Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Анализ литературы требований технического задания

1.1 Анализ исходных данных

Согласно техническому заданию, модуль будет эксплуатироваться в сырых, влажных и пыльных помещениях. Светильники устанавливаются на стеновые и потолочные поверхности. Температура окружающего воздуха при эксплуатации от -45C до 40C. Климатическое исполнение модуля должно соответствовать категории УХЛ 4.2 согласно ГОСТ 15150-69, что предусматривает:

- верхнее рабочее значение температуры - +35 єС;

- среднее рабочее значение температуры - +20 єС;

- нижнее рабочее значение температуры - +10 єС;

- верхнее предельное значение температуры - +40 єС;

- нижнее предельное значение температуры - +1 єС;

- максимальная относительная влажность (при 25єС) - 98%.

Защита от механических воздействий выполняется по категории IP 54 согласно ГОСТ 14254-96.

Способ защиты от поражения электрическим током относится к I классу согласно ГОСТ 60591-1-2003.

В соответствии с ГОСТ 11478-88 аппаратура радиоэлектронная должна выдерживать следующие нормативные воздействия:

а) прочность при транспортировке (в упакованном виде);

1) ускорение 15 м/с²;

2) длительность ударного импульса, 11 мс;

3) число ударов, не менее 1000;

б) пониженное атмосферное давление, 70 кПа.

Согласно требованиям технического задания, габаритные размеры устройства не более чем 45Ч50Ч30 мм, масса должна быть не более 0,3 кг, что является вполне достижимым.

Разрабатываемое устройство входит в банковскую систему контроля и управления питанием от сети переменного тока, следовательно, напряжение питание должно составлять 220В, а потребляемая мощность находиться в пределах 200 Вт.

Время наработки на отказ не менее 50000 ч, так как разрабатываемый модуль разрабатывается под требования банковских организаций, следовательно, должен быть достаточно надежным и конкурентоспособным.

Ремонтопригодность изделия осуществляется на уровне дискретных ЭРЭ (электро-радио элементы). Вышеперечисленные требования позволяют использовать в конструкции широко распространенные ЭРЭ.

На этапе изготовления необходимо использовать средства как частичной механизации, так и автоматизации технологического процесса изделия. Необходимо обеспечить низкую себестоимость изделия, тем самым увеличив его конкурентную силу на рынке Украины.

1.2 Направления энергосбережения в банковских организациях

Проблема энергосбережения в Украине всегда была актуальной, так как собственными энергетическими ресурсами страна обеспечена менее чем на 50%.

От скорейшего решения проблемы энергосбережения зависит судьба как промышленного, так и коммунального комплексов страны. Поэтому, сейчас политика Украины направлена на сокращение энергозатрат, что отражено в Законе Украины «Об энергосбережении» и Государственной комплексной программе энергосбережения.

Эффективное управление освещением, а так же использование современных светодиодных источников света, позволяет существенно снизить энергозатраты. Так как на долю освещения приходится более 30% энергозатрат промышленных помещений, офисных помещений и т.п.

Выбор типа, параметров и характеристик освещения является очень сложной и важной задачей. От качества освещения, зависит трудоспособность сотрудников - не секрет что при разном типе освещения или его неправильном использовании утомляемость человека увеличивается. Ведь в отличие от жилых помещений или развлекательных заведений банковские учреждения предполагают не только массовое пребывание людей, но и их напряженную многочасовую работу. Подсчитано, что в течение дня сотрудник банка 10000 раз переводит взгляд с документа на клавиатуру или на экран компьютера. Согласно статистике, неграмотный «подход» к свету может снизить производительность труда на 30%.

В дипломном проекте рассмотрено два наиболее существенных направления энергосбережения с помощью автоматизированных систем управления (АСУ) и светодиодных светильников.

Существует несколько стандартов, определяющих правила освещения помещения, в том числе и офисного. Это немецкий DIN, британский CIBCE, американский IES NA и, наконец, российский СНиП.

В банковских учреждениях распространенными помещениями являются конференц-зал, переговорный отдел, приемная, хранилище, отдел обработки данных, отдел операционистов, автоматизированный отдел, помещение с оргтехникой, технические помещения. Для этих помещений существуют определяющие СНиП освещения таблица 1.1.

Таблица 1.1 - Стандарты определяющие правила освещения в помещениях

Тип помещения или вид деятельности	Уровень освещения на рабочей плоскости, Lux	Ограничение слепящего действия (предельные значения), UGR	Цветопередача (минимальные значения), Ra
Автоматизированные рабочие места	500	19	80
Переговорные и конференц-зал	500	19	80
Приемные	300	22	80
Хранилище	200	25	80
Делопроизводство, копировальные работы	300	19	80
Письмо, чтение, обработка данных	600	19	80
Технические	200	25	80

Каким бы ни было помещение, его освещение должно создавать мягко очерченные тени. В противном случае нарушается трехмерное восприятие людей и предметов, глаза быстро утомляются.

Искусственное освещение следует максимально приближать к естественному. Один из приемов - располагать светильники рядами на потолке параллельно окнам (так, чтобы направление искусственного и естественного света совпадало). В помещениях, где стоят спаренные письменные столы, кроме идущих из окон лучей, требуются дополнительные устройства (даже в дневное время). Они избавят от крайне нежелательных теней.

Итак, вопрос освещения в банковских учреждениях не имеет однозначных решений. И дело здесь не только в том, что свет как таковой имеет многоплановые характеристики, получившие в современной науке точные цифровые выражения. Банковское помещение - сложная структура, и ее составляющие предназначены для разных видов деятельности, а значит, и оформлены должны быть по-разному. Если глубина помещения 5-6 м, то 60-70% рабочего времени можно активно использовать дневной свет (разумеется, если оконные проемы достаточно широкие).

