Структура и содержание курсового проекта по автоматизации технологических процессов

Курсовая работа по автоматизации — это не просто теоретический реферат, а полноценный инженерный проект в миниатюре. Она представляет собой тренажер, на котором студент проходит весь путь проектировщика: от анализа реальной производственной проблемы, например, неэффективного процесса, до синтеза готового решения — разработки Автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП). Основная цель такой работы — не просто получить оценку, а научиться мыслить как системный инженер. Ведь целью любой автоматизации является достижение измеримых результатов, таких как повышение эффективности и улучшение качества продукции.

Итак, любой инженерный проект начинается не с выбора контроллера, а с глубокого анализа. Давайте разберемся, как правильно заложить фундамент вашего проекта.

Глава 1. Как провести анализ объекта и доказать необходимость автоматизации

Первый и самый важный раздел вашей курсовой — это исследовательская работа. Здесь вы должны детально описать текущее состояние технологического процесса, который собираетесь улучшить. Это анализ «как есть» (as is): какое оборудование используется на данный момент, какие операции выполняются вручную, где возникают «узкие места», приводящие к потерям времени или браку. Важно понимать, что человек-оператор также является частью системы, и его роль необходимо проанализировать.

На основе этого анализа формулируются цели проекта. Они должны быть конкретными и измеримыми. Вместо абстрактной цели «улучшить процесс» ставятся четкие задачи:

  • Сократить время производственного цикла на 15%.
  • Снизить процент брака на 5%.
  • Повысить производительность линии на 10%.

Именно эти цифры и становятся обоснованием необходимости автоматизации. На этом же этапе определяется глубина будущих изменений — будет ли это частичная автоматизация отдельной операции или комплексная, охватывающая целый производственный участок. Тщательно проработанный анализ доказывает, что предлагаемая система действительно решает существующую проблему.

Когда мы четко понимаем, что и зачем автоматизируем, можно переходить к проектированию архитектуры будущей системы.

Глава 2. Проектируем архитектуру будущей системы управления

Любая современная АСУ ТП строится по иерархическому принципу и, как правило, имеет трехуровневую структуру. Разработка архитектуры — это определение того, как эти уровни будут взаимодействовать в вашем проекте.

  1. Нижний (полевой) уровень: Это «органы чувств» и «руки» системы. Сюда входят различные датчики (температуры, давления, уровня), которые собирают информацию о процессе, и исполнительные механизмы (клапаны, двигатели, насосы), которые непосредственно воздействуют на объект управления.
  2. Средний уровень: Мозг системы. Здесь находятся промышленные контроллеры, чаще всего программируемые логические контроллеры (ПЛК). Они в реальном времени обрабатывают сигналы с датчиков и на основе заложенного в них алгоритма формируют команды для исполнительных механизмов.
  3. Верхний уровень: Человеко-машинный интерфейс. Это автоматизированные рабочие места (АРМ) операторов, серверы для сбора и хранения данных. Ключевыми компонентами здесь часто выступают SCADA-системы, которые визуализируют технологический процесс и позволяют оператору контролировать его и управлять им.

Итогом этого этапа проектирования становится функциональная схема автоматизации. Это не просто рисунок, а ключевой технический документ, своего рода «карта» вашей будущей системы. На ней условными обозначениями показаны все датчики, исполнительные устройства, контроллеры и линии связи между ними. Эта схема наглядно демонстрирует, какие параметры контролируются и чем именно система управляет.

Архитектура готова, и теперь наша задача — наполнить ее конкретными техническими средствами, выбрав мозг и органы чувств нашей системы.

Глава 3. Подбираем мозг и чувства системы, от ПЛК до датчиков

Это центральная практическая часть курсовой работы, где абстрактная архитектура обретает реальные очертания. Главный принцип здесь — любой выбор должен быть обоснован. Недостаточно просто написать: «Выбираем контроллер Siemens». Необходимо доказать, почему именно эта модель подходит для решения поставленной задачи.

Логика подбора компонентов выглядит следующим образом:

  • Выбор ПЛК (мозг системы): Это ключевое решение. Выбор контроллера зависит от конкретных требований проекта. Нужно подсчитать необходимое количество дискретных и аналоговых входов/выходов, оценить требуемую производительность для обработки алгоритмов и учесть, какие промышленные протоколы обмена данными (например, ModBus или Profibus) он должен поддерживать для связи с другими устройствами.
  • Выбор SCADA-системы (визуализация): SCADA — это интерфейс между оператором и технологическим процессом. На этом этапе нужно не только выбрать программный продукт, но и спроектировать основные мнемосхемы — экраны, на которых в наглядном виде будет отображаться состояние оборудования, измеряемые параметры и органы управления.
  • Выбор датчиков и исполнительных механизмов (органы чувств и руки): Этот выбор напрямую диктуется физическими и химическими параметрами процесса. Если нужно измерять температуру в печи, как, например, в сушилке АСУ-1.2, то подбирается соответствующая термопара с нужным диапазоном и классом точности. Если нужно регулировать поток жидкости — подбирается регулирующий клапан с подходящим электроприводом.

Каждый выбранный компонент — от маленького датчика до центрального контроллера — должен быть оправдан с точки зрения технических характеристик, надежности и соответствия общей задаче проекта.

Когда все компоненты выбраны и их взаимодействие продумано, остается лишь грамотно оформить проектную документацию, чтобы вашу инженерную мысль понял любой специалист.

Глава 4. Упаковываем проект в соответствии с языком инженеров, или ГОСТ в помощь

Многие студенты воспринимают оформление документации по ГОСТ как ненужную бюрократию. На самом деле, это универсальный технический язык, который обеспечивает однозначное понимание проектных решений другими инженерами. Стандарты — это не ограничения, а помощники, предоставляющие готовые правила для создания четкой и логичной документации.

Основу графической части проекта обычно составляют несколько ключевых документов:

  • Функциональная схема автоматизации: Мы уже говорили о ней. Она показывает что автоматизируется и с помощью чего.
  • Схема алгоритмов управления: Этот документ в виде блок-схемы детально описывает логику работы программы контроллера. Он показывает, какие действия и в какой последовательности должна выполнять система.
  • Мнемосхема: Графическое изображение интерфейса оператора, которое будет реализовано в SCADA-системе.

Весь процесс создания автоматизированной системы, от первоначальных идей до сдачи в эксплуатацию, регламентируется стандартами. Ключевым из них является ГОСТ 34.601-90, который определяет стадии создания АСУ: от формирования требований и разработки концепции до ввода в действие и сопровождения. Также в работе могут применяться и другие важные стандарты, такие как ГОСТ 24.104-85 и нормативы из Единой системы конструкторской (ЕСКД) и программной (ЕСПД) документации.

Проект спроектирован, компоненты выбраны, документация готова. Давайте подведем итоги и посмотрим на проделанную работу с высоты птичьего полета.

Заключение, которое закрепляет образ инженера

Выполнив курсовую работу по автоматизации, вы фактически повторили в миниатюре все основные этапы реального проектирования АСУ ТП. Этот путь, регламентированный стандартом ГОСТ 34.601-90, ведет от разработки требований к системе до создания рабочей документации. Вы научились не просто подбирать оборудование, а выстраивать целостную систему, которая обеспечивает сбор и обработку информации для эффективного управления технологическим процессом.

Самый ценный результат этой работы — не оценка в зачетной книжке, а приобретенный навык системного подхода к решению сложных инженерных задач. Вы научились анализировать проблему, проектировать архитектуру решения, обосновывать выбор компонентов и говорить на универсальном языке технических стандартов. Относитесь к каждой учебной задаче как к реальному проекту, как к возможности создать что-то работающее и полезное, и тогда процесс обучения станет по-настоящему увлекательным и эффективным.

Список источников информации

  1. Харазов В. Г. Интегрированные системы управления технологическими процессами: – СПб.: Профессия, 2009. – 592 с.
  2. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. М.: Химия, 1981;
  3. Громов Б.В. и др. Химическая технология облученного ядерного топлива. М.: Энергоатомиздат, 1983;
  4. Липатов Л.Н. Типовые процессы химической технологии как объекты управления. М.: Химия, 1987.
  5. Александрович А.Е., Бородакий Ю.В., Чуканов В.О. Проектирование высоконадёжных информационно-вычислительных систем. –М.: Радио и связь, 2004. – 144 с.
  6. Глазунов Л.П., Грабовецкий В.П., Щербаков О.В. Основы теории надёжности автоматических систем управления: учебное пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат, Л.О., 1984. – 208 с.
  7. Голинкевич Т.А. Прикладная теория надёжности: учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1985. – 168 с.
  8. Гук Ю.Б. Теория надёжности в электроэнергетике: учеб. Пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 208 с.
  9. ГОСТ 27.002–89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения.
  10. ГОСТ 28195–89. Оценка качества программных средств.
  11. ГОСТ 27.001–95. Межгосударственный стандарт. Система стандартов «Надёжность в технике». Основные положения.
  12. ГОСТ 27.310–95. Межгосударственный стандарт. Надёжность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения.
  13. Дружинин Г.В., Степанов С.В. и др. Теория надёжности радиоэлектронных систем в примерах и задачах: учеб. пособие для вузов. – М.: Энергия, 1976. – 448 с.
  14. Дружинин Г.В. Надёжность автоматизированных производственных систем. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 480 с.
  15. Иыуду К.А. Надёжность, контроль и диагностика вычислительных машин и систем: учеб. пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1989. – 216 с.
  16. Кубарев А.И. Надёжность в машиностроении – М.: Изд-во стандартов, 1989. – 224 с.
  17. Лонгботтом Р. Надёжность вычислительных систем: пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 288 с.

Похожие записи