Помощь студентам в учебе
Проектирование эксплуатационного бортового устройства регистрации для дорожно-строительной техники
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ РЕШЕНИЙ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕПЦИИ БОРТОВОГО САМОПИСЦА ДЛЯ
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 12
1.1 Сравнительный анализ существующих бортовых самописцев.
Бортовой контроллер мониторинга транспорта «АвтоГРАФ-GSM+» 12
1.2 Телематическая платформа «LOCARUS 702x» 13
1.3 Навигационный контроллер Galileo GPS/ГЛОНАСС 2.5 14
1.4 Навигационный контроллер Arnavi 4 15
1.5 Навигационный контроллер Mielta M3. Общее сравнение бортовых
самописцев 16
Навигационный контроллер Mielta M3 19
1.6 Концепция бортового самописца 20
Анализ представленных на рынке бортовых самописцев показал, что ни одно из имеющихся на рынке решений АвтоГРАФ-GSM-, LOCARUS 702x, Galileo GPS/ГЛОНАСС 2.5, Arnavi 4, Mielta M3 не подходит для использования в качестве сборщика основных диагностических параметров работы гусеничной
машины с возможностью дальнейшего преобразования, передачи и обработки информации по причинам: отсутствия необходимого функционала и параметров нужных для полноценного выполнения технического задания 21
2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ БОРТОВОГО
САМОПИСЦА ДЛЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 23
2.1 Цель и назначение работы 23
2.2 Процесс выполнения работ 24
2.3 Требования к разрабатываемому устройству 24
3 РАЗРАБОТКА БОРТОВОГО УСТРОЙСТВА РЕГИСТРАЦИИ 26
3.1 Разработка структурной схемы бортового самописца 26
3.2 Выбор элементной базы для разработки бортового самописца 27
3.2.1 Микроконтроллер 27
3.2.2 GSM/GPRS модуль 28
3.2.3 Приемопередатчик CAN 30
3.2.4 SD-карта 31
3.2.5 Трансивер 32
3.2.6 Держатель для SIM-карты 33
3.2.7 Преобразователи напряжения 34
3.2.8 Защита от короткого замыкания и переполюсовки 41
3.3 Составление функциональной схемы и электрической принципиальной схемы 50
4 РАЗРАБОТКА РЕЗЕРВНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ БОРТОВОГО УСТРОЙСТВА РЕГИСТРАЦИИ. СОСТАВЛЕНИЕ ОБЩЕЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ 51
4.1 Описание резервного питания бортового устройства регистрации .. 51
4.2 Подбор элементной базы для резервного источника питания.
Составление функциональной схемы 51
4.2.1 Аккумуляторная батарея 52
4.2.2 Повышающе-понижающий преобразователь 53
4.3 Составление общей функциональной схемы и электрической
принципиальной схемы 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 59
ПРИЛОЖЕНИЕ А 65
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ РЕШЕНИЙ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕПЦИИ БОРТОВОГО САМОПИСЦА ДЛЯ
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 12
1.1 Сравнительный анализ существующих бортовых самописцев.
Бортовой контроллер мониторинга транспорта «АвтоГРАФ-GSM+» 12
1.2 Телематическая платформа «LOCARUS 702x» 13
1.3 Навигационный контроллер Galileo GPS/ГЛОНАСС 2.5 14
1.4 Навигационный контроллер Arnavi 4 15
1.5 Навигационный контроллер Mielta M3. Общее сравнение бортовых
самописцев 16
Навигационный контроллер Mielta M3 19
1.6 Концепция бортового самописца 20
Анализ представленных на рынке бортовых самописцев показал, что ни одно из имеющихся на рынке решений АвтоГРАФ-GSM-, LOCARUS 702x, Galileo GPS/ГЛОНАСС 2.5, Arnavi 4, Mielta M3 не подходит для использования в качестве сборщика основных диагностических параметров работы гусеничной
машины с возможностью дальнейшего преобразования, передачи и обработки информации по причинам: отсутствия необходимого функционала и параметров нужных для полноценного выполнения технического задания 21
2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ БОРТОВОГО
САМОПИСЦА ДЛЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 23
2.1 Цель и назначение работы 23
2.2 Процесс выполнения работ 24
2.3 Требования к разрабатываемому устройству 24
3 РАЗРАБОТКА БОРТОВОГО УСТРОЙСТВА РЕГИСТРАЦИИ 26
3.1 Разработка структурной схемы бортового самописца 26
3.2 Выбор элементной базы для разработки бортового самописца 27
3.2.1 Микроконтроллер 27
3.2.2 GSM/GPRS модуль 28
3.2.3 Приемопередатчик CAN 30
3.2.4 SD-карта 31
3.2.5 Трансивер 32
3.2.6 Держатель для SIM-карты 33
3.2.7 Преобразователи напряжения 34
3.2.8 Защита от короткого замыкания и переполюсовки 41
3.3 Составление функциональной схемы и электрической принципиальной схемы 50
4 РАЗРАБОТКА РЕЗЕРВНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ БОРТОВОГО УСТРОЙСТВА РЕГИСТРАЦИИ. СОСТАВЛЕНИЕ ОБЩЕЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ 51
4.1 Описание резервного питания бортового устройства регистрации .. 51
4.2 Подбор элементной базы для резервного источника питания.
Составление функциональной схемы 51
4.2.1 Аккумуляторная батарея 52
4.2.2 Повышающе-понижающий преобразователь 53
4.3 Составление общей функциональной схемы и электрической
принципиальной схемы 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 59
ПРИЛОЖЕНИЕ А 65
Развитие строительной и землеройной техники отечественного производства идет по пути усложнения узлов и агрегатов машин, роста энерговооруженности и уровня компьютеризации. Все это влечет за собой усложнение сервиса. Без его должной организации потребитель будет страдать - ведь сложную технику без специальной подготовки, оборудования и инструмента отремонтировать, а уж тем более восстановить не смогут даже легендарные «народные российские умельцы». Заказчик заинтересован, чтобы техника как можно меньше простаивала по техническим причинам и чтобы уменьшились простои в период плановых и аварийных ремонтов. Поэтому одной из наиболее важных составляющих эффективной эксплуатации является принятая система технического обслуживания и ремонта [1-4].
На сегодняшний день практически вся дорожно-строительная техника эксплуатируется «по наработке». Однако все более остро встает задача реализации научного прогнозирования остаточного ресурса машин для обеспечения безаварийной работы в заданный промежуток времени, что особенно важно в условиях старения парка. Известны два пути решения данной задачи:
1) создание универсальных диагностических систем на базе дорогостоящих диагностических комплексов;
2) дооборудование строительных машин бортовыми устройствами регистрации.
В последнее время производители строительной и землеройной техники для прогнозирования остаточного ресурса машин дооборудуют транспорт бортовыми устройствами регистрации (сокращенно «БУРами») или так называемыми бортовыми самописцами. Задача проектирования бортовых самописцев - задача, которая ставится перед сотрудниками конструкторского бюро (КБ) предприятия [4-7].
Бортовой самописец - это сборщик основных диагностических параметров работы транспортного средства, воздушного судна с дальнейшим преобразованием и передачей информации с помощью современных средств связи в специальные диагностические центры, осуществляющие ее аккумулирование и обработку.
По функциональному назначению бортовые самописцы подразделяются на аварийные, эксплуатационные и испытательные.
- аварийные бортовые самописцы для накопления и сохранения полетной информации, которая может быть использована при расследовании инцидентов, аварий и катастроф;
- эксплуатационные системы регистрации записывают значительно большее число параметров, чем аварийные бортовые самописцы (число параметров доходит до 2000); накопитель эксплуатационного регистратора защиты не имеет и при авариях не спасается;
- испытательные системы регистрации используются при проведении различного рода летных испытаний образцов авиационной техники [8-10].
Для предприятий-производителей дорожно-строительной техники, каковым является завод «ДСТ-Урал», актуальна задача дооборудования каждой из производимых машин эксплуатационным бортовым самописцем, который будет фиксировать текущие значения параметров основных агрегатов бортового оборудования, а именно - давление в правой и левой ходовых магистралях, давление в контуре навесного оборудования, давление масла в двигателе, моточасы, а также будет определять местоположение машины и фиксировать факты простоя гусеничной техники.
Анализ представленных на рынке бортовых самописцев показал, что подобные устройства существуют. Так, известен бортовой контроллер мониторинга транспорта «АвтоГРАФ-С8М+» производства ООО «ТехноКом» города Челябинска, выпущенный в 2011 году. Это компактный электронный самописец регистрирует скорость, направление движения, ускорение, высоту, пробег и различные события [11].
При этом, если по каким-то причинам передача данных на сервер по основному каналу невозможна, устройство использует для передачи данных резервный канал.
Кроме того, контроллер позволяет обмениваться с диспетчером сообщениями и заданиями посредством SMS-сообщений и голосовой связи, а также с помощью дисплея связи с водителем, управлять внешними устройствами через дискретные выходы и шины данных. Основные возможности данного устройства: объем записываемой информации составляет 270000 записей, обеспечивая их хранение в течении длительного времени; в бортовом контроллере установлен GSM- модем, который осуществляет доступ контроллера в сеть сотовой связи.
