Как написать курсовую работу по АСУП сборочного производства – готовый образец и структура

Раздел 1. Введение, определяющее актуальность и цели проекта

В условиях современной экономики ключевым фактором конкурентоспособности промышленных предприятий становится постоянное повышение эффективности производственных процессов. Особенно остро эта задача стоит в сборочных производствах, где высока доля ручного труда и сложна логистика компонентов. Типичные проблемы таких участков — это простои конвейера из-за несвоевременной подачи комплектующих, ошибки, вызванные человеческим фактором, и, как следствие, нестабильное качество конечной продукции. Автоматизация позволяет значительно повысить как производительность, так и качество выпускаемых изделий.

Эффективным инструментом для решения этих задач выступают Автоматизированные системы управления производством (АСУП). Они представляют собой комплексы программных и технических средств, предназначенные для комплексного управления технологическими процессами в режиме реального времени. Основные функции АСУП включают:

• Постоянный мониторинг и контроль технологических параметров.
• Оперативное планирование и оптимизация производственных операций.
• Управление качеством продукции на каждом этапе сборки.
• Информационный учет для принятия обоснованных управленческих решений.

Целью данной курсовой работы является разработка проекта автоматизированной системы управления для участка сборочного производства редукторов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести детальный анализ существующего технологического процесса сборки.
2. Сформулировать технические требования к создаваемой АСУП.
3. Разработать функциональную и структурную схемы автоматизации.
4. Произвести обоснованный выбор необходимых программных и технических средств.
5. Описать алгоритм работы системы управления.
6. Рассчитать экономическую эффективность от внедрения проекта.

Раздел 2. Анализ технологического процесса как объекта автоматизации

Объектом автоматизации является участок цеха по сборке одноступенчатых цилиндрических редукторов. В настоящее время большинство операций выполняется вручную или с использованием полуавтоматического оборудования, что приводит к ряду проблем. Производственный цикл на сборочном посту состоит из нескольких последовательных операций, которые необходимо проанализировать для выявления «узких мест».

Последовательность технологических операций и их параметры:

• Подача корпуса редуктора на сборочный стенд. Деталь поступает по ленточному конвейеру. Проблема: часто возникают задержки из-за несвоевременной подачи, что приводит к простою всей линии. Ключевой параметр для контроля: наличие корпуса на позиции.
• Установка подшипников и вал-шестерни. Оператор вручную устанавливает компоненты в корпус. Проблема: возможна неправильная установка или пропуск компонента. Ключевые параметры: наличие подшипников, правильность ориентации вала.
• Операция запрессовки. Выполняется на ручном прессе. Проблема: нестабильное усилие запрессовки, что влияет на долговечность узла. Ключевой параметр: усилие (в кН) и глубина запрессовки (в мм).
• Закручивание болтов крышки редуктора. Оператор использует пневматический гайковерт. Проблема: неравномерный или недостаточный момент затяжки. Ключевой параметр: крутящий момент (в Н·м).
• Контроль качества сборки. Проводится выборочно, путем измерения люфта вала. Проблема: пропуск бракованных изделий на следующий этап. Ключевые параметры: радиальный и осевой люфт.

На основе анализа можно сделать вывод, что существующий процесс страдает от нестабильности временных циклов из-за проблем со снабжением и вариативности качества из-за сильного влияния человеческого фактора. Для достижения стабильной работы и высокого качества продукции необходимо внедрить систему, которая будет в автоматическом режиме контролировать наличие деталей на позициях, управлять исполнительными механизмами и отслеживать ключевые технологические параметры (усилие, момент затяжки) на оптимальных режимах работы оборудования.

Раздел 3. Формулировка технических требований к создаваемой АСУП

На основании анализа технологического процесса формируются технические требования, которые служат техническим заданием для проектирования системы. Система должна быть спроектирована как технологический комплекс, минимизирующий участие человека в основных операциях.

Функциональные требования:

Проектируемая АСУП должна обеспечивать выполнение следующих функций:

• Автоматическое управление конвейером: запуск и остановка подачи деталей на основе сигналов от датчиков наличия.
• Мониторинг комплектующих: отслеживание наличия корпусов, подшипников и валов на сборочном посту.
• Управление сборочными операциями: подача команд на автоматический пресс и многошпиндельный гайковерт.
• Контроль параметров качества в реальном времени: измерение усилия запрессовки и крутящего момента затяжки с отбраковкой изделий, не соответствующих заданным допускам.
• Визуализация процесса: отображение текущего состояния конвейера, сборочных постов и ключевых параметров на автоматизированном рабочем месте (АРМ) оператора.
• Ведение архива: сохранение данных о параметрах сборки каждого изделия для последующего анализа и отчетности.

Требования к производительности и надежности:

• Время реакции системы на внешнее событие (например, сигнал с датчика) не должно превышать 100 миллисекунд.
• Система должна обеспечивать круглосуточную работу в режиме 24/7 с коэффициентом готовности не менее 0.99.

Требования к интерфейсу оператора:

Интерфейс АРМ оператора должен быть интуитивно понятным и отображать мнемосхему технологического процесса, текущие значения контролируемых параметров, а также предоставлять четкие аварийные и предупредительные сообщения с инструкциями по устранению. Должна быть предусмотрена возможность перехода в режим ручного управления отдельными механизмами для проведения наладочных работ.

Требования к интеграции:

АСУП должна иметь возможность интеграции с верхнеуровневой системой управления производством (MES) и складской системой (WMS) для реализации концепции своевременного снабжения по методологии MRP (Material Requirements Planning).

Раздел 4. Как разработать функциональную схему автоматизации

Функциональная схема автоматизации — это чертеж, который описывает логику работы будущей системы, но без привязки к конкретным моделям оборудования. Она показывает, какие задачи решает система, какие сигналы получает и какие управляющие воздействия формирует. Разработка функциональной схемы является обязательным этапом проектирования АСУ.

На схеме (которую студент должен начертить графически) условно изображаются основные элементы технологического оборудования и контуры управления. Для нашего примера сборочного участка схема будет включать следующие ключевые контуры:

1. Контур управления подачей заготовок.
   • Входной сигнал: Сигнал с оптического датчика на сборочном посту (есть/нет деталь).
   • Функциональный блок: Логический блок «Проверка наличия».
   • Выходной сигнал: Управляющее воздействие «Включить/Выключить» на привод подающего конвейера.
2. Контур управления прессом.
   • Входные сигналы: Сигнал с датчика положения штока пресса; сигнал с тензодатчика (усилие).
   • Функциональный блок: Блок «Контроль усилия и глубины запрессовки».
   • Выходной сигнал: Команда «Стоп» на привод пресса при достижении заданных параметров. Сигнал «Брак», если параметры вышли за допуски.
3. Контур управления гайковертом.
   • Входной сигнал: Сигнал с датчика крутящего момента.
   • Функциональный блок: Блок «Контроль момента затяжки».
   • Выходной сигнал: Команда «Стоп» на привод гайковерта.

Эти контуры логически связаны между собой. Например, успешное завершение работы «Контура управления подачей» (деталь на месте) является разрешающим сигналом для запуска «Контура управления прессом». А успешное завершение всех сборочных операций генерирует команду для конвейера на перемещение готового изделия на следующую позицию. Таким образом, функциональная схема описывает всю последовательность автоматических действий системы.

Раздел 5. Проектирование структурной схемы комплекса технических средств

Если функциональная схема отвечает на вопрос «что и как система делает логически?», то структурная схема отвечает на вопрос «из какого «железа» система состоит и как оно соединено?». Она является основой для выбора конкретного оборудования и выполнения монтажных работ.

В центре структурной схемы (которую студент также представляет графически) располагается ядро системы управления — программируемый логический контроллер (ПЛК). Он выполняет всю логику, заложенную в алгоритме. К ПЛК подключаются все остальные элементы системы, которые делятся на три уровня:

• Нижний (полевой) уровень: Это датчики (входные сигналы) и исполнительные механизмы (выходные сигналы).
  • К дискретным входам ПЛК подключаются: оптические датчики наличия, индуктивные датчики положения.
  • К аналоговым входам ПЛК подключаются: тензодатчик (сигнал усилия), датчик крутящего момента.
  • К дискретным выходам ПЛК подключаются: пускатели приводов конвейера, распределительные клапаны пресса и гайковерта, светосигнальная колонна.
• Средний уровень: Это сам ПЛК, который обрабатывает сигналы с нижнего уровня и формирует управляющие воздействия.
• Верхний уровень: Это средства человеко-машинного интерфейса.
  • АРМ оператора на базе промышленного компьютера, на котором установлена SCADA-система. Связь между ПЛК и АРМ оператора осуществляется по промышленной сети, например, Ethernet/IP или Profinet.
  • Панель оператора, расположенная непосредственно у сборочного поста для локального управления и индикации.

Описание к схеме должно пояснять назначение каждого элемента: «Оптический датчик Д1 предназначен для контроля наличия корпуса редуктора на позиции сборки», «Выход ПЛК Q0.1 управляет электромагнитным клапаном КЛ1, отвечающим за опускание штока пресса». Такой подход позволяет получить полное представление о физической архитектуре проектируемой АСУП.

Раздел 6. Обоснованный выбор программных и технических средств

На этом этапе абстрактные блоки из структурной схемы превращаются в конкретные модели оборудования. Выбор производится на основе ранее сформулированных технических требований и анализа рынка. Для курсовой работы достаточно провести сравнение по ключевым параметрам.

Выбор программируемого логического контроллера (ПЛК)

ПЛК — это «мозг» системы, и его выбор является ключевым решением. Сравним три модели контроллеров среднего класса:

Сравнительный анализ моделей ПЛК

Параметр	Siemens SIMATIC S7-1200	Schneider Electric Modicon M241	ОВЕН ПЛК210
Кол-во вх./вых. на борту	14 DI / 10 DQ	24 DI / 16 DQ	16 DI / 12 DQ
Интерфейсы	Profinet, Modbus TCP	Ethernet/IP, Modbus TCP, CANopen	Ethernet, RS-485, CAN
Среда программирования	TIA Portal	SoMachine Basic / EcoStruxure	CODESYS V3.5

Для данного проекта выбираем Siemens SIMATIC S7-1200. Несмотря на меньшее количество входов/выходов на борту, он обладает достаточной производительностью, широкими возможностями расширения и отлично интегрируется со SCADA-системой WinCC через единую среду разработки TIA Portal, что упрощает проектирование.

Выбор датчиков и исполнительных механизмов

• Датчик наличия детали: Оптический диффузионный датчик Keyence PZ-G51N. Подходит из-за малого времени отклика и надежного срабатывания на объекты разного цвета.
• Датчик усилия пресса: Тензометрический датчик типа S CAS SBA-2T. Выбран из-за высокого класса точности и подходящего диапазона измерений (до 2 тонн).
• Исполнительный механизм пресса: Пневмоцилиндр Festo DNC-80-100-PPV-A с пропорциональным клапаном для регулировки скорости.

Выбор программного обеспечения

• Среда программирования ПЛК: Siemens TIA Portal. Выбор обусловлен выбором контроллера и предоставляет единую платформу для программирования ПЛК, настройки HMI и SCADA.
• SCADA-система: Siemens SIMATIC WinCC Advanced. Обеспечивает полную совместимость с контроллером, имеет богатые библиотеки графических элементов и поддерживает архивирование данных и создание отчетов, что соответствует техническим требованиям.

Раздел 7. Описание алгоритма работы системы автоматизации

Алгоритм работы системы реализуется в виде управляющей программы, загружаемой в ПЛК. Для наглядности его можно описать в виде пошаговой последовательности (в курсовой работе его следует представить в виде блок-схемы стандарта ГОСТ 19.701-90).

Основной рабочий цикл (автоматический режим):

1. Начало цикла: Система находится в режиме ожидания.
2. Проверка наличия корпуса: ПЛК опрашивает оптический датчик Д1 на сборочном посту.
   • Если детали нет: ПЛК подает команду на включение привода подающего конвейера. Конвейер работает до тех пор, пока датчик Д1 не зафиксирует деталь.
   • Если деталь есть: Конвейер останавливается, ПЛК активирует пневматический фиксатор детали.
3. Выполнение операции запрессовки: ПЛК подает команду на клапан пресса. В процессе движения штока ПЛК считывает аналоговые сигналы с датчика усилия и датчика положения. При достижении заданного усилия и глубины, команда на движение снимается.
4. Контроль качества запрессовки: ПЛК сравнивает полученные значения усилия и глубины с заданными допусками.
   • Если параметры в норме: Цикл переходит к следующему шагу.
   • Если параметры не в норме: ПЛК зажигает красную лампу на сигнальной колонне, выводит сообщение «Брак: операция запрессовки» на АРМ оператора и блокирует дальнейшее движение изделия по конвейеру.
5. Выполнение операции затяжки: Аналогично прессу, ПЛК управляет гайковертом, контролируя момент затяжки.
6. Завершение цикла: Если все операции прошли успешно, ПЛК снимает фиксацию с детали, включает зеленую лампу и дает команду конвейеру на перемещение изделия на следующую позицию. Цикл возвращается к п.1.

Алгоритмы обработки нештатных ситуаций:

• «Деталь не пришла вовремя»: Если в течение заданного таймаута (например, 30 секунд) после включения конвейера деталь не появляется на посту, система останавливает конвейер и информирует оператора сообщением «Ошибка подачи: проверьте наличие заготовок».
• «Аварийная остановка»: При нажатии на кнопку «Аварийный стоп» все исполнительные механизмы мгновенно обесточиваются, на АРМ выводится сообщение «Аварийный останов».

Раздел 8. Расчет экономической эффективности внедрения АСУП

Финальным этапом курсовой работы является доказательство финансовой целесообразности проекта. Расчет показывает, как быстро инвестиции в автоматизацию окупятся за счет повышения эффективности производства. Все цифры являются примерными.

1. Расчет капитальных затрат (единовременные)

Капитальные затраты — это сумма всех расходов на приобретение и запуск системы.

• Стоимость оборудования (ПЛК, датчики, приводы, шкаф управления) — 850 000 руб.
• Стоимость программного обеспечения (TIA Portal, WinCC) — 250 000 руб.
• Стоимость проектных работ (разработка схем, программирование) — 200 000 руб.
• Стоимость монтажных и пусконаладочных работ — 150 000 руб.

Итого капитальные затраты (КЗ): 850 000 + 250 000 + 200 000 + 150 000 = 1 450 000 руб.

2. Сравнение эксплуатационных расходов (годовые)

Сравниваются расходы до и после внедрения системы. Основная экономия достигается за счет сокращения фонда оплаты труда (ФОТ) и снижения потерь от брака.

• Экономия на ФОТ: Автоматизация поста позволяет высвободить 2 операторов (работа в 2 смены). Годовой ФОТ одного оператора с учетом налогов — 720 000 руб.
  
  Экономия: 2 * 720 000 = 1 440 000 руб./год.
• Снижение потерь от брака: До внедрения уровень брака составлял 4%, после внедрения автоматического контроля прогнозируется снижение до 0.5%. При объеме производства на 20 000 000 руб./год, экономия составит 3.5%.
  
  Экономия: 20 000 000 * 0.035 = 700 000 руб./год.
• Новые расходы: Появляются затраты на обслуживание АСУП (зарплата наладчика, амортизация).
  
  Новые расходы: ~140 000 руб./год.

3. Расчет годового экономического эффекта (ГЭЭ)

Это чистая годовая экономия от внедрения проекта.

ГЭЭ = (Экономия на ФОТ + Экономия от брака) — Новые расходы

ГЭЭ = (1 440 000 + 700 000) — 140 000 = 2 000 000 руб./год.

4. Расчет срока окупаемости (Ток)

Это ключевой показатель эффект��вности инвестиций.

Ток = Капитальные затраты / Годовой экономический эффект

Ток = 1 450 000 / 2 000 000 = 0.725 года (или примерно 9 месяцев).

Вывод: Срок окупаемости проекта составляет менее одного года. Это свидетельствует о высокой экономической эффективности и целесообразности внедрения данной АСУП на производстве.

Раздел 9. Заключение с выводами по проделанной работе

В ходе выполнения данной курсовой работы была решена поставленная задача по разработке проекта автоматизированной системы управления для сборочного участка.

В процессе работы были выполнены все необходимые этапы проектирования. Был проведен анализ технологического процесса сборки редуктора, который позволил выявить его ключевые проблемы: простои и нестабильное качество. На основе этого анализа были сформулированы подробные технические требования к будущей системе. В соответствии с этими требованиями были разработаны функциональная и структурная схемы автоматизации, описывающие логику и физическую архитектуру АСУП.

Ключевым результатом практической части стал обоснованный выбор программных и технических средств, в центре которого находится ПЛК Siemens S7-1200 и SCADA-система WinCC. Также был детально описан алгоритм управляющей программы. Финальный расчет показал высокую экономическую эффективность проекта: при капитальных затратах в 1.45 млн руб. и годовом экономическом эффекте в 2 млн руб. срок окупаемости составил всего 9 месяцев.

Таким образом, цель курсовой работы — разработка проекта АСУП — полностью достигнута. Спроектированная система позволяет решить основные проблемы участка, повысив его производительность и качество продукции.

Данная работа демонстрирует навыки самостоятельного анализа, проектирования и экономического обоснования. Она может служить не только как законченный учебный проект, но и как прочная основа для выполнения более сложного дипломного проекта по модернизации или созданию нового автоматизированного производства.