Устройство определения качества электроэнергии

Надежность - свойство изделия сохранять свои параметры в заданных пределах и в заданных условиях эксплуатации в течение определенного промежутка времени.

Общую надежность можно принимать как совокупность трех свойств: безотказность, восстанавливаемость, долговечность.

Безотказность - свойство системы непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени в определенных условиях эксплуатации. Она характеризуется закономерностями возникновения отказов.

Восстанавливаемость - это приспособленность системы к обнаружению и устранению отказов с учетом качества технического обслуживания.

Она характеризуется закономерностями устранения отказов.

Долговечность - свойство системы длительно сохранять работоспособность в определенных условиях. Количественно характеризуется продолжительностью периода практического использования системы от начала эксплуатации до момента технической и экономической целесообразности дальнейшей эксплуатации.

Методы повышения надежности в зависимости от области их применения можно разделить на три основные группы: производственная, схемно-конструкторские, эксплуатационные.

К производственным методам относятся: получение однородной продукции, стабилизация технологии, анализ дефектов и механизмов отказов, разработка методов испытаний, определение зависимости показаний надежности от интенсивности внешних воздействий.

К схемно-конструкторским методам относятся: выбор подходящих условий нагрузки, унификация узлов и элементов, разработка схем с допусками на отклонение параметров элементов, резервирование, контроль работы оборудования, введение запаса работы во времени.

К эксплуатационным методам относятся: сбор информации надежности, увеличение интенсивности восстановления, профилактические мероприятия, граничные испытания.

Наиболее ответственным этапом по удовлетворению требований эксплуатационной надежности является этап проектирования.

Насколько всесторонне учтены при проектировании и изготовлении опытного образца условия производства и эксплуатации с точки зрения безопасности в работе, ремонтопригодности, долговечности аппаратуры, настолько последняя будет обладать эксплуатационной надежностью.

К критериям безопасности относятся: вероятность безотказной работы, частота отказов, интенсивность отказов, среднее время безотказной работы, наработка на отказ.

Интенсивностью отказов называется отношение числа отказавших изделий в единицу времени к среднему числу изделий, продолжавших исправно работать. Средним временем безотказной работы называется арифметическое время исправной работы каждого изделия. В теории вероятности применяются различные законы распределения. Наиболее простым распределением потока отказов во времени является эксплуатационный закон распределения, который рассматривает последовательность отказов во времени, как простейший поток событий.

Пользуясь перечнем элементов и справочной литературой ([], [] и []) , определяем интенсивность отказов элементов и заносим значение в таблицу 15.1:

Таблица 2.4 - Параметры надежности элементов.

Наименование элементов
Конденсаторы полярные, ECR	4	0,2	0,8
Конденсаторы неполярные SMD	5	0,0007	0,0035
Резисторы SMD	19	0,0007	0,0133
Прецезионные резисторы	2	0,0002	0,0004
Потенциометр	1	5,4	5,4
Диоды маломощные	5	0,02	0,1
Микросхемы	9	0,1	0,9
Наименование элементов
Трансформаторы	2	0,51	1,02
Кнопки	4	0,3	1,2
Кварцевый резонатор	1	0,05	0,05
Разъемы	3	0,05	0,15
Автоматическая пайка выводов	204	0,02	4,08

N_i - количество элементов (или сторон, если элемент - печатная плата);

_оэ - интенсивность отказа элементов, 1/час ;

Находим результирующую сумму отказов:

Определим среднее время наработки на отказ:

Рассчитываем вероятность безотказной работы за 1 год (8760 часов):

Вероятность того, что в пределах заданной наработки возникнет отказ устройства:

Q = 1 - P = 1- 0,886776 = 0,113224

Достаточно низкая надежность объясняется тем, что при изготовлении этого устройства используются элементы, у которых присутствуют механически настраиваемые части (потенциометр) и устройства преобразования энергии, часть которой рассеивается (трансформаторы). Также хочется отметить, что данный расчет носит скорее качественный чем количественный характер, так как при определении интенсивности отказа элементов использовались вероятностные оценки.

