Автоматическое регулирование и оперативное управление на основе программно-технических комплексов

Московский государственный технический университет  
имени  Н.Э. Баумана 

 
В.А. Суханов 
 
 
 
 
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ 
И ОПЕРАТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ 
НА ОСНОВЕ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИХ  
КОМПЛЕКСОВ 
 
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве учебного пособия по курсам  
«Управление в технических системах»  
и «Управляющие ЭВМ и комплексы» 
 
 

 

 

 
 
М о с к в а 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 7 

УДК 62-52(075.8) 
ББК  32.965.7 
          С911 
 
 
Рецензенты: В.М. Недашковский, В.И. Попов 

 Суханов В.А. 
Автоматическое регулирование и оперативное управле-
ние на основе программно-технических комплексов: Учеб. 
пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. –  88 с.: 
ил. 
ISBN 978-5-7038-2957-8 

Рассмотрены вопросы проектирования и реализации автоматизирован-
ных систем управления на основе программно-технических комплексов, 
включающих программируемые промышленные контроллеры и инстру-
ментальные программные средства. Основное внимание уделено системам 
двух уровней: нижнего, обеспечивающего решение задач автоматического 
регулирования, и верхнего, обеспечивающего возможность оперативного 
управления.  
Учебное пособие ориентировано на студентов МГТУ им. Н.Э. Баума-
на, изучающих дисциплины «Управление в технических системах» и  
«Управляющие ЭВМ и комплексы». Однако оно будет полезным и более 
широкому кругу читателей, в том числе студентам  других вузов. Ознако-
мившись с содержанием пособия, они получат представление о возможно-
стях современных средств автоматизации и создании интегрированных 
систем управления в различных отраслях промышленности. 
 
Ил. 14. Табл. 2. Библиогр. 6 назв. 
 
                                                                                                 УДК 62-52(075.8) 
                                                                                                       ББК 32.965.7 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-2957-8                                            © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 

С911 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АРМ 
АСУ 
АЦП 
ДЧ 
ИМ 
ИПС 
ЛВС 
ЛС 
МРВ 
МЭК 
ОС 
ОСРВ 
ОУ 
ПК 
ПО 
ПРК 
ПТК 
САР 
САУ 
УВК 
УСО 
ФБ 
ТО 
ТП 
ЦАП 

– автоматизированное рабочее место 
– автоматизированная система управления 
– аналого-цифровой преобразователь 
– датчик 
– исполнительный механизм 
– инструментальная программная система 
– локальная вычислительная сеть 
– локальная система  
– монитор реального времени 
– Международная электротехническая комиссия (IEC) 
  – операционная система 
– операционная система реального времени 
– объект управления 
– персональный компьютер 
– программное обеспечение 
– программируемый контроллер 
– программно-технический комплекс 
– система автоматического регулирования 
– система автоматического управления 
– управляющий вычислительный комплекс 
– устройство сопряжения с объектом 
– функциональный блок 
– технический объект 
– технологический процесс 
– цифроаналоговый преобразователь 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Современная концепция построения средств автоматизации за-
ключается в создании интегрированных систем управления [1–4]. 
Это обусловлено тем, что во многих случаях средства управления 
и обработки информации представляют собой сложные много-
уровневые, разнесенные в пространстве (распределенные) систе-
мы. Достаточно часто в процессах принятия решений и оператив-
ном управлении участвует человек: оператор, диспетчер, руково-
дитель того или иного уровня. Далее мы будем использовать 
обобщенный термин «лицо, принимающее решение – ЛПР».  
В пособии рассмотрены вопросы разработки средств сквозного 
проектирования и реализации автоматизированных систем управ-
ления (АСУ), обеспечивающих как решение задач автоматическо-
го регулирования (нижний уровень системы), так и возможность 
активного участия людей в процессе оперативного управления 
(верхние уровни системы).  
В системах подобного типа все большее значение приобретает 
возможность оперативного доступа к достоверной информации из 
любой точки управления объектами, поэтому важными являются 
вопросы организации сетевой структуры систем. Это определяю-
щим образом влияет на эффективность работы системы, к приме-
ру, в промышленных системах повышаются производительность 
труда, качество и конкурентоспособность выпускаемой продукции 
и др. 
Основное внимание уделено программно-техническим ком-
плексам (ПТК), включающим программируемые промышленные 
контроллеры и инструментальные средства, обеспечивающие раз-
работку, отладку и реализацию в реальном масштабе времени про-
граммного обеспечения для АСУ всех уровней.  
Задачи управления, которые решаются на нижних уровнях сис-
темы, позволяют повысить реактивность системы и уменьшить 
информационную нагрузку вычислительной сети. На верхнем 
уровне решаются задачи, для выполнения которых вычислитель-
ные средства нижних уровней не приспособлены, например ото-

