Выбор и анализ базиса исполнения модуля ип/асвк.

При выборе элементной базы предпочтение отдается элементам и устройствам применяемым при производстве других блоков и устройств системы автоматического управления газотурбинной установкой.

Для реализации источника питания была выбрана микросхема TEN 15-2411 фирмы TRACO POWER. Основные технические характеристики микросхемы:

• рабочий диапазон температур от -25 до +71⁰С

• постоянная защита от короткого замыкания

• напряжение изоляции вход/выход 1500 В

• экранированный металлический корпус с изолированной подложкой

• входное напряжение 18-36 В

• входной ток 25 мА

• выходное напряжение 5В

• максимальный выходной ток 3000 мА

• стабилизация выходного напряжения 1%

• температурный коэффициент ±0.02% / ⁰С

Для построения аппарата системы встроенного контроля используется микросхема АТ90S2313 (микроконтроллер). АТ90S2313 - экономичный 8 битовый КМОП микроконтроллер, построенный с использованием расширенной RISC архитектуры AVR. AT90S2313 имеет производительность около 1MIPS на МГц.

AT90S2313 имеет следующие возможности:

• 2кБ загружаемой флэш-памяти;

• 128 байт EEPROM;

• 15 линий ввода/вывода общего назначения;

• 32 рабочих регистра;

• настраиваемые таймеры/счетчики с режимом совпадения;

• внешние и внутренние прерывания;

• программируемый универсальный последовательный порт;

• программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором;

• SPI последовательный порт для загрузки программ;

• два выбираемых программно режима низкого энергопотребления;

• напряжение питания 2.7 – 6 В;

Для реализации функции контроля питания выбрана микросхема МАХ 707 (супервизор). Данная микросхема позволяет формировать сигнал сброса (RESET) при падении питающего напряжения ниже 4.40 В.

Основанные характеристики микросхемы МАХ 707:

• напряжение питания 0.3 – 6 В;

• входной ток 20 мА;

• выходной ток 20 мА;

• температурный диапазон 0…+70⁰С.

Разработка принципиальной схемы модуля ип/асвк.

Электрическая принципиальная схема приведена на чертеже 8Т5.002.001.

Разъем ХР3 предназначен для связи с универсальным модулем ВВОДА-ВЫВОДА UNIO96-5 и последующей связи с центральным вычислителем системы. Эта связь служит для передачи сигналов с модулей преобразователей GrayHill. Сигнал закрытия стопорного клапана (4IO0) идущий от центрального вычислителя через диодную логику ИЛИ (VD1, VD2) проходит на разъем ХР1. Разъем ХР1 предназначен для связи с объединительной платой TBI16-L.

На контроллер AT90S2313 (DD2) поступают сигналы:

• сигнал SRT – в двунаправленный порт D2 (контакт №6). Альтернативной функцией этого порта является ввод внешних прерываний в контроллер;

• сигнал исправности БЗД, генерируемый центральным вычислителем – в двунаправленный порт D0 (контакт №2);

• сигнал ”метка FMC” – в двунаправленный порт D3 (контакт №3);

• сигналы от задающего кварцевого резонатора – контакты №4 XTAL2 и №5 XTAL1;

• общий провод - контакт №10 GND;

• питание 5 В – контакт №20 VCC.

Котроллером генерируются сигналы:

• сигнал на закрытие стопорного клапана – в двунаправленный порт В4 (контакт №16);

• сигнал исправности БЗД – двунаправленный порт В2 (контакт №14).

Сигнал на закрытие стопорного клапана через диодную логику VD1, VD2 проходит на разъем XP1.

На микросхему МАХ 707 (супервизор DD1) поступают сигналы:

• питание 5 В - контакт 2 VCC;

• общий провод – контакты №3 GND и №4 PFI.

Микросхемой генерируется сигнал RST контакт №8 при падении напряжения питания ниже 4.40 В.

В качестве задающего резонатора используется кварцевый резонатор РПК01-НС-49U 7.3728 МГц (BQ1) имеющий высокую стабильность частоты выходного сигнала.

Основные характеристики резонатора:

• точность настройки ±0.003% при +25⁰С;

• температурная стабильность ±0.005% в диапазоне температур от -20⁰С до +70⁰С.

Согласно требованиям электрического подключения микроконтроллера АТ90S2313 необходимо использование двух конденсаторов номиналом 33пФ. Данные конденсаторы должны быть установлены на выходе кварцевого резонатора.

Основные характеристики конденсаторов C1 и С2:

• номинальная емкость – 33 пФ;

• температурный диапазон от -55⁰С до +125⁰С:

• рабочее напряжение 50В.

Основные характеристики диодов VD1, VD2 используемых для реализации диодной логики ИЛИ:

• максимальное обратное напряжение 50 В;

• максимальный прямой ток 1 А.

Основные характеристики соединителей XP1, XP2, XP3 IDC26-MS

• предельный ток 1А;

• предельное напряжение 500В;

• сопротивление изолятора не менее 1000 Ом;

• температурный диапазон от -40⁰С до +105⁰С;

• количество контактов – 26.

Для реализации блока питания используется микросхема фирмы TRACO POWER TEN 15-2411.

На микросхему TEN 15-2411 поступает внешнее питающее напряжение 24 В и общий провод внешнего питания 0В24. 24 В подается на контакт №1, общий провод на контакт №2. Выходом микросхемы является изолированное от входного напряжения напряжение номиналом 5В. Согласно требованиям электрического подключения микросхемы использованы два конденсатора на входе и выходе микросхемы: С3 и С4. Номинал С3 – 4.7 мкФ, номинал С4 – 10 мкФ.

Основные технические характеристики конденсатора С3:

• номинальная емкость – 4.7 мкФ;

• температурный диапазон от -55⁰С до +125⁰С:

• рабочее напряжение 50В.

Основные технические характеристики конденсатора С4:

• номинальная емкость – 10 мкФ;

• температурный диапазон от -55⁰С до +85⁰С;

• рабочее напряжение 16В.

В качестве соединителей для источника питания используются клеммные соединители фирмы WAGO 236-102.

Основные технические данные клеммных соединителей WAGO 236-102:

• площадь сечения используемого провода – 2.5 мм²;

• максимально допустимый ток – 3А;

• максимально допустимое напряжение – 500В.

Разработка печатной платы и сборочного чертежа модуля ИП/АСВК.

Основным требованием к размеру печатной платы модуля ИП/АСВК является соответствие габаритных и присоединительных размеров плате УФИ 8Т5.104.227.

Размер платы – 98.75 х 72.0.

Класс точности – 4-ый класс точности.

Материал основания – стеклотекстолит СТФ – 2 – 35 – 1.5 ТУ-16-503.161-83.

Расчет диаметров монтажных отверстий проводится по формуле:

d = d_в + 0.2 мм

Диаметр переходных отверстий - 0.8 мм

Диаметр монтажных отверстий для соединителей XP1…XP3, XT1, XT2:

Диаметр выводов d_в = 0.7 мм

Диаметр монтажных отверстий d = 0.9 мм

Диаметр монтажных отверстий для резонатора BQ1 и микросхемы DD3:

Диаметр выводов d_в = 1.0 мм

Диаметр монтажных отверстий d = 1.2 мм

Диаметр контактных площадок:

Для отверстий диаметром 0.8 мм диаметр контактной площадки 1.2 мм.

Для отверстий диаметром 0.9 мм диаметр контактной площадки 1.3 мм.

Для отверстий диаметром 1.0 мм диаметр контактной площадки 1.8 мм.

Первый контакт соединителей XP1, XP2, XP3 обозначен контактной площадкой в виде квадрата размер стороны которого 1.3 мм.

Выбор размеров контактных площадок элементов поверхностного монтажа производился в соответствии с инструкцией 8Т0.005.004 ”Установка элементов на печатные платы изделий народного потребления”.

Ширина печатных проводников.

Для сигнальных цепей – 0.15 мм.

Для цепей питания – 0.7 мм.

