Аппаратное и программное обеспечение управления технологическими процессами. Разделы : автоматизированные системы управления предприятием. Применение сетей во взрывоопасных зонах. Аппаратные и программные средства программируемых контроллеров

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

№ 2490

Кафедра электротехники и информационно-измерительных систем

М.В. Хиврин

Аппаратное и программное 
обеспечение управления 
технологическими процессами

Разделы: Автоматизированные системы управления предприятием. 
Применение сетей во взрывоопасных зонах. Аппаратные 
и программные средства программируемых контроллеров

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета

Москва  2015

УДК 621.3
 
Х42

Р е ц е н з е н т

канд. техн. наук, доц. каф. информационных технологий МАИ А.Н. Максимов

Хиврин М.В.

Х42  
Аппаратное и программное обеспечение управления тех
нологическими процессами : учебно-методическое пособие / 
М.В. Хиврин. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 95 с.

Содержит краткое описание основных разделов дисциплины «Аппаратное 

и программное обеспечение управления технологическими процессами», изучение которых может представлять трудность для студентов. Описание языков 
программирования контроллеров сопровождается примерами. В учебно-методическом пособии представлены учебная программа дисциплины, организация учебного процесса, вопросы контрольных работ.

Предназначено для студентов направления 230400 «Информационные си
стемы и технологии» по профилю «Информационные системы и технологии 
управления технологическими процессами (промышленность)».

УДК 621.3




М.В. Хиврин, 2015
НИТУ «МИСиС», 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Организация учебного процесса по дисциплине ...............................4
2. Структура и содержание дисциплины ................................................5
3. Лабораторный практикум ...................................................................10
4. Тематика практических занятий (семинаров) .................................. 11
5. Вопросы для контрольных работ.......................................................12
6. Образовательные технологии ............................................................21
7. Самостоятельная работа студентов ...................................................22
8. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости 
и промежуточной аттестации  ................................................................23
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение 
дисциплины .............................................................................................24
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины ...................26
Приложения
1. Автоматизированные системы управления предприятием 
с использованием аппаратных и программных средств цифровых 
промышленных сетей (ЦПС) .................................................................... 27
2. Применение ЦПС во взрывоопасных зонах........................................ 38
3. Программируемые логические контроллеры (ПЛК) ......................... 42
4. Языки программирования ПЛК ............................................................ 59
5. Программирование контроллеров ........................................................ 81

1. ОРГАНИЗАЦИЯ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА 

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Дисциплина «Аппаратное и программное обеспечение управления 

технологическими процессами» является обязательной дисциплиной 
вариативной части профессионального цикла дисциплин. 

Распределение учебной работы студентов по видам занятий и са
мостоятельной работы в утвержденном учебном плане по дисциплине «Аппаратное и программное обеспечение управления технологическими процессами» приведено в табл. 1.

Таблица1

Модули дисциплины

Трудоемкость, ч 
(зач.ед.)

Лекции, ч

Практические, ч

Лабораторные, 

ч

Самостоятельная 
работа, ч

Количество контр. 

работ

Контроль

Основы автоматизации. Классификация, 
назначение, основные 
характеристики 
типовых технических 
средств автоматизации

56
(1,5)
20
10
26
1
 –

Программируемые 
логические контроллеры (ПЛК)

36
(1)
14
7
15
1
Зачет

Программирование 
ПЛК. Инструменты 
программирования 
ПЛК. Компоненты 
организации программ (POU). Типы 
данных. Языки программирования стандарта IEC-61131.3

83
(2,4)
34
17
32
2
Экзамен

Промышленные сети 
(М4)
22(0,6)
16
6
1
 – 

Организация компьютерной обработки 
данных для управления технической 
системой. Автоматизированная система 
управления производственной деятельностью в режиме 
реального времени 
(MES-система)

19

(0,53)
8
12
3
1
Зачет

2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ 

ДИСЦИПЛИНЫ

Часть 1 (6-й семестр)

Основы автоматизации. Классификация, назначение, 

основные характеристики типовых технических 

средств автоматизации (М1): 

студент должен знать:
– основные понятия автоматики;
– состав систем автоматики;
– основы телеуправления и телеизмерения в АСУ ТП;
– основы построения АСУ;
– принципы построения систем АСУ ТП;
– основы монтажа, эксплуатации и обслуживания элементов 
– АСУ ТП;
– современные технические средства технологических измерений 

и регулирования;

– цели и функции АСУ ТП;
– основы функционального проектирования АСУ ТП;
– основы монтажа, эксплуатации и обслуживания элементов АСУ ТП;
студент должен уметь:
– определять состав систем автоматики;
– использовать классификацию систем автоматического регулиро
вания;