бражение текущего состояния автоматизируемого производства и 
оперативное (диспетчерское) управление. 
Для ПТК характерны модульный принцип построения систем, 
распределенное управление и обработка информации, свободное 
программирование (непрофессиональными программистами) ал-
горитмов, использование современных электронных компонентов 
и информационных технологий, таких как структурированный 
подход к построению систем; сетевые архитектуры систем на ос-
нове локальных вычислительных и промышленных сетей; интер-
нет-технологии; SMS-сообщения; сотовая связь и др. В большин-
стве ПТК используются операционные системы (ОС) реального 
времени, осуществляется выполнение требований международного 
стандарта как к аппаратным, так и к программным средствам, что 
позволяет применять программно-аппаратное обеспечение раз-
личных фирм. 
В основе учебного пособия лежит материал лекций, читаемых 
автором по курсам «Управление в технических системах», 
«Управляющие ЭВМ и комплексы», а также лекций по курсу 
«Управление в технических системах на основе программно-
технических комплексов» для преподавателей на факультете по-
вышения квалификации МГТУ им. Н.Э. Баумана.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ 

Для развития и использования новых технологий в области ав-
томатизации производственных процессов требуется соответст-
вующее оснащение и своевременная модификация аппаратно-
программных средств как на промышленных предприятиях, так и 
в учебных классах и лабораториях вузов. В настоящее время к та-
ким средствам относят ПТК.  
Рассмотрим состав и назначение компонентов ПТК (рис. 1.1). 
Как в аппаратном, так и в программном обеспечении ПТК струк-
турно можно выделить следующие компоненты. 
Целевая система – это система, которая разрабатывается (да-
лее будет предполагаться, что это автоматизированная система 
управления – АСУ). Ее аппаратную часть составляют программи-
руемые промышленные контроллеры и промышленные компьюте-
ры (как правило, они объединяются в локальную промышленную 
сеть), на основе которых разрабатывается нижний уровень АСУ.  
В контроллеры загружается соответствующее системное про-
граммное обеспечение (ПО), с помощью которого выполняются 
прикладные программы, обеспечивающие непосредственное авто-
матическое регулирование, контроль, диагностику и выполнение 
других функций. При этом для непосредственной связи програм-
мы с аппаратурой используются специальные программы – драй-
веры. 
Инструментальная система – это интегрированная среда  
разработки ПО нижнего уровня АСУ (для контроллеров). Ее аппа-
ратную часть составляют компьютеры, которые называют инстру-
ментальными. Они оснащаются соответствующим ПО: интегриро-
ванной программной системой разработки прикладных программ, 
загружаемых в контроллеры; программой-отладчиком; програм-
мой, имитирующей (эмулирующей) функции исполнительной сис-
темы, и др. 
При разработке прикладных программ в основном использу-
ются языки программирования, удовлетворяющие требованиям 
международного стандарта IEC/МЭК 61131-3.  

