Автоматизация технологических процессов: уровни АСУ ТП, средства и примеры

Технологический процесс превращает сырьё и заготовки в продукт: нагревает, дозирует, перекачивает, сваривает, упаковывает. Автоматизировать его значит передать техническим средствам три действия: измерить параметры, рассчитать управляющее воздействие и выполнить его. Человек из системы не исчезает. Он задаёт режим, замечает отклонения и решает то, что автоматике не доверили.

ГОСТ Р 59853-2021 разводит два близких понятия. Автоматизированный процесс человек и средства автоматизации ведут совместно. Автоматический выполняют технические средства по заранее заданному алгоритму, человек в нём не участвует. Поэтому в названии АСУ ТП стоит слово «автоматизированная»: оператор остаётся в контуре управления.

Тот же стандарт называет автоматизированной системой комплекс средств автоматизации вместе с персоналом, который обеспечивает его работу. Автоматизированные системы управления он делит по тому, чем они управляют: технологическими процессами (АСУТП) или предприятиями (АСУП). В законе о критической информационной инфраструктуре АСУ определена как комплекс программных и программно-аппаратных средств, которые контролируют технологическое и производственное оборудование и процессы на нём и управляют ими.

Смежная тема, автоматизация производства, захватывает больше: планирование, логистику и учёт всего предприятия. Автоматизация технологических процессов и производств начинается ниже, с конкретной установки или линии и с того, как управлять ею в реальном времени.

Экономия на людях редко бывает главной причиной. Автоматика держит температуру, давление или скорость в заданных границах точнее человека и не устаёт к концу смены. Она записывает параметры каждой партии, поэтому брак можно разобрать по данным, а не по памяти. На опасном производстве она раньше человека замечает, что параметр вышел за допустимые значения, и останавливает установку.

ГОСТ Р МЭК 62264-1-2014 объясняет, зачем связывать цех с управлением предприятием. Связка систем управления с системами предприятия должна сократить время, за которое новая продукция выходит на проектный объём выпуска, и снизить затраты на автоматизацию технологических процессов и на проектные работы в течение жизненного цикла систем. Что будет с рабочими местами, глава Минпромторга Антон Алиханов в июле 2026 года оценил так: за счёт автоматизации, роботизации и цифровизации требуемое число рабочих мест может сократиться до 10 %.

Какие задачи решает АСУ ТП и какие средства за них отвечают, показывает таблица.

Любая система автоматизации технологических процессов строится слоями. Нижний слой работает с физикой процесса, верхний с планами и деньгами, между ними идут команды вниз и данные вверх. Российские документы описывают эти слои двумя способами: приказ ФСТЭК смотрит на саму АСУ, стандарт МЭК 62264 на её связь с предприятием.

По приказу ФСТЭК России от 14 марта 2014 года № 31 автоматизированная система управления, как правило, состоит из трёх уровней:

• нижний (полевой) уровень ввода и вывода данных: датчики, исполнительные механизмы и другие устройства с встроенными микропрограммами и машинными контроллерами;
• средний уровень автоматического управления: программируемые логические контроллеры и промышленная сеть; контроллеры получают данные с полевого уровня, передают их наверх и отдают команды исполнительным устройствам;
• верхний уровень операторского (диспетчерского) управления: рабочие места операторов и инженеров, SCADA-серверы, коммутаторы, маршрутизаторы, межсетевые экраны и каналы связи.

Сколько будет уровней и что в них войдёт, зависит от того, для чего нужна система. Уровень можно делить на сегменты по функциям или по территории. У небольшой установки верхний уровень может свестись к одной панели оператора, у распределённого объекта это диспетчерский пункт с серверами.

Чтобы связать цех с управлением предприятием, используют иерархию стандарта МЭК 62264, он же ISA-95. В России он действует как ГОСТ Р МЭК 62264-1-2014 и введён с 1 января 2016 года. Опирающийся на него ГОСТ Р ИСО 22400-2-2019 перечисляет уровни функциональной иерархии: бизнес-планирование и логистика (уровень 4), выполнение производственных операций и контроль (уровень 3), периодическое управление партиями, непрерывное или дискретное управление (уровни 1–2). Работают уровни в разных интервалах времени: контроллер откликается на изменения процесса сразу, а план выпуска пересматривают намного реже.

