Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автомат управления уличным освещением

Содержание

• Введение
• 1. Анализ возможных способов решения
• 2. Выбор технического решения
• 2.1 Общие сведения об устройстве
• 2.2 Описание структурной схемы
• 2.3 Описание схемы электрической принципиальной
• 2.4 Алгоритм работы программного обеспечения
• 3. Расчетно-проектная часть
• 3.1 Расчет элементов схемы устройства
• 3.2 Расчет параметров надежности устройства
• 3.3 Настройка и регулировка автомата управления освещением
• 4. Экономический расчет
• 4.1 Расчет технологической себестоимости изделия
• 4.2 Расчет полной себестоимости изделия
• Заключение
• Список используемой литературы
• Приложения

Введение

Главная задача уличного освещения состоит в обеспечении безопасности на дорогах для водителей и пешеходов. Именно с этой целью все автомобильные трассы и пешеходные тротуары в обязательном порядке освещаются различными световыми приборами, главенствующее место среди которых принадлежит всем известным уличным фонарям, или консольным светильникам. При этом мощность устройства и яркость луча, а также интервалы между двумя соседними источниками света рассчитываются исходя из многих показателей, в том числе, и интенсивности движения на каждом конкретном участке дороги. Охраняемые наружные объекты нуждаются, как правило, в более ярком освещении, и в качестве источников света для таких целей применяются прожекторы с галогенными лампами.

В зависимости от места применения освещения, свет может быть направленным или рассеянным, создавая яркий световой поток или мягко освещая большое пространство. Независимо от назначения, все уличные светильники снабжены надежной защитой от разрушающего воздействия осадков, ветра, пыли и температурных перепадов.

Если задача основного освещения состоит в снижении риска дорожно-транспортных происшествий и криминальных инцидентов, в декоративном уличном освещении целесообразность уступает место эстетике, что не снижает важности профессиональной подсветки архитектурных зданий, скверов и памятников. Благодаря игре света и теней, создаваемой рукой умелого художника, удается подчеркивать те достоинства архитектурных шедевров, которые недоступны для визуального восприятия в светлое время суток.

Для автоматического управления работой уличного освещения обычно используют два типа устройств. Одни из них включают и выключают освещение в зависимости от уровня естественной освещённости - это так называемые сумеречные выключатели. Другие включают и выключают искусственный свет в определённое заранее заданное время - это так называемые программируемые таймеры. Каждый тип устройств имеет свои достоинства и недостатки. Сумеречные выключатели в идеале обеспечивают оптимальное управление освещением, включая и выключая его именно тогда, когда это необходимо. Например, в ясную погоду оно будет включено вечером позже, чем в пасмурную. Этим обеспечивается оптимальная освещённость улицы, независимо от погодных условий. А разница между временем включения или выключения освещения при ясной и при пасмурной погоде весьма невелика и не превышает 7...10 мин. Расчёт показывает, что при установленной мощности осветительных приборов 25 кВт (что типично для небольшой городской улицы) десять лишних минут работы освещения утром и столько же вечером приводят к бесполезному расходу 1500 кВт ч электроэнергии в год, если считать, что число ясных и пасмурных дней в году одинаково.

В реальных условиях сумеречные выключатели, будучи чувствительными к внешним воздействиям аналоговыми устройствами, имеют существенную зависимость моментов срабатывания от ряда мешающих факторов (сильная зависимость характеристик фоторезисторов, используемых в качестве датчиков освещённости, от температуры окружающей среды, наводки электромагнитных помех на цепи измерения освещённости, загрязнение оптического окна датчика освещённости). Всё это существенно увеличивает погрешность срабатывания выключателя и сводит «на нет» теоретическую оптимальность управления освещением.

Цели и задачи проекта - изучение устройства автомата уличного освещения и его технических параметров, разработка структурной схемы выключателя, описание принципиальной схемы устройства, обзор методов настройки и регулировки заданного устройства с целью добиться его максимальной работоспособности.

1. Анализ возможных способов решения

Классическое устройство, управляющее уличным освещением, исходя из естественной освещённости, состоит из датчика (обычно фоторезистора) и порогового устройства с релейным выходом. Однако в реальных условиях такое устройство, будучи чувствительным аналоговым прибором, имеет существенную зависимость моментов срабатывания от ряда мешающих факторов. К ним относятся существенная зависимость характеристик фоточувствительных приборов от температуры окружающей среды, температурный дрейф порога, наводки электромагнитных помех на вход порогового устройства.

Воздействия этих факторов приводят к изменениям момента срабатывания устройства, исчисляемым десятками минут и более, что сводит на нет кажущуюся оптимальность управления освещением. С этим воздействием можно в той или иной степени бороться, но это требует усложнения устройства.

Другие внешние факторы, влияние которых во многом случайно, но может недопустимо исказить работу устройства. Например, принесённый ветром и налипший на окно датчика освещённости лист дерева способен привести к включению уличного освещения днём, а разразившаяся ночью гроза - к его выключению в самый неподходящий момент.

