Автоматизована система управління параметрами технологічних процесів

Семененко, Даниїл Анатолійович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6334

Title:	Автоматизована система управління параметрами технологічних процесів
Authors:	Нечипоренко, Ольга Володимирівна Семененко, Даниїл Анатолійович
Issue Date:	Jun-2023
Abstract:	Стрімкий розвиток техніки вимагає постійного вдосконалення і пошуку нових рішень у сфері автоматизації та автоматизованих систем управління. Цей процес включає в себе розробку прогресивних методів, моделей, засобів та технологій. Параметри роботи обладнання реєструються та оброблювані АСУ ТП на великих розподілених об'єктах використовуються виключно для спостереження та управління технологічним процесом у межах цих систем. Головною проблемою таких розподілених систем є те, що між собою АСУ ТП ніяк не пов'язані, а також не мають вищих систем консолідації та моніторингу, це актуалізує завдання щодо створення централізованої системи збирання та реєстрації технологічних параметрів з усього виробничого об'єкта. В ході роботи з розробки системи збору та реєстрації технологічних параметрів виконано всі умови технічного завдання та отримано наступні результати: для зручнішої роботи з даними, реалізований додатковий функціонал до бази даних, який дозволяє робити вибірки за різними параметрами, будувати звіти, вивантажувати дані у файли і т.д; організовано збір даних про параметри роботи технологічного процесу, перевірок та випробувань установок, що входять до складу системи; всі зібрані дані про технологічні параметри представлені на сервері в базі даних.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6334
Appears in Collections:	174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_151_2023_Семененко.pdf Restricted Access		2.74 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ
СИСТЕМ
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
освітнього ступеня «бакалавр»

на тему: АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ
ПАРАМЕТРАМИ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу,
групи АКІТС-2199
спеціальності 151 Автоматизація та
комп’ютерно-інтегровані технології
Даниїл СЕМЕНЕНКО
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)
Керівник Ольга НЕЧИПОРЕНКО
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)
Рецензент Микола ОНИЩЕНКО
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)

Черкаси 2023 року

ЗМІСТ

СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ ............................................ 3
ВСТУП ............................................................................................................................ 4
1 АНАЛІЗ ПРЕДМЕТНОЇ ОБЛАСТІ ........................................................................... 7
1.1 Автоматизовані системи керування технологічним процесом ....................... 7
1.2 Структура сучасних системи керування складними розподіленими об'єктами
............................................................................................................................. 10
1.3 Протоколи отримання даних від АСУ ТП ....................................................... 13
1.4 Фізичні інтерфейси в АСУ ТП ......................................................................... 18
1.5 Інформаційні системи у структурі АСУ ТП ................................................... 21
1.6 Системи зберігання різнорідних даних від джерел інформації на серверах
............................................................................................................................. 23
2 ПРОЕКТУВАННЯ ОРГАНІЗАЦІЇ СИСТЕМИ ЗБИРАННЯ ТА РЕЄСТРАЦІЇ
ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ........................................................................... 26
2.1 Аналіз систем управління базами даних ......................................................... 26
2.2 Інструменти для роботи з пристроями за протоколом Modbus ..................... 36
2.3 Інструменти взаємодії СУБД та OPC сервера ................................................ 42
2.4 Інструменти для віддаленої взаємодії з сервером .......................................... 44
3 РЕАЛІЗАЦІЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ
ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ПРОЦЕСАМИ ........................................................................ 46
3.1 Розробка структурної схеми та алгоритму автоматизованої системи .......... 46
3.2 Вибір датчиків фізичних величин .................................................................... 49
3.3 Мікроконтролери та аналого-цифрові перетворювачі ................................... 52
3.4 Пристрої для передачі даних через мережу Інтернет .................................... 56
ВИСНОВКИ ................................................................................................................. 60
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ .................................................................... 62

ЧДТУ.232258.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Семененко Д.А. Автоматизована система Літ. Лист. Листів
Перевір. Нечипоренко управління параметрами 2 64
Реценз. Онищ енко М.В. технологічних процесів.
Н. Контр. Пояснювальна записка ЧДТУ, АКІТС-2199
Затверд. Лукашенко В.М.

СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ

АС – автоматизована система
АСУ – автоматизована система управління
АСУ ТП – автоматизована система упраління технологічним процесом
АТК – автоматизований технологічний комплекс
БД – база даних
ЖЦВ – життєвий цикл виробу
ЖЦС – життєвий цикл системи
ІЗ – інформаційне забезпечення
КАСК – комплексна автоматизована система керування
КСУ – комп’ютеризована системи управління
КТЗ – комплекс технічних засобів
ОК – об’єкт керування
ОС – операційна система
ПЗ – програмне забезпечення
ПЗО – пристрій зв’язку з об’єктом
СК – система керування
ТО – технологічний об’єкт
ТП – технологічний процес
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 3
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВСТУП

Найважливішим елементом прискорення науково-технічного прогресу є
широке використання автоматизованих систем управління технологічними
процесами (АСУ ТП). Використання АСУ ТП замість традиційних технологій
дозволяє [11]: реалізувати найсучасніші алгоритми управління; оперативно
перелаштовувати програмне забезпечення на зміни динамічних параметрів об'єкта
управління; враховувати при контролі поточний стан об'єкта управління;
розраховувати в автоматичному режимі оптимальну структуру та параметри
налаштування цифрових регуляторів з урахуванням динамічних параметрів об'єкта
керування; розраховувати значення контрольованих вихідних параметрів
технологічних процесів за їх математичними моделями при відсутності необхідних
первинних перетворювачів; програмно компенсувати несправності.
В останні роки використовують методи сучасної теорії управління складними
об'єктами, оцінки їх стану та параметрів, адаптивного налаштування параметрів
цифрових регуляторів та ін. Рано чи пізно перед кожною компанією постає питання
про підвищення ефективності управління своїми технологічними процесами.
Вирішення подібних завдань пов'язане з багатьма важливими питаннями, такими
як інтеграція автоматизованих систем управління, організація збору даних різних
параметрів роботи обладнання, моніторинг цих параметрів і т.д. Виходячи з
вищесказаного, актуальність зі створення універсальних систем збору та
моніторингу технологічних даних у майбутньому лише зростатиме.
Мета даної кваліфікаційної роботи бакалавра – проектування
автоматизованої системи збирання та реєстрації технологічних параметрів від
пов'язаних чи розрізнених технологічних процесів.
Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити наступні завдання:
− організувати збирання інформації про параметри роботи обладнання з
використанням технологій «клієнт-сервер», апаратних та програмних
засобів комунікацій;
− надання зібраної інформації на єдиному сервері в базу даних (БД);
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 4
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− реалізація додаткових функціональних можливостей, таких як
формування звітів, вибірка даних, побудова графіків та експорт у файли.
Для вирішення вищезазначених завдань проаналізовано відповідну
літературу, розглянуто різні інструменти для створення подібних систем, а також
існуючі програмні продукти.
Об'єктом дослідження є процеси збору і обробки даних в автоматизованих
системах.
Предметом дослідження є автоматизована система управління параметрами
технологічних процесів.
Для розв’язання поставлених завдань були використані теорії аналізу та
синтезу, теорії інформації, алгоритмів, обробки сигналів, моделювання та систем
управління базами даних.
Результати кваліфікаційної роботи доповідалися і обговорювалися на
студентських і наукових конференціях:
− ІV Всеукраїнська науково-практична інтернет-конференція «Сучасні
технології в енергетиці, електромеханіці, системах управління та
машинобудуванні», 25-26 листопада, м. Бахмут, 2021;
− дні студентської науки ЧДТУ, 19-22 квітня, м. Черкаси, 2022;
− IX Міжнародна науково-технічна Internet-конференції «Сучасні методи,
інформаційне, програмне та технічне забезпечення систем керування
організаційно-технічними та технологічними комплексами», 25
листопада 2022 р., м. Київ), 2022.
Результати досліджень опубліковані в:
1. Модернізація системи управління вертикально-свердлильного верстата /
О. В. Нечипоренко, Д. А. Семененко // Сучасні технології в енергетиці,
електромеханіці, системах управління та машинобудуванні: Матеріали ІV
Всеукраїнської науково-практичної інтернет-конференції (м. Бахмут, 25-
26 листопада 2021 р.) / Навчально-науковий професійно-педагогічний
інститут Української інженерно-педагогічної академії. – Бахмут: ННППІ
УІПА, 2021. – С. 108-109.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 5
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2. Modernization of the control system of the electrical equipment of the vertical-
drilling machine 2P125 / D. A. Semenenko, О. V. Nechyporenko // Збірник тез
доповідей студентської науково-практичної конференції ЧДТУ: 19–22
квітня 2022 р. [Електронний ресурс] / МОНУ, ЧДТУ. – Черкаси: ЧДТУ,
2022. – C. 47.
3. Nechyporenko O. V. Improvement of the control system of the electrical
equipment of the metalworking machine / O. V. Nechyporenko,
D. A. Semenenko, V. Yu. Dudin // Матеріали IX Міжнародної науково-
технічної Internet-конференції «Сучасні методи, інформаційне, програмне
та технічне забезпечення систем керування організаційно-технічними та
технологічними комплексами», 25 листопада 2022 [Електронний ресурс].
– К: НУХТ, 2022. – С. 147-148.

Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 6
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1 АНАЛІЗ ПРЕДМЕТНОЇ ОБЛАСТІ

Перш ніж приступати до створення автоматизованої системи збору та
реєстрації технологічних параметрів, необхідно докладно вивчити об'єкти, які
виступатимуть як джерела даних.

