Структура и ключевые элементы дипломной работы на тему «Модернизация системы управления»

Введение как фундамент всего дипломного проекта

Введение — это не формальность, а стратегически важный раздел, закладывающий основу всей работы. Его главная задача — убедить научного руководителя и аттестационную комиссию в том, что выбранная тема не только интересна, но и критически важна для современной промышленности. Начать следует с общего контекста, определив автоматизацию как совокупность методов и средств, позволяющих управлять технологическим процессом с минимальным участием человека.

Далее необходимо четко обозначить проблему. Современное производство сталкивается с вызовами, требующими модернизации существующих систем управления. Ключевые причины для этого:

• Физическое и моральное устаревание оборудования, приводящее к сбоям и неэффективности.
• Отсутствие в старом программном обеспечении необходимых функций для анализа данных или интеграции с современными системами.
• Санкционные ограничения, которые делают невозможным ремонт или закупку комплектующих для импортных систем.

Исходя из проблемы, формулируется цель и задачи. Цель должна быть конкретной и измеримой, например: «Повышение эффективности и точности измерительной установки N путем полной модернизации ее системы управления на базе современного ПЛК». Для ее достижения ставятся четкие задачи:

1. Проанализировать технологический процесс и выявить недостатки существующей системы управления.
2. Разработать структурную и функциональную схемы новой автоматизированной системы.
3. Подобрать и обосновать выбор аппаратных средств автоматизации.
4. Разработать алгоритмы и программное обеспечение для программируемого логического контроллера.
5. Рассчитать экономическую эффективность и оценить безопасность предложенного решения.

Такой подход демонстрирует ясное понимание и структурированный план действий, что является залогом успешного проекта.

Раздел 1. Анализ объекта управления и существующей системы

Этот раздел должен продемонстрировать ваше глубокое погружение в предметную область. Он начинается с детального описания объекта автоматизации. Неважно, что это — измерительная установка, как в дипломном проекте «МЕРА 40-8-400», промышленная печь или станок с ЧПУ. Необходимо подробно изложить его назначение, принцип действия и ключевые технологические операции.

После описания объекта следует перейти к анализу его текущей системы управления (АСУ ТП). Здесь важно описать ее многоуровневую архитектуру: полевой уровень (датчики и исполнительные механизмы), средний уровень (промышленные контроллеры) и верхний уровень (пульт оператора, SCADA-система). Укажите, какие конкретно контроллеры используются, какое программное обеспечение применяется и как организован человеко-машинный интерфейс.

Ключевая задача этого раздела — не просто описать, а аргументированно доказать, что существующая система неэффективна.

Для этого необходимо четко сформулировать ее недостатки, например:

• Низкая точность измерений или выполнения операций.
• Частые сбои и простои оборудования из-за ненадежности компонентов.
• Невозможность интеграции с новыми датчиками или системами планирования производства.
• Отсутствие функций архивирования данных, диагностики и удаленного мониторинга.

Выводы, сделанные в этом разделе, служат прямым основанием для всех проектных решений, которые вы предложите далее.

Раздел 2. Как подготовить теоретическую и обзорную часть

Теоретический раздел подтверждает вашу эрудицию и знание современного рынка средств автоматизации. Это не пересказ учебников, а целенаправленный анализ технологий, которые могут быть применены для решения поставленной задачи. Структурировать эту часть можно по нескольким ключевым направлениям.

Во-первых, это обзор современных программируемых логических контроллеров (ПЛК). Рассмотрите продукцию ведущих производителей, таких как Siemens, Schneider Electric, Omron и отечественного производителя Овен. Сравните их популярные линейки (например, Siemens S7-1200, Овен ПЛК210) по таким параметрам, как производительность, количество модулей расширения, поддерживаемые интерфейсы и стоимость.

Во-вторых, необходимо проанализировать среды и стандарты программирования. Центральное место здесь занимает международный стандарт МЭК 61131-3, который унифицирует разработку ПО для ПЛК. Опишите пять входящих в него языков:

• LD (Ladder Diagram): язык релейно-контактных схем, удобен для логических задач.
• FBD (Function Block Diagram): язык функциональных блоков, нагляден для описания потоков данных.
• SFC (Sequential Function Chart): язык диаграмм состояний, идеален для описания последовательных операций.
• ST (Structured Text): структурированный текст, похожий на Pascal, подходит для сложных алгоритмов и вычислений.
• IL (Instruction List): низкоуровневый язык, напоминающий ассемблер.