Минимальный зазор между проводниками – не менее 0.15 мм.

Трассировка печатной платы ИП/АСВК приведена на чертеже 8Т7.103.001.

Расчет надежности блока ИП/АСВК.

Расчет интенсивностей отказов ЭРИ отечественного производства проведен в соответствии с методикой и рекомендациями по расчету надежности ЭРИ, изложенными в Справочниках [1,2].

Эксплуатационные интенсивности отказов э ЭРИ рассчитаны по математическим моделям следующего вида:

э = _б Кр_i=1^nКi ; э = _б.с.г. Кр_i=1ⁿ Кi ;

или

э = _б_i=1ⁿ Кi ; э = _б.с.г. _i=1ⁿ Кi ;

где

_б(_б.с.г.) – исходная интенсивность отказов типа ( группы) ЭРИ, приведенная к номинальной электрической нагрузке при температуре окружающей среды t= 25^оС;

_б (_б.с.г.) – исходная интенсивность отказов типа (группы) ЭРИ для усредненных режимов применения в аппаратуре группы 1.1 (аппаратура стационарных помещений, сооружений).

Кр – коэффициент режима для пересчета исходной интенсивности отказов к требуемым режимам применения ЭРИ в аппаратуре.

Кпр - коэффициент приемки отражает Ур-ни качества изготовления изделий с приемкой 5 и с приемкой. Для изделий с приемкой 5 принято значение Кпр=1.

Кэ - коэффициент эксплуатации показывает во сколько раз условия эксплуатации в требуемой аппаратуре жестче чем в аппаратуре гр. 1.1. (для этой группы Кпр=1).

Кст – учитывает сложность интегральной схемы и температуры окружающей среды.

Кs1 – определяется отношением рабочего напряжения полупроводникового прибора к максимально-допустимому напряжению по ТУ.

Кд.н – определяется максимально допустимой нагрузкой полупроводникового прибора по мощности рассеяния.

Кс – определяется величиной емкости конденсатора.

Кпс – определяется величиной последовательно включенного с оксидно-полупроводниковым конденсатором активного сопротивления.

Ккк - определяется количеством задействованных контактов соединителя.

Ккс – определяется количеством сочленений – расчленений соединителя в течении всего времени эксплуатации

n - число учитываемых факторов.

В виду отсутствия необходимой информации для расчета интенсивности отказов импортных элементов для расчета использовались данные по отечественным элементам-аналогам.

Исходные данные для расчета и значения интенсивности отказов элементов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - значения интенсивности отказов используемых элементов.

Тип элемента	Тип отечественного изделия-аналога	Исходные данные	э10-6, ч-1
Микросхема МАХ 707	_______________	___________________	0,0258
Микросхема АТ90S2313	1806ВМ2 (микропроцессор)	б.с.г.=0.017 10-6 ч-1; Кст=13.65; Ккорп=1; Кv=1; Кис=1; Кэ=1; Кпр=1	0,232
Микросхема Блок питания TEN 15-2411	______________	________________	0.8333
Резонатор РПК01-НС-49U	РК319(4-20 МГц)	б=0.02 10-6 ч-1; Кт=1.64; Кэ=1; Кпр=1	0.0328
Диод SM4001	КД226В диод	б=0.09*10-6 ч-1; Кр=0,0948; Кэ=1; Кпр=1; Кф=0.6; Кs1=0.7; Кдн=0.8	0.0029
ЧИП конденсатор NPO 0805	К10-17…К10-60 (керамические)	б =0.02 10-6 ч-1; Кр=0.18; Кэ=1; Кпр=1; Кс=1.6 (33пф)	0.0058
ЧИП конденсатор Y5V 2512	К 10-47А керамический, постоянной емкости	б=0.02 10-6 ч-1; Кр=0.18; Кэ=1; Кпр=1; Кс=1.454	0.0052
ЧИП конденсатор танталовый	К52 (объемно пористый танталовый)	б =0.125 10-6 ч-1; Кр=0.18; Кэ=1; Кпр=1; Кс=0.9 (10мкф)	0.0203
Вилка IDC-26 MS	низкочастотный соединитель для печатного монтажа типа CHП 58	математическая модель для расчета э соединителей: э =б Кр Ккк Ккс Кэ Кпр, где б= 0.00112 10-6 ч-1; Кэ=1; Кпр=1; коэффициент, зависящий от сочленений-расчленений, Ккс=0.32 (для реального применения в диапазоне n=1-25); коэффициент режима выбран равным Кр=0.88 (для температуры перегрева контактов tп30оС); значение Ккк зависит от количества задействованных контактов. Для числа контактов 26 Ккк=5.11	0.0016
Клемма WAGO 236-102	низкочастотный соединитель для печатного монтажа типа CHП 58	Модель та же. Кк=1,72 при числе контактов 4	0,0005

В связи с тем, что на модуле ИП/АСВК реализованы и источник питания и аппарат системы встроенного контроля необходимо рассчитать надежность источника питания и аппарата системы встроенного контроля отдельно.

Надежность аппарата системы встроенного контроля.

Анализ электрической принципиальной схемы ИП/АСВК показывает, что к несрабатыванию аппараты системы встроенного контроля могут привести отказы микроконтроллера АТ90S2313, микросхемы МАХ 707, соединителей IDC-26 MS, резонатора РПК01-НС-49U, конденсаторов NPO 0805, диодов SM4001

Схема несрабатывания системы встроенного контроля приведена на рисунке 1

Рисунок 1. Схема несрабатывания системы встроенного контроля.

Интенсивность отказов аппарата системы встроенного контроля равна:

э_АСВК = _IDC-26+(_IDC-26 + _{MAX 707} + _{РПК01-HC-49U} + _NPO0805*2 + _AT90S2313 + _SM4001)* _SM4001 + _IDC-26.

э_АСВК = (0,0016 + (0,0016 + 0,0258 + 0,0328 + 0,0058*2 + 0,232 + 0,0029)*0,0029 + 0,0016) * 10^-6 = 0,0039*10^-6, ч^-1.

Надежность источника питания.

Анализ электрической принципиальной схемы показывает, что к выходу из строя блока питания могут привести отказы микросхемы TEN 15-2411, танталового конденсатора и конденсатора Y5V, соединителей WAGO.

Схема несрабатывания источника питания приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема несрабатывания источника питания.

Интенсивность отказов источника питания равна:

э_ИП = _WAGO*2 + _{Y5V 2512} + _TEN15-2411 + _{танталовый конденсатор}

э_ИП = 0.0005*2 + 0.0052 + 0.8333 + 0.0203 = 0.8598*10^-6, ч^-1.

Необходимо ввести коэффициент (Котн), оценивающий отказы электронных плат и устройств конструктивно-производственного характера по вине разработчика и изготовителя. По принятой на предприятии методике для суммарной наработке 300 000 ч используется значения Котн = 1.45, для периода начала эксплуатации Котн = 3.4, для установившейся эксплуатации (при достижении суммарной наработке 800 000 ч) - Котн =1.3.

На основе этих данных для наработки в 100 000ч принято значение Котн = 2.4. Поскольку с увеличением суммарной наработки уровень коэффициента Котн в диапазоне от 800 000ч до 10 000 000ч изменяется незначительно и практически поддерживается постоянным в пределах 1.2-1.3, то для наработки 10 000 000ч значение коэффициента принимается равным 1.2.

С учетом этого:

Для этапов эксплуатации значения э

• для суммарной наработки 100 000 ч

_АСВК = э_АСВК * Котн = 0,0039*10^-6 * 2.4 = 0.0094*10^-6 ч^-1;

_ИП = э_ИП * Котн = 0,8598*10^-6 * 2.4 = 2.0635*10^-6 ч^-1;

• для суммарной наработки 10 000 000 ч

_АСВК = э_АСВК * Котн = 0,0039*10^-6 * 1.2 = 0.0047*10^-6 ч^-1;

_ИП = э_ИП * Котн = 0,8598*10^-6 * 1.2 = 1.0318*10^-6 ч^-1;