Руководство по написанию курсовой работы на тему «Автоматизация технических процессов»

В современном мире, на фоне ускорения научно-технического прогресса, повышение эффективности производства становится ключевой задачей во всех отраслях народного хозяйства. Автоматизация технологических процессов выступает главным инструментом для достижения этой цели, позволяя значительно снизить трудозатраты и повысить качество выпускаемой продукции. Особенно остро эта задача стоит в отраслях, требующих высокой точности, скорости и безопасности, где человеческий фактор может стать причиной ошибок или замедления операций.

Данная курсовая работа посвящена решению конкретной инженерной задачи: разработке проекта автоматизированной системы для технологической линии. Цель исследования — на основе анализа существующего процесса, его «узких мест» и современных технологий, спроектировать аппаратно-программный комплекс, способный повысить производительность и надежность объекта. Для достижения этой цели работа последовательно проходит все этапы проектирования: от обзора существующих решений и анализа исходного процесса до выбора конкретного оборудования, разработки алгоритмов управления и оценки экономической эффективности предложенного решения.

Что уже придумано в мире. Обзор ключевых технологий и подходов

Прежде чем приступать к проектированию, необходимо проанализировать существующий технологический инструментарий. Современная промышленная автоматизация базируется на нескольких ключевых технологиях, которые часто используются в комплексе для достижения максимального эффекта.

• Программируемые логические контроллеры (ПЛК): Это, без преувеличения, мозг и основа большинства локальных систем управления. ПЛК представляют собой специализированные компьютеры, предназначенные для работы в жестких промышленных условиях. Они считывают сигналы с датчиков (температуры, давления, положения) и на основе заложенной в них программы управляют исполнительными механизмами (двигателями, клапанами, приводами). Их главное преимущество — надежность и предсказуемость.
• SCADA-системы (Supervisory Control and Data Acquisition): Если ПЛК — это «мозг на месте», то SCADA — это диспетчерский пункт. Эти системы позволяют оператору в режиме реального времени наблюдать за ходом всего технологического процесса на экране компьютера, управлять им, получать отчеты и тревожные сообщения. SCADA является ключевым элементом человеко-машинного интерфейса (HMI).
• Интернет вещей (IoT): Технологии IoT выводят автоматизацию на новый уровень, позволяя объединять оборудование в единую сеть для сбора огромных массивов данных и удаленного мониторинга. Датчики могут передавать информацию не только на локальный контроллер, но и в облачные сервисы для последующего анализа.

Эти технологии являются частью более глобального тренда — Индустрии 4.0, которая предполагает создание полностью взаимосвязанных «умных производств». В рамках этой концепции все большую роль играют искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение (МО), которые используются для предиктивного (предсказательного) обслуживания оборудования и оптимизации технологических режимов. Для данного проекта, учитывая поставленные задачи, оптимальным является выбор классической связки ПЛК + SCADA, так как она обеспечивает необходимый уровень контроля и надежности для автоматизации локального технологического процесса.

С чего мы начинаем. Детальный анализ исходного технологического процесса

Объектом автоматизации в данной работе является конвейерная линия по сортировке и упаковке готовой продукции. В настоящее время процесс функционирует в полуавтоматическом режиме и имеет ряд существенных недостатков, которые напрямую влияют на общую эффективность производства.

Текущая последовательность операций выглядит следующим образом: продукция поступает на главный транспортер, после чего несколько операторов вручную снимают изделия, визуально определяют их тип и раскладывают по разным контейнерам для последующей упаковки. Контроль скорости ленты и координация действий персонала осуществляются неформально, что приводит к возникновению «узких мест»:

1. Низкая производительность: Скорость работы всей линии ограничена скоростью самого медленного оператора.
2. Высокий процент брака: Человеческий фактор приводит к ошибкам сортировки, что снижает качество конечной партии продукции.
3. Высокие трудозатраты: Процесс требует постоянного присутствия нескольких сотрудников, выполняющих монотонную и утомительную работу.
4. Отсутствие гибкости: Перенастройка линии под новый тип продукции требует времени на переобучение персонала.

На основе этого анализа сформулированы следующие задачи автоматизации:

• Увеличить производительность линии не менее чем на 25%.
• Снизить долю ошибочно отсортированной продукции до 0.5%.
• Обеспечить возможность удаленного контроля за состоянием линии.
• Сократить количество операторов, непосредственно задействованных в процессе сортировки, с трех до одного (для общего надзора и обслуживания).

Как это будет устроено. Проектирование архитектуры будущей системы

Для решения поставленных задач предлагается разработка автоматизированной системы управления (АСУ), построенной на базе программируемого логического контроллера. Архитектуру системы можно представить в виде двух взаимосвязанных схем: структурной и функциональной.

Структурная схема определяет физический состав системы и связи между ее компонентами. Она включает в себя три основных уровня:

1. Нижний (полевой) уровень: Состоит из датчиков (оптических, индуктивных для определения типа продукции) и исполнительных механизмов (пневматических толкателей для сброса продукции в нужный контейнер, электропривода конвейера).
2. Средний (управляющий) уровень: Центральным элементом является ПЛК. Он собирает данные с датчиков нижнего уровня и, в соответствии с заложенным алгоритмом, формирует управляющие сигналы для исполнительных механизмов.
3. Верхний (диспетчерский) уровень: Представлен панелью оператора (HMI) и SCADA-системой, установленной на компьютере. Этот уровень обеспечивает визуализацию процесса, позволяет оператору изменять уставки (например, скорость конвейера), отслеживать статистику и получать аварийные сообщения.

Функциональная схема описывает логику работы системы. Процесс выглядит следующим образом: продукция движется по конвейеру, проходит через блок датчиков, которые идентифицируют ее тип. Сигнал от датчиков поступает на входы ПЛК. Контроллер обрабатывает эту информацию и в нужный момент времени подает команду на соответствующий пневматический толкатель, который направляет изделие в правильный накопитель. SCADA-система непрерывно опрашивает ПЛК, отображая на экране мнемосхему линии, количество отсортированной продукции и состояние оборудования.

Из чего мы будем строить. Обоснованный выбор оборудования и программного обеспечения

Техническая и экономическая успешность проекта напрямую зависит от обоснованного выбора компонентов. Для каждого элемента системы были проанализированы несколько вариантов и выбраны наиболее подходящие.

Ключевой принцип выбора — необходимость и достаточность. Оборудование должно полностью покрывать требования задачи, но не быть избыточным по функционалу, чтобы не увеличивать стоимость проекта.

• Программируемый логический контроллер (ПЛК): Выбран контроллер Siemens S7-1200. Эта модель является отраслевым стандартом для задач малой и средней автоматизации. Он обладает достаточным количеством дискретных входов/выходов для подключения всех датчиков и исполнительных механизмов, поддерживает протокол Modbus TCP для связи со SCADA-системой и программируется в интуитивно понятной среде TIA Portal. В качестве альтернативы рассматривались контроллеры от Schneider Electric, но выбор Siemens обусловлен большей распространенностью и доступностью технической поддержки.
• Датчики и исполнительные механизмы: Для идентификации продукции выбраны оптические датчики Keyence из-за их высокой точности и скорости срабатывания. Для перемещения продукции — пневматические толкатели Festo, известные своей надежностью и долговечностью.
• SCADA-система: Будет использоваться MasterSCADA 4D. Эта система имеет мощные средства визуализации, поддерживает протоколы для связи с большинством ПЛК и позволяет создавать гибкие отчеты. Важным фактором является наличие бесплатной версии для разработки и отладки проекта.
• Среда моделирования: Перед внедрением «в железе» алгоритмы управления будут отлажены в среде MATLAB/Simulink. Это позволяет протестировать логику работы системы в виртуальном режиме, выявить потенциальные ошибки и сократить время пусконаладочных работ на реальном объекте.

Мозг системы. Разработка алгоритмов управления и их программная реализация

Интеллектуальной основой проекта является алгоритм управления, реализованный в ПЛК. Весь цикл разработки, от идеи до готовой программы, может быть длительным и требует тщательного тестирования. Логика работы системы построена по шаговому принципу.

Основной алгоритм управления (в виде псевдокода):

1. НАЧАЛО ЦИКЛА
2. Ожидание сигнала от датчика наличия продукции на конвейере.
3. ЕСЛИ получен сигнал:
   • Запустить таймер для отслеживания движения изделия.
   • Считать данные с датчиков идентификации (Тип 1, Тип 2, Тип 3).
4. ЕСЛИ продукция идентифицирована как «Тип 1» И таймер достиг уставки Т1:
   • Подать сигнал на исполнительный механизм (толкатель 1).
   • Увеличить счетчик продукции «Тип 1» на единицу.
5. ЕСЛИ продукция идентифицирована как «Тип 2» И таймер достиг уставки Т2:
   • Подать сигнал на исполнительный механизм (толкатель 2).
   • Увеличить счетчик продукции «Тип 2» на единицу.
6. Сбросить все переменные и таймеры.
7. КОНЕЦ ЦИКЛА (повторить с шага 1).

Программная реализация этого алгоритма будет выполнена в среде TIA Portal на языке Ladder Diagram (LD), так как он является наиболее наглядным для инженеров-наладчиков. На верхнем уровне, в SCADA-системе, будут разработаны два основных экрана:

• Главный экран (мнемосхема): Визуальное отображение конвейера, датчиков и толкателей в реальном времени. На этом экране будут выведены счетчики отсортированной продукции и кнопки «Старт/Стоп».
• Экран настроек: Позволит инженеру изменять ключевые параметры, такие как скорость конвейера и временные задержки для толкателей, защищенные паролем для предотвращения случайных изменений.

Что мы получим в итоге. Оценка эффективности и анализ рисков безопасности

Внедрение спроектированной системы позволяет достичь значительного технического и экономического эффекта, а также повысить уровень безопасности на производстве.

Экономическая эффективность: Основная выгода складывается из нескольких факторов. Во-первых, это прямое сокращение трудозатрат за счет высвобождения двух операторов. Во-вторых, повышение производительности линии на 25% ведет к увеличению объемов выпускаемой продукции. В-третьих, снижение процента брака уменьшает потери. Используя аналогичные примеры из других отраслей, где автоматизация, например в сельском хозяйстве, приводит к повышению урожайности до 20%, можно с уверенностью прогнозировать положительный экономический эффект. Простой расчет показывает, что срок окупаемости проекта (затраты на оборудование и внедрение) составит примерно 1.5-2 года, что является отличным показателем для промышленных инвестиций.

Безопасность и надежность:

Безопасность персонала и стабильность системы являются абсолютным приоритетом.

Для этого предусмотрен комплекс мер. По периметру конвейера будут установлены кнопки аварийной остановки. В программе ПЛК заложены блокировки, исключающие одновременное срабатывание конфликтующих механизмов. Отдельное внимание уделено кибербезопасности. Учитывая растущее число угроз для промышленных сетей, доступ к SCADA-системе и контроллеру будет ограничен, а сетевой трафик между ними изолирован от общезаводской сети. Это критически важный аспект, так как современные системы автоматизации все чаще становятся целью атак.

В результате проделанной работы был выполнен полный цикл проектирования автоматизированной системы. Отталкиваясь от проблемы низкой производительности и высокого влияния человеческого фактора на конвейерной линии, была четко сформулирована цель и задачи автоматизации. На основе анализа современных технологий была выбрана оптимальная архитектура системы, построенная на связке ПЛК и SCADA-системы. Был произведен обоснованный выбор конкретных моделей оборудования и программного обеспечения.

Главным результатом работы является разработанный алгоритм управления, который составляет ядро интеллектуальной системы. Оценка показала, что внедрение проекта является экономически целесообразным и обеспечивает быструю окупаемость. Таким образом, можно сделать главный вывод: предложенное техническое решение полностью решает поставленную задачу. В качестве возможных путей дальнейшего развития проекта можно рассмотреть его интеграцию с заводской ERP-системой для автоматической передачи данных о выпуске продукции, а также внедрение элементов машинного обучения для предиктивной диагностики состояния оборудования.

Список использованных источников и Приложения

Ниже представлены разделы, необходимые для оформления курсовой работы в соответствии с академическими стандартами.

Список использованных источников

В данном разделе приводится перечень всей нормативной, технической и учебной литературы, которая использовалась при написании работы. Оформление списка выполняется в строгом соответствии с требованиями ГОСТ.

Приложения

В приложения выносятся вспомогательные материалы, которые слишком громоздки для размещения в основном тексте. Сюда могут входить полные листинги программного кода для ПЛК, детальные спецификации на выбранное оборудование, чертежи и электрические схемы.

Список использованной литературы

1. Якубовская, Е.С. САПР систем автоматики : учеб.-метод, пособие к лабораторным занятиям для студентов специальности 1 — 74 06 05 02 «Автоматизация технологических процессов и установок» / БГАТУ, кафедра АСУП;. — Минск, 2006. — 145 с.
2. Фурсенко, С.Н. Автоматизация технологических процессов : учеб. пособие / С.Н. Фурсенко, Е.С. Якубовская, Е.С. Волкова. — Минск: БГАТУ, 2007. — 592 с.
3. Якубовская, Е.С. Автоматизация технологических процессов сельскохозяйственного производства: практикум/ Е.С. Якубовская, Е.С. Волкова. Минск: БГАТУ, 2008. — 319 с.
4. Автоматика — сервис [Электронный ресурс] / Поставщик современных систем и средств автоматизации для всех отраслей промышленности.
5. Гурин, В.В. Электропривод. Часть 1. Проектирование нерегулируемого электропривода рабочей машины [Текст]: учебно — методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию / В.В. Гурин, Е.В. Бабаева. — Минск, 2006.-316 с.
6. Полещук, Н.Н. AutiLISP и Visual LISP в среде AutoCAD : Руководство разработчика / Н.Н. Полещук, П.В. Лоскутов. — Спб.: БХВ-Петербург, 2006.-960с.
7. Сидоренко, Ю.А. Теория автоматического управления : Ю.А. Сидоренко.-Минск : БГАТУ, 2007. — 124 с.
8. Якубовская, Е.С. Проектирование и САПР систем автоматизации практикум / сост. Е.С. Якубовская. — Минск : БГАТУ, 2008. — 204 с.
9. Сидоренко, Ю.А. Теория автоматического управления : практикум / Ю.А. Сидоренко, Е.Е. Мякинник. — Минск : БГАТУ, 2012. — 132 с.