Также упомяните популярные среды разработки, такие как TIA Portal от Siemens или универсальная среда CODESYS, поддерживаемая многими производителями ПЛК. Наконец, кратко опишите другие важные компоненты АСУ ТП: современные датчики, исполнительные механизмы, SCADA-системы и промышленные сети (например, Profinet, Modbus TCP/IP).

Раздел 3. Проектная часть, где рождается новая АСУ ТП

Это сердце вашего дипломного проекта, где теория превращается в конкретное инженерное решение. Здесь вы должны представить комплексную концепцию модернизации, основанную на анализе недостатков старой системы и обзоре современных технологий.

Работа над проектной частью строится в несколько логических этапов:

1. Разработка концепции модернизации. Это четкая формулировка того, что именно будет сделано. Например: «Концепция предполагает полную замену устаревшего контроллера X на современный ПЛК Siemens S7-1200, установку новой сенсорной панели оператора и интеграцию системы с цеховой сетью Ethernet для удаленного мониторинга».
2. Аргументированный выбор оборудования. Здесь недостаточно просто перечислить компоненты. Необходимо обосновать выбор каждого элемента. Почему выбран именно этот ПЛК? Потому что его производительности достаточно для поставленных задач, а среда разработки TIA Portal удобна для программирования. Почему выбраны эти датчики? Потому что они обеспечивают необходимую точность и имеют стандартный выходной сигнал 4-20 мА.
3. Разработка схем автоматизации. Это визуализация архитектуры вашей будущей системы. Необходимо разработать как минимум две ключевые схемы. Структурная схема показывает общую иерархию системы: ПЛК, модули ввода-вывода, панель оператора, датчики, исполнительные механизмы и их связи. Функциональная схема детализирует контуры управления, контроля, сигнализации и противоаварийной защиты (ПАЗ), показывая, какой параметр каким датчиком измеряется и на какой исполнительный механизм воздействует.

Каждое решение в этом разделе должно быть взвешенным и направленным на устранение недостатков, выявленных в первом разделе работы.

Раздел 4. Программирование ПЛК как специальная часть проекта

Если проектная часть — это «скелет» системы, то программное обеспечение — ее «нервная система». Этот раздел демонстрирует ваши практические навыки в области разработки алгоритмов и программирования промышленных контроллеров. Он должен быть структурирован и понятен даже для неспециалиста в программировании.

Сначала необходимо разработать и описать алгоритмы управления. Не стоит сразу переходить к коду. Лучше представить логику работы системы в виде блок-схем или детального словесного описания. Разбейте общую задачу на функциональные модули: алгоритм инициализации при включении, алгоритм ручного и автоматического режимов, алгоритм регулирования ключевого параметра (например, температуры), алгоритм обработки аварийных ситуаций.

Далее следует обосновать выбор языка программирования из стандарта МЭК 61131-3. Этот выбор должен быть прагматичным. Например, можно указать: «Для реализации дискретной логики (обработка сигналов с кнопок и концевых выключателей) был выбран язык FBD из-за его наглядности. Для сложных математических вычислений в контуре ПИД-регулирования применялся язык ST».

Важно не приводить в дипломе весь листинг программы на десятки страниц. Вместо этого покажите наиболее важные и репрезентативные фрагменты кода.

Это могут быть скриншоты из среды разработки с подробными комментариями, объясняющими, как реализована та или иная часть алгоритма. Завершает раздел описание разработки интерфейса оператора (HMI). Опишите структуру экранов панели оператора: главный экран с мнемосхемой процесса, экран настроек, экран графиков (трендов), экран аварийных сообщений. Объясните, какие параметры оператор сможет контролировать и изменять, и как будет реализована визуализация и светозвуковая сигнализация.

