Разработка функциональной схемы автоматизации технологического процесса

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств Расчетно-графическая работа по дисциплине «Автоматизация управления жизненным циклом продукции»

на тему разработка функциональной схемы автоматизации технологического процесса Студент гр. БАГ 11−02 Б. Р. Шангареев Руководитель Е. В. Таушева Уфа

ЗАДАНИЕ В РГР требуется проделать следующие пункты:

1 Развернуть, согласно варианту, заданную упрощенную ФСА (рисунок З.1) в программе AutoCAD;

Рисунок З.1 — Упрощенная ФСА (21 вариант)

2 Привести спецификацию к ФСА подобранных приборов по приведённым характеристикам (подобрать средства автоматизации с учетом указанных технологических параметров, привести краткое описание выбранных приборов, расшифровку характеристик, задаваемых строкой заказа);

3 Разработать функциональную модель (диаграммы IDEF0) по одной выбранной теме с тремя-четырьмя уровнями детализации;

4 Разработать информационную модель (диаграммы IDEF1х) по описанию используемых датчиков в ФСА с не менее тремя сущностями;

5 Рассмотреть теоретическую тему «Системы PDM» (2 вар.).

1. Развёртка ФСА

2. Выбор технических средств автоматизации

3. Функциональная модель в IDEF0

4. Информационная модель в IDEF1х

5. Системы PDM

Список использованных источников

Приложение, А (обязательное). ФСА (развернутая) Приложение Б (обязательное). Заказная спецификация

1. Развёртка ФСА По заданию требуется развернуть упрощенную функциональную схему автоматизации некоторого смесителя двух потоков жидкости (вещества, А с веществом Б), показанную на рисунке 1.1. Причём можно заключить, что величина второго потока (Б), подаваемого в смеситель, зависит от величины первого потока (А), т. е. придерживается некоторое соотношение этих компонентов в получаемой смеси по средствам регулирования открытости клапана долевым расходомером.

Рисунок З.1 — Упрощенная ФСА (21 вариант) В смесителе данной установки присутствует датчик температуры с аварийной сигнализацией при выходе температуры смешивания веществ за заданный придел в 85 °C.

Результат развёртки ФСА приведён в Приложении А. Здесь, согласно схеме, средства автоматизации должны обеспечить индикацию (показание), регистрацию (запись) и регулирование соотношения расходов веществ, А и Б (контуры 1 и 2 расходов); также должны обеспечить индикацию, регистрацию и сигнализацию максимально допустимого значения температуры смешивания (контур 3 температуры).

В качестве первичных преобразователей измерений расходов используем диафрагмы (сужающие устройства FE 1−1 и FE 2−1), устанавливаемые на трубопроводе. Перепад давления, образующийся на диафрагме при прохождении через нее потока жидкости пропорционален расходу, он измеряется дифференциальным манометром (дифманометром), преобразуется в унифицированный сигнал и подается на систему управления на контроллерах для преобразования в соотношение этих расходов и, в последствии, получение выходного сигнала, подающийся на клапан для изменения потока через трубопровод.

Для измерения температуры в качестве первичного термопреобразователя используем термометр сопротивления (целесообразно при низких диапазонах температур). Далее на его выходе установим нормирующий преобразователь, выводы с которого поступают на контроллер, способный на индикацию, регистрацию и сигнализацию допустимого значения.

2. Выбор технических средств автоматизации

FE 1−1 и FE 2−1 — диафрагмы марки ДКС0,6−50А/Б1ФС-Ру-50, где обозначения расшифровываются: ДКС — тип диафрагмы камерная; 0,6 — условное давление до 0,6 МПа (не противоречит заданным условиям, где присутствует давление в 0,1 МПа); 50 — условный проход в мм; А/Б — материал корпуса кольцевой камеры — Сталь 20, а материал диафрагмы — Сталь 12Х18Н10Т; 1 — конструктивное исполнение (рисунок 2.1); ФС-Ру-50 — в комплекте с фланцевым соединением для минимизации измерительной погрешности.

Рисунок 2.1 — Конструктивное исполнение 1 диафрагмы ДКС

FТ 1−2 и FТ 2−2 — преобразователи давления Сапфир-22ДД-Вн-2440-П-01- Т*(-10+50)-0,5−160кПа-16−42-Ц-ТУ4212−080−13 282 997−2010, где обозначения расшифровываются: Сапфир-22ДД — сокращенное наименование преобразователя разности давлений (расхода); Вн — исполнение по взрывозащите «Взрывонепроницаемая оболочка»; 2440 — модель преобразователя, отличающийся набором исполнений по материалам, верхним пределом измерений и рабочим избыточным давлением; П — промышленная эксплуатация с приработкой 360 ч (не для атомной энергетике); 01 — обозначение исполнения по материалам (мембрана — сплав 36НХТЮ; фланцы преобразователя, пробки для дренажа и продувки, ниппель, монтажный фланец, корпус клапанного блока — углеродистая сталь с покрытием); Т*(-10+50) — обозначение вида климатического исполнения и диапазон температур; 0,5 — предел допускаемой основной погрешности; 160 кПа — верхний предел измерений с указанием единицы измерений; 16 — предельно допускаемое рабочее избыточное давление в МПа; 42 — код выходного сигнала (4…20 мА); Ц — наличие встроенного цифрового индикатора; ТУ 4212−080−13 282 997−2010 — технические условия.

FFRC 1−3 — система регулирования на ПЛК SIMATIC РСS7 от SIEMENS для преобразования в соотношение двух расходов и, в последствии, получение выходного сигнала, подающийся на клапан для изменения потока через трубопровод. Регулирование осуществляется по ПИД закону обеспечивая соотношение двух и более величин (рисунок 2.2). Система имеет индикацию на табло и возможность записывать результаты в память.

Рисунок 2.2 — Реализуемый регулятор отношения

FV 1−4 — клапан регулирующий седельный VL2−50мм-60м3/ч-6бар- (2…120С) — 2-ходовой с фланцевым соединением в паре с редукторным электроприводом AME 445-(4…20мА), где приведены значения диаметра трубы, максимальный расход, номинальное давление, температура среды, вид входного аналогового сигнала.

ТЕ 3−1 — термометр сопротивления медный ТСМ9509−00ТУ4211−093−2 566 540−2011, где обозначения расшифровываются: ТСМ9509 — модель термометра с конструкторским исполнением 00 (номинальная статическая характеристика — 50М); технические характеристики по ТУ 4211−093−2 566 540−2011. ТСМ имеет диапазон измеряемых температур в −50…+120°C, время реакции 8 с, степень защиты от пыли и воды IP54, материал защитной арматуры — Латунь Л63, вид климатического исполнения У2, Т2.

ТТ 3−2 — нормирующий преобразователь ОВЕН НПТ1, предназначенный для преобразования значения температуры, измеренной при помощи термосопротивления, в унифицированный сигнал постоянного тока 4…20 мА. Рабочий диапазон температур эксплуатации −40…+85°С.

ТIRA 3−3 — цифровой контроллер-индикатор YOKOGAWA UM351 с сигнализацией и энергонезависимой памятью для записи результатов измерения. Прибор имеет большой цифровой дисплей (использованы светодиоды высотой по 20мм). Возможность установки разного рода сигнализаций на всём диапазоне измерения.

Заказная спецификация на приборы приведена в приложении Б.

3. Функциональная модель в IDEF0

Методология IDEF используется преимущественно на верхних уровнях управления в качестве универсального средства для описания выполняемых какой-либо системой функций, структуры обрабатываемой и хранимой информации, а также для анализа динамических свойств данной системы управления.

Согласно методологии, модель системы может быть представлена в виде совокупности трех моделей:

— функциональной,

— информационной,

— динамической.

