Технические средства автоматизации и управления

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

№ 2549

Кафедра автоматизации

Ю.П. Страшун

Технические 
средства автоматизации 
и управления

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским советом 
университета

Москва  2015

УДК 681.5
 
С83

Р е ц е н з е н т

д-р техн. наук, зав. лаб. «Автоматизированных систем массового обслуживания 

и обработки сигналов» ФГБУ науки «Институт проблем управления 

им. В.А. Трапезникова РАН» М.П. Фархадов

Страшун Ю.П.

C83  
Технические средства автоматизации и управления : учебное 

пособие / Ю.П. Страшун. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 154 с.

ISBN 978-5-87623-910-5

Целью пособия является создание тезауруса в области технических 

средств автоматизации и управления, используемых в системах автоматизации 
и управления (САУ).

Данное учебное пособие подготовлено для обеспечения учебного процес
са по дисциплине «Технические средства автоматизации и управления», которая будет играть существенную роль в подготовке студентов по направлению 
220400.62(68) «Управление в технических системах».

Пособие может представлять определенный интерес для проектировщиков 

и системных интеграторов САУ и ПЛК.

УДК 681.5

ISBN 978-5-87623-910-5
 Ю.П. Страшун, 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие  ................................................................................................. 6
1. Краткий перечень вопросов, рассматриваемых в учебном пособии, 
и их актуальность ......................................................................................7

1.1. Влияние кардинального изменения парадигмы сферы 
промышленной автоматизации на назначение систем 
автоматизации и управления  .................................................................. 7
1.2. Определение термина САУ, предлагаемого в учебном пособии ......9
1.3. Существо понятия «Интернет вещей» (Internet of things) ............ 9
1.4. Расширение перечня однотипных технических 
и программных средств, используемых в САУ .................................. 10
1.5. Эволюция технических средств в САУ за последнее время ...... 10

2. Современное состояние разработок САУ  ........................................12

2.1. Применение однотипных и встраиваемых (embedded) 
средств вычислительной и коммуникационной техники 
(SoC, SiP, SoM, CoM и т.п.)  .................................................................. 12
2.2. Использование средств межсетевого обмена 
для комплексного решения проблем передачи данных 
не только в LAN, но и в связке LAN–MAN–WAN  ............................ 20
2.3. Развитие «облачных» технологий  ................................................ 26
2.4. Использование современных средств для реализации 
интерфейса машина-машина (М2М)  .................................................. 29
2.5. Адаптация стандарта ОРС под решение задач 
реального времени ................................................................................. 32

3. Анализ САУ с использованием 7-уровневой модели ВОС (OSI). 
Инфраструктура САУ .............................................................................36

3.1. Основные подходы к анализу САУ ............................................... 36
3.2. Составные части инфраструктуры САУ: информационная 
и сетевая инфраструктуры .................................................................... 37

4. Принципы построения информационной инфраструктуры САУ. 
Состав технических средств ..................................................................38

4.1. Средства сбора данных (data acquisition) ..................................... 38

4.1.1. Программируемые логические контроллеры (ПЛК) ........... 40

4.1.1.1. Компоненты SoC для построения ПЛК ......................... 52
4.1.1.2. Компоненты SoM в виде плат микроконтроллеров 
с каналами ввода/вывода (ПМК) для ПЛК ................................. 62
4.1.1.3. Специальное программное обеспечение CoDeSys 
для ПЛК .......................................................................................... 70

4.1.2. Станции удаленного и распределенного ввода/вывода 
(DCS, RTU) ......................................................................................... 73

4.2. Средства мониторинга .................................................................... 78

4.2.1. Технические средства проводного мониторинга (ПМ)  ...... 78
4.2.2. Технические средства беспроводного мониторинга  .......... 80

4.3. Средства обработки, хранения и представления 
информации оператору HMI/SCADA. Стандартные 
протоколы передачи данных ................................................................. 81
4.4. Программно-технические средства MES/EPR в САУ ................ 91
4.5. Программируемые контроллеры автоматизации (ПАК) ............ 95
4.6. Интеллектуальные датчики для систем сбора данных 
и мониторинга ...................................................................................... 104

