ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Лабораторный стенд для изучения функционирования источника бесперебойного питания интерактивного типа
Пояснительная
записка
Аннотация
Пояснительная записка содержит 78 страниц, в том числе 22 рисунка , 13 таблиц. Графическая часть выполнена на 9 листах формата A1.
В дипломном проекте разработаны электрическая функциональная, электрическая принципиальная схема, разработан алгоритм, печатная плата и произведена трассировка. Диплом содержит расчет экономических показателей, рассмотрены вопросы безопасности труда.
Summary
Explanatory note contains 78 pages, including 22 figure 13 tables. Graphic part is on the 9 sheets of A1 paper format.
In his graduation project, developed electric functional, electric concept, developed Algoritm, PCB and produced tracing .
Project also includes calculation of economic measures, review of labor safety.
Содержание
Введение……………………………………………………………………………………………….7
1 Обзор источников бесперебойного питания. 12
1.1 Характеристики ИБП.. 12
1.2 Анализ типов источников бесперебойного питания. 13
1.3 Резервная схема, или схема типа Off-Line, Standby. 13
1.3 Схема ИБП двойного преобразования, или схема online. 14
1.4 Линейно-интерактивная схема. 16
2 Этап функционального проектирования. 18
2.1 Разработка функциональной схемы.. 18
2.2 Формирование гармонического сигнала в автономном режиме. 19
2.3 Оценка параметров ФНЧ. 21
3 Разработка электрической принципиальной схемы.. 23
3.1 Расчёт электрических параметров трансформатора. 23
3.2 Выбор автотрансформатора. 25
3.3 Двунаправленный инвертор. 26
3.4 Расчёт ФНЧ. 27
3.5 Блок измерения переменного тока и напряжения. 28
3.6 Транзисторные схемы согласования микроконтроллера и реле. 32
3.7 Блок управления. 33
4 Разработка печатной платы.. 36
4.1 Выбор категории и структуры печатной платы.. 36
4.2 Размещение элементов на плате. 36
4.3 Трассировка проводников печатной платы.. 38
5 Разработкасхемы алгоритма для микроконтроллера. 39
5.1 Алгоритм обработки внешнего прерывания для управления тиристорным выпрямителем. 39
5.1 Алгоритм обработки прерывания по совпадению в модуле OCC0. 40
5.2 Алгоритм генерации меток времени. 42
6 Технико-экономическое обоснование проекта. 44
6.1 Расчёт себестоимости аппаратной части устройства. 44
6.2Расчёт себестоимости программной части устройства. 47
6.3 Расчёт себестоимости изготовления опытного образца. 52
7 Безопасность труда. 57
7.1 Анализ и обеспечение безопасности труда. 57
7.2 Расчет искусственного освещения. 63
7.3 Возможные чрезвычайные ситуации. 65
Заключение. 71
Список использованных источников. 72
ПРИЛОЖЕНИЕ А.. 74
Введение
Для чего нужен источник бесперебойного питания (ИБП)?
Исходя из самого названия этих устройств, можно сказать, что главной их задачей является обеспечение продолжения работы электроники после отключения напряжения в электросети. Все верно. Но на более-менее продолжительную работу можно рассчитывать только с дизель-генератором или о-очень дорогим ИБП с батареями огромной емкости. Поэтому в отношении компьютерных пользователей логичнее было бы говорить о том, что ИБП дает возможность в нормальном режиме завершить работу и выключить компьютер (некоторые, кстати, шутят, что, мол, Билл Гейтс своей операционкой обеспечил производителей пользовательских ИБП работой на долгие годы, и в чем-то они правы). При этом учтите, что зависимость времени автономной работы от нагрузки нелинейна – при снижении нагрузки вдвое время работы увеличивается примерно в три раза. Так что запас по мощности работает не только в качестве перестраховки, но и просто для продления времени автономной работы. Производители, кстати, всегда указывают время автономной работы при максимально допустимой нагрузке на свои ИБП.
Дополнительным (и очень весомым) аргументом в пользу использования ИБП является наличие в них хороших схем защиты, заведомо лучших, чем в дешевом сетевом фильтре. Ну, а о конкретных степенях защиты вы можете прочитать прямо на коробке от любого конкретного ИБП – это уже хорошая традиция для всех производителей.
А вот для чего ИБП точно не нужен, так это для сетей с постоянными сильными скачками напряжения. Вернее, нужен, но не только ИБП, а еще и стабилизатор напряжения. Это ограничение, в принципе, не касается мощных активных бесперебойников, да и линейно-интерактивных устройств с хорошими схемами регулировки напряжения. Но степень «хорошее» очень важна. С небольшими колебаниями напряжения могут справиться и простенькие ИБП, у которых трансформаторы имеют по одной ступени (вверх и вниз). Например, ИБП с одной ступенью регулировки на 15 % при 187 В еще должны работать нормально, но если напряжение опустится ниже, устройство переключится на батареи. Кстати, насколько ниже должно опуститься напряжение в сети, чтобы ИБП перешел в автономный режим, зависит от настроек устройства. Так что, если это возможно для вашего ИБП, не брезгуйте ручной регулировкой параметров через комплектный софт.
Если колебания напряжения происходят достаточно часто и их амплитуда велика, ИБП без хорошего трансформатора (хоть встроенного, хоть отдельного) будет постоянно переключаться на батареи и обратно. Результат для батарей, сами понимаете, будет плачевным.
Все, что связано с электрическими сетями, в России регламентируется положениями ГОСТ 13109-97 (принят Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации взамен ГОСТ 13109-87). Нормативы этого документа полностью соответствуют международным стандартам МЭК 861, МЭК 1000-3-2, МЭК 1000-3-3, МЭК 1000-4-1 и публикациям МЭК 1000-2-1, МЭК 1000-2-2 в части уровней электромагнитной совместимости в системах электроснабжения и методов измерения электромагнитных помех.
Стандартными показателями для электросетей в России, установленными ГОСТ, являются следующие характеристики:
- напряжение питания — 220 В±10 %;
- частота — 50±1 Гц;
- коэффициент нелинейных искажений формы напряжения — менее 8 % в течение длительного времени и 12 % — кратковременно;
Оговорены в документе и типичные проблемы электроснабжения. Чаще всего нам приходится сталкиваться со следующими из них:
- полное пропадание напряжения в сети (отсутствие напряжения в сети на время более 40 секунд из-за нарушений в линиях подачи электроэнергии);
- проседания (кратковременное снижение напряжения в сети до величины менее 80% от номинального значения на время более 1 периода (1/50 секунды) являются следствием включения мощных нагрузок, внешне проявляется как мерцание ламп освещения) и всплески (кратковременные повышения напряжения в сети на величину более 110 % от номинального на время более 1 периода (1/50 секунды); появляются при отключении большой нагрузки, внешне проявляются как мерцание ламп освещения) напряжения разной продолжительности (характерно для больших городов);
- высокочастотный шум — радиочастотные помехи электромагнитного или другого происхождения, результат работы мощных высокочастотных устройств, коммуникационных устройств;
- отклонение частоты за пределы допустимых значений;
- высоковольтные выбросы — кратковременные импульсы напряжения величиной до 6000В и длительностью до 10 мс; появляются при грозах, как результат статического электричества, из-за искрения переключателей, внешних проявлений не имеют;
- выбег частоты — изменение частоты на 3 и более Гц от номинального (50 Гц), появляются при нестабильной работе источника электроэнергии, внешне могут и не проявляться.
Все эти факторы могут привести к выходу из строя достаточно «тонкой» электроники, и, как это часто бывает, к потере данных. Впрочем, люди давно научились защищаться: фильтры сетевого напряжения, «гасящие» скачки, дизель-генераторы, обеспечивающие подачу электроэнергии системам при пропадании напряжения в «глобальном масштабе», наконец, источники бесперебойного питания — основной инструмент защиты персональных ПК, серверов, мини-АТС и др.
Рассмотрим коротко их устройство, а также достоинства и недостатки.
Можно сказать, что с того самого момента, как началось практическое применение электричества, начались и первые проблемы с электросетями. Со временем их становилось все больше, и современные пользователи пытаются сохранить свою электронику от перепадов напряжения и прочих подобных «сюрпризов». Сегодня речь пойдет об основном оружии в этой борьбе. А именно – об источниках бесперебойного питания (ИБП).
Сети перегружены практически во всех крупных городах, поскольку при их проектировании никто не рассчитывал на появление в каждой квартире (или, как минимум, через одну-две) кондиционера, стиральной машины, нескольких телевизоров, мощных холодильников, компьютера (куда же без него) и особого ужаса – современных электрочайников. Раньше выход был всего один – обзаводиться дизель-генератором и исправно подливать в него солярку. Но сейчас для защиты от перебоев с электричеством существуют другие, более дешевые, удобные и практичные устройства.
Никто не сможет вас заранее предупредить о том, когда и где застанет беда с электропитанием. Из горького опыта нашей редакции могу вспомнить период, примерно год назад, когда после сильных дождей пришла в негодность целая фаза, и в итоге напряжение в розетках офисов по всему зданию колебалось от 155-160 В днем (когда все, кто смог, включали компьютеры или эти проклятые чайники) до еще терпимых 180-185 В ночью. Нетрудно догадаться, что большая часть компьютеров при этом не работала, но мало кто так, с ходу, дополнит картину полностью «погибшими» буквально за эту пару недель аккумуляторными батареями практически во всех ИБП, находившихся в офисе.
Впрочем, чтобы сразу ставить такой диагноз, надо разобраться с принципами работы современных ИБП, определить их классификацию и сделать логичное предположение по поводу того, какие именно бесперебойники находились в распоряжении нашей редакции. Ничего сложного в базовых понятиях нет, если, конечно, не углубляться в изучение деталей, по поводу которых специалисты могут спорить часами. Впрочем, желающие разобраться в устройстве ИБП досконально смогут найти в этой статье хорошие «отправные точки» в виде ссылок на дополнительные источники информации.
А мы пока начнем с самого элементарного. С того, о чем вы уже и так могли знать, но точно так же могли и забыть.
Термин «источник бесперебойного питания» охватывает достаточно широкий набор устройств, которые, по большому счету, имеют всего одну принципиально неизменную общую черту – они способны за счет имеющегося аккумулятора некоторое время поддерживать необходимое напряжение на подключенных к ним устройствах после мистического исчезновения тока в розетке (о причинах отдельно говорить не будем).