Современные программируемые таймеры, используемые для управления уличным освещением, представляют собой, по сути, электронные часы с двумя будильниками. По сигналу одного будильника таймер включает свет вечером, по сигналу другого - выключает утром. Эти полностью цифровые устройства свободны от недостатков, присущих сумеречным выключателям. Они надёжны в работе и обеспечивают стабильность моментов срабатывания. Главный недостаток программируемого таймера состоит в том, что через каждые два-три дня он требует корректировки моментов срабатывания ввиду того, что длительность светового дня естественным образом изменяется. Это не позволяет сделать такое устройство необслуживаемым.

2. Выбор технического решения

2.1 Общие сведения об устройстве

С развитием компактных вычислительных средств программируемые таймеры стали уступать своё место в системах управления уличным освещением новому типу устройств - астротаймерам, представляющим собой электронные часы, сопряжённые с микроконтроллером. В микроконтроллер заложена программа астрономических расчётов, по которой он по известным географическим координатам места установки вычисляет моменты нахождения светила (в данном случае Солнца) в определённых точках небесной сферы (например, в точках восхода и захода) и формирует сигналы управления уличным освещением. Обслуживание такого устройства минимально и сводится к корректировке хода часов, требующейся очень редко, и замене раз в несколько лет батареи резервного питания.

Погрешность работы астротаймера определяется степенью совершенства, реализованного в программе микроконтроллера алгоритма астрономических расчётов. В предлагаемом устройстве использованы технические решения, повышающие точность и надёжность его работы. Предельно упрощён аналоговый тракт. Сигнал с выхода датчика освещённости сразу же оцифровывается и далее обрабатывается цифровыми методами. Это позволяет уменьшить влияние помех и исключить из прибора чувствительное аналоговое пороговое устройство, устранив этим проблемы, связанные с дрейфом порога его срабатывания.

Датчик освещённости снабжён цифровым термометром, что позволяет скомпенсировать зависимость сопротивления фоторезистора датчика от температуры. Для устранения кратковременных флюктуаций сигнала датчика освещённости, вызванных как внутренними (например, бросками напряжения питания), так и внешними (например, вспышками молнии) причинами, предусмотрена программная селекция этого сигнала по длительности. Кратковременные (менее 10 с) изменения показаний игнорируются.

Программа формирует утренний и вечерний интервалы времени, в которых разрешено изменение состояния уличного освещения. За пределами этих интервалов автоматическое включение и выключение освещения невозможно. Такой механизм позволяет резко минимизировать негативное воздействие непрогнозируемых факторов. Например, налипший днём на окно датчика лист уже не вызовет ненужного включения освещения. Однако вызванное им снижение освещённости датчика будет воспринято как признак аварии, поэтому ближайшим вечером освещение будет включено в расчётный момент без учёта фактической освещённости. Код освещённости с выхода АЦП микроконтроллера обрабатывает подпрограмма, которая на основании показаний датчика температуры устраняет температурную составляющую падения напряжения на фоторезисторе.

Автомат управления уличным освещением, далее устройство, предназначено для управления освещением в зависимости от времени суток и уровня освещенности. Предусматривается использование прибора в промышленности и быту, в частности для управления уличными светильниками, освещением перед подъездами домов, частными домовладениями [10].

Основные технические характеристики разрабатываемого устройства:

- Допустимые географические координаты места установки, град.:

- Широта (северная) 0...69.9;

- Долгота (восточная) 0...180;

- Точность задания географических координат, град.....0,1;

- Погрешность определения момента прохождения Солнцем заданной точки небесной сферы, мин, не хуже.....±3;

- Напряжение питания, В 6,5...9;

- Потребляемый ток, мА..60;

- Максимальное напряжение в цепи управления контактором, В.....36.

2.2 Описание структурной схемы

Структурная схема автомата уличного освещения описывает основные функциональные блоки изделия и их взаимодействие. Схема показывает принцип работы автомата управления уличным освещением в самом общем виде. Структурная схема автомата управления уличным освещением приведена на рисунке 1 и в Приложении 1.

Основой устройства является микроконтроллер, в который устанавливается программа управления, от состава которой полностью зависит функциональные возможности устройства. В программе прописан алгоритм расчета положения солнца и график включения освещения в зависимости от его положения над горизонтом.

Для получения дополнительных данных об степени освещенности и температуре окружающей среди применяются датчики температуры и датчик освещенности. Сигналы об уровне освещения и температуре окружающей среды подаются от датчиков в микроконтроллер для дальнейшей обработки.

Счёт времени ведёт узел часов реального времени, это решение позволяет поддерживать точность расчета положения Солнца и режим работы автомата уличного совещания с минимальными погрешностями.

Для отображения необходимой информации о работе устройства используется двухстрочный жидкокристаллический дисплей. Информация на дисплее позволит проводить не только настройку работы автомата, но и своевременно вводить необходимые данные для корректировки его работы.

Исходные данные при настройке автомата уличного освещения вводят в микроконтроллер с помощью кнопок клавиатуры.