4.6.1. Специфика объединения датчиков и узлов АЦП 
на одном чипе ................................................................................... 106
4.6.2. Специфические особенности SoC-сенсоров ...................... 107

5. Общая характеристика и принципы построения сетевой 
инфраструктуры САУ ...........................................................................108

5.1. Причины расширения и углубления использования Industrial 
Ethernet (IE) в промышленности ........................................................ 108
5.2. Конструктивные особенности устройств IE ...............................110

5.2.1. Пассивные технические средства  ........................................112

5.2.1.1. Кабели ...............................................................................112
5.2.1.2. Разъемы (коннекторы) и клеммы ...................................113
5.2.1.3. Промышленные розетки .................................................113

5.2.2. Конструктивные особенности активных компонентов IE .....114

5.2.2.1. Коммутаторы ....................................................................114
5.2.2.2. Концентраторы.................................................................115
5.2.2.3. Комбинированные устройства .......................................115

5.2.3. Пример системного конструктивного решения ..................115

5.3. Увеличение числа решаемых задач реального времени (РВ) 
при применении IE ................................................................................115
5.4. Промышленные беспроводные решения ................................... 121

5.4.1. Промышленные точки доступа и маршрутизаторы. 
Поддержка VPN ............................................................................... 123
5.4.2. Технологии, применяемые в САУ в промышленных 
беспроводных сетях ......................................................................... 123

5.5. Структурированная кабельная система (СКС) .......................... 124
5.6. Средства сбора данных и мониторинга с использованием 
сетевых технологий на уровнях функциональности LF1 и LF2. 
Сетевые связи для присоединения к уровню LF3 ............................ 129

5.7. Одноуровневые host-computer (HC) системы в САУ ................ 133
5.8. Технические средства для высокоскоростного 
резервирования в кольцевых структурах на базе сети 
Industrial Ethernet .................................................................................. 135
5.9. Характеристика устройств с использованием технологии 
HSR/PRP ................................................................................................ 137
5.10. Промышленные коммуникационные компьютеры с аппаратнопрограммными средствами поддержки сетевого трафика 
на уровне OSI L3 .................................................................................. 140

5.10.1. ПКК на основе RISC-архитектуры .................................... 141

5.10.1.1. Специфика применения промышленных 
роутеров (маршрутизаторов) ...................................................... 141
5.10.1.2. Специфика применения ПКК 
с RISC-архитектурой ................................................................... 142

5.10.2. Интеграция СДУП и СУП  ................................................. 142

5.11. Анализ технических решений 
в многоуровневых распределенных САУ  ......................................... 144

6. Перспективные направления развития САУ ..................................146

6.1. Направления и тенденции развития ............................................ 146
6.2. Развитие сетевых платформ 
Industrial Ethernet (IE) и Industrial Network (IN) ............................... 147
6.3. Перспективные серверные решения и системы хранения 
данных в САУ с использованием сетевых технологий .................... 147
6.4. Конвергенция «облачных» 
и мобильных технологий при организации сетевого 
обмена информацией ........................................................................... 149

Библиографический список .................................................................... 151

Предисловие

Ключевая концепция учебного пособия – анализ современного со
стояния разработок САУ и их инфраструктур (информационной и сетевой) с позиций применяемых в них технических средств.

Пособие содержит шесть разделов и библиографический список. 

В  первом разделе обсуждается перечень вопросов, рассматриваемых 
в учебном пособии, и их актуальность. Дается определение термина 
САУ. Анализируются существо понятия «Интернет вещей» и эволюция технических средств в САУ за последнее время.

Во втором разделе оценивается современное состояние разрабо
ток САУ с позиций применения встраиваемых технических средств, 
средств межсетевого обмена, развития «облачных технологий», реализации интерфейса «машина-машина» и адаптации стандарта 
ОС под решение задач реального времени.

В третьем разделе анализируются инфраструктуры САУ на основе 

7-уровневой модели ВOС.

В четвертом разделе рассматриваются принципы построения ин
формационной инфраструктуры САУ.

Пятый раздел посвящен общей характеристике и принципам по
строения сетевой инфраструктуры САУ.

В шестом разделе анализируются перспективные направления раз
вития САУ (актуальные серверные решения и др.). 

