки данных в системах сбора данных 
CAN (Controller Area Network) — «сеть контроллеров», стандарт промышленной 
сети 

Список сокращений

CASE (Computer Aided Software/System Engeneering) — набор инструментов 
и методов программной инженерии для проектирования 
программного обеспечения 
CCSLA (Cloud Computing Service Level Agreements) — стандарт, формирующий 
важный компонент договорных отношений между облаком 
CCIP (Cloud Computing Interoperability and Portability) — стандарт, 
формирующий систему обмена информацией двух или более участников 
или компонентов и использования этой информации 
CCDF (Cloud Computing Data and its Flow) — стандарт на данные 
облачных систем и их потоки 
CDMI (Cloud Data Management Interface) — интерфейс управления 
облачными данными 
CODESYS — инструментальный программный комплекс промышленной 
автоматизации, разработанный и распространяемый компанией 
3S-Smart Software Solutions GmbH 
СОТS (commercial off the shell) — коммерчески готовые и коммерчески 
доступные программные продукты 
CPU (central processing unit) — процессор общего назначения 
CRM (Customer Relationships Management) — управление взаимоотношениями 
с клиентами 
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, 
или Carrier sensing multiple accesses with collision avoidance) — метод 
управления доступом к среде передачи данных с определением несущей 
волны и предотвращением коллизий 
DCS (Distributed Control System) — распределенная система управления 

DDE (Dynamic Data Exchange) — механизм взаимодействия приложений 
в операционных системах Microsoft Windows и OS/2. Рассматривается 
как категория переменных для описания связи с внешними 
объектами 
Decnet — семейство сетевых протоколов, разработанных компанией 
Digital Equipment Corporation и первоначально выпущенных в 1975 г.
DPC (Deferred procedure call) — специфический механизм вызова 
процедур в архитектуре Windows 
ERP (Enterprise Resource Planning) — организационная стратегия интеграции 
производства, управления трудовыми ресурсами, финансового 
менеджмента и управления активами, ориентированная на непрерывную 
балансировку и оптимизацию ресурсов предприятия 

FASTBUS

FASTBUS — стандарт локальной магистрали и крейтовой системы, 
ориентированный на работу в высокоскоростных системах сбора 
данных 
FBD (Function Block Diagrams) — язык функциональных блоков 
стандарта IEC-61131 
FIFO (First In First Out) — дисциплина диспетчеризации, при которой 
процесс из очереди готовых к выполнению процессов данного 
приоритета получает управление и выполняется до тех пор, пока 
не завершится 
Fieldbus — открытая архитектура цифровой, последовательной, дву-
сторонней системой связи, которая служит в качестве базового уровня 
сети в промышленных системах автоматизации 
FPGA (Field-programmable gate array) — специализированные программируемые 
логические матрицы 
HMI (Human-machine interface) — человеко-машинный интерфейс 
HTTP (HyperText Transfer Protocol) — протокол прикладного уровня 
передачи данных 
GPU (Graphics processing unit) — графический процессор 
GSM (Global System for Mobile Communications) — глобальный стандарт 
цифровой мобильной сотовой связи 
IaaS (Infrastructure-as-a-Service) — модель использования облачных 
технологий, при которой предоставляется возможность вынести IT-
инфраструктуру предприятия на специально подготовленные облачные 
виртуальные серверы 
IBM (International Business Machines) — американская компания, 
производитель аппаратного и программного обеспечения, IТ-сервисов 
и консалтинговых услуг 
ICS (Industrial Control System) — промышленные системы безопасности 
IETF (Internet Engineering Task Force) — открытое международное 
сообщество проектировщиков, ученых, сетевых операторов и провайдеров, 
занимающееся развитием протоколов и архитектуры интернета 
IL (Instruction List) — язык инструкций стандарта IEC-61131 
InterBUS — технология промышленной сети 
IoT (Internet of Things) — интернет вещей 
IBoT (Internet of Battle Things) — интернет вещей в военной промышленности 

IIoT (Industrial Internet of Things) — интернет вещей в промышленности 

Список сокращений

IsaGraf/IsaGraph — инструментальная графическая среда разработки 
прикладных программ для программируемых логических контроллеров 
ISR (Interrupt Service Routine) — обработчик прерывания 
LD (Ladder Diagrams) — язык релейных диаграмм (релейной логики) 
стандарта IEC-61131 
MES (Manufacturing Execution System) — система управления про-
изводственными процессами 
MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) — систе-
ма команд и микропроцессорных архитектур, разработанных компа-
нией MIPS Computer Systems в соответствии с концепцией проекти-
рования процессоров RISC 
MOTS (Military off-the-shelf) — аппаратура либо программные про-
дукты, предназначенные для военного использования 
MRP (Manufacturing Resource Planning) — система планирования 
потребностей в материалах, одна из наиболее популярных в мире ло-
гистических концепций 
NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) — стандарт сотовой связи 
для устройств телеметрии с низкими объемами обмена данными. Раз-
работан консорциумом 3GPP в рамках работ над стандартами сотовых 
сетей нового поколения 
NDI (Non-Developmental Item) — принцип неразрабатываемых за-
ново технологий 
NetDDE — служба сетевого динамического обмена данными, обе-
спечивает сетевой транспорт и безопасность для программ, выполня-
ющихся на одном или на различных компьютерах
NIM (Nuclear Instrumentation Module) — стандарт, задающий меха-
ническую и электрическую спецификацию для модулей-крейтов, ис-
пользуемых в оборудовании для обеспечения экспериментов физики 
элементарных частиц и ядерной физики 
ODBC (Open Database Connectivity) — программный интерфейс 
(API) доступа к базам данных, разработанный компанией Microsoft 
в сотрудничестве с Simba Technologies на основе спецификаций Call 
Level Interface (CLI) 
OLE (Object Linking and Embedding) — технология связывания и вне-
дрения объектов в другие документы и объекты, разработанная кор-
порацией Microsoft 
OMI (Operation Managemant Interface) — интерфейс управления 
операциями в промышленности 

OCP 

OCP (Open Compute Project) — концепция, сообщество и органи-
зация, в рамках которых участники в форме открытого диалога делят-
ся разработками в сфере программного, аппаратного и физического 
проектировании современных дата-центров 
OPC (Open Platform Communications) — протокол, предоставля-
ющий единый интерфейс для управления объектами автоматизации 
и технологическими процессами 
OPC-сервер — технологии OPC для связи контроллеров со SCADA 
OPC UA (OPC unified atchitecture) — технология универсального 
интерфейса для взаимодействия аппаратного и верхнего уровней ав-
томатизации предприятий 
OSI (Open Systems Interconnection) — модель сетевого взаимодей-
ствия открытых систем, определяет функции взаимодействия данных 
на разных уровнях 
OutDoor Box — промышленный микрокомпьютер IP66 для интерфейса 
нейросетей при обработке 4 потоков 
OVF (Open Virtualization Format) — открытый стандарт для хранения 
и распространения виртуальных машин 
PaaS (Platform as a Service) — модель использования облачных технологий, 
при которой потребитель получает у облачного провайдера 
готовую платформу; может управлять данными, устанавливать и конфигурировать 
свои приложения 
PCI (Peripheral component interconnect) — шина ввода-вывода для подключения 
периферийных устройств к материнской плате компьютера 
PDP (Programmed Data Processor) — серия мини-компьютеров, разработанных 
компанией Digital Equipment Corporation 
PDO (Process Data Objects) — механизм, используемый для передачи 
с высокой скоростью высокоприоритетных данных 
P-NET — технология промышленной сети 
POSIX (Portable Operating System Interface) — переносимый интерфейс 
операционных систем (набор стандартов) 
Profibus FMS (Process Field Bus — шина полевого уровня и Fieldbus 
Message Specification — спецификация сообщения полевой шины) — 
протокол передачи данных, предназначенный для связи программируемых 
контроллеров друг с другом и со станциями оператора 
Profibus DP (Process Field Bus и Decentralized Peripherals) — профиль 
протоколов промышленной сети для взаимодействия периферийного 
оборудования на полевом уровне