Распределенная автоматизированная система управления

Воздействие электростатических полей заключается в том, что положительные ионы, разгоняясь в электростатическом поле экрана, направляются навстречу лицу оператора.

Рис. 6.1 Взаимное расположение оператора и монитора.

Снизить воздействие рентгеновского излучения и электростатических полей можно, если установить на экран монитора специальный антистатический фильтр. Помимо этого для снижения негативного влияния излучений необходимо, чтобы оператор выполнял следующие требования:

·  Расстояние между экраном и лицом должно быть не менее 50 cм.;

·  Оператор должен находиться не ближе 1.5 м от задних и боковых поверхностей соседних мониторов;

6.3. Оценка интерфейса разрабатываемой программы и среды разработки

Для обеспечения эффективной работы оператора нужно учитывать его эмоциональные, психологические и физиологические особенности. Если оператор расстроен, раздражен или подавлен, то он не может работать плодотворно [13]. Элементом системы, который может оказать положительное или же отрицательное влияние на оператора, является интерфейс человек – компьютер, т. е. среда, через которую оператор взаимодействует с компьютером. Интерфейс человек – компьютер включает такие аспекты вычислительной системы, которые касаются непосредственно пользователя. Этот важный фактор, обеспечивающий успешную работу вычислительной системы, так как эргономические (как физические, так и психологические) характеристики интерфейса оказывают существенное влияние на производительность труда оператора.

Разработка программного продукта производилась при помощи SCADA системы TRACE MODE 5.11. Интерфейс данного продукта можно оценить как крайне привлекательный практически для любого разработчика программ под Windows 98/NT/XP, а также ОС LINUX. При разработки программного продукта, осуществляющим визуализацию технологического процесса были учтены воздействия цвета на функции органов и систем человека. Характеристика воздействий цвета на функции органов и систем представлены в табл. 6.3 [13].

Таблица 6.3. Цвета на функции органов и систем

Можно добавить к сказанному, что интерфейс разрабатываемой программы и среды разработки отвечают одним и тем же требованиям и представляют собой стандартный графический интерфейс XWindows System, поэтому будем рассматривать эти пункты вместе. Произведем оценку интерфейса согласно ГОСТ ИСО/МЭК 9126-93. По этому нормативному документу испытываются следующие параметры:

1.  Функциональные возможности. Программа графического отображения позволяет производить контроль технологического процесса, отображая текущие значения всех контролируемых параметров в виде графиков, с рабочего места оператора.

2.  Надежность. Отсутствие тупиковых ситуаций, а также возможность работы программы графического отображения в среде Linux значительно повышает надежность всей системы в целом.

3.  Практичность. Операторский интерфейс, максимально соответствует контролируемому объекту. Таким образом, программой графического отображения могут пользоваться операторы, имеющие минимальный навык работы с компьютером.

4.  Эффективность. Разработанный программный продукт обладает низкими аппаратными требованиями (см. пункт 4.3.2).

5.  Сопровождаемость. Большой объем вспомогательной информации, позволяющий легко работать в рассматриваемой программе.

6.  Мобильность. Возможность работы программы графического отображения как в среде MS Windows, так и в среде Linux. Независимость от типов монитора и видеоадаптера.

6.4. Пожарная безопасность

Продолжительность пожара и его температурный режим обуславливаются количеством горючих материалов в помещении, их пожаро и взрывоопасными свойствами и особенностями технологических процессов размещаемых в них производств. Данное помещение операторской согласно СН и ПII90-81 можно отнести к классу «Д», так как работа не связана с обработкой горючих веществ и материалов. Опасными факторами, воздействующими на людей при пожаре, являются: открытый огонь, повышенная температура воздуха, предметов и т.п.; токсичные продукты горения, дым, пониженная концентрация кислорода; обрушение и повреждение зданий, сооружений, взрывы.

Наиболее вероятными причинами возникновения пожара в рассматриваемом помещении являются [13] причины электрического характера: короткое замыкание, перегрузки, искрение. В результате короткого замыкания, а также при плохом контакте на клеммах возникают искры, от которых могут загореться пластиковые корпуса ЭВМ и периферийных устройств. В результате перегрузок некоторые детали нагреваются до температуры, при которой могут загораться печатные платы. Перегрузки и короткое замыкание в сети могут вызвать возгорание изоляции сетевых кабелей. Короткие замыкания возникают при неправильном устройстве и эксплуатации электроустановок, старении или повреждении изоляции. Ток короткого замыкания достигает нескольких кА, что вызывает искрение и разогревание токоведущих частей до высокой температуры, а это в свою очередь, влечет воспламенение изоляции проводов и находящихся рядом сгораемых конструкций и материалов. При токовых перегрузках в электросетях применяются плавкие предохранители и воздушные автоматические переключатели.

Возникший пожар можно устранить с помощью наиболее распространенного средства – огнетушителя. Так как в помещении операторской есть электроустановки и оборудование, находящееся под напряжением, то в качестве огнетушащего средства подходят газовые составы – хладоны, инертные разбавители, порошки. Недостаток порошкового тушения, помимо высокой стоимости и трудности хранения, является сильное запыление помещения. Углекислый газ химически инертен, не проводит электрический ток, не вызывает коррозии оборудования.

Для борьбы с пожаром в помещении операторской установлены два ручных углекислотных огнетушителя ОУ-5, расположенных в разных концах помещения.

Для своевременного оповещения о пожаре в операторской установлены извещатели-датчики КИ-1, подключенные к системе автоматической пожарной сигнализации, реагирующие на повышенную температуру и дым.

6.5. Экологичность работы

Само по себе программное обеспечение не может нести прямую экологическую угрозу окружающей среде, так как это всего лишь набор кодов загруженных в оперативную память ЭВМ. Программы могут сохраняться на различного типа носителях и также не представляют экологической опасности. Основную опасность представляют ЭВМ, на которых разрабатывается и работает программное обеспечение.

Как и любой электроприбор, компьютер подключается к сети переменного тока. В зависимости от своей комплектации ЭВМ может потреблять мощность от 80 до 300 ватт, что ведет к значительному расходу электроэнергии при интенсивной эксплуатации. Поскольку все выработки электричества оказывают вредное воздействие на окружающую среду (к примеру, кислотные выбросы и выбросы, влияющие на климат, радиоактивные отходы) экономия энергии является жизненно важной.

В настоящее время существуют стандарты энергосбережения (например, Energy Star), которые позволяют в ряде случаев экономить достаточно большое количество электроэнергии. Такому стандарту соответствуют все выпускаемые последние несколько лет компьютеры и комплектующие к ним. Стандарт подразумевает, что компьютер и/или дисплей после определённого периода, в течении которого к нему нет обращения, должен за один или несколько этапов уменьшить потребление питания до низкого уровня (перейти в “спящий” режим Sleep/Stand by mode).

Требования по защите окружающей среды среди прочего налагают ограничения на наличие и использование тяжёлых металлов, применение бромистых и хлористых соединений для поглощения огня, фреонов и хлорсодержащих растворов, так как после вторичной переработки эти вещества по большей части рано или поздно оказываются на природе.

В последнее время весьма эффективным, хотя и дорогим, решением является использование мониторов на жидких кристаллах. Эти устройства отображения информации не излучают рентгеновских лучей, а электромагнитные поля у них значительно слабее, чем у обычных мониторов.

Возмущения, создаваемые компьютером в электрической сети гасятся при помощи установки сетевых фильтров. Кабельные системы желательно тщательно экранировать и размещать подальше от людей.

Звуковые шумы устраняются совсем или частично путем установки малошумных компьютерных подсистем, замены шумных (щелкающих) клавиатур на новые бесшумные модификации, матричных и струйных принтеров на лазерные и т.п.

Таким образом, в разделе “Безопасность и экологичность проекта” был произведен анализ влияния на человека и окружающую среду разработанной системы. В процессе анализа были выявлены наиболее опасные и вредные факторы, влияющие на работающего в этих условиях человека, также были предложены мероприятия и рекомендации по предотвращению возникновения несчастных случаев. Рассмотрен вопрос о мероприятиях по защите окружающей среды.

7.1. Выбор и обоснование аналога

В качестве аналога автоматизированной системы управления тепличным хозяйством выберем комплекс «АСУ «Теплица» ЗАО “НАНКО”, который реализует следующие основные функции:

·  регистрацию и отображение значений контролируемых параметров (температуры и влажности воздуха, температуры воды в контурах отопления, положения регулирующих клапанов и др.);

·  создание архивов измеряемых параметров;

·  непрерывный контроль действующего оборудования;

·  оперативное дистанционное переключение на резервное или автономное энергоснабжение теплиц при отключении или выходе из строя основного;

·  постоянный учёт расхода теплоносителей и электроэнергии;

·  своевременное обнаружение сбоев и предаварийных и аварийных ситуаций в работе действующего оборудования;

·  точность поддержания температуры воздуха в теплице ± 1°С;

·  точность поддержания влажности воздуха и почвы в теплице ± 3°%.

Более детальный анализ данной разработки показывает, что рассматриваемый информационный комплекс компании "НАНКО" ориентирован для создания тепличных хозяйств, занимающих большую площадь и включающих большое количество помещений. Как следствие из всего этого данная разработка является слишком громоздкой и дорогой для создания тепличного хозяйства, включающего две-три теплицы. В отличие от рассмотренного аналога, разработанная мною автоматизированная система управления тепличным комбинатом, рассчитана на применение в небольших фермерских хозяйствах. Она требует меньших материальных затрат, занимает меньшую площадь, но при этом имеет высокие показатели надежности и качества.

7.2. Расчет интегрального показателя качества

Каждая из технологий, обеспечивающая решение поставленной задачи обладает сильными и слабыми сторонами. Поэтому необходим комплексный критерий, способный оценить положительные и отрицательные составляющие каждой из технологий. В качестве такого критерия может выступать интегральный показатель качества.

Таблица 7.1. Интегральный показатель качества

Относительный критерий качества равен отношению двух абсолютных интегральных критериев. . Относительный критерий качества больше единицы, а значит, данная разработка целесообразна.

7.3. Функционально-стоимостной анализ

Метод функционально-стоимостного анализа является видом экономического анализа, суть которого заключается в системном исследовании объекта, направленном на оптимизацию соотношения между потребительскими свойствами и затратами на его создание и использование [14].

Функционально-стоимостной анализ состоит из 3 базисных этапов:

1.  Определение назначения объекта.

1.1.  Формирование целей и задач проектирования.

1.2.  Формирование основных и вспомогательных функций.

2.  Оценка назначений путем сравнения.

3.  Разработка вариантов, изменяющих стоимость.

Автоматизированный информационный комплекс тепличного комбината включает в себя:

1.  Аппаратура сбора информации о ходе технологического процесса.

2.  Смесительное устройство.

3.  Аппаратура сопряжения верхнего и нижнего уровней АСУ тепличным комбинатом.

4.  Исполнительные устройства.

5.  Сервер производственного контроля.

·  аппаратура сбора информации о ходе технологического процесса производит снятие, преобразование и передачу текущих значений контролируемых параметров;

·  смесительное устройство предназначено для подготовки воды полива и требуемого расхода потока поливной воды, путем смешивания двух потоков горячей и холодной воды.

·  аппаратура сопряжения представляет собой однопроводную сеть MicroLAN, предназначенную для передачи сигналов с измерительных устройств, а также для организации доступа к каждому измерительному устройству.

·  исполнительные устройства предназначены для осуществления внешнего воздействия на технологический процесс под действием управляющих команд.

·  сервер производственного контроля, представляет собой персональный компьютер, подключенный к сети MicroLAN, и выполняет визуализацию технологического процесса, выработку управляющих воздействий, архивирование информации о ходе технологического процесса, сигнализирование нарушений о его ходе.

Рис. 7.1. Структурная схема АСУ тепличного комбината.

Рис. 7.2. Функциональная схема АСУ тепличного комбината.

Таблица 7.2 Расчет стоимости покупных изделий.

Таблица 7.3. Вид и содержание функций АСУ тепличного комбината.

Таблица 7.4. Затраты на функцию.

Рис. 7.3. Функционально-стоимостная диаграмма АСУ тепличного комбината.

Из функционально-стоимостной диаграммы, представленной на рис. 9.4, видно, что стоимости функций не превышают их значимости, следовательно, выбор устройств было произведен правильно.

7.4. Расчет затрат на конструкторскую и технологическую подготовку производства

Затраты на этапе проектирования сводятся к определению заработной платы инженерно-технических работников, занятых на этапах конструкторской, технологической и организационной подготовки производства [12]. Часовая ставка исполнителя рассчитывается делением среднемесячного оклада на действительный часовой фонд времени исполнителей.

где    Зчас - часовая ставка;

Зср - средняя зарплата;

tф - фонд времени.

Определим заработную плату инженерно-технических работников, занятых на этапах конструкторской, технологической и организационной подготовки производства. Для расчета затрат необходимо определить продолжительность каждой работы на этом этапе. Величина месячного фонда времени при пятидневной рабочей неделе в среднем составляет t = 176 часов. В нашем случае среднемесячный оклад инженера составляет 6000 рублей. Согласно (7.1) имеем:

Таблица 7.5. Смета оплаты труда.

Для определения затрат на НИР составляется смета, в которую входят все затраты по выполнению работ с распределением их по калькуляционным статьям. Распределение удельного веса отдельных статей в структуре сметы приведено в табл. 7.6.

Таблица 7.6. Распределение удельного веса статей в структуре сметы

Оценим стоимость проведения всей работы:

Для расчета суммы капитальных вложений воспользуемся формулой (7.3).

Себестоимость разрабатываемой АСУ тепличного комбината рассчитывается по формуле:

В капитальные вложения потребителя Кпотр входят:

где

ST, SMH – стоимость перевозки к месту эксплуатации и настройки (4% Цоп);

SЗП – стоимость запаса сменных частей (10% Цоп).

При этом рассматривается нерезервируемая система, так как сменные части установки не учитываются.

При расчете эксплутационных расходов учитываются амортизационные отчисления и затраты на профилактический и текущий ремонт [12]:

Амортизационные отчисления:

где

ан – норма амортизации (0,251 );

ЦОП – стоимость системы.

Затраты на профилактический текущий ремонт:

Суммарные расходы на эксплуатацию составят:

7.5 Определение показателей экономической эффективности для потребителя

Основными потребителями данной продукции являются фермерские хозяйства. Автоматизированная система управления тепличным комбинатом позволит не только, повысить количество и качество выращиваемой продукции, но и позволит размещать рекламу в Internet, создавать отчеты, снизит до минимума потери от нарушений в ходе технологического процесса.

При разработке АСУ тепличного комбината, постоянно учитывались ценовые показатели комплектующих:

1.  Использование ОС ASPlinux7.3, свободного распространяемого по лицензии GNU, вместо MS Windows 2000 Server, позволило не только сэкономить около 25000 рублей, но и повысить надежность всей системы в целом.

2.  Для сопряжения верхнего и нижнего уровней АСУ используется однопроводная сеть MicroLAN вместо традиционной CAN-сети. CAN-сети являются более надежными, но и очень дорогими.

За счет использования новых более дешевых, а в некоторых случаях и вообще бесплатных, составляющих конечная цена получилась относительно низкой, что, несомненно, привлечет потенциальных покупателей.

Проведем анализ эффективности разработки для потребителя в случае серийного выращивания овощей в автоматизированном тепличном комбинате в течение одного года.

В цеху работает 3 человека – специалистов по настройке и загрузке установки. Если положить, что оплата труда рабочих за один час составляет 22.7 рублей, то за год на оплату труда рабочих потребуется:

Общие издержки определим по следующей формуле:

Цена за один килограмм клубники:

Производительность тепличного комбината составляет 7000 кг/год:

Отсюда срок окупаемости для потребителя:

7.6. Расчет себестоимости и определение показателей экономической эффективности для производителя.

Проведем анализ эффективности разработки в случае серийного производства в течение одного года. На автоматизацию одного тепличного комбината тратится 500 часов. Так как в неделе 40 рабочих часов, а в году 11 рабочих месяцев, следовательно, за год автоматизации может подлежать:

В цеху работает 10 человек – специалистов по сборке установок, по наладке и наладчиков, 1 – уборщица, 1- сторож. Норма заработной платы рабочих составляет 28.4 руб./ч. За год сумма зарплат всех рабочих составит:

Затраты на закупку комплектующих изделий для одного образца составляют:

.

В год на комплектующие изделия потребуется:

В результате общие издержки можно определить по следующей формуле:

Тогда себестоимость устройства равна:

Учитывая, что рынок подобных систем еще не велик, назначим рекомендуемую нами окончательную стоимость:

В этом случае прибыль составит:

Рентабельность данного проекта можно оценить:

Таким образом, для обеспечения рентабельности необходимый объем продаж должен быть не менее 3 изделий. Срок окупаемости 9 месяцев.

В данной работе экономически было обоснована организация автоматизации данной отрасли. Интегральный критерий качества новой разработки оказался выше, чем у выбранного аналога, что и является аргументом в пользу данной новой разработки. Срок окупаемости оказался равным 17 месяцам. К тому же цены на овощи в странах с низкой среднегодовой температурой достаточно велики, чтобы очень быстро покрыть издержки на закупку и эксплуатацию оборудования. Очевидно, что приведенная стоимость АСУ тепличного комбината в 2-3 раза меньше аналогов. Указанное обстоятельство определяется выбором современных технологий, а также возможность реализовать продукцию с качеством, не уступающим аналогам. Предусматривается реклама в сети Internet средствами самой автоматизированной системы, что позволит составить достойную конкуренцию, имеющимся аналогам. При проведение рекламной компании будет производится ориентация на страны с достаточно низкой среднегодовой температурой, где даже в летнее время многие овощи не успевают вызревать.

В данном дипломном проекте были разработаны верхний уровень автоматизированной системы управления тепличным комбинатом, а также система автоматического управления смесительным устройством. Была выведена математическая модель смесительного устройства и для неё синтезированы законы управления, посредством типовых регуляторов. Была произведена настройка регуляторов на оптимум по модулю. По результатам моделирования видно, что синтезированная замкнутая система управления смесительным устройством полностью удовлетворяет требованиям, прдъяваленным в техническом задании. Так как объект управления является многосвязным, то была рассмотрена проблема взаимного влияния контуров. Были разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы САУ смесительного устройства.

На базе SCADA системы TRACE MODE разработана программа графического отображения производственных процессов, а также рассмотрена проблема архивация значений контролируемых параметров. Используемая SCADA система TRACE MODE по своему инновационному характеру превосходит все существующие аналоги.

В дипломном проекте рассмотрена проблема сопряжения верхнего и нижнего уровня АСУ тепличного комбината. Связь уровней АСУ реализована с помощью однопроводной сети MicroLAN, разработана структурная схема однородной сети АСУ тепличного комбината. В последнее время все больше разработчиков проявляют интерес этой технологии, что связанно, со следующими особенностями: несложный протокол, простая структура линии связи, легкое изменение конфигурации сети, значительная протяженность линий связи, исключительная дешевизна всей технологии в целом.

Также была рассмотрена проблема настройки сервера производственного контроля. В качестве сетевой операционной системы выбрана OC ASPLinux 7.3, что значительно повысило надежность всей системы в целом и значительно уменьшило её себестоимость.

Было установлено, что данная разработка полностью удовлетворяет всем требования по безопасности и экологичности.

В экономической части проекта были произведены оценка интегрального показателя качества, функционально-стоимостной анализ, расчет эффектов потребителя и производителя.

Список используемой литературы

1.  «Математические основы теории систем автоматического управления», А.Р. Гайдук, Москва, 2002.

2.  Учебно-методическое пособие по выполнению курсового проекта по дисциплинам «Автоматизированное управление в технических системах» и «Проектирование микропроцессорных систем промышленной электроники», Т.А. Пьявченко, Таганрог, 1999.

3.  «Управление технологическими процессами производства микроэлектронных приборов», В.А. Пузырев, Москва, 1984.

4.  П.И. Черныш «Локальные системы управления», Таганрог, 1993.

5.  «Цифровые системы управления», П. Изерман, Москва, 1984.

6.  Методические указания по разработке функциональных схем автоматизации технологических процессов и производств в курсовых и дипломных проектах, А.С. Клюев, Иваново, 1993.