Уровень 3 отдан системам управления производственными операциями, MES. ГОСТ Р МЭК 62264-1-2014 описывает именно этот домен и его границы с соседями. Ключевые показатели эффективности по ГОСТ Р ИСО 22400-2-2019 относятся к уровню 3, часть из них уходит на уровень 4, а считают их по данным уровней 1 и 2. Показатели уровня 4 связаны с экономикой, логистикой и финансами, и стандарт их не рассматривает.

Средства автоматизации удобно делить по тому, что они делают с информацией: получают её, обрабатывают, превращают в воздействие на процесс, показывают человеку. Обзор TAdviser перечисляет типовой состав АСУ ТП: датчики, исполнительные механизмы, программируемые логические контроллеры, шкафы управления, серверы и рабочие станции, а также специализированное ПО, в том числе SCADA. Ниже группы по порядку, снизу вверх.

Датчики измеряют температуру, давление, расход, уровень, положение, проверяют, есть ли деталь на позиции. Исполнительные механизмы меняют ход процесса: клапаны и задвижки, частотные приводы насосов и вентиляторов, пневмоцилиндры, сервоприводы. По приказу ФСТЭК № 31 и те и другие относятся к нижнему (полевому) уровню вместе с устройствами, в которых стоят микропрограммы и машинные контроллеры.

Промышленный робот с этой точки зрения тоже исполнительный механизм. ГОСТ Р 60.0.0.4-2023 так и определяет робота: программируемый исполнительный механизм с определённым уровнем автономности, который перемещает, манипулирует или позиционирует. От клапана робот отличается гибкостью: он меняет траекторию и операцию по программе, железо переделывать не нужно.

ГОСТ Р МЭК 61131-1-2016 определяет программируемый логический контроллер как цифровую электронную систему для производственной среды. В программируемой памяти он хранит инструкции для логики, последовательностей, отсчёта времени, счёта и арифметики и через цифровой или аналоговый ввод-вывод управляет машинами или процессами. Работает контроллер циклами: читает входы, выполняет программу, выставляет выходы и начинает заново.

Языки программирования контроллеров задаёт ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016. Это два текстовых языка, список инструкций (IL) и структурированный текст (ST), и два графических, релейно-контактные схемы (LD) и функциональные блоковые диаграммы (FBD). Чтобы структурировать программы, стандарт добавляет последовательную функциональную схему (SFC). Обе части стандарта действуют с 1 апреля 2017 года.

На крупных непрерывных производствах вместо набора отдельных ПЛК ставят распределённую систему управления: единый комплекс контроллеров, станций ввода-вывода и операторских станций с общей базой данных и инструментами инженера. Приказ ФСТЭК № 31 называет РСУ среди систем, на которые распространяются его требования, вместе с системами диспетчерского управления, сбора данных, системами на ПЛК и системами ЧПУ станков. По оценке участника рынка, проекты уровня «ПЛК + SCADA» в России уже делают, а на сложных объектах нефтепереработки с зарубежными РСУ таких проектов пока единицы.

SCADA (supervisory control and data acquisition) переводится как система диспетчерского контроля и сбора данных. Она опрашивает контроллеры, рисует мнемосхемы, выводит тревоги и тренды, хранит архив и передаёт команды оператора обратно в контроллеры. По приказу ФСТЭК № 31 SCADA-серверы и рабочие места операторов относятся к верхнему уровню. Панель оператора у станка или насоса (HMI) решает ту же задачу для одной машины.

ПАЗ переводит процесс в безопасное состояние, когда параметры выходят за допустимые границы. Для химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств федеральные нормы Ростехнадзора требуют обосновать в проектной документации, почему выбраны именно эти средства контроля, управления и ПАЗ, и опереться при этом на анализ опасностей технологических процессов. Нормы утвердил приказ Ростехнадзора от 15 декабря 2020 года № 533; действуют они с 1 января 2021 года и, по редакции 2026 года, до 1 сентября 2032 года.

