Технические средства автоматизации. Интерфейсные устройства и микропроцессорные средства

ТЕХНИЧЕСКИЕ  СРЕДСТВА 

АВТОМАТИЗАЦИИ

ИНТЕРФЕЙСНЫЕ  УСТРОЙСТВА 

И  МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ  СРЕДСТВА

УЧЕБНОЕ  ПОСОБИЕ

Второе  издание

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию

в области автоматизированного машиностроения (УМО AM)  

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,  

обучающихся по специальности «Автоматизация технологических 

процессов и производств (химико-технологическая отрасль)», 

направление подготовки «Автоматизированные технологии и производства»

Москва 
РИОР 

ИНФРА-М

В.Ф. БЕККЕР

УДК 004.4(075.8)
ББК 32.965.4/5я73
 
Б42

Беккер В.Ф.

Технические средства автоматизации. Интерфейсные устройства и микропро цес сорные средства : учебное пособие / В.Ф. Беккер. — 2­е изд. — Москва : 
РИОР : ИНФРА­М, 2024. — 152 с. — (Высшее образование). — DOI: https://doi.
org/10.12737/4682

ISBN 978­5­369­01198­0 (РИОР)
ISBN 978­5­16­006686­8 (ИНФРА­М, print)
ISBN 978­5­16­101783­8 (ИНФРА­М, online)

В соответствии с тенденцией информатизации современных технических средств автоматизации описываются датчики, интерфейсные, микропроцессорные и компьютерные устройства. Излагаются основные требования действующих стандартов к системе 
сбора данных, обеспечивающей способность микропроцессорных электронных устройств 
к обмену технологическими и другими данными. Рассматриваются практические аспекты реализации информационно­управляющих систем. Приводятся технические характеристики и классификация аналоговых устройств связи с объектом (УСО), используемых 
в качестве компонентов низового звена для построения распределенных измерительных 
систем и систем управления промышленного назначения. Даются сведения по организационному, методическому, математическому и программному обеспечению интегрированных систем автоматизированного управления. Рассматривается система программирования промышленных контроллеров, базирующаяся на рекомендациях стандарта 
МЭК IEC1131.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Автоматизация технологических процессов и производств (химическая промышленность)».

Б42

УДК 004.4(075.8)
ББК 32.965.4/5я73
ISBN 978­5­369­01198­0 (РИОР)
ISBN 978­5­16­006686­8 (ИНФРА­М, print)
ISBN 978­5­16­101783­8 (ИНФРА­М, online)

Оригинал­макет подготовлен в Издательском Центре РИОР

Подписано в печать 22.03.2024.  

Формат 60×90/8. Бумага офсетная. Гарнитура Newton.  
Печать цифровая. Усл. печ. л. 19,0. Уч.­изд. л. 11,68.

Доп. тираж 12 экз. Заказ № 

Цена свободная.

ТК 433850 – 1916402 – 220324

ООО «Издательский Центр РИОР»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В.

Email: info@riorp.ru    https://riorpub.com

ООО «Научно­издательский центр ИНФРА­М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1.
Тел.: (495) 280­15­96. Факс: (495) 280­36­29.

E­mail: books@infra­m.ru     http://www.infra­m.ru

© Беккер В.Ф.

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Р е ц е н з е н т ы :
А.Г. Шумихин — д­р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация технологических 
процессов и производств» Пермского национального исследовательского политехнического  
университета;
А.В. Затонский — д­р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов» Пермского национального исследовательского политехнического университета

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Тема 1. Общая характеристика интерфейсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1. Основные понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2. Принципы организации интерфейсов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.1. Общие понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.2. Структуры связей и характеристики интерфейсов. . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.3. Функциональная организация интерфейсов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3. Международная стандартизация и системы управления . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1. Международные организации по стандартизации . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2. Профессиональные и национальные организации. . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4. Универсальные интерфейсы периферийного оборудования . . . . . . . . . . . . 14
1.4.1. Интерфейс BS 4421 (ИРПР) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.2. Интерфейс Centronics (ИРПР-М) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.3. Интерфейс ИРПС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5. Преобразователи «напряжение-ток». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Задания и вопросы к теме 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Тема 2. Передача данных по интерфейсу RS-232C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1. Общие сведения и технические особенности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2. Содержание стандарта RS-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3. Описание COM-портов персонального компьютера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1. Основные свойства COM-портов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2. Полнодуплексный обмен данными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.3. Набор сервисных сигналов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.4. Программная независимость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.5. Асинхронная передача данных по каналу связи. . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.6. Технические характеристики COM-портов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.7. Назначение сигналов COM-порта по стандарту RS-232C. . . . . . . . . 26
2.3.8. Уровни сигналов UART. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.9. Передача данных через UART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.10. Нуль-модемное соединение двух COM-портов . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.11. Модемное соединение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4. Обмен данными при аппаратном режиме синхронизации . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5. Обмен данными при программной синхронизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.1. Описание контрольных битов (Parity Control Bit) . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.2. ASCII кодовая таблица символов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Задания и вопросы к теме 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Тема 3. Передача данных по интерфейсу RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1. Особенности технического применения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2. Связь на основе стандарта ЕIА RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1. Универсальный асинхронный приемопередатчик (UART) . . . . . . . . 35
3.2.2. Организация передачи данных по интерфейсу RS-485 . . . . . . . . . . . 37
3.2.3. Согласование и конфигурация линии связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.4. Защитное смещение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.5. Исключение приема при передаче в полудуплексном режиме . . . . . 43
3.2.6. «Горячее» подключение к линии связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.7. Рекомендации по организации протокола связи. . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.8. Программные методы борьбы со сбоями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.9. Защита устройств от перенапряжений в линии связи . . . . . . . . . . . . 49
3.2.10. Дополнительные меры защиты от помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Задания и вопросы к теме 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Тема 4. Требования стандарта RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1. Общие положения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2. Область применения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3. Электрические характеристики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.1. Характеристики нагрузки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Статические характеристики единицы нагрузки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Динамические характеристики единицы нагрузки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.2. Характеристики формирователя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Режим холостого хода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Нагруженный режим . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Форма выходного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.3. Характеристики приемника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Измерение чувствительности входа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Измерение степени симметрии входа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.4. Предельные параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Проверка формирователя в режиме короткого замыкания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Проверка формирователя в условиях возникновения конфликтной  
ситуации  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Проверка предельного значения выходного тока формирователя. . . . . . . . . . . . . 62
Требования по устойчивости к перенапряжению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4. Схемы подключения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.1. Рекомендации по работе с длинными линиями . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.2. Рекомендации по прокладке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Задания и вопросы к теме 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Тема 5. Требования стандарта EIA RS-422A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1. Рекомендации по применению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2. Основная конфигурация системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.3. Средства объединения устройств системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.4. Методика определения параметров (выбора) кабеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.5. Влияние среды обмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.6. Электромагнитные помехи и симметрия параметров канала связи . . . . . . 76
5.7. Дополнительные требования к реализации заземления . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.8. Конфликтные ситуации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Задания и вопросы к теме 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Тема 6. Информационно-управляющие сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.1. Терминология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2. Создание единой логической сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3. Структура связей протокольных модулей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.4. Потоки данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.5. Работа с несколькими сетевыми интерфейсами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.6. Описание интерфейса I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.6.1. Физика процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.6.2. Логика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.6.3. Диаграммы и тайминги. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Задания и вопросы по теме 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Тема 7. Устройства и модули фирмы Analog Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.1. Назначение модулей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.2. Модули серии 5В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.3. Монтажные панели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.4. Применение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.5. Модули серии 3В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.6. Модули серии 7В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.7. Модули серии 6В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Задания и вопросы к теме 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Тема 8. Устройства и модули фирмы Advantech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.1. Назначение и функции устройств связи с объектом . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.2.  Модули нормализации и гальванической развязки  
серии ADAM-3000. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.3. Технические данные модулей ADAM-3000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.3.1. Модуль ввода сигнала термопары ADAM-3011 . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.3.2. Модуль аналогового ввода ADAM-3012 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8.3.3. Модуль ввода сигнала термометра сопротивления ADAM-3013 . . 106
8.3.4. Модуль ввода сигнала датчика силы ADAM-3016 . . . . . . . . . . . . . . 107
8.3.5. Модуль аналогового вывода ADAM-3021. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.4. Устройства удаленного сбора данных и управления ADAM-4000 . . . . . . 108
8.4.1. Особенности технической реализации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

8.4.2. Сведения о программном обеспечении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.4.3. Общие технические данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
8.5. Модули аналогового и дискретного ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
8.6. Коммуникационные модули . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.6.1. Технические характеристики модуля ADAM-4510 . . . . . . . . . . . . . 116
8.6.2. Технические характеристики модуля ADAM-4520 . . . . . . . . . . . . . 116
8.6.3. Технические характеристики модуля ADAM-4530 . . . . . . . . . . . . . 119
8.7. Контроллеры сбора данных и управления ADAM-5000. . . . . . . . . . . . . . . 122
8.7.1. Общие сведения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.7.2. Технические данные блоков процессора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.8. Технические данные модулей ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.8.1. Восьмиканальный модуль аналогового ввода ADAM-5017 . . . . . . 126
8.8.2. Семиканальный модуль ввода сигналов термопар ADAM-5018 . . 127
8.8.3. Четырехканальный модуль аналогового вывода ADAM-5024 . . . . 127
8.8.4. Шестнадцатиканальный модуль дискретного ввода ADAM-5051 . .128
8.8.5. Шестнадцатиканальный модуль дискретного вывода ADAM-5056 . .128
8.8.6. Шестиканальный модуль релейной коммутации ADAM-5060. . . . 128
8.9. Программное обеспечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.10. Ethernet-модули сети типа «последовательная цепь» (Daisy Chain) . . . . 129
8.11. Серверы последовательных устройств семейства JetPort. . . . . . . . . . . . . 129
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Задания и вопросы к теме 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Тема 9. Подготовка программ для контроллеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9.2. Архитектура системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.3. Cистема программирования U.L.TRALOGIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
9.4. Базовые концепции U.L.TRALOGIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.5. Менеджер проектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.6. Загрузка и отладка программ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
9.7. Практический пример . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Выводы 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Задания и вопросы к теме 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Акронимы и термины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

ВВедение

Подготовка специалистов по автоматизации предполагает формирование в процессе обучения основных для специалиста по автоматизации и достаточно общих 
компетенций: способность участвовать в разработке проектов по автоматизации, 
контролю, управлению процессами, выбирать и использовать современные методы 
и средства автоматизации технологических процессов.
Учитывая, что особенностью современных автоматизированных систем является их информатизация, связанная с организацией потоков данных и последующей 
обработкой микропроцессорными и/или микропрограммными средствами, предлагаемые лекции по курсу технических средств автоматизации, в отличие от других 
пособий, ориентированы непосредственно на ознакомление с принципами построения типовых узлов и реализации основных видов функциональных преобразований в технических средствах автоматизации. Особое внимание уделено техническим и программным средствам организации взаимодействия между отдельными 
элементами системы регулирования – современным интерфейсам.
В соответствии с указанной постановкой приоритетов в первую очередь рассматриваются принципы организации интерфейсов (тема 1), параллельная и последовательная передача данных (темы 2–5), необходимые аппаратные представлены сериями модулей, поставляемых ведущими фирмами в области автоматизации: средства 
связи с объектом управления фирмы Analog Devices (тема 6) и фирмы Advantech 
(тема 7). Даны самые общие представления об организации серий (тема 8) и простые примеры использования системы подготовки программ (тема 9). Такой подход наиболее полно отвечает прикладному направлению подготовки специалистов. 
В некоторых случаях предварительно даются определения терминов, необходимых 
для изложения материала.
Для ознакомления с предметом изучения данного курса рассмотрим работу автоматизированной системы управления, функциональная схема которой представлена 
на рис. В.1. Такая система обеспечивает бесперебойную работу технологического 
объекта и требует постоянного совершенствования алгоритмов, технических и программных средств управления.

Рис. В.1. Функциональная схема автоматизированной системы управления техническим объектом

На рис. В.1 обозначены: PC – управляющий персональный компьютер; COM, 
USB – порты последовательной передачи информации; RxD – линия связи для приема информации; TxD – линия связи для передачи информации; G – линия заземления; PLC – ведущий программируемый контроллер; UART, I2C – порты последовательной передачи информации; PA, PB, PD, PE – порты параллельной передачи 
информации; ОУ – контролируемый объект; ЭСЭ – элементы силовой электроники; 
СУ – сервоусилитель; ДД – датчик дискретной величины; ДА – датчик аналоговой 
величины; PLC1, PLC2 – ведомые программируемые логические контроллеры.
Общая программа управления всеми устройствами контролируемого объекта 
и необходимые исходные данные технологического процесса хранятся в управляющем персональном компьютере PC. Эта информация по линии связи через интерфейс RS 232 (или какой-либо другой интерфейс) передается ведущему программируемому контроллеру ПЛК (PLC). ПЛК через порты параллельной передачи информации (PA, PB) управляет с помощью силовых ключей (ЭСЭ) агрегатами объекта управления (ОУ), собирает информацию о состоянии выходных параметров 
ОУ с помощью дискретных (ДД) и аналоговых (ДА) датчиков и через порты ввода 
дискретной (PD) и аналоговой (PE) информации, а затем – через порты последовательной передачи информации (UART – COM, USB) управляющего персонального 
компьютера. Кроме того, ведущий контроллер по линии с внутренним интерфейсом I2C управляет работой ведомых контроллеров (PLC1, PLC2), которые, в свою 
очередь, управляют различными вспомогательными операциями. Управляющий 
персональный компьютер PC, получив по линии обратной связи информацию о состоянии объекта, принимает решение о дальнейших шагах управления.
Таким образом, современный информационно-управляющий комплекс (ИУК) 
имеет иерархическую структуру. Для цифровой системы управления можно выделить следующие уровни иерархии и языки их описания: 1-й – элементы (логические 
элементы, элементы памяти, датчики и элементы силовой электроники) используют для обработки информации булеву алгебру, теорию конечных автоматов, теорию 
электронных схем; 2-й – микропроцессоры используют систему команд; 3-й – контроллеры применяют язык ассемблера; 4-й – управляющий персональный компьютер работает с операционными системами (ОС) и на алгоритмических языках высокого уровня (АЯВУ); 5-й – персональный компьютер в контуре управления – наряду 
с ОС и АЯВУ дополнен специализированными проблемно-ориентированными языками (СПОЯ); 6-й – сеть персональных компьютеров использует ОС, АЯВУ, СПОЯ 
и языки общечеловеческого общения.
Имея общее представление об автоматизированной системе управления, нетрудно выделить основные технические операции в сборке такой системы. Эти операции состоят в выборе необходимых технических модулей, их соединении между 
собой с созданием условий полного взаимодействия (механического, электрического, информационного), которое обеспечивает функционирование системы в целом 
по некому алгоритму, определяющему последовательность выполнения операций 
каждым из взаимодействующих устройств системы.

Тема 1. общая харакТериСТика 
инТерфейСоВ

1.1. 
основные понятия и определения

Рассмотрим задачу соединения отдельных модулей системы с обеспечением условий их полного взаимодействия. Для этого необходимо ввести следующий ряд 
определений.
Стандартный интерфейс – это совокупность унифицированных аппаратурных, 
программных и конструктивных средств, необходимых для организации взаимодействия различных функциональных элементов в системах сбора и обработки информации.
Интерфейс – это унифицированная система линий связи, правил кодирования 
информации, электронных схем и алгоритмов обмена информацией и электрическими сигналами.
Интерфейсы делятся на две группы:
–  внутренние (прямого доступа к памяти, межпроцессорные, «центральный 
процессор – устройство ввода-вывода» и др.);
– внешние («персональный компьютер – внешние устройства»).
Стык – место соединения устройств передачи сигналов данных, входящих в системы передачи данных.
Протокол – строго заданная процедура или совокупность правил, регламентирующая способ выполнения определенного класса функций.
Основное назначение интерфейсов, стыков, протоколов – унификация внутри- 
и межсистемных связей. Целью унификации является эффективная реализация 
прогрессивных методов проектирования вычислительных систем.
Функции интерфейсов и стыков – обеспечение информационной, электрической 
и конструктивной совместимости между функциональными элементами.
Информационная совместимость – согласованность взаимодействия функциональных элементов в соответствии с совокупностью логических условий.
Логические условия определяют:
– структуру и состав унифицированного набора шин;
– набор процедур для реализации взаимодействия и последовательность их выполнения;
– выбор последовательности выполнения этих процедур;
– способы кодирования данных;
– форматы команд, данных, адресной информации и информации состояния;
–  временны́ е соотношения между управляющими сигналами, ограничения на 
их форму и взаимодействие.
Логические условия информационной совместимости определяют в целом функциональную и структурную организацию интерфейса.
Электрическая совместимость – согласованность статических и динамических 
параметров электрических сигналов в системе шин с учетом ограничений на пространственное размещение устройств интерфейса.
Условия электрической совместимости определяют:

– тип приемо-передающих элементов;
–  соотношение между логическими и электрическими состояниями и переделы 
их изменения;
–  коэффициенты нагрузочной способности приемно-передающих элементов;
–  схему согласования линий;
–  допустимую длину линий и порядок подключения линий к разъемам;
–  требования к источникам и цепям электрического питания;
–  требования по помехоустойчивости.
Конструктивная совместимость – согласованность конструктивных элементов 
интерфейса, предназначенных для обеспечения механического контакта электрических соединений и механической замены схемных блоков и устройств.
Условия конструктивной совместимости определяют типы:
–  соединительных элементов (разъем, штекер, распределение линий связи внутри соединительного элемента);
–  конструкции платы, каркаса;
–  конструкции кабельного соединения.

1.2. 
Принципы организации интерфейсов

1.2.1. 
общие понятия
Основные принципы организации интерфейсов включают:
–  принцип группового проектирования – создание ряда функционально и конструктивно подобных устройств для разнообразных условий применения, чем 
достигается их универсальность и совместимость;
–  принцип агрегатирования (модульного построения) – рациональное разбиение системы на совокупность более простых, функционально и конструктивно законченных блоков;
–  принцип унификации – минимизация номенклатуры составных устройств, блоков и связей между ними при условии рациональной компоновки и обеспечения эффективного функционирования;
–  принцип взаимозаменяемости – способность модулей выполнять в устройстве 
различные функции без дополнительной доработки.
Уточним основные понятия в описании интерфейсов.
Линии интерфейса – электрические цепи, являющиеся физическими связями.
Шина – совокупность линий, сгруппированных по выполняемым функциям.
Магистраль – совокупность всех линий интерфейса.
Выделяют две магистрали:
–  магистраль информационного канала;
–  магистраль управления информационным каналом.
По магистрали информационного канала передают коды адресов, команд, данных, состояния. Аналогичные наименования имеют шины интерфейса.
Шины адреса служат для выборки в магистрали узлов устройства, ячеек памяти.
Шины команд служат для управления операциями на магистрали.
Шины данных используются для передачи данных.