4.5 Алгоритм работы устройства управления

Управление приводом системы стабилизации предлагается осуществлять микроконтроллерным блоком (МКБ), в задачи которого входит опрос датчика угла крена маятника, выработка управляющего воздействия и непосредственное управление приводом угла крена.

Микроконтроллерный блок имеет в своем составе:

· микроконтроллер (МК);

· цифровой следящий привод (ЦСП).



Рисунок - 22 Функциональная схема системы управления приводом

На (рис. 22) приняты следующие обозначения: PORT - параллельный порт ввода-вывода; МП - микропроцессор; ШИМ - широтно-импульсный модулятор; МК - микроконтроллер; ШИП - широтно-импульсный преобразователь; ЛПУ - логическое переключающее устройство; БУР - блок управления реверсом; УМППД - усилитель мощности правого плеча двигателя; УМЛПД - усилитель мощности левого плеча двигателя; М - привод управления углом крена маятника; Д - датчик угла крена маятника.

После включения устройства управления, режим запуска устанавливается по сигналу , микроконтроллер выполняет процедуру инициализации внутренних переменных, внутренних и периферийных устройств. Если оборудование неисправно, то вырабатывается сигнал неисправности и устройство управления (УУ) останавливается. При успешной инициализации разблокируется () прохождение сигнала от таймера и по условию, где в момент поступления сигнала синхронизации, УУ переходит в режим подготовки, т.е. выполняется настройка таймеров, настройка широтно-импульсного модулятора, инициализация UART-интерфейса, настройка портов. В этом режиме, посредством UART-интерфейса, В раз считывается и запоминается показания датчиков, привязанные ко времени . После считывания и запоминания показаний датчиков, УУ проверяет сигналы на достоверность. При выявлении недостоверных показаний вырабатывается сигнал внештатной ситуации , по которому принимаются решения о дальнейших действиях. Если сигналы достоверные, то принятые от датчиков данные расшифровываются и преобразуются таким образом, чтобы их можно было подать на вход регулятора. Вычисленные регулятором управляющие воздействия, кодируются в соответствии с размером разрядной сетки широтно-импульсного модулятора, и записываются в его регистр сравнения. Импульсы, сформированные на выходе ШИМ подаются на усилитель, что приводит к пуску привода стабилизации положения руки манипулятора. Далее происходит опрос датчиков, и цикл повторяется.

.

Рисунок - 23 Схема установки датчика угла поворота термозонда

4.6 Выбор микроконтроллера

Микроконтролер Atmega2560 [11]

Формирование управляющего воздействия согласно ранее синтезированному закону управления будем осуществлять при помощи микроконтроллера. Для этого необходимо выбрать микроконтроллер.

В качестве критериев выбора определим следующие:

· Доступность. От этого критерия на прямую зависит скорость разработки конечного устройства, а также возможности его модернизации и оперативного ремонта.

· Стоимость. Т.к. микроконтроллер является основным вычислительным элементом устройства, от его стоимости будет напрямую зависеть себестоимость конечного устройства.

· Функциональные возможности. Широта функциональных возможностей выбираемого микроконтроллера должна: во-первых, удовлетворять требованиям синтезируемого устройства. Во-вторых, должна иметь некоторый запас, позволяющий в дальнейшем производить модернизацию оборудования путем замены только лишь программы микроконтроллера.

· Достаточное быстродействие для выполнения всех необходимых вычислений.

Рисунок - 24 Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 построена на микроконтроллере ATmega2560. Платформа содержит 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB или подать питание при помощи адаптера AC/DC, или аккумуляторной батареей. Arduino Mega 2560 совместима со всеми платами расширения, разработанными для платформ Duemilanove или Diecimila.

Спецификация:

*Микроконтроллер ATmega2560

* Напряжение питания 5В

* Входное напряжение (рекомендуемое) 7-12В

* Входное напряжение (предельное) 6-20В

* Цифровой ввод-вывод 54 линии (14 из них = ШИМ)

* Аналоговый ввод 16 линий

* Постоянный ток на линиях ввода-вывода 40мА

* Постоянный ток на линии 3.3В 50мА

* Flash-память 256КВ, 4 КВ из них использованы для загрузчика

* SRAM-память 8КВ

* EEPROM-память 4КВ

* Тактовая частота 16МГц

Рисунок - 25 Диаграмма контроллера Atmega2560

Особенности:

По datasheet (описанию), все контроллеры Atmega обладают следующими особенностями:

· Низкомощным высокопроизводительным 8-зарядным микроконтроллером типа AVR (причем, и у моделей класса Atmega168 20au, и Atmega168 20au).

· Усовершенствованной архитектурой типа RISC (плата всегда ей соответствует).

· Микроконтроллером. Datasheet (описание) говорит, что их 135 у каждой модели.

· Платой и распиновкой, которые обеспечивают выполнение практически всех инструкций в течение 1 цикла.

· Каждый микроконтроллер серии, от самых первых, например, Atmegar3, до наиболее современных (Atmega328 или Atmega2561 rev3), характеризуется полностью статическими темпами работы.

· Огромной производительностью, как утверждает datasheet (описание). При частоте в 16 мегагерц производительность будет равняться 16 миллионам операций за 1 секунду.

Рисунок - 26 микроконтроллер

Контроллер Atmega2560

Встроенным 2-тактным устройством для умножения.

· Платой и распиновкой, позволяющими содержание опционального сектора для загрузки с раздельными защитными битами.

· Внутрисистемно программируемой флеш-памятью. Согласно информации из datasheet (описанию), ее объем может равняться 64, 128 или 256 килобайтам.