Однако в зимнее время и во время недостаточной естественной освещенности все-таки необходим искусственный свет. Искусственное освещение имеет как недостатки так преимущества, по сравнению с естественным, и обычно исполняется в виде потолочных светильников. Для исключения отраженных бликов светильники располагают в два ряда: первый - непосредственно вдоль окна, второй - параллельно первому, на расстоянии двух третей глубины комнаты, получая в результате общую равномерную «засветку».

Особенностью банковских помещений есть большие офисные комнаты, рассчитанные на 10-15 человек. В этом случае линия зрения должна располагаться параллельно окну, а лучи - поступать слева. В качестве потолочного освещения в банковской системе будут уместны два-три ряда растровых светильников, проложенных параллельно окну.

Для создания индивидуальной «настройки» применяют местное освещение. Нормы общего при этом снижаются на 25% по отечественным или на 50% по зарубежным стандартам.

Экраны мониторов нового поколения настолько совершенны, что практически не «бликуют», а значит, и не утомляют глаз. Тем не менее, специалисты рекомендуют для борьбы с этим нежелательным эффектом максимально использовать свет, попадающий в рабочую зону не напрямую, а отраженный от стен и потолка.

Полупроводниковые светоизлучающие приборы - светодиоды - называют источниками света будущего. Достигнутые характеристики светодиодов (для белых светодиодов световая отдача до 100 Лм / Вт при мощности прибора до 5 Вт, Ra=80-85, срок службы 100 000 часов) уже обеспечили лидерство в самых различных областях: для создания уюта в квартире, для освещения различных помещений (офисы, склады, отели, конференц-залы, магазины, школы и ВУЗы, поликлиники и больницы и т.д.). Перспективная область применения светодиодных светильников - жилищно-коммунальное хозяйство. Здесь их можно использовать для освещения лестничных клеток, лифтов, а также для подсветки названий улиц и номеров домов. Для освещения больших объектов или территорий используют светодиодные прожекторы. Такое их применение способствует большей безопасности участников дорожного движения. Заливающим светом можно наполнить пешеходные переходы, мосты и туннели, железнодорожные станции и платформы, автостоянки и станции техобслуживания. Частный случай использования светодиодных прожекторов, не связанный с безопасностью - архитектурная подсветка зданий.

Преимуществом светодиодов - отсутствие инфракрасного, ультра-фиолетового и радиоактивного излучения, не содержат ртути и иных вредных веществ - исчезает необходимость в специальной утилизации.

Все вышеперечисленные характеристики очень важны и должны строго соответствовать нормирующим их документам, однако в то же время искусственное освещение должно обеспечивать экономию электроэнергии, надежность, эффективность, управляемость.

Использование адаптивной системы светодиодного освещения удовлетворяет всем условиям, приведенным выше, и является на сегодняшний день единственным наиболее эффективным, комплексным решением для внедрения в системы жизнеобеспечения не только банковских учреждений, но и других крупных зданий и помещений.

1.2.1 Автоматизированная система управления освещением банковских систем (БС)

Автоматизированная система управления - комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами (электронная вычислительная машина (ЭВМ), средств связи, устройств отображения информации, передачи данных и т.д.), в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т.п.

Наиболее важная цель построения всякой АСУ - резкое повышение эффективности управления объектом (производственным, административным и т.д.) на основе роста производительности управленческого труда и совершенствования методов планирования и гибкого регулирования управляемого процесса.

В зависимости от роли человека в процессе управления, форм связи и функционирования звена, оператором и ЭВМ, между ЭВМ и средствами контроля и управления АСУ можно разделить на два класса:

- информационные системы, обеспечивающие сбор и выдачу в удобном виде информацию о ходе технологического или производственного процесса. В результате соответствующих расчётов определяют, какие управляющие воздействия следует произвести, чтобы управляемый процесс протекал наилучшим образом. Основная роль принадлежит человеку, а машина играет вспомогательную роль, выдавая для него необходимую информацию.

- управляющие системы, которые обеспечивают наряду со сбором информации выдачу непосредственно команд исполнителям или исполнительным механизмам. Управляющие системы работают обычно в реальном масштабе времени, т.е. в темпе технологических или производственных операций. В управляющих системах важнейшая роль принадлежит машине, а человек контролирует и решает наиболее сложные вопросы, которые по тем или иным причинам не могут решить вычислительные средства системы.

Поэтому устройства управления имеют широкое применение в различных сферах жизни человека. Они используются для управления освещением офисных и жилых помещений, фасадов зданий, парковок и прилегающих к ним территорий.

Адаптивная система - это система, которая сохраняет работоспособность при непредвиденных изменениях свойств управляемого объекта, целей управления или окружающей среды путем смены алгоритма функционирования или поиска оптимальных состояний. Другими словами, адаптивная система - это система, которая может приспособиться к изменяющимся внутренним и внешним условиям.

Адаптивное управление применяется в тех случаях, когда воздействующие на систему факторы являются полностью или частично неизвестными и могут привести к дестабилизации функционирования системы. А также, система предназначена для управления объектами и процессами в условиях априорной и текущей неопределенности в описании моделей объектов и внешних возмущений (внешней среды), когда такая неопределенность существенно влияет на качество управления и его результаты.

Устройства управления освещением в банковском учреждении позволяют:

- увеличить срок жизни светильников;

- сократить расход электроэнергии до 30% за счет управления яркостью свечения и включения / отключения светильников по событию;

- управлять освещением по заданному алгоритму.

Управление освещением - это один из элементов единой автоматизированной системы, созданный с целью более разумного использования электроэнергии.

Основной целью данной работы является создание адаптивного модуля микроконтроллерного управления в банковском учреждении.

Принципиальным достоинством котроллера является то, что он содержит все необходимые реализации варианты управления освещением. В соответствии с этой концепцией, например, яркость искусственного освещения в рабочие часы будет плавно нарастать с наступлением сумерек, в нерабочие часы все светильники будут гарантированно отключаться. Необходимо учитывать, что при использовании датчика освещенности интенсивность искусственного освещения будет плавно нарастать по мере того, как падает естественное освещение, обеспечивая тем самым необходимый в целом уровень освещенности, что особенно актуально.

