Технические средства автоматизации и управления

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

А. А. Старостин
А. В. Лаптева

Технические средсТва  
авТомаТизации и управления

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом УрФУ  
для студентов, обучающихся по программе бакалавриата  
по направлению подготовки 27.03.04 — Управление в технических системах

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

2-е издание, стереотипное

УДК 681.51(078)
ББК 32.965я73
           С77

Рецензенты: кафедра физики Уральского государственного горного университета (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. И. Г. Коршунов);
канд. физ.-мат. наук В. Н. Сафонов (ООО «КомпьютерЭнергоСервис»)

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. Ю. Н. Чесноков

Старостин, А. А.
     Технические средства автоматизации и управления [Электронный 
ресурс]: учеб. пособие /  А. А. Старостин, А. В. Лаптева.  — 2-е изд., стер. — 
М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 168 c.  

ISBN 978-5-9765-3242-7 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1498-0 (Изд-во Урал. ун-та)

В пособии рассмотрены технические средства автоматизации: датчики, исполнительные механизмы, вычислительные сети, структуры систем автоматического управления, регулирующие клапаны и др. Приведены примеры конкретных 
устройств.
Библиогр.: 26 назв. Табл. 21. Рис. 72.
УДК 681.51(078)
ББК 32.965я73

© Уральский федеральный 
     университет, 2015

           С77

ISBN 978-5-9765-3242-7 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1498-0 (Изд-во Урал. ун-та)

Предисловие
Т

ехнические средства определяют реально достижимые характеристики систем автоматизации и управления. Повышение требований 
к функциональным возможностям систем управления стимулирует 
разработку и производство новых поколений датчиков, контроллеров, исполнительных устройств. Современные тенденции в развитии технической 
базы проявляются в повсеместном внедрении «интеллектуальных» устройств 
автоматики на основе интегральных микропроцессорных устройств. Например, повышение качественных характеристик датчиков в основном определяется возможностями встроенных микропроцессоров и искусством их программирования. Объединение микропроцессорных устройств в локальные 
сети способствует появлению принципиально новых систем с распределенным управлением, обеспечивающих возможность приспособления к требованиям конкретного производства. Использование периферийных устройств 
с развитыми функциями в системах супервизорного контроля, сбора данных 
и управления привело к появлению «роботизированных» технических систем. 
В настоящее время распространены интеграция отдельных функций сбора, 
промежуточная обработка и преобразование информации в единых устройствах, построенных на базе цифровых сигнальных процессоров, программируемых логических интегральных схем, многопроцессорных модулей и модулей удаленного ввода-вывода сигналов. В результате разработки новых типов 
различных процессорных плат, одноплатных компьютеров обеспечивается 
полное соответствие открытой архитектуре РС-совместимого компьютера. 
Развиваются быстродействующие средства сетевого сбора и обработки данных на основе последовательных протоколов передачи кодированных сигналов RS-482/485, CAN, AS и др. Совершенствование систем автоматического 
управления неразрывно связано с повышением надежности их функционирования, надежности входящих в них технических устройств. Становятся 
обязательными функции диагностики и протоколирования состояния системы управления, резервирования каналов передачи данных, распределения функций обработки информации между устройствами.
В настоящем учебном пособии рассмотрены особенности проектирования и применения типовых технических средств систем управления. 

Технические средсТва авТомаТизации и управления

Достаточно подробно рассмотрены датчики, исполнительные устройства 
и программируемые логические контроллеры, а также способы их соединения. Большое внимание уделено стандартам промышленных сетей. Наряду 
с рассмотрением традиционных вопросов авторы пытались привести технические данные современных технических устройств, которые выпускаются фирмами Siemens, Honeywell и др. Приведены и отечественные аналоги, активно продвигаемые на российском рынке средств автоматизации 
такими компаниями, как «Прософт», «Ракурс», PLC-Systems и др. При подготовке работы использовались учебники, справочники, монографии, статьи журналов, а также материалы информационных и коммерческих сайтов 
интернета. Рекомендуемая литература и перечень сайтов по вопросам промышленной автоматизации приведены в конце рукописи. Эти материалы 
могут быть полезны при выполнении курсовых работ и в дипломном проектировании.

