Труды №5 2013 1x - Карагандинский государственный

Раздел 5
Автоматика. Энергетика.
Управление
УДК 378.662(574.3)
Модульные системы проектирования
автоматизированных технологических
комплексов
И.В. БРЕЙДО, д.т.н., профессор, зав. кафедрой,
Б.Н. ФЕШИН, д.т.н., профессор,
Карагандинский государственный технический университет, кафедра АПП
Ключевые слова: дистанционное, обучение, синергия, автоматизация, управление, план, метод,
проектирование, технологический, комплекс, конвейер, установка.
[1] подводятся итоги переходного периода и
В приводятся
перспективы
международной
программы «СИНЕРГИЯ». Уже в осеннем семестре
2012/2013 учебного года магистранты специальности
«Автоматизация и управление», обучающиеся в г.
Москве, г. Омске и г. Караганде, прослушали лекции
по специализациям: «Управление мобильными
роботами», «Управление промышленными роботами»,
«Автоматизация
технологических
комплексов»,
«Автоматизация
производственных
технических
систем». В соответствии с модульным принципом
обучения на кафедре АПП были разработаны учебные
планы по всем специализациям. На рисунке
представлен план по специализации «Автоматизация
технологических
комплексов».
Планом
предусматриваются в I, II и III семестрах
взаимосвязанные
дисциплины:
основы
проектирования
автоматизированных
технологических комплексов (регулируемых по
скорости конвейеров и конвейерных линий); системы
управления и контроля режимов работы АТК;
системы оперативного управления АТК. Дисциплины
1  2013
объёмом по 3 кредита включают 30 лекционных и 15
лабораторных
часов.
Лекции
читаются
в
дистанционном режиме в специально оборудованном
средствами телекоммуникаций, предоставленных
компанией FESTO, классе (аудитория 212а главного
корпуса КарГТУ). В осеннем и весеннем семестрах по
рассматриваемой
специализации
обучались
магистранты специальности «Автоматизация и
управление» в КарГТУ (г. Караганда) и МЭИ (г.
Москва). Лекционные курсы поддерживаются базой
данных, которая формируется на сайте головной
организации МЭИ-FESTO из лекционных и
методических материалов лекторов. Предполагается,
что там же на сайте МЭИ-FESTO должны
концентрироваться
контрольные
задания
для
студентов и их ответы, открытые для просмотра
лекторами
и
преподавателями,
ведущими
лабораторно-практические занятия. Надо отметить,
что если технология проведения лекций в
дистанционном
режиме
может
считаться
отработанной как в штатном режиме работы
телекоммуникационного оборудования, так и в
74
Раздел «Автоматика. Энергетика. Управление»
аварийных режимах упомянутого оборудования, когда
его функции могут выполняться без больших потерь в
режиме Internet–конференций (например, средствами
Skupe), то вопросы промежуточной и окончательной
аттестации остаются не до конца формализованными.
Здесь существует большое поле деятельности в
направлении
создания
различных
жестко
и
эвристически
организованных
систем
оценки,
доучивания и контроля знаний [2].
Идея создания модуля, позволяющего «научить»
процессу проектирования АТК, сформировалась на
основе обсуждений и дискуссий о путях развития
программы «Синергия», которые проходили между
членами-участниками программы в 2010-2012 гг.
Приведем соответствующие результаты КарГТУ и
БГТУ (г. Санкт-Петербург).
Предложение
кафедры
АПП
КарГТУ.
Программа практической подготовки КарГТУ для
магистратуры
«Проектирование
систем
автоматизации
регулируемых
по
скорости
конвейеров
и
конвейерных
линий
горного
производства».
Примечание. Этот и последующие материалы
БГТУ представлены в исходном, на момент
дискуссий, варианте.
До начала занятий по программе студенты
должны
знать:
основы
дифференциального
исчисления; численные методы решения систем
дифференциальных уравнений; основы матричного
исчисления; механику твердого тела; теорию
электропривода;
теорию
нелинейных
систем
автоматического управления; структуру ПЛК (Siemens
и др.); программирование в среде Mathlab; языки
программирования промышленных контроллеров в
стандарте МЭК.
Этап 1
Техническое
задание,
исходные
данные,
требования к проекту. Разработка логических схем
алгоритмов работы конвейерных линий. Определение
функциональной схемы автоматизации на основе
требований к локальным подсистемам конвейеров.
Определение множества (списка) и характеристик
входных
и
выходных
сигналов.
Разработка
функциональных
схем
локальных
подсистем
автоматизации конвейеров. Выбор элементной базы
подсистем автоматизации.
Этап 2
Выбор
расчетных
схем
нагружения
электроприводов
конвейеров.
Расчет
величин
потребных управляющих сил и моментов. Выбор
силового электрооборудования, электродвигателей и
преобразователей энергии.
Этап 3
Проектирование
автоматизированных
электроприводов (АЭП) конвейеров.
Разработка
математической
модели
электромеханической
системы
конвейера.
Определение структуры и параметров элементов
системы автоматического регулирования (САР).
Имитационное моделирование САР и АЭП конвейера.
Этап 4
Разработка программы САР для контроллера
1  2013
привода и ее параметрирование.
Отработка
проектных
решений
на
экспериментальном стенде с регулируемым по
скорости
электроприводом
в
переходных
и
установившихся режимах работы.
Этап 5
Проектирование
подсистем
логического
управления, аварийной сигнализации, защиты и
блокировки конвейерной линии на базе ПЛК в среде
ISAGRAF.
Разработка программ подсистем управления
конвейерной линией для контроллеров.
Этап 6
Проектирование системы оперативно-диспетчерского управления на базе SCADA-систем.
Этап 7
Разработка имитационной модели системы
автоматизации конвейерной линии на основе SCADAсистем.
Этап 8
Имитационное моделирование режимов работы
системы
автоматизации
конвейерных
линий
средствами Mathlab и SCADA-систем. Отработка
проектных решений по подсистемам автоматизации
конвейерной линии на SCADA – имитаторе
конвейерной линии.
Предложение БГТУ. Объект проектирования:
«Автоматизированный
объемный
гидромеханический
привод
энергетической
установки транспортного средства».
Базовые курсы, необходимые для реализации
проекта: инженерная графика; теория механизмов и
машин; механика роботов; электромеханические и
мехатронные системы; механика управляемых машин;
электромеханические исполнительные элементы и
приводы; электронные устройства мехатронных и
робототехнических систем; теория автоматического
управления; микропроцессорная техника; основы
программирования; информационные устройства и
системы; компьютерные системы управления;
компьютерное проектирование изделий и технологий.
Организация разработок и исследований требует
знаний в области: инновационный менеджмент;
управление персоналом; управление качеством;
защита
интеллектуальной
собственности
и
патентоведение;
прикладная
гидромеханика*;
гидропривод*; гидроавтоматика*.
Реализация проекта.
1-й этап – Инициализация проекта. Курсы,
сопровождающие 1-й этап проекта: применение
мехатронных модулей гидравлических систем*;
проектирование мехатронных систем (особенности
проектирования
гидравлических
систем)*;
компьютерное управление мехатронными системами
(особенности
управления
гидравлическими
системами)*.
Анализ исходных данных: поиск аналогов и анализ
источников; разработка технического решения;
составление
коммерческого
предложения;
составление технического задания.
2-й этап – Технический проект. Курс,
сопровождающий 2-й этап проекта:
75
Раздел «Автоматика. Энергетика. Управление»
Конструирование
мехатронных
модулей
гидравлических систем*. Составление компоновочной
схемы основных элементов (приводы, механические
узлы и т.д.). Проведение проектных расчетов
(силовые, кинематические и т.д.). Выбор и
применение математических моделей (в т.ч. уравнений движения приводов).
Разработка системы управления (в т.ч. выбор
закона управления, разработка регуляторов и т.д.).
Выбор основных комплектующих (приводы, средства
управления и т.д.). Разработка компьютерных 3D
моделей объекта проектирования.
3-й этап – Рабочий проект. Разработка и
документирование исходного текста программ
управления.
Разработка
схем
(электрические,
пневматические,
гидравлические).
Разработка
чертежей (сборочные, габаритные, чертежи деталей и
т.д.). Разработка сопутствующей документации
(пояснительная записка, ведомости и т.д.). Выбор
закона управления на основе математического
моделирования.
4-й этап – Сборка и монтаж. Работы по сборке и
монтажу объекта проектирования.
5-й этап – Пуск и наладка. Финальная отладка
управляющей программы
Запуск и тестирование объекта проектирования.
Результаты анализа предложений КарГТУ, БГТУ
и рекомендаций остальных членов программы
«СИНЕРГИЯ» были формализованы в программах
первой и второй дисциплин модуля, списки тем
лекционных занятий, которых приводятся ниже.
Дисциплина
«Основы
проектирования
автоматизированных технологических комплексов
(регулируемых
по
скорости
конвейеров
и
конвейерных линий»):
1. Этапы проектирования автоматизированных
технологических комплексов (АТК).
2. Формирование требований к АТК.
3. Расчет ленточных конвейеров.
4. Режимы работы конвейеров и электроприводов.
5. Определение мощности и месторасположения
приводных станций конвейеров.
6. Системы электропривода конвейеров.
7. Регулируемые по скорости электроприводы:
Каскадные электроприводы. Асинхронно-вентильные
каскады.
8. Частотно регулируемые АЭПТ + КЗ. АЭПТ со
скалярным управлением. АЭПТ с векторным
управлением.
9. Общие сведения о частотно-регулируемых
комплектных приводах.
10. Общие сведения о преобразователях частоты.
11.
Программные
средства
управления
электроприводами.
12.
Расчет
асинхронного
электропривода
конвейера с векторным управлением.
13.
Режимы
работы,
реализуемые
в
электроприводе с преобразователями частоты АCS
600 и АCS 1000.
14. Электроприводы Sinamics.
15. Тиристорные электроприводы постоянного
тока. Расчет тиристорного электропривода конвейера.
1  2013
16. Электроприводы постоянного тока «Siemens»
для конвейеров.
17. Синтез системы ограничения динамических
перегрузок в цепном рабочем органе при заклинивании.
Дисциплина «Системы управления и контроля
76
Раздел «Автоматика. Энергетика. Управление»
режимов работы АТК (СУи К АТК)»:
1. Исторические предпосылки автоматизации
технологических процессов. Основные понятия АСУ
ТП и П. Примеры автоматизации технологических
процессов.
2. Этапы проектирования систем управления и
контроля
автоматизированных
технологических
комплексов.
3. Понятия и определения автоматизации
технологических комплексов (функциональные схемы
автоматизации. Логические схемы алгоритмов).
4. Основы разработки подсистем СУиК АТК
(Требования
к
СУиК
АТК.
Эвристическое
проектирование систем управления запуском КУ).
5. Структуры и характеристики КУ как объектов
контроля и управления.
6. Промышленные средства автоматизации КУ.
7.
Теоретические
основы
проектирования
подсистем логического управления в АТК.
8. Проектирование подсистем логического
управления КУ АТК.
9.
Теоретические
основы
проектирования
подсистем автоматического контроля в АТК.
10. Проектирование подсистем автоматического
контроля режимов работы КУ в АТК.
11. Теоретические основы проектирования
подсистем автоматической сигнализации и защиты в
АТК.
12. Проектирование подсистем автоматической
сигнализации и защиты в АТК.
13. Математическое моделирование элементов и
систем автоматического управления СУиК АТК (КУ).
14. Надежность элементов и систем управления и
контроля АТК (КУ).
15. Расчет надежности элементов и систем
управления и контроля АТК (КУ).
16. Методы обеспечения энергосбережения в
СУиК АТК (КУ).
17. Технико-экономическое обоснование создания
СУиК АТК (КУ).
18. Расчет технико-экономической эффективности
создания СУиК АТК (КУ).
19. Предпосылки создания интегрированных АСУ
ТП КУ на базе SCADA-систем.
Последняя
дисциплина
модуля
«Системы
оперативного управления АТК» готовится к
реализации в III семестре. В ней будут представлены
материалы, учитывающие иерархический характер
автоматизированных
конвейерных
комплексов
мощных угольных разрезов (например, разрезов
«Восточный» и «Богатырь» в г. Экибастузе) и будут
предложены
варианты
имитационного
и
экспериментального
исследования
автоматизированных технологических комплексов.
* Специализированные курсы (читаемые в БГТУ), предлагаемые
для дистанционного обучения.
1  2013
77
Раздел «Автоматика. Энергетика. Управление»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Елисеев А.С., Брейдо И.В., Крамарь В.А., Смирнов М.Ю., Стажков С.М., Хомченко В.Г. Перспективы развития
международного образовательного проекта «Синергия» // Автоматика и Информатика. 2012. № 2, [28-29]. 6 с.
2. Паршина Г.И., Фешин Б.Н. Обеспечение эффективной эксплуатации электротехнических комплексов добычных
участков угольных шахт. Алматы: Гига Трейд, 2011. 128 с.
1  2013
78