Структура и содержание дипломной работы по автоматизации АСУ ТП котельной

Современные системы теплоснабжения — это основа комфорта и производственной стабильности, но одновременно и одна из самых ресурсоемких отраслей. В условиях постоянного роста цен на энергоносители остро встает проблема их эффективности. Ключевым ответом на этот вызов является внедрение Автоматизированных Систем Управления Технологическими Процессами (АСУ ТП). Автоматизация позволяет оптимизировать расход ресурсов, повысить надежность оборудования и, что критически важно, минимизировать влияние человеческого фактора. Поэтому дипломная работа по автоматизации котельной — это не просто учебная формальность, а полноценный проект, имитирующий реальную инженерную задачу. Эта статья станет вашей дорожной картой на пути от чистого листа до успешной защиты, проведя через все ключевые этапы проектирования.

Итак, любой серьезный проект начинается с глубокого погружения в объект. Давайте разберем, что именно нужно проанализировать в первую очередь.

Глава 1. Фундамент вашего проекта, или как правильно проанализировать объект автоматизации

Первый раздел вашей работы — это не переписывание теории из учебников, а глубокая аналитическая работа. Ее цель — досконально изучить блочно-модульную котельную как объект управления, чтобы четко понимать, какие задачи должна решать будущая система. Типичная котельная, будь то водогрейная или паровая, представляет собой сложный комплекс взаимосвязанного оборудования.

Ваша задача — декомпозировать этот комплекс на ключевые технологические процессы, подлежащие контролю и управлению. К ним, как правило, относятся:

• Работа котлоагрегатов: управление розжигом и горением, обеспечение попеременной работы для равномерного износа, реализация погодозависимого режима.
• Управление насосной группой: включение и ротация сетевых, подпиточных и циркуляционных насосов для поддержания движения теплоносителя.
• Поддержание ключевых параметров: автоматическое регулирование температуры и давления в контурах, контроль уровня воды в котлах, разрежения в топке и содержания кислорода в уходящих газах.

Именно на основе этого анализа формулируются цели и задачи автоматизации. Главная цель — обеспечить работу котельной в полностью автоматическом режиме без постоянного присутствия обслуживающего персонала. Это достигается за счет повышения точности регулирования, что ведет к прямой экономии топлива, снижению вероятности аварий и увеличению общего срока службы оборудования.

Когда мы досконально изучили «тело» нашего объекта, пора выбрать для него «мозг». Следующий шаг — определение архитектуры будущей системы управления.

Глава 2. Выбираем архитектуру АСУ ТП, где мозг системы — контроллер

Архитектура любой современной АСУ ТП строится по классической трехуровневой модели, которую необходимо описать в дипломной работе:

1. Полевой (нижний) уровень: Это «органы чувств» и «мышцы» системы. Сюда входят датчики (температуры, давления), которые собирают информацию, и исполнительные механизмы (клапаны, задвижки, частотные преобразователи), которые выполняют команды.
2. Средний уровень: Здесь находится «мозг» системы — программируемый логический контроллер (ПЛК). Он опрашивает датчики, выполняет заложенные в него алгоритмы и отдает команды исполнительным механизмам.
3. Верхний уровень: Это «сознание» системы — автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора на базе SCADA-системы. Здесь происходит визуализация процессов, архивирование данных и взаимодействие человека с системой.

Ключевой этап в этой главе — обоснованный выбор ПЛК. Это решение определяет надежность, функциональность и стоимость всей системы. В дипломной работе принято сравнивать несколько вариантов. Например, можно рассмотреть два популярных на рынке решения:

Сравнительный анализ ПЛК для АСУ ТП котельной

Критерий	Siemens (например, SIMATIC)	ОВЕН (например, ПР200)
Надежность и репутация	Высочайшая, мировой стандарт в промышленности.	Хорошая, зарекомендовавшее себя бюджетное решение.
Стоимость	Высокая.	Значительно ниже, доступно для малых проектов.
Программное обеспечение	Мощное, но платное и сложное в освоении (TIA Portal).	Бесплатное и интуитивно понятное (Owen Logic).

