Производство и эксплуатация зарядных устройств, используемых в промышленности

• Введение
• 1. Литературный обзор
• 1.1 ИИС используемые в промышленности
• 1.2 Постановка задачи
• 1.3 Особенности и отличия аккумуляторов
• 2. Техническое задание
• 2.1 Наименование ИИС
• 2.2 Цель создания ИИС
• 3. Разработка структурной, функциональной и электрической принципиальной схем
• 3.1 Разработка структурной и функциональной схемы системы контроля и проверки зарядных станций
• 3.2 Блок наблюдения и измерения параметров тока
• 4. Выбор и обоснование элементной базы
• 4.1 Выбор микроконтроллера для системы контроля и диагностики зарядных станций
• 4.2 Описание работы схемы электрической принципиальной
• 4.3 Разработка конструкции системы контроля и диагностики модулей зарядных станций
• 5. Конструкторская часть
• 5.1 Расчет надежности

5.2 Тепловой расчет

• 5.3 Разработка печатного узла
• 5.4 Разработка конструкции системы контроля и диагностики зарядных станций
• 6. Разработка алгоритма управляющей программы
• 7. Технико-экономическое обоснование проекта
• 7.1 Планирование и организация работ
• 7.2 Расчет годовых текущих издержек
• 7.3 Расчет экономического эффекта от разработки
• 7.4 Маркетинговое исследование
• 8. Безопасность жизнедеятельности
• 8.1 Обзор опасных и вредных факторов
• 8.2 Микроклимат
• 8.3 Расчет естественного освещения
• 8.4 Расчет искусственного освещения
• 8.5 Влияние шума
• 8.6 Эргономический анализ
• 8.7 Антропометрические показатели
• 8.8 Режимы работы оператора
• 9. Оценка условий труда
• 9.1 Пожарная профилактика
• 9.2 Инструкции по технике безопасности
• Заключение
• Список использованной литературы
• Приложения

автоматическое управление зарядная станция

Использование устройств контроля и автоматического управления является наиболее часто применяемым методом получения и использования информации о состоянии того или иного объекта для воздействия на этот объект с целью обеспечения того или иного режима его работы. К числу таких устройств можно отнести и разрабатываемое в дипломном проекте устройство контроля и проверки зарядных станций шахтовых аккумуляторов.

В настоящее время в конструкции аппаратуры, предназначенной для автоматизированного заряда аккумуляторов представлено два типа устройств заряда, классифицированных по назначению:

1. зарядные устройства, автоматически (решается главным образом схемотехническими средствами) определяющие тип батареи и предназначенные для широкого спектра заряжаемых устройств;

2. специализированные зарядные устройства, предназначенные для конкретного типа аккумуляторных батарей.

На данном этапе исследований и проектирования новых образцов техники необходимо определить требования к функциям устройства, необходимого не только для заряда аккумулятора, но и для исследования его характеристик, а именно:

1. Количество циклов заряда/разряда без снижения емкости более 90% номинала;

2. Изменение емкости аккумулятора при изменении параметров окружающей среды (температура, давление, влажность);

3. Изменение номинального выходного тока в условиях износа аккумулятора;

При создании новых источников вторичного электропитания крайне необходимо обеспечивать корректный алгоритм заряда, рекомендуемый производителем аккумулятора. Данную задачу планируется решить программными средствами путем определения параметров алгоритма заряда/разряда в управляющей программе проектируемой АСКЗАБ.

Причем необходимо определять автоматически не только количество циклов, но и потерю емкости батареи с учетом количества таких циклов и изменениями параметров окружающей среды.

На современном этапе развития специализированной аппаратуры представлен широкий спектр устройств, осуществляющих процесс заряда-разряда любых аккумуляторных батарей, а также процесс тренировки аккумуляторов.

Зарядные станции «ЗАРЯД-4» и «АЗП-54» используются в большинстве шахт и в рудниках России и стран СНГ. Для качественной зарядки аккумуляторов необходимо чтобы все этапы заряда проходили с определенными параметрами тока. Для этого необходимо проводить периодическую проверку модулей зарядных станций на соответствующие параметры тока.

Важно чтобы контроль производился за короткое время, а так же были проверены все этапы заряда аккумулятора. Для этого необходима система, которая производит диагностику, при этом ее использование должно быть удобно.

1. Литературный обзор

1.1 ИИС используемые в промышленности

При производстве и эксплуатации зарядных устройств возникает проблема в необходимости их диагностики и контроля работоспособности,

Проведённый поиск аналогов показал, что существуют устройства, выполняющие тот же (или частично) набор функций.

Среди них:

1) Э242 Стенд проверки и регулировки электрооборудования («Гаро», Россия)

Стенд контрольно-испытательный для проверки и регулировки снятого с автомобиля электрооборудования: генераторов до 6,5 кВт в режиме холостого хода и под нагрузкой; стартеров до 11 кВт в режиме холостого хода и полного торможения; реле-регуляторов, реле-прерывателей, тяговых реле стартеров, коммутационных реле; обмоток якорей, полупроводниковых приборов, резисторов. Оснащен электроприводом, источником стартерного тока, нагрузочными устройствами; средствами измерений напряжения тока, сопротивления, крутящего момента, частоты вращения.

2) Стенд настройки и проверки блока питания СНПБП БИ-4 («Электромеханика», Россия г. Пенза)

Предназначен для настройки, проверки и ремонта узлов питания БПБИ-4, УПБИ-4, входящих в состав блока индикации БИ-4.

Основные функции

Формирование напряжения постоянного тока в диапазоне от 30 до 140 В, с возможностью увеличения пульсаций до 20% от установленного значения.

Формирование на входе проверяемого узла выбросов напряжения амплитудой 600% номинального входного напряжения длительностью 100 мкс.

Формирование стабилизированных напряжений питания: 2,5; 5; 12,6 В.

Подключение эквивалентов нагрузки к выходам проверяемого узла.

Габаритные размеры — 480×320×300 мм

Масса — 14 кг.

3) Многофункциональный калибратор Fluke 725 (США)

Многофункциональный калибратор Fluke 725 универсальный и простой в использовании полевой калибратор. Функции измерений и формирования эталонного сигнала обеспечивают проверку и калибровку.

Технические характеристики:

Напряжение 0 до 30 В погрешость 0.02% диапазона

Макс. нагр., 2 ед. 1 мA

Сила Тока 0 — 24 мА погрешность 0.2% диапазона

Сопротивление 0 Щ — 3200 Ом

Питание петли тока 24 В пост. тока

Таблица 2.1 — Существующие варианты систем контроля и диагностики модулей зарядных станций

1.2 Постановка задачи

Из представленных аналогов, наиболее полно представлен необходимыми функциями, и наименьшее количество излишних, которые не нужны при диагностики модулей зарядных станций, обладает прибор СНПБП БИ-4 (Россия), поэтому в качестве прототипа выбираем его.

В настоящие время в основном используют многофункциональные универсальные устройства (мультиметры, осциллографы, магазины сопротивления для имитации нагрузки аккумуляторы в различных режимах зарядки), которые обладают большим количеством функций, не требующиеся для проверки зарядных устройств, из-за универсальности возрастает цена таких приборов, а по причине необходимости использовать несколько приборов возникает сложность диагностики работы на месте работы устройства.

Таким образом, ставится задача спроектировать узкоспециализированный стенд для проверки работы зарядных устройств «ЗАРЯД-4» и «АЗП-54», который будет эмулировать состояние аккумулятора на всех режимах зарядки, имитировать возможные сбои на всех режимах, снимать характеристики тока заряда выдаваемых при этом зарядным устройством, производить контроль за выводом индикации о нарушении режима заряда, проводить анализ полученных данных, и вывода информации о степени работоспособности устройства и возникших ошибок работы при проведении диагностики.

Станция обеспечивает выполнение следующих функций:

1) доразряд батарей до минимального напряжения разряда;

2) автоматическое переключение в режим «Заряд» заряд стабилизированным током;

3) автоматическое переключение в режим подзаряда малым током при сообщении батарее зарядной емкости или в режим «Авария» при повышенном напряжении заряда на батарее.

Необходим для того, чтобы произвести полный разряд аккумулятора, данная цикл является обязательным по причине возникновения «эффекта памяти» у аккумуляторов данного типа. Физически это проявляется в уменьшении полезной ёмкости — аккумулятор отдаёт меньшее количество энергии, сокращается время непрерывной работы/время зарядки. Суть явления заключается в образовании крупных кристаллов на поверхности электродов, снижающих эффективность обмена ионами с электролитом. Эффект появляется при систематическом неполном использовании ёмкости аккумулятора. При уходе (тренировке) происходит разряд аккумулятора до напряжения 2,7 В, кристаллические образования при этом разрушаются. Уход следует производить не чаще одного раза в два месяца. Частое применение изнашивает аккумулятор. Эффект памяти можно устранить также разрядкой большим током (2−3С).

Управление током заряда/разряда осуществляется автоматически ЦАПом, реализованным на базе программного ШИМа. Текущее значение тока снимается с датчика тока, выполненного в виде низкоомного резистора. В зависимости от выбранного режима, микроконтроллер при помощи схемы ЦАП выставляет необходимый ток заряда — разряда и контролирует значение напряжения заряда посредством канала измерения напряжения. При достижения определенного значения напряжения или критического значения температуры (измеряемое через канал измерения температуры) микроконтроллер прекращает, либо изменяет режимы текущего процесса заряда — разряда.

1.3 Особенности и отличия аккумуляторов

NiMH — наиболее надежные и дешёвые аккумуляторы. Устойчивы к ударам. Старение происходит за счёт естественного износа, практически независимо от возраста. Часто задаваемый вопрос — о количестве циклов заряда/разряда (время жизни). Это зависит от условий эксплуатации, т. е. будет либо большое число поверхностных циклов либо маленькое число глубоких циклов, но общее количество энергии, которую аккумулятор отдаст, будет одним и тем же.

Саморазряд при t=25C составляет примерно 30% в месяц.

Характеристика разряда относительно горизонтальная, чем объясняются не совсем корректные показания индикатора батареи

Li-Ion аккумуляторы дороже, но эффективнее, т.к. при тех же габаритах их ёмкость примерно на 20% больше, а масса значительно меньше (Li — самый лёгкий металл). Саморазряд составляет всего 2−3% в месяц. Практически не подвержены эффекту памяти, можно ставить на зарядку в любое время. Но имеет место временное старение (срок службы примерно 2 года) — т. е. хранить его не стоит и при покупке надо проверять дату изготовления. Чувствительны к ударам и низким температурам. Электролит находится под давлением — если закоротить контакты или перегреть аккумулятор, то он может взорваться.

Старение аккумуляторов обусловлено химическим износом материалов — электролита, анода и катода, разрушением сепаратора (перегородка между анодом и катодом). При этом происходит снижение полезной ёмкости и увеличение внутреннего сопротивления аккумулятора — выражается в том, что при больших нагрузках, происходит ощутимая просадка напряжения, и устройство может выключится, несмотря на то, что до этого индикатор батареи показывал полный заряд. Разрушение сепаратора приводит к увеличению тока саморазряда.

Батарея 3НКГК предназначена для питания шахтных головных светильников СГГ-5м05 НГР СМГВ и светильниках СГВ-2.

Состоит из трех последовательно соединенных между собой стальными перемычками герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов НКГК (KCSL), установленных в пластмассовый поддон. Сверху на батарею надевают пластмассовый каркас.

Для изоляции аккумуляторов друг от друга применены винипластовые прокладки.

При эксплуатации батареи в составе шахтных головных светильников, корпуса которых имеют ячейки для установки аккумуляторов, допускается использование батарей без поддона и каркаса с креплением каждого аккумулятора в ячейках корпуса светильника.

При эксплуатации батарей в составе шахтных головных светильников допускается использование для заряда существующих зарядных станций типа «Заряд» со стабилизацией зарядного напряжения ±2,5% с подключением батарей к шинам стенда через фару — шнур шахтного головного светильника. Также допускается зарядка аккумуляторов на блоках БЗТ и индивидуальных автоматических зарядных устройствах ИЗУ-3НКГК.

В связи с наличием в такой зарядной цепи омического сопротивления порядка 0,2 Ом (шунт индикатора тока на стенде, сопротивление шнура светильника и переходных контактов) значение напряжения на выходе зарядного устройства станции «Заряд» должно быть 4,5 В.

Длительность заряда батареи 13−16 ч до конечного напряжения не более 4,5 В.

Настройка номинала на выходе зарядного устройства проводится квалифицированным персоналом с фиксацией (например, закреплением ручки настройки) и перепроверкой настройки один раз в месяц.

2. Техническое задание

2.1 Наименование ИИС

Информационно-измерительная система для контроля и диагностики зарядных станций шахтных аккумуляторов.

Основание для создания

Задание на дипломное проектирование 25.01.2007, МГОУ, ФИРЭ, утверждено заведующим кафедрой ИСИТ Ранневым Г. Г.

Назначение и цель

Назначение ИИС

Информационно-измерительная система для контроля и диагностики зарядных станций шахтных аккумуляторов предназначена для проверки, контроля зарядных устройств «ЗАРЯД-4» и «АЗП-54» и анализа полученных данных.

2.2 Цель создания ИИС

Автоматизировать процесс тестирования зарядных станций в рабочих условиях.

Требования к ИИС

Требования к системе в целом

Требования к структуре ИИС

Создаваемое устройство должно включать в себя: модуль зарядной станции, блок измерения параметров тока заряда, блок контроля возникновения ошибок работы ЗС, индикаторную панель, эмулятор аккумуляторной батареи, блок формирования режимов работы Эмулятора.

Требования к функциям

Устройство должно выполнять следующие функции:

Доразряд батарей до минимального напряжения разряда;

Автоматическое переключение в режим «Заряд», заряд стабилизированным током;

Автоматическое переключение в режим подзаряда малым током при сообщении батареи зарядной емкости или в режим «Авария» при повышенном напряжении заряда на батареи;

Требования к техническим параметрам (показателям назначения)

В табл.2.1 приведены технические характеристики устройства

Технические параметры устройства.

Таблица 2.1

Требования к средствам защиты от внешних воздействий

Требования к радиоэлектронной защите

Требования определяются ГОСТ 22 261–94.

Требования по стойкости к внешним воздействиям

Уровень защиты от внешних воздействий IP54.

Требования по эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и хранению

Система должна обеспечивать заданные параметры при эксплуатации в стационарном режиме и соблюдении следующих требований:

1) температура окружающего воздуха 5 — 45 °C ;

2) относительная влажность воздуха 40 — 80% (при t=25°С);

3) атмосферное давление 630 — 800 мм.рт.ст.;

Требования по транспортабельности для подвижных ИИС

Требования не предъявляются.

Требования по стандартизации и унификации

Передача информации на ПК должна осуществляться посредством стандартного интерфейса RS-232.

Требования по документированию

К системе должны прилагаться следующие документы: структурная и функциональная схемы, схема электрическая принципиальная, а также общий вид устройства.

Требования к надежности

Средняя наработка на отказ должна быть не менее 10 000 час. Полный срок службы не менее 15 лет.

Программное обеспечение должно осуществлять бесперебойный режим работы в течение всего срока эксплуатации.

Требования к метрологическому обеспечению

В соответствии с ГОСТ 8009–80. Измерительная часть должна поверятся не реже одного раза в год.

Требования к безопасности Аппаратные средства должны быть заземлены в соответствии с правилами устройства электроустановок.

Требования к эргономике и технической эстетике В соответствии с ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126−93.

Требования к патентной чистоте На стадии разработки требования не предъявляются.

Требования по защите от утечки информации Требования не предъявляются.

Дополнительные требования Устройство должно быть оснащено руководством пользователя.

Требования к видам обеспечения Требования к математическому обеспечению ИИС Не предъявляются.

Требования к информационному обеспечению ИИС Измерительная информация посредством встроенного в микроконтроллер 10 разрядного АЦП преобразуется в ряд бит информации, которая в последовательном коде поступает в программную область памяти персонального компьютера, откуда считывается для обработки программой высокого уровня.

Для хранения результатов измерений необходимо использовать локальные базы данных с возможностью кэширования изменений, а также необходимо предусмотреть возможность резервного копирования данных.

Требования к лингвистическому обеспечению ИИС Программа управления устройством должна быть написана на языке Assembler для микроконтроллера.