2.11 Проектирование печатной платы в P-CAD 2004[6]

Системы P-CAD 2000--2004 представляют собой пакет программ, тесно связанных друг с другом. В данной главе рассматривается структура системы Р-CAD, назначение и взаимосвязь основных ее частей, а также возможности системы при проектировании печатных плат.

2.11.1 Структура системы P-CAD

В настоящее время система P-CAD позволяет проводить сквозное проектирование аналоговых, цифровых и аналого-цифровых устройств. Она состоит из нескольких основных модулей и ряда вспомогательных программ (рис. 2.3).

Кратко рассмотрим назначение составных частей системы.

Schematic -- графический редактор для ввода принципиальных схем изделий. Позволяет создавать сложные многолистовые схемы, в том числе с иерархической структурой. Обладает средствами проверки схем. Может использоваться для создания и размещения в библиотеках символов новых компонентов и редактирования существующих.

РСВ -- графический редактор для работы с односторонними, двухсторонними и многослойными печатными платами (ПП). Позволяет в ручном режиме создавать контур печатной платы, проводить размещение компонентов. В ручном и интерактивном режимах может быть осуществлена трассировка и редактирование проводников. Осуществляет контроль за соблюдением установленных технологических норм и правил. Позволяет выделять на плате отдельные участки ("комнаты") с различающимися проектными нормами.



Рис. 2.3. Основные модули системы P-CAD 2004

Автотрассировщики. Для проведения автоматической трассировки проводников на печатной плате система комплектуется набором автотрассировщиков. Простейший сеточный трассировщик Quick Route, штатно входящий в состав системы, позволяет проводить автоматическую трассировку несложных двухсторонних печатных плат на фиксированных сетках. По желанию пользователя система может комплектоваться более мощным сеточным трассировщиком ProRoute, не имеющим ограничений на сложность проекта, или бессеточным трассировщиком Situs, обеспечивающим по сравнению с сеточными трассировщиками лучшее качество и скорость трассировки при использовании современной элементной базы с большим числом выводов и малым расстоянием между ними. Кроме этого, в комплект поставки входит интерфейс к самому мощному и эффективному на сегодняшний день бессеточному трассировщику для персональных компьютеров SPECCTRA фирмы Cadence.

Библиотеки. Система P-CAD комплектуется большим набором библиотек базовых компонентов (резисторов, диодов, транзисторов, соединителей и т. д.) и компонентов ведущих мировых производителей (Motorola, Analog Devices, AMD, Texas Instr. и т. д.). Также библиотеки могут корректироваться и создаваться пользователем самостоятельно. Для этого в системе предусмотрены специальные инструменты.

Library Executive -- диспетчер библиотек с расширенными возможностями. Предназначен для работы с интегрированными библиотеками, которые содержат графическую информацию о символах и типовых корпусах компонентов и текстовую упаковочную информацию. В этом принципиальное отличие от Master Designer (P-CAD для DOS), имеющем отдельные библиотеки символов и корпусов, содержащих как графическую, так и повторяющуюся текстовую информацию. Символами и посадочными местами библиотеки пополняются с помощью графических редакторов. Задачей диспетчера библиотек является координация в электронных таблицах упаковочной информации о цоколевке компонентов, логической эквивалентности выводов и т. п. Диспетчер библиотек имеет средства поиска, импорта и экспорта атрибутов компонентов и верификации библиотек и проектов.

Symbol Editor -- специализированный графический редактор для формирования символов (условных графических обозначений) библиотечных компонентов. Имеет средства автоматизации разработки логических компонентов и средства проверки правильности создания символа.

Pattern Editor -- специализированный графический редактор для формирования типовых посадочных мест компонентов. Имеет средства автоматизации для создания корпусов логических микросхем с различным расположением выводов и средства для их проверки.

Document Toolbox -- дополнительная опция РСВ и Schematic для размещения на чертежах схем или печатных плат различных диаграмм и таблиц, составления списков и отчетов, которые динамически обновляются, таблиц сверловки, данных о структуре платы, технологической и учетной информации, размещения на чертежах схем списков соединений, выводов подключения питания и другой текстовой информации. Document Toolbox позволяет автоматизировать создание конструкторской документации, необходимой для производства проектируемых печатных плат.

Interroute Gold и Advanced Route -- дополнительные наборы команд для РСВ, позволяющие в интерактивном режиме прокладывать проводники, автоматически раздвигая мешающие. Существенно облегчают и ускоряют процесс ручной и интерактивной трассировки проводников.DBX-utils. В составе системы поставляется большой набор утилит (дополнительных программ, написанных на Visual Basic, С или C++), использующих для работы интерфейс DBX (Data Base Exchange). Эти утилиты при запуске извлекают данные из открытых проектов (схем или печатных плат), обрабатывают их, составляют отчеты или вносят в проект дополнительные атрибуты или геометрические объекты.

InterPIace/PCS -- это тоже DBX-утилита, но по сравнению с остальными она более мощная и многофункциональная. Представляет собой интерактивное средство размещения компонентов и задания правил проектирования. В ней имеется окно для просмотра списка компонентов и списка цепей проекта. Размещение компонентов выполняется с учетом имеющихся технологических требований. Компоненты могут быть объединены в физические или логические группы и размещены на плате, выровнены, перемещены или повернуты. Инструмент PCS (Parametric Constraint Solver), входящий в состав утилиты, позволяет задать набор правил проектирования (ширина проводника отдельной цепи, значения зазоров, типы переходных отверстий и т. п.) для передачи их программам авторазмещения компонентов, автотрассировки проводников, контроля за соблюдением технологических ограничений DRC и изготовления печатных плат на этапах создания принципиальной схемы и ранних этапах работы с печатными платами. Правила проектирования задаются в виде констант или математических выражений.

На схеме, изображенной на рис. 2.3, не показан упрощенный графический редактор печатных плат Relay, предназначенный для совместной работы схемотехника и конструктора. С его помощью разработчик схем может выполнить предварительное размещение компонентов, проложить наиболее критичные трассы, задать информацию о ширине ряда цепей и допустимых зазорах и передать эти данные конструкторам. Печатные платы можно просматривать, вручную редактировать и выполнять вывод на принтеры и плоттеры. Нельзя создавать управляющие файлы фотоплоттеров и станков с ЧПУ, трассировать проводники в интерактивном и автоматическом режимах, создавать слои металлизации, выполнять корректировку проектов и ряд других операций.

С 2001 года в системе P-CAD стало возможным моделирование цифровых, аналоговых и смешанных схем. Принципиальная схема моделируемого устройства создается с помощью схемного редактора Schematic, а само моделирование производится средствами программы Protel Advanced Sim с использованием специализированных библиотек компонентов.

Для анализа влияния конструкции печатной платы на условия распространения сигналов (задержка, потери, паразитные наводки, согласование с источниками и нагрузками) используется специальная программа P-CAD Signal Integrity.

2.11.2 Возможности системы P-CAD при проектировании печатных плат

Система P-CAD 2004 выполняет полный цикл проектирования печатных плат, а именно:

- графический ввод электрических схем;

- смешанное аналого-цифровое моделирование на основе ядра SPICE3;

- упаковку схемы на печатную плату;

- ручное и интерактивное размещение компонентов;

- ручную, интерактивную и автоматическую трассировку проводников;

- контроль ошибок в схеме и печатной плате;

- выпуск документации;

- анализ целостности сигналов и перекрестных искажений;

- подготовку файлов Gerber и NC Drill для производства печатных плат;

- подготовку библиотек символов, топологических посадочных мест и моделей компонентов.

Система P-CAD обладает при вводе схемы и проектировании печатной платы следующими возможностями:

- 32-разрядная база данных;

- "горячая" связь между редактором плат и схемным редактором (DDE Hotlinks);

- возможность прямой и обратной коррекции схемы и платы (ЕСО).

Для схемы:

- минимальный шаг сетки ОД мил в английской системе и 0,001 мм в метрической. Систему единиц можно изменить на любой фазе проекта;

- до 20 000 компонентов в одной библиотеке;

-до 99 открытых библиотек. Библиотеки можно открывать по мере необходимости;

- до 64 000 цепей в проекте;

- до 10 000 выводов в компоненте;

- до 5000 секций в компоненте;

- до 2000 символов в атрибуте и в текстовой строке;

- до 20 символов в имени вывода, имени цепи, позиционном обозначении вывода (пробелы, знаки табуляции, точки и скобки не допускаются);

- до 30 символов в имени типа компонента (пробелы и знаки табуляции не допускаются);

- до 30 символов в позиционном обозначении компонента (символы кириллицы, пробелы, знаки табуляции, точка и точка с запятой не допускаются);

- до 999 страниц схем, максимальный размер листа 60x60 дюймов;

- дискретность угла поворота компонента в схеме 90°. Для платы:

- максимальный размер проектируемой печатной платы 60x60 дюймов;

- до 999 слоев на печатной плате;

- неограниченное количество компонентов в проекте;

- не более 64 000 типов контактных площадок в проекте;

- ширина трассы до 1 см (394 мил);

- минимальный угол поворота объекта на плате 0,1°;

- контактные площадки 11 форм, возможность создавать контактные площадки произвольной полигональной формы;

- контроль соблюдения зазоров и полноты разводки ПП.

Раздел 3. Охрана труда

Учитывая, насколько быстро сегодня истощаются природные энергетические запасы, электроэнергия становится все более и более привлекательным, с точки зрения экономии денег, энергоресурсом. Вместе с этим, контроль качества электроэнергии со стороны потребителя фактически отсутствует. Таким образом, поставщик электроэнергии, часто являясь к тому же монополистом, не только не заинтересован в предоставлении качественных услуг, но и зачастую перекладывает непредвиденные расходы на потребителя. Разрабатываемое в данном дипломном проекте устройство даст возможность потребителю самостоятельно осуществлять контроль качества предоставляемой электроэнергии.

Данное устройство изготавливается с помощью монтажа элементов на печатную плату.

Печатная плата (ПП) - это основа любой современной аппаратуры, на которую устанавливаются и соединяются друг с другом составляющие части устройства. Практически нет такой аппаратуры, где не использовалась бы ПП какого-либо типа.

Однако, следует заметить, что процессы изготовления ПП, установки компонентов и их соединение на ПП являются вредными для здоровья человека. Рассмотрим основные небезопасные процессы подробнее.

3.1 Анализ влияния вредных веществ, выделяющихся при пайке

Так как процесс пайки является одним из самых вредных, проанализируем все вредные факторы пайки и произведем для нее расчет. Для сборки устройства используется ручная пайка, которая выполняется электрическим паяльником непрерывного действия мощностью 20...40 Вт. Удельное содержание образующего аэрозоля свинца при этом составляет 0,02...0,04 мг/ 100 паек.

Для пайки компонентов обычно используют оловянно-свинцовые припои, например, ПОС-40 или ПОС-60. При этом пары свинца проникают в воздушную среду помещения. В соответствии с требованиями санитарии в воздухе рабочей зоны производственных помещений устанавливается ПДК (предельно-допустимая концентрация), мг/м³ вредных веществ.

Свинец является чрезвычайно опасным веществом (класс 1), в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88. ПДК в воздухе рабочей зоны может составлять не более 0,01 мг/м³. При систематическом воздействии на человека может вызывать соматическое расстройство нервной системы, а также проблемы сердечно - сосудистой системы.

Олово является веществом умеренно опасным (класс 3). ПДК в воздухе рабочей зоны олова - 10 мг/м³. При систематическом воздействии олово может приводить к затруднению дыхания и поражению бронхов; в особо тяжелых случаях происходит отечная реакция легких.

Спирт этиловый является малоопасным веществом (класс 4). Его ПДК в воздухе рабочей зоны может достигать 1000 мг/м³.

Для промывания плат используют смесь спирта и ацетона. Концентрация спирта в воздухе не должна превышать 400 мг/м³.

Следует учесть также, что, химическая очистка плат производится растворами фосфатов, натриевой соды, натриевой щёлочи и др. при постоянной работе с растворами часты различные хронические поражения кожи. Весьма опасно попадание даже самых малых количеств щелочи в глаза.

Остальные вредные вещества, часто используемые при пайке, и значения ПДК приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Значение ПДК некоторых вредных веществ

Вредные вещества	Биологическое действие	Класс опасности	ПДК, мг/м3
Компоненты флюса
Канифоль сосновая	Оказывает раздражающее и наркотическое действие. При длительном действии вызывает дерматит.	4	80-1000
Компоненты моющих веществ
Ацетон	Наркотическое действие
Спирт этиловый	Имеет наркотическое действие. Вызывает изменения печени, сердечнососудистой и нервной системы.	4	200
Бензин	Наркотическое действие	4	400

Определим концентрацию аэрозоля свинца:

где: A - удельное образование аэрозоля свинца;

B - количество долей в минуту;

N - количество рабочих мест;

t - длительность сборки изделия, час.

V - объем помещения, м³;

Зададимся такими параметрами:

A = 0,04мг / 100 долей; B = 5; N = 2; t = 6 часов; V = 150 м³.

Тогда

Следовательно, при данных условиях технологического процесса концентрация аэрозоля свинца в воздухе рабочей зоны не будет превышать предельно допустимую концентрацию 0,01мг/м³. Так, как пары свинца не превышают ПДК, то нет необходимости в принудительной вентиляции данного помещения, достаточно естественной вентиляции (в теплый период года - рекомендуется искусственная вентиляция ).

Далее кратко перечислим другие факторы, влияющие на человека при изготовлении данного устройства.

3.2 Освещение

Согласно СНіП 23-05-95 «Природне і штучне освітлення» на участках изготовления печатных плат предусматривается установка устройства комбинированного освещения, с оптимальной освещенностью 300 лк. Эта освещенность отвечает зрительным работам высокой точности с наименьшим объектом расхождения от 0,5 до 1 мм для ІІІ pазpядa зрительных работ.

В рассмотренном помещении естественное освещение осуществляется через окна в стенах, при этом боковое освещение создает значительную неравномерность в освещении участков, расположенных вблизи от окон и вдали от них. Необходимость использования искусственного освещения определяется тем, что окна помещения выходят на запад, и, освещенность помещения сильно зависит от времени года.

Для обеспечения нормированных значений освещенности в помещении следует проводить чистки стекла окон и светильников не реже двух раз в год и проводить своевременную замену ламп, которые вышли из строя. Также окна должны иметь регулировочные устройства для удобного пользования.

Яркость светильников общего освещения в зоне углов освещения от 50 до 90 градусов с вертикалью в продольной и поперечной плоскостях должна составлять не более 200 Кд/КвЧ, защитный угол светильников должен быть не менее 40 градусов.

Естественное освещение помещений осуществляется боковым односторонним светом через проемы во внешних стенках.

Фактические значения на рассмотренном рабочем месте КЕО= 1,12 %, Е=290 Лк.

3.3 Шумы

При изготовлении печатной платы данного устройства производится механическая обработка заготовок (резка, пробивка и сверление отверстий). Важным фактором, ухудшающим условия труда в механических цехах, является шум, производимый этим работающим оборудованием.

Шумом принято называть всякий нежелательный для человека звук, который мешает восприятию полезных сигналов [ ]. Шум являет собой беспорядочное соединение звуков разной интенсивности и частоты, оказывающий вредное влияние на весь организм и, в первую очередь, на центральную нервную систему.

Колебания, воспринимаемые человеком как звук, лежат приблизительно в пределах 20...20000 Гц. Эти границы не одинаковы у разных людей и зависят от возраста человека. Основными физическими параметрами звука является: интенсивность, звуковое давление и частота колебаний.

Шумы подразделяются на широкополосные с непрерывным спектром шириной более одной октавы и тональные, в спектре которых имеются слышимые дискретные тона. По временным характеристикам шумы делятся на постоянные, уровень которых во время рабочего дня изменяются не более чем на 5 дБ, и непостоянные, уровень которых изменяется во времени более чем на 5 дБ. Непостоянные шумы подразделяются на: колеблющиеся, прерывистые и импульсные.

Измерение шума на рабочих местах делают в соответствии с ГОСТ 20445-75 и ГОСТ 23941-79. Уровни шума в исследуемом помещении отвечают допустимым значениям, и составляет 56 дБ.

3.4 Пожарная безопасность

Прежде всего нужно оценить степень взрыво- и пожароопасности помещения, в котором проводятся работы по изготовлению данного устройства. Для этого существует два метода - детерминационный и вероятностный.

В основе детерминационного метода лежит разделение на категории помещений по пожарной и взрывопожарной опасности; в основе вероятностного - расчет вероятности достижения определенного уровня пожарной и взрывопожарной опасности. Эти два метода базируются на таких нормативных документах, как СНіП 2.09.02-85, СНіП 2.01.02-85, ОНТП 24-68 ПВЕ, ГОСТ 12.1.009-91, ГОСТ 12.1.010-76 и т.п.

Определение категории помещения (А-Д) проводится по специальной таблице. Выбранное помещение относится к категории Д, поскольку никаких горючих или легковоспламеняющихся веществ в помещении нет, а все материалы являются негорючими.

Потенциальными очагами возгорания в помещении являются распределительный щиток, электропроводка при ее повреждении и рабочие места, на которых проводятся работы с неисправным оборудованием или нарушениям правил техники безопасности.

Из организационных мероприятий противодействия пожару следует отметить:

а) контроль за правилами пожарной безопасности в помещении;

б) указание путей эвакуации;

в) назначение ответственного за комплекс противопожарных мероприятий;

г) знакомство персонала с правилами противопожарной безопасности; д) оборудование помещения средствами пожаротушения (как автоматическими, так и индивидуальными).

Желательно установить противопожарную сигнализацию.

Согласно СНиП 2.04. 01-85 в здании также необходимо предусмотреть систему противопожарного водоснабжения, которое является источником подачи воды для передвижной пожарной техники и установок пожаротушения. Противопожарный водогон может быть объеденен с хозяйственно-питьевым водопроводом. Потребность в количестве воды определяется в зависимости от многих факторов, в частности от степени огнестойкости здания. Для данного здания - класс ІІІ согласно существующей классификации. Для зданий класса ІІІ категории Г, норма воды составляет 25 л/с (объем здания - около 30 тыс м³, ширина - меньше 60 м). Помещение оборудовано одним эвакуационным выходом, который ведет к ступенькам на первый этаж. Ширина выхода - 1,5 м (двойная дверь). Параметры выхода лежат в допустимых границах. Следующий шаг - выбор необходимых средств пожаротушения.

Их разделяют на первичные, к которым относятся:

а) огнетушители (Выбираем порошковые огнетушители вместительностью 5л. Для площади 300 м² достаточным будет наличие двух пятилитровых огнетушителей ОП-9) .

б) пожарный инвентарь (пожарные ведра, ящики с песком, совки, лопаты, противопожарные покрывала и т.п)

в) пожарный инструмент: (крюки, ломы, топора)

и вторичные - автоматические пожарные оповещатели. Для своевременного вызова пожарных нужно установить в помещении датчик противопожарной сигнализации лучевого типа и адресный пожарный оповещатель.