Разработка программного обеспечения АСУ ТП на основе объектно-ориентированного подхода

Мякишев Д. В.

Разработка программного 
обеспечения АСУ ТП 
на основе  
объектно-ориентированного 
подхода

 (теория, модели, методы)

Методическое пособие

Инфра-Инженерия 
Москва – Вологда 
2019

УДК 681.3 
ББК 32.965.7
     М 99

Мякишев Д. В.  
М 99  Разработка программного обеспечения АСУ ТП на основе 

объектно-ориентированного подхода: методическое 
пособие  / Д. В. Мякишев. — М.: Инфра-Инженерия, 2019. — 
128 с.

ISBN 978-5-9729-0305-4

Представлены практические методы, рекомендации, правила  
и приемы, используемые при создании ПО АСУ ТП на основе объектно- 
ориентированного подхода (ООП). Приведены краткие сведения о системах управления, дан анализ предметной области, определены ее домены 
и базовые понятия, реализуемые как объекты; рассмотрено их взаимодействие при решении основных задач управления технологическим оборудованием. Даны описания соответствующих классов и рассмотрены общие вопросы конфигурации ПО модуля автоматизации. В приложении 
приведены примеры реализации спроектированных классов на языке C++ 
из состава программного обеспечения модуля индивидуального управления электромагнитным клапаном.
Для специалистов, занимающихся разработкой ПО АСУ ТП различного назначения. Может быть полезно студентам соответствующих специальностей в качестве методического материала.

©  Мякишев Д. В., автор, 2019
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

ISBN 978-5-9729-0305-4

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

Введение

Начну с ответа на возможный вопрос критически настроенного читателя, взявшего в руки данное пособие: «Ну вот, 
опять про ООП! Сколько можно? И что нового может сказать 
этот малоизвестный автор после таких корифеев, как Гради 
Буч, Айра Пол, Бертран Меер, Инвар Якобсон, Джим Рембо,  
и многих других?». 
Действительно, количество книг, посвященных ОПП, 
«зашкаливает». Кроме трудов упомянутых корифеев и других 
зарубежных авторов, у нас в стране издано множество учебников, учебных и методических пособий, написанных преподавателями высших и других учебных заведений. И это не считая многочисленных сайтов в Сети, также посвященных ОПП. 
Однако несмотря на это замечательное разнообразие источников знаний, ситуация в прикладной сфере и образовании такова, что применение парадигмы ООП (именно парадигмы)  
на практике продолжает оставаться крайне неэффективным.  
К такому выводу меня привело общение с разработчиками 
программного обеспечения различных предприятий, а также 
со студентами и преподавателями ВУЗов.
Ведь ООП — это не только программирование. Это парадигма, философия, предлагающая свой особый «объектный» 
взгляд на окружающий нас мир. При создании программного 
обеспечения в рамках объектного подхода важнейшими этапами являются анализ предметной области и последующее 
проектирование, и только потом собственно программирование. К сожалению, на практике в подавляющем большинстве 
случаев эти этапы «выпадают» из процесса разработки, и разработчики после утверждения технического задания приступают непосредственно к программированию (кодированию). 

Разработка программного обеспечения АСУ ТП на основе 
объектно-ориентированного подхода
Мякишев Д. В.

Результаты такой практики печально известны: громоздкая 
непрозрачная структура, большое количество ошибок и, как 
следствие, высокие трудозатраты на наладку, испытания и 
последующее сопровождение и, несмотря на приложенные 
усилия, низкие надежность и эффективность созданного программного продукта.
В последнее время большую популярность в технологии 
разработки ПО АСУ ТП получило графическое визуальное 
программирование с использованием языков типа FBD1 и так 
называемых SCADA2-систем. Обладая рядом несомненных достоинств, данный подход к созданию ПО тем не менее во многих случаях не исключает необходимость традиционного «программирования вручную». 
Отличительная черта данного пособия: оно, если можно 
так выразиться, «прямого действия». Опираясь, с одной стороны, на многочисленные источники, в первую очередь на известную монографию Бертрана Меера [6] и на не утратившую 
своей актуальности книгу К. Я. Давиденко [3], с другой стороны — на собственный многолетний опыт в области разработки 
программного обеспечения АСУ, автор излагает прикладную 
методику объектно-ориентированного анализа, проектирования и собственно программирования в четко очерченной 
предметной области — автоматизации управления технологическими процессами. Не претендуя на всеохватность, материал пособия может служить основой для создания разработчиками конкретной АСУ ТП собственных методик, включая 
стандарты предприятия, учитывающие специфику различных 
областей автоматизации. 
Предполагается, что читатель знаком с основами ОПП, 
как минимум с концепцией и основными принципами, а также 

1 Function Block Diagram — диаграмма функциональных блоков.

2 Supervisory Control And Data Acquisition — диспетчерское управление  
и сбор данных.

Введение

с программированием на языке C++ в объеме базового курса. 
Приведенный список литературы поможет пополнить недостающие знания. 
Также подразумевается, что проблематика АСУ ТП яв- 
ляется для читателя «родной» или планируется им как основной род занятий. 

ГЛАВА 1. Постановка задачи

1.1. Кратко о системах управления и АСУ ТП  
в частности

Прежде чем приступать к изложению основного материала, уместно напомнить некоторые основные понятия из области управления сложными объектами [9]. 
Управление — процесс организации такого целенаправленного воздействия на объект, в результате которого объект 
переходит в требуемое (целевое) состояние. 
Объект управления — часть окружающего мира, состояние которого нас интересует и на которую мы можем воздействовать целенаправленно, т. е. управлять ею. Очевидно, что 
состояние объекта зависит от состояния его среды.
Цель управления — набор требований, предъявляемых 
субъектом к состоянию объекта. Применительно к сложному 
объекту следует говорить о множестве целей. 
Субъект управления — источник цели, реализуемой 
управлением. Субъект выступает в качестве заказчика на создание системы управления.
Алгоритм управления — четкое недвусмысленное правило, инструкция, указание, что и как следует делать, чтобы 
добиться заданной цели в сложившейся ситуации.
Система управления — все необходимые алгоритмы обработки информации и средства их реализации, объединенные 
для достижения заданных целей управления в объекте. 
На рис. 1 приведена обобщенная схема системы управ- 
ления [8]. Схема очень наглядна и комментарии к ней излишни.

ГЛАВА 1. Постановка задачи

Рис. 1. Схема системы управления объектом: 
X — состояние среды; Y — состояние объекта; 
 E — ненаблюдаемое (неизмеряемое) возмущение;  
ДX — датчики состояния среды; ДY — датчики состояния объекта 
управления; ИМ — исполнительные механизмы;  
U — управляющее воздействие; УУ — устройство управления;  
Xd — сигналы (выходы) датчиков состояния среды;  
Yd — сигналы (выходы) датчиков состояния объекта;  
φ — алгоритм управления; Z* — цель управления

Развернем (эксплицируем) вышеприведенные понятия на 
примере реальной системы управления — АСУ ТП атомной 
электростанции [5]. 
Объектом управления АСУ ТП является технологическое 
оборудование, которое обобщенно принято называть технологическим объектом управления (ТОУ). ТОУ включает в себя 
множество исполнительных механизмов (ИМ), таких как запорная и регулирующая арматура, насосы, электродвигатели, 
нагревательные элементы и тому подобные технологические 
агрегаты. Кроме того, ТОУ оснащен множеством датчиков, 
каждый из которых измеряет значение некоторой технологической переменной (параметра) ТОУ в определенной точке 

Разработка программного обеспечения АСУ ТП на основе 
объектно-ориентированного подхода

8

Мякишев Д. В.

контроля: давление, температуру, расход, скорость вращения 
и т. п. Как правило, сложный ТОУ разделяется в соответствии 
с производственно-функциональной структурой на несколько 
объектов, например: реакторное отделение, турбинное отделение, спецводоочистка, химводоочистка, пускорезервная котельная, насосная станция и т. д. Каждый из таких объектов 
управляется своей системой управления, являющейся частью 
общей АСУ ТП.
В АСУ ТП имеется множество целей управления. Главными из них являются:
• обеспечение функционирования технологического оборудования в полном соответствии с проектом ТОУ, его 
целями и задачами;
• обеспечение безопасности эксплуатирующего персонала, защита технологического оборудования от повреждения и разрушения в режиме нормальной эксплуатации и аварийных ситуациях. 
В свою очередь, каждая из этих двух глобальных целей 
структурируется на множество локальных целей, реализация 
которых в совокупности обеспечивает достижение глобальной цели.
Субъектом управления АСУ ТП является эксплуатирующая ТОУ организация. Как юридическое лицо, эксплуатирующая организация является заказчиком АСУ ТП. После 
проектирования, изготовления и поставки АСУ ТП на объект, 
проведения монтажных работ, пусконаладки и испытаний, 
персонал эксплуатирующей организации непосредственно 
участвует в процессах управления.
В отношении алгоритма АСУ ТП правильнее говорить о 
множестве алгоритмов, каждый из которых направлен на достижение конкретной локальной цели управления из множества целей.

ГЛАВА 1. Постановка задачи

По степени участия эксплуатирующего персонала в процессах управления различают автоматизированные системы 
управления (АСУ) и системы автоматического управления 
(САУ). В составе сложной системы, такой как АСУ ТП АЭС, 
имеются составляющие ее системы как первой, так и второй 
категории. В целом АСУ ТП, как следует из ее наименования, 
является автоматизированной системой, в которой человек- 
оператор принимает непосредственное участие в процессах 
управления путем контроля процессов управления и выдачи 
команд и других управляющих воздействий.
Принято разделять АСУ ТП на два уровня управления — 
верхний уровень (ВУ) и нижний уровень (НУ). На рис. 2 представлена типовая структура АСУ ТП [6].
В состав компонентов верхнего уровня входят рабочие 
станции и серверы, объединенные в локальную вычислительную сеть (ЛВС). Основное назначение подсистемы ВУ —  
обеспечение контроля и управления ТОУ со стороны эксплуатирующего персонала.
В состав компонентов нижнего уровня входят приборные 
шкафы и шлюзы, объединенные в ЛВС НУ. Основное назначение подсистемы НУ — сбор данных о ТОУ от датчиков, их 
обработка и управление агрегатами ТОУ — исполнительными 
механизмами (ИМ) в автоматическом и автоматизированном 
режимах.

Электротехнические шкафы, также присутствующие на 
схеме, не принято относить к средствам АСУ ТП. Они занимают промежуточное положение между приборными шкафами и ТОУ. Их основное назначение — усиление слаботочных 
сигналов от приборных шкафов путем управляемой коммутации трехфазного напряжения переменного тока 380 В  
или однофазного напряжения переменного тока 220/380 В, 
подаваемого на электроприводы ИМ.

Разработка программного обеспечения АСУ ТП на основе 
объектно-ориентированного подхода

10

Мякишев Д. В.

Рис. 2. Обобщенная структура АСУ ТП