Разработка системы контроля параметров линейной батареи на узле коммутации - Дипломная работа

Система переходит на автономный режим работы, благодаря буферному включению аккумуляторных батарей, без обрыва установленных соединений. разработки алгоритма и структурной схемы системы контроля содержит структурную схему и общий алгоритм функционирования системы контроля, а также, обоснование выбора микроконтроллера и языка программирования и расчет электрических параметров; в разделе методика и результаты испытания системы контроля представлены алгоритм тестирования и результаты работы системы. Чаще всего линейная батарея имеет набор 30 аккумуляторов, подключенных к АТС в буферном режиме, т.е. как только пропадает напряжение в сети, нагрузка (АТС) питается от батареи. При достижении минимального допустимого значения напряжения, система должна выдать сигнал, по которому сработает реле и отключит батарею от сети, этот сигнал называется К10.При выполнении поставленной задачи, был выполнен обзор существующих способов решения проблемы, выявлены недостатки, и, руководствуясь техническим заданием, выполнена разработка системы контроля. Для ее реализации была изучена соответствующая литература, составлена структурная схема, разработан общий алгоритм функционирования, выполнена реализация интерфейса сопряжения с персональным компьютером (USB), разработаны программные модули системы контроля, представлены их блок-схемы с подробным описанием.// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=0 State2=T State1=0 State0=0 // State7=F State6=F State5=F State4=F State3=F State2=F State1=F State0=FРисунок Б.1 - Схема жизненного цикла системы контроля параметров линейных батарей узлов коммутации Рисунок Б.2 - График жизненного цикла программного продукта Таблица Б.1 - Оценка шансов и рисков проектируемого продукта Опасность Нейтрально Шансы Итог. бал. Таблица Б.3 - Значение коэффициентов удельных весов трудоемкости стадии в общей трудоемкости разработки ППМатериальные затраты (Зм), определяются по формуле: (ден.ед.) (В.1) Затраты на электроэнергию (Зэ), определяются по формуле: , (ден.ед.) (В.2) Расходы на оплату труда (ФОТ), определяются по формуле: , (ден.ед.) (В.3) Отчисления от заработной платы (Отч), определяются по формуле: , (ден.ед.) (В.4) Накладные расходы (Зн),определяются по формуле: , (ден.ед.) (В.

Телефонно-телеграфная связь на сегодняшний день распространена очень широко, поэтому появляется необходимость в обеспечении бесперебойного питания нагрузки на АТС, для поддержания необходимого качества предоставления услуг связи. АТС дополнительно оборудуется системой резервного питания, которая позволяет поддерживать работоспособность оборудования при отключении основного питания. Система переходит на автономный режим работы, благодаря буферному включению аккумуляторных батарей, без обрыва установленных соединений. При восстановлении питания АТС автоматически переходит в нормальный режим работы без перезагрузки системы. Наряду с этим возникает необходимость контроля параметров линейных батарей (далее система контроля). Имеющиеся на данный момент системы контроля довольно дорогостоящие и морально устаревшие, и при выходе из строя требуют ремонта или замены на заводе изготовителя. Что влечет за собой затраты на транспортировку, демонтаж и монтаж. Целью данной дипломной работы является разработка системы контроля параметров линейной батарей на узле коммутации. Разрабатываемая система, благодаря применению современных достижений в области разработки микроконтроллеров, будет менее затратной и легко ремонтируемой. При достижении поставленной цели решались следующие задачи: - анализ существующих систем контроля параметров линейной батареи;

- определение состава и разработка структурной схемы системы контроля;

- определение способа реализации;

- определение измеряемых параметров и диапазон измерений;

- определение погрешности измерения;

- определение скорости вывода информации.

Пояснительная записка состоит из десяти разделов: - в постановке задачи описана предметная область, основные требования к системе контроля, решаемые задачи, и на основе этого составлено техническое задание;

- анализ существующих методов реализации системы контроля содержит описание системы, установленной на большинстве АТС Севастополя, Siemens PSS 400, указаны положительные свойства и недостатки ее эксплуатации;

- разработки алгоритма и структурной схемы системы контроля содержит структурную схему и общий алгоритм функционирования системы контроля, а также, обоснование выбора микроконтроллера и языка программирования и расчет электрических параметров;

- разработка контроллера интерфейса USB 2.0 содержит подробное описание регистров контроллера, его структурную схему и режимы работы;

- программная реализация модулей обработки данных и отправки пакета содержит описание и блок-схемы соответствующих модулей;

- в разделе методика и результаты испытания системы контроля представлены алгоритм тестирования и результаты работы системы.

