Технические средства автоматизации. Интерфейсные устройства и микропроцессорные средства

ТЕХНИЧЕСКИЕ  СРЕДСТВА 
АВТОМАТИЗАЦИИ

ИНТЕРФЕЙСНЫЕ  УСТРОЙСТВА
И  МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ  СРЕДСТВА

УЧЕБНОЕ  ПОСОБИЕ

Второе  издание

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию
в области автоматизированного машиностроения (УМО AM) 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности «Автоматизация технологических
процессов и производств (химико-технологическая отрасль)»,
направление подготовки «Автоматизированные технологии и производства»

Москва
РИОР
ИНФРА-М

В.Ф. БЕККЕР

УДК 004.4(075.8)
ББК 32.965.4/5я73
 
Б42

Беккер В.Ф.

Технические средства автоматизации. Интерфейсные устройства и микропро цес сорные средства : учебное пособие / В.Ф. Беккер. — 2­е изд. — Москва : 
РИОР : ИНФРА­М, 2020. — 152 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI: 
https://doi.org/10.12737/4682

ISBN 978­5­369­01198­0 (РИОР)
ISBN 978­5­16­006686­8 (ИНФРА­М, print)
ISBN 978­5­16­101783­8 (ИНФРА­М, online)

В соответствии с тенденцией информатизации современных технических средств автоматизации описываются датчики, интерфейсные, микропроцессорные и компьютерные устройства. Излагаются основные требования действующих стандартов к системе 
сбора данных, обеспечивающей способность микропроцессорных электронных устройств 
к обмену технологическими и другими данными. Рассматриваются практические аспекты реализации информационно­управляющих систем. Приводятся технические характеристики и классификация аналоговых устройств связи с объектом (УСО), используемых 
в качестве компонентов низового звена для построения распределенных измерительных 
систем и систем управления промышленного назначения. Даются сведения по организационному, методическому, математическому и программному обеспечению интегрированных систем автоматизированного управления. Рассматривается система программирования промышленных контроллеров, базирующаяся на рекомендациях стандарта 
МЭК IEC1131.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Автоматизация технологических процессов и производств (химическая промышленность)».

Б42

УДК 004.4(075.8)
ББК 32.965.4/5я73
ISBN 978­5­369­01198­0 (РИОР)
ISBN 978­5­16­006686­8 (ИНФРА­М, print)
ISBN 978­5­16­101783­8 (ИНФРА­М, online)

Оригинал­макет подготовлен в Издательском Центре РИОР

Подписано в печать 25.09.2019. 

Формат 60×90/8. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Печать цифровая. Усл. печ. л. 19,0. Уч.­изд. л. 11,68.

Доп. тираж 20 экз. Заказ № 

Цена свободная.

ТК 433850 – 1062242 – 250919

ООО «Издательский Центр РИОР»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В.

Email: info@riorp.ru    https://riorpub.com

ООО «Научно­издательский центр ИНФРА­М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1.
Тел.: (495) 280­15­96. Факс: (495) 280­36­29.

E­mail: books@infra­m.ru     http://www.infra­m.ru

© Беккер В.Ф.

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

Р е ц е н з е н т ы :
А.Г. Шумихин — д­р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация технологических 
процессов и производств» Пермского национального исследовательского политехнического 
университета;
А.В. Затонский — д­р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов» Пермского национального исследовательского политехнического университета

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Тема 1. Общая характеристика интерфейсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1. Основные понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2. Принципы организации интерфейсов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.1. Общие понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.2. Структуры связей и характеристики интерфейсов. . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.3. Функциональная организация интерфейсов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3. Международная стандартизация и системы управления . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1. Международные организации по стандартизации . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2. Профессиональные и национальные организации. . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4. Универсальные интерфейсы периферийного оборудования . . . . . . . . . . . . 14
1.4.1. Интерфейс BS 4421 (ИРПР) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.2. Интерфейс Centronics (ИРПР-М) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.3. Интерфейс ИРПС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5. Преобразователи «напряжение-ток». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Задания и вопросы к теме 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Тема 2. Передача данных по интерфейсу RS-232C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1. Общие сведения и технические особенности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2. Содержание стандарта RS-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3. Описание COM-портов персонального компьютера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1. Основные свойства COM-портов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2. Полнодуплексный обмен данными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.3. Набор сервисных сигналов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.4. Программная независимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.5. Асинхронная передача данных по каналу связи. . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.6. Технические характеристики COM-портов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.7. Назначение сигналов COM-порта по стандарту RS-232C. . . . . . . . . 26
2.3.8. Уровни сигналов UART. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.9. Передача данных через UART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.10. Нуль-модемное соединение двух COM-портов . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.11. Модемное соединение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4. Обмен данными при аппаратном режиме синхронизации . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5. Обмен данными при программной синхронизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.1. Описание контрольных битов (Parity Control Bit) . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.2. ASCII кодовая таблица символов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Задания и вопросы к теме 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Тема 3. Передача данных по интерфейсу RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1. Особенности технического применения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2. Связь на основе стандарта ЕIА RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1. Универсальный асинхронный приемопередатчик (UART) . . . . . . . . 35
3.2.2. Организация передачи данных по интерфейсу RS-485 . . . . . . . . . . . 37
3.2.3. Согласование и конфигурация линии связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.4. Защитное смещение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.5. Исключение приема при передаче в полудуплексном режиме . . . . . 43
3.2.6. «Горячее» подключение к линии связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.7. Рекомендации по организации протокола связи. . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.8. Программные методы борьбы со сбоями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.9. Защита устройств от перенапряжений в линии связи . . . . . . . . . . . . 49
3.2.10. Дополнительные меры защиты от помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Задания и вопросы к теме 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Тема 4. Требования стандарта RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1. Общие положения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2. Область применения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3. Электрические характеристики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.1. Характеристики нагрузки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Статические характеристики единицы нагрузки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Динамические характеристики единицы нагрузки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.2. Характеристики формирователя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Режим холостого хода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Нагруженный режим . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Форма выходного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.3. Характеристики приемника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Измерение чувствительности входа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Измерение степени симметрии входа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.4. Предельные параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Проверка формирователя в режиме короткого замыкания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Проверка формирователя в условиях возникновения конфликтной  
ситуации  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Проверка предельного значения выходного тока формирователя. . . . . . . . . . . . . 62
Требования по устойчивости к перенапряжению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4. Схемы подключения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.1. Рекомендации по работе с длинными линиями . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.2. Рекомендации по прокладке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Задания и вопросы к теме 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Тема 5. Требования стандарта EIA RS-422A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1. Рекомендации по применению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2. Основная конфигурация системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.3. Средства объединения устройств системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.4. Методика определения параметров (выбора) кабеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.5. Влияние среды обмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.6. Электромагнитные помехи и симметрия параметров канала связи . . . . . . 76
5.7. Дополнительные требования к реализации заземления . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.8. Конфликтные ситуации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Задания и вопросы к теме 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Тема 6. Информационно-управляющие сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.1. Терминология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2. Создание единой логической сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3. Структура связей протокольных модулей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.4. Потоки данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.5. Работа с несколькими сетевыми интерфейсами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.6. Описание интерфейса I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.6.1. Физика процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.6.2. Логика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.6.3. Диаграммы и тайминги. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Задания и вопросы по теме 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Тема 7. Устройства и модули фирмы Analog Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.1. Назначение модулей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.2. Модули серии 5В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.3. Монтажные панели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.4. Применение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.5. Модули серии 3В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.6. Модули серии 7В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.7. Модули серии 6В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Задания и вопросы к теме 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Тема 8. Устройства и модули фирмы Advantech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.1. Назначение и функции устройств связи с объектом . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.2.  Модули нормализации и гальванической развязки  
серии ADAM-3000. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.3. Технические данные модулей ADAM-3000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.3.1. Модуль ввода сигнала термопары ADAM-3011 . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.3.2. Модуль аналогового ввода ADAM-3012 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8.3.3. Модуль ввода сигнала термометра сопротивления ADAM-3013 . . 106
8.3.4. Модуль ввода сигнала датчика силы ADAM-3016 . . . . . . . . . . . . . . 107
8.3.5. Модуль аналогового вывода ADAM-3021. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.4. Устройства удаленного сбора данных и управления ADAM-4000 . . . . . . 108
8.4.1. Особенности технической реализации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