Над SCADA стоит уровень 3. Системы управления производственными операциями, которые называют также MES, по ГОСТ Р ИСО 22400-2-2019 моделируют четыре категории: производственные операции, техническое обслуживание, качество и товарно-материальные запасы. В производственной деятельности стандарт выделяет восемь видов работ, среди них детальное календарное планирование, диспетчеризацию, сбор данных и анализ. MES превращает сигналы контроллеров в показатели: сколько сделали, сколько простояли, сколько ушло в брак.

Уровни связывает промышленная сеть. Приказ ФСТЭК № 31 относит промышленную сеть передачи данных к среднему уровню, а коммутаторы, маршрутизаторы и межсетевые экраны к верхнему.

Если объект один, например станок, насосная станция или упаковочная машина, хватает ПЛК с панелью оператора. Если установок несколько и они разнесены по площадке, над контроллерами ставят SCADA. Непрерывный процесс, где много контуров регулирования и жёсткие требования к надёжности, ведут на РСУ, а защиту выносят в отдельную ПАЗ. MES нужна, когда нижние уровни уже отдают данные и по ним хотят планировать и считать эффективность.

Системы автоматизации технологических процессов различают по трём признакам.

По характеру процесса. ГОСТ Р ИСО 22400-2-2019 называет три типа управления на нижних уровнях: периодическое (управление партиями), непрерывное и дискретное. Непрерывный процесс идёт без остановки: так перегоняют нефть, вырабатывают пар, подготавливают воду. Периодический выпускает продукт партиями по рецепту, как при варке, смешивании или ферментации. Дискретный имеет дело со штучными изделиями: их обрабатывают на станках, сваривают, собирают, упаковывают. От типа процесса зависит архитектура: РСУ, ПЛК с рецептурным управлением или ПЛК вместе с роботами.

По степени участия человека. Частичная автоматизация закрывает отдельные операции или контуры регулирования. Комплексная связывает участок или цех единой системой с общим верхним уровнем. Если автоматизация полная, человек выходит из контура управления, и по терминологии ГОСТ Р 59853-2021 процесс становится автоматическим, а не автоматизированным.

По централизации. Централизованная система сводит управление в один контроллер или сервер. Распределённая раздаёт функции по нескольким узлам, связанным сетью: если откажет один узел, весь объект не встанет, зато налаживать и сопровождать такую систему сложнее.

Наибольшая доля российского рынка АСУ ТП приходится на топливно-энергетический комплекс и добывающую промышленность. По исследованию «Ультиматек», Positive Technologies и Aquarius, в 2024 году на нефтегазовый сектор пришлось 27 % рынка АСУ ТП, на энергетику 15 %, на добычу твёрдых полезных ископаемых 11 %, на металлургию 7 %. Таблица ниже показывает, что именно автоматизируют в разных отраслях.

На нефтегазовую отрасль в 2024 году пришлась самая большая доля рынка АСУ ТП из названных в исследовании, 27 %. Требования к системам здесь особые. На взрывопожароопасных нефтехимических и нефтеперерабатывающих производствах средства контроля, управления и ПАЗ выбирают, проанализировав опасности, и обосновывают выбор в проекте. Если АСУ принадлежит субъекту критической информационной инфраструктуры, она становится объектом КИИ, и к её защите добавляются отдельные требования. Зарубежные системы меняют медленно: на сложных объектах нефтепереработки с иностранными РСУ проектов импортозамещения пока единицы.

Пример: насосная станция перекачки. Датчики давления и расхода передают значения в ПЛК. Контроллер держит давление, меняя частоту привода насоса, и включает резервный насос, если основной отказал. SCADA в диспетчерской показывает схему станции, выводит тревоги и пишет архив параметров, а ПАЗ по отдельному датчику останавливает насос, когда давление становится недопустимым. Это типовая трёхуровневая структура из приказа ФСТЭК № 31.

В машиностроении и металлообработке процесс штучный, и часть операций может выполнять робот. Сварочный цех хорошо показывает, как это устроено: сварочные роботы, позиционеры и источники тока работают по своим программам, а ПЛК участка согласует их с тем, как подаются заготовки, и с системой безопасности ячейки. Верхний уровень у такого участка обычно проще, чем у нефтеперерабатывающей установки, зато программы приходится менять всякий раз, когда меняется номенклатура.

Для АСУ ТП промышленный робот остаётся исполнительным механизмом, просто очень гибким. ГОСТ Р 60.0.0.4-2023 определяет его как автоматически управляемый, перепрограммируемый, универсальный манипулятор, программируемый по трём или более степеням подвижности и предназначенный для прикладных задач автоматизации в промышленной среде. Вместе с рабочим органом, датчиками, оборудованием вроде системы технического зрения или сварочного контроллера и программой задания робот образует робототехнический комплекс, на заводах его называют РТК.

Робот встраивается в ту же пирамиду уровней. Собственный контроллер ведёт траекторию. ПЛК участка сообщает, что заготовка на месте и можно начинать, и ждёт сигнала, что цикл закончен. SCADA показывает состояние ячейки, MES считает выпуск и простои. Без этих связей робот работает сам по себе, и его вклад в выпуск трудно измерить. Когда роботов несколько и они разных марок, появляется отдельная задача управления смешанным парком. Чем различаются типы промышленных роботов, разобрано в отдельной статье.

Мировой парк растёт быстро. По данным Международной федерации робототехники (IFR), в 2025 году в мире установили более 600 тыс. промышленных роботов, на 11 % больше, чем годом ранее, а действующий парк вырос на 9 %, до рекордных 5 млн единиц. По словам главы Минпромторга, плотность роботизации в России в 2025 году так и осталась на уровне 29 роботов на 10 000 работников, а чтобы выйти на цель в 145 роботов, нужно внедрить более 80 000 машин.

Автоматизация систем управления технологическими процессами в России идёт по стадиям. Стадии создания автоматизированных систем сейчас задаёт ГОСТ Р 59793-2021, введённый с 30 апреля 2022 года. Он делит создание АС на стадии и этапы, а что делать на каждом этапе, перечисляет в приложении. Сам процесс создания стандарт описывает как совокупность упорядоченных во времени, взаимосвязанных работ, объединённых в стадии и этапы.

Когда в одном проекте сходятся автоматизация технологических процессов и производства, например линия и её учёт в MES, работы идут в похожей последовательности:

1. Обследование объекта: какие параметры измерять, где узкие места, что уже установлено и что можно сохранить.
2. Техническое задание: функции системы, требования к надёжности и к защите информации. Приказ ФСТЭК № 31 требует указать в техническом задании класс защищенности АСУ.
3. Проектирование: структура уровней, выбор средств, перечень сигналов, схемы.
4. Шкафы собирают, контроллеры и SCADA программируют, всё проверяют на стенде.
5. Монтаж, пусконаладка и испытания на объекте.
6. Систему вводят в эксплуатацию, учат персонал и дальше сопровождают.

По тому же приказу защита информации входит в работы по созданию и эксплуатации АСУ, и заниматься ею нужно на всех стадиях. Поэтому защиту закладывают в техническое задание, а не добавляют после запуска.

В 2017 году АСУ ТП в России стал регулировать ещё и закон о критической информационной инфраструктуре. Федеральный закон от 26 июля 2017 года № 187-ФЗ относит к объектам КИИ автоматизированные системы управления, которые принадлежат субъектам КИИ. Среди сфер, где работают субъекты, закон называет, в частности, здравоохранение, науку, транспорт, связь и энергетику.

Для АСУ на критически важных и потенциально опасных объектах ФСТЭК России ещё в 2014 году утвердила отдельные требования к защите информации. Приказ № 31 вводит три класса защищенности: самый низкий третий, самый высокий первый; класс можно устанавливать отдельно для каждого уровня системы. Меры защиты не должны мешать АСУ работать штатно. На практике это значит, что удалённый доступ к контроллерам, ноутбук наладчика и связь цеха с офисной сетью проектируют вместе с защитой.

Объекты КИИ к тому же должны переходить на доверенные программно-аппаратные комплексы и средства защиты. Эксперты рынка связывают это требование с постановлением правительства № 1912 и Указом Президента № 250 и называют заметным барьером для проектов.

По исследованию «Ультиматек», Positive Technologies и Aquarius, представленному в феврале 2025 года, российский рынок АСУ ТП в 2024 году вырос на 50 % и достиг 124,1 млрд рублей. По оценке авторов, рынок будет расти в среднем на 27 % в год, и к 2027 году объём может дойти до 218,3 млрд рублей. Спрос подтолкнули новые машиностроительные и перерабатывающие мощности.

Многие трудности рынка связаны с тем, что ушли поставщики. Из России официально ушли Siemens, Schneider Electric, Yokogawa, Honeywell и Emerson. Насколько рынок от них зависит, показывают два исследования 2024 года.

Отрасль ищет выход сообща. В 2023 году крупные компании создали рабочую группу по открытой АСУ ТП, которая строится на модульных и совместимых решениях. В июне 2026 года «Северсталь», «Газпромнефть» и «Росатом» попросили власти стимулировать разработку, а в конце сентября Минпромторг заявил, что намерен частично компенсировать предприятиям затраты на внедрение отечественных АСУ ТП. Для роботов поддержка уже работает: по словам Алиханова, отечественного робота можно купить со скидкой 50 %, которую компенсирует государство, а промышленный кешбэк покрывает до 20 % затрат на внедрение и оснастку.

Единой цены у АСУ ТП нет. Бюджет определяют число сигналов, требования к надёжности и взрывозащите, класс защищенности, сколько придётся программировать и что уже стоит на объекте. Поэтому стоимость считают от задачи: перечень сигналов, шкафы, программирование контроллеров и SCADA, монтаж и пусконаладка.

Свои цифры можно прикинуть, открыв калькулятор окупаемости роботизации.

«Автоматизация технологических процессов и производств» ещё и название направления подготовки. Бакалавриат 15.03.04 идёт по федеральному образовательному стандарту, который утверждён приказом Минобрнауки России от 9 августа 2021 года № 730 и действует с 17 сентября 2021 года. В колледжах есть специальность 15.02.14 «Оснащение средствами автоматизации технологических процессов и производств (по отраслям)», её стандарт утверждён приказом от 9 декабря 2016 года № 1582.

Выпускник колледжа по специальности 15.02.14 получает квалификацию техника. Очно учатся 2 года 10 месяцев на базе среднего общего образования (11 классов) и 3 года 10 месяцев на базе основного общего (9 классов). По стандарту студентов учат моделировать элементы систем автоматизации, собирать и апробировать их, монтировать, налаживать, обслуживать и следить за состоянием систем. Среди областей деятельности названы ракетно-космическая промышленность, химическое производство, производство машин и оборудования, электрооборудования, автомобиле- и авиастроение.

• Автоматика не исправит плохой процесс. Если режим не отлажен вручную, контроллер будет точно и быстро повторять ошибку. Сначала стабилизируют технологию, потом автоматизируют.
• Зависимость от поставщика. В 2024 году предприятия металлургии, химии и ТЭК вели на зарубежном ПО свыше 98 % проектов. На сложных объектах нефтепереработки с иностранными РСУ проектов замены пока единицы.
• Аппаратная база догоняет. Эксперты рынка отмечают, что российские производители контроллеров и датчиков отстают; АЦП и ЦАП трудно повторить без отечественных микропроцессоров.
• Кадры. Специалист по АСУ ТП должен знать и оборудование, и технологию, а часть выпускников профильных направлений уходит в ИТ из-за разницы в зарплатах.
• Требования к защите удлиняют проект. Объекты КИИ обязаны защищать АСУ по отдельным требованиям и переходить на доверенные программно-аппаратные комплексы. Учитывать это нужно уже в техническом задании.
• Не всё окупается. Редкие операции, где часто приходится переналаживать оборудование, автоматизировать дорого. Решать стоит по расчёту эффекта, а не потому, что у соседей уже стоит SCADA.