Контроллер освещения также реагирует на события от датчика движения - автоматически включая и выключая освещение. Тем самым позволяя снизить затраты на электроэнергию в 5-7 раз.

Разрабатываемое устройство имеет дополнительные возможности по измерению температуры и влажности в помещении.

1.3 Методы управления освещением

Расход электроэнергии на цели освещения может быть заметно снижен достижением оптимальной работы осветительной установки в каждый момент времени.

Добиться наиболее полного и точного учета наличия дневного света, равно как и учета присутствия людей в помещении, можно, применяя средства автоматического управления освещением (СУО). Управление осветительной нагрузкой осуществляется при этом двумя основными способами: отключением всех или части светильников (дискретное управление) и плавным изменением мощности светильников (одинаковым для всех или индивидуальным).

К системам дискретного управления освещением в первую очередь относятся различные фотореле и таймеры. Принцип действия первых основан на включении и отключении нагрузки по сигналам датчика наружной естественной освещенности.

Вторые осуществляют коммутацию осветительной нагрузки в зависимости от времени суток по предварительно заложенной программе.

К системам дискретного управления освещением относятся также автоматы, оснащенные датчиками присутствия. Они отключают светильники, в помещении спустя заданный промежуток времени после того, как из него удаляется последний человек. Это наиболее экономичный вид систем дискретного управления.

В последнее время многими фирмами освоено производство оборудования для автоматизации управления внутренним освещением. Современные системы управления освещением сочетают в себе значительные возможности экономии электроэнергии с максимальным удобством для пользователей.

Автоматизированные системы управления освещением, предназначенные для использования в общественных зданиях, выполняют следующие типичные для этого вида изделий функции:

- точное поддержание искусственной освещенности в помещении на заданном уровне. Достигается это введением в систему управления освещением фотоэлемента, находящегося внутри помещения и контролирующего создаваемую осветительной установкой освещенность. Уже только одна эта функция позволяет экономить энергию за счет отсечки так называемого «излишка освещенности»;

- учет естественной освещенности в помещении. Несмотря на наличие в подавляющем большинстве помещений естественного освещения в светлое время суток, мощность осветительной установки рассчитывается без его учета.

Если поддерживать освещенность, создаваемую совместно осветительной установкой и естественным освещением, на заданном уровне, то можно еще сильнее снизить мощность осветительной установки в каждый момент времени;

- в определенное время года и часы суток возможно даже использование одного естественного освещения. Эта функция может осуществляться тем же фотоэлементом, что и в предыдущем случае, при условии, что он отслеживает полную (естественную + искусственную) освещенность. При этом экономия энергии может составлять 20 - 40%;

- учет времени суток и дня недели. Дополнительная экономия энергии в освещении может быть достигнута отключением осветительной установки в определенные часы суток, а также в выходные и праздничные дни. Эта мера позволяет эффективно бороться с забывчивостью людей, не отключающих освещение на рабочих местах перед своим уходом. Для ее реализации автоматизированная система управления освещением должна быть оборудована собственными часами реального времени;

- учет присутствия людей в помещении. При оборудовании системы управления освещением датчиком присутствия можно включать и отключать светильники в зависимости от того, есть ли люди в данном помещении. Эта функция позволяет расходовать энергию наиболее оптимально, однако ее применение оправдано далеко не во всех помещениях.

Получаемая за счет отключения светильников по сигналам таймера и датчиков присутствия экономия электроэнергии составляет 10 - 25%;

- дистанционное беспроводное управление осветительной установкой. Хотя такая функция не является автоматизированной, она часто присутствует в автоматизированных системах управления освещением благодаря тому, что ее реализация на базе электроники системы управления освещением очень проста, а сама функция добавляет значительное удобство в управлении осветительной установкой.

Методами непосредственного управления осветительной установкой является дискретное включение / отключение всех или части светильников по командам управляющих сигналов, а также ступенчатое или плавное снижение мощности освещения в зависимости от этих же сигналов.

Ввиду того, что современные регулируемые электронные диммеры имеют ненулевой нижний порог регулирования, в современных автоматизированных системах управления освещением применяется комбинация плавного регулирования вплоть до нижнего порога с полным отключением ламп в светильниках при его достижении.

Системы автоматического управления освещением, условно можно разделить на два основных класса - так называемые локальные и централизованные.

Для локальных систем характерно управление только одной группой светильников, в то время как централизованные системы допускают подключение практически бесконечного числа раздельно управляемых групп светильников.

В свою очередь, по охватываемой сфере управления локальные системы могут быть подразделены на «системы управления светильниками» и «системы управления освещением помещений», а централизованные - на специализированные и общего назначения.

Локальные «системы управления светильниками» в большинстве случаев не требуют дополнительной проводки, а иногда даже сокращают необходимость в прокладке проводов. Конструктивно они выполняются в малогабаритных корпусах, закрепляемых непосредственно на светильнике или на колбе одной из ламп. Все датчики, как правило, составляют один электронный прибор, в свою очередь, встроенный в корпус самой системы.

Часто светильники, оборудованные датчиками, обмениваются между собой информацией по проходам электрической сети. За счет этого даже в случае, если в здании остался единственный человек, находящиеся на его пути светильники останутся включенными.

Централизованные системы управления освещением, наиболее полно отвечающие названию «интеллектуальных», строятся на основе микропроцессоров, обеспечивающих возможность практически одновременного многовариантного управления значительным (до нескольких сотен) числом светильников. Такие системы могут применяться либо только для управления освещением, либо также и для взаимодействия с другими системами зданий (например, с телефонной сетью, системами безопасности, вентиляции, отопления и солнцезащитных ограждений).

Централизованные системы выдают также управляющие сигналы на светильники по сигналам локальных датчиков. Однако преобразование сигналов происходит в едином (центральном) узле, что предоставляет дополнительные возможности вручную управлять освещением здания. Одновременно существенно упрощается ручное изменение алгоритма работы системы.

При системах централизованного дистанционного или автоматического управления освещением питание цепей управления разрешается от линии, питающей освещение.

Для помещений, имеющих зоны с разными условиями естественного освещения, управление рабочим освещением должно обеспечивать включение и отключение светильников группами или рядами по мере изменения естественной освещенности помещений.

Большинство компаний - производителей систем управления освещением (СУО) светильников изготовляют эти системы в виде отдельных блоков, которые могут быть встроены в светильники различных типов.

Безусловным преимуществом СУО светильников является простота их монтажа и эксплуатации, а также надежность. Выходу из строя наиболее подвержены блоки питания СУО и энергопотребляющие микросхемы.

Однако если требуется управлять осветительными установками крупных помещений или, например, стоит задача индивидуального управления всеми светильниками в помещении, СУО светильников оказываются достаточно дорогим средством управления, так как требуют установки одной СУО на один светильник. В этом случае удобнее использовать СУО помещений, которые содержат меньше электронных компонентов, чем требуется в предыдущем случае, и поэтому более дешевы.

СУО помещений представляют собой блоки, размещаемые за подвесными потолками или конструктивно встраиваемые в электрические распределительные щиты. Системы этого типа, как правило, осуществляют одну функцию или фиксированный набор функций, выбор между которыми производится перестановкой переключателей на корпусе или выносном пульте управления системы.

Подобные СУО относительно просты в изготовлении и обычно построены на дискретных логических микросхемах. Датчики СУО помещений всегда являются выносными, они должны быть размещены в помещении с управляемыми осветительными установками и к ним необходима специальная проводка, что представляет собой определенное практическое неудобство.

1.4 Анализ аналогичных конструкций

1.4.1 Контроллер освещения помещений СБ-3СД

Внешний вид контроллера СБ-3СД представлен на рисунке 1.1. Данный контроллер предназначен для автоматического регулирования освещения различных объектов (цехов, подъездов, офисов, уличного освещения и т.п.).

Рисунок 1.1 - Контроллер освещения помещений СБ-3СД

Универсальный контроллер освещения СБ-3С/СД представляет собой автоматическое «импульсное» реле с одним управляемым выходом (220 В переменного тока коммутируемой мощностью до 2,5 кВт или +24 В с суммарным током нагрузки до 100 мА). Конструкция контроллеров допускает установку на DIN-рейку. Через пять раздельных входных цепей к контроллерам может быть подключено неограниченное количество управляющих устройств с контактами - датчиков движения, кнопок, контактных выключателей и т.п. Замыкание каждого из пяти входов индицируется отдельным светодиодом. Задержка отключения управляемой линии задается с помощью цифрового потенциометра в интервале от 20 секунд до 20 минут.

Технические характеристики:

- питающая сеть - трехфазная, с нейтралью; фазовое напряжение 220В (+10, -15%);

- тип нагрузки - светодиоды;

- количество выходов - 5;

- максимальный выходной ток блока СБ3-С по цепи - 24 В 150 мА;

- максимальное количество подключаемых инфракрасных датчиков РИЭЛТ-5;

- задержка отключения - 20 сек, 40 сек, 80 сек, 160 сек, 5 мин, 10 мин, 20 мин;

- максимальное количество подключаемых к базовому блоку СБ3-С вспомогательных блоков СБ3-Д -3;

- cтепень защиты - IP40;

- диапазон рабочих температур - от -30°С до +50°С;

- относительная влажность воздуха - до 91% при 25°С.

1.4.2 Универсальный контроллер освещения COLOR controller 2.0

Внешний вид универсального контроллера освещения представлен на рисунке 1.2.

Контроллер предназначен для автоматического управления процессами, связанными с регулировкой освещения. Управление нагрузкой (светодиодным освещением) осуществляется по одной из выбранных программ, в зависимости от показаний датчиков освещенности и встроенных часов реального времени. Регулировка выходной мощности - фазовая.



Рисунок 1.2 - Универсальный контроллер освещения или температуры

Настройка режимов работы производится посредством четырехкнопочной клавиатуры и двухстрочного жидко-кристаллического (ЖК) - индикатора, либо через внешние интерфейсы.

Наличие внешних интерфейсов позволяет удаленно управлять режимами работы контроллера и получать с него информацию. Возможно подключение обычного или GSM-модема.

Краткая техническая характеристика:

- питание от внешнего адаптера 9-15 вольт. Схема контроллера гальванически развязана от силовых цепей управления нагрузками;

- контроллер рассчитан на управление нагрузками включенными в трехфазную питающую сеть с нейтралью. Фазовое напряжение 220 В (+10, -15%). Возможно и однофазное включение;

- максимальная выходная мощность нагрузки на один выход (1 фазу) 2 кВт. Суммарная мощность - 6 кВт;

- два выхода с дополнительной гальванической изоляцией для коммутации напряжения до 400 вольт с током нагрузки:

1) 200 мА постоянного тока;

2) 120 мА переменного тока.

1.4.3 Контролер управления pavo-ir-150

Данный контроллер освещения обеспечивает, соответственно пониженное входное напряжение, необходимое для нормальной работы светодиодных ламп. Таким образом, достигается экономия и продлевается срок работы ламп, а также снижаются гармоники во всей электросети потребителя.

Рисунок 1.3 - Контролер управления pavo-ir-150

К преимуществам рассматриваемого контроллера относятся:

- возможность управления с помощью инфракрасных дистанционных пультов;

- возможность управления светодиодными лампами освещения и RGB продуктами.