Аналогичный анализ проводится и для SCADA-системы. Ваш выбор должен быть не случайным, а четко аргументированным исходя из задач, бюджета и масштаба проекта.

Мы выбрали ключевые компоненты. Теперь нужно заставить их работать вместе, превратив набор оборудования в единый организм. Для этого мы спроектируем «нервную систему» — функциональные схемы и алгоритмы.

Глава 3. Проектируем «нервную систему», или как разработать функциональные схемы и алгоритмы

Этот раздел переводит ваши технологические задачи на язык автоматики. Центральным документом здесь является функциональная схема автоматизации (ФСА). Это чертеж, который наглядно связывает технологическое оборудование (котлы, насосы) с элементами системы управления.

На ФСА условными обозначениями изображаются:

• Датчики, показывающие, какой параметр (например, температуру) и где они измеряют.
• Контроллер (ПЛК), к которому эти сигналы поступают.
• Исполнительные механизмы (например, регулирующий клапан), на которые ПЛК воздействует.
• Логические связи между элементами, образующие контуры регулирования.

Для примера, можно детально описать контур поддержания температуры горячей воды: датчик температуры в контуре ГВС передает сигнал на ПЛК. ПЛК сравнивает текущее значение с уставкой и, если температура ниже, приоткрывает регулирующий клапан на подаче теплоносителя. Это простой, но наглядный пример, демонстрирующий логику схемы.

На основе ФСА разрабатываются алгоритмы управления — детальное описание логики работы программы контроллера. Здесь нужно описать ключевые сценарии:

1. Алгоритм каскадного розжига котлов: как система подключает дополнительный котел при росте нагрузки и отключает при ее снижении.
2. Алгоритм ротации насосов: как система поочередно включает насосы для обеспечения их равномерной наработки.
3. Алгоритм погодозависимого регулирования: как температура теплоносителя в системе отопления меняется в зависимости от температуры наружного воздуха.

Особое внимание уделите алгоритмам аварийных защит — действиям системы при выходе параметров за критические пределы (например, при падении давления газа или перегреве котла).

Схемы готовы, логика понятна. Но как оператор будет взаимодействовать с этой сложной системой? Следующий шаг — проектирование человеко-машинного интерфейса.

Глава 4. Создаем пульт управления, или что такое АРМ оператора

Автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора — это окно в технологический процесс, реализованное на базе SCADA-системы. От того, насколько удобным и информативным будет этот интерфейс (HMI), зависит эффективность управления и скорость реакции на нештатные ситуации. Хорошо спроектированный АРМ — ключ к предотвращению ошибок.

Основные функции АРМ, которые нужно описать в дипломе:

• Визуализация процесса: На экране отображается мнемосхема — графическая копия котельной, где в реальном времени анимируется работа оборудования (вращение насосов, открытие клапанов) и отображаются текущие значения ключевых параметров.
• Отображение трендов: Возможность просматривать историю изменения параметров (температуры, давления) в виде графиков. Это помогает анализировать работу системы и выявлять проблемы.
• Управление оборудованием: Возможность дистанционно изменять уставки, переключать режимы работы (автоматический/ручной), включать и отключать агрегаты.
• Ведение журнала событий и аварий: Система автоматически фиксирует все действия оператора и все возникающие аварийные ситуации с указанием точного времени.

При проектировании мнемосхемы важно придерживаться принципов интуитивности: логично располагать элементы, использовать общепринятое цветовое кодирование (например, зеленый — норма, желтый — предупреждение, красный — авария) и выводить на главный экран только самую важную информацию, не перегружая интерфейс.

Техническая часть проекта готова. Но любой инженерный проект должен быть экономически целесообразным. Перейдем к расчету его эффективности.

Глава 5. Считаем деньги, или как подготовить технико-экономическое обоснование

Этот раздел должен убедительно доказать, что предложенный вами проект по автоматизации не только технически грамотен, но и экономически выгоден. Структура обоснования делится на две части: расчет затрат и оценка получаемых выгод.

Капитальные затраты — это единовременные вложения в создание системы. Основные статьи расходов включают:

• Стоимость оборудования (ПЛК, модули ввода-вывода, датчики, шкаф управления).
• Стоимость программного обеспечения (лицензии SCADA, среды разработки).
• Затраты на проектно-монтажные и пусконаладочные работы.

Экономический эффект (выгоды) — это то, что предприятие получит после внедрения системы. Главными источниками прямой экономии являются:

• Снижение расхода топлива (газа, мазута) за счет более точного поддержания режимов горения и погодозависимого регулирования. Это самый значительный фактор.
• Сокращение штата обслуживающего персонала, поскольку система работает в автоматическом режиме и требует только периодического контроля.

Помимо прямой экономии, существуют и косвенные выгоды: повышение надежности и снижение аварийности, что предотвращает дорогостоящие ремонты, а также увеличение общего срока службы оборудования. На основе этих данных рассчитываются ключевые показатели эффективности, такие как срок окупаемости проекта (Payback Period) и рентабельность инвестиций (ROI), которые наглядно демонстрируют целесообразность внедрения АСУ ТП.

Проект доказал свою техническую состоятельность и экономическую выгоду. Остался финальный, но не менее важный аспект — обеспечение безопасности.

Глава 6. Обеспечиваем безопасность, или что входит в раздел охраны труда

Необходимо помнить, что котельная — это объект повышенной опасности, классифицируемый как взрыво- и пожароопасный. Поэтому раздел по охране труда и безопасности жизнедеятельности является обязательной частью дипломной работы. В нем нужно проанализировать потенциальные риски для персонала и предложить меры по их минимизации.

Основные вредные и опасные производственные факторы в котельной:

• Повышенный уровень шума и вибрации от работающих насосов и вентиляторов.
• Риск поражения электрическим током при обслуживании шкафов управления и электрооборудования.
• Наличие электромагнитных полей от силовых кабелей и оборудования.
• Психофизическое напряжение оператора при контроле за сложным технологическим процессом.

На основе этого анализа перечисляются ключевые мероприятия по обеспечению безопасности. К ним относятся: проведение регулярных инструктажей, обязательное заземление всего оборудования, использование средств индивидуальной защиты (СИЗ), а также организация рабочего места оператора в отдельном помещении в строгом соответствии с действующими санитарными нормами и правилами (СанПиН).

Мы рассмотрели все ключевые содержательные блоки дипломной работы. Теперь соберем их в единый документ и подготовимся к финалу.

Глава 7. Компонуем и оформляем финальный документ

Когда все расчеты выполнены, а схемы начерчены, наступает этап финальной сборки и оформления работы. Крайне важно соблюдать стандартную структуру и требования ГОСТ, так как аккуратное оформление демонстрирует вашу инженерную культуру.

Классическая структура дипломной работы выглядит следующим образом:

1. Титульный лист
2. Задание на дипломное проектирование
3. Реферат (аннотация)
4. Введение
5. Основная часть (состоящая из рассмотренных нами глав: анализ объекта, выбор архитектуры, разработка схем, АРМ, экономика, охрана труда)
6. Заключение
7. Список использованных источников
8. Приложения (куда выносятся большие схемы, листинги программ, спецификации)

Уделите особое внимание введению и заключению. Во введении четко сформулируйте актуальность проблемы, поставьте цель (например, «модернизация системы управления…») и задачи, которые вы решали для ее достижения. В заключении подведите итоги: кратко перечислите основные результаты по каждой главе и сделайте главный вывод о том, что поставленная цель была успешно достигнута. Не забывайте про сквозную нумерацию страниц, правильное оформление ссылок на литературу и подписей к рисункам и таблицам — это те мелочи, которые формируют общее впечатление о работе.

Ваша работа написана, оформлена и готова к главному испытанию.

Вместо заключения. Несколько советов перед защитой

Защита — это финал вашего многомесячного труда, и к нему нужно готовиться не менее серьезно, чем к написанию самой работы. Главное — не паниковать, а четко и уверенно представить свои результаты.

Сфокусируйтесь на подготовке короткой, но емкой презентации. Оптимальный объем — 10-12 слайдов, которые должны отражать ключевые моменты вашего проекта: постановка задачи, анализ объекта, предложенная архитектура АСУ ТП, пример функциональной схемы, вид главного экрана АРМ и, конечно, итоговые экономические показатели. Обязательно отрепетируйте свой доклад несколько раз, чтобы он уверенно укладывался в отведенные 7-10 минут. Говорите не о том, что вы делали, а о том, почему вы приняли те или иные инженерные решения. Будьте готовы отвечать на вопросы комиссии спокойно и по существу, ведь кто, как не вы, лучше всех знает каждый аспект своего проекта. Удачи!

Список использованной литературы

1. Производственный менеджмент: Учебник для вузов / Ред. С.Д. Ильенкова. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. — 583 с.
2. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим про¬цессом, экспериментом, оборудованием. — М. : Горячая линия — Телеком, 2008. — 608 с.
3. Промышленные контроллеры. Оборудование для АСУ ТП – Каталог №2/2006.
4. Промышленные контроллеры. Оборудование для АСУ ТП – Каталог №6/2006. Свистунов В.М., Пушняков Н.К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов АПК и ЖКХ: Учебник для вузов. – СПб.: Политехника, 2001. – 423 с.: ил.
5. Федотов А.В. Автоматизация управления в производственных системах: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. 368 с.
6. Федотов А. В. Составление технического задания: Метод. указания. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 1999. — 24 с.
7. Федотов А.В. Алгоритмизация технологических процессов механической обработки при построении АСУ ТП: Учебное пособие. Омск, ОмПИ, 1984. – 44 с.
8. Александров К. К., Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 288 с.: ил.
9. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справ. пособие / А.С. Клюев, Б.В. Глазов и др.; Под ред. А.С. Клюева.
10. Богословский В.И. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. – М.:Стройиздат,1985 – 159с., ил.
11. Кузнецов В.П. Защита от электромагнитного излучения. Методические указания к дипломному проектированию. – Омск: Издательство ОмГТУ, 1998. – 28 с.
12. Производственное освещение: Метод. указания/Сост.: Н.В. Горшенина, Л.Г. Стишенко, Омск, 2001
13. Безопасность жизнедеятельности: Учебное пособие/Под ред. О.Н. Русака. – СПб.: Издательство “Лань”, 2003. – 448 с.
14. Безопасность производственных процессов: Справочник/Под ред. С.В. Белова. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.
15. Субботина Л.Г. Технико-экономическое обоснование работ исследовательского характера – Северск: СГТИ, 2006.
16. Сайт компании ОВЕН. Оборудование для автоматизации. http://www.owen.ru/
17. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. – М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2007.– 592 с.: ил.
18. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. –М.: Мир, 1978. –847 с.
19. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. –М.: Высшая школа, 1988. – 448 с.
20. Ананьев В.А., Балуева Л.Н. Системы вентиляции и кондиционирования, М.: Евроклимат, 2000г.
21. Лит.: Пожарная безопасность. Взрывобезопасность. Справочник, под ред. А.Н. Баратова, М., 1987. А.Н. Боратов.
22. СНиП 3.05.07-85 «Системы автоматизации» — М.: Стройиздат, 1986г
23. Феткуллов М. Р. «Экономика систем ТГВ»-Ульяновск, 2007.
24. СНиП 23.05-95. Естественное и искусственное освещение: Строительные нормы и правила. М., 1996.
25. СанПиН 2.2.2.542-96. Нормы для операторов ЭВМ. Санитарные правила. М.: Информ.-изд. центр Минздрава России, 1997.
26. НПБ 105-03. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности: Нормы пожарной безопасности. М., 2004.
27. ГОСТ 12.1.006-84. Электромагнитные излучения. М.: Изд-во стандартов, 1985.
28. ГОСТ 12.1.002-84. Электрический ток. М.: Изд-во стандартов, 1985