3
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ.........................................................................
5
1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
И УПРАВЛЕНИЯ .................................................................. 7
1.1. Назначение и состав технических средств САиУ ................. 7
1.2. Классификация ТС САиУ. Формализованные оценки уровня
автоматизации САиУ..................................................... 11
1.3. Требования к аппаратно-программным ТС САиУ................ 14
1.4. Методы стандартизации ТС САиУ. Государственная система
приборов.................................................................... 15
1.5. Типовые устройства электроавтоматики............................ 21
1.6. Информационно-функциональная интеграция ТС САиУ
качеством. Первичные преобразователи и датчики............... 23
1.7. Выбор датчиков .......................................................... 30
1.8. Регулирующие устройства и автоматические регуляторы
(типовые управляющие устройства)................................. 40
1.9. Типовые исполнительные устройства................................. 47
1.10. Выбор исполнительных устройств.................................... 64
1.11. Выходные устройства технических средств систем автомати-
зации и управления......................................................
66
1.12. Устройства обработки информации и входные устройства
технических средств систем автоматизации и управления...... 70
1.13. Бесконтактные устройства обработки логической информа-
ции........................................................................... 75
1.14. Программируемые технические средства на базе управляю-
щих ЭВМ и вычислительных комплексов..........................
76
1.15. Архитектура и принцип работы микроЭВМ....................... 82
1.16. Применение открытых технологий при разработке и внедре-
нии САиУ .................................................................. 87
1.17. Программно-технические комплексы................................ 89
1.18. Программируемые логические контроллеры......................
97
1.19. Программируемые компьютерные контроллеры и промыш-
ленные компьютеры...................................................... 111
1.20. Одноплатные промышленные компьютеры........................ 113
1.21. Специализированные микропроцессоры. Организация струк-
туры микропроцессорных систем..................................... 115
1.22. Микроконтроллеры (однокристальные микроЭВМ).............. 118
1.23. Технические средства взаимодействия с оперативным персо-
налом САиУ ............................................................... 123
1.24. Интеллектуальные САиУ............................................... 127

4
1.25. Принципы построения ТС САиУ...................................... 127
Контрольные вопросы.................................................. 128
2. СХЕМОТЕХНИКА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВ-
ЛЕНИЯ................................................................................ 132
2.1. Системы ввода-вывода вычислительных систем и комплек-
сов........................................................................... 132
2.2. Аппаратные интерфейсы................................................ 139
2.3. Управление обменом информацией в интерфейсах............... 148
2.4. Стробирование и квитирование при передаче данных............ 153
2.5. Функциональная и логическая организация аппаратных ин-
терфейсов.................................................................. 154
2.6. Устройства связи с объектом.......................................... 171
2.7. Модули ввода-вывода ПЛК............................................. 179
2.8. Основные схемы включения входных устройств цифрового
типа......................................................................... 182
2.9. Опрос дискретных датчиков и устранение механического
дребезга контактов....................................................... 185
2.10. Формирование дискретных сигналов управления и импуль-
сов, подсчет числа импульсов между событиями.................. 187
2.11. Формирование аналоговых управляющих воздействий и
опрос аналоговых сигналов с датчи-
ков.................................
188
2.12. Многофункциональное устройство ввода-вывода................. 197
Контрольные вопросы................................................... 214
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................... 218
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ................................. 219
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................... 221

5
ВВЕДЕНИЕ
В пособии наряду с традиционной предметной областью авто-
матизации, предполагающей правильный выбор и применение типо-
вых электромеханических и электронных технических средств систем
автоматизации и управления (ТС САиУ) технологическими процес-
сами (ТП) и производствами, рассматриваются вопросы схемотехни-
ки ТС САиУ, а также новые поколения ТС, которые в большинстве
являются интеллектуальными со встроенным контроллерами и под-
держкой сетевого протокола. Цифровые и интеллектуальные ТС, та-
кие как исполнительные устройства, каналы связи, задатчики воздей-
ствий, фильтры и т. д., кроме программируемости обеспечивают по-
вышение надежности за счет гибкости конфигурации. Кроме того,
в современных САиУ широко используются готовые аппаратные и
программные технологии открытого типа, работающие в жестких
условиях промышленной эксплуатации в реальном времени. При
этом значительные перспективы в реализации возможностей техни-
ческих средств САиУ ТП связаны с распространением технологии
CASE-систем, которым доступны не только мощные программ-
но-технические комплексы, но также недорогие универсальные и
специализированные (функциональные) ПЛК, а также встраиваемая
в оборудование автоматика, датчики и исполнительные механизмы.
В силу большого разнообразия разработанных в настоящее вре-
мя ТС, систем ввода-вывода и интерфейсов САиУ задача их пра-
вильного выбора и эффективного использования при реализации
производственных процессов является все более актуальной. Это свя-
зано, прежде всего, с быстрым ростом производительности микро-
процессоров. Именно поэтому в современных системах управления
уделяется большое внимание вопросам обмена данными и интер-
фейсным связям.
Учебное пособие может быть полезно при самоподготовке к за-
нятиям по дисциплинам, связанным с изучением схемотехники си-
стем автоматизации и управления, технических средств, применяе-
мых при разработке таких систем, а также при изучении микропро-
цессорных систем и интерфейсов. Целью настоящего учебного посо-
бия является формирование у студента знаний о роли ТС и схемотех-
ники САиУ ТП и производствами.
В ходе изучения курса студент должен получить представление
о проблемах разработки ТС и интерфейсов САиУ технологическими

6
процессами и производствами, методах структурного построения
широкого класса ТС САиУ, включая процессы информационного и
управленческого характера, обрести навыки проведения системного
анализа ТС и сетей передачи информации при создании САиУ на ос-
нове использования опыта и направлений развития современных
комплексов ТС. Изучение подходов к разработке и использованию
ТС и интерфейсных схем САиУ, изложенных в пособии, дает воз-
можность научиться более эффективно использовать имеющийся ин-
струментарий разработчиков САиУ.

7
1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ
АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ
В соответствии с ГОСТ 34.003 -90 для САиУ выделяется ряд ви-
дов обеспечения, в числе которых одним из основных является тех-
ническое обеспечение – комплекс технических средств (КТС), приме-
няемых для функционирования САиУ технологическими процессами
и производством.
Согласно определению стандарта под КТС САиУ понимают все
типовые аппаратные средства: от ЭВМ до датчиков (измерительных
преобразователей) и исполнительных органов.
1.1. Назначение и состав технических средств САиУ
Человекомашинные системы, функциональная схема, иерархи-
ческие уровни, иерархическая структура.
Системы автоматизации и управления (САиУ) – это, как прави-
ло, человекомашинные системы, обеспечивающие сбор и обработку
информации, необходимой для оптимизации управления объекта в
соответствии с критерием качества функционирования и осу-
ществления управляющих воздействий на объект автоматизации и
управления. Технические средства систем автоматизации и управле-
ния по сути своей есть техническая реализация САиУ, которую чело-
век (оператор) применяет для анализа полученных управлений и при-
нятия решения об их осуществлении. Таким образом, ТС САиУ в
первую очередь предназначены для обеспечения взаимодействия
САиУ с объектом автоматизации и управления, в качестве которого
может выступать любая технически сложная система (например, от-
дельный технологический процесс или в целом производство).
На рис. 1 .1 представлена обобщенная функциональная схема со-
временного производства, которая показывает, какие типовые ТС ис-
пользуются в САиУ и какое место отведено для каждого из этих ТС в
САиУ. Нижний уровень этой схемы составляют измерительные при-
боры и исполнительные механизмы.
Следующий уровень схемы – контроллеры и интеллектуальные
датчики, выполняющие функцию выдачи по определенным алгорит-
мам сигналов на исполнительные механизмы по результатам обра-
ботки данных о состоянии технологических параметров, полученных

8
посредством измерительных приборов. Как видно из схемы, интел-
лектуальные исполнительные механизмы и интеллектуальные датчи-
ки по локальной сети непосредственно связаны между собой без про-
межуточных контроллеров, что значительно удешевляет ТС, приме-
няемые на данном иерархическом уровне.
Верхние уровни схемы подчинены SCADA системе (Supervisory
Control And Data Acquisition – диспетчерское управление и сбор дан-
ных), системам планирования материальных ресурсов (material
resource pianning – MRPII) и АСУП (manufacturing execution sytems –
MES). Серверы технологических данных обеспечивают обмен ин-
формацией между технологическими устройствами и сетью персо-
нальных компьютеров, на которых расположены автоматизирован-
ные рабочие места операторов и диспетчеров.
Рис. 1.1. Обобщенная функциональная схема современного производства

9
Состав ТС САиУ можно разделить (классифицировать) на сле-
дующие основные группы [1]:
1. ТС получения, сбора и передачи информации о состоянии
объекта управления (датчики, первичные и нормирующие
преобразователи сигнала и др.);
2. ТС преобразования команд управления в непосредственное
воздействие на ОУ различных технологических процессов
(исполнительное устройство – регулирующий орган: запор-
но-регулирующие клапаны, задвижки, электропривод ме-
хатронных станочных систем и др.);
3. ТС передачи информации по каналам связи (устройства при-
ема и передачи, входные и выходные устройства, усилители и
преобразователи уровня сигналов и т.п ., т.е. устройства связи
и сопряжения с объектом управления);
4. ТС обработки, преобразования, хранения и формирования
данных и команд управления (регуляторы, контроллеры,
управляющие компьютеры и т.д.);
5. ТС локальных вычислительных и глобальных сетей;
6. ТС взаимосвязи с оперативным персоналом САиУ (средства
визуализации – панели, мониторы и т.д.);
7. ТС компьютерных систем управления качеством продукции
на основе CALS-технологий.
В настоящее время ТС САиУ, представленные на рис. 1 .1, объ-
единяются в агрегатные комплексы, структурно состоящие из аппа-
ратных, программных и конструктивных технических средств, ориен-
тированных на решение задач автоматизации технологических про-
цессов и производств. Поскольку речь идет о комплексности и агре-
гативности технических средств, т.е. сложности (complex – сложный),
то на ТС САиУ распространяются все свойства, характерные для
сложных систем, следовательно, для анализа ТС САиУ можно ис-
пользовать подходы и математический аппарат, разработанный ранее
для других сложных технических систем [2].
Сложным системам присущи общие черты, среди которых мож-
но выделить следующие:
-
целенаправленность и управляемость системы, т. е. наличие у
всех ее элементов общей цели;
-
системный характер реализуемых алгоритмов обмена, требую-
щий совместной обработки информации от разных источников;
-
сложная иерархическая организация, предусматривающая

10
сочетание централизованного управления с распределенностью и ав-
тономностью функциональных подсистем;
- наличие различных уровней обработки информации, самоорга-
низации и адаптации;
- целостность и сложность поведения отдельных подсистем;
-
большое число входящих в систему функциональных
подсистем;
-
наличие информационных связей между функциональными
элементами в подсистемах, а также внешних связей с другими функ-
циональными подсистемами и широкого спектра дестабилизирующих
воздействий, помех и т. п .
Для снижения сложности при проектировании и анализе САиУ
рекомендуют использование в системах иерархических структур при
обеспечении независимости подсистем.
Иерархическая структура ТС САиУ означает возможность разби-
ения системы на подсистемы верхних и нижних уровней. При этом
ТС САиУ как сложная система входят составной частью в систему
более высокого уровня. Использование иерархических структур поз-
воляет локализовать связи между подсистемами, допуская их лишь
между подсистемами, принадлежащими смежным уровням иерар-
хии.
Обеспечение независимости подсистем означает разбиение систе-
мы на такие части, между которыми должно остаться по возможно-
сти меньше связей. Одним из воплощений этого метода является
модульный принцип разработки ТС.
Таким образом, с позиций системного подхода ТС САиУ можно
охарактеризовать следующими признаками:
• возможность разбиения на множество подсистем, объединенных об-
щей целью функционирования;
• взаимодействие системы и внешней среды;
• функционирование в условиях воздействия случайных факторов;
• сложные информационные связи между элементами и подсистема-
ми;
• наличие иерархической структуры.
Общеизвестно [3], что наиболее эффективно создание не от-
дельных локальных систем управления, а комплексных многоуровне-
вых систем. На первом уровне производится управление отдельными
узлами и элементами, контроллеры первого уровня работают под
управлением следующего, второго уровня. Координация работы

11
элементов этого уровня также должна производиться находящимся
над ним следующим уровнем и т.д. Такие системы управления стано-
вятся распределенными как по решаемым задачам, так и по месту
нахождения. Конечно, алгоритмы работы систем управления при пе-
реходе от уровня к уровню существенно изменяются, и это предъяв-
ляет разные требования к техническим средствам. Тем не менее, су-
ществует много общих или подобных задач, которые решаются на
разных уровнях, и поэтому различия в технических средствах могут
быть не слишком существенными.
1.2. Классификация ТС САиУ. Формализованные оценки уровня
автоматизации САиУ
Функциональные группы, формализованные оценки уровня ав-
томатизации, управление по жесткой программе, логико-
программное управление.
Все промышленные технические средства САиУ по признаку
отношения к системе объединяют в соответствии со стандартом в
следующие функциональные группы:
- средства на входе системы (датчики);
-
средства на выходе системы (выходные преобразователи,
средства отображения информации и команд управления процессом);
-
внутрисистемные ТС САиУ (обеспечивающие взаимосвязь
между устройствами с различными сигналами и различными машин-
ными языками) например, имеют выходы релейные или с открытым
коллектором;
- средства передачи, хранения и обработки информации.
Такое многообразие групп, типов и конфигураций ТС САиУ
приводит к многоальтернативной проблеме проектирования техниче-
ского обеспечения САиУ в каждом конкретном случае.
Наиболее удобными в понятийном аспекте признаками, по кото-
рым обычно классифицируют ТС САиУ, являются те, которые осно-
ваны на формализованных оценках уровня автоматизации САиУ ка-
чеством. Оценки уровня автоматизации основаны на таких понятиях,
как:
- сложность объекта автоматизации и управления;
- функционально-алгоритмическая организация САиУ;
- функционально-структурная организация САиУ.

12
В случае классификации ТС САиУ по первому признаку за кри-
терий принимают число контролируемых параметров и управляющих
воздействий в соответствии с ростом сложности объекта управления.
В этом случае ТС САиУ делят на следующие классы [4].
1. ТС программного управления, реализующие управление по
жесткой программе с предварительно запрограммированными воз-
действиями (станки, смесеприготовители, полиграфические машины
и др.).
2. ТС САиУ технологическими установками с малым числом
контролируемых и регулируемых параметров (до 20), реализующие
измерение, индикацию, регистрацию и одноконтурное регулирование
параметров (топки паровых котлов, весовые дозаторы, установки ав-
томатического пожаротушения и др.).
3. ТС САиУ технологическими установками или агрегатами с не-
большим числом контролируемых и регулируемых параметров (около
40), реализующие дополнительно ко второму классу и логические опе-
рации (технологические котельные, печи, нагревательные колодцы и
фурмы доменных печей, ректификационные колонки и др.).
4. ТС САиУ технологическими установками, агрегатами или
процессами со средним числом контролируемых, регулируемых и оп-
тимизируемых параметров (до 100), реализующие дополнительно к
третьему классу многоконтурное регулирование (конверторы, секци-
онные печи, химические реакторы, установки первичной переработки
нефти, комплексы шихтоподготовки обогатительных и агломераци-
онных фабрик и др.).
5. ТС САиУ технологическими агрегатами или процессами с
большим числом регулируемых и оптимизируемых параметров
(до 800), реализующие дополнительно к четвертому классу вычисле-
ние технико-экономических показателей (энергоблоки, прокатные
станы, доменные печи, атомные реакторы, производство этиленбен-
зола и печной сажи).
6. ТС САиУ производствами с агрегатами и установками с очень
большим числом регулируемых и оптимизируемых параметров (де-
сятки тысяч), реализующие дополнительно к пятому классу и диспет-
черизацию и двухступенчатое управление (конверторные цеха, до-
менные печи, цементные заводы, сернокислотные производства, обо-
гатительные комбинаты и др.).
При классификации по второму признаку (функционально-алго-
ритмическому) ТС САиУ делят на три класса.

13
1. ТС логико-программного управления (группой однотипных
технологических установок), реализующие прямое цифровое управ-
ление по жесткой или полужесткой программе в режиме разделения
времени между управляемыми установками (группы автоматизиро-
ванных постов контроля или испытаний изделий электронной техни-
ки, прецизионных механообрабатывающих станков, термического
оборудования и др.).
2. ТС оптимального управления (технологическим процессом
или режимами технологической установки), реализующие решение
задач оптимизации на основании получаемой от управляемого объек-
та информации и принятых математических моделей, выработка ре-
гулирующих воздействий или советов оператору в реальном времени
(химические реакторы, трубопрокатные станы, группа диффузионных
печей, установки первичной переработки нефти и др.).
3. ТС комплексного управления (технологической линией,
участком, цехом) – ТС АСУП, реализующие автоматический или по-
луавтоматический сбор, обработку, наглядное отображение техноло-
гической и организационно-производственной информации, управле-
ние через оперативный персонал ходом технологических процессов
(технологические линии производства интегральных схем, кинеско-
пов, энергоблок атомной электростанции, сернокислотное производ-
ство, доменная печь, тепловая электростанция и др.).
При классификации по третьему признаку современные ТС
САиУ функционально и структурно можно условно разделить на два
класса: централизованные и децентрализованные (распределенные)
системы. Каждая из них в свою очередь может подразделяться на не-
сколько подклассов:

сосредоточенная структура ТС САиУ с выделенным управляющим
контроллером и локальными УСО;

централизованная структура ТС САиУ с применением промыш-
ленной сети и распределенных УСО;

распределенная структура ТС САиУ на базе промышленной сети с
выделенным управляющим контроллером и распределенными
УСО;

распределенная структура ТС САиУ на базе промышленных сетей,
удаленных контроллеров и локальных УСО.
Централизованные ТС САиУ являются комплексами, как прави-
ло, занимающими единое ограниченное производственное простран-
ство с централизованной подсистемой обеспечения электропитанием

14
и магистралями для обмена информационными потоками.
Распределенные ТС САиУ строятся на базе объектов, располо-
женных на различных, отчасти далеко расположенных, закрытых и
открытых площадках. Именно эта особенность накладывает опреде-
ленные структурные требования при проектировании распределен-
ных ТС САиУ.
В обобщенном виде вопросы согласованной работы элементов
распределенных систем преобразования информации рассматри-
ваются в модели взаимодействия открытых систем – модели OSI
[1]. Обеспечение информационной совместимости в основном можно
отнести к задачам канального уровня модели OSI, а электрическая и
конструктивная совместимость – это классические функции физиче-
ского уровня. Таким образом, интерфейсы включают решение за-
дач этих двух уровней модели OSI и должны содержать средства этих
двух уровней, необходимые для реализации эффективного обмена
данными.
1.3. Требования к аппаратно-программным ТС САиУ
Основными техническими требованиями к аппаратно-программ-
ным ТС САиУ при проектировании являются [5]:
-
обеспечение широкого температурного диапазона работы тех-
нических средств локальных САиУ;
- распределенная система электропитания;
- обеспечение надежного контура заземлений на каждой отдель-
ной площадке объекта автоматизации;
- защита контрольно-измерительных и информационных каналов
от внешних воздействий, а также усиление передаваемых сигналов;
- в ыбор оптимального, с точки зрения эффективности, надежно-
сти и взаимозаменяемости составных частей, удовлетворяющего
международным стандартам контроллерного оборудования;
-
выбор оптимального, с точки зрения пылевлагонепроницаемо-
сти, а также защиты от электромагнитного излучения, коррозии и др.
факторов, удовлетворяющего международным стандартам конструк-
тива шкафа цехового контроллера, шкафов автоматики локальных
САиУ и автоматизированного рабочего места системного инженера
(АРМ);
-
обеспечение высоконадежных каналов обмена технологиче-

15
ской информацией между отдельными автоматизированными объек-
тами и централизованной системой управления и контроля;
-
резервирование основной аппаратуры контроля и управления,
а также наиболее важных каналов передачи информации;
- обеспечение аппаратного и программного аварийного останова
технологического комплекса при аварийных ситуациях;
-
обеспечение высокоэффективного человекомашинного интер-
фейса в системе визуализации и мониторинга;
-
обеспечение обмена данными по информационным каналам в
реальном масштабе времени;
-
эффективная, с точки зрения скорости обнаружения неисправ-
ности, и надежная диагностика программно-аппаратных средств;
- обеспечение обслуживающего персонала качественной эксплу-
атационной документацией, а также инструментом для монтажа и ди-
агностики.
Типовая структура программно-аппаратных ТС САиУ должна
содержать следующие подсистемы [6]:
1. полевое оборудование, включающее в себя интеллектуальные
средства измерения, контроля, регулирующие отсечные и запорные
клапаны, электроприводы;
2. кабельные линии связи, кроссовое оборудование;
3. барьеры искробезопасности, нормирующие преобразователи;
4. программируемые контроллеры, модули ввода-вывода анало-
говых и дискретных сигналов;
5. операторские станции – компьютеры, устройства на магнит-
ных носителях, мониторы, печатающие устройства и так далее;
6. кабельные, оптоволоконные и радиоканалы связи;
7. систему пожарной автоматики и контроля загазованности;
8. систему бесперебойного электропитания.
1.4. Методы стандартизации ТС САиУ. Государственная
система приборов
Унификация,
агрегатирование, комплексирование, блочно-
модульный принцип.
C развитием САиУ, с появлением новых, все более сложных
объектов управления и увеличением объема автоматизируемых
функций возрастают требования к функциональному разнообразию

16
ТС автоматизации, к разнообразию их технических характеристик и
конструктивных особенностей исполнения. Задача уменьшения
функционального и конструктивного многообразия ТС при опти-
мальном удовлетворении запросов автоматизируемых предприятий
решается при помощи методов стандартизации – унификации, агре-
гатирования, комплексирования, блочно-модульного принципа испол-
нения ТС САиУ [6].
Агрегатирование – принцип формирования состава серийно из-
готавливаемых ТС, направленный на максимальное удовлетворение
запросов предприятий – потребителей при ограниченной номенкла-
туре серийно выпускаемой продукции.
При анализе большого количества ТС САиУ можно выделить
ограниченный набор простейших функциональных элементов, на
комбинации которых строится практически любой вариант ТС САиУ.
В результате формируется состав серийно изготавливаемых ТС
САиУ, включающий такие конструктивно завершенные и функцио-
нально самостоятельные единицы, как блоки и модули, приборы и
механизмы.
В соответствии с принципом агрегатирования ТС САиУ созда-
ются путем монтажа модулей, блоков, приборов и механизмов с по-
следующей коммутацией каналов и линий связи между ними. В свою
очередь, сами блоки и приборы создаются также путем монтажа и
коммутации различных модулей. Модули же собираются из более
простых узлов (микромодулей, микросхем, плат, устройств коммута-
ции и т.п.), составляющих элементную базу ТС. При этом изготовле-
ние блоков, приборов и модулей осуществляется полностью в завод-
ских условиях, в то время как монтаж и коммутация ТС САиУ полно-
стью завершается лишь на месте их эксплуатации. Такой подход к
построению блоков и приборов получил название блочно-модульного
принципа исполнения ТС САиУ.
Блочно-модульный принцип означает, что конструкции приборов
должны компоноваться из отдельных модулей или блоков. Модуль
или блок – это конструктивно завершенное устройство, выполняющее
определенную, достаточно простую функцию (по сравнению с прибо-
ром, частью которого он является). При этом модуль или блок дол-
жен извлекаться из устройства без разрушения и допускать замену
неисправного блока. Этот принцип позволяет уменьшить номенкла-
туру приборов, упрощает ремонт и замену, уменьшает стоимость,
позволяет реализовать принцип взаимозаменяемости.

17
Применение блочно-модульного принципа не только позволяет
проводить широкую специализацию и кооперирование предприятий в
рамках отрасли, производящей ТС, но и ведет к повышению ремон-
топригодности и увеличению коэффициентов использования этих
средств в САиУ.
Комплексирование – изготовление комплексов ТС или систем
блоков и приборов, функциональный состав которых ориентирован
на реализацию каких-либо крупных функций или подсистем САиУ.
При этом в рамках отдельного комплекса ТС все блоки и приборы
выполняются совместимыми по интерфейсу, т.е. совместимыми по
параметрам и характеристикам сигналов – носителей информации,
равно как и по конструктивным параметрам и характеристикам
устройств коммутации. Принято называть такие комплексы и систе-
мы средств автоматизации агрегатными или агрегатированными.
Стандарты на виды и параметры сигналов унифицируют систе-
му внешних связей или интерфейс средств автоматизации. Такая
унификация, дополненная стандартами на устройства коммутации
блоков друг с другом (в виде системы разъемов), создает предпосыл-
ки для максимального упрощения проектирования, монтажа, комму-
тации и наладки технических средств систем управления. При этом
блоки, приборы и прочие устройства с одинаковым типом и диапазо-
ном параметров сигналов на входах-выходах стыкуются путем про-
стого соединения разъемов.
Унификация – сопутствующий агрегатированию метод стандар-
тизации, также направленный на упорядочение и разумное сокраще-
ние состава серийно изготовляемых ТС САиУ. Она направлена на
ограничение многообразия параметров и технических характеристик,
принципов действия и схем, а также конструктивных особенностей
исполнения ТС САиУ.
Унификация входных-выходных сигналов и сигналов питания
означает, что сигналы, используемые прибором (напряжение пита-
ния, выходной ток и т.д.), должны соответствовать общепризнанному
стандарту. Этот принцип делает возможной взаимозаменяемость при-
боров, то есть неисправный прибор одной фирмы владелец может за-
менить на аналогичный прибор другой фирмы, не привязываясь к
определенному производителю приборов, если условия (цены, гаран-
тийное обслуживание, надежность и т.д.) его не устраивают.

18
Стандарт (ГОСТ 26.011-80, ГОСТ 26.015-80) регламентирует
пределы изменения сигналов каждого вида:
-
напряжение питания прибора: 24 В постоянного тока, 220 В пере-
менного тока частотой 50 Гц и др.;
-
токовые сигналы постоянного тока с диапазонами 0 ... 5 мА,
0...20мА,4...20мАидр.;
-
сигналы напряжения постоянного тока с диапазонами 0 ... 1 В,
0...10Видр.;
- диапазон изменения пневматических сигналов 0,02 ... 0,1 мПа.
Токовые сигналы и сигналы напряжения используются для пере-
дачи значений измеренных физических величин. Величины данных
токов и напряжений изменяются в пределах указанных диапазонов в
соответствии с изменениями измеряемых величин.
Из перечисленных сигналов в современных системах управле-
ния наибольшее распространение получил токовый сигнал с диапазо-
ном 4...20 мА, поскольку при передаче на расстояние величина тока
не изменяется. Величина тока ограничена снизу величиной 4 мА
в целях диагностики линии передачи и измерительных приборов. Ес-
ли прибор, рассчитанный на данный диапазон, генерирует сигнал
меньший 4 мА, то это позволяет сделать вывод о неисправности при-
бора или линии передачи. Недостатком сигналов напряжения явля-
ются потери сигнала при передаче на большие расстояния.
Первичные приборы (датчики) могут преобразовывать измеряе-
мый параметр в какой-либо унифицированный сигнал. Если же дат-
чик выдает неунифицированный сигнал, то для приведения его к
стандартному диапазону должен быть установлен соответствующий
преобразователь.
Агрегатирование и унификация существующих и разработка но-
вых ТС САиУ осуществляется в рамках Государственной системы
приборов и средств промышленной автоматизации (ГСП), которая
объединяет в себе все средства контроля и регулирования технологи-
ческих процессов. Разработка ГСП началась еще в СССР в 1960 г.
Одним из основных схемотехнических принципов, положенных в ос-
нову построения ГСП, является принцип совместимости отдельных
элементов и подсистем: информационной, энергетической, метроло-
гической, конструктивной и эксплуатационной.
ГСП включает в себя пневматическую, гидравлическую и элек-
трическую ветви. Приборы пневматической ветви используют при
измерениях и передаче сигналов на расстояние энергию сжатого

19
воздуха, гидравлической – давление жидкости, электрической –
электрические напряжения и токи.
Общие принципы построения ГСП и ее состав определены в ре-
зультате исследований в различных отраслях промышленности и их
декомпозиции в функциональном и аппаратном планах.
В функциональном плане декомпозиция общей цели управле-
ния, стоящей перед ТС САиУ в целом, приводит к функциональным
типовым подсистемам:
- исследования технологического процесса;
- оптимизации и адаптивного управления;
- идентификации и диагностики;
- стабилизации и программного управления;
- логико-командного и ручного управления.
Техническая реализация типовых функций ТС САиУ осуще-
ствляется в ГСП аппаратными средствами, структура которых явля-
ется иерархической, начиная с ТС получения информации и воздей-
ствия на процесс на первом (низшем) уровне иерархии, ТС локально-
го контроля и регулирования на 2 уровне иерархии (рис. 1 .2), ТС цен-
трализованного контроля и регулирования на 3 уровне иерархии и ТС
автоматизации управления на 4 (высшем) уровне иерархии.
1.4.1. Стандартизация ТС САиУ. Решение общей проблемы
стандартизации в области информационных технологий и ТС САиУ
ТП и производствами осуществляется как международными, так и
отечественными организациями. На международном уровне сформи-
ровалась мощная кооперация организаций, среди которых в первую
очередь следует назвать ИСО (МОС – Международная организация
по стандартизации; International Organization for Standardization –
ISO – всемирная организация, ответственная за разработку междуна-
родных стандартов путем координации деятельности национальных
органов стандартизации из более чем 90 стран мира), МЭК (МЭК –
Международная электротехническая комиссия; Internaional Electro-
technical Commission – IEC; несет ответственность за стандартизацию
в области электроники, включая вопросы взаимосвязи и интерфейсов
оборудования определенных видов) и МСЭ (Международный союз
электросвязи). Сектор МСЭ по телекоммуникациям (МСЭТ) является
с 1993 г. правопреемником МККТТ (Международный консультатив-
ный комитет по телеграфии и телефонии). В 1987 г. ИСО и МЭК объ-
единили свою деятельность по стандартизации
в области ин-

20
формационных технологий, создав ИСО/МЭК/СТК 1 «Информаци-
онные технологии», основной задачей которого является разработка
базовых стандартов информационных технологий вне зависимости от
их конкретных применений. В последние годы ИСО/МЭК/СТК 1 ак-
тивно взаимодействует с рядом технических комитетов ИСО, вклю-
чая:
ТК 176 «Управление качеством и обеспечение качества»;
ТК 184 «Системы промышленной автоматизации и их интегра-
ция»;
ТК 204 «Транспортные информационные и управляющие систе-
мы» и т.п.
Кроме ИСО, МЭК и МСЭ разработкой стандартов в области ин-
формационных технологий и, в частности, в области открытых си-
стем, занимается ряд авторитетных международных, региональных,
национальных и специализированных организаций, консорциумов и
групп, например, такие как Общество Интернет (Internet Society),
СЕН (Европейский комитет стандартизации) и СЕНЭЛЕК (Европей-
ский комитет стандартизации в области электротехники), ЕКМА (Ев-
ропейская ассоциация производителей компьютеров), ЕВОС (Евро-
пейские рабочие группы по открытым системам), ЕТСИ (Европей-
ский институт по стандартизации в области телекоммуникаций),
IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике), Груп-
па X/Open, организованная поставщиками компьютерной техники,
OSF (Фонд открытого программного обеспечения), OMG (Группа
объектного управления), NMF (Форум управления сетями) и др.
Наиболее заметный вклад в стандартизацию средств, систем и
технологий информатизации на международном уровне вносит
ИСО/МЭК/СТК 1, членом которого, наряду с другими государствами
(54), является Российская Федерация. В Российской Федерации стан-
дартизацию ТС осуществляют Госстандарт и отраслевые организации
ведомств АН РФ. В Российской Федерации в данной области дей-
ствует свыше 450 межгосударственных (ГОСТ) и государственных
(ГОСТ Р) стандартов, которые обеспечивают в том числе прямое вве-
дение международных стандартов по перечисленным выше функцио-
нальным группам и направлениям информационных технологий,
включая: стандарты на терминологию, электрическую и механиче-
скую безопасность и электромагнитную совместимость СВТ; языки
программирования; организацию работы систем и сетей; оценку ка-
чества и документирование программных средств; требования

21
к автоматизированным системам и документирование их создания;
системы кодирования и защиты информации; организацию взаимо-
связи открытых систем; качество служебной информации, компью-
терное сопровождение и поддержку жизненного цикла наукоемкой
продукции.
1.5. Типовые устройства электроавтоматики
Датчики, преобразователи, усилители, управляющие устрой-
ства, исполнительные устройства, измерительные приборы.
Основными видами устройств электроавтоматики являются [7]:
-
датчики, в составе которых может быть измерительный эле-
мент;
-
преобразователи (сигналов с датчиков в унифицированный
сигнал, управляющих воздействий для подачи на исполнительные
устройства и т.д .);
- усилители;
- управляющие устройства (регуляторы, контроллеры);
- и сполнительные устройства;
-
корректирующие звенья, которые могут включаться в состав
перечисленных выше устройств с целью изменения их статических и
динамических характеристик.
При измерениях технологических параметров используются раз-
личные измерительные приборы, которые классифицируются по ряду
признаков. Общей градацией является разделение их на приборы для
измерения механических, электрических, магнитных, тепловых и дру-
гих физических величин. Классификация по роду измеряемой вели-
чины указывает, какую физическую величину измеряет прибор (дав-
ление, температуру, расход, уровень, количество вещества и т.д .) .
По признаку преобразования измеряемой величины изме-
рительные приборы разделяют на приборы:
а) непосредственной оценки;
б) сравнения – определяющие значение величины путем сравне-
ния ее с заранее известной величиной.
По характеру измерения приборы делятся на стационарные и
переносные.
Измерительные приборы могут выполнять функции:
- преобразования,

22
- и ндикации (отображения величины),
- регистрации (записи),
- и н тегрирования,
- в ычисления (например, суммирования),
- регулирования,
- сигнализации (световой или звуковой).
Приборы, выполняющие только функцию преобразования изме-
ряемой физической величины в иной вид, называются преобразовате-
лями или датчиками.
Измерительные приборы могут иметь какие-либо средства для
отображения (индикации) измеренных параметров:
-стрелочные шкалы (например, пружинные манометры, некото-
рые градусники и т.д.),
- цифровые индикаторы (например, цифровые термометры),
- табло,
- экраны (например, осциллографы),
-
жидкокристаллические дисплеи (цифровые вольтметры,
тестеры,
многие
современные
уровнемеры,
регуляторы
температуры и другие устройства).
Существуют измерительные приборы, которые не отображают
величину измеренного параметра. Они предназначены для автомати-
зированных и автоматических систем контроля. Такой прибор изме-
ряет технологический параметр, преобразует его в электрическое
напряжение или ток и передает другому прибору, который использу-
ет полученный сигнал, например, для отображения на своем дисплее,
регистрации на диаграммной ленте и т.д.
Под регистрацией физической величины в общем случае пони-
мается ручная или автоматическая запись ее значения в какой-либо
форме на определенный носитель информации. Ручная регистрация:
запись в журнал наблюдений, таблицу, отчет и т.д. Автоматическая
регистрация производится специальными приборами – регистрато-
рами (их еще называют самописцами) – которые отмечают значения
величины на бумажной (диаграммной) ленте, впечатывают в таблицу,
записывают на магнитную ленту, во флэш-память и т.д.
К измерительным приборам, выполняющим функцию интегри-
рования, относятся так называемые счетчики.
Измерительный прибор может иметь функцию сигнализации, то
есть возникновение определенной ситуации (например, величина из-
меряемого параметра вышла за пределы) сигнализируется световым

23
индикатором или звуковым сигналом.
Основные преимущества систем электроавтоматики:
-
широкая номенклатура измеряемых величин; практически лю-
бая физическая величина может быть измерена с использованием се-
рийных электрических датчиков;
- ш ирокий амплитудный диапазон измеряемых величин;
- ш ирокая полоса пропускания звеньев систем электроавтомати-
ки, что позволяет достичь высокого быстродействия (на два и более
порядка выше, чем у систем пневмоавтоматики);
- компактность аппаратуры;
- возможность передачи информации практически на любые рас-
стояния;
-
использование универсальных источников энергии (электросе-
ти, гальванические батареи, аккумуляторы) в отличие от пневмо-
устройств, например, которым требуются системы подготовки сжато-
го воздуха.
К недостаткам систем электроавтоматики, обусловившим ча-
стичный или полный отказ от них в некоторых технологических про-
цессах, например, на нефтеперерабатывающих и нефтехимических
предприятиях, относятся:
- искро- и взрывоопасность;
- громоздкость исполнительных устройств.
1.6. Информационно-функциональная интеграция ТС САиУ.
Первичные преобразователи и датчики
Функциональность, сбор и передача данных, основная задача
САиУ, унифицированный сигнал, свойства преобразователей, интел-
лектуальные датчики.
Информационно-функциональная
интеграция
технических
средств систем управления качеством требует стандартного подхода
к проектированию, производству и эксплуатации информационного
обеспечения САиУ. Технические средства, обеспечивающие инфор-
мационно-функциональную составляющую, включают в первую оче-
редь датчики, преобразователи и усилители информационного потока
в САиУ.
Современные распределенные и многофункциональные системы
контроля и управления при всем их многообразии условно принято

24
разбивать на уровни, где доминирующим критерием выделения опре-
деленного уровня является его функциональность. К настоящему
времени выработана четырехуровневая структура, которой придер-
живаются практически все производители систем автоматизации тех-
нологических процессов. Пример такой иерархической структуры
представлен на рис. 1.2.
4. Расчет и анализ финансово-
экономических показателей, сервис,
администрирование.
3. Оперативный технологический
контроль и управление.
2. Управление. Контроллеры, в том
числе программируемые логические.
1. Технологический процесс. Объект
автоматизации. Датчики и исполнитель-
ные устройства.
Рис. 1.2. Пример четырехуровневой структуры САиУ
Традиционно такую структуру представляют в виде пирамиды
[8, 9], подчеркивая то обстоятельство, что базисом любой автомати-
зации является технологический процесс с его многообразием пара-
метров.
Собственно измерение технологических параметров и управле-
ние ими в соответствии с требованиями технологических регламен-
тов является основной задачей САиУ.
На первом уровне находятся все первичные преобразователи,
датчики и органы управления, необходимые для измерения и изме-
нения параметров. Состав датчиков и органов управления, их харак-
теристики определяются, прежде всего, требованиями технологиче-
ского процесса, поэтому для разных технологических процессов они
различны.
На втором уровне выполняются следующие функции.
1. Измерение и получение данных о параметрах и состояни-
ях процесса и оборудования.
2. Анализ данных.
3. Управление процессом (локальное или координированное или
взаимосвязанное), доведение управляющих воздействий до
4
3
2
1

25
исполнительных устройств.
4. Представление информации о процессе и об оборудовании,
включая сигнализацию, в том числе и аварийную, накопление и со-
хранение информации.
5. Обмен информацией со смежными системами и верхним
уровнем.
На втором уровне находятся различные контрольно-измеритель-
ные приборы, регуляторы, программируемые контроллеры. Несмотря
на разнообразие технологических процессов, технические средства на
втором уровне в значительной степени унифицированы.
Таким образом, между первым и вторым уровнями происходит
интенсивный обмен данными: измеренные данные о параметрах и со-
стояниях процесса и оборудования передаются в одном направлении
и сигналы управления – в обратном. Обобщенно перечисленные вы-
ше функции обеспечивают сбор и передачу данных о параметрах и
состояниях процесса и технологических переменных, т.е. круговорот
информации в системе контроля и управления.
Самый простой подход к сбору и передаче данных заключается
в том, чтобы передавать сигналы непосредственно с датчиков на пер-
вом уровне к вторичным измерительным и управляющим приборам
на втором уровне. Но такой подход часто оказывается не самым луч-
шим по двум причинам.
Во-первых, как правило, большинство датчиков и исполнитель-
ных механизмов, расположенных на технологической установке, уда-
лены на значительные расстояния от вторичных средств контроля и
управления. Именно удаленность датчиков от вторичных приборов во
многих случаях является причиной наведения помех на длинных ка-
бельных линиях, которые, как антенны, собирают «весь электромаг-
нитный мусор» и искажают передаваемую информацию. Кроме того,
стоимость длинных кабельных линий может составлять значитель-
ную долю стоимости всей системы.
Во-вторых, разнообразие типов сигналов от первичных датчиков
вступает в противоречие с принципом унификации сигналов на вто-
ром уровне средств контроля и управления. Поэтому часто более
предпочтительным решением является введение между первичным
датчиком и вторичным прибором преобразователя сигнала в унифи-
цированный сигнал – ток 4...20 мА. Преобразователь находится в
непосредственной близости к первичному преобразователю и отно-
сится к первому уровню. В силу своего положения в структуре си-

26
стемы автоматизации преобразователи работают на «два фронта» и,
соответственно, выполняют два основных набора функций.
Со стороны первичного датчика преобразователь:
-
реализует метод измерения электрического параметра с пер-
вичного датчика;
-
усиливает слабые сигналы;
-
линеаризует нелинейную характеристику первичного датчика;
-
осуществляет термокомпенсацию «холодных» спаев термопар;
-
осуществляет преобразование в унифицированный токовый
сигнал 4...20 мА.
Со стороны вторичных средств измерения и управления:
-
ослабляет влияние электромагнитных помех;
-
ослабляет погрешности, связанные с влиянием сопротивления
соединительных линий и нестабильности источника питания;
-
позволяет экономить финансовые ресурсы за счет снижения
стоимости соединительных линий;
-
позволяет унифицировать сигналы, используемые для переда-
чи данных и обрабатываемые вторичными средствами измерения.
Рассмотрим основные причины использования преобразовате-
лей в унифицированный токовый сигнал:
-
поддерживается
всеми
производителями
средств
автоматизации;
-
преобразователь – генератор тока. Поэтому мало влияние со-
противления соединительных проводов, входных сопротивлений,
напряжения питания, наводок;
-
унифицированный токовый сигнал можно передавать по недо-
рогим проводам, в отличие от сигнала от термопары, для передачи
которого требуется дорогой термокомпенсационный провод. При
этом может происходить экономия на стоимости соединительных
линий;
- обрыв линии передачи токового сигнала 4...20 мА однозначно
и легко определяется по нулевому току в цепи.
Согласно ГОСТ 13384-93 преобразователи измерительные класси-
фицируются в зависимости от эксплуатационной законченности, по за-
щищенности от воздействия окружающей среды, по степени защищен-
ности от электрических помех, по числу и виду преобразуемых вход-
ных сигналов, по зависимости выходного сигнала от входного сигнала,
по наличию или отсутствию гальванической связи между входными

27
и выходными цепями, а также и по некоторым другим показателям. Тот
же ГОСТ 13384-93 устанавливает целый ряд требований:
-
к нормируемым метрологическим характеристикам;
-
к входным и выходным сигналам;
-
к сопротивлениям входных и выходных цепей;
-
к электропитанию;
-
к электрической прочности и сопротивлению изоляции и це-
лый ряд других требований к техническим характеристикам преобра-
зователей, которые призваны обеспечить высокое качество преобра-
зователей при их производстве, повторяемость технических характе-
ристик и взаимозаменяемость преобразователей при эксплуатации.
К числу таких важнейших характеристик, которые могут пред-
определять выбор и эксплуатационные свойства преобразователей
можно отнести следующие:
-
класс точности или предел допустимой основной
погрешности;
-
предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной
отклонением напряжения питания от номинального;
-
предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной
отклонением нагрузочных сопротивлений от номинальных;
-
предел допускаемой дополнительной погрешности, вызванной
изменением температуры окружающего воздуха.
Первичный преобразователь, датчик – устройство, преобразую-
щее измеряемый параметр технологического процесса в вид, удобный
для дальнейшей передачи и использования. Как правило, технологи-
ческие параметры неудобно или невозможно контролировать
(наблюдать, выводить на пульт оператора и т.д.) напрямую без до-
полнительных технических средств. Например, температуру нельзя
наблюдать визуально, контроль температуры тела возможен только в
сравнении со степенью нагретости какого-либо другого тела.
Считывание измеряемого параметра в цифровой форме повыша-
ет точность за счет ограничений операций цифроаналогового и ана-
лого-цифрового преобразований сигнала 4...20 мА. Но цифровой спо-
соб измерения вносит задержку в измерения (время, затраченное на
последовательную передачу информационной посылки), которая мо-
жет быть неприемлема для управления быстродействующими конту-
рами.
Цифровой датчик позволяет хранить дополнительную

28
информацию о процессе (тэг, описатель позиции измерения, диапазон
калибровки, единицы измерения), записи о процедурах его обслужи-
вания и т.п., считываемой по запросу. Многопараметрические прибо-
ры содержат базу данных по физическим свойствам измеряемых
жидкостей и газов.
Для объектов с сосредоточенными параметрами более подходят
аналоговые средства, которые обладают рядом преимуществ. В част-
ности, использование стандартных уровней сигналов позволяет осу-
ществлять сопряжение устройств с обеспечением скорости передачи
данных, необходимой для систем реального времени, и возмож-
ностью применения нестандартной аппаратуры. Но потребность в
большом количестве соединительных проводов, ограничения на
дальность передачи и подверженность влиянию помех вносят значи-
тельные неудобства при применении.
В настоящее время все больше применяют «интеллектуальные
датчики» (рис. 1 .3). Этот термин означает, что устройство имеет
встроенный микропроцессор, который позволяет осуществлять опре-
деленные функции.
а
б
Рис. 1.3. Интеллектуальный датчик:
а – внешний вид; б – печатная плата с микроконтроллером
Интеллектуальный датчик может давать более точные показания
благодаря применению числовых вычислений для компенсации нели-
нейностей чувствительного элемента или температурной зависимо-
сти. Так, основная погрешность приборов серии «Метран-45» состав-
ляет 0,25 % от шкалы, а основная погрешность интеллектуального
датчика серии 3051 Coplanur (Fisher-Rosemount Inc.) – 0,075 %. В круг

29
возможностей некоторых приборов входит измерение нескольких
параметров и пересчет их в одно измерение (например, объемный
расход, температуру и давление в массовый расход переводят так
называемые многопараметрические датчики), функции встроенной
диагностики, автоматическая калибровка.
Некоторые интеллектуальные приборы (например, семейство
приборов Rosemount SMART FAMILY) позволяют посылать в канал
передачи и аналоговый сигнал, и цифровой. В случае одновременной
трансляции обоих видов сигналов аналоговый используется для
трансляции значения измеренного параметра, а цифровой – для
функций настройки, калибровки, а также позволяет считывать изме-
ряемый параметр. Эти устройства обеспечивают преимущества циф-
ровой связи и в то же время сохраняют совместимость и надежность
аналоговых средств, которые требуются для существующих систем.
Кроме необходимых основных функций «интеллектуальные»
технические средства могут реализовать множество вспомогатель-
ных, зачастую более сложных алгоритмов преобразования данных
при относительно невысоких дополнительных затратах. Эта функ-
циональная избыточность позволяет использовать при решении раз-
нообразных задач одни и те же технические средства, несмотря на
различие требований, реализуемых алгоритмов и функций. Очень ча-
сто выбор определенных параметров, режимов и алгоритмов рабо-
ты программируется, т.е. определяется специальными процедурами
настройки [3].
Основой встраиваемого в первичный преобразователь интеллек-
та является микроконтроллер [10]. Широта номенклатуры, миниа-
тюрность, индустриальные климатические исполнения, вычислитель-
ные возможности 8- и 16-разрядных микроконтроллеров, исчерпыва-
ющие возможности ввода/вывода и поддержки промышленных шин
позволяют существенно сократить количество элементов в аппарату-
ре, снизить потребление, уменьшить габариты и увеличить надеж-
ность, обеспечить помехоустойчивость передачи информации на
произвольные расстояния. Применение микроконтроллеров обеспе-
чивает столь значительное повышение функциональной привлека-
тельности устройства при столь низкой стоимости, простоте и надеж-
ности его аппаратной реализации, что для рассматриваемого класса
устройств альтернативной элементной базы просто не существует.
Основные возможности и преимущества применения микро-

30
контроллеров на уровне датчиков состоят в следующем:
-
надежность и широкие возможности цифровой обработки
сигнала сенсора, обеспечивающей компенсацию уникальности сен-
сорного элемента, фильтрацию помех и ложных срабатываний, учет
параметров влияния (принимаемых по сети), возможность хранения в
памяти датчика градуировочных таблиц и других параметров адапта-
ции и расчет измеряемых физических величин в стандартных аппа-
ратно-независимых единицах, сохранение накопленных результатов и
ведение архивов событий;
-
возможность улучшения метрологических характеристик пре-
образователя и увеличения уровня выхода годных изделий за счет
внутренней программной корректировки систематических погрешно-
стей и фильтрации отклонений в поведении сенсорного элемента;
- возможность расширения диапазона измерений, особенно в об-
ласть слабых сигналов, при одновременном повышении помехоустой-
чивости благодаря возможностям программной фильтрации, коррек-
ции и компенсации;
- в ряде случаев возможность упрощения конструкции датчика с
заменой механических настроек и компенсаций на программные;
-
возможность исполнений с низким электропотреблением, поз-
воляющим: поддерживать функции датчика при пропадании питания;
использовать для питания линию связи (с подсоединением по двум
проводам); реализовать устройства с типом взрывозащиты «искро-
безопасная цепь», позволяющие существенно упростить построение
систем для взрывоопасных производств.
Для применения таких датчиков дополнительное метрологиче-
ски сертифицированное оборудование, «вторичные» блоки и УСО не
требуются. Метрология системы определяется только метрологией
первичных преобразователей.
1.7. Выбор датчиков
Принципы измерения, термопреобразователь сопротивления,
термоэлектрический преобразователь.
При выборе типов датчиков необходимо учитывать предел из-
мерения и класс точности, необходимый для измерения технологиче-
ского параметра, требования совместимости устройств и их кон-
структивного исполнения.
1.7.1. Выбор датчиков температуры. В промышленности для

31
измерения температуры используются приборы и датчики,
основанные на различных принципах.
Для измерения температуры контактным методом применяют
термометры:
 расширения, измеряющие температуру по тепловому расши-
рению жидкостей (жидкостные) или твердых тел (дилатометриче-
ские, биметаллические);
 манометрические, использующие зависимость между темпе-
ратурой и давлением газа (газовые) или насыщенных паров жидкости
(конденсационные), а также между температурой и объемом жидко-
сти (жидкостные) в замкнутом пространстве термосистемы;
 термоэлектрические, действие которых основано на измере-
нии термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), развиваемой термопа-
рой (спаем) из двух разнородных проводников;
 сопротивления, использующие зависимость электрического
сопротивления вещества от его температуры.
Для измерения температуры бесконтактным методом использу-
ют пирометры:
 яркостные, измеряющие температуру по яркости накаленного
тела в заданном узком диапазоне длин волн;
 радиационные, измеряющие температуру по тепловому дей-
ствию суммарного излучения нагретого тела (во всем диапазоне длин
волн);
 цветовые, принцип действия, которых основан на измерении
отношения энергий, излучаемых телом в разных спектральных диапа-
зонах.
Термопреобразователи сопротивления. Терморезистором
называется измерительный преобразователь, активное сопротивление
которого изменяется при изменении температуры. В качестве термо-
резистора может использоваться металлический или полупроводни-
ковый резистор.
Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увели-
чением температуры. Для изготовления металлических терморези-
сторов обычно применяются медь или платина.
Термопреобразователь сопротивления (ТПС) состоит из чув-
ствительного элемента соответствующей конструкции, защитной ар-
матуры и соединительных проводов. Изменение сопротивления чув-
ствительного элемента в виде падения напряжения или тока,

32
передаваемых электрической линией связи непосредственно или при
помощи источника питания, фиксируется показывающим прибором
или регулятором. Способ включения ТПС определяется схемой вто-
ричного
прибора
и
диапазоном
измеряемой
температу-
ры. Номинальные функции преобразования (статические характери-
стики) медных и платиновых терморезисторов и их погрешность
определяются ГОСТ 6651-84.
В случаях, когда не требуется высокая точность измерения,
например для технических целей, чувствительные элементы ТПС из-
готовляются не из дорогой платины, а из других чистых металлов.
Для измерения сверхнизких температур чувствительные элементы
изготовляются главным образом из сплавов и полупроводников. Для
измерения средних температур в качестве материала чувствительного
элемента ТПС применяются, наряду с платиной, медь, никель, воль-
фрам, железо. Основные требования, предъявляемые к ТПС: взаимо-
заменяемость, простота и надежность в работе.
Полупроводниковые ТПС. Целесообразно разделить полупро-
водники, используемые при измерении низких температур, на мате-
риалы, обладающие отрицательным ТКС – термисторы, и материа-
лы, обладающие положительным ТКС – позисторы. Все полупровод-
никовые ТС имеют сравнительно небольшой срок применения, по-
этому они не вошли в номенклатуру приборов, используемых в мет-
рологии.
Термоэлектрические преобразователи. Термоэлектрический
преобразователь представляет собой термопару, состоящую из двух
разнородных проводников Р и Q, соединенных между собой в двух
точках. На границе раздела двух различных металлов имеется кон-
тактная разность потенциалов, зависящая от рода металлов и от тем-
пературы контакта. В разомкнутой цепи развивается результирующая
ЭДС, называемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Места
контактов называются спаями термопары.
Градуировочные характеристики и допустимые погрешности
термопар приведены в ГОСТ 3044-84. Термоэлектроды изолируют
друг от друга керамическими бусами или керамической трубкой; од-
ним своим концом они свариваются, другим – подсоединяются к за-
жимам в головке, служащей для подключения внешних проводов.
Термоэлектроды помещаются в защитный чехол (трубку, закрытую с
одной стороны). Чехол делается из жаропрочной стали, а при измере-
нии очень больших температур – из керамики или кварца. Место

33
соединения термоэлектродов называется горячим или рабочим спаем.
Противоположные концы называются холодными или свободными.
Обычно в месте свободного спая термопара разомкнута. ЭДС термо-
пары обычно не превосходит 50 мВ.
Провода подбираются так, чтобы при температуре свободных
спаев и в паре между собой они имели такие же термоэлектрические
свойства, как и рабочая термопара. При подсоединении к термопаре
компенсационные провода удлиняют ее и дают возможность отвести
холодный спай образованной составной термопары в такое место, где
температура остается постоянной.
Выбор датчиков температуры производят в зависимости от
условий эксплуатации, пределов измеряемой температуры, требова-
ний к конструкции и точности измерения (табл. 1 .1).
Таблица 1.1
Условные обозначения и пределы измеряемых температур
различными типами термопар
Тип термопары
Обозначе-
ние
МЭК
Буквен-
ное
обозна-
чение
НСХ
Пределы измеряемых
температур, С°
нижний верхний
крат-
ковре-
менно
Медь-константановая
ТМКн
Cu-CuNi
T
–200
350
400
Хромель-копелевая ТХК
—
L
–200
600
800
Хромель-константановая
ТХКн
NiCr-CuNi
E
–200
700
900
Железо-константановая
ТЖК
Fe-CuNi
J
–200
750
900
Хромель-алюмелевая
ТХА
NiCr-NiAl
K
–200
1200
1300
Нихросил-нисиловая
ТНН
NiCrSi-NiSi
N
–200
1200
1300
Платинородий-
платиновые ТПП13
ТПП10
—
R
S
0
1300
1600
Платинородий-
платинородиевая
—
B
600
1700
—
Вольфрамрений-
вольфрамрениевые
(А-1; А-2; А-3)
—
—
0
2200
2500

34
Датчики температуры должны быть оснащены электрическими
нормирующими преобразователями с токовым выходом 4...20 мА,
для передачи измеренного сигнала на УСО.
В качестве примера приведем один из вариантов выбора интел-
лектуального датчика для измерения температуры газа в технологи-
ческих трубопроводах Метран-276 (рис.1 .4). Это устройство также
применяется в зонах, где возможно образование взрывоопасных сме-
сей, газов, паров, горючих жидкостей с воздухом.
Основные технические данные датчика Метран-276 [11] приве-
дены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Технические данные датчика Метран-276
Рис. 1.4. Внешний вид ТСМУ Метран-276
Датчик Метран-276 предназначен для измерения температуры
различных сред путем преобразования сигнала первичного преобра-
зователя температуры в унифицированный выходной сигнал посто-
янного тока.
1.7.2. Выбор датчиков давления. Датчики давления использу-
ются для измерения давления или перепада (разности) давления.
В качестве чувствительного элемента датчиков давления обычно
Выходной сиг-
нал,
мА
Основная погреш-
ность, %
Интервал окружающих тем-
ператур, oС
0–5; 0–20; 4–20
0,25; 0,5
0–100; 0–200; 0–300

35
используются тензометрические элементы, изменяющие свое
сопротивление под действием деформаций.
Рассмотрим в качестве примера выбор датчика давления Мет-
ран-100-Ex-ДИ и датчика разности давлений Метран 100-Ex-ДД, ко-
торые относятся к одной категории интеллектуальных датчиков дав-
ления Метран-100-Ex [11]. Применение микропроцессоров в разра-
ботке этого датчика обеспечило ему неоспоримые преимущества:
улучшенную работу датчика в результате компенсации воздействий
окружающей среды и дистанционную связь для получения диагно-
стической информации и управления датчиком.
Интеллектуальный датчик использует для передачи измеритель-
ной информации выходной сигнал 4...20 мА с наложенным на него
цифровым сигналом в стандарте HART. Протокол HART (Highway
Adressable Remote Transduser), разработанный компанией Rosemount
в середине 80-х годов, реализует известный стандарт Bell 202 FS.
Цифровой и аналоговый сигналы передаются одновременно по одной
паре проводов. На сегодняшний день в мире установлено более 600
тысяч HART-узлов. Наличие международной организации «HART
Communication Foundation» позволяет активно поддерживать и про-
двигать эту промышленную сеть в среде пользователей. ПГ «Метран»
первая из российских производителей стала членом этой организации
и единственным предприятием в России, производящим и продвига-
ющим на рынок средства автоматизации с HART-сигналом. В насто-
ящее время HART-протокол получил наибольшее распространение
как средство эксплуатационной коммуникации в системах автомати-
зации технологических процессов.
Значения сигнала датчика в цифровом виде выводятся на жид-
кокристаллический индикатор (ЦИ), встроенный в корпус электрон-
ного блока. ЦИ может также выполняться в виде выносного индика-
тора (ВИ), подключаемого к датчику через специальный разъем.
С помощью встроенной в датчик кнопочной панели управления осу-
ществляются:
- контроль текущего значения измеряемого давления;
-
контроль настройки параметров датчика: автоматическая ка-
либровка нулевого значения выходного сигнала датчика, настройка
единиц измерения, настройка времени усреднения выходного сигнала
(демпфирования), настройка диапазона измерений, в том числе на не-
стандартный, установка нижнего предела измерений (НПИ), выбор
прямой, линейной, инверсной или корнеизвлекающей характеристики

36
выходного сигнала;
- калибровка датчика;
-
защита настроек параметров от несанкционированного изме-
нения.
Датчики Метран-100 (рис. 1 .5) осуществляют непрерывную са-
модиагностику, которая обеспечивает контроль работы датчика и
формирует сообщения при возникновении неисправностей. Установ-
ка нулевого значения датчика выполняется нажатием внешней кноп-
ки без разгерметизации корпуса электронного преобразователя и без
нарушения требований взрывозащиты. Это особенно важно для дат-
чиков во взрывозащищенном исполнении, т.к . нет необходимости
демонтажа и выноса датчика из взрывоопасной зоны.
а
б
Рис.1.5. Датчик избыточного давления (а)
и дифференциального давления (б)
Метран-100-Ex имеет защиту от обратной полярности напряже-
ния питания. При прерывании питания датчика на время не более
20 мс в датчике сохраняется режим измерения давления. Время уста-
новления выходного сигнала после восстановления питания не более
5 мс. Принцип действия датчиков основан на использовании пьезоре-
зистивного эффекта в гетероэпитаксиальной пленке кремния, выра-
щенной на поверхности монокристаллической пластины из искус-
ственного сапфира. Чувствительный элемент с монокристаллической
структурой кремния на сапфире является основой всех сенсорных

37
блоков датчиков семейства «Метран». Основные технические
характеристики датчика приведены в табл. 1 .3 .
Таблица 1.3
Технические характеристики датчика Метран -100
Характеристика
Значение
Диапазоны измеряемых давлений
мин. 0 – 0,04 кПа;
макс. 0 – 100 мПа
Основная погрешность измерений
до ±0,1% от диапазона
Диапазон перенастроек пределов измерений
до 25:1
Выходной сигнал
4...20 мА, HART
Напряжение питания, В
12–42
Степень защиты от воздействия пыли и
воды по ГОСТ 14254
IP65
Атмосферное давление эксплуатации, кПа
84,0 – 106,7
Гарантийный срок эксплуатации
3 года
При деформации чувствительного элемента под воздействием
входной измеряемой величины (например, давления или разности
давлений) изменяется электрическое сопротивление кремниевых тен-
зорезисторов мостовой схемы на поверхности этого чувствительного
элемента. Электронное устройство датчика преобразует электриче-
ский сигнал от тензопреобразователя в стандартный аналоговый сиг-
нал постоянного тока или в цифровой сигнал в стандарте протокола
HART, или цифровой сигнал на базе интерфейса RS485. В памяти
сенсорного блока (АЦП) хранятся в цифровом формате результаты
калибровки сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и темпера-
тур. Эти данные используются микропроцессором для расчета коэф-
фициентов коррекции выходного сигнала при работе датчика. Циф-
ровой сигнал с платы АЦП сенсорного блока вместе с коэффициен-
тами коррекции поступает на вход электронного преобразователя,
микроконтроллер которого производит коррекцию и линеаризацию
характеристики сенсорного блока, вычисляет скорректированное зна-
чение выходного сигнала датчика. Для лучшего обзора жидкокри-
сталлического индикатора (ЖКИ) и для удобного доступа к двум от-
делениям электронного преобразователя последний может быть по-
вернут относительно измерительного блока от установленного

38
положения на угол не более 90° против часовой стрелки.
1.7.3. Выбор датчиков загазованности. Датчики загазованно-
сти используются при необходимости сигнализации о превышении
уровня загазованности в помещениях при выполнении технологиче-
ских процессов нефтехимической промышленности и на технологи-
ческих установках различного применения. Чувствительным элемен-
том датчика загазованности обычно является термочувствительный
активный (например, полупроводниковый) элемент, являющийся ка-
тализатором при химической реакции окисления газов и изменяющий
при этом свои электрические характеристики.
В качестве примера рассмотрим применение сигнализатора зага-
зованности СТМ-10 (рис.1 .6). Сигнализатор загазованности СТМ-10
предназначен для непрерывного контроля до взрывоопасных концен-
траций в воздухе помещения и открытых пространств горючих газов,
паров и их смесей. Принцип действия датчика сигнализатора термо-
химический и основан на изменении теплового эффекта от окисления
горючих газов и паров на каталитически активном элементе датчика.
Рис. 1.6. Внешний вид сигнализатора СТМ-10
Сигнализаторы СТМ-10 имеют:
1) сигнализацию красного цвета о достижении концентрации
срабатывания аварийной сигнализации;
2) сигнализацию красного цвета о достижении концентрации
срабатывания предупредительной сигнализации;
3) сигнализацию желтого цвета прерывистую о наиболее

39
вероятной неисправности сигнализатора;
4) контакты для коммутации внешних цепей сигнализации;
5) индикацию концентрации.
Основные технические данные сигнализатора СТМ-10 показаны
в табл. 1.4.
Таблица 1.4
Технические данные сигнализатора СТМ-10
1.7.4. Выбор датчиков уровня. Применяются для измерения
уровня жидкости в различных технологических резервуарах и емко-
стях. В качестве чувствительного элемента обычно используют кон-
цевые выключатели поплавкого типа или электрически проводящие
пластины из различных материалов (например, металлические) для
непрерывного измерения уровня.
Рис. 1.7. Внешний вид уровнемера УБ-ЭМ-Ex
Выходной
унифицированный
сигнал, В
Напряжение, В
Номинальная
частота, Гц
Мощность, Вт
0–1
220
50
15

40
Рассмотрим в качестве примера уровнемер буйковый
УБ-ЭМ-Ex, предназначенный для работы в системах автоматического
контроля, регулирования и управления технологическими процесса-
ми в нефтеперерабатывающей, газовой, химической и других отрас-
лях промышленности. Уровнемер (рис. 1 .7) осуществляет непрерыв-
ное преобразование значения измеряемого параметра – уровня жид-
кости или границы раздела двух несмешивающихся жидкостей как
нейтральных, так и агрессивных – в стандартный токовый выходной
сигнал дистанционной передачи.
Основные технические характеристики приведены в табл. 1 .5 .
Таблица 1.5
Технические характеристики УБ-ЭМ-Ex
Характеристика
Значение
Выходной сигнал, мА
0..5; 0..20; 4..20
Температура измеряемой среды,oС
от –50 до +120
Давление измеряемой среды, Мпа
2,5..16
Плотность измеряемой среды
кг/м3
400..2000
Пределы измерения, м
0,25..10 (уровень);
0,6;1,0;1,6 (границы раздела фаз)
Материал и конструкция чувстви-
тельного элемента
12Х18Н10Т (буек)
36НХТЮ (мембрана ввода)
Погрешность, %
±0,5; ±1,0
Питание, потребляемая мощность
36В,1,2ВА
Монтаж
фланцевый
Исполнение
пылевлагозащищѐнное IP54;
взрывозащищѐнное OEхiaПСТ6
Условия эксплуатации
от 50 до +80oС, влажность 95% при
+35oС
Масса, кг
3,5..16
Срок службы
14 лет
1.8. Регулирующие устройства и автоматические регуляторы
(типовые управляющие устройства)
Аналоговые и дискретные (цифровые) регуляторы.
К типовым управляющим устройствам (регулирующим устрой-
ствам и автоматическим регуляторам) относится большинство

41
регуляторов, выпускаемых промышленностью и массово используе-
мых на предприятиях [7]. Аналоговые регуляторы для управления
используют аналоговые сигналы, принимающие все возможные зна-
чения из своего диапазона. Дискретные используют дискретные сиг-
налы, принимающие, как правило, только два значения типа «включе-
но»/ «выключено» («есть воздействие»/«нет воздействия», «есть ток»/
«нет тока», «1»/«0», «да»/«нет» и т.д.).
Импульсные типовые регуляторы для управления используют
импульсы напряжения, подаваемые на объект. Цифровые регуляторы
в своем составе имеют микроконтроллер, работающий по заложен-
ному в памяти устройства алгоритму управления. Цифровые устрой-
ства достаточно гибки с точки зрения их программирования. Они
позволяют реализовать практически любой принцип регулирования,
включая принципы аналоговых регуляторов.
В зависимости от вида используемой энергии управляющие
устройства подразделяются на следующие типы:
- механические,
- гидравлические (используется энергия воды),
- п невматические (используется энергия сжатого воздуха),
- электрические.
Наиболее распространенные на предприятиях регуляторы:
- п невматические (например, ПР 3.31 и др.);
- электрические (Протерм-100, Протар-100, блоки регулирова-
ния для КСП-4, КСУ-4, КСМ-4 и др.);
- цифровые (на основе ПЛК – Ремиконт-100, Ремиконт-130,
Ш-72, Ш-711, Микродат, Эмикон, Allen-Braidly, Siemens, ABB, Yoko-
gawa, Advantech ADAM и др.).
В современных системах управления используются преимуще-
ственно электрические устройства. Однако при выборе технических
средств нужно руководствоваться, прежде всего, спецификой процес-
са. Если нет необходимости использования сложных алгоритмов
управления, не требуется высокой точности, если объект не является
рассредоточенным и не требует большого числа приборов, то здесь
можно эффективно использовать пневматические средства. Данные
устройства имеют некоторые преимущества перед электрическими:
они пригодны для эксплуатации во взрыво- и пожароопасных зонах,
вся автоматика защиты (отсечные клапаны) смонтированы на пнев-
мосредствах, просты в эксплуатации не требуют особой подготовки
персонала, кроме того, они дешевле.

42
Регуляторы изготавливаются либо в виде отдельных самостоя-
тельных устройств, подключаемых к ОУ, либо в виде модулей
регулирования для контроллеров и регистраторов [12].
Рис. 1.8. Обобщенная структурная схема САиУ
На вход регулятора поступает сигнал рассогласования – разница
между измеренным сигналом X и заданным уровнем W (уставкой)
(рис. 1 .8). Задача регулятора состоит в том, чтобы так управлять ис-
полнительным устройством, чтобы сигнал рассогласования свести к
нулю при наличии возмущений. Регулятор отделен от объекта регу-
лирования исполнительным устройством и датчиком. Несмотря на то,
что они входят в состав системы управления, регулятор «не знает»
сигналов V и T, непосредственно связанных с объектом. С точки зре-
ния регулятора, ему приходится управлять не только одним объек-
том, а целой системой из трех элементов: исполнительным устрой-
ством, объектом, датчиком. Это усложняет управление и понижает
его качество.
Регуляторы характеризуются зависимостью сигнала управления
U(t) от рассогласования ε(t):
U (t) = F{ε(t)}.
(1.1)
В общем случае функция F{ε(t)} нелинейная интегро-дифферен-
циальная. Целевая функция регулятора – свести рассогласование к
нулю при наличии возмущающих факторов.
По закону регулирования регуляторы подразделяются:
-
на релейные – позиционные (двухпозиционные);

43
-
алгоритмические, в основе которых лежит определенный ма-
тематический алгоритм регулирования, например, пропорционально-
интегрально-дифференциальный (сокращенно ПИД), а также раз-
личные его разновидности: П, ПИ, ПД.
1.8.1. Позиционный регулятор. Основными достоинствами по-
зиционного регулятора является его простота, «очевидность» алго-
ритма его работы, отсутствие параметров, требующих настройки под-
готовленными специалистами. Широкому применению позиционных
регуляторов способствует и то обстоятельство, что в промышленно-
сти имеется много объектов, где применение позиционного регулято-
ра даѐт приемлемое качество регулирования.
Позиционный регулятор имеет ступенчатую функцию управле-
ния (рис.1 .9). Это означает, что сигнал управления, подаваемый на
исполнительное устройство, у позиционного регулятора может при-
нимать только крайние значения в интервале от 0 % до 100 %, т.е.
только 0 % и 100 %. Это предполагает полное включение или выклю-
чение исполнительного устройства.
Главной особенностью применения позиционного регулятора
является то, что качество регулирования полностью определяется па-
раметрами и конструктивными особенностями объекта регулирова-
ния, исполнительного устройства и датчика и не зависит от регулято-
ра – регулятор настолько прост, что даже не имеет никаких парамет-
ров, позволяющих учесть свойства объекта.
Рис. 1.9. Функция управления позиционного регулятора
В большинстве случаев позиционные регуляторы используют
для регулирования температурой нагрева. В этом случае в качестве
конструктивных мер, повышающих точность управления нагревом,
можно назвать следующие:
-
уменьшение инерционности датчика по сравнению с инерци-
онностью объекта управления;

44
-
перемешивание (или другие подобные действия), обеспечива-
ющее более равномерное распределение температуры в объекте и
уменьшающее запаздывание распространения температуры от нагре-
вателя к датчику;
-
пространственное распределение нагрева в объеме, например,
за счет замены одного мощного сосредоточенного нагревателя мно-
гими малой мощности и распределенных в объеме;
-
приближение датчика к нагревателю.
Несмотря на большую распространенность позиционных регу-
ляторов, в промышленности существует множество задач, для реше-
ния которых недостаточно точности регулирования, обеспечиваемой
позиционным регулятором. С другой стороны, в ряде случаев при-
менение позиционного регулятора невозможно из-за того, что он
предполагает полное включение-выключение исполнительного
устройства. Однако для таких исполнительных устройств, как ин-
фракрасные безынерционные излучатели, задвижки, такой режим
управления крайне не желателен.
1.8.2. ПИД-регулятор. Широко распространенным алгоритмом
регулирования является пропорционально-интегрально-дифферен-
циальный (сокращенно ПИД), а также различные его разновидно-
сти: П, ПИ, ПД.
ПИД-регулятор с успехом можно применять вместо позицион-
ного регулятора, но главные его преимущества проявляются в тех за-
дачах, с которыми позиционный регулятор не справляется.
В классическом ПИД-регуляторе сигнал управления U связан с
сигналом рассогласования ε = X – W следующими соотношениями:
U(ε)=ε+
dt
Ti
ε
1
+
dt
d
Td
ε
,
(1.2)
где Х
–
измеренная величина,
W – уставка,
ε
–
пропорциональная компонента (сигнал рассогласования),
Pb
–
зона пропорциональности,
dt
Ti
ε
1
–
интегральная компонента,
Ti
–
постоянная интегрирования,
dt
d
Td
ε
–
дифференциальная компонента,
Td
–
постоянная времени дифференцирования.

45
Сигнал управления при ПИД-алгоритме может принимать раз-
личные значения в интервале от 0% до 100%, а не только крайние 0%
и 100%, как у позиционного регулятора. Сигнал управления в ПИД-
алгоритме формируется тремя компонентами: пропорциональной,
интегральной и дифференциальной. Несмотря на кажущуюся матема-
тическую сложность данного алгоритма, каждая компонента имеет
ясный физический смысл.
Рассмотрим пропорциональную составляющую регулятора.
Позиционный регулятор имеет дело с крайностями: либо полно-
стью включает, либо полностью выключает исполнительное устрой-
ство (рис.1.8). Иными словами, обратная связь в контуре регулирова-
ния слишком сильная, и в системе возбуждаются колебания. Резуль-
тат можно улучшить, если при подходе регулируемой величины к
уставке сбрасывать мощность, подводимую к исполнительному
устройству, пропорционально рассогласованию. Этот принцип реали-
зует пропорциональный (П) регулятор.
Рис. 1.10. Зависимость сигнала управления от сигнала с датчика
Как видно (рис. 1 .10), функция управления в пропорциональном
регуляторе, в отличие от позиционного, имеет наклонный участок,
который обеспечивает плавное изменение мощности на входе испол-
нительного устройства при подходе к уставке. Наклон функции
управления, а значит, и глубина обратной связи определяются вели-
чиной зоны пропорциональности Pb. Очевидно, позиционный регуля-
тор является частным случаем пропорционального при Pb =0. С уве-
личением Pb глубина обратной связи уменьшается и регулирование
становится более мягким.
С ростом величины зоны пропорциональности, т.е. с уменьше-

46
нием глубины обратной связи в контуре регулирования, изменения
сигнала управления уменьшаются.
Погрешность, обусловленная колебаниями в релейном регуля-
торе, в пропорциональном регуляторе сменится погрешностью, свя-
занной с остаточным рассогласованием между установившимся зна-
чением выходной величины и уставкой W. Остаточное рассогласова-
ние можно скомпенсировать, скорректировав соответствующим об-
разом уставку. Однако такой подход осложняется тем, что остаточное
рассогласование зависит от внешних возмущений, и каждый раз при
возмущениях требуется новая коррекция уставки. Таким образом,
возникает потребность в алгоритме, который бы автоматически
устранял остаточное рассогласование. Такую функцию выполняет
интегральная компонента в ПИ и ПИД-регуляторах. Роль интеграль-
ной компоненты станет очевидной, если несколько иначе записать
формулу для ПИ-регулятора
U(ε)=x –(W–ΔW),
(1.3)
гдеΔW= dt
Ti
ε
1
.
При такой форме записи ПИ-регулятор напоминает П-регулятор,
в котором уставка теперь корректируется на величину интеграла ∆W.
Интеграл автоматически корректирует уставку до тех пор, пока рас-
согласование не станет равным нулю (при ε=0 интеграл не меняется).
Если изменяются потери, возникает рассогласование и интеграл ав-
томатически скорректирует свое значение так, чтобы рассогласование
опять стало равным нулю. Постоянная времени интегрирования Ti
определяет, насколько сильно происходит коррекция уставки при
наличии рассогласования.
Дифференциальная компонента в ПИД-алгоритме обеспечивает
предсказание поведения системы на интервал времени Td вперед.
Действие регулятора при наличии дифференциальной компо-
ненты можно описать следующим образом. Если выходная перемен-
ная в объекте быстро приближается к уставке, то регулятор заранее
начинает сбрасывать мощность при движении к уставке снизу и
наращивать – при движении сверху, причем тем сильнее, чем выше
скорость изменения сигнала с датчика. Поэтому при работе ПИД-
регулятора нередки ситуации (на первый взгляд кажущиеся странны-
ми), когда контролируемая переменная в объекте выше уставки,

47
а регулятор выдает большой сигнал управления на исполнительное
устройство. Часто это воспринимается как ошибка в работе регулято-
ра. Датчики обладают инерционностью и, следовательно, вносят не-
которую задержку τД в измеренный сигнал.
Эта задержка обуславливает динамическую погрешность изме-
рения. Поскольку предсказание по своему действию обратно задерж-
ке, дифференциальная компонента позволяет компенсировать вре-
менную задержку, связанную с датчиком. Таким образом, регулятор
по измеренному сигналу с датчика с помощью дифференциальной
компоненты восстанавливает контролируемую переменную в объек-
те. Влияние датчика как бы исключается из системы управления.
С этим связано повышение качества регулирования. Понятно,
что постоянная времени дифференцирования Td должна быть близка
к времени инерции датчика τД.
Таким образом, ПИД-регулятор позволяет получить хорошее
качество регулирования в системах, для которых позиционное регу-
лирование неприменимо.
Хорошее качество регулирования с помощью ПИД-регулятора
можно получить только в том случае, если параметры регулятора со-
ответствуют свойствам объекта, исполнительного устройства и дат-
чика. ПИД-регулятор, в отличие от позиционного, требует настройки
параметров. Пропорциональная компонента отвечает за наличие ко-
лебаний в системе и обуславливает остаточное рассогласование меж-
ду установившейся температурой в объекте и уставкой. Зону пропор-
циональности следует выбирать минимально возможной, но так, что-
бы в системе не было колебаний. Интегральная компонента устраняет
остаточное рассогласование. Слишком малое время интегрирования
приводит к возникновению колебаний, большое – затягивает пере-
ходный процесс. Дифференциальная компонента повышает устойчи-
вость и быстродействие регулятора. Однако при наличии возмущений
это может сопровождаться сильным маневрированием исполнитель-
ного устройства.
1.9. Типовые исполнительные устройства
Регулирующий орган, исполнительный механизм.
Исполнительным устройством (ИУ) называется устройство в
системе управления, непосредственно реализующее управляющее

48
воздействие со стороны регулятора на технологический объект
управления путем механического или другого рода энергетического
воздействия регулирующего органа (РО) объекта, например, измене-
ние электрического тока через нагрузку, механической подачи суп-
порта станка и т.п .
Практически любой РО можно условно разложить на две компо-
ненты:
- с обственно РО, осуществляющий непосредственный контакт и
взаимодействие с технологической средой, веществом, материалом
или теплоносителем и призванный изменять через свою исполни-
тельную часть количественные или качественные характеристики
вещества или материала. РО наиболее часто представлены в виде ме-
ханических устройств – трубопроводной арматуры (регулирующие
клапаны), стержней, находящейся в рабочей зоне установки, механи-
чески связанных узлов и компонентов, взаимодействующих друг с
другом в процессе протекания технологических процессов, или,
например, электромеханических (реле, контакторы, электродвигате-
ли) и электронных устройств (управляемый тиристорный выпрями-
тель, полупроводниковый преобразователь и т.п .);
-
исполнительный механизм (ИМ) или привод регулирующего
органа, осуществляющий управляемое преобразование одного вида
энергии (энергии сжатого газа в пневматических системах, электри-
ческой, гидравлической и др. видов энергии) в механическую или
электрическую энергию, прикладываемую к регулирующему органу,
в результате чего исполнительная часть РО выполняет возлагаемые
на нее функции.
Стандартные ИМ работают в комплекте с РО, образуя вместе
ИУ, и классифицируются:
-
по виду энергии, создающей перестановочное усилие (элек-
трические, пневматические, гидравлические, комбинированные, руч-
ные);
- по виду движения (прямоходовые, однооборотные и многообо-
ротные);
-
по принципу создания перестановочного усилия (мембранные,
поршневые, сильфонные, лопастные, электромагнитные, электродви-
гательные и др.).
Электрические ИМ имеют преимущества: высокое быстродей-
ствие, компактность, доступность источника энергии, большие пере-
становочные усилия. Недостатки: дороговизна, необходимость мер

49
защиты во взрыво- и пожароопасных условиях.
Электрические ИМ подразделяются на электродвигательные
(привод от двигателя) и электромагнитные.
Электродвигательные ИМ с напряжением 220 В или 380 В могут
быть:
- многооборотные (МЭМ), выходной элемент вращается более
360o, для управления шиберными и клиновыми задвижками;
-
однооборотные (МЭО) с углом поворота до 360o (выходной
элемент вращается по дуге), для управления шаровыми кранами и по-
воротными дисковыми затворами;
- прямоходовые (МЭП), выходной элемент перемещается посту-
пательно для управления клапанами любых типов.
Пример маркировки: МЭО-0,63/10-0,25 (однооборотный элек-
трический ИМ, момент 6,3 Н.м, время хода 10 с, номинальный ход
0,25 оборота).
Рассмотрим некоторые из типовых ИМ [13], которые наиболее
часто используются в промышленной автоматизации.
1.9.1. Пневматические исполнительные механизмы. Предна-
значены для преобразования изменений давления воздуха Р на выхо-
де регулятора в перемещение регулирующего органа – клапана, за-
слонки, шибера, крана и т. п . Регулирующий орган изменяет расход
потока жидкости, газа, пара и т. п. на объекте управления и тем са-
мым вызывает изменение регулируемого технологического парамет-
ра.
Пневматические системы автоматизированного управления до-
статочно громоздкие, требуют организации сетей подготовки и рас-
пределения сжатого воздуха, который к тому же расходуется при ра-
боте пневматических систем. Вместе с тем простота конструкции
пневмоприводов, а как следствие этого – достаточно высокая их
надежность и ремонтопригодность позволяют успешно использовать
такие приводы и в современных системах автоматизированного
управления технологическими процессами.
По типу привода пневматические исполнительные механиз-
мы делятся на мембранные, поршневые, поворотные, пневмодвигате-
ли вращающиеся.
Схема мембранного исполнительного механизма (МИМ) пока-
зана на рис. 1 .11 [14].
Перемещение выходного штока 2 (рис. 1.11), соединенного с регу-

50
лирующим органом, в одну сторону осуществляется силой, которая
создается давлением Р, в другую – усилием пружины 3. Сигнал Р
поступает в герметичную мембранную «головку», в которой находится
мембрана из прорезиненной ткани толщиной 2 – 4 мм с жестким цен-
тром.
а
б
Рис. 1.11. Мембранный исполнительный механизм, установленный на регули-
рующем клапане (а) и его устройство (б):
1 – регулирующий орган 2 – шток; 3 – пружина; 4 – мембрана; 5 – сальник
Снизу на мембрану давит пружина 3. В мембранных исполни-
тельных механизмах давление управляющего воздуха воздействует
на мембрану 4, зажатую по периметру между крышками привода, и
создает усилие, которое уравнивается пружиной 3. Таким образом,
ход штока 2 привода пропорционален величине управляющего дав-
ления.
Жесткость и предварительное сжатие пружины определяет диа-
пазон усилий привода и номинальный ход.
Статические характеристики большинства МИМов близки к ли-
нейным, однако они обладают зоной гистерезиса, составляющей 2 –
15 % от наибольшего значения Р. Эта величина зависит от усилий
трения в сальнике 5, от перепада давлений на регулирующем органе,
от характеристик пружины и эффективной площади мембраны.
Поршневые пневматические приводы применяют в тех слу-
чаях, когда требуется линейное перемещение штока исполнительного
механизма на большое расстояние – до 300 мм. Для повышения точ-
ности и улучшения динамических характеристик поршневые приво-
ды снабжают также позиционерами, а сами приводы в этом случае
называют следящими.

51
Пневматический поршневой привод 1 (рис. 1 .12, а) работает
следующим образом. Пневматический входной сигнал от управля-
ющего устройства поступает в рабочую полость и воздействует на
поршень 3. При этом пружины 5 противодействуют усилию, создава-
емому давлением сжатого воздуха в цилиндре 2, вследствие чего
шток привода 4 перемещается на величину, обратнопропорциональ-
ную жесткости пружин 5.
а
б
Рис. 1.12. Схематический разрез нормально закрытого поршневого пневмати-
ческого привода (а) и внешний вид поворотного пневматического привода
лопастного типа ППР (б)
Поворотные пневматические приводы типа ППР (рис. 1 .12, б)
предназначены для управления трубопроводной арматурой (краны
шаровые и пробковые, затворы дисковые и шиберные и т.п .) при ана-
логовом или дискретном управлении положением запорного элемен-
та, когда управляющее воздействие на шток запорного элемента тре-
бует поворотного воздействия или приложения к нему вращательного
момента.
Поворотные пневматические приводы могут рассматриваться
как некоторая разновидность поршневого пневматического приво-
да, где поршень, выполненный в виде лепестка, перемещается под
давлением управляющего воздуха в специальной камере. Движение
силового элемента (лепестка) пневмопривода непосредственно пе-
редается на вал запорного элемента трубопроводной арматуры, обес-
печивая его требуемое положение.
Поворотные пневматические приводы могут оснащаться допол-
нительными блоками, обеспечивающими аналоговое или дискретное
управление, а также сигнализацию положения вала. Взрывозащищен-
ные блоки имеют маркировку взрывозащиты IExdsIICT6 – виды

52
взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка».
1.9.2. Электропневматические преобразователи предназначе-
ны для преобразования стандартного токового сигнала в пневма-
тический сигнал для управления пневматическим исполнительным
механизмом. Например, стандартный токовый сигнал 4...20мА пре-
образуется в пневматический сигнал 0,2...1,0 бар или в сигнал любо-
го другого диапазона в соответствии с имеющимся давлением сжато-
го воздуха.
Принцип действия преобразователей основан на методе силовой
компенсации, при котором момент, развиваемый катушкой, располо-
женной в поле постоянного магнита, пропорциональный входному
сигналу, компенсируется моментом силы, развиваемым сильфоном
обратной связи. Элементом, устанавливающим равновесие моментов,
является пневматическая система «сопло – заслонка».
Принципиальная схема преобразователя приведена на рис. 1 .13
[14]. Входной сигнал Iв вводят в катушку (К), в которой расположен
постоянный магнит М, притягивающий с определенной силой, про-
порциональной Iв, рычаг S. Это ведет к изменению расстояния между
соплом и заслонкой в ПС и давлений на входе P1 и выходе Р усили-
теля мощности. Одновременно изменяется давление в сильфоне С,
включенном в контур отрицательной обратной связи, что приводит к
восстановлению равновесия рычажного сумматора S. Настройку
преобразователя производят винтом H, изменяющим расстояние от
оси сильфона до оси вращения S, а также шунтом постоянного магни-
та Ш. Точная настройка диапазона осуществляется шунтом Ш магни-
топровода.
а
б
Рис. 1.13. Принципиальная схема (а) и внешний вид (б) электропневматического
преобразователя

53
1.9.3. Электрические исполнительные механизмы. В соответ-
ствии с ГОСТ 14691-69 «Устройства исполнительные для систем ав-
томатического регулирования» электрические исполнительные ме-
ханизмы (далее ЭИМ) определяются как исполнительные механизмы,
использующие электрическую энергию. ЭИМ предназначены для пе-
ремещения регулирующих органов исполнительных устройств в си-
стемах автоматического регулирования технологическими процесса-
ми в соответствии с командными сигналами автоматических регули-
рующих и управляющих устройств [15].
ЭИМ перемещают рабочие органы запорно-регулирующей тру-
бопроводной арматуры, обеспечивают функционирование регулиру-
ющих устройств: задвижек, заслонок, затворов, клапанов, шиберов,
шаровых кранов, отсекателей и т. д. в системах автоматического ре-
гулирования технологических процессов в различных отраслях про-
мышленности.
Они применяются также в процессах дистанционного открытия
закрытия ворот, дверей, люков, вентиляционных каналов и т. д.
Принцип работы ЭИМ заключается в преобразовании электри-
ческого сигнала, поступающего от регулирующего или управляюще-
го устройства, в перемещение выходного элемента, передающего пе-
рестановочное усилие или момент регулирующему органу.
Механизмы устанавливаются вблизи или на регулирующих ор-
ганах и связываются с ними посредством тяг, рычагов, шпинделей,
штоков или других силовых конструкционных элементов.
Для работы в системах автоматического регулирования ЭИМ,
называемые также электроприводы, часто содержат дополнительные
блоки или датчики обратной связи (датчики положения, дающие ин-
формацию о положении выходного элемента исполнительного меха-
низма, и блоки концевых выключателей), промежуточные выключате-
ли для сигнализации в определенном положении исполнительных
устройств, запуска или остановки дополнительного оборудования.
В зависимости от назначения арматуры (запорная или регули-
рующая) электроприводы оснащаются различными блоками сигнали-
зации положения. В электроприводах для запорной арматуры обычно
достаточно наличия концевых и моментных выключателей. Для за-
порно-регулирующих, регулирующих приводов, помимо концевых и
моментных выключателей, часто требуется блок сигнализации поло-
жения, т. е. положение арматуры представляется в виде непрерывного
сигнала. В различных типах приводов положение хода штока может

54
передаваться в виде реостатного, индуктивного или токового сигнала.
Как правило, большинство приводов имеют токовый блок положения
(диапазон изменения сигнала 4...20мА). Электроприводы выпуска-
ются как в общепромышленном, так и во взрывозащищенном испол-
нении.
Упрощенная кинематическая схема ЭИМ представлена на
рис. 1 .14.
В зависимости от типа электроприводы могут состоять из сле-
дующих основных узлов:
1 – электродвигатель;
2 – силовой редуктор с главной понижающей передачей;
3 – червячная пара (как пример силовой передачи);
4 – блок сигнализации положения выходного вала;
5 – реостатный датчик положения;
6 – концевые выключатели;
7 – кулачки концевых выключателей, кинематически связанные
с выходным валом механизма;
8 – узел преобразования вращения выходного вала;
9 – шариковинтовая пара для прямоходных механизмов;
10 – рычаг или коромысло для поворотных механизмов;
11 – ручной привод со своей передачей и механизмами блокиро-
вания/деблокирования ручного привода.
Рис. 1.14. Кинематическая схема ЭИМ

55
ЭИМ работает следующим образом. При подаче напряжения пи-
тания на электродвигатель 1 исполнительного механизма ротор по-
следнего начинает вращаться. Через силовой редуктор 2 с главной
понижающей передачей, например червячной 3, вращение от элек-
тродвигателя передается на выходной вал механизма, при этом бла-
годаря большому передаточному отношению частота вращения вы-
ходного вала механизма понижается, а момент на выходном валу ме-
ханизма возрастает. Закрепленные на выходном валу рычаг 10 или
механизм преобразования вращательного движения в поступательное
9 приходят в движение и при соединении их со штоком, например,
клапана, перемещают последний. При снятии напряжения с электро-
двигателя ротор электродвигателя с некоторым выбегом останавлива-
ется и движение выходного вала механизма прекращается. При ре-
версе электродвигателя кинематически связанный с ротором электро-
двигателя выходной вал механизма приходит во вращение в обратном
направлении, а при остановке электродвигателя также останавливает-
ся и выходной вал механизма.
Силовая передача и силовой редуктор, как уже отмечалось,
имеют, как правило, большое передаточное отношение, благодаря
чему силовая передача обладает свойством самоторможения и любые
моменты или усилия, прикладываемые со стороны выходного вала,
не приводят к вращению валов механизма. Выходной вал исполни-
тельного механизма, таким образом, сохраняет свое положение при
отсутствии сигналов управления и обесточенном электродвигателе.
Очевидно, что в этом случае исполнительный механизм представляет
собой разновидность интегратора, который суммирует и сохраняет
управляющие воздействия. Для контроля положения выходного вала
механизмы оснащаются блоками сигнализации 4, которые могут со-
держать датчики положения 5 и концевые микровыключатели 6, ко-
торые также кинематически связаны с главной силовой передачей
механизма, благодаря чему обеспечивается достоверная информация
о положении выходного вала механизма и его промежуточных поло-
жениях. Для перемещения выходного вала механизма без подачи
напряжения на электродвигатель, что бывает необходимо при монта-
же, пусконаладочных работах и при парировании аварийных ситуа-
ций, электроприводы оснащаются ручными дублерами 11, которые
могут быть либо постоянно подключенными к главной передаче ме-
ханизма, либо подключаться через соответствующие механизмы бло-
кирования/деблокирования ручного привода. На упрощенной

