Методические указания к дипломному проекту

Федеральное агентство по образованию
Томский политехнический университет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ФТИ
______ О.Ю. Долматов
"___" ___________
Разработка системы управления технологическим процессом
(по заданию)
Методические указания к дипломному проектированию
для студентов специальностей 240600 и 240603
физико-технического факультета
Составил
доцент кафедры 24
Ливенцов С.Н.
ТОМСК
2013
2
Цели и задачи разработки системы управления в рамках
дипломного проектирования
Основными целями этой части дипломного проектирования являются:
• закрепление и расширение теоретических знаний, полученных студентами при изучении курса "Системы управления химикотехнологическими процессами".
• закрепление навыков инженерного подхода к выбору и размещению
датчиков измерения технологических параметров и разработке алгоритма управления проектируемым технологическим процессом.
• развитие творческого подхода к проектированию систем автоматизации технологических процессов.
В процессе дипломного проектирования специальностей 240600 и
240603 предусматривается разработка функциональной схемы автоматизации
разрабатываемого в соответствие с заданием на дипломное проектирование
технологического процесса, на уровне комплексной автоматизации при условии использования только серийно выпускаемых приборов и средств автоматизации. Это обязывает студента изучать учебную и научно-техническую литературу, пользоваться стандартами и другими нормативными документами,
периодическими изданиями и другими источниками, содержащими информацию о современных достижениях науки и техники в данной отрасли.
Важной частью задания является технически обоснованный выбор
обеспечивающих технологические измерения приборов, необходимых для
построения функциональной схемы автоматизации.
Выполнение данной части дипломного проектирования завершается
созданием соответствующего раздела пояснительной записки дипломного
проекта или работы.
1. Состав и объем раздела
Раздел представляется в виде двух частей – графической и текстовой.
Графическая часть – лист формата А1 (не менее), на котором представлена
функциональная схема автоматизации технологического процесса. Этот лист
выполняется как конструкторский документ.
Текстовая часть представляет собой раздел пояснительной записки
объемом не более 56 листов печатного текста. Правила оформления пояснительной записки изложены в стандарте ТПУ СТП ТПУ 2.5.01-99 "РАБОТЫ
ВЫПУСКНЫЕ КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ, ПРОЕКТЫ И РАБОТЫ
КУРСОВЫЕ. Общие требования и правила оформления". Текст стандарта
можно найти на интернет-сайте ТПУ или в компьютерной сети ФТФ по адресу \\CLASS\appl\STUDY\Дипломник (или L:\STUDY\Дипломник).
Текстовая часть должна содержать следующие разделы:
 разработка функциональной схемы автоматизации, для чего необходимо разработать:
 перечни технологических параметров, подлежащих контролю, регулированию, с указанием номинальных значений, что необходимо
3
для выбора средств технологических измерений;
 перечень событий, подлежащих сигнализации;
 перечень приборов, выбранных для измерения технологических переменных;
 перечень задач (с описанием), решаемых с использованием ЭВМ
для управления процессом, режимы работы ЭВМ в тех или иных
контурах управления, управляющие функции, предназначенные для
реализации на ЭВМ;
 описание функциональной схемы автоматизации, включающее действия оператора-технолога при пуске, нормальном режиме ведения
технологического процесса и смене производительности;
 функциональную схему автоматизации (рисунок).
2. Организационные вопросы
Рекомендуется придерживаться последовательности этапов выполнения работы, указанной в перечне разделов текстовой части (п. 1). Предоставление на подпись пояснительной записки и графического материала рекомендуется не менее чем за 2 недели до предоставления готовой записки на
кафедре. Консультации по проектированию проводятся без расписания, при
необходимости и по договоренности с руководителем.
3. Оформление текстовой части
Требования к оформлению текстового материала изложены в стандарте
ТПУ
СТП
ТПУ
2.5.01-99
"РАБОТЫ
ВЫПУСКНЫЕ
КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ, ПРОЕКТЫ И РАБОТЫ КУРСОВЫЕ. Общие требования и правила оформления". Стиль изложения материала должен быть
строгим, лаконичным, предельно ясным, не допускающим произвольного и
разноречивого толкования высказывания и утверждений. Наименование разделов и подразделов должно быть кратким и соответствовать содержанию.
Перенос слов в заголовках не допускается. В тексте не допускаются грамматические и синтаксические ошибки, а также сокращенное написание слов за
исключением разрешенных ГОСТ.
Ссылка на литературный источник, из которого заимствована формула,
проставляется по тексту в конце предложения, непосредственно перед написанием формулы. Все входящие в формулу символы и коэффициенты разъясняются непосредственно под формулой.
Материалы, заимствованные из литературных источников, необходимо
зафиксировать ссылкой на них. Ссылки указывают по тексту в квадратных
скобках: нумерация проводится арабскими цифрами и соответствует номеру
источника в списке использованных источников. В ссылке рекомендуется
указывать страницы, где находится заимствованный материал, например: [2,
стр.15].
Поясняющие иллюстрации (графики, рисунки) выполняются в произвольном масштабе с соблюдением правил черчения, стандартов их выполне-
4
ния и помещаются возможно ближе к соответствующему тексту или в конце
записки в виде приложения. Ссылки на иллюстрации, приведенные в технической или учебной литературе, в тексте не допускаются. Необходимые иллюстрации выполняются в виде копии и размещают в записке.
3.1. Назначение, методика и общие принципы выполнения
функциональных схем автоматизации
Функциональную схему выполняют в виде чертежа, на котором схематически, условными изображениями (согласно ГОСТ 21.404-85) показывают
технологическое оборудование, коммуникации, органы управления, приборы
и средства автоматизации и связи между ними. Схему необходимо проработать с такой степенью детализации, которая дает не только полное представление о принятых решениях по автоматизации, но и обеспечивает составление заявочных ведомостей на все необходимые приборы и средства автоматизации.
При разработке функциональных схем автоматизации необходимо руководствоваться следующими общими принципами [7, с.25]:
1. Система автоматизации должна строиться на базе серийно выпускаемых средств автоматизации. При этом необходимо стремиться к применению однотипных средств автоматизации и предпочтительно унифицированных систем, характеризуемых простотой сочетания, взаимозаменяемостью и
удобством компоновки на щитах управления.
2. В качестве локальных средств сбора и накопления первичной информации (автоматических датчиков), вторичных приборов, регулирующих
органов и исполнительных устройств следует использовать исключительно
приборы и средства автоматизации Государственной системы промышленных приборов (ГСП).
3. Выбор средств автоматизации, использующих электрическую или
пневматическую энергию, определяются условиями пожаро- и взрывоопасности объекта автоматизации, агрессивностью перерабатываемых веществ и
окружающей среды, требованиями к быстродействию, дальностью передачи
информационных и управляющих сигналов т. д.
4. Количество приборов, аппаратуры управления и сигнализации,
устанавливаемой на оперативных щитах и пультах, ограничивается: избыток
их усложняет эксплуатацию, отвлекает внимание операторов от наблюдения
за основными приборами, определяющими ход технологического процесса;
увеличивают стоимость установки, сроки монтажных и наладочных работ.
5. Средства автоматизации и приборы должны иметь класс точности,
который определяется действительными требованиями автоматизируемой
установки.
При выборе первичных преобразователей и датчиков измеряемых величин необходимо руководствоваться следующими требованиями:
1. Условия в точке установки прибора должны соответствовать условиям
его эксплуатации, указанным заводом-изготовителем.
5
2. Номинальное значение измеряемой величины должно лежать в последней трети шкалы прибора. При этом диапазон измерения прибора выбирается из стандартного ряда или из ряда, указанного заводомизготовителем.
3. Прибор должен быть устойчив к повреждающим воздействиям измеряемой среды: абразивности, химической агрессивности и т.д.