1.1 Автоматизовані системи керування технологічним процесом
Досвід експлуатації різного обладнання показує, що людський фактор є
основною причиною неефективності експлуатації та пошкодження обладнання.
Щоб покращити роботу та безпеку установок, а також підвищити експлуатаційну
готовність та знизити витрати на технічне обслуговування, необхідно
сфокусуватися на підходах, спрямованих на обмеження наслідків людської
помилки.
Очевидно, що власники промислових об'єктів хочуть, щоб їхнє обладнання
забезпечувало максимальну продуктивність за мінімальних виробничих витрат.
Цього можна досягти, використовуючи такі методи:
− підвищення якості виконання процесу;
− знижене споживання енергії;
− моніторинг технологічних процесів та його оптимізація;
− збільшення терміну експлуатації обладнання.
Усе це забезпечується за допомогою інтеграції АСУ ТП (автоматизованих
систем управління технологічним процесом). АСУ ТП – це комплекс, що
складається з технічних та програмних засобів, призначений для автоматизації
керуючих впливів, що передаються технологічному обладнанню на промислових
об'єктах.
Система управління технологічним процесом має таку структуру:
− програмований логічний контролер (ПЛК), у якому реалізуються
алгоритми управління;
− виконавчі механізми, які перетворюють сигнали ПЛК в електричні
сигнали, таким чином реалізують роботу кінцевих елементів управління;
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 7
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− датчики, що вимірюють та передають технологічну інформацію;
− програмні та технічні комплекси, що супроводжують верхній рівень для
віддаленого моніторингу за об'єктом, управління та інтеграції із
системами інших рівнів.
Узагальнена структура АСУ ТП наведено на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 – Узагальнена структурна схема АСУ ТП

З рис. 1.1 видно, що АСУ ТП будуються за принципом трьох рівнів:
верхнього, середнього та нижнього.
Нижній рівень АСУ ТП (польовий рівень) містить різні типи датчиків та
виконавчих пристроїв, з яких збираються дані про технологічні параметри.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 8
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Середній рівень АСУ ТП (рівень контролерів) складається із ПЛК. На цьому
рівні йде прийом та обробка польових даних, а також передача впливів, що
управляють, на нижній рівень. Управління ПЛК реалізується за заздалегідь
спроектованим алгоритмом.
Верхній рівень АСК ТП (рівень операторських станцій). На цьому рівні
задіяно диспетчерський персонал. Він здійснює контроль обладнання через
людино-машинний інтерфейс (HMI – Human Machine Interface). Він складається з
моніторів та планшетів, які встановлюються на пультах та шафах автоматики. Для
контролю за розподіленою системою машин, механізмів та агрегатів застосовується
SCADA (Supervisory Control And Data Acqusition – диспетчерське управління та
збирання даних). SCADA система є комплексом програмного забезпечення (ПЗ),
яке конфігурується і встановлюється на диспетчерських станціях. SCADA
забезпечує збір, архівацію та візуалізацію даних з ПЛК. При отриманні даних
система самостійно порівнює їх із заданими межами керованих параметрів і при
відхиленні повідомляє оператора, дозволяючи йому вжити необхідних дій. При
цьому система записує всі, включаючи дії оператора, забезпечуючи контроль дій у
разі аварії чи іншої нештатної ситуації.
Роль АСУ ТП як джерело даних для систем інших рівнів
Між рівнями АСУ ТП та вищими системами планування виробництва існує
багато ручної роботи з написання звітної документації, паперових журналів,
режимних листів тощо. Ці проблеми було вирішено із впровадженням MES систем,
які забезпечували обробку даних, пов'язану з технологічними процесами в
автоматизованому режимі.
MES (Manufacturing Execution System – Система управління виробничими
процесами) – дана система є комплексною та поєднує все виробництво (рис. 1.2).
За допомогою MES-систем люди можуть отримувати різну інформацію про
виробничі процеси підприємства. Такі системи особливо потрібні на
підприємствах, де функціонує безліч локальних АСУ ТП, не пов'язаних між собою.
Інтеграція MES-систем та АСУ ТП дозволить у рази збільшити ефективність
роботи.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 9
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 1.2 – Взаємодія систем різних рівнів

Слід докладніше зупинитися на зв'язку АСУ ТП із MES-системами. Зв'язок
між цими системами односторонній, з АСУ ТП до MES надходить інформація про
технологічний процес, але з MES жодна інформація не буде передана на рівень АСУ
ТП. Це дозволяє убезпечити контур управління і не втручатися в його роботу, а
лише отримувати інформацію про перебіг технологічних процесів.
Виходячи з наведеної вище інформації стає ясно, що актуальність АСУ ТП у
ролі джерела інформації для вищих систем буде лише рости, інтеграція АСУ ТП у
виробництво не є кінцевим ступенем автоматизації.

1.2 Структура сучасних системи керування складними розподіленими
об'єктами
Системні блоки розташовані в стійках, що замикаються, для обмеження
можливості доступу. Периферійне устаткування винесено на конкретні робочі
місця. Також є резервні робочі станції, які дублюють функції основних, вони будуть
задіяні у разі виходу з ладу основних.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 10
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Шлюз
Шлюз – серверна частина, призначенням якої є збирання даних із ПЛК, і
навіть передачі управляючих впливів. Збір даних із контролерів відбувається
періодично. Результатом опитування є масив даних, у якому шлюз надає кожній
змінній отримане з контролера значення, мітку часу отримання цього значення і
умовний код достовірності даних. Ініціативні повідомлення контролерів містять
значення та мітку часу, присвоєні самим джерелом.
При запуску шлюз формує конфігураційні файли і передає їх джерелу даних.
Також шлюз здійснює перевірку зв'язку з джерелами даних та оцінку наявності змін
значень параметрів для формування діагностичної інформації.
Керуючі дії з операторської станції є, по суті, інструкцією із запису значення
певної змінної. Шлюз забезпечує передачу цих інструкцій контролеру за його
протоколами зв'язку. Дані з контролерів, команди з операторських станцій, події про
порушення зв'язку з контролерами шлюз передає в архів.
Діагностика роботи шлюзу полягає у аналізі повідомлень, що видаються
компонентом. Повідомлення можуть переглядатися або у вікні шлюзу (компонент
повинен бути запущений як консольний додаток), або у логах. Дані повідомлення
призначені як для оперативного контролю, так і для аналізу несправностей, що
виникають у процесі роботи шлюзу.
Архівна станція
Архівна станція – клієнтська програма, яка призначена для довготривалого
зберігання історії зміни технологічних параметрів. Запис даних проводиться на
жорсткий диск комп'ютера. Для найбільш відповідальних застосувань, у яких є
неприпустимою втрата архівної інформації, архівна станція може дублюватися або
резервуватися.
Архівна станція забезпечує високу швидкість запису значень технологічних
параметрів за секунду. Дозволяється вилучати окремі файли архіву та знову
підключати їх. Такий сервіс дозволяє періодично скидати дані з комп'ютера архівної
станції на будь-який інший носій. При нештатному завершенні роботи архівної
станції (наприклад, при аварійному вимкненні комп'ютера) гарантовано
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 11
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

збереження всіх даних, що надійшли протягом останніх 10 секунд, що передували
такому завершенню.
Архів є впорядкованим набором файлів. У файлах архіву містяться записи
двох типів, причому записи кожного типу записуються у свій файл:
− сигнали про стан об'єкта;
− дії операторів.
Перший тип даних представлений ідентифікатором параметра, значенням,
фільтром якості та міткою часу. Другий тип даних, крім тих же: мітки часу, значення
та ідентифікатора параметра, містить ідентифікатори користувача та терміналу.
Мнемонічний інтерфейс для взаємодії з оператором
Інформація, що відображається на мнемосхемі, може візуалізуватися у
вигляді аналогових, дискретних та релейних сигналів, а також графічно.

Рисунок 1.3 – Мнемосхема на прикладі турбоагрегатора

Доступно відображаючи загальну структуру технологічної системи,
мнемонічна діаграма допомагає оператору запам'ятовувати схеми об'єктів,
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 12
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

взаємозв'язки між різними параметрами, призначення інструментів та елементів
управління технологічними процесами. У процесах управління об'єктами
мнемосхема для оператора є ключовим джерелом інформації про поточний стан
технологічного процесу, також вона надає оператору важливу інформацію про
порушення технологічних режимів, аварії тощо.
На мнемосхемах відображено безліч сигналів і стан виконавчих механізмів.
Мнемосхеми відображають інформацію як про загальний стан технологічних
процесів, так і стан окремо виділених вузлів, значень параметрів, пристроїв і т. д.
Приклад мнемосхеми наведено на рис. 1.3.
Довідкові матеріали на мнемосхемах повинні розташовуватися в окремих
формах і максимально швидко виводитися на екран.
Мнемосхеми полегшують роботу операторам, які обробляють великі обсяги
інформації, що входить, вони полегшують запити на пошук інформації. Також вони
допомагають операторам обробляти інформацію, що надходить, і її логічно
організовувати, спрощують проведення технічної діагностики при відхиленні
процесів від заданих значень, забезпечують підтримку у формуванні керуючих
впливів і прийнятті оптимальних рішень.

1.3 Протоколи отримання даних від АСУ ТП
Внаслідок постійних модернізацій сучасних АСУ ТП все частіше
зустрічаються завдання щодо створення промислових мереж з гнучкими
протоколами обміну даними. Для розгортання промислових мереж існує безліч
протоколів обміну даними, наприклад, Modbus, Ethernet, Profibus і т.д.
Протоколи обміну даними необхідні для наступних задач:
− обмін даними з різними датчиками та виконавчими механізмами;
− обмін даними між ПЛК;
− обмін даними між різними рівнями АСУ ТП;
− обмін даними з вищими системами MES та ERP тощо.
Протоколи розроблені з урахуванням надійності та можливістю роботи в
жорстких умовах, також вони повинні задовольняти такі параметри, як простота
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 13
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

інтеграції та обслуговування, гнучкість у побудові, а також хороші функціональні
можливості.
Розглянемо протоколи обміну на прикладах найпоширеніших у промисловій
автоматизації варіантів: Modbus, Profibus та Ethernet.
Протокол обміну даними Modbus
Комутаційний протокол обміну даними Modbus широко застосовується до
АСУ ТП промислових об'єктів. Існує кілька варіантів протоколу Modbus,
розглянемо найбільш поширені, які здійснюють передачу даних по радіо та
оптичним лініям зв'язку (Modbus RTU, Modbus ASCII та Modbus TCP).
Modbus TCP передає дані по мережах Ethernet поверх TCP/IP, на відміну від
Modbus RTU і Modbus ASCII, які використовують фізичні інтерфейси RS232, RS485
і RS422.
Modbus RTU і Modbus ASCII розрізняються способом кодування інформації,
що передається. ASCII використовує для кодування таблиці ASCII, у ній кожному
символу відповідає два байти даних. RTU передає дані двійковими символами з
розрядністю 8 – це забезпечує швидкість передачі вище, ніж у аналога з
використанням таблиці ASCII.

Рисунок 1.4 – Сумісність протоколів Modbus

Сімейство протоколів Modbus використовує один прикладний протокол
зв'язку, завдяки чому забезпечується їхня сумісність (рис. 1.4).
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 14
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Максимальна кількість вузлів у мережі даного протоколу – 31. У мережі
Modbus її елементи взаємодіють за допомогою «клієнт-серверної» архітектури, яка
складається із запиту та відповіді, де передача здійснюється пакетами даних.
Приклад пакета даних протоколу Modbus RTU представлено на рис. 1.5.

