5
Содержание
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..6
ГЛАВА 1. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЕКТАМИ АВТОМАТИЗАЦИИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕСОВ………………………………………………9
1.1. Структура, назначение, цели и функции АСУ ТП…………….........9
1.2. Жизненный цикл и модели жизненного цикла АСУ ТП………….15
1.3. Проектирование и основные технологии разработки АСУ ТП…..25
ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ АСУ ТП
ЭЛЕКТРОЛИЗА МЕДИ…………………………………………………………....34
2.1. Структура, функции и особенности проектирования АСУ ТП
электролиза меди…………………………………………………………………...34
2.2. Основные элементы автоматики и технологические процессы АСУ
ТП электролиза меди……………………………………………………………….40
2.3. Анализ объекта автоматизации, разработка технического задания
на проектирование АСУ ТП электролиза меди…………………………………..49
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ НОВОЙ ФУНКЦИИ В АСУ
ТП ЭЛЕКТРОЛИЗА МЕДИ ……………………………………………………….54
3.1. Разработка проекта АСУ ТП электролиза меди и внедрение в нее
новой функции для персонала………………………………………………….….54
3.2. Внедрение и тестирование АСУ ТП электролиза меди…………...65
3.3. Расчет технико-экономического эффекта от внедрения АСУ ТП
электролиза меди …………………………………………………………………..73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….79
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………….81
ПРИЛОЖЕНИЯ…………………………………………………………….83
6
ВВЕДЕНИЕ
Ускоренное социально-экономическое развитие общества порождает все
больший спрос на используемые ресурсы и производимые товары, предприятия
же, осуществляющие производство продукции для наращивания темпа
производства, требуют своевременной модернизации технической
составляющей в технологических процессах. Внедрение автоматизированной
системы управления на производстве незаменимый шаг в этом направлении,
т.к. система включает в себя не только программную оболочку, но и внедряет в
производство автоматические элементы удаленного управления, что в свою
очередь всегда положительно сказывается на качестве и темпе производства.
Чтобы распланировать и систематизировать все шаги внедрения и разработки
системы создается отдельный проект – в этом и заключается тема моей
выпускной работы.
Актуальность темы исследования заключается в том, что в настоящее
время практически все используемые в промышленности производственные
системы оснащены средствами автоматизации разного уровня. Они могут быть
от разных производителей, но структура построения у всех систем очень
похожа. Рассматривая процесс разработки автоматизированной системы на
одном предприятии можно без труда использовать эти исследования для
разработки систем в других производствах, при этом область применения
системы может радикально отличаться так как гибкость настроек таких систем
очень универсальна и может быть использована как в пищевой,
металлургической, энергетической и других видах производственной
деятельности. Различия между ними лишь могут быть минимальными и
отличаться лишь типом подключаемых устройств нижнего уровня и внешним
видом самого человеко-машинного интерфейса.
В качестве объекта исследования будет рассмотрен процесс
проектирования и внедрения автоматизированной системы управления
технологическим процессом. В качестве предмета исследования выбран
7
процесс разработки автоматизированной системы управления технологическим
процессом электролиза меди на примере предприятия ПАО «ГМК «Норильский
никель». Практическая значимость работы заключается в возможности
внедрения разработанного проекта и его отдельных частей в технологические
процессы объектов ПАО ГМК «Норильский никель». Также подразумевается
глубокий анализ целесообразности внедрения элементов системы может быть
полезно как в процессах модернизации технологических процессов и текущей
системы АСУ, так и служить учебным пособием для оперативного персонала,
для более краткого курса обучения по освоению автоматизированного
интерфейса на конкретном предприятии. Что в свою очередь значительно
облегчит задачу наставников в поисках источников информации, а
обучающимся найти краткие описания изучаемого объекта.
Цель работы: Разработка автоматизированной системы управления
технологическим процессом электролиза меди и внедрение в проект системы
уведомлений для помощи в принятии решений в технических ситуациях, а
также подробное описание значения и функций каждого этапа жизненного
цикла проекта.
Задачи работы:
1. Рассмотреть теоретические аспекты проектирования и технологии
разработки АСУ ТП;
2. Выделить основные элементы автоматики и особенности
проектирования АСУ ТП электролиза меди;
3. Выполнить анализ объекта автоматизации, разработать техническое
задание на проектирование АСУ ТП электролиза меди;
4. Разработать проект и внедрить в него новую функцию согласно
функциональным требованиям предприятии;
5. Выполнить расчет технико-экономического эффекта от внедрения
АСУ ТП электролиза меди
Используемые в работе термины и сокращения:
8
АСУ – автоматизированная система управления;
ТП – технологический процесс(ы);
ЖЦ – жизненный цикл;
АТК - автоматизированный технологический комплекс;
SCADA (Supervisory Control And Data Acqusition) - диспетчерское
управление и сбор данных;
HMI (Human-Machine Interface) - человеко-машинный интерфейс;
АСОДУ – автоматическое соединительное оборудование дистанционного
управления.
При написании выпускной квалификационной работы использовались
научные труды следующих авторов: Мякишев Д.В. [3], Федоров Ю.Н. [4],
Шишов О.В. [5], Синеглазов В.М. [6], Сергеев И.Ю. [6], Русакова Е.А. [7].
В первой главе выпускной квалификационной работы будут подробно
рассмотрены теоретические аспекты изучаемой проблемы, включая понятие
самой системы и возможных технологий применяемой при её разработке, будут
определенны технологии, наиболее подходящие для разработки проекта.
Во второй главе будет произведен подробный анализ объекта
автоматизации, его технологической структуры. Также будут определенны
начальные требования к проектируемой системе, на основе которых будет
составлено техническое задание.
Третья глава будет посвящена непосредственно этапам проектирования,
составления списка выполняемых задач, также будет составлена структура
новой функции рекомендаций оператору при аварийных сигналах параметров в
системе. По завершению главы будут подведены итоговые расчёты
целесообразности введения системы с учетом расхода на её создание и
возможной прибыли.
Выпускная квалификационная работы включает в себя разделы: введение,
трех основных глав, заключения, списка литературы, приложение, состоит из
83 страниц, в том числе, 9 рисунков, 3 таблицы.
9
ГЛАВА 1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
1.1. Структура, назначение, цели и функции АСУ ТП
Автоматизированная система управления технологическим процессом
(АСУ ТП) — это комплекс технических и программных средств, основной
целью создания которого является автоматизация блока управления
технологического оборудования на производстве.
АСУ ТП обладает возможностью объединения более мелких комплексов
с общей автоматизированной системой управления присутствующей на
предприятии.
Под термином АСУ ТП обычно выражают целостные решения,
обеспечивающие автоматизацию набора основных операций технологических
процессов на всем производстве или определенном его техническом участке.
Понятия автоматизированный и автоматический хоть и имеют общее
обоснование, но обладают радикальным отличием: если автоматизированный
процесс акцентирует необходимость человеческого участия в определенных
операциях, то автоматический обладает полной автономностью в управлении
технологическим процессами.
Целесообразность сохранения оператором контроля над отдельными
процессами, обусловлена их сложностью или невозможность автоматизации
некоторых операций в связи с постоянным изменением их параметров и
требований к ним.
Чтобы четко разделить техническое и информационное оборудование
системы при объединении в общую сеть, компоненты системы разделяют на
три структурных иерархических уровня (рисунок 1) [4,5].
10
Рисунок 1 – Структура АСУ ТП [16]
1) нижний уровень АСУ ТП - уровень датчиков, исполнительных
механизмов и управляющих контроллеров, которые монтируются
непосредственно на автоматизируемом технологическом объекте. Их функция
заключается в получении информации о параметрах технологического процесса
и преобразовании их в цифровой сигнал для дальнейшей передачи его на
следующую ступень автоматизации, также функцией исполнительных
механизмов является прием управляющих сигналов и их выполнение.
2) средний уровень АСУ ТП – уровень программируемых логических
контроллеров (ПЛК). Выступает в качестве посредника между нижним и
верхним уровнями принимает и обрабатывает данные с нижнего уровня и
передает её на верхний, а также передает на нижний уровень управляющие
сигналы, этот процесс происходит автоматически или же при получении
команды с верхнего уровня.
Процесс выдачи исполнительных команд ПЛК на нижний уровень
происходит по заранее составленному алгоритму и программам, и не требует
11
постоянного присутствия обслуживающего. Большинство ПЛК обладает
модульной структурой [5,6].
Основа ПЛК это так называемая «корзина» (аналог материнских плат в
ПК), к которой подключают рабочие модули в необходимом для
технологического процесса количестве.
Основные подключаемые модули:
процессорные (повторяет управляющие алгоритмы);
дискретных входов (исполнительные модули задвижек);
дискретных выходов (команда подачи электричества к насосным
установкам);
аналоговых входов (манометры, термопары, расходомеры и т.д.);
аналоговых выходов (процент закрытия клапанов);
интерфейсные/коммуникационные модули (коммуникация с
сервером SCADA);
блока питания.
3) верхний уровень АСУ ТП - это уровень визуализации,
диспетчеризации (мониторинга) и сбора информации. В этом процессе
задействован человек, т.е. оператор (диспетчер), осуществляющий контроль за
распределенной системой машин, механизмов и агрегатов, с помощью
общепризнанной системы SCADA. Это программное обеспечение, которое
настраивается и устанавливается на компьютере оператора [7].
Основные компоненты SCADA это автоматизированное рабочее место
оператора, сервер сбора данных и межсетевой экран. Системы SCADA
получают данные от контроллеров ПЛК, обрабатывают их и отображают
полученную информацию на человеко-машинном интерфейсе.
Система самостоятельно сравнивает полученные данные с их заданными
параметрами(установками) и при их критическом отклонении от заданных
значений оповещает диспетчера с помощью тревог (Alarms), позволяя ему
анализировать полученные данные и на основе них принимать необходимые
12
действия, тем самым контролируя всю систему из центрального пункта
управления. При этом система записывает все происходящее, включая действия
оператора, таким образом действия оператора становятся более рациональными
и повышают его ответственность в принятии важных технологических решений
в разрешении аварийных и других нештатных ситуаций [4,6].
Главная задача АСУ ТП - это повышение эффективности
производственных процессов и качества производимого готового продукта
советующий предъявленным требованиям.
Успешно реализованные системы управления позволяют увеличить
производственную мощность, повысить эффективность производственных
процессов и выходить на новые уровни качества продукции.
Наряду с этим происходит автоматизация производственных
потребностей, что существенно облегчает трудовые обязанности персонала.
Назначение АСУ ТП:
стабилизация заданных установок ТП за счёт измерения
технологических показателей, их обработка, визуализация и передача в
реальном времени на исполнительные устройства. Информация может
передаваться как в автоматическом режиме, так и с помощью оперативного
персонала;
анализ текущего состояния ТП для обнаружения и предотвращения
аварийных ситуаций, путем перевода регулируемых узлов системы в
безопасные состояния, как в автоматическом режиме, так и по команде
оперативного персонала;
обеспечение административно и технического персонала всеми
необходимыми данными для принятия решений в контроле, учете, анализе,
планировании и управлении производственной процессами [6,8].
Цели создания АСУ ТП
экономия ресурсов;
сокращение численности персонала;
13
улучшение качественных показателей технологического процесса;
усовершенствование параметров надежности и безопасности
оборудования;
ввод автоматической регулировки параметров ТП;
автоматическое управление исполнительными механизмами;
доводка параметров безопасности объекта до современного уровня;
архивация параметров всех событий и действий в системе;
улучшение экологических показателей объекта.
Функции АСУТП — это сочетание действий системы, сосредоточенных
на достижении общей цели управления. Такая совокупность действий следует
определенной и описанной в эксплуатационной документации
последовательности операций и процедур, выполняемых исполнительными
частями системы. Функции АСУТП делятся на три категории: управляющие,
информационные и вспомогательные [8].
Управляющая функция АСУТП — это функция, направленная на
повышение результативности и реализации управляющих решений на
технологическом объекте управления. К таким функциям относят:
регулировка (стабилизация) отдельных технологических процессов
с переменными значениями;
однотактное логическое управление операциями или аппаратами;
программное логическое управление группой оборудования;
оптимальный контроль над управлением установившимися или
переходными технологическими режимами или отдельными участками
процесса;
адаптивное управление объектом в целом.
Информационные функции АСУТП — это функции системы,
назначением которых являются сбор, обработка и предоставление данных о
текущем состоянии АТК оперативному персоналу или передача этих данных
для дальнейшей обработки [5,9].
14
В число информационных функций входят:
централизация контроля и измерений в технологических
параметрах;
косвенные измерения (вычисления) технико-экономических
показателей и внутренних переменных значений;
обработка и отображение полученной информации на
диспетчерском интерфейсе;
сортировка, обработка и передача данных в смежные системы
управления;
общая оценка и прогнозирование состояния автоматизированного
объекта в целом и его эксплуатируемого в нём оборудования.
Вспомогательная функция АСУТП - это функция, направленная на
решение внутрисистемных текущих задач. В отличии от управляющих и
информационных функций, вспомогательная функция не рассчитана на
потребителей вне системы и обеспечивает стабильность работы технических и
исполнительных средств системы, осуществляет контроль за их текущим
состоянием и сохранением данных. В зависимости от степени вовлечения
рабочего персонала в выполнение функций системы делятся на два режима
работы: автоматизированный и автоматический [3,6].
Автоматизированный режим управления функциями системы
предусматривает участие персонала в принятии технологических решений и их
воплощении в техническом процессе. Также предусматривает
непосредственное участие оперативного персонала в операциях по получению
и обработке данных.
Автоматизированное управление может происходить в нескольких
рабочих режимах:
ручной режим, в котором оператор получает контрольно-
измерительные данные о состоянии текущем состоянии параметров объекта от
системы и на основе них принимает управленческие решения