56
кинематической схеме (рис. 1 .14) показаны не все возможные функ-
циональные узлы современных электрических исполнительных меха-
низмов. В зависимости от конструкции привода исполнительные ме-
ханизмы могут содержать ограничители моментов и усилий (так на-
зываемые моментные муфты), компенсаторы линейных расширений,
антиконденсационные или антиморозные обогреватели, тормоза для
ограничения величины выбега выходного вала и предотвращения его
перемещения от усилия регулирующего органа при отсутствии напря-
жения на электродвигателе и целый ряд других узлов и элементов.
Современные так называемые «интеллектуальные электроприво-
ды» (рис. 1 .15) дополнительно могут содержать электронные блоки
для диагностики работоспособности механизмов, связи с системами
контроля и управления более высокого уровня, локальные регулято-
ры, сигнализаторы, кнопки и ключи для местного дистанционного и
автоматического управления.
а
б
в
г
Рис. 1.15. Электрические исполнительные механизмы:
а – исполнительный механизм МЭО-6,3/10-0,25-01;
б – многооборотный электропривод с электромеханической системой управления
Гусар-МВ М.В.И12. 50. 28 .У;
в – электропривод прямоходный ST 0 (ELECTRIC LINEAR ACTUATOR), Словакия;
г – интеллектуальный электропривод ICON2000, Италия
Следует отметить, что отечественная и зарубежная промышлен-
ность выпускают наборы функциональных узлов исполнительных
механизмов: редукторы, электродвигатели, блоки конечных выклю-
чателей, ручные приводы, блоки индикации, встраиваемые микро-

57
контроллеры, функциональную электронику. Эти функциональные
узлы исполнительных механизмов позволяют создавать проектно-
компонуемые изделия по составу, которые, в свою очередь, могут в
зависимости от требований конкретного применения иметь ком-
плектацию от самой простой до самой сложной.
К основным характеристикам, которые приводятся в техниче-
ской документации и являются определяющими при выборе ис-
полнительного механизма, можно отнести:
-
исполнение (в зависимости от конструкции электропривода,
характера движения, вида выходного органа и способа установки);
- назначение;
- уровень взрывозащиты;
-
уровень защиты от проникновения влаги и пыли или степень
защиты от попадания твердых частиц, пыли и воды (IP);
- климатическое исполнение (У, УХЛ);
- рабочее положение механизма;
- номинальный крутящий момент на выходном валу;
- номинальное время полного хода выходного вала;
- номинальное значение полного хода выходного вала;
- потребляемая мощность;
- габариты, масса;
- диапазон настройки путевых выключателей (обороты);
- диапазон настройки моментных выключателей;
- точность срабатывания путевых выключателей;
- точность срабатывания моментных выключателей.
Интеллектуальные приводы, благодаря встроенной электрони-
ке, позволяют существенным образом увеличить функциональность
привода с широким набором функций по настройке и управлению
приводом, что особенно полно проявляется в составе регулирующей
арматуры.
Интеллектуальные приводы для трубопроводной арматуры поз-
воляют обеспечивать:
- управление приводом (автоматическое от системы и дистанци-
онное с местного поста управления или удаленного пульта
управления);
- прием и передачу данных;
- блокировку;
- предупредительную сигнализацию;
- защитное отключение и управление;

58
- и ндикацию;
- настройки привода;
- регистрацию;
- регулирование температуры приборного отсека или механизма;
- просмотр переменных состояния привода.
Поскольку ЭИМ в силу своих конструктивных особенностей и
принципа действия представляет собой разновидность интегратора,
то это свойство существенным образом выделяет и характеризует его
как объект управления. При рассмотрении схем автоматизации с
применением электроприводов необходимо также учитывать, что
электропривод, являясь физическим устройством, потребляет значи-
тельную электрическую мощность, которая составляет от нескольких
десятков до нескольких тысяч ватт.
Принимая во внимание то обстоятельство, что выходные сигна-
лы контроллера-регулятора, как правило, имеют очень низкую вы-
ходную мощность, то для управления исполнительным механизмом,
взаимодействующим с реальным физическим процессом, выходной
сигнал регулятора необходимо усиливать. Так, например, время пол-
ного хода клапана может быть принято в качестве времени (периода)
следования ШИМ-модулированных импульсов управления, которое
устанавливается в качестве одного из параметров контроллера-
регулятора. Время инерции клапана необходимо вычитать из времени
импульса управления.
Люфт, мертвый ход или время мертвого хода (время выборки
люфта) в механизме может оказаться достаточным для того, чтобы
вызвать проблемы в управлении. Если люфт велик, что особо харак-
терно для электроприводов, находящихся длительное время в эксплу-
атации, мертвый ход механизма необходимо определить как время, в
течение которого выходной элемент механизма не начинает переме-
щаться после поступления импульса управления.
При формировании сигналов управления это время необходимо
постоянно добавлять к командам управления с тем, чтобы механизм
точнее позиционировал. Люфт в механизме проявляется не всегда, а
только при реверсе. Кроме того, люфт приводит к гистерезису в по-
ведении регулирующего органа. Минимальное время импульса
управления при работе системы автоматического управления с элек-
троприводом устанавливается с целью исключения слишком частого
включения и выключения механизма и исключения чрезмерных и не-
обоснованных пусков и остановок механизма, что может приводить

59
к ускоренному износу шестерен и других кинематических узлов.
При настройке системы автоматического управления потребует-
ся выбор компромиссного решения. Минимальная временная пауза
задается производителем механизма и служит для исключения чрез-
мерных динамических нагрузок на кинематику механизма при ревер-
се, а также для уменьшения электромагнитных возмущений и пере-
напряжений, возникающих в электрической схеме электродвигателя и
связанных с ним компонентах электропривода.
На поведение системы управления и качество регулирования
существенное влияние оказывает пропускная характеристика клапа-
нов. Выделяют следующие характеристики:
-
линейная пропускная характеристика, у которой приращение
относительной пропускной способности пропорционально относи-
тельному ходу;
- равнопроцентная пропускная характеристика, у которой прира-
щение относительной пропускной способности по ходу пропорцио-
нально текущему значению относительной пропускной способности;
-
пропускная характеристика, соответствующая квадратному
корню из значения относительного хода, что наиболее характерно,
например, для шаровых клапанов;
-
пропускная характеристика тарельчатого плунжера или про-
пускная характеристика двухпозиционного регулирования (открыто-
закрыто);
-
пропускная характеристика специальная, зависимость кото-
рой от относительного хода определяется специальными условиями
применения клапана.
Линейная расходная характеристика при своей простоте и оче-
видности не всегда приемлема для регулирования технологических
параметров. Равнопроцентную расходную характеристику регулиру-
ющего клапана можно обеспечивать как конструкционными мерами,
например, применением так называемых корректирующих дисков
или обеспечением специального профиля запорного узла клапана, так
и заданием специального алгоритма позиционирования электропри-
вода.
В настоящее время промышленностью выпускается целый ряд
однооборотных и многооборотных ЭИМ с постоянной скоростью
вращения выходного вала.
Несмотря на конструктивные и схемные различия, все ЭИМ
в общем случае позволяют производить [6]: дистанционный или

60
автоматический пуск и остановку электропривода в любом
промежуточном положении РО, автоматическую остановку электро-
привода при чрезмерном возрастании крутящего момента, дистанци-
онную световую сигнализацию крайних положений РО, местное и
дистанционное определение любого промежуточного положения РО,
электрическую блокировку данного электропривода с другими меха-
низмами и агрегатами, ручное управление ИМ при помощи маховика.
Основные характеристики однооборотных и многооборотных
ИМ приведены в табл. 1 .6 и 1.7 соответственно.
Таблица 1.6
Однооборотные ЭИМ
Тип
Номинальный
вращающий
момент, Нм
Угол пово-
рота вы-
ходного ва-
ла, град.
Время од-
ного обо-
рота вы-
ходного
вала, с
Номиналь-
ная мощ-
ность элек-
трода, кВт
Сопро-
тивление
датчика
обратной
связи,
Ом
МЭК-
10К/120
10
0–90
0–270
120
0,019
120
МЭК-
25К/40
25
0–90
0–270
40
0,27
120
МЭК-
63/100
63
0–90
0–270
100
0,12
120
МЭО-
160/100К
160
0–90
0–240
100
0,27
250
МЭО-
1000/250К
1000
0–90
0–240
250
0,4
250
Таблица 1.7
Многооборотные ЭИМ
Тип
Номинальный вра-
щающий момент,
Нм
Время одного обо-
рота выходного ва-
ла, с
Номинальная
мощность электро-
двигателя, кВт
МЭМ-0,63/1
0,63
1,0
0,12
МЭМ-1,6/2,5
1,6
2,5
0,05
МЭМ-4/6,3
4,0
6,3
0,12
МЭМ-10/1
10,0
1,0
0,6
МЭМ-25/2,5
25,0
2,5
0,4

61
1.9.4. Электромагнитные приводы. Электромагнитные (ЭМ)
или соленоидные приводы предназначены для перемещения регу-
лирующих или запорных органов, механически связанных с якорем
электромагнита. Например, запорные клапаны с электромагнитным
приводом предназначены для перекрытия трубопроводов с жидкими
и газообразными средами, в том числе взрывопожароопасными. ЭМ
привод, как следует из его названия, представляет собой магнито-
провод с катушкой. Часть магнитопровода выполняется подвижной
относительно катушки и неподвижной относительно части магнито-
провода. Между подвижной и неподвижной частями магнитопровода
обеспечивается воздушный зазор, где, собственно, и происходит пре-
образование электрической энергии, подаваемой на катушку, в меха-
ническую энергию перемещения подвижной части магнитопровода и
механически связанного с ним запорного органа.
ЭМ приводы в силу своего конструктивного исполнения и
принципа действия имеют, как правило, только два крайних
положения:
-
когда на катушку подано напряжение (якорь втянут, воздуш-
ный зазор минимален);
-
когда с катушки снято напряжение (якорь отброшен возврат-
ными пружинами, воздушный зазор максимален).
Такая двухпозиционная характеристика ЭМ приводов позволяет
их успешно применять для запорных, отсечных, предохранительных
и т.п. клапанов. Клапаны закрываются не более чем на одну сек.
Конструктивно, в зависимости от назначения, клапаны могут быть
«перепадными» (работающими только при наличии перепада между
давлением на входе и на выходе не менее 0,3 кгс/см
2
) и «бесперепад-
ными» (работающими даже при отсутствии перепада между давлени-
ем на входе и выходе). Рассмотрим конструкцию бесперепадного
клапана с электромагнитным приводом (рис. 1.16).
Клапан состоит из следующих блоков: корпуса 1, запорного
узла 2, электромагнита 3 с сигнализатором состояния клапана 4 и
блока управления 5, седла 7 и разделительной трубки 6. Запорный
узел у такого клапана выполняется пилотным, обеспечивающим
быструю разгрузку основного затвора при наличии перепада дав-
ления на входе и выходе клапана. Это позволяет электромагниту пе-
ремещать плунжер в верхнее положение. При отсутствии перепада
давления на клапане электромагнит также сможет открыть клапан.

62
Рис. 1.16. Запорный клапан с электромагнитным приводом
ЭМ приводы по принципу действия разделяются на две
группы [6]:
-
рассчитанные на длительное обтекание катушки соленоида
электрическим током. Основными недостатками при этом являются
постоянное потребление электроэнергии и ложные срабатывания при
исчезновениях питающего напряжения
-
с кратковременным обтеканием катушек соленоида электри-
ческим током; они состоят из двух электромагнитов – тягового и за-
щелки. Тяговый электромагнит предназначен для втягивания якоря
соленоида, напряжение питания на его катушку подается кратковре-
менно. Удерживание якоря в рабочем состоянии после обесточивания
тяговой катушки осуществляется механически специальной защел-
кой. Возврат в исходное состояние осуществляется путем кратковре-
менной подачи напряжения на катушку электромагнита защелки, ко-
торая освобождает возвратную пружину и якорь соленоида закрыва-
ется.
По назначению ЭМ приводов различают:
-
удерживающие, предназначенные для фиксации положения
ферромагнитных тел, например электромагниты для подъема предме-
тов из ферромагнитных материалов. Они не совершают работы,

63
от них требуется лишь определенная сила, на которую они рассчиты-
ваются;
- приводные, которые служат для перемещения исполнительных
устройств, например, клапанов, золотников, заслонок. Они исполь-
зуются также в контакторах, электромагнитных муфтах и др. Эти
электромагниты совершают определенную работу и поэтому рассчи-
тываются на определенную силу и перемещение.
По роду тока в обмотке различают электромагниты постоянного
и переменного тока. Электромагниты постоянного тока делятся на
нейтральные, не реагирующие на полярность напряжения питания, и
поляризованные, реагирующие на полярность напряжения питания.
По конструктивному исполнению различают электромагниты:
-
клапанные, с внешним притягивающимся якорем; они имеют
небольшое перемещение якоря (миллиметры) и развивают большое
усилие;
- прямоходовые, с поступательным движением якоря; они назы-
ваются соленоидными электромагнитами, имеют большой ход якоря
и обладают высоким быстродействием.
Выбор электромагнита осуществляют по напряжению, току и
потребляемой мощности. После выбора электромагнита рассчитыва-
ют его обмотки на нагрев, считая, что средняя допустимая темпера-
тура нагрева 85...90°С.
Основные характеристики применяемых электромагнитов при-
ведены в табл. 1 .8 и 1.9 соответственно на постоянном и переменном
токе.
Таблица 1.8
Характеристики электромагнитов постоянного тока
Тип элек-
тромагнита
Тяговое
усилие, Н
Ход якоря,
мм
Потреб.мо-
щность, Вт
Время втя-
гивания, с
Время от-
падания, с
МП 100
250
2
140
0,12
0,1
МП 200
1000
3
290
0,25
0,2
МП 300
2150
4
510
0,4
0,35
КМП 2
115
40
350
0,4
0,1
КМП 6
720
120
950
2,5
0,5
ВМ 12
65
40
210
0,8
0,2
ВМ 16
280
120
425
23,5
1,0

64
Таблица 1.9
Характеристики электромагнитов переменного тока
Тип элек-
тромагни-
та
Момент
тяговый,
Нм
Момент
массы
якоря,
Нм
Угол
поворота
якоря,
град.
Потреб.
мощн.
при вкл.,
ВА
Потреб.
мощн.
при откл.,
ВА
Время
втяги-
вания,
с
Время
отпада-
ния,
с
КМТ3А
350
125
50
19000
550
0,08
0,06
КМТ4А
700
240
50
38000
1700
0,14
0,08
КМТ6А 1150
460
60
85000
3000
0,25
0,12
КМТ7А 1400
520
80
110000
3500
0,35
0,14
МО-100Б 550
50
7,5
2100
400
0,30
0,02
МО-200Б 2000
360
5,5
4000
650
0,05
0,04
Подводя итог рассмотрению ЭИМ, можно отметить, что приме-
нение ЭИМ в системах управления требует определенного навыка,
опыта
и
специализированных для
этих задач средств
автоматизации [16].
1.10. Выбор исполнительных устройств
В качестве примера рассмотрим один из вариантов возможного
выбора исполнительных устройств. Для управления технологически-
ми параметрами может быть использован регулирующий клапан
РК-1М с механизмом исполнительным электрическим прямоходным
МЭП-25000 (рис. 1 .17).
Рис. 1.17. Внешний вид МЭП-25000

65
Механизм предназначен для привода запорно-регулирующей
арматуры (запорных, запорно-регулирующих, регулирующих клапа-
нов) в системах автоматического регулирования технологическими
процессами в соответствии с командными сигналами, поступающими
от регулирующих и управляющих устройств.
Механизмы МЭП-25000 должны быть защищены от прямого
воздействия солнечной радиации и атмосферных осадков. Механизм
устойчив и прочен к воздействию синусоидальных вибраций по
группе исполнения VI ГОСТ 12997-84.
Рабочее положение механизмов МЭП-25000 – вертикальное и
горизонтальное при расположении стоек приставки в одной верти-
кальной плоскости.
Механизм МЭП-25000 состоит из следующих основных узлов:
1) электропривода;
2) редуктора планетарного с ограничителем наибольшего
усилия;
3) блока сигнализации положения (БКВ);
4) сальникового ввода;
5) ручного привода;
6) приставки прямоходной.
Механизм МЭП-25000 оснащается ограничителем наибольшего
усилия для отключения электродвигателя механизма при достижении
на штоке механизма усилия больше настроенного значения. Регули-
рование усилия бесступенчатое и обеспечивает настройку в диапа-
зоне от 0,6 номинального значения усилия до максимального значе-
ния.
Основные технические характеристики МЭП-25000 представле-
ны в табл. 1 .10.
Таблица 1.10
Основные технические характеристики
Характеристики
Значения
Номинальный крутящий момент, Нм
25000
Номинальное время полного хода выходного вала, с
100
Номинальный полный ход штока, мм
50
Напряжение питания, В, частота Гц
380, 50
Потребляемая мощность, Вт
200

66
Блок ручного управления БРУ-42. Блок рассчитан на примене-
ние в автоматизированных системах управления технологическими
процессами для переключения цепей управления исполнительными
устройствами, индикации положений цепей управления.
Функциональные возможности:
1) ручное или дистанционное переключение с автоматического
режима управления на ручной и обратно;
2) кнопочное управление интегрирующими исполнительными
механизмами;
3) световая индикация режимов управления, выходного сигнала
регулирующего устройства с импульсным выходным сигналом;
4) определение положения регулирующего органа.
Основные технические характеристика БРУ-42 представлены в
табл. 1.11 .
Таблица 1.11
Основные технические характеристики
Характеристики
Значения
Входные сигналы, мА
0-5, 0-20, 4-20
Выходные сигналы, мА
0-5, 0-20, 4-20
Диапазон изменения установки задания, %
0...100
Основная погрешность, %
±0.2
Погрешность установки задания, %
±0.1
Напряжение питания, В
220
Потребляемая мощность, ВА
Не более 2,5
Температура окружающей среды, °С
+5...+50
1.11. Выходные устройства технических средств систем
автоматизации и управления
Выходные устройства представляют собой совокупность ТС
САиУ, предназначенных для передачи команд и сигналов управления
на исполнительные механизмы и рабочие органы объекта управле-
ния. Помимо этой основной своей функции выходные устройства мо-
гут выполнять и ряд других дополнительных функций:

67
–
усиление сигналов (функция усилителя);
–
преобразование информационных сигналов (по виду энергии,
по роду тока, по частоте, по виду и т.п .);
–
обеспечение помехозащищенности СУ (фильтрация помех,
гальваническая развязка СУ и ОУ);
–
безопасность обслуживающего персонала.
Примеры выходных устройств. Контакторы – аппараты,
предназначенные для коммутации силовых цепей электродвигателей,
трансформаторов, нагревателей и других мощных потребителей элек-
троэнергии [17]. Они имеют главные силовые контакты, снабженные
системой дугогашения, вспомогательные блок-контакты, электромаг-
нитный привод и дополнительные элементы (корпуса, монтажа).
По роду коммутируемого тока контакторы делят на контакторы
постоянного и переменного тока. Как правило, род тока в цепи
управления, которая питает электромагнитный привод, совпадает с
родом тока главной коммутируемой цепи. Однако известны случаи,
когда катушки контакторов переменного тока получают питание от
цепи постоянного тока.
Конструктивная схема контактора постоянного тока показана на
рис. 1 .18.
Рис. 1.18. Контактор постоянного тока
Контактный узел рычажного типа состоит из неподвижного 1 и
подвижного 3 контактов. Контакт 3 шарнирно закреплен на рычаге 4,

68
связанном с якорем электромагнита 6, и прижат к нему нажимной
пружиной 5. Подвод тока к подвижному контакту осуществляется
гибкой медной лентой 10. Электромагнитный привод клапанного
типа состоит из сердечника 8, электромагнитной катушки управления
9 и возвратной пружины 7. Конструкция контактного узла контактора
обеспечивает работу контактов с проскальзыванием и перекатывани-
ем и имеет комбинированную дугогасительную систему 2.
Магнитные пускатели – это контакторы, применяемые для
управления асинхронными электродвигателями. Магнитный пуска-
тель представляет собой комплект электротехнических аппаратов для
дистанционного управления электродвигателями и кроме самого кон-
тактора часто имеет кнопочную станцию и аппараты тепловой и то-
ковой защиты. На рис. 1 .19. показана принципиальная электрическия
схема нереверсивного магнитного пускателя, для ручного дистанци-
онного управления электродвигателем М с помощью кнопочной
станции SB.
Рис. 1.19. Схема нереверсивного пускателя
Для включения электродвигателя М необходимо кратковремен-
но нажать кнопку SB2 «Пуск». При этом по цепи катушки контактора
(2–5) потечет ток, якорь притянется к сердечнику и это приведет к
замыканию главных контактов в цепи питания электродвигателя. Од-
новременно замкнется вспомогательный контакт (3–5), что создаст
параллельную цепь питания катушки. Если теперь кнопку «Пуск» от-
пустить, то катушка контактора будет включена через собственный
вспомогательный контакт. Такую схему называют схемой самобло-
кировки, которая обеспечивает так называемую нулевую защиту
электродвигателя. Если в процессе работы электродвигателя напря-
жение в сети исчезает или значительно снижается, то контактор
отключается и его вспомогательный контакт размыкается. После

69
восстановления напряжения для включения электродвигателя необ-
ходимо повторно нажать кнопку «Пуск». Нулевая защита предотвра-
щает непредвиденный самопроизвольный пуск электродвигателя, ко-
торый может привести к аварии. Для отключения электродвигателя
достаточно нажать кнопку SB1 «Стоп». Это приводит к размыканию
цепи самопитания и отключению катушки контактора.
Электромагнитные муфты – исполнительные электромехани-
ческие устройства, служащие для дискретного управления механиче-
ским приводом станков и рабочих машин (передачи крутящих мо-
ментов между валами) [17].
На рис. 1.20 показана схема муфты серии ЭТМ с магнитопрово-
дящими фрикционными дисками. В корпусе 1 размещена на-
магничивающая катушка 2, ток к которой подводится через контакт-
ное кольцо 3 и щетку, помещенную в щеткодержатель. Другой зажим
катушки подключают к источнику питания постоянного тока через
корпус муфты.
Рис. 1.20. Электромагнитная контактная дисковая муфта
При включении муфты магнитный поток Ф, созданный током,
протекающим по виткам катушки, проходит через корпус, пакет
внутренних 6 и наружных 4 дисков и замыкается через якорь 5. Якорь
притягивается к корпусу и сжимает диски, в результате муфта пере-
дает крутящий момент. Все детали муфты монтируют на втулке 7,
которую устанавливают на валу.
Расцепление муфты после отключения катушки от источника
питания происходит за счет упругости наружных дисков, имеющих
волнистую форму. Пакет фрикционных дисков отдаляет якорь от

70
корпуса (сердечника) муфты и тем самым увеличивает магнитное
сопротивление магнитной цепи.
Сталь, из которой изготавливают диски, должна иметь хорошие
фрикционные свойства, большую механическую износостойкость и
высокую магнитную проницаемость при малой остаточной индукции.
На рис. 1.21 приведена конструкция электромагнитной бескон-
тактной муфты, в которой намагничивающая катушка расположена
на неподвижной части корпуса 1, отделенной от вращающейся части
двумя воздушными зазорами. Вращающаяся часть магнитопровода
состоит из стальных деталей 2 и 5, являющихся полюсами сердечни-
ка, разделенными немагнитной прокладкой 3. Этим обеспечивается
прохождение магнитного потока Ф через сердечник в якорь 4.
Рис. 1.21. Электромагнитная бесконтактная муфта
Бесконтактная муфта не имеет щеточного узла. Воздушный за-
зор уменьшает нагрев катушки теплом, выделяемым пакетом фрик-
ционных дисков во время работы муфты. Все это повышает ее на-
дежность. Недостатком муфты является повышенная намагничива-
ющая сила срабатывания, связанная с увеличенным воздушным за-
зором.
1.12. Устройства обработки информации и входные устройства
технических средств систем автоматизации и управления
Устройства обработки информации – это совокупность ТСА,
предназначенных для приема информации со стороны входных
устройств, ее хранения, переработки (арифметической, логической
и др.) и выработки команд и сигналов управления на объект управле-
ния [17].

71
По принципу действия все устройства переработки информа-
ции делятся на контактные (в конструкции которых использованы
различные контактные узлы) и бесконтактные (принцип работы ко-
торых основан на изменении каких-либо электрических или магнит-
ных параметров: тока, напряжения, сопротивления, емкости, индук-
тивности, магнитного потока и др.)
Электрический контакт – место перехода тока из одной то-
коведущей детали в другую. Конструктивно коммутирующие контак-
ты выполняют в виде контактного узла, состоящего из нескольких
деталей: неподвижного контакта, подвижного контакта, элементов
управления (привода) подвижным контактом и вспомогательных
устройств (крепления, монтажа, защиты и пр.).
В процессе работы контактных узлов различают четыре состо-
яния контактов: два стационарных (замкнутое и разомкнутое) и два
переходных (замыкание и размыкание). Наибольший интерес для
изучения представляют тяжелые режимы, при которых контакт под-
вергается наибольшему износу. Это, во-первых, замкнутое состоя-
ние, когда через контакты течет ток нагрузки Iн, и, во-вторых, процесс
размыкания, когда на контактах возникают дуговые (искровые)
явления.
Важной характеристикой замкнутого состояния контактов явля-
ется сопротивление электрического контакта Rk=Rсоб+Rп, которое со-
стоит из небольшого собственного сопротивления Rсоб материала
контактов-деталей и так называемого переходного сопротивления Rп,
которое и определяет ток нагрузки и коммутируемую мощность кон-
тактного узла.
Наиболее тяжелый режим работы контактов связан с размыка-
нием электрической цепи. При этом возникает электрическая дуга
или искра, которая вызывает эрозию или подгорание контактов, под-
держивает ток в цепи, снижая тем самым быстродействие электриче-
ского устройства. Появлению и поддержанию дуги в основном спо-
собствует ЭДС самоиндукции, возникающая при размыкании цепей,
содержащих индуктивность. Все методы борьбы с дуговыми явле-
ниями разделяют на две группы.
1. Электрические (схемные). Воспрепятствовать появлению дуги
можно увеличением падения напряжения на дуге, для чего необхо-
димо уменьшать ток дуги. Для этого параллельно контакту подклю-
чают последовательный RC-контур. В процессе размыкания контакта
на дуговом промежутке быстро нарастает напряжение Uд,

72
и конденсатор заряжается, отнимая энергию дуги. Как известно, ве-
личина зарядного тока:
dt
dU
C
i
д
c

.
Таким образом, чем больше емкость С, тем больший ток будет
идти через нее, уменьшая ток дуги. В момент замыкания контакта за-
ряженный конденсатор С разряжается через резистор R.
На маломощных контактах редко появляется электрическая ду-
га, но часто происходит искрение, особенно при малых значениях
раствора. Искрение увеличивается при вибрации (дребезге) контак-
тов. Для уменьшения искрения применяют также специальные схемы,
создающие дополнительную электрическую цепь, по которой замы-
кается ток iк, вызванный ЭДС самоиндукции. При постоянном токе
часто применяют шунтирование индуктивной нагрузки диодом.
Все схемные методы дугогашения ухудшают динамические па-
раметры электромагнитных устройств автоматики, увеличивая время
их переключения.
2. Механические (конструктивные) методы дугогашения более
дорогостоящи и громоздки и применяются в основном в силовых
коммутационных устройствах постоянного тока. Наиболее распро-
странены следующие методы:
- магнитное «дутье» – заключается в том, что дугу, являющую-
ся проводником с током, помещают в магнитное поле, создаваемое
специальным магнитными пластинами. Подбирая направление тока и
магнитного поля, заставляют дугу изгибаться и выдуваться вверх,
чему способствует и форма контактов. При этом дуга удлиняется и
гаснет в холодной части контактного узла;
-
деионная решетка – представляет собой изолированные друг
от друга металлические пластины, обладающие высокой теплопро-
водностью. Дуга поднимается с нагретым воздухом и встречает на
своем пути эти пластины, которые прерывают ионизированную
струю.
Другим примером устройств обработки информации являются
электромагнитные реле и реле времени (таймеры). При работе си-
стем защиты и автоматики часто требуется создать выдержки време-
ни между срабатыванием двух или нескольких аппаратов, а также
при возникновении необходимости производить операции в опреде-
лѐнной временной последовательности (автоматическое управление

73
в функции времени). Для этого используют реле времени (таймеры).
Реле времени – это устройства, предназначенные для задержки
прохождения сигнала и отсчета времени. Их классифицируют по сле-
дующим признакам.
1. По принципу задержки сигнала (принципу действия):
–
с задержкой при срабатывании;
–
с задержкой при отключении.
2. По способу задержки (виду замедлителя):
–
электромагнитное замедление (до 10 сек);
–
механическое замедление: пневматическое и моторное (от 3 до
30 мин);
–
электронное замедление: конденсаторное и счетно-импульсное
(десятки сек.);
–
программно-реализуемые (любые задержки времени).
Для получения небольших выдержек используют электромаг-
нитные реле времени.
При отключении обмотки реле 1 (рис. 1.22) от сети магнитный
поток сердечника 2 уменьшается. Это приводит к появлению ЭДС в
массивной шайбе 3, и в ней возникает большой ток, подмагничиваю-
щий сердечник. В результате магнитный поток в сердечнике реле
убывает медленно, якорь 5 остается в притянутом положении и кон-
такты реле 4 размыкаются с выдержкой времени в несколько секунд.
Такие реле времени не отличаются стабильностью, но находят широ-
кое применение благодаря простоте и дешевизне.
Рис. 1.22. Реле времени с электромагнитным замедлением
В машиностроении широко применяются пневматические
(вакуумные) реле времени с механическим замедлением типа РВП.
Реле состоит из электромагнитного привода 1 (рис. 1 .23) и

74
пневматической приставки, имеющей контакты с временной
задержкой. Вакуумная камера 8 пневматической приставки сообща-
ется с атмосферой через малое дросселируемое отверстие 6. Ее кор-
пус закрыт эластичной плоской мембраной 4, которая соединена со
штоком 10. При включении электромагнит 1 втягивает свой якорь,
шток 10 под действием пружины 9 медленно опускается вниз по мере
заполнения камеры воздухом через отверстие 6. В конце хода штока
рычаг 3 производит переключение микропереключателя 2. Возврат
реле в исходное положение происходит при обесточенной обмотке
электромагнита под действием пружины 11. При этом воздух из
пневматической камеры мгновенно вытесняется через обратный кла-
пан 7. Выдержку времени реле можно изменять при помощи винта 5
в пределах от 0,4 до 180 секунд.
Рис. 1.23. Пневматическое реле времени
Для получения больших выдержек времени, исчисляемых десят-
ками минут и часами, используют моторные реле времени, основан-
ные на интегрирующих свойствах электродвигателей.
В настоящее время в промышленности широко используют кон-
денсаторные реле времени, основанные на инерционных свойствах
RC–цепи, а также реле времени и таймеры на базе счетно-
импульсных цифровых микросхем [17].

75
1.13. Бесконтактные устройства обработки логической
информации
Современные технические устройства переработки информации
могут состоять из отдельных бесконтактных (в основном полупро-
водниковых) логических элементов – устройств, входные и выходные
сигналы которых могут принимать только два фиксированных значе-
ния: логического «0» и «1». При этом абсолютная величина сигнала
существенного значения не имеет. Дискретизация сигналов управле-
ния и разделение их на два уровня позволяют применять к исследова-
нию и описанию дискретных схем управления математическую тео-
рию алгебры логики (булеву алгебру), оперирующей с логическими
переменными, имеющими два дискретных значения.
К достоинствам бесконтактных логических устройств относятся:
малые масса и габариты, высокая технологичность и низкая стои-
мость, малая потребляемая энергия, высокая надежность, большая
способность к микроминиатюризации и интеграции, высокие показа-
тели серийнопригодности и быстродействия.
К недостаткам следует отнести: низкую помехоустойчивость и
слабую устойчивость к статическому электричеству, сравнительно
низкую радиационную стойкость, необходимость в стабилизирован-
ных источниках питания, энергозависимость.
В настоящее время большинство логических элементов реали-
зуют в виде цифровых интегральных микросхем (ИМС) – комплекта
изделий, необходимых для осуществления определенных логических
и других функций, изготовленных по специальной технологии в виде
единого конструктивного изделия, так называемых типовых
устройств обработки логической информации.
Примерами таких типовых устройств могут служить:
-
триггеры – элементарные ячейки памяти, предназначенные
для хранения одного бита информации (логического «0» или «1»);
-
счетчики – устройства для выполнения функций счета и за-
держек времени;
-
преобразователи кодов – устройства для автоматического из-
менения по заданному алгоритму соответствия между входными и
выходными кодами без изменения их смыслового содержания (дру-
гими словами, это схемы для перевода одного многоразрядного кода
в другой);

76
-
регистры – устройства для приѐма, хранения и выдачи
информации, представленной в виде многоразрядных двоичных ко-
дов;
-
запоминающие устройства (устройства памяти) – это
устройства, предназначенные для приѐма, длительного хранения и
выдачи информации, представленной в виде больших массивов мно-
горазрядных двоичных кодов;
-
программируемые логические матрицы (ПЛМ) – гибкие
устройства, перенастраиваемые на выполнение любых логических
функций;
-
арифметико-логические устройства – гибкие программиру-
емые устройства для выполнения разнообразных арифметических и
логических операций;
-
микропроцессоры и микроконтроллеры – гибкие программ-
но-управляемые многофункциональные логические устройства, спо-
собные принимать, хранить, обрабатывать (логически или арифмети-
чески) и выдавать информацию, представленную в виде многораз-
рядных двоичных кодов.
1.14. Программируемые технические средства на базе
управляющих ЭВМ и вычислительных комплексов
Достоинства цифровой передачи, протокол связи, режим пе-
редачи данных, сетевые технологии, шинный арбитраж. Средства
сетевой поддержки, универсальность, специальная система команд,
таймер, магистраль интерфейса, устройства ввода-вывода инфор-
мации, микроконтроллерные ТС, динамические параметры, диагно-
стические тесты.
1.14.1 Цифровая обработка и передача информации. Новые
технологии управления производством, производственными процес-
сами, качеством продукции предъявляют повышенные требования к
техническим средствам САиУ и особенно к методам и средствам пе-
редачи измеренных параметров, к ПЛК, промышленному компьюте-
ру, осуществляющему управление. Успехи электронной промышлен-
ности, особенно в последнее время, позволили применить принципи-
ально новые приѐмы сбора и передачи информации, что существен-
ным образом изменило и саму организацию САиУ [7].
Новейшие ТС, которые находят все большее применение

77
в САиУ, используют цифровое представление обрабатываемых
величин (табл. 1.12). Основные достоинства цифровой передачи
данных – возможность передавать информацию на дальние расстоя-
ния без искажений и малая стоимость линий связи. Особенность со-
стоит в том, что любая информация (значения технологических пара-
метров, готовность к приему/передаче, диагностические коды и т.п .)
представляется в двоичной системе исчисления.
Таблица 1.12
Общие характеристики полевых средств
Характеристика Пневматические
средства
Электрические
аналоговые
цифровые
Способ переда-
чи данных
Сжатый воздух,
Р = 0,02...0,1 МПа
Электрический
сигнал
Кодирование
информации
Скорость обме-
на
1с
-1
5с
-1
FieldBus – от 8 байт
до нескольких сотен
байт за цикл
(1,0 мс...10 с)
Дальность пе-
редачи
300 м
Ограничена сопро-
тивлением линий
связи
Витаяпара–до3км
Оптокабель –
до23км
Чувствитель-
ность к помехам
Низкая
Средняя
Малая
Основная по-
грешность
1%
0,25 %
0,075 %... 0,1 %
Потребляемая
мощность
-
19 Вт
1Вт
Класс решае-
мых задач
Стандартная задача
управления и защи-
ты
Дискретное и ана-
логовое управле-
ние
Решение сложных
задач управления
Среда передачи
Пневмолинии
Электрические
провода
Витая пара, коакси-
альный кабель,
оптокабель
Цифровые приборы передают информацию в виде информаци-
онной посылки. Размер этой посылки зависит от используемого про-
токола связи. Протокол – это совокупность правил, определяющая
взаимодействие абонентов системы и описывающая способ выполне-
ния определенного класса функций.
Любая посылка представлена в стандартном формате данных,

78
характерном только для данного протокола. Формат данных – уста-
новленное расположение закодированных знаков данных и управля-
ющих знаков в последовательности передаваемых данных.
Режим передачи данных может быть синхронным и асинхрон-
ным. При синхронной передаче все устройства передают информа-
цию в канал связи по синхронизирующему импульсу. При асинхрон-
ном методе передача информации осуществляется по запросу веду-
щего устройства.
Сетевые технологии предусматривают различные способы объ-
единения устройств: «шина», «звезда», «кольцо» и их комбинации.
При шинной организации все устройства подсоединены к общей
линии связи. Доступ к среде передачи осуществляется путем жесткой
регламентации, называемой «шинным арбитражем». Существует два
метода шинного арбитража:
1) централизованный арбитраж – все функции контроля сосре-
доточены в одном узле («фиксированный мастер»);
2) децентрализованный арбитраж – каждое устройство само
определяет право на доступ к шине («плавающий мастер»).
Подключение дополнительных устройств не требует дополни-
тельных аппаратных доработок функционирующей сети, но повыша-
ется время ответа. При выходе из строя ведомых узлов сеть продол-
жает функционировать.
При объединении устройств по структуре «звезда» весь поток
информации объединен в центральном узле. Периферийные станции
могут обмениваться информацией только через центральный узел.
Функции управления передачами принадлежат только одному
устройству. Подключение дополнительных устройств ограничено
числом физических устройств на центральном узле. Большое внима-
ние здесь уделяется надежности основного устройства, так как его
неисправность приводит к выходу из строя всей сети.
В кольцевой структуре все устройства объединены физическим
кольцом. Каждое из них является повторителем полученной инфор-
мации. Когда передатчик получает свою собственную посылку, это
означает, что информация была корректно получена адресатом. Здесь
нет управляющего устройства, каждое из них имеет право передачи
на строго определенное время. Как и в шинной структуре, возможно
включение дополнительных устройств в кольцо, но при этом повы-
шается время на посылку. Для предотвращения выхода из строя всей
сети при неисправности одного из устройств в них предусматри-

79
ваются автоматические переключатели, которые позволяют вклю-
чать/отключать отдельные узлы работающей сети.
1.14.2. ЭВМ общего назначения. Архитектура ЭВМ общего
назначения позволяет решать большинство возникающих техниче-
ских задач, включая задачи сопряжения с ЭВМ широкой номенклату-
ры внешних устройств и датчиков, упрощает и ускоряет процесс раз-
работки стандартного проекта в области автоматизации, однако ко-
нечное решение обычно не оказывается оптимальным ни с точки зре-
ния надѐжности, ни с точки зрения экономической эффективности
[18].
Характерной чертой ЭВМ общего назначения является возмож-
ность использования средств сетевой поддержки, возможность под-
ключения дополнительных интерфейсных устройств, в том числе и в
виде контроллеров, присоединяемых к шине ЭВМ, а также возмож-
ность установки разнообразного программного обеспечения вместо
имеющегося в стандартной поставке, в том числе возможность из-
менения микропрограмм (BIOS).
Последнее соответствуют открытости архитектуры ЭВМ общего
назначения. Свойство открытости архитектуры является непремен-
ным условием универсальности при широком применении. На сего-
дняшний день этим требованиям в основном удовлетворяют типо-
вые персональные ЭВМ и контроллеры на базе их архитектуры, что
позволяет их использовать на начальном этапе проектирования си-
стемы, когда требуется ускоренно получить работоспособную версию
системы, необходимую для дальнейшей разработки.
Обычно таким разработкам присущи следующие характерные
недостатки:
-
невысокая надѐжность как аппаратной, так и программной ча-
сти;
-
узкий температурный диапазон, особенно в сторону отрица-
тельных температур;
- н изкое качество исполнения материнских плат и плат контрол-
леров;
-
повышенный уровень помех и пульсаций по шинам питания,
что усложняет задачу подключения точных устройств.
1.14.3. Специализированные ЭВМ. Специализированные ЭВМ
имеют
функциональные возможности и конструктивные особен-
ности, позволяющие использовать их для эффективного решения

80
ограниченного класса задач в определѐнных условиях окружающей
среды. Отличия от ЭВМ общего назначения могут быть
разнообразными, например, процессор со специальной (эффективной
в конкретном случае) системой команд (процессоры цифровой обра-
ботки сигналов – DSP, эффективные в задачах цифровой фильтра-
ции). За счѐт этого удаѐтся повысить надѐжность, снизить стоимость,
повысить быстродействие.
1.14.4. Вычислительные системы и комплексы. Под вычисли-
тельной системой (ВС) понимается комплекс ТС (аппаратно-
программных), предназначенный для автоматизации обработки ин-
формации. Вычислительный комплекс (ВК) – это комплекс средств
вычислительной техники, решающий прикладную задачу. В ВК могут
входить разнородные компоненты. Обычно приходится применять
специализированные или проблемно-ориентированные ЭВМ и ВК
для оптимизации окончательного решения при проектировании
САиУ. Другой пример специализированной ЭВМ в составе ВК – со-
вокупность нижнего и среднего уровней системы автоматизации на
основе соответственно локальных контроллеров и персональных
ЭВМ.
1.14.5. Управляющие ЭВМ. Управляющие ЭВМ (УВМ) харак-
теризуются набором возможностей работы в режиме реального
времени. Эти возможности касаются как подсистемы ввода-вывода,
так и свойств операционной системы. Также следует отметить воз-
можности обнаружения сбоев и быстрого восстановления после них.
Отличительные особенности УВМ.
1. Наличие таймера, вырабатывающего необходимые метки
времени и обеспечивающего требуемую реакцию на внешние собы-
тия и прерывания при работе УВМ в режиме реального времени.
2. Наличие магистрали интерфейса, которая связывает с ЭВМ
все подключенные устройства связи с объектом. Магистраль интер-
фейса УВМ отличается от системного интерфейса ЭВМ меньшим ко-
личеством линий и передачей по ним сигналов большей мощности и
большей длительности для повышения надежности передачи.
1.14.6. Управляющие вычислительные комплексы. Наиболее
широко применяемые на практике управляющие вычислительные
комплексы (УВК) выпускаются специализированными предприятия-
ми в виде законченных конструктивов, которые при создании САиУ
требуют выделения определенной производственной площади или

81
отдельного помещения.
В общем случае в состав УВК входят: ЭВМ (одна или несколь-
ко), комплектуемые необходимым набором стандартных внешних
устройств, различные типы УСО, точнее, устройств связи с датчика-
ми и исполнительными органами, и устройства связи с оперативным
персоналом, которые часто объединяют, называя их устройствами
ввода-вывода информации.
1.14.7. Законы развития микропроцессорных САиУ. Принято
считать, что развитие техники, основанной на цифровой технологии,
определяют 3 закона.
1. Закон Мура, сформулированный Гордоном Муром из компа-
нии Intel в начале 70-х гг.,
гласит, что производительность микро-
схем удваивается каждые 18 месяцев. Вследствие этого быстродей-
ствие компьютеров возрастает, и стоимость единицы вычислительной
мощности уменьшается вдвое за тот же срок.
2. Закон Гилдера, предложенный Джорджем Гилдером, утвер-
ждает, что общая пропускная способность систем связи каждый год
увеличивается втрое. Новые разработки свидетельствуют, что увели-
чение пропускной способности будет продолжаться в соответствии с
этим законом.
3. Закон Меткалфа, приписываемый создателю Ethernet и осно-
вателю компании 3COM, устанавливает, что ценность сети пропор-
циональна квадрату числа узлов. Вследствие этого по мере расшире-
ния сети ценность нахождения в ней растет экспоненциально, тогда
как удельные затраты на одного пользователя остаются неизменными
или даже снижаются.
Как показывает время и практика, сформулированные Муром,
Гилдером и Меткалфом законы соблюдаются до сих пор. Так, напри-
мер, достижения последних лет в области промышленной автомати-
зации показывают, что эра использования управляющих вычисли-
тельных машин и комплексов к настоящему этапу развития микро-
процессорных САиУ уже близится к завершению, поскольку новей-
шие САиУ обладают более высоким быстродействием, меньшей сто-
имостью, большей пропускной способностью, значительными сете-
выми возможностями, и эти характеристики постоянно улучшаются.
К настоящему времени в промышленности повсеместное применение
находят программно-технические комплексы, построенные на базе
микроконтроллерных ТС.

82
Детерминированная архитектура УВК уже неспособна
поддерживать системы, в которых число позиций контроля и управ-
ления превышает десятки тысяч. Современное направление развития
промышленных предприятий ведет к интегрированию систем авто-
матизации и управления качеством на базе аппаратно-программных
комплексов технических средств, что исключает применение цен-
трализованных иерархических структур процедурного управления и
приводит к необходимости использования децентрализованных
САиУ с выработкой управлений на основе интеллектуальных алго-
ритмов и правил.
1.15. Архитектура и принцип работы микроЭВМ
Шины микроЭВМ, программа инициализации, аккумулятор,
регистр команд.
Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на
основе микроЭВМ показана на рис. 1 .24 [19].
Рис. 1.24. Архитектура типовой микроЭВМ

83
МП координирует работу всех устройств цифровой системы с
помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется шина адреса
(ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, пор-
та ввода или порта вывода. По шине данных (ШД) осуществляется
двунаправленная пересылка данных к МП и от МП. МП может посы-
лать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов выво-
да, а также получать информацию из памяти или от одного из портов
ввода.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ со-
держит некоторую программу (на практике программу инициализации
ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устрой-
ство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающе-
го устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.
В качестве примера, иллюстрирующего работу микроЭВМ, рас-
смотрим процедуру, для реализации которой нужно выполнить сле-
дующую последовательность элементарных операций (рис. 1.25) [20]:
1) нажать клавишу с буквой «А» на клавиатуре;
2) поместить букву «А» в память микроЭВМ;
3) вывести букву «А» на экран дисплея.
Это типичная процедура ввода–запоминания–вывода, рассмот-
рение которой дает возможность пояснить принципы использования
некоторых устройств, входящих в микроЭВМ.
На рис. 1.25 приведена подробная диаграмма выполнения про-
цедуры ввода–запоминания–вывода. Обратите внимание, что коман-
ды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая програм-
ма содержит следующую цепочку команд:
1) ввести данные из порта ввода 1;
2) запомнить данные в ячейке памяти 200;
3) переслать данные в порт вывода 10.
В данной программе всего три команды, хотя на рис. 1.25 может
показаться, что в памяти программ записано шесть команд. Это свя-
зано с тем, что команда обычно разбивается на части. Первая часть
команды 1 в приведенной выше программе – команда ввода данных.
Во второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные
(из порта 1). Первая часть команды, предписывающая конкретное
действие, называется кодом операции (КОП), а вторая часть – опе-
рандом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках

84
памяти программ.
На рис. 1 .25 КОП хранится в ячейке 100, а код операнда –
в ячейке 101 (порт 1); последний указывает, откуда нужно взять ин-
формацию.
Рис. 1.25. Диаграмма выполнения процедуры ввода–запоминания–вывода
В МП на рис. 1 .25 выделены еще два новых блока – аккумуля-
тор и регистр команд.
Рассмотрим прохождение команд и данных внутри микроЭВМ с
помощью занумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что
микропроцессор – это центральный узел, управляющий перемещени-
ем всех данных и выполнением операций.

