Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФГБОУ ВО "Кубанский государственный технологический университет" Многоотраслевой институт подготовки и переподготовки специалистов в сокращенные сроки Кафедра автоматизации производственных процессов КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по дисциплине "Автоматизация проектирования систем и средств управления" Выполнил студент группы 17–ЗКБс–ИВ1 Пугачёв Александр Васильевич (фамилия, имя, отчество) Шифр зачетной книжки 16–ЗКБс–073 Работа допущена к защите Руководитель работы, доцент Посмитная Л.А. (подпись) Работа защищена Оценка (дата) 2020 г. СОДЕРЖАНИЕ Введение .............................................................................................................................. 3 1. Организационное и методическое обеспечение автоматизированного проектирования ................................................................................................................... 4 2. Машинные алгоритмы преобразования форм математических моделей САУ ........ 8 3. Разработка техническое задание на разработку автоматизированной системы ....... 12 3.1 Общие сведенья ....................................................................................................... 12 3.2 Назначение и цели создания (развития) системы ................................................. 12 3.3 Характеристика объектов автоматизации ............................................................. 13 3.4 Требования к системе .............................................................................................. 14 3.5. Требования по безопасности ................................................................................. 14 Заключение .......................................................................................................................... 16 Список использованных источников ................................................................................ 17 2 Введение В данной контрольной работе по дисциплине «Автоматизация проектирования систем и средств управления» я рассмотрю два теоретических вопроса, в которых опишу такие понятия как Организационное и методическое обеспечение автоматизированного проектирования и машинные алгоритмы, преобразование форм математических моделей САУ. Также я рассмотрю третий практический вопрос, где разработаю техническое задание на разработку автоматизированной системы для выпарной установке на пример добавления в нее нитрата кальция Увеличение производительности труда разработчиков новых изделий, сокращен вопрос сроков проектирования, повышение качества разработки проектов - важнейшие проблемы, решение которых определяет уровень ускорения научно-технического прогресса общества. Развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) опирается на прочную научно-техническую базу. Это - современные средства вычислительной техники, новые способы представления и обработки информации, создание новых численных методов решения инженерных задач и оптимизации. Системы автоматизированного проектирования дают возможность на основе новейших достижений фундаментальных наук отрабатывать и совершенствовать методологию проектирования, стимулировать развитие математической теории проектирования сложных систем и объектов. В настоящее время созданы и применяются в основном средства и методы, обеспечивающие автоматизацию рутинных процедур и операций, таких, как подготовка текстовой документации, преобразование технических чертежей, построение графических изображений. 3 1. Организационное и методическое обеспечение автоматизированного проектирования В последние годы ведущие западные и в меньшей степени отечественные проектные фирмы осуществляли переход от компьютеризации отдельных, наиболее трудоемких, видов работ к системам автоматизированного проектирования (САПР), охватывающим весь процесс создания проекта. В результате показатель капиталовооруженности труда проектировщиков, например, в США увеличился за последние 20 лет в 30 раз, производительность труда— в 2,5 раза. За этот же период этот показатель в России и бывшем СССР увеличился на 5%. В результате число проектировщиков в России примерно в 1,3 раза больше, чем в США, а объем выполняемых работ— вдвое ниже. Вместе с тем созданию (или приобретению) САПР должен предшествовать тщательный экономический анализ. Опыт показывает, что для мелких и средних фирм выгоднее воспользоваться услугами сторонних специалистов, нежели создавать собственную систему с штатом специалистов. К другим основным вопросам, которые надлежит решить при внедрении САПР, относятся: - адаптация организационной структуры фирмы к требованиям САПР, суть которой состоит в организации информационных потоков таким образом, чтобы избежать дублирования (или отсутствия) данных у различных участников процесса проектирования; - выбор программных средств и вычислительной техники с учетом того, что их обновление происходит каждые 5—6 лет; - решение вопроса о структуре используемого в системе банка данных. В общем случае в состав данных включают сведения об удельных расходах материалов, стоимости, компоновочных решениях, технологии, сроках строительства,а также о нормативах и типовых конструктивных решениях. В качестве примера САПР, эффективно работающей во многих странах мира, можно привести мощную универсальную систему CADAD (США) с элементами искусственного интеллекта типа CAD/CAM (CAD — Computer Aided Design, CAM — Computer Aided Management), представляющую собой интегрированную автоматизированную систему для конструирования, проектирования, анализа и управления проектами. Эту систему условно можно разделить на две части. Первая предназначена для проектирования объектов и состоит из: 4 - PDMS— подсистемы компоновочного проектирования с блоками двух- и трехмерной графики; - SAS/SDB — подсистемы проектирования и анализа строительной части объекта с формированием чертежей; - FAS/FDS — подсистемы проектирования и анализа технологической части объекта с формированием чертежей; - QTO — подсистемы расчета потребности в материальных и трудовых ресурсах с оценкой в человеко-часах. Вторая часть обеспечивает управление проектной деятельностью и включает в себя: - AMS— систему управления (планирование); - QA— систему оценки и контроля качества (анализ эффективности работы по проекту); - SAD— систему документооборота по проекту со своей базой данных (подготовка информации для руководства компании и менеджеров проектов). Интерфейсом CADAD связана с системой ARTEMIS, используемой собственно для календарного планирования. Система обеспечивает быстрый ответ на запрос, а также гибкие и эффективные методы защиты информации от несанкционированного доступа. Графические данные могут сопровождаться текстовыми примечаниями, которые можно редактировать. Система обеспечивает нанесение всех возможных видов размеров (в английской и международной системах единиц) с учетом различных правил их оформления, а также вычисление периметров и площадей фигур. Система содержит до 200 графических файлов пользователя и может одновременно выводить на экран данные из 20 файлов, осуществляет до 64 разрезов в виде чертежа. За графическими элементами и их группами могут закрепляться линии разных типов, а также цвета (до 120 одновременно используемых цветов из 4096 возможных). Система автоматически создает изображения в перспективе с нанесением или удалением невидимых линий. Одной из составных частей CADAD является модуль для трехмерного проектирования сложных систем трубопроводов. Графическая база данных модуля содержит объемные элементы трубопроводов (соединения, краны, фланцы, трубы). Выбранный из библиотеки элемент автоматически приводится в соответствие с характеристиками трубопроводной системы проектируемой модели. Модуль осуществляет обработку чертежей и создает двух трехмерные изображения, включая 5 построение изометрических моделей и ортогональных проекций объектов. Предусмотрен выбор деталей для трубопроводов, видов покрытий и типов изоляций согласно заданной спецификации. На выходе программы пользователь получает три модели: новый двухконтурный чертеж стен с детальной прорисовкой дверных и оконных проемов, план с наложенной на него штриховкой и текстовый файл, содержащий информацию о фактах и причинах неудовлетворительного выполнения программы, указывающий на ошибки в чертежах. Библиотека стандартных деталей и символов содержит около 1200 графических элементов и деталей конструкций, которые могут переноситься на рабочие чертежи. Детали из библиотеки можно использовать в первоначальном виде или модифицировать их применительно к особенностям проекта. Система AUTOCAD представляет собой профессиональную систему автоматизированного проектирования и выполнения чертежей, работа которой основана на использовании недорогих микрокомпьютеров, используемых даже в небольшом проектном бюро или отделе. Их отличительными особенностями является низкая стоимость и раствора производительность, возможность выполнения широкого класса проектных задач. Стоимость системы колеблется в диапазоне от 6 до 10 тыс. долларов. Система AUTOCAD позволяет выполнить работу в более короткие сроки. Ее пользователи завершают выполнение чертежей в два-три раза быстрее, чем при традиционных методах, система многократно окупает себя при использовании. Система AUTOCAD нашла весьма широкое распространение на российском рынке. Специалисты Национальной аэрокосмической лаборатории (Нидерланды) разработали систему управления базами данных в области проектирования EDIPAS (Engineering Data Interactive Presentationand Analysis System). Система обеспечивает требующуюся информацию для решения широкого класса задач в сфере проектирования. В отличие от обычных систем подобного типа разработанная система управления базами данных обеспечивает возможность хранения не только исходной, базовой информации, но и производной от нее, полученной в результате проведения промежуточных расчетов. Это обстоятельство имеет принципиальное значение в задачах проектирования, где необходимо проводить повторные расчеты, выполнение которых в значительной мере упрощается благодаря системе EDIPAS. 6 В последние годы все более широкое применение получают экспертные системы, представляющие собой новый этап роста интеллектуальности автоматизированных систем, развитых до уровня, при котором из множества фактов и данных создается возможность появления новой информации, аналогично тому, как это делает человек. Экспертные системы включают в себя базы знаний, механизмы логического вывода и средства обучения и адаптации, что дает возможность качественно изменить характер взаимоотношений человека с ЭВМ: на смену традиционному прикладному программированию приходит проблемно - ориентированное общение. Человек задает цель, а интеллектуальная система выдает одно или несколько допустимых решений. Разработчик освобождается от массы рутинных функций анализа промежуточных результатов и получает возможность сконцентрировать свое внимание на действительно ключевых творческих аспектах проектирования. Экспертные системы используются в строительном проектировании, когда наряду с математическими инженерными расчетами требуется привлечение концепций, идей, суждений и опыта специалистов. В США ведутся работы по созданию и совершенствованию экспертных систем для проектирования и строительства, в числе которых можно назвать следующие: 1) Экспертная система для принятия решений о выборе строительных материалов. Эта система создается как прототип аналогичных систем в строительстве. Система позволит, в частности, подбирать необходимые добавки для бетонов в зависимости от условий его работы. Система создается Центром по строительной технологии (СВТ). В основу экспертной системы закладываются данные Американского института бетона (ACI). Комитет АО подвергал экспертизе предлагаемую экспертную систему и рекомендовал ввести определенные улучшения в базу знаний о бетонах. При создании базы знаний были использованы и другие документы, например данные о коррозии металлов в бетонах и цементах. 2) воздуха Экспертная система для прогнозирования и управления инфильтрацией в зданиях. Для работы экспертной системы развиваются модели предсказаний, вырабатываются требования к информации, которая обычно не используется для работы с моделями. В окончательном варианте система должна использовать имеющуюся инфильтрации как информацию функцию погодных о зданиях, условий, определять определять скорость потери тепла, конденсацию, качество воздуха в помещениях, рекомендовать соответствующие меры и проводить оценку их эффективности. 7 2. Машинные алгоритмы преобразования форм математических моделей САУ. Математическая модель – математическое представление реальности, один из вариантов модели как системы, исследование которой позволяет получать информацию о некоторой другой системе. Математическая модель предназначена предсказать поведение реального объекта, но всегда представляет собой ту или иную степень его идеализации. Математическим моделированием называют как саму деятельность, так и совокупность принятых приёмов и техник построения и изучения математических моделей. Все естественные и общественные науки, использующие математический аппарат, по сути, занимаются математическим моделированием: заменяют объект исследования его математической моделью и затем изучают последнюю модель. Связь математической модели с реальностью осуществляется с помощью цепочки эмпирических законов, гипотез, идеализаций и упрощений. С помощью математических методов описывается, как правило, идеальный объект или процесс, построенный на этапе содержательного моделирования. Математическая модель - это приближённое описание какого-либо класса явлений внешнего мира, выраженное математическими символами. В автоматизированных системах управления математическая модель используется для определения алгоритма функционирования контроллера. Этот алгоритм определяет, как следует изменять управляющее воздействие в зависимости от изменения, задающего для того, чтобы была достигнута цель управления. Никакое определение не может в полном объёме охватить реально существующую деятельность по математическому моделированию. Несмотря на это, определения полезны тем, что в них делается попытка выделить наиболее существенные черты. Начальная стадия проектирования систем автоматического управления связана с формированием облика системы на концептуальном уровне. На этом этапе определяется принцип построения системы, а также ее функциональный состав, структура и характер информационных связей между функциональными блоками. Этап концептуального проектирования систем автоматического управления является важным и ответственным этапом в решении общей проблемы проектирования систем автоматического управления. На этапе концептуального проектирования 8 определяется и формируется расчетная структура системы этапа ее динамического проектирования и расчета - управления, составляющая основу для проведения последующего этапа проектирования системы. От сформированной на этапе концептуального проектирования функционально–информационной структуры системы управления во многом зависит результаты ее динамического расчета. Основной целью динамического расчета является синтез алгоритмов обработки информации и управления, обеспечивающих целенаправленное, наиболее эффективное изменение контролируемых переменных, характеризующих внутреннее динамическое состояние объекта управления с учетом заданных в Техническом задании требуемых значений показателей качества, а также действующих на систему управления различного рода возмущающих факторов. Рассмотрим основные общие принципы построения систем автоматического управления, составляющих методологическую основу для решения задач их концептуального и динамического проектирования Задача автоматизации технологического проектирования для современного машиностроения является чрезвычайно важной и актуальной. Ее решение обеспечит возращением сроков внедрения в производство новых проектно-конструкторских разработок и повышение его эффективности. Вместе с тем решение этой задачи связано с определенными трудностями. Это обусловлено как особенностями технологического проектирования, которое традиционно считается творческим процессом, так и возрастающими требованиями современного машиностроительного производства к автоматизированным системам. Современное машиностроительное производство является многономенклатурным, с частой сменой выпускаемых изделий, их повышенной конструктивной сложностью, большим числом оригинальных и уникальных конструкторских решений, реализация которых сопровождается вырастворими требованиями к качеству, надежности и ресурсу изделий. Повышение конструктивной сложности, качества изделий, быстрое их обновление наблюдается повсеместно во всех машиностроительных областях. В условиях перехода к рыночной экономике особенно возросли требования к возращения сроков разработки технологии (технологических процессов и средств их оснащения) при улучшении ее качества. Осуществление этих требований возможно только на основе широкого применения средств вычислительной техники на всех этапах производства. Особая роль отводится применению ЭВМ в системах автоматизированного проектирования САПР. 9 Эти системы все более широко используются в различных отраслях промышленности. Разработка промышленности позволяет и широкомасштабное снизить затраты на использование создание и САПР в эксплуатацию проектируемых изделий, повысить производительность труда проектировщиков, конструкторов и технологов, снизить объем проектной документации. Автоматизация проектирования позволяет сделать труд разработчиков творческим. Существенным преимуществом автоматизированных систем технологической подготовки производства ТПП является выполнение рутинных процессов и подготовка информации с помощью средств электронной обработки данных. Специалист, работающий с автоматизированными системами ТПП, избавляется от монотонного, нетворческого труда. Кроме того, благодаря большому быстродействию средств электронной обработки данных появляется возможность использования различных альтернативных решений. Для реализации планов внедрения автоматизированного проектирования необходима своевременная разработка и широкое распространение методического обеспечения, а также подготовка квалифицированных специалистов-разработчиков и пользователей САПР. В рамках жизненного цикла промышленных изделий САПР решает задачи автоматизации работ на стадиях проектирования и подготовки производства. Основная цель создания САПР - повышение эффективности труда инженеров, включая: Трудоёмкости проектирования и планирования; Сроки проектирования; Себестоимость проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию; повышения качества и технико-экономического уровня результатов проектирования; Затраты на натурное моделирование и испытания. Достижение этих целей обеспечивается путём: o автоматизации оформления документации; o информационной поддержки и автоматизации процесса принятия решений; o использования технологий параллельного проектирования; o унификации проектных решений и процессов проектирования; o повторного использования проектных решений, данных и наработок; o стратегического проектирования; 10 o замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием; o повышения качества управления проектированием; o применения методов вариантного проектирования и оптимизации. Система автоматизированного проектирования - автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования, представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности. Также для обозначения подобных систем широко используется аббревиатура САПР. 11 3. Разработка техническое задание на разработку автоматизированной системы Выпарной установки. 3.1. Общие сведенья Наименование системы Выпарная установка Шифр темы 09.03.01 Наименование предприятий 1.3.1 Заказчик Альфа Лаваль г. Королёв ул. Советская 3 1.3.2 Исполнитель – Пугачёв А.В. Основание для разработки Выпарная установка разрабатывается на основании договора на поставку между Альфа Лаваль и студентом Пугачёвым А.В. Плановые сроки начала и окончания работы Плановые сроки начала и окончания работ не более 2х недель включая разработку и поставку выпарной установки. Сведения об источниках и порядке финансирования работ Работы финансируются заказчиком Порядок оформления и предъявления заказчику результатов работ Работы по созданию Выпарной печи сдаются в несколько этапов, чтобы минимизировать неточности и согласовать финишный вариант разработки 3.2. Назначение и цели создания (развития) системы Назначение системы Выпарная установка (Приложение 1) предназначена для разделения нелетучих загрязняющих веществ из воды или растворителя на основе физического процесса испарения. 12 Цели создания системы Целью создания Выпарной установки является исходный раствор с концентрацией Са (NO3)2 51 ¸ 54 % поступающий в выпарной аппарат, где происходит повышение концентрации раствора Са(NO3)2 до 60¸ 62 % . регулирование расхода исходного раствора на выпарной аппарат (2500 ± 30) кг/ч (контур 1); регулирование температуры кипения исходного раствора в аппарате (110 ± 2) °С за счет подачи греющего пара (контур 2); контроль и сигнализация давления греющего пара (0,3 ± 0,01) МПа на выпарной аппарат (контур 3); контроль температуры греющего пара 130 ¸ 133 °С (контур 4); регулирование уровня 40 % от Н раствора в сепараторе за счет изменения отбора упаренного раствора (контур 5); контроль расхода отбираемого упаренного раствора 0 ¸ 1000 кг/ч (контур 6); контроль и сигнализация давления вторичного пара (0,04 ± 0,002) МПа (контур 7); контроль температуры вторичного пара 74 ¸ 77 °С (контур 8); контроль концентрации Са(NO3)2 60 ¸ 62 % (контур 9). 3.3. Характеристика объектов автоматизации Краткие сведенья Объект представляет собой выпарную установку поставляющуюся компанией ООО «Чистые технологии». Основные температурные характеристики пространства печи: регулирование расхода исходного раствора на выпарной аппарат (2500 ± 30) кг/ч регулирование температуры кипения исходного раствора в аппарате (110 ± 2) °С за счет подачи греющего пара регулирование уровня 40 % от Н раствора в сепараторе за счет изменения отбора упаренного раствора Планировка помещения с указанием высот, а так же схема размещения выпарной установки представлена в договоре. 13 3.4 Требования к системе Для подогрева раствора, поступающего в первый корпус, до температуры, близкой к температуре кипения, необходимо устанавливать перед корпусом подогреватели, обогреваемые конденсатом или соковым паром. Коммуникации подогревателей должны иметь запорные устройства для отключения и обводные линии, а также линии для возврата подогретого раствора в промежуточный бак (для циркуляции раствора через подогреватели) в периоды, когда первый корпус не может непрерывно принимать подогретый раствор. Для контроля за качеством конденсата на конденсат на проводах установок должны быть смонтированы пробоотборники. .Для обеспечения наблюдений за уровнем раствора в выпарных аппаратах должны предусматриваться смотровые стекла. Выпарные установки должны быть оснащены следующими контрольно - измерительными и регулирующими приборами: автоматическими регуляторами давления пара, поступающего в первый корпус регистрирующим манометром на линии подачи пара в цех; манометрами на греющей камере и в паровом пространстве первого корпуса; манометрами, вакуумметрами на греющих камерах и в паровом пространстве последующих корпусов; автоматическими регуляторами уровня раствора; указывающими и сигнализирующими вакуумметрами на трубопроводах, идущих от барометрических или поверхностных конденсаторов; приборами для измерения температуры на всех выпарных аппаратах, подогревателях и барометрическом или поверхностном конденсаторе; расходомерами для учета расхода воды, поступающей в цех; расходомером для учета раствора, поступающего на выпарку; концентратомерами после каждого выпарного аппарата. 3.5 Требования по безопасности Следить за подачей греющего пара в первый корпус и не допускать падения или повышения давления его в значительных пределах (допустимы колебания в пределах 0,01 МПа (0,1 кгс/см2); 14 поддерживать предусмотренное режимной картой распределение температур и давлений по корпусам выпарной установки; следить за непрерывностью отвода конденсата из греющих камер выпарных аппаратов, а также систематически проверять качество конденсата; обеспечивать систематическое питание выпарных аппаратов раствором, подогретым до температуры, близкой к температуре кипения; следить за перепуском раствора из корпуса в корпус и систематически выводить из последнего корпуса готовый продукт, поддерживая установленный уровень раствора в аппаратах и не допуская оголения греющих камер; обеспечивать минимальные потери раствора, концентратов и теплоносителей; поддерживать разрежение в выпарных аппаратах, работающих под разрежением, на уровне, предусмотренном режимной картой, в случаях падения вакуума немедленно выявлять причины и устранять их; строго соблюдать предусмотренный график и порядок промывки выпарных аппаратов, а при необходимости производить внеочередные промывки выпарных аппаратов и их очистку; обеспечивать непрерывную и исправную работу автоматических, теплоизмерительных и регулирующих приборов, арматуры, а также вспомогательного оборудования выпарной установки. Схема трубопроводов выпарной установки должна исключать возможность смешения потоков греющего первичного и вторичного пара, а также потоков их конденсата. 15 Заключение Таким образом, в ходе данной контрольной работы мною были изучены параметры процесса выпаривания воды при взаимодействии с раствором нитрата кальция, которые влияют на выход готовой продукции, а также выявлен характер этих воздействий. Для поддержания на стабильном уровне параметров упаренного раствора, была разработана и описана схема автоматизации, а также подобраны средства автоматизации и организованы контура регулирования. В контрольной работе проведена специальная разработка автоматизированной системы контроля отказоустойчивые и управления средства уровня автоматизации в и подобраны соответствии отечественные с параметрами протекающего процесса. Также изучены два теоретических вопроса для большего понимания процессов машинных алгоритмов и математического моделирования, а также организационные методы автоматизированного проектирования. Для успешного функционирования промышленных предприятий в современных условиях абсолютно необходимы передовые информационные технологий. Они позволяют не только решать широкий круг задач в сфере автоматизации финансово-хозяйственной и управленческой деятельности, но и осуществлять комплексную автоматизацию основных технологических и производственных бизнес-процессов. На сегодняшний день внедрение САПР в производство предприятие является не таким уж и трудоемким, как на первый взгляд. Многие готовые системы САПР выпускаются сейчас, и их стоимость чуть выше 500$, в зависимости от рабочих мест. Конечно, есть бесплатные, которые можно закачать с интернета. Но от них никакой технической поддержке. И еще неизвестно как они себя поведут. 16 Список использованных источников 1. Багров И. В., Шаханов В. Д., Чулкова Э. Н. Процессы и аппараты химической технологии. Тепловые и массообменные процессы. Под ред. проф. Л. Я. Терещенко. – СПб.: С.-Петерб. государственный университет технологии и дизайна, 2018. – 103 с. 2. Белов М.П. Технические средства автоматизации и управления. Учеб. пособие. - СПб: СЗТУ, 2016. -184 с. 3. Воробьёва, Г. Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. - М.: Химия, 2017. - 816 с. 4. Дытнерский Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. – М.: Химия, 2019. - 270 с. 5. Кузнецова Л.Н., Селянина Л.П., Третьяков С.II. Расчет выпарных установок: Учебное пособие. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2016. - 72 с. 6. https://works.doklad.ru/view/dTHeBSMmeDU/all.html Система автоматизированного проектирования САПР. 7. https://monographies.ru/ru/book/section?id=2320 Компоненты САПР. 8. https://mash-xxl.info/info/16320/ Организационное обеспечение САПР. 9. http://tekhnosfera.com/razrabotka-i-vnedrenie-metodov-i-sredstv-avtomatizatsii- modelirovaniya-dinamicheskih-sistem Разработка и внедрение методов машинных алгоритмов и преобразования процессов математического моделирования. 17
