Автоматизация проектирования диафрагм в устройствах измерения расхода жидкостей и газов

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра: «Автоматизированные станочные системы»

дипломный проект

Выпускная квалификационная работа дипломированного специалиста

специальность 230104

«Системы автоматизированного проектирования»

Тема: «Автоматизация проектирования диафрагм

в устройствах измерения расхода жидкостей и газов»

Студент группы 632141 Данильченко Н.С.

(подпись, дата) (фамилия, инициалы)

Руководитель проекта Троицкий Д.И.

(подпись, дата) (фамилия, инициалы)

Консультанты по разделам:

специальности Троицкий Д,И.

(подпись, дата) (фамилия, инициалы)

организационно-экономическому Тарасова Г.М.

(подпись, дата) (фамилия, инициалы)

охране труда и окружающей

реды

(подпись, дата) (фамилия, инициалы)

Заведующий кафедрой Иноземцев А.Н.

(подпись, дата) (фамилия, инициалы)

Тула, 2015 г.

АННОТАЦИЯ

Тема: «Автоматизация проектирования диафрагм в устройствах измерения расхода жидкостей и газов»

Разработала: Данильченко Н.С.

Руководитель: к.т.н. доц. Троицкий Д.И.

Год защиты: 2015.

Название объекта проектирования: диафрагма.

Данная подсистема предназначена для проектирования стандартных диафрагм и диафрагм с коническим входом. Она выполняет следующие функции:

- расчет параметров диафрагмы;

- формирование комплекта конструкторской документации на диафрагму.

Подсистема основана на программных продуктах КОМПАС-3D и Microsoft Office Word. В результате работы программы рассчитываются параметры диафрагмы, оформляется конструкторская документация и отчет о полученных результатах.

Основные проектные решения: автоматический расчёт параметров диафрагмы, автоматическое оформление конструкторской документации, автоматическое формирование отчета по расчету.

Пояснительная записка (ПЗ) содержит 88 страниц формата А4.

Приложение содержит 20 страниц формата А4.

Презентационная часть проекта содержит 18 слайдов.

Содержание:

[0.1] 1.1. Актуальность

[0.2]
1.2. Постановка задачи

[1]
2. Описание объекта проектирования

[1.1] 2.1. Теоретические основы принципа измерения методом переменного перепада давления

[1.2] 2.2. Общие сведения о диафрагмах

[1.2.1] 2.2.1. Границы применения

[1.2.2] 2.2.2. Геометрические размеры стандартной диафрагмы

[1.2.3] 2.2.3. Геометрические размеры диафрагмы с коническим входом

[2]
3. Анализ процесса проектирования диафрагмы

[3]
4. Структурная модель автоматизированной системы проектирования диафрагм

[4]
5. Математическая модель

[4.1] 5.1. Стандартная диафрагма

[4.1.1] 5.1.1. Расчет диаметра отверстия

[4.1.2] 5.1.2. Расчет коэффициентов

[4.1.2.1] 5.1.2.1. Коэффициенты истечения

[4.1.2.2] 5.1.2.2. Коэффициент расширения

[4.1.2.3] 5.1.2.3. Поправочный коэффициент, учитывающий шероховатость внутренней поверхности измерительного трубопровода

[4.1.2.4] 5.1.2.4. Температурный коэффициент линейного расширения материала

[4.2] 5.2. Диафрагма с коническим входом

[5] 6. Результат работы модуля

[5.1] 6.1 Ручной расчет параметров диафрагмы

[5.2] 6.2. Результаты автоматизированного расчета

[5.3] 6.3. Сравнительный анализ

[6]
7. Инструкция для пользователя

[7]
8. Практическая реализация результатов работы

[8]
9. Раздел организационно-экономический

[8.1] 9.1. Основа расчета эффективности изделий, создаваемых с использованием САПР