85
Итак,
при
выполнении
типичной
процедуры
ввода–запоминания–вывода в микро ЭВМ происходит следующая
последовательность действий:
1) МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления
поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную
микросхему) в режим считывания.
2) ЗУ программ пересылает первую команду («Ввести данные»)
по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Ко-
манда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретиру-
ет) полученную команду и определяет, что для команды нужен опе-
ранд.
3) МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода
памяти программ в режим считывания.
4) Из памяти программ на ШД пересылается операнд
«Из порта 1». Этот операнд находится в программной памяти в ячей-
ке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД
к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует пол-
ную команду («Ввести данные из порта 1»).
5) МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством
ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы «А» передается в ак-
кумулятор внутри МП и запоминается. Важно отметить, что при об-
работке каждой программной команды МП действует согласно мик-
ропроцедуре выборки – декодирования – исполнения.
6) МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для
перевода памяти программ в режим считывания.
7) Код команды «Запомнить данные» подается на ШД и пересы-
лается в МП, где помещается в регистр команд.
8) МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее ну-
жен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в ак-
тивное состояние вход считывания микросхем памяти программ.
9) Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения
«В ячейке памяти 200». МП воспринимает этот операнд и помещает
его в регистр команд. Полная команда «Запомнить данные в ячейке
памяти 200» выбрана из памяти программ и декодирована.
10) Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пере-
сылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к
памяти данных.
11) МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в
память данных. Код буквы «А» передается по ШД и записывается

86
в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс
запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-
прежнему находится код буквы «А».
12) МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной
команды и переводит память программ в режим считывания.
13) Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, ко-
торый помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что
нужен операнд.
14) МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память про-
грамм в режим считывания.
15) Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда
«В порт 10», который далее помещается в регистр команд.
16) МП дешифрирует полную команду «Вывести данные в порт
10». С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода,
МП открывает порт 10, пересылает код буквы «А» (все еще находя-
щийся в аккумуляторе) по ШД. Буква «А» выводится через порт 10 на
экран дисплея.
В большинстве микропроцессорных систем (МПС) передача
информации осуществляется способом, аналогичным рассмотренно-
му выше. Наиболее существенные различия возможны в блоках ввода
и вывода информации.
Подчеркнем еще раз, что именно микропроцессор является яд-
ром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его ра-
бота представляет последовательную реализацию микропроцедур
выборки–дешифрации–исполнения. Однако фактическая последова-
тельность операций в МПС определяется командами, записанными в
памяти программ.
Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие
функции:
- в ыборку команд программы из основной памяти;
- дешифрацию команд;
-
выполнение арифметических, логических и других операций,
закодированных в командах;
-
управление пересылкой информации между регистрами и ос-
новной памятью, между устройствами ввода/вывода;
- отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе ре-
ализацию прерываний с этих устройств;
- управление и координацию работы основных узлов МП.

87
1.16. Применение открытых технологий при разработке
и внедрении САиУ
Открытая система, взаимосвязь открытых систем, принципы
открытых систем.
Комитетом IEEE POSIX 1003.0 . дано определение понятия от-
крытой системы в области информационных технологий (ИТ). Из
него вытекает понятие открытой технологии для САиУ как среды для
прикладных программ, базирующейся на стандартных интерфейсах и
обеспечивающей мобильность прикладных систем, персонала и взаи-
модействие систем. Важнейшими свойствами открытой САиУ явля-
ются [4]:
-
мобильность прикладных программ – возможность переноса
программ с одной аппаратной платформы на другую с минимальны-
ми доработками или даже без них;
-
мобильность персонала, т. е. возможность подготовки персо-
нала для работы с системой с минимальными временными и трудоза-
тратами;
-
чѐткие условия взаимодействия частей системы и сетей с ис-
пользованием открытых спецификаций.
Открытая САиУ – это система, построенная на стандартных
технических средствах – микроконтроллерах, ПЛК и др. с использо-
ванием стандартных ОС.
В общей концепции открытых технологий в настоящее время
развиваются 2 основных направления:
-
открытые вычислительные системы (Open computing systems –
OCS), обеспечивающие возможность относительно простого и эф-
фективного по трудоѐмкости переноса апробированных программных
средств на различные типы аппаратных платформ микропроцессоров
за счет стандартизации процессов и интерфейсов взаимодействия с
ОС;
- вза имосвязь открытых систем (Open systems interconnection –
OSI), унифицирующая (стандартизирующая) структуру, процессы и
интерфейсы для совместимости методов и средств обмена данными
между разнотипными процессорами.
Таким образом, открытость – это определение глобального про-
цесса стандартизации аппаратных и программных архитектур,
направленных на достижение аппаратно-программной совместимости

88
и переносимости продукции большого числа независимых поставщи-
ков, это равное право для любого потенциального производителя и
пользователя участвовать в разработке и коммерческой эксплуатации
технического стандарта.
Принципы открытых систем составляют основу технологии
интеграции. Существо технологии открытых систем состоит в фор-
мировании среды, включающей ПО, аппаратные средства, службы
связи, интерфейсы, форматы данных и протоколы. Эта среда должна
обеспечивать переносимость, взаимосвязь и масштабируемость при-
ложений и данных на основе использования согласованного набора
стандартов на интерфейсы и протоколы (профилей) между всеми
программно-аппаратными компонентами систем. Совокупность ука-
занных качеств достигается за счет использования развивающихся,
общедоступных и общепризнанных стандартов на продукты ИТ, со-
ставляющих среду открытой системы [21].
Идеи открытых систем в корне изменили технологию создания
систем автоматизации, позволив быстро создавать эффективные ре-
шения практически для любых прикладных областей за счѐт систем-
ной интеграции разнообразного оборудования и программного обес-
печения от различных производителей.
Общие черты, присущие открытым САиУ следующие:
-
технические средства, на которых реализована информацион-
но-управляющая система, объединяются сетью или сетями различно-
го уровня: от локальных до глобальных;
-
реализация открытости осуществляется на основе функцио-
нальных стандартов (профилей) в области ИТ;
-
информационные системы, обладающие свойством открыто-
сти, могут выполняться на любых технических (аппаратно-
программных) средствах, которые входят в единую среду открытых
систем;
-
использование унифицированных интерфейсов в процессах
взаимодействия в системе «человек–машина»;
-
некоторая избыточность при разработке программно-
аппаратных комплексов.
Наиболее важным моментом в технологии открытых САиУ вы-
ступают вопросы построения и применения функционального стан-
дарта – профиля, на основе которого осуществляются все стадии
жизненного цикла систем. Технологии открытых систем представля-
ют собой основу построения информационной структуры ТС САиУ

89
и их компонентов любого уровня: от промышленных контроллеров
до АСУТП и АСУП масштаба предприятия, отрасли и т. д.
1.17. Программно-технические комплексы
Классы ПТК, программируемые автоматизированные контрол-
леры, число входов/выходов, PC-based контроллер, локальный кон-
троллер, троирование, сетевые ПТК, витая пара, распределенные
системы, организационно-экономические показатели, программиру-
емые логические контроллеры, классификационные признаки ПЛК,
производительность ПЛК.
Программно-технические комплексы (ПТК) выполняются на ба-
зе универсальных микропроцессорных контроллерных средств [8,
11] и представляют собой совокупность микропроцессорных средств
автоматизации (контроллеров, УСО), дисплейных пультов оператора
и серверов различного назначения, промышленных сетей, которые
позволяют связать перечисленные компоненты, а также программно-
го обеспечения контроллеров и дисплейных пультов оператора. ПТК
предназначены, в первую очередь, для создания распределенных си-
стем управления технологическими процессами различной информа-
ционной мощности (от десятков входных/выходных сигналов до сот-
ни тысяч) в самых разных отраслях промышленности.
Все универсальные микропроцессорные ПТК укрупнено под-
разделяются на 3 класса.
1. Контроллеры на базе персонального компьютера (PC-based
контроллер).
2. Локальные программируемые контроллеры (PLC).
3. Контроллеры распределенных САиУ (DCS).
К настоящему времени [8] процесс развития технических
средств автоматизации привел к появлению новой аббревиатуры для
промышленных контроллеров – PAC (Programmable Automation
Controllers) – программируемые автоматизированные контроллеры.
По мнению специалистов компании Rockwell, концепция PAC
описывается следующими характеристиками:
-
возможностью масштабирования (например, каналов ввода и
вывода, сложности задач обработки в реальном времени и т.п .);
-
поддержкой различных законов управления (не только ПИД
законов, но и реализации более сложных алгоритмов управления,

90
включая адаптивные);
-
интегрированием с бизнес-системами,
такими
как
ERP-системы, системы на базе MES-технологий и т.п .;
-
упрощенным техническим обслуживанием системы (самодиаг-
ностикой, теледиагностикой, резервированием и т.п .);
-
управлением стоимостью жизненного цикла (управлением
LCC).
Последняя характеристика ПТК (PAC) требует разъяснения.
Контроллеры должны эксплуатироваться в течение многих лет.
Считается, что срок полезного использования контроллера
15 – 20 лет. Основные затраты в течение этого периода – это эксплуа-
тационные расходы. Стоимость жизненного цикла (LCC) промыш-
ленного контроллера – это суммарная стоимость капиталовложений,
эксплуатационных затрат, обслуживания и компенсации воздействия
на окружающую среду. Контроллеры, разработанные с акцентом на
LCC, предоставляют возможность конечным пользователям макси-
мально сократить стоимость их жизненного цикла. Например, раз-
брос цен на жизненный цикл ПО показывает, что около 67 % общей
цены составляет фаза сопровождения ПО (Hewlett and Durham, 1987).
Затраты на написание программ – около 7 % стоимости жизненного
цикла, поэтому выигрыш в 300 или 400 % дает только видимость эф-
фекта. Реальный выигрыш от использования ПТК и систем на его ос-
нове можно подсчитать только по достижении конца жизненного
цикла первого поколения систем.
На рис. 1 .26 приведена область применения различных ПТК в
зависимости от выполняемых функций и количества измеряемых ве-
личин [20]. Данный график позволяет очертить границы использова-
ния того или иного ПТК в промышленности.
Рассмотрим более подробно указанные на рис. 1 .26 типы ПТК.
1.17.1. Контроллер на базе персонального компьютера. Это
направление развивается в первую очередь по следующим причинам
[22]:
• повышение надежности PC-based контроллера;
• наличие множества модификаций персональных компьютеров
в обычном и промышленном исполнении;
• использование открытой архитектуры;
• легкость подключения любых блоков ввода/вывода (модулей
УСО), выпускаемых третьими фирмами;

91
• возможность использования широкой номенклатуры нарабо-
танного программного обеспечения (операционных систем реального
времени, баз данных, пакетов прикладных программ контроля и
управления).
Рис. 1.26. Область применения ПТК
Контроллеры на базе PC, как правило, используют для управле-
ния небольшими замкнутыми объектами в промышленности, в спе-
циализированных системах автоматизации в медицине, научных ла-
бораториях, средствах коммуникации.
Общее число входов/выходов такого PC-based контроллера
обычно не превосходит нескольких десятков, а набор функций преду-
сматривает сложную обработку измерительной информации с расче-
том нескольких управляющих воздействий. Рациональную область
применения контроллеров на базе PC можно очертить следующими
условиями:
• выполняется большой объем вычислений за достаточно малый
интервал времени при небольшом количестве входов и выходов объ-
екта управления (необходима большая вычислительная мощность);
• средства автоматизации работают в окружающей среде, не
слишком отличающейся от условий работы офисных персональных
компьютеров;
• реализуемые контроллером функции целесообразно (в силу их
нестандартности) программировать не на одном из специальных

92
технологических языков, а на обычном языке программирования вы-
сокого уровня, типа C++, PASCAL и др.;
• практически не требуется мощная аппаратная поддержка ра-
боты в критических условиях, которая обеспечивается обычными
контроллерами. К функциям такой поддержки относятся: глубокая
диагностика работы вычислительных устройств, меры автоматиче-
ского резервирования, в том числе устранение неисправностей без
остановки работы контроллера, модификация программных компо-
нентов во время работы системы автоматизации и т.д.
На рынке контроллеров на базе PC в России успешно работают
кампании: OCTAGON, ADVANTECH, ANALOG DEVICES и др.
Многие российские фирмы закупают компьютерные платы и модули
ввода/вывода этих фирм и строят из них контроллеры.
1.17.2. Локальный программируемый контроллер. В настоя-
щее время в промышленности используется несколько типов локаль-
ных контроллеров (PLC):
а) встраиваемый в оборудование и являющийся его неотъемле-
мой частью. Такой контроллер может управлять станком с ЧПУ, со-
временным интеллектуальным аналитическим прибором и другим
оборудованием. Выпускается на раме без специального кожуха, по-
скольку монтируется в общий корпус оборудования;
б) автономный, реализующий функции контроля и управления
небольшим достаточно изолированным технологическим объектом.
Автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчи-
танные на разные условия окружающей среды.
Контроллеры данного класса, как правило, имеют небольшую
или среднюю вычислительную мощность. Локальные контроллеры
чаще всего имеют десятки входов/выходов от датчиков и исполни-
тельных механизмов, но существуют модели контроллеров, поддер-
живающие свыше сотни входов/выходов.
Контроллеры реализуют простейшие типовые функции обработ-
ки измерительной информации, блокировок, регулирования и про-
граммно-логического управления. Многие из них имеют один или не-
сколько физических портов для передачи информации на другие си-
стемы автоматизации.
В этом классе следует выделить специальный тип локальных
контроллеров, предназначенных для систем противоаварийной

93
защиты. Они отличаются особенно высокой надежностью, живуче-
стью и быстродействием. В них предусматриваются различные вари-
анты полной текущей диагностики неисправностей с локализацией их
до отдельной платы, резервирование как отдельных компонентов, так
и всего устройства в целом.
Наиболее распространены следующие способы резервирования:
• горячий резерв отдельных компонентов и/или контроллера в
целом (при непрохождении теста в рабочем контроллере управление
переходит ко второму контроллеру);
• троирование основных компонентов и/или контроллера в це-
лом с «голосованием» по результатам обработки сигналов всеми кон-
троллерами, составляющими группу (за выходной сигнал принимает-
ся тот, который выдали большинство контроллеров группы, а кон-
троллер, давший иной результат, объявляется неисправным);
• работа по принципу «пара и резерв». Параллельно работает
пара контроллеров с «голосованием» результатов, и аналогичная пара
находится в горячем резерве. При выявлении разности результатов
работы первой пары управление переходит ко второй паре; первая
пара тестируется, и либо определяется наличие случайного сбоя и
управление возвращается к первой паре, либо диагностируется неис-
правность и управление остается у второй пары.
1.17.3. Сетевой комплекс контроллеров. Сетевые ПТК (PLC,
NETWORK) наиболее широко применяются для управления произ-
водственными процессами во всех отраслях промышленности. Ми-
нимальный состав данного класса ПТК подразумевает наличие сле-
дующих компонентов:
• набор контроллеров;
• несколько дисплейных рабочих станций операторов;
• системную (промышленную) сеть, соединяющую контроллеры
между собою и контроллеры с рабочими станциями.
Контроллеры каждого сетевого комплекса, как правило, имеют
ряд модификаций, отличающихся друг от друга быстродействием,
объемом памяти, возможностями по резервированию, способностью
работать в разных условиях окружающей среды, числом каналов вво-
да/вывода. Это облегчает использование сетевого комплекса для раз-
нообразных технологических объектов, поскольку позволяет наибо-
лее точно подобрать контроллеры под отдельные элементы автомати-
зируемого объекта и разные функции контроля и управления.

94
Рассматриваемый класс сетевых комплексов контроллеров име-
ет верхние ограничения как по сложности выполняемых функций
(измерения, контроля, учета, регулирования и блокировки), так и по
объему автоматизируемого объекта (в пределах тысяч измеряемых и
контролируемых величин).
Чаще всего сетевые комплексы применяются на уровне цехов
машиностроительных заводов, агрегатов нефтеперерабатывающих,
нефтехимических и химических производств, а также цехов предпри-
ятий пищевой промышленности.
1.17.4. Маломасштабные распределенные САиУ. Этот класс
микропроцессорных ПТК (DCS, SMOLLER SCALE) превосходит
большинство сетевых комплексов контроллеров по мощности и
сложности выполняемых функций, но имеет ряд ограничений по объ-
ему автоматизируемого производства (порядка десятка тысяч контро-
лируемых параметров) и набору реализуемых функций.
Основные отличия от предшествующего класса заключаются в
несколько большем разнообразии модификаций контроллеров, бло-
ков ввода/вывода, большей мощности центральных процессоров, бо-
лее развитой и гибкой сетевой структуре. Как правило, ПТК этого
класса имеет развитую многоуровневую сетевую структуру.
В некоторых случаях расширение сетевой структуры идет в
направлении применения стандартных цифровых полевых сетей, со-
единяющих отдельные контроллеры с удаленными от них блоками
ввода/вывода и интеллектуальными приборами. Подобная простая и
дешевая сеть соединяет по одной витой паре проводов контроллер с
множеством интеллектуальных полевых приборов, что резко сокра-
щает длину кабельных сетей на предприятии и уменьшает влияние
возможных помех, поскольку исключается передача низковольтной
аналоговой информации на значительные расстояния.
Мощность контроллеров, применяемых в этом классе средств,
позволяет в дополнение к типовым функциям контроля и управления
реализовывать более сложные и объемные алгоритмы управления
(например, самонастройку алгоритмов регулирования, адаптивное
управление).
Маломасштабные распределенные системы управления исполь-
зуются для автоматизации отдельных средних и крупных технологи-
ческих
объектов
предприятий
непрерывных
отраслей

95
промышленности, а также цехов и участков дискретных производств
и цехов заводов черной и цветной металлургии.
1.17.5. Полномасштабные распределенные САиУ. Это наибо-
лее мощный по возможностям и охвату производства класс контрол-
лерных средств (DCS, FULL SCALE), практически не имеющий гра-
ниц ни по выполняемым на производстве функциям, ни по объему
автоматизируемого производственного объекта. Одна такая система
может использоваться для автоматизации производственной деятель-
ности крупномасштабного предприятия.
Описываемая группа ПТК имеет следующие свойства:
• наличие развитой многоуровневой сетевой структуры, преду-
сматривающей выделение трех уровней: информационного, систем-
ного и полевого, причем для организации отдельных уровней могут
использоваться разные варианты построения сетей;
• выход на корпоративную сеть предприятия, систему управле-
ния бизнес-процессами, глобальную сеть интернет, а также на уро-
вень интеллектуальных приборов;
• широкий модельный ряд применяемых контроллеров, разли-
чающихся по числу входов/выходов, быстродействию, объему памяти
разного типа, возможностям по резервированию, наличию встроен-
ных и удаленных интеллектуальных блоков ввода/вывода на все виды
аналоговых и дискретных сигналов;
• широкий диапазон рабочих станций;
• наличие мощного современного программного обеспечения, в
состав которого входят:
а) интерфейсы операторов с системой управления, предусматри-
вающие различные варианты построения на разных уровнях управле-
ния;
б) набор технологических языков с объемными библиотеками
типовых программных модулей для решения задач контроля, логиче-
ского управления и регулирования;
в) универсальные прикладные пакеты программ, реализующие
типовые функции управления отдельными агрегатами, диспетчерское
управление участками производства, технический учет и планирова-
ние производства в целом;
г) системы автоматизированного проектирования и конструк-
торского документооборота для разработки системы автоматизации.

96
1.17.6. Динамика работы ПТК. Важными для многих приме-
нений являются динамические параметры ПТК [11], определяющие
возможное быстродействие разрабатываемых цепей контроля и
управления. Отдельными показателями динамики являются:
 минимальный цикл опроса датчиков и минимальное время ре-
акции на аварийные сигналы при их обработке в цепях аварийной
защиты: внутри одного контроллера, при передаче управляющих сиг-
налов через системную сеть, при прохождении сигнала через пульт
оператора;
 минимальный цикл смены динамических данных в кадре на
пульте оператора и смены самих кадров, а также минимальное время
реакции на команду оператора с пульта;
 минимальное время перезапуска как всей системы, так и толь-
ко отдельных контроллеров после перерывов питания.
Указанные показатели имеют тем более важное значение, чем
более быстро протекают технологические процессы в автоматизиру-
емом объекте.
1.17.7. Надежность работы ПТК. Характеристики надежности
ПТК оценивают косвенными параметрами:
 глубина и полнота имеющихся диагностических тестов
определения неисправностей в отдельных компонентах ПТК;
 возможности, варианты и полнота резервирования отдельных
компонентов ПТК: сетей, контроллеров, блоков ввода/вывода, пуль-
тов оператора;
 наличие встроенных в систему блоков UPS (аккумуляторов) и
время их работы при прекращении питания системы от сети, а также
возможность и длительность перерыва питания (при отсутствии UPS)
без нарушения функций управления.
Поскольку использование резервирования и его полнота напря-
мую связаны со стоимостью системы, важно правильно оценить
необходимость и желательный вид резервирования разных частей
ПТК в разрабатываемой САиУ: частей для аварийных контуров, для
блокировочных зависимостей, для контуров регулирования, для це-
пей контроля; а уже после этого оценивать подходящие для данного
объекта возможности резервирования различных ПТК. Надежность
ПТК складывается из знания особенностей диагностики неисправно-
стей; поведения системы при кратковременных перерывах питания;

97
полноты и тщательности контроля производства при изготовлении
ПТК, что косвенно определяется престижем данной ПТК на рынке;
наконец, поведением ПТК в работающих САиУ по отзывам персона-
ла, эксплуатирующего эти системы.
1.17.8. Организационно-экономические показатели ПТК. За-
дача выбора ПТК при проектировании технических средств для
САиУ формулируется обычно следующим образом: из множества
возможных вариантов построения комплексов ТС необходимо вы-
брать и обосновать такой КТС, который обеспечивает решение за-
данного набора функциональных задач САиУ с заданным качеством
при минимуме капитальных и эксплуатационных затрат.
Экономические и организационные показатели ПТК зависят от
следующих факторов:
 сопоставительной стоимости ПТК;
 опыта реализации конкретного ПТК в промышленности;
 особенностей работ по внедрению ПТК и его сопровождению
на предприятии заказчика.
Все указанные показатели представляют существенный интерес
для любых потенциальных заказчиков ПТК, независимо от свойств
объекта управления и требований к САиУ.
При проведении сопоставительного анализа по стоимости ТС (в
том числе и различных ПТК) необходимо учитывать, что при слиш-
ком малом или слишком большом объеме капительных затрат внед-
рение ТС САиУ может быть убыточным. Достижение максимальной
эффективности организационно-экономических показателей ПТК
возможно при некотором компромиссе между капитальными затра-
тами на технические средства и их совершенством.
1.18. Программируемые логические контролеры
Основой любого ПТК является промышленный программируе-
мый контроллер. Программируемый контроллер – это цифровая элек-
тронная система, предназначенная для применения в промышленных
условиях. Программируемый контроллер использует программируе-
мое запоминающее устройство для внутреннего хранения ориентиро-
ванных на пользователя инструкций, для выполнения специальных
функций, таких как логические, упорядочения, отсчета времени, ма-
тематические действия, управление через цифровые или аналоговые

98
входы и выходы различными типами механизмов или процессов.
Программируемый контроллер и связанные с ним периферийные
устройства разрабатывают так, чтобы они могли быть легко интегри-
рованы в промышленную систему управления (ГОСТ Р 51840-2001
(МЭК 61131-1 -92) Программируемые контролеры. Общие положения
и функциональные характеристики).
Промышленные программируемые контроллеры по определе-
нию являются надежными и практически необслуживаемыми устрой-
ствами и выполняют функции регулирования и управления различ-
ными объектами (технологическими процессами).
Идея создания программируемых логических контроллеров
(ПЛК – PLC – Programmable Logical Controller) родилась практически
сразу с появлением микропроцессора. ПЛК по сути представляет со-
бой микроУВМ, имеющую некоторое множество входов и множество
выходов. Контроллер отслеживает изменение входов и вырабатывает
программно определенное воздействие на выходах. Обладая памя-
тью, ПЛК способен реагировать на внешние события в зависимости
от предыстории. Такая модель соответствует широко известным ко-
нечным автоматам. Однако возможности управления по времени,
развитые вычислительные способности, включая цифровую обработ-
ку сигналов, поднимают ПЛК на более высокий уровень.
ПЛК ориентированы на длительную работу в условиях про-
мышленной среды. Это обуславливает определенную специфику схе-
мотехнических решений и конструктивного исполнения.
ПЛК обладает мощной, совместимой и интуитивно понятной
системой программирования, высокой ремонтопригодностью, удобен
в монтаже и обслуживании, имеет развитые средства самодиагности-
ки и контроля правильности выполнения прикладных задач, средства
интеграции в единую систему, надежен и неприхотлив.
1.18.1. Классификация ПЛК. Развитие полупроводниковой
элементной базы, разработка новых средств информационного обме-
на, развитие алгоритмов управления способствует тому, что линейка
ПЛК непрерывно расширяется [22]. Многообразие ПЛК с различны-
ми функциональными и техническими, конструктивными характери-
стиками настолько велико, что разработчики систем автоматизации
зачастую оказываются перед нелегким выбором: какой контроллер
наилучшим образом подойдет для решения той или иной задачи.
Определение для каждого контроллера его классификационных

99
особенностей, его места среди прочих контроллеров позволит с
большей точностью сказать, подходит ПЛК для решения данной кон-
кретной задачи или нет.
Наиболее распространенными для ПЛК являются следующие
классификационные признаки.
1. Мощность.
2. Область применения.
3. Открытость архитектуры.
4. PC-совместимость.
5. Конструктивное исполнение.
В предыдущие годы был еще один классификационный при-
знак, который потерял сегодня актуальность – это страна-
производитель ПЛК. В настоящее время российские предприятия
набрались опыта, и схемотехнические решения у отечественного
производителя бывают лучше, чем у западных. По характеристикам
контроллеры-аналоги различных стран-производителей почти не от-
личаются. Системное и прикладное программное обеспечение либо
очень похоже, либо вообще используются стандартизированные про-
дукты (к примеру, OS Linux широко используется как на отечествен-
ных контроллерах, так и на импортных; инструментальная среда для
программирования для многих контроллеров одна и та же – CoDeSys
и т.п.). Элементная база и в импортных, и в российских контроллерах
применяется одна и та же. Кроме того, и отечественные, и европей-
ские, и американские разработчики контроллеров (да и не только
контроллеров) в последние годы все чаще размещают производство
на одних и тех же площадках в Юго-Восточной Азии. По сути, гра-
ницы между производителями электроники постепенно исчезают во-
обще.
При выборе производителя ПЛК следует обратить внимание на
то, учтена ли при разработке ПЛК российская специфика его эксплу-
атации [22]. К российской специфике можно отнести:
- в ысокий уровень промышленных помех;
-
широкий диапазон изменения параметров атмосферной и про-
мышленной сред;
-
возможность информационной связи с рядом морально уста-
ревших, но ещѐ находящихся в эксплуатации средств автоматизации
выпуска российских предприятий 80-х годов;
- недостаточную квалификацию обслуживающего персонала;
-
низкую культуру оперативного персонала в части общения

100
с вычислительными системами и дисплейными рабочими станциями.
Контроллеры российского производства учитывают российскую
специфику их эксплуатации. Но и зарубежные производители также
стали адаптировать свои приборы к описанным выше условиям рабо-
ты, пытаясь занять часть российского рынка.
Мощность ПЛК. Разрядность и быстродействие центрального
процессора, объѐм разных видов памяти, число портов и сетевых
интерфейсов определяют как мощность ПЛК. Очень часто основным
показателем, косвенно характеризующим мощность контроллера, яв-
ляется число входов и выходов (как аналоговых, так и дискретных),
которые могут быть подсоединены к контроллеру. По этому показа-
телю контроллеры подразделяются на следующие классы:
- наноконтроллеры (часто с встроенными функциями), имеющие
до 15 входов/выходов;
- малые контроллеры, рассчитанные на 15 – 100 входов/выходов;
-
средние контроллеры, рассчитанные примерно на 100 – 300
входов/выходов;
-
большие контроллеры, рассчитанные примерно на 300 – 2000
входов/выходов;
- сверхбольшие контроллеры, имеющие примерно 2000 и более
входов/выходов.
Одна из задач при разработке системы управления – это чѐтко
зафиксировать число входных и выходных сигналов объекта управ-
ления, чтобы избежать лишних затрат при выборе контроллера.
Область применения. Один из наиболее важных признаков
классификации является его область применения, которая наклады-
вает целый ряд требований к контроллерам и очень сильно сужает
круг поиска при разработке систем управления. Рассмотрим основ-
ные типы ПЛК, различаемые по области применения.
Специализированный контроллер со встроенными функциями –
минимальный по мощности контроллер, программа действия которо-
го заранее прошита в его памяти, а изменению при эксплуатации
подлежат только параметры программы. Число и набор модулей вво-
да/вывода определяется реализуемыми в нем функциями. Часто такие
контроллеры реализуют различные варианты функций регулирова-
ния. Основные области применения: локальное управление
какой-либо малой технологической установкой или механизмом.

101
Контроллер для реализации логических зависимостей (комман-
доаппарат) служит для замены релейно-контактных шкафов во всех
отраслях промышленности. Он характеризуется прошитой в его па-
мяти развитой библиотекой логических функций и функций блоки-
ровки типовых исполнительных механизмов. Для его программиро-
вания используются технологические языки типа релейно-
контактных схем. Набор модулей ввода/вывода у такого контроллера
рассчитан в основном на разнообразные дискретные каналы. Наибо-
лее простыми представителями данного класса контроллеров являют-
ся интеллектуальные реле.
Контроллер, реализующий любые вычислительные и логические
функции, – наиболее распространѐнный универсальный контроллер,
не имеющий ограничений по области применения. Центральный про-
цессор контроллера имеет достаточную мощность, разрядность, па-
мять, чтобы выполнять как логические, так и математические функ-
ции.
Иногда, для усиления его вычислительной мощности, он снаб-
жается ещѐ и математическим сопроцессором (во многих современ-
ных процессорах математический сопроцессор интегрирован в сам
кристалл). Инструментальные средства для программирования таких
контроллеров, как правило, поддерживают несколько технологиче-
ских языков программирования, таких как язык релейно-контактных
схем, функционально-блоковых диаграмм, язык С, Basic, Pascal и то-
му подобные. Как правило, также предоставляется большая библио-
тека уже реализованных логических, математических и коммуника-
ционных функций. В состав модулей ввода/вывода входят модули на
всевозможные виды и характеристики каналов (аналоговых, дискрет-
ных, импульсных и т. д.).
Контроллер противоаварийной защиты отличается от контрол-
леров других классов следующими характеристиками:
- ос обо высокой надежностью, достигаемой различными вариан-
тами диагностики и резервирования (например, диагностикой работы
отдельных компонентов контроллера в режиме реального времени,
наличием основного и резервного контроллеров с одинаковым аппа-
ратным и программным обеспечениями и с модулем синхронизации
работы контроллеров, резервированием блоков питания и коммуни-
кационных шин);
-
высокой готовностью, т. е. высокой вероятностью того, что

102
объект находится в рабочем режиме (например, не только идентифи-
кацией, но и компенсацией неисправных элементов; не просто резер-
вированием, но и восстановлением ошибок программы без прерыва-
ния работы контроллеров);
-
отказоустойчивостью, когда при любом отказе автоматизируе-
мый процесс переводится в безопасный режим функционирования.
Контроллер цепи противоаварийной защиты должен иметь сер-
тификат, подтверждающий безопасность его работы в цепях противо-
аварийной защиты.
Контроллер телемеханических систем автоматизации – класс
универсальных контроллеров, предназначенный для создания систем
диспетчерского контроля и управления распределѐнными на местно-
сти объектами. В контроллерах данного класса повышенное внима-
ние уделяется программным и техническим компонентам передачи
информации на большие расстояния беспроводными линиями связи.
В качестве таких линий часто используются УКВ-радиоканалы с
обычными или транковыми радиостанциями [22]. При этом возможна
передача информации от каждого контроллера в диспетчерский
центр, а также эстафетная передача информации по цепи от одного
контроллера к другому до достижения диспетчерского центра.
В настоящее время, в связи с большим скачком в развитии сото-
вой связи, всѐ большее распространение получает передача информа-
ции через сети GSM. В настоящее время всѐ большее количество
производителей контроллеров для телемеханических систем автома-
тизации предлагают коммуникационные модули со встроенными
GSM-модемами.
Открытость архитектуры. По данному классификационному
признаку ПЛК подразделяются на два класса – контроллеры, имею-
щие фирменную закрытую архитектуру, и контроллеры открытой ар-
хитектуры, основанной на одном из магистрально-модульных стан-
дартов.
При закрытой фирменной архитектуре изменения (модифика-
ции) контроллера возможны обычно только компонентами произво-
дителя. Сами изменения достаточно ограничены и заранее оговорены
производителем.
При открытой магистрально-модульной архитектуре, имею-
щей стандартный интерфейс для связи центрального процессора с
другими модулями
контроллера,
появляются
следующие

103
возможности:
- производителям выпускать в данном стандарте любые модули,
а разработчикам контроллеров компоновать свои средства из модулей
разных фирм;
-
возможность любой модификации и перекомпоновки средств
путем замены в них отдельных модулей, а не замены самих средств;
- сборка контроллеров из готовых модулей позволяет точнее
учитывать конкретные технические требования и не иметь в них
лишних блоков и элементов, не нужных для данного конкретного
применения;
-
широкая кооперация разных фирм, поддерживающих данный
стандарт на шину и работающих в этом стандарте, позволяет пользо-
вателям модулей не быть привязанными к конкретному поставщику и
иметь широкий выбор необходимой ему продукции.
В качестве примера распространѐнного стандартного интерфей-
са для обмена информацией внутри контроллера можно привести ин-
терфейс VME. Эта шина была разработана фирмой Motorola и впо-
следствии была стандартизирована IEC как ANSI/IEEE 1014-1987
(отечественный аналог – ГОСТ Р МЭК 821-2000).
PC-совместимость. По данному классификационному призна-
ку ПЛК также подразделяются на два класса – PC-совместимые
и PC-несовместимые. Каждый из этих классов имеет свои достоин-
ства и недостатки. PC-совместимые контроллеры имеют классиче-
скую открытую архитектуру IBM PC и в них используется та же эле-
ментная база. PC-совместимые контроллеры работают под управле-
нием тех же операционных систем (например, Windows, Unix, Linux,
QNX) и программируются теми же языками, которые используются
для разработки прикладного ПО для PC.
PC-несовместимые контроллеры имеют закрытую архитектуру
(ноу-хау разработчика), элементная база может существенно отли-
чаться от используемой в PC, а операционные системы совершенно
другие, нежели те, которые используются в РС.
РС-совместимые
контроллеры
по
сравнению
с
РС-несовместимыми в целом обладают большей мощностью, легче
стыкуются с различными SCADA-, MES-, ERP-системами, системами
управления базами данных, открыты для большинства стандартов в
областях коммуникаций и программирования, они в среднем дешев-
ле, проще обслуживаются и ремонтируются. В то же время

104
РС-несовместимые контроллеры лучше учитывают требования про-
мышленной автоматики; их операционные системы гарантируют от-
клик контроллера на внешнее событие через заданное время (опера-
ционные системы реального времени). Они в целом более надежны,
так как больше используют наработанные в промышленности спосо-
бы диагностики и горячего резервирования, обеспечивающие отказо-
устойчивость системы в целом. В них шире используются возможно-
сти связи с различными полевыми шинами.
Достоинства и недостатки каждого из этих видов контроллеров
определяют их области использования. РС-несовместимые контрол-
леры целесообразно применять на нижних уровнях автоматизации,
«поближе» к технологическому объекту. Здесь необходимы связь с
периферийными устройствами по полевым шинам, исполнение в ре-
альном времени (с гарантированным временем отклика на внешние
воздействия) и надѐжность. А открытость контроллера для связи со
SCADA, MES или СУБД, как правило, не требуется. РС-совместимые
же контроллеры целесообразнее применять на верхних уровнях авто-
матизации, где требования к реальному времени и связи по полевым
шинам отсутствуют, зато становятся строже требования по информа-
ционной совместимости контроллеров с корпоративными сетями.
Конструктивное исполнение. По конструктивному исполнению
контроллеры можно разделить на виды:
- встраиваемые;
- размещаемые в общий конструктив;
- модульного типа.
Встраиваемые контроллеры, как правило, не имеют корпуса,
часто конструкция просто крепится на раме. Требования к защитным
оболочкам таких контроллеров не предъявляются, поскольку кон-
троллеры встраиваются в общий корпус оборудования и являются
неотъемлемой частью этого оборудования (рис. 1 .27).
Контроллеры, у которых все модули – процессорный, коммуни-
кационные, модули ввода-вывода – размещаются в одном конструк-
тиве, предусматривают «материнскую» многослойную печатную пла-
ту с разъѐмами, в которые вставляются все модули контроллера.
Например, на рис. 1.28, а представлен ПЛК MIDICONTROL, ко-
торый
имеет крейтное исполнение. Кассета модулей (крейт)
MDR085-0 имеет металлический корпус с габаритными размерами
280x222x143, открытый спереди и снабженный направляющими

105
пазами, в которые вставляются модули.
Рис. 1.27. Встраиваемый контроллер
NT/PS
CPU
0
12345
а
б
Рис. 1.28. Внешний вид контроллеров крейтного исполнения:
а – ПЛК MIDICONTROL; б – внешний вид кассеты MINICONTROL
Разводка соединительных шин производится на задней стороне
кассеты, где находятся соединительные розетки для модулей. Эти ме-
ста пронумерованы шестнадцатеричными номерами, начиная с места,
непосредственно следующего за ЦП. Нумерация проставлена на
верхней части кассеты. Системные места для БП и ЦП обозначаются
как «NT/PS» и «CPU» соответственно.
На рис. 1 .28, б показан внешний вид кассеты MINICONTROL
MCGE33-0 с лицевой стороны. Кассета имеет пластмассовый корпус
с габаритными размерами 256х156х92. В комплекте с каждым мо-
дулем поставляется заглушка, которая вставляется в незанятые
места [23].
NT/PS CPU
модули

106
Конструктивы «крейтных» контроллеров бывают как ориги-
нальными, разрабатываемыми производителями (не стандартизиро-
ванными), так и стандартизированными. Одним из примеров стандар-
тизированных конструктивов является конструктив Евромеханика
(DIN 41494 / IEC 297-1). Стандарт Евромеханика регламентирует ши-
рину, высоту и глубину рамы контроллера. Пример контроллера в
конструктиве Евромеханика приведѐн на рис. 1 .29, а.
а
б
Рис. 1.29 . Контроллер с внутренней шиной в стандартизированном (а) и
нестандартизированном конструктиве (б)
Контроллеры модульного типа не используют общего конструк-
тива. Каждый модуль таких контроллеров, будь то процессорный мо-
дуль или модуль ввода-вывода, имеет собственный корпус. Так как
защитную оболочку для каждого модуля сделать проще, чем для все-
го контроллера, то именно этот тип контроллеров чаще всего выпус-
кают для жѐстких условий эксплуатации в исполнениях IP 67 и выше.
Контроллеры модульного типа очень часто выпускают в корпусе для
монтажа на рейку DIN NS 35/7,5. Можно выделить две разновидности
контроллеров: с внутренней межмодульной шиной и с внешней
шиной.
Модули контроллеров с внутренней межмодульной шиной
на боковых поверхностях имеют контакты для подключения соседних
модулей. А модули контроллеров с внешней шиной, как правило, ис-
пользуют для связи между модулями скоростную полевую шину,
например CAN. На рис. 1.29, б показан контроллер с внутренней ши-
ной, а на рис. 1 .30 изображены модули контроллера с внешней
шиной, приспособленные для эксплуатации в жѐстких условиях.

107
Рис. 1.30. Контроллер с внешней шиной
1.18.2. Обобщенная структура ПЛК. На рис. 1 .31 представле-
на обобщенная структура программируемых логических контролле-
ров с внутренними и внешними модулями. В системном ПЗУ любого
ПЛК хранится программа тестирования при включении электропита-
ния, однозадачная операционная система и отладчик. Пользователь
не имеет доступа в системное ПЗУ. Системное ОЗУ в основном пред-
назначено для временного хранения системных переменных. Пользо-
ватель имеет ограниченный доступ в эту часть памяти.
В пользовательском ОЗУ размещается прикладная программа и
данные пользователя. При отключении электропитания данные в
этом ОЗУ сохраняются за счет питания от резервной батареи.
ЦПУ
Системное
ПЗУ
Системное
ОЗУ
ППЗУ
ЗУПВ
Модуль

Модуль
Модуль
Системный интерфейс
Модуль ЦПУ
Модуль ЗУ
пользователя
Рис. 1.31. Обобщенная структура ПЛК

108
Пользовательское ППЗУ служит для хранения прикладной про-
граммы и сохраняет данные даже после пропадания электропитания.
Пользователь не имеет доступа в эту память. Программирование
ППЗУ производится по команде из программирующего устройства в
соответствии с содержимым пользовательского ОЗУ. Процесс про-
граммирования происходит параллельно с нормальной работой ПЛК.
Функциональные блоки, изображенные ниже магистрали си-
стемного интерфейса – это дополнительные (помимо БП и ЦПУ) мо-
дули расширения, устанавливаемые в слоты кассеты ПЛК.
Все модули ЦПУ имеют интерфейс для связи с инструменталь-
ной ЭВМ в интерактивном режиме работы. Такой режим необходим
на этапе создания прикладного ПО и его отладки. Он позволяет кон-
тролировать ход выполнения пользовательской программы, загру-
женной в ПЛК.
Модули ЦПУ обычно снабжены светодиодным индикатором,
отображающим различные функциональные состояния. В режиме ав-
тономной работы индикатор состояния – это единственное устрой-
ство отображения, которое может показать наличие аппаратных сбоев
и программных зависаний.
В модулях ЦПУ имеется ПЗУ, содержащее библиотеку быстро-
действующих математических подпрограмм для выполнения опера-
ций с плавающей запятой. Эти подпрограммы являются частью опе-
рационной системы. Они вызываются из блоков стандартных функ-
ций.
Все ЦПУ – программные таймеры, работающие в режиме за-
держки включения, количество которых зависит от конкретного типа
ПЛК. Функционирование каждого программного таймера обеспечи-
вается специальными регистрами-флажками. Каждый таймер обслу-
живается тройкой флажков: флажком запуска таймера, флажком ис-
течения времени работы таймера, флажком длительности интервала
времени.
Для всех трех типов ПЛК разработчиком выпускается большая
номенклатура функциональных модулей (блоки питания, модули
ввода-вывода дискретных сигналов, модули аналогового вво-
да/вывода, модули интерфейса).
Программирование ПЛК заключается в передаче ему через по-
следовательный порт кодов программ и данных. Передача осуществ-
ляется по онлайн-интерфейсу и поддерживается, с одной стороны,
аппаратной частью блока ЦП, а с другой – специальной платой

109
двухпортового интерфейса, устанавливаемой в компьютер.
1.18.3. Производительность ПЛК. Одной из основных харак-
теристик ПЛК является производительность контроллера. Произво-
дительность можно оценивать по следующим характеристикам [24].
1. Время считывания (выбора) канала телеизмерения.
2. Время обработки команд (двоичных, логических).
3. Время оборота маркера на внешней шине.
4. Цикл приложения задачи мастера (опрашивающего устрой-
ства).
5. Пропускная способность локальной или промышленной ши-
ны.
6. Цикл приложения задачи исполнителя (опрашиваемого
устройства).
Существенный параметр ПЛК – время считывания (T ск) канала
модуля телеизмерения. Как правило, это время представляется в тех-
нических характеристиках модуля связи с объектом неявно в виде
времени преобразования аналогового модуля (примерно 50 мкс для
типового модуля) и в явном виде приводится в пределах 0,2 – 4,0 мс
[3]. Суммарное время преобразования и время на обработку результа-
та (время драйвера модуля связи с объектом) определяет время T ск.
Время обработки команд (T ок) применяется для модуля центрально-
го процессора (CPU) в расчете на время обработки 1 КБ операций.
Это время относится к обработке операндов в приложении. Практи-
чески его трудно рассчитать и косвенно можно оценить по объему
приложения в памяти программ. Как правило, время обработки ко-
манд значительно превышает суммарное время считывания каналов и
определяет время цикла задачи в инструментальном пакете ПЛК.
Время оборота маркера (T ом) определяется циклами считывания мо-
дулей УСО на локальной шине или циклами прикладной задачи на
локальных ПЛК, а также пропускной способностью шины.
На рис. 1 .32 показаны переменные соотношения цикла прило-
жения, T ом, T ск, где T ск – время считывания канала; T см – время
считывания модуля; T су – время считывания узла для опроса на про-
мышленных шинах Modbus, Profibus.
Время оборота маркера на локальной и промышленной шине
равно циклу приложения узла задатчика (мастера) на шине и может
быть меньше пропускной способности шины. Цикл приложения узла

110
исполнителя (ведомого) на промышленной шине не должен превы-
шать время T ом, в противном случае приложение не успеет подгото-
вить данные для опроса. Цикл приложения мастера на промышлен-
ной шине может быть меньше цикла приложения исполнителя, но
при этом не в каждом цикле приложения мастера данные модифици-
руются.
Рис. 1.32. Опрос каналов ввода/вывода на шине Modbus (а), Profibus (б)
Таким образом, для ПЛК характерны общие свойства, определя-
емые международными стандартами, а именно: унификация процес-
соров и сопроцессоров; наличие внутриприборной шины для под-
ключения модулей ввода/вывода; поддержка промышленных и офис-
ных сетей (Modbus, Ethernet, Profibus, CAN, Internet и др.); поддержка
технологических и процедурных языков программирования (инстру-
ментальная система ISaGRAF, Ultralogic, UltraC/C++ и др.); встраива-
емые операционные системы реального времени (ОS-9, QNX-4 .25
и др.); поддержка механизмов обмена со SCADA-системами (DDE,
OPC).

111
1.19. Программируемые компьютерные контроллеры
и промышленные компьютеры
Логические возможности, модульность конструкции, многоза-
дачная операционная система, сторожевой таймер.
Программируемые компьютерные контроллеры (ПКК) приме-
няются для многих задач управления, где уже недостаточно логиче-
ских возможностей ПЛК, они нуждаются в функциональных воз-
можностях стандартного компьютера (регистрация, накопление,
управление данными и т.д.). В ПКК функции ПЛК интегрируются с
возможностями промышленного компьютера: программированием на
языке высокого уровня, символической адресацией, детерминирован-
ным многозадачным режимом в одном многозадачном ЦПУ, объемом
памяти в мегабайтном диапазоне. Структура, модульность конструк-
ции и производительность центральных процессоров этих систем раз-
личны, но они полностью совместимы с точки зрения функциональ-
ных возможностей электроники и программного обеспечения. Широ-
кий диапазон интерфейсных модулей обеспечивает локальную или
распределенную (удаленную) конфигурацию с возможностями обра-
ботки цифровых и аналоговых сигналов, позиционирования, ЧПУ и
подключения к сети.
Модульные системы ПКК широко используются в технологии
управления. В системах ПКК вместо кассеты с фиксированным коли-
чеством мест используется модульная шинная система. Базовые па-
нели модулей ПКК обычно выполняют из проводящего алюминия.
Электрические соединения между модулями выполняются с помо-
щью разъемных соединителей. Это устраняет риск повреждения ка-
белей и возможность неправильной установки модуля. Отдельные
модули систем ПКК, заключенные в пластмассовые корпуса, уста-
навливаются на базовой плате с помощью простого в использовании
вставного механизма. Шинная система полностью согласуется с кон-
структивным стандартом DIN-рейки. Модули могут помещаться на
сегмент шины в одной линии или разделяться на несколько более ко-
ротких сегментов. Механическая и электронная конструкция
позволяет устанавливать и извлекать отдельные модули в ходе рабо-
ты, не влияя на смежные модули и систему в целом.

112
Программным ядром ПКК является многозадачная операцион-
ная система, пригодная для использования в управляющих системах.
Операционная система ПКК обладает перестраиваемой конфигураци-
ей и является детерминированной многозадачной системой, работа-
ющей в реальном масштабе времени. Для обеспечения режима «ре-
ального времени» пользователь может определять время цикла, кото-
рое желательно для выполнения его программы. Для этого использу-
ют разные «классы задач», которые могут иметь различные времена
цикла. Операционная система следит, чтобы все прикладные про-
граммы были обработаны в пределах заданного интервала времени.
С помощью этой технологии:
 большой проект можно разделить на составные части. Этот
метод увеличивает модульность и упрощает сопровождение проекта;

каждой прикладной программе может быть задано реально
необходимое время цикла, исходя из требований управления в ре-
альном времени;
 время реакции на экстренное событие не ограничено вре-
менем цикла всей программы;
 время цикла для каждой части прикладной программы мо-
жет задаваться и, следовательно, может быть точно предсказано.
Как правило, модульная система ПКК состоит из ядра операци-
онной системы и пакета специальных программ ПКК.
К промышленным ПКК по сравнению с офисными ПК предъяв-
ляются повышенные требования: сетевые возможности, вибростой-
кость, ударопрочность, пылевлагонепроницаемость, диапазон рабо-
чих температур, габариты, позволяющие их монтировать в стандарт-
ные стойки или встраивать в технологическое оборудование.
Еще одной особенностью промышленных компьютеров является
отсутствие материнской платы. Процессорная плата наравне с пери-
ферийными вставляется в стандартный слот на объединительной пас-
сивной кросс-плате. Модульная конструкция позволяет производить
быструю замену плат.
Другой конструктивной особенностью является большое коли-
чество слотов расширения, которое может достигать 20, поскольку
ПКК часто приходится взаимодействовать с большим количеством
датчиков и исполнительных механизмов.
Для повышения надежности в компьютеры дополнительно уста-
новлен сторожевой таймер, в задачу которого входит перезапуск

113
системы через несколько минут в случае зависания программы путем
генерации сигнала RESET или IRQ15. Также прибегают к хранению
параметров SETUP в энергонезависимой памяти. Это позволяет об-
ходиться без специальных батареек. Некоторые фирмы для особо от-
ветственных приложений выпускают отказоустойчивые компьютеры
с дублированием важнейших узлов и возможностью их замены во
время работы.
Вместо винчестера в промышленных компьютерах может быть
использован твердотельный эмулятор дискового накопителя на базе
флеш-ПЗУ, который полностью эмулирует работу винчестера, но при
этом не имеет механических частей, что позволяет использовать его в
условиях вибрационных и ударных нагрузок. При выключении пита-
ния информация на нем сохраняется.
Промышленные компьютеры имеют упрочненные металличе-
ские корпуса, как правило, предназначенные для монтажа в стандарт-
ные 19 стойки или на стену. Для защиты от несанкционированного
доступа наиболее важные кнопки и дисководы запираются специаль-
ной дверцей.
1.20. Одноплатные промышленные компьютеры
Форм-фактор, платы расширения, комплексирование, встраи-
ваемая система.
Отличительными особенностями одноплатных компьютеров для
встраиваемых систем являются: управляющее ядро в виде микропро-
цессорной системы достаточно большой вычислительной мощности,
компактный размер, малое энергопотребление, высокая надежность,
поддержка большого числа интерфейсов [18]. Одноплатные компью-
теры (SBC – Single Board Computer) имеют на одной плате процессор,
оперативную и постоянную память, устройства ввода/вывода. Это
компьютеры фирм Advantech, Diamond Systems, Lippert, Fastwel, Oc-
tagon Systems, SBS Technologies и др.
Размер SBC определяется форм-фактором и количеством плат
расширения. Энергопотребление тесно связано с допустимым верх-
ним пределом диапазона рабочих температур. Для жестких условий
эксплуатации
важным
фактором
является
возможность
автоматического понижения тактовой частоты процессора при

114
возникновении опасности перегрева. Устойчивость к механическим
воздействиям – важнейшее требование при эксплуатации изделия в
промышленности и на транспорте. Устойчивость к электромагнит-
ным помехам актуальна при эксплуатации устройств вблизи источни-
ков электромагнитного излучения и электростатических разрядов.
Гибкость SBC определяется возможностью наращивания и варьиро-
вания функций конечной системы автоматизации путем комплексиро-
вания SBC с платами расширения. Специфика встраиваемых прило-
жений проявляется в том, что, кроме привычных пассивных объеди-
нительных плат, в SBC применяются мезонинные решения, позволя-
ющие значительно экономить место и сохранять ударо- и вибростой-
кость конструкции.
Термин «встраиваемая система» предполагает компактность
конечного изделия, которая обеспечивается стандартизованными
форм-факторами: PC/104, PC/104+, MicroPC, 3,5”, 5,25”, EBX,
CompactPCI, VME.
PC/104 – один из наиболее компактных форм-факторов. Линей-
ные размеры стандартной платы 90×96мм. Платы объединяются по
принципу этажерки с шагом 15мм. На электрическом (сигнальном) и
логическом уровнях шина PC/104 аналогична стандартной последо-
вательной асинхронной шине ISA. Стандарт PC/104+ идентичен
PC/104, но имеет дополнительную шину, электрически и логически
аналогичную параллельной синхронной шине PCI.
MicroPC – форм-фактор, предложенный в 1990 г. фирмой
Octagon Systems. Платы имеют размер 114x124 мм и ножевой разъем,
идентичный 8-разрядной шине ISA.
Форм-фактор 3,5” соответствует размеру стандартного 3,5 -
дюймового дискового накопителя (148×95 мм). 5,25” – форм-фактор,
соответствующий размеру стандартного 5-дюймового дискового
накопителя (203×145мм). Как правило, платы этого стандарта могут
наращиваться модулями PC/104 или PC/104+. EBX практически
идентичен форм-фактору 5,25”, имеет другое расположение крепеж-
ных отверстий и обязательно поддерживает PC/104+.
Магистрально-модульный стандарт CompactPCI имеет следую-
щие основные параметры: разрядность синхронной шины – 32/64;
конструктив – Eurocard 3U, 6U; расстояние между модулями в крейте
–
20,32 мм: максимальное количество модулей u1074 в крейте – 8/16;
пропускная способность в базовом 32-разрядном варианте –
132 МБ/с.

115
Стандарт VME имеет характеристики: разрядность асинхронной
шины – 32/64; конструктив – Eurocard 3U, 6U, 9U; расстояние между
модулями в крейте – 20,3 2мм: максимальное количество модулей в
крейте – 21; пропускная способность в базовом 32-разрядном вариан-
те – 40 МБ/с.
В качестве примера на рис. 1 .33 приведен процессорный модуль
CL9, 3U CompactPCI на основе Intel Pentium M – процессора с низ-
ким потреблением. CL9 является мощной процессорной платформой
широкого спектра применения в таких областях, как мультимедиа,
промышленная автоматизация, управление транспортом, средства ви-
зуализации, медицина, робототехника и другие. СL9 подходит ко
всем приложениям, где требуется использование малогабаритных
встраиваемых компьютеров с низкой потребляемой мощностью и вы-
сокой производительностью.
Рис. 1.33. CL9 – высокопроизводительный 3U CompactPCI процессорный
модуль фирмы SBS Technologies
1.21. Специализированные микропроцессоры. Организация
структуры микропроцессорных систем
Цифровые и аналоговые микропроцессоры, мультипрограммная
работа.
Среди специализированных микропроцессоров (МП) можно вы-
делить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполне-
ние
сложных
последовательностей
логических
операций,
математические
МП,
предназначенные
для
повышения

116
производительности при выполнении арифметических операций
за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обра-
ботки данных в различных областях применений и т. д. С помощью
специализированных МП можно эффективно решать новые сложные
задачи параллельной обработки данных [19].
По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифро-
вые и аналоговые микропроцессоры. Сами МП цифровые устройства,
однако, могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-
аналоговые преобразователи. С архитектурной точки зрения такие
микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные
преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцес-
сорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (напри-
мер, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, филь-
трацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе
времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных
усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом
применение аналогового микропроцессора значительно повышает
точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а
также расширяет функциональные возможности за счет программной
«настройки» цифровой части микропроцессора на различные алго-
ритмы обработки сигналов.
Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется не-
сколько каналов аналого-цифрового и цифроаналогового преобразо-
вания. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых
данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяется увели-
чению скорости выполнения арифметических операций.
Отличительная черта аналоговых микропроцессоров – способ-
ность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к вы-
полнению операций сложения и умножения с большой скоростью,
при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и
переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму,
обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход
обычно в аналоговой форме через ЦАП. При этом согласно теореме
Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое
превышать верхнюю частоту сигнала.
Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопо-
ставлением времени выполнения ими списков операций. Сравнение
же аналоговых микропроцессоров производится по количеству экви-
валентных звеньев аналого-цифровых фильтров рекурсивных

117
фильтров второго порядка. Производительность аналогового микро-
процессора определяется его способностью быстро выполнять опера-
ции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше
эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразо-
вателе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сиг-
налов можно задавать в микропроцессоре.
По характеру временной организации работы МП делят на син-
хронные (начало и конец выполнения операций задаются устрой-
ством управления) и асинхронные (начало выполнения каждой сле-
дующей операции определяется по сигналу фактического окончания
выполнения предыдущей операции).
Для более эффективного использования каждого устройства МП
системы в состав асинхронно работающих устройств вводят элек-
тронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование
устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство
вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выпол-
нению следующей операции. При этом роль естественного распреде-
лителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с за-
ранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных
устройств по обеспечению их командной информацией и данными.
По организации структуры микропроцессорных систем разли-
чают одно- и многомагистральные микроЭВМ.
В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одина-
ковый интерфейс и подключены к единой информационной маги-
страли, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих
сигналов.
В многомагистральных микроЭВМ устройства группами под-
ключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осу-
ществить одновременную передачу информационных сигналов по
нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем
усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.
По количеству выполняемых программ различают одно- и муль-
типрограммные МП.
В однопрограммных МП выполняется только одна программа.
Переход к выполнению другой программы происходит после завер-
шения текущей программы.
В мультипрограммных МП одновременно выполняется несколь-
ко (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипро-
граммной работы МП управляющих систем позволяет осуществить

118
контроль над управлением большого числа источников или приемни-
ков информации.
1.22. Микроконтроллеры (однокристальные микроЭВМ)
Цифровая система управления минимальной конфигурации, си-
стема команд, CISC, RISC, энергонезависимая
память,
флеш-
память.
Микроконтроллеры (МК) или однокристальные микроЭВМ
представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде
одной БИС и включающие в себя все устройства, необходимые для
реализации цифровых систем управления минимальной конфигура-
ции. Однокристальная микроЭВМ отличается от МП тем, что поми-
мо центрального процессора содержит память и многочисленные пе-
риферийные устройства: АЦП, последовательные и параллельные ка-
налы передачи информации, таймеры реального времени, широтно-
импульсные модуляторы (ШИМ), генераторы программируемых им-
пульсов и т. д. Такие микросхемы имеют незначительную емкость
памяти, физическое и логическое разделение памяти программ ПЗУ и
памяти данных ОЗУ, упрощенную и ориентированную на задачи
управления систему команд и данных. Таким образом, микро-
контроллеры предназначены не для решения задач обработки данных,
а для решения задач управления и регулирования в приборах, устрой-
ствах и системах автоматизации.
По своей структуре и принципу функционирования однокри-
стальная микроЭВМ, в сущности, не отличается от микропроцессор-
ной системы. Основное назначение однокристальных микроЭВМ –
использование в системах автоматического управления, встроенных в
самые разные устройства, их называют микроконтроллерами.
В настоящее время в мире выпускаются тысячи разновидностей
МК. Они поставляются в корпусах с числом выводов от 8 до 356, ра-
ботают при температуре от –55 до +125°С, на частотах от 32кГц до
200МГц, способны функционировать при напряжении питания от
1,2В, потребляя при этом ток, не превышающий единицы микроам-
пер.
Так как МК содержит внутри себя центральный процессор, то он
имеет свою систему команд. В зависимости от числа используемых
кодов операций системы команд подразделяют на две группы: CISC и

119
RISC [25]. Термин CISC означает сложную систему команд и являет-
ся аббревиатурой английского определения Complex Instruction Set
Computer. Термин RISC происходит от Reduced Instruction Set
Computer и означает сокращенную систему команд. Несмотря на ши-
рокую распространенность этих понятий, следует отметить, что сами
названия не отражают главного различия между этими системами
команд. Основная идея RISC-архитектуры – это тщательный подбор
таких комбинаций кодов операций, которые можно было бы выпол-
нить за один период сигнала тактового генератора, т. е. за один такт.
Основной выигрыш от такого подхода – существенное упрощение
аппаратной реализации центрального процессора и возможность зна-
чительно повысить его производительность. Первоначально реализо-
вывать такой подход удавалось лишь существенно сократив набор
команд, отсюда и родилось название RISC. Например, система ко-
манд МК семейства Microchip PIC16 включает в себя всего 35 ин-
струкций и может быть отнесена к типу RISC. Очевидно, что в общем
случае одной команде CISC-архитектуры должны соответствовать
несколько команд RISC-архитектуры. Однако выигрыш от повыше-
ния быстродействия в рамках RISC-архитектуры обычно перекрывает
потери от менее эффективной системы команд, что приводит к более
высокой эффективности RISC-систем. Например, наиболее быстрая
команда МК 8051 выполняется за 12 тактов. Даже если для каждой
инструкции
потребуется
выполнить
три
инструкции
RISC-контроллера, то в итоге RISC-архитектура обеспечит четырех-
кратное увеличение производительности. Кроме того, при упроще-
нии центрального процессора уменьшается число транзисторов, не-
обходимых для его реализации, что ведет к снижению стоимости МК
и потребляемой им мощности. В настоящее время грань между этими
двумя понятиями стирается. Например, МК семейства AVR фирмы
Atmel имеют систему команд из 120 инструкций, что соответствует
типу CISC. Однако большинство из них выполняется за один такт,
поэтому принято считать, что основным признаком RISC-
архитектуры является выполнение команд за один такт.
Тактовый генератор вырабатывает импульсы для синхронизации
работы всех узлов МК. Частоту их следования могут задавать внеш-
ние кварцевый резонатор или RC-цепь. В некоторых МК предусмот-
рен режим работы тактового генератора без применения внешних
элементов.
Назначение ПЗУ – хранение программ, поэтому эту память

120
называют памятью программ. До недавнего времени существовало
две основных разновидности ПЗУ – масочные и программируемые.
В масочные ПЗУ информацию заносят в процессе изготовления
МК с помощью технологических шаблонов – масок. Изменить ее по-
сле окончания производственного цикла невозможно. Такие ПЗУ ис-
пользуют лишь в случаях, когда качество программы не вызывает
сомнений и существует массовая потребность в МК именно с этой
программой. Достоинство масочных ПЗУ – самая низкая стоимость
при массовом производстве.
В программируемые ПЗУ информацию записывают с помощью
внешнего устройства, называемого программатором. МК с такими
ПЗУ бывают двух типов: однократно и многократно программируе-
мые (перепрограммируемые). Первые допускают только однократное
программирование, после чего стереть информацию уже невозможно.
МК с такой памятью используют в мелкосерийном производстве, ко-
гда применение масочных МК экономически не оправдано из-за за-
трат на разработку маски.
Перепрограммируемые МК подразделяются на оснащенные
ПЗУ со стиранием ультрафиолетовым (УФ) излучением и МК с элек-
трически перепрограммируемой памятью. МК, имеющие память, сти-
раемую УФ излучением, выпускаются в корпусе с прозрачным
окошком, через которое осуществляется стирание. Недостаток таких
МК – высокая стоимость и относительно небольшое число циклов за-
писи/стирания, которое зависит от суммарной дозы облучения кри-
сталла и обычно не превышает 15...20.
В настоящее время все более распространенной становится но-
вая технология реализации ПЗУ – флеш-память. Ее главное достоин-
ство в том, что она построена на принципе электрической перепро-
граммируемости, т. е. допускает многократное стирание и запись ин-
формации с помощью только электрических сигналов. Минимальное
гарантированное число циклов записи/стирания обычно превышает
несколько тысяч. Это существенно увеличивает жизненный цикл и
повышает гибкость микроконтроллерных систем, так как позволяет
вносить изменения в управляющую программу как на этапе разработ-
ки системы, так и в процессе его работы в реальном устройстве. В не-
которых МК реализована возможность перепрограммирования флеш-
памяти программ без внешнего программатора.
Оперативное запоминающее устройство, реализованное в МК,

121
обычно особенностей не имеет. Однако в ряде МК наряду с обычной
энергозависимой памятью данных присутствует энергонезависимая
память данных – разновидность флеш-памяти.
Большинство МК предполагает раздельное использование па-
мяти программ и памяти данных, т. е. построено по гарвардской ар-
хитектуре.
Таймеры/счетчики – это построенные на основе счетчиков
устройства, которые могут быть запрограммированы на выполнение
целого ряда функций. Их можно использовать для точного формиро-
вания временных интервалов, подсчета импульсов на выводах МК,
формирования последовательности импульсов, тактирования прие-
мопередатчика последовательного канала связи. Таймеры/счетчики
могут вырабатывать запросы прерываний. Поскольку основное при-
менение МК находят в системах реального времени, тайме-
ры/счетчики являются их обязательным элементом. В некоторых МК
количество таймеров/счетчики достигает 32.
Параллельные порты ввода/вывода также являются обязатель-
ным элементом любого МК. Обычно их используют для связи с дат-
чиками и исполнительными механизмами. Важная особенность па-
раллельных портов МК – возможность программной настройки на
выполнение нескольких функций. Например, в МК 8051 выводы пор-
тов Р0 и Р2 могут использоваться либо как обычные статические ре-
гистры ввода/вывода, либо в качестве шины адреса и данных для
подключения внешних устройств, таких как дополнительная память
программ, память данных, микросхемы программируемого парал-
лельного (например, КР580ВВ55А) или последовательного (напри-
мер, КР580ВВ51) адаптера. Порт Р3 этого МК может использоваться
как статический регистр ввода/вывода либо выполнять специальные
функции для работы последовательного канала, таймеров, контрол-
лера прерываний и т. д. Возможность программной настройки позво-
ляет с максимальной эффективностью задействовать в проектируе-
мом устройстве все выводы МК.
Последовательный порт – важный канал информационного об-
мена МК с внешними устройствами. Такой канал занимает мини-
мальное число выводов МК, обеспечивая связь на значительные рас-
стояния с минимальными аппаратными затратами. В различных МК
реализованы
устройства,
поддерживающие
разнообразные
протоколы: RS-232C, что обеспечивает возможность
организации

122
связи МК с персональным компьютером, RS-485, I
2
C (двухпроводная
двунаправленная шина), SPI (последовательный периферийный трех-
проводный интерфейс), Bitbus (последовательная магистраль управ-
ления), CAN (межконтроллерный сетевой интерфейс), USB (универ-
сальная последовательная шина) и некоторые другие. Практически
для любого типа последовательного канала можно найти МК, имею-
щий в своем составе соответствующий последовательный порт.
Обычно, когда говорят о каком-либо МК, то всегда упоминают
семейство, к которому он принадлежит. К одному семейству относят
изделия, имеющие одинаковое ядро, под которым понимают сово-
купность таких понятий, как система команд, временные диаграммы
работы ЦП, организация памяти программ и памяти данных, система
прерываний и базовый набор периферийных устройств. Отличия
между различными представителями одного семейства заключаются
в основном в составе периферийных устройств и объеме памяти про-
грамм или данных.
Поскольку диапазон задач, решаемых МК, чрезвычайно широк,
их производители стараются выпустить столько модификаций, чтобы
удовлетворить самые разнообразные запросы потребителей. В неко-
торых семействах число достигает ста и более.
Наиболее важная особенность семейства – программная совме-
стимость на уровне двоичного кода всех входящих в него МК. Это
позволяет разработчикам систем заменять одни МК семейства други-
ми без серьезной переделки имеющегося программного обеспечения.
Естественно, чем большее число разновидностей входит в семейство,
тем больше шансов выбрать оптимальный вариант и тем привлека-
тельнее это семейство для разработчика. Вопрос правильного выбора
семейства МК для новой разработки является стратегическим, так как
проблема переноса программного обеспечения между изделиями раз-
ных семейств чрезвычайно сложна и даже использование языков вы-
сокого уровня не всегда позволяет решить ее без больших потерь.
Быстрое развитие и распространение однокристальных микро-
контроллеров обусловлено их универсальностью и низкой стоимо-
стью. На базе микроконтроллеров реализовано большинство встроен-
ных технических средств САиУ: измерительные приборы, счетчики
воды, газа и электроэнергии, приборные панели, интеллектуальные
датчики, системы управления электродвигателями, промышленные
роботы, регуляторы температуры, влажности, давления и т. д.

123
1.23. Технические средства взаимодействия с оперативным
персоналом САиУ
Специализированные пульты, отображение информации, си-
стемы человекомашинных интерфейсов.
В САиУ сложными объектами на оперативный персонал возла-
гается весьма важная часть функций принятия решений в процессе
управления. Обычно выделяют следующие основные типы техниче-
ских средств взаимодействия с оперативным персоналом САиУ:

специализированные пульты ввода-вывода информа-
ции индивидуального пользования;

специализированные пульты группового пользования;

специализированные мнемонические схемы (группо-
вого пользования);

цифровые табло группового пользования;

стандартные устройства регистрации информации;

устройства вывода звуковой информации;

устройства ввода-вывода на основе дисплеев (группо-
вого и индивидуального пользования).
К основным функциям, выполняемым техническими средствами
взаимодействия с оперативным персоналом САиУ, следует отнести:
 отображение информации для оперативного (немедленного)
принятия решения;
 отображение общего текущего состояния технологического
процесса;
 выдачу ответов на запросы оперативного персонала о состоя-
нии отдельных технологических параметров, технологическо-
го оборудования, о ходе производственного процесса, выпол-
нении плана и т.д .;
 выдачу рекомендаций об изменении режимов технологическо-
го процесса.
В настоящее время часто в качестве «интеллектуальных»
устройств связи с оперативным персоналом применяют обычные и
промышленные ПК [23]. Это, в первую очередь, связано с появлени-
ем модульной системы человекомашинных интерфейсов (MMI), что
обусловило применение в САиУ для решения конкретных задач са-
мых разнообразных дисплеев и панелей оператора, которые являются

124
средствами общения между человеком и контроллерным оборудова-
нием. Модульный принцип организации позволяет объединять функ-
ции панели, определяя оптимальную конфигурацию для данного при-
ложения пользователя, изменять и расширять их при необходимости.
Комплекс технических средств общения между человеком и
контроллерным оборудованием состоит из модулей клавиатур, дис-
плеев и контроллеров, а также аппаратных выключателей и кнопок
(ВКЛ ВЫКЛ, АВАРИЙНЫЙ ОСТАНОВ и выключатель с ключом)
(рис. 1 .34).
Рис. 1.34. Технические средства ввода и отображения информации
Все модули являются интеллектуальными и соответствуют меж-
дународному стандарту установочных размеров для электрической
аппаратуры. Из всего спектра существующего на сегодняшний день
оборудования можно выбрать специализированный интерфейс MMI
для каждого приложения, варьируя число и структуру клавиш, воз-
можности дисплея и функциональные возможности программного
обеспечения. Интерфейс пользователя можно строить, используя все
типы дисплеев (VFD, LCD, TFT) различных размеров, а также боль-
шое количество блоков клавиатуры (рис. 1 .34). Пользователь также
может выбирать уровень интеллектуальности, нужный для интерфей-
са приложения. Целый диапазон контроллеров поддерживает любой
тип задач: от простых автономных приложений до сложных функций
визуализации с сетевой структурой. Программное обеспечение дан-
ного комплекса технических средств – интеллектуальных
модулей – служит для конфигурирования системы. Прежняя система
многочисленных компонентов в различных шкафах устарела с появ-
лением модульного понятия панелей.

125
а
б
в
Рис. 1.35. Технические средства отображения информации:
а – VFD дисплей; б – LCD дисплей; в – графический дисплей
Дисплеи. Контролируемые данные технологического процесса,
блоки связанных переменных, аварийные сообщения, рабочие и пре-
дупреждающие сообщения могут быть выведены на дисплей в виде
текста или графики. Используются несколько типов дисплеев.
 VFD дисплеи (рис. 1 .35, а). Вакуумный флуоресцентный дисплей
(VFD) на две строки по 20 символов или две строки по 40 символов
–
оптимальное решение для участков со слабым освещением.
 LCD дисплеи (жидкокристаллические) (рис. 1.35, б). LCD дисплей
на две строки по 20 символов на строку или на четыре строки с 20
или 40 символами на строку обеспечивают четкий просмотр сооб-
щений, созданных в проекте пользователя, в стандартных условиях
освещения.
 Графические дисплеи (рис. 1 .35, в). Подсвечиваемые дисплеи с хо-
лодным катодом (64 x 240 или 128 x 240 пикселей) позволяют вы-
водить текст, строки и динамические гистограммы различного раз-
мера.
Блоки клавиатуры (рис. 1 .35, в) позволяют непосредственно
вводить данные и управляющие команды. Гарантируется работо-
способность до температуры +50oC. Все блоки клавиатуры имеют
cпециальное покрытие и обеспечивают степень защиты IP54 по
стандарту МЭК529 (NEMA 12).
 Электронные блоки клавиатуры. Четыре различных блока клавиа-
туры оборудованы кнопками и клавишами со светодиодами. Связь
с ПЛК/ПКК осуществляется по последовательному интерфейсу
(через контроллер панели). При работе с клавишей осязается
нажим, а также слышен щелчок. В результате устраняются ошибки
сенсорных клавиатур, связанные с тем, что пользователь не знает,
нажата клавиша или нет. Клавиши со светодиодами можно исполь-
зовать для подтверждения ввода или указания, что необходимо

126
ввести значение.
 Аппаратные блоки клавиатуры. Для некоторых систем управления
необходимо комбинировать старую и новую технологии клавиш.
Чтобы включить цифровые клавиши, функциональные клавиши и
аппаратные кнопки или выключатели в одну панель, в состав си-
стемы MMI введены блоки клавиатуры с аппаратными контактами
(например, выключатель с ключом, кнопка аварийного останова, и
т.д.) . Они имеют ту же конструкцию, что и другие клавиатурные
блоки. Это позволяет удовлетворить все требования стандарта на
электрические установки, а также сохранить целостность общей
конструкции изделия.
1.24. Интеллектуальные САиУ
Встраиваемые контроллерные технологии, методы искус-
ственного интеллекта.
Отметим основные направления развития ПТК:
-
создание контроллеров на основе единства (оптимизации) ап-
паратных, программных и методических средств;
-
широкое использование технологии «компьютер на модуле»
(лидеры Kontron, Advantech) при разработке контроллеров. В [8] даже
ввели термин – встраиваемые контроллерные технологии (ВКонТ);
-
влияние новой элементной базы на контроллеростроение (рез-
кое увеличение степени интеграции БИС и повышение степени функ-
циональности системы на кристалле с применением программируе-
мых цифровых и аналоговых интегральных микросхем (ПЛИС и
ПАИС);
-
создание языка типовых технологических операций в аппарат-
но-программной среде контроллеров (типовые функционально закон-
ченные задачи, например, канал измерения температуры и т.п .) и их
стандартизация;
-
применение методов искусственного интеллекта (в первую
очередь экспертных систем, нечеткой логики и нейронных сетей).
В заключение к данной теме отметим, что современные подходы
к повышению качества продукции заключаются в совершенствовании
технологических процессов путем применения новых доступных ТС,
реализующих современные методы искусственного интеллекта –
нейронные сети, нечеткую логику и адаптивные алгоритмы –

127
совместно с закладываемым в них опытом экспертов. Интеллектуаль-
ные ТС значительно повышают качество управления сложным обо-
рудованием. Интеллектуальные ТС увеличивают выход качественной
продукции и ускоряют выведение оборудования на требуемые режи-
мы работы. Более того, они способны автоматически обучаться в
процессе эксплуатации, улучшая свою работу.
Интеллектуальные ТС необходимы там, где качество управле-
ния, обеспечиваемое обычными системами, плохо удовлетворяет тре-
бованиям к работе оборудования. Интеллектуальные ТС диагностики
прогнозируют появление или обнаруживают неисправности в работе
оборудования, предлагают способы их устранения и объясняют при-
чины их возникновения. Использование подобных систем увеличива-
ет время непрерывной работы оборудования и повышает выход каче-
ственной продукции. Также с помощью подобных систем можно
своевременно принимать решение об остановке оборудования на
профилактический ремонт или изменении режима его работы.
Интеллектуальные ТС диагностики незаменимы при контроле
работы сложного оборудования, особенно в случаях, когда операторы
тратят слишком много времени на поиск и устранение неисправно-
стей, а предприятие теряет прибыль из-за простоя оборудования или
выпуска некачественной продукции.
1.25. Принципы построения ТС САиУ
В соответствии с приведенным выше материалом можно выде-
лить следующие основные принципы, на базе которых строятся ТС
САиУ.
1. Принципы типизации ТС на основе систематизации структур и
функций.
2. Принципы унификации (совместимость, минимизация разно-
видностей).
3. Принцип иерархичности при построении ТС (в соответствии
с иерархической структурой САиУ).
4. Принцип открытости, т.е. ориентация на создание открытых си-
стем (разработка САиУ на основе требований эталонной
модели OSI/ISO).
5. Принцип объединения аппаратно-технических средств с про-
граммными средствами.

128
Контрольные вопросы
1. В чем заключается основное назначение ТС САиУ?
2. Сколько уровней иерархии содержат промышленные САиУ?
3. Какие ТС находятся на первом уровне САиУ?
4. Какие общие черты присущи сложным системам?
5. Какими признаками можно охарактеризовать ТС САиУ с позиций
системного подхода?
6. На каких понятиях основаны оценки уровня автоматизации?
7. Назовите признаки классификации ТС САиУ.
8. Назовите основные характеристики ТС САиУ.
9. Что является наиболее развитой ветвью средств автоматизации?
10. Какова структурная организация ТС САиУ?
11. Охарактеризуйте централизованные ТС САиУ.
12. Охарактеризуйте децентрализованные ТС САиУ.
13. Охарактеризуйте распределенные ТС САиУ.
14. Охарактеризуйте интегрированные САиУ.
15. Какие требования предъявляются к ТС САиУ?
16. Сколько существует этапов развития средств автоматизации?
17. При помощи каких методов решается задача уменьшения функ-
ционального и конструктивного многообразия технических
средств управления?
18. Опишите методы стандартизации ТС САиУ.
19. Что такое агрегатирование ТС?
20. В чем сущность принципа агрегатирования?
21. В чем заключается блочно-модульный принцип компоновки?
22. Что такое комплексирование ТС?
23. Из чего собираются модули?
24. Что понимается под блоком?
25. В чем заключается унификация ТС?
26. Назовите основные виды типовых устройств электроавтоматики.
27. Какое основное требование предъявляют к техническому устрой-
ству с точки зрения общей системы приборов и средств автомати-
зации?
28. Какой вид сигналов представляет собой сложную последователь-
ность импульсов?
29. Сколько видов электрических сигналов предусматривается ис-
пользовать в соответствии с существующими стандартами в ана-
логовых средствах автоматизации?

129
30. Какой диапазон токов унифицированного токового сигнала?
31. Какие требования устанавливает ГОСТ 13384-93?
32. Какие основные возможности и преимущества применения мик-
роконтроллеров на уровне датчиков?
33. Как называются непрерывно изменяющиеся со временем сигна-
лы?
34. Сколько различают видов внешних связей технических
устройств?
35. Какие существуют датчики температуры?
36. Назовите достоинства позиционного регулятора.
37. Назовите достоинства ПИД-регулятора.
38. В каком случае можно получить хорошее качество регулирования
с помощью ПИД-регулятора?
39. По каким признакам классифицируются исполнительные меха-
низмы?
40. Из каких элементов состоит исполнительный механизм?
41. Для чего предназначены пневматические исполнительные меха-
низмы?
42. Какие наиболее важные требования предъявляют к исполнитель-
ным механизмам?
43. Чем отличаются однооборотные электродвигательные исполни-
тельные механизмы от многооборотных?
44. Какой информацией необходимо располагать для правильного вы-
бора мощности исполнительного механизма?
45. Опишите принцип работы электропневматического преобразова-
теля.
46. В чем заключается принцип работы ЭИМ?
47. Назовите основные технические характеристики ЭИМ.
48. В чем заключается общая концепция открытых технологий
49. В чем заключается основа технологии интеграции ТС САиУ?
50. Назовите общие черты, присущие открытым САиУ.
51. Назовите характерные черты ЭВМ общего назначения.
52. Назовите характерные черты специализированных ЭВМ.
53. Назовите характерные черты вычислительных комплексов.
54. Назовите характерные черты управляющих ЭВМ.
55. Назовите характерные черты управляющих вычислительных ком-
плексов.

130
56. Как повлияли законы развития микропроцессорных систем на ТС
САиУ?
57. На какие классы делятся универсальные микропроцессорные
ПТК?
58. В чем заключается концепция PAC?
59. Назовите причины развития контроллеров PC-based.
60. Что означает встраиваемый в оборудование и автономный кон-
троллер?
61. Назовите области применения ПТК.
62. Назовите способы резервирования контроллеров.
63. Назовите основные отличия распределенных ПТК.
64. В чем заключается динамика работы ПТК?
65. Какие существуют организационно-экономические показатели
ПТК?
66. Что означает такой параметр, как мощность ПЛК?
67. Назовите области применения ПЛК.
68. Какой признак классификации ПЛК потерял на сегодняшний день
актуальность?
69. Что представляет собой командоаппарат?
70. Для чего необходим контроллер противоаварийной защиты?
71. Магистрально-модульная архитектура ПЛК является закрытой или
открытой?
72. Все ли контроллеры являются РС-совместимыми?
73. Какой международный стандарт конструктива используется в
ПЛК?
74. Из какого устройства производится программирование ППЗУ
микроЭВМ?
75. По каким характеристикам оценивается производительность
ПЛК?
76. Чему равно время оборота маркера на локальной и промышлен-
ной шине?
77. Назовите основные особенности ПКК.
78. Назовите основные особенности одноплатных ПК.
79. Назовите основные особенности специализированных МП.
80. В чем достоинство пневматических полевых средств?
81. В чем достоинство электрических полевых средств?
82. Какие существуют типы технических средств взаимодействия с
оперативным персоналом САиУ?

131
83. Дайте определение микропроцессора, классификацию и области
применения.
84. В чем заключаются основные характеристики микропроцессора?
85. Объясните структуру типового микропроцессора (основные блоки
и их функциональное назначение).
86. В чем заключается логическая структура микропроцессора с раз-
витой архитектурой?
87. Дайте сравнительную характеристику микропроцессоров с жест-
ким и микропрограммным управлением.
88. Что определяет система команд микропроцессора?
89. Какие типы и форматы команд микропроцессора существуют?
90. Какие существуют способы адресации памяти в микропроцессор-
ных системах? Дайте определение микроконтроллеру.
91. Расскажите о классификационных признаках и областях приме-
нения микроконтроллеров.

132
2. СХЕМОТЕХНИКА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
И УПРАВЛЕНИЯ
Анализ рассмотренных в предыдущем разделе задач, решаемых
при разработке и эксплуатации САиУ ТП и производствами, приво-
дит к пониманию важности изучения схемотехники САиУ, реализо-
ванных на базе ТС, в основе которых заложено использование совре-
менных информационных технологий. Данный раздел учебного по-
собия знакомит с основными направлениями реализации САиУ с ис-
пользованием цифровых методов обработки информации и информа-
ционного обмена, включая применение стандартных интерфейсов
взаимодействия составных частей САиУ и открытых технологий ин-
теллектуальных ТС САиУ.
Важным элементом в работе ТС САиУ является организация
надежного обмена данными между различными уровнями, в пределах
одного уровня и даже внутри отдельной локальной системы. Очевид-
но, что эффективность взаимодействия элементов систем управления
в значительной степени зависит от эффективности обмена данными.
Роль и значение систем ввода-вывода и интерфейсов в последнее
время существенно возросла. Это связано прежде всего с быстрым
ростом производительности микропроцессоров, что требует соответ-
ствующего увеличения скорости передачи информации до сотен ме-
габайт в секунду и такой организации взаимосвязи устройств в вы-
числительной системе, которая бы исключала потери процессорного
времени и равномерно загружала бы работой все устройства компью-
тера [26]. Именно поэтому в современных системах управления уде-
ляется большое внимание вопросам обмена данными и интер-
фейсным связям. При этом следует учитывать, что усложнение алго-
ритмов организации передачи данных в большинстве случаев не вы-
зывает особых проблем, а выбор физических каналов связи и систем
ввода-вывода в значительной
степени
влияет
на технико-
экономические характеристики.
2.1. Системы ввода-вывода вычислительных систем
и комплексов
При рассмотрении структуры любой вычислительной системы
(рис. 2 .1) обычно выделяют [27] ядро ВС и систему ввода-вывода
(СВВ). К ядру относятся те элементы, которые непосредственно

133
выполняют вычислительную работу для выработки управляющих
воздействий. Чаще всего это центральные процессоры, оперативная
память и те элементы, которые обеспечивают их взаимосвязь. Систе-
ма ввода-вывода предназначена для обеспечения передачи информа-
ции между электронными устройствами при реализации функций
преобразования и хранения данных и, главное, для связи этих
устройств с внешними устройствами. Система ввода-вывода реализу-
ется с помощью соответствующих аппаратных и программных
средств.
П
ОП
A,B
KBB
ПBB
ПBB
ВУ
KBB
KBB
KBB
ЛП
ВУ
ВУ
ВУ
ВУ
ВУ
ВУ
ВУ
...
...
...
ЯДРО
СВВ
C
C
D
D
D
D
D
Рис. 2.1. Обобщенная структура ВС:
П – процессор, ОП – оперативная память, КВВ – контроллер ввода-вывода, ПВВ – процессор
ввода-вывода, ЛП – локальная память, ВУ – внешнее устройство, A, B, C, D – уровни
интерфейса
Контроллер – устройство, управляющее функционированием
отдельных блоков ВМ и внешних устройств, например вводом-
выводом информации, доступом к памяти. Роль контроллера может
выполнять специализированный процессор.
Внешние (периферийные) устройства (ВУ) – устройства обра-
ботки информации, управляемые процессорами или контроллерами
ввода-вывода. К ним относятся устройства подготовки данных, ввода
и вывода информации, внешние накопители информации, аппаратура
передачи данных, различные преобразователи информации и т.д.
Процессоры ввода-вывода (ПВВ) занимают пограничное

134
положение, и в одних случаях их целесообразно включить в ядро,
а в других – в систему ввода-вывода. Если процессор ввода-вывода
имеет собственную (локальную) память, из которой он выбирает ко-
манды и в которой содержатся промежуточные результаты его вы-
числений, а с центральным процессором он не сопряжен, то такой
процессор относится к системе ввода-вывода.
Взаимодействие составных частей ВС обеспечивают различные
интерфейсы. Интерфейс – совокупность ТС и алгоритмов обмена ин-
формацией между устройствами. Системные интерфейсы ЭВМ – со-
вокупность сигнальных линий, объединѐнных по их назначению
(данные, адреса, управление). Основной функцией системного ин-
терфейса ЭВМ является передача информации между процессором и
остальными электронными компонентами ЭВМ.
Существенно облегчает построение средств передачи дан-
ных высокий уровень стандартизации в этой области. В настоящее
время существуют разнообразные стандартные телекоммуникацион-
ные технологии. Эти технологии включают и алгоритмы организации
передачи данных, и средства реализации алгоритмов вплоть до физи-
ческих каналов связи и передаваемых по ним сигналам. Как прави-
ло, ведущие мировые производители выпускают электронные ком-
поненты, необходимые для реализации стандартных технологий пе-
редачи данных. Кроме того, различные функциональные модули,
предназначенные для систем автоматического управления, содер-
жат встроенные средства передачи данных. От применяемых средств
и алгоритмов организации обмена данными существенно зависят
общие технико-экономические характеристики, поэтому их выбор
требует самого серьезного внимания [3].
При организации САиУ чаще всего взаимосвязь модулей реали-
зуется двумя основными способами: радиальным и магистральным.
Радиальный. При этом способе имеется главный модуль, с кото-
рым связаны все остальные, они могут взаимодействовать между со-
бой только через главный модуль [26], что снижает производитель-
ность, но меньше чем при магистральном способе. Такой способ со-
единения эффективен для модулей, которые в основном работают с
главным. Достоинство – простота каналов связи каждого модуля, что
позволяет увеличивать их длину значительно больше, чем у маги-
стральных. Радиальный способ позволяет к одному разъему подклю-
чать всего одно внешнее устройство (ВУ) или, при соответствующей
организации канала, несколько ВУ.

