Плата ПРЦ состоит из следующих основных функциональных узлов:

центральный процессор ;

формирователь системной шины ;

постоянное запоминающее устройство ;

flash - память ;

устройство перезапуска ;

Центральный процессор блока ПРЦ реализован на микропроцессоре N80С196KR.

Формирователь системной шины включает в себя:

буферные элементы ;

дешифратор адреса ;

формирователь сигналов выборки .

ПЗУ на микросхеме AT27C512 предназначено для хранения кода рабочей программы.

Flash-память предназначена для хранения текущих параметров и протокола событий. Общий объем flash-памяти 8 кБайт.

Устройство перезапуска предназначено для контроля работоспособности центрального процессора.

Приемник подключается к ВЧ-каналу с характеристическим сопротивлением 75 или 150 Ом (назначается при заказе). Фильтр входной (блок ЛФ) приёмника обеспечивает: согласование с каналом на частоте приёма, высокое входное сопротивление вне полосы приёма, защиту входных цепей приёмника от воздействия импульсов помехи высокой энергии, частичное (30 дБ) подавление помехи в полосе зеркальных частот.

Блок обработки ВЧ-сигнала - БОВЧ представляет собой цепь защиты входа от импульсной помехи и фильтр нижних частот (1,1 МГц), обеспечивающий подавление помех в полосе зеркальных частот (не менее 50 дБ). Основная фильтрация осуществляется в DSP. Тамже осуществляется преобразование в полосу частот (0 - 4) кГц. Аттенюаторы блока ПРВЧ позволяют снизить чувствительность приемника ступенями в 10,20,30 дБ и, дополнительно, плавной регулировкой на 15 дБ. На выход блока БОВЧ сигнал поступает через усилитель - ограничитель. Уровень сигнала, соответствующий началу работы ограничителя, считается уровнем чувствительности приёмника.

Для контроля наличия запаса по перекрываемому затуханию служит детектор. Детектор уровня сигнала на входе блока позволяет устройству контроля точнее определить неисправный узел или блок.

Дальнейшая обработка сигнала осуществляется в цифровом виде в блоке ПРВЧ, где аналоговый сигнал преобразуется с помощью АЦП в цифровой и обрабатывается DSP по программе, реализующей восемнадцать узкополосных фильтров с пороговыми устройствами на выходе. Уровень компарации для каждого порогового устройства определяется индивидуально для каждого фильтра (что позволяет выровнять АЧХ тракта в полосе приёма) и устанавливается на 3 дБ ниже уровня чувствительности. Результаты анализа сигнала (номер принимаемой команды или контрольной частоты, сообщение о низком уровне сигнала на входе), а так же сообщения о текущем состоянии функциональных узлов блока (например, о срабатывании сторожевого таймера) загружаются в регистр системной шины, который является выходом блока ПРВЧ и средством контроля его исправности центральным процессором (блок ПРЦ).

Генераторная система приёмника (блок ГЕН) формирует сигналы гетеродинов с помощью синтезаторов частоты, тактируемых генератором 48 МГц. Загрузка кодов частот в синтезаторы выполняется при помощи микроконтроллера. Кроме того, блок ГЕН содержит опорный термокомпенсированный тактовый генератор. Реализованный программно компаратор частот сигнала опорного генератора и сигнала синтезатора (гетеродина) позволяет определить величину отклонения частоты гетеродина, вычислить и загрузить в синтезатор скорректированный код частоты. Длительность рабочего цикла частотного компаратора - 1 секунда. Блок содержит регистры чтения и записи системной шины, которые служат для проведения операций тестового контроля блока ГЕН под управлением центрального процессора. Для настройки приемника на любую из рабочих частот используется синтезатор частоты перестраиваемый в диапазоне частот (5024 - 6000) кГц с шагом 1 кГц. Перестройка генератора осуществляется с панели управления блока ПРЦ или ПЭВМ.

Блок управления и контроля выходных реле (ПДПА) приёмника имеет в своём составе:

- восемь ключей управления выходными реле команд;

- восемь ключей контроля исправности цепей управления и обмоток реле команд;

- регистры чтения и записи системной шины, с помощью которых, центральный процессор коммутирует ключи управления и контроля, как в процессе тестирования блока, так и при приёме команд.

Блок вспомогательных устройств (БВ1) содержит схему управления реле внешней сигнализации («НЕИСПРАВНОСТЬ», «ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ», «КОМАНДА»), стабилизированный источник контрольного питания (6 В) обмоток выходных реле (для непрерывного контроля целостности элементов выходных цепей приёмника) и коммутатор источников питания рабочего и контрольного режимов, управляемый центральным процессором через регистр записи системной шины. Через регистр чтения системной шины

ПРЦ получает информацию об уровне напряжения питания выходных реле приёмника от устройства контроля этого уровня, расположенного в БВ.

Блок центрального процессора (ПРЦ) имеет в своём составе следующие функциональные узлы:

внешний сторожевой таймер, для контроля работоспособности и инициализации сигнала перезапуска системы;

центральный процессор;

ПЗУ, для хранения кода рабочих программ;

энергонезависимую (flash) память, для хранения файла конфигурации системы (например: значение частоты, временные задержки на включение и выключение выходных реле), фиксации времени поступления и номера принятой команды, а так же времени и признака возникшей неисправности;

часы реального времени;

панель управления и индикации (клавиатура из шести кнопок, тумблер выбора режима и табло ЖКИ);

формирователь системной шины, посредством которой, блок ПРЦ имеет возможность подавать тестовые управляющие воздействия и по сигналам отклика контролировать состояние всех функциональных узлов приёмника, а так же, при появлении на выходе блока ПРТЧ сигнала-команды ПА, включать соответствующее выходное реле.

Параметры настройки приемника: частота принимаемого сигнала, количество принимаемых команд, задержка на возврат, задержка на срабатывание, номера команд без ограничения длительности замкнутого состояния контактов выходного реле - задаются с пульта управления и заносятся в энергонезависимую память в режиме настройки приёмника.

Сигналы - команды принимаются одноимпульсным частотным кодом. В режиме ожидания сигнала-команды на вход приёмника должен непрерывно воздействовать сигнал контрольной частоты, пропадание которого (без замены сигналом команды) на 0,3 секунды блокирует работу выходных реле команд.

При пропадании сигнала контрольной частоты и возникновении сигнала команды происходит:

включение выходного реле и замыкание двух пар контактов соответствующей команды;

запись в энергонезависимую память номера принятой команды, времени поступления;

включение реле сигнализации «КОМАНДА».

Неисправность выходных цепей приемника, пропадание любого из вторичных источников питания, отсутствие контрольного сигнала более 5 сек или уменьшение напряжения питания процессора более чем на 10 % (ниже уставки сторожевого таймера), переводит приемник в режим «НЕИСПРАВНОСТЬ». При этом:

блокируется срабатывание выходных реле;

загорается индикатор НЕИСПР. на лицевой панели ПРЦ;

информация о неисправности индицируется на табло ЖКИ;

включается реле внешней сигнализации НЕИСПРАВНОСТЬ.

При кратковременном (менее 5 с) пропадании сигнала КЧ или снижении его уровня включается реле сигнализации «ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ» и на табло ЖКИ выводится соответствующая информация. Работа приёмника при этом не блокируется.

Включение приемника в работу (режим приёма команд ПА) осуществляется кнопкой ПУСК. При нажатии кнопки пуск происходит сброс внешней сигнализации, тестирование всех функциональных узлов приёмника и проверка наличия сигнала КЧ. В случае полной готовности системы приёмник включается в работу (о чём появляется сообщение на табло ЖКИ), в противном случае приёмник блокируется (что сопровождается появлением сигнализации «НЕИСПРАВНОСТЬ»).

Высокая помехозащищенность приемника при действии помех в канале связи является одной из важнейших характеристик и определяется построением схемы и программными алгоритмами. Например:

в приемном тракте реализована система ШОУ;

в каждой выходной цепи, фиксирующей прием соответствующей команды, возможно введение задержки на срабатывание (до 10 мс) и это время дополнительно используется для анализа частоты команды;

блокировка выходных реле в случае задержки появления команды после пропадания сигнала контрольной частоты более 250 мс.

Всё это снижает вероятность приёма ложных команд при воздействии помехи высокого уровня.

3. выбор элементной базы и моделирование работы основных функциональных узлов приёмника

3.1 Оценка разрядности входного и выходного сигналов

При приоектировании систем ЦОС требуется обеспечить определенный динамический диапазон при заданной величине отношения с/ш. В этом случае по заданным величинам D и R_ш требуется определить разрядность кодов, используемых для представления отсчетов обрабатываемого сигнала. Необходимо оценить требуемые разрядности входного и выходного сигналов. Т.е. определить требования к АЦП / ЦАП и разрядность элементов памяти DSP.[5]

В нашем случае за основу был взят 16-ти разрядный сигнальный процессор фирмы ANALOG DIVICES ADSP-2191M. т.е. система с заданной архитектурой и параметрами цифрового устройства. Большинство операций предполагает представление чисел в дополнительном коде, в остальных случаях предполагается работа с беззнаковыми числами или простыми последовательностями двоичных символов.[6] В этом случае необходимо определить разрядность входного m_вх и выходного m_вых сигналов. При этом полагают что m_вх = m_вых . Оценим величины m_вх и m_вых по алгоритму приведенному в [4]. При D = 80 дБ и R_ш = 16 дБ. [5]

1) Оценим величину m_D - разрядность цифрового кода входного сигнала, при которой обеспечивается заданная величина динамического диапазона (без гарантии получения требуемой величины отношения с/ш).

m_D = int(D/20lg2) (3.1)

m_D = 14

где int(В) - наименьшее целое число, не меньше , чем число В.

2) Оценим допустимую величину мощности выходного шума, при которой обеспечивается заданная величина отношения с/ш.

Р_ш,доп = у²_{вых,доп} = 0.5*10 (3.2)

у²_{вых,доп} = 1.26*10^-10

3) Оценим величину дисперсии собственного шума системы. Поскольку система реализуется на DSP с известными параметрами,то:

у²_вых,с = 6.23*10^-15

4) Оценим допустимую величину дисперсии составляющей выходного шума, обусловленую квантованием входного и выходного сигналов DSP.

у²_вых+вх ? 1.26*10^-10

5) Оценим величину m_R - разрядность цифрового кода входного и выходного сигналов DSP, при которой обеспечивается заданная величина отношения с/ш (без гарантии получения требуемой величины динамического диапазона)

Положив m_вх = m_вых = m_R

Отсюда

m_R = (3.7)

m_R = 16

6) Оценим разрядность входного и выходного сигналов m_вх\вых, при которой обеспечивается заданная величина динамического диапазона и отношение с/ш. Из (3.6) и (3.1) получаем

m_вх\вых = max{ m_D, m_R } (3.8)

m_вх\вых = 16

7) Оценим реальную величину отношение с/ш при определеной из (3.8) разрядности входного и выходного сигналов. Для этого оценим величину мощности полного выходного шума.

Р_ш = у²_вых = у²_вых+вх + у²_вых,с (3.9)

у²_вых = 8.15*10^-11 ( -100.9 дБ )

8) Оценим величину динамического диапазона входного сигнала

D_вх = 20lg2^mвх (3.10) D_вх = 96.3 дБ

9) Оценим величину порогового отношение с/ш

R^п_ш = 10lg (3.11)

R^п_ш = 1.6 дБ

Собственный шум данного фильтра, реализованного на DSP 2191М, практически не влияет на полный выходной шум. Величины динамического диапазона и отношение с/ш определяются только разрядность входного и выходного сигналов. При заданных требованиях динамический диапазон полностью определяется разрядностью входного сигнала. Полученная величина отношения с/ш на нижней границе динамического диапазона оказалась лучше требуемой. Фактически данная система обеспечивает динамический диапазон порядка 96.3 дБ с хорошим запасом по отношению с/ш. [5]

3.2 Выбор элементов

Согласно предьявляемым требованиям, полученным результатам и имеющейся элементной базе, было решено использовать АЦП, DSP и элементы памяти фирмы ANALOG DIVICES.

В частности был выбран сигнальный процессор ADSP- 2191M, АЦП AD9223 ARO214 и программная логика сдвумя регистрами ALTERA MAX EPM 3128 ATC.