Функциональная модель строится по т.н. методологии IDEF0, более известной как SADT (Structure Analysis and Design Technique). Она дает представления о том, какие функции выполняются (должны выполняться) в рассматриваемой системе, что является исходными данными для них, какой результат выполнения каждой функции, а также каковы причинно-следственные связи между ними.

В терминах IDEF0 система представляется в виде комбинации блоков и дуг. Блоки используются для представления функций системы и сопровождаются текстами на естественном языке. Дуги представляют множества объектов (как физических, так и информационных) или действия, которые образуют связи между функциональными блоками. Место соединения дуги с блоком определяет тип интерфейса.

Поскольку блоки символизируют действия, то они, как правило, подписываются глаголами или их формами. Дуги же подписываются существительными.

Управляющие выполнением функции данные входят в блок сверху, в то время как информация, которая подвергается воздействию функции, показана с левой стороны блока; результаты выхода показаны с правой стороны.

Механизм (человек или автоматизированная система), который осуществляет функцию, представляется дугой, входящей в блок снизу (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 — Функциональный блок Разработаем функциональную модель (диаграммы IDEF0) операции «Разработка SCADA» (рисунок 3.2). Произведём процедуру декомпозиции общей задачи для более детального представления модели (рисунок 3.3). Аналогично проведём декомпозицию и других, уже детализованных операций (рисунки 3.4−3.6).

Рисунок 3.2 — Диаграмма IDEF0 разработки SCADA

Рисунок 3.3 — Декомпозиция операции «Разработка SCADA»

Рисунок 3.4 — Декомпозиция операции «Создание проекта»

Рисунок 3.5 — Декомпозиция «Создание интерфейса оператора»

Рисунок 3.6 — Декомпозиция операции «Отладка проекта»

4. Информационная модель в IDEF1х Информационная модель соответствует методологии IDEF1х (ER-диаграммы), которая описывает структуру используемой в системе информации, необходимой для поддержки функций производственной системы или среды, и по сути является моделью реляционной базы данных. Методология IDEF1х фактически является стандартом для проектирования СУБД. Эта методология один из подходов к семантическому моделированию данных, основанный на концепции «Сущность — Отношение» (Entity-Relationship), это инструмент для анализа информационной структуры систем различной природы.

Сущность представляет множество реальных или абстрактных предметов (людей, объектов, мест, событий, состояний, идей, пар предметов и т. д.), обладающих общими атрибутами или характеристиками. Отдельный элемент этого множества называется «экземпляром сущности» .

Сущность изображается в виде прямоугольного блока, внутри которого перечислены ее атрибуты. Сущность обладает одним или несколькими атрибутами.

Первичный ключ — это атрибут или группа атрибутов, которые однозначно идентифицируют каждый экземпляр сущности. Зная значения первичного ключа, всегда можно определить конкретный экземпляр сущности.

Разработаем информационную модель по описанию используемых приборов в ФСА (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 — Информационная модель в IDEF1х

5. Системы PDM

PDM-система (Product Data Management, в переводе — система управления данными об изделии) — организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии. При этом в качестве изделий могут рассматриваться различные сложные технические объекты (корабли и автомобили, самолёты и ракеты, компьютерные сети и прочее). PDM-системы являются неотъемлемой частью жизненного цикла изделия, PLM-системы (Product Lifecycle Management) — прикладного программного обеспечения для управления жизненным циклом продукции.

PDM-системs осуществляет хранение данных об изделиях, выпускаемых на предприятии. Такие системы нашли широкое применение на предприятиях машиностроительной, приборостроительной, судостроительной, авиационной промышленности и др. Особенно удобно использовать PDM-системы при массовом производстве, в таком случае состав изделия, технология разработки и вся документация хранятся в единой базе, и разрабатывать их заново не нужно. А при заказном производстве удобство обеспечивается возможностью быстрой проработки изделия и выставления цены на изготовление заказа.

На первый взгляд PDM-система не способна принести владельцу дополнительную ценность для его бизнеса только за счет ускорения процесса проработки заказа и упрощения процедуры его оценки. Однако это только на первый взгляд. Когда заказчику необходимо изготовить изделие со сроком «как можно скорее», а это бывает в подавляющем большинстве случаев, он в целях скорейшей оценки возможности исполнения заказа направляет запрос на ТКП (технико-коммерческое предложение) на несколько предприятий. И у предприятий, использующих PDM-систему, возможностей оперативно предоставить информацию о составе изделия, маршрутах прохождения, частях или деталях, используемых материалах и, самое главное, стоимости проекта значительно больше, чем у остальных конкурентов.

В PDM-системах обобщены такие технологии, как:

— управление инженерными данными (Engineering Data Management — EDM);

— управление документами;

— управление информацией об изделии (product information management — PIM);

— управление техническими данными (Technical Data Management — TDM);

— управление технической информацией (Technical Information — TIM);

— управление изображениями и манипулирование информацией, всесторонне определяющей конкретное изделие.

Базовые функциональные возможности PDM-систем охватывают следующие основные направления:

— управление хранением данных и документами;

— управление потоками работ и процессами;

— управление структурой продукта;

— автоматизация генерации выборок и отчетов;

— механизм авторизации.

С помощью PDM-систем осуществляется отслеживание больших массивов данных и инженерно-технической информации, необходимых на этапах проектирования, производства или строительства, а также поддержка эксплуатации, сопровождения и утилизации технических изделий. Такие данные, относящиеся к одному изделию и организованные PDM-системой, называются цифровым макетом. PDM-системы интегрируют информацию любых форматов и типов, предоставляя её пользователям уже в структурированном виде (при этом структуризация привязана к особенностям современного промышленного производства). PDM-системы работают не только с текстовыми документами, но и с геометрическими моделями и данными, необходимыми для функционирования автоматических линий, станков с числовым программным управлением и др, причём доступ к таким данным осуществляется непосредственно из PDM-системы.

С помощью PDM-систем можно создавать отчеты о конфигурации выпускаемых систем, маршрутах прохождения изделий, частях или деталях, а также составлять списки материалов. Все эти документы при необходимости могут отображаться на экране монитора производственной или конструкторской системы из одной и той же базы данных. Одной из целей PDM-систем и является обеспечение возможности групповой работы над проектом, то есть, просмотра в реальном времени и совместного использования фрагментов общих информационных ресурсов предприятия.

На рисунке 5.1 можно показать, какие стадии затрагивает PDM-система и какие ещё используются системы.

автоматизация регулятор инженерный смеситель Рисунок 5.1 — Системы верхнего уровня

ERP (Enterprise Resource Planning) — система планирования ресурсов предприятия, управления ресурсами предприятия. MRP (Material Requirements Planning/Manufacturing resource planning) — это планирование потребности в материалах и планирование производственных ресурсов. EAM (Enterprise Asset Management) — управление физическими активами.

Рисунок 5.2 — Взаимодействие систем CAD, PDM, ERP

Успешное внедрение PDM-систем — это длительный, трудоемкий и дорогостоящий процесс, гораздо более сложный, чем внедрение систем автоматизации проектирования. Причем в большинстве случаев предприятие, внедряющее PDM-систему, делает это впервые.

Для организации инженерного документооборота на предприятии недостаточно купить соответствующий программный пакет и, проведя необходимые инсталляции, приступить к работе. Адаптация систем проектирования и подготовки производства является сложным и длительным процессом, охватывающим многие подразделения предприятия, поскольку он сопровождается изменением не только общей организации производственного процесса, но и методов работы многих категорий специалистов и руководителей. Возникает новая система взаимодействия как специалистов, так и целых подразделений между собой. Сбои в работе одного подразделения отражаются на работе других и, в конечном итоге, на функционировании предприятия в целом. Фактически эффективность технологий проектирования и подготовки производства определяет потенциальную общую эффективность предприятия.

Адаптация PDM-системы должна осуществляться последовательно, начиная с малого (например, с настройки справочников) и заканчивая вводом алгоритмов расчета. Одной из основных ошибок многих предприятий является попытка внедрения PDM-системы сразу и везде.

В заключение отметим, что сегодня вряд ли нужно кого-нибудь убеждать в необходимости автоматизации производственных процессов, благодаря которой не только сокращаются материальные затраты и трудоемкость выполнения производственных операций, но и создаются условия для изготовления инновационной продукции. Системы подготовки производства относятся к числу технологий, позволяющих значительно снизить временные затраты в процессе проектирования и сопровождения изделия, накопить базу технологий предприятия, решить широко распространённую проблему дублирования и неактуальности данных, что впоследствии положительно скажется на качестве выпускаемой продукции и жизнедеятельности предприятия в целом. Системы класса PDM должны рассматриваться руководителями производственной компании как необходимый бизнес-инструмент, способствующий выживанию и дальнейшему развитию предприятия в конкурентной среде [13, 14].

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Таушева Е. В. Лекции по курсу «Автоматизация управления жизненным циклом продукции», — Уфа: УГНТУ, 2014.

2. Кирюшин О. В. Управление техническими системами, — Уфа: Издат-во УГНТУ, 2004., 171с.

3. Кирюшин О. В. Практики по курсу «Системы управления химико-технологическими процессами», — Уфа: УГНТУ, 2003., 30с.

4. Аязян Г. К. Практики по курсу «Системы управления химико-технологическими процессами», — Уфа: УГНТУ, 2006., 20с.

5 Диафрагмы для расходомеров// Элемер [Электронный ресурс]. — статья — 2014. — URL: http://www.elemer.ru/production/armatura_pressure/diafragma.php (дата обращения 19.12.2014).

6 Сапфир-22 — Преобразователи давления // Manometr [Электронный ресурс]. — статья — 2014. — URL: http://manometr.net.ua/Преобразователи-давления/Сапфир-22-Преобразователи-давления.html (дата обращения 19.12.2014).

7 Регулирование на основе SIMATIC // SIEMENS [Электронный ресурс]. — пособие по продукту — 2002. — URL: http://iadt.siemens.ru/assets/files /infocenter/Documetations/Automation_systems/STEP7/Run%20Time/Controling_with_SIMATIC_r.pdf (дата обращения 19.12.2014).

8 Регулирующие клапаны и электрические приводы. Каталог // ООО «Данфосс» [Электронный ресурс]. — каталог по продуктам — 2014. — URL: http://ru.heating.danfoss.com/PCMPDF/Control_valves_catalogue.pdf (дата обращения 19.12.2014).

9 ТЕРМОМЕТРЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ // ОАО НПО «Эталон» [Электронный ресурс]. — товарная статья — 2008. — URL: http://www.omsketalon.ru/?action=tsm9509& (дата обращения 19.12.2014).

10 Универсальный нормирующий преобразователь НПТ1 — Краткое описание // фирма «Овен» [Электронный ресурс]. — товарная статья — 2009. — URL: http://www.owen.ru/catalog/universal_nij_normiruyushij_preobrazovatel_npt1/opisanie (дата обращения 19.12.2014).

11 Технические характеристики. Модель UM351 // YOKOGAWA [Электронный ресурс]. — товарный буклет — 2004. — URL: www.yokogawa.ru/default.aspx?mode=binary&id=619 (дата обращения 19.12.2014).

12 PDM-система // wikipedia [Электронный ресурс]. — статья — 2014. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/PDM-система (дата обращения 23.12.2014).

13 PDM-системы // Информационные системы [Электронный ресурс]. — статья — 2010. — URL: http://www.remmag.ru/admin/upload_data/remmag/10−5/Ijora.pdf (дата обращения 24.12.2014).

14 Product Data Management // Tadviser [Электронный ресурс]. — статья — 2014. — URL: http://www.tadviser.ru/index.php/PDM_-_Управление_данными_об_изделии (дата обращения 24.12.2014).