[8.2]
9.2. Расчет себестоимости программного продукта

[8.2.1] 9.2.1. Затраты времени ЭВМ на внедрение и отладку

[8.2.2] 9.2.2. Расчёт себестоимости программного продукта

[8.2.3] 9.2.3. Обоснование цены прикладной программы

[8.3] 9.3. Расчёт экономического эффекта от внедрения программного продукта

[9]
10. Раздел по охране труда и окружающей среды

[9.1] 10.1. Описание объекта проектирования

[9.2] 10.2. Анализ вредных и опасных производственных факторов

[9.3] 10.3. Мероприятия по устранению и уменьшению действия опасных и вредных производственных факторов

[9.3.1] 10.3.1. Производственное помещение и размещение оборудования

[9.3.2] 10.3.2. Микроклимат воздуха.

[9.3.3] 10.3.3. Производственное освещение

[9.3.4] 10.3.4. Шум.

[9.3.5] 10.3.5. Эргономика организации рабочего места и режима труда

[9.3.6] 10.3.6. Защита от электромагнитных полей, статического электричества, излучений

[9.3.7]
10.3.6. Электробезопасность

[9.3.8] 10.3.7. Пожарная безопасность

[9.4] 10.3.8. Охрана окружающей среды

[9.5] 10.4. Заключение

[10]
Библиографический список:

[11]
Приложение 1

[12]
Приложение 2

[13] Приложение 3

1. Введение

1.1. Актуальность

Химическая промышленность – отрасль тяжелой индустрии. Она определяет развитие НТП, расширяет сырьевую базу промышленности, строительства, является необходимым условием интенсификации сельского хозяйства (производство минеральных удобрений), удовлетворяет спрос населения на продукцию народного потребления.

Химическая промышленность состоит из следующих отраслей:

горно-химическая (добыча минерального сырья: апатиты, фосфориты, сера).
основная химия (получение кислот, щелочей, солей, минеральных удобрений).
химия органического синтеза (производство углеводородного сырья и полуфабрикатов для получения полимерных материалов).
химия полимеров (производство смол, пластмасс, синтетического каучука и химических волокон).
переработка полимерных материалов (изготовление шин, резины, полиэтиленовой пленки).
производство синтетических красителей и химических веществ.

В химической промышленности оптимальное управление многими технологическими процессами основывается на смешивании различных компонентов и ингредиентов, входящих в состав изготовляемого целевого продукта, в строго определенных соотношениях, изменение которых может привести к нарушению хода процессов и получению некачественного готового продукта. Измерение расхода веществ (жидких, газообразных, паров) широко применяется как в товароучетных и отчетных операциях, так и при контроле, регулировании и управлении технологическими процессами.

В настоящее время любое производство ведет нормировку материалов, необходимых для изготовления той или иной продукции. Так и на предприятиях химической отрасли осуществляется контроль измерения расхода веществ, идущих на изготовление сырья, минеральных удобрений и др. Расход вещества обычно требуется измерять с высокой точностью, так как на основании показателей приборов ведется расчет с потребителем.

Одним из наиболее распространенных средств измерений расхода жидкостей и газов (паров), протекающих по трубопроводам, являются расходомеры переменного перепада давления, состоящие из сужающего устройства (СУ), дифманометра, приборов для измерения параметров среды и соединительных линий. В комплект расходомерного устройства также входят прямые участки трубопроводов до и после сужающего устройства с местными сопротивлениями.

Сужающее устройство расходомера является первичным измерительным преобразователем расхода, в котором в результате сужения сечения потока измеряемой среды (жидкости, газа, пара) образуется перепад (разность) давления, зависящий от расхода. В качестве стандартных (нормализованных) сужающих устройств применяются измерительные диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы-Вентури. Наиболее распространенным и часто используемым видом сужающего устройства является стандартная диафрагма, достоинством которой заключается в простоте в изготовлении и монтаже и применении в широком диапазоне чисел Рейнольдса.