Рис. 1.1. Архитектура программно-технического комплекса 

Система оперативного управления – это система разработки, 
отладки и запуска в реальном времени программного обеспечения 
верхних уровней АСУ. Она включает в себя интегрированную 
среду разработки и систему исполнения. Система исполнения и 
драйверы, которыми оснащаются рабочие станции и автоматизи-
рованные рабочие места (АРМ), обеспечивают взаимодействие 
ЛПР с целевой системой.  
В качестве программных средств на практике часто использу-
ют SCADA-системы – системы сбора данных и оперативного 
(диспетчерского) управления, позволяющие разрабатывать и реа-
лизовывать алгоритмы оперативного управления, а также имити-
ровать (эмулировать) объекты и пульты управления. Они обеспе-
чивают также разработку интерфейса «человек–машина», что по-
зволяет организовать более эффективное оперативное управление. 
Ее аппаратную основу составляют инструментальный компьютер 
и компьютеры, выполняющие функции системы исполнения. 
Таким образом, аппаратную часть ПТК составляют: 
1) программируемые промышленные контроллеры (ПРК), воз-
можно, различных типов, в которые загружается соответствующее 
системное и прикладное ПО: операционная система;  программы, 
осуществляющие связь с инструментальным компьютером (при 
загрузке задач (программ) и просмотре результатов); программы, 
реализующие пользовательские функции и функциональные блоки, 
и др. 
2) компьютеры, выполняющие различные функции: а) инструментальной 
системы для разработки и отладки прикладного ПО 
для контроллеров; б) инструментальной системы для разработки 
ПО верхнего уровня; в) исполнительной системы, обеспечивающей 
возможности оперативного управления (взаимодействие с 
ЛПР различного уровня) в рамках рабочих станций, архивных 
станций, автоматизированных рабочих мест и др. 
Далее рассмотрим некоторые конкретные ПТК. Именно эти 
средства доступны студентам МГТУ им. Н.Э. Баумана в вычислительном 
зале № 8 и в лаборатории «Интеллектуальные системы» 
кафедры ИУ-1. 

1.1. Программно-технический комплекс-1  

ПТК-1 включает: контроллеры для распределенных открытых 
систем (КРОСС); инструментальную программную систему разработки  
для них прикладного программного обеспечения  ISaGRAF;  

Рис. 1.2. Структурная схема контроллера для распределенных открытых систем  

SCADA-систему Trace Mode для разработки, отладки и запуска в 
реальном времени программного обеспечения верхнего уровня 
АСУ. 

Аппаратные средства 

Контроллер КРОСС (далее контроллер) имеет модульную структуру 
и предназначен для общепромышленного применения в составе 
АСУ ТП в различных отраслях промышленности. Он может исполь-
зоваться также в качестве автономного средства для управления 
объектами малой и средней сложности.  

Состав контроллера  

В проектно-компонуемый состав контроллера (рис. 1.2) входят 
процессорный модуль и другие устройства контроллера SMАRТ2 
фирмы PEP Modular Computers. Конкретный экземпляр состоит из 
устройств, количество и типы которых заданы потребителем. В  
общем случае он включает центральный блок, блок питания,  
модули питания и модули ввода-вывода аналоговых, дискретных и 
других сигналов. В конкретных случаях они конфигурируются 
применительно к решаемой задаче. Модуль процессора состоит  
из  центрального  процессора  (базовый  микропроцессор  Motorola 
MC68302/MC68360 является стандартом для промышленных 
средств автоматизации) и сетевого контроллера для связи с внеш-
ними устройствами по локальной сети Ethernet. Модули ввода-
вывода представляют собой устройства сопряжения контроллера с 
объектом (УСО), поэтому далее мы будем обозначать их именно 
так. Модули УСО также содержат процессор. Обмен между про-
цессорами выполняется по шинам SPI через модуль расширителя 
интерфейса ИСК 1, который объединяет и согласовывает модули 
УСО с центральным процессором. Общее число модулей УСО – до 
31 по четырем шинам. Внешние связи могут подключаться к мо-
дулям УСО через терминальные блоки, которые содержат клемм-
ные колодки, или через соответствующие разъемы.  
Модуль центрального процессора поддерживает программное 
обеспечение ISaGRAF операционной системы реального времени 
(ОСРВ) OS-9 и выполняет функции управления контроллером, ад-
министрирования субмодулей, оперативного мониторинга кон-
троллера.