Рисунок 1.5 – Пакет даних протоколу Modbus RTU

де, Slave ID – адреса пристрою; код функції – визначає функціональну можливість
запиту; спеціальні дані – передані в пакеті дані; CRC – контрольна сума для
перевірки достовірності даних.
У мережах Modbus є один головний пристрій (master) і кілька підлеглих
пристроїв (slave). Головний пристрій формує запит, а підлеглі відповідають на цей
запит, відправляючи дані чи виконують відповідку дію. Головний пристрій може
звертатися за індивідуальною адресою одного підлеглого пристрою або робити
масове розсилання запиту.
Простота інтеграції протоколу Modbus обумовлена тим, що він має дуже
широке поширення серед розробників устаткування промислової автоматизації.
Технічне оснащення більшості виробників підтримує протокол обміну даними.
Протокол обміну даними Profibus
Поруч із протоколом Modbus, також достатнього поширення отримав такий
протокол обміну даними, як Profibus. Спочатку цей протокол обміну розроблено
фірмою Siemens для своїх ПЛК. Profibus дозволяє об'єднати різні пристрої
автоматизації на польовому рівні (рис. 1.6), такі як датчики, виконавчі механізми
тощо. Мережа Profibus базується на кількох протоколах обміну даними. У
протоколах DP (Decentralized Peripheral) і PA (Process Automation), також як і у
протоколі Modbus здійснюється обмін між провідним і веденим пристроями. У
протоколах FDL (Fieldbus Data Link) та FMS (Fieldbus Message Specification)
здійснюється обмін даними між безліччю провідних пристроїв.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 15
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 1.6 – Структурна схема мережі Profibus

Протокол Profibus FDL (Fieldbus Data Link – Канал передачі даних)
використовує метод доступу за допомогою маркера «token». У ньому провідний
пристрій керує шиною даних. Коли провідний пристрій займає шину, може
передавати дані без віддаленого запиту на них. Ведені пристрої не можуть займати
шину, вони тільки приймають дані по ній або надсилають запити провідного
пристрою за його запитами. У мережі Profibus можна використовувати відразу
кілька протоколів обміну, далі описані кожен із протоколів.
Profibus DP (Decentralized Peripheral – Розподілена периферія) – цей протокол
розрахований на зв'язок провідного DP-пристрою та керованими пристроями
введення-виведення. Протокол забезпечує швидкісний обмін між провідним та
веденим пристроями.
Profibus PA (Process Automation – Автоматизація процесу) – протокол обміну
для обладнання, що знаходиться на польовому рівні. Протокол забезпечує
підключення однією шиною (лінійне або кільцеве) різних пристроїв.
Profibus FMS (Fieldbus Message Specification – Специфікація повідомлень
польового рівня) – протокол забезпечує зв'язок інтелектуальних мережевих
пристроїв, таких як ПЛК, людино-машинного інтерфейсу та пристроїв на
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 16
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

польовому рівні. Цей протокол є аналогом промислового Ethernet, який
застосовується для зв'язку ПЛК і АРМ.
Всі наведені вище протоколи використовують однакові методи передачі
інформації і один метод захоплення шини, завдяки цьому здатні функціонувати на
одній шині.
Основна частка технічного обладнання, що використовує протокол Profibus,
– це обладнання компанії Siemens. Цей протокол отримав широке застосування і в
інших виробників обладнання завдяки поширеності АСУ ТП на базі ПЛК компанії
Siemens.
Протокол обміну даними Ethernet/IP
Протокол обміну Ethernet/IP розроблено компанією Rockwell Automation. Цей
протокол використовує стек TCP (Transmission Control Protocol) і UDP (User
Datagram Protocol), який розширено до роботи з АСУ ТП. UDP використовує стек
такого протоколу, як CIP (Common Interface Protocol), який реалізується поверх
TCP/IP.

Рисунок 1.7 – Структурна схема мережі Ethernet/IP
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 17
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Однією з основних переваг специфікації Ethernet/IP є його
загальнодоступність. Топологія цієї мережі може будуватися кільцем, зіркою чи
шиною.
Ethernet/IP дає можливість здійснювати доставку даних, де ключовим
критерієм є час доставки. Інформація, для якої не критичний час доставки може
передаватися за допомогою пакетів TCP. Там, де важлива швидкість доставки
інформації, використовується протокол UDP. Це необхідно для обміну даними ПЛК
з різними пристроями введення/виведення, за допомогою яких здійснюється зв'язок
з датчиками та виконавчими механізмами. Приклад побудови мережі Ethernet/IP
наведено на рис. 1.7.

1.4 Фізичні інтерфейси в АСУ ТП
Фізичний інтерфейс передачі забезпечує передачу даних у двійковому
вигляді. Виходячи з методів передачі даних, існують послідовні та паралельні
інтерфейси.
Паралельний інтерфейс – забезпечує передачу даних відразу за кількома
лініями зв'язку. Послідовний інтерфейс забезпечує послідовну передачу даних по
одній лінії зв'язку.
Методи передачі:
− симплексний (односпрямований);
− напівдуплексний (почергова передача);
− дуплексний (двонаправлений).
Розрізняють кілька режимів передачі:
− асинхронний (перед початком кожного біта присутній стартовий біт за
яким йдуть біти даних, далі біт парності та стоп-біт);
− синхронний (на початку посилки є синхробайт, в даному режимі
необхідний зовнішній синхронізуючий пристрій).
При асинхронному методі (рис. 1.8) передачі кожним символом виступатиме
окрема посилка. Стартові біти служать для визначення початку передачі. За
стартовими бітами буде передано сам символ. Після передачі символу передається
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 18
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

біт-парності (1 – кількість одиниць непарна, 0 – кількість одиниць парна). За бітом
парності, останнім бітом передається сигнал про закінчення посилки. Метод
асинхронної передачі використовується в системах, де не потрібна висока
швидкість передачі даних, а самі дані передаються не завжди, а іноді.

Рисунок 1.8 – Асинхронна передача даних

При синхронному методі передачі – дані посилаються блоками. Для
синхронізації передавальних та приймаючих пристроїв використовуються біти
синхронізації. За бітами синхронізації передаються дані. Після передачі даних
слідує код виявлення помилки. Завершує посилку символ кінця передачі.

Рисунок 1.9 – Синхронна передача даних

Розглянемо фізичні інтерфейси з загальнопоширених варіантів RS232 і
RS485.
Фізичний інтерфейс RS232
RS232 (Recommended Standard 232) – цей стандарт описує інтерфейс для
двонаправленої послідовної передачі між терміналом та кінцевим пристроєм.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 19
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Основні функції інтерфейсу RS232:
− відстань до 15 м;
− можливість підключення лише одного пристрою;
− працює в режимі «провідний – ведений»;
− може працювати в синхронному та асинхронному режимах;
− швидкість до 115200 біт/с;
− апаратний та програмний методи управління.
RS232 є дуплексним (двонаправленим) інтерфейсом. Передача інформації
здійснюється через кабель з використанням двополярної напруги. Логічному «0»
еквівалентна напруга від +3 до +15 В, а логічній «1» від -3 до -15 В відповідно
(рис. 1.10).

Рисунок 1.10 –Полярність сигналу інтерфейсу RS232

Фізичний інтерфейс RS485
RS485 (Recommended Standard 485) – фізичний рівень стандарту
асинхронних інтерфейсів. Є загальнопоширеним інтерфейсом для пристроїв АСУ
ТП.
Основні функції інтерфейсу RS485:
− відстань до 1200 м;
− можливість підключення до 256 пристроїв;
− робота в режимах «ведучий – ведені»;
− швидкість до 115200 біт/с;
− необхідність узгоджувального резистора.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 20
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

RS485 є напівдуплексним (почергова передача) інтерфейсом, має
диференціальну лінію зв'язку, передача здійснюється за кількома лініями (А та B).
Також підтримує роботу в дуплексному режимі (двонаправлений), якщо
використовується чотири лінії. Логічний «0» розраховується, як A <−200 мВ.
Логічна «1» розраховується, як A −> 200 мВ. Амплітуда сигналу інтерфейсу RS485
становить від 0 до 5 (рис. 1.11).

Рисунок 1.11 – Полярність сигналу інтерфейсу RS485

1.5 Інформаційні системи у структурі АСУ ТП
Більшість розробників ПЗ АСУ ТП пропонують різні системи архівування
великих обсягів технологічної інформації в реальному часі. Особливо важливим
завданням збереження технологічної інформації є моменти, коли обладнання може
працювати не в штатному режимі, наприклад такі випадки неминучі при запуску
нового виробництва. Як правило, в АСУ ТП великих розмірів використовують бази
даних (БД) реального часу, так як традиційні БД не можуть забезпечити запис
великих масивів інформації в режимі реального часу.
Використання БД в АСУ ТП вирішує такі завдання:
− збереження в архівах оперативних даних;
− збереження конфігураційної інформації;
− зберігання масиву миттєвих значень даних.
Дані про стан промислового об'єкта містять інформацію про технологічний
процес та історію про функціонування цього процесу.
Сигнали, що обробляються БД представлені у трьох видах:
− БД миттєвих значень сигналів (актуальна інформація про технологічні
параметри);
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 21
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− БД, що містить історію значень сигналів (історична інформація про
технологічні параметри за якийсь певний проміжок часу);
− БД архівних значень інформації про технологічні параметри
(повідомлення про сигналізацію, системи авторизації доступу тощо).
БД миттєвих значень сигналів ґрунтується на програмній розподіленій
сигнальній шині даних. Підхід з сигнальною шиною даних дозволяє отримати
сигнал, що містить код, статус і значення.

Рисунок 1.12 – Інформаційна система АСУ ТП промислових об'єктів

БД, що містить історію значень сигналів, включає дані, отримані в попередні
моменти часу, такі як значення сигналів, повідомлення і дані про дії операторів. БД
історичних значень будуватиметься на основі БД миттєвих значень сигналів.
БД архівних значень реалізує архівацію даних, отриманих у попередній час.
Архіви є файлами бази даних, які зберігаються на окремих носіях. Щоб не
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 22
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

переповнювати бази мільйонами рядків, на основному носії встановлено БД, що
містить інформацію про технологічні процеси від 2 до 6 місяців. Коли підходить
термін, файли БД переміщують з основного носія на окремі, які утворюють носії
архівних даних. Узагальнена структурна схема інформаційної системи (ІС) АСУ ТП
наведено на рис. 1.12.

1.6 Системи зберігання різнорідних даних від джерел інформації на
серверах
У процесі консолідації великих масивів даних про технологічні параметри з
АСУ ТП постає закономірне питання, де зберігати такий великий обсяг даних.
Зберігання даних – завдання, з яким рано чи пізно стикається будь-яке
підприємство, на якому впроваджено інформаційні системи.
Система зберігання даних (СЗД) є об'єднання програмних і апаратних рішень
для зберігання великого обсягу інформації. Ця система має бути ефективно
спроектована, щоб забезпечити надійне зберігання та швидкий доступ до даних.
Одними з ключових вимог, що висуваються до СЗД, є масштабованість,
відповідність безпечним та інформаційним стандартам.
СЗД організовані із серверів та накопичувачів, а також інфраструктури, що
забезпечує між ними зв'язок. Варіанти організації підключення:
− кластерне, організація підключення за рахунок кластерів (підмереж);
− зовнішнє, накопичувачі підключаються до серверів через засоби шин;
− внутрішнє, накопичувачі встановлені на сервері.

Рисунок 1.13 – Приклад технології DAS
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 23
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Можна виділити кілька технологій зберігання даних. DAS (Direct Attached
Storages), накопичувачі (внутрішні або зовнішні) підключаються безпосередньо до
сервера, найпростіший у виконанні та найдешевший спосіб. Прикладом такої
системи може бути підключений один диск усередині сервера (рис. 1.13).
Інтерфейси, які використовуються для підключення накопичувачів: SATA, PATA,
SCSI і т.д.
NAS (Network Attached Storage), сховище підключаються по мережі,
найчастіше через локальну комп'ютерну мережу, швидкість читання та запису
даних обмежується мережею (рис. 1.14). Проектування NAS-систем здійснюється
таким чином, щоб вся їхня потужність фокусувалася на операціях обслуговування
та зберігання даних. Операційна система у такому сховищі встановлюється на
флеш-пам'ять. На даний момент більшість NAS-пристроїв використовують Ethernet
(Gigabit або Fast) поверх протоколу TCP/IP. Доступ до NAS-пристроїв здійснюється
за допомогою спеціалізованих протоколів CIFS, NFS та DAFS.

Рисунок 1.14 – Приклад технології NAS
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 24
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

CIFS (Common Internet File System System – загальна файлова система
інтернету) – даний протокол забезпечує віддалений доступ до файлів на інших
комп'ютерах, використовується клієнт-серверна модель.
NFS (Network File System – мережна файлова система) – зазвичай
застосовується на UNIX платформах, даний протокол являє собою сукупність
файлової системи та мережі.
DAFS (Dicrect Access File System – прямий доступ до файлової системи) –
протокол доступу до файлів заснований на базі NFS.
SAN (Storage Area Network), рішення, що представляє собою мережеву
інфраструктуру для зберігання даних. Тут застосовується гнучкий протокол Fibre
Channel, що забезпечує можливість роботи на великій відстані, у ньому
застосовуються оптоволоконні кабелі, за рахунок чого організується висока
швидкість доступу до даних. Побудова топології мережі здійснюється за
допомогою тих самих рішень, як і звичайні локальні мережі, із застосуванням
комутаторів і маршрутизаторів.
Приклад SAN-мережі з урахуванням стандарту Fibre Channel наведено на
рис. 1.15.

Рисунок 1.15 – Приклад технології SAN

Під час створення СЗД насамперед враховуються такі технологічні аспекти,
як розміри сховища. Вартість створення та обслуговування СЗД буде залежати від
масштабів та використаних методів, описаних вище.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 25
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2 ПРОЕКТУВАННЯ ОРГАНІЗАЦІЇ СИСТЕМИ ЗБИРАННЯ ТА РЕЄСТРАЦІЇ
ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ

Перед створенням системи збору та реєстрації технологічних параметрів,
необхідно проаналізувати та вибрати найбільш підходящі програмні продукти для
реалізації даної системи. Буде проаналізовано та підібрано такі інструменти:
система управління базами даних та різне ПЗ взаємодії системи управління базами
даних з апаратною частиною.

2.1 Аналіз систем управління базами даних
Система управління базою даних (СУБД) – це програмний комплекс, що
використовується для створення БД та управління ними. За допомогою СУБД
можна створювати БД, редагувати їх, видаляти, робити резервні копії тощо. СУБД
забезпечує цілісність, збереження та безпеку для даних у БД, також дозволяє
розмежувати права доступу до даних.
СУБД реалізує безліч функцій:
− доступ до даних, які можуть бути розміщені на зовнішніх накопичувачах;
− доступ до даних, які знаходяться в оперативному пристрої (ОЗП) із
застосуванням дискового кеша;
− ведення різних звітів (зміна, бекапи, резервні копії даних);
− сумісність безлічі мов БД (для задання типів даних та іншої роботи з
ними).
У СУБД входять такі компоненти:
1. Ядро. Реалізує звітність та управління даними, що знаходяться в ОЗП, а
також на різних зовнішніх накопичувачах.
2. Процесор мови БД. Призначений для роботи із запитами на створення,
редагування та вибірку даних.
3. Система підтримки часу виконання. Інтерпретує різне програмне
забезпечення для роботи з БД, також дозволяє створювати інтерфейси для
СУБД.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 26
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

4. ПЗ підтримки. Набір підпрограм, що розширює можливості роботи із
СУБД.
Розрізняють різні типи СУБД, класифікація їх типів залежить від моделі
даних, що використовується у тій чи іншій СУБД.
Існують такі типи СУБД:
− ієрархічні, БД представлена у вигляді деревоподібної структури, що має
одного «предка» та кілька «нащадків»;
− мережеві, що розширює попередній підхід, у цій структурі «нащадки»
можуть мати кілька «предків»;
− реляційні дані зберігаються в таблицях, які можуть бути пов'язані між
собою;
− об'єктно-орієнтовані, БД в основі яких лежать об'єктно-орієнтовані мови;
− об'єктно-реляційні, поєднує в собі реляційну та об'єктно-орієнтовану
моделі.
Також СУБД розрізняють щодо надання доступу до БД:
− вбудовані, СУБД пов'язана з прикладним ПЗ, як правило, функціонує на
одному сервері (комп'ютері);
− клієнт-серверні, всі обчислення проводяться на сервері, клієнт
організовує доступ користувача до сервера;
− файл-серверні, файли з даними розміщуються на сервері, доступ СУБД до
даних організується через локальну мережу.
За рівнем розподіленості СУБД розрізняють:
− розподілені (складові однієї СУБД можуть перебувати на різних
серверах);
− локальні (всі складові СУБД знаходяться на одному сервері).
При виборі СУБД для системи збору та реєстрації технологічних параметрів
необхідно розглянути кілька варіантів і вибрати найбільш підходящий.
PostgreSQL
PostgreSQL – це система управління базами даних, заснована на об'єктно-
реляційному підході. У PostgreSQL використовується мова SQL (Structured Query
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 27
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Language), за рахунок чого СУБД має численні можливості. Мова SQL є
загальноприйнятим інтерфейсом до БД.
Переваги PostgreSQL:
− можливість роботи з БД необмежених розмірів;
− наявність механізмів транзакції;
− підтримка модулів, написаних мовою С;
− успадкування;
− легка масштабованість.
Обмеження PostgreSQL:
− максимальні розміри таблиць 32 Тбайт;
− максимальні розміри записів 1.6 Тбайт;
− максимальні розміри полів 1 Гбайт;
− максимальна кількість полів у записі 250-1500 (залежить від типів даних,
що використовуються в полях);
− кількість індексів у таблиці не обмежена;
− кількість записів у таблиці не обмежена.
Функції в PostgreSQL це код, що виконується на стороні сервера, який
дозволяє не завантажувати клієнт обчислювальними операціями. У функціях
використовується як мова SQL, так і деякі мовні розширення, оскільки присутня
реалізація переходів і циклів за межі SQL. Також функції можуть повертати масив
даних, який надалі може бути використаний, як результат виконання стандартного
запиту. Виконання функцій може здійснюватися як з правами їх адміністратора, так
і з правами поточного користувача.
Тригери в PostgreSQL визначаються функціями, які ініціюються DML (Data
Manipulation Language – Мова маніпуляції даними). Наприклад, така операція як
INSERT може запустити тригер, який перевірить додані записи на відповідність
умовам. Тригери асоціюються із таблицями. Якщо тригерів безліч, всі вони будуть
виконані в алфавітному порядку.
Механізми правил у PostgreSQL, це механізми створення
користувальницьких обробників не тільки для DML-операцій, але і для операцій
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 28
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

вибірки. Механізми правил у PostgreSQL відрізняються від тригерів тим, що
правила обробляються на етапі аналізу запиту, до початку процесу виконання. Це
дозволяє перевизначати поведінку системи під час виконання SQL запитів до
таблиць.
Багатоверсійність у PostgreSQL дозволяє декільком користувачам одночасно
модифікувати БД, це досягається за допомогою механізму Multiversion Concurrency
Control (MVCC).
PostgreSQL можна розширювати для потреб в різних аспектах. Існує
можливість додавання власних перетворень типів даних, функцій, індексів,
операторів (з перевизначенням наявних) і т.д. Спадкування в PostgreSQL
реалізовано лише на рівні таблиць. Таблиці можуть використовувати поля інших
таблиць. При цьому дані, додані до породженої таблиці, автоматично братимуть
участь у запитах до батьківської таблиці.

Рисунок 2.1 – Графічний клієнт pgAdmin

Для адміністрування БД використовується графічний клієнт pgAdmin
(рис. 2.1). За допомогою графічного клієнта можна зручно створювати, змінювати
та видаляти БД.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 29
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

СУБД PostgreSQL відрізняється в першу чергу своєю надійністю та
продуктивністю, а також безкоштовною моделлю поширення. Також до переваг
можна віднести створення своїх типів даних, індексів, функцій тощо. Окремо
можна назвати можливість цієї СУБД працювати із слабоструктурованими даними.
Microsoft SQL Server
Microsoft SQL Server – це СУБД, розроблена Microsoft. Ця СУБД
використовує мову запитів Transact-SQL, яка була створена у співпраці Microsoft та
Sybase. Transact-SQL є розширеною версією структурованої мови запитів SQL.
Завдяки використанню мови Transact-SQL СУБД Microsoft SQL Server може
використовувати додатковий синтаксис для процедур, що зберігаються. Також
Microsoft SQL Server підтримує транзакції (взаємодія БД з різними програмами
керування).
Для взаємодії з мережею Microsoft SQL Server використовує протокол TDS
(Tabular Data Stream – протокол передачі табличних даних). Також СУБД MS SQL
Server підтримує інтерфейс ODBC (Open Database Connectivity) для взаємодії зі
сторонніми програмами.
З 2005 року SQL Server отримав можливість підключення користувачів через
веб-сервіси, це дозволило програмам, які працюють не під Windows, підключаться
до сервера.
Microsoft SQL Server може працювати з серверами кластерів. Кластер сервери
– це безліч однакових серверів. Даний підхід дозволяє перерозподілити все
навантаження між безліччю серверів, також це підвищує надійність, так як при
виході одного сервера з ладу, навантаження автоматично перерозподіляється між
серверами, що залишилися.
Для забезпечення надійності СУБД повинні вміти дублювати дані, які у них.
SQL Server може дублювати дані одним із трьох варіантів:
− здійснюється «знімок» БД та відправляється із сервера клієнту;
− БД, розташовані на різних серверах, синхронізуються між собою, при
синхронізації здійснюється звіряння даних;
− всі зміни в БД одразу передаються клієнту.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 30
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Microsoft SQL Server підтримує .NET Framework, це дозволяє написати
збережені процедури БД будь-якою мовою програмування, яка підтримується .NET
Framework. Завдяки цьому Microsoft та іншим компаніям вдалося створити велику
кількість програмних засобів розробки, це дає можливість розробляти різні
програми з використанням БД MS SQL Server.
Для адміністрування БД використовується графічний клієнт SQL Server
Management Studio (рис. 2.2). За допомогою графічного клієнта можна зручно
створювати, змінювати та видаляти БД.

Рисунок 2.2 – Графічний клієнт Management Studio

На відміну від вищезазначеної СУБД PostgreSQL, Microsoft SQL Server є
комерційним продуктом. Є безкоштовна версія «Express Edition». У версії Express
Edition існують технічні обмеження, які дозволяють використовувати безкоштовну
версію для побудови великих БД.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 31
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Oracle
Oracle Database – об'єктно-реляційна СУБД, створена компанією Oracle.
СУБД Oracle складається з фізичних та логічних компонентів.
БД Oracle – це фізична сутність, яка складається з файлів, що зберігаються на
накопичувачах. Примірник Oracle – це логічна сутність, що складається з процесів
та оперативної пам'яті сервера. У користувачів немає доступу до даних, що
зберігаються на сервері, вони запитують цю інформацію у екземпляра Oracle, який
у свою чергу організує функцію «мосту» між сервером та користувачем.
БД Oracle у собі містить:
− табличні простори;
− файли керування;
− журнали;
− архіви;
− резервні копії.
Табличний простір БД Oracle, це логічна структура, що містить файли даних.
Кожен табличний простір може містити кілька файлів з даними, при цьому один
файл даних може зберігатися тільки в одному табличному просторі. При створенні
таблиці необхідно вказати табличний простір, в якому вона зберігатиметься, далі
Oracle знаходить для таблиці місце в одному з файлів даних.
БД Oracle включає такі типи файлів:
− файли керування;
− файли з даними;
− журнальні файли.
У файлах керування зберігається інформація про шлях до інших фізичних
файлів, таких як файли з даними та журнальні файли, всі ці файли входять до
структури БД Oracle.
У файлах керування зберігається така інформація:
− ім'я БД;
− інформація про табличні простори;
− інформація про архівні журнали;
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 32
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− інформація про резервні копії.
Для адміністрування БД використовується графічний клієнт SQL Manager for
Oracle (рис. 2.3). За допомогою графічного клієнта можна зручно створювати,
змінювати та видаляти БД.

Рисунок 2.3 – Графічний клієнт Manager for Oracle

MySQL
MySQL – це реляційна СУБД із відкритим вихідним кодом. MySQL не є
комерційним продуктом і розповсюджується безкоштовно. Як і в PostgreSQL, в
MySQL використовується мова SQL, за рахунок чого дана СУБД має численні
можливості. MySQL одна з найпопулярніших СУБД і зарекомендувала себе в таких
великих корпораціях як Google, Facebook, YouTube і т.д.
Переваги СУБД MySQL:
− на організацію та адміністрування БД йде менше часу, порівняно з
конкурентами;
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 33
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− відкритість вихідного коду, що дозволяє модифікувати СУБД під власні
потреби;
− безкоштовність та підтримка спільнотою розробників у всьому світі;
− швидкість роботи, структура MySQL дозволяє обробляти безліч термінів
та таблиць за короткі проміжки часу;
− має розмежування прав доступу та шифрування, за рахунок чого має
гарну безпеку.
MySQL використовується «клієнт-серверна» модель. З цього випливає, що
СУБД спілкується із сервером мовою SQL:
1. система організує БД на сервері для зберігання інформації;
2. за допомогою команд SQL, клієнти (комп'ютери у мережі) організують
запити на сервер;
3. сервер обробляє запити і видає клієнту ті дані, які були сформовані
внаслідок цього запиту.
Для звернення до MySQL серверу використовуються спеціальні утиліти. На
рис. 2.4 наведено приклад утиліти WorkBench для взаємодії із сервером.

Рисунок 2.4 – Графічний клієнт WorkBench
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 34
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Однак найпопулярнішим рішенням для адміністрування БД MySQL є
phpMyAdmin. Це пов'язано з тим, що він може працювати в браузері та входить до
набору стандартних утиліт LAMP, XAMPP, Denver і т.д.

Рисунок 2.5 – Утиліта phpMyAdmin

На рис. 2.5 наведено інтерфейс утиліти phpMyAdmin для взаємодії з
сервером.
Вибір системи управління базами даних
Так як дані в БД будуть записуватись в реальному часі, то правильним
рішенням буде обрати СУБД з «клієнт-серверною» технологією. Це дозволить
розвантажити клієнтські програми від обчислювальних операцій, які будуть
виконуватися на сервері, а клієнту будуть передавати лише ті дані, які він запросить.
Наприклад, інформацію про технологічні параметри за певний проміжок часу.
Також обрана СУБД повинна задовольняти наступним вимогам:
− мати безкоштовну модель розповсюдження;
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 35
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− відкритість вихідного коду;
− швидкодія;
− стабільність;
− кросплатформність;
− розмежування прав доступу до даних;
− виконання запитів має здійснюватись паралельно з поповненням БД.
Всім перерахованим вище вимогам задовольняють кілька СУБД: PostgreSQL
і MySQL. Якщо розглянути дані СУБД докладніше, можна переконатися, що
MySQL має зручніші засоби адміністрування phpMyAdmin, що дозволяє звертатися
до БД використовуючи лише браузер. У ході подальшої роботи
використовуватиметься СУБД MySQL.

2.2 Інструменти для роботи з пристроями за протоколом Modbus
Як інструмент для обміну даними з апаратним рівнем за протоколом Modbus
було обрано OPC-технологію. OPC (Open Platform Communications) – це програмні
засоби, що надають єдиний інтерфейс для керування об'єктами автоматизації та
технологічними процесами.
Над стандартом OPC працювала міжнародна організація OPC Foundation,
куди входить понад 400 фірм, що працюють у галузі автоматизації та вимірювальної
техніки. Метою стандарту OPC є забезпечення роботи засобів автоматизації,
оснащених різним апаратним устаткуванням у різних промислових мережах.
Стандарт ОРС складається з кількох частин, основними є:
− ОРС DA (OPC Data Access) – специфікація, призначена для обміну даними
між клієнтами (наприклад SCADA-системами) та апаратним оснащенням
(ПЛК, модулі введення-введення та ін.) у режимі реального часу;
− OPC Alarms & Events (A&E) – специфікація призначенням якої є
сповіщати користувача про аварійні ситуації;
− OPC HDA (Historical Data Access) – специфікація для надання доступу до
архівних даних. Забезпечує читання, запис та зміну архівних даних;
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 36
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− OPC Unified Architecture – найновіший набір специфікацій, який не
базується на технології DCOM у Windows, завдяки чому можна
працювати з іншими операційними системами (ОС).
OPC-технологія є клієнт-серверною. Існує сервер, який реалізує обмін
даними між програмною та апаратною складовими. OPC сервер надає дані, які
складаються з трьох полів: значення, якість і час. Клієнтом виступає програмне
забезпечення, яке спілкується за інформацією до OPC серверу.
Існує кілька режимів читання даних з сервера OPC:
− синхронний режим, клієнт відправляє запит і чекає на відповідь від
сервера;
− асинхронний режим, клієнт надсилає запит і далі виконує свою роботу,
після обробки запиту сервер відправляє повідомлення про готовність
надати запитані дані;
− режим передплати, сервер відправляє дані клієнту, лише за умови їх зміни;
− режим оновлення, всі теги на сервері поділяються на пасивні та активні,
клієнт може вимагати одночасне читання всіх активних тегів.
У всіх перерахованих режимах читання з сервера OPC, дані можуть бути
зчитані з кеша OPC або з фізичних пристроїв. Читання з кешу виконується швидше,
але дані, що знаходяться в кеші, можуть застаріти на момент читання. OPC сервер
періодично оновлює дані в кеші, але щоб уникнути сильного завантаження
процесора, теги поділяються на групи, а частота оновлення даних в кеші
налаштовується окремо для кожної групи тегів.
Запис даних у фізичні пристрої може реалізовуватись синхронним та
асинхронним методами. У синхронному режимі запис йде доти, поки з фізичного
пристрою не надійде відповідь про закінчення запису. В асинхронному режимі
клієнт надсилає запит і продовжує працювати, після закінчення запису сервер
надсилає повідомлення.
Також OPC сервер перебирає виконання допоміжних функцій полегшенням
роботи з фізичними пристроями. До таких функцій можна віднести:
− пошук пристроїв в одній промисловій мережі;
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 37
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− встановлення додаткових параметрів (швидкість обміну, адреси регістрів,
наявність контрольних сум тощо);
− створювати ієрархію тегів;
− виводити значення тегів на екран;
− розмежовувати права доступу до сервера.
Клієнтські програми та OPC-сервер можуть працювати як на одному
комп'ютері, так і на різних комп'ютерах в одній мережі Ethernet. Якщо комп'ютерів
кілька, то кожному з них може бути встановлений свій OPC сервер із підключеними
до нього фізичними пристроями. При використанні такої системи будь-який клієнт
може підключатися до будь-якого OPC сервера, якщо вони розташовані в одній
промисловій мережі.
Якщо використовується обладнання різних виробників, можна встановити
відразу кілька OPC серверів від різних виробників, проте у противному разі для
кожного OPC сервера треба буде виділити свій COM порт.
Для нарощування кількості COM портів, можна використовувати
перетворення USB на RS232. Також є можливість використання OPC серверів як
міжмережевих шлюзів, для цього можна підключити до одного комп'ютера відразу
кілька промислових мереж.
Є безліч OPC серверів від різних виробників, нижче будуть розглянуті кілька
найпоширеніших варіантів у промисловій автоматизації та буде обраний найбільш
підходящий під даний проект.
Modbus OPC сервер SNMR
Modbus OPC сервер SNMR призначений для обміну даними між пристроями
з підтримкою протоколу Modbus (RTU, TCP) та більш високого рівня. Цей OPC
сервер підтримує лише протокол OPC DA (Data Access).
До переваг цього OPC сервера можна віднести:
− легке налаштування сервера;
− автоматичний пошук, підключення фізичних пристроїв;
− можливість експорту тегів у формат CSV;
− групове налаштування тегів;
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 38
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− опитування тегів з різною періодичністю.
Також у цьому OPC сервері є вбудований емулятор значень тегів, що
допомагає при тестуванні клієнтських програм. До нестачі даного сервера можна
віднести платну модель поширення та дуже обмежену демоверсію на 20 тегів.
Графічний інтерфейс OPC сервера наведено на рис. 2.6.

Рисунок 2.6 – Інтерфейс OPC сервера SNMR

OPC сервер Lectus
Порівняно з попереднім аналогом, цей OPC-сервер може працювати не тільки
з протоколом OPC DA, але також підтримує роботу з OPC HDA (Historical Data
Access).
Відмінні риси OPC-сервера Lectus у порівнянні з попереднім аналогом:
− розрахунок значень змінних за заданими формулами;
− передача даних на сервери SQL;
− робота в режимі «ведучий-відомий»;
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 39
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− зв'язок із ПЛК через GSM-модеми.
OPC-сервер Lectus включає не тільки стандартні функції OPC-сервера, але і
ряд додаткових функцій, які можуть спростити роботу з промисловим обладнанням.
Основним недоліком цього рішення є те, що продукт є комерційним і
розповсюджується платно, без можливості використання безкоштовної демоверсії.
Графічний інтерфейс OPC-сервера Lectus наведено на рис. 2.7.

Рисунок 2.7 – Інтерфейс OPC-сервера Lectus

Modbus Universal Master OPC сервер
Modbus Universal Master OPC підтримує роботу наступних стандартів обміну
даними:
− ОРС DA – передача поточних даних;
− ОРС HDA – передача архівних даних;
− ОРС UA – уніфікований кросплатформовий стандарт передачі поточних
та архівних даних.
Відмінні риси Modbus Universal Master OPC від попередніх аналогів:
− автоматичне перетворення типів даних;
− підтримка читання поза чергою;
− приведення значень до необхідного діапазону;
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 40
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− виведення окремих бітів у теги;
− підтримка клієнта ODBC.

Рисунок 2.8 – Інтерфейс Modbus Universal Master OPC

Modbus Universal Master OPC є комерційним продуктом та розповсюджується
платно, також надаються безкоштовні варіанти продукту з обмеженнями на 32 теги
або за часом безперервної роботи. Основною перевагою даного рішення щодо
розглянутих є підтримка кросплатформного протоколу ОРС UA. Графічний
інтерфейс Modbus Universal Master OPC наведено на рис. 2.8.
Вибір сервера OPC
Вибраний OPC-сервер повинен поширюватися за безкоштовною моделлю
або мати демоверсію, в якій не буде серйозних обмежень на необхідну в цьому
проекті функціональність. Також вибраний OPC-сервер повинен мати вбудований
симулятор, який імітуватиме значення тегів, що приходять від фізичних пристроїв.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 41
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Це полегшить роботу при тестуванні засобів взаємодії OPC-сервера та СУБД на
етапі створення системи збирання та реєстрації технологічних параметрів.
Крім описаних вище вимог, також вибраний продукт повинен забезпечувати:
− підтримку технології ОРС DA;
− автоматичний пошук підключених фізичних пристроїв;
− групове налаштування тегів;
− опитування тегів у різних режимах;
− підтримку всіх основних типів даних.
Всім наведеним вище вимогам задовольняє Modbus Universal Master OPC
сервер. Окремо можна виділити перевагу даного сервера у підтримці
кроссплатформенного протоколу ОРС UA.
Найчастіше може виявитися так, що на промисловому об'єкті не встановлені
операційні системи компанії Microsoft, це також означає, що там не
підтримуватиметься технологія DCOM, на якій базуються протоколи DDA і ОРС
HDA. Тоді в такій ситуації єдиним рішенням буде використання протоколу ОРС UA.
У ході подальшої роботи буде використовуватися сервер OPC.

2.3 Інструменти взаємодії СУБД та OPC сервера
Для консолідації даних у БД необхідно підібрати програмне забезпечення для
експорту даних з OPC сервера в реальному часі. Програмне забезпечення має
відповідати таким вимогам:
− підтримка інтерфейсу OPC DA;
− експорт у СУБД MySQL;
− швидкодія;
− стабільність.
Виходячи з перерахованих вище вимог підібрано програмне забезпечення
«OPC Data Logger» від компанії Software toolbox.
OPC Data Logger – набір специфікацій, що організовує механізми обміну
даними у системах контролю та управління. Це програмне забезпечення призначене
для збору даних з серверів OPC. Обмін даними відбувається з серверами OPC,
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 42
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

заданими в конфігурації. Після отримання даних з сервера OPC, Data Logger
обробляє їх і передає для подальшого експорту в БД або файли.
OPC Data Logger має такі особливості:
− робота з кількома серверами OPC одночасно;
− підтримка протоколів DA, HDA, UA;
− підтримка безлічі типів даних;
− автоматичне відновлення роботи після втрати з'єднання;
− експорт у БД MSSQL, MySQL, Oracle тощо;
− експорт у файли (txt, Excel тощо);
− наявність зручного інтерфейсу.
Для з'єднання з БД OPC Data Logger використовує драйвер ODBC. Open
Database Connectivity (ODBC) – програмний інтерфейс прикладної програми для
доступу до БД. Наявність драйвера ODBC дозволяє будь-якій клієнтській програмі
отримати доступ до бази даних за допомогою SQL.

Рисунок 2.9 – Структурна схема використання драйвера ODBC
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 43
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Перевагою цієї архітектури у тому, що клієнтське ПЗ не потрібно
налаштовувати під певну СУБД. Структурну схему використання драйвера ODBC
наведено на рис. 2.9.

Рисунок 2.10 – Інтерфейс OPC Data Logger

Графічний інтерфейс програмного забезпечення OPC Data Logger наведено
на рис. 2.10.

2.4 Інструменти для віддаленої взаємодії з сервером
Система збирання та реєстрації технологічних параметрів функціонуватиме
на віддаленому сервері, а доступ до даних буде здійснюватись через віддалене
підключення до СУБД, в яку консолідується інформація.
Для організації віддаленого підключення до СУБД необхідно встановити та
налаштувати Web-сервер. Замість того, щоб встановлювати та налаштовувати
кожен елемент для Web-сервера окремо, у даному проекті використано складання
XAMPP. Ця збірка включає:
− Apache;
− СУБД MySQL;
− PHP;
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 44
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− Perl;
− FTP-сервер;
− SMTP-сервер;
− утиліту phpMyAdmin.

Рисунок 2.11 – Інтерфейс XAMPP Control panel

Абревіатура XAMPP розшифровується – X (Будь-яка ОС), A (Apache), M
(MySQL), P (PHP), P (Perl). Ця збірка встановлює пакет програм і дозволяє не
витрачати багато часу на налаштування окремих компонентів Web-сервера, всі
налаштування виконуються в XAMPP Control panel. Також є можливість вибору
модулів для встановлення, в даному проекті не знадобляться модулі Perl, FTP-
сервера та SMTP-сервера, тому вони не будуть встановлені на сервер. Графічний
інтерфейс XAMPP Control panel представлений на рис. 2.11.

Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 45
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3 РЕАЛІЗАЦІЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ
ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ПРОЦЕСАМИ

3.1 Розробка структурної схеми та алгоритму автоматизованої системи
Завдяки апаратно-програмним компонентам можна побачити специфіку
кожного рівня системи управління технологічними процесами. Кожен ієрархічний
рівень управління включає в себе задачі відповідного рівня складності. Для
ефективного управління енергоефективністю підприємства на рівні технологічних
процесів, автоматизованоа система повинна вирішувати такі завдання:
1. Зберігання, збір та передпроцесування інформації про поточний стан
процесів у реальному часі.
2. Прогнозування, керування технологічними процесами та виконавчими
механізмами.
3. Оптимізація вимірів засобів з урахуванням всіх умов навколишнього
середовища.
4. Системний аналіз та складання балансів споживання та виробництва
енергоносіїв.
5. Інтеграція різноманітної інформації за допомогою Інтернет-серверів та
баз даних.
6. Необхідний рівень захисту інформації від несанкціонованого доступу.
7. Аналіз накопиченої інформації та визначення напрямів зниження
невиробничих та технологічних витрат енергоресурсів.
8. Візуалізація даних про ефективність та представлення результатів у
вигляді діаграм і графіків.
9. Контроль управлінських рішень.
Для вирішення цих задач розроблена структура АСУ ТП, яка представлена на
рисунку 3.1. Структура включає три рівні:
1. Керування механізмами виконання та рівень збору інформації.
2. Контроль та управління різними технологічними процесами.
3. Створення та контроль управлінських рішень.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 46
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Всі рівні системи управління технологічними процесами має свою специфіку
завдяки апаратним та програмним компонентам. Будь-який з ієрархічних рівенів
містить завдання відповідної складності.

Рисунок 3.1 – Структурна схема автоматизованої системи управління
технологічними параметрами

Перший рівень – рівень управління та збору даних виконавчими механізмами.
На даному рівні здійснюється збір технологічної інформації, її опрацювання та
накопичення. Також формуються сигнали для здійснення управління виконавчими
механізмами і технологічними процесами. У сучасних підприємствах, побудованих
останніми роками, збір інформації зазвичай вже передбачений у проектуванні, але
на старіших підприємствах, особливо малих і середніх, можуть бути труднощі з
розгортанням систем збору та обробки даних.
Другий рівень – рівень управління та контролю технологічним процесом. На
даному рівні забезпечується автономність всієї системи при відсутності зв'язку з
вищим рівнем. Тут відбувається контроль і управління технологічним процесом.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 47
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Третій рівень – рівень операторського контролю та створення управлінських
рішень. На цьому рівні забезпечується операторський контроль і формування
управлінських рішень. Цей рівень включає апаратні засоби і автоматизоване робоче
місце оператора.

Рисунок 3.2 – Блок-схема алгоритму роботи автоматизованої системи

При розробці АСУ ТП важливо враховувати особливості підприємства. На
вже існуючих підприємствах, особливо малих і середніх, можуть виникати
труднощі з розгортанням систем збору та обробки даних через їх вартість у
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 48
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

минулому. Такі підприємства можуть мати обмеження у використанні сучасних
технологій і повинні враховувати наступні особливості при створенні АСУ ТП:
1. Застосування технологій, що забезпечують оперативність та простоту
розгортання для моніторингу параметрів технологічного процесу.
2. Відкрита архітектура системи з можливістю масштабування, оскільки
кількість точок вимірювання параметрів може змінюватися.
3. Використання сучасних типових рішень для апаратної частини системи з
метою забезпечення простоти та низької вартості.
4. Використання базових телекомунікаційних протоколів.
Розробка алгоритмів АСУ ТП включає розробку алгоритмів для кожного
рівня системи. Наприклад, перший рівень виконує функції збору даних з датчиків,
впливу на актуатори, автономної роботи, комунікації з вищими рівнями та
виконання команд. Зазвичай елементи першого рівня є однопоточними і виконують
основну програму у безкінечному циклі. Блок-схема алгоритму роботи першого
рівня АСУ ТП наведено на рис. 3.2

3.2 Вибір датчиків фізичних величин
Аналогові датчики є пристроями, які вимірюють і перетворюють фізичні
величини на відповідні аналогові сигнали. Вони використовуються для
спостереження та вимірювання різних параметрів навколишнього середовища,
таких як температура, вологість, тиск, освітленість, відстань та багато інших.
Робота аналогових датчиків базується на принципі зміни електричних
властивостей матеріалів під впливом зміни фізичних параметрів. Вони можуть мати
різні форми і конструкції, залежно від типу вимірюваної величини.
Для обробки аналогових сигналів необхідні аналого-цифрові перетворювачі
(АЦП), які перетворюють аналогові сигнали на цифрову форму для подальшого
аналізу та обробки за допомогою електронних пристроїв.
Аналогові датчики мають свої переваги і недоліки. До переваг належить
висока точність вимірювань у відповідному діапазоні, швидка відгукність на зміни
параметрів та простота використання. Однак, вони також мають певні обмеження,
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 49
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

такі як шум, вплив зовнішніх факторів на якість сигналу, складність калібрування
та складність інтеграції з цифровими системами. Аналогові датчики випускають
аналогові сигнали, які зазвичай представлені у вигляді змінної напруги або струму.
Ці сигнали можуть бути пропорційними до значень вимірюваної величини або
залежати від неї за певним законом. Аналогові датчики мають свої переваги і
недоліки. До переваг належить висока точність вимірювань у відповідному
діапазоні, швидка відгукність на зміни параметрів та простота використання.
На даний день датчики, сумісні з багатьма платформами, зокрема і з Arduino,
стали дуже популярними. Вони не вимагають додаткових перетворювачів для
підключення до мікроконтролерів, що забезпечує їх зручність для швидкого
прототипування. Існує велика кількість різновидів датчиків для вимірювання
різних величин, зокрема модулів вимірювання вологості та температури, таких як
DHT11. (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 – Модуль датчика температури та вологості DHT11

Датчик забезпечує наступні функції:
− Вимірювання відносної температури та вологості.
− Повний діапазон температурної компенсації.
− Велика відстань передачі.
− Вихідний сигнал відразу у цифровому форматі.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 50
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− Низьке споживання енергії.
DHT11 має чутливий елемент, який з'єднаний з 8-розрядним комп'ютером на
одному кристалі. Кожен датчик даної моделі має температурну компенсацію та має
калібрування в калібрувальній камері. Коефіцієнт калібрації зберігається у
вбудованій пам'яті. Завдяки своїм компактним розмірам, низькому
енергоспоживанню та великій відстані передачі (20 м), датчики DHT11 можуть бути
успішно використані в складних умовах.
Основні технічні характеристики цього датчика такі:
− Напруга живлення: 3-5.5V DC.
− Роздільна здатність або чутливість: температура - 0.1°C.
− Чутливий елемент: полімерний резистор.
− Довгострокова стабільність: вологість - 0.5%RH/рік.
− Похибка: вологість - +4%RH (макс - +5%RH), температура - +2.0°C.
− Середній період вимірювання: 2с.
− Діапазон вимірювання: вологість - 20-90%RH, температура - 0-50°C.
− Розміри: 12х15.5х5.5 мм.

Рисунок 3.4 – Тензометричний датчик
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 51
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Також дуже широко знайшли застосування тензометричні датчики (рис. 3.4).
Тензометричний датчик є пристроєм, який використовується для
вимірювання деформацій або напружень у матеріалах. Він базується на ефекті
зміни електричного опору під впливом механічного напруження. Такий датчик
використовується для вимірювання сили, ваги, тиску, розтягу, згину та інших
параметрів, які пов'язані з деформацією об'єкта. Тензометричні датчики зазвичай
складаються з тонких металевих стрічок або фольги, які називаються
тензорезисторами. Ці стрічки мають підвищену чутливість до механічного
напруження і реагують на нього зміною свого електричного опору. Прикладаючи
тензометричний датчик до об'єкта, який піддається деформації, він змінює свою
форму і розтягується або стискається. Тензометричні датчики можуть мати різні
конфігурації, включаючи одноосові, двоосові та багатоосові.
Для подальшої обробки сигналу рекомендується сконвертувати його в
цифрову форму за допомогою аналого-цифрового перетворювача, наприклад,
НХ711.

3.3 Мікроконтролери та аналого-цифрові перетворювачі
При передачі аналогових сигналів через різні канали зв'язку виникають
проблеми з точністю через вплив зовнішніх завад і втрати у лініях передачі. Завади
можуть виникати через електромагнітні шуми, перешкоди від інших пристроїв,
навколишнє електричне та магнітне поля, а також інші навколишні фактори. Це
може призводити до спотворень і втрати якості сигналу. Ідентифікування та
компенсація аналогових завад є складним завданням через їх випадковий характер
та залежність від зовнішніх умов. Врахування всіх можливих завад і відшкодування
їх вимагає великої обчислювальної потужності та складних алгоритмів.
Одним з поширених рішень для вирішення цих проблем є перетворення
аналогового сигналу в цифрову форму. АЦП виконує цю функцію, перетворюючи
аналоговий сигнал на цифровий формат, який може бути легко оброблений та
переданий за допомогою комп'ютерного обладнання. Після перетворення сигналу в
цифрову форму, його можна піддавати обробці, фільтрації, аналізу, збереженню та
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 52
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

передачі через цифрові канали зв'язку.АЦП, або аналого-цифровий перетворювач,
є електронним пристроєм, який використовується для перетворення аналогових
сигналів на цифровий формат. Його основна функція полягає у тому, щоб зчитати
значення аналогового сигналу і представити його у вигляді числових даних, які
можна обробляти за допомогою цифрових систем.
Процес перетворення аналогового сигналу на цифровий в АЦП складається з
кількох етапів. Спочатку вхідний аналоговий сигнал проходить через приймальний
модуль АЦП, де він засилюється та фільтрується, щоб забезпечити оптимальні
умови для перетворення. Потім аналоговий сигнал зразується на набір дискретних
значень, які представлені у вигляді цифрових бітів. Ці значення зчитуються та
записуються у внутрішню пам'ять АЦП.
Щоб забезпечити точність та якість перетворення, АЦП повинен мати
стійкість до шумів і перешкод. Також важливо враховувати швидкість зчитування,
яка визначає, скільки вимірювань може бути здійснено протягом певного часу.
Швидкість АЦП вимірюється у відліках на секунду або кількості перетворень за
одиницю часу.

Рисунок 3.5 – АЦП на базі мікросхеми HX711
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 53
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Одним з найбільш поширених АЦП є мікросхема HX711 (рис. 3.5), яка має
частоту дискретизації 24 біта та вбудований малошумний операційний підсилювач.
Мікросхема HX711 містить мультиплексор, який дозволяє вибрати один із двох
наявних вхідних каналів. Канал має регульований коефіцієнт підсилення 64 або
128, а канал В працює з фіксованим коефіцієнтом 32.
НХ711 містить вбудований стабілізатор напруги і може приймати імпульсний
сигнал для синхронізації зовнішнього джерела або використовувати вбудований
генератор. Основні технічні характеристики НХ711 включають розрядність АЦП
24 біти, підсилення вхідного каналу А зі значеннями 64 або 128, підсилення
вхідного каналу В зі значенням 32, частоту вимірювань 10 або 80 разів на секунду,
напругу живлення 2,6-5,5 В, споживання струму менше 10 мА і вхідну напругу
±40 мВ. Однією з переваг НХ711 є його сумісність з платформою Arduino та іншими
мікроконтролерами, що спрощує підключення та передачу даних.

Рисунок 3.6 – Платформа Arduino Uno Rev 3

Мікроконтролер – це мікросхема, яка поєднує функції процесора та
периферійних пристроїв на одному кристалі. Він містить оперативну та/або
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 54
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

постійну пам'ять. Мікроконтролери відрізняються від мікропроцесорів наявністю
вбудованих периферійних пристроїв, таких як вводу-виводу, таймерів, АЦП,
компараторів і т.д. На ринку є різні виробники мікроконтролерів з різними
технічними характеристиками та цінами, такі як Intel MCS 51, Espressif ESP8266 і
ESP32, Texas Instruments MSP430, ARM, Atmel AVR, Microchip PIC та багато інших.
Arduino – це відкрите апаратне та програмне середовище для розробки
прототипів електронних проектів. Воно базується на мікроконтролерах зі
вбудованим процесором, які можуть бути програмовані для виконання різних
завдань у фізичних системах. Arduino став популярним серед електронних хобістів,
студентів, професіоналів і всіх, хто цікавиться створенням інтерактивних проектів.
Основна платформа Arduino складається з двох основних компонентів:
апаратної плати Arduino і програмного середовища Arduino IDE (Integrated
Development Environment).
Апаратна плата Arduino включає в себе мікроконтролер, аналогові та цифрові
входи-виходи, різноманітні роз'єми для підключення додаткових модулів і датчиків,
а також джерело живлення. Arduino IDE - це спеціальний редактор програмного
коду, який дозволяє писати, завантажувати і відлагоджувати програми для
платформи Arduino.
Основна мова програмування для Arduino – це мова C++, хоча вона має
спрощений синтаксис та бібліотеки, що спрощують розробку. Завдяки Arduino IDE,
розробники можуть легко програмувати різні функції і додаткові можливості
платформи, такі як читання сенсорних даних, керування моторами, зчитування
температури тощо.
Arduino підтримує широкий спектр моделей і варіантів плат, включаючи
базові моделі, такі як Arduino Uno і Arduino Nano, а також більш потужні моделі,
такі як Arduino Mega або Arduino Due. Крім того, існують спеціалізовані плати, які
підходять для конкретних застосувань, наприклад, Arduino Ethernet для з'єднання з
мережею Інтернет або Arduino Leonardo з підтримкою клавіатури та миші. Arduino
Uno (рис. 3.6) є однією з популярних моделей Arduino, і вона використовує
мікроконтролери Atmel.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 55
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Плата Arduino Uno Rev 3 базується на мікроконтролері ATmega328P, який
забезпечує наявність 14 цифрових входів/виходів. З цих 14 виходів, 6 можуть бути
використані як ШІМ-виходи, і є також 6 аналогових входів. Плата має керамічний
резонатор з частотою 16 МГц (CSTCE16M0V53-R0), USB-інтерфейс, роз'єм
живлення, роз'єм ICSP для програмування та кнопку скидання. У платі вже
включений програматор та схема живлення мікроконтролера, тому просто
необхідно підключити її до комп'ютера за допомогою USB-кабелю, і вона готова
для роботи.
Основні технічні характеристики плати Arduino Uno Rev 3:
− Мікроконтролер: ATmega328P.
− Рекомендована вхідна напруга: 7-12 В.
− Максимальний діапазон вхідної напруги: 6-20 В.
− Цифрові входи/виходи: 14 штук.
− Кількість виводів широтно-імпульсного модулятора: 6.
− Кількість аналогових входів: 6.
− Постійний струм на портах вводу/виводу: 20 мА.
− Постійний струм виводу живлення 3.3 В: 50 мА.
− Флеш-пам'ять: 32 КБ (ATmega328P).
− SRAM: 2 КБ (ATmega328P).
− Частота тактового генератора: 16 МГц.
− Габаритні розміри: 68.6 х 53.4 мм.
− Вага: 30 г.

3.4 Пристрої для передачі даних через мережу Інтернет
Залежно від способу передачі сигналу – мережеві пристрої можна поділити
на дві категорії: бездротові та дротові [20]. Найпоширенішим стандартом для
дротової передачі даних є Ethernet. До іншої категорії відносяться пристрої
стандартів Bluetooth, IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.16 (WiMAX) та ін. Для Arduino
існують модулі, які дозволяють підключити до Ethernet – Arduino Ethernet R3
(рис. 3.7).
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 56
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.7 – Модуль розширення Arduino Ethernet R3

Модуль Arduino Ethernet R3 є одним з варіантів платформи Arduino і має
вбудований модуль Ethernet для з'єднання з локальною мережею Інтернет. Цей
модуль дозволяє підключати Arduino до мережі Ethernet і обмінюватися даними з
іншими пристроями та серверами.
Arduino Ethernet R3 має подібний до Arduino Uno формфактор, з тим
різницею, що в нього додана роз'єм RJ45 для підключення Ethernet-кабелю. Цей
модуль працює на базі мікроконтролера ATmega328, який має вбудований
інтерфейс Ethernet контролера Wiznet W5100.
Основна функція модуля Arduino Ethernet R3 - забезпечення з'єднання з
мережею Інтернет і взаємодії зі зовнішніми серверами, веб-сторінками, базами
даних тощо. Завдяки вбудованому Ethernet-контролеру, цей модуль може
виконувати HTTP-запити, передавати і отримувати дані по протоколу TCP/IP, а
також виконувати функції веб-сервера.
Для програмування модуля Arduino Ethernet R3 використовується Arduino
IDE (Integrated Development Environment), який дозволяє розробникам писати
програми на мові C++ і завантажувати їх безпосередньо на модуль через USB-порт.
Інтерфейс Arduino IDE простий у використанні і надає розширений набір бібліотек
і функцій для спрощення розробки проектів.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 57
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Крім підтримки Ethernet-з'єднання, модуль Arduino Ethernet R3 також має
цифрові і аналогові входи-виходи, які можуть бути використані для підключення
різних сенсорів, пристроїв вводу-виводу та актуаторів. Це дозволяє розробникам
створювати різноманітні проекти, які комбінують функціональність Ethernet-
з'єднання з іншими сенсорами і пристроями.
Модуль Arduino Ethernet R3 є популярним серед розробників Інтернету речей
(IoT), систем автоматизації та контролю, моніторингу та збору даних. Його можна
використовувати для створення проектів, таких як веб-сервери, системи
моніторингу, керування освітленням, системи безпеки і багато інших.
Найпоширенішим методом передачі даних є Wi-Fi. Це стало можливим
завдяки появі мікросхем зі стандартом IEEE 802.11. Одна з таких мікросхем –
ESP8266. На її основі створено багато модулів, які дозволяють забезпечити зв'язок
пристроїв через Wi-Fi. Один з таких модулів – NodeMCU ESP8266 (рис. 3.8).

Рисунок 3.8 – Wi-Fi модуль NodeMCU ESP8266

Ця мікросхема відзначається низьким споживанням енергії і спеціально
розроблена для різних пристроїв. Модуль значно спрощує процес розробки,
оскільки включає підключення по USB і вбудований блок живлення. Всі контакти
чіпа виведені на стандартний роз'єм, що дозволяє легко підключати модуль до
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 58
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

прототипного пристрою. Модуль постачається з прошивкою NodeMCU і може бути
програмований за допомогою Arduino IDE або мови Lua.
Основні характеристики плати NodeMCU ESP8266:
− Підтримка стандартів Wi-Fi 802.11 b/g/n.
− Режими роботи: STA / AP / STA + AP.
− Підтримка до 5 підключень з протоколами TCP/IP.
− Напруга живлення: 4.5 - 9В (максимум 10В), живлення через USB.
− Споживання енергії: при передачі даних - близько 70 мА (максимум
200 мА), у режимі очікування - менше 200 мкА.
− Підтримка інтерфейсів передачі даних GPIO/ UART.
− Робочий температурний діапазон: -40 ~ +125 °C.
− Вага: 18 грамів.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 59
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВИСНОВКИ

Стрімкий розвиток техніки вимагає постійного вдосконалення і пошуку
нових рішень у сфері автоматизації та автоматизованих систем управління. Цей
процес включає в себе розробку прогресивних методів, моделей, засобів та
технологій, що дозволяють досягти більш ефективного та оптимального
функціонування систем.
Перш за все, розвиток техніки спонукає до використання нових методів
проектування та розробки автоматизованих систем. Це означає застосування
передових інженерних підходів, таких як системний аналіз, моделювання,
інтегрованість та оптимізація процесів. Розробка нових методів дозволяє
підвищити якість системи, знизити вартість її розробки та експлуатації, а також
забезпечити більш гнучкість та адаптивність до змінних умов.
В умовах конкурентного ринку праці сучасний спеціаліст у галузі
інформаційних технологій повинен володіти сучасними математичними апаратами,
методами прогнозування та моделювання, сучасними підходами до побудови
автоматизованих систем управління, знати засоби сучасних систем автоматизації та
володіти сучасними програмними засобами, що застосовуються на підприємствах
на всіх етапах життєвого циклу системи. Широке використання систем
автоматичного управління обумовлено прагненням людини автоматизувати свою
роботу з метою оптимізації та полегшення праці. У компаніях із підвищеними
ризиками небезпеки виключення участі людини у технологічних процесах вже є
необхідністю.
Параметри роботи обладнання реєструються та оброблювані АСУ ТП на
великих розподілених об'єктах використовуються виключно для спостереження та
управління технологічним процесом у межах цих систем.
Головною проблемою таких розподілених систем є те, що між собою АСУ ТП
ніяк не пов'язані, а також не мають вищих систем консолідації та моніторингу, це
актуалізує завдання щодо створення централізованої системи збирання та
реєстрації технологічних параметрів з усього виробничого об'єкта.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 60
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

В ході роботи з розробки системи збору та реєстрації технологічних
параметрів виконано всі умови технічного завдання та отримано наступні
результати:
− для зручнішої роботи з даними, реалізований додатковий функціонал до
бази даних, який дозволяє робити вибірки за різними параметрами,
будувати звіти, вивантажувати дані у файли і т.д.
− організовано збір даних про параметри роботи технологічного процесу,
перевірок та випробувань установок, що входять до складу системи;
− всі зібрані дані про технологічні параметри представлені на сервері в базі
даних.

Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 61
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Cecil L. Smith. Distillation control. / IEEE Transactions оn Geoscience and
Remote Sensing, 2019. – Т. 4. P. 397-409.
2. Javier Fernбndez de Caсete. System Engineering and Automation. / Springer-
Verlag Berlin Heidelberg, 2020. – 255 p.
3. Steven E. LeBlanc. Process systems analysis and control. / Avenue of the Americas,
New York, NY, 2019. – 589 p.
4. Автоматизація виробничих процесів: підручник / І. В. Ельперін,
О. М. Пупена, В. М. Сідлецький, С. М. Швед; М-во освіти і науки України,
Нац. ун-т харчових технологій. – Київ: Ліра-К, 2019. – 378 с.
5. Автоматизовані системи керування технологічними процесами.
Ідентифікація та управління / За ред. проф. В. І. Салиги. – Харків: Вища шк.,
2018. – 180 с.
6. Бабіченко А. К. Мікропроцесорні засоби в автоматизованих системах
керування технологічними процесами: Підручник за ред. А. К.. Бабіченко. –
Х.: Вид-во ТОВ «Водний Спектр Джі-ЕМ-Пі». 2019. – 440 с.
7. Бобух А. А. Комп'ютерно-інтегрована система автоматизації технологічних
об'єктів управління централізованим теплопостачанням: монографія /
А. А. Бобух, Д. А. Ковальов; за заг. ред. А. А. Бобуха. – Х.: ХНУ. 2019. – 226 с.
8. Бобух А. О. Методичні вказівки до виконання розрахунково-графічних
завдань з дисципліни «Автоматизовані системи управління технологічними
процесами» / А. О. Бобух, М. О. Подустов, А. М. Переверзєва. – Харків: НТУ
«ХПІ», 2019. – 24 с.
9. Бобух А. О. Автоматизовані системи керування технологічними процесами:
Навч. посіб. [Текст] / А. О. Бобух. – Х.: ХНАМГ. 2018. – 185 с.
10. Власов К. П. Теорія автоматичного керування: Навчальний посібник. – Х.:
Вид-во «Гуманітарний центр», 2017. – 526 с.
11. Гончаренко Б. М. Автоматизація виробничих процесів харчових технологій:
Підручник. – К.: НУХТ, 2020. – 530 с.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 62
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

12. Гончаренко Б.М. Автоматизація виробничих процесів. – Кропивницький:
Видавець – Лисенко В.Ф., 2021. – 352 с.
13. Децентралізоване керування / Г. Г. Півняк, В. В. Ткачов, М. І. Стаднік,
С. М. Проценко. – Д.: Національний гірничий університет, 2018 – 107 с.
14. Зайцев Г. Ф. Теорія автоматичного управління та регулювання. – 2-ге вид.
перероб та доп. – К.: Вища школа, 2019. – 431с.
15. Згуровський М. З. Інтегровані системи оптимального управління та
проектування / М. З. Згурівський. – К.: Вища шк., 2020. – 351с.
16. Ладанюк А. П. Теорія автоматичного керування технологічними об’єктами:
Навч. посіб. / – К.: НУХТ, 2019. – 274 с.
17. Лисаченко І. Г. Програмне забезпечення комп’ютерно-інтегрованих систем
управління хіміко-технологічними процесами: навч. – метод. посіб. /
І. Г. Лисаченко. – Х. : НТУ «ХПІ». 2018. – 112 с.
18. Ніколаєнко А. М. Мікропроцесорні та програмні засоби автоматизації:
навчальний посібник / А. М. Ніколаєнко, Н. О. Міняйло. – Запоріжжя, ЗДІА,
2019. – 444 с.
19. Пістунов І. М. Проектування інформаційних систем / І. М. Пістунов. – Д.:
Національний гірничий університет, 2018. – 71 с.
20. Попович М. Г. Теорія автоматичного керування: Підручник. – 2-ге вид.,
перероб. і доп. – К.: Либідь, 2019. – 656 с.
21. Проектування інформаційних систем / В. С. Пономаренко, О. І. Пушкар,
І. В. Журавлева та ін. – К.: Видавничий центр «Академія», 2020. – 486 с.
22. Романенко В. Д. Методи автоматизації прогресивних технологій: Підручник.
– К.: Вища шк., 2017. – 519 с.
23. Рубичов Н. А. Вимірювальні інформаційні системи: навчальний посібник. –
Київ: Ліра-К, 2020. – 269 с.
24. Синєглазов В. М. Автоматизація технологічних процесів: Навчальний
посібник. – К.: НАУ, 2021. – 506 с.
25. Сосонкін В.Л. Системи числового програмного управління: Навч. допомога.
– К.: Либідь, 2020. – 357 с.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 63
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

26. Ткачов В. В. Технічні засоби автоматизації / В. В. Ткачов, В. П. Чернишев,
М. М. Одновол. – Д.: Національний гірничий університет, 2018. – 174 с.
27. Шаруда В. Г. Практикум з теорії автоматичного управління / В. Г. Шаруда. –
Д.: Національний гірничий університет, 2020. – 414 с.
Лист
ЧДТУ.232258.001 ПЗ 64
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets