Пример контрольной работы по физике: При скорости v1 = 15 км/ч тормозной путь автомобиля равен s1 = 1,5 м. Каким будет тормозной путь s2 при скорости v2 = 90 км/ч? Ускорение в обоих случаях

Содержание

Задача №1. При скорости v1 = 15 км/ч тормозной путь автомобиля равен s1 = 1,5 м. Каким будет тормозной путь s2 при скорости v2 = 90 км/ч? Ускорение в обоих случаях одно и то же.

Задача №2. Тело, двигаясь прямолинейно с ускорением 5 м/с2, достигло скорости 30 м/с, а затем, двигаясь равнозамедленно, остановилось через 10 с. Определить путь, пройденный телом.

Задача №3. Мотоциклист и велосипедист одновременно начинают движение из состояния покоя. Ускорение мотоциклиста в 3 раза больше, чем велосипедиста. Во сколько раз большую скорость разовьет мотоциклист: а) за одно и то же время; б) на одном и том же пути?

Задача №4. Зависимость скорости материальной точки от времени задана формулой vх = 6t. Написать уравнение движения х = x(t), если в начальный момент (t = 0) движущаяся точка находилась в начале координат (х = 0). Вычислить путь, пройденный материальной точкой за 10 с.

Задача №5. Уравнение движения материальной точки имеет вид х = 0,4t2. Написать формулу зависимости vх(t) и построить график. Показать на графике штриховкой площадь, численно равную пути, пройденному точкой за 4 с, и вычислить этот путь.

Задача №6. Уравнение движения материальной точки имеет вид х = -0,2t2. Какое это движение? Найти координату точки через 5 с и путь, пройденный ею за это время.

Задача №7. Два велосипедиста едут навстречу друг другу. Один, имея начальную скорость 5 м/с, спускается с горы с ускорением -0,2 м/с2; другой, имея начальную скорость 1,5 м/с, спускается с горы с ускорением 0,2 м/с2. Через какой промежуток времени они встретятся и какое расстояние до встречи пройдет каждый из них, если расстояние между ними в начальный момент равно 130 м?

Задача №8. Уклон длиной 100 м лыжник прошел за 20 с, двигаясь с ускорением 0,3 м/с2. Какова скорость лыжника в начале и в конце уклона?

Задача №9. Поезд, двигаясь под уклон, прошел за 20 с путь 340 м и развил скорость 19 м/с. С каким ускорением двигался поезд и какой была скорость в начале уклона?

Задача №10. Уравнения движения по шоссе (см. рис. 12) велосипедиста, пешехода и бензовоза имеют вид: х1 = -0,4t2, x2 = 400 — 0,6t и x3 = -300 соответственно. Найти для каждого из тел: координату в момент начала наблюдения, проекции на ось X начальной скорости и ускорения, а также направление и вид движения. Сделать пояснительный рисунок, указав положения тел при t = 0 и начертив векторы скоростей и ускорений.

Выдержка из текста работы

Тормозная система является одной из важнейших систем автомобиля. Ее необходимо своевременно диагностировать и осматривать. При диагностике тормозных систем автомобилей сначала выполняют диагностику, позволяющую оценить техническое состояние тормозной системы автомобиля в целом по значениям следующих параметров: тормозной путь, замедление, тормозная сила, время срабатывания, а затем диагностику, которая устанавливает причины снижения эффективности торможения, определяя неисправность технического состояния отдельных агрегатов и элементов тормозной системы.

В настоящее время на предприятии используется тормозная линия VIDEOline фирмы CARTEC, которая позволяет легко и быстро тестировать тормоза и систему подвески пассажирских автомобилей.

Стенды могут применяться на станциях государственного технического осмотра АТС, станциях технического обслуживания, предприятиях автомобильной промышленности для контроля эффективности тормозных систем АТС в эксплуатации, при выпуске на линии, а также при ежегодном техническом осмотре.

Тормозной стенд, в частности, разработан для быстрой диагностики в автомастерских. Компьютерная программа BDE40W3 предоставляет подробную информацию о состоянии тормозов и системы подвески на проверяемом автомобиле.

Все узлы роликовых установок могут быть смонтированы на сварной прямоугольной раме с аппарелями для самостоятельного въезда и съезда автомобиля на роликовую установку или на раме — каркасе фундамента, смонтированного на базе смотровой ямы. Роликовые установки как для правого, так и для левого колеса устанавливаются в раму на опоры — датчики веса и удерживаются от смещения двумя фиксаторами.

Рис. 1.1 Роликовая установка

Датчики веса предназначены для преобразования массы диагностируемой оси в электрический сигнал. Мотор-редукторы приводят в движение опорные ролики, на которые въезжает автомобиль. При торможении реактивные моменты от мотор-редукторов передаются датчикам тормозных сил, вырабатывающих электрические сигналы, пропорциональные тормозным силам правого и левого колес.

Между каждой парой опорных роликов расположены следящие ролики, с которыми связаны датчики наличия автомобиля и датчики проскальзывания, предназначенные для контроля скорости вращения колес и определения момента начала проскальзывания колес диагностируемой оси относительно опорных роликов, а также для определения наличия автомобиля на опорных роликах роликовой установки.

Контроллер датчиков предназначен для преобразования и усиления сигналов датчиков, преобразования аналоговых сигналов датчиков в цифровой код и передачи их значений в персональный компьютер по его запросу.

Электрооборудование стенда подключается к сети магнитным пускателем. При нажатии кнопки ПУСК включается пускатель, самоблокируется и своими главными контактами подключает к сети электрооборудование силового шкафа.

Управление включением мотор-редукторов осуществляется от USB-адаптера тормозного стенда, который подключается к USB-порту персонального компьютера.

Для защиты от коммутационных помех служат RC-цепочки, включенные параллельно катушкам пускателей (входят в состав блока комбинированного).

При нажатии кнопки СТОП пускатель отключается.

Электрооборудование силовой панели отключается от сети.

Защита от перегрузок и коротких замыканий в цепях питания мотор-редукторов осуществляется тепловым реле.

Силовая панель располагается на средней полке стойки управления за принтером.

Примечание — При эксплуатации тормозного стенда в составе мобильной станции диагностики использовать силовой шкаф станции.

На кронштейне на нижней полке стойки управления установлен разъем, через который подается напряжение 220 В для питания ПЭВМ.

Горизонтальность установки стойки управления регулируется винтами, расположенными в основании стойки.

Роликовый тормозной стенд измеряет:

— сопротивление качению незаторможенных колес;

— овальность тормозных барабанов;

— тормозную силу на колесах правое/левое;

— разность тормозных сил на колесах правое/левое.

Рис. 1.2 Внешний вид стойки управления 1 — Экран монитора; 2 — Кнопка аварийного отключения; 3 — Клавиатура; 4 — Манипулятор «Мышь»; 5 — Принтер лазерный; 6 — Системный блок, 7 — Кнопка СТОП; 8 — Кнопка ПУСК.

Базовая комплектация:

- Русифицированное программное обеспечение с банком данных клиентов

- Оцинкованный блок роликов (ролики с CeSil покрытием)

- Оцинкованный тестер подвески FWT 2010 E

- Оцинкованный тестер увода SSP 2500

- Режим испытания полноприводных автомобилей 4WD (реверс роликов)

- Датчик для измерения усилия на педали тормоза PD 7

- Беспроводной пульт дистанционного управления

- Комплект оцинкованных фундаментных рам (1-для тормозного стенда и тестера подвески, 1 — для тестера увода)

- Кабели питания

- Кабель подключения к ПК (15 м)

- Коммуникационная стойка со встроенной электроникой и местом для размещения ПК

- ПК (в т.ч. TFT-монитор 19», цветной принтер A4, клавиатура, мышь, лицензионная операционная система Windows)

Рис. 1.3. Блок индикаторов.

Для получения достоверных результатов коэффициент сцепления шины с роликом должен быть не менее 0,6; поэтому ролики стенда имеют рефлекс. При нажатии на педаль тормоза автомобиля возникает тормозной момент, который определяют по величине усилия балансирного редуктора. В качестве датчиков тормозных усилий на стенде использованы два главных тормозных цилиндра автомобиля. Они соединены системой трубопроводов с указателями тормозных усилий. Это дает возможность определить отдельно тормозное усилие правого и левогоколес. Устройство измерения времени срабатывания привода тормозов состоит из: секундомеров, электронного блока управления и сигнальных механизмов-датчиков, установленных на блоке следящего ролика. Принцип работы следующий: на педаметр устанавливается микровключатель, который включает секундомеры при нажатии на педаль, выключение секундомеров призводится блоком управления. Блок управления в свою очередь получает сигнал с сигнального механизма-датчика. Сигнальный механизм следит за угловой скоростью следящего ролика и подает соответствующие импульсы на блок управления. При малейшем снижении частоты вращения следящего ролика падает частота импульсов. На это реагирует электронный блок управления который выключает секундомеры. Устройство позволяет одновременно измерять время срабатывания привода на обоих испытуемых колесах. Рабочая тормозная система — гидравлическая, двухконтурная (с диагональным разделением контуров), с регулятором давления 10, вакуумным усилителем 5 и индикатором недостаточного уровня тормозной жидкости в бачке. При отказе одного из контуров тормозной системы второй контур обеспечивает торможение автомобиля, хотя и с меньшей эффективностью.

Основные технические данные:

Начальная скорость торможения, имитируемая на стенде, км/ч 20,1

Диапазон измерения тормозной силы на каждом колесе проверяемой оси, кН 0 — 40

Предел допускаемой приведенной погрешности, % ± 3

Диапазон измерения силы, создаваемой на органе управления тормозной системой, Н 0-1000

Предел допускаемой приведенной погрешности, % ± 5

Диапазон измерения массы оси, кг 0-15000

Предел допускаемой приведенной погрешности, % ± 3

Диапазон измерения времени срабатывания тормозной системы, сек 0-1,5

Параметры четырехпроводной трехфазной сети электропитания с допускаемыми отклонениями по ГОСТ 12 997-84

— напряжение, В, 380 +10—15

— частота, Гц 50+1

Потребляемая мощность, не более, кВА 16,0

Габаритные размеры, не более, мм

— модуль роликовой установки 2010х810х415

— стойка управления 650 х 1200 х 680

— светофор 70 х 200 х 200

Масса, не более, кг

— модуль роликовой установки 650

— стойка управления 50

— светофор 5

Ширина колеи автотранспортного средства, мм от 900 до 3100

Время установления рабочего режима, мин, не более 15

Время непрерывной работы стенда, ч, не менее 8

Средний срок службы стенда, не менее, лет 8

Рабочий диапазон температур, С -30+50

Управление работой стенда осуществляется с клавиатуры персонального компьютера. Команды оператору отображаются на экране монитора и дублируются на светофоре или удаленном дисплее, поставляемом по дополнительному заказу. Отключение привода роликов происходит при достижении установленного значения коэффициента проскальзывания между колесами проверяемого автомобиля и приводными роликами. Стенд обеспечивает вывод результатов измерений и служебной информации на печатающее устройство. Стенд обеспечивает возможность самостоятельного выезда автомобиля после проверки.

1.2 Тормозная система автомобиля

Тормозные механизмы передних колес 13 — дисковые (на автомобилях ВАЗ-21103, -21113 и -2112 — вентилируемые), с однопоршневой плавающей скобой и сигнализатором износа тормозных накладок. Тормозные механизмы задних колес 7 — барабанные, с двухпоршневыми колесными цилиндрами и автоматической регулировкой зазора между колодками и барабаном. Устройство автоматической регулировки зазора расположено в колесном цилиндре.