Самая простая и (на первый взгляд) понятная характеристика, по которой можно классифицировать ИБП, – это номинальная мощность.
Если вы знаете, какую мощность потребляет электроника, которую вы хотите защитить, а также определились с уровнем этой самой защиты, выбор нужной мощности не составит особого труда (чтобы разобраться с Вольт-Амперами и Ваттами, почитайте врезку ниже – «Вольт-Амперы vs Ватты»).
По поводу уровня защиты можно добавить еще то, что для действительно важных случаев (или просто ради пущей осторожности) можно воспользоваться несколькими ИБП сравнительно невысокой мощности, чтобы собрать систему, в чем-то напоминающую RAID-массив из HDD-дисков. Два ИБП, подключенных параллельно, образуют импровизированный RAID 1 при условии, что каждый их этих бесперебойников в состоянии обеспечивать защищаемой системе нужную мощность. С увеличением количества компьютеров имеет смысл оставлять все тот же один «лишний» ИБП, который просто восполнит недостающую мощность, если выйдет из строя одно из «основных» устройств (например, при работе четырех компьютеров используем пять ИБП, подключенных параллельно, а не по одному бесперебойнику на каждый комп, и один просто стоит в шкафу «на черный день»). Естественно, в такой схеме определить «основной» и «резервный» ИБП нельзя – все работают на равных правах, пока одному из устройств не вздумается сломаться. Впрочем, это уже экзотика пошла, которая пригодится далеко не каждому.
Поэтому перейдем к более насущному признаку, который лежит в основе классификации ИБП – к принципу работы.
Самый простой и, как следствие, дешевый тип бесперебойников – это пассивные (off-line) устройства. Они обеспечивают только резервное питание от аккумуляторов, переключение на которые происходит после отключения напряжения в электросети. Время переключения составляет 4-14 мс, но благодаря тому, что компьютерные БП являются импульсными, такая задержка обычно не нарушает работу компьютера. Хотя, конечно, для всего есть свои разумные пределы, и чем меньше время переключения, тем лучше.
ИБП пассивного типа в нормальных условиях пускают ток из розетки практически напрямую. Хотя современные ИБП такого типа обычно оборудованы несколькими схемами, предназначенными для фильтрации помех. При работе от батарей у таких устройств на выходе получается либо прямоугольное напряжение, даже отдаленно непохожее на синусоиду (ну, это для самых простых или старых ИБП), либо аппроксимированное, приближенное по виду к синусоиде. Впрочем, даже аппроксимированное напряжение имеет слишком заметные «ступеньки», которые могут помешать работе различной электроники от аккумулятора. Нормально «съедает» такое напряжение опять-таки только импульсный БП системного блока, которому, в принципе, все равно, какую форму имеет график напряжения. Лишь бы было переменным и с достаточной амплитудой.
Массовое использование ИБП связано с обеспечением бесперебойной работы компьютеров, позволяющее подключенному к ИБП оборудованию при пропадании электрического тока или при выходе его параметров за допустимые нормы, некоторое непродолжительное (как правило — до 10-15 минут) время продолжить работу. Кроме компьютеров, ИБП обеспечивают питанием и другую электрическую нагрузку, критичную к наличию питания с нормальными параметрами электропитающей сети, например схемы управления отопительными котлами. ИБП способен корректировать параметры (напряжение, частоту) выходной сети. Крайне редкие экземпляры могут совмещаться с различными видами генераторов электроэнергии (например, дизель-генератором).
Важными показателями, обуславливающими выбор схемы построения ИБП, являются время переключения нагрузки на питание от аккумуляторных батарей и время работы от аккумуляторной батареи.
Ноутбукам и прочим устройствам, имеющим встроенную аккумуляторную батарею, ИБП не нужен — аккумулятор со встроенными схемами переключения сам является таковым.
1 Обзор источников бесперебойного питания
Источники бесперебойного питания (ИБП) или UNINTERRUPTED POWER SUPPLY (UPS) – автоматическое устройство, позволяющие поддерживать напряжение при его отключении в сети или выходе за пределы рабочего диапазона.
ИБП бывают трех типов:
- резервный (OFF-LINE или STANDBY);
- линейно-интерактивный (LINE-INTERACTIVE);
- с двойным преобразованием энергии (ON-LINE);
Неполадками в питающей сети считаются:
- авария сетевого напряжения (напряжение в питающей сети полностью пропало);
- высоковольтные импульсные помехи (резкое увеличение напряжения до 6 кВ продолжительностью от 10 до 100 мс);
- долговременные и кратковременные подсадки и всплески напряжения;
- высокочастотный шум (высокочастотные помехи, передаваемые по электросети);
- побег частоты (отклонение частоты более чем на 3 Гц).
1.1 Характеристики ИБП
1) выходная мощность, измеряемая в вольт-амперах (VA) или ваттах (W), стоит обратить внимание, что оборудование, содержащее мощные электродвигатели имеет «пусковые токи» - это означает, что в момент пуска двигателя устройство кратковременно потребляет мощность, в 5-7 раз превышающее паспортную (ИБП должен выбираться с учётом этого факта);
2) выходное напряжение, измеряется в вольтах, В;
3) время переключения, то есть время перехода ИБП на питание от аккумуляторов, (измеряется в миллисекундах, ms);
4) время автономной работы, определяется ёмкостью батарей и мощностью подключённого к ИБП оборудования (измеряется в минутах, мин.), у большинства офисных ИБП оно равняется 4-15 минутам; (обычно 40-45 минут при свежих батареях и ненагруженном компьютере);
5) ширина диапазона входного (сетевого) напряжения, при котором ИБП в состоянии стабилизировать питание без перехода на аккумуляторные батареи (измеряется в вольтах, V);
6) срок службы аккумуляторных батарей (измеряется годами, обычно свинцовые аккумуляторные батареи значительно теряют свою ёмкость уже через 3 года, сильно зависит от качества, а значит, и цены ИБП, конкретно от степени примитивности его цепи зарядки батареи);
7) сквозной ноль - некоторые виды нагрузок используют провод защитного заземления (PE) для своих рабочих нужд.
Это не является проблемой при питании от сети, как сети TN-C-S, так и сети TT, поскольку в обеих из них PE рано или поздно сообщается с N — через точку деления в TN-C-S или же через физическую землю от потребителя до трансформаторной станции с заземленной нейтралью в случае ТТ, кроме того, в сети ТТ вполне возможны и повторные заземления N на пути от ТП до потребителя. В этом случае вышеописанные цепи в приборе, подключенные между L и PE, работоспособны.
Именно для поддержки таких потребителей в ИБП используется схема «сквозной ноль», то есть прямое соединение клемм N входной и выходной силовой цепи. В этом случае, даже при работе от батарей есть сообщение PE и N на нагрузке (через ИБП и далее через сеть, куда подключен сам ИБП), и вышеописанная проблема не возникает.
Однако такая ситуация возникает только в случае пропадания входного напряжения на ИБП, например, из-за срабатывания «автомата» или отключения со стороны поставщика энергии[3].
В некоторых иных ситуациях — срабатывание УЗО, полное отключение входа ИБП от сети вилкой, «отгорание ноля» на деревенской воздушной линии — даже «сквозного ноля» в ИБП недостаточно для питания вышеописанных цепей. В этом случае рекомендуется (например, компанией Buderus для отопительных котлов, рекомендация вообще распространяется на питающие сети IT) установить резистор около 1..10 МОм (Buderus рекомендует приобрести их оригинальный резистор, его сопротивление 10 МОм) между N и PE на входе питаемого прибора (или же на выходе ИБП).
1.2 Анализ типов источников бесперебойного питания
Рассмотрим особенности типовых схем ИБП.
1.3 Резервная схема, или схема типа Off-Line, Standby
В ИБП резервного типа в нормальном режиме питание подключенной нагрузки осуществляется напрямую от первичной электрической сети (рисунок 1.1), которое ИБП фильтрует (высоковольтные импульсы и электромагнитные помехи) пассивными фильтрами. При выходе электропитания за нормированные значения напряжения (или его пропадании) нагрузка автоматически переподключается к питанию от схемы, получающей электрическую энергию от собственных аккумуляторов с помощью простого инвертора. При появлении напряжения в пределах нормы, снова переключает нагрузку на питание от первичной сети.
Достоинства:
- за счёт КПД около 99 % (при наличии напряжения сети) практически бесшумны и имеют минимальное тепловыделение;
- невысокая стоимость ИБП в целом.
Недостатки:
- относительно долгое время (порядка 4..12 мс) переключения на питание от батарей;
- невозможность корректировать ни напряжение, ни частоту (VFD по классификации МЭК);
- несинусоидальная форма выходного напряжения при работе от батареи (аппроксимированная синусоида, квази-синусоида).
Чаще всего ИБП, построенные по такой схеме, используется для питания персональных компьютеров или рабочих станций локальных сетей начального уровня, для которых не критично своевременное отключение в случае неполадки в сети. Практически все недорогие маломощные ИБП, предлагаемые на отечественном рынке, построены по данной схеме.
На рисунке 1.1 изображен ИБП интерактивного типа
Рисунок 1.1
1.3 Схема ИБП двойного преобразования, или схема online
По указанной топологии(структурная схема рисунка 1.2) выполняются ИБП средней и большой мощности (более 30 кВА), имеющие номинальные значения напряжения батареи в пределах 360 - 384 В. Применяется для питания оборудования, предъявляющего повышенные требования к качеству сетевого электропитания.
Принцип работы состоит в двойном преобразовании (doubleconversion) рода тока (рисунок 1.2). Сначала входное переменное напряжение преобразуется в постоянное, затем обратно в переменное напряжение с помощью обратного преобразователя (инвертора). При пропадании входного напряжения переключение нагрузки на питание от аккумуляторов не требуется, поскольку аккумуляторы включены в цепь постоянно (т.н. буферный режим работы аккумулятора) и для этих ИБП параметр «время переключения» не имеет смысла. В маркетинговых целях может использоваться фраза «время переключения равно 0», правильно отражающая основное преимущество данного вида ИБП: отсутствие промежутка времени между пропаданием внешнего напряжения и началом питания от батарей. ИБП двойного преобразования имеют невысокий КПД (от 80 до 96,5 %) в режиме on-line, из-за чего отличаются повышенным тепловыделением и уровнем шума. Однако у современных ИБП средних и высоких мощностей ведущих производителей предусмотрены разнообразные интеллектуальные режимы, позволяющие автоматически подстраивать режим работы для повышения КПД вплоть до 99 %. В отличие от двух предыдущих схем, способны корректировать не только напряжение, но и частоту (VFI по классификации МЭК).