Проектирование данного вида СУ представляет собой трудоемкий процесс. К тому же увеличение мощности промышленных установок приводит к росту объема и усложнению систем контроля и автоматического управления технологических процессов. Разработка лишь одной промышленной установки может включать проектирование немалого количества диафрагм.

Рисунок 1.1 - Факельная установка в цехе по производству аммиака

Как видно из рисунка 1.1, в данной установке используется 7 диафрагм. В данном случае расчет займет большое количество времени. К тому же велика вероятность возникновения ошибки и получения некорректных результирующих данных.

Таким образом, внедрение автоматизации проектирования диафрагм снизит фактор появления ошибки, ускорит процесс разработки, приведет к получению оптимальных параметров, что так необходимо для как можно более точного измерения расхода в процессе эксплуатации.

1.2. Постановка задачи

На предприятии осуществляется разработка технологических схем для химической промышленности. В качестве устройств, измеряющих расход газа, жидкости или пара, используются диафрагмы стандартные (камерные), относящиеся к стандартный сужающим устройствам, и диафрагмы с коническим входом, относящиеся к специальным сужающим устройствам.

Для одной технологической схемы может рассчитываться большое количество диафрагм. Расчет диаметра данного СУ представляет собой трудоемкий процесс, который осуществляется вручную.

Поэтому было принято решение автоматизировать процесс проектирования сужающего устройства типа «диафрагма».

Автоматизация включает разработку средств информационной поддержи следующих процессов:

проектирования СУ (стандартная диафрагма, диафрагма с коническим входом) для измерения расхода при заданном режиме;
выбора оптимального варианта относительного диаметра отверстия (для стандартной диафрагмы) для минимизации длины прямолинейных участков.

Результаты работы:

рассчитанные диаметр СУ при рабочей температуре среды и диапазон перепада давления;
рабочий чертеж диска диафрагмы, с проставленными размерами, допусками и указанными техническими требованиями.

Техническое задание на разработку САПР

Техническое задание согласно ГОСТ 34.602-89. Информационная технология. Автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы.

1. Общие сведения:

название системы – «Автоматизация проектирования диафрагм в устройствах измерения расхода жидкостей и газов»
- разработчик – Данильченко Н.С., заказчик – НИАП;
- плановые сроки начала и окончания работы по созданию системы: 9.02.09 – 20.05.09.

2. Назначение и цели создания системы:

назначение системы: автоматизация проектирования стандартных диафрагм и диафрагм с коническим входом с целью получения параметров диафрагм с учетом минимизации длины прямолинейных участков трубопровода, выполнение расчета в соответствии с требованиями ГОСТ 8.586.1-2014 и ГОСТ 8.586.2-2014, автоматизированное оформление конструкторской документации на диафрагму.
цели создания системы: сокращение времени на разработку проекта, получение наиболее оптимальных результатов (диаметр отверстия диафрагмы).
1. Характеристики объекта автоматизации:
перечень документов, содержащих информацию об объекте автоматизации: ГОСТ 8.586.2-2014 «ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА И КОЛИЧЕСТВА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ С ПОМОЩЬЮ СТАНДАРТНЫХ СУЖАЮЩИХ УСТРОЙСТВ» Часть 2 Диафрагмы. Технические требования; РД 50-411-83 «Методические указания. Расход жидкостей и газов. Методичка выполнения измерений с помощью специальных сужающих устройств»;
сведения об условиях эксплуатации объекта автоматизации и характеристиках окружающей среды: используется фланцевый способ отбора давления, тип диафрагмы – ДКС, однофазная и однородная среда (газ, пар, жидкость); число Рейнольдса от до (в зависимости от метода отбора давления возможны дополнительные ограничения по числу Рейнольдса); трубопроводы круглого сечения с внутренним диаметром 50...1000 мм (для стандартной диафрагмы), 12,5..100 мм (для диафрагмы с коническим входом); стационарный или медленно меняющийся поток; скорость потока в отверстии диафрагмы не превышает скорости звука.

4. Требования к системе

4.1 Требования к системе в целом

4.1.1 Требования к структуре и функционированию системы

4.1.1.1 Перечень подсистем, их назначение и основные характеристики

В состав системы должны входить следующие подсистемы:

подсистема расчета: получение геометрических размеров диафрагмы;
подсистема оформления КД: разработка рабочего чертежа с указанием технических требований, простановкой размеров.

4.1.1.2 Требования к режимам функционирования системы

Для системы определены следующий режим функционирования:

клиентское программное обеспечение и технические средства пользователей системы обеспечивают возможность функционирования 24 часа семь дней в неделю;
серверное программное обеспечение и технические средства сервера обеспечивают возможность круглосуточного функционирования, с перерывами на обслуживание;
исправно работает оборудование, составляющее комплекс технических средств;
исправно функционирует системное, базовое и прикладное программное обеспечение системы.

Для обеспечения режима функционирования системы необходимо выполнять требования и выдерживать условия эксплуатации программного обеспечения и комплекса технических средств системы, указанные в соответствующих технических документах (техническая документация, инструкции по эксплуатации и т.д.).

4.1.2 Требования к численности и квалификации персонала системы

Для эксплуатации системы определены следующие роли:

системный администратор:
пользователь.

Основными обязанностями системного администратора являются:

установка, модернизация, настройка и мониторинг работоспособности системного и базового программного обеспечения;
установка, настройка и мониторинг прикладного программного обеспечения.

Основными обязанностями пользователя являются:

эксплуатация системы в рабочих целях;
пользователи системы должны иметь опыт работы с персональным компьютером на базе операционных систем Microsoft Windows, с пакетом прикладных программ Microsoft Office, системой твердотельного моделирования КОМПАС 3D на уровне квалифицированного пользователя.

Рекомендуемая численность для эксплуатации системы:

администратор – 1 штатная единица;
пользователь – число штатных единиц определяется структурой предприятия.

Штатный состав персонала, эксплуатирующего систему, должен формироваться на основании нормативных документов Российской Федерации и Трудового кодекса.

4.1.3 Требования к надежности

Система должна сохранять работоспособность и обеспечивать восстановление своих функций при возникновении следующих внештатных ситуаций:

при сбоях в системе электроснабжения аппаратной части, приводящих к перезагрузке операционной системы (ОС), восстановление программы должно происходить после перезапуска ОС и запуска исполняемого файла системы;
при ошибках в работе аппаратных средств (кроме носителей данных и программ) восстановление функции системы возлагается на ОС;
при ошибках, связанных с программным обеспечением (ОС и драйверы устройств), восстановление работоспособности возлагается на ОС.

Для защиты аппаратуры от бросков напряжения и коммутационных помех должны применяться блоки бесперебойного питания.

4.1.4 Требования к эргономике и технической эстетике

Взаимодействие пользователей с прикладным программным обеспечением, входящим в состав системы должно осуществляться посредством визуального графического интерфейса (GUI). Интерфейс системы должен быть понятным и удобным, не должен быть перегружен графическими элементами и должен обеспечивать быстрое отображение экранных форм. Навигационные элементы должны быть выполнены в удобной для пользователя форме. Средства редактирования информации должны удовлетворять принятым соглашениям в части использования функциональных клавиш, режимов работы, поиска, использования оконной системы. Ввод-вывод данных системы, прием управляющих команд и отображение результатов их исполнения должны выполняться в интерактивном режиме. Интерфейс должен соответствовать современным эргономическим требованиям и обеспечивать удобный доступ к основным функциям и операциям системы.

Интерфейс должен быть рассчитан на преимущественное использование манипулятора типа «мышь», то есть управление системой должно осуществляться с помощью набора экранных меню, кнопок, значков и т. п. элементов. Клавиатурный режим ввода должен использоваться главным образом при заполнении и/или редактировании текстовых и числовых полей экранных форм.

Все надписи экранных форм, а также сообщения, выдаваемые пользователю (кроме системных сообщений) должны быть на русском языке.

Система должна обеспечивать корректную обработку аварийных ситуаций, вызванных неверными действиями пользователей, неверным форматом или недопустимыми значениями входных данных. В указанных случаях система должна выдавать пользователю соответствующие сообщения, после чего возвращаться в рабочее состояние, предшествовавшее неверной (недопустимой) команде или некорректному вводу данных.

Экранные формы должны проектироваться с учетом требований унификации:

все экранные формы пользовательского интерфейса должны быть выполнены в едином графическом дизайне, с одинаковым расположением основных элементов управления и навигации;
для обозначения сходных операций должны использоваться сходные графические значки, кнопки и другие управляющие (навигационные) элементы. Термины, используемые для обозначения типовых операций (добавление информационной сущности, редактирование поля данных), а также последовательности действий пользователя при их выполнении, должны быть унифицированы;
внешнее поведение сходных элементов интерфейса (реакция на наведение указателя «мыши», переключение фокуса, нажатие кнопки) должны реализовываться одинаково для однотипных элементов.

Система должна соответствовать требованиям эргономики и профессиональной медицины при условии комплектования высококачественным оборудованием (ПЭВМ, монитор и прочее оборудование), имеющим необходимые сертификаты соответствия и безопасности Росстандарта.

4.1.5 Требования по сохранности информации при авариях

Программное обеспечение должно восстанавливать свое функционирование при корректном перезапуске аппаратных средств. Приведенное выше требование не распространяется на компоненты системы, разработанные третьими сторонами и действительны только при соблюдении правил эксплуатации этих компонентов, включая своевременную установку обновлений, рекомендованных производителями покупного программного обеспечения.

4.1.6 Требования к защите от влияния внешних воздействий

Защита от влияния внешних воздействий должна обеспечиваться средствами программно технического комплекса Заказчика.

4.1.7 Требования к патентной частоте

Установка системы в целом, как и установка отдельных частей системы не должна предъявлять дополнительных требований к покупке лицензий на программное обеспечение сторонних производителей.

4.2 Требования к функциям (задачам), выполняемым системой

Задачи подсистемы расчета:

проверка по условиям прохождения: по числу Рейнольдса, по вспомогательным коэффициентам;
выбор относительного диаметра отверстия диафрагмы по необходимой минимальной относительной длине прямолинейных участков измерительного трубопровода между диафрагмой и местным сопротивлением.

Задачи подсистемы оформления КД:

разработка рабочего чертежа (вид, разрез) с указанием технических требований, простановкой размеров.

4.3 Требования к видам обеспечения

4.3.1 Требования к математическому обеспечению системы

Математические методы и алгоритмы, используемые для создания системы, а также программное обеспечение, реализующее их, должны быть сертифицированы уполномоченными организациями для использования в государственных органах Российской Федерации.

4.3.2 Требования к информационному обеспечению системы

Состав, структура и способы организации данных в системе должны быть определены на этапе технического проектирования.

4.3.3 Требования к лингвистическому обеспечению системы

Все прикладное программное обеспечение системы для организации взаимодействия с пользователем должно использовать русский язык.

4.3.4 Требования к программному обеспечению системы

При проектировании и разработке системы возможно использование любого программного обеспечения. Базовой программной платформой должна являться операционная система MS Windows.

4.3.5 Требования к техническому обеспечению

Техническое обеспечение системы должно максимально и наиболее эффективным образом использовать существующие в органах федерального агентства технические средства.

Требования к техническим характеристикам ПК пользователя:

– процессор – Intel Pentium IV 2 ГГц;

– объем оперативной памяти – 512 Мб;

– дисковая подсистема – 40 Гб.

2. Описание объекта проектирования