1.4.4 Светодиодный контроллер «MEGA digit»

Контроллер управление яркостью и цветом светодиодов, светодиодных прожекторов, светильников, модулей, линеек, комплектов «звездное небо» в автоматическом режиме, в составе цветодинамической системы заказчика. Внешний вид устройства представлен на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Светодиодный контроллер «MEGA digit»

Работа прибора определяется комбинацией выбранных пользователем режимов. При этом прибор выдает команды на включение и выключение систем освещения в соответствии с приоритетом каждого из режимов. Режимы приведены в порядке убывания приоритета:

- возможность задания календарного и недельного графиков в режиме работы по графику;

- возможность корректировки географического смещения в границах часового пояса или смещения времени включения и выключения в более или менее светлое время суток в режиме работы по географической широте;

- возможность выбора порога срабатывания для определенного уровня освещенности и установки временной задержки на выдачу команды при работе с аналоговым датчиком;

- возможность установки временной задержки на выдачу команды при работе с дискретным датчиком;

- настройка режимов работы органами управления и отображение выбранных режимов и состояния входов и выходов на дисплее.

Технические характеристики светодиодного контроллера:

- число каналов управления - 16;

- максимальная нагрузка - 10 А;

- глубина градации яркости - 256;

- принцип управления яркостью - ШИМ (широтно-импульсная модуляция);

- защита от КЗ (короткое замыкание) - да;

- количество программ (сценариев) -9;

- максимальная длительность сценариев - 20 мин;

- управление - компьютер (USB) / Пульт ДУ (дистанционное управление) «RC-5» / Пульт «DMX-512»;

- напряжение питания - от 7 до 24 В;

- потребляемый ток, не более -300 мА;

- размеры без корпуса -120 х 90 х 25 мм.

1.4.5 Контроллер EASY Control 4

Внешний вид контроллера EASY Control 4 предназначен для автоматизации простых и средней сложности технологических процессов в различных отраслях промышленности, представлен на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Контроллер EASY Control 4

Контроллер может использоваться как в комбинации со стандартными EASY-системами, так и практически с любыми контроллерами других производителей. Контроллер EASY Control ЕС4Р существенно дешевле промышленных контроллеров при практически аналогичном объеме выполняемых функций.

Контроллер EC4-200 может использоваться как обособленный ПЛК (программируемый логический контроллер), или как ПЛК, подключённый к устройствам удалённого ввода / вывода по CANopen интерфейсу. Этот интерфейс позволяет подключиться к другим ПЛК (с CANopen интерфейсом). Встроенный Ethernet интерфейс позволяет использовать дополнительные возможности, такие как ОPC-сервер и сетевое программирование. Стандарт IEC61131-3, являющийся основой для easy-Soft CoDeSys, 256 Кбайт программной памяти и высокопроизводительный процессор делают easyControl - отличным инструментом для решения задач автоматизации, которые были раньше не доступны для устройств easy. Контроллер программируется программным обеспечением easy Soft CoDeSys. Это ПО (программное обеспечение) может быть установлено на стандартный ПК (персональный компьютер) с операционной системой Windows NT, 2000 или XP.

Проанализировав существующие аналогичные конструкции, были выделены достоинства и недостатки, существующие в этих конструкциях: - возможность управления с помощью инфракрасных дистанционных пультов; возможность управления светодиодными лампами освещения и RGB продуктами, высокая стоимость, большие габаритные размеры, узкий диапазон рабочих температур.

Выходя из этого можно сделать вывод, что для современного банковского учреждения необходим универсальный адаптивный микроконтроллер.

Который сочетает в себе следующие функции:

- плавная регулировка освещенности в зависимости от времени суток;

- автоматическое включение / отключение освещения. (Экономия электроэнергии за счет автоматического отключения света в редко посещаемых помещениях (лестничных клетках, аварийных выходах, подвалах и т.д.);

- реагирование на события от датчика движения;

- измерение температуры и влажности в помещении;

Все вышеперечисленные функции обеспечивают экономию электроэнергии, удобное использование, возможность взаимодействия с другими устройствами.

2. Разработка принципов функционирования устройства

2.1 Анализ структурной схемы

Исходя из анализа ТЗ и анализа аналогичных конструкций, определены функции, которые должно выполнять проектируемое устройство. На основании данных функций построили структурную схему устройства (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Структурная схема разрабатываемого устройства

На рисунке 2.1 расположены основные структурные звенья проектируемого устройства и связи между ними. Рассмотрим все звенья структурной схемы по порядку:

- входной фильтр - предназначен для подавления нежелательных сигналов и шумов на входе адаптивного модуля. Он предназначен для подавления симметричных и несимметричных помех в подключаемом источнике питания. Этот узел строится в расчете на подавление помех;

- блок генератора - формирует ШИМ сигнал, в зависимости от сигнала на входе DIMM меняет ширину импульса, сигнал на вход DIMM приходит с обратной связи выполненной на датчике тока;

- блок стабилизации - обеспечивает стабилизацию выходного тока. Обработка сигнала обратной связи с датчика тока выполненного на резисторе, позволяет подстраивать ширину импульса, и не давать ей выйти за определенные пределы;

- выходной усилительный каскад, усиливает выходной сигнал с генератора;

- датчик тока - преобразовывает электрический ток в напряжение, которое фиксирует вход DIMM микросхемы HV9910;

- выходной фильтр обеспечивает окончательное сглаживания конечного сигнала и его фильтрацию, преобразование ШИМ - сигнала в напряжение и ток изменяющиеся по линейному закону;

- блок СИД (светоизлучающий диод) подключается к выходному каскаду разработанного устройства;

- блок микроконтроллерного управления производит управление генератором. За счет управления генерируемым сигналом производится управление яркостью источника света, подключаемого к устройству.

- цепь обратной связи обеспечивает подачу сигнала от датчика тока. Подаваемый сигнал пропорциональный выходному сигналу (или, в общем случае, является функцией этого сигнала). Это делается преднамеренно, чтобы повлиять на динамику функционирования системы.

2.2 Выбор микроконтроллера в системах автоматизированного управления (САУ)

Микроконтроллеры являются основной частью для большинства современных электронных устройств. Он может выполнять как функции управления, так и служить промежуточным звеном между исследуемым объектом и устройством верхнего уровня. У каждого типа микроконтроллера существуют свои особенности архитектуры, которые зачастую существенно отличаются друг от друга. Наиболее распространенными являются восьмиразрядные микроконтроллеры, поэтому рассмотрим особенности построения средних семейств восьмиразрядных микроконтроллеров ведущий фирмы, такой как Microchip (PIC-контроллеры). Основной целью выбора микроконтроллера является нахождение такой микросхемы, которая полностью бы удовлетворяла техническому заданию на устройство, но в тоже время была бы наименее дорогой.

Сформулируем требования к типовой управляющей системе рассматриваемого класса, наиболее приемлемые для отечественного рынка:

- минимальная стоимость;

- надежность функционирования в «жестких» условиях. Практический опыт показывает, что «жесткие» условия проявляются порой самым неожиданным образом;

- ориентация как на специальные коммуникации, так и на имеющиеся на предприятиях и в зданиях сети: телефонные, охранные, электропитания;

- низкие требования к качеству электропитания;

- доступность элементной базы и комплектующих в Украине;

- невысокая технологическая сложность изделия (печатных плат, монтажа);

- соответствие стандартам по электрическим параметрам, коммуникационным протоколам, инструментальным средствам;

- наличие средств конфигурирования и прикладного программирования системы конечным пользователем.

Семейство дешевых, высокоэффективных, восьмиразрядных микроконтроллеров PIC12FXXX фирмы Microchip со встроенным аналого - цифровым преобразователем в полной мере отвечает вышеперечисленным требованиям. Исходя из этого в проектируемой системе применен микроконтроллер PIC12F628.

Микроконтроллер PIC12F628 обладает следующими характеристиками:

- 4 канала восьмибитного аналого-цифрового преобразователя (АЦП);

- модуль ШИМ;

- 18 линии входа - выхода;

- 20 МГц тактовая частота;

- возможность подключения внешнего ИОН;

- 7 источников прерываний;

- 35 команд;

- 2 таймера счетчика;

- встроенный RC - генератор.

В микроконтроллерах фирмы Microchip, и в частности в используемом контроллере применяются аналого-цифровые преобразователи последовательного приближения. Быстродействие и точность данного метода в полной мере удовлетворяют нашим условиям. Далее будут произведены расчеты минимального времени преобразования, будут рассмотрены возможные ошибки при преобразовании и методы их исключения.

Входной аналоговый сигнал через коммутатор каналов заряжает внутренний конденсатор АЦП C_hold. Модуль АЦП преобразует напряжение, удерживаемое на конденсаторе C_hold в соответствующий 8-разрядный цифровой код методом последовательного приближения. Источник опорного напряжения может быть программно выбран с вывода V_dd или V_ss. Допускается работа модуля АЦП в SLEEP режиме микроконтроллера, при этом в качестве источника тактовых импульсов для АЦП должен быть выбран RC генератор.

Для управления АЦП в микроконтроллере используется 3 регистра:

- регистр результата ADRES;

- регистр управления ADCON0;

- регистр управления ADCON1.

Регистр ADCON0 используется для настройки работы модуля АЦП, а с помощью регистра ADCON1 устанавливается, какие входы микроконтроллера будут использоваться модулем АЦП и в каком режиме (аналоговый вход или цифровой порт ввода / вывода).



Рисунок 2.2 - Структурная схема модуля 8 - разрядного АЦП

На рисунке 2.3 показана последовательность преобразования аналогового сигнала. Время заряда C_hold - интервал времени в течение которого на внутренний конденсатор АЦП подается внешний сигнал. Время преобразования равно 10 T_ad, отсчет начинается с момента установки в «1» бита GO. Сумма этих двух временных интервалов является длительностью полного цикла преобразования АЦП. Существует минимальный интервал времени, в течение которого внешний сигнал подается на внутренний конденсатор C_hold, чтобы гарантировать требуемую точность АЦП.

Рисунок 2.3 - Последовательность преобразования аналогового сигнала

Для обеспечения необходимой точности преобразования, конденсатор C_hold должен успевать полностью заряжаться до уровня входного напряжения. Схема аналогового входа АЦП показана на рисунке 2.4. Сопротивления R_s и R_ss непосредственно влияют на время зарядки конденсатора C_hold. Величина сопротивления ключа выборки (R_ss) зависит от напряжения питания V_dd. Максимальное рекомендуемое значение внутреннего сопротивления источника аналогового сигнала 10 кОм. При меньших значениях сопротивления источника сигнала меньше суммарное время преобразования.

После того, как будет выбран один из нескольких аналоговых входных каналов, но прежде, чем будет производиться преобразование, должно пройти определенное время. Ошибка в 1/2 LSb - это максимальная погрешность, позволяющая функционировать модулю АЦП с необходимой точностью.

Рисунок 2.4 - Схема замещения аналогового входа АЦП

где C_pin - входная емкость;

V_t - пороговое напряжение;

I_LEAKAGE - ток утечки;

R_ic - сопротивление соединения;

SS - переключатель защелки;

C_hold - конденсатор защелки.

Время получения одного бита результата равно T_ad. Для 8-разрядного результата требуется как минимум 9,5 T_ad. Параметры тактового сигнала для АЦП определяются программно.

Для получения корректного результата преобразования необходимо выбрать источник тактового сигнала АЦП, обеспечивающий время T_ad не менее 1,6 мкс.

Рисунок 2.5 - Последовательность получения результата АЦП

Если значение входного напряжения превышает на 0,2 В величину порога питающих напряжений (V_ss и V_dd), тo точность преобразования выйдет за пределы значений, оговоренных в спецификации.

Иногда, для сглаживания пульсаций входного сигнала, на вход АЦП добавляется внешняя RC цепочка. Значение сопротивления R должно выбираться так, чтобы общее сопротивление источника сигнала было в пределах рекомендованной величины 10 кОм. Любой внешний электронный компонент, подключенный к аналоговому входу (конденсатор, стабилитрон и др.), должны иметь низкий ток утечки через вывод.

3. Разработка схемы электрической принципиальной

В разрабатываемом адаптивном модуле управления в качестве управляющего устройства используем микроконтроллер PIC12F628.

