Современные промышленные интерфейсы для создания комплексов научных исследований

Российский федеральный ядерный центр – 
Всероссийский научно-исследовательский институт 
экспериментальной физики 
 
 
 
 
 
Э. В. Запонов, А. П. Мартынов, 
Д. Б. Николаев, В. Н. Фомченко 
 
 
 
 
 
 
 
 
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ  
ДЛЯ СОЗДАНИЯ КОМПЛЕКСОВ  
НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2023 

УДК 004.4(075.8) 
ББК 32.973.26я73 
        С56 
DOI: 10.53403/9785951505491 
 
Рецензенты: 
А. И. Куприянов – профессор кафедры радиосистем передачи информации и управления Московского авиационного института, д-р 
техн. наук, с.н.с.; 
Ю. А. Романенко – старший научный сотрудник ФГКВОУ «Военная 
академия РВСН имени Петра Великого», заслуженный деятель 
науки РФ в области образования, д-р техн. наук, профессор  
 
Запонов, Э. В., Мартынов, А. П., Николаев, Д. Б., Фомченко, В. Н. 
  С56 
 
Современные промышленные интерфейсы для создания комплексов 
научных исследований / Э. В. Запонов, А. П. Мартынов, Д. Б. Николаев, 
В. Н. Фомченко. – Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2023. – 310 с., ил. 
 
ISBN 978-5-9515-0549-1 
 
 
В издании рассмотрены принципы построения систем промышленной 
и лабораторной автоматизации и варианты реализации промышленных интерфейсов для создания комплексов научных исследований. Издание содержит большое количество практических результатов по анализу наиболее распространенных в промышленной автоматизации интерфейсных решений. 
Для каждого из приведенных решений даны описание, характеристики, области применения. Изложение вопросов носит строгий характер и сопровождается конкретными примерами, таблицами, рисунками. 
Издание может служить учебным пособием для студентов и аспирантов, представлять интерес для научных работников, изучающих вопросы проектирования и эксплуатации технических средств и систем, а также 
инженеров-проектировщиков электронной аппаратуры. Уровень изложения 
материала предполагает известную подготовку читателей, особенно в области теории кодирования и схемотехники. 
 
УДК 004.4(075.8) 
ББК 32.973.26я73 
 
ISBN 978-5-9515-0549-1 
 
 Запонов Э. В., Мартынов А. П.,  
                                                                      Николаев Д. Б., Фомченко В. Н., 2023  
  
 
 
 
 
 ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2023 
 

Предисловие 
3
ПРЕДИСЛОВИЕ 
Автоматизированная система призвана облегчить труд человека, расширить его функциональные возможности или заменить полностью там, где это 
возможно. Поэтому архитектура систем автоматизации во многом напоминает 
строение тела человека: роль органов чувств выполняют датчики, роль рук, ног 
и органов речи – исполнительные устройства, роль мозга – компьютер или контроллер. Благодаря такой аналогии архитектура системы автоматизации становится понятной любому человеку на интуитивном уровне. Однако при разработке конкретной системы возникает множество сложных практических вопросов, 
касающихся стандартизации, безопасности, коммерческой эффективности, технологичности, точности, надежности, совместимости, технического сопровождения и т. д. 
Если технические или программные проекты каким-то образом соприкасаются с автоматизацией или управлением технологическими процессами, то 
читателям наверняка известна тенденция все более широкого распространения 
различных открытых промышленных сетей (типа DeviceNet или Profibus). По 
мере роста требований к системам планирования ресурсов предприятия (ERPсистемы) и информационно-административным системам предприятия (MISсистемы) на арене все чаще появляется и технология Ethernet. Роботы, системы 
транспортировки материалов и деталей, технологические системы управления, 
сборочные и упаковочные машины могут оснащаться десятками тысяч всевозможных датчиков и интеллектуальных устройств.  
Существует три способа организации связи подобных устройств друг 
с другом: 
1) использование индивидуальных проводных линий связи;
2) использование «частных» сетей типа Modbus Plus, Remote I/O и Genius I/O;
3) использование сетей с открытой архитектурой.
Применение сети само по себе дает огромные преимущества, причем преимущества эти тем значительнее, чем крупнее система: сокращается время на 
прокладку связующих кабелей, уменьшается стоимость установки, появляется 
модульность, создаются потенциальные возможности для проведения мощной 
диагностики. Подробно останавливаться на преимуществах сетей как таковых 
в данной публикации мы не будем – большинству специалистов они известны.  
Преимущества, которые дает применение сетей с открытой архитектурой, 
еще более значительны. Действительно, в случае использования таких сетей всегда имеется возможность выбора между несколькими поставщиками сходных по 
своим характеристикам продуктов. Конкуренция между поставщиками заставляет их снижать цены на свои изделия и быть добросовестными; расширенные 
же возможности сетевых устройств таковы, что внедрение сетевой системы вво

Предисловие 
4
да/вывода может явиться единственным способом достижения максимальной 
эффективности конкретной системы в ряду ей подобных. 
Многих специалистов по автоматизации широта выбора в этой области 
несколько смущает. Промышленных шин сейчас существует не менее десятка, 
потому у пользователей невольно возникает вопрос: «Какая сеть лучше?» На 
самом деле какая-то единственная шина лучшей никогда не будет, поскольку 
невозможно удерживать первенство абсолютно во всех областях. Всегда будет 
существовать множество решений, каждое со своими достоинствами и недостатками. Однако если пользователю будут хорошо известны все особенности 
каждого из этих решений, все его «за» и «против», у него будет возможность 
сделать обоснованный вывод. Иными словами, он сможет выбрать одну или две 
шины, которые окажутся лучшими для конкретного случая.   
Компания HMS Industrial Networks в апреле 2021 г. поделилась результатами исследования рынка промышленных сетей, которое проводит ежегодно 
с целью анализа распределения вновь подключенных узлов промышленной автоматизации. Исследование 2021 г. включает в себя оценку долей рынка, занимаемых полевыми шинами, промышленным Ethernet и беспроводными сетями, 
а также темпов их роста. 
В результате исследования сделан вывод о том, что рынок промышленных 
сетей демонстрирует признаки восстановления стабильности, и HMS ожидает, 
что общий рост рынка в 2021 г. составит 6 %. 
 
 
 
Распределение рынка промышленных сетей в 2021 г. по данным HMS Industrial  
             Networks: полевые шины, промышленный Ethernet и беспроводные сети 

Предисловие 
5
Промышленный Ethernet продолжает расти, увеличив свою долю на 8 %. 
На него теперь приходится до 65 % вновь установленных узлов промышленной 
автоматизации в мире (по сравнению с 64 % в 2020 г.). За первое место сражаются сети Ethernet/IP и Profinet, но в 2021 г. Profinet с 18 % рынка опережает на 
вершине рейтинга Ethernet/IP с ее 17 %. Полевая шина EtherCAT продолжает 
занимать уверенные позиции на мировом рынке и догнала лидера Profibus с ее 
8 %. За ними следует Modbus TCP с 5 %, которая вместе со своей «сестрой» по 
технологии Modbus – Modbus RTU – занимает 10 % рынка, что подтверждает их 
неизменную значимость для систем промышленной автоматизации в мире. 
Продолжающееся снижение доли полевых шин, о котором сообщала HMS 
в последние годы, почти остановлено. В 2021 г. оно составило всего 1 %, поскольку предприятия в неопределенные времена, например, во время пандемии, 
в большей степени склонны придерживаться существующих технологий. На полевые шины на апрель 2021 г. приходится 28 % общего количества вновь установленных узлов (в 2020 г. – 30 %). Profibus с 8 % по-прежнему является явным 
лидером; далее следуют Modbus-RTU с 5 % и CC-Link с 4 %. 
Доля беспроводных сетей продолжает расти, увеличившись на 24 %. На 
апрель 2021 г. они занимают 7 % рынка, который все еще ожидает мощного влияния внедрения 5G на предприятиях. Учитывая текущее состояние дел в мире 
с беспроводными сотовыми технологиями как инструментами умного производства нового уровня, HMS ожидает от рынка увеличения спроса на беспроводные 
устройства и машины в связи с тем, что они войдут в будущие более гибкие архитектуры автоматизации.  
«Подключение устройств и машин к промышленной сети является ключом 
к созданию интеллектуального устойчивого производства. Это основной двигатель роста, который мы наблюдаем на рынке промышленных сетей. Предприятия постоянно работают над оптимизацией производительности, устойчивости, 
качества, гибкости и безопасности. Ключом к достижению этих целей являются 
надежные промышленные сети», – высказывает свое мнение Андерс Ханссон, 
директор по маркетингу компании HMS Networks. 
Промышленные сети Ethernet/IP и Profinet лидируют в Европе и на Ближнем Востоке, а Profibus и EtherCAT занимают второе место. К другим промышленным сетям относятся Modbus (RTU/TCP) и Ethernet Powerlink. На рынке 
США доминирует Ethernet/IP, при этом определенную долю рынка завоевывает 
EtherCAT. На азиатском рынке частично лидируют Profinet и Ethernet/IP, за которыми следуют сильные соперники CC-Link/CC-Link IE Field, Profibus, 
EtherCAT и Modbus (RTU/TCP). 
В исследование вошел прогноз специалистов HMS Industrial Networks на 
2021 г., основанный на количестве вновь установленных узлов промышленной 
автоматизации. Под узлом подразумевается машина или устройство, подсоединенное к промышленной сети. Указанные цифры отражают консолидированное 
представление HMS о ситуации на рынке с учетом мнения коллег по отрасли 
и статистики продаж компании. 

Предисловие 
6
Высказанные соображения подтверждают целесообразность изучения 
систем промышленной и лабораторной автоматизации и помогут разработчикам в принятии правильных решений при создании систем промышленной автоматизации. 
Необходимо отметить, что в издании рассмотрены только самые общие 
(архитектурные) принципы построения систем промышленной и лабораторной 
автоматизации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Введение 
7
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Если говорить о наиболее часто используемых сегодня интерфейсах, обеспечивающих физическую передачу данных, то можно выделить следующие: вопервых, традиционные (RS-232, RS-485 и т. д.); во-вторых, соединение компонентов системы по уже существующим локальным сетям (Ethernet); в-третьих, 
промышленные интерфейсы (здесь можно назвать протоколы CAN, LonWorks, 
Profibus и др.) и, в-четвертых, беспроводные технологии (интерфейсы Wi-Fi, 
WiMAX, GPRS (передача данных через GSM-сети), в которых связь компонентов системы осуществляется по беспроводным каналам).  
В первой главе рассмотрены общие принципы построения и архитектура 
автоматизированной системы, факторы, влияющие на выбор структуры автоматизированной системы, а также инструментарий, позволяющий проектировать 
надежные и безопасные автоматизированные системы в части интерфейсного 
взаимодействия. Следует отметить, что если рассматривать системы промышленной автоматики, то ранее в них использовались унифицированные интерфейсы 4–20 мА, 0–10 В. Они используются и сейчас, но постепенно заменяются 
цифровыми. Переход на цифровые интерфейсы в первую очередь позволяет сократить расходы на кабель и его прокладку, особенно в распределенных системах, где расстояния достигают сотен метров. Экономия может быть очень существенной, потому что при использовании промышленных интерфейсов достаточно проложить один кабель, а распараллеливание системы вести лишь 
локально. Кроме того, такие системы дают следующие новые возможности: 
• увеличение на километры расстояния до подключаемых датчиков и исполнительных устройств (ИУ) без снижения точности (при использовании аналоговых сигналов, даже с усилителями, точность снижается); 
• расширенная диагностика устройств (в системах с промышленными протоколами применяются так называемые интеллектуальные датчики, которые, 
помимо самого значения сигнала, передают информацию о его качестве – о том, 
насколько можно доверять этому значению и каково состояние самого измерительного устройства); 
• удаленное конфигурирование датчиков и ИУ (что тоже очень важно, когда система является распределенной и ее общая площадь составляет квадратные километры); 
• калибрование датчиков; 
• прямое взаимодействие исполнительных устройств и устройств вводавывода (такую архитектуру принято называть DCS – системой распределенной 
периферии): датчики могут напрямую, без участия ПЛК или сервера вводавывода, передавать информацию исполнительному устройству, что повышает 
надежность системы и вносит еще ряд положительных моментов; 
• улучшение контроля и управления сетью датчиков и ИУ. 

Введение 
8
Промышленные интерфейсы начали активно развиваться в 1990-е гг., количество появившихся к сегодняшнему дню измеряется сотнями. Когда встал 
вопрос о стандартизации, оказалось, что часть из них является частнофирменными решениями небольших компаний, которые уже проникли на производство 
и растиражированы. Момент был упущен, отменить их использование, введя 
стандарт, было просто невозможно. Поэтому международная комиссия IEC пошла по пути наименьшего ущерба: было принято решение выбрать среди применявшихся интерфейсов наиболее распространенные и включить их в единый 
стандарт.  
Сегодня существует пять основных стандартов: 
• ANSI/ISA 50.02 – стандарт полевой шины для промышленных систем 
управления; 
• IEC 62026 – интерфейсы между контроллером и прибором (CDI); 
• IEC 61158 – промышленные сети связи: спецификация полевой шины; 
• IEC 61784 – промышленные сети связи: сетевые профили; 
• IEC 61918 – установка промышленных сетей связи. 
Последние три стандарта можно выделить в отдельную группу, так как они дополняют друг друга. 
Всего стандартами на сегодня признано 79 промышленных интерфейсов 
(при первом утверждении в 2000 г. их было восемь). Было решено разбить их на 
группы – так называемые коммуникационные профили. Отметим, что такие 
известные интерфейсы, как Hart и Modbus, простые в реализации и широко 
распространенные, став де-факто стандартными, вошли в стандарт одними из 
последних. 
Во второй главе представлены сведения об основных промышленных интерфейсах, особенностях их применения и вариантах реализации. Например, 
говоря об интерфейсе Hart, который вначале был, как уже сказано, нестандартным, необходимо отметить, что сейчас он описывается тремя стандартам. Его 
главной особенностью было то, что он обеспечивал замену датчиков с унифицированными сигналами 4–20 мА. В нем применялась простая частотная манипуляция с целью передачи цифрового сигнала поверх аналогового. При использовании в сети нескольких устройств возможность передачи аналогового сигнала исчезала. Недостатком этого интерфейса являлось то, что он мог 
обеспечить скорость передачи не выше 1200 бит/с. Несмотря на то, что в шестой версии стандарта появилась скорость передачи 9600 бит/с, в действительности сегодня нет устройств, которые осуществляют передачу на этой скорости, хотя в некоторых областях (если брать во внимание инерционные процессы) ее вполне достаточно. 
Появились новые задачи, и были предложены интерфейсы, которые обеспечивали ускорение, – Profibus PA (фактически предложенный компанией Siemens) и Foundation Fieldbus (американский стандарт). 
Преимущество интерфейса Profibus заключается в том, что он позволяет 
использовать как высокоскоростные коммуникации (до 12 Мбит/с) в тех обла

Введение 
9
стях, где не требуется взрывозащита, так и низкоскоростные (в начале его развития – 25 кбит/с). При этом все легко интегрируется в общую систему. 
Высокие скорости были достигнуты за счет того, что использовалась уже 
не модуляция, не модемы, а передача цифрового сигнала с помощью манчестерского кода. Применение последнего на сегодня позволяет повысить скорость 
передачи до 90 кбит/с. 
Следует отдельно рассмотреть применение в современных промышленных 
сетях технологий Ethernet. Они заняли достойное место в промышленной автоматике. На начальном этапе распространение этой технологии сдерживалось тем, 
что в ней использовались коллизионный метод доступа к среде и достаточно низкоскоростные устройства (микропроцессорные системы), – была доступна скорость 10 Мбит/с, однако устройства не могли обработать такой поток данных. 
В промышленных сетях для достижения высокой точности там, где это необходимо, применяется Ethernet с методом доступа TDMA (с разделением времени), 
что гарантирует доступ к каналу для каждого устройства, а также обеспечивает 
низкий джиттер сигнала (цикл шины – около 1 мкс). 
На Западе около 80 % рынка принадлежит четырем интерфейсам – 
Ethernet/IP, Profinet, Modbus TCP и EtherCAT. В России картина несколько иная, 
однако наблюдается аналогичная тенденция. Выявились явные лидеры, которые 
сейчас активно захватывают рынок. 
Разумеется, стандарты создает не сама IEC, за ней стоят разработчики. 
Есть компании, которые активно продвигают свои стандарты. Можно отметить, 
что появился китайский стандарт. Он достаточно закрытый, несмотря на то что, 
естественно, опубликован на английском языке. Таким образом Китай позаботился о своей государственной безопасности – страна пытается не допустить 
экспансии западного оборудования. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Глава 1 
10
 
 
 
ГЛАВА 1  
 
Архитектура автоматизированных систем 
 
1.1. Разновидности архитектур 
 
Существует огромное разнообразие датчиков (температуры, влажности, 
давления, потока, скорости, ускорения, вибрации, веса, натяжения, частоты, момента, освещенности, шума, объема, количества теплоты, тока, уровня и др.) [1]. 
Все они преобразуют физическую величину в электрический сигнал. Если параметры сигнала не согласуются с параметрами входа аналого-цифрового преобразователя (АЦП) или не соответствуют принятому стандарту, то используют 
измерительный преобразователь (рис. 1.1), который обеспечивает нормализацию сигнала датчика (приведение к стандартным диапазонам изменения, обеспечение линейности, компенсацию погрешности, усиление и т. п.). Это может 
быть в том случае, например, когда входной величиной АЦП является напряжение в диапазоне 0–10 В, а датчик (термопара) имеет выходное напряжение 
в диапазоне от 0 до 100 мВ). Измерительные преобразователи обычно совмещают с модулями аналогового ввода. 
Измерительные преобразователи могут иметь встроенный аналого-цифровой преобразователь или цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), а также 
микропроцессор для линеаризации характеристик датчика и компенсации погрешностей аналоговой части системы. В последнее время получили распространение цифровые датчики, объединяющие в себе первичный преобразователь физической величины в электрический сигнал, измерительный преобразователь 
и АЦП. Примером могут служить датчики температуры DS18B20 фирмы Dallas 
Semiconductor, у которых выходной сигнал является цифровым и соответствует 
спецификации интерфейса 1-Wire (www.maxim-ic.com). 
Для ввода в компьютер аналоговых сигналов служат модули аналогового 
ввода (см. рис. 1.1). Модули ввода могут быть общего применения (универсальные) или специализированные. Примером универсального модуля ввода является NL-8AI (www.RealLab.ru), который воспринимает сигналы напряжения в диапазонах ±150 мВ, ±500 мВ, ±1 В, ±5 В, ±10 В и тока в диапазоне ±20 мА. Примером специализированного модуля является модуль ввода сигналов термопар  
NL-8TI (www.RealLab.ru), который работает только с термопарами и содержит 
встроенные во внутреннюю память модуля таблицы поправок для компенсации 
нелинейностей термопар и температуры холодного спая.