– применять статические и динамические характеристики воздей
ствий в устройствах автоматики;

– применять современные технические средства технологических 

измерений и регулирования;

– составлять обзор и выбор отечественных и мировых производи
телей промышленных контроллеров.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) (М2):

студент должен знать:.
– назначение промышленных контроллеров;
– определение ПЛК;
– устройство ПЛК;
– режим реального времени и ограничения на применение ПЛК;
– рабочий цикл;

– время реакции;
– интеграция ПЛК в систему управления предприятием;
– основные категории промышленных контроллеров: программи
руемые логические контроллеры (ПЛК), ПЛК распределенных управляющих систем (distributed control systems – DCS) и контроллеры на 
основе персональных компьютеров (PC based);

– особенности применения ПЛК в АСУ ТП;
– эксплуатационные параметры микроконтроллеров;
студент должен уметь:
– сопоставлять, анализировать и осуществлять выбор в соответ
ствии с техническим заданием промышленных контроллеров отечественных и мировых производителей. 

Часть 2 (7-й семестр)

Программирование ПЛК. Инструменты 

программирования ПЛК. Компоненты организации 

программ (POU). Типы данных. Языки 

программирования стандарта IEC–61131.3 (М3):

студент должен знать:
– стандартный пакет STEP 7, используемые стандарты и функции 

стандартного пакета, приложения в STEP 7; 

– SIMATIC Manager и редактор символов; 
– конфигурирование аппаратуры и средства отладки; 
– средства управления проектом;
– компоненты организации программ (POU), формальные и акту
альные параметры, параметры и переменные компонента; 

– функции: вызов функции с перечислением значений параметров; 

присваивание значений параметрам функции; функции с переменным 
числом параметров; операторы и функции; 

– функциональные блоки: создание экземпляра функционального 

блока; доступ к переменным экземпляра; вызов экземпляра блока; 

– элементарные типы данных: целочисленные типы; логический 

тип; действительные типы; интервал времени; время суток и дата; 

– иерархию элементарных типов; 
– пользовательские типы данных: массивы, структуры, перечисле
ния, ограничение диапазона; 

– псевдонимы типов, переменные, идентификаторы; 
– распределение памяти переменных, преобразования типов, вен
герскую запись; 

– обзор языков программирования ПЛК, регламентируемых стан
дартом IEC–61131.3; 

– язык программирования ПЛК – Структурированный текст (ST): 

выражения, порядок вычисления выражений, пустое выражение, 
оператор выбора IF, оператор множественного выбора CASE, циклы 
WHILE и REPEAT, цикл FOR, прерывание итераций операторами 
EXIT и RETURN, итерации на базе рабочего цикла ПЛК; 

– язык программирования ПЛК – Линейные инструкции (IL): фор
мат инструкции, аккумулятор, переход на метку, скобки, модификаторы, операторы, вызов функциональных блоков и программ, вызов 
функции; 

– язык программирования ПЛК – Релейные диаграммы (LD): цепи, 

реле с самофиксацией, порядок выполнения и обратные связи, управление порядком выполнения, расширение возможностей LD;

– язык программирования ПЛК – Функциональные блоковые диа
граммы (FBD): отображение POU, соединительные линии, порядок 
выполнения FBD, инверсия логических сигналов, соединители и обратные связи, метки, переходы и возврат, выражения ST в FBD;

– язык программирования ПЛК – Последовательные функциональ
ные схемы (SFC);

– особенности каждого из языков программирования ПЛК;
– преимущества и недостатки каждого из языков;
– система программирования Ultralogik;
студент должен уметь:
– применять знание языков программирования при выборе кон
троллеров для АСУ ТП; 

студент должен владеть:
– навыками решения типовых задач АСУ ТП на каждом из языков 

программирования ПЛК. 

Часть 3 (8-й семестр)

Промышленные сети (М4):

студент должен знать:
– обзор сетевых технологий, применяемых в АСУ ТП; 
– краткое описание наиболее распространенных промышленных 

сетей Profibus, CAN, DeviceNet, CANopen и типовые области их применения; 

– сети с протоколами Modbus RTU, Modbus TCP;

– протокол Modbus в модели OSI; 
– взаимодействие протокола Modbus RTU с интерфейсом RS422/

RS485;

– описание сетевых протоколов Modbus RTU, Modbus TCP. Прото
кол Modbus TCP, как промышленный стандарт Ethernet;

– работа с протоколами Modbus на уровне программирования; 
– промышленные сети Profibus DP, FMS, FD;
– разновидности сети: Profibus DP (главный/подчиненный);
– Profibus
FMS (несколько главных устройств/одноранговые 

устройства), Profibus PA (безопасная шина); 

– спецификации сети Profibus, связь спецификации сети Profibus

со спецификациями интерфейса RS485 и европейской электрической 
спецификацией EN50170, топология сети Profibus; 

– общее описание сетевых протоколов Profibus; 
– описание протокола Profibus DP; 
– расширения спецификации сети Profibus (Profibus DP VI, V2 и т.д.)
– аппаратно-программное обеспечение технологии Profibus;
студент должен уметь: 
– осуществлять поиск, производить анализ и давать рекомендации 

по выбору технических средств и программного обеспечения для организации промышленной сети предприятия.

Организация компьютерной обработки 

данных для управления технической системой. 

Автоматизированная система управления 

производственной деятельностью в режиме реального 

времени (MES-система) (М5):

студент должен знать:
– введение в OPC (OLE for Process Control) и технологию Microsoft 

OLE (Object Linking and Embedding);

– понятие о технологии COM (Component Object Model);
– производные COM – ActiveX (OLE-Автоматизация) и OLE DB 

(OLE for Data Base);

– объекты модели COM и язык программирования C++;
– интерфейсы объектов COM – доступ к объектам, обмен данными;
– регистрация и обслуживание объектов COM, специальные би
блиотеки;

– COM-сервер и COM-клиент;

– программирование COM;
– реализация технологии OPC, OPC-сервер и OPC-клиент;
– МЕS-стандарты: Стандарт – АСОДУ (DPU); управление персо
налом, мониторинг персонала (LM), управление производственными 
процессами (PM); управление техобслуживанием и ремонтом (MM); 
сбор и хранение данных (DCA); управление документами (DOC);

– оперативное/детальное планирование (ODS) на предприятии; 

контроль состояния и распределение ресурсов (RAS); управление 
качеством продукции (QM); отслеживание истории продукта (PTG); 
анализ производительности (PA);

– применение технологии OPC на разных уровнях управления: 

нижний уровень – полевые шины и отдельные контроллеры; средний 
уровень – цеховые сети; уровень АСУ ТП; уровень работы систем 
типа SCADA; уровень АСУП – уровень приложений управления ресурсами предприятия;

студент должен уметь:
– пользоваться справочными данными для выбора промышленных 

компьютеров, серверов, контроллеров.

3. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Раздел
Наименование лабораторной работы

1

Контактные средства контроля температуры и их работа в составе 
действующей автоматической системы контроля и регулирования, 
реализованной на базе микроконтроллера ОВЕН ТРМ-151

1

Бесконтактные средства контроля температуры и их работа в составе 
действующей автоматической системы контроля, реализованной 
на базе измерителя – регулятора ОВЕН ТРМ-1 (на примере 
пирометра «ТЕХНО-АС» С-700.1)

1

Манометры, расходомеры, регулирующие клапаны и их работа 
в составе действующей автоматической системы контроля 
и регулирования давления и расхода в трубопроводе высокого давления

1

Исполнительные механизмы, усилители и их работа в составе 
действующей автоматической системы стабилизации технологического 
параметра на базе микроконтроллера МИНИТЕРМ 400

3

Создание проекта, создание узла, автопостроение базы каналов 
контроллера, редактирование каналов в инструментальной 
системе ТРЕЙС МОУД

3

Тиражирование узлов проекта, автопостроение базы каналов 
операторской станции для обмена с другими узлами проекта 
и внешними контроллерами в инструментальной системе ТРЕЙС МОУД

3
Разработка и отладка программ управления на Техно FBD 
и Техно IL в инструментальной системе ТРЕЙС МОУД

3
Разработка графической базы для операторской станции 
в инструментальной системе ТРЕЙС МОУД

3
Организация архивирования в инструментальной системе ТРЕЙС МОУД

3
Организация документирования в инструментальной системе 
ТРЕЙС МОУД.

3
Организация управления техпроцессом через Интернет в инструментальной системе ТРЕЙС МОУД

4. ТЕМАТИКА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ 

(СЕМИНАРОВ)

Раздел
Тема занятия

2
Программирование ПЛК с помощью структурированного текста (ST)

2
Программирование ПЛК с помощью языка линейных инструкций (IL)

2
Программирование ПЛК с помощью релейных диаграмм (LD)

2
Программирование ПЛК с помощью функциональных 
блоковых диаграмм (FBD)

2
Программирование ПЛК с помощью последовательных 
функциональных схем (SFC)