135
Магистральный. При этом способе все модули взаимодействуют
через общую магистраль. Он является наиболее простым по реализа-
ции, но снижает производительность, т.к . все модули делят маги-
страль между собой. К его недостаткам можно отнести ограниченную
длину и высокую стоимость высокоскоростных магистралей. При
определенной организации взаимосвязи магистральный способ поз-
воляет к одному разъему подсоединить несколько ВУ. Этот способ
наиболее широко используется в компьютерах.
Взаимосвязь модулей в САиУ с помощью рассмотренных выше
способов можно обеспечить только при определенной унификации
соединений.
2.1.1 . Принципы организации СВВ. В основе организации си-
стем ввода-вывода лежат:
- принцип программного управления элементами СВВ (при этом
каждое устройство в системе способно выполнять команды, на осно-
ве которых строится алгоритм работы с ним);
-
адресуемость элементов СВВ (устройства (элементы) СВВ
можно адресовать, т.е. организовать доступ к конкретному устрой-
ству по его адресу);
-
многоуровневая организация СВВ (обеспечивает гибкость си-
стемы, облегчает изменение ее конфигурации – добавление и замену
отдельных модулей без перепроектирования всей системы, позволяет
осуществить декомпозицию задачи ввода-вывода);
- параллельность работы элементов СВВ.
Различные элементы СВВ как отдельные устройства (группы
устройств) могут работать параллельно, что ключевым образом влия-
ет на производительность системы, позволяя выполнять больший
объем вычислений (ввода-вывода, преобразования информации) за
фиксированный промежуток времени. Однако в большинстве случаев
значительного повышения производительности добиться не удается.
Это объясняется тем, что зачастую выполнение задачи не получается
распараллелить вследствие специфики алгоритма даже при наличии
такой возможности. Пусть, например, два устройства ввода-вывода
могут получать и обрабатывать данные одновременно, но данные,
полученные через одно устройство, должны вследствие алгоритма
работы системы предшествовать данным, полученным от другого
устройства; пока не будут получены данные от первого устройства,
результаты работы второго не будут востребованы. В этом случае

136
эффективность параллельной работы этих устройств сильно снижает-
ся, т.к . позволяет устранить лишь потерю информации, введенной во
второе устройство до завершения обработки данных в первом. Эту
ситуацию стоит сравнить со случаем, когда алгоритм работы системы
организован так, что для использования данных от второго устрой-
ства не требуется наличия данных от первого.
2.1.2 . Способы организации ввода-вывода. Существует два ос-
новных способа организации ввода-вывода:
- устройство ввода-вывода считается адресами памяти;
- каждому устройству назначается адрес конкретного порта.
В любом случае данные вводятся и выводятся простой записью
их по соответствующему адресу памяти или порта.
В случае ввода-вывода, отображенного на память, процессор ре-
ализует операции ввода-вывода точно так же, как операции памяти.
Часть пространства памяти резервируется для ввода-вывода и ее
нельзя одновременно назначать ОЗУ или ПЗУ.
При реализации ввода-вывода через порты выделяется набор ад-
ресов портов, которые совершенно не зависят от обычного простран-
ства памяти.
Адреса портов отделяются от адресов памяти с помощью сигна-
ла, действующего по шине управления.
2.1.3. Понятие «интерфейс». Совокупность средств, необхо-
димых для организации обмена данными, принято называть интер-
фейсом [27]. Интерфейс – в широком смысле стык, граница раздела
двух взаимодействующих систем, устройств или программ. Также
интерфейс можно определить как соглашение о взаимодействии объ-
ектов: перечень средств взаимодействия, их параметры, в случае ап-
паратных интерфейсов – параметры сигналов, способы доступа к
средствам взаимодействия, правила взаимодействия и т.д.
Выделяют интерфейсы:
- аппаратный (устройство–устройство) – совокупность алгорит-
мов обмена и технических средств, обеспечивающих обмен между
устройствами. Примеры: I2C, MicroLAN, Ethernet;
-
программный – соглашение о связях в программной среде
между программными модулями. Примеры: Win32, POSIX, API лю-
бого программного модуля;
-
пользовательский (ЭВМ – пользователь) – сценарии,

137
по которым стоится общение оператора с вычислительной системой,
и стиль их реализации.
2.1.4. Порт ввода-вывода. Порт можно определить как точку,
через которую осуществляется взаимодействие с каким-либо блоком
в системе ввода-вывода, многоразрядный вход или выход устройства.
Взаимодействие может осуществляться как программным путем, так
и аппаратным (порт – разъем устройства).
В случае программного взаимодействия совокупность портов
нумеруется и представляет собой адресное пространство (т.е. к каж-
дому порту доступ осуществляется по его адресу). Различают порты
ввода, вывода и двунаправленные (ввода-вывода). Управление бло-
ками СВВ через порты осуществляется путем записи в них или чте-
ния из них данных. При обращении к порту на линии системного ин-
терфейса выставляется его адрес, который распознается специальным
блоком – селектором адресов (адресным декодером), расположенным
в устройстве, к которому приписан данный порт. Адресный селектор
затем инициирует процесс обмена данными (запись или чтение, в за-
висимости от управляющих сигналов). Для начала процесса обмена с
устройством необходимы еще определенные значения управляющих
сигналов («чтение», «запись», «Chip-Select» и т.п .).
На рис. 2 .2 , 2.3 приведены примеры аппаратной реализации
портов ввода-вывода [28].
Рис. 2.2. Обращение к устройству через порт:
СИ – системный интерфейс, СА – селектор адреса, Адрес – шина адреса разрядности m,
Упр.
–
управляющие сигналы, Выбор – сигнал выбора устройства (начало обмена данны-
ми). Данные – шина данных системного интерфейса
СА
Адрес
Упр.
Устройство
Данные
Выбор
СИ
m

138
Одному и тому же устройству может соответствовать несколько
портов, идущих друг за другом (диапазон адресов) или вразброс
по адресному пространству портов, через которые осуществляется
доступ к разным механизмам устройства или к различным частям од-
ного механизма (например, один порт представляет собой регистр ад-
реса внутренней памяти устройства, а через другой пересылаются
данные).
Если селектор адреса анализирует только m определенных ли-
ний (разрядов) адреса (не все разряды), то по нескольким адресам
можно обращаться к одному и тому же устройству. Приведенный
пример иллюстрирует механизм распознавания номеров (адресов)
портов, к которым происходит обращение через системный интер-
фейс.
На рис. 2 .3 показано, как через один и тот же порт может осу-
ществляться доступ к разным ячейкам внутренней памяти устройства.
В данном случае по каждому факту записи через порт адрес ячейки
внутренней памяти, в которую будет производиться следующая за-
пись, увеличивается на единицу. Факт записи устанавливается сле-
дующим образом: селектором адреса выделяется адрес порта устрой-
ства в виде активного сигнала на выходе (т.е. на выходе блока СА),
этот сигнал объединяется по «И» с сигналом записи системного ин-
терфейса. Вместо памяти возможно применение любых других внеш-
них устройств.
Рис. 2.3. Обращение через один и тот же порт к разным ячейкам внутренней
памяти устройства:
Адрес – линии адреса СИ, WR – сигнал записи СИ, СЧ – счетчик адреса внутренней памяти
устройства, ЗУ – внутренняя память устройства

139
Необходимо отметить, что формат данных, передаваемых через
порт, не ограничивается форматом данных, пересылаемых через
системный интерфейс. Под форматом данных подразумевается как их
разрядность, так и положение значащих разрядов. Таким образом,
порт можно охарактеризовать тремя признаками: адресом, форматом
данных, пересылаемых через него, и набором допустимых с ним опе-
раций (чтение, запись).
2.1.5. Драйвер (driver) – управляющая программа, осуществля-
ющая преобразование различных форматов данных и/или взаимодей-
ствующая с устройствами, но в любом случае выполняющая задачи
ввода-вывода. Обычно драйверы исполняются в центральных процес-
сорах и представляют собой (в своей совокупности) программную
часть подсистемы ввода-вывода. Главная программа ядра ВС обра-
щается к системе ввода-вывода, передавая управление драйверу, ко-
торый уже непосредственно взаимодействует с блоками СВВ (други-
ми устройствами или драйверами).
Драйвер может не работать с устройством, а лишь преобразовы-
вать данные и передавать их другому драйверу, который уже напра-
вит их на устройство. Или наоборот, драйвер может принимать дан-
ные от другого драйвера и, преобразовав, передавать их основной
программе. Примером таких драйверов могут служить сетевые драй-
веры или драйверы файловых систем ОС Windows.
Драйвер представляет собой обычно самостоятельный про-
граммный блок (модуль) в составе или отдельно от основной про-
граммы, имеющий определенный внешний интерфейс. Взаимодей-
ствие драйверов с устройствами происходит через порты.
2.1.6. Контроллер ввода-вывода. Контроллер – устройство,
управляющее функционированием отдельных блоков ВС и внешних
устройств, например вводом-выводом информации, доступом к памя-
тиидр.
2.2. Аппаратные интерфейсы
Аппаратный стандартный интерфейс – совокупность унифици-
рованных технических, программных и конструктивных средств, не-
обходимых для реализации взаимодействия различных функциональ-
ных элементов в автоматических системах обработки информации

140
при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспе-
чение
информационной,
электрической
и
конструктивной
совместимости указанных элементов [27].
Система стандартов определяет основные требования к прибо-
рам и средствам автоматизации (рис. 2 .4):
Информационная
совместимость
Метрологическая
совместимость
Эксплуатационная
совместимость
Конструктивная
совместимость
Энергетическая
совместимость
ГОСТ 12997-76
ГСП. Общие технические требования
Входные/
Выходные
сигналы
Интерфейсы
Условия
эксплуатации
Параметры
питания
Присоедини-
тельные
размеры
Нормируемые
метрологические
характеристики
Надежность
Унифицирование
типовых
конструкций
Рис. 2.4. Основные функции интерфейсов, определяемые стандартом
Функциональная совместимость всех частей системы требует
выработки обменивающимися устройствами определенных сигналов
управления и синхронизации, необходимых для передачи информа-
ции.
Электрическая совместимость предполагает наличие в переда-
ющих и принимающих устройствах схем, обеспечивающих выработ-
ку и прием сигналов заданного уровня и мощности.
Механическая совместимость обеспечивается использованием
определенных типов конструкций, разъемов, кабелей.
Для примера рассмотрим более подробно информационную
совместимость ТС САиУ по уровням входных и выходных унифици-
рованных сигналов, т.е. сигналов дистанционной передачи информа-
ции с унифицированными параметрами, обеспечивающими инфор-
мационное сопряжение (интерфейс) между различными приборами,
блоками и САиУ ТП (табл. 2.1).
Энергетическая совместимость ТС САиУ определяется стан-
дартными уровнями питания, используемыми в современных обще-
промышленных установках и технологических машинах. В пневмоав-
томатике это следующие значения давления сжатого воздуха:
Pпит  400 кПа – высокий уровень; Pпит=150 кПа – средний уровень;
Pпит<10 кПа – низкий уровень.

141
Таблица 2.1
Унифицированные сигналы
Электрические сигналы
Пневматические сигналы
Аналоговые
Дискрет-
ные
Аналоговые Дискрет-
ные
=I
[мА]
=U
[мВ]
~U
[В]
~γ
[кГц]
=U
[В]
Р
[кПа]
0–5;
–5
–
+5;
4–20
0–10;
–10
–+10;
0–1000
0–2;
–1
–
+1
0–8;
2–4;
0–100
«0» ≤ +0,4
«1» ≥ +2,4
20–100
«0»≤10
«1» ≥ 110
В электроавтоматике применяют следующие значения рабочих
напряжений: для высоковольтной аппаратуры Up  1000 B; для низко-
вольтной аппаратуры Up <1000 B, которое в свою очередь имеет
предпочтительные стандартные наиболее распространенные значе-
ния:
- для силовых цепей ~ U: 220, 380, 440, 660 B, = U: 110, 220, 440 B;
- дляцепейуправления~U:24,36,110,127B, = U:5,6,12,24,48B.
2.2.1 . Основные направления развития интерфейсов: повыше-
ние уровня унификации интерфейсного оборудования и стандарти-
зация условий совместимости наиболее распространенных интер-
фейсов на основе опыта их широкого использования, а также дости-
жений современной микроэлектронной технологии; модернизация и
расширение функциональных возможностей существующих интер-
фейсов с сохранением условий совместимости вследствие более со-
временной технологии средств передачи информации; создание
принципиально новых интерфейсов и интерфейсных систем и выра-
ботка требований на их унификацию и стандартизацию, обусловлен-
ные в первую очередь разработкой систем с параллельной распреде-
ленной обработкой информации на основе качественно новых прин-
ципов организации вычислительного процесса.
Интерфейсы по конструктивному исполнению могут быть раз-
делены на следующие категории: межблочные, обеспечивающие вза-
имодействие компонентов на уровне автономного устройства, блока,
стойки, шкафа; внутриблочные, обеспечивающие взаимодействие на
уровне субблоков, модулей, плат; внутриплатные, обеспечивающие
взаимодействие между интегральными схемами (СИС, БИС, СБИС);
внутрикорпусные, обеспечивающие взаимодействие компонентов

142
внутри СБИС.
2.2.2. Классификация интерфейсов. Для классификации ин-
терфейсов можно использовать различные признаки: топологию свя-
зей, принцип обмена информацией, форматы, способы, режимы пере-
дачи и обмена данными, функциональное назначение, логическую
организацию [3, 29]. В средствах автоматизации основной классифи-
кационный признак – функциональное назначение. Остальные харак-
теристики интерфейсов можно рассматривать как вторичные, обеспе-
чивающие требуемые функциональные свойства. К таким признакам
интерфейсов можно отнести:
- количество линий связи для передачи данных, адресов, команд;
- длину линий связи;
- быстродействие приѐмопередающих устройств и пропускную
способность линий связи;
- ч исло подключаемых устройств;
- ти п линий связи.
По типу организации связей интерфейсы подразделяют на маги-
стральные, радиальные, древовидные, радиально-магистральные.
По принципу обмена информацией различают интерфейсы с па-
раллельной, последовательной и параллельно-последовательной пе-
редачей информации.
Интерфейсы, в которых каждый бит информации и сигнал
управления передаются по отдельному проводнику (линии связи),
называются параллельными.
Если все либо большинство информационных разрядов и управ-
ляющих воздействий передаются последовательно по одной либо не-
скольким линиям связи, то интерфейс является последовательным.
При параллельном принципе данные содержат n разрядов, кото-
рые передаются по n линиям так, что сообщение может одновременно
и полностью как введено в интерфейс, так и воспринято.
При последовательно-параллельном принципе данные состоят
из слогов, каждый из которых содержит n разрядов. Группы по n
разрядов передаются параллельно по n линиям, а сами слоги посту-
пают в интерфейс и воспринимаются приемником последовательно
При последовательном принципе передачу осуществляют чаще
всего по двум линиям: по одной передают тактовые, по другой – ин-
формационные и управляющие сигналы. Тактовые импульсы идут
непрерывно, а информационные при отсутствии сигнала

143
соответствуют «0», при наличии – «1». Для последовательных интер-
фейсов характерна наименьшая скорость передачи данных, наимень-
шая стоимость, но большая сложность конечных каскадов.
По режиму обмена данными интерфейсы делят на симплексные,
полудуплексные, дуплексные и с мультиплексным режимом обмена.
При симплексном режиме лишь один из двух абонентов может
инициировать в любой момент времени передачу информации по ин-
терфейсу.
При полудуплексном режиме любой абонент (из двух) может
начать передачу информации другому абоненту, если линия связи ин-
терфейса при этом оказывается свободной. Возможна организация
полудуплексного режима с применением отдельных линий связи для
каждого направления передачи информации. Интерфейс для реализа-
ции данного режима должен иметь средства для переключения
направления передачи.
При дуплексном режиме каждый из двух абонентов может
начать передачу информации другому в произвольный момент вре-
мени.
В случае связи нескольких абонентов используется магистраль-
ный канал, в котором в каждый момент времени связь может быть
осуществлена между парой абонентов либо одним и всеми в любом,
но единственном направлении от одного из абонентов к другому, ли-
бо от одного ко всем.
По способу передачи информации во времени различают интер-
фейсы с синхронной и асинхронной передачей информации.
При синхронном принципе передачи устройство выдает сигнал
на свои шины и поддерживает его значение в течение определенного
времени, при котором сигнал должен быть обработан устройством.
Время передачи сигнала складывается из времени распространения
сигнала, времени установки входных схем приемника и времени рас-
познавания. Время передачи существенно зависит от параметров ли-
нии связи и характеристик приема-передачи данных.
Асинхронный принцип реализуется по схеме «запрос – ответ».
Приѐмное устройство, приняв сигнал по одной линии, сообщает об
этом передатчику сигналом подтверждения приема по другой линии.
Передающее устройство, получив сигнал ответа, снимает передавае-
мый сигнал.
Период асинхронной передачи переменный и зависит от пара-
метров данной линии. Длительность передачи увеличивается, однако

144
данный способ более надежный, кроме того, данные можно переда-
вать со скоростью,
соответствующей быстродействию более
медленного из всех устройств и, как следствие, легко установить со-
общение устройств с любым быстродействием.
В настоящее время применяются интерфейсы различного функ-
ционального назначения: от простых интерфейсов «точка-точка» для
симплексного обмена данными с датчиками или исполнительными
устройствами локальных систем управления до телекоммуникаци-
онных технологий промышленных сетей. Например, средства
SIMATIC NET (Siemens) содержат AS-интерфейс – упрощенную тех-
нологию локальной сети для обмена данными между контроллерами
управления, датчиками и исполнительными устройствами; сеть
PROFIBUS – классическую технологию промышленных сетей для
обмена данными между локальными системами управления и их эле-
ментами; Industrial Ethernet – технология компьютерных сетей для
обеспечения информационного взаимодействия верхних уровней
распределенных систем управления.
Следует отметить, что интерфейсы с параллельным форма-
том данных для САмУ, например, приборные интерфейсы IEEE-488,
CAMAC [3] в настоящее время применяются редко из-за большого
числа линий связи для обмена сигналами.
В современных интерфейсах применяются алгоритмы сетевых
телекоммуникационных технологий, и поэтому практически всегда
используется последовательный формат данных и общий канал связи
для нескольких устройств.
По назначению интерфейсы разделяют на следующие
группы [27]:
- в нутрисистемные (A, рис. 2 .1) – обеспечивают взаимодействие
компонентов ядра ВМ;
-
системные (B, рис. 2.1) – сопрягают как элементы ядра ВМ,
так и элементы системы ввода-вывода;
-
стандартные интерфейсы ввода-вывода (C, рис. 2 .1) – объеди-
няют контроллеры ввода-вывода с процессорами ввода-вывода;
- малые периферийные (D, рис. 2 .1) – обеспечивают сопряжение
контроллеров (процессоров) ввода-вывода непосредственно с
внешними устройствами;
- систем передачи данных;
- локальных сетей;
- распределѐнных систем управления и контроллерных сетей.

145
Внутрисистемные интерфейсы характеризуются слабой стан-
дартизованностью, высокой производительностью, параллельным
типом, высокой разрядностью (до 256), большой производительно-
стью по сравнению с другими (100 Гбайт/с и выше). Протоколы про-
стые, аппаратно реализованные. Протяжѐнность до единиц метров.
Системные интерфейсы, как правило, организуются в виде об-
щей шины и хорошо стандартизированы. Производительность мень-
ше, чем у внутрисистемных интерфейсов. Протоколы простые, аппа-
ратно реализованные. Разрядность порядка 64 бит (или 128). Протя-
жѐнность малая (максимум – 15 метров). По системному интерфейсу
осуществляется передача данных, адресация устройств и обмен спе-
циальными служебными сигналами. Системный интерфейс условно
можно разделить на шину данных, адресную и шину управления.
Важнейшей характеристикой двух первых шин является разрядность,
третьей – количество линий аппаратных прерываний IRQ и линий
требования внешними устройствами прямого доступа к памяти DMA.
Передачей информации по системным шинам ЭВМ управляет одно
из подключѐнных устройств или специально выделенный для этого
узел – арбитр. Архитектура системного интерфейса зависит от произ-
водителя и определяется типом платформы (типом центрального
процессора), применяемым набором микросхем, количеством и раз-
рядностью периферийных устройств. Так, системные шины PCI обес-
печивают обмен центрального процессора с оперативной памятью
64-разрядными данными по шине данных, при этом адресация дан-
ных осуществляется 32-разрядным адресом по шине адреса. С пери-
ферийными устройствами шина ISA поддерживает обмен
16-разрядным кодом данных и 16-разрядным адресным кодом.
Примеры – UniBus, Qbus, ISA, PCI.
Стандартный интерфейс – это унифицированная совокупность
аппаратных средств сопряжения функциональных модулей ВМ, а
также совокупность единых правил и команд обмена информацией
между ними. Главной особенностью этих интерфейсов является то,
что они, как правило, имеют спецификацию, опубликованную и
утвержденную на уровне международных (национальных) организа-
ций по стандартизации (ISO, IEEE, ANSI, ГОСТ) и крупных произво-
дителей устройств для вычислительных систем. Примеры стандарт-
ных интерфейсов будут рассмотрены ниже (Ethernet, CAN, RS485 и
др.)
Стандартные периферийные – ПВВ и КВВ (см. рис. 2 .1),

146
характеризуются средним быстродействием, средней протяжѐнно-
стью, параллельностью, протоколом обмена, включающим сложную
систему команд, являются аппаратно-программными, обладают
ограниченными возможностями адресации. Примеры – SCSI,
MultiChannel, приборные интерфейсы МЭК 625.
Малые периферийные – связь характеризуется широким разно-
образием, проектируется под ПУ. Бывают параллельные и последова-
тельные. По протяжѐнности – до единиц километров. По сложности –
протоколы простые. Отсутствие или ограниченность средств адреса-
ции. Примеры – RS232, PS/2, IDE.
Интерфейсы систем передачи данных – связь удалѐнного ПУ с
ВС или связь компьютеров между собой. Пример: WAN – интерфейс.
Интерфейсы локальных сетей обеспечивают связь между собой
автономных компьютеров. Особенности: последовательный тип, то-
пология – моноканал, цепочка, кольцо, смешанная топология. Протя-
жѐнность средняя и большая (до единиц километров).
Интерфейсы распределѐнных систем управления и контроллер-
ных сетей обеспечивают сопряжение элементов распределѐнных си-
стем управления. Отдельные вычислители, контроллеры ввода-
вывода. Особенности: последовательная организация, использование
всех вариантов топологий, не очень сложные протоколы, аппаратно-
программные. Степень стандартизации значительная. Протяжѐнность
до десятков километров. Всегда известна задача, можно рассчитать
информационные потоки. Протоколы отличаются от протоколов
ЛВС, CAN, USB.
2.2.3. Характеристики аппаратных интерфейсов. Основны-
ми характеристиками аппаратных интерфейсов являются пропускная
способность (производительность), разрядность слова данных, про-
тяжѐнность. Производительность оценивается количеством информа-
ции (полезной), передаваемой в секунду. Избыточная информация
может достигать 90%. Производительность связана с тактовой часто-
той. Также на неѐ влияет разрядность шины данных.
Разрядность слова данных позволяет делить интерфейсы на па-
раллельные и последовательные. В совокупности с первой характери-
стикой позволяет определить, к какой группе относится интерфейс.
Влияет на помехозащищѐнность.
Протяжѐнность влияет на производительность интерфейса.

147
2.2.4. Организация, принцип работы, топология. Аппаратные
интерфейсы определяются двумя уровнями описания: логическая и
физическая
организация.
Логическая
организация:
группы
взаимодействующих объектов, характер взаимодействия, адресное
пространство, система команд, информация о состоянии объектов,
фазы в работе интерфейса, форматы данных.
Физическая организация: состав линий, уровни представления
сигналов, временные диаграммы, электрические характеристики,
конструктивные особенности реализации интерфейса.
По принципу работы аппаратные интерфейсы принято делить на
синхронные и асинхронные. Синхронные интерфейсы привязаны к
синхронизирующей последовательности (сигналу). Они удобны тем,
что реализация котроллеров упрощается по сравнению с другими.
Второе преимущество состоит в том, что удаѐтся максимально ис-
пользовать скорость передачи аппаратуры. Повышение производи-
тельности происходит из-за отсутствия необходимости обратной свя-
зи (подтверждения). Недостаток – отсутствие гибкости, необходи-
мость использования дополнительных сигналов. Асинхронные ин-
терфейсы содержат обратную связь (сигналы квитирования (под-
тверждения)). Периоды передачи информации могут меняться. Опти-
мальная загрузка сопрягающихся устройств. Изохронные интерфейсы
–
компромиссный вариант. Работают по принципу асинхронной пе-
редачи, но все переключения привязаны к тактовой сетке (варьиру-
ются дискретно).
Топологии интерфейсов: основные – радиальная, общая шина,
цепочная.
Радиальная – соединение двух устройств (связь точка-точка).
Нет необходимости в адресации. Используются простые линии и про-
токолы (RS232, Cetronix).
Общая шина используется при соединении более двух
устройств. Требуется система адресации и синхронизации (арбитраж,
система доступа). Достоинства: возможность расширения, теоретиче-
ски до бесконечности, практически ограничивается системой адреса-
ции и характеристиками электрических элементов, экономия ресур-
сов технических средств, в первую очередь линий связи.
Цепочное соединение обладает рядом полезных свойств; можно
использовать узлы как усилители и тем самым увеличивать суммар-
ную протяжѐнность интерфейса. Можно обеспечить параллельную
работу не перекрывающихся сегментов.

148
Мультиплексируемые интерфейсы: по одним и тем же линиям
передаѐтся информация различного назначения. Позволяет сократить
разрядность интерфейса за счѐт потери в производительности.
Конвейерные интерфейсы позволяют увеличить производитель-
ность интерфейса. В одно время по линиям передаѐтся информация,
принадлежащая разным циклам обмена. Блочная или пакетная пере-
сылка характерна для стандартных интерфейсов.
При параллельной передаче адрес и данные контролируются ме-
тодом проверки на четность (нечетность) ЕСС, для чего вводится
специальная линия контрольного разряда.
При последовательной передаче, как правило, используются из-
быточные циклические коды (метод CRC) и каждый блок данных со-
провождается контрольным кодом.
2.3. Управление обменом информацией в интерфейсах
Все многообразие режимов обмена можно разделить на не-
сколько видов:
-
программно-управляемый:
-
синхронный;
-
асинхронный с программной проверкой готовности;
-
обмен по прерыванию (асинхронный с аппаратной проверкой
готовности);
-
в режиме прямого доступа (без участия центральных процес-
соров).
2.3.1 . Синхронный обмен данными. При синхронном обмене им
полностью управляет программа, а элемент СВВ, с которым происхо-
дит взаимодействие, не может повлиять на ход обмена. Если устрой-
ство работает с задержками, то эти задержки учитывает программа,
которая с ним взаимодействует, при этом само устройство не имеет
возможности сообщить программе о своей готовности или неготов-
ности. При чтении данных из порта предполагается, что устройство
всегда готово передать их читающей стороне. При записи в порт,
наоборот, устройство всегда готово принять данные.
Достоинства: высокое быстродействие, минимум аппаратного
обеспечения.
Недостаток: сложно организовать обмен с асинхронными
устройствами (с устройствами, имеющими разное время выполнения

149
операций).
2.3.2 . Асинхронный обмен с программной проверкой готовно-
сти. Этот способ обмена предполагает возможность программной
оценки степени готовности элемента СВВ, с которым происходит
взаимодействие. Для этого используют программно-доступный (через
порт) регистр состояния устройства. Перед обменом данными про-
грамма имеет возможность определить, готово ли само устройство к
этой операции, прочитав значение из порта состояния.
Алгоритм асинхронного обмена с программным опросом готов-
ности приведен на рис. 2.5 [28]. Способ позволяет избежать ситуации
«зависания» программы, а также провести диагностику причины
(длительной) неготовности устройства и установить факт его выхода
из строя.
Рис. 2.5. Алгоритм асинхронного обмена данными
Достоинство: способность программы самостоятельно опреде-
лять степень готовности устройства и учитывать отказы.
Недостатки: затраты процессорного времени, неэффективность
при обмене с большим количеством устройств и высокой скорости
обмена. Центральный процессор (рис. 2 .6) управляет всеми операци-
ями ввода-вывода.
Ввод с опросом является самым простым методом управления,
но наиболее медленным и наименее гибким. По существу процессор
опрашивает каждое внешнее устройство (память например), не тре-
бует ли оно обслуживания. Если имеется запрос (бит готовности в ре-
гистре состояния устройства установлен на «1»), когда воспринят за-
прос на обслуживание, все запросы от других устройств

150
игнорируются, т.е. эти устройства должны ожидать до тех пор, пока
процессор не освободится.
Рис. 2.6. Программное управление по опросу готовности внешнего устройства
В этом методе используются две основные схемы: кольцевая и
приоритетная. При кольцевой схеме все устройства имеют одинако-
вые приоритеты обслуживания. В последовательном порядке и оди-
наковом темпе. В случае приоритетной схемы отдельным устрой-
ствам присваиваются отдельные веса так, что приоритетное устрой-
ство обслуживается чаще и интенсивнее.
2.3.3. Обмен по прерыванию. Предполагает аппаратную провер-
ку готовности устройства к обмену данными. В случае готовности
происходит прерывание исполнения текущей программы и передача
управления программе-обработчику прерывания. По завершении ис-
полнения обработчика происходит возобновление выполнения пре-
рванной программы с того места, откуда она была прервана. Таким
образом, программе не требуется специально дожидаться готовности
ВУ.

151
Достоинство: программа освобождается от необходимости
опрашивать готовность устройства. Это позволяет строить более эф-
фективные (по времени выполнения и по размеру кода) алгоритмы
работы ВС.
Недостатки: усложнение аппаратуры, относительная сложность
построения программного обеспечения.
На системе аппаратных прерываний основана многозадачность.
Прерывания на несколько групп: прерывания от схем контроля, ис-
полнение команды (программные прерывания), прерывания системы
ввода-вывода, программные прерывания (вызов процедуры по специ-
альным правилам). Прерывания от схем контроля (проверка на чет-
ность при пересылке, сторожевых таймеров) сообщают об ошибках,
которые требуют обработки. Они бывают двух видов: информирова-
ние об ошибках (отсутствие картриджа в принтере) и аварийное за-
вершение для предотвращения разрушения системы. Программные
прерывания возникают при выполнении команды в двух случаях:
из-за схем контроля и некорректности программы (деление на ноль).
В случае прерывания от ВУ значение флажка готовности аппаратным
способом передается в процессор, что позволяет более оперативно
реагировать на сложившуюся ситуацию, чем при асинхронном про-
граммном вводе-выводе.
Если имеется более одной линии прерывания, то для выбора од-
ного прерывания возникает необходимость применения приоритет-
ных схем запроса. Механизм определения кода прерывания зависит
от ряда условий: когда самое приоритетное прерывание определяется
в процессоре, то проблем нет (такой вариант характерен для микро-
ЭВМ со встроенным контроллером прерываний). Недостаток – огра-
ничение количества входов прерываний. Если схема прерываний вы-
несена из процессора и оставлено два входа: маскируемое и немаски-
руемое прерывание. Имеется контроллер, на который заведены линии
запросов прерываний, с контроллера ведется одна линия на вход мас-
кируемого прерывания. Появляется необходимость передать код
устройства из первичного во вторичный запрос. Для этого использу-
ется вектор прерывания. Поэтому в фазу обработки прерывания (сиг-
нала) добавлено определение кода устройства.
Метод прерывания (рис. 2 .7) является более удобным, но и бо-
лее сложным методом, заключающемся в том, чтобы разрешить
внешним устройствам прерывать обычную работу устройства.

152
Рис. 2.7. Обмен информацией по прерыванию
Для аппаратного сохранения данных прерванной программы
применяют указатель текущей команды и регистр состояния,
т.к . сохранение большого объема информации может привести к
большим задержкам. Эту информацию можно сохранять внутри про-
цессора, в стековой памяти, регистрах общего назначения процессора
(применяется редко), в специальной странице стековой памяти (об-
ласть может быть защищена от программ). Для вычисления адреса
процедуры обработки прерывания применяют два способа: реализа-
цию либо с постоянными адресами, либо с фиксированными (для
уменьшения времени вызова обработчика). Законы, по которым вы-
числяются переменные адреса, бывают разные: непосредственный
адрес, часть адреса, косвенная ссылка.
При наличии сигналов прерывания и с учетом состояния своего
флага прерывания процессор должен приостановить текущую про-
грамму (сохранив в стеке все важные параметры и адрес возврата в
программу), а затем выполнить необходимую процедуру обслужива-
ния. При работе режимов прерывания обязательно предусматривают-
ся системы приоритетов.

153
2.3.4. Обмен в режиме прямого доступа. Прямой доступ к па-
мяти имеет наиболее сложное управление вводом-выводом (рис. 2 .8).
Рис. 2.8. Обмен информацией в режиме прямого доступа
Для реализации такого метода необходим контроллер прямого
доступа (универсальный, поддерживающий стандартные протоколы,
или специализированный). Режим прямого доступа требует разделе-
ния ресурсов и выводит систему в класс многопроцессорных.
В стандартных интерфейсах адрес памяти и адрес ВУ часто не-
возможно одновременно выставить на шину. Поэтому приходиться
разделять во времени общий ресурс (использовать отдельный провод
–
арбитр). В некоторых случаях арбитр находиться в самом процес-
соре. Для универсальных контроллеров прямого доступа достаточно
иметь регистр адреса памяти и регистр длины передаваемого массива.
При прямом доступе к памяти обеспечивается полный доступ к
процессорной памяти системы без всякого участия процессора в пе-
редаче данных. Данные могут передаваться с высокой скоростью.
Поэтому прямой доступ использует большой объѐм в накопителе.

154
Прямой доступ обычно требует большого объѐма мощности интер-
фейса, т.е. использования отдельного контролера ПДП.
2.4. Стробирование и квитирование при передаче данных
При передаче данных параллельным или последовательным
способами сигналы в приемное устройство поступают не одновре-
менно, что обусловлено разбросом параметров шин сопряжения и па-
раметров. Не одновременно поступившие сигналы могут привести к
ошибкам считывания информации.
Наиболее простым и надежным способом избежать ошибок яв-
ляется стробирование. Сигнал строба передается по дополнительной
линии с некоторой задержкой по отношению к информационному
сигналу.
Задержка определяется максимальным разбросом информаци-
онных сигналов. В свою очередь сигнал строба должен быть снят
раньше, чем информационный сигнал. Таким образом, на приемной
стороне стробирование приводит к некоторой задержке передачи,
но значительно увеличивает достоверность приема информации.
Стробирование применяется при синхронном принципе передачи
данных.
При передаче по асинхронному принципу сигнал STB1 (рис. 2 .9)
одновременно является сигналом запроса. Длительность строба опре-
деляется параметрами конкретной линии. Сигналом, разрешающим
снять сигнал строба, служит STB2. Такой метод называется квитиро-
ванием, т.е. подтверждением приема с сигналом квитанцией.
Ответный сигнал, посылаемый передатчику, позволяет строго
снять сигнал STB1 и информационного сигнала. Снятие строба STB1
служит разрешением для снятия строба STB2.
Рис. 2.9. Стробирование и квитирование при передаче данных

155
2.5. Функциональная и логическая организация аппаратных
интерфейсов
Для простоты понимания процессов, происходящих в интерфей-
сах, все типы интерфейсов условно можно разделить на мультиплек-
сированные (одношинные [26], когда шина адреса и данных является
совмещенной) и демультиплексированные (двухшинные – использу-
ются раздельные шины адреса и данных). Во многих применениях
при схемотехнической реализации САиУ бывает более предпочти-
тельным использовать именно мультиплексированные интерфейсы,
поскольку они имеют меньшее количество линий связи, а следова-
тельно являются более надежными при работе в сложных условиях
(тряска, вибрация, электромагнитные воздействия и т.п .).
Основными составными элементами интерфейса являются про-
токол обмена и аппаратная часть. Аппаратная часть интерфейса реа-
лизуется на основе линий связи и логических узлов, входящих в каж-
дое подключаемое к нему устройство.
Протокол обмена – совокупность правил обмена информацией
между устройствами, подключаемыми к интерфейсу; определяется
временными диаграммами.
Совокупность линий связи, однородных по функциональному
назначению передаваемой информации и (или) сигналов управления,
называется шиной интерфейса. Под линией связи подразумевается
проводник, физически соединяющий источники и приемники сигна-
ла.
2.5.1 . Мультиплексированные интерфейсы. Среди устройств,
подключаемых к интерфейсу, различают пассивные (исполнители)
и активные (задатчики). Активным называется устройство,
потенциально способное быть ведущим, а пассивным – устройство,
способное быть только ведомым. Ведущим называется устройство,
управляющее обменом информации, ведомым – устройство, с кото-
рым происходит обмен под управлением ведущего.
Цикл ввода данных. При передаче адреса используется синхрон-
ный принцип передачи, а при передаче данных – асинхронный. Об-
мен данными происходит по инициативе активного внешнего устрой-
ства. Данные передаются из активного устройства в пассивное внеш-
нее устройство. Управляет процессом передачи данных активное
внешнее устройство (например, процессор).

156
Названия сигналов (рис. 2 .10) выбраны условно и могут отли-
чаться от конкретного типа аппаратного интерфейса. Сигналы СИА
(синхронизирующий сигнал от активного устройства), ВВОД (сигнал
управления от активного устройства), СИП (асинхронный сигнал от
пассивного устройства – квитанция) передаются по шине управления.
Времена (t1 – t5), указанные на рис. 2.10, зависят от конкретного типа
мультиплексированного интерфейса (применяемого процессора, типа
микросхем).
Рис. 2.10. Чтение (ввод) данных из внешнего устройства:
ПЦ – процессор, ВУ – внешнее устройство, АД – линии шины адреса данных,
СИА – сигнал синхронизации активного устройства, ВВОД – сигнал ввод (чте-
ние) данных из пассивного устройства, СИП – сигнал синхронизации пассивно-
го устройства
Порядок выполнения операции на интерфейсе следующий:
- активное устройство в адресной части цикла передает на линии
шины адреса данных (АД) адрес требуемого внешнего устройства
и вырабатывает через время t1 сигнал СИА (синхронизация от актив-
ного устройства);
-
по сигналу СИА адрес запоминается во входной логике вы-
бранного устройства (после дешифрации адреса в дешифраторе DC –
рис. 2 .11);
-
активные устройства снимают адрес и вырабатывают сигнал
ВВОД через время t3, сигнализирующий о готовности принять дан-
ные от пассивного устройства;
-
пассивное устройство и вырабатывает ответный сигнал СИП
(асинхронный принцип передачи), сигнализирующий о наличии

157
данных на шине АД, помещенных на линии АД через время t4;
-
активное устройство принимает сигнал СИП, принимает дан-
ные и снимает сигнал ВВОД (через время t5);
-
пассивное устройство снимает сигнал СИП, завершая переда-
чу данных;
-
активное устройство снимает сигнал СИА по переднему
фронту сигнала СИП.
Функциональная схема пассивного приемника информации, ис-
пользуемая при приеме сигнала от пассивного источника. При совпа-
дении сигнала ввод с единицей в триггере пассивного устройства Т
(рис. 2 .11), пассивное устройство активизирует функциональный
преобразователь, который засылает код в регистр источника данных.
Рис. 2.11. Функциональная схема пассивного приемника информации, испол ь-
зуемая при приеме сигнала от пассивного источника
С необходимой задержкой через элемент t выдается сигнал
СИП, информирующий активное устройство (процессор) о том, что
данные находятся на шине адреса данных. Процессор принимает ин-
формацию от пассивного источника и сбрасывает сигнал ВВОД и да-
лее СИП, по которому сбрасывается триггер Т выбранного
устройства.
Цикл вывода данных. Назначение линий и название сигналов со-
ответствует описанным выше.
Порядок выполнения операции на интерфейсе следующий
(рис. 2 .12):

158
- активное устройство в адресной части цикла передает по линии
АД адрес и вырабатывает через некоторое время t1 сигнал СИА;
-
пассивное устройство дешифрирует адрес и регистрирует (за-
поминает его в регистрах временного хранения);
- пассивные устройство снимает адрес (t2), помещает данные на
линии АД и вырабатывает сигнал ВЫВОД (t3);
Рис. 2.12. Запись (вывод) данных во внешнее устройство
-
пассивное устройство принимает данные и вырабатывает от-
ветный сигнал СИП (t7), означающий, что данные приняты;
-
активное устройство, получив сигнал СИП, освобождает ли-
нию ВЫВОД (t6) и снимает данные с линии АД (t5);
-
пассивное устройство снимает сигнал СИП, завершая опера-
цию приема данных;
-
активное устройство снимает сигнал СИА (t4), завершая цикл
вывода (записи) данных в пассивное внешнее устройство.
Функциональная схема пассивного источника информации, ис-
пользуемая при передаче сигнала от внешнего устройства. Адрес,
выставленный процессором по шине адреса данных в сопровождении
сигнала СИА выявляется дешифратором адреса DС в устройстве со-
пряжения и по сигналу СИА адрес фиксируется в триггере Т выбран-
ного пассивного устройства сопряжения (рис. 2.13).
Процессор выставляет данные на шину адреса данных и с не-
большой задержкой выдает на шину управления сигнал ВЫВОД в
случае совпадения сигнала ВЫВОД с логической единицей в тригге-
ре выбранного пассивного устройства. Выполняется запись

159
данных (ЗП) в регистр приемника RG и активизируется функцио-
нальный преобразователь ФП, при этом транслируется принятый код
на специальные шины устройства сопряжения. Сигнал записи в при-
емный регистр RG с некоторой задержкой (через элемент t, обычно
используется ждущий мультивибратор) выдается в шину управления
в качестве ответного сигнала пассивного устройства СИП. Процессор
отвечает сбросом сигнала СИА, по которому устанавливается в логи-
ческий «0» триггер Т выбранного пассивного устройства. На этом се-
анс связи заканчивается.
Рис. 2.13. Функциональная схема пассивного источника информации,
используемая при передаче сигнала от пассивного внешнего устройства
Прерывание программы. Каждое устройство, способное вызвать
прерывание, должно иметь регистр состояния, содержащий разряд
разрешения прерывания, этот разряд должен быть программно уста-
новлен в состояние логической единицы, если устройству разрешено
прерывание. Вход в программу обслуживания прерывания
осу-
ществляется автоматически с помощью вектора прерывания. Этот
вектор указывает номер ячейки памяти, содержащей начальный адрес
программы обслуживания прерывания.
Порядок выполнения операций следующий (рис.2 .14).
1) Устройство,
которому
необходимо
обслуживание,
вырабатывает сигнал требования прерывания (ТПР).
2) Процессор удовлетворяет требованию, вырабатывая сигнал
ВВОД и предоставление прерывания (ППР).
3) Устройство, трубующее обслуживания, получает сигнал
ВВОД и входной сигнал предоставления прерывания (ППР)
ШАД
ШУ

160
и запрещает его распространение другим устройствам, затем
устройство помещает адрес вектора прерывания (АВП) на линии
шины адреса данных (АД), вырабатывает сигнал ответный СИП и
снимает сигнал ТПР.
Рис. 2.14. Прерывание основной программы внешним устройством
4) Процессор принимает АВП и снимает сигнал ВВОД и ППР.
5) Устройство завершает передачу АВП и снимает сигнал СИП.
6) Процессор помещает в стек содержимое своих регистров и
загружает программу обслуживания данного устройства.
7) По завершению программы обслуживания процессор
возобновляет выполнение прерванной программы с помощью
команды возврата из прерывания.
При присвоении
приоритетов
внешним
устройствам
принимаются во внимание следующие факторы.
1. Высокий
приоритет
обслуживания
присваивается
быстродействующим устройствам.
2. Устройства, данные от которых не могут быть восстановлены,
получают приоритет.
3. Наивысший приоритет присваивается прерыванию по
таймеру.
Функциональная схема активного устройства сопряжения с
объектом, отражающая выдачу адреса вектора прерывания. Обмен
данными выполняется анологично описанным выше в циклах ВВОД,
ВЫВОД.
Если триггер ТМ (рис. 2 .15) программно установленной маски и
триггер ТЗ формирования заявки находятся в состоянии логической

161
единицы, то выдается сигнал ТПР (требование прерывания).
По оканчанию исполнения команды процессор выдает сигналы
предоставления прерывания ППР и ВВОД. Сигнал ППР проходит
через нормально открытые электронные ключи, активные устройства
сопряжения (связи) с объектом (УСО), не выставивших сигнал ТПР.
Рис. 2.15. Функциональная схема активного устройства сопряжения
с объектом УСО, отражающая выдачу адреса вектора прерывания
В первом же активном УСО, выставившем заявку на
прерывание, сигнал ППР переключается на внутреннюю схему, и его
распространение в другие активные УСО прекращается.
С приходом сигналов ППР и ВВОД на шину адреса данных
выставляется АВП-адрес вактора прерывания (условный код
активного УСО) и выдается в шину управления сигнал СИП, а также
гасится с задержкой триггер формирования заявки ТЗ.
Процессор принимает АВП и переходит по нему к
соответствуюшей программе обслуживания, по сигналу СИП
процессор фиксирует АВП в своем регистре общего назначения
и снимает сигнал ВВОД и ППР, в ответ на снятие сигнала ППР УСО
снимает сигнал СИП, дальнейший обмен информации выполняется
по командам ВВОДА и ВЫВОДА.
Прямой доступ к памяти. В режиме прямого доступа обмен
данными между внешними устройствами и памятью происходит без
вмешательства процессора, поэтому устройство, способное работать
в режиме прямого доступа к памяти (ПДП), должно выполнять все
функции активного устройства:

162
- адресация;
- синхронизация;
- в ыработка управляющих сигналов;
- при необходимости регенерация ОЗУ.
Рис. 2.16. Прямой доступ к памяти.
Порядок выполнения операций следующий (рис. 2.16).
1. Устройство
запрашивает
интерфейс,
вырабатывая
сигнал ПДП.
2. После завершения текущего цикла процессор вырабатывает
сигнал ППД.
3. Устройство прямого доступа получает сигнал ППД, выраба-
тывает сигнал подтверждения выбора (ПВ) и снимает сигнал ПДП.
4. Процессор снимает сигнал ППД и ожидает завершения опера-
ций прямого доступа.
5. Устройство прямого доступа получает интерфейс и выполняет
требуемые циклы передачи данных способами, описанными выше,
для циклов ввод-вывод; когда передача данных заканчивается,
устройство снимает сигнал ПВ и возвращает управление интерфей-
сом процессору.
6. Процессор возобновляет работу, вырабатывая сигнал СИА,
или выдает новое разрешение использовать интерфейс – ПДП.
Функциональная схема активного устройства прямого доступа,
выполняющего прием данных из памяти. При возникновении запроса
прямого доступа ПДП (рис. 2.17) с триггера заявки ТЗ в группу шин
ПД выдается сигнал ПДП, процессор приостанавливает исполнение

163
команды и выдает сигнал ППД, ближайшее к процессору активное
УСО (устройство связи с объектом), выставившее сигнал ПДП, пере-
ключает сигнал ППД на свою внутреннюю схему и прекращает его
дальнейшее распространение, в ответ на сигнал ППД активное УСО
выдает сигнал ПВ, которое присутствует до конца работы активного
УСО и удерживает процессор в режиме приостанова, а также сбрасы-
вает триггер заявки ТЗ.
Рис. 2.17. Функциональная схема активного устройства прямого доступа,
выполняющего прием данных из памяти
В блоке управления БУ создается необходимая для системного
интерфейса последовательность управляющих сигналов: сначала на
шину адреса данных выдается адрес оперативной памяти, генерируе-
мый формирователем адреса ФА, который сопровождается сигналом
СИА. Формирователь адреса ФА может быть различным: при обмене
одним словом – шифратор: при обмене группой слов возможно
применение счетчика; после выдачи адреса блок управления с фик-
сированной задержкой посылает сигнал управления, по которому вы-
полняется запись данных в память. Последний выставляется на шину
адреса данных и сопровождается выработкой в блоке памяти сигнала
СИП. По сигналу СИП фиксируется код в регистре приема активного
устройства прямого доступа, сбрасывается сигнал ВЫВОД и СИА.
Далее блок управления через функциональный преобразователь пе-
редает данные во внешние устройства и принимает решение о повто-
рении цикла приема передачи нового слова из памяти или об оконча-
нии цикла прямого доступа, в последнем случае снимается сигнал ПВ
и процессор продолжает исполнять прерванную команду.

164
2.5.2. Демультиплексированные интерфейсы. Используется
два независимых адресных пространства (отдельно для памяти и для
устройств ввода-вывода), обеспечивается прямая адресация памяти с
использованием до 32-х разрядов адреса и 16-разрядного адресного
пространства портов ввода-вывода.
Все устройства, подсоединенные к интерфейсу, делятся на два
типа [28]: активные главные устройства (muster) задатчики, и пассив-
ные исполнители (target). Логическая организация основывается на
принципе «задатчик – исполнитель», используется асинхронный
протокол, имеется возможность мультипроцессорной работы. Актив-
ное устройство захватывает шины интерфейса, выставляет адрес и
управляет шинами, пассивное выполняет задания активного.
Функциональная организация заключается в выполнении следу-
ющих функций: арбитраж запросов задатчиков на управление интер-
фейсом, операции смены задатчика, обмен данными (чтение-запись),
байтовые пересылки данных и операции прерывания.
К интерфейсу может быть подключено несколько задатчиков,
если имеется несколько процессоров или некоторые устройства вво-
да-вывода также являются активными устройствами. При наличии
нескольких задатчиков возникают коллизии, когда более одного ак-
тивного устройства требуют для себя шины. Поэтому необходимо
применять специальное устройство «Арбитр шины», которое решает,
какому устройству ее передать.
Интерфейс должен предусматривать в своей работе возмож-
ность выполнения процесса ввода-вывода информации в трех режи-
мах: программном, в режимах прерываний и прямого доступа
к памяти. При передаче информации активное устройство всегда
предварительно выставляет адрес того устройства, куда записывают-
ся или откуда посылаются данные. Любая передача состоит из двух
этапов: на первом всегда выдается адрес, на втором передаются сами
данные. Передаваться могут или одиночные данные (по одному сло-
ву), или блок данных (несколько слов в блоке). Блочную передачу
обычно называют транзакцией. Транзакция состоит из начального ад-
реса и данных, располагаемых за ним. В последнее время практиче-
ски во всех видах интерфейсов используют передачу информации в
виде транзакций, т.к . это повышает скорость передачи за счет того,
что адрес устанавливается всего один раз.

165
Передача информации между задатчиком и исполнителем реа-
лизуется в виде двух операций [28]: операции записи – передача от
задатчика к исполнителю и операции чтения – от исполнителя к за-
датчику. При этом для любых действий на интерфейсе характерно
следующее.
1. Интерфейс работает на определенной частоте, которая зада-
ется синхронизирующими импульсами интерфейса (CLK), все вре-
менные параметры шины измеряются количеством импульсов и ве-
личиной периода их следования.
2. Протокол команды интерфейса реализуется поэтапно, в виде
определенных шагов, в течение которых, как правило, передается или
не передается та или иная информация. Эти этапы в параллельных
интерфейсах часто называют фазами шины, а в последовательных ин-
терфейсах информацию, передаваемую на каждом этапе, называют
пакетом. Совокупность фаз или пакетов одной команды часто назы-
вают транзакцией.
Операция считывания (рис. 2 .18). При считывании задачик пе-
редает сначала адреса, а затем сигнал чтения MRDC (для ячеек памя-
ти) или IORC (для устройств ввода-вывода). В случае готовности па-
мяти к выдаче данных уровень сигнала XACK (ответный асинхрон-
ный сигнал) через некоторое время tXACK становится низким.
Рис. 2.18. Считывание данных
По этому сигналу задатчик осуществляет считывание данных, и
команда считывания заканчивается, после этого сигнал XACK (сред-
ствами памяти или внешних устройств ввода-вывода) возвращается
на высокий уровень.

166
Операция записи (рис. 2.19). В цикле записи задатчик передает
адреса и данные одновременно, а затем сигнал записи MWTC (для
ячеек памяти) или IOWC (для устройств ввода-вывода). Со стороны
памяти или внешнего устройства ввода-вывода осуществляется за-
пись данных, причем уровень сигнала XACK становится низким (че-
рез некоторое время tXACK) и на этом заканчивается команда записи. В
некоторых случаях запись данных может осуществляться по перед-
нему фронту сигнала MWTC, далее память возвращает сигнал XACK
на высокий уровень, на этом цикл записи заканчивается.
Рис. 2.19. Запись данных
Операция прерывания. На рис. 2.20 показан протокол этапа се-
лекции и идентификации при вводе-выводе в режиме прерываний. Он
выполняется стандартным программируемым контроллером преры-
ваний.
Рис. 2.20. Прерывание

167
Внешнее устройство подает на контроллер прерываний запрос
прерывания IRQ, контроллер проводит селекцию (выбор устройства с
наибольшим приоритетом) и подает на микропроцессор сигнал INT,
запрашивая у процессора разрешение на прерывание. Процессор раз-
решает процедуру ввода-вывода в режиме прерываний, выдав сигнал
разрешения INTA на контроллер прерываний.
Сигнал INTA двойной. По первому импульсу контроллер пре-
рываний фиксирует разрешение на работу, а по второму выдает на
шину данных адрес вектора прерываний, по которому микропроцес-
сор идентифицирует ВУ и передает управление драйверу этого ВУ.
Протоколы второго этапа по передаче информации различаются
в зависимости от типа передаваемых данных, архитектуры шин,
направления передачи и других характеристик. Но вместе с тем
второй этап характеризуется некоторыми основными принципами его
реализации, которые являются общими для многих интерфейсов.
Прямой доступ к памяти. Операция смены задатчика (арбит-
раж). На рис. 2 .21 показан протокол захвата шины (время захвата
шины tЗШ) задатчиком В при условии, что на шине уже работает те-
кущий задатчик А.
Рис. 2.21. Прямой доступ к памяти
В момент t1 задатчик В подает арбитру запрос на захват шины.
Арбитр сбрасывает разрешение для задатчика А и устанавливает в
момент t2 разрешение для задатчика В. В момент t3 задатчик А

168
освобождает шину, и она переходит в состояние холостого хода, по-
сле чего задатчик В захватывает шину и начинает передачу информа-
ции.
Линии запроса и разрешения, которые идут к арбитру от всех
задатчиков, могут реализоваться либо в виде отдельных проводников,
либо с использованием линий шины адреса данных. В первом случае
этап арбитража может выполняться параллельно с передачей инфор-
мации, а во втором этап арбитража должен предшествовать этапу пе-
редачи данных.
При выполнении ввода-вывода в режиме прерываний или пря-
мого доступа к памяти возможны коллизии при обращении несколь-
ких ВУ к задатчику при их готовности начать процесс передачи ин-
формации. В этом случае эти коллизии разрешает сам задатчик, вы-
бирая то ПУ, с которым он будет работать. При обращении к процес-
сору эту функцию выполняет сам процессор совместно с контролле-
ром прерываний, при прямом доступе к памяти это делает контроллер
прямого доступа к памяти.
Для разрешения коллизий при арбитраже, вводе-выводе в режи-
мах прерываний и прямого доступа к памяти используется механизм
задания уровня приоритетов для каждого устройства, участвующего в
этих процедурах. В настоящее время применяют многоуровневую си-
стему задания приоритетов с параллельным поиском устройства
с наивысшим приоритетом.
2.5.3. Протоколы последовательных интерфейсов. Протоколы
последовательных интерфейсов [28] используют те же принципы
построения, что и сетевые протоколы. Если использовать термины
модели взаимодействия открытых систем (OSI), то последовательный
интерфейс можно представить в виде трехуровневой модели,
содержащей прикладной, канальный и физический уровни.
Последовательный интерфейс, как правило, соединяет главный
контроллер (хост-контроллер) или просто контроллер системного
блока компьютера с контроллером или адаптером периферийного
устройства. Главный контроллер или просто контроллер взаимодей-
ствует с процессором посредством интерфейса ввода-вывода (шина
расширения, например, PCI).
Прикладной уровень на стороне процессора представляет из себя
программное обеспечение, которое управляет работой ВУ, реализуя
ту или иную функцию. На стороне ВУ этот уровень соответствует

169
тому функциональному назначению, которое имеет данное ВУ.
Канальный уровень реализует протокол передачи данных между
главным контроллером и ВУ. В общем случае между задатчиком и
исполнителем.
Канальный уровень функционирует с блоками (кадрами или па-
кетами) данных и обеспечивает синхронизацию между приемником и
передатчиком на уровне блоков. При такой синхронизации приемник
должен распознавать начало первого байта блока, границы полей
блока и признаки конца блока.
Физический уровень представляет аппаратные и программные
средства подключения ВУ к главному контроллеру через соответ-
ствующие порты ввода-вывода.
На физическом уровне в последовательном интерфейсе едини-
цей информации является бит, поэтому средства физического уровня
всегда поддерживают побитовую синхронизацию между приемником
и передатчиком.
Основными режимами передачи информации по последователь-
ному интерфейсу являются асинхронная и синхронная передача дан-
ных, которым соответствует асинхронные и синхронные протоколы.
Данные передаются последовательно бит за битом, биты образуют
байты (определенные символы), а байты образуют блоки передавае-
мых данных.
Асинхронные протоколы представляют собой наиболее старый
способ связи типа «точка-точка». Эти протоколы оперируют не с
блоками, а с отдельными символами, которые представлены байтами
и
стартстопными
битами.
Примером
асинхронного
последовательного интерфейса может служить интерфейс RS-232C.
По таким интерфейсам подключаются низкоскоростные ВУ. Такой
режим работы называют асинхронным или стартстопным.
В стартстопным (асинхронном) режиме каждый байт данных
сопровождается специальными сигналами «старт» (начало байта) и
«стоп» (конец байта). Назначение этих сигналов состоит в том, чтобы
известить приемник о начале и конце передачи байта, а также чтобы
дать приемнику достаточно времени для выполнения некоторых
функций, связанных с синхронизацией, до поступления следующего
байта. Сигнал «старт» имеет длительность в один такт, сигнал «стоп»
может длиться один, полтора или два такта.
В синхронных протоколах обмен данными осуществляется бло-
ками (кадрами, пакетами), которые имеют в общем случае заголовок,

170
поле данных и концевик. Все биты блока передаются непрерывным
синхронным потоком, что значительно ускоряет передачу данных.
При синхронном режиме передачи стартстопные биты между
байтами отсутствуют, пользовательские данные собираются в блоки,
которые предваряются байтами синхронизации. Байт синхронизации
содержит заранее известный код, например 01111110, который опо-
вещает приемник о приходе блока данных. При его получении при-
емник должен войти в байтовый синхронизм с передатчиком, т.е .
правильно понимать начало очередного байта блока.
Байты в этих протоколах не отделяются друг от друга служеб-
ными сигналами. Поэтому приемник должен распознавать границы
байтов, далее он должен найти начало и конец блока, а также опреде-
лить границы каждого поля блока-адреса назначения, поля данных,
контрольной суммы и т. п .
Протоколы последовательной передачи данных используют две
процедуры организации взаимодействия передатчика и приемника:
без установления соединения и с предварительным установлением
логического соединения. Передача кадра без установления соедине-
ния называется дейтаграммной процедурой. В этом случае передат-
чик никакой ответственности за утерю передаваемого кадра не несет.
Дейтаграммный метод работает быстро, но он не гарантирует достав-
ки пакета. Передача с установлением соединения более надежна, но
требует большего времени для передачи данных и вычислительных
затрат от конечных узлов. В случае метода с установлением соедине-
ния передача данных состоит из трех основных этапов, на каждом
этапе передаются соответствующие пакеты информации. Сначала
идет служебный пакет (маркерный пакет), посредством которого
начинается процесс установки логического соединения. Затем в рам-
ках установленного соединения передается пакет данных. После пе-
редачи данных инициируется разрыв данного логического соедине-
ния и передается пакет, сообщающий о том успешно или нет прове-
дена передача данных.
Протокол дейтаграммного типа поддерживает только один тип
кадра – информационный. Протокол с установлением соединений
должен поддерживать несколько типов кадров (пакетов) – служебные
и информационные.
2.5.4. Интерфейс «токовая петля». Основная область приме-
нения – передача аналоговых сигналов на расстояние до десятков

171
метров.
При передаче стандартных токовых сигналов, например
4...20 мА, меньше влияние помех и параметров линий связи. Этот
интерфейс широко применяется в различных аналоговых датчиках
(давления, температуры и т.п.). Ненулевое начальное значение токо-
вого сигнала используется для контроля работы интерфейса: ток ме-
нее 4 мА – признак неисправности.
В приемниках интерфейса токовые сигналы обычно преобразу-
ются в напряжения (преобразователи «ток – напряжение») для даль-
нейшего преобразования в цифровой формат. Необходимо учитывать,
что входное сопротивление приемника Rвх не должно превышать
определенной максимальной величины. Чем меньше величина Rвх,
тем меньше погрешности, связанные с передачей сигнала по линии
связи. Погрешности преобразования, определяемые параметрами
элементов приемника, должны минимизироваться применением пре-
цизионных компонентов. Кроме аналогового токового сигнала ин-
терфейс не содержит каких-либо других средств обмена данными.
Дополнительные функции можно реализовать применением
цифровых коммуникационных средств. Например, протокол HART в
дополнение к токовому аналоговому сигналу позволяет передавать
поток цифровых данных для выполнения функций управления. Про-
токол HART реализован в устройствах децентрализованной перифе-
рии ET200iS SIMATIC (Siemens). К аналоговому сигналу «токовой
петли» 4...20 мА для передачи цифровых данных добавляются двух-
частотные токовые сигналы («1» – 1200 Гц, «0» – 2200 Гц, амплитуда
переменного тока 0,5 мА) с нулевой постоянной составляющей.
Применением фильтров сигналы можно разделить, обеспечивая
их полную независимость. В «интеллектуальных» периферийных мо-
дулях кроме передачи аналогового сигнала протокол HART позволя-
ет обеспечить выполнение стандартных дополнительных функций:
управление параметрами и режимами, диагностику, отображение ин-
формации о параметрах и режимах и т.п.
Несмотря на ограниченные возможности, области применения
интерфейса остаются достаточно широкими, так как существует
большое число датчиков – преобразователей различных физических
величин в аналоговые электрические сигналы. Для построения
средств передачи и преобразования аналоговых сигналов по интер-
фейсу «токовая петля» многие ведущие фирмы выпускают специ-
альные интегральные микросхемы. Применение этих интегральных

172
микросхем существенно упрощает решение всех задач, связанных с
преобразованием аналоговых сигналов. Эти микросхемы позволя-
ют создавать не только приемопередатчики токовых сигналов, но
и прецизионные преобразователи сигналов для датчиков различных
типов.
2.6. Устройства связи с объектом
Группы УСО, DIN-рельс, функции УСО, классы и модули УСО.
Для того чтобы связать между собой параметры, представлен-
ные в аналоговом, дискретном и цифровом виде, используются
устройства связи с объектами (УСО). Таким образом, УСО являются
неотъемлемой частью любой системы управления, в том числе ис-
пользующей цифровые устройства (промышленные компьютеры, вы-
числительные сети и т.д.).
Промышленный компьютер (РС) в системе играет роль управ-
ляющего элемента, принимающего цифровую информацию от УСО и
вырабатывающего управляющие сигналы. Для связи между ним и
УСО используется любой из цифровых интерфейсов (ЦИ), к числу
которых относятся RS-232, RS-422, RS-485 и др.
УСО – модули, платы и др. устройства, предназначенные для
приема аналоговых и дискретных сигналов от объекта (независимо от
того, сколько раз они были преобразованы внутри него), преобразо-
вания его в цифровой вид для передачи в компьютер (контроллер),
а также для приема цифровых управляющих данных от РС и
преобразования их в вид, соответствующий исполнительным меха-
низмам объекта.
Всю номенклатуру операционных модулей УСО по обобщенно-
му схемно-функциональному признаку можно условно разделить на
следующие группы:
1) преобразователи «аналог – код» и «код – аналог»;
2) устройства обмена цифровой информацией с преобразованием
форматов или без;
3) дешифраторы адресов и коммутаторы линий связи;
4) буферные ЗУ с функциями счета (без них);
5) устройства локального управления обменом информацией (ло-
кальные контроллеры);

173
6) устройства коммутации, усиления и преобразования аналоговых
сигналов.
К устройствам первой группы относятся следующие основные
типы преобразователей: «напряжение – код» и «ток – код» постоян-
ных и переменных напряжений (в частности, напряжения милливоль-
тового диапазона в код); «код – напряжение» и «код – ток»; «переме-
щение – код» и «код – перемещение»; «пневматический сигнал – код»
и «код – пневматический сигнал»; «частота – код» и «код – частота».
Поскольку основной функцией указанных устройств является
аналого-цифровое или цифроаналоговое преобразование, в отличие
от других групп для них первостепенное значение имеет такой пара-
метр, как точность преобразования.
При проектировании преобразователей «аналог – код» стремятся
согласовать диапазоны измеряемых аналоговых величин с диапазо-
нами выходных величин датчиков различных технологических пара-
метров. Диапазоны аналоговых величин, получаемых с помощью
преобразователей «код – аналог», также согласовываются с величи-
нами входных сигналов исполнительных органов (регуляторов). Что
касается погрешностей преобразования, то они при современном
уровне аналого-цифровой техники составляют во многих случаях ма-
лые доли от погрешностей сопрягаемых устройств (датчиков, испол-
нительных органов). Причем существенную составляющую суммар-
ной погрешности вносят электронные коммутаторы аналоговых сиг-
налов, которыми комплектуются аналогово-цифровые преобразова-
тели; этим в первую очередь ограничивается количество датчиков,
обслуживаемое одним преобразователем. Следует отметить, что до-
стижения микроэлектроники в известной степени облегчили пробле-
му создания эффективных УСО. Так, уже серийно выпускаются в ви-
де монолитных БИС наиболее сложные виды УСО-АЦП.
Особо следует отметить преобразователи «перемещение – код»
и «код – перемещение», представляющие собой цифровые датчики и
исполнительные органы. Они находят все большее применение в си-
стемах управления технологическими установками с перемещающи-
мися механизмами. Например, широкое распространение получили
преобразователи «код – перемещение» на базе шаговых двигателей.
Такие устройства состоят из схемы преобразования выходного (для
УВМ) кода в пропорциональное количество импульсов и импульсно-
го исполнительного механизма (шаговый двигатель).
УСО – это конструктивно законченные устройства, выполнен-

174
ные в виде модулей, устанавливаемых, как правило, в специализиро-
ванные платы, имеющие клеммные соединители для подвода внеш-
них цепей (такие платы называют монтажными панелями), либо на
стандартный несущий DIN-рельс. Модули УСО заключены в пласт-
массовый корпус и оснащены соответственно либо выводами для
крепления на монтажных панелях, либо клеммными соединителями с
винтовой фиксацией для крепления входных и выходных цепей.
На УСО возлагают следующие функции.
1. Нормализация аналогового сигнала – приведение границ шка-
лы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диа-
пазонов входного сигнала аналого-цифрового преобразователя изме-
рительного канала.
2. Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сиг-
нала – ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с
целью снижения влияния на результат измерения помех различного
происхождения. На промышленных объектах наиболее распространены
помехи с частотой сети переменного тока, а также хаотические импуль-
сные помехи, вызванные влиянием на технические средства измери-
тельного канала переходных процессов и наводок при коммутации ис-
полнительных механизмов повышенной мощности.
3. Обеспечение гальванической изоляции между источниками
сигнала и каналами системы.
Помимо этих функций, ряд УСО может выполнять более слож-
ные функции за счет наличия в их составе подсистемы
аналого-цифрового преобразования и дискретного ввода-вывода,
микропроцессора и средств организации одного из интерфейсов по-
следовательной передачи данных.
В качестве гальванической развязки обычно используют оптиче-
скую, что позволяет обеспечить низкую стоимость, высокую надеж-
ность и быстродействие. Кроме того, они характеризуются высоким
напряжением изоляции и низкой потребляемой мощностью.
По характеру обрабатываемого сигнала УСО можно разделить
на аналоговые, дискретные и цифровые.
Аналоговые УСО должны обладать большой точностью, хоро-
шей линейностью и обеспечивать достаточно большое напряжение
изоляции. Кроме того, желательными являются работа с различными
источниками входных сигналов (токи, напряжения, сигналы от тер-
морезисторов, термопар и т.д.), возможности быстрой замены и

175
низкая стоимость.
Дискретные УСО обеспечивают опрос датчиков с релейным вы-
ходом, концевых выключателей, контроль наличия в цепи напряже-
ния, тока и т.д., а выходные УСО формируют сигналы для управле-
ния пускателями, двигателями и прочими устройствами. Дискретные
УСО должны удовлетворять тем же требованиям, что и аналоговые.
Кроме того, они должны обладать минимальным временем переклю-
чения, а выходные – обеспечивать коммутацию как можно более вы-
соких напряжений и токов и вносить при этом минимум искажений,
обусловленных переходными процессами, в коммутируемую цепь.
Среди модулей УСО существуют также устройства, работающие
только с цифровой формой информации. К ним относятся коммуни-
кационные модули, предназначенные для обеспечения сетевого взаи-
модействия. Например, повторители, служащие для увеличения про-
тяженности
линии
связи,
преобразователи
интерфейсов
RS-232/RS-485.
По направлению прохождения данных через УСО их можно
разделить на 3 типа:
1) устройства ввода, обеспечивающие передачу сигнала с датчи-
ков в устройство обработки и вывода сигналов для управления;
2) устройства вывода, предназначенные для формирования сиг-
налов для исполнительных механизмов;
3) двунаправленные, то есть обеспечивающие ввод и вывод сиг-
налов.
Если рассматривать УСО с точки зрения назначения
и конструктивного исполнения, то здесь можно выделить следующую
классификационную структуру:
1. Устройства преобразования аналоговых и дискретных сигна-
лов в цифровой вид для передачи по цифровому интерфейсу (ЦИ) и
наоборот. Внутри этого типа можно выделить классы:
1.1 . модули аналогового/дискретного ввода/вывода, выполнен-
ные в одном конструктиве (например, серия ADAM-4000 фирмы
Advantech);
1.2 . устройства типа «модуль аналогового/дискретного вво-
да/вывода – монтажная плата – ЦИ» (например, модули фирм
Grayhill, Analog Devices);
1.3 . устройства типа «модуль аналогового/дискретного вво-
да/вывода – монтажная плата – контроллер – ЦИ» (например, кон-
троллеры Grayhill).

176
2. Вспомогательные устройства:
2.1 . устройства типа «ЦИ - ЦИ», служащие для преобразования
интерфейсов либо для организации новых сегментов измерительной
сети (коммуникационные модули);
2.2 . модули нормализации и гальванической развязки (напри-
мер, серия ADAM-3000 фирмы Advantech).
3. Платы для ввода/вывода данных в PC:
3.1 . формирователь интерфейсов («ЦИ – плата – РС» );
3.2 . платы АЦП/ЦАП («модуль аналогового/дискретного вво-
да/вывода – плата – РС»).
Некоторые УСО используют монтажные платы для установки
модулей ввода/вывода. На некоторых из этих плат установлены
АЦП/ЦАП-преобразователи и формирователи ЦИ.
Устройства 1-го класса предназначены для реализации взаимо-
действия между вычислительной системой и датчиками непрерывных
и дискретных параметров, а также для выдачи управляющих воздей-
ствий на исполнительные механизмы.
Модули обеспечивают выполнение следующих функций:
 прием и дешифрацию команд по цифровому каналу;
 ввод и нормализацию аналоговых сигналов (ток и напряже-
ние);
 опрос состояния дискретных входов;
 фильтрацию аналоговых и дискретных входных сигналов;
 вывод аналоговых (ток и напряжение) и дискретных сигналов;
 аналого-цифровое (для модулей аналогового
ввода)
преобразование;
 цифроаналоговое (для модулей аналогового вывода) преобра-
зование;
 преобразование шкалы значений непрерывных параметров в
предварительно заданные единицы измерения;
 формирование и передачу в адрес основной вычислительной
системы информации, содержащей результат измерения или
состояние дискретных входов, после получения соответству-
ющего запросу по цифровому каналу.
Настройка и калибровка многих модулей осуществляется про-
граммным способом путем передачи в их адрес соответствующих ко-
манд по информационной сети.
Взаимодействие между основной вычислительной системой
(контроллером сети) и модулями, объединенными в сеть, осуществ-

177
ляется путем передачи в адрес каждого модуля запроса, содержащего
префикс типа команды, символьное представление сетевого адреса
запрашиваемого модуля, число, соответствующее подтипу команды,
и символ возврата каретки. Для программного обеспечения КС выда-
ча запроса означает выдачу строки символов в последовательный
порт. При получении команды встроенное программное обеспечение
модуля производит проверку его корректности и идентификацию, по-
сле чего посылает в адрес контроллера сети запрашиваемую инфор-
мацию в виде строки символов.
Представителем 2-го класса УСО, т.е. УСО, представляющих из
себя набор модулей, устанавливаемых на монтажную плату, являются
модули и платы фирм Analog Devices (серии 5В, 6В, 7В), Grayhill (се-
рии 70G, 70, 70M, 73G), Opto22 и др. Особенностью этих модулей ана-
логового/дискретного ввода является то, что они сами по себе не обес-
печивают цифрового интерфейса. Выходы этих модулей, как правило,
частотные. При этом частота выходного сигнала линейно зависит от
значения входного сигнала и меняется в определенном диапазоне
(14,4 кГц...72 кГц). Таким образом, чтобы получить цифровое значе-
ние входного сигнала, нужно измерить частоту с выхода модуля либо
через дискретный порт ввода/вывода либо программным способом,
либо используя специализированные монтажные платы, преобразую-
щие частоту в код. Стоимость такой платы ниже, чем для традицион-
ной платы АЦП, поскольку она работает с частотным, т.е. дискретным
сигналом, а значит, не содержит дорогих аналоговых цепей.
Входным сигналом для модулей вывода является управляющее
слово в двоичном последовательном коде, которое проходит через
оптическую развязку и далее через буфер подается на ЦАП. Функцию
посылки этого слова принимает на себя монтажная плата.
К 3-му классу УСО можно отнести микроконтроллеры фирмы
Grayhill (OptoMux-MicroDAC, ProMux, MicroDAC LT, MicroLon, De-
viceNet-DACNet и система OpenLine). Данные микроконтроллеры ис-
пользуют те же модули аналогового/дискретного ввода/вывода и
монтажные платы, что и описанные выше. Отличительной чертой
микроконтроллеров является то, что их семейства могут быть объ-
единены в сеть и обеспечивать гибкие и недорогие решения при при-
менении РС для управления и сбора данных. Кроме того, непосред-
ственное расположение микроконтроллеров рядом с датчиками и ис-
полнительными механизмами сокращает длину линий и увеличивает
помехоустойчивость сети.

178
Платы для ввода/вывода данных в РС работают с информацией,
которая приходит либо через интерфейсы RS и др. (в случае с плата-
ми формирования интерфейсов), либо вводится в РС непосредственно
в аналоговом/дискретном виде через платы АЦП. Данные платы
устанавливаются непосредственно в слоты ISA (реже PCI) промыш-
ленного или обычного офисного РС.
Платы АЦП/ЦАП используются непосредственно для ввода из-
меряемой величины в компьютер и/или для вывода управляющих
сигналов. Данные платы, как правило, имеют дополнительно не-
сколько каналов цифрового ввода/вывода.
Рассмотрим УСО для ввода аналоговых информационных сиг-
налов с датчиков (температуры, давления, уровня и др.), вывода на
исполнительные механизмы. Аналоговые УСО предназначены для
обеспечения ввода сигналов с датчиков в устройство обработки и вы-
вода сигналов для пропорционального управления исполнительными
механизмами. Они должны обладать большой точностью, хорошей
линейностью и обеспечивать достаточно высокое напряжение изоля-
ции. Кроме того, желательными являются работа с различными ис-
точниками входных сигналов (токи, напряжения, сигналы от термо-
резисторов, термопар и т. д.), возможность быстрой замены при вы-
ходе из строя и низкая стоимость.
Существуют различные принципы построения УСО ввода ана-
логовых сигналов, основные их структурные схемы представлены на
рис. 2 .22.
На рис. 2.22, а представлена структурная схема параллельной
обработки данных, преимуществом этих схем является высокое
быстродействие, так как каждый датчик обрабатывается своим изме-
рительным каналом многоканального АЦП, недостаток – высокая
стоимость многоканальных АЦП.
На рис. 2.22, б представлена структурная схема обработки
данных с общим АЦП, при этом каждый канал подключается на его
вход аналоговым мультиплексором (АМ) по команде управляющего
устройства (УУ). Производительность этой системы зависит от быст-
родействия АЦП и ограничена его динамическими параметрами.
На рис. 2 .22, в – структурная схема обработки данных с общим
АЦП, устройством выборки и хранения (УВХ) и масштабным усили-
телем (МУ). МУ, входящий в систему, меняет свой коэффициент
усиления по команде от УУ. Это позволяет выровнять диапазоны
аналоговых сигналов с различных входов. Такая схема применяется

179
обычно для ввода одинаковых сигналов с идентичных датчиков,
например с датчиков температуры.
а
б
в
Рис. 2.22. Структурные схемы построения УСО ввода данных, где обозначены:
ДВИ – датчик ввода информации; НУ – нормирующий усилитель; Ф – фильтр;
УВХ – устройство выборки и хранения; АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
АМ – аналоговый мультиплексор; УУ – устройство управления; ПД – передатчик данных;
ШУ – шина управления; ШД – шина данных; МУ – масштабный усилитель
2.7. Модули ввода-вывода ПЛК
Модули ввода-вывода предназначены для связи ПЛК с объек-
том управления (датчиками и исполнительными механизмами). Их
подключение к ПЛК может быть организовано следующим образом
[6]:
-
непосредственно параллельно на внутреннюю шину контрол-
лера с использованием шинных соединителей;

180
-
параллельно на внутреннюю шину с помощью модулей под-
ключения и дополнительных профильных реек (на расстоянии до
10 м от ПЛК);
-
последовательно с использованием промышленных сетей и
устройств связи с удаленными (до сотен и тысяч метров) объектами.
При подборе модулей ввода-вывода следует учитывать следую-
щие особенности.
1. Адресация конкретных модулей может быть привязана либо к
самим модулям, либо к их посадочным местам конструктива ПЛК
(гнездам, разъемам).
2. Соотношение количества входов и выходов может быть либо
свободно распределяемое пользователем, либо принудительное.
3. Коммутация сигнальных проводов может быть выполнена ли-
бо на самом модуле, либо с использованием специальных клеммных
блоков (что более удобно при ремонте и замене блоков).
4. Модули выпускают в различном исполнении: входные, вы-
ходные или комбинированные (ввода-вывода), дискретные (логиче-
ские), аналоговые и специальные, в обычном или безопасном испол-
нении.
В качестве примера на рис. 2 .23 показан возможный вариант
модуля ввода-вывода логических сигналов для 8-разрядного микро-
контроллера.
Рис. 2.23. Модуль ввода аналогового сигнала

181
Ввод-вывод осуществляется через порт, представляющий собой
8-разрядный регистр, который адресуется по шине адреса. При сов-
падении выставленного на шине адреса с адресом, присвоенным кон-
кретному порту, дешифратор адреса (ДША) выдает сигнал CS1 раз-
решения работы порта. По этому сигналу регистр подключается к
шинам микропроцессора и через него можно передавать параллель-
ные 8-разрядные двоичные коды.
Обмен данными происходит через шину данных. Направление
передачи определяется сигналами «чтение» ЧТ и «запись» ЗП. Готов-
ность порта к приему-выдаче информации определяется сигналом
ГОТ. Каждый бит порта позволяет передавать один логический сиг-
нал. Через порт передаются сигналы ТТЛ уровней. Для согласования
уровня сигналов порта с уровнями сигналов, используемых объектом
управления, служат схемы согласования.
Одновременно эти схемы осуществляют гальваническую развяз-
ку между электрическими цепями микроконтроллера и объекта
управления. Количество используемых для ввода-вывода портов
определяет общее количество передаваемых дискретных сигналов.
Для 8-разрядного микропроцессора можно адресовать (и использо-
вать) 256 портов.
При вводе-выводе аналоговых сигналов возникает необходи-
мость преобразования аналогового сигнала в двоичный код. Для этой
цели в модулях ввода/вывода аналоговых сигналов используются
аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразовате-
ли. Основной характеристикой ЦАП и АЦП является их разрядность,
определяемая длиной двоичного кода, применяемого для представле-
ния аналогового сигнала.
Пример схемной реализации модуля ввода аналогового сигнала
для 8-разрядного микроконтроллера приведен на рис. 2.24 .
В схеме использован 8-разрядный АЦП, выходы которого со-
единены с входами регистра порта ввода. Выходы порта соединены с
линиями шины данных. В результате двоичный код, в который пре-
образуется аналоговый сигнал, передается на шину данных и может
быть считан микропроцессором. Для согласования уровня входного
сигнала АЦП используется усилитель входного сигнала. Цикл преоб-
разования аналогового сигнала в АЦП инициируется подачей на его
вход сигнала «Запуск», который выдает микропроцессор при обра-
щении к АЦП.

182
Конец цикла преобразования АЦП подтверждает сигналом «Го-
товность». Для обмена этими сигналами между микропроцессором и
АЦП использованы входы-выходы регистра управления RG,
которому присваивается свой адрес.
Порт и регистр управления RG адресуются по шине адреса и для
их выбора используется дешифратор адреса ДША. Управление
направлением передачи информации осуществляется сигналами ши-
ны управления ЧТ и ЗП. Современные микропроцессорные АЦП
часто имеют в своем составе и регистр порта, и регистр управления,
что упрощает схему ввода аналогового сигнала и управление вводом.
Ввод-вывод аналоговых сигналов более сложен по сравнению с
вводом/выводом дискретных сигналов и требует больших ресурсов
микроконтроллера. Поэтому в программируемых микроконтроллерах
число аналоговых сигналов обычно существенно меньше числа дис-
кретных сигналов.
2.8. Основные схемы включения входных устройств
цифрового типа
В устройствах и системах логического управления события в
объекте управления фиксируются с использованием разнообразных
датчиков цифрового типа. Наибольшее распространение имеют дво-
ичные датчики типа да-нет. Большинство вариантов включения вход-
ных коммутационных устройств в САУ можно представить
Рис. 2.24. Модуль ввода-вывода дискретного сигнала

183
несколькими типовыми схемами:
Прямое включение означает выдачу в САУ логической единицы
при воздействии на входное устройство (например, при нажатии на
кнопку оператором или при наезде на концевой выключатель контро-
лируемым подвижным объектом).
Инверсное включение означает выдачу в систему логического
нуля при тех же входных воздействиях.
Включение контактных входных устройств в релейно-
контактные схемы производится путем непосредственного последо-
вательного и параллельного соединения их замыкающих (рис. 2 .25, а)
и размыкающих (рис. 2.25, b) контактов.
Рис. 2.25. Включение контактных концевых выключателей
Включение контактных входных устройств в бесконтактные
логические схемы (БЛС) производится через резисторные схемы со-
гласования (рис. 2 .26 и 2.27).
Рис. 2.26. Прямая схема включения
Резистор R1 защищает блок питания при замыкании концевого
выключателя и подает нулевой потенциал на БЛС при его размыка-
нии, а R2 ограничивает входной ток БЛС.

184
Рис. 2.27. Инверсная схема включения
Резистор R1 выполняет все функции предыдущей схемы.
Включение бесконтактных входных устройств в релейно-
контактные схемы обычно осуществляется через промежуточные
электромагнитные реле, контакты которых встраиваются в схемы по
рассмотренному выше первому варианту.
Включение бесконтактных входных устройств в БЛС в основ-
ном осуществляется с помощью разделительных трансформаторов
(рис. 2 .28) и оптронных пар (рис. 2.29).
Рис. 2.28. Разделительные трансформаторы
Рис. 2.29. Оптронная пара
Пример реальной схемы подключения бесконтактного индук-
тивного путевого выключателя к БЛС на TTL-микросхемах приведе-
на на рис. 2.30.

185
Рис. 2.30. Оптронная развязка
В схеме резистор R1 задает величину входного тока, необходи-
мую для обеспечения режима стабилизации элементов VD1 и VD2,
а также совместно с конденсатором С1 образует RC-цепочку, увели-
чивающую время реакции на передний фронт входного сигнала с це-
лью устранения возможного «дребезга» этого сигнала.
Двуханодный стабилитрон VD1 повышает порог срабатывания
по входной цепи, что необходимо при использовании бесконтактных
датчиков с высоким уровнем остаточного напряжения. Элементы R1,
VD1 и VD2 образуют параметрический стабилизатор напряжения,
предназначенный для питания излучателя оптрона VT1 и светодиода
VD3. Кроме того, стабилитрон VD2 осуществляет защиту от пробоя
VT1 и VD3 при нарушении полярности входного сигнала. В качестве
гальванической развязки применен транзисторный оптрон VT1, вы-
ходной ключ которого, собранный по схеме с общим эмиттером, вы-
дает сигнал TTL-уровня.
2.9. Опрос дискретных датчиков и устранение механического
дребезга контактов
При работе датчиков релейного типа, имеющих механические
или электромеханические контакты (кнопки, клавиши, реле и клавиа-
туры), возникает дребезг. Это явление заключается в том, что при за-
мыкании контактов возможно появление отскока (BOUNCE) контак-
тов, который приводит к переходному процессу. При этом сигнал с
контакта может быть прочитан ПК как случайная последовательность
нулей и единиц.
Подавить это нежелательное явление можно схемотехническими
средствами с использованием буферного триггера, но чаще это

186
делается программным путем.
Алгоритм программы опроса датчиков заключается в изменении
значения одного разряда зарезервированной для этого ячейки памяти
данных ПК.
Ожидание статического сигнала. Типовая процедура ожидания
события (WAIT) при разовом опросе датчика состоит из следующих
действий: ввода сигнала от датчика, анализа значения сигнала и пере-
дачи управления в зависимости от состояния датчика. На рис. 2 .31
представлена блок-схема алгоритма процедуры ожидания события,
фиксируемого замыканием контакта двоичного датчика.
Рис.2.31. Блок-схема процедуры ожидания события
Ввод сигнала от датчика. Если контакт датчика разомкнут, то
повторяется «Ввод», в ином случае происходит выход из процедуры
ожидания размыкания контакта датчика.
Алгоритм работы программы устранения дребезга механического
контакта заключается в следующем:
- фиксируется первое срабатывание датчика;
-
после выдержки времени, достаточной для окончания процесса
дребезга, проверяется состояние датчика;
-
если десятикратно зафиксировано состояние датчика «вкл», то
считается, что датчик сработал;
-
если однократно было зафиксировано состояние датчика
«выкл», считается, что было ложное срабатывание датчика.
Результатом работы программы должно быть изменение значе-
ния соответствующего разряда зарезервированной для этого ячейки
памяти данных.

187
Наибольшее распространение получили два программных спосо-
ба ожидания установившегося значения при устранении дребезга
контактов:
1) подсчет заданного числа совпадающих значений сигнала;
2) временная задержка.
Схемы процедур подавления помех от дребезга контактов
(DEBOUNCE) при вводе сигнала «0» показаны на рис. 2 .32. Суть пер-
вого способа состоит в многократном считывании сигнала с контакта.
а
б
Рис.2.32. Блок-схема процедур подавления дребезга контактов путем
многократного считывания (а) и с использованием временной задержки (б)
Подсчет удачных опросов (т.е. опросов, обнаруживших, что кон-
такт устойчиво замкнут) ведется программным счетчиком. Если по-
сле серии удачных опросов встречается неудачный, то подсчет начи-
нается сначала. Контакт считается устойчиво замкнутым (дребезг
устранен), если последовало N удачных опросов. Число N подбирает-
ся экспериментально для каждого типа используемых датчиков и ле-
жит в пределах от 5 до 50.Устранение дребезга контакта путем введе-
ния временной задержки заключается в следующем. Программа, об-
наружив замыкание контакта (ключ К на рис. 2.33) , запрещает опрос
состояния этого контакта на время, заведомо большее длительности
переходного процесса. Временная задержка (в пределах 1 – 20 мс)

188
подбирается экспериментально для каждого типа датчиков и реализу-
ется подпрограммой DELAY.
2.10. Формирование дискретных сигналов управления
и импульсов, подсчѐт числа импульсов между событиями
Формирование статических сигналов. Для управления исполни-
тельным механизмом, работающим по принципу включе-
но/выключено, на соответствующей выходной линии УСО необходи-
мо сформировать статический сигнал «0» или «1», что реализуется
командами вывода непосредственного операнда, содержащего в тре-
буемом бите значение «0» или «1».
Рис. 2.33. Схема двоичного датчика (а) и сигнал на его выходе (б)
В случае параллельного управления группой автономных испол-
нительных механизмов, подключенных к выходному порту, форми-
руется не двоичное управляющее воздействие, а управляющее слово,
имеющее формат байта, каждому разряду которого ставится в соот-
ветствие «1» или «0» в зависимости от того, какие исполнительные
механизмы должны быть включены, а какие выключены.
Формирование импульсных сигналов. Управляющее воздействие
типа «импульс» получают последовательной выдачей сигналов вклю-
чить и отключить с промежуточным вызовом подпрограммы времен-
ной задержки:
- в ыдача импульса в выходной регистр платы ввода-вывода;

189
- в ключение исполнительного механизма;
- временная задержка;
- отключение исполнительного механизма.
Формирование апериодического управляющего сигнала. После-
довательность импульсных сигналов с произвольной длительностью
и скважностью может быть получена аналогичным образом, т.е. пу-
тем чередования процедур выдачи изменяемого значения сигнала
(«0» или «1») и вызова подпрограмм временных задержек заданных
длительностей.
2.11. Формирование аналоговых управляющих воздействий
и опрос аналоговых сигналов с датчиков
Рассмотрим основные методы формирования аналоговых управ-
ляющих воздействий со стороны цифрового регулятора на техноло-
гический объект управления и методы опроса аналоговых сигналов с
датчиков, установленных на объекте управления.
Предположим, что система автоматизации и управления реализо-
вана на РС-based контроллере, выполненном на ПК с установленным
в его слот расширения многофункциональным устройством (типовой
платой ввода-вывода, см. п. 2 .14), причем цифровой регулятор вы-
полнен программным путем.
Аналоговые датчики могут быть подключены непосредственно к
плате ввода-вывода через соответствующий разъем, впаянный в уста-
навливаемую плату и являющийся внешним по отношению к ПК (ко-
личество, схема подключения и технические характеристики датчи-
ков, количество оцифровываемых точек для сигнала датчика зависит
от параметров конкретной платы ввода-вывода).
Преобразование аналоговых величин заключается в представле-
нии некой непрерывной функции (например, напряжения) от времени
в последовательность чисел, отнесенных к фиксированным моментам
времени. Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в
цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация,
квантование и кодирование. Последнюю операцию применяют толь-
ко в специальных случаях.
Дискретизация – представление непрерывной функции в виде
ряда дискретных отсчетов, т.е. дискретизация – это преобразование
непрерывной функции в непрерывную последовательность.
На рис. 2.34 показана равномерная дискретизация.

190
Рис. 2.34. Дискретизация непрерывной функции
Непрерывный сигнал S(t) подвергается разбиению на равные
промежутки времени Δt (дискретные отсчеты, называемые периодами
дискретизации). В результате имеем последовательность отсчетов
(дискретных) с шагом Δt, т. е. сигналов в виде взвешенных сумм не-
которых коэффициентов ai (отсчетов) и набора элементарных функ-
ций fi(t), используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.
Период дискретизации выбирается из условия:
Δt = 1/2Fв,
где Fв – максимальная частота спектра сигнала.
Последнее выражение передает суть теоремы Котельникова –
любой непрерывный сигнал можно абсолютно точно восстановить на
выходе идеального полосового фильтра (ПФ) с полосой Fв, если дис-
кретные отсчеты взяты через интервал Δt = 1/2Fв.
Следовательно, частота дискретизации должна быть вдвое
больше максимальной частоты сигнала.
При квантовании шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты
помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший
номер уровня квантования.
На рис. 2.35 изображено равномерное квантование.
Одним из основных параметров является δ – шаг квантования.
Соответственно, при равномерном квантовании шаг квантования
одинаков. Как видно из рис. 2 .35, первый (слева направо) отсчет
находится ближе к уровню 3 (уровни квантования – по вертикальной

191
оси), второй – к 5-му уровню и т. д . Таким образом, вместо последо-
вательности отсчетов получаем последовательность чисел, соответ-
ствующих уровням квантования.
Рис. 2.35. Квантование
При равномерном квантовании динамический диапазон получа-
ется довольно большим. Для уменьшения динамического диапазона
возможно применение неравномерного квантования. В этом случае
шаг квантования будет различным при различных уровнях: при ма-
лых уровнях сигнала шаг небольшой, при больших он увеличивается.
На практике чаще применяют компрессор, характеристика которого
показана на рис. 2 .36 .
Рис. 2.36. Амплитудная характеристика компрессора
Для восстановления ужатого динамического диапазона исполь-
зуют декомпрессор или экспандер. Амплитудная характеристика экс-
пандера обратна компрессору.
Для формирования управляющего аналогового воздействия ис-
пользуется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Коэффициент
пропорциональности между двоичным кодом на входе ЦАП

192
и аналоговым сигналом на выходе называется ценой младшего
разряда. Физический смысл цены младшего разряда заключается в
следующем: при подаче на вход ЦАП числа 1 (нули во всех разрядах,
кроме младшего) на выходе ЦАП появится аналоговое напряжение,
численно равное цене младшего разряда δ = ПД/2n, где n – разряд-
ность шины данных ЦАП, ПД – полный (динамический) диапазон
выходного напряжения ЦАП (например, если на выходе ЦАП напря-
жение изменяется от –5,12 В до +5,12 В, то ПД = 10,24 В).
Таким образом, чтобы получить на выходе ЦАП какое-либо
напряжение Ux, нужно на вход ЦАП подать двоичный код, равный
целой части выражения Ux/δ , где δ – цена младшего разряда ЦАП.
Время, в течение которого ЦАП обрабатывает входные данные,
называется временем преобразования ЦАП и определяется его быст-
родействием.
Количество входных линий для подачи двоичного сигнала на-
зывается разрядностью ЦАП. Для n-разрядного ЦАП диапазон дво-
ичного кода составляет от 0 (когда на все линии входа подается 0) до
2n –1 (когда на все линии входа подается 1).
Границы изменения выходного аналогового сигнала на выходе
ЦАП определяют его динамический диапазон и могут быть вычис-
лены через разрядность ЦАП n и цену младшего разряда δ следую-
щим образом:
[0, δ(2n –1)] для однополярного ЦАП,
[–δ(2n –1), δ(2n –1)] для двухполярного ЦАП.
Двухполярный ЦАП позволяет получить на выходе аналоговый
сигнал как положительной, так и отрицательной полярности. В двух-
полярном ЦАП существует дополнительный вход (знаковый разряд),
сигнал на котором определяет знак выходного напряжения.
ЦАПы типовых плат ввода-вывода [30] предназначены для
преобразования обычно 10- или 12-разрядного двоичного кода в по-
стоянное напряжение без дополнительного знакового разряда, однако
любой ЦАП формирует выходной сигнал в виде аналогового напря-
жения в диапазоне –5,12 В...+5,12 В, в зависимости от подаваемого
входного кода. Чтобы получить напряжение на выходе ЦАПов платы
ввода/вывода 0...10,24 В, необходимо осуществить смещение нуля в
настройках ЦАПа на необходимый уровень.
При получении на выходе непрерывного сигнала заданной
функциональной зависимости необходимо обращение к ЦАП в цикле
с периодическим изменением кода на его входе.