Требования к программному обеспечению ИИС Программное обеспечение системы должно выполнять следующие требования:

для программы высокого уровня

1) программа должна иметь интуитивно понятный интерфейс;

2) должна обеспечивать наглядное представление измерительной информации;

3) автоматически формировать отчет о проведенных исследованиях;

4) иметь возможность вывода результатов исследования на печать;

5) иметь возможность хранения результатов измерений в локальной базе данных;

для драйвера аппаратной части АСК

1) распознавать команды ПК;

2) производить действия, регламентированные заложенным алгоритмом;

В проекте планируется использование таких пакетов прикладных программ как ИСР Delphi 7, MPLab для автоматизации процесса создания программной части проекта.

Требования к техническому обеспечению ИИС Для управления устройством применять однокристальную микро ЭВМ.

Требования к организационному обеспечению ИИС Аппаратура, не должна требовать при эксплуатации обслуживающего персонала.

Стадия разработки

Техническое предложение.

Порядок контроля и приемки

Проверка на работоспособность должна осуществляться последовательной проверкой выполнения всех стадий проектирования устройства.

Источники разработки

Методические указания на дипломное проектирование.

3. Разработка структурной, функциональной и электрической принципиальной схем

3.1 Разработка структурной и функциональной схемы системы контроля и проверки зарядных станций

В результате проведённого анализа была предложена следующая структурная схема системы контроля и диагностики модулей зарядных станций. Она состоит из следующих блоков представленных на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Структурная схема системы контроля и диагностики модулей зарядных станций.

Система состоит из эмулятора аккумулятора, блока наблюдения за параметрами тока, блок измерения параметров тока, микроконтроллер задает режим работы ЗУ и производит контроль за ошибками, возникающими во время контроля ЗУ. Результаты проверки выводятся на панель индикаторов.

Система подключается к зарядному устройству с помощью двух зажимов в клеммы для заряда аккумулятора и разъем индикации.

Блок наблюдения и измерения параметров тока

Через зажимы происходит измерение параметров тока, и формирование режимов работы ЗУ. Через разъем происходит проверка правильной индикации. Вся обработка информации проводиться с помощью микроконтроллера ATMEGA16.

Измерение параметров тока происходит следующим образом: напряжение с датчика тока, выполненного на резисторе R8, усиливается с помощью операционного усилителя К1401УД2 и поступает на вход АЦП, встроенного в микроконтроллер.

Эмулятор аккумуляторной батареи

Эмулятор батареи собран из линейного регулятора напряжения LM338T и цифрового потенциометра AD8400, управление потенциометром производиться программой микроконтроллера АТMEGA16.

Индикаторная панель

Индикаторная панель представляет собой группу светодиодов HL1-HL12, зеленого и красного цвета свечения, которые сигнализируют результаты тестирования по каждому этапу работы зарядной ячейки — то есть, если данный режим (например, доразряд батареи) производится правильно (то есть ток разряда соответствует норме, напряжение отключения соответствует норме) зажигается зеленый светодиод, соответствующий этому этапу.

В соответствии состава аппаратуры и требования к функциональным блокам предлагается функциональная схема Системы контроля и проверки зарядных станций.

Рис. 3.2 Схема функциональная системы контроля и проверки зарядных станций

3.2 Разработка и обоснование схемы электрической принципиальной объекта проектирования

При проектировании схемы электрической принципиальной необходимо учесть факторы, которые определяют ряд требований, предъявляемых к конструкции в целом:

— условия эксплуатации.

Эксплуатация Системы контроля и диагностики зарядных станций шахтных аккумуляторов предполагается в помещении с нормальными условиями окружающей среды (температурный диапазон от +5 ⁰С до +45 ⁰С, относительная влажность воздуха 75%, атмосферное давление 710−760 мм рт.ст.).

— стоимость изделия.

Необходимо максимально снизить экономические затраты на производство данного изделия, поскольку планируется его серийное производство.

— максимальная надежность и ремонтопригодность.

Для снижения затрат на эксплуатацию системы, в которые входят и затраты на ремонт. Обеспечивая высокую надежность изделия можно снизить число отказов и, следовательно, необходимость замены вышедших из строя элементов. Повышение надежности может быть реализовано при использовании в конструкции специализированных интегральных микросхем, а также микроконтроллера.

4. Выбор и обоснование элементной базы

Вся элементная база выбирается в соответствии с условиями эксплуатации, так как устройство контроля и диагностики будет использоваться в помещении, то температурный диапазон составит +5 …+45С.

4.1 Выбор микроконтроллера для системы контроля и диагностики зарядных станций

ATMEL АТMEGA

Несмотря на непрерывное развитие и появление все новых и новых 16- и 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров, наибольшая доля мирового микропроцессорного рынка и по сей день остается за 8-разрядными устройствами.

Среди всех 8-разрядных микроконтроллеров — семейство АТMEGA16 имеет самое большое количество разновидностей и количество компаний, выпускающих его модификации.

Основными производителями клонов семейства АТMEGA16 в мире являются фирмы Philips, Siemens. Intel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS. Gold Star, Winbond, Silicon Systems и ряд других. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому МК успех на рынке. С точки зрения технологии, АТMEGA16 являлся для своего времени очень сложным изделием — в кристалле насчитывалось 128 тыс. транзисторов, что в четыре раза превышало их число в 16-разрядном микропроцессоре 8086 MEGA16 имеет в своем составе: процессор, в состав которого входят АЛУ и схема аппаратурной реализации команд умножения и деления; Flash-памяти — 16 Кбайта, EEPROM — 512 байт; два 8-битных и один 16-битный таймера/счетчика; программируемые схемы ввода/вывода (32 линии); блок двухуровневого векторного прерывания от пяти источников; асинхронный канал дуплексного последовательного ввода/вывода информации со скоростью до 375 кбит/с; генератор, схему синхронизации и управления.

ATMega16 содержит в себе 10-битный 8-канальный аналогово-цифровой преобразователь. Такая конфигурация достаточна для решения поставленных задач.

Микроконтроллеры данного семейства выпускаются в PLCC, DIP и QFP корпусах и могут работать в следующих температурных диапазонах:

§ - коммерческий (от 0 ⁰С до +70 ⁰С);

§ - расширенный (от минус 40 ⁰С до +85 ⁰С);

На рынке представлен очень широкий выбор микроконтроллеров различных серий и моделей. Основными критериями в выборе микроконтроллера являются: частота, наличие энергонезависимой памяти, функциональные возможности, наличие встроенных устройств, таких как АЦП, ЦАП, ШИМ-генератор и т. д.

Очевидно, что для решения поставленных задач необходимо использовать микроконтроллер. Необходимыми функциями обладают 8-битные однокристальные МК ATMEL АТMEGA16.

Для решения поставленной задачи желательно, чтобы микроконтроллер имел встроенный АЦП и ПЗУ. Поэтому, основываясь на вышеизложенном, был выбран микроконтроллер АТMEGA16

Блок питания

Система контроля и проверки зарядных станций имеет импульсный блок питания, который реализован на микросхеме MAX774EPA и преобразует напряжение 12 В в 5 В.

Блок индикации

Блок индикации СКиДЗС реализован с помощью двенадцати светодиодов L-53. Шесть красных светодиодов сигнализируют о неисправном ходе выполнения работы на данном этапе. Шесть зеленых светодиодов наоборот сигнализируют о исправной работе системы.

4.2 Описание работы схемы электрической принципиальной

Ядром электрической схемы контрольного блока является микроконтроллер ATMega16 (DD2), выполняющий все операции с данными.

Получив сигнал о нажатии кнопки старта проверки, контроллер начинает устанавливать значение сопротивления на цифровом потенциометре, тем самым задавая соответствующий этап заряда аккумулятора, с портов АЦП происходит считывание параметров тока, после завершения этапа, результат выводит на панель индикации. Тестируемая зарядная ячейка подключается через контакты разъема X2.

Эмулятор аккумуляторной батареи представляет собой управляемый источник тока, собранный на элементах DA1, DD1, управление которым осуществляется с помощью микроконтроллера.

На транзисторе VT2 имитируется обрыв аккумуляторной батареи.

На микросхеме DA3 собран стабилизатор для питания устройства.

Микроконтроллер — DD2, используется микроконтроллер ATMega16. Он формирует режимы работы эмулятора, измеряет параметры тока и напряжения, принимает решения о соответствие параметров норме и выдает результаты тестирования на индикаторную панель.

Измерение параметров тока: напряжение с датчика тока, выполненного на резисторе R8, усиливается с помощью операционного усилителя DA2.1 и DA2.2 и поступает на вход АЦП, встроенного в микроконтроллер.

Индикаторная панель представляет собой группу светодиодов HL1-HL12, зеленого и красного цвета свечения, которые сигнализируют результаты тестирования по каждому этапу работы зарядной ячейкит.е. если данный режим (например доразряд батареи) производится правильно (т.е. ток разряда соответствует норме, напряжение отключения соответствует норме) зажигается зеленый светодиод, соответствующий этому этапу.

Эмулятор батареи собран из линейного регулятора напряжения LM338T и цифрового потенциометра AD8400, управление потенциометром производиться программой АТMEGA16.

Параметры тока снимаем с помощью Дифференциального усилителя собранного на микросхеме К1401УД2 обработка данных производиться в АЦП ATMega16.

4.3 Разработка конструкции системы контроля и диагностики модулей зарядных станций

Выбор генерального направления конструирования.

Конструктивно система контроля и диагностики модулей зарядных станций выполнен в виде отдельного блока.

Плата спроектирована под серийно выпускаемый унифицированный корпус «G1502», изготавливаемый фирмой «Gianta», имеющий габаритные размеры 228×216×76/50мм. Корпус состоит из прямоугольного основания и крышки имеющий горизонтальную и наклонную плоскость, изготовленных из ABС-пластика методом литья под давлением. Степень защиты от внешних воздействий — UL-94-HB по ГОСТ 14 254–96

На верхней части имеется место, куда устанавливается алюминиевая панель. На панели с левой стороны просверливаются отверстия для светодиодов. Панель крепиться винтами с потайной головкой.

Проанализировав схему, можно сделать вывод о том, что все элементы можно разместить на одном печатном узле.

В корпусе так же располагается импульсный источник питания.

С задней стороны корпуса имеется пластиковая панель на которую устанавливаются разъемы. Отверстия под разъемы выполняются вырубкой. Разъёмы соединены с печатным узлом гибкими шлейфами.

Такая конструкция обеспечивает малую трудоемкость и стоимость изготовления. Корпус допускает использование его в климатических условиях, определённых в техническом задании. В приложении З представлен чертёж общего вида контрольного блока.

На рисунке 4.1 представлен общий вид конструкции.

Рисунок 4.1- Общий вид системы контроля и диагностики модулей зарядных станций

5. Конструкторская часть

5.1 Расчет надежности

Надежность современной РЭА в значительной мере определяется надежностью составляющих ее компонентов, и в настоящее время границы сложности вычислительных комплексов и систем зависят в основном от достижимого уровня надежности составляющих и технических средств.

Наиболее просто и экономически недорого надежность проектируемой аппаратуры определяется расчетным путем.

Большая часть радиоэлектронной аппаратуры относится к третьему классу восстанавливаемой аппаратуры, которая характеризуется не только безотказностью, но и ремонтопригодностью или восстанавливаемостью. Наше изделие не является исключением, поэтому расчет проводим по методике, изложенной в.

Вероятность безотказной работы не резервированной восстанавливаемой РЭА третьего класса определяется по формуле:

(5.1)

где t_в.ср — среднее время восстановления работоспособности РЭА (определяется экспертным путем), ч.;

t_ср — среднее время наработки до первого отказа, ч.;

Интенсивность отказов определяют как сумму интенсивностей отказов составных частей РЭА и рассчитывается по формуле:

(5.2)

где _i — интенсивность отказов i-ой части РЭА, 1/ч;

N — число составных частей РЭА;

k₁ — k₃ — поправочные коэффициенты, определяемые по [18, табл.13].

Интенсивность отказов каждой составной части РЭА определяют по формуле:

(5.3)

где _jo — интенсивность отказов ЭРЭ j-го типа при нормальных условиях эксплуатации и коэффициенте нагрузки равном 1,1/ч;

a_j — поправочный коэффициент, учитывающий коэффициент нагрузки ЭРЭ и его температуру в рабочем режиме и определяется по [20, табл.14];

n_j — число ЭРЭ j — го типа.

Среднее время наработки до первого отказа является величиной обратной интенсивности отказов РЭА:

t_cp=1/_c. (5.4)

Все данные, необходимые для расчета, представлены в таблице 5.1

Таблица 5.1-Данные для расчета вероятности безотказной работы.

По формуле (6.18) рассчитываем среднее время наработки до первого отказа:

t_cp = 1/99,8910^-6 = 10 011 ч.

Далее, по формуле (6.15) рассчитываем вероятность безотказной работы нашего изделия:

.

Вывод. В результате расчета мы получили, что вероятность безотказной работы нашего изделия составляет 99,76%.

5.2 Тепловой расчет

Оценку теплового режима будем производить по методике, изложенной в для блока в герметичном корпусе.

Для определения теплового режима функциональных узлов необходимо определить мощности, рассеиваемые каждым узлом, а именно электронной частью и блоком питания. Расчет мощности элементов будем производить по формуле (5.5):

, (5.5)

где — ток, потребляемый элементом, А;

— падение напряжения на элементе, В;

— сопротивление элемента, Ом.

Таблица 5.2 — Рассеиваемая мощность электронной части

Таким образом, мощность, выделяемая элементами схемы, получилась равной 1,927 Вт.

Мощность, рассеиваемая источником питания, складывается из мощностей, рассеваемых диодами выпрямителей и стабилизатором. Расчет мощности, рассеиваемой элементами источника питания, сведён в таблицы 5.3.

Таблица 5.3- Рассеиваемая мощность элементов источника питания

Суммарная мощность, рассеиваемая источником питания составит 1400 мВт.

Найдем поверхность корпуса блока

(5.6)

где , — горизонтальные размеры корпуса, м;

— вертикальный размер корпуса прибора, м.

В нашем случае ширина корпуса = 0,180 м, длина = 0,120 м, высота = 0,023 м, тогда поверхность корпуса по формуле (5.6):

= 2*[0.180*0.120+(0.180+0.120)*0.023] = 0.057 м².

Коэффициент заполнения блока по объему

(5.7)

где — суммарный объем элементов расположенных в корпусе, м³;

— объем корпуса,

=, м³.

Суммарный объем элементов в корпусе составляет около = 179· 10^-6 м³, а объем корпуса равен = 497· 10^-6 м³, тогда коэффициент заполнения по формуле (5.7):

= = 0.36

Найдем условную поверхность нагретой зоны корпуса

(5.8)

= 2*[0.180*0.120+(0.180+0.120)*0.023*0.36] = 0,048 м².

Удельную мощность корпуса блока найдем как отношение рассеиваемой мощности к поверхности корпуса:

(5.9)

= = 4.66 Вт/м².

Удельная мощность нагретой зоны определиться как:

(5.10)

= = 5.53 Вт/м².

Коэффициент, учитывающий перегрев корпуса от удельной мощности

, (5.11)

= 0.1427*4.66−0.2962*10^-3*4.66²+0.3127*10^-6*4.66³ = 0,68 К.

Коэффициент, учитывающий перегрев нагретой зоны от удельной мощности рассеивания.

(5.12)

= 0.1390*5.53−0,1223*10^-3*5.53²+0.0692*10^-6 *5.53³= 0, 77 К.

Коэффициент, зависящий от величины атмосферного давления снаружи корпуса блока.

(5.13)

где — атмосферное давление снаружи корпуса прибора, Па.

Коэффициент, зависящий от величины атмосферного давления внутри корпуса аппарата.

(5.14)

где — атмосферное давление внутри корпуса прибора, Па.

При одинаковом атмосферном давлении как внутри, так и снаружи корпуса = = 101 322,6 Па по формулам (5.13) и (5.14) получим:

= = 0.9;

= =0.9.

Перегрев корпуса блока

(5.15)

= =0.612 К

Перегрев нагретой зоны

, (5.16)

= = 0.761 К

Средний перегрев воздуха в блоке

(5.17)

= 0.5*(0.612+0.761) = 0.69 К

Температура корпуса блока

(5.18)

где — температура окружающей блок среды, К.

Учитывая, что максимальная температура окружающей среды по ТЗ =45С = 318 К, то температура корпуса прибора по формуле (5.18)

= 0.612+318 = 318.612 К = 45.612 C.

Блок будет охлаждаться естественным воздушным путём, при этом температура перегрева не превысит одного градуса. Делаем вывод о возможности использования герметичного корпуса.

5.3 Разработка печатного узла При конструировании печатных плат используются четыре главных критерия выбора: габаритный критерий, критерий плотности рисунка и толщины проводящего слоя, критерий числа слоев, критерий материала основания. Помимо главных критериев, должны учитываться вспомогательные, которые служат для проверки и уточнения, с несложной коррекцией конструкции, выбранных по главным критериям решений. К вспомогательным критериям относятся электрические ограничения по паразитным параметрам, тепловые ограничения, ограничения по массе, по трудоемкости изготовления, по безотказности, ремонтопригодности и др.

Выбор габаритов печатной платы (длина, ширина) связан с разбиением печатной платы на функционально законченные части. Размеры сторон печатных плат должны соответствовать ГОСТ 10 317–79, который предъявляет следующие требования к печатным платам:

необходимо разрабатывать печатные платы простой прямоугольной формы с отношением сторон не более 3:1 и размерами любой стороны не более 470 мм.

длину стороны печатной платы выбирают таким образом, чтобы она была кратной: 2,5 при длине до 100 мм; 5 при длине свыше 100 до 350 мм; 10 при длине свыше 350 мм.

Увеличение размеров печатной платы ведет к повышению погрешностей при их изготовлении. Отклонение от прямоугольной формы, наличие и вырезов увеличивают трудоемкость изготовления.

Коробление печатных плат происходит вследствие слоистой структуры основания, содержащего диэлектрические и проводящие слои, расширение которых при нагревании и сжатие при охлаждении различно. Чем больше длина платы, тем коробление значительнее, т. е. больше опасность обрыва проводников, замыкания, отрыва паяных контактов при температурных деформациях. Температурные деформации относятся к медленно действующим механическим деформациям. Динамические деформации в результате вибрационных и ударных перегрузок и линейных ускорений, передаваемых на печатную плату от объекта на котором установлено изделие, также уменьшается с уменьшением размера печатной платы.

Ухудшение теплоотвода из центра платы, протекающего по механизму теплопроводности, наблюдается с увеличением размеров печатной платы.

С учетом выше изложенных соображений, была произведена компоновка схемы, в результате которой определено, что оптимальными размерами печатной платы устройства являются: длина 100 мм и ширина 70 мм.

Учитывая требование ГОСТ 10 317–79 определяющего кратность сторон, принимаем следующие размеры сторон печатной платы устройства: длина 100 мм и ширина 70 мм.

Габаритный критерий тесно связан с той плотностью, с которой может быть выполнен рисунок. В таблице 5.4 приведены параметры трех классов плотности рисунка определенных ГОСТ 23 751–86.

Основные геометрические параметры элементов печатного рисунка изображены на рис. 4.

Рис. 5.1. Основные геометрические параметры элементов печатного узла.

Нп — толщина печатной платы; Нм — толщина материала основания печатной платы; hф — толщина фольги; b — гарантийный поясок; D — диаметр контактной площадки; d — диаметр отверстия; S — расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка; t — ширина печатного проводника; Q — ширина от края печатной платы, выреза, паза до элементов проводящего рисунка.

Шириной печатного проводника называется поперечный размер проводника на любом участке в плоскости основания (неровности края во внимание не принимаются). Расстоянием между проводниками называют расстояние между краями соседних проводников на одном слое печатной платы.

Таблица 5.4- Номинальные значения основных размеров для классов точности

Для свободного места указанные значения допускается устанавливать по любому, более низкому классу, а для первого класса увеличить в два раза.

С учетом разрешающей способности технологического оборудования, на котором будет изготавливаться печатная плата устройства, принимаем класс точности 3.

В соответствии с ГОСТ 23 751–86 диаметры монтажных отверстий должны быть выбраны из ряда: 0,4; 0,5; 0.6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0 мм.

В печатной плате устройства оповещения для охранной системы используются монтажные отверстия следующих диаметров: 1,0 мм.

Наименьший номинальный диаметр D контактной площадке рассчитывают по формуле:

D=(d+dво)+2b+tво+2dтр+(T_d²+T_D²+t_ПО²)^½, (2.1.)

dво — верхнее предельное отклонение диаметра отверстия;

tво — верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки (tво=0,05);

dтр — значение подтравливания диэлектрика (для однослойной печатной платы dтр=0);

tпо — нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки (tпо= -0,05);

Результаты расчетов диаметров контактных площадок произведенных по формуле 2.1. сведены в таблицу 5.5.

Таблица 5.5- Диаметры контактных площадок

По числу слоев различают односторонние, двусторонние и многослойные печатные платы. Для печатной платы устройства контроля уровня освещенности принимаем число слоев равное одному. Односторонней печатной платой называют печатную плату с проводящими рисунками на одной стороне основания.

Выбор толщин и материала основания оказывает основное влияние на свойства печатной платы: жесткость, собственную емкость, теплопроводность.

Для печатной платы устройства оповещения для охранной системы, в качестве материала выбираем стеклотекстолит толщиной 1 мм.

5.4 Разработка конструкции системы контроля и диагностики зарядных станций Разработка устройства системы контроля и диагностики ЗС предполагает компоновку и разработку несущей конструкции, которая обеспечивала бы минимально возможные массогабаритные показатели и стоимость.

Под компоновкой понимается процесс размещения комплектующих ЭРЭ и деталей РЭА на плоскости или в пространстве с определением основных геометрических форм и размеров.

Процесс компоновки завершается получением эскизного варианта. При компоновке должны быть учтены требования оптимальных функциональных связей между узлами, их устойчивость и стабильность, требования технологичности, эргономики, удобство эксплуатации, ремонта.

Выбор варианта конструкции осуществляется исходя из технических требований и условий производства.

Детальный анализ структурной и функциональной схем показал, что все узлы выносного управляющего контроллера могут быть выполнены в виде единого печатного узла. Поэтому разбиение выносного контроллера на отдельные блоки не требуется.

Детали смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита, толщиной 1,5 мм. Размер печатной платы выбран согласно ГОСТ 10 317–79, который устанавливает размеры печатных плат. Плата устройства оповещения для охранной системы имеет размеры 120×160 мм.

На лицевой стороне, она же крышка конструкции, охранной системы расположено два светодиода, сигнализирующие о состоянии работы системы. Толщина конструкции составляет 30 мм, поэтому светодиоды крепятся в отверстия, расположенные в крышке корпуса, при помощи пластмассовых держателей. Соединение светодиодов и платы ОС происходит по средствам провода МГШВ.

С учетом того, что использование ОС планируется в подвижных объектах, то необходимо предусмотреть защиту от выкручивания монтажных винтов путем использования клея типа «Момент-Монтаж» для печатной платы и модулей устройства оповещения для охранной системы.

В целом корпус фирмы GAINTA типа G504 выполнен из поликарбоната, что позволяет использовать систему в жестких условиях, будь то повышенная вибрация, влияние высоких и низких температур. Также корпус имеет четыре монтажных отверстия под винт М5, либо под саморез, что обеспечивает более надежное крепление системы. Также защиту от выкручивания предусматриваем путем использования контргаек.

6. Разработка алгоритма управляющей программы

Работа основного элемента схемы — микропроцессора подчинена программе, хранящейся в ПЗУ. По сигналу сброса процессор устанавливает адрес начала программы и считывает первую команду. Дальнейшая работа идёт согласно выполняемым командам.

Таким образом, для правильной работы контрольного блока, необходимо грамотно составить управляющую программу. Алгоритм её приведён в приложении.

После запуска программа сбрасывает все параметры на индикаторе, а затем переходит в режим ожидания нажатия кнопки «Старт проверки». После нажатия кнопки производиться очередной сброс и на порт, соединяющийся с индикатором режима проверки, подается сигнал, который зажигает индикатор. После микроконтроллер формирует различные этапы заряда аккумулятора. При этом производит сравнивание параметров тока с эталонными. По окончании проверки этапа в зависимости от полученного результата, зажигается соответствующий результату индикатор. По окончании проверки всех этапов, гасится индикатор режима проверки, программа переходит в режим ожидания запуска проверки.

7. Технико-экономическое обоснование проекта

Целесообразность разработки

Вести контроль и диагностику модулей зарядных станций (ЗС) в настоящее время является важным, так как сбой в работе модуля может привести нежелательным последствиям, которые могут вызвать значительные убытки. В настоящие время проверка таких станций осуществляется в основном с применением универсальной аппаратуры, что зачастую приводит к использованию дополнительных ресурсов, и дополнительного времени, разрабатываемая система узконаправленная: предназначена специально для диагностики и контроля модулей ЗС, это позволяет провести проверку, за меньшее время, и все потребляемые ресурсы использовать только для снятия данных и их обработки. Эксплуатационно-технический уровень (ЭТУ) разрабатываемой системы контроля и диагностики модулей ЗС (СКиДЗС) является обобщенной характеристика его эксплуатационных свойств, возможностей, степени новизны.

Для электронных приборов все технико-экономические показатели можно разделить на следующие группы:

1) общие технические показатели (габариты, масса, уровень стандартизации и унификации, эксплуатационная надежность, срок службы, безопасность в работе, патентная чистота);

2) специфические технические показатели, зависящие от типа приборов (точность, помехоустойчивость и т. д.);

3) экономические показатели (объем выпуска приборов в год, трудоемкость и стоимость изготовления, цена, расходы на эксплуатацию и т. д.). При проведении оценки воспользуемся обобщающим индексом эксплуатационно-технического уровня, который можно определить как произведение частных индексов:

(7.1)

где — комплексный показатель качества по группе показателей;

— число рассматриваемых показателей;

— коэффициент весомости — того показателя в долях единицы, устанавливаемый экспертным путем (сумма всех рассматриваемых показателей должна составлять единицу);

— относительный показатель качества, устанавливаемый экспертным путем по 5-ти бальной шкале оценивания.

Чтобы оценить эксплуатационно-технический уровень разработки, сравним разрабатываемое устройство с аналогом. За аналог примем Стенд настройки и проверки блока питания СНПБП БИ-4, технические характеристики которой приведены в разделе «Системный анализ». Результат оценки ЭТУ проекта представлен в таблице 7.1.

Таблица 7.1 — Расчет индекса ЭТУ

На основании проделанных расчётов, можно сделать вывод о том, что разрабатываемая система контроля и диагностики модулей ЗС имеет более высокий показатель эксплуатационно-технического уровня по сравнению с выбранным аналогичным устройством в заданных условиях.

7.1 Планирование и организация работ

Процесс создания и выпуска новой РЭА состоит из ряда этапов, выполняемых разными исполнителями.

— инженер-разработчик, выполняющий весь объем работы;

— руководитель, задачей которого является контроль над выполнением плана работ и консультирование разработчика.

Перечень работ, проведенных при разработке и конструировании системы контроля и диагностики модулей ЗС, представлен в таблице 7.2.

Таблица 7.2 — План проведения работ