Автоматизированные системы научных исследований в энергетике и АПК

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации  
Департамент координации деятельности организаций  
в сфере сельскохозяйственных наук 
Федеральное государственное бюджетное образовательное  
учреждение высшего образования 
«Волгоградский государственный аграрный университет» 
 
Кафедра «Электроснабжение и энергетические системы» 
 
 
Н. И. Лебедь 
К. Е. Токарев  
Ю. И. Ханин 
М. П. Аксенов 
 
 
 
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ  
НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ЭНЕРГЕТИКЕ И АПК 
 
Учебно-методическое пособие 
для обучающихся по направлению подготовки  
13.05.01 Тепло- и электрообеспечение специальных технических  
систем и объектов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Волгоград 
Волгоградский ГАУ 
2023 
 
1 

УДК 681.5 
ББК 32.966 
А-22 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор кафедры «Механика и инженерная графика» ФГБОУ ВО Тамбовский ГТУ Ю. В. Родионов; доктор 
технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Математическое 
моделирование и информатика» ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ       
Е. В. Мелихова 
 
А-22 Автоматизированные системы научных исследований в 
энергетике и АПК: учебно-методическое пособие для обучающихся по направлению подготовки 13.05.01 Тепло- и электрообеспечение специальных технических систем и объектов / Н. И. Лебедь,   
К. Е. Токарев, Ю. И. Ханин, М. П. Аксенов. – Волгоград: ФГБОУ ВО 
Волгоградский ГАУ, 2023. – 104 с. 
 
ISBN 978-5-4479-0399-2 
 
Учебно-методическое пособие составлено для проведения практических, лабораторных занятий и самостоятельного решения задач 
по основам научных исследований в энергетике и АПК согласно Государственному образовательному стандарту высшего образования по 
направлению подготовки 13.05.01 Тепло- и электрообеспечение специальных технических систем и объектов. 
Учебно-методическое пособие содержит задания по работе с интегрированной средой программирования для микроконтроллеров, 
облачной средой имитационного моделирования, обеспечению связи 
между уровнями автоматизации посредством интерфейса RS-485, разработке SCADA-систем с использованием ОПС-серверов, а также 
описание основ разработки и отладки программного обеспечения систем на базе микроконтроллеров AVR-архитектуры. Представлены 
подробно иллюстрированные примеры с указанием электрических и 
электронных схем автоматизированных систем в энергетике и АПК. 
Приведены формулировки индивидуальных задач по вариантам для 
организации аудиторной и самостоятельной учебной работы студентов, вопросы для самоконтроля. 
УДК 681.5 
ББК 32.966 
 
Рекомендовано методической комиссией электроэнергетического факультета ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ (протокол № 9/2023 от 
16.05.2023 г.).  
 
 
ISBN 978-5-4479-0399-2 
© ФГБОУ ВО Волгоградский 
ГАУ, 2023  
© Авторы, 2023 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Современное развитие автоматизированного производства требует 
применения электронных устройств для управления технологическим 
процессом и определения параметров производимой продукции. При 
переходе от ручного к автоматизированному производству датчики 
должны сообщать автоматизированной системе о положении обрабатываемых деталей в пространстве, температуре рабочей среды, токах и 
напряжениях двигателей и т. д. Повышение качества производимой продукции осуществляется с помощью контроля параметров процесса измерительными системами на базе микропроцессоров [29, 33]. 
Автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) 
прочно заняли свое место в современном научном эксперименте. 
Применение АСНИ значительно повышает эффективность исследований, производительность труда, сокращает сроки обработки информации по результатам экспериментов, открывает пути к получению качественно новых результатов [26]. 
Целью дисциплины является изучение принципов постановки 
физического и инженерного эксперимента, обработки и интерпретации его результатов, принципов построения, аппаратных и программных решений автоматизированных систем научных исследований 
(АСНИ), задач и путей использования АСНИ в электротехнологии и 
АПК. В процессе освоения данной дисциплины обучающейся осваивает следующие компетенции:  
– способность к логическому мышлению, обобщению, анализу, 
критическому осмыслению, систематизации, прогнозированию, постановке исследовательских задач и выбору путей их решения (ОК-9); 
– способность применять методы научно-исследовательской и 
практической деятельности (ОПК-5); 
– способность применять методы анализа вариантов, разработки 
и поиска компромиссных решений (ПК-8). 
– задачами дисциплины являются: 
– познакомить обучающихся с принципами организации физического и инженерного эксперимента, обработки и интерпретации его 
результатов, задачами и принципами построения АСНИ; 
– дать информацию о структуре, аппаратных и программных 
решениях АСНИ; 
– научить применению средств автоматизации научных исследований для идентификации процессов и установок в электроэнергетике и АПК, построения моделей, используемых для управления, прогнозирования и проектирования систем в электроэнергетике и АПК. 
3 

НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ 
 
Автоматизированная система научных исследований (АСНИ) – 
это программно-аппаратный комплекс на базе средств вычислительной техники, предназначенный для проведения научных исследований 
или комплексных испытаний образцов новой техники на основе получения и использования моделей исследуемых объектов, явлений и 
процессов. Программно-аппаратный комплекс АСНИ состоит из 
средств методического, программного, технического, информационного и организационно-правового обеспечения [26]. 
Из определения следует, что для АСНИ характерно три существенных момента: 
– ключевая роль вычислительной техники; 
– единство программных и аппаратных средств; 
– ориентация АСНИ на получение математических моделей в 
виде формул, таблиц, графиков. 
Взаимодействие исследуемого объекта, явления или процесса с 
АСНИ осуществляется через аппаратуру сопряжения, входящую в состав программно-аппаратного комплекса. 
Создание модели осуществляется сопоставлением теории и эксперимента. Это сопоставление носит, как правило, итерационный характер, что можно отобразить в виде алгоритма (рис. 1). На каждом 
шаге итерации происходит уточнение модели, что ведет обычно к ее 
усложнению [2]. 
 
 
Рисунок 1 – Алгоритм создания модели 
4 

К числу составных частей АСНИ относят: 
1. Техническое обеспечение, которое включает комплекс используемых технических средств: измерительную аппаратуру, ЭВМ, 
устройства связи с объектом, экспериментальную установку [16, 21]. 
2. Научно-методическое обеспечение, включающее в себя различные методы, методики, способы и алгоритмы проведения эксперимента, обработки и представления экспериментальных данных. 
3. Информационное обеспечение – справочные и обучающие 
системы, информационно-поисковые системы, базы данных. 
4. Программное обеспечение – документы с текстами программ, 
эксплуатацией, программы на машинных носителях, эффективное 
взаимодействие пользователей с тех ресурсами АСНИ. 
5. Метрологическое обеспечение АСНИ и Организационноправовое обеспечение. 
Различные элементы исследования требуют и различной технической базы в рамках АСНИ. Например, разработка теоретических 
вопросов часто сопровождается проведением громоздких расчетов, 
моделированием, поиском научной информации, что требует значительной мощности и объема памяти ЭВМ. С другой стороны, обращение к этим ресурсам АСНИ производится относительно редко и необязательно с высокой оперативностью. Вместе с тем, операции, связанные с проведением автоматизированного эксперимента, всегда 
осуществляются в масштабе реального времени, и нет необходимости 
в значительных вычислительных мощностях. 
 
 
 
Рисунок 2 – Структура АСНИ 
5 

Современные АСНИ строятся с использованием определенных 
основополагающих принципов, наиболее существенные представлены 
ниже: 
1. Комплексность, т.е. изначальная направленность АСНИ на 
решение всего комплекса задач, стоящих перед исследователем; обеспечение возможности применения АСНИ на различных этапах исследований; 
2. Многоуровневая организация. В соответствии с этим принципом при построении современных АСНИ выделяется несколько 
структурных уроней. Подобная организация позволяет реализовать 
принцип комплексности в условиях ограничения возможных затрат на 
создание и эксплуатацию АСНИ; 
3. Расширяемость (модульный принцип построения), т.е. использование при создании АСНИ таких технических решений, которые бы делали возможным дальнейшее быстрое развитие системы, 
увеличение количества пользователей, развитие функциональных 
возможностей системы без переделок и изменений принципиального 
характера; 
4. Адаптируемость, которая означает достижение большей гибкости АСНИ, возможности ее подстройки и модернизации с учетом 
конкретной задачи; 
5. Коллективность использования. Это означает, с одной стороны, организацию коллективного доступа к наиболее сложным и дорогостоящим системам АСНИ, а с другой – объединение усилий при создании и последующем использовании АСНИ, когда отдельные удачные разработки и результаты исследований становятся общедоступными и могут применяться всеми пользователями системы. 
6. Интеграция АСНИ, включающая в себя два аспекта: 
– использование технических ресурсов АСНИ для решения задач иного характера (учебных, организационно-управленческих, расчетных, фоновых и т.п.); 
– тесное взаимодействие с автоматизированными системами 
других типов (САПР, АСУТП, АСУП). 
7. Типизация инженерных решений при создании АСНИ означает разработку таких компонентов систем, которые могут найти применение при автоматизации основной массы научно-технических исследований в самых разных предметных областях. Такие решения 
способствуют проведению единой технической политики при построении АСНИ в отдельных отраслях науки. 
 
