Министерство образования и науки Российской Федерации

 Уфимский государственный авиационный технический университет

 

 

Курсовая работа

по дисциплине: «Системный анализ и моделирование»

на тему: «АСУ ТП сварки пластмассовых труб на основе индукционного источника»

 

 

 

 

Уфа 2011

Введение

 

Проведение системного анализа необходимо для выявления специфики работы системы и выработки мероприятий по улучшению её деятельности. В качестве объекта системных исследований рассматривается технологический процесс индукционной сварки пластмассовых труб, исследуются такие проблемы, как высокая стоимость существующих способов сварки пластмассовых труб, высокая стоимость деталей для соединения труб, высокое энергопотребление.

В разделе 1 формируется перечень всех проблем, определяются цели и задачи исследования. В разделе 2 производится рассмотрение объекта исследования как системы, в частности, определяется структура системы, её цели, задачи, функции, определяются границы системы и место системы в системе классификаций. В разделе 3 рассматриваются общесистемные принципы функционирования АСУ ТП сварки пластмассовых труб на основе индукционного источника. В разделе 4 изучаются проблемы функционирования данной системы на основе принципа ситуационного управления.

1. Формулировка проблемы. Цели и задачи исследования.

 

Рассмотрим основные способы сварки пластмассовых труб это стыковая сварка, муфтовая (раструбная) и сварка с закладным нагревательным элементом (электромуфтовая). Выбор типа сварки напрямую зависит от предъявляемых требований (агрессивность среды, давление и др.).

Сварные соединения позволяют соединять трубы между собой и с фасонными частями. Больше остальных пользуется спросом электромуфтовая сварка – довольно простой и быстрый процесс, освоить который можно после непродолжительной тренировки.

Кратко описать процесс электромуфтовой сварки пластмассовых труб можно так: электрический спиральный нагревательный элемент встроен в тело фитинга с закладной спиралью. Аппарат, которым производится электромуфтовая сварка, подает необходимую для нагревания спирали электроэнергию. В итоге нагретый от спирали материал расплавляется, поверхность трубы входит в контакт с расплавом. Энергия продолжает подаваться, вследствие чего поверхность трубы оплавляется, расплав фитинга и трубы смешивается. По окончании процесса наступает этап остывания расплавленный материал застывает в виде прочного соединения. Основной недостаток данного способа – это высокая стоимость соединительных деталей.

Стыковая сварка, в основном, применяется для напорных трубопроводов из полиэтилена низкого давления. Это связано с тем, что при строгом соблюдении технологии прочность стыкового шва будет не ниже прочности самой трубы. Если трубопровод имеет диаметр более 160 мм, то его необходимо сваривать встык, а если диаметр более 315 мм, то стыковая сварка обязательна. Определяющее значение имеет контроль за соблюдением технологии при стыковой сварке пластмассовых труб газопроводов и вообще трубопроводов повышенной опасности. Внешне результат стыковой сварки представляет собой два валика грата (это выдавленный при расплавлении, а затем остывший материал), так что для безнапорных канализаций, например, стыковая сварка пластмассовых труб не подойдет у внутреннего грата будут скапливаться твердые частицы, засоряя трубу.

Третий способ сварки муфтовая сварка (сварка в раструб). Ее применяют при монтаже внутренних систем отопления, водоснабжения для полипропиленовых фитингов и труб в условиях ограниченного пространства. Этот вид сварки пластмассовых труб проще и быстрее, а вероятность появления брака гораздо ниже, чем у сварки встык. Все три вида сварок примечательны по-своему и подходят для налаживания работы труб для разных видов коммунальных услуг.[2]

Итак, рассмотрим альтернативный способ сварки пластмассовых труб, который заключается в применении индукционного источника. Индукционный нагрев является наиболее экономичным способом передачи тепловой энергии от стенок металлических нагревательных элементов к нагреваемым телам. В задаче сварки труб соединительными деталями с закладными электронагревателями во внутреннюю поверхность соединительной детали (или «фасонной детали», или «фасонного изделия», или «фитинга») вмонтирована электроспираль из стали. Поэтому нагрев этого элемента позволит соединить трубы. Спираль может быть:

• закрытая, т.е. полностью утопленная в материал фасонной детали. Тонкий слой материала фасонной детали, покрывающий спираль, предохраняет ее от повреждения во время совмещения с трубой;
• открытая, т.е. утопленная в материал фасонной детали ровно настолько, чтобы надежно удерживаться на поверхности детали до начала сварки. Такая конструкция обеспечивает несколько более эффективный нагрев свариваемой поверхности трубы, но увеличивает риск повреждения спирали.

Внутреннюю поверхность фасонной детали совмещают с наружной поверхностью трубы, затем с помощью индукора и индукционного источника спираль нагревают. В результате нагрева спирали материал внутренней поверхности фасонной детали и наружной поверхности трубы переходит в вязко-текучее состояние, смешивается и после остывания образует надежное сварное соединение [3].

Таким образом, сварка пластмассовых труб на основе индукционного источника является выгодной с экономической и технологической точки зрения по сравнению с электромуфтовой сваркой. При электромуфтовой сварке используются фитинги с медными закладными нагревательными элементами, например фитинг диаметром 100 мм стоит 560 р., что достаточно дорого, а при индукционной сварке используется фитинг со стальным закладным нагревательным элементом, при расчете такой фитинг будет стоять около 150 рублей. Как видно, разница в цене существенная. Эту разницу можно разглядеть, если даже взять один килограмм меди подготовленную для производства фитинга и один килограмм стали имеющих цены 500 и 65 рублей соответственно. Итак, если строить, к примеру пятиэтажный дом с использованием пластмассовых труб, где, допустим, потребуется около 150 фитингов, то в сумме на медные фитинги потребуется 84000 руб., а на стальные фитинги всего 22500 руб. В итоге получим разницу в цене – 61500 руб.

С технологической точки зрения, сварка пластмассовых труб на основе индукционного источника также является выгодной по сравнению с электромуфтовой сваркой, так как производство стального фитинга будет менее сложен, чем медные фитинги, поскольку отсутствуют нагревательные электроды снаружи, что облегчает процесс производства и внутри можно использовать лишь стальные кольца, которые обеспечат более надежное соединение труб, к тому же такой способ не требует тщательной подготовки свариваемых частей.

Таким образом, актуальность исследования обусловлена тем, что существующие на сегодняшний день способы сварки пластмассовых труб являются достаточно дорогими за счет применения в них дорогих металлов и импортных деталей из-за отсутствия налаженного производства отечественных аналогов. Поэтому необходимо разработать альтернативный способ сварки пластмассовых труб на основе отечественных комплектующих, который позволил бы снизить стоимость процесса сварки пластмассовых труб.

Итак, целью исследования является проведение системного анализа АСУ ТП индукционной сварки пластмассовых труб.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

1. выделить объект исследования как систему и определить ее цель, задачи и функции;
2. выявить структуру системы;
3. определить внешние особенности системы;
4. определить место системы в системе классификаций;
5. выявить общесистемные законы и решить проблемы функционирования системы;
6. решить проблему управления системы.

 

 

 

2. Объект исследования как система.

 

В качестве объекта исследования рассматривается АСУ ТП индукционной сварки пластмассовых труб

 

2.1 Цель, задачи и функции системы

 

Интегративность (эмерджентность) системы, заключающаяся в присутствии в системе некоторого свойства, которое присуще только ей и не присуще ни одному из её элементов в отдельности. В нашем случае, этим свойством является осуществление сварки пластмассовых труб на соснове индукционного источника при заданной частоте и мощности. Это свойство достигается только с помощью взаимосвязанных элементов, таких как выпрямитель, инвертор, модуль управления, индуктор. Система не обладала бы данным свойством, если бы элементы системы существовали отдельно, независимо друг от друга, так как у каждой отдельной функции есть свои цели и предназначения.

Рассматриваемая система является сложной, поскольку  характеризуется непредсказуемостью поведения во времени, так как могут случаться перепады напряжения, система может не настроиться на частоту колебательного контура (заготовки).

Функциями системы является нагревание закладного нагревательного элемента вмонтированное в тело фитинга.

 

2.2 Структура системы

 

В качестве объекта системных исследований рассматривается АСУ ТП индукционной сварки пластмассовых труб

Построение функциональной модели системы – это построение модели системы отражающей её функции и связи между этими функциями. При определении функциональной модели необходимо иметь в виду цель моделирования и точку зрения. Одна и та же система может быть описана по-разному в зависимости от того, с какой точки зрения его рассматривают. Для описания функциональной модели будем использовать стандарт IDEF0.

Одной из наиболее важных особенностей диаграммы IDEF0 является введение все больших уровней детализации на разных уровнях по мере создания диаграмм, отображающих модель. В основе методологии лежит понятие функционального блока, каждая из сторон которого имеет свою определенную роль:

• верхняя – управление, то есть на основании чего выполняется данный процесс (законы, стандарты, приказы и т.д.);
• нижняя – механизмы, посредством которых выполняется процесс (материальные или кадровые ресурсы);
• левая – вход, то есть данные или объекты потребляемые или изменяемы процессом;
• правая – выход, то есть результаты деятельности процесса.

На рисунке 1 представлена контекстная диаграмма, которая «фиксирует границы» моделируемой системы, определяя то, как она взаимодействует со своим окружением.

 

Из диаграммы видно, что входными параметрами в системе являются переменный ток, источник постоянного напряжения значения, на выходе мы получаем индуцированные вихревые токи, осуществляется это на основании ГОСТ 12.2.007.9.1-95. ССБТ.  Механизмом является панель управления, через который осуществляется управление АСУ ТП.

Рисунок 1 – Контекстная диаграмма «АСУ ТП индукционной сварки пластмассовых труб»

На рисунке 2 представлен первый уровень декомпозиции АСУ ТП индукционной сварки пластмассовых труб. На данной диаграмме видно, АСУ ТП индукционной сварки пластмассовых труб состоит из 4 блоков: выпрямителя, управляющего модуля, инвертора и индуктора, весь процесс производиться посредством панеля управления.

Рисунок 2 – Декомпозиция блока А0 «АСУ ТП индукционной сварки пластмассовых труб»

На рисунке 3 представлен второй уровень декомпозиции АСУ ТП индукционной сварки пластмассовых труб

Рисунок 3 – Декомпозиция блока А0 «АСУ ТП индукционной сварки пластмассовых труб»

На данной диаграмме видно, что модуль управления состоит из двух блоков: генератора импульсов и усилителя импульсов, усилитель импульсов необходим для усиления выходных параметров генератора импульсов.

 

 

2.3 Особенности внешней среды

 

Внешняя среда – это множество элементов, находящихся вне системы и либо оказывающих существенное, но нецеленаправленное воздействие на элементы системы, либо сильно зависящих от системы.

Проблема заключается в определении границ системы (то есть локализации системы): какие элементы считать взаимодействующими внутри системы, а какие – с элементами, относящимися к внешней среде. От правильности определения границ системы зависят её функции, эффективность и качество работы системы, возможность её проектирования и исследования.

Сложность решения проблемы заключается в отсутствии строго формализованных методов выделения как наиболее существенных связей между системой и внешней средой, так и внутрисистемных связей.

Связь считается существенной, если изменение её характеристик или её исключение приводит к значительному ухудшению работы системы, к снижению эффективности достижения цели и т.д.

В зависимости от связей с внешней средой системы могут быть:

• закрытая (изолированная) – система, любой элемент которой имеет связи только с элементами самой системы. В таком понимании закрытая система рассматривается изолированно от внешней среды и связей с ней не имеет, а её элементы взаимодействуют только друг с другом внутри системы. Хоть это и есть сильная идеализация и в реальности изолированных от внешней среды систем не существует, но такой подход к изучению систем полезен для выявления её потенциальных возможностей.
• открытая – система, у которой хотя бы один элемент имеет связь с внешней средой.

Все реальные системы являются открытыми, только степень связи с внешней средой может быть различна: от слабой до сильной.

Описываемую систему можно назвать открытой, так как имеется связь с внешней средой. На рассматриваемую систему действуют такие внешние факторы, как: параметры заготовки, параметры сварки (рисунок 4), входной переменный ток, источник постоянного напряжения, ГОСТы (рисунок 1)

На рисунках 4 и 5 представлена архитектура вышестоящей системы с точки зрения самого процесса сварки пластмассовых труб, выделением блоков, с которыми предполагается взаимодействие создаваемого АСУ ТП.

Рисунок 4 – Контекстная модель А0

 

Рисунок 5 – Декомпозиция контекстной модели

На диаграмме представленной на рисунке 2 АСУ ТП индукционной сварки пластмассовых труб выступает в роле блока индукционной сварки. 

 

2.4 Определение места системы в системе классификаций

 

По субстанциональному признаку выделяют материальные, идеальные и смешанные системы. Идеальные системы строятся на базе сознания, средствами мышления, материальные системы строятся на базе объектов материального мира, его средствами, смешанные системы используют как средства мышления, так и средства материального мира. Рассматриваемая система относится к смешанным системам, так как в ней присутствуют как средства мышления (программирование контроллеров), так и материальные элементы, такие как выпрямитель, инвертор и т.д.

По степени сложности системы разделяют на простые и сложные. Простые системы характеризуются небольшим количеством возможных состояний, их поведение легко описывается в рамках математической модели. Сложные системы отличаются большим количеством и разнообразием внутренних связей, большим количеством оперируемых параметров и их нелинейностью, иерархичностью, непредсказуемостью поведения самой системы и внешней среды. Рассматриваемая система является сложной, так как характеризуется непредсказуемостью поведения во времени, посколь так как система работает с множеством параметров, состояние которых нечетко, неу могут быть перепады напряжения в сети, расстроение частоты сварочного аппарата.

Следующий признак классификации: открытость и закрытость системы по отношению к внешней среде. Данный признак указывает на степень взаимодействия системы с внешней средой. Открытые системы обладают способностью обмениваться со средой энергией, информацией, веществом. Замкнутые (закрытые) системы изолированы от внешней среды. Рассматриваемая система является открытой, так как получает информацию и источник питания из внешней среды.

С точки зрения классификации систем на динамические и статические, исследуемая система относится к динамическим, поскольку ее выходное состояние меняется с течением времени. Статические же системы не изменяют свое состояние во времени.

По степени разнородности элементов системы разделяют на гомогенные и гетерогенные. Элементы гомогенной системы однородны. Гетерогенные системы состоят из разнородных элементов. Рассматриваемую систему можно отнести к гетерогенной, так как она состоит из разнородных элементов, таких как материальные и идеальные элементы. В рассматриваемой системе присутствуют как средства мышления (программы для контроллеров), так и материальные элементы, такие как инвертор, мобуль управления и т.д.

Различают управляющие и управляемые системы. Управляемые системы состоят из объекта управления и устройства управления, управляющие системы содержит только устройство управления. Изучаемая система является управляемой сиситемой.

По целям функционирования описываемая система относится к системе управления технологическим процессом.

3. Общесистемные законы и проблемы функционирования системы

 

Принцип адекватности (соответствия). Согласно этому принципу, модель системы должна соответствовать реальной системе.

Рассматриваемая нами система отличается от идеальной, поскольку система является сложной, есть и объективные факторы, не зависящие от нас самих (погрешность датчиков, погрешность элементов радиоэлектронной аппаратуры, перепады напряжения и т. д.), таким образом, есть доля несоответствия реальной системе.

Принцип согласованности. Принцип согласованности заключается в том, чтобы все элементы (подсистемы) сложной системы (как по горизонтали, так и по вертикали) должны быть согласованы между собой по всем показателям с целью достижения заданной эффективности системы.

Данный принцип предполагает достижение эффективности функционирования системы путем корректировки параметров системы в рамках неизменной структуры. В рассматриваемой АСУ ТП сварки пластмассовых труб на основе индукционного источника для достижения этой эффективности необходимо корректировать частоту сигналов управляющего модуля.

Принцип совместимости (достижимости). Принцип совместимости (достижимости) заключается в том, что заданные множества базовых элементов и связей между ними, образующие сложную систему, при своем совместном функционировании (взаимодействии) обеспечивают достижение цели или требуемых свойств и характеристик системы.

Данный принцип предполагает достижение  эффективности функционирования системы путем корректировки структуры. В рассматриваемой АСУ ТП индукционной сварки пластмассовых труб для достижения этой эффективности необходимо корректировать структуру путем добавления  дополнительных драйверов к модулю управления.

Принцип управляемости. Принцип управляемости заключается в том, что сложная динамическая система не должна выпасть из процесса управления и не испытывать целенаправленного воздействия со стороны элементов системы.

Этот принцип нарушается при формировании системы, у которой в процессе функционирования один из активных элементов управления (в данном случае человек) вдруг отказывается выполнять свои производственные функции, что ведет к конфликту.

Принцип контролируемости (наблюдаемости). Принцип контролируемости (наблюдаемости) состоит в том, что проектируемая сложная система не должна содержать в своей структуре ни одной подсистемы, которая была не контролируемой (не наблюдаемой) для вышестоящего уровня. Рассматриваемая система является контролируемой (наблюдаемой), так как содержит подсистемы, которые наблюдаемы и контролируемы.

Принцип существования двух противоположно направленных сил. В данной системе существуют противоположно направленные силы это такие параметры, как мощность сварочного аппарата, которая должна быть максимальной в то время как потребление электроэнергии – минимальной.

4. Проблемы управления функционированием системы

 

Управление – такая организация изучаемого процесса на основе имеющейся информации, которая направлена на достижение определенных целей, т.е. целенаправленное воздействие на объект или процесс.

Главная задача управления – своевременное достижение с заданной точностью цели управления при действии цели возмущений. Данная задача решается применением принципов управления.

Под проблемой понимается несоответствие фактического состояния управляемого объекта желаемому или заданному (запланированному). Именно в связи с отклонением от плановых (или нормативных) состояний, которое отмечается в определенный момент времени или прогнозируется на будущее, и возникают чаще всего проблемы в системах.

Принцип ситуационного управления: в каждый момент времени по располагаемой информации о поведении сложной динамической системы, о её целях и подцелях её отдельных элементов, о характере поведения окружающей среды и т.д. проводится идентификация и анализ текущей ситуации. В зависимости от результатов этого анализа принимается управленческое решение по корректировке программы, алгоритмов, структуры управляющей системы с целью приведения состояния (поведения) всей системы в соответствие с данной ситуацией.

В отличие от традиционных принципов управления  принцип ситуационного управления используют при оперативном управлении сложными объектами в неопределённых ситуациях, в условиях противодействия среды, дефицита ресурсов, когда изменились свойства самого объекта управления, не ясны форма поведения окружающей среды; не ясна цель существования системы и т. д.

 

На рисунке 6 представлен АСУ ТП индукционной сварки пластмассовых труб.

Рисунок 6 – АСУ ТП индукционной сварки пластмассовых труб.

I – процесс планирования;

II – процесс учета;

III – процесс анализа;

IV₁ – процесс принятия решения;

IV₂ – процесс принятия решения;

V – процесс исполнения принятого решения;

ОУ – объект управления.

На данном рисунке наглядно видно, что проводится идентификация и анализ текущей ситуации в блоке анализаторе (в роли анализатора выступает сам сварщик), Банком памяти служит память сварщика, процесс учета, процесс анализа и процесс принятия решения (IV₁) включает модуль управления, инвертор включает процесс исполнения принятого решения.

Заключение

 

В результате работы был проведен системный анализ автоматизированной системы управления технологическим процессом сварки пластмассовых труб на основе индукционного источника. Было выяснено, что АСУ ТП является сложной, открытой, динамической, гетерогенной и управляемой системой. Структура системы является иерархической и имеет два уровня декомпозиции.

Выполнен анализ общесистемных принципов функционирования АСУ ТП и показаны условия их  выполнения на конкретных примерах. Также решены проблемы функционирования АСУ ТП на основе принципа ситуационного управления.

Список использованной литературы

 

1. Волкова В. Н., Теория систем и системный анализ. Учебник для вузов, М.: ЮРАЙТ, 2010. - 679 с.
2. Гейн К., Сарсонт Т. Структурный системный анализ: средства и методы. В 2-х ч.Ч1/Пер. с англ. под ред. А.В.Козлинского.-М.:Эйтекс, 2008
3. Дегтярев В.И. Системный анализ и исследование операций. – М.:Высшая школа, 2007
4. Качала В.В. Основы теории систем и системного анализа. Учебное пособие для ВУЗов, 2007
5. Макарова Е.А., Конспект лекции по «Системному анализу и моделированию». – УГАТУ, 2011
6. Месарович, Д. Мако и И. Такахара, Теория иерархических многоуровневых сиситем, издательство «Мир», Москва, 1973
7. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 416 с.
8. С. В. Маклаков, BPwin и ERwin. CASE - средства разработки информационных систем, издательство: Диалог-МИФИ, 2006
9. http://www.icct.ru/Practicality/Papers/30-03-2010/Invertor-01.php Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева С.В.Кухтецкий Институт химии и химической технологии, СО РАН, г. Красноярск
10. http://e-educ.ru/tsisa.html Теория систем и системный анализ

 Скачать: referat.zip