Технические средства автоматизации и управления

Москва

ИНФРА-М

2022

ТЕХНИЧЕСКИЕ

СРЕДСТВА 

АВТОМАТИЗАЦИИ

И УПРАВЛЕНИЯ

О.В. ШИШОВ

Рекомендовано

в качестве учебного пособия для студентов 

высших учебных заведений, обучающихся 
по техническим направлениям подготовки 

(квалификация (степень) «бакалавр»)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Шишов О.В. 

Технические средства автоматизации и управления : учебное 

пособие / О.В. Шишов. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 396 с. + 
Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: 
Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-010325-9 (print)
ISBN 978-5-16-102275-7 (online)

Освещаются современные технологии промышленной автоматизации — 

вопросы применения в системах АСУТП промышленных компьютеров 
и контроллеров, особенности разработки их программного обеспечения. 
Рассматриваются подходы к созданию распределенных систем управления, 
а также компоненты таких систем — программируемые логические контроллеры, 
промышленные цифровые сети, средства организации человеко-
машинного интерфейса, устройства связи с объектом и т.д. Определяются 
задачи различных уровней АСУ и средства для интеграции этих уровней — 
SCADA- и OPC-системы. 

Предназначено для студентов технических направлений высшего образования 
и специалистов в области автоматизации производства.

УДК 65.011(075.8)

ББК 32.965.7я73

УДК 65.011(075.8)
ББК 32.965.7я73
 
Ш55

Ш55

ISBN 978-5-16-010325-9 (print)
ISBN 978-5-16-102275-7 (online)
© Шишов О.В., 2012

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1.

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86.

Факс: (495) 280-36-29.

E-mail: books@infra-m.ru http://www.infra-m.ru

Оригинал-макет подготовлен в НИЦ ИНФРА-М

Подписано в печать 27.07.2022. 

Формат 6090/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Печать цифровая. Усл. печ. л. 24,75. Цена свободная. 

ППТ20. Заказ № 00000

ТК  163700-1948191-250811

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 

в электронно-библиотечной системе Znanium

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ВВЕДЕНИЕ 

 
С появлением в 70-х гг. прошлого столетия микропроцессорной 

элементной базы начался современный этап становления и развития 
систем управления технологическими объектами. Широкое применение 
микропроцессоров привело к фундаментальным сдвигам в 
области автоматизации, связи и приборостроении. Применение эле-
ментов вычислительной техники для организации измерений и обра-
ботки данных в различных технических системах позволяет добить-
ся таких качественных показателей, которых нельзя было достичь 
при применении аналоговой техники – долговременной метрологи-
ческой стабильности, многофункциональности, возможности взаи-
модействия большого количества разнопланового оборудования.  

При широком применении этой техники  динамика в мире авто-

матизации сегодня определена однозначно – это все возрастающая 
потребность в комплексных решениях. Доминирующей тенденцией 
развития современных микропроцессорных систем управления явля-
ется разработка проектов автоматизации для различных областей 
применения с использованием одинаковых базовых решений и стан-
дартных компонентов. Такие проекты автоматизации очевидно 
должны отличаться низкой стоимостью, простотой обслуживания, 
минимальными затратами на проектирование.  

В рамках главной тенденции легко выделяются  и основные пер-

спективные направления. Одним из них является не просто приме-
нение в качестве основного средства обработки данных микро-ЭВМ 
или микропроцессорного контроллера, а создание эффективных сис-
тем управления за счет объединения в сеть большого числа локаль-
ных «интеллектуальных» узлов. Причем особенностью таких систем 
сегодня является не просто рассредоточенное расположение аппара-
туры непосредственно в местах возникновения или использования 
данных, а оптимальное распределение всей совокупности задач об-
работки и управления между несколькими контроллерами и микро-
ЭВМ. Применение распределенных систем управления обеспечивает 
высокую гибкость и адаптивность, надежность и живучесть благода-
ря возможности реконфигурации системы, меньшие расходы на 
монтаж и эксплуатацию. 

Создавать современные системы управления без учета рассмот-

ренных тенденций и той элементной базы, которая создается с их 
учетом, просто невозможно. Однако сложность этой техники пред-
полагает и повышенные требования к грамотности ее проектирова-
ния. Неправильный выбор стратегии, технологии и средств автома-
тизации создает объективные предпосылки неэффективного произ-
водства на десятки лет. Данная книга ставит своей целью познакомить 
читателя с широким спектром технической базы современных 
объектов АСУТП.  