Рисунок 1 - Структурная схема автомата управления уличным освещением

Сигнал управления освещением микроконтроллер формирует на основе полученных данных и, при совпадении времени включения, уровня освещенности и внутренних настроек подает на силовой ключ. Ключ по этому сигналу управляет нагрузкой (реле, контактором), включающим и выключающим уличное освещение.

Устройство питают от любого нестабилизированного источника постоянного напряжения 6,5...9 В. Для обеспечения питания микроконтроллера и остальных узлов схемы используется стабилизатор напряжения.

2.3 Описание схемы электрической принципиальной

Схема электронного таймера показана на рисунке 2 и в Приложении 2. Основой устройства является микроконтроллер ATmega168PA-PU (DD2). Сигнал с фоторезистора R1 (GL5516) поступает на вход канала ADC3 АЦП микроконтроллера. Для подавления возможных помех от внешних электромагнитных полей параллельно резистору R2 (нагрузке фоторезистора R1) установлен блокировочный конденсатор С4.

Цифровой датчик температуры фоторезистора ВК1 (DS18B20) связан с микроконтроллером по интерфейсу 1-Wire. Его информационная линия соединена с выводом РС2 микроконтроллера.

Счёт времени ведёт микросхема часов реального времени DS1307N (DD1). Для отображения необходимой информации о работе устройства имеется ЖКИ HG1 (две строки по 16 символов). Подборкой резистора R12 устанавливают необходимую яркость подсветки табло индикатора, а подстроечным резистором R8 регулируют контрастность изображения.

Исходные данные вводят в микроконтроллер с помощью кнопок SB1 - SB4. Сигнал управления освещением микроконтроллер формирует на линии порта PD7 (высокий уровень - включено, низкий уровень - выключено).



Рисунок 2 - Схема электронного таймера

Ключ на транзисторе VT1 по этому сигналу управляет контактором КМ1, включающим и выключающим уличное освещение.

Для управления освещением участков, на которых установленная мощность уличных светильников не превышает нескольких сотен ватт, можно рекомендовать применить вместо контактора КМ1 бесконтактный симисторный коммутатор, схема которого изображена на рис. 3.

Рисунок 3 - Симисторный ключ

В этом случае транзистор R1 и резистор R11 в устройство не устанавливают, а вход коммутатора подключают к подвижному контакту переключателя SА1. Такой коммутатор может управлять лампами суммарной мощностью до 1,5 кВт, при этом он надёжен, бесшумен и создаёт минимум помех в электросети. Другое достоинство такого решения - отпадает необходимость в дополнительном источнике питания для обмотки контактора.

При мощности нагрузки, не превышающей 200…250 Вт, симистор VS1 сможет работать без теплоотвода, что позволит разместить все элементы коммутатора непосредственно на печатной плате устройства (разумеется, при условии её соответствующей доработки).

Переключателем SА1, переведя его в нижнее по схеме положение, можно в любой момент времени принудительно включить освещение. Это может потребоваться, например, при поиске и замене неисправных ламп в светильниках. Когда переключатель в верхнем положении, управление работой освещения автоматическое по сигналам микроконтроллера.

Устройство питают от любого нестабилизированного источника постоянного напряжения 6,5...9 В. Ток потребления в основном определяется током подсветки индикатора HG1 и в зависимости от сопротивления резистора R12 может находиться в пределах 35...60 мА.

2.4 Алгоритм работы программного обеспечения

На рис. 4 приведены экспериментально снятые зависимости кода N на выходе АЦП от температуры датчика при постоянной освещённости, близкой к пороговой, до корректировки (красная линия) и после неё (синяя линия).

Рисунок 4 - Зависимости кода от температуры датчика

Откорректированный код освещённости программа сравнивает с заданным порогом. Если он превышен на время более 10 с, признак «Светло/Темно» принимает логическое значение 1 («Светло»), в противном случае - 0 («Темно»). Аналогично обрабатываются пересечения порога в обратную сторону. Как уже отмечалось, селекция по длительности позволяет исключить ложные срабатывания устройства от кратковременных внешних воздействий.

Сигнал управления освещением формирует подпрограмма логической обработки на основании признака «Светло/ Темно». При этом она учитывает признак «День/Ночь», сформированный подпрограммой астротаймера, аналогичной применённой в [Л]. Там этот признак непосредственно использовался для управления освещением. Рассматриваемая программа с его помощью формирует разрешённые интервалы переключения освещения. Логику её работы поясняют графики на рис. 5. Полуширину интервала (At) задаёт пользователь через сервисное меню.

Рисунок 5 - Логика работы программы

Анализируя положение моментов изменения признака «Светло/Темно» относительно разрешённых интервалов, подпрограмма логической обработки принимает решение о включении или выключении освещения по данным датчика освещённости либо о признании работы этого датчика некорректной, выработке признака «Авария» и переходе в аварийный режим работы.

На рис. 6 показана нормальная работа устройства. Здесь признак «Светло/Темно» принимает нулевое значение в пределах разрешённого интервала. По его перепаду происходит включение уличного освещения.

Рисунок 6 - Работа устройства

На рис. 7 признак «Светло/Темно» принимает нулевое значение в светлое время суток.

Рисунок 7 - Признак «Светло/Темно» принимает нулевое значение в светлое время суток

По перепаду этого признака формируется признак «Авария». Освещение включается лишь при переходе в нулевое состояние признака «День/Ночь».

На рис. 8 показана обратная ситуация. Здесь признак «Светло/Темно» принимает нулевое значение слишком поздно. В этом случае признак «Авария» формируется по окончании разрешённого интервала, и в тот же момент включается освещение, так как признак «День/Ночь» уже имеет нулевое значение.

Рисунок 8 - Признак «Светло/Темно» принимает нулевое значение принимает нулевое значение в темное время суток

Поэтому разработанная на основе базового алгоритма программа рассчитывает моменты, когда Солнце находится на 6 град, ниже горизонта. В астрономии это соответствует понятию «гражданские сумерки» (начало утренних и конец вечерних).

Освещение следует включать за 15…25 мин до окончания вечерних сумерек, а выключать с той же задержкой относительно начала утренних. Задержку подбирают экспериментально, исходя из особенностей естественного освещения в месте установки прибора.

В высоких широтах наблюдаются явления полярного дня летом (Солнце в течение полных суток не опускается ниже линии горизонта) и полярной ночи зимой (Солнце постоянно находится ниже этой линии). Программа микроконтроллера эти явления учитывает, однако критерий их наступления иной - постоянное нахождение Солнца выше (летом) или ниже (зимой) уровня, расположенного на 6 град, ниже линии горизонта. Дополнительно к этому учитывается и задержка, задаваемая пользователем.

В случае, если программа сформировала признак «Авария» и управление освещением ведётся только по данным астротаймера, значение текущего времени на экране индикатора каждые 6 с на 3 с сменяется надписью «!СВ!.

После размещения оптического датчика на выбранном для него месте требуется грамотно установить смещение перепада сигнала «День/Ночь» относительно моментов, вычисленных подпрограммой астротаймера, полуширину разрешённых интервалов включения и выключения освещения, порог срабатывания канала освещённости. Это рекомендуется делать в следующем порядке:

1. Опытным путём подобрать и ввести в программу смещение исходя из особенностей естественного освещения в месте установки устройства. После этого перевести устройство в рабочий режим и записать или запомнить выведенные в нижней строке индикатора времена, соответствующие серединам утреннего и вечернего разрешённых интервалов.

2. Визуально определив требуемый момент выключения (утром) или включения (вечером) освещения, перевести устройство в режим ввода параметров, выбрать пункт установки порога и нажать на кнопку SB Порог будет установлен равным текущему значению освещённости, измеренному датчиком. Устройство перейдёт в рабочий режим. Следует вычислить разность (в минутах) между моментом нажатия кнопки и записанным ранее временем середины соответствующего разрешенного интервала. Если эта разность по абсолютному значению больше 25…30 мин, значит, смещение выбрано неправильно и все операции следует повторить. Если меньше, то увеличив её на 25…40 %, получим требуемую полуширину разрешённого интервала. Программа не разрешает установить полуширину менее 15 и более 30 мин. Меньшие значения влекут увеличение вероятности принять правильное срабатывание канала освещённости за ложное, а большие - ложное за правильное. Если расчётная полуширина получилась меньше 15 мин, следует увеличить её до этого значения.

3. Перевести устройство в режим ввода параметров, выбрать пункт установки полуширины, ввести её расчётное значение и перевести устройство в рабочий режим. Теперь оно готово к применению.

Ввиду того, что рассматриваемое устройство предназначено для длительной работы без обслуживания, в программе микроконтроллера предусмотрена защита от возможного «зависания» вследствие случайного сбоя. Защита организована с помощью сторожевого таймера микроконтроллера, который срабатывает при превышении нормальной продолжительности выполнения основных программных циклов. В подобных случаях сторожевой таймер перезапускает микроконтроллер, что приводит к повторному старту программы. После установки в панель на плате запрограммированного микроконтроллера (его конфигурацию устанавливают согласно таблице 1) на устройство подают питание.

Таблица 1

Конфигурация микроконтроллера

Разряд	Сост.	Разряд	Сост.
BOOTSZ1	0	BODLEVELO	1
BOOTSZO	0	CKDIV8	0
BOOTRST	1	CKOUT	1
RSTDISBL	1	SUT1	1
DWEN	1	SUT0	0
SPIEN	0	CKSEL3	0
WDTON	1	CKSEL2	0
EESAVE	0	CKSEL1	1
BODLEVEL2	1	CKSEL0	0
BODLEVEL1	1

Наличие подсветки индикатора уже свидетельствует об отсутствии замыканий в цепи питания, однако желательно всё-таки измерить ток потребления, который должен лежать в указанных ранее пределах. Далее подстроечным резистором R8 устанавливают необходимую контрастность изображения. Если экран индикатора пуст или на него выведен хаотический набор символов, следует искать ошибки в монтаже либо неисправные элементы устройства.

При первом включении устройство автоматически переходит в режим ввода параметров. Их вводят в следующем порядке:

- текущая дата (число, месяц, год);

- текущее время (часы, минуты);

- номер часового пояса;

- широта (град.);

- долгота (град.);

- задержка относительно начала гражданских сумерек (мин).

В этом режиме в верхней строке индикатора отображается название вводимого параметра, а в нижней - его текущее значение и мигающий курсор. Нажатиями на кнопку SB1 или SB2 можно установить нужное значение, а с помощью кнопки SB3 или SB4 - возвратиться к вводу предыдущего параметра либо перейти к следующему.

Значения широты и долготы, состоящие из целой и дробной частей, вводят в два этапа. На первом этапе курсор установлен на старшую цифру целой части параметра, а каждое нажатие на кнопку SB1 или SB2 изменяет его значение на один градус в ту или другую сторону. Установив значение целой части, следует нажать на кнопку SB4, после чего курсор будет установлен на цифру десятых долей градуса, а нажатия на кнопку SB1 или SB2 станут изменять значение параметра на 0,1 град.

После ввода последнего параметра (задержки) и нажатия на кнопку SB4 установленные значения всех параметров будут записаны в память прибора. Дата и время - в регистры микросхемы DD1, остальные параметры - в EEPROM микроконтроллера. Затем устройство перейдёт в рабочий режим и начнёт управлять освещением.

Если в устройстве установлен микроконтроллер, ранее работавший в другом приборе, то при первом включении оно может не перейти автоматически в режим ввода параметров в связи с тем, что в EEPROM сохранилась занесённая туда ранее информация, которая воспринята программой как значения параметров. В этом случае устройство следует перевести в режим ввода принудительно. Для этого следует одновременно нажать и удерживать около трёх секунд кнопки SВ1 и SВ4. Так же поступают, если требуется изменить значения параметров в ходе работы устройства.

В рабочем режиме в верхней строке индикатора отображены текущие дата (в формате ДД-ММ-ГГ) и время (в формате ЧЧ:ММ). При этом разделительное двоеточие мигает с частотой около 1 Гц, что служит признаком нормальной работы программы. В нижней строке выведены расчётные моменты выключения освещения утром (слева) и включения его вечером (справа) в форматах ЧЧ:ММ. Пример показан на рис. 9, а. Символ «*» в центре второй строки (рис. 9, б) сигнализирует, что освещение включено.

Рисунок 9 - Меню настройки автомата

Во время полярного дня во второй строке вместо расчётного времени выключения и включения освещения будет выведено сообщение «Полярный день», а освещение включаться не будет. Во время полярной ночи там будет выведено сообщение «Полярная ночь», а освещение будет включено круглосуточно. Но символа включённого освещения на ЖКИ не будет.

3. Расчетно-проектная часть

3.1 Расчет элементов схемы устройства

Питание автомата управление наружным освещением осуществляется от любого источника напряжения постоянного тока с напряжением 6,5…9В. Так как для питания электронных компонентов схемы необходимо напряжение питания +5В. В последние годы широкое распространение получили микросхемы - интегральные стабилизаторы напряжения. Источники питания на их основе отличаются малым числом дополнительных деталей, невысокой стоимостью и хорошими характеристиками. Для использования в схеме требуется стабилизатор с напряжения фиксированным с выходным напряжением +5В. Расчетная схема стабилизатора указана на рис. 10.

Рисунок 10 - Расчетная схема стабилизатора на микросхеме

Микросхему выберем, исходя из заданного входного напряжения U_вх=6,5…9В, тока нагрузки I_н=0,3А. Для наших параметров подходит микросхема - стабилизатор напряжения - NCP1117ST50T3G, имеющая следующие параметры:

U_вх=6,2…20В;

I_н<1,0А;

U_вых=5В;

К_стаб>100.

Таким образом использование данной микросхемы позволяет питать разрабатываемое устройство в более широком диапазоне входных напряжений, а запас по току позволит повысит надежность устройства в целом. Схема включения микросхемы (рис. 2) рекомендована производителем. Конденсаторы С2 и С3 позволяют уменьшить частоту пульсаций и предотвратить самовозбуждение микросхемы при больших входных напряжениях, близких к верхнему пределу U_вх.

Для определения сопротивления резисторов R13R14 ограничивающих амплитуду тока управляющих импульсов симисторнго ключа (рис. 11).

Рисунок 11 - Симисторный ключ

Определяем значение сопротивления резистора R15, ограничивающего амплитуду тока управляющих импульсов:

(1)

где I_УХХ=0,3А - ток управляющего электрода симистора ВТ136-600;

U_дел - принимаем равным 0,5 напряжения питания R13, то есть 220/2=110В;

Принимаем ближайшее меньшее значение сопротивления резистора из стандартного ряда R13= 360Ом;

U_дел=U_C*(R13+R14)/R35 - из этой формулы получим сопротивление резистора R14.

R14= R13*(U_C/ U_дел) -R13= 360*(220/ 110) -360=360 Ом.

3.2 Расчет параметров надежности устройства

Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или сочетание этих свойств.

Объект - это предмет определенного целевого назначения. Объектами могут быть системы и элементы.

