Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием

Москва
Горячая линия - Телеком
2013

 

 

ББК 32.965 
УДК 681.5:004.9 
      Д33 
 
Р е ц е н з е н т ы :  доктор техн. наук, профессор  В. В. Топорков;  
доктор техн. наук, профессор В. И. Финаев 
 
Денисенко В. В. 
Д33         Компьютерное управление технологическим процессом, 
экспериментом, оборудованием. – М.: Горячая линия–Телеком, 
2013. – 584 с., ил. 

ISBN 978-5-9912-0060-8. 

Книга содержит систематическое изложение основных вопросов современной теории и практики промышленной и лабораторной 
автоматизации. Представлены только самые необходимые для 
практики сведения с акцентом на детальный анализ наиболее 
сложных и часто неправильно понимаемых вопросов. Рассмотрены 
широко распространенные в России промышленные интерфейсы и 
сети, архитектура систем автоматизации и методы их защиты от 
помех, тонкие нюансы техники автоматизированных измерений, 
ПИД-регуляторы с автоматической настройкой и адаптацией, 
структура и характеристики управляющих контроллеров, современные методы резервирования, средства программирования контроллеров, SCADA-пакеты и ОРС серверы, юридические вопросы 
внедрения средств автоматизации, в том числе на опасных промышленных объектах. 
Для специалистов по промышленной автоматизации, а также 
инженеров и научных работников, которые хотят автоматизировать свою работу с помощью компьютера. Может быть полезна 
студентам старших курсов технических университетов. 
ББК 32.965 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 
Научное издание 
 

Денисенко Виктор Васильевич 
Компьютерное управление технологическим процессом,  
экспериментом, оборудованием 

Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышов 
Редактор  Ю. Н. Чернышов 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 
 
Подписано в печать 08.11.11. Формат 70×100/16. Усл. печ. л. 36.5
Доп. тираж «по требованию».  Изд. № 11060 

ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия –Телеком» 

ISBN 978-5-9912-0060-8                                        ©  В. В. Денисенко, 2009, 2011 
                                      © Издательство «Горячая линия–Телеком», 2009, 2011 

Оглавление

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13

Глава 1. Архитектура автоматизированной системы. . . . . . . . . . . . . . . .
16

1.1. Разновидности архитектур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
1.1.1. Требования к архитектуре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.1.2. Простейшая система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
1.1.3. Распределенные системы автоматизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
1.1.4. Многоуровневая архитектура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
1.2. Применение Интернет-технологий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
1.2.1. Проблемы и их решение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
1.2.2. Основные понятия технологии Интернета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
1.2.3. Принципы управления через Интернет. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
1.2.4. Микро-веб-серверы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
1.2.5. Примеры применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
1.3. Понятие открытой системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
1.3.1. Свойства открытых систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
1.3.2. Средства достижения открытости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
1.3.3. Достоинства и недостатки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
1.4. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
1.5. Обзор публикаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49

Глава 2. Промышленные сети и интерфейсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51

2.1. Общие сведения о промышленных сетях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
2.2. Модель OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
2.2.1. Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
2.2.2. Канальный уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
2.2.3. Сетевой уровень. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
2.2.4. Транспортный уровень. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
2.2.5. Сеансовый уровень. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
2.2.6. Уровень представления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
2.2.7. Прикладной уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
2.2.8. Критика модели OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
2.3. Интерфейсы RS-485, RS-422 и RS-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
2.3.1. Принципы построения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59

Оглавление

2.3.2. Стандартные параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
2.3.3. Согласование линии с передатчиком и приемником. . . . . . . . . .
62
2.3.4. Топология сети на основе интерфейса RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . .
64
2.3.5. Устранение состояния неопределенности линии . . . . . . . . . . . . . .
65
2.3.6. Сквозные токи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
2.3.7. Выбор кабеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
2.3.8. Расширение предельных возможностей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
2.3.9. Интерфейсы RS-232 и RS-422 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
2.4. Интерфейс «токовая петля». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
2.5. HART-протокол. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
2.6. CAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
2.6.1. Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
2.6.2. Канальный уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
2.6.3. Прикладной уровень: CANopen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
2.6.4. Электронные спецификации устройств CANopen . . . . . . . . . . . .
95
2.7. Profibus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
2.7.1. Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
2.7.2. Канальный уровень Profibus DP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
2.7.3. Резервирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.7.4. Описание устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.8. Modbus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.8.1. Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.8.2. Канальный уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.8.3. Прикладной уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2.9. Промышленный Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2.9.1. Особенности Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
2.9.2. Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.9.3. Канальный уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
2.9.4. Modbus TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
2.9.5. Profinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
2.10. Протокол DCON. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
2.11. Беспроводные локальные сети. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
2.11.1. Проблемы беспроводных сетей и пути их решения. . . . . . . . . . . 126
2.11.2. Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
2.11.3. ZigBee и IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
2.11.4. Wi-Fi и IEEE 802.11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
2.11.5. Сравнение беспроводных сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
2.12. Сетевое оборудование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
2.12.1. Повторители интерфейса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
2.12.2. Концентраторы (хабы) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
2.12.3. Преобразователи интерфейса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

Оглавление
5

2.12.4. Адресуемые преобразователи интерфейса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
2.12.5. Межсетевые шлюзы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
2.12.6. Другое сетевое оборудование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
2.12.7. Кабели для промышленных сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
2.13. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

Глава 3. Защита от помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

3.1. Источники помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.1.1. Характеристики помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.1.2. Помехи из сети электроснабжения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
3.1.3. Молния и атмосферное электричество . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
3.1.4. Статическое электричество . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.1.5. Помехи через кондуктивные связи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.1.6. Электромагнитные помехи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.1.7. Другие типы помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.2. Заземление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.2.1. Определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.2.2. Цели заземления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.2.3. Защитное заземление зданий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
3.2.4. Автономное заземление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
3.2.5. Заземляющие проводники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
3.2.6. Модель «земли». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
3.2.7. Виды заземлений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
3.3. Проводные каналы передачи сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3.3.1. Источники сигнала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3.3.2. Приемники сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
3.3.3. Прием сигнала заземленного источника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
3.3.4. Прием сигнала незаземленных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.3.5. Дифференциальные каналы передачи сигнала . . . . . . . . . . . . . . . 194
3.4. Паразитные связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
3.4.1. Модели компонентов систем автоматизации. . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
3.4.2. Паразитные кондуктивные связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
3.4.3. Индуктивные и емкостные связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
3.5. Методы экранирования и заземления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
3.5.1. Гальванически связанные цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
3.5.2. Экранирование сигнальных кабелей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
3.5.3. Гальванически развязанные цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
3.5.4. Экраны кабелей на электрических подстанциях . . . . . . . . . . . . . 208
3.5.5. Экраны кабелей для защиты от молнии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.5.6. Заземление при дифференциальных измерениях . . . . . . . . . . . . 209
3.5.7. Интеллектуальные датчики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.5.8. Монтажные шкафы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

Оглавление

3.5.9. Распределенные системы управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
3.5.10. Чувствительные измерительные цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
3.5.11. Исполнительное оборудование и приводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
3.5.12. Заземление на взрывоопасных объектах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
3.6. Гальваническая развязка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3.7. Защита промышленных сетей от молнии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
3.7.1. Пути прохождения импульса молнии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
3.7.2. Средства защиты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
3.8. Стандарты и методы испытаний по ЭМС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
3.9. Верификация заземления и экранирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
3.10. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

Глава 4. Измерительные каналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

4.1. Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.1.1. Определения основных терминов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.1.2. Точность, разрешающая способность и порог чувствительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
4.1.3. Функция автокорреляции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
4.1.4. Коэффициент корреляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
4.1.5. Точечные и интервальные оценки погрешности . . . . . . . . . . . . . . 240
4.1.6. Погрешность метода измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
4.1.7. Погрешность программного обеспечения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
4.1.8. Достоверность измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
4.2. Многократные измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
4.2.1. Повышение точности путем усреднения результатов
измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
4.2.2. Точность и продолжительность измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
4.3. Динамические измерения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
4.3.1. Теорема Котельникова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
4.3.2. Фильтр и динамическая погрешность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
4.3.3. Алиасные частоты, антиалиасные фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.4. Суммирование погрешностей измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
4.4.1. Исходные данные для расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
4.4.2. Методы суммирования погрешностей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
4.4.3. Систематические погрешности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
4.4.4. Случайные погрешности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
4.4.5. Дополнительные погрешности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
4.4.6. Динамические погрешности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
4.4.7. Нахождение итоговой погрешности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
4.5. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
4.6. Обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

Оглавление
7

Глава 5. ПИД-регуляторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

5.1. Идентификация моделей динамических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
5.1.1. Модели объектов управления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
5.1.2. Выбор тестовых сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.1.3. Частотная идентификация в режиме релейного регулирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.1.4. Идентификация в замкнутом и разомкнутом контурах . . . . . . 306
5.1.5. Аналитическая идентификация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
5.1.6. Методы минимизации критериальной функции . . . . . . . . . . . . . . 312
5.2. Классический ПИД-регулятор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
5.2.1. П-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
5.2.2. И-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
5.2.3. ПИ-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
5.2.4. ПД-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
5.2.5. ПИД-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
5.3. Модификации ПИД-регуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
5.3.1. Регулятор с весовыми коэффициентами при уставке. . . . . . . . . 322
5.3.2. Регулятор с формирующим фильтром для сигнала уставки . 323
5.3.3. Принцип разомкнутого управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
5.3.4. Регулятор отношений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
5.3.5. Регулятор с внутренней моделью. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
5.3.6. Эквивалентные преобразования структур ПИД-регуляторов 334
5.3.7. ПИД-регуляторы для систем с транспортной задержкой . . . . 335
5.4. Особенности реальных регуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
5.4.1. Погрешность дифференцирования и шум . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
5.4.2. Интегральное насыщение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
5.4.3. Запас устойчивости и робастность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
5.4.4. Сокращение нулей и полюсов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
5.4.5. Безударное переключение режимов регулирования . . . . . . . . . . 352
5.4.6. Дискретная форма регулятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
5.5. Расчет параметров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
5.5.1. Качество регулирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
5.5.2. Выбор параметров регулятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
5.5.3. Ручная настройка, основанная на правилах . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
5.5.4. Методы оптимизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
5.6. Автоматическая настройка и адаптация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
5.6.1. Основные принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
5.6.2. Табличное управление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
5.6.3. Обзор коммерческих продуктов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
5.6.4. Программные средства настройки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
5.7. Нечеткая логика, нейронные сети и генетические алгоритмы . . . . . 372

Оглавление

5.7.1. Нечеткая логика в ПИД-регуляторах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
5.7.2. Искусственные нейронные сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
5.7.3. Генетические алгоритмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
5.8. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
5.9. Обзор публикаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383

Глава 6. Контроллеры для систем автоматизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

6.1. Программируемые логические контроллеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
6.1.1. Типы ПЛК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
6.1.2. Архитектура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
6.1.3. Характеристики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
6.1.4. Пример ПЛК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
6.1.5. Устройства сбора данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
6.2. Компьютер в системах автоматизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
6.2.1. Компьютер в качестве контроллера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
6.2.2. Компьютер для общения с оператором . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
6.2.3. Промышленные компьютеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
6.3. Устройства ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
6.3.1. Ввод аналоговых сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
6.3.2. Модули ввода тока и напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
6.3.3. Термопары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
6.3.4. Термопреобразователи сопротивления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
6.3.5. Тензорезисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
6.3.6. Вывод аналоговых сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
6.3.7. Ввод дискретных сигналов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
6.3.8. Вывод дискретных сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
6.3.9. Ввод частоты, периода и счет импульсов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
6.3.10. Модули управления движением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
6.4. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

Глава 7. Автоматизация опасных объектов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

7.1. Искробезопасная электрическая цепь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
7.2. Блоки искрозащиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
7.4. Правила применения искробезопасных устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
7.4. Функциональная безопасность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
7.5. Выбор аппаратных средств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
7.5.1. Виды опасных промышленных объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
7.5.2. Классификация взрывоопасных зон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
7.5.3. Классификация взрывоопасности технологических блоков . . 463
7.5.4. Взрывопожарная и пожарная опасность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
7.5.5. Требования к техническим устройствам. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
7.5.6. Маркировка взрывозащищенного оборудования. . . . . . . . . . . . . . 466

Оглавление
9

7.5.7. Монтаж взрывоопасного технологического оборудования . . . . 469
7.6. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470

Глава 8. Аппаратное резервирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471

8.1. Основные понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
8.2. Резервирование ПЛК и устройств ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
8.2.1. Общие принципы резервирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
8.2.2. Модули ввода и датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
8.2.3. Модули вывода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
8.2.4. Процессорные модули. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
8.2.5. Резервирование источников питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
8.3. Резервирование промышленных сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
8.3.1. Сети Profibus, Modbus, CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
8.3.2. Сети Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
8.3.3. Резервирование беспроводных сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
8.4. Оценка надежности резервированных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
8.5. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508

Глава 9. Программное обеспечение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509

9.1. Развитие программных средств автоматизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
9.1.1. Графическое программирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
9.1.2. Графический интерфейс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
9.1.3. Открытость программного обеспечения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
9.1.4. Связь с физическими устройствами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
9.1.5. Базы данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
9.1.6. Операционные системы реального времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
9.2. ОРС-сервер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
9.2.1. Обзор стандарта ОРС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
9.2.2. ОРС DA-сервер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
9.2.3. OPC HDA-сервер. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
9.2.4. Спецификация OPC UA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
9.2.5. ОРС DA-сервер в среде MS Excel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
9.2.6. Применение ОРС-сервера с MATLAB и LabVIEW . . . . . . . . . . . 532
9.3. Системы программирования на языках МЭК 61131-3 . . . . . . . . . . . . . 532
9.3.1. Язык релейно-контактных схем LD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534
9.3.2. Список инструкций IL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
9.3.3. Структурированный текст ST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
9.3.4. Диаграммы функциональных блоков FBD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
9.3.5. Функциональные блоки стандартов МЭК 61499 и МЭК 61804 537
9.3.6. Последовательные функциональные схемы SFC . . . . . . . . . . . . . 539
9.3.7. Программное обеспечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
9.4. Пользовательский интерфейс, SCADA-пакеты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542

Оглавление

9.4.1. Функции SCADA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
9.4.2. Свойства SCADA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
9.4.3. Программное обеспечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
9.5. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550

Предисловие

Идея написания этой книги появилась, когда Научно-исследовательская лаборатория автоматизации проектирования (НИЛ АП, www.RealLab.ru), в которой автор много лет работал в должности главного инженера, начала быстро
расти и возникла потребность в обучении новых сотрудников, принимаемых на
должность системных интеграторов. B обязанности системных интеграторов
входило проектирование, сборка, наладка, монтаж у заказчика и пусконаладка систем автоматизации, включая программирование контроллеров и SCADAпакетов, установленных на персональных компьютерах.
Появилась задача в
кратчайший срок обучить сотрудников самому важному, что необходимо знать
для успешной реализации проектов. Эта задача определила содержание настоящей книги, широту охвата темы и глубину ее освещения. В книге представлены только самые актуальные темы современной автоматизации, необходимые для практики.
Вторым толчком к написанию книги явились тысячи вопросов, которые
задавали покупатели продукции НИЛ АП серии «RealLab!», пытающиеся самостоятельно приспособить компьютер для автоматизации своей деятельности
в цехе, лаборатории, у себя дома или создать автоматизированную систему управления технологическим процессом, испытанием, измерением.
В связи с бурным расцветом промышленного производства в России в последние годы появилась огромная потребность в специалистах, которые могли
бы создавать системы промышленной автоматизации для химических и нефтехимических заводов, нефтедобывающих предприятий, для магистральных газои нефтепроводов, для элеваторов, мельниц, промышленных теплиц, комбикормовых, бетоносмесительных и металлургических заводов, испытательных лабораторий, для автоматизации зданий («умного дома») и т. д. Очень часто такими
специалистами выступают технологи и инженеры КИПиА∗ соответствующих
производств, не являющиеся специалистами по автоматизации технологических процессов (АСУ ТП). Они могут самостоятельно создавать необходимые
им системы из готовых компонентов — компьютеров, контроллеров, модулей
ввода-вывода, датчиков и исполнительных устройств.
Литература по современным системам автоматизации в момент написания
книги имелась только в виде статей зарубежных журналов и рекламных проспектов фирм-производителей. Отсутствовали книги с обобщением и систематическим изложением знаний, необходимых для специалистов по системной интеграции. Автору пришлось изучить более тысячи зарубежных статей и книг
по указанной тематике, чтобы представить в систематизированном виде, пригодном для самостоятельного изучения, самые современные знания в области

∗ КИПиА — контрольно-измерительные приборы и автоматика.

Предисловие

лабораторной и промышленной автоматизации, необходимые для перечисленного выше круга специалистов.
При написании книги использован опыт, накопленный автором и коллективом НИЛ АП при проектировании и внедрении множества систем промышленной автоматизации, а также обширная библиография, приведенная в конце книги. Во многих местах автор не смог указать первоисточник, поскольку
сделанные им обобщения или выводы формул, систематизация материала или
трактовка результатов хотя и были инициированы этими работами, но существенно отличаются от них, так что указать корректную ссылку было просто
невозможно. Ссылки не сделаны также на результаты, полученные автором, и
на информацию, которая имеется во множестве широко доступных источников.
Автор выражает благодарность своим учителям — докторам технических
наук Г.М. Балиму и В.П. Попову за их доброжелательность и поддержку автора
в начале жизненного пути, друзьям и коллегам по работе к.т.н. А.Н. Халявко,
д.т.н. В.Б. Дмитриеву-Здорову, к.т.н. В.Н. Бирюкову и к.т.н. Н.И. Мережину за
плодотворные дискуссии в стенах НИЛ АП, а также замечательному коллективу НИЛ АП, в окружении которого была написана эта книга.
Книга рассчитана на лиц с высшим техническим образованием и предназначена для технологов, метрологов, инженеров КИПиА и АСУ ТП, научных
работников, студентов и всех, кто желает расширить сферы применения персонального компьютера или автоматизировать эксперимент, технологический
процесс, офис, рабочее место.

Введение

Компьютер вошел в нашу жизнь как средство для компьютерных игр, просмотра фильмов и глобального общения через Интернет, для инженерных расчетов и проектирования, для редактирования текста, графики и музыки. Однако
есть еще одна великолепная возможность применения компьютера — автоматизация различных сфер деятельности человека. Автоматизировать можно
предприятие, цех, технологический процесс или оборудование, дом, офис, лабораторию.
Для этого компьютер нужно оснастить датчиками и исполнительными механизмами, чтобы он обрел способность заменить или расширить
возможности человека везде, где это возможно.
В лаборатории компьютер может автоматически управлять последовательностью измерительных процедур, поддерживать стабильную температуру в
камере тепла и холода или изменять ее по заранее заданному закону, принимать и обрабатывать сигналы от датчиков скорости, ускорения, давления и др.,
измерять напряжение, ток, сопротивление, скорость вращения вала двигателя,
частоту, массу, вычислять параметры электронных приборов, строить графики
вольтамперных характеристик, отображать динамику физических процессов в
химических реакциях. Исследовательские процедуры, выполняемые по определенному алгоритму, могут быть запрограммированы и выполняться многократно без внесения в процесс измерения ошибок, свойственных человеку.
В производственном или жилом помещении автоматизированная система
может выполнять роль охранной и пожарной сигнализации, регулятора температуры, влажности, управлять освещением и системой кондиционирования,
используя для этого компьютер, соответствующие датчики, исполнительные
устройства — кондиционер, отопительную систему, сирену, освещение и многое другое.
В производственном процессе компьютер может автоматически распечатывать результаты приемо-сдаточных испытаний серийной продукции, управлять
станками, технологическими линиями и агрегатами; выводить для просмотра
оператором состояние каждой единицы оборудования, задействованного в производственном процессе, поддерживать температуру или давление в паровом
котле, управлять работой механизмов, сигнализировать об аварийных ситуациях или о приближении параметра к аварийному значению, выполнять технологические защиты и блокировки.
Компьютер может иметь в тысячи раз более чувствительные органы, чем
человек, и быстрее реагировать на поступающие воздействия. Поэтому он способен выполнять операции, которые невозможно реализовать иными средствами. Например, компьютер может с точностью до нескольких миллисекунд
уловить момент времени, в который температура в зоне химической реакции

Введение

изменилась на 0,001 ◦C, или за несколько секунд построить изотермы испытательной термокамеры, график зависимости эффективной разрядности АЦП от
температуры или отмерять количество компонента, поступающего для приготовления медицинского препарата.
На самом деле спектр применения компьютера в сочетании с датчиками
и исполнительными устройствами практически ограничен только фантазией
пользователя.
В настоящей книге описываются принципы применения компьютера для
описанных выше целей. B конкретных примерах использованы модули вводавывода аналоговой и дискретной информации серии RealLab!, которая широко
распространена на отечественном рынке средств лабораторной и промышленной автоматизации и выполнена в соответствии с Российскими и международными стандартами в области промышленной автоматизации. Серия RealLab!
позволяет строить современные распределенные системы управления лабораторными и технологическими процессами и включает в себя не только аппаратуру, но и программное обеспечение, ориентированное не на программистов,
а на рядовых пользователей персонального компьютера. Несмотря на сложность выполняемых задач, сама система достаточно проста в эксплуатации и
не требует специальных знаний.
Она выполнена в виде отдельных модулей,
которые объединены между собой промышленной сетью на основе интерфейса
RS-485 и обладает возможностью практически неограниченного наращивания.
Пользователь может подсоединить к одному порту компьютера множество модулей нужного назначения. Данные из модулей могут поступать на различные
компьютеры локальной сети.
В настоящее время для создания автоматизированной системы управления
не нужно быть специалистом по АСУ ТП, достаточно быть специалистом в той
предметной области, для которой создается система.
Это было невозможно
еще 15–20 лет назад, когда персональные компьютеры не были так широко распространены, их программирование выполнялось на ассемблере или в машинных кодах, а для выполнения операций ввода-вывода нужно было разработать
электрическую схему и спаять печатную плату.
С
появлением
модульного
принципа
построения
систем
управления,
SCADA-пакетов, стандарта ОРС и языка программирования контроллеров
МЭК 61131-3 стало возможным сделать автоматизацию такой же простой и интересной, как работу c персональным компьютером и офисными программами.
В книге не рассматриваются частнофирменные технические и программные
решения, не соответствующие открытым международным стандартам. Применение таких средств приводит к тому, что заказчик становится «заложником»
конкретного программиста или конкретной фирмы-производителя, которые начинают диктовать ему свои финансовые условия. B отличие от этого, применение решений, основанных на открытых международных стандартах, позволяет заказчику в любой момент отказаться от одного подрядчика (системного
интегратора) в пользу другого или использовать оборудование разных производителей.
Хочется обратить внимание читателя на то, что часто он может даже не подозревать, что его задачи можно автоматизировать. Во многих случаях нужно

Введение
15

предпринять некоторые усилия для активизации воображения. Однако когда
идея автоматизации созрела, она легко реализуется и оказывается очень эффективной, а ее воплощение — увлекательным.
По убеждению автора, ни одну формулу нельзя понять и правильно применить на практике до тех пор, пока не станет понятен ее вывод из очевидных
посылок. Поэтому все формулы в книге даны с выводом, который читатель
может повторить самостоятельно.
В книге много английских сокращений и терминов, не переведенных на
русский язык. Это связано с отсутствием русскоязычных аналогов, а также с
тем, что в области промышленной автоматизации общепринято использовать
международные (англоязычные) сокращения и некоторые термины.
Тексты описанных программ и руководства по эксплуатации аппаратных
средств можно скачать с Интернет-сайта www.RealLab.ru или заказать по адресу info@RLDA.ru.
Автор с благодарностью примет все пожелания по улучшению книги и сообщения об ошибках, которые можно присылать по адресу victor@RLDA.ru или
НИЛ АП, ул. Зои Космодемьянской, 2, Таганрог, 347924. Тел. (8634) 324-140.

Архитектура автоматизированной
системы

Автоматизированная система призвана облегчить труд человека, расширить его функциональные возможности или заменить полностью, если это возможно.
Поэтому архитектура систем автоматизации во многом напоминает
строение человека: роль органов чувств выполняют датчики, роль рук, ног
и органов речи — исполнительные устройства, роль мозга — компьютер или
контроллер.
Благодаря такой аналогии архитектура системы автоматизации
становится понятной любому человеку на интуитивном уровне.
Однако при
разработке конкретной системы возникает множество сложных практических
вопросов, касающихся стандартизации, безопасности, коммерческой эффективности, технологичности, точности, надежности, совместимости, технического
сопровождения и т. п., которым посвящены последующие главы книги.
В настоящей главе рассмотрены только самые общие (архитектурные)
принципы построения систем промышленной и лабораторной автоматизации.

1.1. Разновидности архитектур

Существует огромное разнообразие датчиков (температуры, влажности,
давления, потока, скорости, ускорения, вибрации, веса, натяжения, частоты,
момента, освещенности, шума, объема, количества теплоты, тока, уровня и др.)
[1], которые преобразуют физическую величину в электрический сигнал. Если параметры сигнала не согласуются с параметрами входа аналого-цифрового
преобразователя (АЦП) или не соответствуют стандарту (например, входной величиной АЦП является напряжение в диапазоне 0...10 В, а датчик (термопара)
имеет выходное напряжение в диапазоне от 0 до 100 мВ), то используют измерительный преобразователь (рис. 1.1), который обеспечивает нормализацию
сигнала сигнала датчика (приведение к стандартным диапазонам изменения,
обеспечение линейности, компенсацию погрешности, усиление и т. п.). Измерительные преобразователи обычно совмещают с модулями аналогового ввода.
Измерительные преобразователи могут иметь встроенный АЦП или ЦАП
(цифро-аналоговый преобразователь), а также микропроцессор для линеаризации характеристик датчика и компенсации погрешностей аналоговой части
системы.
B последнее время получили распространение цифровые датчики,
объединяющие в себе первичный преобразователь физической величины в электрический сигнал, измерительный преобразователь и АЦП. Примером могут
служить датчики температуры DS18B20 фирмы Dallas Semiconductor, у которых выходной сигнал является цифровым и соответствует спецификации интерфейса 1-Wire (www.maxim-ic.com).

Архитектура автоматизированной системы
17

Датчики

Измерительный
преобразователь

Модуль
аналогового
ввода

Компьютер

Модуль
вывода

Исполнительные
устройства

Рис. 1.1. Простейший вариант автоматизированной системы с одним компьютером,
одним устройством ввода и одним устройством вывода

Для ввода в компьютер аналоговых сигналов служат модули аналогового
ввода (рис. 1.1). Модули ввода могут быть общего применения (универсальные)
или специализированные.
Примером универсального модуля ввода является
NL-8AI (www.RealLab.ru), который воспринимает сигналы напряжения в диапазонах ±150 мВ, ±500 мВ, ±1 В, ±5 В, ±10 В и тока в диапазоне ±20 мА. Примером специализированного модуля является модуль ввода сигналов термопар
NL-8TI (www.RealLab.ru), который работает только с термопарами и содержит
встроенные во внутреннюю память модуля таблицы поправок для компенсации
нелинейностей термопар и температуры холодного спая.
Кроме модулей аналогового ввода широко распространены модули дискретного ввода, которые не содержат АЦП и позволяют вводить сигналы, имеющие два уровня (например, сигналы от концевых выключателей, датчиков
открывания двери, пожарных датчиков, охранных датчиков движения и т. п.).
Уровни входных сигналов модулей дискретного ввода могут изменяться в диапазоне, как правило, 0...24 В или 0...220 В. Модули с входом 220 В используются,
например, для регистрации наличия напряжения на клеммах электродвигателя или нагревательного прибора.
Отдельное место занимают устройства счетного ввода, которые имеют
дискретный вход и позволяют считать количество или частоту следования импульсов.
Их используют, например, для измерения скорости вращения вала
электродвигателя или подсчета продукции на конвейере.
Компьютер обычно является «мозгом» автоматизированной системы. Он
принимает сигналы датчиков, исполняет записанную в него программу и выдает необходимую информацию в устройство вывода. Коммуникации между компьютером и устройствами ввода-вывода выполняются через последовательные
интерфейсы, например, USB, CAN, RS-232, RS-485, RS-422, Ethernet или параллельный интерфейс LPT. Иногда устройства ввода-вывода выполняют в виде

Г л а в а 1

плат, которые вставляют непосредственно в компьютер, в разъемы шины PCI
или ISA. Достоинством плат является возможность получения высокой пропускной способности каналов ввода-вывода (свыше 10 Мбит/с), что трудно достижимо при использовании внешних устройств с последовательным портом. Недостатком является более высокий уровень электромагнитных наводок от компьютера и конструктивные ограничения на количество каналов ввода-вывода.
В автоматизированных системах вместо компьютера или одновременно с
ним часто используют программируемый логический контроллер (ПЛК). Типовыми отличиями ПЛК от компьютера является специальное конструктивное
исполнение (для монтажа в стойку, панель, на стену или в технологическое оборудование), отсутствие механического жесткого диска, дисплея и клавиатуры.
Контроллеры также имеют малые размеры, расширенный температурный диапазон, повышенную стойкость к вибрации и электромагнитным излучениям,
низкое энергопотребление, защищены от воздействий пыли и воды, содержат
сторожевой таймер и платы аналогового и дискретного ввода-вывода, имеют
увеличенное количество коммуникационных портов. В контролерах, в отличие
от компьютеров, как правило, используется операционная система реального
времени (например, Windows CE, QNX).
В последнее время наметилась тенденция стирания грани между компьютером и контроллером. С одной стороны, контроллеры (например, NLcon-CE
фирмы НИЛ АП или WinCon фирмы ICP DAS) позволяют подключить монитор, мышь и клавиатуру, с другой стороны, появилось большое количество
промышленных компьютеров, которые имеют специальное конструктивное исполнение и другие свойства, характерные для контроллеров. B связи с этим в
дальнейшем мы будем употреблять термины «компьютер» и «контроллер» как синонимы, и это будет ясно из контекста.
Устройства вывода (модули вывода) позволяют выводить дискретные,
частотные или аналоговые сигналы. Дискретные сигналы используются, например, для включения электродвигателей, электрических нагревателей, для
управления клапанами, фрамугами, насосами и другими исполнительными устройствами.
Частотный сигнал используется обычно для управления средней мощностью устройств с большой инерционностью с помощью широтноимпульсной модуляции.

1.1.1. Требования к архитектуре

Архитектура автоматизированной системы — это наиболее абстрактное ее
представление, которое включает в себя идеализированные модели компонентов системы, а также модели взаимодействий между компонентами. Элементы∗ архитектуры находятся во взаимосвязи, образуя единую автоматизированную систему и обеспечивая решение поставленной задачи автоматизации на архитектурном уровне. B то же время архитектура оставляет достаточно свободы
для выбора конкретных технических решений [2]. Поэтому правильно спроектированная архитектура допускает множество технических реализаций

∗ «Компонент» и «элемент» в данном контексте являются синонимами.