Программирование микроконтроллера осуществляется с помощью универсального программатора SmartPROG, который предназначен программирования микросхем.

Связь с компьютером осуществляется по последовательному порту. Программатор питается постоянным стабилизированным напряжением 15 В 300 мА. Управление работой в автономном режиме осуществляется с помощью двух кнопок. Индикация режимов работы осуществляется светодиодами.

К входу VDD подключается напряжение питания для внутренней логики портов ввода / вывода.

На входы OCS10 и OCS22 подключается кварцевый резонатор ZQ1, который служит для стабилизации работы микроконтроллера.

С помощью VT1 используемого в качестве усилителя сигнала, на входы резисторов R1 и R2 подключаются датчик движения предназначен для передачи сигнала управляемым устройствам.

Принцип работы датчика основан на отслеживании уровня ИК-излучения в поле зрения датчика. При движении человека (или другого массивного объекта с температурой большей, чем температура фона) на выходе пироэлектрического датчика повышается напряжение.

Через порт 1 подключен светодиодный датчик на который подается напряжение и датчик микроконтроллера переходит в режим ожидания или в режим включить свет.

После чего сигнал фильтрации поступает на микросхему DD2, которая обеспечивает стабилизацию тока светодиодов более 1 А. Управление выходным током осуществляется ШИМ или линейным регулятором.

Сигнал поступает на датчик тока R10 и VT3, с помощью которого обеспечивается обратная связь с микроконтроллером PIC12F628 для регулирования выходного сигнала и сигнал поступает на выходной фильтр.

Выходной фильтр L1, VD2, C7, обеспечивающий окончательное сглаживание выходного сигнала и фильтрацию. На выходе фильтра сигнал поступает на выход XT2, куда подключается блок светодиодов.

4. Разработка конструкторской части

4.1 Анализ элементной базы

Целью анализа элементной базы прибора является определение потенциальной возможности ее функционирования в условиях эксплуатации указанных в техническом задании.

Критериями верного выбора электрорадио элементов являются:

- соответствие эксплуатационных параметров элементов условиям работы прибора УХЛ 4.2 ГОСТ 15150-69;

- наличие данной элементной базы в производстве;

- удобства установки элементов для выбранного вида монтажа и технологического процесса сборки;

- обеспечение максимальной экономичности прибора.

Обоснование выбора электрорадио элементов произведено путем сравнения их технических характеристик соответствующим требованиям технического задания к прибору, учитывая при этом:

- номинальные значения элементов, допустимые отклонения этих величин с учетом воздействия внешних факторов;

- общие технические требования к прибору;

- требования к отдельным узлам конструкции;

- унификацию и стандартизацию (это в первую очередь относится к соединителям и переключателям);

- экономическую целесообразность их применения.

Данное изделие, состоит из печатной платы (ПП), набора резисторов (10 единиц), конденсаторов (7 единицы), диодов (2 единицы), транзисторов (3 единицы), микросхем (3 единицы), катушки индуктивности (1 единица), предохранителя и кварцевого резонатора, которые выполняют преобразование цифровых сигналов.

В данной схеме используются микросхемы: PIC12F628, HV9910, DF04S.

Микросхема HV9910В в которой используется управления ключевым понижающим преобразователем по пиковому току, имеет простую схемотехнику и используется практически всеми отечественными и зарубежными компаниями.

Управление ключевым понижающим преобразователем по пиковому току, используемое в принципе действия микросхемы НV9910В, является наиболее экономичным и простым способом управления током светодиодной нагрузки. Минимальная скважность ограниченна минимальной продолжительностью включенного состояния. Максимальная скважность НV9910В в режиме постоянной частоты ограниченна приделом D_max=0,5, а в режиме с постоянным выключенном состоянии теоретическим пределом скважности является D_max=1.

Резисторы и не электролитические конденсаторы выбраны с SMD корпусами, что значительно сокращает вес и размер печатной платы. Электролитические конденсаторы взяты с штыревыми выводами. Данный выбор элементов усложняет процесс сборки, однако уменьшает массогабаритные параметры всей конструкции.

Задача анализа элементной базы состоит в том, чтобы установить, соответствует ли она заданным условиям эксплуатации или нет и в случае несоответствия применить конструктивные методы обеспечения ее работоспособности для заданных условий. С этой целью сопоставлены эксплуатационные характеристики элементной базы с теми данными, которые характеризуют условия работы разрабатываемого модуля по техническому заданию.

Для выполнения данного анализа составлена табл. 4.1, в которой отмечены эксплуатационные характеристики элементов, входящие в состав адаптивного модуля.

Таблица 4.1 - Характеристики элементов

	Допустимые значения
		Механические воздействия
		Вибрация	Удары
Типы эле-ментов	Кол-во эле-ментов данного типа	Т, єС	Относ вл-ть, %	Диапазон частот, Гц	Амплитуда вибр-го ускорения, g	Длит. удара, мс	Амплитуда ударного импульса, g	Инт. отказов, 10-6 1/ч
1	2	3	4	5	6	7	8	9
C1	1	-40 +110	98	1-2000	40	40	200	0,1
C2	1	-40+85	98	1..5000	40	15	150	0,2
C3	1	-55+125	97	1-5000	40	15	150	0,1
С4, С7	2	-55+125	98	1-2000	40	50	200	0,46
C5	1	-55+125	93	1-600	12	25	50	0,3
C6	1	-55+125	98	1-5000	40	15	150	0,35
DA1	1	-55+150	98	1-4000	10	75	25	0,85
DD2	1	-40+85	98	1-5000	7,5	12	50	1,05
DD1	1	-40+125	98	1-8000	10	75	25	0,35
FU1	1	- 40 + 85	97	1-600	12	25	50	0,35
L1	1	-55+125	98	1-4000	10	75	25	2,05
R1	1	-50+175	98	1-5000	98	735	245	0,1
R2	1	-55+125	98	1-3000	10	75	25	0,55
R3	1	-55+150	95	1-3000	12	25	50	0,3
R4	1	-50+175	98	1-5000	98	70	85	0,1
R5	1	-55+150	97	1-5000	40	40	200	0,1
R6	1	-55+150	95	1-3000	12	25	50	0,3
R7, R9	1	-55+125	98	1-3000	40	15	150	0,35
R8	1	-60+85	97	1-5000	40	50	200	0,46
R10	1	-55+125	98	1-3000	40	15	150	0,1

Из таблицы 4.1 видно, что параметры всех элементов соответствуют заданным условиям эксплуатации техническим заданием.