Печатная плата двусторонняя, резистивные элементы и конденсаторы отечественного производства.

3.3 Проверка работы модели на аппаратуре

После монтажа, настройки и программирования плата ПРМ была установлена в корпус апаратуры команд автоматики приемопередатчика высокочастотных защит ПВЗУ-Е. Были проведены тестовые испытания. Порядок проведения приведен в таблице 3.1

Таблица 3.1

Наименование испытания	Номер пункта методов проверки
1. Проверка чувствительности	3.3.1
2. Проверка значения входного сопротивления	3.3.2
3. Проверка ширины полос НЧ-фильтров	3.3.3
4. Проверка затухания, вносимого АКА-16 ПРМ в 75-омный ВЧ тракт при параллельном соединении	3.3.4
5. Проверка избирательности	3.3.5
6. Проверка избирательности по зеркальному каналу	3.3.6
7. Проверка срабатывания предупредительной и аварийной сигнализаций	3.3.7
8. Проверка функций меню	3.3.8

3.3.1 Проверка чувствительности

Проверка чувствительности (УСК.103.000.00ТУ п.1.3.7) проводится в следующей последовательности:

подключить к линейному ВЧ-входу АКА-16 ПРМ генератор ГСВЧ и милливольтметр (для точного измерения напряжения генератора);

подключить к контрольным гнездам "ВЫХ", расположенным на лицевой панели блока ПРВЧ осциллограф;

установить частоту генератора равной базовой частоте + 2 кГц;

включить АКА-16 ПРМ в режиме "Готов";

изменяя напряжение сигнала на выходе генератора, добиться начала ограничения сигнала на выходе ПРВЧ (гнездо "ВЫХ" на лицевой панели блока ПРВЧ);

измеренное милливольтметром напряжение соответствует чувствительности АКА-16 ПРМ. Чувствительность должна быть минус (221) дБ.

3.3.2 Проверка входного сопротивления

Проверка входного сопротивления (УСК.103.000.00ТУ п.1.3.8) проводится в следующей последовательности:

подключить к линейному ВЧ-входу АКА-16 ПРМ через резистор сопротивлением 75 Ом генератор ГСВЧ;

подключить к линейному ВЧ-входу АКА-16 ПРМ милливольтметр;

установить на выходе генератора сигнал частотой равной базовой частоте + 2 кГц и напряжением 100 мВ;

включить АКА-16 ПРМ в режиме "Готов";

измерить милливольтметром напряжение на ВЧ-входе АКА-16 ПРМ;

Вычислить входное сопротивление по формуле 3.1:

Rвх =U вх *75/(Uген - Uвх.)(3.1)

где:

Uвх - напряжение на ВЧ-входе АКА-16 ПРМ (В);

Uген - напряжение на выходе генератора (0,1 В).

Значение входного сопротивления должно составлять (7515) Ом.

3.3.3 Проверка затухания, вносимого при параллельном соединении

Проверка затухания вносимого АКА-16 ПРМ в 75-омный ВЧ тракт при параллельном соединении проводится в следующей последовательности:

определить исходные данные для измерений:

Fв - верхняя граница полосы пропускания блока ЛФ;

Fн - нижняя граница полосы пропускания блока ЛФ;

десятипроцентная расстройка Fвр = Fв + 0,1хFв, Fнр = Fн - 0,1хFн;

подключить к линейному ВЧ-входу АКА-16 ПРМ через резистор сопротивлением 75 Ом генератор ГСВЧ;

подключить к линейному ВЧ-входу АКА-16 ПРМ милливольтметр;

по методике, описанной в п.3.3.2 определить входное сопротивление для частот Fвр (Rвх.вр) и Fнр (Rвх.нр);

определить затухание, вносимое АКА-16 в параллельно работающий канал по формулам (3.2-3.5):

н = 10 log (2 х Rп.н / (Rп.н + 75)

в = 10 log (2 х Rп.в / (Rп.в + 75)

где:

Rп.н = (75 х Rвх.нр)/(75 + Rвх.нр)

Rп.в = (75 х Rвх.вр)/(75 + Rвх.вр)

3.3.4 Проверка избирательности

Проверка избирательности проводится в следующей последовательности:

подключить к контрольным гнездам "ВЫХ", расположенным на лицевой панели блока ПРВЧ милливольтметр;

включить АКА-16 ПРМ в режиме "Готов";

измерить собственные шумы приемного тракта;

подключить к линейному ВЧ-входу АКА-16 ПРМ генератор ГСВЧ;

установить напряжение сигнала на выходе генератора равным (41) В;

постепенно приближать частоту генератора к частоте канала до появления сигнала на выходе ПРВЧ с уровнем, превышающим шумы на (41) дБ;

снять характеристику канала приема, поддерживая постоянным напряжение на выходе ПРВЧ с помощью аттенюатора генератора;

по снятой характеристике определить ослабление сигнала при отстройке от ближнего края номинальной полосы частот на 6 кГц. Избирательность АКА-16 ПРМ должна быть не менее 80 дБ при отстройке от ближнего края номинальной полосы частот на 6 кГц и более.

3.3.5 Проверка избирательности по зеркальному каналу

Проверка избирательности по зеркальному каналу проводится в следующей последовательности:

подключить к контрольным гнездам "ВЫХ", расположенным на лицевой панели блока ПРВЧ милливольтметр;

включить АКА-16 ПРМ в режиме "Готов";

измерить собственные шумы приемного тракта;

подключить к линейному ВЧ-входу АКА-16 ПРМ генератор ГСВЧ;

вычислить полосу зеркального канала

установить частоту генератора в пределах полосы зеркального канала (от Fз.н до Fз.в);

7) увеличивать напряжение не выходе генератора до появления на выходе ПРВЧ сигнала с уровнем превышающим шумы на (41) дБ;

8)перестроить частоту генератора в полосу основного канала и аттенюатором генератора установить напряжение на выходе ПРВЧ такое же, как на частоте зеркального канала;

9) по разности показаний аттенюатора определить уровень ослабления зеркального канала.

Избирательность по зеркальному каналу должна быть не менее 80 дБ.

