3. Структура та зміст випускних кваліфікаційних робіт бакалаврів

При виконанні випускної роботи студенти повинні застосувати набуті уміння й навички щодо проектування функціональної частини, інформаційного та технічного забезпечення АСУ ТП.

Студенти, що проходять практику на металургійних та інших підприємствах міста, виконують випускну роботу з модернізації, удосконалення окремих систем автоматичного управління, що експлуатуються в цехах, де вони проходять практику.

Виконання випускної роботи передбачає розробку комплекту проектної документації на відповідну систему управління.

3.1. Структура випускної роботи

Дипломний проект включає пояснювальну записку та графічну частину обсягом 3 аркуші.

Пояснювальна записка до дипломного проекту повинна містити наступні розділи (у дужках зазначено їхній орієнтовний обсяг у машинописних аркушах):

Реферат (1 стор.) Вступ (2-3 стор.)

1. Основна частина (25-30 стор.)

2. Охорона праці (4-5 стор.)

Висновки (1-2 стор.)

Перелік посилань

Додатки (в разі необхідності)

Графічна частина випускної роботи повинна містити:

1) функціональну схему системи (чи функціональну схему автоматизації);

2) структурну схему управляючого обчислювального комплексу;

3) схему підключення датчиків до управляючого обчислювального комплексу.

Крім зазначених аркушів, до складу графічної частини за рішенням керівника можуть включатися також інші схеми і креслення (наприклад, принципові схеми, схеми з'єднань, плани розташування тощо) за умови, що вони розроблені дипломником особисто.

3.2. Зміст та методичні рекомендації до виконання окремих розділів випускної роботи

3.2.1. Вступ

Вступ повинен містити коротку характеристику теми випускної роботи, обґрунтування її актуальності і значення. Варто аргументовано, посилаючись на науково-технічні публікації, огляди й інші опубліковані матеріали, підтвердити економічну доцільність або соціальну значимість, а також технічну можливість створення відповідної системи на базі існуючих технічних і програмних засобів.

3.2.2. Основна частина

Основна частина проекту повинна містити наступні підрозділи:

- патентний пошук;

- технічне завдання на створення системи;

- принцип дії системи;

- переліки вхідних та вихідних сигналів та даних;

- вибір датчиків;

- вибір виконавчих механізмів;

- компонування управляючого обчислювального комплексу.

3.2.2.1. Патентний пошук. В цьому підрозділі студент має провести пошук патентної інформації про відомі технічні рішення щодо систем автоматизації, відповідних призначеній йому темі, проаналізувати сутність цих рішень, з’ясувати їхні достоїнства та недоліки, зробити висновок щодо доцільності використання виявлених систем як аналогів системи, що проектується.

При виконанні цього підрозділу обов’язковим є використання інформаційних ресурсів мережі Internet. Методичні рекомендації щодо здійснення патентного пошуку та оформлення його результатів містяться у посібнику [1].

3.2.2.2. Технічне завдання на створення системи

Технічне завдання (ТЗ) – основний документ, що визначає вимоги та порядок створення системи, відповідно до якого проводиться розробка АСУ та її приймання при введенні у дію. ТЗ розробляється відповідно до стандарту (ГОСТ 34.602-89).

Докладний опис змісту ТЗ наведено у ГОСТ 34.602-89 [3] та конспекті [2].

У цьому підрозділі основної частини студенти мають опрацювати наступні розділи ТЗ:

1. ПРИЗНАЧЕННЯ ТА МЕТА СТВОРЕННЯ СИСТЕМИ

1.1. Призначення – зазначення виду діяльності, що автоматизується, та перелік об’єктів, на яких передбачається використання системи.

1.2. Мета – досягнення певних економічних чи соціальних результатів при використанні системи.

2. ВИМОГИ ДО СИСТЕМИ

2.1. Вимоги до структури і функционування

- Указати ієрархічну структуру системи чи її місце в ієрархічній структурі АСУ ТП.

- Визначити режим функціонування системи.

2.2. Показники призначення – чисельні значення параметрів, що характеризують ступінь відповідності системи її призначенню.

2.3. Вимоги до надійності

- Склад та кількісні значення показників надійності.

- Перелік аварійних ситуацій, за якими необхідно регламентувати вимоги до надійності.

- Вимоги до методів оцінювання надійності (розрахунковий чи експериментальний).

2.4. Вимоги до захисту інформації від несанкціонованого доступу

2.5. Вимоги до схоронності інформації при аваріях

2.6. Вимоги до засобів захисту від зовнішніх впливів

Необхідно висунути окремі вимоги до різних технічних засобів автоматизації (датчиків, обчислювального комплексу, операторських пультів тощо) щодо ступеня їхнього захисту від впливу таких факторів зовнішнього середовища, як температура та вологість оточуючого повітря, атмосферний тиск, вібрації. При цьому слід користуватись матеріалами стандарту ГОСТ 12997-84 (див. Додаток А).

2.7. Вимоги до функцій системи

Необхідно висунути вимоги не менше, ніж до двох функцій системи, надавши їх у вигляді наступної таблиці (табл.2.1).

Таблиця 3.1

Вимоги до функцій системи

Функція (задача)	Форма представ-лення вихідної інформації	Точність (погрішність) виконання	Час виконання	Регламент виконання	Критерій відмови

3.2.2.3. Принцип дії системи описується довільним чином. При цьому доцільно посилатись на функціональну схему системи або функціональну схему автоматизації, що обов’язково входить до графічної частини випускної роботи.

Функціональна схема автоматизації є основним технічним документом, що визначає функціональну структуру і обсяг автоматизації технологічного об’єкта (ГОСТ 24.206-80). Вона містить спрощене зображення технологічного обладнання, умовні зображення приладів і засобів автоматизації, функціональні зв’язки між технологічним обладнанням і засобами автоматизації та зв’язки між окремими засобами автоматизації.

Функціональна схема автоматизації дозволяє визначити:

• параметри технологічного процесу, які підлягають автоматичному контролю і регулюванню;

• наявність захистів, аварійної сигналізації та блокувань;

• організацію пунктів контролю і управління;

• функціональну структуру кожного вузла контролю, сигналізації, автоматичного регулювання та управління;

• технічні засоби, за допомогою яких реалізуються вузли контролю, сигналізації, автоматичного регулювання та управління.

Правила зображення технологічного обладнання та комунікацій, засобів вимірювання та автоматизації на функціональних схемах автоматизації, вимоги щодо їхнього оформлення та численні приклади наведені у [3, с.25 – 43].

Студенти мають виконати схему з умовним зображенням щитів і пультів у вигляді прямокутників. До схеми обов’язково має бути додана таблиця переліку елементів.

3.2.2.4. Переліки вхідних та вихідних сигналів та даних складаються відповідно до вимог стандарту і мають чітко визначати назву сигналу, форму його представлення, діапазон та періодичність змінення, джерело формування або приймача тощо. Форми відповідних таблиць наведені у табл. 3.2 … 3.7.

До переліків вхідних необхідно вносити усі сигнали, що надходять до управляючого обчислювального комплексу:

- від технологічних датчиків;

- з операторських пультів (уставки, команди, сигнали, що визначають режими роботи системи тощо);

- від суміжних систем автоматизації.

До переліків вихідних необхідно вносити усі сигнали, що надходять з виходів управляючого обчислювального комплексу:

- на виконавчі механізми;

- на операторські пульти, табло (індикація стану об’єкта та системи, попереджувальна та аварійна сигналізація тощо);

- до суміжних систем автоматизації.

Таблиця 3.2

Перелік вхідних неперервних сигналів

Найменування	Діапазон зміни	Форма подання	Періодич-ність зміни	Джерело формування
1. Температура в томильній зоні печі	800 - 1200С	Напруга постійного струму 0 - 50 мВ	Не частіше 1 хв.	Радіаційний пірометр

Таблиця 3.3

Перелік вхідних дискретних сигналів

Найменування	Діапазон зміни	Розрядність	Періодич-ність зміни	Джерело формування
1	2	3	4	5
1. Товщина готового прокату	0,10 – 2,40 мм	12 біт	50 мс	Радіоізотопний вимірювач товщини

Продовження табл.. 3.2

1	2	3	4	5
2. Задане значення температури	500 – 1000С	16 біт	З ініціативи оператора (не частіше 5 хв.)	Пульт оператора на пості ПУ-3
3. Задане значення температури	500 – 1300С	Послідовний код	З ініціативи оператора (не частіше 5 хв.)	Клавіатура на пості ПУ-3
4. Реквізити плавки	Символьна інформація	Послідовний код	З ініціативи оператора (не частіше 30 хв.)	Клавіатура на пості ПУ-3
5. Довжина смуги	70,0 – 110,0 м	Послідовний код	Не частіше 5с	Підсистема розкрою прокату

Таблиця 3.4

Перелік вхідних двопозиційних сигналів

Найменування	Періодичність (частота) зміни	Джерело формування
1. Наявність прокату на виході кліті №4	Не частіше 10 с	Датчик наявності прокату D4
2. Команда «Ручний різ»	З ініціативи оператора (не частіше 3 с)	Пульт оператора на ПУ-10
3. Фактична частота обертання ножиців	1-10 Гц	Імпульсний датчик ПДФ-3

Таблиця 3.5

Перелік вихідних неперервних сигналів

Найменування	Діапазон зміни	Форма подання	Приймач
1. Сигнал на зміну швидкості двигуна	 1000 об/хв	Напруга постійного струму ±10В	Тиристорний перетворювач

Таблиця 3.6

Перелік вихідних дискретних сигналів

Найменування	Діапазон зміни	Розрядність	Приймач
1. Завдання частоти обертання двигуна кліті №12	200 – 1500 об/хв	16 біт	САРС кліті №12
2. Індикація температури металу	500 – 1200С	Відеокадр	Дисплей на ПУ-4
3. Індикація реквізитів плавки	Символьна інформація	Відеокадр	Дисплей на ПУ-4
4. Довжина смуги	70,0 - 110,0 м	Послідовний код	Підсистема управління скидачем смуг

Таблиця 3.7

Перелік вихідних двопозиційних сигналів

Найменування	Приймач
1. Індикація наявності прокату на рольгангу	Пульт оператора на пості ПУ-10
2. Команда на відкриття засувки	Панель управління засувкою

3.2.2.5. Вибір датчиків необхідно здійснювати, використовуючи каталоги фірм-виробників, виходячи з наступних вимог, що зазвичай до них висуваються:

- достатня точність вимірювання;

- достатні межі (діапазон) вимірювання;

- пристосованість датчика до умов оточуючого середовища;

- безпека експлуатації датчика;

- достатня відстань, на яку може передаватись інформація від датчика.

Включати до складу системи необхідно лише сучасні датчики, які на сьогодні виробляються вітчизняними чи закордонними фірмами-виробниками й присутні на вітчизняному ринку засобів автоматизації.

3.2.2.6. Вибір виконавчих пристроїв необхідно здійснювати, виходячи з типу об'єкта регулювання.

Якщо об'єкт регулювання являє собою металургійний або будь-який інший агрегат, що використовує рідкі або газоподібні речовини, подача яких здійснюється за допомогою трубопроводів, то виконавчі пристрої мають забезпечувати зміну витрати цих рідин або газів до об'єкту регулювання. До таких виконавчих механізмів належать пристрої з регулювальними органами дросельного типу: поворотні заслінки, шиберні заслінки, клапани, крани тощо. Регулювальні органи можуть бути такими, що вже встановлені на трубопроводи, або ж їх необхідно вибрати при проектуванні.

Якщо регулювальні органи на трубопроводі вже встановлені, то необхідно вибрати відповідні виконавчі механізми, що забезпечать переміщення регулювальних органів. Вибір виконавчих механізмів здійснюється по каталогах фірм-виготовлювачів даного устаткування. До таких фірм, зокрема, належать:

- ВАТ «ЗЭиМ» м.Чебоксари (Росія), www.zeim.ru;

- ЗАТ «Тулаэлектропривод» (Росія), www.tulaprivod.ru;

- ТОВ «Научно-производственное предприятие Томская электронная кампания» (Росія), www.npotec.ru;

- ТОВ НВО «Сибирский Машиностроитель» (Росія), www.nposibmash.ru;

- AUMA (ФРН), www.auma.de, www.auma.com;

- BIFFI (Італія), www.biffi.it, www.irimex.ru;

- Hartmann&Braun (ФРН), www.abb.com;

- Honeywell (США), www.honeywell.com;

- Kromshcroder (ФРН), www.kromshcroder.com;

- REGADA (Словакія), www.regada.sk, www.technopolus.ru;

- ROTORK (Велика Британія), www.rotork.com, www.rotork.ru;

- Siemens (ФРН), www.siemens.com та інші.

Вибір виконавчих механізмів здійснюється, виходячи з основних технічних характеристик, які наведені у Додатку Б.

Крім вибору електричного або пневматичного виконавчого механізму, необхідно підібрати пускову апаратуру, що забезпечує узгодження вихідних електричних кіл УОК, ПЛК або мікропроцесорних регулюючих приладів із вхідними колами виконавчих механизмів. Це, наприклад, може бути як контактна, так і безконтактна пускова апаратура натупних виробників:

- Электротехник (Росія), www.elektrotehnik.ru;

- ВАТ «ЗЭиМ», м.Чебоксари (Росія), www.zeim.ru;

- ВАТ «Реле и автоматика», м. Москва (Росія), www.rele.ru.

Рекомендовані схеми підключення виконавчих механізмів до вихідних кіл УОК, контролерів та приладів наведені у Додатку В.

Якщо ж необхідно вибрати виконавчий пристрій у комплексі: регулюючий орган та виконавчий механізм для даного трубопроводу, то доцільно використовувати комплектне постачання цих пристроїв. Комплектні виконавчі пристрої поставляються, наприклад, наступними виробниками:

- SAMSON (ФРН), www.samson.ru;

- Emerson (США), www.emersonprocess.ru та ін.

В разі, якщо виконавчими механізмами в системах автоматизації є двигуни головних приводів, а управління здійснюється впливом на швидкість обертання цих електродвигунів, може бути запропонована реалізація регуляторів швидкості й положення на базі комплектних тиристорних електроприводів КТЕ або частотних перетворювачів. При цьому потрібно звернути увагу на число передачі редуктора між двигуном і механізмом, щоб забезпечити задані вимоги до точності переміщення робочого органа й необхідного часу відпрацьовування сигналу завдання.

Виробники комплектних тиристорних електроприводів і частотних перетворювачів наведені нижче:

- НВП «МИКОНТ», м. Запорожжя, www.mikont.com;

- НВП «ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ-КОМПЛЕКТ», м. Запорожжя,

www.pcomplex.com.ua;

- ВАТ «Электропроект» (Росія), www.elp.ru;

- Mesomatic (ФРН), www.mesomatic.com;

- Кемрон, Кемток, Кемтор (Болгарія), www.stanoks.com.

- OMRON (Японія), www.omron.com.ua;

- Delta-Electronics (Тайвань), www.delta-electronics.com.ua

- Siemens (ФРН), www.siemens.com

3.2.2.6. Компонування управляючого обчислювального комплексу (УОК) зазвичай здійснюють у наступному порядку:

1) прийняття рішення щодо загальної структури УОК (зосереджена чи розподілена) та в разі вибору розподіленої структури – щодо кількості віддалених контролерів;

2) вибір плати центрального процесорного пристрою (плати ЦПП);

3) вибір плат розширення пам’яті на твердотілих дисках (flash-пам’яті);

4) вибір периферійного обладнання (дисплея, клавіатури, принтера тощо) та (за необхідності) модулів, що підтримують його роботу;

5) вибір модулів введення / виведення сигналів;

6) вибір клемних плат, що забезпечують підключення модулів введення / виведення до об’єкта автоматизації;

7) вибір комунікаційних модулів для підключення віддалених контролерів або інших УОК (за необхідності);

8) вибір пасивної об’єднуючої плати (кросової плати);

9) вибір конструктивних елементів (корпусів, шасі, каркасів тощо)

10) компонування віддалених контролерів (для розподілених УОК).

Компонування УОК здійснюється з використанням промислових каталогів фірм-виробників обчислювальної техніки та засобів автоматизації, які містять інформацію щодо номенклатури та технічних характеристик продукції. Для виконання індивідуального завдання студенти можуть отримати у викладача електронну версію відповідного каталогу або користуватись власними каталогами чи інформацією, яка є доступною в мережі Internet.

Під час виконання цього підрозділу необхідно керуватись основними вимогами, що висуваються до УОК, а саме:

• достатня продуктивність – УОК повинен виконувати необхідні обчислення досить швидко, щоб за час, витрачений на визначення керуючого впливу, ситуація на об'єкті не встигла істотно змінитися. У протилежному випадку управління буде неефективним, або навіть шкідливим;

• захищеність від впливу шкідливих факторів навколишнього середовища – кліматичні умови на промисловому об'єкті можуть виявитися досить важкими. Техніка автоматизації повинна функціонувати при температурах навколишнього повітря від – 5°С до +70°С, вологості до 90% з конденсацією вологи, сильному пилоутворенні, вібраціях і прямих механічних ударах, в умовах дії потужних джерел електричних та магнітних полів, радіоперешкодах тощо;

• висока надійність;

• ремонтопридатність і зручність обслуговування;

• задовільна вартість;

• уніфікація, що дає можливість застосовувати техніку різних виробників, не піклуючись про її електричну, програмну, метрологічну й конструктивну сумісність;

• відповідність ергономічним нормам.

При виконанні даного підрозділу випускної роботи слід звертати увагу на наступні особливості компонування УОК.

1. Розподілену структуру УОК доцільно використовувати за умов значної віддаленості датчиків, виконавчих механізмів та операторських пультів від місця розташування центрального комп’ютера. Для зв’язку віддалених контролерів з центральним комп’ютером необхідно використовувати промислові зовнішні інтерфейси, які дозволяють передавати дані на відповідні відстані.

2. У процесі вибору плати ЦПП слід звернути увагу на:

- типи шин внутрішнього інтерфейсу, що підтримуються платою, оскільки від цього залежить можливість використання тих чи інших модулів розширення;

- наявність у складі плати ЦПП відеоконтролера, оскільки від цього залежить необхідність використання окремого модуля для видачі даних на монітор;

- наявність на платі ЦПП послідовних портів промислових зовнішніх інтерфейсів RS-485, RS-422, Ethernet тощо, оскільки від цього залежить необхідність використання додаткових комунікаційних плат;

- наявність на платі ЦПП гнізд для мікросхем flash-пам’яті, оскільки від цього залежить необхідність використання окремих модулів твердотілих дисків.

3. При виборі модулів введення / виведення сигналів слід керуватись укладеними переліками сигналів (див. п.3.1.2.4). При цьому необхідно виходити з достатньої кількості каналів введення та виведення даних, можливості перетворення вхідних сигналів відповідного типу (аналогових, дискретних, частотних) та діапазону змінення, наявності на модулях гальванічної розв’язки (усі зовнішні сигнали не повинні мати спільних потенціалів з джерелами живлення УОК).

4. Обираючи клемні плати, необхідно забезпечити достатню кількість клемних з'єднувачів, забезпечити гальванічну розв’язку сигналів, якщо вона відсутня на модулях введення / виведення.

5. Комунікаційні модулі потрібно вибирати, якщо існує необхідність організації зв’язку УОК з іншими системами автоматизації або віддаленими контролерами збирання та передачі даних.

6. Пасивну об’єднуючу плату обирають, виходячи з кількості модулів розширення, що увійшли до складу УОК, та типу внутрішнього інтерфейсу, за допомогою якого ці модулі мають об’єднуватись у комплексі.

7. Конструктивні елементи обирають, орієнтуючись на тип раніше обраної пасивної об’єднуючої плати, тобто з огляду на можливість розміщення усередині конструктивного елемента усіх модулів УОК.

8. Послідовність компонування віддалених контролерів визначається особливостями їхнього конструктивного виконання, але, в цілому, є подібною до послідовності компонування центрального комп’ютера.

За результатами компонування створюється структурна схема УОК згідно з вимогами стандарту. Приклад цієї схеми наведено на рисунку 3.1.

Структурна схема має відобразити:

- склад УОК (усі плати, модулі, пристрої та інші елементи);

- зв'язок між елементами УОК (наявність фізичних ліній передачі сигналів та даних);

- взаємне розташування елементів УОК (угрупування певних елементів в межах спільних конструктивних елементів, панелей, приміщень тощо).

Елементи схеми зображуються, зазвичай, прямокутниками 20×30 мм, шини внутрішнього інтерфейсу – вузькими прямокутниками довільної довжини висотою 10 мм.

Р ис. 3.1. Структурна схема УОК

Зв'язок між елементами УОК на структурних зображають товстими смугами або смугастими чи об’ємними стрілками. Зазвичай об’ємні стрілки вказують на паралельний, а смугасті – на послідовний спосіб передачі інформації. Направленість об’ємних стрілок співпадає з напрямом передачі сигналів по шині даних внутрішнього інтерфейсу.

Для відображення взаємного розташування елементів УОК на структурних схемах використовують штрих-пунктирні контури, що охоплюють елементи, які розміщені у спільних конструктивних елементах (каркасах, корпусах, щитах) або приміщеннях (машинних залах, операторських постах тощо).

Структурна схема має обов’язково містити таблицю переліку елементів, форма якої наведена на рисунку 3.2.

Поз. позначення	Н а й м е н у в а н н я	Кіль-кість	Примітка
А6	Одноплатний промисловий комп’ютер половинного розміру PCA – 6751	1	Містить відеоконтролер
А7… А9	Плата цифрового введення / виведення 64-ка-нальна PCI – 1754	3	З гальванічною ізоляцією
А10…А12	Клемна плата ADAM – 3968	3

Рис. 3.2. Фрагмент переліку елементів структурної схеми