Разработка автономного радиомаяка

В качестве резервного аккумулятора выберем согласно [35] никель-металлгидридный аккумулятор GP повышенной ёмкости (High Capacity Series), характеристики которого приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Типоразмер	Модель	Номинальное напряжение, В	Типовая ёмкость, мА•ч	Диаметр, мм	Высота, мм	Вес, г
F	GP13000FH	1,2	13650	33	90	247

Поскольку напряжение питания фотоавтомата составляет 2,7 В, то необходимо составить аккумуляторную батарею (АБ) из трёх последовательно соединённых GP аккумуляторов, тогда напряжение АБ составит 3,6 В. Напряжение 2,7 В можно получить включив в схему стабилитрон КС127Д с напряжением стабилизации 2,7 В. Для зарядки АБ на каждый аккумулятор необходимо подавать 1,5 В, то есть для всей АБ 4,5 В (3Ч1,5 В). Ток заряда должен составлять 10% от ёмкости аккумулятора, тогда получим 1,365 А (10%Ч13,650 А). При подключении ФА, потребляемый ток составляет 0,6 А, отсюда АБ полностью разрядится через 22,75 ч (13,650 А•ч разделить на 0,6 А), при условии, что ПГ не вырабатывает энергию (МПВ находится в состоянии покоя). В случае, когда ПГ работает, то он одновременно питает схему ФА и заряжает АБ (если необходимо).

Напряжение 4,5 В на выходе ППН можно получить, используя схему соединения MSS-MHL, показанную на рисунке 4.8. Тогда сопротивление подстроечного резистора согласно формуле (4.4) будет равно (V_t = 4,5 В)

Электрическая принципиальная схема преобразователя будет выглядеть как показано на рисунке 4.9. В состав схемы включены пьезоэлементы BQ1 - BQ5 и диоды VD1 - VD5 (Д202П).

Рисунок 4.9 - Электрическая принципиальная схема преобразователя

5. Расчёт фотоавтомата

На рисунке 5.1 изображена электрическая принципиальная схема фотоавтомата (ФА).

Рисунок 5.1 - Электрическая принципиальная схема фотоавтомата

Поясним вначале работу стабилизатора напряжения СН. Для большей наглядности его схема изображена на рисунке 5.2 отдельно (в более удобном для рассмотрения виде). Измерительный мост включен параллельно лампе VL1. Плечами моста являются: резистор R17, переход эмиттер - коллектор транзистора VT6, стабилитрон VD4 (для стабилизации напряжения), последовательно соединённые резисторы R10 и R11. Усилителем рассогласования служит транзистор VТ4, переход эмиттер - база которого включен во вторую диагональ моста. Регулирующим элементом является транзистор VT5. Измерительный мост настраивается посредством резистора R15, так, чтобы при номинальном напряжении источника питания (2,7 В) напряжение на лампе VL1 равнялось 2,5 В. Для компенсации влияния изменений температуры в делитель, питающий базовую цепь транзистора VT6, включен терморезистор R18.



Рисунок 5.2 - Стабилизатор напряжения

При напряжении источника питания, превышающем номинальное, происходит разбаланс моста, что приводит к уменьшению базового и коллекторного токов транзистора VT4. Это вызывает уменьшение базового тока транзистора VT5, что приводит к увеличению падения напряжения на переходе эмиттер - коллектор этого транзистора. Таким образом, излишек напряжения источника питания гасится на VT5, а на лампе поддерживается номинальное значение напряжения.

Если напряжение источника питания упадет до 2,6 В и ниже, транзисторы VT4 и VT5 окажутся полностью открытыми, а напряжение на лампе будет равно напряжению источника питания за вычетом падения напряжения на открытом транзисторе VT5 (0,2 В).

Показанный на схеме конденсатор С4 служит для предотвращения самовозбуждения её на высокой частоте.

Работу фотодатчика и времязадающего генератора поясним по рисунку 3.7. Фотодатчиком является фоторезистор типа СФ2-6. На схеме он имеет обозначение R7. Роль переключателя выполняет транзистор VT3.

В дневное время сопротивление фоторезистора мало и транзистор VT3 оказывается открытым. При этом закрываются VT4 и VT5, что приводит к гашению лампы VL1. В тёмное время суток сопротивление фоторезистора возрастает в сотни раз, вследствие чего VT3 закрыт и не влияет на работу стабилизатора напряжения. Лампа горит, а напряжение на ней поддерживается номинальным.

Чувствительность фотодатчика регулируется резистором R6. Релейность включения и выключения лампы достигается за счет положительной обратной связи по току через резистор R10.

Времязадающий генератор представляет собой несимметричный мультивибратор, собранный на транзисторах VT1 и VT2. Сигналы на периодическое гашение лампы подаются на базу VT3 с коллектора VT2 через резистор R5 и диод VD3. Времязадающей цепью, от которой зависит длительность паузы, является R2C3.

Когда транзистор VT2 закрыт, а VT1 открыт, сигналы на переключатель VT3 не поступают, и лампа горит. Длительность проблеска определяется времязадающей цепью R3C2. Напряжение питания ФД и ВЗГ стабилизировано стабилизатором, состоящим из резистора R9 и стабилитрона VD1. Этим достигается постоянство временных характеристик и чувствительности фотоавтомата.

Для перевода фотоавтомата в постоянный режим горения (работа в качестве фотовыключателя) достаточно установить переключатель SA1 в соответствующее положение. Это приводит к шунтированию положительных импульсов ВЗГ диодом VD2, что равносильно отключению генератора от остальной части схемы.

5.1 Расчёт времязадающего генератора

На рисунке 5.3 изображён времязадающий генератор (ВЗГ), который представляет собой несимметричный мультивибратор, состоящий из двух ключевых каскадов, собранных на транзисторах VT1 и VT2 и связанных между собой конденсаторами C2 и C3. Рассчитаем ВЗГ согласно [37].

Рисунок 5.3 - Схема включения ВЗГ

Исходные данные для расчёта:

- длительность проблеска, t_ПР: 0,7 с (ГОСТ 13311-74);

- длительность паузы, t_ПЗ: 2,8 с (ГОСТ 13311-74);

- ёмкость, С2: 22 мкФ;

- ёмкость, С3: 47 мкФ;

- входное напряжение (напряжение на выходе преобразователя), U_ВХ: 2,7 В;

Напряжение питания ВЗГ стабилизировано стабилизатором, состоящим из резистора R9 и стабилитрона VD1 и составляет 1,9 В (U_VD1 = 1,9 В).