Раздел 5. Как обосновать экономическую эффективность и безопасность

Технически совершенный проект может оказаться бесполезным, если он невыгоден экономически и небезопасен. Этот раздел доказывает практическую ценность вашей работы. Расчеты здесь должны быть прозрачными и логичными.

Обоснование строится на нескольких китах:

1. Расчет капитальных затрат. Это прямые расходы на реализацию проекта. Необходимо составить смету, включающую стоимость нового оборудования (ПЛК, модули, панель оператора, датчики), лицензий на программное обеспечение (если требуется), а также стоимость проектных, монтажных и пусконаладочных работ.
2. Расчет годового экономического эффекта. Это ключевая часть, показывающая выгоду от внедрения. Эффект складывается из нескольких факторов, напрямую связанных с преимуществами автоматизации:
   • Снижение себестоимости за счет экономии сырья или электроэнергии.
   • Уменьшение потерь от брака благодаря повышению точности и стабильности процесса.
   • Сокращение времени простоев оборудования из-за повышения надежности системы.
   • Высвобождение обслуживающего персонала (если применимо).
3. Определение срока окупаемости. Этот показатель рассчитывается как отношение капитальных затрат к годовому экономическому эффекту. Он показывает, за какой период времени инвестиции в модернизацию полностью вернутся.

Помимо экономики, необходимо уделить внимание анализу безопасности и экологичности. Опишите, какие технические решения (например, система противоаварийной защиты, кнопки аварийного останова) и организационные меры обеспечивают безопасность персонала при эксплуатации новой системы. Укажите, как модернизация влияет на окружающую среду, например, за счет более экономного расходования ресурсов.

Заключение и финальное оформление работы

Заключение — это не просто краткий пересказ работы, а синтез всех полученных результатов. Оно должно быть четким, лаконичным и убедительным. Главная задача — показать, что все задачи, поставленные во введении, были успешно решены, а главная цель проекта — достигнута.

Наилучший способ структурировать выводы — сделать их в виде списка, напрямую отвечающего на поставленные задачи:

• Проанализированы технологический процесс и существующая система, выявлены ее ключевые недостатки…
• Разработана новая структура АСУ ТП на базе современного ПЛК, предложены схемы автоматизации…
• Обоснован выбор аппаратных и программных средств…
• Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, включая интерфейс оператора…
• Доказана экономическая эффективность проекта, срок окупаемости составил X года…

После выводов следует главный итог, еще раз подчеркивающий практическую значимость проделанной работы. Можно также дать краткие рекомендации по возможному дальнейшему развитию системы, например, по ее интеграции в MES-систему предприятия.

Наконец, не забывайте о важности правильного оформления. Вся работа, включая список литературы и приложения (куда выносятся большие схемы, полные листинги программ), должна быть оформлена строго по ГОСТу. Убедитесь, что все чертежи имеют рамки и штампы, а содержание точно соответствует структуре работы. Именно безупречное оформление является финальным штрихом, создающим впечатление завершенной и качественной работы.

Список источников информации

1. Чекрыжов С. Автоматизация типовых процессов химических производств Учебное пособие. — Кохтла-Ярве: 2007. — 151 стр.
2. Иванова Г.В. Автоматизация технологических процессов основных химических производств СПб, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), 2003 г. — 134 с.
3. Рукин В.Л., Коробейникова У.Ю. Системы управления химико-технологическими процессами СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2010. — 136 с.
4. Дятлова Е.П., Сафонова М.Р. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами ЦБП
5. Ремизова О.А., Рудакова И.В. Системы управления химико-технологическими процессами
6. Лапшенков Г.И., Полоцкий Л. М — Автоматизация производственных процессов в химической промышленностиТехнические средства и лабораторные работы. — Изд. 3-е, перераб. и доп.— М.: Химия, 1988. — 288 с: ил. ISBN 5-7245-0007-8
7. Миронов В.М., Беляев В.М. Основы автоматизированного проектирования химических производств Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения по специальности 170500 – «Машины и аппараты химических производств». – Томск, ТПУ, 2001. – 169 с.
8. Бельдеева Л.Н. Технологические измерения на предприятиях химической промышленности. В 2-х частяхУчебное пособие /Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. -. Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2002. — (73+76) с