Проектирование системы управления ЦКБА: Структура и содержание дипломной работы.

Глава 1. Как заложить фундамент проекта во введении

Многие студенты ошибочно воспринимают введение как формальную часть работы, которую можно написать в последний момент. На самом деле, это — ваше «коммерческое предложение», адресованное научному руководителю и аттестационной комиссии. Именно здесь вы демонстрируете глубину понимания проблемы и доказываете, что ваш проект имеет реальную ценность. Грамотно составленное введение задает тон всей работе и формирует план ее выполнения.

Ключевая задача этого раздела — последовательно раскрыть несколько обязательных элементов, которые вместе образуют логический каркас вашего исследования.

1. Актуальность. Здесь необходимо связать вашу конкретную задачу — автоматизацию ЦКБА — с общими тенденциями и проблемами отрасли. Следует подчеркнуть, что в современных условиях повышение качества пива и снижение производственных издержек невозможны без точного контроля над процессом брожения. Автоматизация позволяет решить эту проблему, минимизируя человеческий фактор и оптимизируя использование ресурсов.
2. Цель работы. Цель должна быть сформулирована максимально четко, емко и достижимо. Она является ядром вашего проекта. Удачный пример формулировки: «Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) для цилиндрическо-конического бродильного аппарата, обеспечивающей повышение стабильности процесса брожения и снижение влияния человеческого фактора».
3. Задачи. Задачи — это конкретные шаги для достижения поставленной цели. Они, по сути, представляют собой план вашей дипломной работы. Каждая задача должна быть измеримой и соответствовать одной из будущих глав. Стандартный набор задач для такого проекта выглядит так:
   • Проанализировать технологический процесс брожения в ЦКБА как объект управления.
   • Сформулировать технические требования к создаваемой системе.
   • Выбрать и обосновать комплекс технических средств (КТС) для построения системы.
   • Разработать функциональную и структурную схемы автоматизации.
   • Разработать алгоритм управления процессом и спроектировать человеко-машинный интерфейс (ЧМИ).
   • Провести технико-экономическое обоснование проекта.

После того как мы определили цели и задачи, логичным первым шагом становится глубокое изучение самого объекта, которым мы собираемся управлять.

Глава 2. Анализ ЦКБА как объекта управления

Этот раздел является исследовательской основой всего диплома. Без досконального понимания физики и химии процесса, которым вы собираетесь управлять, невозможно принять грамотные инженерные решения. Ошибка на этом этапе неизбежно приведет к неверному выбору оборудования и разработке неэффективных алгоритмов. Ваша цель — продемонстрировать, что вы не просто программируете контроллер, а понимаете суть технологического процесса.

Описание процесса

В первую очередь, необходимо детально описать, что происходит внутри ЦКБА. Расскажите о стадиях брожения пива, роли дрожжей и ключевых биохимических реакциях. Особое внимание уделите параметрам, которые напрямую влияют на качество конечного продукта. К ним относятся:

• Температура: важнейший параметр, от которого зависит скорость брожения и жизнедеятельность дрожжей. Ее отклонение всего на градус может необратимо испортить партию продукта.
• Давление: влияет на степень насыщения пива углекислым газом (CO2) и, соответственно, на его вкусовые качества.
• Уровень CO2: контролируется для предотвращения избыточного давления и для управления процессом карбонизации.
• Плотность сусла: показатель, по которому судят о степени сбраживания сахаров.

Выявление управляемых и контролируемых переменных

Далее, на основе описания процесса, нужно четко разделить все параметры на две группы. Это ключевой шаг для проектирования системы. Управляемые переменные — это те, на которые мы можем активно воздействовать. В случае с ЦКБА это, в первую очередь, температура хладагента в рубашках охлаждения, которую мы меняем, открывая или закрывая регулирующие клапаны. Контролируемые переменные — это те, которые мы только измеряем для получения информации о состоянии процесса: уровень жидкости в аппарате, давление, концентрация CO2.

Формулировка требований к системе

Итогом анализа становится перечень конкретных технических требований к будущей АСУ ТП. Эти требования должны быть измеримыми и однозначными. Например:

• Система должна поддерживать температуру брожения в заданном диапазоне с точностью ±0.5°C.
• Система должна обеспечивать плавное регулирование подачи хладагента для избежания температурного шока у дрожжей.
• Система должна вести непрерывный архив (лог) всех ключевых параметров (температура, давление) с дискретностью не реже 1 раза в минуту.
• Система должна иметь звуковую и визуальную сигнализацию при выходе любого из параметров за аварийные пределы.

Теперь, когда мы досконально понимаем, чем и как нужно управлять, мы можем перейти к выбору инструментов — технического и программного обеспечения для нашей системы.

Глава 3. Подбор и обоснование комплекса технических средств

Эта глава — сердце инженерной части вашего проекта. Здесь вы должны не просто перечислить выбранное оборудование, а аргументированно доказать, почему именно этот набор датчиков, контроллеров и программного обеспечения является оптимальным для решения задач, сформулированных в предыдущей главе. В основе современной АСУ ТП лежит трехуровневая архитектура, и ваш выбор должен быть структурирован в соответствии с ней.

1. Полевой (нижний) уровень. Это «органы чувств и мышцы» нашей системы. Здесь нужно обосновать выбор конкретных датчиков и исполнительных механизмов. Например, для измерения температуры в ЦКБА логично выбрать платиновые термосопротивления (например, Pt100) в гигиеническом исполнении, так как они обеспечивают необходимую точность и подходят для пищевой промышленности. В качестве исполнительных механизмов выступают регулирующие клапаны на линиях подачи хладагента, и ваш выбор должен учитывать диаметр трубопровода и тип управляющего сигнала (например, аналоговый 4-20 мА).
2. Контроллерный (средний) уровень. Это «мозг» системы. Ключевой элемент здесь — программируемый логический контроллер (ПЛК). Просто заявить «я выбрал ПЛК Siemens» недостаточно. Необходимо провести сравнительный анализ 2-3 моделей от разных производителей (например, Siemens, ОВЕН, Schneider Electric) по критически важным параметрам:
   • Необходимое количество дискретных и аналоговых входов/выходов.
   • Наличие нужных интерфейсов (например, RS-485 для подключения устройств по Modbus).
   • Среда программирования и ее удобство.
   • Надежность и репутация производителя.
   • Стоимость.

   На основе этого анализа вы делаете и аргументируете свой финальный выбор, например, в пользу ПТК «SIEMENS» из-за его высокой надежности и мощной среды разработки TIA Portal.

3. Верхний уровень (операторский). Это «лицо» системы, с которым взаимодействует человек. Здесь располагаются SCADA-система и человеко-машинный интерфейс (HMI), чаще всего в виде панели оператора. Назначение SCADA-системы — сбор, отображение, архивирование данных и предоставление оператору удобного инструмента для управления процессом. Выбор конкретного ПО (например, MasterSCADA, Siemens WinCC или Trace Mode) также должен быть обоснован. Критериями могут служить стоимость лицензии, удобство разработки мнемосхем, наличие необходимых драйверов для связи с выбранным ПЛК.

Мы выбрали «железо». Теперь нужно вдохнуть в него жизнь — разработать логику, по которой оно будет работать, и создать удобный интерфейс для оператора.

Глава 4. Разработка алгоритмов управления и программного обеспечения

Если предыдущая глава была посвящена «железу», то эта целиком сфокусирована на «софте». Здесь вы должны продемонстрировать свою способность перевести инженерный замысел и требования к системе на язык схем, алгоритмов и интерфейсов. Этот раздел наглядно показывает, как именно ваша система будет функционировать.

1. Разработка функциональной схемы автоматизации (ФСА). ФСА — это главный чертеж проекта автоматизации. На этой схеме, выполненной по ГОСТ, изображается технологический аппарат (ЦКБА) и все связанные с ним элементы системы: датчики, регуляторы, исполнительные механизмы и линии связи между ними. Схема наглядно показывает все контуры регулирования (например, контур поддержания температуры) и контуры контроля (например, контроль уровня). Это визуальный документ, который позволяет любому инженеру быстро понять логику работы системы.
2. Создание структурной схемы комплекса технических средств (С1). Если ФСА показывает функциональные связи, то структурная схема показывает физические. На ней изображаются все компоненты «железа»: ПЛК, модули расширения, блоки питания, панель оператора, преобразователи интерфейсов, датчики. Схема показывает, как эти устройства соединены между собой электрически и по каким протоколам обмениваются данными.
3. Проектирование алгоритма управления. Это ядро программной логики. Лучший способ его представить — в виде блок-схемы. Блок-схема визуально описывает последовательность действий, которые выполняет ПЛК. Основной цикл программы, как правило, выглядит так:
   • Начало цикла.
   • Опрос всех датчиков (температуры, давления).
   • Сравнение текущего значения температуры с заданной уставкой.
   • Если температура выше уставки — вычислить управляющий сигнал для клапана хладагента (например, с помощью ПИД-регулятора) и подать его на аналоговый выход.
   • Если температура ниже уставки — закрыть клапан.
   • Проверить остальные параметры на соответствие нормам.
   • Запись данных в архив.
   • Переход к началу цикла.
4. Разработка мнемосхемы (HMI). Мнемосхема — это графический интерфейс, который оператор видит на экране SCADA-системы или панели HMI. Ее главная цель — предоставить информацию о процессе в интуитивно понятном виде. Принципы хорошей мнемосхемы:
   

   • Визуализация: Графическое изображение ЦКБА с динамическим отображением текущих параметров (температура, давление, уровень) прямо на схеме.
   • Информативность: Отображение графиков (трендов) изменения параметров во времени, что позволяет оператору оценивать динамику процесса.
   • Управление: Наличие кнопок для запуска/останова процесса, изменения уставок и перехода в ручной режим управления.
   • Безопасность: Обязательное наличие журнала аварий и сообщений, где фиксируются все нештатные ситуации и действия оператора.

Система спроектирована и готова к работе на бумаге. Но любой инженерный проект должен быть оправдан экономически. Перейдем к расчетам, которые докажут его целесообразность.

Глава 5. Технико-экономическое обоснование и вопросы безопасности

Эта глава — доказательство вашей компетентности не только как инженера, но и как менеджера, способного оценить экономическую целесообразность и риски своего проекта. Дипломная работа, в которой отсутствует этот раздел, выглядит незавершенной, поскольку доказывает лишь техническую возможность реализации, но не ее практическую выгоду для производства.

Расчет экономической эффективности

Процесс обоснования состоит из нескольких последовательных шагов:

1. Расчет капитальных затрат. Это единовременные вложения в проект. Вам необходимо составить смету, которая включает в себя стоимость всего закупаемого оборудования (ПЛК, датчики, клапаны, панель оператора, шкаф управления), лицензий на программное обеспечение (SCADA-система), а также затраты на монтажные и пусконаладочные работы.
2. Расчет эксплуатационных затрат и экономического эффекта. Здесь нужно оценить, как изменятся ежегодные расходы после внедрения системы. С одной стороны, появятся новые статьи затрат (обслуживание системы, амортизация). С другой — возникнет экономия, которая и является целью проекта. Годовой экономический эффект может складываться из:
   • Снижения брака: за счет более точного поддержания температуры уменьшается риск порчи продукта.
   • Экономии энергоресурсов: оптимальное управление охлаждением снижает расход электроэнергии.
   • Высвобождения рабочего времени: автоматизация контроля позволяет сократить время, которое операторы тратят на ручные замеры и ведение журналов.
3. Расчет показателей эффективности. На основе капитальных затрат и годового экономического эффекта рассчитываются ключевые интегральные показатели, которые являются стандартными в инвестиционном анализе. Главный из них — срок окупаемости (Payback Period), который показывает, за какой период времени первоначальные инвестиции вернутся за счет полученной экономии.

Требования к надежности и безопасности

Помимо экономической выгоды, система должна быть безопасной и надежной. В этом подразделе необходимо кратко, но емко описать принятые меры:

Надежность: Описать меры по обеспечению отказоустойчивости. Это может быть использование источников бесперебойного питания (ИБП) для шкафа управления, чтобы система корректно завершила работу при сбое электропитания, а также выбор компонентов с высоким показателем времени наработки на отказ.

Безопасность: Указать меры по защите персонала и оборудования. К ним относятся наличие кнопок аварийного останова, световой и звуковой сигнализации, а также проведение инструктажей для операторов, работающих с новой системой.

Проект полностью разработан, просчитан и обоснован. Осталось подвести итоги и грамотно оформить результаты нашей работы.

Глава 6. Формулирование заключения и оформление приложений

Заключение и приложения — это финальные штрихи, которые формируют общее впечатление о качестве вашей работы. Слабое заключение может смазать эффект от сильной основной части, а неаккуратно оформленные приложения создадут ощущение небрежности. Эта глава — ваш шанс поставить убедительную точку.

Структура заключения

Главная ошибка при написании заключения — превращать его в краткий пересказ содержания глав. Этого делать не нужно. Основная цель заключения — дать четкие и прямые ответы на задачи, которые были поставлены во введении. Структура должна быть зеркальной по отношению к задачам.

Если во введении стояла задача «Разработать комплекс технических средств», то в заключении должен быть ответ: «В ходе работы был разработан комплекс технических средств на базе ПЛК Siemens S7-1200 и SCADA-системы MasterSCADA, который полностью удовлетворяет требованиям по точности и надежности, предъявляемым к системе управления процессом брожения».

Такой подход демонстрирует завершенность и целостность вашей работы, показывая, что все поставленные цели были достигнуты.

Практическая значимость и список литературы

В конце заключения важно подчеркнуть практическую значимость проекта. Укажите, что разработанная АСУ ТП не является сугубо теоретической выкладкой, а представляет собой готовое инженерное решение, которое может быть внедрено на реальном пивоваренном производстве и принесет конкретный экономический эффект. Не забудьте про оформление списка литературы. Он должен быть составлен в строгом соответствии с требованиями ГОСТ, что является показателем вашей академической культуры.

Приложения

Приложения служат для того, чтобы разгрузить основной текст дипломной работы от громоздких материалов, которые затрудняют чтение, но важны для полноты картины. В приложения принято выносить:

• Крупноформатные схемы (Функциональная схема автоматизации ФСА, Структурная схема С1).
• Спецификацию на все закупленное оборудование.
• Перечень входных и выходных сигналов контроллера.
• Скриншоты разработанных мнемосхем (HMI).
• Блок-схемы ключевых алгоритмов.
• Листинги программного кода (если он не слишком объемный).

Такой подход делает основной текст чистым, логичным и сфокусированным на сути, а все подтверждающие и детализирующие материалы становятся легко доступны для тех, кто захочет изучить ваш проект более глубоко.

Список использованной литературы

1. Ермолаева Г.А., Колчева Р.А., Технология и оборудование производства пива и безалкогольных напитков. Учебник, М., ИРПО, центр Академия, 2000г., 415с.
2. «Машины и аппараты пищевых производств» / Панфилов В.А., Груданов В.Я.- Минск: БГАТУ, 2008 – 703с.
3. Прогрессивная Автоматика — Широкий выбор компонетов автоматизации SIEMENS. [Электронный ресурс]- http://progressavtomatika.ru/siemens-simatic-s7-300.php/ Дата обращения: 24.12.2015
4. «CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем» А.М. Вендров, 1987
5. «Автоматика и автоматизация пищевых производств» Благовещенская М.М., Воронина Н.О., Казаков А.В., Петров И.К., Прокофьев Е.А., Раковская Е.М.; Агропромиздат, 1991 г.;
6. Калунянц К.А. Технология солода, пива и безалкогольных напитков. — М.: Колос, 1992г., 442 с.
7. Клюев А.С. и др., Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие – М.: Энергия, 1980 – 512 с.