Зададим сопротивление резистора R9 = 100 Ом, тогда ток через этот резистор будет составлять

Длительность импульса с коллектора транзисторов VT1 и VT2 соответственно составляет

тогда базовые сопротивления резисторов R3 и R2 будут равны

Согласно [38] выберем по шкале номинальных величин сопротивления резисторов R3 и R2, которые равны 47 кОм и 82 кОм соответственно. Отсюда по формулам (5.2) и (5.3) длительность проблеска и паузы будет равна

Период колебаний мультивибратора равен сумме длительностей импульсов



Сопротивление на коллекторе транзистора должно удовлетворять условию

где в - коэффициент усиления тока;

S - степень насыщения (обычно равна 1,2 - 2).

Зададим в = 140 и S = 1,5, тогда

Таким образом, выберем R4 = 3,6 кОм, а R1 = 5,6 кОм.

Ток коллектора транзисторов VT1 и VT2 определяется выражением

Ток базы транзисторов VT1 и VT2 равен

Ток эмиттера транзисторов VT1 и VT2 будет равен сумме базового и коллекторного токов

Амплитуда импульса выходного напряжения

Выберем в качестве транзисторов VT1 и VT2 транзистор BD180 [39].

Длительность среза выходного импульса (при открывании транзистора) приближённо оценивается VT1 и VT2

Длительность фронта выходного импульса (при запирании транзистора) определяется временем зарядки конденсаторов C2 и C3

5.2 Расчёт переключателя и стабилизатора напряжения

Выберем в качестве VT6 транзистор BC108C и примем по входной характеристике ток базы, I_б6 = 4 мкА (рисунок 5.4), тогда ток коллектора транзистора VT6 будет равен

где в₆ = 500 - коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ.

Ток делителя транзистора VT6, проходящий через сопротивления R_б1(6) и R_б2(6) равен

отсюда сопротивление R_б2(6) равно

где U_бэ6 - напряжение база-эмиттер транзистора VT6 (0,6 В), тогда

Сопротивление R_б2(6) определяется выражением

Согласно выражению (5.22) выберем сопротивления резисторов R14 = 7,5 кОм, R16 = 4,3 кОм и R18= 5,6 кОм и сделаем проверку

Зададим ёмкость конденсатора C4 = 6,8 мкФ.

Рисунок 5.4 - Схема включения ИМ

Падение напряжения на резисторе R_б1(6) определяется выражением

где U_VL1 - напряжение на лампе (2,5 В). Таким образом, падение напряжения равно

отсюда сопротивление R_б1(6) равно

Сопротивление R_б1(6) определяется также выражением

Зададим R15 = 75 кОм, R19 = 36 кОм и проверим выражение (5.24)

Ток коллектора транзистора VT5 равен току нагрузки (лампы)

I_к5 = 0,45 А.

Выберем в качестве VT5 транзистор BD180 (рисунок 5.5). Зададим коэффициент усиления тока, в₅ = 10. Тогда ток базы транзистора VT5 будет равен



Рисунок 5.5 - Схема включения РЭ

Выберем в качестве VT4 транзистор 2N4240 и примем по входной характеристике ток базы, I_б4 = 0,46 мА (рисунок 5.6). Возьмём коэффициент усиления тока транзистора VT4, в₄ = 100. Ток коллектора будет равен

Ток, протекающий через резистор R13 равен

тогда сопротивление резистора R13 будет равно

Выберем по номинальному ряду [38] сопротивление резистора

R13 = 680 Ом ±10 %.

Рисунок 5.6 - Схема включения УР

Напряжение на эмиттере транзистора VT4 равно

где U_VD4 = 1,9 В - напряжение стабилизации VD4.

Суммарное сопротивление резисторов R10 и R11 определяется выражением

где I_э4 - ток эмиттера транзистора VT4 (I_э4 ? I_к4).

Зададим сопротивление развязывающего резистора R11 = 1 Ом, тогда сопротивление резистора R10 будет равно

Падение напряжения на резисторе R12 определяется как

тогда сопротивление резистора R12 будет равно

Зададим ток, протекающий через резисторы R8 и R17 (I_R8,17 = 0,6 мА) и ток резистора R17

Напряжение на коллекторе транзистора VT6 определяется как

где U_R10,11 - падение напряжения на резисторе R10 и R11

следовательно, сопротивление резистора R17 будет равно



Выберем по номинальному ряду [38] сопротивление резистора

R17 = 9,1 кОм ±5 %.

Падение напряжения на резисторе R8 равно

Получим сопротивление резистора R8

По номинальному ряду [38] сопротивление резистора

R8 = 1,5 кОм ±10 %.

Сопротивление резистора R7 по [46] равно темновому сопротивлению фоторезистора СФ2-6 (рисунок 5.7)

R7 = 1,5 МОм.

Зададим сопротивление резистора R6 (R6 << R7)

R6 = 33 кОм.

Падение напряжения на резисторе R6 должно быть меньше 0,6 В (в закрытом состоянии транзистора VT3)

Рисунок 5.7 - Схема включения ПК

Смоделируем электрическую принципиальную схему фотоавтомата в пакете Micro-CAP 7.0 как показано на рисунке 5.8 и построим временные диаграммы напряжений и токов. Лампа накаливания обозначена на схеме резистором R20 с сопротивлением 5,56 Ом.

Рисунок 5.8 - Схема фотоавтомата в Micro-Cap 7.0

Для построения временных диаграмм в меню «Analysis» выберем «Transient…». Далее появится окно «Transient Analysis Limits» (рисунок 5.9).

Рисунок 5.9 - Окно «Transient Analysis Limits»

Зададим параметры построения временных диаграмм согласно рисунку 5.9 и нажмём клавишу «Run». Далее появятся графики, представленные на рисунке 5.10.

Для перевода фотоавтомата в постоянный режим горения необходимо включить в схему диод VD2, установив переключатель SA1 в положение «вкл.» (рисунок 5.1). В результате этого ВЗГ отключится. При этом амплитуда напряжения и тока будет постоянная (рисунок 5.12).

Рисунок 5.10 - График зависимости амплитуды напряжения от времени (в 12 и 1 узлах схемы)

Рисунок 5.11 - График зависимости амплитуды напряжения и тока на лампе от времени

Рисунок 5.12 - График амплитуды напряжения и тока на лампе от времени при постоянном режиме горения

Исходя из проведённого анализа схемы фотоавтомата в пакете Micro-CAP 7.0, можно сделать вывод о том, что полученные значения длительности проблеска и паузы, а также амплитуд напряжений и токов совпадают с расчётными значениями.

6. Конструкторская часть

6.1 Выбор конструкции пьезоэлектрического генератора

Пьезоэлектрический генератор (ПГ) состоит из механического преобразователя воздействия (МПВ) и пьезоэлектрического преобразователя (ПП).

На рисунке 6.1 изображена конструкция МПВ, в состав которого входят кольцо, ударник, стержень и шар. МПВ представляет собой цельную конструкцию, выполненную из углеродистой качественной конструкционной стали марки 30, с качеством поверхности группы 2ГП без термической обработки по ГОСТ 1050-88. МПВ крепится кольцом к подвесу таким образом, чтобы он мог отклоняться во всех направлениях.

Рисунок 6.1 - Конструкция МПВ

Рассчитаем диаметр шара МПВ.

Исходные данные:

- масса маятника, m: 4000 г;

- плотность материала, с: 7,87 г/см³;

- расстояние от точки подвеса до центра шара, B: 80 см;

- расстояние от точки подвеса до приложения усилия, b₁: 3 см;

- длина ударника, L_уд: 2 см;

- радиус большого основания ударника, R_уд: 8,375 мм;

- радиус малого основания ударника, r_уд: 6,235 мм;

- радиус стержня маятника, R_c: 0,5 см;

- внутренний радиус кольца, r_к: 0,5 см;

- внешний радиус кольца, R_к: 1,0 см;

- толщина кольца, H_к: 1 см;

- расстояние от кольца до ударника, R_к.уд: 1,0 см.

Объём полукольца равен

Объём стержня между кольцом и ударником равен

Объём ударника определяется как

Объём стержня между малым основанием ударника и центром шара равен

Объём маятника от точки подвеса до центра шара (без большей части шара) определяется выражением

Масса маятника от точки подвеса до центра шара (без большей части шара) определяется выражением

Масса большей части шара равна

Составим систему уравнений для нахождения радиуса шара R_ш

где m_шм - масса малой части шара (масса части стержня длиной R_ш);

R_ш - объём шара;

m_ш - масса шара.

Решив систему уравнений (6.8), получим следующий результат

m_шм = 29,317 г,

R_ш = 4,743 см,

V_ш = 446,954 см³,

m_ш = 3517,528 г.

В состав ПП (рисунок 6.2 - 6.4) входят:

- опорное кольцо;

- крышка;

- 5 держателей (стакан, фторопластовое кольцо (ФК), изоляционное пьезокерамическое кольцо (ИПК));

- 5 пьезокерамических дисков (пьезоэлементов);

- 5 протекторов.

Рисунок 6.2 - Опорное кольцо (вид сверху)

Рисунок 6.3 - Крышка (вид сверху)

Опорное кольцо крепится к корпусу буя. Пьезоэлементы помещаются в держатели, которые притягиваются крышкой к опорному кольцу через шайбы (А.6.01.Ст3кп ГОСТ 10450-78) пятью болтами (К1М6Ч1,0 - 8gЧ16.109.40X.019 ГОСТ 7805-70). ИПК тонким слоем клеится ко дну стакана клеем BC10-T (ГОСТ 22345-77), прижимая ФК. Таким же образом, каждый протектор клеится к пьезоэлементу. Материалом для ФК является фторопласт-4 марки ПН или О (ГОСТ 10007-80). Опорное кольцо, крышка, стаканы и протекторы состоят из того же материала, что и МПВ. В опорном кольце, каждом стакане и ИПК имеются отверстия диаметром 3 мм для вывода проводов, припаянных к металлизированной поверхности пьезоэлемента. Все пьезоэлементы параллельно соединяются через диоды (для исключения обратного пьезоэффекта) в один провод, через который импульсы поступают на RC-фильтр преобразователя.

Рисунок 6.4 - Держатель для пьезоэлемента (разрез)

6.2 Выбор конструкция преобразователя

На рисунках 6.5 и 6.6 изображён преобразователь постоянного напряжения (ППН) MSS-MHL, входящий в состав преобразователя (см. схему на рисунке 4.9 главы 4). ППН представляет собой герметичный блок, в котором собрана вся печатная плата. Лёгкий аллюминивый корпус (300 г) обеспечивает высокую теплопроводность.



Рисунок 6.5 - DC/DC конвертор MSS-MHL (вид сверху)

Рисунок 6.6 - DC/DC конвертор MSS-MHL (вид сбоку)

6.3 Выбор конструкции фотоавтомата

Печатные платы делятся на три типа:

- односторонние;

- двустроронние;

- многосторонние.

Для фотоавтомата выберем двухстороннюю ПП с металлизированным монтажом и переходными отверстиями, характеризующуюся высокими коммутационными свойствами, повышенной прочностью соединений вывода навесного элемента с проводящим рисунком платы (ГОСТ 23751-86).

Монтажная плата фотоавтомата (ФА), на которой полностью смонтирована вся электрическая схема, помещается в пластмассовый корпус и заливается эпоксидным компаундом (ГОСТ Р 51330.17-99).

На рисунке 6.7 изображён сборочный чертёж фотоавтомата. Установка элементов производится по ОСТ 4.010.030-81.

Рисунок 6.7 - Сборочный чертёж фотоавтомата

Установка элементов производится следующим образом:

- резисторы R1...R19 по варианту Ia;

- конденсаторы C1...C3 по варианту IIв;

- конденсатор C4 по варианту VIa;

- разъём X1 в плотную на плату.

Шаг координатной сетки 1,25 мм. Распайка коллектора транзистора VT4 производится проводом поз. 5 по ГОСТ 23587-96. Под элементы, расположенные на печатных проводниках клеится лакоткань ЛХМ-105-02 (ГОСТ 2214-78) поз. 6 клеем БФ-2 (ГОСТ 12172-74). Припой ПОС-61 по ГОСТ 21931-76.