Рис. 1.4. Схема гидропривода тормозов: 1 — главный цилиндр гидропривода тормозов, 2 — трубопровод контура «правый передний — левый задний тормоз», 3 — гибкий шланг переднего тормоза, 4 — бачок главного цилиндра 5 — вакуумный усилитель, 6 — трубопровод контура «левый передний — правый задний тормоз», 7 — тормозной механизм заднего колеса, 8 — упругий рычаг привода регулятора давления, 9 — гибкий шланг заднего тормоза 10 — регулятор давления, 11 — рычаг привода регулятора давления 12 — педаль тормоза, 13 — тормозной механизм переднего колеса

Главный тормозной цилиндр 1 крепится к корпусу вакуумного усилителя 5 на двух шпильках. В отверстия в верхней части цилиндра на резиновых уплотнениях вставлен полупрозрачный полиэтиленовый бачок 4 с датчиком аварийного уровня жидкости. На бачке нанесены метки максимального и минимального уровней жидкости. В нижней части цилиндра ввернуты два винта, ограничивающие перемещение поршней. Винты уплотнены медными прокладками. В передней части цилиндра (по ходу автомобиля) ввернута заглушка, служащая упором возвратной пружины, также уплотненная медной прокладкой. Поршни в главном цилиндре расположены последовательно, ближайший к вакуумному усилителю приводит в действие правый передний и левый задний тормозные механизмы, а тот, что ближе к заглушке — левый передний и правый задний. Уплотнительные резиновые кольца высокого давления (манжеты) главного тормозного цилиндра и задних колесных цилиндров взаимозаменяемы (номинальный диаметр — 20,64 мм). Уплотнительное кольцо низкого давления — с проточкой, установлено на поршне, контактирующем со штоком вакуумного усилителя.

Вакуумный усилитель 5 расположен между педальным узлом и главным тормозным цилиндром 1 и крепится к кронштейну педального узла на двух шпильках. Усилитель — неразборной конструкции, при выходе из строя его следует заменить. Простейшая проверка исправности усилителя: на автомобиле с заглушенным двигателем несколько раз нажимаем на педаль тормоза и, удерживая педаль нажатой, запускаем двигатель. При исправном усилителе с началом работы двигателя педаль должна уйти вперед. Отказ в работе или недостаточная эффективность вакуумного усилителя могут быть также вызваны негерметичностью шланга, отбирающего вакуум от впускного коллектора.

Регулятор давления задних тормозов 10 крепится двумя болтами к кронштейну в левой задней части кузова. Один из этих болтов (передний) также крепит вильчатый кронштейн рычага привода регулятора давления 11. За счет овальности отверстий для его крепления кронштейн вместе с рычагом можно перемещать относительно регулятора давления, изменяя усилие, с которым рычаг действует на поршень регулятора. С увеличением нагрузки на заднюю ось автомобиля упругий рычаг также нагружается, передавая усилие на поршень регулятора давления. При нажатии на педаль тормоза давление жидкости стремится выдвинуть поршень наружу, чему препятствует усилие со стороны упругого рычага. Когда система приходит в равновесие, клапан, расположенный в регуляторе, изолирует задние тормозные цилиндры от главного тормозного цилиндра, не допуская дальнейшего роста тормозного усилия на задней оси и препятствуя опережающей блокировке задних колес по отношению к передним. При увеличении нагрузки на заднюю ось, когда сцепление задних колес с дорогой улучшается, регулятор обеспечивает большее давление в колесных цилиндрах и наоборот — с уменьшением нагрузки давление падает. В корпусе регулятора имеется отверстие, закрытое заглушкой. Подтекание тормозной жидкости из этого отверстия говорит о негерметичности уплотнительных колец регулятора.

Плавающая скоба переднего тормоза включает в себя суппорт и колесный цилиндр, которые стянуты между собой двумя болтами. Двумя другими болтами скоба крепится к пальцам, установленным в отверстиях направляющей колодок. В эти отверстия закладывается смазка. Между пальцами и направляющей колодок установлены резиновые защитные чехлы. К пазам направляющей поджаты пружинами тормозные колодки. Внутренняя колодка имеет сигнализатор износа накладок. В цилиндре установлен поршень с уплотнительным резиновым кольцом прямоугольного сечения. За счет упругости этого кольца поддерживается постоянный оптимальный зазор между тормозными колодками и диском.

Тормозные диски — чугунные. Минимально допустимая толщина диска при износе — 17,8 мм для вентилируемых дисков и 10,8 мм — для невентилируемых, максимальное биение по внешнему радиусу — 0,15 мм.

Задние колесные тормозные цилиндры снабжены устройством для автоматического поддержания зазора между колодками и барабаном. Основной элемент устройства — стальное пружинное разрезное кольцо, установленное на поршне с осевым зазором 1,25-1,65 мм. Упорные кольца (по два на цилиндр) вставлены с натягом, обеспечивающим усилие сдвига по зеркалу цилиндра не менее 35 кгс, что превышает усилие стяжных пружин тормозных колодок. При износе тормозных накладок упорные кольца под действием поршней сдвигаются на величину износа. В случае повреждения зеркала поршней под действием механических примесей, попавших в тормозную жидкость или образовавшихся под действием коррозии (наличие воды в тормозной жидкости), кольца могут «закиснуть» в цилиндре и один или даже оба поршня потеряют подвижность. Цилиндры в этом случае необходимо заменить.

Привод стояночной тормозной системы — механический, тросовый, на задние колеса. Он состоит из рычага, регулировочной тяги, уравнителя двух тросов, рычага привода колодок и распорной планки.

1.3 Необходимость разработки стенда тормозного барабана

Необходимо заметить, что существующее аппаратное и программное обеспечение испытательных стендов, имеющихся на предприятии, обладает рядом значительных недостатков. Среди данных недостатков следует выделить, прежде всего, отсутствие детальной информации о структуре разработанной системы. Отсутствие данной информации приводит к невозможности проведения ремонта в случае возникновения каких-либо отказов. Рассмотрим существующие испытательные стенды и информационные диагностические (и измерительные) системы, существующие в настоящее время в автомобильной промышленности. Данные системы существуют для различных подсистем автомобиля и одним из наиболее интересных объектов для изучения с точки зрения создания испытательных стендов являются поршневые кольца.

При рассмотрении вопроса технического контроля поршневых колец выяснилось, что в настоящее время существует большое количество работ, посвященных различным вопросам качества изделий сложной формы. Тем самым можно сделать вывод, что тема контроля качества в автомобилестроении остается одной из наиболее актуальных. Но необходимо отметить, что большинство известных исследовательских работ направлены на регулирование качества непосредственно в производственном процессе. Непосредственно контроль качества на заключительном этапе производства рассматривают лишь отдельные авторы.

В частности, можно выделить следующие работы:

В [5] отмечается, что: «В некоторых случаях выборочный контроль исходного материала, заготовок, полуфабрикатов и готовых изделий ответственного назначения на заводах не гарантирует их высокое качество, особенно при серийном и массовом производстве. В настоящее время широкое распространение получает непрерывный неразрушающий контроль всей продукции на отдельных этапах производства». Автор ставит цель разработать новые методы и средства неразрушающего контроля, позволяющего проводить непрерывный контроль характеристик качества многослойных изделий, в частности металлофторопластовых лент. Для достижения данной цели автор предлагает использовать новый метод неразрушающего контроля на основе воздействия на объект исследования источником тепловой энергии. Данный метод позволяет определять толщины слоев, пористость бронзового каркаса, теплофизические свойства материала верхнего слоя четырехслойных металлофторопластовых лент.

В [6] осуществляется «разработка и внедрение новых методов и измерительно-управляющей системы непрерывного активного контроля геометрических показателей вкладышей подшипников и износа режущего инструмента в процессе изготовления. Внедрение подобных методов позволило повысить производительность контроля, точность изготовления и обеспечить предупреждение появления дефектов». Разработанная автором система использует индуктивные датчики, выполнена на базе модуля микроконтроллера CPU 188-5MX и модуля аналогового вывода AO 16-V8. Данная система содержит пять измерительных каналов:

– первый предназначен для контроля высоты вкладышей и отклонения от плоскопараллельности поверхностей разъема вкладыша относительно образующей наружной цилиндрической поверхности;

– второй — для контроля прилегания наружной цилиндрической поверхности вкладыша к поверхности постели гнезда контрольного приспособления;

– третий — для измерения температуры поверхности вкладыша, в процессе обработки;

– четвертый — для контроля радиальной толщины вкладыша;

– пятый — для контроля износа режущего инструмента алмазно-расточного станка;

и датчик положения, определяющий наличие вкладыша в зоне обработки, два микроконтроллерных модуля, в которых происходит обработка измеренных показателей по заложенной программе и модуль аналогового вывода, использующегося для управления станками и автоподналадчиками режущих инструментов.

В [9] осуществляется разработка бесконтактного неразрушающего микроволнового метода контроля поверхностной влажности и среднеинтегральной влажности твёрдых материалов и реализующего его устройства на основе математического описания взаимодействия электромагнитного поля СВЧ диапазона с влажным материалом, обеспечивающих повышение оперативности и точности измерений.

В [11] говорится, что «Широкий спектр поглощающих материалов и покрытий, а также сложные методики их нанесения на металлическую поверхность, приводят к необходимости применения специализированных приборов неразрушающего контроля электрофизических и геометрических параметров толщины слоя в сантиметровом диапазоне длин волн». В результате автором разработан микроволновой бесконтактный метод поверхностной волны для одновременного определения толщины, электрофизических параметров и неоднородностей слоя магнитодиэлектрических покрытий на металле.

В [13] автором разработан микроволновый метод и устройство определения электрофизических параметров магнитодиэлектрических и диэлектрических покрытий на металле и их неоднородностей на основе математического описания распространения медленной поверхностной волны в слое магнитодиэлектрика на металле.

Кроме того, необходимо отметить, что для решения задач определения качества в настоящее время начинают применять и методы, относящиеся к так называемым методам искусственного интеллекта.

Так, например, в [12] автором на основе аппарата нечеткой логики и использования программного пакета FuzzyTECH Professional решаются вопросы обеспечения заданного уровня потребительских свойств новых и традиционных видов продукции на основе эффективного управления показателями качества в процессах технологической обработки.

В [10] объектом исследования являлись волоконно-оптические информационно-измерительные системы мониторинга сложных технических объектов. В качестве одного из инструментов использовалось имитационное моделирование и сети Петри.

Однако все эти публикации отражают перспективный взгляд на проблему качества металлических изделий сложной формы. На практике конкретно к контролю качества поршневых колец относятся более упрощенно.

Если рассмотреть весь спектр приборов и измерительных систем, то можно выделить следующие технические средства:

Для контроля хромового покрытия на поршневых кольцах на базе магнитного толщиномера покрытий МТ-201 разработан толщиномер МТ-201К.

Для контроля толщины хромовых покрытий поршневых колец для технологического и приемочного контроля деталей в лабораторных и цеховых условиях был разработан толщиномер СИ-14.

Для контроля рабочей поверхности профиля поршневых колец в производственных условиях по следующим параметрам: бочкообразность, конусность, смещение пояска используется прибор для контроля рабочей поверхности профиля поршневых колец БВ-7618. Допустимая погрешность прибора при контроле — 30% от допускаемого диапазона значений контролируемых параметров.

Также данным ОАО «НИИизмерения» выпускаются такие приборы как: прибор для контроля радиальных зазоров подшипников модель БВ-7660 и прибор для контроля осевых зазоров подшипников модель БВ-7661; а также:

– электронный профилометр портативный для измерения параметров шероховатости методом ощупывания плоских и цилиндрических (наружных и внутренних) поверхностей ответственных деталей. Измеряемые параметры — Ra/Rq/Rz/Rmax/Sm. Основная относительная погрешность измерения — не более 2,5%.

– стационарный вариант профилометра-профилографа автоматизированного, обладающего широкими функциональными возможностями.

Данные приборы также возможно применять в контроле качества поршневых колец.

Для контроля угла «трапеции» и высоты поршневого кольца предлагается использовать прибор ЦП107. В основе этого прибора лежит индуктивный способ преобразования линейных перемещений в электрический сигнал. Предел допускаемой погрешности прибора при измерении угла, составляет 5 мин.

Отдельными авторами предлагается использовать вибродиагностику при контроле качества поршневых колец двигателей внутреннего сгорания.

Иностранными фирмами предлагаются системы измерений с более высокой степенью автоматизации.

Так, фирма «General Electric» предлагает использовать систему тестирования Vector 2DVIP. В основе системы лежит метод вихревых токов. Система включает в себя одноканальный прибор Vector 2d, двухчастотный инструмент вихревых токов и программируемый логический контроллер (ПЛК) с встроенным сенсорным дисплеем. Система предназначена, прежде всего, для обнаружения трещин в процессе производства, сортировки по качеству термической обработки и оценки поверхности опытных образцов.

Также вихретоковый метод измерения лежит в основе системы измерения Eloscan производства Rohmann GmbH. Для перемещения датчика по поверхности измерения используется промышленный робот.

В результате можно видеть, что в настоящее время основные усилия исследователей сосредоточены на разработке информационно-измерительных систем машиностроительных изделий.

1.4 Цель и постановка задачи

Как показали вышеприведенные материалы, задача разработки системы автоматизации испытаний является актуальной. Цель работы можно сформулировать следующим образом: разработка системы автоматизации, основанной на современных программно-технических средствах, позволяющей в полной мере осуществлять необходимый объем испытаний.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести обзор существующих испытательных стендов.

2. Разработать функциональную и структурную схему системы.

3. Произвести расчет основных элементов разрабатываемой системы.

4. Выбрать основные технические средства.

5. Разработать человеко-машинный интерфейс.

Нужно отметить, что на рынке в настоящий момент представлены «узкозаточенные» изделия. Несомненно, подобный подход является практичным с точки зрения затрат. Но это только на первый взгляд, так как в оценке стоимости, как правило, не учитывают критерий удобство обслуживания, сервиса и ремонта, замены частей, вышедших из строя.

Исходя из этого, разрабатываемый стенд предлагается выполнить на базе серийно выпускающихся изделий (где средства измерений должны быть включены в госреестр средств измерений), а в качестве среды разработки использовать комплекс, уже положительно зарекомендовавший себя в автоматизации технологических процессов (из-за большего количества случаев применения автоматизированных систем).

К подобному выводу в настоящее время приходят многие разработчики: так, при проведении испытаний ракетно-космической техники фирма НПП «МЕРА» проводит модернизацию испытательных стендов, опираясь на современные научно-технические достижения в этой области. Авторы показывают, что такая модернизация оказалась объективно необходима, как минимум по двум причинам:

- во-первых, существующие аппаратно-программные средства автоматизации измерений, внедренные в 80-х годах прошлого века, выработали свой ресурс, морально и физически устарели. Качество получаемой с их помощью информации не соответствует современным требованиям, велик процент ручной обработки, не выполняются требования по оперативности обработки данных. Программное обеспечение, применяемое в первичной и вторичной обработке испытаний, является узкоспециализированным, не стандартизированным по входным и выходным форматам и интерфейсу пользователя, не оптимизированным по применяемым методам расчета, требующим значительных затрат на сопровождение и отладку. Все это без поддержки разработчиков и фактически «кадрового обвала», в условиях которого существуют сейчас многие предприятия отрасли, вызывает серьезные проблемы эксплуатации устаревших автоматизированных систем регистрации сигналов;

- во-вторых, международные научно-технические связи, интенсивно развивающиеся в настоящее время, требуют применения принятых в мире стандартных, унифицированных решений, обеспечивающих соответствующий технический уровень интеграции и позволяющих осуществлять совместные проекты на единой программно-технической базе.

Исходя из имеющегося оборудования на заводе, а также из уровня технической квалификации я предлагаю в качестве подобного программно-технического комплекса использовать программируемый логический контроллер фирмы Siemens серии Simatic S7-300 (400).

Немаловажным фактом при выборе данного программно-технического комплекса является удобство подготовки отчетов о ходе проведения технического контроля качества.

Кроме того, введение подобной автоматизированной системы позволит в дальнейшем автоматизировать процесс поиска причин неисправности, в перспективе сделав возможным создание экспертной системы.

тормозной барабан контролер диагностика

2. Технологическая часть

2.1 Описание функциональной и структурной схемы системы

Стенд состоит из двух модулей роликовой установки для левого и правого колеса, стойки управления, содержащей ПЭВМ и силовые электрические элементы (силовая панель), светофора или информационного табло и датчика усилия.

Роликовая установка измеряет массу диагностируемой оси и приводит в движение колеса этой оси для измерения тормозной силы.

Рис. 2.1 Функциональная схема стенда

В соответствии с требованиями, описанными выше, разработанная система автоматизации должна реализовать следующие функции:

1. Прием сигналов от датчиков состояния технологического процесса

2. Выдавать управляющие сигналы на исполнительные механизмы

3. Осуществлять самодиагностику технического состояния технических средств

Для реализации заданных функций используем систему, имеющие три уровня:

Для реализации подобных функций создадим систему управления со следующей структурой:

Уровень 1: средства КИПиА и преобразователи частоты.

Уровень 2: уровень контроллеров и модулей ввода/вывода.

Уровень 3: уровень человеко-машинного интерфейса.

При проектировании испытательных стендов, как правило, считается, что подача оборудования к месту проведения испытаний осуществляется автоматически. Однако это не тривиальная задача.

Рассмотрим процесс выбора преобразователя частоты для двигателя, Осуществляющего транспортировку объекта испытаний к месту контроля.

В качестве такого двигателя в настоящее время используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Таблица 1. Параметры существующего двигателя

тип	Pном, кВт	n об/мин	КПД, %	Cos	Iном, А	Мном, Н*м		Iпуск Iном	Число пусков	J Кг*м2	Масса, кг
5АН200S6/24	5,6	920	83	0,76	13,5	60	2,3	5,5	180	0,46	215

Выбор коммутационной аппаратуры

Выбор коммутационной аппаратуры заключается в выборе:

1) выбор контактора КМ1;

2) выбор промежуточных реле.

Выбор контактора

Сформируем требования к контактору:

1) Напряжение питания катушки Uпит.=210 — 250 В, 50Гц.

2) Наличие 1-го нормально замкнутого контакта, 1 нормально -открытого контакта..

3) Номинальный ток контактов больше номинального тока двигателя.

Выбираем контактор типа 3RT1034-1AP04 фирмы Siemens. Его характеристики приведены в таблице8.

Таблица 3 Характеристики контактора 3RT1034-1AP04.

Тип	Номинальный ток контактов	Номинальное напряжение	Класс защиты	Напряжение катушки	Наличие доп. контакта
3RT1034-1AP04	А	кВ		В
	25	До 0,4	IP54	~220	2 НО, 2НЗ

Выбор промежуточных реле

Выбираем промежуточные реле типа «Релейный модуль PLC RSC 24DC/21(номер по каталогу 2966171).

Характеристики реле приведены в таблице 5.

Таблица 4 Характеристики релейного модуля PLC RSC

Тип	Время срабатывания	Номинальное напряжение	Номинальный ток	Напряжение катушки
2966171	с	В	А	В
	не более 0.05	До 220	До 6	= 240

Для управления данным электродвигателем будем использовать преобразователь типа Sinamics S120. Данный преобразователь имеет модульную конструкцию (в терминах фирмы-производителя Book-size):

– Модуль управления CU320, заказной номер 6SL3040-0MA00-0AA1.

– Модуль выпрямителя (в данной работе используется активный модуль выпрямления, который позволяет осуществлять рекуперацию энергии в сеть), заказной номер 6SL3130-7TE21-6AA3.

– Модуль двигателя, заказной номер 6SL3120-1TE13-0AA3.

Настройка преобразователя может выполняться как с помощью панели BOP, так и при помощи персонального компьютера и соответствующего программного обеспечения STARTER.

Выбор данного преобразователя осуществлялся под электродвигатель при помощи специализированного программного обеспечения SIZER фирмы Siemens (данный выбор может также быть осуществлен по каталогу, главный критерий выбора — номинальный ток электродвигателя).

К достоинствам данного преобразователя следует отнести его возможность работы с как с асинхронными, так и синхронными электродвигателями.

Структура управления преобразователя для двигателя стандартная: состоит из двух контуров — контур тока и контур скорости. Контур скорости замыкается по датчику обратной связи, установленном на двигателе. Контур тока подчинен контуру скорости. Определение выходного тока осуществляется встроенной системой управления преобразователя.

Для данного преобразователя производитель использует такие термины, такие как тип управления Vector и тип управления Servo. В случае использования в системах управления станками, а также для управления высокоточным оборудованием необходимо использовать режим «Сервоуправление». На рис. 2.2 представлена компоновка данного преобразователя на монтажной панели.

Для снижения помех на питающую сеть (для обеспечения электромагнитной совместимости), а также для обеспечения рекуперативного торможения, данный преобразователь оснастим активным блоком питания типа 6SL3130-7TE21-6AA3: QF1-вводной автоматический выключатель; КМ1 — главный контактор; GV1 — блок питания электроники 220В АС/24В DC; A2.1 — модуль управления; А2.2. — модуль выпрямления; А2.3 — двигательный модуль

Рис. 2.2. Размещение модулей для двигателя главного привода на монтажной панели

2.2 Блок питания электроники

Настоящее техническое описание (в дальнейшем — ТО) предназначено для изучения источника питания 220В АС/24В DC, содержит описание конструкции, принцип работы, технические характеристики, необходимые для правильной эксплуатации.

На входе модуля был разработан выпрямитель напряжения, во избежание поломок оборудования.

Предназначен для питания функциональных модулей напряжениями постоянного тока, а также, дополнительно к функциям питания, осуществляет контроль первичной сети и формирует сигнал нарушения питания.

Модуль рассчитан на эксплуатацию при температуре окружающей среды от 5 до 40 С, относительной влажности воздуха от 40 до 80% при температуре 25 С, атмосферном давлении от 84 до 107 кПа (от 630 до 800 мм рт. ст), при воздействии вибрации частотой до 25 Гц с амплитудой не более 0,1 мм.

Технические данные:

1. Параметры питания:

— напряжение сети однофазного переменного тока, В — 220;

— отклонение напряжения, % — от плюс 10 до минус 15;

— частота, Гц — 50;

— ток, потребляемый от сети, А, не более — 0,4.

2. Масса, кг, не более — 1,67.

3. Габаритные размеры, мм, не более — 251*146*68.

4. Предельный кратковременный ток перегрузки -1,5 А.

Ниже представлена принципиальная электрическая схема блока с выпрямителем напряжения.

Рис 2.3 Электрическая схема источника питания.

2.3 Технические характеристики контроллеров и модулей ввода-вывода

В качестве контроллера, используемого для создания данной системы, выберем контроллер фирмы Siemens, а именно контроллер серии S7-414-H. Выбор данного контроллера обусловлен его производительностью, объемом памяти, а также возможностью обмена информацией с преобразователями частоты. Кроме того, для повышения надежности работы всей системы автоматизации данный контроллер выполним резервированным. Рассмотрим основные черты, характеризующие данный программно-технический комплекс.

Модули ввода-вывода будем использовать серии ET200M, фактически, это сигнальные модули контроллера S7-300. В данной серии существуют модули, предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами;

Кроме модулей ввода/вывода можно выделить также следующие модули, которые выполняются в конструктиве S7-300 и могут использоваться в качестве удаленной периферии:

— модули блоков питания (PS), обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110В;

— коммуникационные процессоры (CP) для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface или организации связи по PtP (point to point) интерфейсу;

— функциональные модули (FM), способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов, модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае отказа центрального процессора ПЛК;

— интерфейсные модули (IM), обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка с CPU) стоек расширения ввода-вывода, контроллеры SIMATIC S7-300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров, распределенных по 4 монтажным стойкам, все модули работают с естественным охлаждением.

Для всех вышеперечисленных модулей можно выделить следующие основные черты:

— все модули легко устанавливаются на профильную рейку DIN и фиксируются на установленных местах винтом;

— во все модули (кроме модулей блоков питания) встроены участки внутренней шины контроллера, соединение этих участков выполняется шинными соединителями, устанавливаемыми на тыльной стороне корпуса;

— наличие фронтальных соединителей, позволяющих производить замену модулей без демонтажа всех внешних соединений и упрощающих выполнение операций подключения внешних цепей модулей;

— подключение внешних цепей через фронтальные соединители с контактами по винт или пружинными контактами, механическое кодирование фронтальных соединителей, исключающее возможность возникновения ошибок при замене модулей;

— применение модульных и гибких соединителей SITOP TOP Connect, существенно упрощающих монтаж шкафов управления;

— единая для всех модулей глубина установки, все кабели располагаются в монтажных каналах модулей и закрываются защитными дверцами;

— произвольный порядок размещения модулей в монтажных стойках, фиксированные места должны занимать только блоки питания, центральные процессоры и интерфейсные модули.

Большое количество модулей программируемого контроллера S7-300 оснащено набором встроенных интеллектуальных функций, существенно упрощающих эксплуатацию системы управления:

— мониторинг сбора сигналов (диагностика);

— мониторинг сигналов аппаратных прерываний.

Рис. 2.4. Монтаж модулей на профильной шине

Диагностика используется для определения работоспособности модулей ввода дискретных и аналоговых сигналов. Для передачи диагностической информации применяются маскируемые и не маскируемые сообщения:

— маскируемые диагностические сообщения, которые могут пересылаться только в том случае, если это разрешено соответствующими параметрами настройки;

— не маскируемые диагностические сообщения, пересылка которых производится независимо от соответствующих параметров настройки.

Если диагностическое сообщение готово к передаче (например, сообщение об отсутствии напряжения питания датчика), то модуль генерирует диагностическое прерывание (для маскируемых сообщений только в случае определения параметров разрешения передачи). Центральный процессор прерывает выполнение программы пользователя или задач с более низким приоритетом и вызывает соответствующий организационный блок (OB 82). В зависимости от типа модуля диагностические сообщения могут носить различный характер.

Более подробно программная часть системы управления будет описана ниже.

Контроллеры SIMATIC S7-400 обладают широкими коммуникационными возможностями:

— коммуникационные процессоры для подключения к сетям PROFIBUS (с встроенным оптическим или электрическим интерфейсом), Industrial Ethernet и AS-интерфейсу;

— коммуникационные процессоры PPI для использования последовательных (RS 232, TTY, RS 422/ RS 485) каналов связи;

— MPI интерфейс, встроенный в каждый центральный процессор и позволяющий создавать простые и недорогие сетевые решения для связи с программаторами, персональными ЭВМ, устройствами человеко-машинного интерфейса, другими системами SIMATIC S7/ C7/ WinAC, параметры конфигурации MPI интерфейса могут быть определены встроенными средствами STEP 7;

— центральные процессоры с встроенным интерфейсом PROFIBUS-DP.

Подключение контроллеров SIMATIC S7-400 к сети PROFIBUS-DP может производиться с помощью коммуникационного процессора или через встроенный интерфейс центрального процессора. Центральные процессоры с встроенным интерфейсом PROFIBUS-DP позволяют создавать распределенные системы автоматического управления со скоростным обменом данными между ее компонентами через сеть PROFIBUS-DP. В такой системе центральный процессор способен выполнять функции ведущего или ведомого DP-устройства. Обращение к входам-выходам устройств распределенного ввода-вывода производится теми же способами, что и к входам-выходам системы локального ввода-вывода (адреса удаленных модулей отображаются в соответствующих строках в закладке Hardware).

Рассмотрим основные модули ввода/вывода, которые будут использоваться в данной работе.

Цифровой модуль ввода SM 321

Цифровой модуль ввода SM 321; DI 16 x 24 VDC отличается следующими свойствами: 16 входов, потенциальная развязка группами по 16 каналов. Номинальное входное напряжение 24 В пост. тока. Пригоден для переключателей и 2/3/4-проводных BERO (датчиков приближения).

Схема подключения и принципиальная схема SM 321; DI 16 x 24 VDC

Рис. 2.5. Схема подключения входных сигналов

Таблица 5 Технические данные SM 321

Размеры и вес
Размеры Ш x H x D(в миллиметрах)	40 x 125 x 117
Вес	ок. 200 г
Особые данные модуля
Поддержка режима тактовой синхронизации	Нет
Количество входов	16
Длина кабеля
* неэкранированного	макс. 600 м
* экранированного	макс. 1000 м
Напряжения, токи, потенциалы
Количество входов, которыми можно управлять одновременно
* горизонтальный монтаж до 60 °C	16
* вертикальный монтаж до 40 °C	16
Гальваническая развязка
* между каналами и задней шиной	Да
Допустимая разность потенциалов	= 75 В / ~ 60 В
* между различными цепями тока
Изоляция проверена при	500 В пост. тока
Потребление тока * из задней шины	макс. 10 мА
Мощность потерь модуля	тип. 3,5 Вт
Состояние, прерывания, диагностика
Индикация состояния	Зеленый светодиод на каждом канале
Прерывания	Отсутствуют
Диагностические функции	Отсутствуют

Цифровой модуль вывода SM 322

Рис. 2.6. Схема подключения выходных сигналов

Цифровой модуль вывода SM 322; DO 16 x 24 VDC/0.5 A отличается следующими свойствами: 16 выходов, потенциальная развязка группами по 8 выходной ток 0,5 A, номинальное напряжение на нагрузке 24 В пост. тока. Пригоден для электромагнитных клапанов, контакторов постоянного тока и сигнальных ламп.

Таблица 6 Технические данные SM 322

Размеры и вес
Размеры Ш x В x Г (в миллиметрах)	40 x 125 x 117
Вес	ок. 190 г
Особые данные модуля
Поддерживает режим тактовой синхронизации	Нет
Количество выходов	16
Длина кабеля
* неэкранированного	макс. 600 м
* экранированного	макс. 1000 м
Напряжения, токи, потенциалы
Номинальное напряжение на нагрузке L+	24 В пост. тока
Суммарный ток выходов (на группу)
* горизонтальный монтаж
до 40 °C	макс. 4 A
до 60 °C	макс. 3 A
* вертикальный монтаж
до 40 °C	макс. 2 A
Гальваническая развязка
* между каналами и задней шиной	Да
* между каналами группами по	Да 8
Допустимая разность потенциалов
* между различными цепями тока	= 75 В / ? 60 В
Изоляция проверена при	500 В пост. тока
Потребление тока
* из задней шины	макс. 80 мА
* из источника питания нагрузки L + (без нагрузки)	макс. 80 мА
Мощность потерь модуля	тип. 4.9 Вт
Состояние, прерывания, диагностика
Индикация состояния	Зеленый светодиод на каждом канале
Прерывания	Отсутствуют
Диагностические функции	Отсутствуют

Технические данные SM 331

Рис. 2.7. Схема подключения входных аналоговых сигналов

Таблица 7

Размеры и вес
Размеры Ш x В x Г (в миллиметрах)	40 x 125 x 117
Вес	ок. 250 г
Особые данные модуля
Поддерживает режим тактовой синхронизации	Нет
Количество входов	8
Длина кабеля
* экранированного	макс. 200 м
Напряжения, токи, потенциалы
Потребление тока из задней шины	24 В пост. тока
Гальваническая развязка
* между каналами и задней шиной	Да
* между каналами	нет
Допустимая разность потенциалов
* между входами	= 2 В
Изоляция проверена при	500 В пост. тока
Потребление тока
* из задней шины	макс. 90 мА
Мощность потерь модуля	тип. 0.4 Вт
Состояние, прерывания, диагностика
Прерывания	Отсутствуют
Диагностические функции	Отсутствуют

Данные модули ввода/вывода, так же как центральный процессорный модуль, устанавливаются на специализированную профильную шину. Соединение модулей между собой осуществляется при помощи стандартных П-образных соединителей, входящих в комплект поставки каждого модуля. Подключение физических сигналов к модулям ввода осуществляется посредством фронт-штекеров. Кроме того, данная система должна включать блоки питания 220в переменного тока/24В постоянного тока, как для питания процессорного модуля и электроники модулей ввода/вывода, так и запитывания входных и выходных цепей.

2.4 Расчет усилителя мощности

Выбор схемы усилителя.

Выбираем простейший усилитель мощности, имеющий 4 каскада усиления и отрицательную обратную связь. Сигналы, передающиеся от микроконтроллера к исполнительному устройству на выходе модуля ВЫВОД 24 — дифференциальные.

Рис. 2.8 Схема усилителя

Процесс усиления электрического сигнала происходит за счет мощности, потребляемой от источника питания. Часть мощности Р_о в усилителе преобразуется в мощность Р₂, т.е. в мощность, выделяемую в нагрузке. Для преобразования мощности Р_о в мощность Р₂ затрачивается мощность Р₁, т.е. мощность источника сигнала. Таким образом, усиление — процесс увеличения мощности источника сигнала.

Разработка и расчет оконечного каскада усилителя мощности

Выберем в качестве оконечного каскада двухтактный, бестрансформаторный, каскад на составных биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором. Это позволит нам осуществить непосредственную связь с нагрузкой, а значит, обойтись без громоздких

трансформаторов и разделительных конденсаторов. А т.к. последние являются частотно-зависимыми элементами, то их отсутствие существенно расширит полосу пропускания усилителя. Отсутствие частотно-зависимых элементов позволяет вводить глубокие обратные связи по постоянному току, что улучшает характеристики усилителя.

Выберем схему построения оконечного каскада.

Для повышения КПД транзисторы оконечного каскада используют в режиме класса В. Тогда оконечный каскад будет состоять из двух симметричных плеч, каждое из которых будет работать параллельно и в противофазе друг другу на общую нагрузку (Рисунок 13).

Однако при этом существенно увеличиваются нелинейные искажения. Поэтому выходные каскады обычно используют в режиме АВ (при этом в принципиальную схему добавляется цепь смещения), обеспечивая высокий КПД и малые нелинейные искажения. Такие схемы выполняют на комплиментарных транзисторах.

При значительной мощности выходного сигнала (более 5 Вт) или при слишком большом коэффициенте гармоник может возникнуть ситуация, когда для предоконечного каскада тоже может потребоваться режим АВ. В этом случае оконечный каскад выполняют на составных транзисторах.

Рис. 2.9 Схема выходного каскада

Выбор 1^ой пары транзисторов.

Первая пара транзисторов составляет свой каскад. Он состоит из двух комплиментарных транзисторов V1 и V2, работающих на общую нагрузку . По своим усилительным свойствам транзисторы V1 и V2 должны быть идентичны. В схеме (Рисунок 14) транзисторы V1 и V2 включены с ОК. Напряжения источников питания равны между собой . При положительных входных сигналах транзистор V1 работает в активном режиме и усиливает входной сигнал, а транзистор V2 заперт. При отрицательных входных напряжениях — наоборот. Таким образом, транзисторы работают в активном режиме попеременно, каждый в течение одного полупериода входного напряжения. При оба транзистора заперты.

Рис. 2.10 Схема оконечного каскада

а) рассчитаем амплитуду выходного питания

U = (2P_н R_н )^1/2; (1)

==15,49 В;

б) выберем напряжение питания

E_п = U_нм + U_ост= 15,49 + 6 = 21,49 , следовательно E_п = 21 В (2)

U_ост= 6 В;

в) рассчитываем мощность, рассеиваемую на одном транзисторе

= 6,2 Вт ; (3)

г) ток нагрузки

А, то есть I_km = 1,94 A; (4)

д) исходя из рассчитанных данных выбираем пару транзисторов

Выбираем транзисторы КТ-818В и КТ-819В.

КТ-818В — это кремневые мезаэпитаксиально — планарные p-n-p-транзисторы предназначены для применения в ключевых и линейных схемах.

Корпус пластмассовый с гибкими выводами или металлический, масса не более 15 г.

КТ-819В — это кремневые мезаэпитаксиально — планарные n-p-n-транзисторы предназначены для применения в ключевых и линейных схемах, узлах, блоках аппаратуры. Корпус пластмассовый с гибкими выводами, масса не более 2,5 г. или металлостеклянный, масса не более 15 г.

Выбор 2^ой пары транзисторов.

Для второй пары транзисторов составного каскада входные параметры первого являются выходными, то есть для выбора транзисторов используем следующие данные:

E_п = U_нм + U_ост= 14,84 + 6 = 20,84 , следовательно E_п = 21 В

U_ост= 6 В;

= 0,15 Вт

, то есть I_km = 50 мA;

Исходя из рассчитанных данных выбираем пару транзисторов:

КТ-629А и КТ-630А.

КТ-629А — это кремниевые эпитаксиально-планарные p-n-p-транзисторы предназначены для использования в быстродействующих импульсных и других неремонтируемых гибридных схемах, микромодулях, узлах и блоках, имеющих герметичную защиту от действия солнечного света, влаги и так далее, для аппаратуры широкого применения. Оформление бес корпусное, на диэлектрической подложке. Масса не более 0,02 г.

КТ-630А — это кремневые планарные n-p-n-транзисторы используются в быстродействующих импульсных и других схемах. Корпус металлический, герметичный, с гибкими выводами, масса не более 2 г.

Разработка и расчет предоконечного каскада

При необходимости получения больших выходных токов существенно возрастает ток, потребляемый базовыми цепями транзисторов УМ от предварительного каскада. Предварительные каскады, как правило, являются усилителями напряжения, работающими в режиме класса А.

Предоконечный каскад предназначен для согласования оконечного каскада на составных комплиментарных транзисторах, работающих в режиме класса АВ, с выходом ОУ А2. Предоконечный каскад построен на биполярном транзисторе n-p-n типа, который включен по схеме с ОЭ в цепь смещения оконечного каскада вместо резистора R4 (Рисунок 15).

Рис. 2.11 Принципиальная схема предоконечного и оконечного каскадов

Выбор типа транзистора.

Для предоконечного каскада входные параметры второй пары составного каскада являются выходными, то есть для выбора транзисторов используем следующие данные:

; =14,97В.

E_к =2Е_п ,следовательно E_к = 42 В

; (5)

Исходя из рассчитанных данных выбираем транзистор: это КТ-601А — кремневые планарные n-p-n-транзисторы предназначенные для работы в радиовещательных и телевизионных приемниках, в усилительной аппаратуре и других устройствах. Корпус герметичный, металлический, с гибкими выводами, пластмассовый. Масса транзистора не более 2 г.

Разработка и расчет промежуточного каскада

Данный каскад будет построен на операционном усилителе. Операционный усилитель — это усилитель постоянного тока, имеющий высокий коэффициент усиления порядка несколько сотен единиц.

В данном каскаде применяем масштабирующий операционный усилитель с инвертируемым сигналом.

Рис. 2.12 Принципиальная схема промежуточного каскада

Основной функцией этого усилителя умножение входного сигнала на постоянный коэффициент. В данной схеме операционный усилитель охвачен отрицательной параллельной обратной связью по напряжению.

Выбор операционного усилителя.

Основные параметры операционного усилителя:

1. К_U — коэффициент усиления по постоянному току, чем больше коэффициент, тем ближе операционный усилитель к идеальному.

2. R_вх — входное сопротивление.

3. R_вых — выходное сопротивление.

4. — напряжение питания, — около 5%.

5. U_выхm — максимальная амплитуда выходного сигнала 80 %Е_{п .}

6. R _н,min (1…2) кОм.

7. I _н,max = (5…10) мА.

8. f_в — верхняя граничная частота.

10. е_см — напряжение смещения нуля.

11. I_вх1, I_вх2.

Выберем операционный усилитель К140УД6, у которого

U_см = 10 мВ, I_вх= 30 нА, ?I_вх = 10 нА, U_п= (5-17)В, I_пот= 4 мА, R_вх=1МОм, к_ос.сф.=70 Дб, R_н,min =1кОм.

Расчет масштабирующего усилителя с инвертированием сигнала.

При анализе усилительных свойств схемы на операционном усилителе будем считать, что

; (6)

так как , откуда получим

Также ,

из предыдущего каскада имеем U_вых = 0,04 В, а U_вх = 5 мВ, откуда

Теперь рассчитаем R₁ и R₂:

Зададимся произвольным значением R₂ при условии R₂>>R_нmin ,

Так как R_нmin = 1 кОм , откуда

С другой стороны

>>I₀

, >>10³ I₀

Пусть I₀ = 0,001 мкА, тогда >> 1 мкА, следовательно =10 мкА

R₂<< R_вх, R_вх= 1МОм

, так как к₀>?, то

Разработка и расчет входного каскада

Данный каскад также будет построен на операционном усилителе. Только в отличие от предыдущего каскада мы выбираем масштабирующий усилитель без инвертирующего сигнала. Это каскад согласовывает высокое входное сопротивление сигнала с каскадом, обладающим более меньшим входным сопротивлением.

Операционный усилитель охвачен отрицательной последовательной обратной связью по напряжению.

Рис. 2.13 Принципиальная схема входного каскада

Выбор операционного усилителя.

Выберем операционный усилитель К140УД6, у которого

U_см = 10 мВ, I_вх= 30 нА, ?I_вх = 10 нА, U_п= (5-17)В, I_пот= 4 мА, R_вх=1МОм, к_ос.сф.=70 Дб, R_н,min =1кОм.

Расчет масштабирующего усилителя без инвертирования сигнала.

При анализе усилительных свойств схемы на операционном усилителе будем считать, что

; (9)

(10)

так как , откуда получим

. (11)

Также ,

из предыдущего каскада имеем U_вых = 5 мВ, а U_вх = 5 мВ, откуда

Теперь рассчитаем R₁ и R₂:

Зададимся произвольным значением R₂ при условии R₂>>R_нmin ,

Так как R_нmin = 1 кОм , откуда

С другой стороны

>>I₀

, >>10³ I₀

Пусть I₀ = 0,001 мкА, тогда >> 1 мкА, следовательно, =10 мкА

R₂<< R_вх, R_вх= 1МОм

, так как к₀>?, то

Ниже представлена схема усилителя.

Рис. 2.14 Схема усилителя

3. Специальная часть

3.1 Среда конфигурирования контроллера

STEP 7 — это базовый пакет программ, включающий в свой состав весь спектр инструментальных средств, необходимых для программирования и эксплуатации систем управления, построенных на основе систем автоматизации SIMATIC S7. Отличительной особенностью пакета STEP 7 является возможность разработки комплексных проектов автоматизации, базирующихся на использовании множества программируемых контроллеров, промышленных компьютеров, устройств и систем человеко-машинного интерфейса, устройств распределенного ввода-вывода, сетевых структур промышленной связи. Ограничения на разработку таких проектов накладываются только функциональными возможностями программаторов или компьютеров, на которых инсталлирован STEP 7.

Инструментальные средства STEP 7 позволяют выполнять:

— конфигурирование и определение параметров настройки аппаратуры;

— конфигурирование систем промышленной связи и настройку параметров передачи данных;

— программирование, тестирование, отладку и запуск программ отдельных систем автоматизации, а также их локальное или дистанционное обслуживание;

— документирование и архивирование данных проекта;

— функции оперативного управления и диагностирования аппаратуры.

Все перечисленные функции поддерживаются мощной системой интерактивной помощи.

STEP 7 входит в комплект поставки всех программаторов семейства SIMATIC PG. Он может поставляться также в виде самостоятельного пакета программ для персональных компьютеров, работающих под управлением операционных систем Windows XP/Vista/Win7. Для возможности подключения программируемых контроллеров компьютер должен быть оснащен MPI картой (например, типа CP-5613) или PC адаптером и соединительным кабелем. STEP 7 обеспечивает параллельное выполнение работ по одному проекту несколькими разработчиками. Единственным ограничением при этом является невозможность одновременной записи данных несколькими разработчиками.

STEP 7 объединяет все файлы программ пользователя и все файлы данных в блоки. В пределах одного блока могут быть использованы другие блоки. Механизм их вызова напоминает вызов подпрограмм. Это позволяет улучшать структуру программы пользователя, повышать их наглядность, обеспечить удобство их модификации, перенос готовых блоков из одной программы в другую. В составе программ STEP 7 могут быть использованы организационные, функциональные, системные блоки, функции, блоки данных.

Организационные блоки (ОВ), которые осуществляют управление ходом выполнения программы, в соответствии с рис. 5. В зависимости от способа запуска (циклическое выполнение, запуск по временному прерыванию, запуск по событию и т.д.) организационные блоки разделяются на классы, имеющие различные уровни приоритета.

Рис. 3.1. Управление ходом выполнения программы

Функциональные блоки (FB) содержат отдельные части программы пользователя. Выполнение функциональных блоков сопровождается обработкой различных данных. Эти данные, внутренние переменные и результаты обработки загружаются в выделенный для этой цели блок данных IDB. Управление данными, хранящимися в IDB, осуществляет операционная система программируемого контроллера.

Для каждого функционального (FB) и системного функционального (SFB) блока операционная система контроллера создает служебный блок данных IDB (Instance-data Block). IDB генерируются автоматически после компиляции FB и SFB. Доступ к данным, хранящимся в IDB, может быть осуществлен из программы пользователя или из системы человекомашинного интерфейса.

Функции (FC) — блоки, которые содержат программы вычисления используемых функций. Каждая функция формирует фиксированную выходную величину на основе получаемых входных данных. К моменту вызова функции все ее входные данные должны быть определены. Такой механизм позволяет использовать функции без блоков данных.

Блоки данных (DB) предназначены для хранения данных пользователя. В отличие от данных, хранящихся в IDB и используемых одним блоком FB или SFB, глобальные данные, хранящиеся в DB, могут использоваться любым из программных модулей. В DB могут храниться данные, имеющие элементарный или структурный тип. Примерами данных элементарного типа могут служить данные логического (BOOL), целого (INTEGER), действительного (REAL) или других типов. Данные структурного типа формируются из данных элементарного типа. Для обращения к данным, записанным в DB, может использоваться символьная адресация.

Системные функциональные блоки (SFB) — это функциональные блоки, встроенные в операционную систему центрального процессора (например, SEND/ RECEIVE). Эти блоки не занимают места в памяти программ контроллера, но требуют использования IDB.

Системные функции (SFC) — это функции, встроенные в операционную систему контроллера. Например, функции таймеров, счетчиков, передачи блоков данных и т.д.

Системные блоки данных (SDB) — это блоки для хранения данных операционной системы центрального процессора. К этим данным относятся параметры настройки системы и отдельных модулей (аппаратных модулей).

Редакторы стандартных языков обеспечивают полную графическую поддержку программирования со следующими характеристиками:

— простое и интуитивное использование, создание программы поддерживается дружественным пользователю интерфейсом и позволяет использовать стандартные механизмы работы с Windows;

— библиотеки заранее подготовленных сложных функций (например, ПИД регулирования) и разработанных пользователем решений.

STEP 7 оснащен исчерпывающим набором инструкций, позволяющим легко и просто решать любые задачи автоматического управления.

Для удобства контроля программного обеспечения необходимо произвести взаимосвязь логических сигналов и их физических каналов. Это достигается путем создания специального файла в среде Step7 под названием Symbol Table.

Рассмотрим пример обозначения входов и выходов по стандарту МЭК 61131-3. На рисунке 3.2 представлены названия 19 каналов дискретного ввода по стандарту МЭК.

Рассмотрим подробно принцип маркировки каналов.

При создании конфигурации аппаратного обеспечения контроллера каждому модулю назначается определенная область входных и выходных данных. Размер выделяемой области определяется типом модуля ввода/вывода и количеством выходных/выходных каналов, которые данный модуль может поддерживать.

Рассмотрим привязку каналов к модулю дискретного ввода типа S7-321.

Рис. 3.2. Пример привязки физических каналов и логических каналов

Рис. 3.3. Страница аппаратного обеспечения (Hardware)

Например, запись I12.0 означает, что первый канал модуля дискретного ввода, которому в области данных входов/выходов назначен адрес 12. Переменные, назначаемые на входные/выходные каналы дискретных модулей имеют тип переменной BOOL. Это обозначает, что канал может принимать значение «0» или «1». Выходные каналы дискретных модулей маркируются по такому же принципу, только символ I (input) в записи адреса меняется на Q (output).

Для аналоговых модулей есть возможность установки приема различных аналоговых сигналов. Это делается намеренно для расширения функциональных возможностей по использованию различных типов датчиков.

Пример назначения различных типов принимаемого сигнала показан на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Установка типа принимаемого входного аналогового сигнала

В данном проекте мы используем датчики только с выходным сигналом 4-20 мА.

Для создания (а затем для дальнейшего) выполнения программы в котроллере необходимо выполнить следующие действия:

- В среде Step7 выбрать раздел S7Program

- Войти в папку Blocks

- Войти в программный блок OB1.

Именно в этом программной блоке и осуществляется циклическое выполнение программы пользователя. Все подпрограммы, функциональные с блоками данных вызываются именно из этого блока.

При открытии этого бота в первый раз необходимо выбрать язык в стандарте МЭКR 61131, на котором будет создаваться программа.

Это не критичный выбор, т.к. во время работы пользователю дается возможность смены используемого языка. Программа пользователя будет автоматически меняться из одного языка в другой.

Рассмотрим пример программного блока, созданного для управления задвижкой. Данный блок состоит из четырех сетей».

Приведем некоторые пояснения к синтаксису языков, используемых в программе.

Переменные М — это внутренние двоичные переменные программы, в данной среде они группируются по байтам, и в синтаксисе переменной первые два цифры означают номер байта памяти контроллера, а цифра после запятой — номер бита в байте.

Переменные типа I — физические двоичные входа. Под дискретные сигналы (замыкание/размыкание контактов реле, срабатывание датчика протечки задействовано по 1 биту).

Символом Q обозначаются выходные переменные, т.е. переменные, по которым происходит управление катушками реле, сигнализацией светодиодных ламп и т.п.

Аналогичным образом организуется и обмен между контроллером и прочими устройствами по шине Profibus — доступ к внутренней памяти этих устройств осуществляется посредством адресации к таким переменным, как PIW, PQW (входная и выходная информации соответственно).

T — переменная типа таймер (задержка включения/отключения)

Саму программу можно представить в любом из трех языков: лестничной логики, функциональных блоко, языке типа ассемблера.

Все эти языки программирования стандартны в соответствии со стандартом МЭК61131-3.

Приведем различные виды отображения этих языков для одного и того же фрагмента программы:

Рис. 3.5. Формирование гарантированного «0»

Рис. 3.6. Формирование гарантированной «1»

Для обмена информацией между преобразователем частоты, преобразователем скорости для ДПТ и контроллерами будем использовать шину Profibus-DP. Для этого в преобразователь Simoreg установим карту Profibus типа CBP-2.

3.2 Краткая характеристика средств ЧМИ

Для создания человеко-машинного интерфейса будем использовать персональный компьютер.

Концепция SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition — диспетчерское управление и сбор данных) предопределена всем ходом развития систем управления и результатами научно-технического прогресса. Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации.

Дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI — Human Machine Interface), предоставляемого SCADA-системами, полнота и наглядность представляемой на экране информации, доступность «рычагов» управления, удобство пользования подсказками и справочной системой и т. д. повышают эффективность взаимодействия диспетчера с системой и сводят к минимуму его критические ошибки при управлении.

Выбор SCADA-системы представляет собой достаточно трудную задачу, аналогичную принятию решений в условиях многокритериальное, усложненную невозможностью количественной оценки ряда критериев из-за недостатка информации.

Основные возможности и средства, присущие всем системам SCADA:

— автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системы

— автоматизации без реального программирования;

— средства исполнения прикладных программ;

— сбор первичной информации от устройств нижнего уровня;

— обработка первичной информации;

— регистрация тревог и исторических данных;

— хранение информации с возможностью ее постобработки (как правило;

— реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных);

— визуализация информации в виде мнемосхем, графиков;

— возможность работы прикладной системы с наборами параметров;

— рассматриваемых как «единое целое» (recipe или «установки»).

Для разработки системы диспетчерского управления технологическими процессами воспользуемся программным комплексом WinCC Flexible. Прежде всего, это единая интегрированная с контроллером среда разработки операторского интерфейса.

Из-за большого круга инсталляций на различных промышленных объектах России отсутствует проблема с русификацией.

Масштаб систем автоматизации, создаваемых в WinCC Flexible, может быть любым — от автономно работающих управляющих контроллеров и рабочих мест операторов (АРМ), до территориально распределенных систем управления, включающих десятки контроллеров и АРМ, обменивающихся данными с использованием различных коммуникаций — локальная сеть, интранет/интернет, последовательные шины на основе RS-232/485, выделенные и коммутируемые телефонные линии, радиоканал и GSM-сети.

Диспетчер в многоуровневой автоматизированной системе управления технологическими процессами получает информацию с монитора ЭВМ или с электронной системы отображения информации и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии, с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов.

Создание проекта АСУ осуществляется в единой интегрированной среде разработки (ИС) WinCC Flexible, работающей под управлением операционной системы MS Windows. Разрабатываемый проект представляется в виде дерева компонентов.

Программное обеспечение системы создается в двух средах разработки: Step7 — для разработки прикладного программного обеспечения контроллера, WinCС Flexible — для создания операторского интерфейса. Так как оба программных пакета выполнены одним производителем, то это очень удобно с точки зрения организации единого доступа к переменным программы пользователя.

3.3 Алгоритм работы системы

Вкратце алгоритм работы можно представить следующим образом:

1. Анализ текущего состояния системы, нет ли ошибок и сигнализации от внутренней самодиагностики

2. Проверка наличия блокировок

3. Задание необходимой скорости вращения, проверка достижения заданной скорости.

4. Контроль за значением тока для предотвращения выхода двигателя из строя

4. Экономическая часть

4.1 Планирование разработки ПС с построением графика

Как правило, при проектировании системы управления технологическим объектом необходимо рассмотреть все возможные способы ее реализации и выбрать наиболее эффективный. Однако, как показал обзор литературных источников, проведенный в начале данной работы, подобной системы сбора и анализа информации не существует на рынке. Тем не менее, достаточно просто можно определить затраты на разработку подобной системы.

Прежде всего, следует иметь в виду, что порядок разработки автоматизированных систем сбора и анализа информации должен соответствовать требованиям нормативных документов. На сегодняшний день на территории РФ действуют ГОСТ серии 34, регламентирующие требования к стадиям, порядку создания и к составу документации, выпускаемой при создании автоматизированной системы.

Расчет затрат на этапе проектирования

Для расчета затрат на этапе проектирования определим продолжительность каждой работы (начиная с составления технического задания (ТЗ) и до оформления документации включительно. Продолжительность работ рассчитаем по экспертным оценкам по формуле:

to = (3tmin +2tmax)/5 (4.1)

где to — ожидаемая длительность работы:

tmin и tmax — соответственно наименьшая и наибольшая, по мнению эксперта длительность работы.

Полученные значения округляем в большую сторону (для создания резерва времени).

Далее, принимая во внимание количество работников, необходимых на выполнение каждого из этапов работ, и определим продолжительность работ в календарных днях.

Продолжительность каждого вида работ в календарных днях (T_i) определяется по формуле (4.2), в днях:

, (4.2)

где: t_i — трудоемкость работ, человек-дней;

Ч_i — численность исполнителей, человек;

K_вых — коэффициент, учитывающий выходные и праздничные дни:

где:

К_кал. — число календарных дней;

К_раб. — рабочие дни;

K_вых=1,3.

Все расчеты сведем в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 Расчет трудоемкости и продолжительности работ по созданию программного и математического обеспечения

Наименование работы	Трудоемкость, чел. дни	Количество работников, чел.	Продолжит. работ календ. дни
	tmin	tmax	ti	Чi	Ti
1. Разработка ТЗ (подбор литературы; сбор исходных данных; определение требований к системе)	2	4	3	3	1,3
2. Разработка эскизного проекта	5	14	9	3	3,9
3. Разработка технического проекта	7	18	12	2	7,8
4. Разработка рабочего проекта	7	18	12	2	7,8
5. Внедрение	14	30	21	5	5,46
Общая трудоемкость разработки			57		26,26

Таким образом, общая продолжительность работ составит порядка 27 дней. Данный срок будет выдержан при четком выполнении плана работ и правильной организации процесса проектирования, позволяющим выполнять создание проектной документации на разных этапах создания Системы параллельно.

В качестве инструмента планирования работ используем ленточный график. Ленточный график позволяет наглядно представить логическую последовательность и взаимосвязь отдельных работ, срок начала и срок окончания работ. Он представляет собой таблицу, где перечислены наименования стадий разработки и видов работ, длительность выполнения каждого вида работ. Продолжением таблицы является график, отражающий продолжительность каждого вида работ в виде отрезков времени, которые располагаются в соответствии с последовательностью выполнения работ.

Ленточный график разработки программного и математического обеспечения, построенный по данным таблицы 4.2, приведен на рисунке 4.1.

Расчет сметы затрат на разработку программных средств

Сметная стоимость проектирования и внедрения программы включает в себя следующие затраты, определяемые по формуле (4.3):

С_пр=С_осн + С_доп + С_соц + С_м + С_маш.вр + С_н, (4.3)

где: С_пр — стоимость разработки ПО;

С_осн — основная заработная плата исполнителей;

С_доп — дополнительная заработная плата исполнителей, учитывающая потери времени на отпуска и болезни (принимается в среднем 10% от основной заработной платы);

С_соц — отчисления во внебюджетные фонды государственного социального страхования (пенсионный фонд, фонд обязательного медицинского страхования, фонд социального страхования), рассчитываются как 0,26% от основной и дополнительной заработной платы;

С_м — затраты на используемые материалы;

С_маш.вр — стоимость машинного времени.

С_н — накладные расходы включают затраты на управление, уборку, ремонт, электроэнергию, отопление и др. (принимаются в размере 60% от основной и дополнительной заработной платы);

№	Наименование этапа	февраль	Март
		1-3	4-12	13-24	25-36	37-57
1	Разработка ТЗ (подбор литературы; сбор исходных данных; определение требований к системе)
2	Разработка эскизного проекта (разработка предварительных проектных решений по системе и ее частям)
3	Разработка технического проекта (Разработка документации на автоматизированную систему; разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования Системы; разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта объекта автоматизации)
4	Разработка рабочего проекта (Разработка рабочей документации на систему и ее части; разработка и адаптация программ)
5	Внедрение (подготовка персонала; пусконаладочные работы; проведение предварительных испытаний, опытной эксплуатации)

Рис.4.1.Ленточный график

Основная заработная плата исполнителей

На статью «Заработная плата» относят заработную плату научных, инженерно-технических и других работников, непосредственно участвующих в разработке ПО. Расчет ведется по формуле (4.4):

З_исп = З_ср * Т, (4.4)

Где З_исп — заработная плата исполнителей (руб.);

З_ср — средняя тарифная ставка работника организации разработчика ПО (руб./чел./дни);

Т — трудоемкость разработки ПО (чел.дни).

З_ср определяется по формуле (5.5):

З_ср = С / Ф_мес, (4.5)

где: С — зарплата труда на текущий момент времени (руб./мес.);

Ф_мес — месячный фонд рабочего времени исполнителя (дни).

Затраты на статью «Заработной платы» приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 Затраты на заработную плату

№	Исполнитель	Оклад, руб./мес.	Оклад, руб./день	Трудоемкость, чел.дни	Сумма, руб.
1	Инженер-проектировщик АСУТП	14500	777	57	44289
Общая основная заработная плата исполнителей, Сосн	57	44289

Дополнительная заработная плата

Дополнительная заработная плата на период разработки ПО рассчитывается относительно основной и составляет 10% от ее величины:

С_доп = С_осн * 0,1 = 4428,9 (руб.)

Расчет отчислений на социальное страхование

Социальное страхование включает отчисления во все внебюджетные фонды, в том числе пенсионный, занятости, обязательного медицинского страхования, социального страхования. Отчисления на социальное страхование рассчитываются относительно выплаченной заработной платы (суммы основной и дополнительной заработной платы). Составляют 26%:

С_соц = (С_доп + С_осн) * 0,26 (4.6)

С_соц = (44289 + 4428,9) * 0,26 = 12666,65 (руб.)

Расчет расходов на материалы

На эту статью относят все затраты на магнитные носители данных, бумагу, для печатных устройств, канцтовары и др. Затраты по ним определяются по экспертным оценкам. Расчет расходов на материалы приведен в таблице 4.4.

Таблица 4.4

№	Материалы	Количество, штуки	Стоимость, рубли
1	Бумага писчая, листов	1000	400
2	Картридж для принтера, шт	1	900
3	Другие канцтовары	—	700
Общая стоимость материалов, См	2000

Накладные расходы

На статью «Накладные расходы» относят расходы, связанные с управлением и организацией работ. Накладные расходы рассчитываются относительно основной заработной платы. Величина накладных расходов принимается равной 60% от основной зарплаты исполнителей. Формула расчета (4.7):

С_н = С_осн * К, (4.7)

Где Сн — накладные расходы (руб.);

С_осн — основная заработная плата исполнителей (руб.);

К — коэффициент учета накладных расходов (К = 0,6)

С_н = 59829 * 0,6 = 35897,4 (руб.)

Расчет стоимости машинного времени

Затраты на машинное время, необходимое для разработки ПО, расходы на приобретение и подготовку материалов научно-технической информации, расходы на использование средствами связи. Расчет затрат на машинное время осуществляется по формуле (4.8):

С_маш.вр = К_маш.вр * З_маш.вр (4.8)

где: К_маш.вр — тарифная стоимость одного часа машинного времени (К_маш.вр=50 руб./ч.)

З_маш.вр — машинное время, используемое не проведение работ.

Необходимое количество машинного времени для реализации проекта по разработке программы рассчитывается по формуле:

З_маш.вр = t_i * T_см * T_ср.маш, (4.9)

где: t_i — трудоемкость работ, чел.дней;

T_см — продолжительность рабочей смены (При пятидневной рабочей неделе T_см = 8 ч.);

T_ср.маш — средний коэффициент использования машинного времени (T_ср.маш = 0,7).

Тогда:

З_маш.вр = 57 * 8 * 0,7 = 319,2 (ч..)

Стоимость машинного времени составит:

С_маш.вр = 50 * 319,2 = 15960 (руб.)

Результаты расчета затрат на проектирование программного обеспечения сведены в таблице 4.5.

Таблица 4.5 Смета затрат на разработку и внедрение программы

№	Наименование статей	Обозначение	Сумма, руб.	В % к итогу
1	Основная заработная плата	Сосн	44289	41,81
2	Дополнительная заработная плата	Сдоп	4428,9	4,18
3	Отчисления на социальные нужды	Ссоц	12666,654	11,96
4	Материалы	Смат	2000	1,89
5	Накладные расходы	Сн	26573,4	25,09
6	Стоимость машинного времени	Смаш.вр	15960	15,07
Итого:	Спр	105917,95	100

Таким образом, себестоимость разработки составляет 105917,95 руб.

Данное программное обеспечение может быть реализована на рынке. При расчетном количестве реализованных систем (n=3), оптовая цена программы (Ц_опт) может быть рассчитана по формуле:

Ц_опт = ;

где: С_пр — себестоимость разработки программы;

П — прибыль, определяется по формуле:

Где Ур — средний уровень рентабельности (Ур = 20%).

Таким образом, оптовая цена программы составит:

Ц_опт = 42367,18 (руб.)

Отпускная цена реализации программы потребителям (Ц_отп), рассчитывается по формуле:

Где НДС — налог на добавленную стоимость, рассчитывается в соответствии с действующей ставкой этого налога — 18% от оптовой цены программы.

Ц_опт = 49993,27 (руб.)

Таким образом, отпускная цена программы составит 42367,18 руб., в том числе НДС — 49993,27 руб.

5. Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды

5.1 Безопасность жизнедеятельности

5.1.1 Анализ опасных и вредных факторов, действующих на разработчика.

Опасные и вредные производственные факторы по природе возникновения разделяют на следующие категории:

физические;

химические;

психофизиологические;

биологические.

В помещении на оператора могут негативно действовать следующие физические факторы:

повышенная и пониженная температура воздуха;

чрезмерная запыленность и загазованность воздуха;

повышенная и пониженная влажность воздуха;

недостаточная освещенность рабочего места;

превышающий допустимые нормы шум;

повышенный уровень ионизирующего излучения;

повышенный уровень электромагнитных полей;

повышенный уровень статического электричества;

опасность поражения электрическим током;

блеклость экрана дисплея.

Рассмотрим более подробно один из факторов, а именно недостаточную освещенность рабочего места оператора. Для этого проведем расчет освещенности и оценим соответствие полученных данных требуемым нормам.

5.1.2 Расчет искусственного освещения рабочего места

В связи с тем, что естественное освещение в помещении не достаточное, на рабочем месте должно применяться искусственное освещение. Далее произведем расчет искусственного освещения.

Исходные данные:

Размеры помещения.

l- длина помещения 9 м

b- ширина помещения 5 м

h = 3,5 м. — высота помещения

hc = 0,5 м. — расстояние светильников от перекрытия

hп = h — h_с = 3,5 — 0,2 = 3,3 м. — высота светильников над полом

hp = высота расчетной поверхности = 0,7 м (для помещений, связанных с работой ПЭВМ)

h = h_п — h_р = 2,5 — 0,7 = 1.8 — расчетная высота.

Светильник ЛВО 11-4х18-401 классификация по ГОСТ 17677-82.

Прямой трубчатый люминесцентный светильник с номером серии 11, с количеством ламп в светильнике 4, и мощностью лампы 18 вт, 401-й модификации.

Рисунок 5.1 Конструкция светильника

Таблица 5.1 — технические характеристики светильника.

Наименование светильника	P,вт	L	b	h
ЛВО 11-4х18-401	72	595	595	100

Конструкция светильника:

Тип крепления светильника — встраиваемый в ячейки размерами 600×600 мм. Корпус светильника изготовлен из листовой стали и окрашен полимерным составом. Рассеиватель — алюминиевый отражатель с экранирующей решеткой.

Технические данные: Использование ЭПРА. Источник света — люминесцентные лампы Т8. Степень IP20.

Класс защиты I,II. Климатическое исполнение УХЛ4.

Тип кривой силы света ”Г”. Защитный угол — условный > 30°. КПД 70%.

На данный момент с светильниках 4 люминесцентные лампы Т8 мощностью 18 ВТ, номинальный размер ламы 600х25, цоколь G13, схема со стартером, и номинальным световым потоком 1020 лм по ГОСТ 6825-91 «Лампы люминесцентные трубчатые для общего освещения»

Размещение светильников:

Рисунок 5.2 — Существующее расположение светильников

Расчет общего равномерного искусственного освещения горизонтальной рабочей поверхности выполняется методом коэффициента использования светового потока.

Световой поток (лм) одной лампы или группы люминесцентных ламп одного светильника

где Ен — нормируемая минимальная освещенность по СНиП 23-05-95, лк, в данном случае Е=300 лк, поскольку разряд зрительных работ равен трем.

S — площадь освещаемого помещения, м². S=45м².

z — коэффициент неравномерности освещения, z= 1,1 (для люминесцентных ламп)

k_з, — коэффициент запаса, зависящий от вида технологического процесса и типа применяемых источников света, k_з = 1,3 (для помещений, связанных с работой ПЭВМ)

n — число светильников в помещении;

-коэффициент использования светового потока.

Коэффициент использования светового потока, давший название методу расчета, определяют по СНиП 23-05-95 в зависимости от типа светильника, отражательной способности стен и потолка, размеров помещения, определяемых индексом помещения

где А, В — длина и ширина помещения в плане, м;

H — высота подвеса светильников над рабочей поверхностью, м.

Оценим коэффициенты отражения поверхностей помещения пот. (потолка) = 70%, ст. (стены) = 50%, р. (пола) = 30%.

Рассчитаем световой поток необходимый от одного светильника при данном расположении.

Ф = 300 1,3 45 1,1 / 4 0,3 = 16087.5 лм.

Такой световой поток у нас должен обеспечить один светильник. Но при тех лампах, что у нас установлены в светильниках мы получаем 4*1020= 4080 лм, что намного ниже нормы.

Изменим схему расположения светильников. Поставим светильники в три ряда.

Предложенная схема расположения светильников в помещении.

Рисунок 5.3 — Предложенное расположение светильников

Рассчитаем световой поток необходимый от одного светильника после изменения расположения светильников.

Ф = 300 1,3 45 1,1 / 16 0,3 = 4022 лм.

В данном случае наше освещение будет удовлетворять условиям. 4080> 4022. Значит, мы сможем равномерно осветить всю площадь помещения.

5.2 Охрана окружающей среды

5.2.1 Анализ вредных и опасных факторов воздействующих на окружающую среду

В помещении, где находится рабочее место оператора, воздух на выходе из системы вентиляции не подвергается очистке. Для того чтобы загрязненный воздух из системы не попадал в атмосферу его необходимо очищать.

Очистка газа от твердых или жидких взвесей осуществляется путем присасывания его через ту или иную твердую пористую среду, образованную из нитей, волокон, зерен и самой осажденной пыли. Кроме инерции, здесь могут играть роль броуновская диффузия частиц, эффект касания, иногда ситовой эффект. Особое место занимают фильтрационные устройства, использующие ультратонкие полимерные волокна с электростатическим зарядом (ткани Петрянова). Эти фильтры приближаются к абсолютным, однако, к сожалению, не регенерируются и поэтому применяются в основном для фильтрации очень слабо запыленных газов.

5.2.2 Установка рукавного фильтра для очистки удаляемого воздуха

Для очистки предлагаю установить на выходе системы рукавный фильтр типа ФРИ-16.

Фильтр рукавный с импульсной регенерацией рукавов типа ФРИ-16 представляет собой надежный и эффективный пылеулавливающий аппарат, предназначенный для обеспыливания воздуха и негорючих газов.

Область применения: в стройиндустрии, металлургии, машиностроении, химической, пищевой промышленности и других отраслях.

В закрытом металлическом корпусе 1 фильтра подвешиваются матерчатые рукава 2 цилиндрической формы. Рукава собраны в секции по 8…12 штук. Секции разделены перегородками на отдельные камеры. Нижние концы рукавов открыты для входа газов. Запыленный газ по трубопроводу 3 подводится в нижнюю часть 4 фильтра, откуда направляется в нижние открытые отверстия рукавов. Проходя через поры ткани, газ очищается, оставляя пыль на внутренних стенках рукавов. Очищенный газ собирается в верхней части металлического кожуха, затем отводится через трубу 5 в общий трубопровод 6. Через матерчатые фильтры газ просасывается с помощью вентиляторов, которые могут нагнетать их в фильтр или отсасывать.

Рисунок 5.4 Рукавный фильтр типа ФРИ-16: 1 — металлический корпус; 2 — матерчатые рукава; 3 — трубопровод; 4 — нижняя часть фильтра; 5 — труба; 6 — общий трубопровод; 7 — винтовой транспортер; 8 — планка; 9 — встряхивающий механизм; 10 — заслонка

Для того чтобы частицы пыли, оседающие на внутренней поверхности рукавов, не загрязняли ткани, рукава периодически встряхивают. Пыль при этом падает в нижнюю часть кожуха, из которого отводится винтовым транспортером 7. Рукава каждой секции подвешены к планке 8, которая соединена со встряхивающим механизмом 9, работающим от электродвигателя. В момент встряхивания рукавов камера отсоединяется от сборного трубопровода 6 заслонкой 10 (иногда применяют клапан), действующей от механизма встряхивания. Для лучшей очистки ткань продувают воздухом в направлении, противоположном основному движению газов. Рукава каждой секции встряхивают в течение 18…20 с, затем клапаны продувочного воздуха закрывают, а заслонку 10 открывают, и секция вновь включается в работу.

Диаметр рукавов обычно равен 180…210 мм, длина 2…3,5 м. Степень очистки газа 97…99 %. Сопротивление рукавного фильтра в среднем составляет 250…350 Па, но при увеличении остаточной запыленности ткани может возрасти в 2…3 раза.

Техническая характеристика:

1. Производительность по очищаемой газовоздушной смеси, тыс. м³/час от 5…50

2. Массовая концентрация частиц на входе, г/м³, не более 50,0

3. Гидравлическое сопротивление, Па, не более 2000

4. Максимальная температура очищаемых газов на входе,0С, до 260

5. Степень очистки (проектная),%, не менее 99,0

Технологические расчеты фильтровальных аппаратов сводятся к определению площади фильтровальной перегородки, гидравлического сопротивления фильтровальной перегородки и аппарата в целом, частоты и продолжительности циклов регенерации фильтровальных элементов.

Фильтрующая поверхность аппарата или группы аппаратов Fф, м², определяется из выражения

где Vп — объем газа, поступающего на очистку, м³/ч;

Vр — объем газа или воздуха, расходуемого на обратную продувку, м3/ч;

q — удельная газовая нагрузка при фильтровании, м³/(м²·мин);

Fp — фильтрующая поверхность, отключаемая на регенерации в течение 1 ч, м², определяется из выражения:

, (2)

где Nс — число секций;

F — фильтрующая поверхность секции, м²;

?р — время отключения секции на регенерацию, с;

mр — число регенераций в течение 1 ч.

С достаточной для практических расчетов точностью удельная газовая нагрузка в рукавных фильтрах может определяться из следующего выражения:

q = qн·С1·С2·С3·С4·С5 (3)

где q_н — нормативная удельная нагрузка, зависящая от вида пыли и ее склонности к агломерации, м³/(м²·мин):

С₁ — коэффициент, характеризующий особенность регенерации фильтровальных элементов.

С₂ — коэффициент, учитывающий влияние концентрации пыли на удельную газовую нагрузку. Концентрация пыли сказывается на продолжительности цикла фильтрования. При увеличении концентрации пыли возрастает частота регенераций, а удельная нагрузка снижается.

С₃— коэффициент, учитывающий влияние дисперсного состава пыли в газе.

С₄ — коэффициент, учитывающий влияние температуры газа. Температура оказывает непосредственное влияние на вязкость газов, от которой, в свою очередь, зависит удельная нагрузка.

C₅ — коэффициент, учитывающий требования к качеству очистки оценивается по концентрации пыли в очищенном газе.

При подборе рукавных фильтров важным является оценка ожидаемого гидравлического сопротивления, определяющего энергетические затраты на фильтрование. Гидравлическое сопротивление рукавных фильтров ?P_ф складывается из сопротивления корпуса аппаратов ?P_к и сопротивления фильтровальной перегородки ?P_п:

?P_ф = ?P_к + ?P_п. (4)

Исходные данные:

расход очищаемых газов 70 тыс. м3/ч;

температура пыли в очищаемых газах 28 градусов;

концентрация пыли в очищаемых газах 0,095 г/м3;

плотность пыли 3,8·103 кг/м3;

медианный диаметр частиц пыли 17,7 мкм;

фильтровальный материал — лавсан артикул 86033;

требование к очищенному газу: содержание пыли не должно превышать 10 мг/м3;

Определяем удельную газовую нагрузку, пользуясь выражением:

q = qн ·С1·С2 ·С3·С4·С5

где С1 — коэффициент, учитывающий способ регенерации фильтра;

С2 — коэффициент, учитывающий концентрацию пыли;

С3 — коэффициент, учитывающий влияние дисперсного состава пыли;

С4 — коэффициент, учитывающий влияние температуры пыли;

С5 — коэффициент, учитывающий тип фильтроткани.

Принимаем qн = 1,2 м³/(м²·мин).

Для фильтра с импульсной продувкой С1 = 1; С2 = 1,15; С3 = 1; С4 = 1.

С учетом повышенных требований к очищенному газу С5 = 0,95.

Подставляя эти значения в формулу, получим

q = 1,2·1·1,15·1·1·0,95 = 1,311 м3/(м2·мин).

Определяем фильтровальную площадь:

Принимаем для приведенных условий 2 фильтра с импульсной продувкой ФРИ-16.

Фильтровальная площадь 2 фильтров с импульсной продувкой ФРИ-16 равна 920 м².

Скорость газа через фильтровальную поверхность:

Определяем гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки, предварительно оценивая длительность цикла фильтрования ? = 600 с:

?Рп = Кп?W + К1??ZвхW2.

Принимаем:

Кп =1700·106 м-1

К1 = 11·109 м/кг

? = 20·10-6 Па·с

W = 0,021 м/с.

?Рп = 1700·106·20·10-6·0,023 + 11·109·20·10-6·600·0,083·10-3·0,0232 =783 Па.

Определяем гидравлическое сопротивление аппарата в целом, пользуясь выражением ?Рф = ?Рк + ?Рп.

Гидравлическое сопротивление корпуса аппарата ?Рк определяем, задаваясь коэффициентом гидравлического сопротивления корпуса, приведенного к скорости во входном патрубке, ?к = 2,5. Скорость во входном патрубке определяем из соотношения

Тогда

где:

?г = 1,15 кг/м3 — плотность газа.

Общее гидравлическое сопротивление аппарата

?Рф = 783 + 312 = 1095 Па.

Вывод. По полученным расчетам выяснил, что освещенность в помещении не соответствовала норме, для устранения этого недостатка была предложена новая схема расположения светильников и увеличения их количества в 4 раза. Для уменьшения выбросов пыли из системы вентиляции в атмосферу было предложено установить рукавный фильтр типа ФРИ-16. Что позволило резко снизить количество вредных выбросов в атмосферу.

Заключение

В данной работе был разработана подсистема управления тормозным барабаном, разработаны структурная и функциональная схемы, осуществлен выбор преобразователя частоты, программируемого логического контроллера и модулей ввода вывода.

Список литературы

1. ГОСТ 26.011-80. Средства измерения и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические, непрерывные, входные и выходные.

2. ГОСТ Р 51840-2001. Программируемые контроллеры. Общие положения и функциональные характеристики.

3. ГОСТ Р 51841-2001. Программируемые контроллеры. Общие технические требования и методы испытаний.

4. МИ 2539-99 ГСИ. Измерительные каналы контроллеров, измерительно-вычислительных, управляющих, программно-технических комплексов. Общие требования к методике поверки.

5. Банников А.Н. Метод и измерительная система неразрушающего контроля технологических параметров четырехслойных изделий (к.т.н., Тамбов, 2008)

6. Бобаков Д.А. Разработка методов и измерительно-управляющей системы непрерывного активного контроля комплекса геометрических показателей вкладышей подшипников (к.т.н., Тамбов, 2007)

7. Воробей В.В., Логинов В.Е. Изготовление основных деталей двигателей внутреннего сгорания. Учебное пособие — Москва: МАИ, 2002.- 120 с.

8. Денисенко В.В. Выбор аппаратных средств автоматизации опасных промышленных объектов // Современные технологии автоматизации, 2003. №4. — С.86-94

9. Дмитриев С.А. Неразрушающий бесконтактный микроволновый метод и устройство контроля влажности твёрдых материалов (ктн, Тамбов, 2009)

10. Зеленский В.А. (д.т.н., Москва, 2010) Развитие теории и разработка мультиплексированных волоконно-оптических информационно-измерительных систем мониторинга сложных технических объектов

11. Каберов С.Р. Неразрушающий микроволновой метод и устройство контроля магнитодиэлектрических свойств материалов покрытий металлических поверхностей (ктн, тамбов, 2006).

12. Корчунов А.Г. Методология управления показателями качества продукции в технологиях метизного производства на основе моделей с элементами нечеткой логики (д.т.н, Магнитогорск — 2010)

13. Панов А.А. Разработка неразрушающего СВЧ метода и устройства контроля неоднородностей электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий металлов (ктн, тамбов, 2008)

14. Парр Э. Программируемые контроллеры: руководство для инженера. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. — 516 с.

15. Петров И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования / под ред. В.П. Дьяконова. — М.:СОЛОН Пресс, 2004. — 256 с.

16. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. — М.: Техносфера, 2005. — 592 с.

17. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 437 с.

Размещено на