МИНИСТЕРСВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
Казахский национальный технический университет имени
Институт информационных и телекоммуникационных технологии
Кафедра «Автоматизация и управление»
ПРОГРАММА КУРСА (SYLLABUS)
(Бакалавриат)
по дисциплине «Автоматизация типовых технологических процессов и производств» для специальности 05В0702 «Автоматизация и управление»
Форма обучения дневная.
Всего 4 кредита
Курс 3
Семестр 6
Лекции 15 часов
Лабораторные занятия 15 часов
Практические занятия 15 часов
Рубежный контроль (количество) 2
СРС 45 часов
СРСП 45 часов
Всего аудиторных 60 часов
Всего внеаудиторных 75 часов
Трудоемкость 135 часов
Курсовой проект -
Экзамен 6 семестр (устно)
Алматы 2012
Программа курса составлена доцентом кафедры АТПиП на основании рабочего учебного плана по дисциплине «Автоматизация типовых технологических процессов и производств» и Государственного общеобразовательного стандарта образования Республики Казахстан 3.08.328-2006 (бакалавриат) по специальности 050702 «Автоматизация и управление»
Рассмотрена на заседании кафедры «Автоматизация и управление».
«____»________2012 г. Протокол № «____»_________2012 г.
Заведующий кафедрой д. т.н., профессор
Одобрено методическим Советом института Автоматики и управления
«____»________2012 г. Протокол № «____»________2012 г.
Председатель к. т.н. доцент
Сведения о преподавателе:
Кошимбаев Шамиль Кошимбаевич,
доцент к. т.н., кафедры АТПиП,
почетный работник образования РК
Общий стаж – 36 лет
Стаж в КазНТУ – 30 лет
Данная дисциплина для бакалавриата
Специальности 050702 читается впервые
Офис: Кафедра «Автоматизация и управление»
Адрес: 480013, Алматы, ул., Сатпаева 22, ВК КазНТУ, каб. 419.
Телефон: 292-74-30
Факс:
E-mail:
1 ЦЕЛИ ИЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1 Цель преподавания дисциплины
Целью преподавания дисциплины «Автоматизация типовых технологических процессов и производств» является подготовка бакалавра к самостоятельному решению теоретических и прикладных задач автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности.
В дисциплине изучаются принципы и методы построения систем автоматического регулирования и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) на основе современных технических средств автоматизации, программных средств систем управления.
1.2. Задачи изучения дисциплины
Бакалавр должен знать:
· Основные понятия, принципы построения и технологии проектирования типовых технологических процессов;
· Методы применения теоретических положений для проектирования, разработки математических моделей, настройки, наладки и эксплуатации систем автоматизации технологических процессов;
· Перспективы совершенствования систем автоматизации технологических процессов на базе научно-технического процесса.
1.3. Пререквизиты дисциплины
Изложение материала опирается на дисциплины:
«Технология программирования», «Теория линейных и нелинейных САР», «Прикладная теория информации», «Микропроцессорные комплексы в системах управления», «Моделирование и идентификация в объектов управления», «Автоматизация технических систем».
1.4. Постреквизиты дисциплины
Данная дисциплина является базовой к дальнейшему обучению в магистратуре по дисциплине «Интегрированные технологии автоматизации и управления», а также при проведении научно-исследовательских работ и при подготовке дипломного проекта (работы) бакалавра.
2. СИСТЕМА ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ бакалавров
Рейтинг каждой дисциплины, которая включена в рабочий учебный план специальности, оценивается по 100-бальной шкале (Таблица 1).
Таблица 1.
Распределение рейтинговых баллов по видам контроля
№ вариантов | Вид итогового контроля | Виды контроля | Баллы |
1 | Экзамен, Курсовой проект | Итоговый контроль | 40 |
Рубежный контроль | 20 | ||
Курсовой проект | 20 | ||
Текущий контроль | 20 |
Видами текущего контроля являются контрольные работы, выполнение лабораторных работ, курсовых работ.
Сроки сдачи результатов текущего контроля определяется календарным графиком учебного процесса по дисциплине (таблица 2).
Таблица 2.
Календарный график сдачи всех видов контроля
по дисциплине «Автоматизация технологических процессов»
Недели | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | Все го |
Виды контро ля | Л1 | Л1 | Л2 | Л2 | СР | Л3 | РК | Л4 | Л4 | Л5 | Л5 | Л5 | КП | Л6 | Л6 | |
Балл | 1 | 1 | 1 | 1 | 4 | 1 | 20 | 20 | 2 | 2 | 2 | 1 | 20 | 1 | 2 | 60 |
Виды контроля: Л - лабораторная работа, СР - самостоятельная работа, РК- рубежный контроль, Р - рефераты, П - практические занятия, КП - курсовой проект и др. |
Бакалавр допускается к сдаче итогового контроля при наличии суммарного рейтингового балла ³ 30. Итоговый контроль считается сданным в случае набора ³20 баллов. Итоговая оценка по дисциплине определяется по шкале (таблица 3), (³ 50 б).
.
Оценка | Буквенный эквивалент | В процентах (%) | В баллах |
Отлично | А | 95-100 | 4 |
Хорошо | А- | 90-94 | 3,67 |
В+ | 85-89 | 3,33 | |
В- | 80-84 | 3,0 | |
В- | 75-79 | 2,67 | |
Удовлетворительно | С+ | 70-74 | 2,33 |
С | 65-69 | 2,0 | |
С- | 60-64 | 1,67 | |
D+ | 55-59 | 1,33 | |
D | 50-54 | 1,0 | |
Неудовлетворительно | F | 0-49 | 0 |
Оценка знаний студентов Таблица 3
3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Таблица 4.
3.1. Распределение часов по видам занятий
№ п/п | Наименование темы | Количество академических часов | ||||
Лек ции | Практика | Лабораторные | СР СП | СРС | ||
Модуль 1.Современный уровень автоматизации ТП. Переработка технологической информации | ||||||
1 | Понятие о системах управления, их разновидности. Управляемость технологического процесса. Получение информации о технологическом объекте управления. | 2 | 2 | 2 | 6 | 6 |
Модуль 2. Технические средства автоматизации типовых технологических процессов и комплексов. Автоматизация непрерывных и дискретных технологических процессов | ||||||
2 | Сведения о структуре технических средств автоматизации и управления технологически ми процессами и комплексами. Общая характеристика и классификация основных узлов УВМ. Устройства связи с объектом (ЦАП, АЦП) | 2 | 1 | 2 | 6 | 6 |
Модуль 3. Системный подход к управлению сложными системами. Моделирование объектов и систем | ||||||
3 | Общее понятие сложной системы. Квалификация сложных систем. Методика анализа технологического процесса как объекта управления. Типовые схемы автоматического регулирования технологических переменных. Схема автоматизации типовых технологических процессов. Основные понятия моделирования. Основные виды моделей и их свойства. Технология моделирования. Математическое описание физико-химических и тепловых процессов в промышленных технологиях. Основные представления о системе визуального моделирования (VisSim) | 2 | 2 | 2 | 6 | 6 |
Модель 4. Задачи и алгоритмы оптимального управления технологическими процессами. АСУТП | ||||||
4 | Примеры алгоритмов. Задачи и алгоритмы оптимального автоматизированного управления. Задачи оптимального управления дискретными технологическими процессами. Управление процессом в реальном времени. Мультиплексирование и аналого-цифровое преобразование измерительной информации. Структура АСУ ТП. Назначение, цели и функции АСУ ТП. Примеры АСУ ТП в различных отраслях промышленности. Типовые решения по SCADA – системам в различных отраслях промышленности. | 2 | 2 | 2 | 6 | 6 |
Всего (часов) | 15 | 15 | 15 | 45 | 45 |
3.2 Темы лекционных занятий
Таблица 4-а
№ п/п | Наименование темы и содержание |
1. | Современный уровень автоматизации технологических процессов Уровень автоматизации и перспективы ее развития. Общие сведения об автоматизированных системах управления. Понятия об АСУТП, ОАСУ, ИАСУ. Применение микропроцессоров, контролеров, компьютерной техники для управления ТП. |
2. | Переработка технологической информации. Общие положения по информационному обеспечению процесса управления. Принципы получения и преобразования технологической информацией. Математическая интерпретация понятия управляемости. Объем управления и ее количественная оценка. Виды и формы сигналов. Квантование сигналов по уровню и времени. Кодирование сигналов. |
3. 4. | Средства сбора информации. Структура технологических средств автоматизации. Состав технических средств локальной автоматики. Первичные и вторичные преобразователи. Нормирующие преобразователи. Средства отображения и хранения информации. Исполнительные механизмы. Связи УВМ с технологическим объектом. Информационно-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. |
5. 6. 7. | Анализ технологического процесса, как объект управления. Методика анализа. Выявление входных, выходных, управляющих и возмущающих воздействий. Запаздывание, не стационарность, нелинейность процесса на примере руднотермической электроплавки медных концентратов. Схемы автоматизации типовых технологических процессов. Применение компьютера в управлении процессом. Типовые схемы автоматического регулирования технологических переменных (расхода, температуры и др.). функциональные схемы автоматизации. Периодические и дискретные объекты управления. Управление процессом в реальном времени на примере процесса для пластика. Управление последовательностью событии, бинарное управление мультиплексирование и аналого-цифровое преобразование информации. |
8. 9. | Управление сложными системами. Понятие сложной системы. Система, подсистема, элемент. Системы и их связи. Задачи исследования сложных систем. Описание сложных систем. Состояние системы. Понятие переменных состояния. Уравнение состояния. Принципы суперпозиции линейных систем, свойство аддитивности. |
10 11. | Математическое моделирование объекта управления. Задача математического описания объекта управления. Основные требования, определяющие выбор математического описания. Методика выбора структуры математической модели. Основные виды математических моделей. Математическое описание физико-химических и тепловых процессов. Математическое описание кинетики гомогенных и гетерогенных химических реакций. Математическое описание тепловых процессов в металлургических агрегатах. Типовые математические модели. Пример математической модели типового технологического процесса. Система визуального моделирования (VisSim) |
12. 13. | Методы оптимального управления. Формулирование содержательной и математической постановки задачи оптимального управления типового технологического процесса. Идентификация по данным текущей информации. Применение методов линейного и нелинейного программирования при управлении непрерывными и дискретными процессами. Основные понятия нахождения экстремума функции. Классификация методов оптимального управления. Алгоритмы оптимального автоматизированного управления технологическими процессами. |
14. 15. | Структура современных АСУТП, ее функции и основные разновидности. Назначение АСУТП, цели функционирования. Информационные и управляющие функции АСУТП. Разновидности АСУТП. Состав АСУТП. Схема взаимодействия основных частей АСУТП. Примеры АСУТП в отраслях промышленности. Использование SCADA – системы при создании АСУТП. |
3.3. Тема лабораторных работ.
Таблица 4-б
№ п/п | Наименование лабораторных работ | К-во часов |
1. 2. 3. 4. 5. 6. | Разработка алгоритмов управления Изучение программного обеспечения MS Visio и ее использование при построении блок-схем алгоритмов управления. Применение Scada-систем Изучение программного обеспечения WINCC. Проектирование АСУТП с использованием Scada-системы. Разработка системы управления асинхронным двигателем. Изучение основных законов управления. Алгоритм управления. Имитационное моделирование работы двигателя. Влияние нагрузки объекта на процесс двухпозиционного регулирования. Законы регулирования. Построение имитационной модели объекта с помощью ППП Mathlab, VisSim. Моделирование позиционных алгоритмов НЦУ с использованием Mathlab, VisSim. Изучение объекта управления. Построение имитационной модели, проведение использования и реализация алгоритмов НЦУ. Привязка печи КС к контролерам Simatic. Изучение лабораторного стенда. Подключение аналоговых сигналов и их подключение. Подключение и наладка дискретных сигналов. | 2 4 2 2 3 2 |
3.4. Тема практических занятий
№ п/п | Наименование тем и содержание. | К-во часов |
1. 2. 3. 4. 5. 6. | Анализ конкретного технологического процесса, как объекта управления. Обоснование и выбор системы автоматизации.Примеры постррое6ния математических моделей кинетики химических превращений в технологических процессах (металлургия, химия и др.) Примеры построения статистических математических моделей методом множественного регрессионного анализа. Постановка задач оптимального управления. Примеры нахождения экстремума целевой функции. Примеры задач линейного программирования и ее геометрическая интерпретация. Алгоритм Симплекс метода. Примеры решения задач нелинейного программирования. Алгоритмы градиентных методов, случайного поиска, динамического программирования. | 2 3 3 2 2 3 |
3.5. Самостоятельная работа
Перечень тем для самостоятельных работ под руководством преподавателя (СРСП):
1. Принципы проектирования систем автоматизации технологических процессов.
2. Принципы и методы разработки, настройки и наладки систем автоматического регулирования.
3. Методы расчета надежности устройств и систем автоматизации.
4. Разработка принципов построения АСУТП (для конкретного технологического процесса).
5. Обоснование и выбор технических средств автоматизации технологических процессов и комплексов (в конкретной отрасли промышленности).
6. Разработка системы логического управления технологическим объектом на базе промышленного контролера.
7. Разработка цифровой системы автоматического регулирования технологического объекта на базе промышленных компьютеров и устройств ввода/вывода информации.
8. Разработка супервизорной системы контроля и управления технологического процесса на базе Scada-систем.
9. Иерархические системы управления сложными технологическими процессами.
10. Декомпозиция и агрегирование.
11. Проблемы и методы решения многокритериальных задач.
12. Рекуррентные алгоритмы идентификации математических моделей объектов управления.
13. Системы оптимального управления с эталонной моделью.
14. Структурно-топологический анализ сложных систем.
15. Постановка задачи векторной оптимизации при управлении сложным производственным комплексом.
Перечень тем для самостоятельных работ (СРС):
1. Мировоззренческие вопросы автоматизации технологических процессов.
2. Интеллектуальные устройства сбора информации.
3. Разработка микропроцессорной системы защиты и блокировки технологического объекта.
4. Разработка микропроцессорной системы аварийной сигнализации режимов работы технологического объекта.
5. Параметрическая оптимизация САР фиксированной структуры (для конкретного технологического процесса).
6. Программно-аппаратные комплексы разработки САУ технологичес4ким процессом на базе международного стандарта МЭК –1131.3.
7. Общая характеристика и классификация основных узлов УВМ.
8. Организация связи УВМ с технологическим объектом управления.
9. Применение автономных, инвариантных и комбинированных АСР; адаптивных АСР для автоматизации сложных объектов.
10. Использование регуляторов с переменной структурой и адаптивных систем управления для автоматизации периодических процессов.
11. Задачи и алгоритмы оптимального автоматизированного управления периодическими процессами, режимами пуска и остановки объектов.
12. Программное обеспечение автоматизированных систем управления.
13. Общее и специальное программное обеспечение АСУТП.
14. Структура и состав специального программного обеспечения распределенных АСУ.
15. Понятие о человеко-машинном интерфейсе в АСУТП.
Характеристика курсового проекта
Курсовой проект предусматривает развитие у бакалавров умения и навыков НИР в области исследования и разработки систем автоматизации технологическими процессами с исследованием ЭВМ, Scada-систем и Маtlab.
Содержание курсовой работы должно включать следующие разделы:
1. Краткая технология автоматизируемого объекта.
2. Анализ технологического процесса как объекта управления.
3. Разработка математической модели объекта управления.
4. Содержательная и формализованная постановка задачи оптимального управления.
5. Обоснование выбора метода решения задачи оптимального управления.
Основные темы курсового проекта:
1. Автоматизация конкретного технологического процесса на базе локальных и распределенных систем управления.
2. Информационные автоматизированные системы технологических комплексов и производств.
3.6. График проведения занятий
Таблица 5
№ | Дата | Время | Наименование тем |
Лекции | |||
1. | Современный уровень автоматизации ТП. Общие сведения об АСУ. Применение ВТ при управлении ТП. | ||
2. | Переработка технологической информации. | ||
3. | Средства сбора информации. | ||
4. | Средства отображения и хранения информации. | ||
5. | Анализ технологического процесса, как объекта управления. | ||
6. | Схемы автоматизации типовых технологических процессов. | ||
7. | Периодические и дискретные объекты управления. | ||
8 | Управление сложными системами. | ||
9. | Описание сложных систем. Состояние системы. | ||
10. | Математическое моделирование объекта управления. | ||
11. | Математическое описание физико-химических и тепловых процессов. | ||
12. | Методы оптимального управления. | ||
13. | Применение методов линейного и нелинейного программирования. | ||
14. | Структура современных АСУТП, ее функции и основные разновидности. | ||
15. | Состав АСУТП | ||
Лабораторные работы | |||
1. | Разработка алгоритмов управления. | ||
2. | Применение Scada-систем. | ||
3. | Разработка системы управления асинхронным двигателем. | ||
4. | Влияние нагрузки объекта на процесс двухпозиционного регулирования. | ||
5. | Моделирование позиционных алгоритмов НЦУ с использованием Mathlab, VisSim. | ||
6. | Привязка печи КС к контроллерам SIMATIC. | ||
Темы практических занятий | |||
1. | Анализ технологического процесса, как объекта управления. | ||
2. | Математические модели кинетики химических превращений. | ||
3. | Построение статистических математических моделей. | ||
4. | Постановка задачи оптимального управления. | ||
5. | Задачи линейного программирования. | ||
6. | Нелинейное программирование. |
4. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
4.1 Основная литература.
1. Автоматическое управление в химической промышленности: Учебник для ВУЗов./Под ред. . - М.: Химия, 1987. 168 с., ил.
2. Стефани построения АСУ ТП: - М.: Энергия,1982. -352 с, ил.
3. Цирлин управление технологическими процессами. – М.: Энергоиздат, 1986. -400 с.
4. , Василькова технологии вычислений в математическом моделировании: Учебное пособие. – М.: Финансы и статистика, 2002.-265 с, ил.
5. , , Шипарев типовых технологических процессов и установок: Учебник для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1988. ил.
6. Ярмухамедова -химические основы и математические модели типовых технологических процессов: Учебник для ВУЗов. – Алматы: КазНТУ, 1999. -163 с.
7. Г. Олсон, Д. Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления. – СПб.: Невский диалект, 2001. -557 с.
8. Глинков В. А. АСУ ТП в черной металлургии: Учебник для ВУЗов. – М.: Металлургия, 1999. –310 с.
4.2 Дополнительная литература
1. , , Давиденко АСУ технологическими процессами. – М.: Энергоиздат, 1985. -240 с, ил.
2. Методы управления технологическими процессами. - М.: 1988. -368 с, ил.
3. Фомин методы и модели в коммерческой деятельности: Учебник. – М.: Финансы и статистика, 2001. -544 с., ил.
4. , Колесников больших систем управления: Учебное пособие для ВУЗов. – Л.: Энергоиздат, Ленинградское отд., 1982. -228 с.
5. , Корнева программно-аппаратные средства на отечественном рынке АСУ ТП. – М.: Научтехиздат, 2001. - 400 с.
6. , , Шехтман Scada-систем для автоматизации технологических процессов: Учебное пособие. М.-Томбов: Машиностроение, -2000. -176 с.
СОДЕРЖАНИЕ
Цели и задачи дисциплины ………………………………………….…………….….....31.1 Цель преподавания дисциплины……………………………………………………..…....3
1.2 Задачи изучения дисциплины…………………………………..…….…..………………..3
1.3 Пререквизиты дисциплины……………………………...……………...……………….…3
1.4 Постреквизиты дисциплины…………………………………………………………....….3
2. Система оценки знаний бакалавров………………………………………………..…….3
3. Содержание дисциплины…………………………………………...…....………………...4
3.1. Распределение часов по видам занятий………………..…………….………………..….4
3.2. Темы лекционных занятий………………………………………………………………...5
3.3. Темы лабораторных работ……………………………………………….………………...6
3.4. Темы практических занятий……………………………………………………………….7
3.5. Самостоятельная работа………………………………………………..………………….7
3.6. График проведения занятий……………………………………………..…………..….....9
4. Учебно-методические материалы………………………………………………………...9