8.4.2. Сведения о программном обеспечении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.4.3. Общие технические данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.5. Модули аналогового и дискретного ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
8.6. Коммуникационные модули . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.6.1. Технические характеристики модуля ADAM-4510 . . . . . . . . . . . . . 116
8.6.2. Технические характеристики модуля ADAM-4520 . . . . . . . . . . . . . 116
8.6.3. Технические характеристики модуля ADAM-4530 . . . . . . . . . . . . . 119
8.7. Контроллеры сбора данных и управления ADAM-5000. . . . . . . . . . . . . . . 122
8.7.1. Общие сведения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.7.2. Технические данные блоков процессора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.8. Технические данные модулей ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.8.1. Восьмиканальный модуль аналогового ввода ADAM-5017 . . . . . . 126
8.8.2. Семиканальный модуль ввода сигналов термопар ADAM-5018 . . 127
8.8.3. Четырехканальный модуль аналогового вывода ADAM-5024 . . . . 127
8.8.4. Шестнадцатиканальный модуль дискретного ввода ADAM-5051 . .128
8.8.5. Шестнадцатиканальный модуль дискретного вывода ADAM-5056 . .128
8.8.6. Шестиканальный модуль релейной коммутации ADAM-5060. . . . 128
8.9. Программное обеспечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.10. Ethernet-модули сети типа «последовательная цепь» (Daisy Chain) . . . . 129
8.11. Серверы последовательных устройств семейства JetPort. . . . . . . . . . . . . 129
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Задания и вопросы к теме 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Тема 9. Подготовка программ для контроллеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9.2. Архитектура системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.3. Cистема программирования U.L.TRALOGIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
9.4. Базовые концепции U.L.TRALOGIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.5. Менеджер проектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.6. Загрузка и отладка программ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
9.7. Практический пример . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Задания и вопросы к теме 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Акронимы и термины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

ВВедение

Подготовка специалистов по автоматизации предполагает формирование в процессе обучения основных для специалиста по автоматизации и достаточно общих 
компетенций: способность участвовать в разработке проектов по автоматизации, 
контролю, управлению процессами, выбирать и использовать современные методы 
и средства автоматизации технологических процессов.
Учитывая, что особенностью современных автоматизированных систем является их информатизация, связанная с организацией потоков данных и последующей 
обработкой микропроцессорными и/или микропрограммными средствами, предлагаемые лекции по курсу технических средств автоматизации, в отличие от других 
пособий, ориентированы непосредственно на ознакомление с принципами построения типовых узлов и реализации основных видов функциональных преобразований в технических средствах автоматизации. Особое внимание уделено техническим и программным средствам организации взаимодействия между отдельными 
элементами системы регулирования – современным интерфейсам.
В соответствии с указанной постановкой приоритетов в первую очередь рассматриваются принципы организации интерфейсов (тема 1), параллельная и последовательная передача данных (темы 2–5), необходимые аппаратные представлены сериями модулей, поставляемых ведущими фирмами в области автоматизации: средства 
связи с объектом управления фирмы Analog Devices (тема 6) и фирмы Advantech 
(тема 7). Даны самые общие представления об организации серий (тема 8) и простые примеры использования системы подготовки программ (тема 9). Такой подход наиболее полно отвечает прикладному направлению подготовки специалистов. 
В некоторых случаях предварительно даются определения терминов, необходимых 
для изложения материала.
Для ознакомления с предметом изучения данного курса рассмотрим работу автоматизированной системы управления, функциональная схема которой представлена 
на рис. В.1. Такая система обеспечивает бесперебойную работу технологического 
объекта и требует постоянного совершенствования алгоритмов, технических и программных средств управления.