193
Если же нам нужно постоянное напряжение, необходимо только
один раз подать на его входную шину заранее рассчитанный двоич-
ный код и запустить на выполнение написанную на выбранном языке
высокого уровня программу.
Допустим, необходимо получить на выходе 10-разрядного ЦАП
постоянное напряжение 0,68 В.
1) Рассчитаем необходимый двоичный код. Поскольку уровню
нулевого напряжения на выходе ЦАП соответствует код 512, а цена
младшего разряда для 10-разрядного ЦАП равна 10 мВ, то для на-
пряжения 0,68 В код на входе ЦАП должен быть равен
0,68/0,01 + 512 = 570 в десятичной системе счисления, или 23А в
шестнадцатеричной, или 1000111010 в двоичной. Если бы требова-
лось получить напряжение –0,68 В, то необходимо выполнить следу-
ющее действие –0,68/0,01 + 512 = 444, что соответствует коду 1ВС.
Итак, для получения выходного аналогового сигнала напряже-
нием 0,68В на 10-разрядной шине данных ЦАП должен быть вы-
ставлен двоичный код 1000111010.
2) После этого переходим к программированию контроллера на
базе персонального компьютера, для этого заносим в выходной порт
число 23А Н. Если подключить к выходу ЦАП вольтметр или осцил-
лограф, можно будет убедиться, что напряжение на выходе ЦАП
равно 0,68В.
Если необходимо получить на выходе ЦАП напряжение, изме-
няющееся во времени по сложному закону, например в соответствии
со следующей заданной функцией (см. рис. 2 .37):
f(t)= а·sin(b·t)·sin(с·t), где
а – масштабный множитель, зависящий от динамического диапазона
ЦАП;
b, с – множители, зависящие от времени преобразования используе-
мого ЦАП и от объема выходных данных,
то наиболее подходящим для выполнения данной задачи является
применение языков программирования высокого уровня (си, паскаль
и др.), позволяющих включать в тело программы вставки на языке ас-
семблер для организации низкоуровневого взаимодействия с внеш-
ними аппаратными средствами.

194
Рис. 2.37. График изменения периодической функции
Рассмотрим основные действия, необходимые для достижения
заданной цели. Эти действия перечислены в порядке выполнения.
1. Инициализировать систему.
2. Подготовить массив данных для вывода через ЦАП.
3. Вывести данные через ЦАП.
Пункт 3 необходимо выполнять в цикле для того, чтобы полу-
чить возможность увидеть выходной сигнал на экране осциллографа.
Для сбора аналоговой информации с датчиков используются
аналого-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП предназначены для
преобразования аналоговой величины в цифровой код. Обычно на
плату ввода-вывода устанавливают один централизованный АЦП.
2.11.1. Параллельные АЦП. Чаще всего в качестве пороговых
устройств параллельного АЦП используются интегральные компара-
торы. Схема типичного АЦП параллельного типа приведена на
рис. 2 .38.
Число компараторов DA выбирается с учетом разрядности
кода n. Например, для двух разрядов понадобится три компаратора,
для трех – семь, для четырех – 15(2n
–1). Опорные напряжения
задаются с помощью прецизионного (высокоточного) резистивного
делителя. Входное напряжение Uвх подается на вход компараторов
и сравнивается с набором опорных напряжений, снимаемых с делите-
ля.
На выходе компаратора, где входное напряжение больше соот-
ветствующего опорного, будет логическая 1, на остальных – логиче-
ский 0. Естественно, при входном напряжении равном 0 на выходах
компараторов будут нули. При максимальном входном напряжении

195
на выходах компараторов будут логические 1. Шифратор предназна-
чен для преобразования полученной группы нулей и единиц в «нор-
мальный» двоичный код.
Рис. 2.38. АЦП параллельного типа
Параллельный АЦП является самым быстродействующим из
всех, поскольку компараторы работают одновременно. Но есть весь-
ма существенный недостаток. Как было сказано выше, разрядность
такого АЦП определяется числом компараторов и резисторов. Для
10-разрядного АЦП понадобится 2
10
–
1 = 1023 компараторов, что
определяет высокую стоимость параллельных АЦП. Подбором со-
противлений резисторной матрицы можно выбрать закон преобразо-
вания – линейный или логарифмический.
2.11.2. Последовательные АЦП. Последовательные АЦП бы-
вают последовательного счета и последовательного приближения.
Типичная схема АЦП последовательного счета приведена на
рис. 2 .39.
На схеме буквами и символами обозначены следующие элемен-
ты: К – компаратор, & – схема «И», ГТИ – генератор тактовых им-
пульсов, СТ – счетчик , #/A – ЦАП . На один вход компаратора пода-
ется входное напряжение, на второй – напряжение с выхода ЦАП.

196
Рис. 2.39. АЦП последовательного счета
В начале работы счетчик устанавливается в нулевое состояние,
напряжение на выходе ЦАП при этом равно нулю, а на выходе
компаратора устанавливается логическая 1. При подаче импульса
разрешения «Строб» счетчик начинает считать импульсы от генера-
тора тактовых импульсов, проходящих через открытый элемент «И».
Напряжение на выходе ЦАП при этом линейно нарастает, пока не
станет равным входному. При этом компаратор переключается в со-
стояние лог. 0 и счет импульсов прекращается. Число, установившее-
ся на выходе счетчика, и есть пропорциональный входному напряже-
нию цифровой код. Выходной код остается неизменным, пока длится
импульс «Строб», после снятия счетчик устанавливается в нулевое
состояние и процесс преобразования повторяется.
Такие АЦП имеют низкое быстродействие. Достоинством явля-
ется сравнительная простота построения.
2.11.3. АЦП с поразрядным уравновешиванием. Более быстро-
действующим является АЦП последовательного приближения, назы-
ваемый также АЦП с поразрядным уравновешиванием. АЦП последо-
вательного приближения показан на рис. 2 .40. В основе работы таких
преобразователей лежит принцип дихотомии – последовательного
сравнения измеряемой величины с 1⁄2, 1⁄4, 1⁄8 и т. п . от возможного ее
максимального значения.
В таком АЦП используется специальный регистр – регистр по-
следовательных приближений. При подаче импульса «Пуск» на вы-
ходе старшего разряда регистра появляется логическая «1», а на вы-
ходе ЦАП – напряжение U1. Если это напряжение меньше входного,

197
то в следующем по счету разряде регистра записывается еще логиче-
ская «1». Если же входное напряжение меньше, то логическая «1» в
старшем разряде отменяется.
Рис. 2.40. АЦП последовательного приближения
Таким образом, методом проб перебираются все разряды от
старшего до младшего. На всю операцию преобразования требуется
импульсов ГТИ всего в два раза больше количества разрядов. Таким
образом, АЦП последовательных приближений имеет значительно
большее быстродействие, чем АЦП последовательного счета.
2.11.4. Последовательно-параллельные АЦП. Последователь-
но-параллельные АЦП – это компромисс между параллельными и по-
следовательными АЦП, т. е. желание получить максимально возмож-
ное быстродействие при минимальных затратах и сложности.
На рис. 2 .41 приведен для примера двухступенчатый АЦП.
Рис. 2.41. Двухступенчатый АЦП

198
В многоступенчатых преобразователях процесс преобразования
разделен в пространстве. АЦП1 (верхний) осуществляет «грубое»
преобразование входного сигнала в старшие разряды. Сигналы с вы-
хода первого АЦП1 поступают на выходной регистр и одновременно
на вход быстродействующего ЦАП. Цифровой код преобразуется
ЦАП в напряжение, которое вычитается из входного в сумматоре.
Разность напряжений преобразуется с помощью АЦП2 в коды млад-
ших разрядов. В таких схемах ЦАП чаще всего выполняются по схе-
ме суммирования токов с помощью дифференциальных переключа-
телей, но могут быть построены по схеме суммирования напряжений.
Требования к точности АЦП1 выше, чем к АЦП2. Оба АЦП па-
раллельного типа. Допустим, и тот, и другой 4-разрядные, в каждом
используется по 16 компараторов. В итоге получается 8-разрядный
АЦП всего на 32 компараторах, тогда как при построении по парал-
лельной схеме понадобилось бы 2
8
–
1 = 255 шт. Быстродействие
примерно раза в два хуже. Помимо описанных выше существуют
многотактные последовательно-параллельные и конвейерные АЦП.
У них несколько иная структура. К примеру, многотактные преобра-
зователи работают с различным шагом квантования, т. е. в преобра-
зователе процесс преобразования разделен во времени. В один мо-
мент времени формируются старшие разряды, в другой момент вре-
мени шаг квантования уменьшается и формируются младшие
разряды.
2.12. Многофункциональное устройство ввода-вывода
Рассмотрим систему автоматизации и управления, реализован-
ную на РС-based контроллере, выполненном на ПК с установленным
в его слот расширения многофункциональным устройством (типовой
платой ввода/вывода)
Устройство сопряжения (типовая плата ввода/вывода) обычно
выполняет следующие основные функции:
1) аналого-цифровое преобразование (АЦП) входных аналого-
вых сигналов;
2) цифро-аналоговое преобразование (ЦАП);
3) цифровой ввод/вывод;
4) формирование стабильных интервалов времени.
В качестве примера рассмотрим типовую плату ввода/вывода
NVL (технические характеристики приведены в табл. 2 .2).

199
Таблица 2.2
Технические характеристики устройства
1. Аналоговый ввод (АЦП)
Аппаратная реализация
микросхема К1113ПВ1
Количество каналов АЦП
8 дифференциальных
или 16 одиночных
Разрядность АЦП
10 бит
Коэффициент усиления входного усилителя
0,5...32 (устанавливается
программно)
Диапазоны входных напряжений (полная шкала)
+/– 160mV ... +/– 8V
Предельное входное напряжение
+/–12V
Время преобразования АЦП
не более 30мкс
Время установления коммутатора каналов
не более 0,3мкс
Время установления входного усилителя
не более 5мкс
Погрешность измерения напряжения (сумма
погрешности преобразования АЦП (0,1%) и
погрешности нормирующего усилителя (0,1%)
~0,15%
Режим запуска АЦП
программный, аппаратный,
внешний от таймера
Метод приема информации (результата АЦ-
преобразования)
программный, по ожиданию
готовности, по прерыванию
2. Аналоговый вывод (ЦАП)
Аппаратная реализация
микросхема КР572ПА1
Количество каналов ЦАП
2
Разрядность ЦАП
10 бит
Диапазон выходного напряжения
+/– 8V
Время установления выходного аналогового
напряжения
<10мкс
Линейность
+/– 0,2%
3. Цифровой ввод
Аппаратная реализация
микросхема К555АП6
Количество входных линий
8 (уровень ТТЛ)
4. Цифровой вывод
Аппаратная реализация
микросхема К1533ИР33
Количество выходных линий с повышенной
нагрузочной способностью
8 (уровень ТТЛ)
5. Программируемый таймер/счетчик
Аппаратная реализация
микросхема КР580ВИ53
Количество доступных каналов таймера
1
Разрядность таймера
16 бит
Количество режимов таймера
6
Входная частота
2 MHz

200
Типовая плата ввода/вывода NVL выполнена на базе цифровых
микросхем средней интеграции и имеет схемотехнику удобную для
анализа и понимания принципа работы подобных устройств [30].
Функциональная схема устройства приведена на рис. 2 .42.
Программно устройство представляется в виде ряда адресов ре-
гистров в адресном пространстве ПЭВМ. Абсолютный адрес каждого
регистра устройства складывается из двух составляющих – базового
адреса BASE и адреса смещения. С помощью перемычек (J3, J4, J5)
на плате устройства базовый адрес BASE может принимать следую-
щие значения: 200h, 220h, 300h.
Это позволяет устанавливать устройство на любое «свободное»
адресное место в ПЭВМ или же устанавливать до трех устройств в
одну ПЭВМ. Адреса смещений постоянны. Адресное пространство
устройства показано в табл. 2 .4 .
2.12.1. Модуль управления. Модуль управления предназначен
для следующих целей:
-
буферизации 8-разрядной двунаправленной шины данных
(LD0..LD7) с помощью микросхемы шинного формирователя
К555АП6 (D1 на рис. 2 .48);
-
дешифрирования 10-разрядной шины адреса (SA0..SA9) с по-
мощью микросхем дешифраторов К555ИД7(D4 на рис. 2 .48);
-
буферизации и формирования сигналов управления микросхе-
мой К555ЛП5 (D7, рис. 2 .43 и D17, D18 на рис. 2.44).
Обмен информацией между устройством и системной шиной
компьютера осуществляется через двунаправленный шинный фор-
мирователь D1 (К555АП6). В нормальном состоянии шинный форми-
рователь включен на прием данных от ПК к устройству и не нагружа-
ет шину данных (LD0..LD7).
По сигналу чтения данных из внешнего устройства (IOR), фор-
мируемому процессором ПЭВМ, шинный формирователь переключа-
ется на передачу данных от платы к ПЭВМ, и происходит ввод дан-
ных.
2.12.2. Модуль аналогового ввода (АЦП) предназначен для ана-
лого-цифрового преобразования входных аналоговых сигналов, кото-
рые через выходной разъем поступают на аналоговый коммутатор
(MUX рис. 2 .42, два корпуса D15, D16 – КР590КН6, рис. 2 .43). Ком-
мутатор может работать в двух режимах.

201
1. Коммутация 8 дифференциальных аналоговых входов.
2. Коммутация 16 одиночных аналоговых входов.
Режим задается установкой перемычки.
Программное управление аналоговым коммутатором осуществ-
ляется путем записи в регистр номера канала по адресу BASE + 0Dh
байта с кодом номера канала, напряжение на входе которого надо из-
мерить.
С выхода коммутатора сигнал приходит на аттенюатор (про-
граммируемый усилитель) с дифференциальным входом. Коэффици-
ент усиления (аттенюации) можно изменять программно от 0,5 до 32
выдачей 6-битного кода NATT. Код NATT записывается в регистр ат-
тенюации по адресу BASE + 0Ch. Таким образом, существует 64
ступени усиления. Переменный резистор R28 (рис. 2 .45) служит для
настройки смещения нуля. После усилителя сигнал поступает на
устройство выборки/хранения (A5 – КР1100СК2, рис. 2 .45), выход
которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя
(A7 – К1113ПВ1, рис. 2.45). На выходе АЦП формируется
10-разрядный код и сигнал готовности, по которому сформированный
код переписывается в регистр временного хранения (два корпуса D21,
D22 – КР1533ИР33). Из регистра временного хранения этот код мо-
жет быть считан в удобное время. С помощью переменного резистора
R28 (рис. 2 .45) производится точная подстройка амплитуды входного
сигнала. Микросхема К1113ПВ1 запитывается от напряжения –15V,
которое вырабатывается на плате из напряжения –12V (рис. 2 .44).
В табл. 2 .3 приведены значения кодов аттенюации NATT и со-
ответствующие им значения коэффициента аттенюации Ка и диапа-
зоны входных напряжений Uin.
Таблица 2.3
Коды аттенюации
NATT
Ka
Uin, В
FFh
0,5
10,24
80h
1,0
5,12
40h
2,0
2,56
20h
4,0
1,28
10h
8,0
0,64
08h
16,0
0,32
04h
32,0
0,16

202
После усилителя сигнал поступает на устройство выбор-
ки/хранения (КР1100СК2), выход которого подключен ко входу ана-
лого-цифрового преобразователя A7 (К1113ПВ1). На выходе АЦП
формируется 10-разрядный код и сигнал готовности, по которому
сформированный код переписывается в регистр временного хранения
(два корпуса КР1533ИР33). Из регистра временного хранения этот
код может быть считан в удобное время.
В устройстве предусмотрены три различных варианта запуска
АЦП:
- аппаратный,
- программный,
- по внешнему сигналу.
Центральным элементом схемы запуска является программиру-
емый интегральный таймер К580ВИ53 (D9, рис. 2 .48). Два его
канала – нулевой и первый включены последовательно, т.е. выход
первого канала включѐн на вход нулевого. Нулевой канал формирует
импульсы запуска АЦП, а на вход первого канала подается сигнал от
кварцевого генератора с частотой 2 МГц. Первый канал используется
как программируемый делитель частоты.
Чтобы установить первый канал таймера в режим делителя ча-
стоты, необходимо по адресу BASE + 03h записать число 74h, а по
адресу BASE + 01h последовательно записать сначала младший, а за-
тем старший байты числа, соответствующего коэффициенту деления.
В случае, если это число 2, на входе канала 0 будет сформирована
последовательность импульсов с частотой 1 МГц. Для осуществления
аппаратного запуска каналы нулевой и первый устанавливаются в
режим делителя частоты. Для этого по адресу BASE + 03h записыва-
ется число 34h, а по адресу BASE + 00h последовательно записыва-
ются сначала младший, а затем старший байты числа, соответствую-
щего коэффициенту деления.
При программном запуске АЦП необходимо нулевой канал тай-
мера установить в режим одновибратора, записав по адресу BASE +
03h число 38h. При этом выход нулевого канала таймера установится
в состояние лог. «1», а запуски АЦП будут осуществляться по коман-
де из программы. Для каждого запуска необходимо выполнить опе-
рацию чтения по адресу BASE + 18h.

203
TT
SD0
SD1
SD2
SD3
SD4
SD5
SD6
SD7
Разъем ПЭВМ
IBM PC
SA0
SA1
SA2
SA3
SA4
SA5
SA6
SA7
SA8
SA9
AEN
RST
STOR
STOP
+5V
+12V
-12V
GND
Шина
Данных
Шина
Адреса
CS53
ADC
DAC1
DAC2
CSTR
CSAP
CHAI
J3
J4
J5
J1
J2
IRQ5
IRQ6
IOR
Сигналы
управления
Сигналыуправления
Буфер Шины
Данных
К555АП6
Дешифратор
Шины Адреса
К555ИД7
-2 шт
Буфер
Сигналов
Управления
К555ЛП5
RG
КР1533ИР33
-2 шт
Регистр временного
хранения
Модуль
Управления
A/D
АЦП
К1113ПВ1
STO
Устройство
Выборки /
Хранения
КР1100СК2
Аттенюатор
(программируемый
усилитель)
Ка
MUX
D-триггер
-4 шт
4
RG
КР1533ИР33
D/A
КР572ПА1
A0..A9
Шина Данных
LD0..LD7
ЦАП
Усилитель
К140УД708
Регистр
аттенюатора
LD0..LD3
LD0..LD7
LD0..LD7
LD0..LD7
КР590КН6
-2 шт
код
NATT
Аналоговый
Коммутатор
16 каналов
Модуль Аналогового Ввода
RG
КР1533ИР33
D/A
КР572ПА1
ЦАП1
Регистр ЦАП1
Модуль Аналогового Вывода
D-триггер
-2 шт
Усилитель
К140УД708
ИОН
Канал 2
Канал 1
Канал 0
Схема
управления
Таймер КР580ВИ53
Буфер
CS53
Модуль Таймера
G
ST
8МГц
2МГц
1МГц
Генератор
Счетчик
(делитель частоты)
Внешний
разъем
Изм. Лист
Рарзраб.
Пров.
Т.контр.
Рук. разр.
Н.контр.
Утв.
Noдокум.
Подп. Дата
Лит. Масса Масштаб
Лист.1
Листов
Устройство сопряжения
ПЭВМ IBM PC
Функциональная схема
OUTT
Доступен для
пользователя
CET
CLKT
1МГц
1MHz
AIN0
AIN1
AIN2
AIN3
AIN4
AIN5
AIN6
AIN7
AIN8
AIN9
AIN10
AIN11
AIN12
AIN13
AIN14
AIN15
D-триггер
-1 шт
RDY
D-триггер
-1 шт
LD0..LD7
RDY
ADC
DOUT0
DOUT1
DOUT2
DOUT3
DOUT4
DOUT5
DOUT6
DOUT7
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
ИСм
LD0..LD7
LD0,LD1
USM
UOP
Выборка каналов
CHAI
UOP
ANOUT1
TT
RG
КР1533ИР33
D/A
КР572ПА1
ЦАП2
Регистр ЦАП2
D-триггер
-2 шт
LD0..LD7
LD0,LD1
UOP
Усилитель
К140УД708
ANOUT2
К555АП6
Буфер
цифрового ввода
LD0..LD7
IN0..IN7
CSAP
RG
КР1533ИР33
Регистр
цифрового вывода
LD0..LD7
DOUT0..DOUT7
DAC1
IN0..IN7
DOUT0..DOUT7
DAC2
CSTR
GND
GND
GND
Модуль Дискретного
Ввода/Вывода
SE
Схема
запуска АЦП
Внешнее
управление
запуском
К555ИЕ5
USM
USM
Рис. 2.42. Функциональная электрическая схема устройства сопряжения (платы
ввода – вывода).

204
Таблица 2.4
Адресное пространство устройства сопряжения
Базвый
адрес BASE
+ Адрес
смещения
Абсолют-
ный адрес
Байт данных
200(H)
00(H)
200(H)
Коэфф. деления частоты канала1 таймера (мл.часть)
01(H)
201(H)
Коэфф. деления частоты канала1 таймера (ст.часть)
02(H)
202(H)
03(H)
203(H)
Режим таймера КР580ВИ53 для запуска АЦП
04(H)
204(H)
05(H)
205(H)
06(H)
206(H)
07(H)
207(H)
08(H)
208(H)
Код АЦП (мл.часть А0..А7)
09(H)
209(H)
Код АЦП (ст.часть А8,А9)
0A(H)
20A(H)
0B(H)
20B(H)
0C(H)
20C(H)
Код NATT в регистре аттенюации АЦП
0D(H)
20D(H)
Регистр выборки каналов АЦП
0E(H)
20E(H)
0F(H)
20F(H)
10(H)
210(H)
Код ЦАП1 (мл.часть D0..D7)
11(H)
211(H)
Код ЦАП1 (ст.часть D8,D9)
12(H)
212(H)
13(H)
213(H)
14(H)
214(H)
Код ЦАП2 (мл.часть D0..D7)
15(H)
215(H)
Код ЦАП2 (ст.часть D8,D9)
16(H)
216(H)
17(H)
217(H)
18(H)
218(H)
Регистр цифрового вывода DOUT0..DOUT7
19(H)
219(H)
1A(H)
21A(H)
1B(H)
21B(H)
1C(H)
21C(H)
Буфер цифрового ввода IN0..IN7 (для чтения)
1D(H)
21D(H)
1E(H)
21E(H)
1F(H)
21F(H)
220(H)
00(H)
220(H)
Аналогично
01(H)
221(H)
02(H)
222(H)
...
...
1F(H)
23F(H)
...
300(H)
00(H)
300(H)
Аналогично
01(H)
301(H)
02(H)
302(H)
...
...
1F(H)
31F(H)

205
Рис.2.43.Фрагментпринципиальнойэлектрическойсхемычастимодуляуправленияимультиплексораустройствасопряжения

206
Рис.2.44.ФрагментпринципиальнойэлектрическойсхемымодуляуправленияимодуляаналоговоговыводаЦАП2устройствасопряжения

207
В устройстве предусмотрена возможность внешнего управления
схемой запуска. Такое управление осуществляется через контакт SE
внешнего разъема (см. рис. 2 .42). Если на этот контакт подана лог.
«1» или он «брошен в воздухе», то запуски разрешены, а если лог.
«0» – запрещены. Если канал 0 таймера установить в режим форми-
рователя одиночного аппаратно стробируемого сигнала, записав по
адресу BASE + 03h число 3Ah, то каждый положительный перепад из
состояния лог. «0» в лог. «1» на контакте SE внешнего разъема
устройства будет вырабатывать импульс запуска АЦП.
Действительное значение кода АЦП (результат АЦП-код
D0..D9), соответствующее измеряемому напряжению, формируется в
буферном регистре временного хранения D21 (рис. 2.45) с адресом
BASE + 08h (младшая часть разрядов адреса D0..D7) и D22 BASE +
+09h (старшая часть разрядов D8, D9).
Окончание цикла преобразования АЦП может быть зафиксиро-
вано двумя способами:
-
программно – путем опроса бита готовности. Этот бит нахо-
дится в 4-м разряде байта порта с адресом BASE + 09h. Причем сразу
после запуска в этом разряде формируется лог. «1», а после оконча-
ния цикла преобразования – лог. «0»;
- по прерыванию – после окончания цикла преобразования АЦП
устройство формирует прерывание на линях IRQ5 или IRQ6. Номер
прерывания выбирается с помощью перемычек (J1, J2) на плате. За-
прос на прерывание автоматически сбрасывается при первом чтении
регистра с адресом BASE + 08h.
2.12.3. Модуль аналогового вывода (ЦАП) состоит из двух неза-
висимых 10-разрядных цифро-аналоговых преобразователей DAC1 и
DAC2 (КР572ПА1А), источника опорного напряжения (ИОН,
КС191Ф), источника напряжения смещения ЦАП (ИСм) и преобразо-
вателей ток-напряжение (К140УД708).
Выходное напряжение двух ЦАП устройства при настройке
устанавливается таким образом, что максимальный размах напряже-
ний равен +/– 5,12 В. С помощью переменного резистора R25 для
ЦАП1 (R15 для ЦАП2) производится точная подстройка максималь-
ной амплитуды выходного аналогового напряжения. Переменным
резистором R26 для ЦАП1 (R17 для ЦАП2) производится сдвиг вы-
ходного аналогового напряжения.

208
Рис.2.45.Фрагментпринципиальнойэлектрическойсхемымодуляаналоговоговвода(АЦП)устройствасопряжения

209
Минимальному напряжению – 5,12 В соответствует код 0000h,
записанный по адресам BASE + 10h , BASE + 11h (для вывода
ANOUT1 внешнего разъѐма устройства) или BASE + 14h, BASE +
15h (для вывода ANOUT2 внешнего разъѐма устройства). Макси-
мальному напряжению +5,12 В соответствует код 03FFh, записанный
по тем же адресам.
Код ЦАП – 10-разрядный. Младшие 8 разрядов помещаются по
адресу BASE + 10h и BASE + 14h (как было указано выше), а стар-
шие 2 разряда записываются по адресу BASE + 11h и BASE + 15h
соответственно. Код слова ЦАП записывается в буферные регистры и
хранится там до следующей операции вывода.
2.12.4. Модуль дискретного ввода-вывода предназначен для ор-
ганизации цифрового ввода с помощью буфера входного шинного
формирователя К555АП6 (D27 на рис. 2 .48) и цифрового вывода с
помощью выходного регистра К1533ИР33 (RG D28 на рис. 2 .44).
Входы формирователя BF3 цифрового ввода (IN0...IN7) и выхо-
ды выходного регистра RG (DOUT0...DOUT7) выведены на внешний
разъем устройства.
Прием байта из буфера цифрового порта (выводы
25, 27, 29, 31, 33, 35, 37, 39 внешнего разъѐма устройства) IN0...IN7
осуществляется чтением по адресу BASE + 1Сh, где BASE – базовый
адрес (устанавливается при поставке 300h), 1Ch – смещение. Таким
образом, адрес регистра порта цифрового ввода
равен
300h + 1Ch = 31Ch.
Передача байта (запись) в буфер порта цифрового вывода (вы-
воды 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 внешнего разъѐма DOUT0...DOUT7)
осуществляется операцией запись в выходной регистр по адресу
BASE + 18h. Информация в этом буфере будет храниться до следую-
щей операции записи по указанному адресу.
2.12.5. Модуль таймера содержит кварцевый генератор G,
счетчик/делитель частоты (К555ИЕ5, D10 на рис. 2 .43) и таймер
(КР580ВИ53, D9 рис. 2.48). Кварцевый генератор G вырабатывает ча-
стоту 8 МГц. Эта частота делится на 4 и поступает на вход микросхе-
мы таймера. Два канала таймера используются для управления рабо-
той АЦП, а третий доступен для пользователя.
Микросхема 580ВИ53 – трехканальное программируемое
устройство (таймер), предназначено для организации работы микро-

210
процессорных систем в режиме реального времени. Микросхема
формирует сигналы с различными временными параметрами.
Программируемый таймер реализован в виде трех независимых
16-разрядных каналов с общей схемой управления. Каждый канал
может работать в шести режимах:
- режим 0 (прерывание терминального счета);
- режим 1 (ждущий мультивибратор);
- режим 2 (генератор импульсный);
- режим 3 (генератор меандра);
- режим 4 (одиночный программно-формируемый стробирую-
щий сигнал);
- режим 5 (одиночный аппаратно-стробирующий сигнал).
┌──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┐
│D7│D6│D5│D4│D3│D2│D1│D0│┌───────────────────────────────────┐
└──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴┬─┘│ К о д
│
<─┬─> <─┬─> <──┬───> └──┤ 0 - двоичный
│
││
│
│ 1 - двоично-десятичный
│
││
│
├───────────────────────────────────┤
││
│
│Режим
работы
│
││
│
│000-режим0
│
││
│
│001-режим1
│
││
└────────┤ Х10 - режим 2
│
││
│Х11-режим3
│
││
│100-режим4
│
││
│101-режим5
│
││
├───────────────────────────────────┤
││
│Чтение(загрузка)│
││
│ 00 - операция "защелкивания"
│
│ └───────────────┤ 01 - только младший байт
│
│
│ 10 - только старший байт
│
│
│ 11 - младший байт, затем старший │
│
├───────────────────────────────────┤
│
│Выбор регистра
│
│
│
режима
│
│
│00-канал0
│
└─────────────────────┤ 01 - канал 1
│
│10-канал2
│
│ 11 - запрет
│
└───────────────────────────────────┘
Рис.2.46. Формат управляющего слова таймера (Х – безразличное состояние)

211
Рис.2.47.Фрагментпринципиальнойэлектрическойсхемымодуляаналоговоговывода(ЦАП1)устройствасопряжения

212
Рис.2.48.Фрагментпринципиальнойэлектрическойсхемымодулятаймераимодулядискретноговыводаустройствасопряжения

213
Рис.2.49.Фрагментпринципиальнойэлектрическойсхемыпрограммируемогоусилителяустройствасопряжения

214
Программирование режимов работы каналов осуществляется
индивидуально и в произвольном порядке путем ввода управляющих
слов в регистры режимов каналов (рис 2.46), а в счетчики – запро-
граммированного числа байтов.
Два канала таймера (нулевой канал и первый канал) использу-
ются для управления работой АЦП (см. выше), а третий (второй ка-
нал) доступен для пользователя через внешний разъем устройства.
Туда же выведен сигнал кварцевого генератора с частотой 1 МГц.
Используя программные возможности второго канала таймера и вы-
сокостабильную входную тактовую частоту возможно формирование
различных импульсных последовательностей в широком интервале
частот.

215
Контрольные вопросы
1. Назначение, структура и функционирование цифровых САиУ.
Перспективы развития.
2. Специфика применения микроЭВМ в системах управления.
3. Общие сведения об интерфейсе. Порты, контроллеры и адаптеры.
Краткая характеристика.
4. Определение функциональной (информационной) совместимости
модулей САиУ.
5. Организация управляющих вычислительных машин. Структура.
6. Типовые связи с объектом управления.
7. Понятие о стандартном интерфейсе, протоколе, стыке. Основное
назначение.
8. Основные функции интерфейса. Электрическая и конструктивная
совместимость.
9. Принципы организации интерфейсов. Линии, шины, магистрали.
10. Классификация интерфейсов САиУ.
11. Структура связей интерфейсов САиУ.
12. Определение стандартного интерфейса САиУ.
13. Определение параллельного интерфейса.
14. Определение последовательного интерфейса.
15. Определение шины интерфейса.
16. Определение активного устройства САиУ.
17. Определение пассивного устройства САиУ.
18. Определение ведущего устройства САиУ.
19. Определение ведомого устройства САиУ.
20. Определение протокола обмена.
21. Характеристики интерфейсов САиУ.
22. Классификация интерфейсов САиУ.
23. Понятие симплексного обмена.
24. Понятие полудуплексного обмена.
25. Понятие дуплексного обмена.
26. Понятие магистрального канала.
27. Понятие радиального интерфейса.
28. Способы передачи данных САиУ.
29. Какое представление информации наиболее часто используется
в современных УСО?
30. От чего зависит производительность УСО?
31. Синхронизация при передаче данных в САиУ.

216
32. Стробирование и квитирование при передаче данных в САиУ.
33. Режимы обмена информацией в САиУ.
34. Особенности интерфейса с мультиплексированной шиной адреса
и данных. Логическая и функциональная организация.
35. Интерфейс с мультиплексированной шиной адреса и данных.
Цикл ввода. Диаграммы работы.
36. Интерфейс с мультиплексированной шиной адреса и данных.
Цикл вывода. Диаграммы работы.
37. Интерфейс с мультиплексированной шиной адреса и данных. Пе-
редача данных с прямым доступом к памяти. Диаграммы работы.
38. Интерфейс с мультиплексированной шиной адреса и данных. Пе-
редача данных с прерыванием основной программы. Диаграммы ра-
боты.
39. Интерфейс с мультиплексированной шиной адреса и данных.
Функциональная схема для цикла ввода. Принцип работы.
40. Интерфейс с мультиплексированной шиной адреса и данных.
Функциональная схема для цикла вывода. Принцип работы.
41. Интерфейс с мультиплексированной шиной адреса и данных.
Функциональная схема для передачи данных с прямым доступом к
памяти. Принцип работы.
42. Интерфейс с мультиплексированной шиной адреса и данных.
Функциональная схема для передачи данных с прерыванием основ-
ной программы. Принцип работы.
43. Повышение нагрузочной способности системных интерфейсов.
44. Сопряжение ОЗУ с системной шиной.
45. Способы обмена данными между УВМ и внешними устройства-
ми. Краткая характеристика.
46. Способ передачи данных с прямым доступом к памяти.
47. Способ передачи данных с прерыванием основной программы.
48. Программный способ передачи данных.
49. С какой целью в системах автоматизации и управления исполь-
зуют дискретные датчики?
50. В чем заключается явление дребезга контактов?
51. Поясните алгоритм исключения дребезга контактов программ-
ным путем.
52. Как осуществляется программирование цифрового ввод PC-based
контроллера с использованием плат ввода-вывода?
53. В чем заключается процедура ожидания статического сигнала?

217
54. С какой целью в системах автоматизации и управления
используют дискретные исполнительные механизмы?
55. Какие существуют способы адресации памяти в микропроцес-
сорных системах?
56. В чем заключается принцип формирования статических сигна-
лов?
57. В чем заключается принцип формирования импульсных сигна-
лов?
58. В чем заключается принцип формирования апериодического
управляющего сигнала?
59. Как осуществляется подсчет срабатываний дискретного датчика
между событиями?
60. Как осуществляется программирование цифрового вывода
PC-based контроллера с использованием плат ввода-вывода?
61. Как определить динамический диапазон ЦАП, зная его раз-
рядность и цену младшего разряда?
62. Как определить цену младшего разряда ЦАП, зная его раз-
рядность и динамический диапазон?
63. Что такое однополярный и двухполярный ЦАП? В каких случаях
применяют тот или иной вид ЦАП?
64. Как влияет на динамический диапазон ЦАП добавление зна-
кового разряда?
65. Как будет изменяться напряжение на выходе ЦАП, если на его
входе формировать плавно нарастающий двоичный код?
66. От чего зависят высота и ширина «ступенек» на графике пи-
лообразного сигнала на выходе ЦАП?
67. Как производится выбор ЦАП плат ввода-вывода (в случае ис-
пользования нескольких ЦАПов на плате ввода-вывода)?
68. Что такое АЦП, для чего он предназначен?
69. Как определить цену младшего разряда АЦП, зная число раз-
рядов и динамический диапазон входного сигнала?
70. Чем определяется точность, разрешающая способность и бы-
стродействие АЦП?
71. Какие вы знаете схемы построения АЦП? Каковы их достоинства
и недостатки?
72. От чего зависит максимальная и минимальная частота, с которой
может производить оцифровку аналогового сигнала АЦП?
73. Особенности интерфейса с демультиплексированной шиной ад-
реса и данных. Логическая и функциональная организация.

218
74. Интерфейс с демультиплексированной шиной адреса и данных.
Цикл чтения. Диаграммы работы.
75. Интерфейс с демультиплексированной шиной адреса и данных.
Цикл записи. Диаграммы работы.
76. Интерфейс с демультиплексированной шиной адреса и данных.
Способы арбитража при прямом доступе к памяти. Диаграммы рабо-
ты.
77. Интерфейс с демультиплексированной шиной адреса и данных.
Способы прерывания основной программы. Диаграммы работы.
78. Многорежимный буферный регистр. Область применения. Прин-
цип работы.
79. Шинный формирователь. Область применения. Принцип работы.
80. Назначение регистра адреса и регистра данных в устройствах
сопряжения.
81. Селектор адреса и дешифратор адреса. Назначение и принцип
действия.
82. Ждущие мультивибраторы. Назначение и применение в устрой-
ствах сопряжения.
83. Многофункциональное устройство ввода-вывода. Модуль управ-
ления, функциональная схема.
84. Многофункциональное устройство ввода-вывода. Модуль анало-
гового ввода, функциональная схема.
85. Многофункциональное устройство ввода-вывода. Модуль анало-
гового вывода, функциональная схема.
86. Многофункциональное устройство ввода-вывода. Модуль дис-
кретного ввода/вывода, функциональная схема.
87. Многофункциональное устройство ввода-вывода. Программиро-
вание цифрового ввода/вывода.
88. Многофункциональное устройство ввода-вывода. Программиро-
вание аналогового ввода (АЦП).
89. Многофункциональное устройство ввода-вывода. Программиро-
вание аналогового вывода (ЦАП).
90. Многофункциональное устройство ввода-вывода. Программиро-
вание таймера.

219
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В современных условиях правильный выбор и применение, а
также развитие схемотехники и совершенствование ТС САиУ имеет
одно из первостепенных значений при разработке, внедрении и даль-
нейшем применении систем управления ТП. С одной стороны, тех-
нические средства САиУ позволяют обеспечить производство какого-
либо продукта или изделий с высоким качеством вследствие много-
уровневого технологического мониторинга производственного цикла,
с другой стороны, позволяют обеспечить требуемое функцио-
нирование САиУ в процессе эксплуатации, повышая тем самым на-
дежность выполнения соответствующих технологических процессов
при заданном критерии качества. Кроме того, технические средства
САиУ технологическими процессами любого современного произ-
водства – это инструментальные средства интегрированной инфор-
мационной поддержки изделий (ИПИ-технологии), так как являются
по сути программно-техническими, основанными на технологии
управления данными при реализации базовых управленческих техно-
логий, таких как PDM-система, ERP-система и других технологий
компьютерной поддержки менеджмента качества.
Коммуникационная инфраструктура ТС САиУ настолько быст-
ро развивается, что новые технологии беспроводных локальных сетей
достаточно просто, эффективно и экономично свяжут практически
все устройства общей архитектуры САиУ ТП и производствами.
Таким образом, ТС САиУ являются неотъемлемой частью со-
временного промышленного предприятия и в ближайшей перспекти-
ве с внедрением интеллектуальных и независимых устройств (напри-
мер, с использованием аналогов генетических алгоритмов) САиУ
смогут адаптироваться к постоянно меняющимся требованиям ин-
фраструктуры и будут стимулировать совершенствование производ-
ства.

220
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АРМ
автоматизированное рабочее место
АСУП
автоматизированная система управления предприятием
АСУ ТП
автоматизированная система управления технологическими
процессами
АЦП
аналогово-цифровой преобразователь
БИС
большая интегральная схема
ВУ
внешнее устройство
ВЗУ
внешнее запоминающее устройство
ГСП
государственной системы приборов и средств промышленной
автоматизации
ЗИП
запасные изделия прилагаемые (комплект запасных частей)
ЗУПВ
запоминающее устройство произвольной выборки
ИСУ
интегрированная система управления
ИТ
информационные технологии
ИУ
измерительное устройство
КИА
контрольно-измерительная аппаратура
КИП
контрольно-измерительные приборы
КОП
код операции
КТС
комплекс технических средств
МК
микроконтроллер
МП
микропроцессор
МПС
микропроцессорная система
МЭК
международная электротехническая комиссия
НТД
нормативно-техническая документация
ОЗУ
оперативно-запоминающее устройство
ОУ
объект управления
ПЗУ
постоянное запоминающее устройство
ПЛК
программируемый логический контроллер
ПО
программное обеспечение
ПКК
программируемый компьютерный контроллер
ПТК
программно-технический комплекс
РО
регулирующий орган
СУ
система управления
САиУ
система автоматизации и управления
СВВ
системы ввода–вывода
ТС
технические средства
ТТЛ
транзисторно-транзисторная логика
ЦАП
цифро-аналоговый преобразователь
ЦПУ
центральное процессорное устройство
ША
шина адреса
ШД
шина данных
ШУ
шина управления

221
ЧПУ
числовое программное управление
ЭВМ
электронно-вычислительная машина
ЭИМ
электрический исполнительный механизм
УВК
управляющий вычислительный комплекс
УВМ
управляющая вычислительная машина
УСО
устройство связи с объектом
CAN
controller area network (межконтроллерный сетевой интерфейс)
CL
сurrent Loop (интерфейс с токовой петлей)
DCS
distributed control system (контроллеры распределенных САиУ)
ERP
enterprise resource planning (класс систем управления предприяти-
ями )
HART
highway addressable remote transduser (удаленно адресуемый при-
емопередатчик)
MES
manufacturing execution systems (производственные исполнитель-
ные системы)
MMI
man machine interface (человекомашинный интерфейс)
MRP-II
manufacturing resource planning (планирование ресурсов предпри-
ятия)
OCS
open computing systems (открытые вычислительные системы)
OSI
open systems interconnection (взаимосвязь открытых систем)
PAC
programmable automation controllers (программируемые автома-
тизированные контроллеры)
PC
personal computer (персональный компьютер)
PC-based
РС-совместимый программируемый контроллер
PDM
product data management (системы управления данными
о продукте)
PLC
programmable logical controller (программируемый логический
контроллер)

222
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кангин В. В., Козлов В. Н. Аппаратные и программные средства
систем управления. Промышленные сети и контроллеры: учеб.
пособие. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. 418 с.
2. Лазарева Т. Я .,
Мартемьянов Ю. Ф.,
Схиртладзе А. Г .
Интегрированные системы проектирования и управления. Структура
и состав: учеб. пособие. М .: Машиностроение-1, 2006. 172 с.
3. Иванов Ю. И., Югай В. Я . Интерфейсы средств автоматизации:
учеб. пособие. Таганрог: ТРТУ, 2005. 252 c.
4. Гаспер Б. С ., Липатов И. Н. ИВС и АСУТП: учеб. пособие. Пермь:
ПГТУ, 1999. 123 с.
5. Громов В. С., Покутный А. В ., Вишнепольский Р. Л. Особенности
проектирования распределенных АСУ ТП // Мир компьютерной ав-
томатизации, No5, 2001. С .63–67. URL: http://www.mka.ru
6. Жужжалов В. Е ., Солдатов В. В ., Маклаков В. В . Технические
средства автоматизации: учебно-практическое пособие. М .: МГУТУ,
2004. 72 с.
7. Веревкин А. П.,
Динкель В. Г. Технические средства
автоматизации химико-технологических процессов: учеб. пособие.
Уфа: УНИ, 1989. 87 с.
8. Сайт журнала АСУ ТП. URL: http://www.asucontrol.ru
9. Сайт промышленной автоматизации. URL: http://www.asutp.ru
10. Рейзман Я. А., Островский М. А., Красовский В. Е . Интеллекту-
альные датчики: новые средства разработки и новый уровень полевой
автоматики // Датчики и системы. No 10, 2007. С . 8 –11 . URL:
http://www.datsys.ru
11. Сайт производителя МЕТРАН. URL: http://www.metran.ru
12. Управление технологическими процессами // Контроль и автома-
тика. 2005, No2. С . 2–11 . URL: http://www.files.contravt.ru
13. Шашкин С. А . Исполнительные регулирующие органы //Контроль
и автоматика. 2006, No1 . С .22 –32. URL: http://www.files.contravt.ru
14. Шашкин С. А . Пневматические механизмы // Контроль и автома-
тика. 2006, No2. С .22–27. URL: http://www.files.contravt.ru
15. Шашкин С. А . Электрические исполнительные механизмы // Кон-
троль и автоматика, 2008, No2. С . 3–20. URL: http://www.contravt.ru
16. Овчинников В. В . Архитектура распределенных информационно-
вычислительных микропроцессорных систем. М.: Энергоатомиздат,
1988. 128 с.

223
17. Гудинов В. Н., Корнейчук А. П . Технические средства автомати-
зации: конспект лекций. Омск: ОмГТУ, 2006. 52 с.
18. Туманов М. П. Технические средства автоматизации и управ-
ления: цифровые средства обработки информации и программное
обеспечение: учеб. пособие. М .: МГИЭМ, 2005. 71 с.
19. Калабеков Б. А. Цифровые устройства и микропроцессорные си-
стемы: учебник. – М.: Горячая линия – Телеком, 2000. 336 с.
20. Ицкович Э. Л. Классификация микропроцессорных программно-
технических комплексов // Промышленные АСУ и контроллеры.
1999, No 10. С . 3–12 . URL: http://www.tgizd.ru
21. Егоров А. А. Открытые технологии и промышленные АСУ //
Промышленные АСУ и контроллеры, 2003, No 1. С. 17 –25 . URL:
http://www.tgizd.ru
22. Громов Д. С. Классификация современных контроллеров // Кон-
троль и автоматика. 2007, No 4. С. 14–23. URL: http://www.contravt.ru
23. Программно-технические комплексы микропроцессорных систем
автоматизации и управления: учеб. пособие / Е. Л. Крылова и др.
СПб.: СПбГЭТУ, 1999. 66 с.
24. Пономарев О. П. Наладка и эксплуатация средств автоматизации.
SCADA- системы. Промышленные шины и интерфейсы. Общие све-
дения о программируемых логических контроллерах и одноплатных
компьютерах: учеб. пособие. Калининград: КВШУ, 2006. 80 с.
25. Смирнов В. А. Схемотехника микропроцессорных систем: текст
лекций. – Челябинск: ЮУрГУ, 2003. 110 с.
26. Чернышев Ю. А . Компьютерные коммуникации и периферия.
Часть II: Компьютерные коммуникации и интерфейсы. Электронное
учебное пособие. М .: МИФИ (ТУ), 2000. 68 с.
27. Мячев А. А., Степанов В. Н., Щербо В. К . Интерфейсы систем об-
работки данных: cправочник. М .: Радио и связь, 1989. 416 с.
28. Ключев А. О., Ковязева Д. Р., Петров Е. В . Интерфейсы перифе-
рийных устройств. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. 290 с.
29. Компанейц А. Н . Схемотехника средств автоматизации: конспект
лекций. Омск: ОмГТУ, 2007. 104 с.
30. Измерительные приборы, контроллеры GPIB, платы и блоки АЦП
для компьютеров. URL: http:// www.signal.ru/index.htm