Глава 1.  
БАЗОВЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ 

 

1.1. ОБЩИЕ ПОДХОДЫ К РЕАЛИАЗЦИИ СРЕДСТВ ПРОМЫШЛЕННОЙ 
АВТОМАТИЗАЦИИ И ПРОБЛЕМЫ ИХ ВЫБОРА  

 
Появление в середине 70-х гг. прошлого столетия микропроцессоров 
позволило при построении систем управления технологическим 
оборудованием полностью использовать все достоинства цифровой 
техники. Кроме привычных достоинств «цифры» к ним прибавились 
те преимущества, которые вытекают из программной организации 
управления (гибкость, адаптация), и возможности программной 
реализации некоторых функций (фильтрация, ДПФ, алгоритмов 
подбора кодов в АЦП и т. п.), которые до этого выполнялись 
только аппаратно.  

С этого времени обозначилось два направления внедрения микропроцессорной 
техники  в АСУТП. В соответствии с одним направлением 
в системы управления промышленными объектами  все шире 
внедряются элементы вычислительной техники, которые изначально 
не предназначались для этих целей, например персональные компьютеры (
Personal Computer – PС). Первоначальное их назначение – 
осуществление вычислительных операций, работа в офисе. Важнейшую 
роль в организации работы такой техники играет развитая система 
человеко-машинного интерфейса. Адаптация этой техники к 
условиям производства привела к появлению класса промышленных 
компьютеров. 

Второе направление – это применение разработок, которые изначально 
создавались для управления именно промышленными объектами. 
В состав таких устройств прежде всего включались средства 
управления конкретным технологическим оборудованием – сначала 
обеспечивалось с заданным качеством и минимальными издержками 
выполнение заданного перечня задач управления – и лишь потом на 
втором этапе с минимальной  достаточностью решались вопросы 
включения средств решения сервисных задач, например, средств для 
«общения» с оператором. Такие устройства управления получили 
название контроллеров. 

Перед проектировщиком АСУТП сегодня постоянно ставится задача 
найти в этих двух направлениях оптимальное решение для каждого 
конкретного случая. Попробуем перед детальным рассмотрением 
подходов к реализации обоих направлений представить, какие 
трудности лежат в выборе между ними. Сделаем это для того, чтобы 
в дальнейшем каждый легче представлял, на что он должен обращать 
внимание в первую очередь, решая свои конкретные задачи в 
своих конкретных условиях. 

Наверное, первое из чего мы исходим, выбирая общие подходы к 

реализации любой технической системы, это привычность для нас 
аппаратных и программных  средств. Беспримерное проникновение 
персональных компьютеров во все сферы современной жизни привело 
и к тому, что мы начали встречать их на каждом шагу в производстве. 
Сегодня РС решают не только все задачи управления верхнего 
уровня иерархии, но и заняли прочное место в реализации некоторых 
подсистем управления производством (например, подсистемы 
визуализации и обслуживания). РС стремительно ворвались в сферу 
управления технологическими процессами. Стираются грани между 
офисным и промышленным компьютерным оборудованием и программным 
обеспечением. Подобные тенденции объясняются возросшей 
необходимостью снижения затратности производства, реализация 
же систем автоматизированного управления на базе при-
вычных персональных компьютеров (которые у Вас уже есть и кото-
рые мы знаем!) позволяет сэкономить немалые денежные средства.  

Потом мы начинаем думать об ограничениях, связанных с тем 

или иным общим подходом к реализации нашего проекта. Конечно, 
существуют такие критерии, как стоимость системы, возможность ее 
работы в реальном режиме времени, надежность, вычислительная 
мощность или сложность проведения инсталляционных работ и сер-
висного обслуживания.  

Персональный компьютер с привычными для нас аппаратными и 

программными средствами абсолютно не рассчитан на то, чтобы 
реагировать на какие-либо события в управляемом процессе в тече-
ние детерминированных (предопределенных) промежутков времени. 
При работе РС возможно, что операционная система или части поль-
зовательских приложений блокируют центральный процессор на 
достаточно продолжительные промежутки времени (так, например, 
обработка одного прерывания может исключить на некоторое время 
обработку других последующих прерываний). Такое поведение сис-
темы «смертельно» для технологических процессов, требующих 
строго определенного времени реакции. 

Гибко программируемые контроллеры, напротив, работают 

именно таким образом, что следующие друг за другом алгоритмиче-
ские шаги и процедуры исполняются за строго определенное время. 
Такая концепция позволяет легко оценить максимальное время реак-
ции системы управления.  

Конечно же, РС также можно сделать способным работать в ре-

альном масштабе времени. Выбор подходящей операционной систе-
мы и грамотное написание программного обеспечения позволят и 
при использовании персональных компьютеров достичь гарантиро-
ванного времени исполнения программного цикла и обработки пре-
рываний. Однако чем больше функций работы в реальном масштабе 
времени будет встроено в персональный компьютер, тем дальше это 

конкретное решение будет отстоять от общепринятых стандартов и 
таких связанных с ними качеств, как открытость и совместимость с 
другими системами.  

