Эталонная Методология Проектирования Локальной Системы Автоматизации (САУ) на Базе ПЛК: Структура и Оформление Курсового/Дипломного Проекта

Внедрение систем автоматизации технологических процессов (АСУ ТП) перестало быть конкурентным преимуществом и стало критической необходимостью. Согласно статистическим данным, современная промышленность, особенно в сфере непрерывного производства, демонстрирует прямую корреляцию между уровнем автоматизации и операционной эффективностью. Типовой диапазон нормативного коэффициента эффективности капитальных вложений ($E_{\text{н}}$) для индустриального сектора, согласно экономическим нормативам, составляет от 0.1 до 0.33, что соответствует сроку окупаемости ($T_{\text{р}}$) от 10 до 3 лет соответственно. Этот факт является мощным обоснованием того, что любой инженерный проект по автоматизации должен быть не только технически совершенным, но и экономически целесообразным, поскольку без доказанной окупаемости инвестиций проект не имеет шансов на реализацию.

Данный методологический план служит исчерпывающим руководством для подготовки технической курсовой работы или дипломного проекта, обеспечивая строгое соответствие академическим требованиям, инженерным стандартам (ГОСТ, ЕСКД, ЕСПД) и современным подходам к проектированию локальных микропроцессорных систем управления.

Введение: Цели, Задачи и Обзор Проектной Документации

Проектирование локальной системы автоматизации технологического объекта (САУ) на базе микропроцессорных средств является комплексной инженерной задачей, требующей глубокого понимания как самого технологического процесса, так и современной элементной базы.

Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения точности, надежности и безопасности технологических процессов, а также снижения эксплуатационных затрат за счет внедрения современных ПЛК и цифровых датчиков.

Основной целью проекта является разработка и технико-экономическое обоснование локальной системы автоматизации, обеспечивающей заданные режимы работы технологического объекта.

Задачи проекта:

1. Разработать адекватную математическую модель объекта управления и провести анализ его динамических характеристик.
2. Спроектировать структурную и функциональную схему САУ в соответствии с требованиями ГОСТ.
3. Обосновать выбор технических средств автоматизации (ПЛК, датчики, ИМ) с учетом технико-экономических критериев и резервирования.
4. Формализовать алгоритмы управления, защит и блокировок в виде блок-схем по ГОСТ 19.701-90.
5. Провести расчет экономической эффективности внедрения системы.

Структура данной работы соответствует требованиям, предъявляемым к рабочим чертежам и проектной документации по ГОСТ 21.101 и ГОСТ 21.408-2013 «Правила выполнения рабочей документации автоматизированных систем управления технологическими процессами». Именно строгое следование этим стандартам отличает экспертный проект от любительского наброска.

Теоретический Фундамент и Стандартизация Проектных Решений

Проектирование АСУ ТП — это дисциплинированный процесс, основанный на строгом соблюдении национальных и международных стандартов. В Российской Федерации терминологическая база и правила оформления схем жестко регламентированы. Скрупулезное соблюдение этих нормативов, несомненно, обеспечивает взаимопонимание между проектировщиками, монтажниками и эксплуатационным персоналом.

Нормативная база и составление комплекта документации

Ключевым требованием к академическому инженерному проекту является его соответствие государственным стандартам. Термины и определения, касающиеся автоматизированных систем, включая АСУ ТП, устанавливаются ГОСТ 34.003-90.

Для выполнения графической части проекта необходимо строго следовать следующим регламентам:

Вид документации	Регламентирующий ГОСТ	Назначение
Состав рабочей документации	ГОСТ 21.408-2013	Определяет обязательный комплект чертежей и текстовых документов (общие данные, схемы автоматизации, кабельные журналы, спецификации).
Общие требования к схемам	ГОСТ 24.302-80	Устанавливает правила выполнения структурных схем АСУ.
Графические обозначения	ГОСТ 2.722, 2.732, 2.741	Регламентируют условные графические обозначения (УГО) элементов автоматизации, а ГОСТ 2.710 — буквенно-цифровые обозначения.
Алгоритмы	ГОСТ 19.701-90 (ЕСПД)	Правила выполнения блок-схем алгоритмов управления и программ.

В рамках курсового проекта обязательно должны быть представлены структурные схемы, разработанные по ГОСТ 24.302-80:

• Схема функциональной структуры (С2): Отображает функции управления, контроля и регулирования, а также связи между ними.
• Схема комплекса технических средств (С1): Показывает состав технических средств (ПЛК, АРМ, датчики) и их связи, иллюстрируя физическую архитектуру системы.

Архитектура локальной АСУ ТП

Современная АСУ ТП, даже на локальном уровне, строится по иерархическому принципу, который, как правило, имеет трехуровневую структуру:

1. Нижний (Полевой) Уровень: Включает первичные преобразователи (датчики), исполнительные механизмы (клапаны, приводы) и устройства ввода/вывода. Здесь происходит непосредственное взаимодействие с технологическим процессом.
2. Средний (Контроллерный) Уровень: Представлен Программируемым Логическим Контроллером (ПЛК). Это вычислительное ядро системы, выполняющее разработанные алгоритмы управления, защит и блокировок в реальном времени. Локальная САУ, являющаяся предметом данного проекта, концентрируется именно на этом уровне.
3. Верхний (Диспетчерский) Уровень: Включает человеко-машинный интерфейс (HMI), SCADA-системы и серверы баз данных. Обеспечивает визуализацию процесса, архивирование данных и связь с системами более высокого уровня (MES/ERP).

Проектируемая локальная САУ, базирующаяся на ПЛК, является ключевым элементом, который получает данные с нижнего уровня, обрабатывает их на среднем уровне и передает агрегированную информацию на верхний уровень для диспетчеризации. Это гарантирует оператору не только контроль, но и возможность стратегического планирования производства.

Математическое Моделирование Объекта Управления и Динамический Анализ

Точный синтез регулятора и расчет точности системы невозможен без адекватной математической модели технологического объекта. Этот этап является краеугольным камнем любой проектной работы по АСУ ТП.

Построение математической модели

Для целей анализа и синтеза САУ линейный стационарный объект описывается обыкновенным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами. В общем виде, для объекта порядка $n$ и воздействия порядка $m$:

$$a_0 \frac{d^n y}{dt^n} + a_1 \frac{d^{n-1} y}{dt^{n-1}} + \dots + a_n y = b_0 \frac{d^m u}{dt^m} + b_1 \frac{d^{m-1} u}{dt^{m-1}} + \dots + b_m u$$

где $y$ — регулируемая величина (выход), $u$ — управляющее воздействие (вход), а $n > m$.

Применение преобразования Лапласа позволяет перейти в операторную форму и получить передаточную функцию $W(p)$, которая является отношением изображений выходного сигнала $Y(p)$ к входному сигналу $U(p)$ при нулевых начальных условиях:

$$W(p) = \frac{Y(p)}{U(p)} = \frac{B(p)}{A(p)} = \frac{b_0 p^m + b_1 p^{m-1} + \dots + b_m}{a_0 p^n + a_1 p^{n-1} + \dots + a_n}$$

Для большинства технологических объектов (теплообменники, емкости, трубопроводы) достаточной является модель апериодического звена с запаздыванием (Апериодическое звено 1-го порядка):

$$W(p) = \frac{K_{\text{об}}}{T_0 p + 1} e^{-t_{\text{з}} p}$$

где $K_{\text{об}}$ — коэффициент передачи, $T_0$ — постоянная времени, $t_{\text{з}}$ — время запаздывания. Какой важный нюанс здесь упускается? Этот подход, основанный на линеаризованной модели, обеспечивает быструю оценку, но его применимость требует подтверждения: необходимо убедиться, что рабочий диапазон объекта достаточно узок, чтобы нелинейные эффекты не искажали динамику регулирования.

Расчет динамических и статических характеристик

Ключевые параметры $K_{\text{об}}$, $T_0$ и $t_{\text{з}}$ определяются по экспериментальной кривой разгона (переходной характеристике), полученной при подаче на вход объекта единичного ступенчатого сигнала.

1. Коэффициент передачи ($K_{\text{об}}$): Определяется как отношение установившегося изменения выходной величины ($\Delta Y$) к вызвавшему его изменению входной величины ($\Delta U$): $K_{\text{об}} = \Delta Y / \Delta U$.
2. Время запаздывания ($t_{\text{з}}$): Интервал времени от момента подачи ступенчатого воздействия до начала изменения выходной величины.
3. Постоянная времени ($T_0$): Определяется по касательной к кривой разгона в точке максимальной скорости. Важно: $T_0$ — это время, за которое регулируемая величина достигает приблизительно 63.2% (то есть $1 — 1/e$) от своего установившегося (конечного) значения.

Характеристика	Обозначение	Методика определения
Коэффициент передачи	$K_{\text{об}}$	Статическое отношение $\Delta Y / \Delta U$
Время запаздывания	$t_{\text{з}}$	Интервал инерции объекта
Постоянная времени	$T_0$	Время достижения 63.2% от установившегося значения

Обоснование точности регулирования

Точность САУ — это ее способность поддерживать регулируемую величину с минимальной ошибкой. Основным средством для анализа точности замкнутой системы является передаточная функция по ошибке $W_{e}(p)$.

Для типовой замкнутой системы, где $W(p)$ — передаточная функция разомкнутой системы (объект + регулятор) и $W_{\text{ос}}(p)$ — передаточная функция обратной связи (в простейшем случае $W_{\text{ос}}(p) = 1$):

$$W_{\text{e}}(p) = \frac{E(p)}{U(p)} = \frac{1}{1 + W(p) W_{\text{ос}}(p)}$$

где $E(p)$ — изображение ошибки регулирования, $U(p)$ — изображение задающего воздействия.

Анализ $W_{\text{e}}(p)$ позволяет определить статическую ошибку системы ($\lim_{t \to \infty} e(t)$) при типовых входных воздействиях (ступенчатое, линейно-возрастающее), используя теорему о конечном значении (если система устойчива):

$$e_{\text{ст}} = \lim_{p \to 0} [p \cdot E(p)]$$

Обоснование точности должно включать расчет ошибки для задающего и возмущающего воздействий и сравнение полученных значений с допустимыми технологическими нормами. Разве не для этого мы проводим динамический анализ, чтобы убедиться, что система соответствует заданным допускам?

Технико-Экономическое Обоснование Выбора Средств Автоматизации

Выбор оборудования является критическим этапом, определяющим как технические возможности системы, так и ее стоимость. Решение должно базироваться на принципах надежности, унификации и возможности последующей модернизации.

Выбор ПЛК и резервирование ввода/вывода (I/O)

Выбор Программируемого Логического Контроллера (ПЛК) базируется на следующих ключевых технических критериях:

1. Количество и тип I/O: Необходимо произвести точный подсчет всех дискретных входов (ДВ), дискретных выходов (ДВ), аналоговых входов (АВ) и аналоговых выходов (АВ), требуемых для автоматизируемого объекта.
2. Критический резерв I/O: Инженерная практика требует закладывать резерв в размере 20-30% от расчетного количества точек ввода/вывода. Этот резерв необходим для подключения дополнительных датчиков при оптимизации процесса, устранения ошибок проектирования или будущей модернизации без замены основного контроллера.
3. Быстродействие и память: Производительность ПЛК должна соответствовать динамике процесса (время цикла сканирования ПЛК должно быть на порядок меньше постоянных времени объекта). Объем памяти должен быть достаточен для хранения управляющей программы, данных и реализации необходимых коммуникационных функций.
4. Коммуникационные возможности: ПЛК должен поддерживать стандартные промышленные протоколы связи (например, Modbus TCP/IP, Profibus, PROFINET) для интеграции в верхний уровень SCADA-системы.
5. Условия эксплуатации: Необходимо учесть степень защиты корпуса от пыли и влаги (IP-рейтинг), а также допустимый температурный диапазон, исходя из места установки (например, IP65 для установки вне шкафа в цеху).

Критерий выбора ПЛК	Значение для проекта (Пример)	Инженерное требование
Расчетное I/O	40 ДВ, 20 ДИ, 8 АВ, 4 АО	Соответствие технологической схеме
Необходимый резерв (25%)	10 ДВ, 5 ДИ, 2 АВ, 1 АО	Обеспечение модернизации и расширения
Итоговая конфигурация	50 ДВ, 25 ДИ, 10 АВ, 5 АО	Минимальная требуемая мощность ПЛК

Выбор первичных преобразователей и исполнительных механизмов

Выбор датчиков (первичных преобразователей) и ИМ напрямую влияет на качество и точность регулирования.

Первичные преобразователи (Датчики):

• Точность и погрешность: Выбираются датчики с классом точности, который соответствует или превышает технологические требования.
• Диапазон измерения и выходной сигнал: Должны соответствовать измеряемой величине (температура, давление, расход). Стандартные унифицированные выходные сигналы (4-20 мА, 0-10 В) предпочтительны для унификации.
• Надежность и стойкость: Учитываются агрессивность среды, вибрация, температура.

Исполнительные механизмы (ИМ):

• Скорость срабатывания: Критична для быстродействующих процессов.
• Характеристика регулирования: Выбор между линейной, равнопроцентной или быстрой характеристикой клапана.
• Привод: Выбор между электрическим, пневматическим или гидравлическим приводом, исходя из доступности среды, мощности и безопасности.

Проект должен содержать сравнительную таблицу с техническими характеристиками (Datasheets) выбранного оборудования и обоснованием предпочтения конкретных моделей.

Формализация Алгоритмов Управления и Требования к HMI

Логика работы локальной САУ — это ее «нервная система». Разработка алгоритмов должна гарантировать не только выполнение целевой функции управления, но и безопасность процесса.

Разработка алгоритма управления

Формализация алгоритма является обязательной частью проекта и должна быть выполнена в виде блок-схемы, что соответствует требованиям ГОСТ 19.701-90 (ЕСПД). Блок-схема — это графическое представление последовательности выполнения операций в программе или логической системе.

Ключевые элементы, которые должны быть формализованы:

1. Основной цикл управления: Описание работы регулятора (ПИД, двухпозиционный и т.д.), включая опрос датчиков и выдачу управляющего воздействия.
2. Защиты и блокировки (ЗиБ): Критически важные функции, предотвращающие выход процесса за допустимые пределы или повреждение оборудования. Например, блокировка включения насоса при отсутствии уровня в резервуаре.
3. Технологические сигнализации: Оповещения оператора о приближении или достижении аварийных параметров.

Алгоритм должен отображать не только штатные режимы, но и логику переключения режимов (ручной/автоматический), а также последовательность действий при запуске и останове объекта.

Требования к человеко-машинному интерфейсу (HMI)

HMI (Human-Machine Interface) служит для взаимодействия оператора с процессом. Он является частью верхнего уровня, но его разработка неразрывно связана с логикой контроллера.

Эргономика и визуализация:
Разработка интерфейса должна учитывать эргономические требования, установленные, например, ГОСТ Р ИСО 9241-1. Мнемосхемы должны быть интуитивно понятными, использовать стандартизированные цветовые коды и символы. Эффективный HMI должен обеспечивать:

• Четкое отображение текущих параметров процесса.
• Доступ к настройкам регуляторов и режимам работы (при наличии соответствующих прав доступа).
• Архивирование и отображение трендов.

Функциональная безопасность и управление тревогами (Alarm Management):
В современных системах, особенно тех, где ошибки оператора могут привести к авариям, требуется внедрение стандартизированной системы управления тревогами. В соответствии с ГОСТ Р МЭК 61511-1-2018 (Функциональная безопасность), система тревог должна быть спроектирована таким образом, чтобы оператор мог своевременно идентифицировать и понять проблему. Это включает:

• Приоритезацию сигналов тревоги (высокий, средний, низкий).
• Минимизацию ложных и «затопляющих» тревог.
• Обеспечение того, чтобы неправильные действия персонала АСУ не приводили к аварийной ситуации, что достигается логикой алгоритмов и разграничением уровней доступа.

Оценка Экономической Эффективности Внедрения Проекта

Любой инженерный проект должен быть экономически обоснован. Технико-экономическое обоснование (ТЭО) доказывает, что капитальные вложения в автоматизацию окупятся в разумные сроки.

Расчет капитальных затрат и годовой экономии

Капитальные затраты ($K$) — это сумма всех разовых затрат на создание и внедрение системы:

$$K = K_{\text{оборуд}} + K_{\text{монтаж}} + K_{\text{ПНР}} + K_{\text{проект}}$$

Где:

• $K_{\text{оборуд}}$ — стоимость закупленных средств автоматизации (ПЛК, датчики, ИМ, шкафы).
• $K_{\text{монтаж}}$ — затраты на монтажные работы.
• $K_{\text{ПНР}}$ — стоимость пусконаладочных работ.
• $K_{\text{проект}}$ — стоимость проектирования и разработки программного обеспечения.

Годовая экономия ($\text{Э}$) — это снижение эксплуатационных расходов, достигнутое благодаря автоматизации. Источники экономии могут включать:

• Снижение численности обслуживающего персонала.
• Уменьшение расхода сырья, материалов и энергоресурсов (за счет оптимизации режимов).
• Уменьшение брака и повышение качества продукции.

Определение срока окупаемости и эффективности

Экономический анализ основан на расчете трех ключевых показателей: годовой экономический эффект, срок окупаемости и коэффициент эффективности.

1. Годовые эксплуатационные затраты ($\text{Р}_{\text{ЭКСПЛ}}$): Включают амортизацию оборудования, затраты на обслуживание, ремонт, электроэнергию и оплату труда обслуживающего персонала.
2. Годовой экономический эффект ($\text{Э}_{\text{Г}}$): Определяется как разница между годовой экономией и годовыми эксплуатационными затратами:

$$\text{Э}_{\text{Г}} = \text{Э} - \text{Р}_{\text{ЭКСПЛ}}$$

3. Срок окупаемости ($\text{Т}_{\text{р}}$): Показывает, за какой период времени окупится инвестиция за счет получаемого экономического эффекта:

$$\text{Т}_{\text{р}} = \frac{K}{\text{Э}_{\text{Г}}}$$

4. Расчетный коэффициент эффективности затрат ($\text{Е}_{\text{р}}$):

$$\text{Е}_{\text{р}} = \frac{\text{Э}_{\text{Г}}}{K}$$

Для того чтобы проект был признан экономически целесообразным, расчетный коэффициент эффективности $\text{Е}_{\text{р}}$ должен быть больше или равен нормативному коэффициенту $\text{Е}_{\text{н}}$:

$$\text{Е}_{\text{р}} \ge \text{Е}_{\text{н}}$$

Как уже было указано, типовой нормативный диапазон $\text{Е}_{\text{н}}$ составляет от 0.1 до 0.33, что означает, что приемлемый срок окупаемости для индустриального проекта должен находиться в пределах от 3 до 10 лет. Расчетный $\text{Т}_{\text{р}}$ должен попасть в этот диапазон.

И что из этого следует? Если ваш расчетный срок окупаемости превышает установленный норматив, это прямо указывает на необходимость пересмотра проектных решений, оптимизации состава оборудования (выбора менее дорогостоящего ПЛК или датчиков) или более детального учета косвенных экономических выгод.

Заключение

В результате выполнения проекта была разработана и обоснована локальная система автоматизации технологического объекта на базе современных микропроцессорных средств.

Достижение поставленных целей подтверждается следующими ключевыми результатами:

1. Разработана адекватная математическая модель объекта управления и определены его динамические характеристики, включая постоянную времени $T_0$ и коэффициент передачи $K_{\text{об}}$. Проведен анализ точности регулирования с использованием передаточной функции по ошибке $W_{\text{e}}(p)$.
2. Спроектированы структурные (С1, С2) и функциональные схемы АСУ ТП, строго соответствующие требованиям ГОСТ 24.302-80 и ГОСТ 21.408-2013, что обеспечивает методологическую корректность проектной документации.
3. Обоснован выбор технических средств автоматизации (ПЛК, датчики, ИМ) с обязательным учетом резерва I/O в размере 20-30%, что гарантирует возможность дальнейшего расширения системы.
4. Формализован алгоритм управления, включая функции защит и блокировок, представленный в виде блок-схемы по ГОСТ 19.701-90, а также сформулированы требования к HMI с учетом стандартов функциональной безопасности (ГОСТ Р МЭК 61511-1-2018).
5. Доказана экономическая эффективность внедрения системы, рассчитаны капитальные затраты $K$ и годовой экономический эффект $\text{Э}_{\text{Г}}$, а также определен срок окупаемости $\text{Т}_{\text{р}}$, который соответствует нормативным требованиям $\text{Е}_{\text{н}}$ для индустриального сектора.

Разработанная локальная САУ представляет собой надежное, эффективное и стандартизированное техническое решение, полностью готовое к реализации и обеспечивающее повышение производственных показателей автоматизируемого объекта.

Список использованной литературы

1. Автоматизация участка технологического процесса на базе микропроцессорной техники : метод. указ. – Ангарск : АГТА, 2000.
2. Автоматизация технологических комплексов и систем в промышленности / Н. В. Гусев, С. В. Ляпушкин, М. В. Коваленко. – Томск : Изд. ТПУ, 2011.
3. Микропроцессорные автоматические системы регулирования / под ред. В. В. Солодовникова. – Москва : Высшая школа, 1991.
4. Современные био-, бензо-, дизель-генераторы и другие полезные конструкции. – Москва : ДМК Пресс, 2011.
5. Структурная схема АСУ ТП [Электронный ресурс]. – URL: https://asutpp.ru (дата обращения: 24.10.2025).
6. Математическая модель объекта управления [Электронный ресурс]. – URL: https://studfile.net (дата обращения: 24.10.2025).
7. Оценка внедрения автоматизации: расчет эффективности АСУ ТП [Электронный ресурс]. – URL: https://ritm.pro (дата обращения: 24.10.2025).
8. Экономическая эффективность АСУ ТП [Электронный ресурс]. – URL: https://studfile.net (дата обращения: 24.10.2025).
9. Выбор программируемого логического контроллера [Электронный ресурс]. – URL: https://bvl.center (дата обращения: 24.10.2025).
10. ГОСТ 19.701-90. Единая система программной документации. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем [Электронный ресурс]. – URL: https://edsd.ru (дата обращения: 24.10.2025).
11. ГОСТ 21.408-2013. Система проектной документации. МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ [Электронный ресурс]. – URL: https://inkram.ru (дата обращения: 24.10.2025).
12. Как выбрать ПЛК для промышленного станка: критерии и лучшие решения [Электронный ресурс]. – URL: https://priborenergo.com (дата обращения: 24.10.2025).
13. Блок-схемы алгоритмов. ГОСТ. Примеры [Электронный ресурс]. – URL: https://pro-prof.com (дата обращения: 24.10.2025).
14. Внедрение АСУ как способ повышения экономической эффективности предприятий теплоэнергетики [Электронный ресурс]. – URL: https://isup.ru (дата обращения: 24.10.2025).
15. Показатели эффективности АСУ ТП [Электронный ресурс]. – URL: https://allics.ru (дата обращения: 24.10.2025).
16. Расчет экономического эффекта от внедрения системы автоматизации [Электронный ресурс]. – URL: https://antegra.ru (дата обращения: 24.10.2025).
17. Как правильно выбрать контроллер ПЛК для ваших нужд промышленной автоматизации [Электронный ресурс]. – URL: https://mochuan-drives.com (дата обращения: 24.10.2025).
18. ГОСТ 24.104— 2023. Единая система стандартов автоматизированных систем управления [Электронный ресурс]. – URL: https://meganorm.ru (дата обращения: 24.10.2025).
19. МОДЕЛИ НА ОСНОВЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ [Электронный ресурс]. – URL: https://tpu.ru (дата обращения: 24.10.2025).
20. Построение математической модели технологических объектов по нормированию и идентификации [Электронный ресурс]. – URL: https://urfu.ru (дата обращения: 24.10.2025).
21. ГОСТ Р 71765- 2024. Единая система стандартов автоматизированных систем управления [Электронный ресурс]. – URL: https://meganorm.ru (дата обращения: 24.10.2025).
22. Уровни АСУ ТП [Электронный ресурс]. – URL: https://tptlive.ee (дата обращения: 24.10.2025).
23. ГОСТ 34.003-90. Автоматизированные системы. Термины и определения [Электронный ресурс]. – URL: https://prj-exp.ru (дата обращения: 24.10.2025).
24. Математическое описание объектов автоматизации строительного производства [Электронный ресурс]. – URL: https://madi.ru (дата обращения: 24.10.2025).