3.2. Изображение технологического оборудования и коммуникаций,
приборов и средств автоматизации
Функциональная схема автоматизации должна развертываться слева
направо. Технологические объекты изображает упрощенно, по контуру, но
форма и пропорции отдельных частей должны соответствовать реальным
прототипам. Если плоскостное изображение не отражает особенности
устройства аппарата, то его вид приводят в аксонометрии или в разрезе. Схема вычерчивается без строгого соблюдения масштаба, но пропорции, соответствующие габаритам аппаратов, приборов должны выдерживаться. Допускается, но не рекомендуется, изображение объектов управления в виде прямоугольников, поскольку это сильно усложняет чтение схем. Возможны также графические обозначения аппаратов и машин, построенные по их функциональным признакам и обозначения, отражающие принцип действия машин и
аппаратов. Каждый технологический аппарат выполняет в технологической
цепочке свое функциональное назначение, соответствующее название аппарата или другого технологического оборудования вписываются в контуры их
изображений или рядом, если их размеры недостаточны. Цифровые и цифробуквенные обозначения технологических аппаратов поясняются таблицей с
перечнем оборудования, которая вычерчивается на свободном поле листа.
Правильно построенная схема равномерно заполняет все поле листа
элементами технологического оборудования, приборами и средствами автоматизации с минимальным количеством пересечений и перегибов линий,
обозначающих трубопроводы и соединительные линии.
Коммуникации жидкости, газа и пара изображает по ГОСТ 2.784-70 [1,
с.27; 2, с.42]. Цифровое обозначение среды трубопровода дополняется буквенными индексами, например: вода – 1, вода горячая – 1Г, вода холодная –
1X. Для облегчения чтения схем на обозначениях трубопроводов проставляют стрелки, указывающие направление движения вещества, приводят обозначение запорных устройств, имеющих принципиальное значение. Толщина
линий, обозначающих трубопроводы, от 0,6 до 1,5мм, допускается использование цветных линий.
Условные графические обозначения выполняют по ГОСТ 21.404-85.
Этим документом также регламентированы буквенные обозначения основных измеряемых и регулируемых величин, а также функциональных признаков измерительных, регулирующих и преобразующих приборов и устройств.
6
3.3. Требования к оформлению функциональных схем автоматизации
Функциональная схема автоматизации совмещается с упрощенной технологической схемой. Изображение технологического оборудования размещается в верхней части листа. Приборы и средства автоматизации, встраиваемые или механически связанные с технологическим оборудованием и коммуникациями, изображаются на чертеже в непосредственной близости к оборудованию. К таким средствам автоматизации относятся:
 датчики технологических параметров;
 исполнительные механизмы;
 регулирующие и запорные органы.
Вся остальная аппаратура автоматизации (вторичные приборы, функциональные блоки и переключатели цепей аппаратуры управления и т.д.) показывается в нижней части чертежа в прямоугольниках, обозначающих пульты и щиты, на которых физически размещаются средства автоматизации.
Прямоугольники имеют размеры произвольные, но достаточные для нанесения условных графических обозначений устанавливаемых на них приборов и
средств автоматизации, аппаратуры управления и сигнализации.
Функциональные связи между средствами автоматизации, размещенными на технологическом оборудовании и на щитах и пультах, показывают
тонкими (0,20,3 мм) сплошными линиями. Связь дается в однолинейном
изображении, т.е. независимо от фактического количества проводов и труб
связь изображается одной линией. Рекомендуется все вводы сигналов в приборы показывать сверху, а выводы – снизу условных обозначений. Схему автоматизации рекомендуется выполнять с разрывом линий связи, т.е. адресным способом. При этом оба конца линии связи в местах разрыва обозначают
одной и той же арабской цифрой. Обозначения (номера) линий связи располагают в горизонтальных рядах. Для нижнего ряда (со стороны щита местных
приборов) номера должны следовать в возрастающем порядке слева направо,
а для верхних рядов они могут располагаться как угодно. Допускается комбинированное изображение линий связи: и непрерывными линиями и адресным способом.