Система - совокупность элементов, взаимодействующих в процессе выполнения определенного круга задач; предназначена для самостоятельного выполнения установленных функций.

Элемент - простейшая часть системы, выполняющая определенную функцию, но не имеющая самостоятельного назначения.

Различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые объекты.

Восстанавливаемый объект - для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния предусмотрено в нормативно-технической или конструкторской документации.

Невосстанавливаемый объект - не предусматривается восстановление работоспособного состояния в НТД или КД.

В работе изделия существуют 3 периода:

1 - период приработки, характеризуется приработочными отказами.

2 - период нормальной эксплуатации, характеризуется внезапными отказами.

3 - период износа - внезапные и износовые отказы.

На рисунке 12 показан график зависимости интенсивности отказов от времени эксплуатации.

Рисунок 12 - График надежности

Качественные показатели (характеристики) надежности:

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течении некоторого времени или наработки.

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость - свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции в течении и после хранения и транспортирования.

Количественные показатели (характеристики) надежности различны для восстанавливаемых и невосстанавливаемых объектов.

При расчете надежности делают два допуска:

1. Считают, что все элементы схемы включены последовательно, а значит выход из строя любого элемента приведет к отказу всего устройства.

2. Считают, что интенсивность отказов изделия одинакова в течении всего времени его работы.

Методика расчета:

1. Определяется интенсивность отказов () - соотношение числа отказавших объектов в единицу времени к среднему числу объектов, исправно работающих в данный отрезок времени при условии, что отказавшие объекты не восстанавливаются и не заменяются исправными.

2. Температура окружающей среды ().

3. Определяется коэффициент интенсивности отказов, учитывающий электрический режим (коэффициент нагрузки) и температуру окружающей среды ().

4. Определяется коэффициент () учитывающий влияние механических нагрузок.

5. В зависимости от условий эксплуатации определяется коэффициент эксплуатации ().

6. Определяется интенсивность выхода из строя элемента

.

7. Определяется интенсивность отказов группы однотипных элементов

.

8. Определяется среднее время наработки на отказ всего изделия

9. Вероятность безотказной работы

Расчетом надежности называется определение значений количественных характеристик надежности.

Составляем таблицу 2 элементов, применяемых в устройстве. В соответствии с перечнем элементов (ПЭ3) заполняем первую, вторую, третью и четвертую графы таблицы 2.

Таблица 2

Интенсивность отказов для радиоэлементов

Позиционные обозначения элементов	Наименование и тип элементов	Характеристика элементов	Кол-во n	Интенсивность отказов элементов в номинальном режиме лJн	Поправочный коэффициент с учетом условий эксплуатации	Режим работы	Поправочный Коэффициент влияния б	i 10-6, 1/ч
						Коэффициент нагрузки, Кн	Максимальная температура,С0
					к1	К2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
C1-С3,С5	Конденсаторы выводные	керамические	4	0,235	1	1	0,7	105	1,1	0,724
С4	Конденсаторы выводные	алюминиевыее	1	0,375	1	1	0,7	105	1,1	0,289
R1	Фоторезистор	потенциальный	1	0,35	1	1	0,6	75	0,76	0,231
R2-R8, R10-R15	Резистор выводной	Металлопле ночный	13	0,21	1	1	0,6	1	0,76	1,802
R3	Резистор подстроечный	угольный	1	0,35	1	1	0,6	75	0,76	0,231
ВК1	Датчик температуры	Кремниевый	1	0,2	1	1	0,7	70	0,83	0,166
DА1	Микросхема интегральная	Стабилизатор	1	0,2	1	1	0,7	70	0,83	0,166
DD1	Микросхема интегральная	Часы реального времени	1	0,2	1	1	0,7	70	0,83	0,166
DD2	Микросхема интегральная	Микроконтроллер	1	0,2	1	1	0,7	70	0,83	0,166
HG1	Индикатор	Видимого свечения	1	0,4	1	1	0,7	70	1	0,28
SA1	Переключатель	Кантатный	1	0,6	1	1	0,5	75	1	0,3
SB1-SB4	Кнопка	Контактная	4	0,6	1	1	0,5	75	1	1,2
ZQ1	резонатор	Кварцевый	1	0,4	1	1	0,7	70	1	0,28
Соединения	-	паяные	129	0,1	1	1	1	1	1	12,9
Проводники	-	печатные	39	0,01	1	1	0,8	1	0,5	0,156
лУ										19,057

Интенсивность отказов всей схемы можно рассчитать по формуле:

л_?=л₁+л₂+...л_n=0,724+0,289+0,231+1,802+0,231+0,166+0,166+

+0,166+0,166+0,28+0,3+1,2+0,28+12,9+0,156=19,057

Найдем среднюю наработку до первого отказа по формуле:

Т_ср=1/=1/19,057· = 52474 час.

где Т_ср - средняя наработка до первого отказа.