1. сисТеМНЫЙ ПодХод  
При ПроеКТировАНии 
ТеХНиЧесКиХ средсТв

сисТеМ УПрАвлеНиЯ
С

истемный подход отличается оттрадиционного предположением, что 
целое обладает такими качествами, каких нет у его частей. Данная 
связь между целым и его частями дает определение системы — это 
совокупность связанных между собой частей. Целью объединения элементов 
в систему и является получение таких свойств и способностей в выполнении требуемых функций, каких нет у каждого отдельно взятого элемента:
- есть электромотор (простое вращение);
- есть программируемый контроллер (обработка информации).
Их соединение — программируемый электропривод (частотный привод).
Системный подход к проектированию предусматривает учет системных 
связей между отдельными частями системы, включает в себя выявление 
структуры системы, типизацию связей, определение атрибутов, анализ влияния внешней среды. Системные связи накладывают ограничения на качественные и количественные характеристики компонентов системы.
Задача инженера при проектировании — разработать при некоторых 
ограничениях, накладываемых на способ решения, систему, обеспечивающую оптимальное выполнение поставленной задачи при некоторых ограничениях, накладываемых на результат решения.
При проектировании существуют ограничения:
–
по знаниям;

–
по срокам;

–
по оборудованию;

–
по вычислительной технике;

–
по материальным затратам;

–
по надежности;

–
технологические;

–
административные и т. д.

Технические средсТва авТомаТизации и управления

Осознание и конкретизация списка ограничений позволяет наметить 
рациональный путь проектирования, избежать неоправданных затрат, обосновать выбор необходимых средств реализации задач проекта. Поэтому 
необходимой частью проекта является раздел анализа специфики объекта проектирования. Для производственных систем управления необходим 
анализ специфики и вытекающих ограничений для технологического объекта управления (ТОУ). В частности, в курсовых и дипломных проектах необходимо выполнить соответствующий анализ ТОУ с конкретизацией списка ограничений для выбора технических средств управления.
Этапы процесса инженерного проектирования:
1)
определение цели и постановка задачи;
2)
определение ограничений, выбор пути решения, разработка плана;
3)
формирование способа решения;
4)
анализ способа решения;
5)
конкретизация решений.
На этапах формирования, анализа и конкретизации решений возникает 
необходимость выбора соответствующих технических средств для создания 
проектируемой системы автоматизации и управления (САУ).
Технические средства автоматизации и управления (ТСАУ) используются в САУ для решения следующих задач:
–
–
сбор и преобразование информации о состоянии процесса;
–
–
передача информации по каналам связи;
–
–
преобразование, обработка и хранение информации;
–
–
формирование команд управления;
–
–
использование и предоставление информации для воздействия 
на процесс (использование энергии, механики, средств физических 
воздействий для влияния на процесс);
–
–
предоставление информации оператору.
Перечислим классы основных технических средств, обеспечивающие 
решение сформулированных задач:
–
– средства на входе САУ — датчики;
–
– средства на выходе САУ — выходные преобразователи, исполнительные устройства;
–
– внутрисистемные устройства САУ — блоки регулирования, наблюдатели (они вычисляют дополнительную информацию или формируют 
управляющие воздействия);
–
– вспомогательные устройства — технико-документирующие, оборудование визуализации и оповещения.
Конкретизация выбора технических средств неразрывно связана с задачей оптимизации стоимостных и технических характеристик системы.
Задачи оптимизации для выбора конкретных ТСАУ:
–
по стоимости;

1. Системный подход при проектировании технических средств систем управления  

–
по качеству;

–
по надежности.
Этапы проектирования ТСАУ
1. Техническое задание (составляет проектировщик, а не заказчик).
2. Этапы выполнения:

2.1. проектирование структурно-алгоритмической части;
2.2. разработка технических требований к техническим средствам;
2.3. проектирование технического обеспечения САУ;
2.4. разработка планов размещения и соединения компонентов САУ;
2.5. оформление технической и рабочей документации.
3. Защита проекта на техническом совете заказчика.
При проектировании сложной задачи необходимо разделить ее на простые подзадачи, решение которых можно найти на уровне типовых структур.
При проектировании структурно-алгоритмической части разрабатывают 
общий алгоритм функционирования системы, определяют состав и структуру информационных потоков.
Как известно, основная концепция проектирования систем автоматического управления техническими и технологическими объектами состоит 
в следующем. Заданы математическая модель объекта управления и критерий оптимального функционирования системы управления этим объектом 
со всеми ограничениями; требуется определить алгоритм функционирования управляющего устройства и осуществить его техническую реализацию 
так, чтобы удовлетворялись все поставленные требования.
Для систем управления сложными технологическими объектами требуется определить еще и информационную структуру системы, т. е. число 
и местоположение дополнительных каналов связи объекта с управляющим 
устройством, поскольку подобные системы обычно строятся как многоконтурные и с компенсацией возмущений. Естественно, выбор информационной структуры системы влияет и на математическую модель объекта. Существует ряд ограничений на возможность получения достаточно хорошей 
модели объекта управления перед выполнением технического проекта системы управления. Эти ограничения обусловлены как организационными, 
так и принципиальными причинами.
Одним из важнейших ограничений организационного порядка следует 
считать существующую практику ввода в действие системы управления одновременно с вводом в действие основного технологического оборудования. Это 
требует выдачи проектной документации на изготовление системы управления практически одновременно с проектом на технологическое оборудование. 
К началу проектирования системы управления реальный объект еще отсутствует и, следовательно, отсутствует возможность получения его математической модели экспериментальным путем. Получение моделей расчетным путем 
сопряжено с вводом большого числа упрощающих предположений, допустимость которых невозможно проверить из-за отсутствия эталона для сравнения.

Технические средсТва авТомаТизации и управления

Принципиальные ограничения на точность моделей объектов управления, получаемых перед стадией проектирования, связаны с системным характером задачи создания математической модели объекта и возникающими вследствие этого парадоксами системного мышления типа парадоксов 
иерархичности и целостности. Речь идет о выборе структуры модели и критерия ее приближения к реальному объекту.
Этот выбор не только определяется свойствами объекта, но зависит 
также и от выбора критерия оптимального функционирования системы 
управления в целом, а следовательно, и от алгоритма функционирования 
ее управляющей части. Возникает системный парадокс: для получения 
модели объекта необходимо знать алгоритм функционирования управляющего устройства, для отыскания которого, собственно, и нужна модель 
объекта.
Неучёт этого парадокса может привести к тому, что спроектированная 
по модели объекта оптимальная система управления после реализации ее 
на реальном объекте может оказаться не только неоптимальной, но даже 
неустойчивой. В этом отношении, как показывает анализ, особенно опасными могут оказаться модели объектов, построенные по критериям минимума среднеквадратического или интегрального квадратического приближения, т. е. по критериям, получившим преимущественное применение.
Выход из этого парадокса, как и из всякого парадокса системного мышления, состоит в использовании метода последовательных приближений 
(итераций), который позволяет, основываясь на первоначальной заведомо 
неполной информации о модели объекта, постепенно пополнять ее одновременно с оптимизацией алгоритма управления. Организация такой итерационной процедуры «идентификации–оптимизации» должна включать 
и стадию ввода системы управления в действие.
Необходимо разумное перераспределение задач, решаемых при разработке систем управления технологическими процессами, между отдельными стадиями.
1. На стадии формулировки технического задания, технического и рабочего проектирования намечаются возможные варианты информационных 
структур системы управления и определяется информационное и техническое обеспечение, достаточное для реализации каждого варианта. Здесь допускается формулировка алгоритмов управления в общем виде; численные 
значения параметров настройки могут оцениваться с достаточно большой 
степенью приближения. В проект, помимо управляющих алгоритмов и реализующих эти алгоритмы технических средств, должны быть заложены 
как неотъемлемая часть проекта средства «идентификации–оптимизации» 
на стадии ввода системы в действие, а также при последующей эксплуатации объекта в целях совершенствования системы.
2. На стадии ввода (внедрения) системы в действие с помощью технических средств и программ, имеющихся в составе системы, осуществляется 
оптимизация принятых вариантов решений и выбор из них наилучшего.

1. Системный подход при проектировании технических средств систем управления  

3. На стадии анализа функционирования системы проводится всестороннее изучение системы с целью:
а) конкретизировать методы настройки применительно к данному объекту и выдачи рекомендаций эксплуатационному персоналу по ее реализации;
б) выявить пути возможного совершенствования системы.
Сформулированная концепция проектирования в полном объеме может 
быть использована в системах управления, построенных на базе программируемых контроллеров, поскольку в таких системах имеется возможность безболезненного и практически любого изменения алгоритмов и структуры управления непосредственно в процессе пуска системы на действующем объекте.
Результатом проектирования технического обеспечения являются разработки систем локальной автоматики, блок-схем и состава измерительноуправляющего вычислительного комплекса с учетом технических требований, определяемых спецификой решаемой задачи.
Различают следующие классы технических требований:
а) основные — производительность, надёжность, устойчивость к условиям окружающей среды, помехоустойчивость, использование унифицированных блоков;
б) вспомогательные — совместимость отдельных технических средств 
по элементной и конструктивной базе;
в) экономические — достижение минимальных затрат по капитальным 
вложениям и эксплуатации по всему оборудованию. Следует учитывать 
во всех предыдущих пунктах.
Например, технические вычислительные средства оцениваются по качеству выполнения следующих функций:
–
–
обработка поступающей информации;
–
–
вывод требуемой информации для персонала;
–
–
передача данных на верхний уровень;
–
–
создание организационных систем для контроля персонала;
–
–
фиксация входных и выходных параметров, управляющих воздействий.
Кроме того, для вычислительных средств, применяемых в системе, важно выбрать режим работы:
–
–
реального времени (отклик на внешний запрос выполняется за минимальный промежуток времени, определяемый быстродействием 
управляемого процесса);
–
–
по циклам управления, или координационный (управление содержит группы команд, которые повторяются циклически, например 
станки с программным управлением).
Системный анализ множества проектов и их последующей реализации 
позволил выявить общую важную закономерность между обобщенными за

Технические средсТва авТомаТизации и управления

тратами и обобщенной эффективностью проекта как на этапе проектирования, так и последующей «жизни» системы. Закономерность выражается 
в волнообразной зависимости эффективности от затрат и отражает их нелинейную связь. Закономерность следует учитывать при планировании затрат 
на «инновационные» решения.
Обобщенная зависимость эффективности процесса инженерного проектирования и реализации проекта от затрат представлена на графике 
(рис. 1.1).

Эф    С
С

З

З1

З2
З3

З4

Рис. 1.1. Зависимость эффективности от затрат: 
Эф — эффект; С — стоимость; З — затраты
Из анализа графика можно заметить, что эффективность проекта может 
быть низкой как при слишком малых затратах, так и при слишком больших.
З1 — слишком мало затрат, отрицательная эффективность;
З2 — нужно увеличивать затраты, нулевая эффективность;
З3 — наилучшее сочетание; при таких затратах мы добьемся максимального уровня эффективности;
З4 — слишком много затрат ведут к пустому растрачиванию средств, эффективность падает.
Системный подход, опыт и знания проектировщика помогают приблизиться к уровню наибольшей эффективности путем учета наибольшего числа важных связей в проектируемой системе и обусловленных ими ограничений. При оценке эффективности можно использовать методы аналогии, 
экспертных оценок, прямых расчетов, математического моделирования 
и другие методы. С помощью принципа эффективности можно сформулировать основной метод проектирования систем: единая система разделяется на части по функциональному признаку, устанавливаются возможные 
варианты реализации этих частей, связей между ними, и на заданном множестве вариантов выбирается структура системы, отвечающая требовани