Разработка функциональной схемы автоматизации технологического процесса

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).