Диссертация (Проектирование устройств автономного электропитания сенсорной телекоммуникационной системы мониторинга состояния газотранспортных сетей), страница 17

Основным параметром является критерий отказа,которым является отказ n элементов, где n – максимальное число последовательносоединенных модулей БСТС, через которые приемо-передающее устройствоможетгарантированнопередатьинформациюотехническомсостояниимагистрального газопровода. Построение структурной схемы надежности можетбыть осуществлено в подсистеме АСОНИКА-К-СИ.На основе данных схемотехнического моделирования и техническихусловий на ЭРИ проводится расчет интенсивности отказов составных частей (СЧ)беспроводной сенсорный сети (блок А42) в соответствии с математическимимоделями из выбранного справочника надежности.

С целью автоматизации-131процедур обеспечения требований по показателям надежности могут бытьиспользованыспециализированныепрограммныекомплексы(WindchillQualitySolutions, АСОНИКА-К-СЧ и др.).Дажеприобеспечениивысокихтребованийпроектированияипроизводства элементов БСТС, качество работы всей системы будет зависеть отсостояния радиоканала, которое зависит от параметров местности, а такжеметеорологических условий.

Блок А43 предусматривает оценку надежностирадиоканала в соответствии с методикой, изложенной в [106]. В некоторыхслучаях данный этап может быть опущен, например, когда информацияпередается на незначительные расстояния, приемник и передатчик находятся взоне прямой видимости, а метеорологическая и геомагнитная обстановкистабильны.Таким образом, вероятность безотказной работы всей системы будетопределяться показателями надежности составных частей (модулей БСТС),надежностью радиоканала и структурной схемой надежности.Расчет вероятности безотказной работы БСТС в блоке А44 может бытьосуществлен с использованием подсистемы АСОНИКА-К-СИ, которая, в первуюочередь, предназначена для расчетов показателей надежности «сложных» изделий(изделий, имеющих раздельное резервирование) по данным о характеристикахнадежности составных частей и параметрам резервированных групп.По результатам расчета показателей надежности проводится проверкасоответствующих требований (блок А45), и, в случае их удовлетворения, данныепоступают в комплект конструкторской документации.

Если в результатеразработки модулей БСТС значение вероятности безотказной работы несоответствует заданным требованиям, то формируются рекомендации, которыечерез обратные связи передаются на этапы выбора детекторов утечки метана,проектирования системы электропитания и приема передачи.-132-4.2СПРОГРАММЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙцельюобеспеченияповышенияэффективностипроводимыхэкспериментальных проверок необходимо разработать программу исследований,представляющую собой регламентированный план действия в соответствии сразработанной методикой.1.

Формирование ТЗВ техническом задании на проектирование автономного устройстваэлектропитания БСТС мониторинга состояния ГТС указывается: предельная стоимость; требуемая надежность; протяженность участка; географические координаты; требования к температурным режимам эксплуатации; требования к вибрационной стойкости; требования к пыле- и влагозащищенности.Отдельно формируются требования для каждого узла сенсорного модуля.2.

Выбор детектора утечки метана2.1.Проведениеэкспериментальныхисследованийсцельюполученияизолинии распределения концентрации метана.2.2.Выбор детектора утечки метана по критериям чувствительности, стоимостии надежности.2.3.Расчет предельных расстояний размещения детектора утечки метана.3. Определение параметров источников энергии3.1.Определениепараметровисточниковветрогенератор и аккумулятор.энергии:солнечнаяпанель,-1334. Схемотехническое проектирование4.1.Разработка принципиальной схемы устройства.4.2.Схемотехническое моделирование узлов устройства в программномкомплексе MicroCap.4.3.Анализ электрических характеристик.4.4.Формирование спецификации на электрорадиоизделия.5. Конструкторское проектирование5.1.Разработка трассировки печатной платы5.2.Тепловое моделирование элементов конструкции и печатных узлов впрограммном комплексе АСОНИКА-ТМ или SolidWorks.5.3.Моделирование вибрационных воздействий на конструкции и печатныеузлы в программном комплексе АСОНИКА-ТМ или SolidWorks.5.4.Анализ тепловых и механических характеристики с учетом требований попыле- и влагозащищенности.6.

Расчет показателей надежности6.1.Построение структурной схемы надежности изделия.6.2.Расчетинтенсивностибезотказнойработыэлектрорадиоизделийвсоответствии со спецификацией с использованием подсистемы АСОНИКАК-СЧ.6.3.Расчет вероятности безотказной работы беспроводной БСТС мониторингасостояния ГТС с использованием подсистемы АСОНИКА-К-СИ.6.4.Анализ результатов обеспечения надежности.7. Изготовление модуля7.1.Изготовление печатных плат методом фотолитографии;7.2.Монтаж электрорадиоэлементов на печатные платы;7.3.Программирование микроконтроллеров.8. Тестирование модуля8.1.Функциональный контроль печатных узлов;8.2.Тепловые и вибрационные испытания печатных узлов.-1349. Экспериментальные исследованийФормирование выборки аккумуляторов в количестве 2-ух изделий, модель9.1.GP T02;Заряд аккумулятора с использованием стандартного зарядного устройства9.2.IMAX B6AC;9.3.Заряд аккумулятора с использованием разработанного контроллера;9.4.Эксперимент 1.

Тестовый разряд аккумуляторов;9.5.Анализ результатов эксперимента 1;9.6.Построение беспроводной сенсорной телекоммуникационной системы издвух модулей;Эксперимент9.7.2.Тестированиеалгоритмовуправлениярежимами(интервалами) передачи информации в зависимости от имитируемыхусловий окружающей среды;9.8.Анализ результатов эксперимента 2;9.9.Эксперимент3.Тестированиеалгоритмовуправлениямощностьюприемопередающего устройства в условиях изменения расстояния междумодулями, имитирующими последовательный отказ;9.10. Анализ результатов эксперимента 3;ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РАЗРАБОТАННОГО МЕТОДА И4.3МЕТОДИК1.Для проверки разработанного метода проектирования был проведенэксперимент для определения требуемой чувствительности утечки газа.

Баллон с-135закаченным под давлением 3 атм природным газом устанавливался на ровнуюплощадку с размерами 100×100 м2. Из метеорологической сводки с сайтаGismeteo предварительно была запрошена информация о текущем направлении искорости ветра. После чего из трубки с отверстием диаметром D=3 мм,расположенной на высоте 2 см над поверхностью земли, выпускался газ. Цельюданногоэкспериментабылоопределитьраспределениеразныхуровнейконцентрации газа в зависимости от отдаленности от места утечки. Для измеренияконцентрации использовался портативный детектор обнаружения утечки газа.После усреднения полученных результатов были простроены изолиниираспределения газа, изображенные на рисунке 4.6.Рисунок 4.6 - Изолинии распределения концентрации метана вдоль оси облакавыброса, при U=5 м/секБыло определено, что при самой распространенной средней скорости ветрана территории России, составляющей 5 м/с, максимальный уровень концентрации-136газа находится в пределах 100 метров.

Следовательно, детектор утечки газанеобходимо выбирать с чувствительностью, соответствующей50 ppm*m приусловии его размещения на расстоянии не более 100 метров от МГ.Такимобразом,используяформулы(2.21)былорассчитано,чтомаксимальное расстояние между модулями не должно превышать 50 метров.2.Была разработана принципиальная схема автономного устройстваэлектропитания, представленная на рисунке 4.7, позволяющая реализоватьописанный в третьей главе функционал, в том числе в части заряда никельметалл-гидридного аккумулятора.Рисунок 4.7 - Принципиальная схема блока заряда NiMH аккумулятораОсновнымуправляющимэлементомвданнойсхемеявляетсямикроконтроллер ATmega328, выполняющий следующие основные функции:- Контроль уровней мощности от альтернативных источников энергии истепень заряда аккумулятора;- Управление алгоритмом заряда аккумулятора;-137- Анализ измеренной информации и формирование соответствующихуправляющих сигналов в части управления энергопотреблением и другихфункциональных особенностей, заложенных описанными в третьей главеалгоритмами;- Управления приемо-передающим узлом.Программирование микроконтроллера выполняется при помощи языкаArduino, построенного на базе языка Wiring и среды разработки Arduino.С целью повышения энергоэффективности устройства в данной схеме былииспользованы стабилизаторы модели LP2890.

Главной их особенностью являетсялогический уровень, управляющий сигналом, что позволяет получать вопределенном интервале входного напряжения (от ветрогенератора и солнечнойпанели) заданное стабильное напряжение, а также дает возможность управлятьмоментами подключения и отключения альтернативных источников энергиипрямыми сигналами от микроконтроллера.Длякомпьютерногомоделированиябылиспользованпрограммно-аппаратный комплекс MicroCAP, с помощью которого и был проведенсхемотехнический анализ. Принципиальная схема устройства в среде MicroCAPпредставлена на рисунке 4.8.Рисунок 4.8 - Принципиальная схема устройства в ПАК MicroCAPСпецификация разработанного устройства сведена в таблицу 4.1.-138Таблица 4.1 - База элементовОбозначениеХарактеристикаR1, R3, R6, R81 кОмR2, R4, R50,1 ОмR710 кОмC3, C422 пФC5100 нФC10,47 мкФICATmega328D1, D2, D3, D4,D5SS14Наименование0,125 Вт, 0805, 5 % SMDрезистор0,5 Вт, 5 %, 0805, SMDрезистор0,125 Вт, 1 %, 0805, SMDрезистор50 В, 5 %, 1206, SMDконденсатор10 %, 0402, 16 В SMDконденсаторX7R, 50 В, 10 %, SMDконденсаторMCU, 8 BIT, AVR, 32 KFLASHSMD Диод ШотткиКоличество4 штуки3 штуки1 шутка2 штуки1 штука1 штука1 шутка5 штук1812, SMDF1, F2, F3100 мАСамовосстанавливающийся3 шуткипредохранительINA138INA138REF30125ВТП-канальный,полевойLP2890LP2890ZQ16 МГцSMD, ИзмерительныйусилительSMD, источник опорногонапряженияSMD, транзисторSMD, стабилизаторнапряженияSMD кварцевый генератор3 штуки1 штука1 штука3 штуки1 штука-139Также с использованием программного комплекса Sprint-Layout былавыполнена трассировка для предложенной печатной платы, которая представленана рисунках 4.9 и 4.10.Рисунок 4.9 - Общий вид трассировки печатной платыРисунок 4.10 - Верхний слой печатной платыПроверка алгоритма заряда аккумулятораВ результате схема была собрана (рисунок 4.11) и протестирована при работеот альтернативных источников энергии.