На линиях связи от датчиков указывают номинальные (а в скобках –
предельные) рабочие значения измеряемых или регулируемых технологических параметров при номинальном режиме работы.
Над основной надписью, по ее ширине, сверху вниз располагают таблицу непредусмотренных стандартом условных обозначений, принятых на
функциональной схеме. Здесь же помешают таблицы, диаграммы, тексты и
надписи, поясняющие характер и последовательность работы устройств, показанных на схеме.
Контуры технологического оборудования выполняют линиями толщиной 0,61,5 мм, приборы и средства автоматизации – 0,50,6 мм; прямоугольники, изображающие щиты, пульты – 0,62,5 мм.
7
3.4. Позиционное обозначение приборов и средств автоматизации
Всем приборам и средствам автоматизации, изображенным на функциональной схеме, присваивают буквенно-цифровые позиционные обозначения.
Всем элементам комплекта приборов и средств автоматизации, выполняющим совместно определенную задачу, присваивается порядковый номер
арабской цифрой, например, 7. Нумерация ведется по комплектам слева
направо. Отдельным элементам и устройствам (за исключением электроаппаратуры управления и сигнализации), соединенных линиями связи и входящих
в измерительный, регулирующий или управляющий комплект (датчик, нормирующий преобразователь, переключатель, вторичный измерительный показывающий прибор, регулирующее устройство, исполнительный механизм,
регулирующий орган), дополнительно присваивают буквенные индексы в порядке русского алфавита в последовательности передачи измерительной, сигнальной или командной информации, например, датчик – 7а, нормирующий
преобразователь – 7б, вторичный показывающий прибор – 7в, регулятор – 7г
и т.д.
Однотипным элементам комплекта (например, нескольким одинаковым
по конструкции и характеристикам термопарам, присоединенным к одному
прибору) присваивают одинаковые позиционные обозначения. Если исполнительный механизм и регулирующий орган изготовлены как одно целое
устройство, то им присваивается на схеме одно позиционное обозначение.
При определении границ функциональной группы считают, что функциональная группа объединяет все приборы и средства автоматизации, имеющие между собой любые функциональные линии связи, указанные на схеме. В частности, регулятор соотношения входит в состав функциональной
группы по независимой переменной.
Позиционные обозначения не присваивают отборным устройствам
(термобаллон манометрического термометра, поплавковое устройство
уровнемера, устройство отбора давления), приборам и средствам автоматизации, поставляемым комплектно с технологическим оборудованием. Электрическим приборам и аппаратам (лампы сигнальные, ключи и кнопки управления и отключения, магнитные пускатели и магнитные усилители, тиристорные преобразователи) на функциональной схеме присваивают обозначения,
принятые на принципиальных электрических схемах управления.
Позиционные обозначения выполняет высотой 3,5 мм для цифр и 2,5
мм для букв. Номера позиций проставляют внизу условного обозначения
средства автоматизации по ГОСТ 21.404-85 или вблизи условных обозначений приборов и средств автоматизации (по возможности с правой стороны
или над ними).
Пример выполнения функциональных схем автоматизации показан в
Приложении 1.
4. Методические указания к выполнению работы
Разработку функциональной схемы автоматизации процесса начинают
с всестороннего анализа объекта управления. В ходе анализа должно быть
8
установлено назначение, устройство, принцип работы автоматизируемого
объекта, определяются его входные, режимные и выходные параметры. Особое внимание необходимо уделить выявлению возмущающих воздействий и
помех, чтобы устранить их действие, и возможных управляющих воздействий, изменением которых можно регулировать выходные и режимные параметры.
Функциональная схема автоматизации разрабатывается на уровне частичной или комплексной автоматизации объекта. Для повышения надежности системы управления предусматривается возможность ведения технологического процесса как в режиме автоматического, так и ручного дистанционного управления и переключение режимов управления. Управление объектом
должно быть централизованным и осуществляться из операторских пунктов.
На местных щитах контроля размешаются контрольно-измерительные и
управляющие приборы, необходимые в период отладки и запуска технологического процесса. На щитах и пультах операторских пунктов размещают необходимые контрольно-измерительные приборы, по которым оператор
наблюдает за ходом технологического процесса, автоматические регуляторы,
изменением уставок которых оператор управляет технологическим процессом, а также пуско-регулирующие приборы дистанционного управления (переключатели, кнопки управления, ручные задатчики и т.д.).
Важное место в разработке управляющей системы отводится выбору
сигнализируемых событий и противоаварийных мероприятий. Сигнализации
подлежат все параметры, изменение которых может привести к аварии или
серьезному нарушению технологического режима, наиболее ответственные
режимные параметры, показатели эффективности. Сигнализация подразделяется на предупредительную и аварийную, световую и звуковую.
После разработки функциональной схемы автоматизации, необходимо
провести ее полный анализ, описав работу оператора-технолога по управлению рассматриваемым технологическим процессом при пуске, номинальном
режиме работы оборудования и изменении его производительности. Общие
принципы разработки и требования к функциональным схемам автоматизации рассмотрены в п.3.1.
5. Использование ЭВМ в управлении технологическими процессами
АСУ ТП – это человеко-машинная система, обеспечивающая сбор, обработку и отображение информации, а также выработку и передачу на регулирующие органы управляющих воздействий, обеспечивающих заданный
режим функционирования объекта управления. При этом возможно ведение
технологического процесса в режиме, оптимальном с точки зрения какоголибо технико-экономического показателя, характеризующего качество
управления.
Целями создания АСУ ТП являются:
 экономия топлива, сырья, материалов и других ресурсов;
 обеспечение безопасности функционирования технологических аппаратов;
9
 повышение качества выходного продукта;
 снижение затрат живого труда;
 достижение оптимальной загрузки оборудования;
 оптимизация режимов работы аппаратов.
Совокупность действий системы управления, направленной на достижение поставленной цели управления, реализуются информационной и
управляющей функциями АСУ ТП.
Информационные функции: централизованный контроль и измерение
технологических переменных, косвенное измерение (вычисление) значений
технологических переменных и технико-экономических показателей (ТЭП)
производства, оценка и прогноз состояния оборудования.
Управляющие функции: стабилизация технологических переменных,
оптимальное управление технологическими режимами, адаптивное управление объектом, логическое управление аппаратами, оборудованием. Информационные, вычислительные, а частично и управляющие функции реализуются средствами вычислительной техники в рамках информационной и
управляющей подсистем. В зависимости от степени участия человека в реализации функций АСУ ТП различают автоматизированный и автоматический
режимы работы. В первом случае оперативный персонал принимает активное
участие в управлении. Здесь реализуются: ручное дистанционное управление
в период пуска, возникновения аварийных ситуаций или изменения режима
работы технологического процесса.
В автоматическом режиме АСУ ТП вырабатывает и реализует управляющее воздействия без участия оператора. При этом реализуется централизованная или распределенная структура управляющей системы. В первом
случае ЭВМ выполняет функцию центрального управляющего устройства в
супервизорном режиме управления, изменяя уставки локальных САР и параметры настройки автоматических регуляторов, а также в режиме прямого
цифрового управления (ПЦУ), когда ЭВМ непосредственно передает сигналы
управления на исполнительные устройства.