Фотодатчик СФ2-6, вынесенный на боковую поверхность корпуса буя, переключатель SA1 (для выбора режима работы) и сигнальный фонарь (лампа накаливания СГВ 2,5-0,45) соединяются с платой ФА через разъём X1 (BH-10R НЩО.364.061 ТУ). Преобразователь так же соединяется с ФА разъёмом через соответствующие выводы.

SA1 представляет собой переключатель ручного управления типа «Тумблер» (П1Т-1-1КВ ОЮ0.360.028). Концы присоединительных монтажных проводов должны без натяжения подводиться к переключателю. При подпайке должны приниматься меры, исключающие проникновение паяльного флюса на контактирующую поверхность. Концы подпаиваемых проводов должны быть предварительно облужены, места пайки следует закрасить изоляционным лаком или эмалью и поверх надеть изоляционную втулку. Перед пайкой монтажные провода должны быть механически закреплены в отверстиях выводов.

7. Экономическая часть

В данном разделе проводится расчет затрат на проектирование пьезоэлектрического генератора.

Необходимость расчётов вызвана требованиями технического задания. На основе данных полученных при расчете, можно будет сделать вывод о целесообразности разработки и проектирования

Затраты на проектирование устройства складываются из следующих статей затрат:

- трудовые затраты на проектирование (основная заработная плата, дополнительная заработная плата, отчисления от фонда оплаты труда, включающие единый социальный налог ЕСН и на несчастные случаи: травматизм, ущерб для здоровья, увечья и др.);

- материальные затраты (бумага, расходные материалы к принтеру, канцелярские принадлежности: карандаши, линейки, стерательная резинка, папки, скрепки, скобки, кнопки, и др.);

- затраты на эксплуатацию и ремонт оборудования (оргтехники), состоящие из амортизационных отчислений оргтехники (исходя из срока полезного использования, который следует увязать с трудоемкостью работы на данном оборудовании), затрат на электроэнергию, затрат на ремонт оргтехники (2 - 3 % от стоимости);

- амортизация рабочего места проектировщика;

- накладные расходы (с указанием общего процента и состава).

7.1 Заработная плата разработчика

Затраты на заработную плату разработчика включают затраты на основную заработную плату, дополнительную и отчисления на социальные нужды.

Основная заработная плата разработчика определяется по его должностному окладу и трудоёмкости выполненной им работы. Работа заключается в разработке пьезоэлектрического генератора. На разработку методики ушло 2 месяца (февраль и март 2005 года), что составляет 59 дней. Из них 18 дней выпало на выходные и праздники. Получаем, что на исследования потребовалось 41 рабочих дня. При этом были выполнены виды работ, приведённые в таблице 7.1. Поправочные коэффициенты равны единице.

Учитывая, что среднее число рабочих дней в месяце на 2005 год составляет 21 день, получаем, что трудоемкость разработки методики контроля равна 2 чел/мес. (41/21 = 2).

Разработкой пьезоэлектрического генератора занимается один исполнитель - младший научный сотрудник. Оклад младшего научного сотрудника восьмого разряда составляет 2500 рублей.

Его основная заработная плата (ОЗП) находится по формуле

ОЗП = О_З•Т_Р = 2•1220 = 5000 руб.,

где О_З - должностной оклад младшего научного сотрудника, руб;

Т_Р - трудоемкость работ, чел./мес.

Потребный фонд заработной платы для разработчика рассчитывается по формуле

ПФЗП = ОЗП + ОЗП•РК = 5000 + 5000•0,15 = 5750 руб.

где РК - районный коэффициент (для нашего региона РК = 15 %).

Таблица 7.1

Наименование этапов	Количество листов (единица нормирования), шт.	Трудоемкость, чел.-дн.
1. Техническое задание: изучение вопроса; изучение объекта разработки; составление задания.	2 (А4)	6 7 2
2. Техническое предложение: поиск литературы; изучение литературы; патентный поиск.	10 (А4)	5 10 2
3. Разработка рабочей документа-ции: механический преобразователь воздействия; схема расчёта механического воздействия; сборочный чертёж пьезоэлектрического преобразователя; ведомость покупных изделий; подготовка, оформление и проведение расчётов.	1 (А2) 1 (А2) 2 (А1) 1 (А4) 11 (А4)	2 1 2 1 3
ИТОГО:	41

Затраты, связанные с основной заработной платой разработчика приведены в таблице 7.2.

Рассчитаем дополнительную заработную плату (ДЗП) разработчика. Определим коэффициент ДЗП. В 2005 году 365 дней, из них рабочих - 250. Выходные составляют 105 дня, праздничные 10. Из 250 рабочего дня вычтем: на отпуск - 27 дней, на больничные - 7 дней, на выполнение государственных обязательств - 1 день. Осталось 215 дней. Коэффициент рассчитывается по формуле

К_ДОП = (250/215) - 1 = 0,163 или 16,3 %

Дополнительная заработная плата разработчика будет равна

ДЗП = ПФЗП•К_ДОП = 5750•0,163 = 937,25 руб.

Таблица 7.2

Исполнитель	Трудоёмкость, чел.-мес.	Должностной оклад, руб. (по данным единой тарифной сетки)	Основная зарплата (ОЗП), руб.	Районный коэффициент к ОЗП, руб.	Полный фонд зарплаты (ПФЗП), руб.
Младший научный сотрудник	2	2500	5000	750	5750

Отчисления во внебюджетные фонды (ЕСН = 26 %: пенсионный фонд - 20 %, медицинского страхования - 2,8 %, фонд социального страхования - 3,2 %) от потребного фонда заработной платы (включая районный коэффициент) и дополнительной заработной платы.

Затраты необходимые на выплату заработной платы разработчику приведены в таблице 7.3.

Таблица 7.3

Статья затрат	Сумма затрат, руб.
1. Потребный фонд основной заработной платы (ПФЗП), руб. 2. Дополнительная заработная плата (ДЗП) (при КДОП. = 16,3 %), руб. 3. Отчисления во внебюджетные фонды (при ЕСН = 26 %), руб.	5750 937,25 1738,69
ИТОГО:	8425,94

7.2 Расчёт материальных затрат на проектирование

Разработка конструкторских документов велась с помощью 1 компьютера, текстовые документы печатались на бумаге формата А4 на лазерном принтере HР-1010, графическая часть на бумаге формата А2 и А1 на струйном плоттере DesignJet: 250С. В таблице 7.4 приведены затраты на расходные материалы.

Таблица 7.4

Расходный материал	Рыночная стоимость	Количество	Стоимость, руб.
Бумага А4	135 руб. - 500 листов	24 листа	6,48
Бумага А2	3 руб. за лист	2 листа	6
Бумага А1	6 руб. за лист	2 листа	12
Картридж для принтера HР-1010	935 руб. на 1000 копий	на 24 копии	22,44
Картридж для плоттера НР Design Jet: 250С	1160 руб. на 300 копий А1 и на 600 копий А2	на 3 копии	7,73
ИТОГО:	54,65

7.3 Расчёт затрат на эксплуатацию оргтехники

7.3.1 Затраты на амортизацию и ремонт оборудования

В процессе работы техника изнашивается, стареет, поэтому необходимо рассчитать отчисления на амортизацию и ремонт оборудования. В таблице 7.5 приведены сведения об отчислениях на эти статьи (согласно данным планово-экономического отдела рассматриваемого предприятия).

Расчет амортизационных отчислений за период работы оборудования проводился из расчета того, что в месяце в среднем Ч_м = 166,33 рабочих часов по формуле

А_обор. = С_пер.•Н_а/100•Т_пр./Ч_м•К,

где С_пер. - первоначальная стоимость оборудования, руб.;

Н_а - процент месячных отчислений на амортизацию оборудования (из расчета работы оргтехники 3 - 5 лет из общероссийского классификатора основных средств). Н_а = 1/(3•12)•100 % = 2,8 %;

Т_пр - трудоемкость выполнения по каждому из исполнителей, чел.-ч.;

Ч_м - среднее количество рабочих часов в месяце, ч. (принято 166,33 ч.);

К - коэффициент использования оборудования (принять равным 0,7).

Затраты на ремонт оргтехники рассчитываются по формуле

З_рем. = (Р_рем.•С_пер.•Т_пр./Ч_м.•К)/(12•100 %),

где Р_рем - среднестатистический процент годовых затрат на ремонт оргтехники от его стоимости (по данным общероссийского классификатора основных средств принять 4 %).

Таблица 7.5

Оборудование	Первоначальная стоимость (Спер.), руб.	Время работы (Тпр.),чел.-ч	Отчисления на амортизацию за отчетный период, руб.	Отчисления на ремонт за отчетный период, руб.
Компьютер	15000	30	53,03	6,31
Принтер HР-1010	5200	1,5	0,92	0,11
Плоттер НР DesignJet: 250С	80000	1,0	9,43	1,12
ИТОГО:	63,38	7,54
ИТОГО: отчисления на амортизацию и на ремонт оргтехники	70,92

7.3.2 Затраты на электроэнергию

В таблице 7.6 приведены затраты на электроэнергию. Для г. Омска установлен тариф за пользование электроэнергией в размере 1,27 руб./кВт-ч. Расчет затрат произведён по формуле

З_э/э = Т_пр.•К•М_потр.•Ц_э/э,

где М_потр. - потребляемая мощность оборудования (по паспорту), кВт;

Ц_э/э - стоимость 1 кВт-ч. потребленной электроэнергии, руб.

Таблица 7.6

Оборудование	Время работы Тпр., ч.	Потребляемая мощность по паспорту Мпотр., кВт	Фактически потребленная мощность (Тпр.•Мпотр.•К), кВт-ч	Затраты на электроэнергию, руб.
Принтер НР-1010	1,5	0,025	0,026	0,033
Плоттер НР DesignJet: 250С	1	0,05	0,035	0,044
Компьютер	30	0,3	6,3	8,001
ИТОГО: затраты на электроэнергию составили	8,078

7.3.3 Затраты на амортизацию программного обеспечения

В затраты на эксплуатацию ЭВМ необходимо включать и затраты на амортизацию программного обеспечения, которые рассчитываются по формуле

З_п/о = (К•?Ц_п/о• Т_пр/Ч_м.)/Т_см.,

где ?Ц_п/о - сумма цен программного обеспечения, включающая в себя: стоимость одного Windows XP = 1700 руб.; стоимость одного пакета Office XP = 1800 руб.; стоимость одного пакета MathCAD 2003 = 1500 руб.;

Т_см. - продолжительность работы программного обеспечения до его замены (принять равным 24 мес.).

Таким образом, затраты на амортизацию программного обеспечения ЭВМ составили

З_п/о = (0,7•(1700 + 1800 + 1500)•30/166,33)/24 = 26,3 руб.

7.4 Затраты на амортизацию рабочего места проектировщика

Затраты на амортизацию рабочего места проектировщика определяются по формуле

А_р.м. = (С₁•S_пр.• Н_а^р.м.•Т_пр/Ч_м.)/100 %,

где С₁ - стоимость 1 м² производственной площади, руб. (по данным планово-финансового отдела предприятия принять 4500 руб. за 1 м²);

S_пр. - площадь, отведенная для одного проектировщика (принято 4 м²)

Н_а^р.м - процентная доля амортизации за 1 месяц, которая рассчитывается исходя из периода эксплуатации помещения 80 лет. Н_а^р.м = 100 %/(80•12) = 0,1 %.

Таким образом, затраты на амортизацию рабочего места проектировщика составили:

А_р.м. = (4500•4•0,1•30/166,33)/100 % = 3,25 руб.

7.5 Накладные расходы

Накладные расходы рассчитываются по формуле

З_накл. = ПФЗП•К_накл/100 %,

где К_накл - процент накладных расходов (по данным планово-финансового отдела на рассматриваемом предприятии принято 160 %).

Данная статья расходов включает в себя следующие расходы:

- основная и дополнительная плата административного персонала - 32,5 %;

- премии административно-управленческого персонала - 4,5 %;

- почтовые и телеграфные расходы - 4,4 %;

- содержание зданий, сооружений, инвентаря хозяйственного назначения - 18 %;

- отчисления на капитальный ремонт - 10 %;

- текущий ремонт зданий и сооружений - 20 %;

- отчисления на производство испытаний, опытов и исследований - 9 %;

- услуги грузового автотранспорта -5,6 %;

- расходы на работы по охране труда - 3,5 %;

- расходы на сторожевую и пожарную охрану - 7 %.

Таким образом, накладные расходы составят

З_накл. = 5750•160 %/100 % = 9200 руб.

7.6 Смета затрат на проектирование

Смета затрат на проектирование приведена в таблице 7.7.

Таблица 7.7

Статья расходов	Величина расходов, руб.
Суммарные трудовые затраты	8425,94
Затраты на расходные материалы	54,65
Расходы на эксплуатацию оборудования	105,298
Затраты на амортизацию рабочего места проектировщика	3,25
Накладные расходы	9200
ИТОГО:	17789,138

8. Безопасность и экологичность проекта

8.1 Охрана труда

8.1.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов на рабочем месте инженера-конструктора (при работе с ЭВМ)

В данном дипломном проекте рассчитывается пьезоэлектрический генератор, который может быть использован в качестве генератора электрической энергии в навигационном буе, поэтому в данном разделе рассмотрим рабочее место инженера-конструктора. В соответствии с [42] реальные производственные условия подразделяются на опасные и вредные производственные факторы.

Опасные и вредные производственные факторы подразделяются на:

Физические:

1) повышенная температура внешней среды;

2) отсутствие или недостаточная освещенность рабочей зоны;

3) повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека;

4) повышенный уровень статического электричества;

5) повышенный уровень электромагнитных излучений.

Психофизические:

1) умственное перенапряжение;

2) перенапряжение зрительных и слуховых анализаторов;

3) монотонность труда;

4) эмоциональные перегрузки.

Воздействие указанных неблагоприятных факторов приводит к снижению работоспособности, вызванное развивающимся утомлением. Появление и развитие утомления связано с изменениями, возникающими во время работы в центральной нервной системе, с тормозными процессами в коре головного мозга. Длительное нахождение человека в зоне комбинированного воздействия различных неблагоприятных факторов может привести к профессиональному заболеванию. Анализ травматизма среди работников вычислительных центров (ВЦ) показывает, что в основном несчастные случаи происходят от воздействия физически опасных производственных факторов при заправке носителя информации на вращающийся барабан при снятом кожухе, при выполнении сотрудниками несвойственных им работ. На втором месте случаи, связанные с воздействием электрического тока.

8.1.1.1 Освещение

Освещение подразделяется на естественное и искусственное. В свою очередь естественное освещение бывает: боковое (световой проём в стене), верхнее (световой проём в потолке), комбинированное (боковое и верхнее). Искусственное освещение подразделяется на: общее (равномерное или локализованное), комбинированное (общее и местное).

Освещенность рабочего места должна соответствовать характеру выполняемой работы, который определяется наименьшим размером объекта различения, контрастом объекта с фоном и характеристикой фона. Согласно [40] инженер-конструктор выполняет работы высокой точности, отнесённые к разряду III. В таблице 8.1 приведены значения освещённости и коэффициента естественного освещения.

Требования к освещению [43]:

1) освещённость на поверхности стола в зоне расположения документа 300 - 500 лк;

2) освещённость поверхности экрана не должна быть больше 300 лк;

3) показатель ослеплённости для источников общего искусственного освещения в производственных помещениях должен быть не более 20;

4) коэффициент пульсации не должен превышать 5%.

Таблица 8.1

Характеристика зрительной работы	Минимальный объект различения, мм	Совмещенное боковое освещение, КЕО %	Искусственное освещение, лк
			Система общего освещения
Высокой точности	0,3 - 0,5	1,2	300

8.1.1.2 Оптимальные нормы микроклимата для помещений ЭВМ

В соответствии с [44] нормы микроклимата показаны в таблице 8.2.

Таблица 8.2

Период года	Категория работ	t, 0С	Относительная влажность, %	Скорость движения воздуха, м/с
Холодный	Лёгкая Іа	22 - 24	40 - 60	0,1
Тёплый	Лёгкая Іа	23 - 25	40 - 60	0,1

Рабочее место инженера-конструктора относится к категории Іа, т.е. работы, производимые сидя и не требующие физического напряжения (до 120 ккал/час).

Для внутренней отделки интерьера в помещении с ЭВМ должны использоваться диффузно отражающие материалы с коэффициентом отражения для потолка 0,7 - 0,8, для стен 0,5 - 0,6, для пола 0,3 - 0,5. Не рекомендуется использовать материалы следующего вида: древесностружечные плиты, синтетические ковровые поверхности, покрытия, слоистый бумажный пластик и т.д., т.е. материалы, выделяющие в воздух вредные химические вещества.

Поверхность пола должна быть ровной, не скользкой, удобной для очистки и влажной уборки, обладать антистатическими свойствами.

Для повышения влажности воздуха в помещение с ЭВМ следует применять увлажнители воздуха.

8.1.1.3 Обеспечение электробезопасности

Электрические установки, к которым относится практически все оборудование ЭВМ, представляют для человека большую потенциальную опасность, так как в процессе эксплуатации или проведении профилактических работ человек может коснуться частей, находящихся под напряжением. Специфическая опасность электроустановок: токоведущие проводники, корпуса стоек ЭВМ и прочего оборудования, оказавшегося под напряжением в результате повреждения (пробоя) изоляции, не подают каких-либо сигналов, которые предупреждают человека об опасности. Реакция человека на электрический ток возникает лишь при протекании последнего через тело человека.

Исключительно важное значение для предотвращения электротравмотизма имеет правильная организация обслуживания действующих электроустановок ВЦ, проведения ремонтных, монтажных и профилактических работ. В зависимости от категории помещения необходимо принять определенные меры, обеспечивающие достаточную электробезопасность при эксплуатации и ремонте электрооборудования. Так, в помещениях с повышенной опасностью электроинструменты, переносные светильники должны быть выполнены с двойной изоляцией или напряжение питания их не должно превышать 42 В. В особо опасных же помещениях напряжение питания переносных светильников не должно превышать 12 В, а работа с электротранспортируемым напряжением не выше 42 В разрешается только с применением СИЗ (диэлектрических перчаток, ковриков и т.п.).