 
6 

Для того чтобы автоматизировать тот или иной объект, необходимо ясно представить его основные особенности. Для автоматизации 
научных исследований целесообразно выделить некоторые их главные черты. К ним относят следующие: 
1. Многогранность исследовательской деятельности. Научные 
исследования включают в себя элементы разного характера: постановка научной задачи, разработка теории, проведение научных расчетов, моделирование, проведение эксперимента, обработка, накопление 
и отображение информации, принятие решений и т.д. Различные стороны научной деятельности в неодинаковой степени поддаются формализации и реализации в рамках АСНИ. Сравнительно просто автоматизируются процедуры, связанные с проведением эксперимента 
(регистрация, обработка, накопление, отображение информации и 
т.п.). Вместе с тем, такие стороны научной деятельности, как постановка задачи исследования, разработка теории, требуют обязательного 
творческого участия человека-исследователя; 
2. Существенная роль человеческого фактора. С точки зрения разработчика АСНИ, это означает необходимость создания максимальных 
удобств пользователю при работе с системой. Как следствие, в современных АСНИ наблюдается широкое использование диалогового режима работы, средств графического представления информации; 
3. Высокий уровень неопределенности хода и результатов исследования. Научные исследования всегда проводятся для получения 
некоторой новой информации о свойствах объекта исследований. Разработчики АСНИ вынуждены работать при дефиците заранее известной информации. Это одно из принципиальных отличий АСНИ от автоматизированных систем других классов (АСУТП, АСУП, САПР). 
Данная особенность требует таких технических решений при создании АСНИ, которые позволяют сделать систему максимально гибкой, 
легко модернизируемой с учетом новой информации об объекте исследования, полученной в ходе отработки системы автоматизации; 
4. Непрерывность процесса научного исследования. Исследовательская деятельность носит, как правило, непрерывный характер, так 
как любой исследователь по завершении некоторого этапа работ 
обычно намечает их дальнейшее развитие, формулируя новую программу работ (новую цель, задачу и т.п.) для того же или другого объекта. Это означает необходимость непрерывного развития, совершенствования соответствующей АСНИ; 
5. Уникальность научного исследования. Каждое научное исследование имеет определенные особенности, отличающие его от 
других аналогичных исследований. Их присутствие обязательно, ведь 
7 

иначе такое исследование уже не может относиться к категории научного. В связи с этим каждая АСНИ, как правило, обладает специфическими чертами, присущими только данной системе в части ее технического, программного или научно-методического обеспечения. 
Анализ перечисленных основных черт научных исследований с 
позиций создания АСНИ свидетельствует об их сложности как объекта автоматизации. Поэтому целесообразно выделять классы научных 
исследований по совокупности определенных однотипных свойств, 
например, по отраслям наук [26]. 
 
 
8 

УРОВНИ АСУ ТП 
 
К нижнему уровню АСУ ТП (рис. 3) – относятся КИП, датчики 
цифровые и аналоговые сенсоры, исполнительные механизмы. Средний уровень АСУ ТП включат программируемые контроллеры, 
устройства сбора и передачи данных (УСПД), программируемые логические контроллеры (ПЛК), обеспечивают заданные режимы работы исполнительных механизмов по алгоритму, связь с КИП [12, 15].  
 
 
 
Рисунок 3 – Уровни АСУ ТП 
9 

К верхнему уровень АСУ ТП относятся: человеко-машинный 
интерфейс (HMI): операторские панели, SCADA-системы, главная их 
функция связь с ПЛК [27, 30]. 
Средний уровень (СУ) АСУ ТП: 
 
уровень оперативного контроля и управления технологическими объектами; 
 
включает оборудование, выполняющее следующие задачи: 
– получение данных (сигналов состояния) от устройств нижнего 
уровня (полевых, КИП); 
– обработка данных согласно заданной программе: принятие 
решений на основе полученной информации и формирование управляющих команд; 
– передача данных (управляющих команд) устройствам нижнего 
уровня (исполнительным механизмам и КИП); 
– агрегация и передача данных другим устройствам среднего 
уровня и на верхний уровень АСУ ТП. 
К СУ относят, в основном, разнообразное контроллерное оборудование, выполняющее различные задачи:  
– программируемые логические контроллеры (ПЛК) [22]; 
– коммуникационные контроллеры; 
– контроллеры УСО (устройств сопряжения с объектом); 
– контролеры присоединения (на энергетических подстанциях); 
– устройства сбора и передачи данных (УСПД); 
– регуляторы (например, терморегуляторы); 
– программируемые реле (ПР); 
– и др. устройства, способные выполнять перечисленные задачи. 
К задачам верхнего уровня (ВУ) АСУ ТП относят: 
– сбор, агрегация и хранение данных, полученных со среднего 
уровня; 
– обеспечение человеко-машинного интерфейса (ЧМИ, HMI); 
– визуализация течения ТП в виде мнемосхем для оперативного 
контроля и управления оператором; 
– отображение графиков изменения контрольных величин 
(трендов); 
– оповещение в случае аварийных и нештатных ситуаций (алармы, тревоги); 
– выполнение обработки данных согласно программам (сценариям); 
– передача данных в другие системы (MES, ERP, другие 
SCADA); 
На верхнем уровне задействован человек, осуществляющий 
принятие решений. 
10