Достоинства:
- отсутствие времени переключения на питание от батарей;
- синусоидальная форма выходного напряжения, то есть — возможность питать любую нагрузку, в том числе отопительные системы (в которых есть асинхронные двигатели).
- возможность корректировать и напряжение, и частоту (более того, такой прибор одновременно является и самым лучшим из возможных стабилизаторов напряжения).
Недостатки:
- низкий КПД (80—94 %), повышенная шумность и тепловыделение;
- высокая стоимость.
На рисунке 1.2 изображена топология ИБП с двойным преобразованием энергии
Рисунок 1.2 – Топология ИБП с двойным преобразованием энергии
1.4 Линейно-интерактивная схема
На рисунке 1.3 приведена структура линейно-интерактивного ИБП. Здесь, в отличие от резервных ИБП, присутствует двунаправленный преобразователь напряжения (ДПН), выполняющий как функцию инвертора, так и функцию зарядного устройства. При наличии сети ДПН работает как выпрямитель и осуществляет заряд аккумуляторной батареи (АБ). Благодаря двунаправленному действию и синусоидальной форме напряжения, формируемого в режиме инвертора, ДПН взаимодействует с сетевым источником, т.е. имеет интерактивное включение.
На рисунке 1.3 изображена структура линейно-интерактивного ИБП
Рисунок 1.3 – Структура линейно-интерактивного ИБП
Как и для резервных ИБП, в данном случае в качестве стабилизирующего узла для расширения диапазона входного напряжения без перехода на автономный режим обычно используется дискретный корректор напряжения. В сетевом режиме ИБП возможна дополнительная стабилизация выходного напряжения путем добавки или вычитания выходного напряжения ДПН. Такой принцип стабилизации получил название "Дельта-преобразование" и используется многими производителями ИБП [2].
Достоинства ИБП линейно-интерактивного типа (в отличие от резервных ИБП):
- синусоидальная форма выходного напряжения в автономном режиме;
- совмещение функций ЗУ и ИНВ в одном узле.
Остальные недостатки, присущие резервным ИБП, распространяются и на ИБП линейно-интерактивного типа. На наш взгляд, блок коммутации является наиболее ответственным местом данных ИБП, поскольку именно от его работы зависит обеспечение надежности всего ИБП. Это связано с тем, что при переходе ИБП в автономный режим этот блок должен обеспечивать четкое рассоединение инвертора и сетевого источника, обладающего малым внутренним сопротивлением. В противном случае инвертор оказывается замкнутым накоротко и выходит из строя.
Наиболее распространенный диапазон мощностей ИБП линейно-интерактивного типа: 500 - 3000 ВА.
В дипломном проекте необходимо разработать лабораторный стенд – электронный макет ИБП последней топологии – для изучения его функционирования.
2 Этап функционального проектирования
2.1 Разработка функциональной схемы
По заданию требуется разработать электронный макет линейно интерактивного ИБП для изучения основных электрических процессов в ИБП указанного типа.
Разрабатываемая система предназначена для учебных целей, поэтому для безопасной работы учащихся необходимо электрически развязать вход ИБП от сети. Кроме того, по техническому заданию (ТЗ) выходное переменное напряжение должно быть пониженным. Функцию развязки и параметрическое понижение напряжение в разрабатываемой функциональной схеме стенда (рисунок 2.1) выполняет блок «Трансформатор».
По ТЗ диапазон значений выходного напряжения, значительно меньше относительного диапазона входного напряжения (приведённого к 220 В). Поэтому у трансформатора в принципиальной схеме имеет смысл сделать несколько отводков от вторичной обмотки. Каждому отводку соответствует свой коэффициент трансформации и диапазон напряжений первичной обмотки. Коэффициенты подбирать нужно таким образом, чтобы при среднем значении диапазона получалось одно и то же эффективное значение напряжение на вторичной обмотке с соответствующим отводком.
Рисунок 2.1 – Функциональная схема лабораторного стенда для изучения ИБП линейно-интерактивного типа: ДТ – датчик тока, ДН – датчик напряжения, СУ- система управления)
По ТЗ напряжение сети должно изменяться в диапазоне от 150 В до 250 В.По статистике в общей сети вуза напряжение может изменяться в диапазоне от 219 до 235 В. При чём в указанном диапазоне напряжение меняется медленно в течение суток. Для проведения опыта по измерению коэффициента стабилизации такая скорость неприемлема – учащиеся ограничены учебным временем – 2 – 4 академических часа. Поэтому для имитации изменения сетевого напряжения в функциональной схеме необходимо предусмотреть блок «автотрансформатор», либо лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)[5].
Двунаправленный инвертор уже описан в предыдущем разделе. В сетевом режиме инвертор должен работать как управляемый выпрямитель для подзарядки аккумулятора. Управляющие фазомодулированные импульсы вырабатывает система управления СУ на микроконтроллере (МК).
В автономном режиме инвертор должен работать как автономный инвертор, генерируя под управлением ШИМ-сигнала с системы управления СУ мощные импульсы, длительность которых изменяется по гармоническому закону.
Перед нагрузкой необходимо предусмотреть ФНЧ для выделения из указанной последовательности первой гармоники, или огибающей ШИМ-импульсов.
Блок СУ, кроме генерации указанных выше управляющих импульсов, принимает сигналы обратной связи выходным току и напряжению, а также по тку и напряжению аккумулятора. Сигналы необходимы для регулирования выходного напряжения, тока заряда и выявления аварийных ситуаций.
Также, по мере необходимости, блок СУ управляет с помощью коммутаторов (реле) переключением обмоток, а также аварийным отключением системы от сети.
2.2 Формирование гармонического сигнала в автономном режиме
Для формирования ШИМ-сигнала, модулированного по гармоническому закону выбрана частота ШИМ, в 512 раз меньшая частоты синхронизации МК . Соответственно, период ШИМ
При этом на период сетевого напряжения приходится не целое количество импульсов
Но на 16 периодов сетевого напряжения приходится уже целое число импульсов
Поэтому принимается решение вычислить длительности импульсов для 625 равноотстоящих точек для 16 периодов с помощью выражения[6]
где – частота сети.
Вычисленные значения преобразуются в программной среде MathCad в десяти битный двоичный код с помощью выражения
где round – функция округления до целого в программной среде MathCad.
Вычисленные значения записываются во Flach-память программымикроконтроллера блока СУ. На графике рисунка 2.2 представлены диаграммы одного периода сети для модулирующей дискретной функции и модулированного ШИМ-сигнала .
Рисунок 2.2 – Сигнал инвертора до фильтрации и его огибающая
2.3 Оценка параметров ФНЧ
В программной среде MathCad выполнен анализ спектра функции . Результаты анализа амплитудного спектра показали, что амплитуда первой гармоники– – близка к амплитуде огибающей (рисунок 2.3)
Постоянная составляющая – нулевая, уровень второй гармоники составляет 4 % относительно первой, уровень третьей – 0,5 % (рисунок 2).Остальные гармоники вплоть до 573-й – нулевые (рисунки 2.3 и 2.4).
Рисунок 2.3 Спектр ШИМ-импульсов в окрестности первой гармоники
Дальнейший, более глубокий анализ спектра показывает, что основная энергия паразитного спектра группируется в окрестности гармоник, кратных 625-ой (рисунок 2.4), уровень которых убывает по закону .
Рисунок 2.4 –Паразитный спектр ШИМ-импульсов
Оценка коэффициента гармоник с помощью выражения
дала результат
Так как основная доля энергии паразитного спектра концентрируется в первой полосе вокруг 625-й гармоники, для демодуляции ШИМ-сигнала можем применить LC-фильтр нижних частот (LC-ФНЧ), частота среза которого раз в десять больше первой гармоники, а коэффициент подавления для 625-й гармоники
С учётом того, что LC-ФНЧ второго порядка в полосе задерживания давит с коэффициентом на декаду, задача (2.7) легко решается.
3 Разработка электрической принципиальной схемы
3.1 Расчёт электрических параметров трансформатора
Для понижающего трансформатора T1 (рисунок 3.1):
- обмотка «1» - «0» должна включаться при напряжении на первичной обмотке
при номинальном напряжении
- обмотка«2» - «0» должна включаться при напряжении на первичной обмотке
при номинальном напряжении
- обмотка«3» - «0» должна включаться при напряжении на первичной обмотке
при номинальном напряжении
Относительный разброс для каждого диапазона:
- для диапазона (3.1)
- для диапазона (3.2)
- для диапазона (3.3).
На рисунке 3.1 изображен понижающий трансформатор
Рисунок 3.1 – Понижающий трансформатор
Определим остальные требуемые параметры трансформатора. Габаритная мощность, с учётом КПД и мощностью нагрузки :
Максимальный ток вторичной обмотки
Максимальный ток первичной обмотки – ток при наименьшем напряжении первичной обмотки :
Коэффициент трансформации для каждого диапазона:
- для диапазона (3.1)
- для диапазона (3.2)
- для диапазона (3.3)
Рассчитанным параметрам соответствует трансформатор EPCOS 430-2051.1[8].
3.2 Выбор автотрансформатора
Определим требуемые параметры автотрансформатора. Габаритная мощность – такая же, как и у трансформатора:
Максимальный ток обмоток – ток при наименьшем напряжении на выходе:
Диапазон выходных напряжений:
- максимальное напряжение диапазона , В – не менее 250;
- минимальное напряжение диапазона , В – не более140.
Определённым в подразделе параметрам соответствует ЛАТРTDGC-2-0.5 2 А 250 В[6].
3.3 Двунаправленный инвертор
Двунаправленный инвертор составлен из двух вентильных схем (рисунок 3.2), соединённых по постоянной составляющей с аккумулятором (соединитель X4) параллельно, а по постоянной составляющей развязанные дросселями L1.1и L1.2.