· Износостойкостью памяти, составляющей 10 000 циклов типа «запись/уничтожение».

· Возможностью платы самопрограммироваться любой другой программой, которая находится в загрузочном секторе.

· Способностью микропроцессора поддерживать режим чтения во время записи.

· Ёмкостью внешнего пространства для программирования одного микропроцессора -- 64 килобайта.

· Микрочипом, позволяющим пользователю самостоятельно программировать его защиту (актуально для всех версий: от первых, например, Atmegar3, до современных: Atmega328 или Atmega2561 rev3).



Рисунок - 27 Блок схема микроконтроллера Atmega2560

Общее описание

ATmega640, ATmega1280, ATmega1281, ATmega2560, ATmega2561 - маломощный 8-разр. КМОП микроконтроллер, выполненный на основе AVR-ядра с RISC-архитектурой. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл ATmega640, ATmega1280, ATmega1281, ATmega2560, ATmega2561 достигает производительности 1 млн. операций в секунду при тактовой частоте 1 МГц.

AVR ядро объединяет богатый набор инструкций с 32 рабочими регистрами общего назначения. Все 32 регистра непосредственно подключены к АЛУ (арифметико-логическое устройство), что позволяет указывать два регистра в одной инструкции и выполнить ее за один цикл. Данная архитектура обладает большей эффективностью кода и в 10 раз большей производительностью по сравнению с CISC микроконтроллерами.

ATmega640, ATmega1280, ATmega1281, ATmega2560, ATmega2561 содержит следующие узлы: 64/128/256 кбайт внутрисхемно-программируемой флэш-памяти с возможностью чтения во время записи, 4 кбайт ЭСППЗУ, 8 кбайт статического ОЗУ, 54/86 линий ввода-вывода, 32 рабочих регистра общего назначения, часы реального времени, шесть гибких таймеров-счетчиков с режимами сравнения и ШИМ , 4 УСАПП, 2-проводной последовательный интерфейс с побайтной передачей, 16-канальный 10-разрядный АЦП с опциональным дифференциальным входным каскадом и программируемым усилением, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI, JTAG интерфейс для сканирования адресного пространства, реально-временной отладки и программирования, а также шесть программно настраиваемых режимов управления энергопотреблением. Режим холостого хода (Idle) останавливает ЦПУ, но оставляет в работе статическое ОЗУ, таймеры-счетчики, порт SPI и систему прерываний. Режим пониженного потребления (Power-down) сохраняет содержимое регистров, но останавливает генератор, выключает все встроенные функции до появления следующего запроса на прерывание или аппаратного сброса. В экономичном режиме (Power-save) асинхронный таймер продолжает работать, позволяя пользователю его использовать, а остальные устройства отключены. В режиме снижения шумов АЦП (ADC Noise Reduction) останавливается ЦПУ и все модули ввода-вывода, за исключением асинхронного таймера и АЦП, тем самым минимизируется влияние цифрового шума на результат преобразования В дежурном режиме (Standby) генератор на кварцевом резонаторе запущен, а остальная часть отключена. Данный режим позволяет реализовать быстрый запуск в комбинации с малым потреблением. В расширенном дежурном режиме (Extended Standby) и основной генератор и асинхронный таймер продолжают работать.

Микроконтроллеры выпускается по разработанной Atmel технологии энергонезависимой памяти высокой емкости. Встроенная ISP флэш-память может внутрисхемно перепрограммироваться через последовательный интерфейс SPI, обычным программатором энергонезависимой памяти или запущенной программой в секторе начальной загрузки AVR ядра. Программа в секторе начальной загрузки может использовать любой интерфейс для записи программы. Программа в секторе начальной загрузки выполняется даже при обновлении флэш-памяти приложения, обеспечивая действительную возможность чтения во время записи. За счет комбинирования 8-разрядного RISC ЦПУ с внутрисхемно самопрограммируемой флэш-памятью на одном кристалле, позволило ATmega640, ATmega1280, ATmega1281, ATmega2560, ATmega2561 быть мощным микроконтроллером, обеспечивающего высокую универсальность и обладающего низкой стоимостью, что делает его применение идеальным для построения встроенных систем управления.

ATmega640, ATmega1280, ATmega1281, ATmega2560, ATmega2561 поддерживается полным набором инструментальных и программных средств для разработки приложений, в т.ч.: Cи-компиляторы, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисхемные эмуляторы, оценочные наборы.

4.7 Алгоритм работы микроконтроллера

Алгоритм программы, обеспечивающей реализацию необходимого закона управления, представлен на рис. 28



Рисунок - 28 Алгоритм работы микроконтроллера

4.9 Датчик температуры

Датчики для измерения температуры агрессивных сред TTSC-42

Технические параметры

Датчики для измерения температуры агрессивных сред TTSC-42

Диапазон измерений температуры/преобразующий элемент

0ч1600єC R, S кл. 2

600ч1700єC B кл. 3

Оболочка

· несущая оболочка сталь 1.4541

· керамическая монокристаллическая оболочка Al2O399,99% (SAP)

· диаметр d [мм]: 5, 6, 8, 10 (стандарт 10 мм)

Таблица 2. Характеристики датчика температуры

диаметр оболочки d [мм]	диаметр несущей оболочки dn [мм]	длина макс. Lmax [мм]	диаметр проволоки [мм]
Ш5	Ш12	500	Ш0,35
Ш6	Ш12	500	Ш0,35
Ш8	Ш12	1000	Ш0,35 или 0,5
Ш10	Ш15	1400	Ш0,35 или 0,5

Рисунок - 29 Датчик температуры

Головка

-B, IP54, -40ч100єC

Опции

-термоэлемент R, S кл. 1, B кл.

Дополнительное оснащение

-преобразователи температуры -

-зажимное крепление

-компенсационные провода

Преобразователи температуры

Технические параметры

Характеристика

-универсальный преобразователь

-монтаж в головке B

-корректировка погрешности датчика

-мониторинг обрыва в цепи датчика

-повышенная точность IPAQ+HPLUS

-искробезопасная версия IPAQ-HX,

ATEX II 1G Ex ia IIC T4 - T6

Вход

RTD 3 -, 4-проводной

TC B, E, J, K, L, N, R, S, T, U согласно. диапазону функционирования Pt100 -200ч1000єC

Pt1000 -200ч200єC Ni100 -60ч250єC Ni1000 -10ч150єC без реактивный: 0ч2000Щ напряжения: 10ч500 мВ

Выход

4ч20 мА, 20ч4 мА

Диапазон измерений

-Pt100: мин. -10єC

-TC, мВ: мин. 2 мВ

-Без реактивных. входов: мин. 10ЩРегулировка нуля во всем диапазоне

Точность преобразования

PLUS - 0,05 % H - 0,1% для RTD, мВ, акт. сопрот.

PLUS - 0,1 % H - 0,2% для TC

Время реакции

0,2 сек

Гальваническая изоляция

3750В AC в теч. 1 мин PLUS; 1500 В AC в теч. 1 мин H

Макс. активное сопротивление проводов

500Щ для всей петли TC; 25Щ на провод RTD

Соединение проводов

2,5 мм2

Водные присоединения

6,5ч42В DC; 8ч30В DC версия Ex

Рабочие условия

– температура: -40ч85єC

– влажность: до 95% RH без конденсации

Таблица 3. Крепление реле

UG-1 Резьбовое крепление
Материал: сталь A10 луженая
Уплотнение: керамический шнур
Тип	Резьба	d (мм)
UG-1-6	M16x1,5	6,0
UG-1-8	M16x1,5	8,0
UG-1-12	M20x1,5	12,0
UG-1-15	M24x2	15,0



Рисунок - 30 Резьбовое крепление

4.8 Крепежные элементы для преобразователей

Технические параметры

Описание:

Резьбовые и зажимные крепежные элементы являются дополнительным оснащением для термопреобразователей, не имеющих резьбовых соединений и фланцев. Они служат для крепления датчиков в местах измерения и сконструированы таким образом, что позволяют на их крепление в любом месте оболочки, т.е. позволяют погружать датчик в измеряемую среду на произвольную глубину. Резьбовые крепежные элементы обеспечивают герметичность при давлениии не более 0,1Мпа

Характеристика:

– активное сопротивление изоляции: мин.10 MЩ x км

– диапазон исполнения до 25 пар

– испытание напряжением 1000В- состав и цвета проводов согл. EU IEC 584-3 проводы изготовлены в соотв. с нормой IEC производятся как компенсационные (вторая буква в обозначении C) или удлиняющие (вторая буква X). - удлиняющие провода изготовляются из тех же самых материалов, как и термоэлемент, однако более дешевым способом, с более низким классом погрешности измерения температуры, являются компенсационные провода, которые изготовляются из материалов-заменителей.

ГЛАВА 5. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ

5.1 Анализ вредных факторов при работе с ПК

В разрабатываемом устройстве управления используется микроконтроллер, все основные результаты работы которого выводятся на экран монитора. При работе с микроконтроллером оператор находится перед дисплеем. Оказываемое воздействие на окружающую среду разрабатываемой системы мало по сравнению с микроконтроллером. Поэтому рассмотрим характеристики безопасности и экологичности работы с видеодисплейными терминалами (ВДТ) микроконтроллеров.

Применение ВДТ микроконтроллеров повышает уровень организации труда, дает широкую, оперативную, наглядную, информацию о состоянии производства, ходе технологических процессов, позволяют видеть динамику процессов.

Стремительное изменение характера труда, переход во все больших видах деятельности человека к управленческим функциям, широкое использование вычислительной техники как главного помощника при выполнении умственных операций привело к появлению специфических опасностей, сопровождающих работу с видеодисплейными терминалами микроконтроллеров.

Лица за ВДТ могут подвергаться воздействию низкоэнергетического рентгеновского и УФ излучения, электромагнитного излучения (экраны наиболее интенсивно излучают на частотах 10,4 - 15 кГц - частоте строчной развертки), статического электричества, возникающего в результате облучения экрана потоком заряженных частиц электронной трубки, а также воздействию шума, неудовлетворительного освещения и микроклимата.

Проводимые обследования показали, что фактически нет такого рабочего места за дисплеем, которое соответствовало бы санитарно-гигиеническим и эргономическим требованиям.

Необходимость постоянно следить за информацией на дисплее требует от оператора напряжения воли для обеспечения необходимого уровня внимания.

По данным психологических наблюдений человек способен поддерживать активно внимание на протяжении 15 - 25 минут, затем наступает фаза пассивности (отдыха) и возобновление нового периода активного внимания. Работа с дисплеями характеризуется монотонностью (однообразием), что способствует быстрому развитию переутомления.

Многообразие причин аварийности систем и травматизма в производственных условиях позволяет говорить, что наиболее подходящими для оценки опасностей являются модели, представляющие собой процесс появления и развития цепи соответствующих предпосылок в виде диаграмм. Под диаграммами влияния причинно-следственных связей понимают некоторое представление моделируемых процессов с помощью графических символов. Основными достоинствами выявления и оценки опасностей при помощи диаграмм влияния служат высокая информативность представления и описания исследуемых факторов, хорошая наглядность и удобство интерпретации и обработки результатов посредством использования ЭВМ .

