скачать
ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
_______________________
|
Утверждаю
______________________
|
Руководитель ООП
по направлению 220700
доц. А.А. Кульчицкий
|
Зав. кафедрой АТПП
доц. А.А. Кульчицкий
|
^
«АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕТАЛЛУРГИИ»
Направление подготовки:
220700 Автоматизация технологических процессов и производств
^
Автоматизация технологических процессов и производств в металлургической промышленности
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составители:
Доцент каф. АТПП А.Ю.Фирсов
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
1.Цели и задачи дисциплины:
Дисциплина “ Автоматизация технологических процессов в металлургии” призвана познакомить студента, обучающегося по направлению 220700 “Автоматизация технологических процессов и производств”, с принципами построения автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами. Рассматриваются принципы регулирования основных технологических параметров и схемы автоматизации ряда технологических процессов цветной металлургии.
^
Дисциплина “ Автоматизация технологических процессов в металлургии ” относится к вариативной части профессиональных дисциплин. Для изучения дисциплины студенты должны знать принципы и приемы, применяемые в автоматизации процессов в объеме курса “Теория автоматического управления”, принципы организации микро-ЭВМ, уметь программировать и работать на персональном компьютере в объеме курса: "Программирование и основы алгоритмизации" и “Вычислительные машины, системы и сети” и знать приемы технологического контроля в объеме курса “Технические измерения и приборы”. Дисциплина в свою очередь является базой для последующей выпускной бакалаврской работы.
^
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
способностью участвовать в разработке обобщенных вариантов решения проблем, связанных с автоматизацией производств, выборе на основе анализа вариантов оптимального, прогнозировании последствий решения (ПК-7);
способностью выбирать средства автоматизации технологических процессов и производств (ПК-11);
способностью изучать и анализировать необходимую информацию, технические данные, показатели и результаты работы, обобщать их и систематизировать, проводить необходимые расчеты с использованием современных технических средств и программного обеспечения (ПК-38);
способностью участвовать в разработке алгоритмического и программного обеспечения средств и систем автоматизации и управления процессами (ПК-41);
способностью проводить диагностику состояния и динамики производственных объектов производств с использованием необходимых методов и средств анализа (ПК-16);
способностью участвовать в разработке математических и физических моделей процессов и производственных объектов (ПК-17);
способностью выполнять работы по расчету и проектированию средств и систем автоматизации, контроля, диагностики, испытаний, управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством в соответствии с техническими заданиями и использованием стандартных средств автоматизации расчетов и проектирования (ПК-18);
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
подготовка технологических процессов и производств к автоматизации: модернизация и механизация оборудования, диспетчеризация;
характеристики и модели оборудования;
автоматизация технологических процессов на базе локальных средств, выбор, разработка и внедрение локальных автоматических систем;
автоматизация управления на базе программно-технических комплексов;
автоматизированные системы управления технологическими процессами, их функции и структуры;
обоснование и разработка функций системы управления, информационного, математического и программного обеспечения;
интегрированные системы автоматизации и управления технологическими процессами, производствами и предприятиями, этапы разработки и внедрения.
Уметь:
пользоваться современными методами теоретических и экспериментальных исследований в области автоматизации и управления технологическими процессами и производствами;
выбирать структуру и функции системы управления, информационного, математического и программного обеспечения;
рассчитывать показатели качества синтезированной системы управления на основе имитационного моделирования системы управления с помощью специализированного программного обеспечения.
.
Владеть:
методами синтеза систем управления;
методами построения математических моделей как основы решения задач управления;
навыками работы с современными аппаратными и программными средствами исследования и проектирования систем управления.
^
Общая трудоемкость дисциплины составляет _3.783__ зачетных единиц.