Автор пособия будет благодарен за замечания, способствующие 

его улучшению.

1. КРАТКИЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ, 
РАССМАТРИВАЕМЫХ В УЧЕБНОМ 
ПОСОБИИ, И ИХ АКТУАЛЬНОСТЬ

1.1. Влияние кардинального изменения 

парадигмы сферы промышленной автоматизации 

на назначение систем автоматизации 

и управления

За последнее время кардинально изменилась парадигма сферы 

промышленной автоматизации [1–4]. Произошел переход от представления «технологический процесс – система управления» к укрупненному – «производственная система – супервизор» [5].

Производственная система помимо технологического процесса 

(ТП) включает: производственные и непроизводственные помещения; 
оборудование; средства мониторинга (проводного и беспроводного) 
потребляемых ресурсов и вырабатываемых продуктов.

Системы автоматизации и управления (САУ) характеризуются на
личием инфраструктур на базе информационных и сетевых технологий, однотипных аппаратно-программных средств, в том числе встраиваемых, с возможностью манипулирования цифровыми данными, 
включая видеоизображение, голос и средства «Интернета вещей».

Кроме этого, акцент делается на технических средствах монито
ринга с выдачей его результатов оператору и руководству корпорации 
(национального или транснационального уровня).

При анализе САУ целесообразно выделить три уровня функцио
нальности супервизоров [1].

Супервизор локальный – СЛ, супервизор диспетчеризации 

и управления производством – СДУП и супервизор управления предприятием – СУП.

При этом для взаимодействия упомянутых супервизоров целесо
образно использовать механизм ОРС [6].

Построение СЛ на основе ЛПС Industrial Ethernet при обеспечении в ней 

широкополосности и детерминизма позволяет обеспечить следующее:

1) дополнить методы доступа «мастер–раб» и «плавающий ма
стер», не позволяющие достичь равноправности коммуникирующих 
терминалов в сети, методами доступа «клиент–сервер», обеспечивающими эту возможность;

2) исключить необходимость одновременного использования се
тевых структур «точка к точке» и «многоточка», затрудняющих программирование СЛ при совместном решении задач мониторинга 
и управления, т.е. перейти к «плоской» архитектуре.

Таким образом, при систематизации существующих технических 

средств (модулей) автоматизации и управления целесообразно учитывать 
многоуровневый подход, принятый в [7] и сводящийся к следующему.

После представления исходной задачи в виде множества модулей 

эти модули группируют и упорядочивают по уровням, образующим 
иерархию. В соответствии с принципом иерархии для каждого промежуточного уровня можно указать непосредственно примыкающие 
к нему соседние вышележащий и нижележащий уровни.

Каждый вышестоящий уровень использует нижестоящий в каче
стве удобного инструмента для решения своих задач. Так, группа модулей, находящихся на верхнем уровне иерархии, может обращаться 
с запросами на выполнение тех или иных функций только к модулям 
непосредственно прилегающего нижнего уровня 2, а модули уровня 
2 в свою очередь могут обращаться за услугами к модулям уровня 3. 
В то же время результаты работы каждого из модулей, отнесенных к 
некоторому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего вышележащего уровня. Такая иерархическая декомпозиция задачи 
предполагает четкое определение функций и интерфейсов не только 
отдельных модулей, но и каждого уровня.

В отличие от рассмотренного выше подхода, принятого при по
строении компьютерных сетей, в САУ, в общем случае создаваемой 
на основе сетей ЛПС1, ЛПДС2 и ЛАТС3 [8], не работает принцип: 
«результаты работы каждого из модулей, отнесенных к некоторому 
уровню, могут быть переданы только модулем соседнего вышележащего уровня». Существо этого замечания состоит в том, что данные 
с выхода ЛПС могут быть переданы не только на вход ЛАТС (стратегический уровень иерархии САУ), но также и ЛПДС (тактический 
уровень иерархии САУ).

Важным достоинством СЛ является возможность обеспечения 

коммуникации между «полевыми» устройствами (FD), что позволяет 
решать задачи двух-, трехпозиционного регулирования, автоматического регулирования и современных задач «advanced control».

1  ЛПС – локальная промышленная сеть.

2  ЛПДС – локальная производственно-диспетчерская сеть.

3  ЛАТС – локальная административно-техническая сеть.

1.2. Определение термина САУ, 

предлагаемого в учебном пособии

Можно дать определение САУ как системы, осуществляющей:
1) комплексное решение задач локального и супервизорного управ
ления технологическим процессом производства и функционированием производственного оборудования, а также задач обеспечения 
требуемого количества и качества продукции, рентабельности производства, связи с руководством компании (корпорации) и функционирования в качестве бизнес-системы с единым центром управления;

2) мониторинг (непрерывный и спорадический) с целью успешно
го решения задач по п. 1:

а) вспомогательного производства и оборудования;
б) состояния производственных и непроизводственных (склады, 

помещения административно-технического персонала) помещений 
и  территории предприятия в целом;

в) наличия требуемых ресурсов производства на складах, готовой 

продукции на них;

г) уровня потребления таких ресурсов, как электричество, вода, 

тепло и т.д.

В настоящее время продолжается доработка и адаптация стандар
та ОРС под задачи реального времени [9]: ведущие мировые производители систем управления предприятием/корпорацией создают 
и успешно используют собственные ОРС-серверы.

В ряде случаев возможно обойтись и без классической SCADA
системы за счет специального ПО, эмулирующего операторскую панель на компьютере и сохраняющего журнал событий на сервере БД. 
Преимуществом этого подхода является более высокая надежность 
и уменьшение времени развертывания за счет отсутствия необходимости стыковать между собой аппаратные и программные средства 
нескольких производителей.

1.3. Существо понятия 

«Интернет вещей» (Internet of things)

Естественным развитием сетевых технологий для автоматизации 

и  управления является не только обеспечение выхода в Интернет людей (диспетчеров, операторов и т.п.), но и подключения к нему аппаратно-программных средств, т.е. использования его в качестве среды 
передачи по сетевым интерфейсам. Таким образом, Интернет для людей превращается в «Интернет вещей» (Internet of things).

1.4. Расширение перечня однотипных 
технических и программных средств, 

используемых в САУ

К перечню основных однотипных технических и программных 

средств, данному в [5, 8], следует добавить:

1) встраиваемые средства вычислительной и коммуникацион
ной техники («системы на чипе» (SoC), «системы в одном корпусе» 
(SiP-package), «системы на модуле» (SoM), «компьютеры на модуле» 
(CoM) и т.д.);

2) средства межсетевого обмена (коммуникационные серверы, 

серверы доступа и т.д.) для комплексного решения проблем передачи 
данных не только в LAN, но и в связке LAN–MAN–WAN;

3) современные средства для реализации интерфейса «машина-ма
шина» (machine to machine – М2М) и выхода в «Интернет вещей».

1.5. Эволюция технических средств 

в САУ за последнее время

В результате эволюции сетевых технологий для САУ в последнее 

время большое распространение получили:

– «облачные»1 вычисления;
– архитектура клиент-облако;
– объединение «облачных» и мобильных технологий;
– конвергенция услуг телефонии и передачи данных.
Настоящее учебное пособие подготовлено для обеспечения учеб
ного процесса по дисциплине «Технические средства автоматизации 
и управления», которая будет играть существенную роль в подготовке 
студентов по направлению 220400.62 «Управление в технических системах». Пособие может представить определенный интерес для проектировщиков и системных интеграторов САУ и ПЛК.

При написании учебного пособия были использованы информаци
онные материалы ряда отечественных и зарубежных компаний:

отечественные:

Цифровые решения;
Текон;
Фаствел;

1  Термин «облако» используется как метафора, основанная на изображении Ин
тернета на диаграмме компьютерной сети.

Овен;
ПАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука»;
МЗТА;
IRSAI;
ПЛК системы;
Evika;
RTSoft; 
НПФ «КРУГ» и др.

зарубежные:

Intel (США);
Texas Instruments (США);
RuggedCom (Канада);
Siemens (Германия);
NexCom (Тайвань);
Schneider Electric (Modicon) (США);
Mitsubishi Electric (Япония);
ISP/DAS (Тайвань);
Analog Devices (США);
Citect (Австралия);
National Instruments (США);
Harting (Германия);
Hirschmann (Германия) и др. 

2. СОВРЕМЕННОЕ 

СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК САУ 

2.1. Применение однотипных и встраиваемых 

(embedded) средств вычислительной 

и коммуникационной техники 

(SoC, SiP, SoM, CoM и т.п.) 

Развитие микроэлектронной элементной базы в направлении суще
ственного повышения степени интеграции позволило размещать в рамках модуля (на одной печатной плате) функционально законченный компонент инфраструктуры (информационной и сетевой) САУ, отвечающий 
требованиям встраиваемости (embedded), однородности используемых 
технических средств и универсальности проектных решений. Такой 
компонент на одной или в ряде случаев на нескольких печатных платах 
получил название «системы на модуле» (system on a module – SoM).

Ранее считалось, что «встраиваемая» система (модуль) – это ми
крокомпьютер специального назначения с учетом ряда ограничений 
по производительности и т.п. внутри электронного устройства, работой которого он управляет.

В последнее время под «встраиваемым» модулем понимается соче
тание аппаратных и программных компонентов, элементов конструкции с четко определенными техническими характеристиками, выполняющими вычислительные, сетевые или интерфейсные функции, 
применяемыми в виде готовых изделий при проектировании САУ.

Некоторые встраиваемые системы включают операционную систе
му, но многие так специализированы, что полная логика управления 
может быть выполнена в виде одной программы.

Термин «встраиваемая» система (embedded system) впервые прак
тически использован применительно к средствам вычислительной 
техники компанией Intel в 1979 г. В настоящее время в архитектурных 
решениях компании применяется трехуровневая иерархия технических средств: на верхнем (развитие процессоров серии 8086), на среднем – экосистема1 и на нижнем (ARMы компании Intel).

1 Экосистема Intel – динамическая экосистема организаций, которые ускоряют 

развитие «Интернета вещей – I0Т» в различных отраслях и областях применения 
по всему миру.

Создание SoM нацелено не только на улучшение технических возмож
ностей САУ, но и на повышение эффективности их разработки в целом. 

Многофункциональные модули (System on Module, SoM) не
смотря на тип интерфейса, на который они выходят, представляют 
из себя компактные печатные платы с установленным процессором, 
оперативной и постоянной памятью, часами реального времени, контроллерами и другими микросхемами и компонентами, связанными 
процессорной шиной и обеспечивающими стандартный функционал 
ввода/вывода. 

Применение в разработках подхода с использованием многофунк
циональных модулей, взятых «из коробки», обеспечивает лучшие 
инженерные достижения, простоту применения, сокращение сроков 
этапа проектирования и дополнительную гибкость по сравнению 
с использованием одноплатных компьютеров и собственных схемотехнических решений.

В отличие от одноплатных компьютеров (Single Board Computer, 

SBC), которые включают в себя набор стандартных разъёмов (в том 
числе нестандартные периферийные разъёмы и т.п.), рассматриваемые модули требуют для работы подходящую разработанную или отдельно приобретенную плату-носитель (baseboard) в целях создания 
целостной законченной системы.

Разработка относительно простой со схемотехнической точки зре
ния платы-носителя для многофункционального модуля под конкретный проект обеспечивает высокую проектную гибкость.

Модули, как правило, устанавливаются на несущую плату через 

стандартный разъем типа SO-DIMM. Разработчику несущей платы доступны все ресурсы, интерфейсы и функции, предоставляемые процессором и периферией модуля. За счет pin2pin-совместимости модулей 
переход на другой модуль не требует переработки конечного изделия.

Многофункциональные модули большей частью основаны на ком
понентах ведущих зарубежных компаний, таких как Texas Instruments, 
Marvell, Freescale и т.д., а также отечественных компаний.

В частности, модуль SoM на современном высокопроизводитель
ном двухъядерном процессоре ARM+DSP, дополненный графическим 
акселлератором и коммуникационными интерфейсами, является эффективным решением для приложений, требующих мультимедийных 
возможностей и обработки сигналов в реальном времени.

Специально для упомянутого модуля была разработана мате
ринская плата, которая позволяет вывести интерфейсы модуля SoM