4. Листинг программного обеспечения блока приёмника

Программа, задающая алгоритм работы процессора приведена в приложении 4

4.1 Возможные неисправности и действия при их возникновении

Перечень возможных неисправностей блоков БП и ПРЦ и способы их устранения приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Внешнее проявление и дополнительные признаки	Вероятная причина	Метод устранения
1. Не светится индикатор "Вкл" блока БП	1. Перепутана полярность питающего напряжения 2. Неисправен блок БП	1. Проверить полярность напряжения питания 2. Проверить блок БП
2. Не светится индикатор "Контроль" блока БП. При контроле напряжений вторичных источников питания отсутствуют одно или несколько выходных напряжений	1. Возможная перегрузка по току у измеряемого источника 2. Неисправен блок БП	1. Проверить соответствующую цепь на отсутствие замыканий 2. Проверить блок БП
3. Светится индикатор "Авария" на блоке БВ1, на табло индикатора не отображается информация	1. Неисправен блок ПРЦ	1. Проверить блок ПРЦ
4. На табло индикатора блока ПРЦ информация не отображается или представляет собой беспорядочный набор символов	1. Обрыв связей к индикатору блока ПРЦ 2. Неисправен индикатор блока ПРЦ	1. Проверить целостность проводов между платами блока ПРЦ 2. Проверить блок ПРЦ

5. Безопасность и экологичность

5.1 Краткая характеристика проекта

В дипломной работе выполнено проектирование на ЭВМ цифрового приёмника ВЧ- канала связи по ВЛ, для аппаратуры релейной защиты и противоаварийной автоматики ПВЗУ-Е. Диапазон рабочих частот 24 - 1000 кГц.

Производится предварительный расчет функциональных узлов ПРМ согласно имеющегося динамического диапазона уровня сигнала в зависимости от применения разрядности АЦП и процессора.

Основой автоматизированного рабочего места проектировщика является ПЭВМ, имеющая видеотерминал (дисплей), клавиатуру, манипулятор «мышь», принтер. Компьютер питается от сети переменного тока с частотой 50 Гц. Рабочее напряжение 220 В, потребляемая мощность не более 250 Вт, рабочий ток 1 А.

5.2 Безопасность проекта

Основные опасные факторы рабочего места при работе с ЭВМ [1] связаны с эксплуатацией оргтехники: компьютеров, принтеров и т.п. Труд оператора ЭВМ характеризуется отсутствием воздействия высоких уровней распространённых на производстве вредных факторов (пыль, вибрация,...), но на них влияет излучение, исходящее от мониторов, органы зрения находятся в постоянном напряжении.

При длительной работе за видеотерминалом у человека могут возникать: напряжение зрительного аппарата, общая усталость, раздражительность, нарушение сна, болезненные ощущения в глазах, головные боли, а также боли в пояснице, в области шеи и кистей рук. Отсюда возникают требования к безопасности рабочего места оператора, т.е. к микроклимату помещения, освещенности, техническим характеристикам используемой ЭВМ (в основном - дисплея), а также электро- и пожаробезопасности.

5.2.1 Электробезопасность

В соответствии с [2] электробезопасность - это система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги и статического электричества.

Электрические установки, к которым относится практически все оборудование ЭВМ, представляют для человека большую потенциальную опасность, так как в процессе эксплуатации или проведения профилактических работ человек может коснуться частей, находящихся под напряжением. К числу опасных и вредных производственных факторов относятся повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека, повышенный уровень статического электричества, электромагнитных излучений, повышенную напряженность электрического и магнитного полей.

В отличие от других источников опасности электрический ток нельзя обнаружить без специального оборудования и приборов, поэтому воздействие его на человека чаще всего неожиданно.

При прохождении через тело человека ток оказывает термическое, биологическое и электролитическое действия. Следствия воздействия электрического тока на тело человека приведены в таблице 1.1.

Таблица 5.1 Воздействие электрического тока на тело человека

Вид воздействия	Следствие	Виды электротравм
Термическое	Ожоги отдельных участков тела, нагрев внутренних органов	Электрический ожог, электрический знак, металлизация кожи.
Биологическое	Разложение и возбуждение живых тканей, судорожное сокращение мышц	Механические повреждения
Электролитическое	Разложение крови и других жидкостей, нарушение их физико-химического состава	Электрический удар

Основные причины поражения электрическим током:

· Случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям, находящимся под напряжением;

· Появление напряжения на металлических конструктивных частях электрооборудования;

· Появление напряжения на отключенных токоведущих частях, на которых работают люди, вследствие ошибочного включения;

· Возникновение шагового напряжения на поверхности земли в результате замыкания провода на землю.

· Выполнение работы осуществлялось на ПЭВМ подключенной к сети переменного тока с напряжением 220 В.

Для защиты от поражения электрическим током при повреждении изоляции должны выполнятся следующие защитные меры:

· Заземление;

· Зануление;

· Защитное отключение;

· Выравнивание потенциала;

· Система защитных проводов;

· Изоляция нетоковедущих частей;

· Электрическое разделение сети;

· Малое напряжение;

· Контроль изоляции;

· Компенсация токов замыкания на землю.

Согласно [3] защитное заземление или зануление должно обеспечивать защиту людей от поражения электрическим током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции. Защитное заземление следует выполнять преднамеренным электрическим соединением металлических частей электроустановок с «землей» или ее эквивалентом. При проектировании производственных зданий лучше использовать контурное заземление, т.к. ток через человека, касающегося корпуса, меньше, чем при выносном, внутри контура прокладывают горизонтальные полосы, которые дополнительно выравнивают потенциалы внутри контура. В качестве искусственного заземлителя используют стальные стержни. Вертикальные заземлители соединить стальной шиной и приварить к каждому заземлителю. В здании проложить магистраль заземления, к которой присоединяются заземляющие провода. Магистраль заземления соединяется с заземлителем не менее чем в двух местах.

Расчет заземления:

Сопротивление одиночного вертикального электрода:

Rв=p₁/2l·(Ln(2l/d)+0,5((4t+l)/(4t-l))) (5.1)

где t-расстояние от середины заземлителя до поверхности грунта

l-длина стержневого заземлителя

d-диаметр стержневого заземлителя

р₁=р·

где р-удельное сопротивление грунта

-коэффициент сезонности

Принимаем: t=2,00м; l=2,5м; d=0,06м; р=100 Ом·м - суглинок; =1,5.