Широкое распространение получила диаграмма ветвящейся структуры, называемая “дерево причин (отказов, опасностей, событий)”. Построение “деревьев” является эффективной процедурой выявления причин различных, нежелательных событий (аварий, травм, пожаров и т.д.), что и необходимо для проведения системного анализа, дерево причин для данной системы приведено на рис.1.



Рисунок - 31 Дерево отказов

5.2 Меры защиты от вредных и опасных факторов

Существуют меры защиты от вредного воздействия производственных факторов при работе с ВДТ.

Конструкция ВДТ, его дизайн и совокупность эргономических параметров должны обеспечивать надежное и комфортное считывание отображаемой информации в условиях эксплуатации. Конструкция ВДТ должна обеспечивать возможность фронтального наблюдения экрана путем поворота корпуса в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси в пределах ± 30° и в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси в пределах ± 30° с фиксацией в заданном положении. Дизайн ВДТ должен предусматривать окраску корпуса в спокойные мягкие тона с диффузным рассеянием света. Корпус ВДТ, должен иметь матовую поверхность с коэффициентом отражения 0,4 - 0,6 и не иметь блестящих деталей, способных создавать блики.

Конструкция ВДТ должна предусматривать наличие ручек регулирования яркости и контраста. Для обеспечения надежного считывания информации при соответствующей степени комфортности ее восприятия должны быть определены оптимальные и допустимые диапазоны визуальных и эргономических параметров.

Измерения рентгеновского излучения перед экраном цветного дисплея показали, что на расстоянии 5 см. от экрана мощность дозы составляет

100 мкГр/час. А на расстоянии 250 см. от экрана - 0,0025 мкГр/час. Мощность дозы рентгеновского излучения отечественных телевизионных приёмников у поверхности экрана и корпуса не превышает предельно допустимой нормы (100 мкР/час.), что регламентируется ГОСТ 29.05.006-85.

Конструкция ВДТ должна обеспечивать величину эквивалентной дозы рентгеновского излучения в любой точке на расстоянии 0,05 м. От экрана и корпуса ВДТ не более 0,1 мбэр/час. (100 мкР/час.).

Особое внимание следует обратить на статическое электричество. Измерения показали, что напряженность электростатического поля в рабочей зоне как отечественных, так и импортных дисплеев достигает 85 -62 кВ/м. при норме 20 кВ/м. в течение одного часа (ГОСТ 12.1.045-84).

Для предотвращения образования и защиты от статического электричества в помещении используются нейтрализаторы и увлажнители, полы имеют антистатическое покрытие.

Конструкция клавиатуры должна предусматривать: исполнение в виде отдельного устройства с возможностью свободного перемещения; опорное приспособление позволяющее менять угол наклона клавиатуры в пределах от 5 до 15⁰ ; высоту среднего ряда клавиш не более 30 мм; расположение часто используемых клавиш в центре, внизу и справа, редко используемых - вверху и слева; выделение цветом, формой, размером и местом расположения функциональных групп клавиш; минимальный размер клавиш - 13 мм, оптимальный 15 мм; клавиши с углублением в центре и шагом 19±1 мм; расстояние между клавишами не менее 3 мм; оптимальный ход для всех клавиш с минимальным сопротивлением нажатию 0,25 Н и максимальный не более 1,5 Н.

Приведем требования к помещениям для эксплуатации дисплеев и ПЭВМ.

Естественное освещение должно осуществляться через светопроемы, ориентированные преимущественно на север и северо-восток, обеспечивать КЕО не ниже 1,2 % в зонах с устойчивым снежным покровом и не ниже 1,5 % на остальной территории. Расположение рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ в подвальных помещениях не допускается.

Площадь на одно рабочее место с ВДТ и ПЭВМ должна составлять не менее 6 м², а объем не менее 20 м³. Производственные помещения, в которых для работы используются ВДТ и ПЭВМ , не должны граничить с помещениями, в которых уровни шума и вибраций превышают нормированные значения. Помещения должны оборудоваться системами отопления, кондиционирования воздуха или эффективной приточно-вытяжной вентиляцией. Для внутренней отделки интерьера помещений с ВДТ и ПЭВМ должны использоваться диффузионно-отражающие материалы с коэффициентом отражения для потолка - 0,7 - 0,8; для стен - 0,5 - 0,6; для пола - 0,3 - 0,5. Поверхность стола должна быть ровной, без выбоин, нескользкой, удобной для очистки влажной уборкой, обладать антистатическими свойствами.

Организация рабочих мест операторов ПК следует осуществлять на основе современных эргономических требований. Конструкция рабочей мебели (столы, кресла или стулья) должна обеспечивать возможность индивидуальной регулировки соответственно росту оператора и создавать удобную позу. Часто используемые предметы труда и органы управления должны находиться в оптимальной рабочей зоне.

Конструкция рабочего стула должна обеспечивать поддержание рациональной рабочей позы, позволять изменять позу с целью снижения статического напряжения; мышц шейно-плечевой области и спины для предупреждения развития переутомления

Экран видеомонитора должен находиться от глаз пользователя на оптимальном расстоянии 600 - 700 мм, но не ближе 500 мм. Клавиатуру следует располагать на поверхности стола на расстоянии 100 - 300 мм от края, обращенного к пользователю или на специальной, регулируемой по высоте рабочей поверхности, отделенной от основной столешницы.

Режимы труда и отдыха при работе с ПЭВМ и ВДТ должны организовываться в зависимости от вида и категории трудовой деятельности.

Виды трудовой деятельности разделяются на 3 группы: группа А - работа по считыванию информации с экрана ВДТ или ПЭВМ с предварительным запросом: группа Б - работа по вводу информации; группа В - творческая работа в режиме диалога с ЭВМ. Для видов трудовой деятельности устанавливается 3 категории тяжести и напряженности работы с ВДТ и ПЭВМ (приложение15), которые определяются: для группы В - по суммарному времени непосредственной работы с ВДТ и ПЭВМ за рабочую смену, но не более 6 часов за смену.

Продолжительность непрерывной работы с ВДТ без регламентированного перерыва не должна превышать 2 часов. При восьми часовой рабочей смене и работе на ВДТ и ПЭВМ регламентированные перерывы следует устанавливать:

- для В категории работ через 1,5-2,0 часа от начала рабочей смены и через 1.5-2 часа после обеденного перерыва продолжительностью 20 минут каждый или продолжительностью 15 минут через каждый час работы.

При двенадцати часовой рабочей смене регламентированные перерывы должны устанавливаться в первые 8 часов работы аналогично перерывам при восьми часовой рабочей смене, а в течение последних 4 часов работы, независимо от категории и вида работ, каждый час продолжительностью 15 минут.

Основное достоинство разрабатываемого устройства, что из-за сравнительно низкой скорости передачи больших файлов данных, есть возможность проводить перерывы в работе во время обмена информацией. А также проводить программное прогнозирование и индикация (световая или звуковая), о ходе процессов.

5.3 Пожарная безопасность при эксплуатации микроконтроллеров

Опасность возникновения пожара относится к чрезвычайным ситуациям. Возникновению пожара в лаборатории на этапе изготовления может способствовать

- наличие большого количества электронных устройств и радиоэлектронной аппаратуры;

- контакт нагретой части паяльника с воспламеняющимся материалом;

- короткое замыкание и перегрузка электрической цепи;

- в процессе эксплуатации аппаратуры пожар может возникнуть в результате

сильного нагревания и излучения тепла деталями, которые могут воспламенить близлежащие элементы, изготовленные из легко воспламеняющихся материалов;

- при загорании трансформаторов, дросселей и резисторов, когда через них проходит ток, превышающий допустимую величину; при выгорании шин питания на платах в результате ухудшения изоляции;

- при коротком замыкании, вследствие чего происходит пробой деталей и возникает электрическая дуга

- курение в не установленном месте.

В микроконтроллере пожарную опасность создают элементы электронной схемы и соединительные провода. Особую опасность представляют блоки микроконтроллера, в которых находятся высокие уровни напряжения и тока. Действующие радиотехнические детали разогреваются электрическим током нагревающие воздух и соседние детали, поэтому необходимо проводить принудительное охлаждение путем циркуляции воздуха, а также увеличить площадь теплового рассеяния сильно нагреваемых деталей.

Пожароопасные изоляционные материалы: лаки, краски, пластмассы, эмали. Изоляционные материалы не теплостойки: при повышении температуры возможно плавление этих материалов и выделение горючих веществ. Предпочтительно применение несгораемых веществ.

Правильный выбор проводов (выбор сечения токоведущих жил, марки провода, вида изоляции), профилактические осмотры, ремонт и испытания позволяют предупредить возникновение короткого замыкания. Для защиты сетей от перегрузок необходимо применять плавкие предохранители, тепловые электромагнитные реле.

Одной из основных мер предотвращения пожара в электроустановках является правильный выбор аппаратуры защиты. Наиболее часто при токовых перегрузках в электросетях применяются плавкие предохранители и воздушные автоматические переключатели. В предохранителях находятся плавкие вставки, которые при значениях тока в цепи предельно допустимого расплавляются и отключают потребителя от источника электроснабжения. Калиброванные плавкие предохранители выпускаются промышленностью. Применение самодельных предохранителей категорически запрещается. Автоматические выключатели размыкают электрическую цепь в случае короткого замыкания или перегрузки сети с помощью электромагнитных, тепловых или комбинированных расщепителей. Поскольку плавкие предохранители и автоматические выключатели могут быть источниками искрообразования, их следует помещать в закрываемые шкафы из несгораемых материалов.

Для предупреждения пожара необходимо проводить организационные, эксплуатационные и технические мероприятия: обучение работающего персонала правилам техники безопасности, проведение инструктажа, периодическая проверка состояния электропроводки, недопущение перегрева аппаратуры, запрещение курения в не установленных местах; оставление без присмотра работающих электроприборов, особенно паяльника, и т. д. При соблюдении этих требований вероятность возникновения пожара значительно снижается.

5.4 Защита окружающей среды

В настоящее время вопросы окружающей среды являются одними из наиболее важных. Основным направлением по защите окружающей среды стала разработка малоотходных технологий и технологий по переработке и утилизации отходов, поэтому большие требования предъявляются к экологичности конструкций устройств, к снижению их вредных воздействий на окружающую среду. При этом ущерб среде обитания считается недопустимым, если он может существенно ухудшить существование людей данного или последующих поколений.

Задачи охраны окружающей среды должны решаться применительно к конкретным ситуациям и техническим средствам современного производства. Данный проект разработан с учетом вышеприведенного положения.

При изготовлении микроконтроллерного устройства управления есть вероятность попадания в атмосферу паров свинца и пыли. Свинец, при испарении припоя, попадает в воздух, пыль образуется при обработке элементов, сверлении плат и т. д. С целью очистки воздушного пространства от пыли и паров свинца в соответствии с ГОСТ 17.2.3.02-78 - защита атмосферы - целесообразно применять сухие пылеулавливатели и использовать систему вытяжной вентиляции. В частности, для очистки относительно небольших газовых потоков, с мелкозернистой пылью, используют тканевые фильтры, выполненные в виде рукавов или мешков, внутрь которых подается очищаемый газ, который затем рассеивается в атмосфере. Устройство локализации вредных паров представляет собой вытяжную вентиляцию. Во всех системах очистки атмосферы используют аппараты очистки вентиляционных выбросов.

Разрабатываемое устройство выполнено на современной элементной базе, что обеспечивает системе надежность в работе и длительный срок службы. В конструкции нет блоков, вредно влияющих на окружающую среду. Возникающие при работе электромагнитные поля незначительны и не несут пагубного действия. Защита окружающей среды - это комплексная проблема, требующая усилий специалистов многих направлений науки. Наиболее активной формой защиты является полный переход к безотходным и малоотходным технологиям и производствам.

Таким образом, разрабатываемая система не оказывает больших физических, биологических или психофизиологических воздействий на окружающую среду, чем существующие аналоги. Основным негативным явлением при изготовлении и эксплуатации данного устройства является опасность поражения электрическим током. Следовательно, при правильной сборке и эксплуатации, устройство имеет довольно длительный срок службы и является почти экологически чистым, за исключением некоторых этапов сборки. Проектируемое устройство полностью отвечает современным требованиям экологичности.



ГЛАВА 6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТРОЙСТВА

6.1 Оценка технического уровня изделия

В некоторых случаях, когда к оценке ТУ системы удается привлечь несколько экспертов она осуществляется по методу весовых коэффициентов с помощью одного числа:

; (6.1)

где Т_У - обобщающая количественная характеристика технического уровня изделия; P_i- численное значение i-го параметра этого изделия; B_i - весовой коэффициент, характеризующий относительную значимость i-го параметра изделия, С - количество показателей качества.

Выделим 4 основных параметра изделия:

-точность,

- доступность,

- быстродействие,

- надежность.

Эксперт оценивает важность i-го показателя технического уровня (качества) по шкале относительной значимости в диапазоне от 1 до 10 (таблица 4).

Таблица 5. Относительной значимости

Эксперт Параметр	1	2	3	4	5
точность	3	2	3	2	4
доступность	2	1	2	2	1
быстродействие	2	2	1	2	1
надежность	3	4	2	2	4

Коэффициент весомости каждого параметра системы рассчитывается по формуле

где r - количество специалистов - экспертов; X_im - оценка важности i-го параметра m-го эксперта по относительной шкале значимости; С-количество показателей качества.

Проведем оценку для каждого показателя.

Точность:

Доступность:

Быстродействие:

Надежность:

Численное значение i-го параметра этой системы может быть приведено к безразмерному виду при помощи формул:

где P_ci - безразмерный показатель качества (БПК) для тех параметров, при увеличении абсолютных значений которых возрастает обобщающий показатель технического уровня; P_ni - БПК для параметров, увеличение абсолютных значений которых ведет к уменьшению обобщающего показателя ТУ; P_кр , P_пр - показатели ТУ изделий-аналогов, сравниваемых с разрабатываемым; P_i - показатель разрабатываемого изделия (системы).

;

где Т_У - обобщающий показатель технического уровня изделия.

Полученная оценка технического уровня изделия, в сравнении с имеющимися аналогами, высока. Это является залогом конкурентоспособности товара. Высокая экспертная оценка поможет занять на рынке более устойчивые позиции, для последующего развития.

6.2 Расчет расходов на разработку и проектирование

Составим план работ на выполнение этапов разработки устройства с помощью ленточного графика (таблица 5).

Основная зарплата работников рассчитывается исходя из разряда исполнителя, объема работы и часовой ставки. Часовая ставка равна отношению месячной ставки к среднечасовому месячному фонд времени, который равен 176 часа.

Основная заработная плата работников, задействованных в разработке устройства, приведена в табл. 7.

Рассчитаем часовые тарифные ставки сотрудников занятых при проектировании.

Таблица 6. Этапы разработки системы и объемы работ

Наименование работ	Объем работ, часов
Подготовка исходных данных для разработки	40
Изучение литературы	40
Разработка схем систем	80
Разработка конструкции	40
Изготовление рабочих чертежей	40
Программное обеспечение	120
Моделирование на ЭВМ	20
Изготовление опытного образца	40
Лабораторные испытания	80
Составление отчета	20

Оклад первого разряда примем равным 2625 руб

Часовая тарифная ставка технического руководителя - 16 разряда

(262516)/176 = 42000/176 = 238,63 руб/час.

Часовая тарифная ставка инженера - 11 разряда

(262511)/176 = 28,875/176 = 164,06 руб/час.

Часовая тарифная ставка программиста - 10 разряда

28000/176 = 159,11руб/час.

Часовая тарифная ставка лаборанта - 6 разряда

21000/176 = 119,32руб/час.

Часовая тарифная ставка чертежника - 3 разряда

22750/176 = 129,26 руб/час.

Используя оплату труда, составим график выполнения этапов разработки (таблица 6.2).

Таблица 7. Затраты на разработку системы

Наименование работ	Исполнитель	Раз-ряд.	Объем работ, час	Мес. ставка, руб.	Часов. ставка, руб.	Зараб. плата, руб.
Подготовка исходных данных для разработки	Главный инженер	16	40	42000	238,63	9545,2
Изучение литературы	Инженер	11	40	28875	164,06	6562,4
Разработка функциональной, структурной и принципиальной схем	Инженер	11	80	28875	164,06	13124,8
Разработка конструкции	Инженер	11	40	28875	164,06	6562,4
Изготовление рабочих чертежей	Чертежник	3	40	22750	129,26	5170,4
Программное обеспечение	Программист	10	120	28000	159,11	19093,2
Моделирование на ЭВМ	Инженер	11	20	28875	164,06	3281,2
Изготовление опытного образца	Инженер	11	40	28875	164,06	6562,4
Лабораторные испытания	Лаборант	6	80	21000	119,32	9545,6
Составление отчета	Инженер	11	20	28875	164,06	3281,2
Итого						82728,8

Дополнительная заработная плата разработчиков В₂ составляет 20% от основной заработная платы, тогда:

В₂ = 0.2 · 82728,8 =16545,76 руб.

Полная заработная плата разработчикам равна сумме дополнительной и основной зарплат.

В₀ = В₁ + В₂,

В₀ = 82728,8 + 16545,76 = 99274,56 руб.

Отчисления в социальные фонды составляют 26% от полной заработной платы разработчиков В₀

К_Н = 0,26 ·99274,56 = 25811,39 руб.

Затраты на техническую подготовку производства равны сумме затрат на оборудование, инструменты, опытные образцы, мебель и т.д. (таблица 8)

Таблица 8. Капиталовложения

Наименование	Единицы измерения	Кол-во	Цена, руб.	Стоимость , руб.
Оборудование и инструменты
Компьютер	шт.	1	20 000	20 000
Программное обеспечение	лицензия	1	1 000	1 000
Инструментов	набор	2	500	1 000
Канцелярские принадлежности	набор	2	500	1 000
Мебель
Стол компьютерный	шт.	1	3 000	3 000
Стол	шт.	3	1 000	3 000
стулья	шт.	4	500	2 000
Шкаф для документации	шт.	1	1 000	1 000
Опытные образцы
Микроконтроллер	шт.	1	520	520
Датчик угла поворота	шт.	1	1192	1192
Датчик температуры	шт.	1	25170	25170
Итого SПИ				36882

• Сумма капиталовложений будет формироваться из затрат на материальную базу, на зарплату разработчиков и на отчисления в социальные фонды.
• К = S_ПИ + B₀ + K_H,
• К = 32 560 +99274 +25811,39 = 157735,95 руб.

Расчет полной себестоимости и отпускной цены изделия

Расчет расходов на оплату труда

Расчет основной заработной платы производственных рабочих на единицу изделия представлен в таблице 9.

Таблица 9. Затраты на заработную плату

Вид работ	Разряд (ЕТС)	Трудоемкость, час	Часовая тарифная ставка, руб/ч.	Заработная плата, руб.
Монтажные	6	2	70	140
Программирование	7	2	100	200
Тестирование	6	1	60	60
Итого	400
Дополнительная заработная плата (20% от основной)	80
Отчисления на социальные нужды (26% от суммы основной и дополнительной заработных плат)	124,8
Общий итог	604,8

Затраты на комплектующие для единицы товара представлены в таблице 10.

Таблица 10. Стоимость комплектующих

Наименование	Ед. измерения	Кол-во	цена	стоимость
Микроконтроллер	шт.	1	520	520
Датчик угла поворота	шт.	1	1192	1192
Датчик температуры	шт.	1	25170	25170
Итого				26882

• Так же необходимо учитывать транспортные расходы (2% от стоимости материалов):
• Тр=26882*0,02=537,64 руб.
• Амортизационные отчисления:
• ,
• где - годовая сумма амортизации;
• Na норма амортизационных отчислений в %;
• ОФ - стоимость основных фондов.
• =11*32000/100=3520 руб/год.
• Рассчитаем сумму амортизационных отчислений на единицу продукции:
• А= /Nг,
• Nг- количество выпускаемой продукции в год,
• А=3520/90= 39,1 (руб).
• Арендная плата:
• Стоимость аренды 1 квадратного метра для рабочего помещения составляет в среднем 150 руб/мес. Для компактного и в то же время экономичного производства необходима площадь в 20 м².
• Затраты на аренду помещения:
• Ар =(150*20)*12=36 000 (руб/год).
• Удельные затраты на единицу продукции составят:
• Ар1=60 000/ Nг=36 000/90=400 (руб.)
• Затраты на внепроизводственные расходы примем равными 2 % от всех затрат на производство: 32,3 руб.
• В итоге полная себестоимость единицы товара будет составлять:
• Сп=604,8+560+11,2+39,1+400+32,3=1 647,4 руб.
• Рассчитанные данные занесем в сводную таблицу 11.
• Таблица 11. Себестоимость изделия

Статьи затрат	Руб.
1. Основные материалы	282
2. Покупные изделия	278
3. Всего материалы и покупные изделия	560
4. Основная производственная зарплата с начислениями	480
5. Отчисления на социальные нужды	124,8
6. Износ специальных инструментов и приспособлений	39,1
7. Прочие производственные расходы	11,2
8. Цеховые расходы	400
9. Производственная себестоимость	1 164,8
10. Внепроизводственные расходы	32,3
11. Полная себестоимость	1 647,4
12. Прибыль при уровне рентабельности 20%
13. Цена (без налога на добавленную стоимость)	1 977,24
14. Налог на добавленную стоимость (НДС)	355,84
15. Отпускная цена	2 332,72

Расчет плановых финансовых результатов (выручки, прибыли)

Рассчитаем оптовую цену на изделие (таблица 12) по следующей формуле

Ц = П _План + Сп + НДС,

гдеП _План - планируемая прибыль (20% от полной себестоимости);

Сп - полная себестоимость;

НДС - налог на добавленную стоимость (18% от суммы полной себестоимости и планируемой прибыли).

Таблица 12. Расчет отпускной цены

№ п/п	Наименование статьи затрат	Сумма, руб.
1	Полная себестоимость (Сп)	1 647,4
2	Планируемая прибыль (20% от полной себестоимости)	329,48
3	НДС	355,84
	Итог:	2 332,72

Расчет показателей экономической эффективности

Экономическую эффективность можно рассчитать по 3 основным параметрам:

- чистый дисконтированный доход

,

где - доход от проекта в году t,

- затраты на проект в году t,

- ставка дисконта,

- число лет жизни проекта.

Для расчета ЧДД необходимо знать планируемые объемы увеличения производства и увеличения доли прибыли с единицы товара.

Допустим на второй год производство единиц продукта вырастет на 40%:

Nг2= Nг*0,4+ Nг;

Nг2=90*0,4+90=126.

Затраты на производство, с учетом инфляции, увеличатся. Примем темпы роста инфляции равным 12%. Т.е. затраты на единицу продукции будут следующими:

Сп2= Сп*0,12+ Сп;

Сп2=1 647,4*0,12+1 647,4=1845,1 (руб.).

Соответственно для второго года примем:

увеличение объемов производства - 20%

Nг3= Nг2*0,2+ Nг2,

Nг3=126*0,2+126=151 (шт.);

инфляцию -12%

Сп3= Сп2*0,12+ Сп2;

Сп2=1845,1*0,12+1845,1=2066,5 (руб.).

Увеличение доли чистой прибыли остановим на уровне 25% для второго и третьего годов производства:

П _{План 2} = Сп2*0,25, П _{План 3} = Сп3*0,25,

П _{План 2} = 1845,1*0,25=461,3 (руб.),

П _{План 3} = 2066,5*0,25=516,6 (руб.);

Соответственно цена за единицу изделия без НДС составит:

Ц2=1845,1+461,3=2 306,4 (руб.),

Ц2=2066,5+516,6=2 583,1 (руб.).

Учитывая полученные значения, рассчитаем чистый дисконтированный доход за 3 года:

(руб.) .

- Экономический эффект производства

,

гдеП_План - планируемая прибыль,

N - количество произведенной продукции за год,

К - капиталовложения в производство данной продукции,

.

- Срок окупаемости

,

гдеП_План - планируемая прибыль,

N - количество произведенной продукции за год,

К - капиталовложения в производство данной продукции.

.

Таким образом, на основе проведенных расчетов можно сделать вывод, что внедрение системы автоматического управления манипулятором является экономически обоснованным и инвестиционно привлекательным. Чистый дисконтированный доход в результате внедрения данной системы в производство составит 110218, 95 руб., общий экономический эффект - 42%, срок окупаемости капиталовложений при планируемых для первого года объемах производства - 2,35 года. Так же немаловажным является наличие потенциала расширения ассортимента выпускаемой продукции на производственной основе разработанного продукта, что позволит в дальнейшем улучшить производственно-экономические показатели деятельности предприятия.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной выпускной квалификационной работе проведён синтез системы управления положением роботизированного зонда. Робот предназначен для перемещения зонда вдоль верхнего свода нагревательной печи. Зонд используется для контроля температуры покрытия свода нагревательной печи. Математическая модель зонда разработана на основе модели перевернутого маятника.

Синтез нелинейной системы стабилизации выполнен полиномиальным методом с использованием условий разрешимости. Выбранный метод синтеза позволяет обеспечить асимптотическую устойчивость в большом нулевого положения равновесия замкнутой системы управления положением термозонда.

Проведен выбор технических средств для получения необходимой информации и реализации синтезированного нелинейного закона управления.

Рассмотрены вопросы безопасности и проведено технико-экономическое обоснование целесообразности разработки и применения системы перемещения термозонда.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кривандин В. А., Белоусов В. В., Сборщиков Г. С. Теплотехника металлургического производства. Т.2 Конструкция и работа печей: Учебное пособие для вузов- М.: МИСИС, 2001 г.

2. Лебедев Н.С., Телегин А. С. Нагревательные печи. -М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1962 г.

3. Юревич Е.И. Робототехника. Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. 300 с.

4. Квакернаак Р., Сиван. Х. Линейные оптимальные системы управления. М.: Наука, 1973 г.

5. Гайдук А. Р. Теория автоматического управления: Учебник. М.: Высшая школа, 2010.

6. Гайдук А. Р. Выбор обратных связей в системе управления минимальной сложности// АиТ. 1990 №5. с. 29-37.

7. Гайдук А. Р. Полиномиальный синтез нелинейных систем управления// АиТ. 2003 №10. с. 144-148.

8. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. Спб, Изд-во «Профессия», 2004 г.

9. Теория автоматического управления. Под ред. А. В. Нетушила. Учебник для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. М.: "Высшая школа", 1976.

10. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс. - Спб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005 г.

11. http://proumnyjdom.ru/kontrollery/atmega2560-datasheet.html

12. http://burster.nt-rt.ru/images/manuals/8820.pdf

13. http://catalog.gaw.ru/index.php?id=2303&page=component_detail

14. https://olil.ru/thermoolil/dditas

Размещено на Allbest.ru