Рис. В.1. Функциональная схема автоматизированной системы управления техническим объектом

На рис. В.1 обозначены: PC – управляющий персональный компьютер; COM, 
USB – порты последовательной передачи информации; RxD – линия связи для приема информации; TxD – линия связи для передачи информации; G – линия заземления; PLC – ведущий программируемый контроллер; UART, I2C – порты последовательной передачи информации; PA, PB, PD, PE – порты параллельной передачи 
информации; ОУ – контролируемый объект; ЭСЭ – элементы силовой электроники; 
СУ – сервоусилитель; ДД – датчик дискретной величины; ДА – датчик аналоговой 
величины; PLC1, PLC2 – ведомые программируемые логические контроллеры.
Общая программа управления всеми устройствами контролируемого объекта 
и необходимые исходные данные технологического процесса хранятся в управляющем персональном компьютере PC. Эта информация по линии связи через интерфейс RS 232 (или какой-либо другой интерфейс) передается ведущему программируемому контроллеру ПЛК (PLC). ПЛК через порты параллельной передачи информации (PA, PB) управляет с помощью силовых ключей (ЭСЭ) агрегатами объекта управления (ОУ), собирает информацию о состоянии выходных параметров 
ОУ с помощью дискретных (ДД) и аналоговых (ДА) датчиков и через порты ввода 
дискретной (PD) и аналоговой (PE) информации, а затем – через порты последовательной передачи информации (UART – COM, USB) управляющего персонального 
компьютера. Кроме того, ведущий контроллер по линии с внутренним интерфейсом I2C управляет работой ведомых контроллеров (PLC1, PLC2), которые, в свою 
очередь, управляют различными вспомогательными операциями. Управляющий 
персональный компьютер PC, получив по линии обратной связи информацию о состоянии объекта, принимает решение о дальнейших шагах управления.
Таким образом, современный информационно-управляющий комплекс (ИУК) 
имеет иерархическую структуру. Для цифровой системы управления можно выделить следующие уровни иерархии и языки их описания: 1-й – элементы (логические 
элементы, элементы памяти, датчики и элементы силовой электроники) используют для обработки информации булеву алгебру, теорию конечных автоматов, теорию 
электронных схем; 2-й – микропроцессоры используют систему команд; 3-й – контроллеры применяют язык ассемблера; 4-й – управляющий персональный компьютер работает с операционными системами (ОС) и на алгоритмических языках высокого уровня (АЯВУ); 5-й – персональный компьютер в контуре управления – наряду 
с ОС и АЯВУ дополнен специализированными проблемно-ориентированными языками (СПОЯ); 6-й – сеть персональных компьютеров использует ОС, АЯВУ, СПОЯ 
и языки общечеловеческого общения.
Имея общее представление об автоматизированной системе управления, нетрудно выделить основные технические операции в сборке такой системы. Эти операции состоят в выборе необходимых технических модулей, их соединении между 
собой с созданием условий полного взаимодействия (механического, электрического, информационного), которое обеспечивает функционирование системы в целом 
по некому алгоритму, определяющему последовательность выполнения операций 
каждым из взаимодействующих устройств системы.

Тема 1. общая харакТериСТика 
инТерфейСоВ

1.1. 
основные понятия и определения

Рассмотрим задачу соединения отдельных модулей системы с обеспечением условий их полного взаимодействия. Для этого необходимо ввести следующий ряд 
определений.
Стандартный интерфейс – это совокупность унифицированных аппаратурных, 
программных и конструктивных средств, необходимых для организации взаимодействия различных функциональных элементов в системах сбора и обработки информации.
Интерфейс – это унифицированная система линий связи, правил кодирования 
информации, электронных схем и алгоритмов обмена информацией и электрическими сигналами.
Интерфейсы делятся на две группы:
–  внутренние (прямого доступа к памяти, межпроцессорные, «центральный 
процессор – устройство ввода-вывода» и др.);
– внешние («персональный компьютер – внешние устройства»).
Стык – место соединения устройств передачи сигналов данных, входящих в системы передачи данных.
Протокол – строго заданная процедура или совокупность правил, регламентирующая способ выполнения определенного класса функций.
Основное назначение интерфейсов, стыков, протоколов – унификация внутри- 
и межсистемных связей. Целью унификации является эффективная реализация 
прогрессивных методов проектирования вычислительных систем.
Функции интерфейсов и стыков – обеспечение информационной, электрической 
и конструктивной совместимости между функциональными элементами.
Информационная совместимость – согласованность взаимодействия функциональных элементов в соответствии с совокупностью логических условий.
Логические условия определяют:
– структуру и состав унифицированного набора шин;
– набор процедур для реализации взаимодействия и последовательность их выполнения;
– выбор последовательности выполнения этих процедур;
– способы кодирования данных;
– форматы команд, данных, адресной информации и информации состояния;
–  временны́ е соотношения между управляющими сигналами, ограничения на 
их форму и взаимодействие.
Логические условия информационной совместимости определяют в целом функциональную и структурную организацию интерфейса.
Электрическая совместимость – согласованность статических и динамических 
параметров электрических сигналов в системе шин с учетом ограничений на пространственное размещение устройств интерфейса.
Условия электрической совместимости определяют:

– тип приемо-передающих элементов;
–  соотношение между логическими и электрическими состояниями и переделы 
их изменения;
–  коэффициенты нагрузочной способности приемно-передающих элементов;
–  схему согласования линий;
–  допустимую длину линий и порядок подключения линий к разъемам;
–  требования к источникам и цепям электрического питания;
–  требования по помехоустойчивости.
Конструктивная совместимость – согласованность конструктивных элементов 
интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта электрических соединений и механической замены схемных блоков и устройств.
Условия конструктивной совместимости определяют типы:
–  соединительных элементов (разъем, штекер, распределение линий связи внутри соединительного элемента);
–  конструкции платы, каркаса;
–  конструкции кабельного соединения.

1.2. 
Принципы организации интерфейсов

1.2.1. 
общие понятия
Основные принципы организации интерфейсов включают:
–  принцип группового проектирования – создание ряда функционально и конструктивно подобных устройств для разнообразных условий применения, чем 
достигается их универсальность и совместимость;
–  принцип агрегатирования (модульного построения) – рациональное разбиение системы на совокупность более простых, функционально и конструктивно законченных блоков;
–  принцип унификации – минимизация номенклатуры составных устройств, блоков и связей между ними при условии рациональной компоновки и обеспечения эффективного функционирования;
–  принцип взаимозаменяемости – способность модулей выполнять в устройстве 
различные функции без дополнительной доработки.
Уточним основные понятия в описании интерфейсов.
Линии интерфейса – электрические цепи, являющиеся физическими связями.
Шина – совокупность линий, сгруппированных по выполняемым функциям.
Магистраль – совокупность всех линий интерфейса.
Выделяют две магистрали:
–  магистраль информационного канала;
–  магистраль управления информационным каналом.
По магистрали информационного канала передают коды адресов, команд, данных, состояния. Аналогичные наименования имеют шины интерфейса.
Шины адреса служат для выборки в магистрали узлов устройства, ячеек памяти.
Шины команд служат для управления операциями на магистрали.
Шины данных используются для передачи данных.

Шины состояния передают описание результата операции или состояние устройства сопряжения.
Магистраль управления информационным каналом имеет шины управления обменом, передачи управления, прерывания, управления режимом работы и специальных управляющих сигналов.
Шина управления обменом включает в себя линии синхронизации передачи информации.
Бывают синхронный и асинхронный принципы обмена.
При синхронной передаче темп выдачи и приема данных задается регулярной 
последовательностью сигналов по переднему или заднему фронту сигнала синхронизации с использованием одной или двух двунаправленных линий.
Асинхронная передача происходит при условии идентификации передатчиком 
готовности к приему приемника и завершается подтверждением приема.
Шина передачи управления используется для операций приоритетного занятия 
магистрали информационного канала.
Шина прерывания в системных интерфейсах идентифицирует устройство, запрашивающее сеанс связи. Устройство идентифицируется либо адресом источника 
прерывания, либо адресом программы, обслуживающей прерывание (так называемым вектором прерывания).
Шина управления режимом работы и специальных управляющих сигналов содержит линии, поддерживающие работоспособность интерфейса, в том числе приведение устройств в исходное состояние, контроль питания, контроль и службу времени.

1.2.2. 
Структуры связей и характеристики интерфейсов
Связность линий интерфейса – возможность однонаправленной или двунаправленной передачи сигналов.
Интерфейсы могут быть односвязными или многосвязными:
–  в односвязном интерфейсе имеется общая магистраль, которая используется 
в режиме разделения времени;
–  в многосвязном интерфейсе сигналы одновременно могут передаваться по нескольким линиям.
Структуры связей интерфейсов подразделяются на следующие виды:
– магистральная;
– радиальная;
– цепочная;
– смешанная (комбинированная).
Характеристики интерфейса:
– время, необходимое на передачу единицы информации;
– достоверность передаваемых данных (% ошибок);
– помехоустойчивость и допуски на электрические сигналы интерфейса.

1.2.3. 
функциональная организация интерфейсов
Выделяют функции, обеспечивающие информационную совместимость:
–  селекция информационного канала;
–  синхронизация обмена информацией;
–  координация взаимодействия;

–  функции обмена и преобразования формы представления информации.
Селекция (арбитраж) выполняет взаимодействие сопрягаемых элементов системы посредством разрешения конфликтов двух уровней:
–  при доступе к информационному каналу интерфейса;
–  при доступе одного устройства к другому.
Первый уровень разрешается селекцией информационного канала, а второй – 
координацией взаимодействия.
Синхронизация определяет согласование процессов взаимодействия между 
функциональными элементами системы. При синхронном взаимодействии интервал времени смены состояния передачи не меньше самого длинного интервала времени изменения состояния приема.
Между процессами передачи и приема существуют отношения предшествования.
Выделяются три иерархических уровня (процесса) синхронизации: битов слова, 
слов, массивов слов.
Координация взаимодействия определяет совокупность процедур по организации и контролю процессов взаимодействия устройств системы:
–  настройка на взаимодействие;
–  контроль;
–  передача функции управления.
Определим содержание этих процедур.
Настройка заключается в определении состояния устройств, которые участвуют 
во взаимодействии, т.е. включение процедуры опроса и анализ состояния вызываемого устройства.
Контроль – это, во-первых, разрешение тупиковых ситуаций при взаимодействии, которое основывается на применении тайм-аута – измерении фиксированного промежутка времени, в течение которого должно наступить ожидаемое состояние, и если это состояние не наступило, то фиксируется неисправность; во-вторых, 
это контроль передачи данных (с обнаружением ошибок или с обнаружением и исправлением ошибок).
Передача управления заключается в передаче функций координации взаимодействия между функциональными элементами интерфейса при децентрализованном 
управлении в случае отказа функционального элемента, выполняющего функции 
управления, или при отключении питания.
Функции обмена и преобразования информации, выполняемые информационным каналом:
–  функции обмена – прием и выдача информации (адреса, команды, состояние) 
регистрами устройств системы;
–  функции преобразования – перекодирование информации, дешифрация адресов, команд, логические действия над содержимым регистра состояния.

1.3. 
международная стандартизация и системы управления

1.3.1. 
международные организации по стандартизации
Международная организация по стандартизации, ИСО (International Organization for Standardization, ISO) – всемирное объединение стандартизирующих организаций.

Члены ISO вводят в действие формируемые стандарты и обеспечивают в своих государствах контроль их соблюдения, например американский институт ANSI 
(American National Standards Institute) и российский Росстандарт.
Управляющий орган ISO – центральный секретариат (CS). Для разработки стандартов привлекают «экспертов», которые представляют интересы промышленного, 
технического и бизнес-секторов и вводят в употребление те стандарты, которые 
нужны рынку.
Действующая часть ISO образует альянс с IEC (см. далее) и разрабатывает совместно с ней ряд стандартов.
Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (International Telegraph & Telephone Consultative Committee, CCITT) создан в 1957 г., 
имеет 16 исследовательских комиссий, его сфера – стандартизация в области электросвязи. Стандарты CCITT выдаются в виде рекомендаций.
Международная электротехническая комиссия (МЭК) (International Electrotechnical Commission, IEC) – транснациональная организация, ответственная за стандартизацию в области электротехнических, электронных и телекоммуникационных 
средств, в том числе используемых для работы в сфере ИТ, включая интерфейсы. 
Структура IEC аналогична структуре ИСО, в работе МЭК принимают участие члены, представляющие 63 государства, при этом право голоса имеют представители 
около 50 государств.
Стандарты МЭК носят название публикаций. Очень тесно МЭК работает также 
с ИСО, выпуская с ней совместные стандарты.