Вид учебной работы
|
Всего часов
|
Семестры
|
7
|
8
|
|
|
^
|
51
|
51
|
|
|
|
В том числе:
|
-
|
|
|
-
|
-
|
Лекции
|
34
|
34
|
|
|
|
Практические занятия (ПЗ)
|
|
|
|
|
|
Семинары (С)
|
|
|
|
|
|
Лабораторные работы (ЛР)
|
17
|
17
|
|
|
|
^
|
64.5
|
|
|
|
|
В том числе:
|
-
|
|
|
-
|
-
|
Курсовой проект (работа)
|
29
|
|
29
|
|
|
Расчетно-графические работы
|
|
|
|
|
|
Реферат
|
|
|
|
|
|
^
|
35.5
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
|
|
экз
|
|
|
|
Общая трудоемкость час
зач. ед.
|
136.2
|
|
|
|
|
3.783
|
|
|
|
|
^
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п
|
Наименование раздела дисциплины
|
Содержание раздела
|
1.
|
Введение.
|
Современное состояние разработок в области создания и эксплуатации систем класса АСУТП в металлургии. Типовые формулировки критериев качества управления технологическими процессами.
|
2.
|
Автоматизированные системы управления технологическими процессами, их функции и структуры.
|
Функции и структуры автоматизированных систем управления. Разделение агрегатов по режиму их работы на периодические и непрерывные. Математическое описание непрерывных и дискретных процессов. Характеристики стационарных случайных процессов. Частотная декомпозиция на основе иерархического управления режимом технологических процессов. Методика синтеза многоконтурных систем управления методом спектральных плотностей при возмущениях типа цветного шума и дискретном запаздывающем контроле.
|
3.
|
Математическое и алгоритмическое обеспечение нижнего уровня АСУТП в металлургии.
|
Дискретные системы управления дискретными процессами. Защита и блокировки. Аварийно-предупредительная сигнализация (АПС). Дискретные системы управления непрерывными процессами. Теорема о квантовании непрерывных сигналов. Поглощение частоты. Практические аспекты выбора периода квантования. Фильтрация внешних возмущений. Математические модели, ориентированные на непосредственное цифровое управление. Построение дискретных моделей на основе непрерывных моделей. Анализ дискретных систем на устойчивость, управляемость, наблюдаемость. Алгоритмы фильтрации, оценивания и прогноза сигналов в АСУТП. Идентификация математических моделей в АСУТП. Типовые законы управления. Инвариантный регулятор. Постановка задач идентификации. Структурная и параметрическая идентификация.
|
4.
|
Автоматизация технологических процессов на базе локальных средств, выбор, разработка и внедрение локальных автоматических систем.
|
Составные части локальной системы регулирования. Датчики. Измерительные преобразователи. Типы исполнительных механизмов и регулирующих органов. Аналоговые регуляторы. Многоканальные регуляторы. Интеллектуальные реле. Микроконтроллеры. Стандарты МЭК на системы программирования микроконтроллеров. Программирование микроконтроллеров на языке SFC. Представление информации обслуживающему персоналу с помощью жидкокристаллических и плазменных панелей. Использование панелей для АПС. Локальные системы на основе устройств удаленного сбора данных и управления. Промышленные сети контроллеров. Выбор, разработка и внедрение локальных автоматических систем.
|
5.
|
Регулирование основных технологических параметров и простых типовых процессов в цветной металлургии..
|
^
Схемы регулирования расхода после центробежного и поршневого насосов. Дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка). Изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии. Байпасирование. Регулирование расхода сыпучих веществ. Регулирование соотношения расходов двух веществ.
^ ня.
Позиционное регулирование и непрерывное регулирование. Регулирование уровня при отсутствии фазовых превращений в аппарате (регулирование «на притоке», регулирование «на стоке», регулированием соотношения расходов жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по уровню). Регулирование уровня, когда гидродинамические процессы в аппарате сопровождаются фазовыми превращениями.
^
Типовые схемы регулирования.
5.4 Регулирование температуры.
Уменьшение инерционности датчиков. Динамические характеристики термометра в защитном чехле.
^
Системы регулирования рН с двумя регулирующими клапанами. Структурная схема системы регулирования рН с двумя регуляторами. Кусочно-линейная аппроксимация статической характеристики. Регуляторы с переменной структурой.
^
Механизированный анализ проб. Дискретность измерения. Регулирование по косвенному вычисляемому показателю с уточнением алгоритма его расчета по данным прямых анализов.
^
Математические модели и схемы регулирования. Представление нелинейной системы в виде последовательно соединенных нелинейного статического и линейного динамического звеньев.
^ ов.
Особенности автоматизации испарителей и конденсаторов. Автоматизация ректификационных установок. Автоматизация абсорбционных установок. Автоматизация выпарных установок. Стабилизация концентрации упаренного раствора на выходе из последнего выпарного аппарата в многокорпусной установке.
^
Регулирование на основе одноконтурных АСР. С использованием комбинированной АСР температуры. Использование каскадной АСР температуры (регулирование соотношения расходов топлива и нагреваемого вещества с коррекцией по выходной температуре) или комбинированной АСР температуры для уменьшения влияние возмущений по расходу нагреваемого вещества. Использование каскадной АСР температуры, в которой температуру дымовых газов в печи используют как промежуточную координату, для уменьшения влияния инерции и запаздывания объекта управления. Регулирование котлов для получения пара.
^
Гомогенные реакции и гетерогенные реакции. Некаталитическими и каталитическими реакции. Порядок реакции. Тип механизма (необратимые, обратимые, последовательные, параллельные). Условия проведения (изотермические, неизотермические, при постоянном давлении, адиабатические, неадиабатические). Два крайних режима работы реакторов: идеальное (полное) смешение и идеальное вытеснение (поршневой режим). Учет неидеальности перемешивания. Уравнения материального и теплового балансов. Построение математической модели реактора. Нелинейность концентрационных режимов. Схемы регулирования тепловым и концентрационным режимом при экзотермических реакциях.
5.11.Регулирование электропривода с помощью частотного преобразователя.
Общие концепции. Настройка в зависимости от характера нагрузки.
|
6.
|
Автоматизация управления на базе программно-технических комплексов.
|
Промышленные компьютеры. Промышленные сети ВМ. SCADA системы. Использование базы технологических переменных локальных контроллеров в SCADA-системе. Обоснование и разработка функций системы управления, информационного, математического и программного обеспечения. Разработка человеко-машинного интерфейса (HMI) на базе SCADA системы. Распределение функций системы управления по уровням иерархии и отдельным SCADA-узлам. Структурные схемы систем управления на базе программно-технических комплексов. Интегрированные системы автоматизации и управления технологическими процессами, производствами и предприятиями, этапы разработки и внедрения.
|
7.
|
Разработка математического обеспечения среднего уровня АСУТП.
|
7.1.Общие сведения об оптимальном управлении.
Общая характеристика, классификация и примеры задач оптимального управления. Критерии оптимальности, ограничения.
7.2.Оптимальные регуляторы состояния при случайных возмущениях.
Квантование стохастического дифференциального уравнения. Стохастические модели возмущений. Теорема разделения. Оптимальные алгоритмы оценивания состояния. Оптимальные регуляторы состояния при случайных возмущениях. ЛКГ-регуляторы.
.7.3.Синтез дискретного алгоритма оценивания Калмана-Бьюси.
Синтез дискретного алгоритма оценивания Калмана-Бьюси вектора состояния объекта управления.
7.4.Синтез ЛКГ-регулятора.
Понятие и синтез ЛКГ-регулятора.
7.5.Адаптивные системы с идентификацией параметров объекта управления.
Методы текущей идентификации (рекуррентный метод наименьших квадратов, метод стохастической аппроксимации). Идентификация в замкнутом контуре. Регуляторы с подстройкой параметров.
^
Виды самонастраивающихся систем. Системы с разомкнутой цепью самонастройки. Самонастраивающиеся системы с моделью. Системы с анализом процесса управления. Экстремальные системы.
^
Методы оптимального управления динамическими режимами объектов. Принцип максимума Понтрягина, метод динамического программирования Белмана, их взаимосвязь и особенности применения при синтезе оптимальных систем управления.
|
8.
|
Управление процессами и аппаратами цветной металлургии.
|
8.1.Управление процессами в реакторах с перемешиванием.
Выщелачивание и осаждение в чанах с перемешиванием. Автоклавное выщелачивание. Схема автоматического регулирования процесса очистки электролита от меди при электролизе никеля. Управление печами с кипящим слоем.
.8.2.Управление поточно-транспортными металлургическими системами.
Хранение и подготовка шихты
8.3.Особенности регулирования трубчатых реакторов.
Объекты с распределенными и объекты с сосредоточенными параметрами.
Особенности математического описания объектов с распределенными параметрами. Модель трубчатого реактора с продольным перемешиванием. Схема замещения объекта с распределенными параметрами последовательно соединенными звеньями с сосредоточенными параметрами. Применение преобразования Лапласа по времени к дифференциальному уравнению в частных производных. Схема автоматического регулирования теплового режима барабанной сушилки. Регулирование обжига во вращающихся трубчатых печах.
8.4.Управление процессами с продувкой расплава.
Плавка в печи Ванюкова. Плавка в конвертерах. Схема автоматического регулирования процесса фьюмингования шлаков.
8.5.Управление электрическими печами.
Рудная плавка в электрических печах. Плавка в дуговых печах. Плавка в индукционных печах.
8.6. Управление электролизными ваннами.
Электролиз в водных расплавах. Электролиз в расплавленных солях. Управление электролизерами для получения алюминия. Управление электролизерами для получения магния.
|
^
№ п/п
|
Наименование обеспе-чиваемых (последую-щих) дисциплин
|
№ № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
1.
|
Выпускная работа бакалавра
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^
№ п/п
|
Наименование раздела дисциплины
|
Лекц.
|
Практ.
зан.
|
Лаб.
зан.
|
Семин
|
СРС
|
Все-го
час.
|
1.
|
Введение.
|
2
|
|
|
|
1
|
3
|
2.
|
Автоматизированные системы управления технологическими процессами, их функции и структуры.
|
4
|
|
2
|
|
3
|
9
|
3.
|
Математическое и алгоритмическое обеспечение нижнего уровня АСУТП в металлургии.
|
4
|
|
2
|
|
3
|
9
|
4.
|
Автоматизация технологических процессов на базе локальных средств, выбор, разработка и внедрение локальных автоматических систем.
|
4
|
|
3
|
|
3
|
10
|
5.
|
Регулирование основных технологических параметров и простых типовых процессов в цветной металлургии.
|
6
|
|
4
|
|
4
|
14
|
6.
|
Автоматизация управления на базе программно-технических комплексов.
|
2
|
|
2
|
|
3
|
7
|
7.
|
Разработка математического обеспечения среднего уровня АСУТП.
|
6
|
|
2
|
|
24
|
32
|
8.
|
Управление процессами и аппаратами цветной металлургии.
|
6
|
|
2
|
|
24
|
32
|
^
№ п/п
|
№ раздела дисциплины
|
Наименование лабораторных работ
|
Трудо-емкость
(час.)
|
1.
|
2
|
Построение автокорреляционной функции и спектральной плотности возмущений на основе экспериментальных данных.
|
2
|
2
|
5
|
Локальное управление технологическим аналоговым технологическим параметром на основе ПЛК.
|
2
|
3
|
5
|
Снятие динамических характеристик на модели рекуперативного теплообменника, синтез системы управления и моделирование ее работы в пакете Simulink.
|
2
|
4
|
5
|
Проведение трассерного эксперимента на физической модели многоемкостного объекта.
|
2
|
5
|
6
|
Управление связной системой регулирования концентрации и температуры.
|
2
|
6
|
7
|
Идентификация математической модели.
|
2
|
7
|
7
|
Проектирование и моделирование фильтра Калмана в Simulink..
|
2
|
8
|
7
|
Проектирование и моделирование ЛКГ-регулятора в Simulink.
|
2
|
9
|
8
|
Моделирование системы управления электролизера для производства алюминия.
|
1
|
^
№ п/п
|
№ раздела дисциплины
|
Тематика практических занятий (семинаров)
|
Трудо-емкость
(час.)
|
|
|
|
|
^
В курсовой работе студент должен построить систему стабилизации указанного параметра и провести моделирование системы управления в математическом пакете.
1 Регулирование расхода.
2 Регулирование уровня.
3 Регулирование перепада давления.
4 Регулирование температуры.
5 Регулирование рН.
6 Регулирование параметров состава и качества.
7.Регулирование теплообменников смешения и кожухотрубных тепообменников.
8.Регулирование простых массообменных процессов.
9.Регулирование испарителей.
10.Регулирование конденсаторов.
11.Автоматизация ректификационных установок.
12.Автоматизация абсорбционных установок.
13.Автоматизация выпарных установок.
14. Управление топливными процессами.
15. Управление химико-металлургическими реакторами.
16.Регулирование электропривода с помощью частотного преобразователя.
^
а) основная литература
1. Бобровски Д. Введение в теорию динамических систем с дискретным временем.
2006 г., -360 с.
2. В. М. Перельмутер. Пакеты расширения Matlab. Control System Toolbox и Robust Control Toolbox. Издательство: Солон-Пресс, 2008 г.,- 224 с.
3. Деменков Н.П. Программные средства оптимизации и настройки систем управления. М.:Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. -242с.
4^ . Расчет и оптимизация процессов и аппаратов химических и пищевых производств в среде MatLab: Учеб. пособие / Под ред. д-ра техн. наук, проф. С.И. Дворецкого. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005, 80с.
5. Лапшин И. В. Автоматизация дуговых печей/ Лапшин И. В.- М.: [Изд-во МГУ], 2004.- 165с.
6. Елизаров И.А., Мартемьянов Ю.Ф., Схиртладзе А.Г., Фролов G.B. Технические средства автоматизации. Программно-технические комплексы и контроллеры: Учебное пособие. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2004. 180с.
б) дополнительная литература
^ Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.:Невский Диалект, 2001. -557с.
2. Туманов М.П. Технические средства автоматизации и управления: Цифровые средства обработки информации и программное обеспечение, под ред. А.Ф. Каперко: Учебное пособие. – МГИЭМ. М., 2005, 71 с.
3. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. –СПб.:БЧВ-Петербург, 2005. -736с.
4. Справочник по теории автоматического управления. Под ред. Красовского А.А. М.:Наука, 1987.
5. Дъяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. СПб.: Питер,2002.
6. Гостев В. И. Проектирование нечетких регуляторов для систем автоматического управления. Издательство: БХВ-Петербург, 2011 г., - 416 с.
7. Чебурахин И. Ф. Синтез дискретных управляющих систем и математическое моделирование. Издательство: ФИЗМАТЛИТ, 2004 г., - 248 с.
8 Курбатова Е. А. MATLAB 7. Самоучитель. Издательство: Вильямс, 2006 г., -256 с.
9. Анашкин А. С, Кадыров Э. Д., Харазов В. Г. Техническое и программное обеспечение распределенных систем управления. — С. Петербург: «П-2», 2004. — 368 с.
10. Кадыров Э.Д., Симаков А.С., Фирсов А.Ю. Сетевые_интерфейсы микропроцессорных систем. Учебное пособие/ Санкт-Петербург, изд. СПГГИ (ТУ)., 2011г., - 117с.
11. Минаев И. Г. Программируемые логические контроллеры: практическое руководство для начинающего инженера. – Ставрополь: АРГУС, 2009г., -100с.
в) программное обеспечение
MatLab 2007b, MS Visual Basic, SQL Server, MS Visual C++, MS Office XP, SCADA iFix, Schneider Electric SCADA Vijeo Citect, SCADA Trace Mode, Schneider Electric UNITY.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
сайт Schneider Electric, сайт National Instruments, сайт MathWorks.
^
Для выполнения лабораторных работ, и оформления отчетов используются компьютеры кафедрального вычислительного центра и специализированной лаборатории “Моделирования систем управления” кафедры АТПП, а также межфакультетской лаборатории “Современных средств автоматизации” c специальным программным обеспечением. Лекции по дисциплине проводятся в аудиториях, оснащённых мультимедийным оборудованием.
^
Практические занятия проводятся в аудиториях, снабженными компьютерами с специальным программным обеспечением, а также программными средствами для проведения компьютерных телеконференций (средствами удаленного доступа к рабочим столам). Примерами средств для текущего контроля являются тестовые контрольные работы на усвоение основных структур управления и формул.
Разработчик:
Каф. АТПП доцент А.Ю. Фирсов
Эксперты:
_____________ _________________ ____________________
_____________ _________________ ____________________
Добавить документ в свой блог или на сайт
|