Получаем: Rв=48,1 Ом.

Сопротивление стальной полосы, соединяющей стержневые заземлители.

Rn=p₁/(2l) ·Ln(l/d·t) (5.2)

l=164м

Получаем: Rn=1,8 Ом.

Ориентировочное число одиночных стержневых заземлителей.

n=Rв/([r3] ·в) (5.3)

где [r3]-допустимое по нормам сопротивление заземляющего устройства

в- коэффициент использования вертикальных заземлителей

Принимаем [r3]=4 Ом согласно «Правила установки электроустановок»; в=1

Получаем n=12шт.

Принимаем расположение вертикальных заземлителей по контуру с расстоянием между смежными заземлителями 2l.

Необходимое число вертикальных заземлителей

n=Rв/([r3] ·в)

где в=0,66-действительное значение коэффициента использования

Получаем n=18шт.

Общее сопротивление заземляющего устройства

R=Rв·Rn/(Rв·г+Rn·в·n) (5.4)

г=0,39-коэффициент использования горизонтального заземлителя

Получаем R=2,2 Ом

Расчет выполнен правильно т.к. выполняется условие R[r3].

В «Правилах установки электроустановок» сопротивление заземления нормируется и в установках напряжением до 1000В сопротивление заземляющего устройства должно быть не выше 4 Ом. Действующее сопротивление заземляющего устройства 2 Ом.

При эксплуатации ЭВМ запрещается:

· включать ЭВМ при неисправной защите электропитания;

· подключать и отключать разъемы кабелей электропитания и блоков вентиляции при поданном напряжении электросети;

· заменять съемные элементы под напряжением;

· производить пайку аппаратуры, находящейся под напряжением;

· снимать щиты, закрывающие доступ к токоведущим частям;

· пользоваться электроинструментами с напряжением 36В и выше с незаземленными корпусами.

При правильной эксплуатации электроустановок и использовании соответствующих средств защиты риск поражения электрическим током сводится к минимуму.

Для предотвращения поражения электрическим током в организации согласно [4] должны проводится следующие мероприятия:

Компьютеры подключаются к сети с помощью трёхполюсных вилок, причем центральный контакт вилки надежно заземляется.

При эксплуатации электрооборудования рабочее место должно быть оборудовано так, что бы исключалась возможность прикосновения служащих к токоведущим устройствам, шинам заземления, батареям отопления, водопроводным трубам.

Обслуживающий персонал должен пройти инструктаж по технике безопасности на рабочем месте.

Осуществляется профилактическая проверка отсутствия напряжения, отключение неисправного оборудования и наложение заземления.

5.2.2 Пожарная безопасность

В современных офисах очень высокая плотность размещения офисной техники. В непосредственной близости друг от друга располагаются соединительные провода и коммутационные кабели. При протекании по ним электрического тока может выделяться значительное количество теплоты, что может привести к повышению температуры до 90-120 градусов Цельсия. При этом возможно оплавление изоляции соединительных проводов, их оголение и, как следствие, короткое замыкание, которое сопровождается искрением, ведет к быстрому нагреву и перегрузкам электрических сетей. Это может вызвать возгорание близлежащих легковоспламеняющихся веществ.

В соответствии с [5] пожарная безопасность объекта должна обеспечиваться системой предотвращения пожара, системой противопожарной защиты, организационно-техническими мероприятиями.

По классификации [6] рассматриваемое помещение по взрыво- и пожаробезопасности относится к самой безопасной категории Д («Помещения с негорючими веществами и материалами в холодном состоянии»).

Противопожарная защита помещения обеспечивается применением автоматической установки пожарной сигнализации, а также применением основных строительных конструкций здания с регламентированными пределами огнестойкости.

В рамках организационно-технических мероприятий выполняются следующие правила:

запрещается курение в помещении и применение открытого огня;

запрещается хранение на рабочем месте ЛВЖ в неприспособленной таре;

запрещается использование неисправного электрооборудования;

по окончании работы полностью обесточивается все имеющееся электрооборудование.

Кроме того, в соответствии с нормами первичных средств пожаротушения при площади помещения, не превышающей 100 м², в распоряжении персонала имеется углекислотный огнетушитель ОУ-5, предназначенный для тушения загорания различных веществ и электроустановок с напряжением до 10 кВ при температуре окружающего воздуха от -40 до +50 С.

При возникновении пожара или другой чрезвычайной ситуации персонал офиса эвакуируется из помещения по специально разработанному (в соответствии с [6]) плану эвакуации, находящемуся в помещении.

5.2.3 Микроклимат на рабочем месте

Наиболее значительным фактором, который чаще всего реально влияет на производительность и безопасность труда, является микроклимат рабочего места, который характеризуется уровнем температуры и влажности воздуха, скоростью его движения. Эти параметры должны соответствовать требованиям [7], приведенным в таблице 5.2.

Таблица 5.2. Требования к параметрам микроклимата в производственном помещении

Параметры	Значения параметров
Микроклимата	Летом	Зимой
Температура,	23-25	22-24
Скорость воздушных масс, м/с	0.1-0.2	0.1
Относительная влажность, %	40-60	40-60

Высокая температура воздуха, особенно в сочетании с высокой влажностью, резко снижает работоспособность оператора. При этом человек быстро утомляется, у него понижается внимание, уменьшается скорость сенсомоторных реакций, нарушается координация движений, увеличивается количество ошибок.

Лаборатория имеет площадь пола 60 м², на одного работающего приходится 7,5 м², что соответствует требованиям [7].

Средняя температура воздуха в помещении составляет +22 °С, относительная влажность - 46%, атмосферное давление - 750 мм.pт.ст., содержание пыли - не более 10 мг/м воздуха рабочего места, максимальные размеры частиц - 2 мкм.

Помещение рабочего участка оборудовано системами кондиционирования и вентиляции, воздухообмен в нем обеспечивается также путем естественного проветривания помещения (открытие окон) по настроению персонала. Вследствие этого температура в помещении равномерно колеблется в пределах 22 - 24С, влажность - от 44 до 50%.

5.2.4 Освещенность на рабочем месте

Помещения лаборатории должны иметь естественное и искусственное освещение согласно [8].

Рациональная освещенность помещения предусматривает:

правильный выбор источников света и систем освещения;

необходимый уровень освещенности рабочих поверхностей;

устранение бликов;

равномерное освещение;

устранение колебаний светового потока во времени.

При недостаточной освещенности и напряжении зрения состояние зрительных функций находится на низком функциональном уровне, в процессе выполнения работы развивается утомление зрения, понижается общая работоспособность и производительность труда, возрастает количество ошибок.

Равномерность освещения понимается как отношение интенсивностей наименьшего и наибольшего световых потоков. Следует ограничивать неравномерность распределения яркости в поле зрения пользователя ВДТ и ПЭВМ. Соотношение яркости между рабочими поверхностями не должно превышать 3:1 - 5:1, а между рабочими поверхностями стен и оборудования - 10:1, т.к. при переводе взгляда с яркоосвещенной на слабоосвещенную поверхность глаз вынужден переадаптироваться, что ведет к развитию утомления зрения и затрудняет выполнение производственных операций. Для обеспечения равномерности освещения применяется мягкий рассеянный свет из нескольких источников, светлая окраска потолка, стен и оборудования.

Требование направления света определяется необходимостью объемного восприятия объекта и стремлением не допустить ослепления прямым или отраженным светом. Удобным направление искусственного света считается слева сверху и немного сзади.

Прямая блесткость появляется в результате наличия источника света непосредственно в поле зрения оператора, отраженная блесткость - в результате наличия внутри поля зрения отражающих ярких поверхностей. Прямую блесткость можно уменьшить, избегая ярких источников света в пределах 60 см от центра поля зрения. Отраженную блесткость можно уменьшить, используя рассеянный свет и применяя матовые поверхности вместо полированных. Для уменьшения бликов от экрана монитора, затрудняющих работу оператора, необходимо использовать экранные фильтры, повышающие контрастность изображения и уменьшающие блики, или мониторы с антибликовым покрытием

Важной задачей является выбор вида освещения (естественное или искусственное). Применение естественного света имеет ряд недостатков:

естественный свет поступает, как правило, только с одной стороны;

неравномерность освещенности во времени и пространстве;

возможность ослепления ярким солнечным светом;

тенеобразование и т.д.

Применение искусственного освещения помогает избежать рассмотренных недостатков и создать оптимальный световой режим. Однако применение помещений без окон создает в ряде случаев у людей чувство стесненности и неуверенности. И для правильной цветопередачи нужно выбирать искусственный свет со спектральной характеристикой, близкой к солнечной.

5.2.4.1 Расчет необходимой освещенности

Естественное освещение должно осуществляться через оконные проемы, ориентированные преимущественно на восток и юго-восток и обеспечивать коэффициент естественной освещенности (КЕО) не ниже 1,2% в зонах с устойчивым снежным покровом и не ниже 1,5% на остальной территории. Для чего необходимо обеспечить достаточную площадь световых проемов. Площадь световых проемов (So) рассчитывается по формуле (5.5):

(5)

где: Sn - площадь пола помещения (12 *5 = 60 кв. м.),

En - нормативное значение KEO (1.2),

K1 - коэффициент запаса (1.2),

g - световая характеристика окон (15)

K2 - коэффициент учитывающий затемнение окон противостоящими

зданиями (1),

V - коэффициент учитывающий повышение КЕО при

боковом освещении благодаря отражению света (1.2),

To - общий коэффициент светопропускания , определяется по формуле (5.6)

To = T1 * T2 * T3 * T4 = 0.8 * 0.65 * 1 * 1 = 0.52(6)

где T1 - коэффициент светопропускания материала (для окон двойного стекла 0,8),

T2 - потери света в переплетах (деревянный, двойной, раздельный 0,65),

T3 - потери света в несущих конструкциях (1),

T4 - потери света в солнцезащитных устройствах (1),

Таким образом площадь светового проема:

кв.м.

Фактически имеется всего 1.5 м² (одно окно 1 м * 1.5 м), указывает на необходимость искусственного освещения.

5.2.4.2 Расчет искусственной освещенности

Применение искусственного освещения помогает избежать рассмотренных выше недостатков естественного освещения и создать оптимальный световой режим. Искусственное освещение в помещениях эксплуатации мониторов и ПЭВМ должно осуществляться системой общего равномерного освещения.

Для искусственного освещения следует использовать, главным образом, люминесцентные лампы, у которых высокая световая отдача (до 75 лм/Вт и более), малая яркость светящейся поверхности, близкий к естественному спектральный состав излучаемого света, что обеспечивает хорошую цветопередачу.

Hа стадии светотехнического проектирования основной задачей является расчет потребной мощности осветительной установки.

Все методы расчета искусственного освещения основаны на формулах, связывающих освещенность с характеристиками ламп.

Согласно СНиП [8], рассчитаем искусственную освещенность по формуле, учитывая, что в помещении имеется 16 ламп мощностью по 40 Вт:

(5.7)

где	F	-	световой поток одной лампы, F = 440 лм.;
	N	-	число ламп, N = 45;
	Z	-	поправочный коэффициент, Z = 0,9;
	G	-	коэффициент использования осветительной установки, g = 20;
	S	-	площадь пола помещения, S = 60 м.кв.;
	КЗ	-	коэффициент запаса, КЗ = 1,4.

Подставляя численные данные в формулу, получаем:

Рассчитанное значение освещённости Е = 460 лк, что соответствует [8].

5.2.5 Шум и вибрации

Шум является одним из наиболее распространённых в производстве вредным факторов. Действие шума не ограничивается воздействием на органы слуха, шум через нервные волокна передается в центральную и вегетативную нервные системы, а через них воздействует на внутренние органы. Нормальный уровень шума не должен превышать 50дБ. При уровне выше 120 дБ начинаются недопустимые условия. Сильный шум действует отрицательно не только на органы слуха, но и на весь организм в целом, в том числе и на нервную систему. Шум приводит к усилению утомляемости и резкому падению производительности труда.

Для снижения шума следует:

· ослабить шум самих источников, используя звукоизоляцию;

· снизить эффект суммарного воздействия отраженных звуковых волн;

· использовать архитектурные и технологические решения, направленные на изоляцию источников шума;

· располагать помещение вдали от источников шума и вибрации.

Основным источником шума на рабочем месте оператора ПЭВМ являются вентиляторы охлаждения, трансформаторы ПЭВМ и принтер.

Уровень шума от вентиляторов и трансформаторов не превышает 45 дБ (данные взяты из технического паспорта), уровень звуковой мощности принтера (в зависимости от модели принтера) составляет до 50 дБ, но он работает не постоянно. Следовательно, уровень шума на рабочем месте оператора ПЭВМ следует считать допустимым.

Вибрация на рассматриваемом рабочем месте не проявляется ввиду отсутствия каких-либо производственных механизмов или машин. Вибрация, создаваемая работающими вентиляторами, практически равна нулю.

5.3 Эргономичность проекта

5.3.1 Эргономические требования к рабочему месту

Конструкция рабочего места и взаимное расположение всех его элементов (сиденье, органы управления, средства отображения информации) соответствуют антропометрическим, физиологическим и психологическим требованиям, а также характеру работы.

Данная конструкция рабочего места обеспечивает выполнение трудовых операций в пределах зоны деятельности моторного поля. Зоны досягаемости моторного поля в вертикальных и горизонтальных плоскостях для средних размеров тела человека приведены на рисунке 1.1. Выполнение трудовых операций “часто” и “очень часто” обеспечивается в пределах зоны досягаемости и оптимальной зоны моторного поля, приведенных на рисунке 1.2 (зоны 1, 2).

Расположение средств отображения информации, в данном случае это дисплей ЭВМ соответствуют [14].

Рис. 5.2. Зоны досягаемости и оптимальной зоны моторного поля

Уровень шума согласно [9] на рабочих местах с использованием устройств для исследований, разработок, конструирования, программирования и врачебной деятельности должен составлять до 50 dB. Машины, применяемые в ходе работы, создают максимальный уровень шума до 35dB (по техническому паспорту), что соответствует [9].

Для снижения нагрузки на глаза дисплей должен быть установлен наиболее оптимально с точки зрения эргономики. Верхний край дисплея должен находится на уровне глаз, а расстояние до экрана около 40 см, что укладывается в рамки от 28 до 60 см. Мерцание экрана происходит с частотой f_мер = 85 Гц, что соответствует условию f_мер > 70 Гц.

Рабочие места в лаборатории расположены перпендикулярно оконным проемам, это сделано с той целью, чтобы исключить прямую и отраженную блесткость экрана от окон и приборов искусственного освещения, которыми являются лампы накаливания, т.к. газоразрядные лампы при работе с дисплеями применять не рекомендуется (с целью снижения нагрузки на глаза).

Визуальные эргономические параметры ВДТ (видеодисплейных терминалов) являются параметрами безопасности, и их неправильный выбор приводит к ухудшению здоровья пользователей. Конструкция ВДТ, его дизайн и совокупность эргономических параметров должны обеспечивать надежное и комфортное считывание отображаемой информации. Корпус ВДТ и ПЭВМ, клавиатура и другие блоки и устройства ПЭВМ должны иметь матовую поверхность одного цвета с коэффициентом отражения 0,4 - 0,6 и не иметь блестящих деталей, способных создавать блики. Экран видеомонитора должен находиться от глаз пользователя на оптимальном расстоянии 600-700 мм, но не ближе 500 мм с учетом размеров алфавитно-цифровых знаков и символов.

Конструкция клавиатуры должна предусматривать:

исполнение в виде отдельного устройства с возможностью свободного перемещения;

опорное приспособление, позволяющее изменять угол наклона поверхности клавиатуры в пределах от 5 до 15 градусов;

высоту среднего ряда клавиш не более 30 мм;

расположение часто используемых клавиш в центре, внизу и справа, редко используемых - вверху и слева;

выделение цветом, размером, формой и местом расположения функциональных групп клавиш;

минимальный размер клавиш - 13 мм, оптимальный - 15 мм;

клавиши с углублением в центре и шагом 19 ± 1 мм;

расстояние между клавишами не менее 3 мм;

одинаковый ход для всех клавиш с минимальным сопротивлением нажатию 0,25 Н и максимальным - не более 1,5 Н;

звуковую обратную связь от включения клавиш с регулировкой уровня звукового сигнала и возможности ее отключения.

Конструкция рабочего стола должна обеспечивать оптимальное размещение на рабочей поверхности используемого оборудования с учетом его количества и конструктивных особенностей (размер ВДТ и ПЭВМ, клавиатуры и др.), характера выполняемой работы. При этом допускается использование рабочих столов различных конструкций, отвечающих современным требованиям эргономики.

Конструкция рабочего стула (кресла) должна обеспечивать поддержание рациональной рабочей позы при работе на ВДТ и ПЭВМ, позволять изменять позу с целью снижения статического напряжения мышц шейно-плечевой области и спины для предупреждения развития утомления.

Для обеспечения оптимальной работоспособности и сохранения здоровья профессиональных пользователей, на протяжении рабочей смены должны устанавливаться регламентированные перерывы.

5.4 Экологичность проекта

Экологическое воздействие системы на природную среду может быть связано с выбросами вредных веществ, тепловым или шумовым загрязнением, излучениями. В данном дипломном проекте можно выделить лишь три последних фактора, действующих только в пределах помещения.

5.4.1 Ионизационное излучение:

В процессе выполнения дипломной работы на ЭВМ и при эксплуатации программы человек подвергается воздействию ионизационного излучения, которое поступает с дисплея компьютера.

Излучение дисплея достигает нормируемых значений радиационного фона 60 мкР/час, уже на расстоянии 2 см от экрана. В целях дополнительной защиты на дисплей надет фильтрующий экран, снижающий величину дозы облучения. Таким образом, получаемая оператором доза ионизационного облучения не наносит вреда для организма человека.

5.4.2 Электромагнитное излучение

В соответствии с [14], пользователь персонального компьютера при работе с дисплеем подвергается воздействию низкоэнергетического рентгеновского и ультрафиолетового излучения, электромагнитному излучению, статического электричества, поэтому расстояние от одного дисплея до другого должно быть не менее 2,0 м в направлении тыла, а расстояние между боковыми поверхностями не менее 1,2 м. Экран видеомонитора должен находиться от глаз пользователя на расстоянии 600-700 мм, но не ближе 500 мм.

В помещении лаборатории расположение персональных компьютеров удовлетворяет вышеперечисленным требованиям.

5.4.3 Статическое электричество

Для предотвращения образования статического электричества и защиты от него в помещении необходимо использовать нейтрализаторы и увлажнители, а полы должны иметь антистатическое покрытие.

Защита от статического электричества должна проводиться в соответствии с санитарно-гигиеническими нормами допускаемой напряженности электростатического поля. Допускаемые уровни напряженности электростатических полей не должны превышать 20 кВ в течение 1 часа.

5.5 Чрезвычайные ситуации

В данном разделе представлен материал на тему «Основные конструктивные методы защиты радиоэлектронной аппаратуры от воздействия сильных электромагнитных излучений.

Приступая к эксплуатации средств вычислительной техники пользователю желательно знать, какие нарушения работоспособного состояния полупроводниковых приборов и типовых схем могут возникнуть при воздействии различных видов ионизационного излучения, являются ли они временными (обратимыми) или постоянными (необратимыми).

В первом приближении эффекты от воздействия ионизационного излучения можно рассматривать независимо, тем более что в реальных условиях на схему сначала действует гамма-импульс, а затем с определенным временным сдвигом -- нейтронный импульс.

Ионизация, обусловленная действием гамма импульса, оказывает влияние на работу, например, интегральной схемы благодаря одному из трех механизмов: возникновению фототоков, протекающих через обратносмещенные переходы, полному нарушению работы транзистора и ухудшению свойств поверхности.

Фототоки, протекающие в цепях, могут приводить к появлению сигнала помехи на выходе схемы длительностью от нескольких наносекунд до сотен миллисекунд в зависимости от времени восстановления элементов схем. Может также произойти полное нарушение работоспособности транзисторов, например, в ИС с изоляцией p--n-переходами из-за того, что переход между коллектором и подложкой во время действия гамма импульса становится проводящим. Полное нарушение работоспособности схемы может также возникнуть из-за того, что соответствующие элементы становятся проводящими и могут пропускать неограниченный ток через переходы в режиме насыщения. При этом могут возникнуть как вторичный пробой, так и выгорание металлизации или перегорание токопроводящих цепей.

Воздействие нейтронов, в свою очередь, также полностью нарушает работоспособность схем из-за недопустимой деградации параметров приборов, либо приводит к временным отказам, обусловленным ионизацией из-за действия нейтронов или отжига нестабильных структурных повреждений. Накопление поверхностного заряда или образование зарядов в окружающей атмосфере также приводит к деградированию параметров полупроводниковых приборов.

Каждый из типов аппаратуры требует конкретного комплекса мероприятий, сущность которых раскрыта ниже в изложении методов повышения и обеспечения стойкости РЭА к действию ЭМИ: конструкционных, схемотехнических, структурно-функциональных.

Рассмотрим подробнее конструкционные методы. Общий принцип конструкционных методов защиты от ЭМИ состоит в улучшении экранирования кабелей, аппаратуры, выбора наилучших схем заземления для каждого конкретного случая.

Экранирование является наиболее радикальным и, можно сказать, единственным эффективным способом защиты проводных линий. Оно позволяет одновременно решать следующие задачи: уменьшать опасные напряжения, наводимые в линиях под действием ЭМИ, а также уровни полей, проникающих в экранированные блоки по линиям связи. При использовании экранированных проводных линий следует учитывать, что эффективность экранирования в значительной степени зависит от места присоединения экранирующей оплетки к системе заземления объектов и качества этих соединений. Применение экранирующей оболочки, не соединенной с заземлением, не дает практически экранирующего эффекта. Это объясняется тем, что в данном случае в оболочке не возникают токи, поле которых могло бы уменьшить магнитную составляющую ЭМИ.

Помимо экранирования для уменьшения амплитуды напряжений, действующих в соединительных линиях в результате воздействия ЭМИ, следует выполнять эти связи с помощью симметричных линий. Симметрирование заключается в скручивании с определенным шагом проводов линии для выравнивания параметров каждого из них по отношению к земле. В этом случае напряжение, действующее на нагрузке, равно разности напряжений, наведенных ЭМИ в прямом и обратном проводах линии, и тем меньше, чем меньше отличаются полные сопротивления этих проводов относительно земли или экранной оболочки линии.

Значительное снижение влияния напряжений и токов, наводимых ЭМИ в соединительных линиях на элементы аппаратуры, достигается применением гальванического разделения внутренних и внешних линий связи. В качестве элементов гальванического разделения могут быть использованы трансформаторы, датчики Холла и т. д.

В настоящее время разработан ряд защитных устройств для защиты электроснабжения, управления и связи от наводок ЭМИ [11,12]. Однако эти защитные стройства имеют ограниченную пропускную способнность. При создании защитных устройств на токи до нескольких десятков килоампер, основанных на традиционных принципах работы, последние имеют большие габаритные размеры. В этих случаях особенно перспективны защитные устройства на базе сверхбыстродействующих взрывных коммутаторов [12].

Простым и эффективным способом этой экранировки является размещение всего электронного оборудования в металлической оболочке (экране). Правильно рассчитанная оболочка становится весьма эффективным экраном, защищающим от внешних генерируемых шумов и возмущений. Однако она не может снизить шумы, генерированные источниками, находящимися внутри металлической оболочки. Для снижения внутренних генерируемых возмущений могут быть применены различные заземляющие схемы. Если ввод в экранирующую оболочку выполнен неправильно, экранировка и заземление бесполезны. Таким образом, заземление, экранировку и прокладку кабелей рассматривают как различные аспекты одной и той же проблемы [15,16]

5.6 Вывод о безопасности и экологичности проекта

В соответствии с приведенными в нормативных документах требованиями к рабочему месту рассмотрим, в какой степени этим требованиям соответствует рабочее место, на котором производилась работа.