ИРНИТУ, проектирование автоматизированных систем (курсовая работа)

ТЕМАТИКА КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Тематика КР имеет следующие основные направления:

1. Разработка новых АСУ технологическими процессами.

2. Модернизация действующих систем автоматизации и АСУТП.

3. Комплексная автоматизация технологических процессов и производств.

4. Повышение эффективности управления технологическими процессами и производствами.

5. Научно-исследовательские и проектно-конструкторские разработки по заданию промышленности.

СОСТАВ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Курсовая работа состоит из текстовой (пояснительная записка) и графической частей.

Графическая часть работы (входит в состав КР в виде приложений) включает чертежи формата А3, А4 выполненные в AutoCAD и должна содержать как минимум:

СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Пояснительная записка типовой курсовой работы имеет следующую структуру:

1. Титульный лист (Приложение А).

2. Задание на курсовую работу (Приложение Б).

3. Текстовая часть, в составе:

1 Содержание

2 Введение

3 Общие сведения

4 Основная часть (содержание см. ниже).

5 Заключение.

6 Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов.

7 Список использованных источников.

8 Приложения.

Введение должно содержать оценку современного состояния уровня автоматизации рассматриваемого объекта, обоснования и исходные данные для разработки темы. Во введении должны быть показаны актуальность и новизна темы.

Общие сведения включают: полное наименование системы; краткое наименование системы; шифр темы; наименование организаций Заказчика, Разработчика; назначение и цели создания системы.

При создании АСУ ТП должны быть определены конкретные цели функционирования системы и ее назначение в общей структуре управления предприятием. Такими целями, например, могут быть:

- экономия топлива, сырья, материалов и других производственных ресурсов;

- обеспечение безопасности функционирования объекта;

- повышение качества выходного продукта или обеспечение заданных значений параметров выходных продуктов;

- снижение затрат живого труда;

- достижение оптимальной загрузки оборудования;

- оптимизация режимов работы технологического оборудования (в том числе маршрутов обработки в дискретных производствах) и т. д.

Основная часть должна содержать данные, отражающие сущность и основные результаты курсовой работы, теоретические и экспериментальные исследования, перечисленные далее в этом разделе.

Содержание основной части курсовой работы определяется руководителем проекта и указывается в задании.

Основная часть пояснительной записки состоит из следующих разделов:

1. Характеристика объекта автоматизации.

2. Технико-экономическое обоснование автоматизации

3. Технические требования к АСУ ТП.

4. Разработка и описание АСУТП.

5. Выбор и обоснование комплекса технических средств.

Требования к содержанию разделов основной части пояснительной записки представлены ниже.

1. Характеристика объекта автоматизации

Этот раздел состоит из следующих подразделов:

Сведения об объекте автоматизации

Сведения об условиях эксплуатации объекта автоматизации

Описание основного оборудования.

Параметры процесса и способы их регулирования.

1.1. Сведения об объекте автоматизации

В этом подразделе необходимо указать техническое название объекта автоматизации и его назначение, структуру технологического процесса, основные технико-экономические параметры объекта, характеристики сырья, топлива, основного продукта и его назначение. В этом подразделе необходимо описать технологическую схему процесса, ориентируясь на технологический регламент, режимную карту, технические условия и др. НТД. Важно указать размеры материальных и энергетических потоков, подаваемых на объект автоматизации, диапазоны контролируемых параметров объекта автоматизации (процесс, стадия, участок, установка, аппарат).

1.2. Сведения об условиях эксплуатации объекта автоматизации

В данном подразделе необходимо указать режим работы объекта автоматизации (непрерывный/ дискретный), указать категории: взрывоопасности, отравляющей и пожарной опасности. Источником информации по данному подразделу курсовой работы служит технологический регламент предприятия.

1.3. Описание основного оборудования

При описании основного оборудования должны быть представлены сведения о его назначении, конструктивных особенностях, технических характеристиках и параметрах, а также принципиальные или конструктивные схемы.

Так, например, если объектом автоматизации является паровой котёл, необходимо дать описание котельного агрегата и его элементов (топочная камера, барабан, пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель, горелка, дымосос, вентилятор и др.).

Схема технологического процесса должна быть представлена в виде рисунка или чертежа в редакторе AutoCAD.

1.4 Параметры процесса и способы их регулирования

В этом подразделе весь технологический процесс следует разбить на ряд участков и рассмотреть их с точки зрения управления, представить перечень систем автоматического управления (САУ) технологическим процессом и показать влияние технологических режимов на работу САУ.

Здесь также следует представить таблицу необходимых контролируемых технологических параметров и показателей продукции, указать диапазоны изменения и измерения параметров, способы измерения (автоматический или лабораторный), точность и периодичность (при лабораторном способе) измерения, указать, где и как используется полученная информация.