В соответствии с [45] напряжения прикосновения и токи, протекающие через тело человека при нормальном (неаварийном) режиме электроустановки, не должны превышать значений, указанных в таблице 8.3.

Таблица 8.3

Род тока	U, В	I, мА
	не более
Переменный, 50 Гц Переменный, 400 Гц Постоянный	2,0 3,0 8,0	0,3 0,4 1,0

Предельно допустимый уровень напряжения прикосновения при аварийном режиме согласно [45] не должен превышать значений указанных в таблице 8.4.

Таблица 8.4

Время воздействия, с	0,01	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1
Предельно допустимый уровень напряжения, В	220	200	100	70	55	50	40	35	30	25	20

8.1.1.4 Требования к организации и обслуживания рабочих мест с ПЭВМ

К ним относятся следующие требования [43]:

1) рабочие места с ПЭВМ по отношению к светлым проемам должны располагаться так, чтобы естественный свет падал сбоку преимущественно слева;

2) схема размещения рабочих мест с ПЭВМ должны учитывать, что расстояние между боковыми поверхностями монитора должны быть 1,2 метра, а расстояние от экрана монитора до тыльной стороны соседнего монитора не менее 2 метров;

3) оконные проемы должны быть оборудованы регулированными устройствами типа жалюзи, занавесы, внешние козырьки;

4) рабочие места с ПЭВМ при выполнении творческой работы, требующее значительно умственного напряжения или высокой концентрации внимания, следует изолировать друг от друга перегородками высотой 1,5 - 2 метра;

5) конструкция рабочего стола должна обеспечивать оптимальное размещение на рабочей поверхности используемого оборудования (в том числе и дополнительного);

6) конструкция рабочего стула (кресла) должна обеспечивать поддержание национальной рабочей позы, позволять изменять позу с целью снижения статического напряжения мышц шейно-плечевой области и спины. Для предупреждения развития утомления. Рабочий стул должен быть подъемно-поворотным, регулированным по высоте и углам наклона сиденья и спинки, а также расстояние спинки от переднего края сиденья. При этом регулировка должна быть независима, легко осуществляемой;

7) поверхность сиденья спинки и других элементов стула должна быть полумягким и нескользящим, не электризующимся и воздухопроницаемым покрытием, обеспечивающий легкую очистку от загрязнения;

8) расстояние от экрана монитора до глаз пользователя, оператора не менее 50 см, оптимальное расстояние 60 - 70 см;

9) клавиатура должна находиться ниже поверхности стула, на специальной выдвижной полки. Расстояние от края полки до края клавиатуры должно быть 10 - 30 см;

10) в помещениях с ПЭВМ должна проводится ежедневно влажная уборка. Должны быть оснащены аптечкой первой помощи и углекислотным огнетушителем;

11) рабочее место с ПЭВМ должно быть оснащено легко перемещаемым пюпитром для документов.

8.1.1.5 Требования к ПЭВМ

К ним относятся следующие требования [43]:

1) конструкция ПЭВМ, его дизайн и совокупность эргономических параметров должны обеспечивать надежное и комфортное изображение информации в условиях информации;

2) конструкция ПЭВМ должна обеспечивать фронтальное наблюдение экрана путем поворота корпуса в горизонтальной плоскости в переделах ± 30⁰ и в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси в пределах с фиксацией в заданном положении;

3) дизайн ПЭВМ должен предусматривать окраску корпуса в спокойные мягкие тона. Корпус ПЭВМ, клавиатуры и других устройств должны иметь матовую поверхность одного цвета с коэффициентом отражения 0,4 - 0,6. Не иметь, блестящих деталей способных создавать блики;

4) на лицевой стороне корпуса ПЭВМ не рекомендуется располагать органы управления, маркировку какие - либо вспомогательные надписи и обозначения. При необходимости расположения органов управления на лицевой панели они должны закрываться крышкой или быть утоплены в корпусе;

5) допустимое значение параметра неионизирующих электромагнитных излучений должны быть следующими: напряженность электромагнитного поля на расстоянии 50 см вокруг ВДТ по электрической составляющей должна быть не более 25 В/м в диапазоне частот от 5 Гц до 2 кГц и 2,5 В/м в диапазоне частот от 2 до 400 кГц;

6) поверхностный электростатический потенциал не должен превышать 500 В.

8.1.1.6 Меры по снижению и устранению действия опасных и вредных факторов

Главными направлениями улучшения условий труда и обеспечения безопасности пользователей ПЭВМ являются следующие:

1) улучшение условий зрительной работы;

2) обеспечение удобной позы пользователя;

3) проведение производственной гимнастики;

4) обеспечение электробезопасности.

Уменьшение нагрузки на зрение может быть достигнуто за счет использования высококачественных мониторов, подбора освещенности и цвета рабочих и окружающих поверхностей.

Для уменьшения блесткости используемых мониторов их экраны необходимо обработать кислотой или покрыть антибликовым составом. Кроме того, можно использовать защитный светофильтр, который снижает уровень излучения от экрана.

8.1.2 Расчёт искусственного и естественного освещения

Определим нормированное значение коэффициента естественной освещенности (КЕО) согласно [46]. Выберем следующие параметры: характеристика зрительной работы (различение объектов при фиксированной и нефиксированной линии зрения высокой точности), разряд III (высокой точности), подразряд зрительной работы В. В таблице 6.2 приведены нормы проектирования естественного, совмещенного и искусственного освещения для третьего разряда зрительной работы по [46].

8.1.2.1 Расчёт искусственного освещения

Произведем расчет искусственного освещения помещения на рабочем месте инженера-конструктора, методом светового потока согласно [47]. Данный метод позволяет учесть как прямой световой поток, так и отраженный от стен, пола и потолка.

Исходные данные, необходимые для расчета освещения методом светового потока:

- тип источника света - лампа накаливания;

- высота подвеса светильника, Н: 2,5 м;

- тип светильника: «Универсаль»;

- число источников света: 6;

- размеры помещения: 4м Ч 3м.

Световой поток F (лм) определится по следующей формуле

F = EК_ЗSZ / N, (8.1)

где Е - нормированная освещенность (300 лк согласно нормам);

К_З - коэффициент запаса, учитывающий старение ламп и загрязнение светильников (определяется из таблицы 3 [47], для помещения с малыми выделениями пыли К_З = 1,3);

S - площадь помещения (м²);

Z - коэффициент минимальной освещённости (1,15 для ламп накаливания);

N - число источников света;

(%) - коэффициент использования светового потока, зависящий от типа светильника, коэффициента отражения R от стен, потолка, пола и от геометрических характеристик помещений, которые определяют индекс помещения i

В соответствии с полученным индексом помещения найдем коэффициент использования светового потока по таблице 5 [47]. При этом необходимо учитывать коэффициенты отражения потолка (R_пт), стен (R_ст) и пола (R_пл), а также тип светильника. Коэффициенты отражения потолка (R_пт), стен (R_ст) и пола (R_пл) определим из таблицы 4 [47]. Они равны соответственно 0,5, 0,5 и 0,23. Согласно исходным данным, тип светильника - «Универсаль». Используя перечисленные данные, определим: = 28%.

Найдем световой поток F по формуле (8.1)

F = (3001,3121,15) / (60,28) = 3204 лм.

Мощность лампы (таблица 6), соответствующая полученному значению составляет 200 Вт, световой поток 2950 лм [47]. Отклонение светового потока данной лампы от расчетного значения составляет 8,6 %, что соответствует допустимому отклонению от минус 10 до плюс 20 % [46].

8.1.2.2 Расчёт естественного освещения

Произведем расчет естественного освещения помещения согласно [43]. Предварительный расчет площади световых проёмов при боковом освещении проводится по формуле

где e_н - нормированное значение КЕО (1,2%);

₀ - световая характеристика окон (в помещении применяются двойные деревянные стеклопакеты, следовательно, по таблице 7 [47] ₀ = 15);

К_ЗД - коэффициент, учитывающий значение противостоящего здания (поблизости отсутствуют здания, следовательно, по таблице 8 [47] К_ЗД = 1);

ф₀ - общий коэффициент светопропускания, определяется по формуле

где ф₁ - коэффициент светопропускания материала (стекло оконное листовое - двойное, следовательно, по таблице 9 [47] ф₁ = 0,8);

ф₂ - коэффициент, учитывающий потери света в переплётах светопроёма (деревянный спаренный переплёт, следовательно, по таблице 9 [47] ф₂ = 0,7);

ф₃ - коэффициент, учитывающий потери света в несущих конструкциях, определяется по таблице 10 [47], и равен 0,9;

ф₄ - коэффициент, учитывающий потери света в солнцезащитных устройствах (при отсутствии таких устройств равен 1);

ф₅ - коэффициент, учитывающий потери света в защитной сетке под фонарями (при отсутствии сетки равен 1).

Таким образом

.

Коэффициент r₁, учитывающий повышение КЕО, отраженного от поверхностей помещения, в зависимости от ряда параметров и в том числе средневзвешенного коэффициента отражения R_ср, который рассчитывается по формуле

где R_ст, R_пт, R_пл - коэффициенты отражения стен, потолка, пола;

S_ст, S_пт, S - площади стен, потолка и пола.

Определим значение коэффициента r₁ по таблице 11 [47], следовательно, r₁ = 1,15.

Таким образом, площади световых проёмов при боковом освещении равны

Действительная площадь окон составляет S = 1,2м Ч 2м Ч 2 шт = 4,8 м². Выразив из формулы (8.3) действительное значение КЕО, и подставив соответствующие значения коэффициентов, получим

e_н = 4,8?0,504?1,15 / (0,01?12?1,3?15?1) = 1,2 %.

Таким образом, действительное значение КЕО совмещенного бокового освещения составляет 1,2 %, что соответствует нормам.

8.2 Безопасность в чрезвычайных ситуациях

Произведём расчёт устойчивости объекта от взрыва. Устойчивость объектов - это их способность противостоять поражающим факторам ЧС, сохраняя эксплуатационные функции. Под устойчивостью объектов экономики понимают их способность осуществлять перевозки, функционирование промышленных предприятий в условиях воздействия поражающих факторов ЧС. В качестве объекта выберем вычислительный центр со следующими элементами: здание административное, пульты управления, вентиляционная установка, кабель наземный и вычислительная техника.

Исходные данные:

- количество топливно-воздушной смеси, Q: 75 т;

- расстояние от места взрыва до объекта, R: 350 м;

- число людей на объекте, P: 150 чел.

Радиус зоны бризантного действия (детонационная), где скорость распространения волны составляет несколько тысяч метров за секунду. В этой зоне происходит дробление материалов. Радиус зоны определяется выражением



Зона действия продуктов взрыва, осколков конструкций (зона «огненного» шара). Радиус поражения в этой зоне

Избыточное давление во фронте ударной волны обусловлено расстоянием до объекта и зависит от коэффициента б

При б ? 2 избыточное давление (кПа) рассчитывается по формуле

а если б > 2, то

Так как б ? 2, то избыточное давление будет равно

Запишем пределы устойчивости элементов и объекта (таблица 8.5). Степень разрушения здания - сильная при избыточном давлении 40,898 кПа.

Согласно выражениям (8.8) - (8.10), рассчитаем избыточное давление для разных значений R для определения радиусов поражения (см. таблицу 8.6) и построим зависимость P_изб от R (рисунок 8.1). По графику определяем расстояние от места взрыва, при котором избыточное давление будет безопасным для человека (10 кПа) - 867,22 м и расстояние от места взрыва, при котором избыточное давление приведёт к летальному исходу (100 кПа) - 214,45 м. Количество пострадавших людей с травмами средней тяжести при сильной степени разрушения здания будет равно 15.

Таблица 8.5

Наименование объекта и его элементов	Предел устойчивости элементов, кПа	Устойчивость объекта, кПа
Вычислительный центр		10
Здание административное	30
Пульты управления	20
Вентиляционная установка	20
Кабель наземный	30
Вычислительная техника	20

Таблица 8.6

Pизб, кПа	551,43	114,74	53,569	32,579	13,461	11,167	8,2623
R, м	100	200	300	400	700	800	1000



Рисунок 8.1 - График зависимости избыточного давления от расстояния между местом взрыва и объектом

Размещено на Allbest