- в разделе экономическая оценка создания и внедрения программного продукта обосновывается экономическая эффективность внедрения программного продукта;

- раздел охрана труда и окружающей среды содержит анализ условий труда, предложения по улучшению условий труда, а также влияние предприятия на окружающую среду и мероприятия по уменьшению выбросов загрязнений в атмосферу;

- в разделе гражданская оборона выполнены прогнозирование и оценка обстановки на предприятии при аварии на химически опасном объекте;

- в заключении подводится итог проделанной работы.

1.

Постановка задачи

1.1 Общие требования к системе

На каждой АТС помимо подключения к электросети установлены аккумуляторные батареи, на случай обрыва питания от электростанции. Набор аккумуляторных батарей называют линейной батареей. Чаще всего линейная батарея имеет набор 30 аккумуляторов, подключенных к АТС в буферном режиме, т.е. как только пропадает напряжение в сети, нагрузка (АТС) питается от батареи. Каждый аккумулятор выдает напряжение в 2.23 вольта и имеет свою емкость, измеряемую в ампер на час. Например, для питания нагрузки, потребляемой 120 ампер, устанавливают аккумуляторы имеющие емкость 1200 а/ч, в целях обеспечения питания АТС током на 10 часов аварийной работы. 30 аккумуляторов в сумме дают необходимое напряжение в 68 вольт.

При эксплуатации аккумуляторных батарей необходима система контроля параметров батареи, которая должна контролировать процесс разряда батареи, выдавать необходимые сигналы аварий, и, при необходимости, отключать из сети аккумуляторы для предотвращения глубокого разряда. Аварийные сигналы должны включать сигнал об отсутствии напряжения в сети от электростанции и сигнал о полном обесточивании АТС (или сигнал об отключении батареи из сети). При достижении минимального допустимого значения напряжения, система должна выдать сигнал, по которому сработает реле и отключит батарею от сети, этот сигнал называется К10.

На основании поставленной задачи сформулируем техническое задание на разработку системы контроля.

1.2

Техническое задание

Назначение: - Система предназначена для сбора, передачи, хранения, обработки и выдачи (отображения) информации.

Состав системы: - блок первичных преобразователей;

- блок коммутации;

- блок аналого-цифрового преобразования;

- блок хранения данных;

- микропроцессорный блок обработки информации;

- устройство отображения информации;

- устройство передачи данных и интерфейса сопряжения;

- программное обеспечение системы.

Способ реализации: - аппаратный, на основе микропроцессоров, однокристальных микро-ЭВМ и специализированных БИС.

Измеряемые параметры и диапазоны измерений: - напряжение от 0 В до 70 В;

- ток от 0 А до 200А;

- температура от 00С до 1000С;

- относительная влажность от 0% до 100%;

Погрешность измерения и отображения данных не более 0,5 %.

Максимальная частота изменения измеряемых величин не менее 7 КГЦ.

Скорость ввода/вывода информации: не менее 100 Мбит/с.

Выполнить детальную проработку измерения напряжения и тока линейной батареи и отправки данных от устройства к персональной ЭВМ через интерфейс USB.

2.

Анализ существующих методов реализации системы контроля

На сегодняшний день существует мало фирм, выпускающих системы контроля для электропитающих установок. Продукция некоторых из них, как Siemens и Elteco, установлена на большинстве АТС Севастополя. Рассмотрим систему контроля Siemens Power Supply System 400 [1], которая установлена на электропитающем оборудовании ОАО «Укртелеком», где была пройдена преддипломная практика. Функциональная схема системы Siemens PSS 400 представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема системы Siemens PSS 400.

Из рисунка 2.1 видно, что к системе подключаются датчики тока, напряжения и температуры. Данные, полученные от датчиков, отображаются на дисплее, а также передаются на локальный компьютер через порт RS 232.

Общие характеристики системы Siemens PSS 400 приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Общая характеристика системы Siemens PSS 400

Системное напряжение 24, 36, 48, 60 В

Диапазон измерения напряжения 0 - 99 В

Точность измерения напряжения Максимум 0,5% диапазона измерения

Системный ток 0 - 2500 А Диапазон измерения температуры 0 - 700С

Питающее напряжение 18 В

Функционирование системы Siemens PSS 400

Система Siemens PSS 400 представляет собой печатную плату с микроконтроллером, которая монтируется в специальную стойку, где расположены выпрямители. К плате подключаются датчик тока напряжения и температуры. На ней размещены три светодиода: - сигнал SV1 говорит о том, что система требует немедленного вмешательства;

- SV2 - сигнал аварии показывает, что нагрузка питается от батареи;

- Mains fault - нарушение общего питания.

Жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей) 2х5 знака предназначен для отображения значения тока, напряжения и температуры. Плата контролирует процесс разряда батареи, отображая текущие параметры на дисплей, сигнализирует об аварийных ситуациях, подсвечивая определенный светодиод, и в случае необходимости подает управляющий сигнал на реле (К10), которым батарея отключается от цепи, для предотвращения глубокого разряда. Система связана с персональным компьютером посредством порта RS 232.

Преимущества использования системы Siemens PSS 400: надежность, гарантированная производителем, сервисное обслуживание системы.

К недостаткам относятся: высокая цена, устаревший морально порт сопряжения с ПК, сложность изготовления системы, а также, узкая направленность.

3.

Проектирование системы контроля

3.1 Разработка функциональной схемы

Исходя из технического задания и выявленных недостатков используемой системы Siemens PSS 400, разрабатываемая система контроля должна включать в себя датчики тока, напряжения, температуры и влажности. Данные от датчиков поступают на аналогово-цифровой преобразователь, где по уровням напряжения генерируется цифровой код, поступающий на микропроцессорный блок для дальнейшей обработки. В процессорном блоке принятый код переводится в форму представления, понятную для оператора. В дальнейшем преобразованные значения передаются на устройство отображения (например, небольшой жидкокристаллический дисплей) и, по организованному интерфейсу, передавать данные на персональный компьютер.

Исходя из этого, составлена функциональная схема системы контроля параметров представленная на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Функциональная схема системы контроля параметров линейной батареи узла коммутации.

3.2

Алгоритм функционирования системы контроля

На приемной стороне, для принятия данных, необходимо запустить драйвер, который сравнит идентификаторы устройства системы контроля с идентификаторами всех подключенных устройств ко всем шинам USB. Затем, обнаружив нужное устройство, отошлет пакет запроса данных, в ответе на который будет содержаться полезная информация для дальнейшей обработки (записи в файл, передачи по сети). В случае ошибки, выведет на экран характерное сообщение.

Перед началом опроса датчиков, системе необходимо настроить интерфейс сопряжения с ПК, подключить к назначенному порту устройство отображения (ЖК-дисплей) и подключить АЦП.

После настройки устройств ввода/вывода информации, системе, первым делом, необходимо определить температуру рабочей зоны, которая должна лежать в пределах от 180С до 220С, а 200С является оптимальной температурой. Если температура не соответствует заданному диапазону, то должен быть подан сигнал о слишком высокой или слишком низкой температуре в рабочей зоне (периодический звуковой сигнал). Если температура превышает плюс 600С, система должна сообщить о возникающей угрозе пожара (продолжительный звуковой сигнал) и отключить питание нагрузки от батареи.

Далее система должна определить влажность рабочей зоны. Диапазон относительной влажности, в котором допускается работа электропитающих установок лежит в пределах от 30% до 80%. В случае несоответствия - вывести на дисплей соответствующее сообщение.

После проверки внешних условий на соответствие рабочему состоянию, система переходит к контролю внутреннего состояния аккумуляторных батарей, а именно, к контролю напряжения и тока выдаваемого на нагрузку при разряде. Для этого определяется, идет ли разряд батареи, путем сравнения вновь полученных данных с датчика напряжения и предыдущими. Если полученное значение меньше предыдущего, значит идет разряд, и необходимо зажечь светодиод «Разряд батареи». Напряжение должно лежать в пределах от 53 В до 68 В, если напряжение на выходе 53 В, то система должна отключить батарею от нагрузки и зажечь светодиод «Батарея отключена». Это необходимо для предотвращения глубокого разряда батареи, в случае которого обратный заряд невозможен. Уровень тока зависит от потребления применяемой нагрузки. Чаще всего АТС потребляют 120 А, поэтому пределы замере тока должны лежать от 0 А до 200 А.

Кроме этого система должна выводить замеренные параметры внешних условий и самой линейной батареи на устройство отображения и передавать данные по настроенному интерфейсу на персональный компьютер. Блок схема модуля программы передачи данных приведена на рисунке 5.1.

На основании словесного описания алгоритма функционирования системы составлена блок-схема алгоритма системы контроля представленная на рисунке 3.2.

3.3 Выбор микроконтроллера

В настоящий день компании выпускающие микроконтроллеры предлагают широкий выбор своей продукции. Выбор должен быть сделан исходя из стоимости микроконтроллера и его функциональности по сравнению с другими его аналогами. На сегодняшний момент на рынке достаточно большое распространение получили микроконтроллеры компании Atmel, которая предоставляет качественную продукцию по невысокой цене, и эти микроконтроллеры достаточно функциональны.

К разрабатываемой системе подключаются различные датчики, поэтому присутствует блок аналогово-цифрового преобразования. Для достижения необходимой точности измерения был выбран 10-разрядный блок АЦП с частотой опроса 15КГЦ. В качестве устройства отображения информации был выбран жидкокристаллический дисплей Alphanumeric LCD Display Model HD44780 компании Densitron [2], который подключается к порту микроконтроллера семью выводами (три для управления и четыре для данных) и имеет разрешение 2х24 знакоместа. Микроконтроллер должен быть достаточно быстродействующим и иметь достаточный объем внутренней памяти, поскольку необходимо обеспечить реализацию USB интерфейса взаимодействия с компьютером.

Для более простой реализации, уменьшения затрат на сборку печатной платы и покупки дополнительных элементов, было принято решение выбрать микроконтроллер со встроенным АЦП и USB портом.

Преимущества такого решения состоит в следующем: - встроенное АЦП избавит от настройки протокола взаимодействия с микроконтроллером, что сократит объем прошивки;

- аппаратно реализованный порт USB в микроконтроллере позволяет не задействовать отдельный порт под его реализацию, также облегчает его программную реализацию.

Недостатком использования такого решения является то, что выход из строя какого-то блока микроконтроллера (АЦП или порт USB) потребует его замены. Однако, с малой розничной ценой и высоким качеством продукции, этот недостаток является незначительным, т.к. выпойка хотя бы одного вышедшего из строя элемента системы потребовала бы специального дорогостоящего оборудования. Предлагаемое решение потребует простой замены микроконтроллера с прошивкой на месте.

Исходя из вышеперечисленных фактов, был выбран микроконтроллер AT90USB1286 компании Atmel [3].

В данном дипломном проекте представлена разработка системы контроля параметров линейной батареи узла коммутации. При выполнении поставленной задачи, был выполнен обзор существующих способов решения проблемы, выявлены недостатки, и, руководствуясь техническим заданием, выполнена разработка системы контроля.

Для ее реализации была изучена соответствующая литература, составлена структурная схема, разработан общий алгоритм функционирования, выполнена реализация интерфейса сопряжения с персональным компьютером (USB), разработаны программные модули системы контроля, представлены их блок-схемы с подробным описанием. Система контроля была смоделирована в симуляторе Proteus, и результаты тестирования подтвердили ее правильную работоспособность.

Также был выполнен расчет экономической целесообразности создания программного продукта, результатом которого является оправданность проектирования системы контроля. Поскольку тема диплома была предложена для изучения на преддипломной практике, пройденной в Севастопольском филиале ОАО «Укртелеком», то в разделах 9 и 10 расчеты были привязаны к конкретному рабочему месту.

Разработанная система контроля может применяться на любых электропитающих установках узла коммутации и при незначительном изменении кода программы, может быть установлена на любых других объектах, где предусмотрено применение аккумуляторных батарей для временного или постоянного питания нагрузки (например, надводные и подводные корабли, автоматические краны, автомобили на электричестве).

Путем дальнейшего усовершенствования является подключение дополнительных датчиков к АЦП, для измерения различных параметров, подключение дополнительных модулей к свободным портам, для решения специфических задач (например, подключение программируемой матрицы, дополнительных светодиодов или управляющих блоков).

1. Siemens Power Supply System 400, документация к оборудованию 13 с.

2. Densitron International PLC “Application Notes for Character Mode LCDS”, документация к оборудованию, 1998. - 24 с.

3. Atmel. 8-bit AVR Microcontroller with 64/128K Bytes of ISP Flash and USB Controller. AT90USB646 AT90USB 647 AT90USB1286 AT90USB1287 / Atmel Corporation, 2006. - 425 с.

4. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному / М. С. Голубцов. - М.: СОЛОН-Пресс, 2003. - 288 с.

5. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel / В. В. Гребенев. - М.: ИП РАДИОСОФТ, 2002. - 176 с.

6. Микроконтроллеры AVR. Вводный курс / Дж. Мортон. Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2006. - 272 с.

7. Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров / Ю. А. Шпак. - К.: МК-Пресс, 2006. - 400 с.

8. «Умный дом» своими руками / В. Н. Гололобов. - М.: НТ Пресс, 2007. - 416 с.

9. ISIS Intelligent Schematic Input System (Интеллектуальна Вистема Ввода Схем). Руководство пользователя. / Пер. с англ. - А.П. Гордейчук, 2004. - 35 с.

10. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы ( CD) / В. Н. Баранов. - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2006. - 288 с.

11. AVR 309: Software Universal Serial Bus (USB). Application Note. / Atmel Corporation, 2006. - 23 с. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/app/micros/avr/AVR309.htm

12. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR. / А. В. Белов. - СПБ.: Наука и техника, 2008. - 544 с.

13. Котельников В. А. О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи - Всесоюзный энергетический комитет. // Материалы к I Всесоюзному съезду по вопросам технической реконструкции дела связи и развития слаботочной промышленности, 1933. Репринт статьи в журнале УФН, 176:7 (2006), 762-770.

14. Основы программирования микроконтроллеров ATMEGA128 и 68hc908. Учебное пособие. / Ю. В. Китаев. - СПБ.: СПБГУ ИТМО, 2007. - 107 с.

15. Интерфейсы USB. Практика использования и программирования. / П.В. Агуров. - СПБ.: БХВ-Петербург, 2004. - 576 с.

16. AVR 120: Characterization and Calibration of the ADC on an AVR. Application Note. / Atmel Corporation, 2006. - 15 с.

17. Code VISIONAVR: пособие для начинающих. / М. В. Лебедев. - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2008. - 592 с.

18. BASCOM AVR - тестируем АЦП (ADC) - аналогово-цифровой преобразователь. /

19. Как устроен Makefile и что это такое? /

20. Разработка устройства USB - как начать работу с библиотеками AVR USB (V-USB) и libusb. /

21. Учебный курс. АЦП микроконтроллера /

22. ДБН В.2.5-28-2006 «Инженерное оборудование зданий и сооружений. Естественное и искусственное освещение» . Введ. 15.05.06. -К.: Минстрой Украины, 2006. - 48с.

23. ДСАНПИН 2.2.7.029-99. «Гигиенические требования к поведению с промышленными отходами и определения их класса опасности для здоровья населения». Введ. 01.07.99. - 42 с.

24. ДСАНПИН 3.3.2-007-98. «Государственные санитарные правила и нормы работы с визуальными дисплейными терминалами ЭВМ». Введ. 01.01.99. -К.: Минздрав Украины, 1999. - 56с.

25. НПАОП 0.00-1.31-99 «Правила охраны труда при эксплуатации электронно-вычислительных машин». Введ. 01.09.99. -К.: Госнадзорохрантруда, 1999. -107с.

26. Методические указания к выполнению практической работы по дисциплине «Охрана труда в отрасли» / Сост. Канд. Техн. Наук Е. И. Азаренко. - Севастополь: Изд-во СЕВНТУ, 2008. - 10 с.

27. Пеклов А.А. Кондиционирование воздуха/ А.А. Пеклов, Т.А. Степанова. - К.: Вищашк., 1978. - 240 с.

28. Методические указания «прогнозирование и оценка обстановки на объекте хозяйственной деятельности при аварии на химически опасных промышленных предприятиях и на транспорте» / - Севастополь: Изд-во СЕВНТУ, 2006. - 23 с.

29. Методические указания «Расчет экономической эффективности создания и использования программного продукта» по дисциплинам «Основы менеджмента и маркетинга», «Менеджмент» для студентов специальностей 7.091501, 7,091401, 7.080401всех форм обучения / Сост. Г.А. Раздобреева, Е.В. Коваль, Т.В. Кулешова. - Севастополь: Изд-во СЕВНТУ, 2004. - 24 с.