С целью определения схемной надежности элементной базы с учетом потока внезапных отказов необходимо воспользоваться табл. 3.1.

Рассчитываем суммарную интенсивность отказов схемы

, (4.1)

где - интенсивность отказа i-го ЭРЭ;

- количество одинаковых ЭРЭ.

Рассчитываем время наработки на отказ

, (4.2)

Величина рассчитанной средней наработки на отказ на порядок выше, чем среднее время наработки на отказ, заданное в ТЗ. Можно сделать вывод о том, что элементная база подобрана верно, она соответствует заданным условиям эксплуатации будущего прибора. Можно приступать к разработке конструкции печатной платы.

4.2 Разработка ПП и определение её габаритов

Печатная плата - это элемент конструкции, который состоят из плоских проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической цепи.

При конструировании печатной платы определяются ее конфигурация и габаритные размеры, осуществляются рациональное размещение элементов и трассировка соединений между ними.

Форма печатной платы выбирается, как правило, прямоугольной, кроме плат специальных ЭВМ. Размеры каждой стороны печатной платы должны быть кратными: 2.5 - при длине до 100 мм; 5,0 - при длине до 350 мм; 10 - при длине более 350 мм. Максимальный размер любой из сторон должен быть не более 470 мм. Соотношение линейных размеров сторон печатной платы должно быть не более 3:1.

Разбив элементную базу модуля измерения на группы из однотипных элементов, определим габариты печатной платы с учетом технологических зон, тепловой совместимости размещаемых на плате элементов, шага установки элементов. Установочные характеристики элементов модуля представлены в виде таблицы 4.2.

Таблица 4.2 - Установочные характеристики разрабатываемого модуля

Типы электро-радио элементов	Число элементов данного типа	Установочная площадь одного элемента, мм2	Установочная площадь всех элементов данного типа, мм2	Масса одного элемента, г	Масса всех элементов, г
1	2	3	4	5	6
C1	1	324	324	0,55	0,55
C2	1	256	256	3,84	3,84
C3, C6	2	2,5	5	2	4
С4, С7	2	150,5	301	0,4	0,8
C5	1	2,5	2,5	0,6	0,6
DA1	1	52,84	52,84	1,38	1,38
DD2	1	31	31	8	8
DD1	1	32,3	32,3	5	5
FU1	1	101	104	2,12	2,12
L1	1	13	13	3	3
R1	1	11,3	11,3	8	8
R2	1	8	8	4,13	4,13
R3	1	10,8	10,8	0,8	0,8
R4	1	8	8	4,13	4,13
R5	1	5,12	5,12	1	1
R6	1	47,23	47,23	0,56	0,56
R7, R9	2	2,5	5	0,8	1,6
R8	1	5,12	5,12	2	2
R10	1	5,12	5,12	0,6	0,6
VD1, VD2	2	25	50	0,5	1
VT1	1	63,5	63,5	2	2
VT2	1	80	80	1,5	1,5

Определение массогабаритных параметров проектируемых узлов

(4.3)

где S_IЭ - установочная площадь i-го элемента мм²;

K_S-коэффициент заполнения площади подложки;

N-число компонуемых элементов.

Исходя из полученного значения , на основании существующего перечня стандартных линейных размеров ПП, выбираем печатную плату с размерами: 60х90 мм.

Рассчитает объем и массу разрабатываемой ПП

 (4.4)

. (4.5)

Суммируя массы элементов (таблица 4.2), подсчитана общая масса всех элементов, устанавливаемых на ПП.

Материал для изготовления печатной платы выбираем стеклотекстолит фольгированный СФ1-35-1,5 ГОСТ 10316-78. Для изготовления печатной платы модуля измерения будем использовать комбинированный метод.

На основе выше изложенных требований и расчетов представим следующие требования к печатной плате:

- плату изготовить комбинированным методом;

- плата должна соответствовать требованиям ГОСТ 23752-79, группа жесткости 1 и ГОСТ 23751-86 класс точности 3;

- шаг координатной сетки - 2,5 мм;

- форма контактной площадки произвольная;

- все монтажные и переходные отверстия имеют контактные площадки (контактные площадки условно изображены одной окружностью);

- маркировать: краска МКЭ4 красная ГОСТ 9188-76, шрифт 2,5 по НО.010.007;

- остальные технические требования по ОСТ 4ГО.070.014.

Таким образом, выполнив необходимые расчеты, мы выбрали геометрические размеры платы печатной 60х90 мм и материал стеклотекстолит СФ1-35-1,5 ГОСТ 10316-78.

В результате расчёта ПП определяют размеры элементов: номинальные значения диаметров монтажных отверстий, минимальные диаметры контактных площадок, минимальные расстояния для прокладки заданного числа проводников между двумя отверстиями и др. Рассчитаем шаг координатной сетки по формуле

Ш=t+d, (4.6)

где t - ширина печатного проводника, зависящая от тока, мм;

d - расстояние между печатными проводниками, мм.

Ширину печатного проводника принимаем равной 0,9 мм, так как максимальное значение тока невелико: I=0,2 А. Расстояние между проводниками принимаем равным 0,25 мм, что соответствует 3 классу точности.

Тогда шаг координатной сетки по формуле (4.6) будет равен

.

Следовательно, выбираем стандартный шаг координатной сетки, равный 1,25 мм.

Номинальное значение диаметра монтажного отверстия (для установки навесного элемента) равен: