Информационные технологии в электроприводе

 
 
 
 
 
 
Н. Е. ГНЕЗДОВ, А. А. КОРОТКОВ, В. Л. ЧИСТОСЕРДОВ 
 
 
 
 
 
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  
В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ 
 
 
Учебное пособие  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК  004:64-83 
ББК 32.973+31.291 
Г56 
 
 
Рецензенты: 
к. т. н., доцент, ведущий инженер ООО «НПП “ИТЭЛМА”» (г. Владимир)  
Родионов Роман Вячеславович; 
к. т. н., Председатель Совета директоров ЗАО «Электропривод-Сервис»  
(г. Иваново) Прокушев Сергей Васильевич 
 
 
 
 
 
 
 
Гнездов, Н. Е. 
Г56  
Информационные технологии в электроприводе : учебное пособие / 
Н. Е. Гнездов, А. А. Коротков, В. Л. Чистосердов. – Москва ; Вологда :  
Инфра-Инженерия, 2024. – 124 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1837-9 
 
Содержит основные сведения по автоматизированным системам управления предприятием и указывает место электропривода в этих системах. Представлены классификация и сравнительный анализ средств коммуникации электроприводов. Описаны физический, канальный и прикладной уровни основных коммуникационных технологий, 
применяемых в электроприводах. Контрольные вопросы в конце каждого раздела предполагают не краткий фактологический ответ, а осмысление и анализ представленного 
материала читателем. 
Для студентов направления 14.06.00, изучающих курсы «Информационные технологии в электроприводе», «Компьютерное и микропроцессорное управление в электроприводе», «Микроконтроллеры в системах управления электроприводами», «Прикладное программирование и автоматизированные системы научных исследований в электротехнике». Может использоваться при изучении курсов «Электропривод в современных технологиях» и «Системы автоматизации технологических процессов». 
 
УДК 004:64-83 
ББК 32.973+31.291 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1837-9 
” Гнездов Н. Е., Коротков А. А., Чистосердов В. Л., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................  6 
Глава 1. Определения, базовые понятия из области  
информационных технологий .................................................................................... 7 
Контрольные вопросы ...........................................................................................  8 
Глава 2. Электропривод в АСУП 
............................................................................... 9  
2.1. Структура АСУП 
.............................................................................................. 9 
2.2. Место ЭП в АСУП ......................................................................................... 13 
2.3. Задачи ЭП как элемента АСУП .................................................................... 15 
Контрольные вопросы .......................................................................................... 16 
Глава 3. Средства коммуникации электроприводов 
.............................................. 17 
3.1. Определение средств коммуникации ЭП .................................................... 17 
3.2. Обзор и анализ аппаратных средств коммуникации ЭП ........................... 17 
3.3. Обзор, классификация промышленных коммуникационных технологий 
..... 
20 
3.4. Анализ и рекомендации по выбору fieldbus ................................................ 25 
3.5. Программные средства взаимодействия с верхним уровнем управления .... 
26 
Контрольные вопросы .......................................................................................... 28 
Глава 4. Модель OSI 
.................................................................................................  32 
4.1. Протокол. Стек протоколов .......................................................................... 32  
4.2. Структура модели OSI ................................................................................... 32  
4.3. Уровни модели OSI ........................................................................................ 33  
Контрольные вопросы .......................................................................................... 35 
Глава 5. Физический и канальный уровни коммуникационных технологий ....  36 
5.1. Среды передачи данных – линии связи ....................................................... 36 
5.2. Характеристики линий связи ........................................................................ 36  
5.3. Методы цифрового кодирования данных 
.................................................... 37 
5.3.1. Потенциальный код без возвращения к нулю 
...................................... 38 
5.3.2. Манчестерский код ................................................................................. 39 
5.4. Асинхронный последовательный приёмопередатчик (UART) ................. 40 
5.4.1. Асинхронный старт-стопный режим .................................................... 41 
5.4.2. Синхронный режим 
................................................................................. 43 
5.4.3. Смешанные режимы ............................................................................... 43 
5.5. Протоколы физического уровня RS ............................................................. 44 
5.5.1. Протокол RS-232 ..................................................................................... 44  
5.5.2. Протокол RS-485 ..................................................................................... 44  
Контрольные вопросы .......................................................................................... 45 
Глава 6. Протокол MODBUS ................................................................................... 46  
6.1. Режим работы, физический уровень MODBUS .......................................... 46 
6.2. Канальный уровень MODBUS ...................................................................... 47 
6.2.1. Режим ASCII ............................................................................................ 47  
6.2.2. Режим RTU .............................................................................................. 48  
3 

6.3. Прикладной уровень MODBUS .................................................................... 49  
6.3.1. Функции, реализуемые MODBUS 
......................................................... 51  
6.3.2. Реакция на ошибки MODBUS................................................................ 52  
6.3.3. Примеры запросов-ответов MODBUS .................................................. 55  
Контрольные вопросы .......................................................................................... 59  
Глава 7. Технология I2C ........................................................................................... 60 
7.1. Концепция и общие характеристики 
............................................................ 60 
7.2. Формат кадра .................................................................................................. 62 
7.2.1. Форматы передачи данных .................................................................... 62 
7.2.2. Условия запуска (START) и останова (STOP) передачи .................... 63  
7.2.3. Формат байта ........................................................................................... 64  
7.2.4. Подтверждение 
........................................................................................ 64  
7.3. Синхронизация и арбитраж 
........................................................................... 65  
7.3.1. Синхронизация ........................................................................................ 65 
7.3.2. Арбитраж 
.................................................................................................. 66  
7.3.3. Согласование скоростей приёма и передачи 
........................................ 67  
7.4. Адресация 
........................................................................................................ 68  
7.4.1. 7-битовая адресация 
................................................................................ 68  
7.4.2. 10-битовая адресация 
.............................................................................. 69  
Контрольные вопросы .......................................................................................... 70 
Глава 8. Технология CAN 
......................................................................................... 71  
8.1. История зарождения и развития CAN 
.......................................................... 71   
8.2. Стандарт CAN 
................................................................................................. 71  
8.2.1. Скорость передачи и длина сети ........................................................... 71  
8.2.2. Формат кадра ........................................................................................... 73  
8.2.3. Метод доступа и арбитраж сети ............................................................ 75  
8.2.4. Надёжность – контроль ошибок ............................................................ 75 
8.2.5. Преимущества и недостатки CAN 
......................................................... 76  
8.3. CAN FD ........................................................................................................... 76 
Контрольные вопросы .......................................................................................... 80 
Глава 9. Протоколы прикладного уровня сетей CAN ........................................... 81 
9.1. Необходимость и многообразие HLP CAN ................................................. 81  
9.2. CAL / CANopen 
............................................................................................... 82 
9.3. DeviceNet 
......................................................................................................... 86 
9.4. Анализ HLP CAN ........................................................................................... 89 
Контрольные вопросы .......................................................................................... 90 
Глава 10. Протокол Ethernet ..................................................................................... 91  
10.1. Общие сведения 
............................................................................................ 91  
10.2. Стандарт IEEE 802.3 .................................................................................... 93  
10.3. Отношение к модели OSI ............................................................................ 94 
10.4. Физическая среда. Industrial Ethernet ......................................................... 97 
10.5. Доступ к среде передачи данных – CSMA/CD.......................................... 99 
10.6. Кадр данных IEEE 802.3 
............................................................................ 101 
10.7. Кодирование в сетях Ethernet 
.................................................................... 104 
10.8. Преимущества и недостатки Ethernet 
....................................................... 108  
4 

Контрольные вопросы ........................................................................................ 110 
Глава 11. Методика разработки средств коммуникации электропривода ........ 111 
Контрольные вопросы ........................................................................................ 115  
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 116  
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 117 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Многие авторы учебных курсов «Информационные технологии в электроприводе» или «Информационные технологии в электротехнике» в России и 
ближнем зарубежье излагают материал по использованию различных компьютерных систем и баз данных, например, Matlab или MathCAD для расчёта, проектирования, моделирования систем электроприводов. Безусловно, умение грамотно использовать такие инструменты необходимо всем специалистамэлектротехникам. Но, на взгляд авторов, для этого в учебном плане есть курсы 
«Моделирование ЭП», «Проектирование ЭП» и т. п. К тому же, «Информационные технологии в ЭП» преподаются, как правило, в 4-ом или 5-ом семестре, 
когда специальных знаний у студентов недостаточно. 
В пособии авторы рассматривают электропривод с точки зрения работы  
с информацией и обмена ею с другими интеллектуальными устройствами. Действительно, от него требуется уже не только быстрая и точная отработка заданного перемещения, скорости, момента. Обязательными требованиями стали обмен информацией с вышестоящим контроллером в режиме реального времени, 
сбор информации с интеллектуальных датчиков, координация или управление 
другими приводами. Возможности современных микроконтроллеров для 
управления двигателями, различные интерфейсы и коммуникационные технологии позволяют ему успешно решать поставленные задачи. 
Информация по методам и средствам коммуникации электроприводов  
в основном содержится в Интернете и требует значительной переработки и систематизации. В периодической печати основное внимание уделяется автоматизации «в большом» – предприятия или технологии. В технических описаниях 
электроприводов просто перечислены поддерживаемые интерфейсы и промышленные шины.  
В связи с этим авторы обобщили, систематизировали и проанализировали 
материал, собственный опыт по информационным технологиям через призму 
их применения в электроприводе. Данное пособие является основным источником информации и предоставляет студентам возможность более полного  
и углублённого, по сравнению с лекциями, изучения курса «Информационные 
технологии в электроприводе». 
6 

ГЛАВА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ, БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ 
ИЗ ОБЛАСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 
 
Существует множество определений информационных технологий (ИТ). 
Например: 
 комплекс взаимосвязанных научных, технологических, инженерных 
дисциплин, изучающих методы эффективной организации труда людей, занятых обработкой и хранением информации с помощью вычислительной техники, 
методы организации (выч. техники) и взаимодействия с людьми и производственным оборудованием, их (методов) практические применение, а также связанные со всем этим социальные, экономические и культурные проблемы 
(определение ЮНЕСКО [54]); 
 процессы, методы поиска, сбора, хранения, обработки, предоставления, 
распространения информации и способы осуществления таких процессов и методов (определение ФЗ от 27.07.2006 № 149-ФЗ [55] и ГОСТ Р 52653-2006 [56]); 
 ресурсы, необходимые для получения, обработки, хранения и распространения информации (определение стандарта ISO/IEC/IEEE 24765:2017 [57]). 
Несмотря на отсутствие общепризнанного и единого определения ИТ, выделяются две трактовки этого термина – как комплекс дисциплин и как область 
деятельности [54]. В приложении к промышленному оборудованию и, в частности, электроприводу, конечно же, ближе вторая трактовка, сформулированная в 
определении ФЗ «Об информации» [55]. 
Синонимом информационных технологий является термин информационно-коммуникационные технологии (ИКТ), подчёркивающий включённость технологий коммуникации, т. е. обмена информацией [54].  
В данном пособии мы также будем использовать термины ИТ и ИКТ как 
синонимы, подразумевая, попросту говоря, работу с информацией в электроприводе и обмен ею с другими интеллектуальными устройствами. 
С историей развития информационных технологий авторы предлагают читателям познакомиться самостоятельно. 
ИТ ассоциируют, а часто просто путают с компьютерными технологиями. 
Действительно, компьютер, а также смартфоны, планшеты и т. п. являются 
универсальными техническими средствами обработки и обмена любой информацией, расширяют интеллектуальные возможности человека и общества в целом и используются постоянно. 
Однако не стоит замыкать область ИТ только компьютерами и персональными гаджетами. Вычислительные устройства, способные эффективно (производительно) обрабатывать, хранить и обмениваться большими объемами информации, широко распространены в промышленности, автомобилях, медицине и многих других сферах. Например, современные микроконтроллеры, используемые для управления двигателями (т. е. в электроприводе) имеют производительность порядка 400 MIPS, встроенную память 1024 K и промышленные 
коммуникационные интерфейсы пропускной способностью порядка 1 Мбит/с и 
выше. И эти характеристики постоянно растут. 
7 

Основные черты современных ИТ: 
 структурированность и стандартизованность цифровой обработки, обмена данными; 
 широкое использование машинного хранения и предоставление информации в необходимом виде; 
 передача огромных объемов информации посредством цифровых технологий на практически безграничные расстояния. 
Преимущества и причины широкого внедрения ИТ:  
 информация стала более доступной и понятной – появились общепризнанные «системы координат» = стандарты понимания информации, стало 
легче получать и обмениваться информацией; 
 повышение эффективности деятельности (снижение стоимости и повышение производительности) реализуется через автоматизацию – замену труда 
человека трудом машин. Автоматизация требует получения, обработки и 
хранения информации, как правило в режиме реального времени; 
 автоматизация приводит к упрощению отдельных процессов, в результате появляется больше исполнителей – конкурентов. А также автоматизация 
увеличивает (кратно) объемы продукции. Т. е. требуются гибкость и глобальное 
управление. Понятно, что это невозможно без обратной связи с потребителем, 
мониторингом собственных процессов, экспертных систем и пр. Все это, посути, работа с информацией. 
 
Контрольные вопросы 
 
1. Назовите области применения информационно-коммуникационных технологий в промышленности, кроме электропривода? 
2. Происходит ли рост производительности микроконтроллеров, используемых в электроприводе, по закону Мура?  
8 

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОПРИВОД В АСУП 
 
2.1. 
 Структура АСУП 
 
Текущий период автоматизации промышленности характеризуется интеграцией автоматизированных систем различных уровней в единую Автоматизированную систему управления предприятием (АСУП) в информационном, 
программном и техническом плане. Наблюдается сближение стандартов и интерфейсов различных аппаратных и программных средств автоматизации, используемых как в рамках одного уровня иерархии управления, так и при связи 
между уровнями. Внедряются промышленные протоколы на основе Ethernet [5–7], 
упрощающие доступ к информации технологического характера с административного уровня предприятия. Создаются операционные системы и базы данных [2], предоставляющие доступ в реальном времени к информации как с производственного, так и управленческого уровня. Наблюдается всё более глубокое проникновение технологий Internet во все уровни системы автоматизации 
предприятия. И, главное, автоматизацию, как правило, начинают с разработки 
«генерального плана» развития информационных технологий предприятия. 
Цель комплексной автоматизации предприятий – связать между собой 
современное интеллектуальное оборудование и системы управления производственными процессами, системы проектирования, бухгалтерского и складского учета, системы планирования ресурсов предприятия, что позволяет 
обеспечить функционирование предприятий как единого организма, стремящегося к максимальной эффективности и прибыли [1–4]. 
Комплексная автоматизация включает в себя правильный выбор структуры 
управления, технических средств и программных продуктов, обеспечивающих 
управление предприятием на основе информации в режиме реального времени 
управленческого, финансового и производственного характера, а также обмен 
информацией между системами разных уровней.  
Свободное и рациональное движение потоков информации обеспечивается построением единой информационно-управляющей сети предприятия. 
Такая сеть состоит из нескольких сегментов, определяемых видом деятельности:  
 финансовая деятельность;  
 управление кадрами; 
 логистика; 
 проектно-конструкторские разработки; 
 технологический процесс и другие. 
Объективность процесса интеграции автоматизированных систем управления различного уровня в единое целое определяется следующими предпосылками [2, 3]: 
1. Менеджмент предприятий становится все более заинтересованным в получении оперативной и объективной информации о текущих и имевших место 
ранее параметрах технологических и производственных процессов. 
9 

2. На крупных предприятиях возникла необходимость в координации при 
управлении территориально-распределенными структурами и ресурсами не 
только на уровне топ-менеджеров, но и на многих уровнях управления производством. 
3. Новое поколение автоматизированных систем управления финансовохозяйственной деятельностью требует повышения объема и оперативности поступления информации с уровня технологических процессов. 
4. Рынок средств и систем автоматизации уже сегодня готов предоставить 
все необходимые компоненты для осуществления комплексной автоматизации. 
5. На многих предприятиях создана достаточная сетевая инфраструктура. 
Существуют локальные вычислительные сети, объединенные по Ethernet. Имеется выход в Интернет, и создание внутренней Intranet-сети составит незначительные капитальные вложения. 
При этом создание и внедрение интегрированной АСУП позволяет предприятию получить серьезные преимущества, среди которых следует выделить [2]: 
1. Более широкое и оперативное использование технологической и производственной информации позволяет руководству предприятия принимать 
взвешенные и обоснованные решения. 
2. Интеграция компонент АСУП и АСУТП позволяет обеспечить мониторинг затрат непосредственно в процессе производства, например, для определения текущей себестоимости продукции с учетом состояния рынка сырья, 
темпов инфляции и потерь, связанных с плохой организацией производства. 
3. Появляется возможность значительной экономии средств за счет коллективного использования общей для АСУТП и АСУП сетевой инфраструктуры, включающей в себя кабельные коммуникации, активное сетевое и коммуникационное оборудование, компьютерное оснащение. 
4. Для крупных предприятий, имеющих подразделения и филиалы, расположенные в различных регионах, открывается возможность оперативного доступа руководителей высшего звена к технологическим данным с любого уровня системы и географической точки предприятия. 
5. В ряде случаев использование технологий Ethernet и баз данных реального 
времени (БДРВ) может заменить установку дорогостоящих SCADA-систем [2], 
обеспечивающих визуализацию и просмотр данных. 
6. На основе текущей информации с производственного уровня возможно 
осуществление целевого управления производством по качеству продукции, 
энергосбережению и экономии ресурсов, заданной производительности, по 
воспроизводимости требуемых потребительских свойств продукции и другим 
показателям. 
Учитывая вышесказанное, будем рассматривать структуру АСУП как единую систему, состоящую из нескольких уровней. Традиционно полагают [1–3], 
что на предприятии существуют следующие автоматизированные системы:  
 автоматизированные системы управления бизнес-процессами (АСУ); 
 автоматизированные системы оперативного диспетчерского управления 
(АСОДУ); 
 системы автоматизированного проектирования (САПР); 
10