Проектирование систем автоматизации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2131 

Кафедра компьютерных информационных 
и управляющих систем автоматики 

Н.А. Захаров 
М.З. Салихов 
 

Проектирование систем 
автоматизации 

Курс лекций 

 
Под редакцией Заслуженного деятеля науки РФ,  
доктора технических наук, профессора З.Г. Салихова 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2011 

УДК 681.5 
 
З-38 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. Г.Г. Раннев (МГОУ) 

Захаров, Н.А. 
З-38  
Проектирование систем автоматизации : курс лекций / 
Н.А. Захаров, М.З. Салихов; под ред. З.Г. Салихова. – М. : 
Изд. Дом МИСиС, 2011. – 96 с. 
ISBN 978-5-87623-534-3 

Рассмотрена организация процесса проектирования в соответствии с действующими ГОСТами и требованиями законодательства. Описаны применение программируемых логических контроллеров, SCADA-систем, организация обработки накопленной в АСУТП информации. Разобраны вопросы организации взрывозащиты и заземления. Рассмотрена методология управления проектами и управления качеством. 
Курс лекций предназначен для студентов специальности 210200 при изучении дисциплины «Проектирование систем автоматизации», может быть 
полезен в качестве учебного пособия бакалаврам, магистрам и специалистам 
других специальностей. 
УДК 681.5 

ISBN 978-5-87623-534-3 
© Н.А. Захаров,  
М.З. Салихов 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Сокращения..................................................................................... 4 
1. Общие представления  о проектировании................................ 6 
1.1. Основные понятия ................................................................... 6 
1.2. Взаимодействие с Заказчиком.............................................. 10 
1.3. Подготовка технического задания ....................................... 14 
1.4. Конструкторская документация. ГОСТы............................ 18 
1.5. Управление качеством .......................................................... 23 
1.6. Управление проектом. Стандарт PMBOK........................... 35 
2. Понятие систем  реального времени....................................... 40 
3. Работа с данными...................................................................... 46 
3.1. SCADA-системы и построение АРМ оператора.................. 46 
3.2. Технологии Data Mining. OLAP ........................................... 51 
4. Построение системы управления............................................ 61 
4.1. Технологический объект управления .................................. 61 
4.2. Каналы ввода/вывода ............................................................ 62 
4.3. Подбор управляющего контроллера.................................... 63 
4.4. Построение резервированных систем.  
Особенности систем ПАЗ ............................................................ 65 
4.5. Взрывозащита ........................................................................ 71 
4.6. Заземление.............................................................................. 77 
4.7. Программирование контроллеров........................................ 86 
Библиографический список......................................................... 92 

СОКРАЩЕНИЯ 

АС – автоматизированная система 
АРМ – автоматизированное рабочее место 
АЦП – аналогово-цифровой преобразователь 
БД – база данных 
БЭМЗ – безопасный минимальный экспериментальный зазор 
ГОСТ – Государственный стандарт 
ЕСКД – Единая система конструкторской документации 
ЕСПД – Единая система программной документации  
ЖЦ – жизненный цикл 
ИСО – Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) 
МВТ – минимальный воспламеняющий ток 
МЭК – Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission, IEC) 
ОС – операционная система 
ОСРВ – операционная система реального времени 
ПАЗ – противоаварийная защита 
ПИД-регулятор – пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор 
ПЛК – программируемый логический контроллер 
ПО – программное обеспечение 
ПУЭ – Правила устройства электроустановок 
РКС – язык релейно-контактных схем, то же, что и LD 
СРВ – система реального времени 
СУ – система управления 
СУБД – система управления базами данных 
ТЗ – техническое задание 
ТКП – технико-коммерческое предложение 
ТОУ – технологический объект управления 
ТП – технологический процесс 
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь 

ANSI – American National Standards Institute – Американский национальный институт стандартов 
DART – Dynamic Arc Recognition and Termination – динамическое 
обнаружение и прерывание электрического разряда 
DIN – Deutsches Institut für Normung e.V. – Немецкий институт по 
стандартизации 
Е/Е/РЕ система – Электрическая/Электронная/Электронная программируемая система 
ERP – Enterprise Resource Planning – система планирования ресурсов предприятия 
FBD – Function Block Diagram – язык функциональных блоковых 
диаграмм 
FIFO – First In First Out – Первый Вошел Первый Вышел 
HOLAP – гибридный (hybrid) OLAP 
IL – Instruction List – список инструкций (язык программирования 
ПЛК) 
LD – Ladder Diagram – язык релейных диаграмм, то же, что и РКС 
MES – Manufacturing Execution System – система управления  
производством 
MOLAP – многомерный (multivariate) OLAP 
OLAP – Online Analytical Processing – аналитическая обработка в 
реальном времени 
OLE – Object Linking and Embedding – технология связывания и 
внедрения объектов в другие документы и объекты, разработанная 
корпорацией Microsoft 
OPC – OLE for Process Control – семейство программных технологий, обеспечивающих унифицированный интерфейс для управления 
объектами автоматизации и технологическими процессами 
PMBOK – Project Management Body of Knowledge – Свод знаний 
по управлению проектами 
PMI – Project Management Institute – Институт управления проектами 
ROLAP – реляционный (relational) OLAP 
SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition – система сбора, хранения, обработки и отображения данных 
SFC – Sequential Function Chart – язык последовательностных 
функциональных диаграмм 
SIL – Safety Integrity Level – уровень интегральной безопасности 
ST – Structured Text – структурированный текст (язык программирования ПЛК) 
TQM – Total Quality Management – тотальный менеджмент качества 
TÜV – Technisher Überwashungsvereign – Общество технического 
надзора (Германия) 

1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ  
О ПРОЕКТИРОВАНИИ 

1.1. Основные понятия 

Под проектом понимается временное предприятие, предназначенное для создания уникальных продуктов, услуг или результатов [1.1]. Термин «проект» происходит от латинского слова projectus, 
что в переводе означает «брошенный вперед». Проект имеет ограничения по ресурсам и срокам, а также характеризуется требованиями к 
качеству и допустимому уровню риска. 
Проект следует отличать от операционной деятельности. Операционная деятельность является постоянной, на выходе она дает одинаковые продукты, услуги, результаты. Основное отличие ее от проекта – рутинность, отсутствие уникальности. 
У всякого проекта есть заинтересованные лица (англ. Project 
Stakeholders), которые участвуют в проекте, являются его заказчиками или интересы которых с положительной или отрицательной стороны затрагиваются проектом.  
Под термином «жизненный цикл» (ЖЦ) понимается комплекс этапов развития и процессов как в живой природе, так и в технических 
системах и продуктах производства, начиная от моментов зарождения или осознания потребности их создания и заканчивая прекращением функционирования или применения и утилизацией. 
Жизненный цикл проекта в представлении методологии проектного бизнеса – это последовательность фаз проекта, задаваемая 
исходя из потребностей управления проектом. В стандарте PMBOK –
 2008 [1.1] выделено четыре фазы ЖЦ проекта – начало проекта, организация и подготовка, выполнение работ, завершение (рис. 1.1). 
Между этими фазами обычно не прослеживается четкого раздела. 
Стоимость работ и вовлечение персонала на начальном этапе относительно невелики, они выходят на максимальные значения в ходе 
выполнения работ, затем падают на этапе завершения проекта. 
Возможность влияния заинтересованных сторон на содержание и 
результат проекта максимальны в самом начале, по ходу выполнения 
проекта они снижаются. Аналогично с течением времени уменьшается степень неопределенности, снижаются риски. Возможность 
влияния и стоимость изменений в зависимости от времени показаны 
на рис. 1.2. Жизненный цикл проекта следует отличать от жизненного цикла продукта. 

Рис. 1.1. Жизненный цикл проекта 

 

Рис. 1.2. Динамика неопределенности и стоимости изменений  
в ходе выполнения проекта 

Под фазой проекта понимается ряд логически связанных операций проекта, обычно завершающихся достижением одного из основных результатов. Наиболее наглядным является представление проекта в виде последовательно выполняемых фаз, но в реальности фазы 
часто перекрываются. Пример однофазного, т.е. состоящего только 
из одной фазы, проекта приведен на рис. 1.3. 

Рис. 1.3. Пример однофазного проекта 

Декомпозиция проекта на фазы позволяет представить его в виде 
логически связанных подгрупп, что делает более удобным планирование и контроль. Единого общепринятого способа для определения 
идеальной структуры проекта не существует, количество фаз, их содержание, границы между ними определяются командой проекта. В 
пределах одной организации могут практиковаться правила, стандартизирующие ее проекты и определяющие их фазы. Как правило, работы конкретной фазы имеют свойства, отличающие ее от других фаз. 
Завершение фазы, особенно при последовательном их выполнении, является естественной точкой для переоценки принимаемых 
решений, внесения изменений в проект или отказа от него. Эти моменты называются выходами фаз, контрольными событиями, воротами фаз, воротами решений, воротами этапов, точками критического анализа или точками остановки. 
Проект осуществляется в условиях ограничений по срокам, ресурсам, качеству. Развернутая структура ограничений при проектировании приведена на рис. 1.4. 
Более простая и наглядная схема ограничений проекта, известная 
под названием «тройственная ограниченность», приведена на 
рис. 1.5. Указанный на ней четвертый параметр – качество – был добавлен на схеме позже. Проект ограничен по содержанию, срокам и 
стоимости. Изменение содержания проекта влечет изменение его 
стоимости, сокращение сроков сказывается на качестве и содержании. Существует альтернативное представление тройственной ограниченности – качество помещают в вершину треугольника вместо 
содержания и рассматривают связь качества, стоимости и сроков при 
неизменном содержании. 

Рис. 1.4. Ограничения при проектировании 

 

Рис. 1.5. Тройственная ограниченность 

Приведем ряд определений, касающихся систем и их свойств. 
Система – это совокупность (множество) объектов и процессов, 
называемых элементами, взаимосвязанных и взаимодействующих 
между собой, они образуют единое целое, обладающее свойствами, 
не присущими составляющим его элементам, взятым в отдельности. 
Важнейшим свойством систем является эмерджентность. 
Эмерджентность (англ. emergence – возникновение, появление 
нового) – наличие у системы особых свойств, не присущих ее подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми 

системообразующими связями; несводимость свойств системы к 
сумме свойств ее компонентов; синоним – «системный эффект». 
Система управления (СУ) – систематизированный набор средств 
влияния на подконтрольный объект для достижения определенных 
целей данным объектом. Объектом системы управления могут быть 
как технические объекты, так и люди. Объект системы управления 
может состоять из других объектов, которые могут иметь постоянную структуру взаимосвязей. 
Существует иное определение СУ. Система управления – совокупность объекта управления и управляющей системы, действие которой направлено на улучшение или поддержание работы объекта 
управления. 
Управляющая система – комплекс средств сбора, обработки, передачи информации и формирования управляющих сигналов или команд. 
Следует различать автоматические и автоматизированные системы. 
Автоматическая система управления – получение, преобразование и передача информации, формирование управления и его реализация происходит без участия человека.  
Автоматизированная система управления – получение, преобразование и передача информации, формирование управления и его 
реализация происходит частично с участием человека (оператора). 
Устойчивость – свойство системы возвращаться в исходное или 
близкое к нему установившееся состояние после прекращения действия возмущения, которое вывело ее из этого состояния. 
Надежность – свойство системы, обеспечивающее выполнение 
заданных функций, сохраняя во времени значения установленных 
эксплуатационных показателей в заданных пределах. 
Стабильность – свойство системы сохранять в неизменности 
свои характеристики в процессе эксплуатации. 
Показателями совершенства системы являются, наряду с приведенными выше, энергопотребление и массогабаритные характеристики. 

1.2. Взаимодействие с Заказчиком 

Взаимодействие с Заказчиком является необходимой частью работы над любым проектом, в том числе над проектом в области автоматизации. Оно начинается с установления первых контактов, охватывает определение требований к создаваемой системе, предкон

трактную подготовку, подготовку технического задания (ТЗ) и Договора на создание системы, проектирование и изготовление системы, 
пусконаладочные работы, опытную эксплуатацию, сдачу в промышленную эксплуатацию, выполнение гарантийных обязательств, постгарантийное обслуживание. Оно продолжается на последующих 
работах у данного Заказчика, а полученные от него позитивные отзывы помогают Исполнителю упрочить свои позиции на отраслевом 
рынке. 
Наиболее критично взаимодействие с Заказчиком на этапе предконтрактной подготовки и подготовки Исполнителем ТЗ и на этапе 
пусконаладочных работ. Ключевым элементом предконтрактной 
подготовки является определение задачи. Определение задачи включает в себя как чисто технические вопросы, так и формулирование 
юридических ограничений. 
Технические вопросы: 
• структурирование объекта управления, разделение его на технологические участки и установки; 
• динамика проходящих на объекте процессов; 
• требования по точности поддержания установившихся режимов и по осуществлению переходных процессов; 
• взаимное расположение технологических установок, расположение операторной; 
• перечень измеряемых параметров и управляющих воздействий; 
• реализация резервирования в системе управления; 
• необходимость выделенной системы противоаварийной защиты (ПАЗ) и требования по ее резервированию; 
• количество и расположение автоматизированных рабочих мест 
(АРМ) операторов; 
• требования по ведению архивов и генерации отчетов, интерфейс с верхним уровнем; 
• требования по искрозащите и взрывобезопасности; 
• наличие у Заказчика в эксплуатации оборудования определенных изготовителей и подготовленного для работы с ним персонала; 
• требования, предъявляемые к документации. 
Юридические ограничения: 
• требования по сертификации, предусмотренные федеральным 
законодательством; 
• требование Заказчика о наличии международных сертификатов 
(например, TÜV) на оборудование;