Определяем вероятность безотказной работы по формуле

, (2)

для пяти временных точек (t₁=1000 ч, t₂=5000 ч, t₃= 20000ч, t₄=50000 ч, t₅= 100000ч):

P_(t1)= 0,981; P_(t2)= 0,909; P_(t3)= 0,683; P_(t4)= 0,386; P_(t5)= 0,149.

Рисунок 13 - График зависимости безотказной работы от времени

Вывод: Наработка на отказ составила 52474 часов, что вполне приемлемо. Если учесть, что год содержит 8760 часов, то изделие должно безотказно проработать приблизительно 6 лет.

3.3 Настройка и регулировка автомата управления освещением

В процессе запуска в производство или в результате эксплуатации большинство электронной аппаратуры требует процедуры настройки или регулировки для нивелирования разброса параметров радиокомпонентов или после ремонта, при выходе их из строя.

Основные неисправности автомата уличного освещения:

- при подключении внешнего исправного блока питания автомат не работает. Неисправность микросхемы DA1;

- нет измерения температуры. Неисправность разъема Х1, неисправность датчика ВК1;

- постоянная ошибка включения/отключения освещения, внос поправок не исправляет ошибку. Неисправен ИМС часов реального времени, села батарея питания часов реального времени;

- не включается или постоянного горит освещение, неисправность транзистора VT1;

- постоянно мелькают показания индикатора, неустойчивое включение или отключение освещения - сбой программы управления, вышел из строя микроконтроллер.

4. Экономический расчет

4.1 Расчет технологической себестоимости изделия

Технологическая себестоимость представляет собой совокупность затрат, связанных с выполнением основного технологического процесса. Формула для расчета технологической себестоимости:

ТС = СМ + ЗП_осн + ЗП_доп+ ОС + ЦР, (3)

где СМ - стоимость сырья и материалов, необходимых для изготовления проектируемого изделия, с учетом транспортно-заготовительных расходов;

ЗП_осн - заработная плата основных производственных рабочих;

ЗП_доп - заработная плата дополнительная этих же рабочих;

ОС - отчисления на социальные нужды;

ЦР - общецеховые расходы.

Таблица 3

Стоимость комплектующих деталей

Наименование материала	Марка материала	Норма расхода	Цена, руб. коп	Сумма, руб. коп
Конденсаторы	К50-16	1	3,10	3.10
	КМ-6А	4	2.50	10.00
Датчики	DS15B20	1	45.00	45.00
	GL5516	1	22.00	22.00
Микросхемы	NCP1117ST50	1	24,00	24,00
	DS1307N	1	18,00	18,00
	ATmega168PA	1	210,00	210,00
Элемент гальванический	CR2025	1	15.00	15.00
Резисторы	ОМЛТ-0,125	14	1,20	16,8
	СП35-1	1	16,00	16,00
Индикатор	WH1602B	1	220,00	220,00
Переключатели	RFS-562/1	4	2,00	8,00
	RFS-562/1	1	3,90	3,92
Итого				611,82
Транспортно-заготовительные расходы (10%)				61,18
Всего				673,00

Основная заработная плата рассчитывается на основе норм времени и тарифных ставок в соответствии с технологическим процессом. Эта форма оплаты труда сдельная, т.е. та что чаще всего встречается на предприятиях. Расчет производится на одно изделие (табл. 4).

Таблица 4

Расчет тарифной заработной платы

Виды работ	Разряд работы	Трудоемкость нормо-час	Часовая тарифная ставка, руб.	Тарифная зарплата, руб.
Заготовочные	3	0,2	103,2	20,64
Монтажные	5	0,2	140,8	28,16
Регулировочные	5	0,5	140,8	70,4
Испытательные	6	0,5	150,0	75,00
Итого:	194,20

Для расчета тарифной заработной платы по каждому виду работ умножают трудоемкость на часовую тарифную ставку:

З_осн = 1,25З_тар= 194,20·1,25 = 242,75 руб.,

где З_осн - основная заработная плата;

З_тар - тарифная заработная плата;

1.25 - коэффициент, включающий 20% премии, 5% доплаты.

Дополнительная заработная плата включает выплаты за все виды отпусков, за выполнение государственных обязанностей, за сокращенный день подросткам и т.д. Эти выплаты составляют 8% от основной заработной платы:

З_доп =0,08•З_осн =242,75·0,08 = 19,42 руб.

Перечень плательщиков установлен статьей 235 Налогового кодекса РФ, в их числе организации, производящие выплаты наемным работникам. Объектом налогообложения признаются все выплаты, вознаграждения и иные доходы в пользу работников по всем основаниям.

Страховой тариф взносов в Фонд социального страхования составляет 2.9% по отношению к начисленной оплате труда.

ФСС =(З_осн+З_доп)·2,9% /100= (242,75+19,42)·2,9%/100=7,60 руб.

Предприятия вносят в Пенсионный фонд России 24% по отношению к начисленной оплате труда по всем основаниям.

ПФ = (З_осн + З_доп)·24 /100= (242,75+19,42)·24% /100 = 62,92 руб.