Примером операционной системы реального времени для РС яв-

ляется QNX. Можно использовать и более распространенные опера-
ционные системы. Так, например, Windows NT не является полно-
ценной операционной системой реального режима времени, но в оп-
ределенных случаях можно добиться вполне приемлемого времени 
реакции для некоторых задач технологического управления. Для 
обеспечения абсолютной предсказуемости времени реакции эта опе-
рационная система должна быть соответствующим образом расши-
рена. Подобные расширения всегда специфичны для определенных 
производителей, т. к. в настоящий момент на международном рынке 
не существует общепризнанных стандартов операционных систем 
(или расширений операционных систем) реального времени. Необ-
ходимость создания нестандартных расширений влечет за собой, как 
уже говорилось, потерю самого главного преимущества решений на 
базе РС – их открытости, решение становится зависимым от кон-
кретного производителя, осложняется последующий переход на но-
вую версию операционной системы. Однако в тех случаях, когда 
нарушение строгих временных рамок допустимо («мягкий» режим 
реального времени), применение открытых систем на базе персо-
нальных компьютеров не представляет никакой сложности. 

Возможность работы системы в реальном масштабе времени яв-

ляется не единственным фактором выбора между гибко программируемыми 
контроллерами и РС. Такие критерии, как возможность 
подключения системы к информационной сети, функции обработки 
данных и визуализации, а также качество графического интерфейса, 
играют почти такую же важную роль. Вообще говоря, в тех случаях, 
когда дополнительные функции начинают существенно превалировать 
над чистыми функциями управления и требуется использование 
всего спектра возможностей РС, предпочтительно применение программных 
решений на базе персональных компьютеров. 

Другим известным недостатком РС, при использовании их в системах 
управления, является медленный старт, поскольку при включении 
питания в них производится тестирование периферии процессорного 
модуля, инициализация и перекачка ядра операционной системы, 
пользовательской программы из ПЗУ в ОЗУ, и только затем 
система передает управление пользовательской программе. Типовое 
время старта системы – от десятков секунд до нескольких минут в 
зависимости от типа процессорного модуля и типа операционной 
системы. Такое же время необходимо в случае автоматического перезапуска 
компьютера с помощью сторожевого таймера (Watchdog 
timer) в случае сбоя программы, т. е. система зависает в ожидании 
рестарта. 

Можно продолжать сравнение двух базовых концепций создания 

систем промышленной автоматики. Дальше проведем его, выделив 
очевидные плюсы и минусы для использования РС, в известном 
смысле они будут соответственно минусами и плюсами использова-
ния контроллеров.  

Преимущества использования РС:  

• экономия средств в тех случаях, когда РС уже является частью 

оборудования;  

• открытость: программное и аппаратное обеспечение не зависят от 

конкретного производителя, обладают высокой производитель-
ностью и низкой ценой; 

• практически неограниченный объем ОЗУ;  
• возможность решения задач визуализации без необходимости 

затрат на дополнительное проектирование;  

• возможность использования функций, написанных на распро-

страненных языках высокого уровня (например, С).  
Недостатки использования РС: 

• реализация режима реального масштаба времени возможна толь-

ко путем расширения распространенных операционных систем 
или при применении специальных систем;  

• в семействах программируемых контроллеров имеется значи-

тельно большее разнообразие периферийных устройств различ-
ных классов  (устройств связи с объектом); 

• аппаратное обеспечение стандартных РС (не РС промышленного 

исполнения) намного уступает программируемым контроллерам, 
с точки зрения надежности. То же самое касается и системного 
программного обеспечения, т. к. оно значительно проще в про-
граммируемых контроллерах, чем в РС;  

• нет устройств памяти, буферизуемых батареей, таким образом, 

невозможна организация «перманентных» переменных;  

• невозможно распознавание ситуации перебоя электропитания.  

Необходимо отметить, что перечисленные недостатки становятся 

все более размытыми и менее выраженными. 

В конце концов, выбор между программируемым контроллером и 

РС зачастую зависит не только от технических характеристик обору-
дования или граничных условий решаемой задачи. Решающую роль 
здесь могут играть также личные предпочтения и опыт пользовате-
лей. 

Перед более детальным рассмотрением средств построения сис-

тем промышленной автоматизации необходимо выделить еще одну 
главнейшую и общую тенденцию их создания. Это типизация (уни-
фикация, стандартизация) как аппаратных, так и программных ре-
шений. Порой проектирование в этой области начинает напоминать 
детскую игру в кубики, когда мы все делаем из заранее подготовлен-

ных кем-то заготовок. Мы набираем как из кубиков то, что нам надо, 
даже соединяем эти кубики уже по ранее продуманным схемам. Это 
касается аппаратных и программных средств, аппаратных и про-
граммных интерфейсов. Чаще всего все это выпускается в виде эле-
ментов программно-технических комплексов. Дальнейшее рассмот-
рение средств автоматизации будет только доказывать существова-
ние этой тенденции и демонстрировать необходимость ее существо-
вания. 

 
 

1.2. ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ  

 
Первые энтузиасты применения персональных компьютеров в 

промышленности брали за основу материнские платы обычных 
офисных компьютеров и помещали их в специальные корпуса.  
С течением времени, однако, выработались вполне определенные 
характерные черты, которыми отличаются современные компьюте-
ры для промышленного использования. За таковыми закрепилось 
название «промышленные компьютеры». 

Такие компьютеры имеют повышенную надежность, предназна-

чены для круглосуточной работы в условиях сильных помех, запы-
ленности, больших перепадов температуры, вибрации и других не-
благоприятных факторов. К таким факторам также относят низкий 
уровень подготовки персонала, ведь человек, работающий, напри-
мер, на поточной линии, не готовился как специалист по вычисли-
тельной технике.  

Как правило, вместо стандартной материнской платы в промыш-

ленном компьютере применяется пассивная объединительная па-
нель, в один из слотов которой вставляется процессорная плата. Для 
обеспечения связи с различными датчиками, исполнительными уст-
ройствами и каналами коммуникации может потребоваться большое 
количество плат расширения, поэтому допустимое число таких плат 
в промышленных персональных компьютерах достигает 12–14 и 
больше, в отличие от максимального 6–8 в офисных моделях. Ино-
гда применяют секционированные панели, которые позволяют ком-
поновать несколько независимых компьютеров в одном корпусе.  

Применение пассивной панели существенно сокращает время ре-

монта, а соответственно и время простоя технологического оборудо-
вания. Замена любой платы, в том числе процессорной, не превыша-
ет 5–10 минут. Кто хотя бы один раз менял материнскую плату в 
стандартном персональном компьютере, согласится, что это хорошее 
время. 

Промышленные компьютеры имеют упрочненные металлические 

корпуса, как правило предназначенные для монтажа в стандартные 
стойки. Во многих системах применяются специальные средства для 

обеспечения повышенной виброустойчивости. Часто доступ к нако-
пителям (НГМД, CD ROM, flash-картам) закрыт специальной двер-
цей с замком для предохранения от загрязнений и несанкциониро-
ванного доступа.  

Обычно промышленные компьютеры снабжены источником пи-

тания большой мощности и имеют развитую систему воздушного 
охлаждения со сменными пылеулавливающими фильтрами и поло-
жительным внутренним давлением очищенного воздуха. Некоторые 
фирмы для особо ответственных приложений выпускают отказо-
устойчивые компьютеры с дублированием важнейших узлов и спо-
собностью их замены во время работы.  

Как известно, существует несколько направлений (платформ) 

развития современных персональных компьютеров, однако в облас-
ти создания промышленных компьютеров ведущим направлением 
является применение архитектуры IBM PC. Это определяется не-
сколькими причинами. 

Во-первых, IBM-совместимые компьютеры в настоящее время 

количественно лидируют на рынке персональных компьютеров, и 
сейчас есть практически в любой фирме на каждом столе. Наличие 
большого количества независимых поставщиков соответствующих 
аппаратных средств и специализированных микросхем, ожесточен-
ная конкуренция между ними ведут к постоянному снижению цен и 
повышению технико-экономических показателей. Как следствие, для 
разработки Вы имеете дешевую и хорошо знакомую платформу.  

Во-вторых, существует огромный задел программного обеспече-

ния, в том числе в области систем реального времени. 

И, в-третьих, существует большое количество высококвалифици-

рованных специалистов по архитектуре и программированию 
IBM PC. 

На нашем рынке производители промышленных компьютеров 

представлены достаточно большим числом фирм. Среди самых из-
вестных можно назвать такие, как Advantech, ICP, Intecolor, Texas 
Micro и др.  

В зависимости от сферы применения промышленные компьюте-

ры выпускаются в самом различном исполнении. Некоторые из них 
по внешнему виду отдаленно напоминают офисные компьютеры. 
Примером таковых могут являться промышленные компьютеры  
фирмы ICOS из серии ROBO. Однако от офисных компьютеров их 
отличает прочный стальной корпус, виброустойчивое крепление 
процессорной платы, плат расширения и накопителей, эффективная 
система вентиляции, защита от пыли, большое число слотов расши-
рения, наличие сторожевого таймера, возможность эксплуатации в 
широком температурном диапазоне от 0 до 60 0С. Конструктивно 
они могут встраиваться в  стойку  шкафов  с  электрооборудованием   
(рис. 1.1) или иметь щитовое исполнение (рис. 1.2). 

Рис. 1.1. Промышленный компьютер  фирмы ICOS из серии ROBO для 

встраивания в шкаф 

 

 

Рис. 1.2. Промышленный компьютер  фирмы ICOS из серии ROBO в 

щитовом исполнении