Вентильная схема на оптических выпрямителях VS1 – VS4 –управляемый фазомодулированными импульсами выпрямитель. Выполняет функцию зарядки аккумулятора.
Рисунок 3.2 –Электрическая схема двунаправленного инвертора
В качестве тиристорныхоптопар используются отечественные элементы марки ТСО125-12,5-9, параметры которых приведены в таблице 1
Таблица 1 – Параметры тиристорнойоптопарыТСО125-12,5-1
Наименование параметра
Значение
Максимальное напряжение в закрытом состоянии, В
100
Максимальный ток в открытом состоянии, А
12,5
Тиристор подходит нам с большим запасом – что по минимуму под рукой нашлось – то и подключили.
Вентильная схема на IGBT-транзисторахVT1 – VT4 – управляемый ШИМ-импульсами мостовой инвертор. Выполняет функцию формирования двуполярных выходных ШИМ-импульсов.
В качестве IGBT-транзисторов используются элементы марки, параметры которых приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Параметры IGBT–транзисторов IRG4BC20UD-S
Наименование параметра
Значение
Максимальное напряжение в закрытом состоянии, В
600
Максимальный ток в открытом состоянии, А
6,5
Транзисторы по напряжению подходят нам с излишним запасом – меньше в Internet-е не нашли.
3.4 Расчёт ФНЧ
В качестве ФНЧ используем LC-фильтр (рисунок 3.3). Частоту среза устанавливаем в 100 раз большей частоты сети. Добротность – . Составляем уравнения
где – эквивалентное сопротивление нагрузки ИБП.
Решение (3.12):
Принимаем . Рассчитанную ёмкость составим из двух электролитических емкостей, соединённых последовательно встречной полярностью.
Рисунок 3.3 Фильтр нижних частот
Используя функцию АЧХ для рассчитанного ФНЧ
вычислим значения коэффициента передачи на частоте сети
и на частоте 625-й гармоники
3.5 Блок измерения переменного тока и напряжения
Для измерения переменного напряжения, контроля напряжения сети используется датчик напряженияU1 (рисунок 3.4) на основе эффекта Холла LV25-P фирмы «LEM».Назначение выводов представлено на рисунке 2.5, характеристики – в таблице 3.
Рисунок 3.4 Блок измерения переменного тока и напряжения
На рисунке 3.5 изображен датчик напряжения на основе эффекта Холла
LV25-P
Рисунок 3.5 Назначение выводов датчика напряжения на основе эффекта Холла LV25-P
Таблица 3– Метрологические параметры датчика напряжения
Наименование параметра
Значение
Номинальный входной ток, мА
16
Номинальный выходной ток, мА
12
Потребляемый ток, мА
0,75
Напряжение питания, В
12
Для подключения к измеряемой цепи требуется рассчитать добавочное сопротивление R32. При максимальном действующем напряжении на нагрузке[10].
амплитудное значение напряжение примет значение
.
При рассчитанном значении напряжения через входную цепь датчика должен протекать номинальный входной ток . Отсюда
.
Расчёт сопротивления – нагрузочного для выходного источника тока. Рассчитаем его так, чтобы при номинальном выходном токе на выходе получалось напряжение
Схема на операционном усилителе DD1.1 и элементах R33, R35, VD12 и VD13 –прецизионный однополупериодный выпрямитель, на выходе которого получаться полуволны отрицательной полярности.
Инвертирующий ФНЧ на операционном усилителе DD1.2и элементах R36, R37и С17 выделяет из последовательности полуволн постоянную составляющую .Коэффициент передачи на постоянном токе подбираем из условия[11]
где – опорное напряжение АЦП внутри микроконтроллера.
С учётом, что
и задавшись кОм, получим
Частоту среза подбираем из условия
Вычисляем ёмкость
В качестве операционных усилителей DA1.1 и DA1.2 используем микросхему LM358, назначение выводов которой показано на рисунке 3.6, характеристики – в таблице 4.
Рисунок 3.6 – Назначение выводов операционного усилителя
Таблица 4 – Параметры операционного усилителя LM358
Название параметра
Значение
Напряжение смещения нуля, мкВ
2
Дрейф напряжения смещения ,
0,8
Входной ток, нА
12,4
Оценим составляющие погрешности измерения переменного напряжения, вносимые указанными операционными усилителями. Погрешность, вносимая напряжением смещения нуля:
Погрешность, вносимая входным током
Определим приращение температуры, при котором погрешность, вносимая дрейфом напряжения смещения, не превысит 0,1 %, то есть указанный фактор не будет влиять на погрешность передачи.
Суммарная погрешность, вносимая усилителями DA1.1 и DA1.2в измерение переменного напряжения U2
где - погрешность, обусловленная разбросом напряжения сети.
3.6 Транзисторные схемы согласования микроконтроллера и реле
В качестве реле K16 – K20 (рисунок 2.8) используем мощные реле RT1, параметры которых приведены в таблице 5.
Рисунок 3.7 Транзисторные ключи для управления реле
Таблица 5 Параметры реле RT1 – 12 DC
Наименование параметра
Значение
Номинальное напряжение, В
12
Номинальный ток обмотки , мА
33
Коммутируемое напряжение, В
220
Максимальный коммутируемый ток, А
17
В качестве транзисторных ключей VT32 – VT35 используем отечественные транзисторы КТ3102Б, максимальный ток коллектора которого, максимальное напряжение . Коэффициент передачи по току .
Определим сопротивление резисторов
где – напряжение питания микроконтроллера,
– напряжение открывания кремниевого транзистора.
3.7 Блок управления
В качестве управляющего устройства мы будем использовать микроконтроллер ATmega16[1]. Изображенный на рисунке 3.8
Рисунок 3.8 Микроконтроллер ATmega 16
АЦП ATmega16 может измерять напряжение от 0 до +5 В. В связи с этим выходное напряжение и ток преобразователя должны быть преобразованы перед подачей на канал АЦП. Для этого воспользуемся схемами нормирующих преобразователей на базе операционных усилителей. Для выходного тока, напряжения и тока аккумуляторной батареи подойдет операционный усилительOP07CD. Его основные характеристики [11]:
- рабочая частота, МГц – 0.6;
- напряжение питания, В - ±3…±18;
- напряжение смещения, мВ – 0.06;
- AVR RISC-архитектура - архитектура высокой производительности и малого потребления;
- система команд содержит 130 инструкций, большинство которых выполняется за один машинный цикл;
- единый 16-разрядный формат команд;
- производительность 16 MIPS на частоте 16 Мгц;
- наличие аппаратного умножителя;
- 16 Кбайт Flash ПЗУ программ, с возможностью до 1000 циклов стирания/записи;
- 512 байт ЭСППЗУ (EEPROM) данных, с возможностью до 100000 циклов стирания/записи;
- 1 Кбайт оперативной памяти (SRAM);
- возможность программирования непосредственно в целевой системе через последовательные интерфейсы SPI и JTAG;
- возможность самопрограммирования;
- возможность внутрисхемной отладки в соответствии со стандартом IEEE 1149.1 (JTAG) [4];
- различные способы синхронизации: встроенный RC-генератор с внутренней и внешней задающей RC-цепочкой или с внешним резонатором (пьезокерамическим или кварцевым); внешний сигнал синхронизации;
- 6 режимовпониженногоэнергопотребления (Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby и Extended Standby);
- детектор снижения напряжения питания (BOD);
- программное снижение частоты тактового генератора;
- 21 источник прерываний (внутренних и внешних);
- многоуровневая система прерываний, поддержка очереди прерываний;
- возможность защиты от несанкционированного чтения и модификации памяти программ и данных;
- загрузочный сектор с независимыми битами защиты;
- возможность чтения памяти программ во время ее записи;
- два 8-разрядных таймера/счетчика с предварительным делителем частоты и режимом сравнения;
- 16-разрядный таймер/счетчик с предварительным делителем частоты, режимом сравнения и режимом внешнего события;
- сторожевой таймер WDT [4];
- четыре канала генерации выходных ШИМ-сигналов;
- аналоговый компаратор;
- 8-канальный 10-разрядный АЦП как с несимметричными, так и с дифференциальными входами;
- полнодуплексный универсальный синхронный/асинхронный приемопередатчик USART;
- последовательный синхронный интерфейс SPI, используемый также для программирования Flash-памяти программ;
- последовательный двухпроводный интерфейс TWI (аналог I2C);
- 32 программируемые линии ввода/вывода с уровнями ТТЛ, на эти линии выведена также поддержка периферийных функций.
4 Разработка печатной платы
В настоящей пояснительной записке приведено описание разработки печатной платы инвертора на транзисторах VT1 – VT4 (схема рисунка 4.1)
4.1 Выбор категории и структуры печатной платы
Выбор конструкции печатной платы является важным фактором, определяющим механические характеристики при использовании устройства в целом. Для изготовления печатных плат используются материалы различного уровня качества. Для изготовления разрабатываемой СУ будет использоваться печатная плата категории FR-4 (стеклоткань, эпоксидная композиция). Плата данной категории обладает хорошими механическими и электрическими свойствами, а так же приемлемой стоимостью [9].
4.2 Размещение элементов на плате
Конструкция печатной платы должна соответствовать требованиям ГОСТ 23751 , ГОСТ 23752 учитывать требования к технологии последующего монтажа, контроля и наладки.
Контактные площадки элементов не должны совмещаться с переходными отверстиями слоев платы. Если отверстие расположено рядом с площадкой, то его надо закрывать маской.
Размеры контактных площадок должны быть взяты в точном соответствии с рекомендациями к радиоэлементам.
Контактные площадки рекомендуется применять прямоугольной формы, углы контактных площадок желательно закруглять.
При размещении поверхностных элементов одного типа предпочтительным является их однонаправленное расположение вдоль одной оси ПП.
Кроме того, не следует размещать компоненты слишком близко к краю печатной платы, расстояние между компонентом и краем платы должно быть не менее 1,25 мм.
Предпочтительное расположение компонентов поверхностного монтажа:
- все пассивные компоненты должны быть расположены параллельно друг другу;
- все SOIC-компоненты должны размещаться перпендикулярно длинной оси пассивных компонентов [12].
Хорошим стилем будет считаться, если компоненты одного типа будут размещены в одном направлении.
Следует различать двусторонний монтаж компонентов на печатную плату и односторонний. Разработчики должны стараться разместить все компоненты на одной стороне ( "основной" стороне ) печатной платы. В противном случае это повлечет за собой удорожание монтажа печатных плат. Разработчикам рекомендуется, если есть выбор, использовать минимально-возможное количество типо-номиналов электронных компонентов и типов корпусов– это позволит уменьшить трудоемкость сборки плат.
Для удобства монтажа и исключения ошибок при монтаже желательно наносить на ПП дополнительную маркировку мест расположения элементов, их обозначение, полярность элементов и прочие обозначения, облегчающие монтаж и контроль плат.
Чрезмерно близкое размещение контактных площадок и переходных отверстий препятствует уходу тепла и припоя с контактной площадки, и как следствие — «холодная» пайка. В этом случае справедливы те же рекомендации, что и для широких проводников.
Результат размещения элементов на печатной плате инвертораприведен на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 Размещение элементов инвертора на плате
4.3 Трассировка проводников печатной платы
При трассировке печатной платы (рисунок 4.2) инвертора придерживались следующих правил:
- проводники силовых цепей трассировать с шириной 3,5 мм;
- силовые проводники трассировать в первую очередь, самым прямым наикротчайшим путём, с наименьшим количеством изгибов;
- остальные проводники трассировать с шириной 0,4 мм.
а)
б)
Рисунок 4.2 – Результат трассировки платы инвертора: а) со стороны монтажа, б) со стороны пайки
5 Разработка схемы алгоритма для микроконтроллера
Программное обеспечение микроконтроллера следует разделить на следующие части:
- основную программу;
- подпрограмма обработки внешнего прерывания INT2 по выявлению точки естественной коммутации для синхронизации управления выпрямителем (рисунок 5.1);
- подпрограммы обработки прерывания по совпадению в модуле OCC0 (рисунок 5.2)– для модуляции шириныимпульса управления автономным инвертором;
- подпрограммы обработки прерывания по совпадению в модуле OCCR1B (рисунок 5.3) – для модуляции фазы задержки импульса управления тиристорным выпрямителем;
- подпрограмма обработки прерывания по переполнению таймера TMR0 –для генерации меток времени.
В основной программе выделяются следующие блоки:
- блок инициализации;
- блок контроля аварийных ситуаций: тока перегрузки в сети, выхода сетевого напряжения за допустимые границы, перегрузки зарядного устройства – выпрямителя, выход из строя аккумулятора (при );
- блок опроса клавиатуры и обработки нажатой клавиши, индикации выполненной операции[12].
5.1 Алгоритм обработки внешнего прерывания для управления тиристорным выпрямителем
В подпрограмме (рисунок 5.1) изменяется признак определения следующей точки естественной коммутации
То есть изменяется вид фронта гармонического сигнала, по которому должна отсчитываться фаза α.
Также корректируется величина угла управления α, которая записывается в регистр ШИМ-модуля OCCR1B, в таймере TMR1 запускается отсчёт α.
Рисунок 5.1 Алгоритм программы обработки внешнего прерывания
5.2 Алгоритм обработки прерывания по совпадению в модуле OCC0
В подпрограмме (рисунок 5.2) в регистр длительности импульса OCCR0 из ячейки памяти, кода записаны значения синуса, переписывается очередное значение. Адрес ячейки памяти инкрементируется для следующего прерывания.
Рисунок 5.2 Алгоритм подпрограммы обработки прерывания по совпадению в модуле OCC0 Алгоритм обработки прерывания по совпадению в модуле OCCR1B
В подпрограмме (схема алгоритма рисунка 5.3), управлением состояния битов регистра PORTD переключаются транзисторы инвертора.
Рисунок 5.3 Алгоритм подпрограммы прерывания по совпадениюOCC1B для управления тиристорным выпрямителем
5.3Алгоритм генерации меток времени
Метки времени, генерируемые таймером TMR0, используются для отсчёта времени антидребезговой задержки в блоках контроля нажатия кнопок. В подпрограмме (рисунок 5.4) инкрементируется счётчик CNT2, в котором и отсчитывается необходимое количество импульсов задержки.
Рисунок 5.4 Алгоритм подпрограммы прерывания по переполнению таймера TMR0 для генерации меток времени
6 Технико-экономическое обоснование проекта
В данном разделе производится экономическое обоснование разработки и изготовления лабораторного макета для исследования тиристорных выпрямителей с цифровой системой управления. Производится расчёт себестоимости устройства, программного обеспечения, а также стоимость изготовления опытного образца.
6.1 Расчёт себестоимости аппаратной части устройства
Расчёт себестоимости включает в себя расчёт необходимых затрат, связанных с созданием устройства. Калькуляция включает в себя следующие статьи затрат:
1) материалы;
2) покупные комплектующие изделия и детали;
3) основная и дополнительная плата работников;
4) отчисления на социальные нужды;
5) затраты на потребление электроэнергии;
6) накладные расходы.
Цены на материалы, покупные комплектующие изделия и детали взяты из прайс-листов торговых организаций.
Создание устройства связано с проведением опытно-конструкторских работ (ОКР), стоимость которых определяется следующим образом
(1)
где – стоимость проведения эскизно-технического проектирования и разработки конструкторской документации, р.;
– стоимость разработки программного обеспечения, р.;
– стоимость изготовления опытного образца с учётом отладки.
Стоимость проведения эскизно-технического проектирования и разработки технической документации включает затраты на оплату труда разработчиков, накладные расходы и контрагентские расходы (стоимость услуг сторонних организаций)[13].
Затраты на оплату труда разработчиков включают основную и дополнительную заработную плату, а также отчисления на социальные нужды, которые рассчитываются по ниже приведённым формулам
(2)
где:t– трудоемкость проведения эскизно-технического проектирования и разработки конструкторской документации, час
– оклад инженера-разработчика за месяц, р./мес.;
– фонд рабочего времени работника за месяц, ч/мес.;
– процент премии, %;
– районный коэффициент, %.
На таблице 6 показаны основные этапы разработки и трудоемкость
Таблица 6 Основные этапы разработки
Стадии разработки
Трудоёмкость tи, ч
Анализ технического задания
1
Сбор материала к решению поставленного комплекса задач
36
Анализ существующих решений комплекса задач
24
Выбор методов решений
24
Проектирование основных узлов и блоков
30
Синтез принципиальной схемы
12
Разработка платы устройства
24
Изготовление устройства
13
Комплексная отладка устройства
36
Всего:
200
Фонд рабочего времени работника за месяц определяется по формуле
(3)
где – количество рабочих дней в месяце;
– продолжительность рабочего дня, ч.
Дополнительная заработная плата разработчика определяется по формуле
(4)
где – норматив дополнительной заработной платы, %.
Отчисления на социальные нужды рассчитываются следующим образом
(5)
где – норматив отчислений на социальные нужды, %.
Таким образом затраты на заработную плату составят
(6)
Накладные расходы определяются пропорционально основной заработной плате по формуле
(7)
где – норматив накладных расходов, %.
В результате стоимость проведения эскизно-технического проектированиясоставит
(8)
6.2 Расчёт себестоимости программной части устройства
Стоимость разработки программного обеспечения включает затраты на вспомогательные (расходные) материалы (бумага, тонер), затраты на оплату труда программиста с отчислениями, затраты на оплату машинного времени и накладные расходы [13].
Затраты на вспомогательные материалы определяются по формуле
. (9)
где – норма расхода i-го вспомогательного материала, шт.;
– цена за единицу i-го вспомогательного материала без НДС, р./шт.;
– количество наименований вспомогательных материалов.
Расходы не рассчитываем из-за их незначительной величины.
Затраты на оплату труда программиста определяются по формулам (2) – (6), при условии, что t – трудоёмкость разработки ПО, ч.; – оклад программиста, р./мес.
Затраты на оплату машинного времени определяются по формуле
(10)
где – трудоёмкость отладки и оформления документации на компьютере, ч.;
– стоимость машинного часа работы ЭВМ, р./ч.
Стоимость машинного часа работы ЭВМ
(11)
где – полные затраты на эксплуатацию ЭВМ в течении года, р./год;
– действительный годовой фонд времени работы ЭВМ, ч/год.
Действительный годовой фонд времени работы ЭВМ
(12)
где – количество рабочих дней в году, дней;
– длительность рабочего дня, ч.;
– количество смен;
– процент потерь рабочего времени на ремонтно-профилактические работы.
Полные затраты на эксплуатацию ЭВМ определяются по формуле
(13)
где – годовые издержки на зарплату обслуживающего персонала, р./год;
– годовые издержки на амортизацию;
– годовые издержки на электроэнергию;
– годовые издержки на расходные материалы;
– годовые издержки на техническое обслуживание и ремонт ЭВМ;
–прочие расходы.
Годовые издержки на зарплату обслуживающего персонала
(14)
где – количество категорий обслуживающего персонала;
– оклад i-категории обслуживающего персонала, р./мес.;
– численность i-категории обслуживающего персонала, чел.;
– количество машин в компьютерном зале.
Принимаем, что обслуживанием ЭВМ занимается один работник с окладом 5000 р/мес.
Годовые издержки на амортизацию
(15)
где – балансовая стоимость ЭВМ, р.;
– норма амортизации.
Норма амортизации
(16)
где – срок полезного использования.
Годовые издержки на электроэнергию
(17)
где – суммарная мощность ПК, кВт;
– тариф на электроэнергию, р./кВт∙ч;
– коэффициент использования по мощности.
Годовые издержки на техническое обслуживание и ремонт ЭВМ
(18)
где – норматив затрат на текущее техническое обслуживание и ремонт, %.
Годовые издержки на расходные материалы
(19)
где – коэффициент затрат на вспомогательные расходные материалы, %.
Прочие расходы
(20)
где – коэффициент прочих расходов, %.
Затраты на электроэнергию на технологические цели определяются по формуле
(21)
где – номинальная мощность электрооборудования, кВт;
– действительный фонд времени работы электрооборудования, ч.
Накладные расходы, включаемые в стоимость разработки ПО, определяются по формуле (7) исходя из основной заработной платы программиста.
Таким образом, стоимость разработки программного обеспечения составит
(21)
где – затраты на вспомогательные материалы.
6.3 Расчёт себестоимости изготовления опытного образца
Стоимость изготовления опытного образца включает затраты на материалы, затраты на покупные комплектующие изделия, затраты на основную и дополнительную заработную плату рабочих, отчисления на социальные нужды, затраты на электроэнергию на технологические цепи, стоимость возмещения износа специального оборудования, накладные расходы и прочие расходы.
Стоимость материалов вычисляется по формуле
(22)
где – количество наименований материалов;
– норма расхода i-го материала на единицу продукции, м², кг;
– цена за единицу i-го материала без НДС, р./ м², р./кг.
На таблице 7 показано стоимость основных материалов
Таблица 7 Стоимость основных материалов
Наименование
материала
Единица
измерения
Количество
Цена,
р./ед.
Общая
стоимость, р.
Бумага глянцевая
шт.
1
15
15
Тонер для лазерного принтера
кг.
0,02
500
10
Текстолит листовой
см2
18х10
120
120
Канифоль
гр.
10
1,5
15
Припой
г.
20
150
30
Итого:
190
В соответствии с данными таблицы 8 определяется общая стоимость покупных комплектующих изделий по формуле[13].
(23)
где – количество наименований покупных изделий;
– количество изделий i-го наименования, шт.;
- цена за единицу i-го изделия без НДС, р/шт.
Таблица 8 –Покупные комплектующие изделия
Наименование элемента
Количество, шт.
Цена, руб.
Стоимость, руб.
Резистор
62
1,5
93
Конденсатор
17
6
102
Микроконтроллер ATMEGA 16
1
150
150
Разъем
13
10,40
135,2
Микросхема
LM358N
1
14
14
Датчик тока
IR2125
8
30,25
242
Транзистор
IR64PCSDF
4
483
1932
Операционный усилитель LM373
1
6,5
6,5
Диод
1N4148
22
2,2
48,4
Операционный усилитель LM358
5
28
140
Реле
5
50
250
Трансформатор
3
110
330
Терристорная автопара
1
210
210
Продолжение таблицы 8
LCD- дисплей
1
560
560
Кнопки
3
23.3
69,9
Итого
4283
Основная заработная плата определяется по формуле
(24)
где – число категорий работников;
– трудоёмкость работ для i-категории работников, ч;
– часовая тарифная ставка работника i-категории, р./ч.
Допустим, что изготовлением опытного образца занимается монтажник.
Дополнительная заработная плата и отчисления на социальные нужды для рабочих определяются по формулам (4) и (5).
Затраты на электроэнергию на технологические цели определяются по формуле
(25)
где – номинальная мощность электрооборудования, кВт;
– действительный фонд времени работы электрооборудования, ч.
Принимаем, что используется оборудование для пайки мощностью 0,05кВт, а время его работы составляет 10-15 % от трудоёмкости монтажа.
Расходы на возмещение износа спецоборудования составляют 22,6% от основной заработной платы рабочих.
(26)
Накладные расходы, связанные с обслуживанием производства и управлением определяются по формуле (7), исходя из основной заработной платы рабочих
Прочие расходы принимают в размере 5 % от основной заработной платы рабочих.В итоге стоимость изготовления опытного образца составит
(27)
Стоимость отладки опытного образца определяется по формуле
(28)
где – коэффициент на проведение отладочных работ, %.
Полная стоимость изготовления опытного образца с учётом отладки составит
(29)
Результаты выполненных расчётов заносим в таблицу 9.
Таблица 9 – Экономические показатели
Наименование статьи затрат
Сумма, р.
1.Материалы
190
2.Покупные комплектующие изделия
4283
3.Заработная плата, в том числе:к
а) основная
б) дополнительная
51708,425
44847,44
6860,985
4.Отчисления на социальные нужды
15874,76
5.Затраты на потребление электроэнергии
107,33
6.Накладные расходы
20182,5
7.Себестоимость аппаратной части
73348,95
8. Себестоимость программной части
37521,3
Вывод: В данном разделе произведён экономический расчёт себестоимости лабораторного стенда ИБП интерактивного типа.
7 Безопасность труда
7.1 Анализ и обеспечение безопасности труда
Лаборатория "Промышленной электроники и информационно вычислительной техники” университета оснащена 10 ПЭВМ типа "IBMPC/ATX”. Питание лабораторного оборудования производится от сети напряжения 220 В. Электропитание и заземление выполнены по правилам ПУЭ. Схема электроснабжения лаборатории представлена на рисунке 7.1
Рисунок 7.1 Схема электроснабжения лаборатории
В таблице 10 приведены условные обозначения рисунка 7.1
Таблица 10 – Условные обозначения помещения лаборатории
Наименование
Обозначение
Стол
1
Стол с ПЭВМ
2
ПЭВМ с эмулятором ПЭУ
3
Дверь
4
Наименование
Обозначение
Окно
5
Лампа освещения
6
Розетка
7
Заземление
8
Длительность работы. Длительность работы на ЭВМ определяется сложностью заданий и техническими данными терминала (разрешающей способностью и частотой кадровой развертки), характером выполняемых работ (ввод данных, программирование, редактирование текстов и прочее).
Для обеспечения комфортной работы преподавателей, студентов и лаборантов в лаборатории необходимым фактором является освещенность. В лаборатории используется искусственное и естественное освещение. На уровень освещенности лаборатории оказывает влияние цветовая отделка интерьера и оборудования, их отражающая способность[14].
В учебной лаборатории стены имеют бледно-голубой цвет, столы имеют цвет натуральной древесины, что удовлетворяет "Методическим указаниям по профилактике переутомления студентов вузов при работе с видеотерминалами”. Лаборатория расположена на нейтральной стороне по отношению к солнцу.
Естественное освещение осуществляется через светопроемы, ориентированные преимущественно на запад и обеспечивает коэффициент естественной освещенности (КЕО) не ниже 1,2 %. А допустимые значения по СНиП 23-05-95 "Естественное и искусственное освещение” должно быть 2,3 %. в зонах с устойчивым снежным покровом.
Для внутренней отделки интерьера помещений с ВДТ и ПЭВМ использовались диффузно-отражающие материалы с коэффициентом отражения[15].
- для потолка 0,7 – 0,8;
- для стен 0,5 – 0,6;
- для пола 0,3 – 0,5.
Лаборатория не граничит с помещениями, имеющими повышенные уровни воздушного и ударного шума.
Неудобное сидячее положение, дискомфорт от сидячей работы за дисплеями и на рабочих местах можно уменьшить следующими методами:
- тщательным приспособлением состояния дисплея или объектива к индивидуальными особенностям зрения;
- приспособлением расстояния между глазами и дисплеем и расположения дисплея к конкретному работнику;
- регулировкой общего освещения на рабочем месте до достижения нужного его качества или обеспечением индивидуального освещения на рабочих местах;
- таким изменением работы, которое обеспечило бы возможность отдыха после продолжительных операций, создающих нагрузку на глаза;
- обеспечением таких условий, в которых работники могли бы отдыхать в отдельном помещении с тем, чтобы снять усталость глаз;
- обеспечением регулировки высоты рабочего стула до нужного уровня и удобства сидения.
Оргтехнику, обладающую слишком высоким уровнем шума – свыше 70 дБ, рекомендуется разместить в специальном помещении. СН 2.2.4./2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых общественных зданий и на территории жилой застройки. – постановлением Госкомсанэпиднадзора России от 31.10.96 г. № 36
Примечания:
- для тонального и импульсного шума ПДУ на 5 дБА меньше значений, указанных в табл. 5.4;
- для шума, создаваемого в помещениях установками кондиционирования воздуха, вентиляции и воздушного отопления - на 5 дБА меньше фактических уровней шума в помещениях (измеренных или рассчитанных), если последние не превышают значений табл. 5.4 (поправка для тонального и импульсного шума при этом не учитывается), в противном случае - на 5 дБА меньше значений, указанных в табл. 5.4;
- дополнительно для колеблющегося во времени и прерывистого шума максимальный уровень звука не должен превышать 110 дБА, а для импульсного шума - 125 дБАI.
Для техники, которую нельзя переместить, применить звукопоглощающие материалы, а также в качестве дополнительного звукопоглощения использовать однотонные занавески из плотной ткани, гармонирующие с окраской стен. Занавески должны быть подвешены в складку на расстоянии 15 см от ограждения. Ширина занавеси составляет 6 м.
Освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа составляет около 150 лк, что не удовлетворяет нормам СНиП 23-05-95 "Естественное и искусственное освещение”.
В качестве источников света при искусственном освещении применяются люминесцентные лампы типа ЛБ.
Площадь на одно рабочее место с ВДТ или ПЭВМ для взрослых пользователей составляет не менее 6,0 м2, а объем не менее 20,0 м3, что удовлетворяет нормам.
Поверхность пола в помещениях эксплуатации ВДТ и ПЭВМ ровная, без выбоин, нескользкая, удобная для очистки и влажной уборки, обладает антистатистическими свойствами.
Разница (называемая отношением яркости) между рабочим местом и примыкающей площадью не превышает соотношение 3:1. Коэффициенты отношения поверхностей следующие:
- для потолка 80 – 95 %;
- для стен 50 –60 %;
- для мебели и машин 25 – 45 %;
- для пола 25 –45 %.
Для работы использованы мониторы, удовлетворяющие стандартам MPR, MPR-2, TCO-92, TCO-95, TCO-99, а также стандарту EnergyStar. Мониторы применяются с покрытием против бликов и с антистатическим покрытием электронной трубки. Оргтехника, обладающая слишком высоким уровнем шума – свыше 70 дБ, не используется.
В лаборатории используются деревянные квадратные стулья, не удовлетворяющие требованиям, поэтому рекомендуется заменить их на стулья, имеющие характеристики:
- ширина и глубина поверхности сиденья – 450 мм;
- поверхность сиденья с закругленным передним краем;
- угол наклона спинки в вертикальной плоскости в пределах ±30 градусов;
- регулировка расстояния спинки от переднего края сиденья в пределах 260- 400 мм;
- регулировка подлокотников по высоте над сиденьем в пределах 230±30 мм и внутреннего расстояния между подлокотниками в пределах 350- 500 мм.
В современных ЭВМ очень высокая плотность размещения элементов электронных схем. В непосредственной близости друг от друга располагаются соединительные провода, коммутационные кабели. При протекании по ним электрического тока выделяется значительное количество теплоты. При этом возможно оплавление изоляции, соединительных проводов, их оголение и, как следствие, короткое замыкание, которое может привести к воспламенению[15].
Для ликвидации пожаров в начальной стадии и своевременной эвакуации людей в лаборатории предусмотрены следующие меры:
- наличие первичных средств тушения пожара (1 огнетушитель ОУ-5, защищаемая площадь 81 м2);
- наличие устройств пожарной автоматики (2 извещателя дымовых ИП-212);
- наличие плана эвакуации.
Лаборатория имеет следующие характеристики:
- категория по взрывопожарной и пожарной опасности лаборатории по НБП 105-95 – В3;
- класс взрывопожарности по ПУЭ – П-Па;
- степень огнестойкости здания II;
- тип вентиляции – естественная.
Лаборатория оснащена средствами системы пожарной сигнализации: извещателями дымовыми ИП-212. Максимальное расстояние между дымовыми извещателями 8,5 м, от стены до извещателя – 4,5 м при высоте свыше 3,5 м до 6м. Система пожарной сигнализации рассчитана на круглосуточную работу. Шлейфы пожарной сигнализации выведены на концентратор на вахту без права отключения. Шлейфы пожарной сигнализации в защищаемых помещениях выполнены проводом ТРП-1х2х0,5 открыто по стенам и потолкам и проводом МГШВ-0,5 на тросе. Вертикальные спуски выполнены кабелем ТПП-10х2х0,5. Основное и резервное питание концентратора выполнено проводом АППВ-3х2,5 в металлорукаве.
Важным фактором нормального высокопроизводительного труда являются метеорологические условия в производственном помещении.
При измерениях температуры, относительной влажности воздуха в помещениях, где установлены компьютеры, оргтехника, получились такие результаты. Температура в теплый период года колеблется от 21 до 25 0C, в холодный период года от 21 до 23 0C. Относительная влажность колеблется от 41 % до 55 % в холодный период и от 42 % до 62 % в теплый период года. Эти параметры температуры и влажности удовлетворяют нормам СанПиН 2.2.2.542-96 ”Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам ” и находятся в допустимых пределах.
Лаборатория не граничит с помещениями, имеющими повышенные уровни воздушного и ударного шума.
Неудобное сидячее положение, дискомфорт от сидячей работы за дисплеями можно уменьшить следующими методами:
- тщательным приспособлением состояния дисплея или объектива к индивидуальными особенностям зрения;
- приспособлением расстояния между глазами и дисплеем и расположения дисплея к конкретному работнику;
- регулировкой общего освещения на рабочем месте до достижения нужного его качества или обеспечением индивидуального освещения на рабочих местах;
- таким изменением работы, которое обеспечило бы возможность отдыха после продолжительных операций, создающих нагрузку на глаза;
- обеспечением таких условий, в которых работники могли бы отдыхать в отдельном помещении с тем, чтобы снять усталость глаз;
- обеспечением регулировки высоты рабочего стула до нужного уровня и удобства сидения.
Оргтехнику, обладающую слишком высоким уровнем шума – свыше 70 дБ, рекомендуется разместить в специальном помещении. Для техники, которую нельзя переместить, применить звукопоглощающие материалы, а также в качестве дополнительного звукопоглощения использовать однотонные занавеси из плотной ткани, гармонирующие с окраской стен. Занавески должны быть подвешены в складку на расстоянии 15 см от ограждения. Ширина занавеси составляет 6 метров.
Для поддержания температуры воздуха в пределах 21-24 0C в теплый период рекомендуется установить кондиционеры. Для холодного периода для поддержания температуры не ниже 21 0C установить требуемые отопительные системы.
Для повышения влажности воздуха, если это необходимо, в помещениях с ВДТ и ПЭВМ применяются увлажнители воздуха, заправляемые ежедневно дистиллированной или прокипяченной питьевой водой.
Для предупреждения развития переутомления обязательными условиями являются:
- осуществление перерыва после каждого академического часа занятий длительностью не менее 15 минут, независимо от учебного процесса. С этой целью необходимо к компьютерам подключать таймер или централизованно отключить дисплей;
- проведение во время перерыва проветривания дисплейного класса(желательно сквозное с обязательным выходом из класса студентов);
- осуществление во время перерыва физкультурной паузы в течении 3 - 4 минут;
- для снятия локального утомления студентов следует обеспечить проведение физкультминуток(в течение 1 - 2 минут), которые могут выполняться индивидуально в зависимости от появления усталости;
- через каждые 20 - 25 минут работы на видеотерминале осуществлять упражнения для глаз.
Для снижения пыли в лаборатории предусмотрены следующие рекомендации:
- не входить в помещение, где установлены видеотерминалы, в уличной обуви;
- ежедневно перед началом учебных занятий в дисплейном классе проводится влажная уборка и проветривание помещения.
7.2 Расчет искусственного освещения
Так как по освещенности рабочее место не удовлетворяет требованиям СНиП23-05-95 ”Естественное и искусственное освещение”, то требуется рассчитать соответствующее количество осветительных приборов для достижения требуемых характеристик.
Освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа должна быть 300 - 500 лк. В качестве источников света при искусственном освещении использованы люминесцентные лампы типа ЛБ.
Освещение на рабочем месте программиста должно быть таким, чтобы работник мог без напряжения зрения выполнять свою работу. Утомляемость органов зрения зависит от ряда причин:
- недостаточность освещенности;
- чрезмерная освещенность;
- неправильное направление света.
Расчет освещенности рабочего места сводится к выбору системы освещения, определению необходимого числа светильников, их типа и размещения[15].
Процесс работы программиста осуществляется в таких условиях, когда естественное освещение недостаточно или отсутствует. Исходя из этого, рассчитаем параметры искусственного освещения.
Искусственное освещение выполняется посредством электрических источников света двух видов: ламп накаливания и люминесцентных ламп. Будем использовать люминесцентные лампы, которые по сравнению с лампами накаливания имеют существенные преимущества:
- по спектральному составу света они близки к дневному, естественному освещению;
- обладают более высоким КПД (в 1,5-2 раза выше, чем КПД ламп накаливания);
- обладают повышенной светоотдачей (в 3-4 раза выше, чем у ламп накаливания);
- более длительный срок службы.
Расчет освещения производится для комнаты площадью 81 м2 , ширина которой 9 м, длина 9 м, высота – 4,1 м и высотой рабочей поверхности – 0,75 м. Число светильников в комнате равно 15, а в каждом светильнике по две лампы. Воспользуемся методом коэффициента использования светового потока, учитывающим световой поток, отраженный от потолка и стен. Световой поток лампы рассчитывается по формуле:
, (7.1)
где Ф - рассчитываемый световой поток, лм;
ЕН - нормированная минимальная освещенность, лк;
S - площадь освещаемого помещения, м2;
z - коэффициент неравномерности освещения;
kЗ - коэффициент запаса, учитывающий уменьшение светового потока лампы в результате загрязнения светильников в процессе эксплуатации;
N - число светильников, шт;
n - число ламп в светильнике, шт;
u - коэффициент использования светового потока.
Коэффициент неравномерности z зависит от светораспределения светильников и их расположения в пространстве. Он учитывает, что в реальных условиях неизбежна некоторая неравномерность освещения поверхности. При расположении светильников близком к наивыгоднейшему, его можно принять [15].
Коэффициент запаса kЗ учитывает снижение освещенности из-за загрязнения и старения лампы. Так как будут использованы люминесцентные лампы в помещениях, при запыленности менее 5 мг/м3, .
Для определения коэффициент использования светового потока находится индекс помещения и предположительно оцениваются коэффициенты отражения поверхностей помещения: потолка - , стен - , стола - .
Для данного помещения %, %, %.
Индекс помещения находится по формуле:
, (7.2)
где Нр- расчетная высота подвеса, м;
А - ширина помещения, м;
В - длина помещения, м.
Подставив значения, получим:
Зная индекс помещения , и , по таблице находим % /8/.
Подставим все значения в формулу для определения светового потока:
(лк)
Из таблицы по рассчитанному значению Ф выбираем лампу типа ЛБ, мощностью 65 Вт.
Вывод: Согласно проведенных расчетов для обеспечения на рабочем месте нормативной освещенности необходимо использовать люминесцентные лампы типа ЛБ, мощностью 65 Вт.
Схема расположения светильников в лаборатории указана на рисунке 7.2
Рисунок 7.2 Схема расположения светильников в лаборатории
7.3 Возможные чрезвычайные ситуации
В процессе эксплуатации существует опасность возникновения чрезвычайных ситуаций. Это могут быть наводнения, пожары, землетрясения, выбросы вредных веществ, ураганы, поражение электрическим током и др. В данной работе осветим одну из наиболее реальных чрезвычайных ситуаций.
Наиболее вероятная чрезвычайная ситуация в лаборатории - это пожар.
Для организаций, оснащенных вычислительной техникой, наиболее частые причины возникновения пожаров - причины электрического характера[17].
- короткие замыкания, перегрузки, искрения от нарушения изоляции, что приводит к нагреванию проводников до температуры воспламенения изоляции;
- электрическая дуга, возникающая между контактами коммутационных аппаратов, не предназначенных для отключения больших токов нагрузки;
- неудовлетворительные контакты в местах соединения проводов и их сильный нагрев вследствие большого переходного сопротивления при протекании электрического тока;
- искрение в электрических аппаратах и машинах, а также искрение в результате электростатических разрядов и ударов молнии;
- неисправность (замыкания) в обмотках электрических машин при отсутствии надлежащей защиты.
Мероприятия по противопожарной защите разделяются на организационные, эксплуатационные, технические и режимные. В связи с большой пожароопасностью необходимо применять профилактические меры. Пожарная профилактика при эксплуатации электронных приборов и устройств заключается в следующих мероприятиях:
- поддержании сопротивления изоляции токоведущих частей не ниже величин, регламентированных правилами техники безопасности;
- защите изоляции от теплового, механического и агрессивного воздействия окружающей среды посредством прокладки проводов в трубах, исключении повреждения изоляции проводов и кабелей от вибрации, тряски и при движении;
- защита открытых токоведущих частей (ограждениями) от попадания на них посторонних предметов;
- устройство механических и электрических блокировок для исключения ошибочных действий при выполнении оперативных переключений.
Для предотвращения пожаров должны строго соблюдаться правила пожарной безопасности. Необходимо тщательно проверять состояние контактов, так как ослабление контактов в местах присоединения может привести к местному нагреву, а затем к нагреву провода и к нагреву изоляции выше допустимых температур. Особое внимание следует обращать на временные электропроводки, которые часто плохо изолируются в местах соединения, подвергаются скручиванию и ударам, что нарушает изоляцию проводов и вызывает короткое замыкание[16]. Надежность работы радиоэлектронных изделий гарантируется только в определенных интервалах температуры, влажности, тока и напряжения. Из-за возможных отклонений электрических и климатических параметров эти изделия являются нередко источниками открытого пламени и высоких температур. Причиной этого являются, небрежное исполнение радиотехнических изделий с элементами нарушения правил пожарной безопасности.
Для ликвидации начинающихся очагов пожара силами персонала помещения должны быть обеспечены по действующим нормам первичными средствами пожаротушения, пожарным ручным инструментом и пожарным инвентарем. Для тушения электроустановок под напряжением до 10 кВ. необходимо применять углекислотные (ОУ-2, ОУ-5, ОУ-8), углекислотно-бромэтиловые огнетушители (ОУБ-3, ОУБ-7) или порошковые огнетушители (ОП-3, ОП -5), так как струя не электропроводна.
Необходимо оборудовать помещения охранно-пожарной сигнализацией, извещающей органы пожарной охраны о пожаре и месте его возникновения – обеспечивается автоматической (нажатием кнопки) пожарной сигнализацией, а также при помощи телефонной связи.
В соответствии с требованиями НПБ -104-95 в здании предусмотрена автоматическая система оповещения людей о пожаре по второму типу. В качестве средств оповещения использованы звуковые оповещатели "Свирель” и световые указатели "Выход”.
Запуск средств оповещения должен происходить автоматически при срабатывании любого пожарного извещателя. Система оповещения людей при пожаре должна быть рассчитана на круглосуточную работу и обеспечить оповещение всех одновременно во всех местах постоянного и временного пребывания людей[18].
Шлейфы системы оповещения выполнены проводом при открытой параллельной прокладке, расстояние между проводами шлейфов сигнализации,
Возможные причины возникновения пожара:
- работы с открытым огнем без соблюдения правил пожарной безопасности;
- курение в неустановленных местах;
- неисправность электрической проводки;
- неисправность приборов и оборудования, питаемых от сети, и нарушение правил эксплуатации;
- неисправность защитного заземления;
- неисправность молниезащиты.
Эвакуация сотрудников лаборатории в случае возникновения пожара или при возникновении другой чрезвычайной ситуации производится в соответствии с планом эвакуации. Процесс движения людей в силу угрожающей им опасности инстинктивно начинается одновременно в одном направлении - в сторону выходов. Это приводит к тому, что проходы быстро заполняются людьми определенной плотности потоков. Показателем эффективности процесса вынужденной эвакуации является время, в течение которого люди могут при необходимости покинуть отдельные помещения и здание в целом. При расчете весь путь движения людского потока подразделяется на участки (проход, коридор, дверной проем, лестница, тамбур). Далее происходит выход людей из здания и рассеивание.
Расчетное время эвакуации людей из помещений и зданий устанавливается по расчету времени движения одного или нескольких людских потоков. Расчет ведется в соответствии с ГОСТ 12.1.004-91. При расчете путь движения людского потока делится на участки длинной li и шириной bi. Расчетное время эвакуации людей Т, мин определяется по формуле:
, (6.3)
где ti – время движения людского потока на i-м участке, мин;
n – количество участков эвакуации.
Плотность людского потока Di, чел/м2 на i-м участке пути определяется по формуле:
, (6.4)
где Ni - число людей на i-м участке;
f – средняя площадь горизонтальной проекции человека, м2 (f=0,125 м2);
li – длина i-го участка, м;
bi – ширина i-го участка, м.
Время движения на участке пути ti, мин следует определять по формуле:
ti=li/vi, (6.5)
где vi – значение скорости движения людского потока на участке в зависимости от Di (по таблице 11).
Таблица 11 Значение скорости движения людского потока на участке в зависимости от плотности потока
Плотность
потока,
D,чел/м2
Горизонтальный
путь
Дверной
проем
Лестница вниз
Скорость,
v, м/мин
Интенсивность, q, чел/мин
Интенсивность, q, чел/мин
Скорость,
v, м/мин
Интенсив ность,
q, чел/мин
0,01
100
1
1
100
1
0,05
100
5
5
100
5
0,1
80
8
8,7
95
9,5
0,2
60
12
13,4
68
13,6
0,3
47
14,1
16,5
52
16,6
0,4
40
16
18,4
40
16
0,5
33
16,5
19,6
31
15,6
0,6
27
16,2
19,0
24
14,4
0,7
23
16,1
18,5
18
12,6
0,8
19
15,2
17,3
13
10,4
0,9 и более
15
13,5
8,5
8
7,2
Результаты расчета времени эвакуации людей сведены в таблицу 12.
Таблица 12 Результаты расчета времени эвакуации людей
Участок
Длина,
li, м
Ширина,
bi, м
Число людей,
Ni
Плотность потока,
Di, чел/м2
Интенси-
вность,
qi,
чел/мин
Скорость,vi, м/мин
Время,
ti, мин
1
9
9
11
0,017
1
58,8
0,15
2
6
3
44
0,305
14,1
46,2
0,13
3
6
6
46
0,159
10
62,8
0,01
4
15
3
46
0,127
9
70,8
0,21
5
24
2
46
0,12
8,8
73,3
0,32
Расчетное время эвакуации людей:
Т = 0,15 + 0,13 + 0,095 + 0,21 + 0,32 = 0,905 мин.
Таким образом, расчетное время эвакуации из помещения составляет 0,905 мин или 54,3 сек. Время эвакуации по лестничным маршам не должно превышать 5 мин, а время эвакуации из помещения между лестничными клетками 1 мин. Расчетное время не превышает допустимого.
Силовыми и осветительными приборами не менее 0,5 м. План эвакуации людей при пожаре представлен на рисунке 7.3
Рисунок 7.3 План эвакуации людей при пожаре
Условные обозначения приведены в таблице 13.
Таблица 13
Наименование
Обозначение
Лаборатория
1
Огнетушитель ОУ-5
2
Путь эвакуации
3
Заключение
В ходе данного дипломного проектирования была разработана электрическая функциональная, электрическая принципиальная схема, разработан алгоритм, печатная плата и произведена трассировка, были использованы все параметры технического задание. Диплом содержит расчет экономических показателей, рассмотрены вопросы безопасности труда.
Список использованных источников
1 Тампер, В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR микроконтроллеров. – Киев: МК-Пресс, 2006. – С.200.
2 Мирский, Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. – М.: Радиосвязь, 1984. – С.161.
3 Олсон, Г. Цифровые системы автоматизации и управления. – СПб.: Невский диалект, 2001. – С.274.
4 Тампер, В. AVR-RISC микроконтроллеры. – Киев: МК-Пресс, 2006. – С.400.
5 Евстифеев, А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. – М.: Додэка – XXI, 2007. – С.594.
6 Бродин, В.Б., Калинин, А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. – М.: Издательство ЭКОМ, 2002. – С. 398.
7 Ефремов, И.В., Янчук, Е.Л., Быкова, Л.А. Расчет естественного и искусственного освещения: Методические указания к практическим занятиям.– Оренбург: ГОУ-ОГУ. – 38с.
8 Ромаш, Э.М., Драбович, Ю.И. Высокочастотные транзисторные преобразователи. – М.: Радио и связь, 1988. – С.288.
9 Уваров, А.С.P-CAD 2002 и SPECCTRA. Разработка печатных плат. – М.: СОЛОН – Пресс, 2003. – С.544.
10 Корицкий, Ю.В.Справочник по электротехническим материалам:
С 74 В 3 т. Т. 2 / Под редакцией Ю.В. Корицкого и др. – 3 изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 464 с.
11 Хлуденев, А.В. Отладочные средства микропроцессорных систем: методические указания/ А.В.Хлуденев. – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. - 32 с.
12 Хлуденев, А.В.Разработка и кодирование алгоритмов для PIC-микро: методическиеуказания / А.В.Хлуденев. – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. - 46 с.
13 Акулова, А.Ш.Расчёт экономического эффекта от внедрения разработанного устройства: методические указания / А.Ш. Акулова – Оренбург: ООО «Агентство «ПРЕССА», 2008. – 21 с.
14 Кукин, П.П.Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и производств. Охрана труда: учеб.пособие / П.П. Кукин, В.Л. Лапин, Н.Л. Пономарев, Н.И. Сердюк.- 2-е изд. испр. и доп. - М. : Высш. шк., 2002. – 319 с.
15 Ефремов, И.В. Расчет естественного и искусственного освещения: методические указания / И.В. Ефремов, Е.Л. Янчук, Л.А. Быкова. – Оренбург: ОГУ, 2000.- 27 с.
16 Жилин, А.Н.Оценка химической обстановки при разрушении (аварии) объектов, имеющих аварийно-химически опасные вещества (АХОВ) / А.Н. Жилин, С.В. Стадникова, В.И. Винник. - Оренбург: ИПК ОГУ, 2000.- 27 с.
17 ГОСТ Р 22.0.02 – 94.Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Термины и определенияосновных понятий. Введ. 1996-01-01. Изд-во ГОССТАНДАРТ РОССИИ, 1996 – 34 с.
18 ГОСТ 12.1.004-91. Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования. Введ. 92-07-01.Изд-во - Ипк Издательство Стандартов, 1996 – 106 с.
19 Техническая документация (datasheet) микроконтроллер PIC16F877. Режим доступа: http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/microchip/33023a.pdf.
20 Техническая документация (datasheet)микросхема TL385 Режим доступа: http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/texasinstruments/tl431.pdf
21 Техническая документация (datasheet)LCD-дисплей WH1602. Режим доступа: http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets2/29/295556_1.pdf
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Перечень элементов
Скачать дипломную работу: