Управление в технических системах

УТВЕРЖДАЮ

Проректор-директор ИК

_________

«___»_____________2011 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

НАПРАВЛЕНИЕ ООП: 220400 – Управление в технических системах

ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ (СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ): Теория систем управления

КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): магистр

БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2011 г.

КУРС 2; СЕМЕСТР 3;

КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 2

ПРЕРЕКВИЗИТЫ: М2.Б2 – «Автоматизированное проектирование средств и систем управления»; М2.Б3 – «Компьютерные системы управления в технических системах».

КОРЕКВИЗИТЫ: М2.В.1.3 – «Автоматизированное управление в технических системах»

ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:

Лекции 10 часов

Практические занятия 26 часов

Лабораторные занятия нет

Аудиторные занятия 36 часов

Самостоятельная (внеаудиторная) работа 36 часов

Итого 72 часа

Форма обучения очная

ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: зачет в 3-ем семестре.

Обеспечивающая кафедра: АиКС

ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ: д. т.н., профессор

РУКОВОДИТЕЛЬ ООП: к. т.н., доцент

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: к. т.н., доцент

2011 г.

1. Цели освоения дисциплины

В результате освоения данной дисциплины студент приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей Ц1 – Ц4 основной образовательной программы «УПРАВЛЕНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ».

Дисциплина нацелена на подготовку студентов :

·  к междисциплинарным научным исследованиям для решения задач, связанных с разработкой средств автоматизации и систем управления (Ц1);

·  к проектно-конструкторской и проектно-технологической деятельности по разработке и отладке технического, информационного и программного обеспечения систем автоматизации и (Ц2);

·  к проведению теоретического и практического обучения в предметной области данного направления, к разработке учебно-методических материалов и обучающих комплексов (Ц3);

·  к организационно-управленческой деятельности при выполнении междисциплинарных проектов в области систем автоматизации и управления. (Ц4);

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина относится к специальным дисциплинам профессионального цикла. Она непосредственно связана с дисциплинами: М2.Б2 – «Автоматизированное проектирование средств и систем управления»; М2.Б3 – «Компьютерные системы управления в технических системах». Кореквизитом является дисциплина М2.В.1.3 – «Автоматизированное управление в технических системах»

3. Результаты освоения дисциплины

Изучение дисциплины студентами направлено на достижение следующих результатов ООП:

Р1. Применять глубокие естественнонаучные и математические знания для решения научных и инженерных задач в области анализа, синтеза, проектирования, производства и эксплуатации средств автоматизации и систем управления техническими объектами.

Р2. Уметь обрабатывать, анализировать и обобщать научно-техническую информацию, передовой отечественный и зарубежный опыт в области теории, проектирования, производства и эксплуатации средств автоматизации и систем управления техническими объектами, принимать участие в командах по разработке и эксплуатации таких систем.

Р3.Применять полученные знания для решения инновационных инженерных задач при разработке, производстве и эксплуатации современных средств автоматизации и систем управления техническими объектами с использованием передовых научно-технических знаний и достижений мирового уровня, современных инструментальных и программных средств, обеспечивающих конкурентные преимущества этих систем в условиях жестких эксплуатационных, экономических, социальных и других ограничений.

Р5.Демонстрировать работодателям свои конкурентные компетенции, связанные с современными методологиями и видами инновационной инженерной деятельности в области средств автоматизации и систем управления техническими объектами, а также готовность следовать их корпоративной культуре.

Р6.Использовать международный опыт проектного, технологического менеджмента и управления бизнес-процессами для ведения инновационной инженерной деятельности в области средств автоматизации и систем управления техническими объектами, в том числе систем, построенных на базе микропроцессорной вычислительной техники.

Соответствие результатов освоения дисциплины формируемым компетенциям ООП представлено в таблице 1

Таблица 1

Результаты освоения дисциплины

Формируемые компетенции в соответствии с ООП

Результаты освоения дисциплины

ОК-2,4,5,6,7,9 ПК-1 ПК-3,4 ПК-7 – ПК-11 ПК-13,15 ПК-17,18,19 ПК-21 ПК-23,24

В результате изучения дисциплины студент должен: знать: - правила оформления конструкторской документации в соответствии с ЕСКД (Р2); - методы и средства автоматизации выполнения и оформления проектно-конструкторской документации (Р5); - методы проектно-конструкторской работы; подход к формированию множества решений проектной задачи на структурном и конструкторском уровнях; общие требования к автоматизированным системах проектирования (Р2); - основные принципы организации и архитектуру вычислительных машин, систем, сетей (Р2); - принципы организации функциональных и интерфейсных связей вычислительных систем с объектами автоматизации (Р5); - основные современные информационные технологии передачи и обработки данных; основы построения управляющих локальных и глобальных сетей (Р2); - методы анализа технологических процессов и оборудования для их реализации, как объектов автоматизации и управления (Р5); - управляемые выходные переменные, управляющие и регулирующие воздействия, статические и динамические свойства технологических объектов управления (Р5); - основные схемы автоматизации типовых технологических объектов НГО (Р3); - структуры и функции автоматизированных систем управления (Р3); - задачи и алгоритмы: централизованной обработки информации в автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУ ТП) отрасли, оптимального управления технологическими процессами с помощью ЭВМ (Р3); - принципы организации и состав программного обеспечения АСУ ТП, методику ее проектирования (Р2); - способы анализа технической эффективности автоматизированных систем (Р5); уметь: - читать чертежи и другую конструкторскую документацию (Р3); - пользоваться инструментальными программными средствами интерактивных графических систем, актуальных для современного производства (Р3); - выбирать эффективные исполнительные механизмы, определять простейшие неисправности, составлять спецификации (Р5); - рассчитывать основные качественные показатели САУ, выполнять анализ ее устойчивости, синтез регулятора (Р1); - использовать основные технологии передачи информации в среде локальных сетей, сети Internet (Р5); - проектировать простые программные алгоритмы и реализовывать их с помощью современных средств программирования (Р5); - выполнять анализ технологических процессов и оборудования как объектов автоматизации и управления (Р5); - составлять структурные схемы производств, их математические модели как объектов управления, определять критерии качества функционирования и цели управления (Р5); - выбирать для данного технологического процесса функциональную схему автоматизации (Р2); - разрабатывать алгоритмы централизованного контроля координат технологического объекта (Р1); - реализовывать простые алгоритмы имитационного моделирования (Р3); - использовать основные методы построения математических моделей процессов, систем, их элементов и систем управления (Р1); - работать с каким-либо из основных типов программных систем, предназначенных для математического и имитационного моделирования Mathcad, Matlab и др. (Р1), владеть: - навыками работы на компьютерной технике с графическими пакетами для получения конструкторских, технологических и других документов (Р5); - навыками оформления проектной и конструкторской документации в соответствии с требованиями ЕСКД (Р5); - навыками построения систем автоматического управления системами и процессами (Р5); - навыками работы с вычислительной техникой, передачей информации в среде локальных сетей Internet (Р2); - навыками анализа технологических процессов, как объекта управления и выбора функциональных схем их автоматизации (Р5); - навыками оформления результатов исследований и принятия соответствующих решений (Р6).

Расшифровка кодов формируемых компетенций представлена в Основной образовательной программе подготовки магистров по направлению 220400 и ФГОС.

4.  Структура и содержание дисциплины

4.1.  Структура дисциплины по разделам, формам организации и контроля обучения

При сдаче отчетов и письменных работ проводится устное собеседование.

4.2.  Содержание разделов дисциплины

МОДУЛЬ 1. Проектирование архитектуры, профиля и структуры автоматизированной системы

Введение

Задачи и содержание курса ПСУ, его место в подготовке магистров направления 220400 Содержание основных разделов технической документации. Объекты автоматизации в нефтегазовой отрасли. Порядок описания функциональной схемы технологического процесса. Цели автоматизации технологических объектов. Технологические параметры, подлежащие измерению, контролю, защите, сигнализации или регулированию. Места установки КИПиА. Функциональная схема технологического процесса.

Архитектура АС

Понятие IT-архитектуры АС. Сущность технологии открытых систем. IT-профиль стандартов, планируемых для реализации проекта АС. ГОСТ Р ИСО 15704 «Разработка системотехнической структуры ИС». Концептуальная модель системного окружения АС. Назначение и основные рекомендации стандартов S-88, ОРС, PROFINET (IEC 61158), ODBC, SQL. Ориентировочная номенклатура базовых стандартов и ПО для профиля АС.

Структурные схемы АС

Виды структурных схем АС. Структурные схемы систем изме-рения и автоматизации. ГОСТ 2.701-84. Условные изображения и обозначения, применяемые в структурных схемах. 3-х уровневая структура АС. SCADA-системы. Межуровневое взаимодействие АС. Структурная схема связи аппаратной и программной частей АС.

Техническое задание на проектирование АС

ГОСТ 34.602.89. Общие сведения. Назначение и цели создания (развития) системы. Характеристика объектов автоматизации. Требования к системе. Состав и содержание работ по созданию системы. Порядок контроля и приемки системы. Требования к составу и содержанию работ по подготовке объекта автоматизации к вводу автоматизированной системы в действие. Требования к документированию.

Нормативные основы проектирования АС

Стадийность и стоимость работ по созданию АС. Стадии и этапы создания АС разработки проекта ГОСТ 34.601-90. Требования к оформлению и подписанию контракта/договора на выполнение работ по созданию АС. Порядок расчета цены разработки АС на различных стадиях и для разных видов обеспечения. Методы получения и анализа исходных данных для проектирования АС. Организация выполнения рабочего проекта. Таблицы состава (перечня) вход/ выходных сигналов АС (измерительных, сигнальных, командных и управляющих). Требования стандартов СПДС «Системы проектной документации для строительства» и КСАС ИТ « «Информационные технологии. Комплекс стандартов на автоматизированные системы». PMI - проектирование АС. PMBOK - области знаний для выполнения проектных работ

МОДУЛЬ 2. Выбор и обоснование программных и технических средств реализации проекта

Выбор средств КИПиА АС

Состав программных и технических средств автоматизации. Опросные листы выбора (приобретения) КИПиА. ПО SCADA. Состав SCADA системы (Genesis 32/64, Infinity LITE). Выбор общесистемного программного обеспечения АС. Виды измерительных устройств. Выбор измерительных средств КИПиА. Расчет диафрагм измерительных устройств расхода. Нормирование погрешности канала измерения. IQ-уровень измерительного устройства. Контроллерное оборудование АС. Выбор контроллерного оборудования. Выбор исполнительных устройств.

Выбор средств коммуникации

Унификация сигналов измерения. Линии и каналы связи. Интерфейсы и протоколы связи контроллерных и компьютерных средств RS-232, RS-485, CAN, ProfiBus, ModBus, Hart. Коммуникационные модули Ethernet, MPI. Выбор коммуникационных модулей ПЛК.

Выбор устройств ввода/ вывода сигналов

Устройства сопряжения ПЛК с объектом управления (УСО). Дискретные модули ввода вывода. Аналоговые модули ввода вывода. Выбор устройств ввода вывода. Разработка спецификации покупных средств автоматизации.

МОДУЛЬ 3. Разработка программного, информационного и алгоритмического обеспечений проекта АС

Проектирование программного обеспечения ПЛК

Разработка программного обеспечения ПЛК. Языки программирования IEC 1131. Конфигурирование модулей ввода/ вывода ПЛК. Блок схема интерфейсного драйвера УСО. Структурная схема взаимосвязи программного обеспечения устройств полевого уровня - ПЛК - SCADA.

Моделирование и симуляция АС

Цели моделирования и симуляции АС. Автоматные и динамические модели АС. Моделирование систем автоматического регулирования полевого уровня АС в Simulink Matlab. Моделирование АС с использованием State Flow Matlab. Симуляция АС в LabView.

Проектирование алгоритмического обеспечения

Способы управления расходом, уровнем и давлением. Алгоритмы пуска (запуска)/ останова технологического оборудования (релейные пусковые схемы). Двухпозиционные и ПИД алгоритмы автоматического регулирования технологическими параметрами технологического оборудования (управление положением рабочего органа, регулирование расхода, уровня и т. п.). Алгоритмы управления сбором измерительных сигналов (алгоритмы в виде универсальных логически завершенных программных блоков, помещаемых в ППЗУ контроллеров). Алгоритмы централизованного управления АСУ ТП. Структурные схемы и функции однокаскадных и многокаскадных систем управления технологическими объектами.

Проектирование информационного обеспечения

Схема информационных потоков АС. Атрибуты данных источников сигналов (каналов измерения). Таблица и поля записей источника информации АСУ ТП. Экранные формы. Иерархия экранных форм. Унификация экранных форм в Газпроме. Шаблон экрана управления насосной станцией.

МОДУЛЬ 4. Разработка проектной документации

Функциональные схемы автоматизации

Назначение функциональной схемы автоматизации. Условные обозначения. Примеры построения условных обозначений приборов и средств автоматизации. Позиционные обозначения приборов контроля и средств автоматизации. Два способа выполнения функциональных схем (ГОСТ 21.404-85, ANSI/ISA S5.1).

Принципиальные схемы автоматизации

Принципиальные электрические схемы (ГОСТ 2.701-84 и ГОСТ 2.702-85). Схема релейной автоматики. Пример релейной автоматики пуска асинхронного мотора задвижки. Связь принципиальной схемы с перечнем элементов. Позиционные обозначения.

Схемы внешней проводки

Монтажные схемы. Шкафы. Закладные и отборные устройства. Схемы соединений. Состав схемы соединений. Методы укладки кабелей и проводов. Графические элементы схемы. Заземление и зануление в кабельных проводках. Особенности сигнального кабеля 4-20 мА. Соответствие обозначений КИПиА на схемах ФСА и внешней проводки. Маркировка кабелей.

4.3.  Распределение компетенций по разделам дисциплины

Распределение по модулям дисциплины планируемых результатов обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках данной дисциплины и указанных в пункте 3.

5.  Образовательные технологии

При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов учебной работы с методами и формами активизации познавательной деятельности студентов для достижения запланированных результатов обучения и формирования компетенций.

Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:

-  изучение теоретического материала дисциплины на лекциях с использованием компьютерных технологий;

-  самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины с использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических разработок, специальной учебной и научной литературы;

закрепление теоретического материала при проведении лабораторных работ с использованием учебного и научного оборудования и приборов, выполнения проблемно-ориентированных, поисковых, творческих заданий.

6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов (CРC)

6.1 Текущая и опережающая СРС, направленная на углубление и закрепление знаний, а также развитие практических умений заключается в:

-  работе студентов с лекционным материалом и раздаточными материалами, поиске и анализе литературы и электронных источников информации по заданной проблеме и выбранной теме выпускной квалификационной работы,

-  выполнении домашних заданий,

-  изучении теоретического материала к лабораторным занятиям и подготовке ответов на контрольные вопросы по лабораторным работам,

-  подготовке доклада на конференцию,

-  переводе материалов из тематических информационных ресурсов с иностранных языков,

-  изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку,

-  изучении инструкций к приборам и подготовке к выполнению лабораторных работ,

-  подготовке к экзамену.

6.2 Темы, выносимые на самостоятельную проработку:

- поиск необходимых сведений о компонентах АС в сети Internet;

- освоение программно-технического оборудования для выполнения заданий по курсу;

- расчет стоимости типового проекта с использованием справочника базовых цен на разработку технической документации на АСУТП;

- изучение рекомендаций PMBOK 2008 Project Management Body of Knowledge и Construction Extension;

- изучение стандартов для выполнения проектных работ по системам автоматизации и управления.

6.3 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа

ТСР направлена на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала магистров и заключается в:

-  поиске, анализе, структурировании и презентации информации, анализе научных публикаций по определенной теме исследований,

-  анализе теоретических и фактических материалов по заданной теме, проведении расчетов, составлении схем и моделей на основе сценариев работы технологического оборудования и производства,

-  выполнении расчетно-графических работ,

-  исследовательской работе и участии в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах.

6.4 Примерный перечень научных проблем и направлений научных исследований:

1.  Разработка АС управления насосными станциями.

2.  Разработка АС управления резервуарным парком нефтепродуктов.

3.  Разработка АСУ газовой компрессорной станцией.

4.  Разработка АСУ установкой разделения воздуха.

5.  Разработка АСУ парокотельной установкой.

6.  Разработка АСУ воздушно-компрессорной станцией.

7.  Разработка АС управления установкой подготовки технической воды.

8.  Разработка АС управления системой аварийной защиты парового котла.

7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины (фонд оценочных средств)

Оценка успеваемости бакалавров осуществляется по результатам:

- оценки тестовых контрольных работ,

- оценки подготовленных студентами рефератов и презентаций,

- устного опроса при сдаче выполненных индивидуальных заданий,

- оценки по аттестации.

7.2. Примеры вопросов, выносимых на зачет

1.  Технология проектирования АС. Особенности выполнения проектных работ.

2.  Разработать схему внешней проводки АС (2-3 канала измерения и один канал блокировки) противоаварийной защиты насоса.

3.  Каким образом и за счет чего достигается экономический эффект в автоматизированных системах управления?

8. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины)

Основная литература

1.  Громаков автоматизированных систем. Учебно-методическое пособие. - Томск: ТПУ, 20c.

2.  , , ; под ред. . Проектирование систем автоматизации технологических процессов: справочное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 464 с.

3.  Андреев средства систем управления технологическими процессами в нефтяной и газовой промышленности: учебное пособие, М: Нефть и газ, 2005. – 268 с.

4.  , Попков средства автоматизации. Исполнительные устройства, учебное пособие, Уфа.: Изд-во УНИ, 1996. – 95 с.

5.  Петров контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования / под ред. проф. . - М.: СОЛОН-Пресс, 2004.–124 с.

6.  , , Шехтман SCADA-систем при автоматизации технологических процессов. М: Машиностроение, 2000. – 176с.

7.  Нестеров АСУТП: методическое пособие. Кн.1. М: Деан. 2006.– 552с

8.  Алиев изделия: справочник. — 3-е изд., испр.– 2008. — 230 с.

Дополнительная

9.  ГОСТ 34.602-89. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы. /Комплекс стандартов и руководящих документов на автоматизированные системы. Информационная технология. – М.. 1991.­ – 15 с.

10.  ГОСТ 21.404-85. Обозначения условные приборов и средств автоматизации.

11.  ГОСТ 34.601–90. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы, стадии создания / Комплекс стандартов и руководящих документов на автоматизированные системы. Информационная технология. – М., 1991.– 45 с.

12.  ГОСТ19.701–90. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. – Госстандарт СССР, М., 1992.– 15 с.

13.  РМГ 62–2003. Обеспечение эффективности измерений при управлении технологическими процессами. Оценивание погрешности измерений при ограниченной исходной информации ВНИИМС Госстандарта России. М.,2003.– 17с.

14.  ГОСТ 21.408-93 Правила выполнения рабочей документации
автоматизации технологических процессов М.: Издательство стандартов, 1995.– 44с.

15.  ГОСТ Р ИСО/МЭК ТО 10000-3–99 «Информационная технология. Основы и таксономия международных стандартизованных профилей. Часть 3. Принципы и таксономия профилей среды открытых систем (эталонная модель среды открытых систем OSE/RM)»). М.: Издательство стандартов, 1995.– 44с.

9. Материально-техническое обеспечение модуля (дисциплины)

1. Компьютерный класс с выходом в интернет и установленными поисковыми системами.

2. Пакеты программ моделирования и симулирования АС Matlab и Labview.

Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ 220400 (м) в соответствии с требованиями ФГОС-2010 по направлению и профилю подготовки «Управление в технических системах».

Авторы: ,

Программа одобрена на заседании кафедры АиКС ИК

(протокол № ___8_ от «__2_» ____06___ 2010 г.).

Рецензент: доцент кафедры АиКС