Режим ПЦУ резко повышает эффективность АСУ ТП, исключает из
комплекса технических средств регистрирующие, показывающие приборы и
локальные автоматические регуляторы (а следовательно, громоздкие ЩТК),
позволяет реализовать оптимизационные алгоритмы и создавать адаптивные
системы управления. Но его реализация требует высокой надежности вычислительной системы, наличия математических моделей для различных режимов работы технологического оборудования. Для повышения надежности систем применяется автоматическое полное горячее резервирование вычислительных средств. Меньшие требования по надежности УВК предъявляются
при реализации режима супервизорного управления, т.к. в этом случае выход
из строя вычислительного устройства не приводит к прекращению выработки
управляющих воздействий.
Для повышения надежности управления и живучести управляющих систем в настоящее время широко применяются распределенные вычислительные комплексы, состоящие из нескольких связанных между собой ЭВМ и
10
(или) микропроцессорных контроллеров с распределением между ними выполняемых системой функций АСУ ТП. При этом на ЭВМ обычно организуют автоматизированные рабочие места операторов, обеспечивающие отображение и регистрацию технологической информации и прием команд оператора (т.е. человеко-машинный интерфейс). Функции программно-логического
управления, технологических и противоаварийных блокировок, а также аналогового локального регулирования выполняют микропроцессорные контроллеры.
Автоматизированные рабочие места операторов содержат специальные
средства отображения информации: мониторы ЭВМ, плазменные и жидкокристаллические экраны большой площади для отображения мнемосхем и
цифробуквенной информации, печатающие устройства, а также клавиатур и
специальных манипуляторов для ввода команд оператора и управления
устройствами отображения.
Функции и режимы работы АСУ ТП реализуются техническим, программным и другими видами обеспечений. Техническое обеспечение образовано чувствительными элементами, преобразователями, вычислительной
техникой, вторичными КИП и автоматическими регуляторами, исполнительными механизмами и т.д.
Программное обеспечение состоит из специальных программ, обеспечивающих сбор, обработку, отображение, регистрацию технологической информации, а также выработку управляющих воздействий. В настоящее время
для этой цели разработаны специальные пакеты программ, называемые
SCADA-системами.
При разработке АСУ ТП должны соблюдаться общие принципы: формулирование новых задач, системного подхода, единой информационной базы, непрерывного развития системы, разумной типизации.
11
6. Литература
1. Клюев А.С. и др. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1990,
464с.
2. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных
процессов в химической промышленности.– М.: Химия, 1985, 352 с.
12
Приложения
Приложение 1
1
LE
4-1
LE
1-1
4
WE
2-1
Ì
3
NO2
LE
6-1
5
6
TE
7-1
TE
8-1
TE
9-1
TE
10-1
7
9
11
13
DE
12-1
17
16
LE
14-1
18
8
FE
16-1
12
10
FE
17-1
20
FE
18-1
21
14
FE
19-1
22
23
Í à ýêñòðàêöèþ
Ù èò
Ï ðèáî ðû
óï ðàâëåí èÿ ï î ì åñò ó
PE
11-1
15
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
LT
1-2
WT
2-2
NS
3-1
LT
4-2
NS
5-1
LT
6-2
TT
7-2
NS
7-7
TT
8-2
NS
8-7
TT
9-2
NS
9-7
TT
10-2
NS
10-7
LIR
1-3
WIR
2-3
HS
3-2
LIR
4-3
HS
5-2
LIA
6-3
TIR
7-3
TC
7-6
TIR
8-3
TC
8-6
TIR
9-3
TC
9-6
TIR
10-3
TC
10-6
19
15
PIR
11-2
6-4
ÝÂÌ
2
âõ
âû õ
1-4
2-4
4-4
3-3
6-5
5-3
16
DIA
12-2
17
18
19
NS
13-1
LT
14-2
NS
15-1
HS
13-2
LIA
14-3
HS
15-2
12-3
7-4
8-4
7-5
9-4
8-5
10-4
9-5
11-3
10-5
14-4
12-4
14-5
13-3
15-3
20
21
22
23
FIRA
16-2
FIRA
17-2
FIRA
18-2
FIRA
19-2
16-3
17-3
18-3
19-3
16-4
17-4
18-4
19-4