1.3.2. 
Профессиональные и национальные организации
Американский национальный институт стандартов (American National Standard 
Institute) создает стандарты по протоколам управления передачей данных (например, ХЗ.16-66, ХЗ.28-76).
Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical & Electronics Engineers, IEEE) – профессиональный орган представителей 
инженеров США. Крупнейшая транснациональная корпорация, занимающаяся вопросами стандартизации в области производства различных технических и электронных средств. Выпускает примерно треть от всей мировой литературы по инженерным и компьютерным дисциплинам.
В 1946 г. американский Институт электроинженерии (American Institute of Electrical Engineers, AIEE) создал Подкомитет по крупномасштабным вычислениям 
(Large Scale Computing Subcommittee). В 1951 г. Институт радиоинженерии IRE создал свой комитет – PGEC (Professional Group on Electronic Computers). В 1963 г. 
AIEE и IRE сливаются и образуют IEEE. В 1971 г. PGEC преобразуется в Компьютерное Сообщество IEEE (IEEE Computer Society), стратегическая задача которого – стать «главным в мире поставщиком технической информации и технических 
сервисов».
Компании, представляющие своих членов в IEEE Computer Society, по сути дела, 
контролируют развитие тех современных мировых отраслей, где используется 
сложная микроэлектроника, в том числе – и развитие компьютерной отрасли.
IEEE тесно сотрудничает с ANSI и с ISO для «реализации международных стандартов промышленностью».

Ассоциация электронной промышленности (Electronic Industries Association, 
EIA) внесла значительный вклад в разработку и стандартизацию систем передачи 
данных. Стандарты издаются под названием «Рекомендуемые стандарты» (Recommended Standard, RS).
Фирма IBM разработала протоколы управления передачей данных BSC – Binary 
Synchronous Communications, SDLC – Synchronous Data Link Control, SNA – Systems 
Network Architecture – Концепция сетевой архитектуры систем.

1.4. 
Универсальные интерфейсы периферийного оборудования

Область применения интерфейсов радиального двухточечного и магистрального 
многоточечного сопряжения устройств с параллельным и последовательным способами передачи данных приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1
Основные интерфейсы подключения периферийных устройств

Классификационный 
признак
Интерфейс
Область  
применения
Международный
Российский
Параллельное двухточечное 
подключение
BS 4421  
Centronics
ИРПР
ИРПР-М
Устройства ввода-вывода 
информации, устройства 
локальной и межсистемной 
связи
Последовательное 
двухточечное подключение
CL (Current Loop),  
RS-232C
ИРПС,  
Стык С2
Последовательное 
многоточечное подключение
RS-422, RS-423,  
RS-485
Стык С2-ИС

Для радиального подключения периферийных устройств фактическим стандартом является Centronics. Локальное и дистанционное подключение устройств общего назначения и малого быстродействия осуществляется интерфейсами CL и ИРПС; 
минимального варианта – интерфейсом RS-232 (режим нуль-модема), а среднего 
быстродействия интерфейсами типа RS-422, RS-423, RS-485, которые используются для подключения устройств телеобработки.

1.4.1. 
интерфейс BS 4421 (ирПр)
1. Сведения об интерфейсе. Интерфейс соединяет два устройства ввода-вывода, 
обеспечивая единые способы обмена информацией.
2. Логическая и функциональная организация интерфейса. В обмене участвуют 
источник (И) и приемник (П), используются два набора линий связи (табл. 1.2).
3. При передаче данных нет ограничений в отношении комбинации сигналов на 
линиях данных. В устройствах может быть использовано меньшее число разрядов 
данных. Контрольные разряды КР0 и КР1 не являются обязательными и дополняют 
байт до нечетности. Обмен данными осуществляется в жестком режиме «запросответ». Все сигналы определяются на стороне устройства-задатчика. Устройствоисполнитель компенсирует разницу в задержке принимаемых сигналов.
4. Физическая реализация: сигналы соответствуют уровню транзистор-тран зистор ной логики (ТТЛ). Используемая логика – отрицательная. Передатчик – интегральная микросхема (ИМС) с открытым коллектором, допустимый ток нагрузки 
составляет 40 мА. Приемник – ИМС с входным током не более 1,6 мА. Линии связи