Конструирование и технология производства блока управления: Структура дипломного проекта

Автоматизация технологических процессов — ключевая задача современного производства. Когда речь заходит о таком оборудовании, как термодымовая камера КТОМИ–300У, от точности и надежности системы управления напрямую зависит качество конечного продукта. Именно поэтому целью дипломного проекта, который мы разберем, стала разработка не просто концепции, а полностью готового к производству блока управления. Эта статья проведет вас через все этапы этой комплексной инженерной задачи: от анализа технического задания до финального экономического расчета, представляя собой универсальное руководство для выполнения подобных работ.

Как техническое задание и анализ рынка формируют основу проекта

Любой успешный инженерный проект начинается не с паяльника, а с тщательного анализа. Отправной точкой служит техническое задание (ТЗ), в котором зафиксированы все ключевые требования: напряжение питания (например, 24В DC), диапазоны рабочих температур, необходимые входы для датчиков и выходы для управления исполнительными механизмами. После того как требования определены, необходимо изучить рынок существующих решений, чтобы понять, нужно ли «изобретать велосипед».

На рынке представлен широкий спектр аналогов:

• Промышленные ПЛК: Мощные и надежные контроллеры от гигантов вроде Siemens (серия SIMATIC) или отечественного ОВЕН ПЛК. Их главный минус — высокая стоимость и избыточный функционал для нашей конкретной задачи.
• Простые микроконтроллерные решения: Платы вроде Arduino или STM32 Discovery. Они гибки и дешевы, но требуют значительных усилий по разработке «обвязки», обеспечению надежности и защиты, что не всегда оправдано в промышленных условиях.

Сравнив функциональность, стоимость и сложность интеграции, мы приходим к выводу: разработка собственного, специализированного блока управления является оптимальным решением. Такой подход позволяет создать устройство, идеально соответствующее ТЗ, без переплаты за ненужные функции и с полным контролем над всеми аспектами его работы.

Проектируем мозг устройства, или Как работает его принципиальная схема

Сердце любого электронного блока — его принципиальная схема. Чтобы разобраться в ее работе, для начала рассмотрим структурную схему, которая показывает взаимодействие ключевых узлов:

1. Центральный микроконтроллер: Мозг всей системы.
2. Модули ввода: Принимают сигналы от датчиков температуры, дыма и др.
3. Модули вывода: Управляют исполнительными механизмами (контакторы, реле вентиляции и пожаротушения).
4. Узел питания: Преобразует входное напряжение в необходимое для работы всех компонентов.
5. Интерфейсный узел: Обеспечивает связь с другими устройствами, например, по промышленному стандарту RS-485 (протокол Modbus).

В качестве центрального элемента был выбран микроконтроллер семейства STM32. Этот выбор обоснован отличным соотношением производительности, энергопотребления и стоимости, а также широким набором периферийных модулей «на борту». Для управления исполнительными механизмами используются специализированные модули вывода, такие как МУ110-224.16К.

Вся эта логика воплощается в принципиальной схеме, разработанной в специализированной САПР, например, Altium Designer. На ней детально показан каждый резистор, конденсатор и микросхема, а также все электрические связи между ними. Именно эта схема является фундаментальным документом для дальнейшей разработки печатной платы и сборки устройства.

От идеи к логике. Разрабатываем алгоритм и программное обеспечение

Наличие схемы не делает устройство «умным». Его поведение определяет программное обеспечение, в основе которого лежит четкий алгоритм. Для блока управления термокамерой этот алгоритм можно представить в виде последовательности шагов, которая постоянно повторяется в цикле:

1. Инициализация системы: Проверка всех узлов при включении питания.
2. Опрос датчиков: Считывание текущих показаний температуры и дымности.
3. Обработка данных: Сравнение полученных данных с заданными уставками. На этом этапе могут применяться сложные алгоритмы, например, ПИД-регуляторы для плавного поддержания температуры.
4. Принятие решений: Определение необходимости включить или выключить вентиляцию, нагревательные элементы или систему пожаротушения.
5. Выдача управляющих сигналов: Отправка команд на соответствующие исполнительные механизмы.

Этот алгоритм реализуется в виде программного кода, написанного в специализированной среде разработки. Для более сложных систем управления, где требуется визуализация процессов и сбор данных, блок может интегрироваться в общую SCADA-систему (например, INFINITY), которая служит верхним уровнем контроля.

Воплощаем схему в реальность через конструкторскую разработку

Когда электрическая часть и логика определены, начинается этап физического воплощения. Первым шагом является проектирование печатной платы (ПП) — основы, на которой разместятся все электронные компоненты. Этот процесс включает несколько критически важных этапов:

• Компоновка: Размещение элементов на плате с учетом их размеров, тепловыделения и взаимного влияния. Например, силовые цепи располагаются вдали от чувствительных аналоговых.
• Трассировка: Проектирование токопроводящих дорожек, соединяющих компоненты. Ширина дорожек выбирается в зависимости от протекающего тока, а их геометрия оптимизируется для снижения электромагнитных помех.
• Выбор материала: В качестве основы для платы чаще всего используется прочный и диэлектрический стеклотекстолит.

Параллельно ведется разработка корпуса устройства. Здесь важно учесть условия эксплуатации: обеспечить защиту от пыли и влаги, предусмотреть крепления и удобный доступ к разъемам. Результатом этого этапа является полный комплект конструкторской документации, включающий чертежи деталей, спецификации и, самое главное, сборочный чертеж, по которому и будет производиться финальная сборка изделия.

От чертежа к изделию. Продумываем технологию сборки и монтажа

Имея на руках всю документацию, можно приступать к организации производства. Технологический процесс сборки электронного блока — это четко регламентированная последовательность операций, от которой зависит качество и повторяемость изделий. Для современного устройства он, как правило, включает:

• Поверхностный монтаж (SMT): Автоматизированная установка миниатюрных компонентов на поверхность печатной платы.
• Пайка: Чаще всего используется пайка волной припоя или в инфракрасных (ИК) печах. Эти методы обеспечивают высокую скорость и качество соединений.
• Микромонтаж: Установка выводных компонентов, разъемов и других элементов, которые не могут быть установлены автоматически.
• Влагозащита и герметизация: Нанесение специальных лаков или заливка компаундами для защиты электроники от агрессивной среды термодымовой камеры.

На этом же этапе продумывается организация рабочего места монтажника, подбирается необходимое оборудование и инструмент, а также производится нормирование операций — расчет времени, необходимого на выполнение каждой из них. Это ключ к эффективному и предсказуемому производственному циклу.

Как доказать, что устройство не подведет. Расчеты и контроль качества

Разработать и собрать устройство — это половина дела. Необходимо доказать, что оно будет работать надежно и безопасно. Для этого в дипломном проекте предусмотрен раздел расчетов. Ключевым показателем является расчет надежности, который прогнозирует среднее время наработки на отказ (MTBF). Этот параметр рассчитывается на основе статистических данных о надежности каждого отдельного компонента схемы.

Кроме теоретических расчетов, необходим практический контроль качества на производстве. Для серийного выпуска применяется статистический выборочный контроль, когда из партии готовых изделий случайным образом отбирается несколько образцов и подвергается всесторонним испытаниям. Если количество брака в выборке не превышает допустимого, вся партия считается годной.

Наконец, проводится анализ вредных и опасных факторов, а также прорабатываются меры по обеспечению безопасности, например, установка систем искрозащиты для предотвращения возгорания в потенциально взрывоопасной среде.

Считаем деньги. Финальное экономическое обоснование проекта

Последний, но один из самых важных разделов — экономический. Он отвечает на вопрос: «А стоит ли игра свеч?». Расчет экономической целесообразности доказывает коммерческую состоятельность разработки. Его структура включает:

• Калькуляция себестоимости: Расчет прямых затрат на компоненты, материалы и сборочные операции для производства одного блока.
• Оценка затрат на разработку: Учет времени, потраченного инженерами, и других накладных расходов.
• Расчет плановой цены: Определение конечной стоимости изделия с учетом желаемой рентабельности.
• Анализ срока окупаемости: Расчет периода, за который прибыль от реализации проекта покроет все затраты на его разработку и внедрение.

Как правило, такие расчеты показывают, что при мелкосерийном производстве разработка собственного специализированного устройства оказывается значительно выгоднее покупки дорогостоящих промышленных аналогов.

Подводя итог, мы видим, что в результате дипломной работы был создан не абстрактный концепт, а полностью проработанный, задокументированный и готовый к производству блок управления для камеры КТОМИ–300У. Пройденный путь — от анализа технического задания через схемотехнику, конструирование, программирование и технологию до экономического обоснования — является универсальным шаблоном. Следуя этой структуре, можно грамотно и последовательно выполнить любой сложный инженерный проект, получив на выходе качественный и конкурентоспособный продукт.

Список использованной литературы

1. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат : Учебник –М:форум ИНФА-М, 2005.
2. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: учебник для вузов. Под общей ред. В.А. Шахнова М.: Издательство МГТУ им.ж Н.Э. Баумана, 2005.
3. Медведев А.М. Сборка и монтаж электронных устройств М.: Техносфера, 2007.
4. Медведев А.М. Печатные платы Конструкции и материалы : М.: Техносфера, 2005.
5. Медведев А.М. технология производства печатных плат: М: Техносфера, 2005.
6. Грачев А.А Мельник А.А. Панов Л.И. Конструирование электронной аппаратуры на основе поверхностного монтажа компонентов. – М.: НТ Пресс, 2006.
7. Павловский В.В. Васильев В.И., Гутман Т.Н. Проектирование технологических процессов изготовления РЭА. Пособие к курсовому проектированию: Учебное пособие для вузов –М: радио и связь, 1982.
8. ГОСТ 2.710-89 ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах. М., 1989. 20 с.
9. ГОСТ 10317-79. Платы печатные. Основные размеры. М., 1986. 3 с.
10. ГОСТ 10317-79. Платы печатные. Основные параметры конструкции. М., 1986. 11 с.
11. ГОСТ 2.417-91 ЕСКД. Правила выполнения чертежей печатных плат. М., 1990. 4 с.
12. ГОСТ 25346-89. Единая система допусков и посадок. Общие положения, ряды допусков и основных отклонений. М., 1989. 41 с.
13. ГОСТ 2.105-95. Общие требования к текстовым документам. М., Изд-во стандартов, 1995. 38 с.
14. Павловский В.В. Васильев В.И., Гутман Т.Н. Проектирование технологических процессов изготовления РЭА. Пособие к курсовому проектированию: Учебное пособие для вузов –М: радио и связь, 1982.
15. Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоэлектронной аппаратуры: учебное пособие для радиотехнических. Спец техникумов – 4-е издание переработанное и дополненное –М: высш. Шк. 11985.
16. Григорян С.Г. Конструирование электронных систем автоматизации и вычислительной техники» -Ростов н/д: Феникс, 2007.
17. ГОСТ 3.1121-84 ЕСТД Общие требования к комплектности и оформлению.
18. Своровский Д.С., Лосицкая А.И., Салихджанова В.М., Чудаков С.И. Метод статистической оптимизации операции и процессов. М. МИРЭА, 1994
19. И. В. Петров «Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования». Москва. СОЛОН-Пресс. 2004 г.
20. Э. Парр «Программируемые контроллеры. Руководство инженера» перевод с английского. Москва. БИНОМ. 2007 г.
21. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. СанПиН 2.1.3.2630 – 10
22. С. В. Собурь Установки пожарной сигнализации. : Учебное пособие М. : Пожарная книга, 2012
23. Кестер У. Аналогово-цифровое преобразование: Под ред. У. Кестера М.: Техносфера, 2007. 1016 с.; ил.
24. Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналогово-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 1 – М. ДОДЭКА, 1996 г., 384 с.
25. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств.– М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005.–528 с.
26. Компания Агросенсор. Режим доступа: http://www.agrosensor.ru/
27. LM317. 1.2V to 37V voltage regulator. datasheet.– stmicroelectronics, 1998.
28. Никитинский В.З. Маломощные силовые трансформаторы.–М.: «Энергия», 1968.–47 с.
29. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / П. П. Мальцев и др. – М.: Радио и связь, 1994. –240 с.
30. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров/А.-Й. К Марцинкявичюс, Э.-А. К. Багданскис, Р.Л.Пошюнас и др.; Под. ред. А.-Й. К Марцинкявичюса, Э.-А. К. Багданскис.– М.: Радио и связь, 1988.-224 с.; ил.
31. Интегральные микросхемы: Микросхемы для линейных источников питания и их применение. Издание второе, исправленное и дополненное – М. ДОДЭКА, 1998 г., 400 с.
32. Мазель Б. Трансформаторы электропитания.– М.: Энергоиздат, 1982.– 78 с.
33. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. – М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2007.– 592 с.: ил.
34. Хемминг Р. В. Цифровые фильтры. –М.: Недра, 1987. – 221 с.
35. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. –М.: Высшая школа, 1988. – 448 с.
36. Каталог «Блоки питания и трансформаторы Schneider-Electric» (Русская версия). Москва. 2009 г.
37. В.А. Лашин конспект лекций по дисциплине «МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ». РГРТУ. Рязань 2007
38. Гук, М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия / М. Гук. – СПб.: Питер, 2002. – 528 с.: ил.
39. Измерения в электронике: справочник / В.А. Кузнецов [и др.]; под ред. В.А. Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 512 с.: ил.
40. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, импульсные, оптоэлектронные приборы: справочник / А.Б. Гитцевич [и др.]; под ред. А.В. Голомедова. – 2-е изд. стереотип. – М.: КУбК-а, 1997. – 592 с.: ил.