2. Технико-экономическое обоснование автоматизации

В этом разделе необходимо сформулировать и обосновать принципиальные решения по модернизации существующей или созданию новой АСУТП.

Основными направлениями совершенствования существующей АСУТП являются следующие:

1) замена старых приборов и средств автоматизации;

2) установка дополнительных новых приборов и средств автоматизации;

3) применение новых способов управления;

4) применение современных программно-технических комплексов (ЛТК);

5) переход на новый более высокий уровень автоматизации;

6) совершенствование информационного обеспечения;

7) совершенствование программного обеспечения.

Для экономической оценки предлагаемых вариантов АСУТП необходимо разработать таблицы входных и выходных сигналов, используемых в АСУТП (Приложение В).

Используя эти таблицы, руководствуясь справочником базовых цен на разработку технической документации на автоматизированные системы управления технологическими процессами, требуется далее оценить стоимость АСУТП на основе информации о функциях и количестве сигналов АСУТП.

3. Технические требования к АСУ ТП

Технические требования к автоматизированной системе управления являются основным техническим документом на разработку АСУТП, на основе которого разрабатывается техническое задание на создание АСУТП в соответствии с ГОСТ 34.602-89, и в дальнейшем рабочая документация.

В этом подразделе необходимо сформулировать следующие требования к АСУТП:

требования к системе в целом,

требования к функциям системы,

требования к видам обеспечения.

В требованиях к системе в целом указываются требования к структуре и функционированию системы (требования к числу уровней управления и степени централизации системы, требования к надежности системы и другие дополнительные требования с учетом особенностей технологического процесса).

В требованиях к функциям системы приводят перечень функций, подлежащих автоматизации, и требования по качеству реализации функций.

Функции АСУТП подразделяются на информационные, управляющие и вспомогательные.

Информационная функция АСУТП это функция системы, содержанием которой является сбор, обработка и представление информации о состоянии технологического процесса оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки.

Управляющая функция АСУТП это функция, результатом которой является выработка и реализация управляющих воздействий на технологический процесс. К управляющим функциям АСУТП относятся:

• формирование и передача на исполнительные устройства управляющих сигналов;

• определение рационального режима технологического процесса;

• выдача оператору рекомендаций по управлению технологическим процессом.

Вспомогательные функции АСУТП это функции, обеспечивающие решение внутренних задач. Вспомогательные функции системы предназначены, прежде всего, для обеспечения собственного функционирования АСУТП (обеспечение заданного алгоритма функционирования технических средств системы, контроль их состояния, хранение информации и т.п.).

При разработке требований к видам обеспечения приводятся требования к математическому, информационному, организационному, программному, метрологическому и другим видам обеспечения АСУТП.

Обязательным приложением к техническим требованиям АСУТП являются:

• перечень технологических измерений, контуров регулирования, сигнализации и защиты;

• алгоритмы управления технологическим процессом и оборудованием.

4. Разработка и описание АСУ ТП

Этот раздел состоит из следующих подразделов:

Разработка технической структуры АСУТП

Описание способов и средств связи для информационного обмена между компонентами системы

Описание режимов функционирования системы

4.1. Разработка технической структуры АСУТП

В этом подразделе разрабатывается техническая структура АСУТП, концепция построения которой определяется при формировании состава требований к АСУТП. Техническая структура отражает все основные технические средства автоматизации в виде конструктивно законченных приборов и устройств, их пространственное размещение относительно объекта, а также связи, соединяющие эти средства в совместно функционирующий комплекс.

Графическое изображение технической структуры называют структурной схемой системы автоматизации и управления.

Техническая структура определяется следующими факторами:

· структурой технологического объекта, т. е. пространственной протяжённостью и рассредоточенностью технологического оборудования;

· особенностью расположения мест или точек контроля и управления объектом;

· элементной базой, т. е. возможностями технических средств автоматизации, используемых для построения системы;

· целями и критериями, которые ставятся при разработке и эксплуатации системы.

К основным видам технических структур относят:

· децентрализованную;

· централизованную;

· распределённую.

С точки зрения иерархии, широкое распространение получили трехуровневые АСУТП, в которых: 1-й уровень представляет собой объект управления с полевой автоматикой (датчики, регулирующие органы, исполнительные механизмы); 2-й уровень это контроллер или контроллеры, осуществляющие формирование управляющих сигналов, сбор и передачу информации на верхний уровень АСУТП; 3-й, или верхний, уровень это операторская станция с автоматизированными рабочими местами (АРМ) операторов-технологов.

В технической структуре АСУТП должны быть представлены:

• объект управления с полевой автоматикой;

• шкафы управления с ПЛК, имеющие в своем составе CPU, память и выбранные модули ввода/вывода;

• кроссовые шкафы;

• шкафы силовой коммутации с усилителями, пусковой аппаратурой и схемами управления электроприводами;

• источники электропитания ПЛК, усилителей и пусковой аппаратуры. При разработке технической структуры АСУТП необходимо учитывать, что контроллеры могут быть подключены к шкафам силовой коммутации непосредственно либо через кроссовые шкафы.

Для верхнего уровня АСУТП требуется выбрать промышленное оборудование для организации АРМ операторов-технологов. В случае необходимости следует предусмотреть инжиниринговую станцию (АРМ) и удаленные устройства ввода информации, например, из технологических лабораторий.

В составе АСУТП могут быть пункты местного управления, реализованные на промышленных терминалах. В этом случае эти устройства должны быть показаны в технической структуре АСУТП (Приложение 3. Структурная схема комплекса технических средств).

4.2.  Описание способов и средств связи для информационного обмена между компонентами системы

Для организации передачи данных в АСУТП требуется выбрать физические каналы передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара и/или оптоволоконный кабель) и промышленную сеть. В зависимости от области применения, весь спектр промышленных сетей можно разделить на следующие уровни:

• контроллерные сети (Field level) промышленные сети, решающие задачи по управлению процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров;

• промышленные сети контроллерного уровня: Profibus (Process Field Bus), ControlNet, CAN (Controller Area Network);

• сенсорные сети (сети низовой автоматики): ASI (Actuator/Sensor Interface), HART, Modbus решают задачи опроса датчиков и управления исполнительными механизмами;

• универсальные сети: LON (Local Operating Network), Foundation Fieldbus, Ethernet/Industrial Ethernet.

Foundation Fieldbus представляет собой двухуровневый сетевой протокол, сочетающий черты мощной информационной магистрали для объединения PC верхнего уровня и управляющей сети, объединяющей ПЛК, датчики и исполнительные механизмы, а также позволяющий использовать программно-аппаратные средства различных производителей.

4.3 Описание режимов функционирования системы

В данном подразделе необходимо описать режимы работы оборудования и каким образом АСУ ТП их обеспечивает. Рассматриваются следующие ежимы работы оборудования: нормальный и аварийный. В этом же разделе указывают режимы реализации управляющих функций АСУ ТП, к которым относятся: ручной, автоматический (дистанционный), автоматизированный.

5. Выбор комплекса технических средств

В состав комплекса технических средств (КТС) АСУТП входят ПТК, средства автоматизации полевого уровня, шкафы управления и кроссовые шкафы, а также местные пункты управления.

Этот раздел состоит из следующих подразделов:

Выбор программируемого логического контроллера (ПЛК).

Выбор приборов и средств автоматизации.

5.1. Выбор ПЛК

В этом подразделе необходимо: проанализировать рынок современных ПЛК, осуществить обоснованный выбор контроллера и его структуры, определить количество модулей ввода/вывода входных и выходных сигналов для ПЛК с учетом уточненных таблиц сигналов, разработанных в п. 6.2 «Технико-экономическое обоснование автоматизации», и представить спецификацию ПЛК.

При выборе ПТК необходимо учитывать концепцию построения АСУТП:

1. АСУТП представляет собой систему, содержащую программируемые логические контроллеры (ПЛК) и SCADАсистему.

2. АСУТП представляет собой распределенную систему управления (РСУ), или DCS (Distributed Control System).

Большинство современных АСУТП строятся на основе промышленных ПЛК + Ethernet + операторские станции + SCADАсистема. Это позволяет создавать АСУТП, отвечающие в целом требованиям заказчиков. Однако при таком подходе имеются следующие недостатки: нет единой ответственности поставщика системы; всю ответственность несет системный интегратор; отсутствует реальное резервирование; невысокая скорость передачи и обработки данных.

Распределенные системы управления это системы управления технологическими процессами с распределенным вводом/выводом информации и децентрализованной обработкой данных. В настоящее время находят применение такие РСУ, как Centum CS300 (Yokogawa, Япония), Metso DNA (Metso Automation, Финляндия), Simatic PSS7 (Siemens, Германия), System800xA (ABB, Швеция). Современные РСУ способны обрабатывать от сотен до тысяч и десятков тысяч сигналов, имеют высокую производительность и надежность, которая обеспечивается высоконадежной элементной базой компонентов и системами резервирования.

Современные РСУ используют промышленные рабочие станции, многоканальные контроллеры, станции распределенного ввода/вывода, открытые промышленные сети (Industrial Ethernet, Profibus, CAN и др.), интеллектуальные устройства ввода/вывода, беспроводные устройства передачи информации, WEB-технологию обмена данными.

Для построения АСУТП могут использоваться ПТК на основе специализированных, моноблочных (компактных) и программируемых модульных (проектно-компонуемых), а также PC-base, или РС-совместимых, контроллеров.

Среди специализированных контроллеров можно выделить контроллеры СПЕКОН, предназначенные для автоматизированного управления в теплоэнергетике, имеющие объектно-ориентированное программное обеспечение, табло и функциональную клавиатуру. На основе этих контроллеров можно создавать децентрализованные АСУ производством, распределением и потреблением тепловой энергии.

Имеется большое разнообразие моноблочных контроллеров для автоматизации небольших объектов в различных отраслях промышленности, среди которых можно выделить Simatic S7-200 («Siemens»), Simatic S7-300 («Siemens»), TKM 410 («ТЕКОН»), МС8 комплекса КОНТАР («МЗТА»).

При создании АСУ технологическими процессами и производствами широко используются программируемые модульные контроллеры вместе со SCADAсистемами.

Одним из перспективных направлений является создание АСУ на основе PC-base, или PC-совместимых контроллеров, которые характеризуются следующим:

• имеют классическую открытую структуру IBM PC;

• работают под управлением тех же операционных систем, которые используются в PC, например, Windows, Unix, Linux, QNX;

• программирование выполняется на тех же языках, которые используются для разработки ПО для PC.

PC-base, или PC-совместимые, контроллеры, по сравнению с остальными, обладают большей производительностью, легче стыкуются с различными SCADA, MES, ERP системами, системами управления базами данными, открыты для большинства стандартов в области коммуникации и программирования, они в среднем дешевле и проще в обслуживании.

PC-base, или PC-совместимые, контроллеры могут использовать программное обеспечение различных производителей, имеют больший объем памяти, чем традиционные ПЛК, возможности расширения и модернизации, а также лучшего диагностирования. Однако эти контроллеры в целом обладают избыточностью вычислительных ресурсов и функций ввиду их универсальности, возможностью зависания с длительным временем рестарта, пониженной надежностью за счет множества компонентов (приложений) на платформе PC.

При выборе контроллера для АСУ необходимо учитывать, что РС-несовместимые контроллеры (специализированные, моноблочные и модульные) лучше учитывают требования, предъявляемые к промышленным системам управления. Они в целом более надежны. В них шире используются возможности связи с различными полевыми шинами. В этой связи они находят более широкое применение в АСУ технологическими процессами и производствами.

При выборе ПТК учитываются такие факторы, как количество и тип входных и выходных сигналов, пределы и необходимая точность измерения, метрологические характеристики, технические характеристики, область и практика применения, завод-изготовитель, доступность, наличие сервисной базы, стоимость изделия и его обслуживания, сроки и гарантии поставки, опыт эксплуатационного персонала и др.

В курсовом проекте необходимо выбрать ПТК, работающий в непрерывном режиме эксплуатации, на основе технико-экономического сравнения двух вариантов ПТК российского и зарубежного производства.

В состав ПТК должны входить: программируемый контроллер (контроллеры) с модулями ввода/вывода входных и выходных сигналов, станция оперативного управления или программируемый терминал (терминалы), сетевое оборудование, вторичные источники электропитания, источники бесперебойного питания.

4.2. Выбор приборов и средств автоматизации

К приборам и средствам автоматизации относятся измерительные преобразователи (в комплекте), вторичные приборы, регуляторы, пусковая и управляющая аппаратура, исполнительные устройства (исполнительные механизмы и регулирующие органы), шкафы управления, кроссовые шкафы, пункты управления, а также вспомогательные устройства, необходимые для работы средств автоматики.

При выборе приборов и средств автоматизации учитываются такие факторы, как вид используемой энергии (пневматические или электрические), наличие выходного сигнала, пределы измерения, метрологические характеристики, область и практика применения, завод-изготовитель, доступность, цена приборов и др.

При автоматизации теплоэнергетических процессов преимущественно используются электрические приборы, а при автоматизации химических производств

пневматические приборы, в частности, исполнительные механизмы. Предпочтение отдаётся приборам, имеющим стандартные входные и выходные сигналы. Система автоматизации должна строиться на однотипных приборах одной серии или системы.

Все выбранные приборы и средства автоматизации оформляются в виде заказной спецификации приборов и средств автоматизации, которая является частью заказной спецификации оборудования и имеет стандартную форму.

Заключение должно содержать краткие выводы по результатам выполненной работы, оценку технико-экономической эффективности внедрения, оценку технического уровня разработанной АСУТП.

Список использованных источников приводится согласно ГОСТ 7. 1-2003 "Библиографическая запись. Библиографическое описание" в следующем порядке:

1) автор (Ф.И.О.);

2) название (заглавие);

3) место издания;

4) издательство;

5) год издания;

6) количество страниц.