Информационно-управляющие системы: архитектура и разработка

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации 

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

О. Н. Александрова
С. С. Ваулин
Н. В. Папуловская

Информационно-управляющие 
системы: архитектура и разработка

Уч е б н о е  п о со бие

Под общей редакцией доцента Н. В. Папуловской 

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета для студентов вуза,  
обучающихся по направлениям подготовки:
27.03.04 — Управление в технических системах,  
09.03.03 — Прикладная информатика,  
09.03.04 — Программная инженерия 

Екатеринбург 
Издательство Уральского университета 
2021 

УДК 681.518(075.8) 
ББК 32.965.07я73
         А46 

Р е ц е н з е нт ы :
д-р техн. наук, проф., гл. науч. сотр. Института горного дела УрО 
РАН В. М. Аленичев;
кафедра механики и автоматизации технологических процессов 
и производств НЧОУ ВО «Технический университет УГМК» (зав- 
кафедрой канд. физ.-мат. наук П. Ю. Худяков) 

Для оформления обложки использовано изображение с сайта https://www.som.polimi.
it/wp-content/uploads/2020/05/Articolo_Elia_1200x510.jpg

А46
Александрова, О. Н.
Информационно-управляющие системы: архитектура и разработка : учебное пособие / О. Н. Александрова, С. С. Ваулин, 
Н. В. Папуловская ; под общ. ред. доц. Н. В. Папуловской ; М-во 
науки и высшего образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. 
ун-та, 2021. — 146, [2] с.

ISBN 978-5-7996-3338-7

Рассмотрена многоуровневая архитектура информационно-управляющих систем 
(ИУС), представлен обзор компонентов — аппаратуры, промышленных сетей, операционных систем реального времени, систем диспетчерского управления, систем 
интернета вещей. Излагается программный интерфейс для программирования систем реального времени. Рассматриваются вопросы применения облачных технологий, вопросы экономической эффективности внедрения ИУС. Изложение ведется с позиций концепции открытых систем.
Пособие предназначено для студентов всех форм обучения, а также может быть 
полезно специалистам в области информационных технологий.
Рис. 20. Табл. 5. Прил. 1.
УДК 681.518(075.8) 
ББК 32.965.07я73

ISBN 978-5-7996-3338-7
© Уральский федеральный  
     университет, 2021

Оглавление

Условные обозначения ..........................................................................5

Список сокращений ...............................................................................6

Предисловие ........................................................................................15

Введение ..............................................................................................17

Раздел A. Архитектура информационно-управляющих систем
1. Архитектура и особенности разработки ИУС ...........................22
1.1. Особенности функционирования  
информационно-управляющей системы ...................................22
1.2. Многоуровневый иерархический подход  
при построении ИУС ..................................................................25
1.3. Концепция интернета вещей  
в информационно-управляющих системах ...............................39
1.4. Архитектурные решения для построения систем  
в концепции интернета вещей ....................................................42
Контрольные вопросы для самопроверки ....................................45
2. Интерфейсы и стандарты ..........................................................47
2.1. Концепция открытых систем ...............................................47
2.2. Интерфейсы открытых систем .............................................49
2.3. Промышленные сети ............................................................60
2.4. Стандартный программный интерфейс  
контроллеров ...............................................................................66

Оглавление

2.5. Инструментальные системы диспетчерского управления .....73
Контрольные вопросы для самопроверки ....................................84
3. Интернет вещей и облачные технологии ..................................87
Контрольные вопросы для самопроверки ....................................93
4. Экономическая эффективность ИУС .......................................94
Контрольные вопросы для самопроверки ....................................98

Раздел Б. Разработка информационно-управляющих систем
5. Системы реального времени ...................................................100
5.1. Операционные системы реального времени .....................100
5.2. Характеристики и примеры использования  
систем реального времени ........................................................107
5.3. Программный интерфейс систем  
реального времени ....................................................................114
Контрольные вопросы для самопроверки ..................................128
6. Примеры реализации и настройки ИУС.................................130
6.1. Разработка системы мониторинга электродвигателей ......130
6.2. Разработка системы на базе модели  
промышленного контроллера под управлением ISaGRAF .....132
Практическое задание .................................................................138

Список библиографических ссылок ..................................................139

Приложение (справочное). Список зарубежных организаций,  
комитетов и комиссий, формирующих стандарты  
на технологии, компоненты и комплексы ИУС .............................143

Условные обозначения

Интересный факт

 

Знаете ли вы?

 

Определение

 

Зависимость

Это надо запомнить

 

Современные тенденции

 

Список сокращений

Список сокращений

АРМ — автоматизированное рабочее место
AC — автоматизированная система 
АСУ ТП — автоматизированные системы управления технологическими процессами 
АЦП — аналого-цифровой преобразователь 
АЭС — атомная электростанция 
БД — база данных 
Индустрия 4.0 — прогнозируемая четвертая промышленная революция с массовым внедрением киберфизических систем в производство и обслуживание человеческих потребностей 
ИУС — информационно-управляющая система 
ММС — магистрально-модульная система 
МФИ — многофункциональный индикатор 
МЭК — Международная электротехническая комиссия (МЭК, 
от англ. IEC — International Electrotechnical Comission) — некоммерческая организация, которая занимается стандартизацией всех электрических, электронных, а также смежных технологий, которые описываются в технических документах — стандартах МЭК 
ОВЕН — от англ. Owen-cloud, облачный сервис фирмы «Овен»  
(Россия) 
ОС — операционная система 
ОС РВ — операционная система реального времени 
ПДД — правила дорожного движения 
ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, энергонезависимая 
память с однократной записью 

ПИД-регулятор

ПИД-регулятор — пропорционально интегрально-дифференцирующий регулятор 
ПК — персональный компьютер 
ПО — программное обеспечение 
РАН — Российская академия наук 
СУБД — система управления базами данных 
ТЭС — теплоэлектростанция 
УСО — устройство связи с объектом 
УО — управляемый объект 
ЦАП — цифроаналоговый преобразователь 
ЦОД — центр обработки данных 
ЭМВОС — эталонная модель взаимодействия открытых систем 
ACP (Automation Collaborative Platform) — единая платформа автоматизации 
ADA — язык программирования, названный в честь Ады Лавлейс, 
используется для программирования контроллеров и задач реального времени 
AIX (Advanced Interactive eXecutive) — операционная система (семейства UNIX) производства компании IBM 
AMD — компания США, производитель интегральной микросхемной электроники 
API (Application Programming Interface) — интерфейс прикладного 
программирования 
AS-i (Actuator-Sensor-interface) — технология промышленной 
сети для связи датчиков и исполнительных механизмов с контрол- 
лером 
BMS (Business Management Systems) — системы управления бизнесом 
C (Си) — компилируемый статически типизированный язык программирования общего назначения 
C++ — компилируемый статически типизированный объектно  
ориентированный язык программирования общего назначения 
CAMAC (Computer Automated Measurement and Control) — стандарт, 
определяющий организацию магистрально-модульной шины, предназначенной для связи измерительных устройств с цифровой аппаратурой обработки данных в системах сбора данных 
CAN (Controller Area Network) — «сеть контроллеров», стандарт промышленной сети 

Список сокращений

CASE (Computer Aided Software/System Engeneering) — набор инструментов и методов программной инженерии для проектирования 
программного обеспечения 
CCSLA (Cloud Computing Service Level Agreements) — стандарт, формирующий важный компонент договорных отношений между облаком 
CCIP (Cloud Computing Interoperability and Portability) — стандарт, 
формирующий систему обмена информацией двух или более участников или компонентов и использования этой информации 
CCDF (Cloud Computing Data and its Flow) — стандарт на данные 
облачных систем и их потоки 
CDMI (Cloud Data Management Interface) — интерфейс управления 
облачными данными 
CODESYS — инструментальный программный комплекс промышленной автоматизации, разработанный и распространяемый компанией 3S-Smart Software Solutions GmbH 
СОТS (commercial off the shell) — коммерчески готовые и коммерчески доступные программные продукты 
CPU (central processing unit) — процессор общего назначения 
CRM (Customer Relationships Management) — управление взаимоотношениями с клиентами 
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, 
или Carrier sensing multiple accesses with collision avoidance) — метод 
управления доступом к среде передачи данных с определением несущей волны и предотвращением коллизий 
DCS (Distributed Control System) — распределенная система управления 
DDE (Dynamic Data Exchange) — механизм взаимодействия приложений в операционных системах Microsoft Windows и OS/2. Рассматривается как категория переменных для описания связи с внешними объектами 
Decnet — семейство сетевых протоколов, разработанных компанией 
Digital Equipment Corporation и первоначально выпущенных в 1975 г.
DPC (Deferred procedure call) — специфический механизм вызова 
процедур в архитектуре Windows 
ERP (Enterprise Resource Planning) — организационная стратегия интеграции производства, управления трудовыми ресурсами, финансового менеджмента и управления активами, ориентированная на непрерывную балансировку и оптимизацию ресурсов предприятия 

FASTBUS

FASTBUS — стандарт локальной магистрали и крейтовой системы, ориентированный на работу в высокоскоростных системах сбора данных 
FBD (Function Block Diagrams) — язык функциональных блоков 
стандарта IEC-61131 
FIFO (First In First Out) — дисциплина диспетчеризации, при которой процесс из очереди готовых к выполнению процессов данного приоритета получает управление и выполняется до тех пор, пока 
не завершится 
Fieldbus — открытая архитектура цифровой, последовательной, двусторонней системой связи, которая служит в качестве базового уровня сети в промышленных системах автоматизации 
FPGA (Field-programmable gate array) — специализированные программируемые логические матрицы 
HMI (Human-machine interface) — человеко-машинный интерфейс 
HTTP (HyperText Transfer Protocol) — протокол прикладного уровня передачи данных 
GPU (Graphics processing unit) — графический процессор 
GSM (Global System for Mobile Communications) — глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи 
IaaS (Infrastructure-as-a-Service) — модель использования облачных 
технологий, при которой предоставляется возможность вынести ITинфраструктуру предприятия на специально подготовленные облачные виртуальные серверы 
IBM (International Business Machines) — американская компания, 
производитель аппаратного и программного обеспечения, IТ-сервисов 
и консалтинговых услуг 
ICS (Industrial Control System) — промышленные системы безопасности 
IETF (Internet Engineering Task Force) — открытое международное 
сообщество проектировщиков, ученых, сетевых операторов и провайдеров, занимающееся развитием протоколов и архитектуры интернета 
IL (Instruction List) — язык инструкций стандарта IEC-61131 
InterBUS — технология промышленной сети 
IoT (Internet of Things) — интернет вещей 
IBoT (Internet of Battle Things) — интернет вещей в военной промышленности 
IIoT (Industrial Internet of Things) — интернет вещей в промышленности