Основные задачи и этапы проектирования

Тема 3. Основные задачи и этапы проектирования Основные задачи и этапы проектирования автоматизированных систем и объектов автоматизированного оборудования. Проектирование – процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта (системы) на основе первичного описания этого объекта и алгоритма его функционирования. Проектирование включает комплекс работ по изысканию, исследованию, расчетам и конструированию, имеющих целью получение описания предмета проектирования, необходимого и достаточного для создания нового изделия (системы) или реализации нового процесса, удовлетворяющего заданным требованиям. Проектирование – сложный специфический вид созидательной деятельности человека, основанный на глубоких научных знаниях и творческом поиске, использовании накопленного опыта и навыков в определенной сфере. Для этого вида деятельности, кроме творческой составляющей, характерна необходимость выполнения достаточно большого объема трудоемких рутинных работ. На этапах конструкторского и технологического проектирования обеспечивается подготовка основного объема проектной документации, необходимой для изготовления объекта проектирования. Состав технической документацииопределяется системой ГОСТов. Эти ГОСТы можно условно разделить на три группы: 1) стандарты на правила разработки и классификации конструкторских документов; 2) стандарты на правила выполнения и оформления конструкторских документов; 3) стандарты на правила обращения и использования конструкторских документов. Техническую документацию, выпускаемую в процессе проектирования, подразделяют на следующие категории: - схемную; - конструкторскую; - монтажную; - текстовую; - технологическую; - эксплуатационную. Если схемная, конструкторская, монтажная и текстовая документации являются отражением идей и принципов, заложенных в систему при ее проектировании, и отвечают на вопрос, что должно быть изготовлено, то технологическая документация дает представление о методах и средствах изготовления системы. Эксплуатационная документация, как правило, включает в себя основные документы схемной, конструкторской и текстовой документации и должна обеспечивать грамотную эксплуатацию системы. Стадии проектирования и состав проектов (эскизный, технический, рабочий проекты). Процесс проектирования реализуется в соответствии с определенным планом, которая отображает очередность выполнения основных проектных процедур и операций.Типовой процесс проектирования (рис.3.1) состоит из следующих этапов. Рис.3.1.Типовой процесс проектирования нового технического объекта (системы). Весь процесс проектирования систем управления можно разделить на 10 этапов: 1) Формулирование цели, оценка реализуемости, согласование технического задания. Анализ исходных данных: - номенклатура и годовой объем выпуска продукции; - состав и специализация производственных участков и цехов; - маршрутная технология и необходимое оборудование; - условия эксплуатации систем и их влияние на процесс проектирования. Разработка технического задания на проект; Разработка проекта автоматизации производится на основе технического задания на проектирование, которое составляет заказчик или организация, выполняющая технологическую часть проекта. Иногда к составлению задания привлекают организацию, выполняющую проект автоматизации. Задание на проектирование - это документ, которым обусловливаются все технические вопросы, связанные с проектированием. В задании на проектирование должны быть решены основные принципиальные вопросы и выявлены все требования и пожелания проектированию систем автоматизации. В нем указываются: наименования предприятия и задача проекта; основание для проектирования; состав проектируемого объекта, краткое описание и основные характеристики технологического процесса и оборудования; организация оперативного управления объектом с перечислением пунктов управления (центральный, диспетчерский, цеховой и т.д.), указанием их расположения и взаимосвязи; перечень намечаемых мероприятий по реконструкции и механизации производственных процессов припроектирования автоматизации действующих объектов; перечень контролируемых и регулируемых величин с указанием характеристики среды, требуемой точности контроля и функциональных признаков приборов (показывающий, самопишущий и т.д.), а для регуляторов - допустимый предел отклонения регулируемых величин; перечень дистанционно-управляемого силового оборудования с указанием пунктов управлениям, характера воздействия и места расположения оборудования. Вместе с заданием на проектирование представляются следующие исходные материалы: технологические схемы с трубопроводными коммуникациями и указанием их диаметров; чертежи производственных помещений с расположением технологического оборудования, трубопроводных коммуникаций и рекомендуемых мест установки щитов и пультов управления (планы и разрезы); чертежи помещений для размещения щитов и пультов; схемы электроснабжения для питания систем автоматизации; схемы силового питания автоматизируемых электроприводов; принципиальные электрические схемы приводов, схемы воздухо- и водоснабжения с указанием давления, температуры, наличия воздухоосушительних устройств; ведомости приборов и средств автоматики, поставляемых комплектно с оборудованием. Задание на проектирование утверждается инстанцией, которая в дальнейшем будет утверждать и технический проект. При создании АСУТП стадию "Техническое задание" рекомендуется выполнять поэтапно: Первый этап - предварительное обследование автоматизированного объекта - состоит в определения видов и объемов НИР, необходимых для детального обоснования целесообразности и возможности создания системы. Второй этап - предпроектные научно-исследовательские работы - состоит в определении и анализе наиболее сложных задач управления для предварительного выбора способов их решения. Третий этап - эскизная разработка АСУТП - состоит в разработке основных материалов, подтверждающих целесообразность и возможность создания АСУТП. На этом этапе рекомендуется производить экспериментальную проверку алгоритмов управления при помощи макетов узлов создаваемой АСУТП, Эскизная разработка завершается при необходимости корректировкой ТЭО, связанной с уточнением перечня и характеристик реализуемых системой функций. Четвертый этап - разработка технического задания на создание АСУТП - состоит в составлении на базе результатов предпроектных работ технического задания на создание системы. После утверждения техническое задание является обязательным исходным документом для всех последующих работ по созданию системы. 2) Выбор пути решения. 3) Определение структуры системы, выбор технических средств. 4) Инженерный анализ и оптимизация. Этапы с 1 по 4 иногда называют предварительным проектированием, которое проводится с целью определения принципов построения системы, изыскания новых принципов, структур и технических средств, удовлетворяющих заданному техническому заданию. Предварительное проектирование, как правило, относят к стадии научно-исследовательской работы (НИР). 5) Разработка технической документации. 6) Разработка методов изготовления и технологической документации. 7) Изготовление экспериментальных образцов. Этапы с 5 по 7 называют также эскизным проектированием, его относят к стадии опытно-конструкторской разработки (ОКР). Результатом эскизного проекта является детальная проработка возможности построения системы, удовлетворяющей поставленным требованиям. Эскизный проект – это совокупность конструкторских документов, содержащих принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы системы. На этапе эскизного проекта проводится имитационное проектирование системы с целью уточнения компоновки ее составных частей и выбора оптимального варианта системы по показателям производительности, надежности и окупаемости проекта. 8) Испытания, отработка технической документации. Этап 8 называют техническим (рабочим) проектированием, при этом производится детальная отработка схемных, конструкторских и технологических решений. Технический проект разрабатывают с целью выявления окончательных технических решений, дающих полное представление о конструкции системы и содержащих исходные данные для разработки рабочей документации. На этапе рабочего проекта создается полный комплект технической документации, по которому создается опытный образец производственной системы (объекта), проводятся пусконаладочные работы, опытная эксплуатация и внедрение системы. Состав работ в процессе опытной эксплуатации и внедрения системы включает: подбор и обучение обслуживающего персонала; отработку управляющих программ и технических средств; коррекцию эксплуатационной документации и технико-экономических показателей; сдачу системы в промышленную эксплуатацию. 9) Серийное производство. В процессе серийного производства осуществляются окончательная доводка принятых технических решений, разработка технической документации на серийное производствои отработка технологии изготовления с учетом особенностей серийного производства. 10) Эксплуатация. В процессе эксплуатации проектировщик системы получает информацию, позволяющую внести необходимые изменения с целью доведения параметров системы до заданных значений. Стадии проектирования и состав проектной документации Проектирование систем автоматизации технологических процессов выполняют в две стадии: проект и рабочая документация или в одну стадию: рабочий проект. В составе проекта разрабатывается следующая документация: 1) структурная схема управления и контроля (для сложных систем управления); 2) структурная схема комплекса технических средств (КТС); 3) структурные схемы комплексов средств автоматизации; 4) функциональные схемы автоматизации технологических процессов. Для объектов с несложным технологическим процессом и простыми системами автоматизации допускается вместо функциональных схем автоматизации составлять перечни параметров контроля, регулирования, управления и сигнализации; 5) планы расположения щитов, пультов, средств вычислительной техники и т.д.; 6) заявочные ведомости приборов и средств автоматизации, средств вычислительной техники, электроаппаратуры, трубопроводной арматуры, щитов и пультов, основных монтажных материалов и изделий, нестандартизированного оборудования; 7) технические требования на разработку нестандартизированного оборудования; 8) локальная смета на монтажные работы, приобретение и монтаж технических средств систем автоматизации; 9) пояснительная записка, содержащая краткое описание, принятых в процессе проектирования решений; 10) задания генпроектнровщику (смежным организациям или заказчику) на разработки, связанные с автоматизацией объекта: а) на обеспечение средств автоматизации электроэнергией, сжатым воздухом, гидравлической энергией, теплоносителями, хладагентами (требуемых параметров); на теплоизоляцию трубных проводок и устройств; б) на проектирование помещений систем автоматизации (для установки щитов, пультов, средств вычислительной техники, датчиков и т.д.), а также помещений для работы оперативного персонала, кабельных сооружений (туннелей, каналов, эстакад и т.д.), проемов и закладных устройств в строительных конструкциях; в) на обеспечение средствами производственной связи; г) на размещение и установку на технологическом оборудовании и трубопроводах закладных устройств, первичных приборов, регулирующих и запорных органов и т.п.; д) на устройства пожаротушения и пожарной сигнализации. Перечисленные задания к проекту не прикладываются, а передаются генпроектировщику (заказчику) в процессе проектирования для согласования и исполнения. Копии заданий хранятся в деле проекта. На стадии рабочей документации разрабатываются: 1) структурная схема управления и контроля; 2) структурная схема комплекса технических средств; 3) структурные схемы комплексов средств автоматизации; 4) функциональные схемы автоматизации технологических процессов. При двухстадийном проектировании структурные и функциональные схемы на стадии рабочей документации разрабатываются с учетом изменений технологической части или решений по автоматизации, принятых при утверждении проекта. В случае отсутствия таких изменений упомянутые чертежи включаются в состав рабочей документации без переработки; 5) принципиальные электрические, гидравлические и пневматические схемы контроля, автоматического регулирования, управления, сигнализации и питания; 6) общие вилы щитов и пультов; 7) монтажные схемы щитов и пультов или таблицы для монтажа электрических и трубных проводок в щитах и пультах; 8) схемы внешних электрических и трубных проводок. При необходимости рекомендуется разрабатывать таблицы соединений и таблицы подключения; 9) кроссовые ведомости (таблицы подключения). Допускается выполнять вместо кроссовых ведомостей монтажные схемы (схемы подключения) кроссовых шкафов для вычислительных (управляющих) комплексов, машин централизованного контроля и других технических средств; 10) планы расположения средств автоматизации, электрических и трубных проводок; 11) нетиповые чертежи установки средств автоматизации; 12) общие виды нестандартизированного оборудования [кроме сложного оборудования, по которому в составе проекта приведены задания генпроектировщику (технические требования) на его разработку] в объеме, необходимом для выполнения работ при реализации проекта; 13) пояснительная записка; 14) расчеты регулирующих дроссельных органов. В рабочей документации даются таблицы исходных данных и результаты расчетов в виде приложений к пояснительной записке. Тексты расчетов в состав проекта не включаются, а хранятся у исполнителя проекта и выдаются заказчику по его требованию. В рабочей документации целесообразно также давать расчеты по выбору регуляторов и определения примерных значений их параметров настройки при различных технологических режимах работы оборудования. В составе расчетных материалов необходимо приводить данные из задания на проектирование по результатам научно-исследовательских работ, знание которых полезно при производстве наладочных работ смонтированного объекта; 15) заказные спецификации приборов и средств автоматизации, средств вычислительной техники, электроаппаратуры, щитов и пультов, трубопроводной арматуры, кабелей и проводов, основных монтажных материалов и изделий (трубы, металлы, монтажные изделия), нестандартизированного оборудования; 16) перечень типовых чертежей на установку средств автоматизации (типовые чертежи к проекту не прикладываются); 17) уточненные задания генпроектировщику (смежным организациям или заказчику) на разработки, связанные с автоматизацией объекта: при отсутствии изменений и уточнений подтверждаются задания, выданные на стадии проекта. В состав рабочего проекта при одностадийном проектировании входят: 1) техническая документация, разрабатываемая в составе рабочей документации при двухстадийном проектировании; 2) локальная смета на оборудование и монтаж; 3) задания генпроектировщику (смежным организациям или заказчику) на работы связанные с автоматизацией объекта. В тех случаях, когда часть приборов и средств автоматизации, проводок между ними, локальных систем автоматизации поставляется комплектно с технологическим оборудованием, проектные материалы на них находят свое отражение в чертежах рабочей документации и заказных спецификациях в указанном выше объеме с соответствующей оговоркой об их комплектной поставке. Документация заводов-поставщиков должна быть переработана в соответствии с требованиями по проектированию систем автоматизации, ее оформлению и комплектации. Допускается функциональные схемы автоматизации совмещать с технологическими (монтажно-технологическими) схемами, разрабатываемыми в основных комплектах технологического проекта объекта. При этом такая совмещенная схема должна быть приложена к основному комплекту проекта автоматизации. Принципиальные электрические, пневматические и гидравлические схемы контуров контроля и регулирования допускается не включать в состав основного комплекта рабочих чертежей, если взаимные связи приборов и аппаратуры, входящие в состав этих контуров, просты или однозначны и могут быть с достаточной полнотой отображены в других схемах. Например: цепи измерения электрические и пневматические на стандартных приборах без включения в них дополнительных неприборных устройств (резисторов, делителей, емкостей, катушек индуктивности и т.д.), термоэлектрический термометр - милливольтметр; термометр сопротивления - многоточечный мост; датчик - вторичный прибор; одноконтурные пневматические системы автоматического регулирования. Вид документа для отображения направления и подключения электрических и трубных проводок (схема или таблицы) принимают, исходя из следующих рекомендаций: а) для трубных проводок предпочтительным документом является схема, для электрических - самостоятельные таблицы соединений и подключения; б) для сложных электрических соединений (например, для АСУ ТП), кроме таблиц соединений, необходимо выполнять упрошенную схему соединений, в которой отображается структура электрических связей. Сведения, содержащиеся в таблице соединений (марки и длины кабелей, тип и номер вводного устройства и т.п.), на схеме соединений не приводят. Техническая документация комплектных технических средств автоматизации разрабатывается с учетом специфики примененных в рабочей документации конкретных комплектов. Состав этой документации определяется отраслевыми нормативными документами. Так, для щитов и пультов систем автоматизации в состав документации включают: а) общие виды составных и единичных щитов и пультов; б) таблицы соединений и подключения единичных щитов и пультов: в) спецификацию щитов и пультов. Для комплектов технических средств операторских и диспетчерских помещений, в которые кроме щитов и пультов включаются защитные конструкции (стойки, штативы.щиты зажимов и т.п.), а также электрические и трубные приводки (штатные кабели и трубы, несущие и опорные конструкции), в состав документации дополнительно включают: а) план расположения технических средств в операторском помещении; б) схемы (таблицы) соединений и подключения проводок операторского помещения; в) спецификацию комплекта. При применении в рабочей документации комплексов технических средств локальных информационно-управляющих систем, агрегатных пневматических комплексов, комплексов вычислительных средств в состав рабочей документации включают общие виды тех стоек и пультов, в которых набор конкретных составляющих элементов (блоков, модулей, мнемосхем) определяется характером управляемого технологического процесса или оборудования. Для аппаратурных стоек общий вид может содержать только схему расположения блоков или модулей в стойке. Чертежи конструкций и деталей, предназначенных для установки приборов и средств автоматизации, могут не разрабатываться, если эти детали приведены в типовых чертежах установки технических средств автоматизации. Уровень оптимальной автоматизации производственного процесса. Автоматизация производственных процессов может осуществляться как за счет создания новой техники, так и модернизации существующего оборудования путем оснащения его загрузочно-разгрузочными устройствами, межоперационными транспортно-накопительными системами, единой системой управления, контроля, диагностирования и блокировки. Так как и в том и в другом случае требуются дополнительные капитальные вложения, то требуется расчет условий, обеспечивающих эффективность автоматизации. Основным критерием эффективности новой техники должно служить сокращение затрат живого труда непосредственно в процессе производства или повышение производительности общественного труда ПТ: ПТ=К/З=КГt/[ЗПТ+(ЗМ+ЗЖТ)t] (3.1) где К, КГ - количество выпущенного продукции за определенный промежуток времени t(число лет) и за один год (в штуках, тоннах, м3); З, ЗПТ, ЗМ, ЗЖТ– суммарные затраты общественного труда в рублях, затраты прошлого труда (на здания, оборудования и др.), затраты на материалы, инструмент, электроэнергию, ремонт и т.д., затраты живого труда (зарплата, накладные расходы и др.) соответственно. Анализ зависимости ПТ показывает, что начиная с некоторого отрезка времени рост производительности труда практически прекращается (рис.3.2), следовательно, рост показателя может быть достигнут за счет перехода на качественно новые технологию и оборудование. Рис.3.2 Качественный график эффективности новой техники Рост ПТ при переходе на новую технику можно оценить по коэффициенту производительности труда: Кп=Тб/Тнт (3.2) где Тб, Тнт– трудоемкости в нормочасах изготовления продукции на базовом (существующем) и вновь предлагаемом оборудовании. Кроме этого необходимо оценивать окупаемость Qнт затрат, которая рассчитывается из годового экономического эффекта, полученного от внедрения новой техники.