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:
Развернуть, согласно варианту, заданную
упрощенную ФСА (рисунок З.1) в программе AutoCAD;
Рисунок З.1 - Упрощенная ФСА (21 вариант)
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);
Разработать функциональную модель (диаграммы IDEF0)
по одной выбранной теме с тремя-четырьмя уровнями детализации;
Разработать информационную модель (диаграммы IDEF1х)
по описанию используемых датчиков в ФСА с не менее тремя сущностями;
Рассмотреть теоретическую тему «Системы PDM»
(2 вар.).
СОДЕРЖАНИЕ
1. Развёртка ФСА
. Выбор технических средств
автоматизации
. Функциональная модель в IDEF0
. Информационная модель в IDEF1х
. 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°С.
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.
. 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 [5].
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-ТУ4212-080-13282997-2010, 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 4212-080-13282997-2010 - технические
условия [6].
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 [7].
Рисунок 2.2 - Реализуемый регулятор отношения
FV 1-4 -
клапан регулирующий седельный VL2-50мм-60м3/ч-6бар- (2…120°С)
- 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 [8].
ТЕ 3-1 - термометр сопротивления медный ТСМ9509-00ТУ4211-093-02566540-2011,
где обозначения расшифровываются: ТСМ9509 - модель термометра с конструкторским
исполнением 00 (номинальная статическая характеристика - 50М); технические
характеристики по ТУ 4211-093-02566540-2011. 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 [9].
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 [10].
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 [11].
Заказная спецификация на приборы приведена в
приложении Б.
. 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 3.5 - 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.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
<https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B8%D1%84%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%BC%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82>.
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 [12].
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.
.
Кирюшин О.В. Управление техническими системами, - Уфа: Издат-во УГНТУ, 2004.,
171с.
.
Кирюшин О.В. Практики по курсу «Системы управления химико-технологическими
процессами», - Уфа: УГНТУ, 2003., 30с.
.
Аязян Г.К. Практики по курсу «Системы управления химико-технологическими
процессами», - Уфа: УГНТУ, 2006., 20с.
Диафрагмы
для расходомеров// Элемер [Электронный ресурс]. -
статья - 2014. - URL: http://www.elemer.ru/production/armatura_pressure/diafragma.php
(дата обращения 19.12.2014).
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).
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).
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).
ТЕРМОМЕТРЫ
СОПРОТИВЛЕНИЯ // ОАО НПО «Эталон» [Электронный ресурс]. - товарная статья - 2008.
- URL:
http://www.omsketalon.ru/?action=tsm9509& (дата обращения 19.12.2014).
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).
PDM-система
// wikipedia
[Электронный ресурс]. - статья - 2014. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/PDM-система
(дата обращения 23.12.2014).
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).
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).