Страховой тариф взносов на обязательное медицинское страхование устанавливается в процентах по отношению к начисленной оплате труда по всем основаниям составляет 5.1%

ФОМС=(З_осн+З_доп)·5,1%/100=(242,75+19,42)·5,1%/100=13,37 руб.

Все работники организации подлежат обязательному страхованию от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний. Страховой тариф составляет 0,3%.

НСП=(З_осн+З_доп)·0,3%/100=(242,75+19,42)·0,3%/100=0,79 руб.

Рассчитываем общую сумму отчислений на социальные нужды

ОС=ФСС+ПФ+ФОМС+НСП=7,60+62,92+13,37+0,79=84,68 руб.

Процент цеховых расходов зависит от типа производства и находится в пределах 60 - 150%. Принимаем 120%

ЦР = 1,2З_осн= 1,2·242,75 = 291,30 руб.

Цеховая себестоимость:

ЦС=СКД+З_осн+З_доп+ОС+ЦР=

=673+242,75+19,42+84,68+291,30=1311,15 руб.,

где СКД - стоимость комплектующих деталей и материалов.

Общехозяйственные расходы в калькуляции рассчитываются процентом от основной заработной платы основных производственных рабочих. Процент находится в пределах 60 - 150 %. Принимаем 100%:

ОЗ = З_осн= 242,75 руб.

Итого производственная себестоимость:

ПС=ЦС+ОЗ=1311,15+242,75=1583,9руб.

4.2 Расчет полной себестоимости изделия

Во внепроизводственные расходы включают затраты на сбыт продукции. Они рассчитываются процентом от производственной себестоимости в пределах 2-3 %.

ВР=(0,02-0,03)·ПС=0.03·1583,9 = 47,52 руб.

Полная себестоимость:

С_пол=ПС+ВР=1583,9+47,52 = 1631,42 руб.

Принимаем прибыль равной 25% (расчетное предполагаемое значение):

П = 0,25С_пол=1631,42·0,25 = 407,86 руб.

Расчет цены без НДС:

Ц = С_пол + П= 1631,42 + 427,86 = 2039,28 руб,

где Ц - цена без НДС

Расчет цены изделия с НДС (НДС 20%):

Ц_ндс=Ц+НДС=2039,28+2039,28·0.2=2447,14 руб.

В результате расчетов получена розничная стоимость автомата уличного освещения равная 2447,14 рублей. Ближайший близким аналогом по стоимости является фотореле AZ-B-30 с ценой 2105 руб. при этом оно является простым сумеречным выключателем, то есть ни о какой интеллектуальной работе, а тем более об экономии электроэнергии речь не идет. Таким образом, разработанное устройство является конкурентоспособным в своей нише за счет большего функционала при больше экономичности и низкой цене.

Заключение

автомат управление уличное освещение

В результате работы над проектом рассматривался автомат уличного освещения. В соответствии с заданным заданием осуществлен выбор схем электрической структурной и принципиальной изделия.

Описана работа устройства по структурной и принципиальной схемам, Рассмотрены вопросы регулировки и настройки автомата.

Проведён расчет элементов схемы. Выполнен расчет надежности, которым установлена высокая надежность устройства и наработка на отказ около 6 лет, что является высоким показателем.

Экономический расчет показал, что устройство является конкурентоспособным как по цене, так и по функционалу.

Список используемой литературы

1. Боровик, С.С. Ремонт и регулировка бытовой радиоэлектронной аппаратуры / С.С. Боровик, М.А. Бродский. - Минск: «Высшая школа», 2009. - 203 с.

2. Высококвалифицированный монтаж и регулировка радиоэлектронной аппаратуры и приборов. Учебное пособие. - М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 256 с.

3. Глудкин, О.П. Методы и устройства испытаний / О.П. Глудкин. - М.: Высшая школа, 1991. - 336 с.

4. Городилин, В.М. Регулировка радиоаппаратуры / В.М. Городилин, В.В. Городилин. - Москва: «Высшая школа», 2011. - 132 с.

5. Гуляева, Л.И. Высококвалифицированный монтаж и регулировка радиоэлектронной аппаратуры и приборов. Учебное пособие для профессионального образования / Л.И. Гуляева. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 176 с.

6. Кашкаров, А.П. Популярный справочник радиолюбителя / А.П. Кашкаров. - М.: ИП Радио Софт, 2009. - 416 с.

7. Лавриенко, В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам / В.Ю. Лавриенко. - Киев: «Техника», 1977. - 504 с.

8. Мисюль, П.И. Техническое обслуживание и ремонт радиоаппаратуры. Спецтехнология / П.И. Мисюль. - Минск: Высшая школа, 2006. - 301 с.

9. Пескин, А.Е. Бытовая радиоэлектронная аппаратура. Устройство, техническое обслуживание, ремонт / А.Е. Пескин. - М.: Горячая линия- Телеком, 2006. - 606 с.

10. Савченко, А. Автомат управления уличным освещением / А. Савченко // Радио - 2016. - № 1.

Приложение 1

Схема электрическая структурная автомата управления уличным освещением

Приложение 2

Схема электрическая принципиальная автомата управления уличным освещением

Размещено на Allbest.ru