СОВРЕМЕННАЯ
АВТОМАТИКА
В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ

Москва
ИНФРА-М
2017

В.П. ИВШИН
М.Ю. ПЕРУХИН

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

2-е издание, исправленное и дополненное

Рекомендовано в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки 18.03.01 «Химическая технология»,
18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, 
нефтехимии и биотехнологии» (квалификация (степень) «бакалавр»)

Ившин В.П.
Современная автоматика в системах управления технологическими 
процессами : учеб. пособие / В.П. Ившин, М.Ю. Перухин. — 2-е изд., 
испр. и доп. — М. :  ИНФРА-М, 2017. — 402 с. + Доп. материалы [Элект-
ронный ресурс; Режим доступа http://www.znanium.com].— (Высшее 
образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/19865.
ISBN 978-5-16-012096-6 (print)
ISBN 978-5-16-104839-9 (online)

В учебном пособии изложены основы теории, рассмотрены схемы, кон-
струкции и технические характеристики интеллектуальных средств измерений. 
Рассмотрены принципы действия контрольно-измерительных приборов, авто-
матических регуляторов и управляющих устройств. Приведены многочисленные 
примеры схем автоматизации. 
Издание соответствует требованиям Федерального государственного обра-
зовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Для студентов технологических вузов и колледжей.
УДК 681.5.01(075.8)
ББК 32.965я73

И17

Рецензенты:
профессор кафедры автоматизации технологических процессов и производств 
Казанского государственного энергетического университета, д-р техн. наук 
К.Х. Гильфанов;
доцент кафедры автоматики и управления Казанского национального 
исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева, канд. 
техн. наук С.А. Терентьев

УДК 681.5.01(075.8)
ББК 32.965я73
 
И17

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе znanium (www.znanium.com)

ISBN 978-5-16-012096-6 (print)
ISBN 978-5-16-104839-9 (online)
© Ившин В.П., Перухин М.Ю., 2016

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ПРЕДИСЛОВИЕ
Цель данного издания – помочь студентам выполнить раздел по 
дисциплине «Системы управления химико-технологическими про-
цессами» в курсовых, дипломных проектах и в дипломных работах. 
Разделы, представленные в учебном пособии, базируются на учебной 
программе курса и способствуют решению основных задач его усво-
ения.
Учебное издание включает три раздела:
1. Автоматический контроль технологических параметров.
2. Автоматическое регулирование технологических параметров.
3. Автоматизированная система управления технологическими 
процессами (АСУТП).
Материалы, отмеченные знаком  
,  доступны в электронно-
библиотечной системе znanium по адресу: http://znanium.com.

ВВЕДЕНИЕ
Основной вопрос экономической стратегии государства – уско-
рение научно-технического прогресса, что позволит добиться зна-
чительного повышения производительности труда. Одним из важ-
нейших направлений, повышающих производительность труда, 
является освоение передовых технологий, таких как мембранная, 
лазерная, плазменная технологии, нанотехнология, а также исполь-
зование сверхвысоких давлений и импульсных нагрузок. Второе на-
правление — это автоматизация производства.
Автоматическое устройство – это устройство, выполняющее свои 
функции без вмешательства человека. Внедрение автоматически дей-
ствующих устройств в промышленное производство называется ав-
томатизацией. Автоматизация производства предполагает автома-
тический контроль технологических параметров, автоматическое 
регулирование, автоматическое или автоматизированное управле-
ние, а также защиту процессов и оборудования от аварийных ситуа-
ций, сигнализацию отклонений от номинальных режимов, защиту 
окружающей среды. Автоматизация производства невозможна без 
измерений, так как нельзя управлять объектом, не имея информации 
о нем. Потребность в измерениях возникла в незапамятные времена. 
Единица веса драгоценных камней – карат – «семя боба», «гороши-
на» (в переводе с языков древнего юго-востока). Единица аптекар-
ского веса – гран – «зерно» (в переводе с латинского, французского, 
английского, испанского). В Киевской Руси в обиходе были такие 
меры, как:
• вершок – «верх перста» – длина фаланги указательного пальца;
• пядь – от «пять», «пятерня» – расстояние между концами вытя-
нутых большого и указательного пальцев;

• локоть – расстояние от локтя до конца среднего пальца;
• косая сажень – предел того, что можно достать: расстояние от 
подошвы левой ноги до конца среднего пальца вытянутой вверх 
правой руки;
• верста – от «верти», «поворачивай» плуг обратно – длина борозды 
[40].
На заре развития человеческого общества меры и единицы вели-
чин были произвольными, что затрудняло сравнение результатов 
измерений. С течением времени люди пришли к пониманию ценно-
сти специальных вещественных мер для измерений. Например, во-
дяные часы, затем песочные использовали в качестве меры, воспро-
изводящей определенный интервал времени. Затем стали вводить 
в практику естественные меры. Такой мерой стала Земля, период 
вращения которой использовался для воспроизведения единицы 
времени. Дальнейшее развитие человеческого общества – развитие 
торговли, мореходства, появление промышленности, развитие на-
уки — требовало создания специальных технических средств – 
средств измерения различных величин. В связи с изучением явлений 
электричества стали создаваться электроизмерительные приборы 
[40]. Первый в мире электроизмерительный прибор был создан 
в 1745 г. русским академиком Г.В. Рихманом – соратником М.В. Ло-
моносова. Это был электрометр – прибор для оценки разности по-
тенциалов, предназначенный для измерения атмосферного электри-
чества. В 1820 г. А. Ампер создает первый гальванометр (магнитная 
стрелка, на которую действует поле проводника с измеряемым то-
ком), а в 1867 г. У. Томпсон (Кельвин) – гальванометр с подвижной 
катушкой и неподвижным электромагнитом. В 1881 г. Ф. Уппенборн 
изобрел электромагнитный прибор. Русский электротехник М.О. До-
ливо-Добровольский изобрел индукционный ваттметр, фазометр, 
ферродинамический ваттметр. В 1872 г. А.Г. Столетов создал метод 
измерения индукции с помощью баллистического гальванометра. 
Несмотря на то что в XIX в. уже широко использовали различные 
средства измерений, не было единой общепринятой системы единиц 
величин, и поэтому результаты измерений, выполненные разными 
экспериментаторами с помощью различных средств, были трудно 
сопоставимы. Это тормозило развитие науки и техники. Фундамен-
тально эта проблема была решена [40] Первым конгрессом по элек-
тричеству в 1881 г., принявшим первую систему единиц. Для воспро-
изведения, хранения и передачи размера единиц различных величин 
с помощью специальных мер-эталонов в некоторых странах были 
созданы специальные метрологические учреждения. В России таким 
учреждением являлось «Депо образцовых мер и весов».  В 1892 г. был 
назначен ученым хранителем Депо Д.И. Менделеев. Депо в 1893 г. 
было преобразовано в Главную палату мер и весов. Особенно интен-

сивно развивалось приборостроение в послевоенный период. На-
пример, с 1946 по 1972 г. объем продукции вырос в 452 раза; число 
типов приборов увеличилось со 135 до 909. Сейчас развитие прибо-
ростроения идет более быстрыми темпами, чем развитие всей про-
мышленности. Затраты на измерительную технику в настоящее вре-
мя составляют 10–15% всех материальных затрат в общественное 
производство, а в таких отраслях промышленности, как нефтепере-
рабатывающая, нефтехимическая, химическая, радиоэлектронная, 
самолетостроительная и др., эти затраты достигают 25%. В последние 
годы все более широкое применение получают структурные методы 
повышения точности средств измерений, базирующиеся на исполь-
зовании средств микропроцессорной техники (метод вспомогатель-
ных измерений для коррекции статической характеристики средств 
измерений в зависимости от основных влияющих величин; метод 
образцовых сигналов для периодической самоградуировки средств 
измерений). Освоение выпуска дешевых и разнообразных средств 
микропроцессорной техники делает экономически и технически це-
лесообразным автоматический контроль параметров, определение 
которых связано с необходимостью выполнения косвенных и сово-
купных измерений [40]. Широкие перспективы имеет применение 
средств микропроцессорной техники в автоматических анализаторах 
качества для улучшения их метрологических и информационных 
характеристик. Для поддержания единства измерений в нашей стра-
не создано метрологическое обеспечение, включающее в себя науч-
ные основы: метрологию; метрологическую службу в виде сети 
учреждений, деятельность которых направлена на метрологическое 
обеспечение; комплекс нормативно-технических документов, уста-
навливающих правила и положения, относящиеся к обеспечению 
точности измерений. Техническую основу метрологического обес-
печения составляют эталоны единиц величин и система передачи 
размеров единиц всем средствам измерений. Автоматизированное 
производство помогает человеку управлять работой созданных им 
машин. Кроме того, некоторые процессы опасны для здоровья об-
служивающего персонала. Современный этап автоматизации бази-
руется на широком использовании промышленных ЭВМ и персо-
нальных компьютеров, а также программируемых контроллеров 
в функциональных схемах автоматизированных систем управления 
технологическими процессами (АСУТП). Бурно развивается робо-
тотехника, внедряются роторно-конвейерные линии.

Классификация технологических процессов 
по характеру процесса

Согласно временной характеристике технологические процессы 
по характеру могут быть подразделены на непрерывные, непрерыв-
но-дискретные и дискретные.
Непрерывные процессы – это процессы, в которых конечный про-
дукт производится поточным способом при непрерывном подводе 
сырья, энергии, компонентов, управляющих воздействий и т.п. Эти 
процессы (например, переработка сырья при производстве муки, 
сахара и т.п.) имеют достаточную стабильность и стационарность и 
наиболее удобны для управления.
Непрерывно-дискретные процессы – это процессы, при которых 
в течение определенного, относительно длительного промежутка 
времени (часов или дней) вырабатывается определенное, ограничен-
ное количество конечного продукта, периодически производимого 
порциями. Для них характерно наличие циклов и сочетание 
особенно стей непрерывного и дискретного процессов. Сырье и по-
луфабрикаты вводятся регламентированными дозами и в определен-
ной последовательности (операции смешивания и подачи энергии 
осуществляются в заданном порядке). После выполнения всех опе-
раций последовательной переработки продукции в соответствии с 
требованиями качества и рецептуры формируется порция конечного 
продукта (например, первичное виноделие и розлив, сахарорафи-
надное производство, стерилизация консервов, ферментация табака 
и чая и др.).
Дискретные процессы – это процессы, характеризующиеся перио-
дической повторяемостью различных преобразований или чередо-
ванием операций перемещения и дозирования, наиболее важных для 
управления при производстве штучных изделий. Для данных про-
цессов характерно большое количество однородных изделий во вре-
мени. К дискретным процессам относят процессы порционного и 
многокомпонентного дозирования: фасовка муки, печенья в пачки 
и другую тару; фасовка порошкообразных продуктов. Эти процессы 
отличаются высокой производительностью.

Классификация технологических процессов  
в зависимости от поставленных задач
Автоматизацию производственных процессов в зависимости от 
поставленных задач подразделяют на частичную, комплексную и 
полную.
Частичная автоматизация (отдельных производственных про-
цессов, устройств, элементов оборудования) реализуется простыми 

техническими средствами без сложной подготовки автоматизиру-
емого оборудования и процессов.
Комплексная автоматизация проводится на участке, в отделении, 
цехе, которые функционируют как единый взаимосвязанный ав-
томатизированный комплекс, т.е. при участии людей. Комплекс-
ная автоматизация возможна при высокоразвитом производстве с 
совершенной технологией и при прогрессивных методах управле-
ния с применением надежного производственного оборудования, 
действующего по заданной или саморегулирующейся программе. 
При комплексной автоматизации функции человека состоят 
в контроле и управлении работой комплекса.
Полная автоматизация предусматривает передачу всех функций 
управления и контроля производством автоматическим системам 
управления. Полностью автоматизируют рентабельно устойчивые 
производства, режимы работы которых практически неизменны. 
Особенно важна полная автоматизация в условиях, опасных для 
жизни и здоровья человека.

Использование промышленных роботов 
в производственном процессе
При комплексной автоматизации необходимо автоматизировать 
операции обслуживания технологических машин и аппаратов: транс-
портирование к ним заготовок и деталей, полуфабрикатов и мате-
риалов, готовой продукции, а также ее упаковывание, складирование 
и т.п. Практика показала, что далеко не все ручные технологические 
операции можно автоматизировать традиционными техническими 
средствами автоматики, поэтому и возникла необходимость создания 
промышленных роботов.
Промышленный робот – это автоматическая машина (стационар-
ная или передвижная), состоящая из исполнительного устройства 
в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, 
и перепрограммируемого устройства программного управления для 
выполнения в производственном процессе двигательных и управля-
ющих функций.
Перепрограммируемость – свойство промышленного робота заме-
нять управляющую программу автоматически или при помощи че-
ловека-оператора. К перепрограммированию относят изменение 
последовательности и значения перемещений по степеням подвиж-
ности и управляющих функций с помощью средств управления на 
пульте устройства управления.
Манипулятор – управляемое устройство или машина для выпол-
нения двигательных функций, аналогичных функциям руки челове-
ка при перемещении объектов в пространстве. Манипулятор осна-
щен рабочим органом – составной частью исполнительного устрой-

ства промышленного робота для непосредственного выполнения 
технологических операций и вспомогательных переходов.
Благодаря наличию нескольких степеней подвижности и гибкой 
системе управления, которая легко переналаживается на выполнение 
различных программ движения манипулятора, робот является мно-
гофункциональной машиной. Это отвечает требованиям гибкой пе-
ренастройки производства на различные технологические процессы.
Роботы широкого назначения подразделяют на манипуляцион-
ные, мобильные, информационно-управляющие и информацион- 
ные [45].
Манипуляционные роботы имеют манипулятор для выполнения 
двигательных функций, аналогичных функциям руки человека.
Мобильные робототехнические системы отличаются от других на-
личием движущегося шасси с автоматически управляемыми приво-
дами. Они могут быть колесные, шагающие (локомоционные), ко-
лесно-шагающие, гусеничные, плавающие, летающие. Часто мо-
бильные машины включают в себя и манипуляционные роботы и 
могут применяться во многих отраслях промышленности. Частого 
применения ручного труда требует транспортирование продукции и 
сырья. Здесь объектом робототехники является создание автомати-
ческих тележек (робокаров), движущихся по заданной программе. 
Программа может легко переналаживаться. Это же относится и к 
автоматическим подвесным транспортным роботам. Необходимо 
автоматизировать все виды складских работ с помощью робототех-
нических систем, когда робот автоматически обслуживает различные 
ячейки склада и прибывающие к нему робокары.
Информационно-управляющие робототехнические системы могут 
не иметь механически движущихся исполнительных устройств. Они, 
получив информацию от каких-либо внешних источников, ее обра-
батывают по определенным алгоритмам и программам (в том числе 
адаптирующимся к обстановке и к постоянной задаче), выдают ре-
зультаты на дисплей или другие внешние устройства, а также авто-
матически вырабатывают необходимые управляющие сигналы на 
основе результатов обработки. Информационные робототехнические 
системы могут определять свойства неизвестных объектов в любой 
среде.
К информационным роботам относятся также и автоматические 
контрольно-измерительные системы на производстве. Много руч-
ного труда затрачивается на контрольно-измерительные операции. 
Назначение робототехники – автоматизация самого процесса конт-
роля и измерения и передача информации о необходимости подна-
ладки и пр. Эта задача должна быть решена для завершения ком-
плексной автоматизации производства и ликвидации однообразно-
го ручного труда.

Промышленные роботы классифицируют по различным призна-
кам, а именно: степени универсальности (технологическому назна-
чению), типу системы управления, типу кинематической схемы, 
грузоподъемности и виду приводов и т.д.
По степени универсальности (техническому назначению) про-
мышленные роботы бывают универсальными, специализированны-
ми и специальными.
Универсальные роботы конструктивно независимы от технологи-
ческого оборудования и ориентированы на выполнение широкого 
круга вспомогательных и основных производственных операций.
Специализированные роботы связаны с определенной номенкла-
турой оборудования, ими можно управлять от автономной или еди-
ной с обслуживаемым оборудованием системы управления.
Специальные роботы, как правило, встроены в обслуживаемое обо-
рудование, имеют конструкции, жестко связанные с видом техноло-
гической операции, типом деталей и заготовок.
По виду выполняемых технологических операций роботы делят 
на вспомогательные и технологические.
Все выпускаемые в настоящее время промышленные роботы 
включают в себя органы манипулирования – «руки» и схваты; при 
необходимости – органы перемещения: тележки и другие устройства, 
программную управляющую систему; датчики, контролирующие 
положение рабочих органов.
Функция манипулятора состоит в перемещении «руки» и ориен-
тации схвата относительно технологического оборудования, с кото-
рым взаимодействует робот. Конструкция «руки» промышленного 
робота может быть выдвижной или шарнирной. Число степеней сво-
боды, которые можно определить как число элементарных незави-
симых движений схвата, осуществляемых роботом, определяет под-
вижность механизма манипулятора. С увеличением числа свободы 
робот становится более универсальным и гибким, способным вы-
полнять сложные технологические операции. Для простых операций 
применяют роботы с 3–5 степенями свободы.

Классификация промышленных роботов 
по типу систем управления
По типу систем управления современные и перспективные про-
мышленные роботы делят на три рода (поколения): программные, 
адаптивные и интеллектные (с элементами искусственного интел-
лекта) [45]. Все они обладают свойством быстрого перепрограмми-
рования на различные операции, причем в первом поколении пе-
репрограммирование проводится человеком, после чего робот 
дей ствует автоматически, многократно повторяя жестко заданную 
программу. Рассматриваются следующие системы управления пе-

ремещением органов манипулятора: цикловая, позиционная, кон-
турная.
В цикловой системе управления перемещения органов манипу-
лятора задаются кулачковыми упорами и отрабатываются конце-
выми выключателями. Их остановка происходит при достижении 
звеньями манипулятора заданных положений. В системе програм-
мируется последовательность движений, выдержка времени при 
остановках на упоре, выдача технологических команд и закрытие 
схвата. В цикловых системах роботы снабжаются быстродейству-
ющими пневматическими приводами. Они управляются либо с 
помощью электроники (релейно-контактной аппаратуры), либо с 
помощью пневматики (струйной техники). Последнюю применя-
ют преимущественно во взрывоопасных ситуациях, где нежела-
тельна электрическая аппаратура, а также в высокотемпературных 
и других особых условиях, неблагоприятно действующих на элек-
тронику. Система циклового управления является дискретной с 
достаточно простой логикой функционирования, поэтому система 
отличается сравнительно небольшой емкостью программоносите-
ля, простыми алгоритмами управления и небольшими габаритны-
ми размерами и стоимостью.
В позиционных системах управления существенно увеличен объ-
ем информации о положении звеньев манипулятора. Простейшие 
элементы перемещения и взятия предметов, а также более сложные 
движения возможны при многоточечной позиционной системе 
управления промышленного робота. Фиксирование в программе 
действий робота большего числа точек позволяет передвигаться от 
точки к точке с малой дискретностью. При этом применяют как 
замкнутые системы управления с датчиками обратной связи по 
положению, так и разомкнутые. Позиционная система управления 
роботом может содержать библиотеку заранее подготовленных 
подпрограмм для отдельных частей функционирования робота. 
Тогда сокращается время переналадки робота на выполнение дру-
гой технологической операции на том же участке. Кроме того, та-
кие подпрограммы могут дополнительно подключаться для конт-
рольных операций, сортировки изделий, обеспечения работы 
участка при появлении отдельных неисправностей [45].
Выполнение роботом технологических операций в автомати-
ческом режиме осуществляется в соответствии с алгоритмами, ре-
ализованными в программном обеспечении. Это относится к сиг-
налам управления приводами и схватом манипулятора, к последо-
вательности движений с определенными скоростями, к достаточно 
точному позиционированию схвата в заданных положениях, син-
хронизации действий робота с работой оборудования, а также к