Однако, этот бортовой контроллер обладает следующими недостатками:
1) избыточный для дорожно-строительной техники функционал (модуль голосовой связи, модуль дополнительной памяти еММС);
2) трудоемкость установки на машину (в связи с использованием 2-x CAN (SAE J1939 / FMS));
3) высокая стоимость (11 000 т. р. за штуку), дорогое обслуживание (из-за наличия дополнительных интерфейсов и сложности диагностики);
4) работа GSM-модема в 2G стандарте сотовой связи;
5) наличие дополнительных программ для программирования и диагностики ( «GSMConf», «Авто-ГРАФ-Контроль») [12].
Известен такой продукт, как телематическая платформа «LOCARUS 702х» производства ООО «Локарус», города Челябинска, выпущенная в 2008 году. «LOCARUS 702х» - это современное оборудование для построения систем управления каким-либо транспортом. Прибор снабжен российским приемником сигналов ГЛОНАСС/GPS марки NAVIA. Используется низкоуровневый протокол обмена данными с сервером — UDP. Аппаратная платформа LOCARUS 702х дает возможность реализовать работу с любым видом цифровых шин, применяемых на автомобилях [13].
Однако, недостатками данного решения являются:
1) узконаправленное программное обеспечение (фиксация только тех параметров, которые были предусмотрены производителем);
2) высокая цена (более 10 000 т. р.), дополнительное приобретение ПО для своего сервера;
3) проблемы с использованием модуля GPRS (при длительном использовании происходит сбой в передачи координат местоположения);
4) универсальные опции, бесполезные для мониторинга состояния основных агрегатов гусеничной машины (голосовая связь, Лицензия R-line (подключение только 2-х датчиков));
5) зависимость от DDF-протокола потоковой передачи данных (перебои в фиксации координат при отсутствии сети, при отсутствии DDF-протокола не происходит передача координат) [14].
Помимо представленных вариантов, существуют аналоги, которые в наименьшей степени удовлетворяют своим функционалом установку на дорожностроительной технике. Таковыми являются: навигационный контроллер Galileo GPS/ГЛОНАСС 2.5 произведен ООО «НПО «ГалилеоСкай» в Перми. Был выпущен в 2015 году, навигационный контроллер Arnavi 4 произведен ООО «Аруснави Электроникс» в Москве, навигационный контроллер Mielta M3 произведен «Ми- элта Технологии» в Тамбове, выпущенный в 2015 году.
Итак, ни одно из имеющихся на рынке решений не подходит для использования в качестве сборщика основных диагностических параметров работы гусеничной машины с возможностью дальнейшего преобразования, передачи и обработки информации.
Поэтому, цель выпускной квалификационной работы - разработка бортового самописца для автоматизации сбора информации о параметрах основных бортовых агрегатов дорожно-строительной техники производства предприятия «ДСТ- Урал», обеспечивающего:
- безопасность хранения данных (за счет организации хранилища на сервере предприятия-разработчика);
- лучшую передачу данных (за счет разработки узкоспециализированного устройства с собственным программным обеспечением и применения более современного модуля GSM);
- снижения стоимости самописца (его стоимость ниже стоимости известных аналогов за счет выбора элементной базы по критерию минимизации отношения «цена/качество»).
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1) провести сравнительный анализ представленных на рынке бортовых самописцев; определение концепции бортового самописца для дорожно-строительной техники;
2) составить техническое задание на разработку бортового самописца;
3) разработать бортовой самописец:
а) разработать структурную схему самописца;
б) выбрать элементную базу;
в) разработать функциональную схему самописца;
г) разработать общую принципиальную электрическую схему самописца.
4) разработать модуль резервного питания бортового самописца:
а) разработать структурную схему резервного источника питания;
б) выбрать элементную базу;
в) разработать функциональную схему резервного источника питания;
г) разработать общую принципиальную электрическую схему резервного источника питания.
На сегодняшний день практически вся дорожно-строительная техника эксплуатируется «по наработке». Однако все более остро встает задача реализации научного прогнозирования остаточного ресурса машин для обеспечения безаварийной работы в заданный промежуток времени, что особенно важно в условиях старения парка. Известны два пути решения данной задачи:
1) создание универсальных диагностических систем на базе дорогостоящих диагностических комплексов;
2) дооборудование строительных машин бортовыми устройствами регистрации.
В последнее время производители строительной и землеройной техники для прогнозирования остаточного ресурса машин дооборудуют транспорт бортовыми устройствами регистрации (сокращенно «БУРами») или так называемыми бортовыми самописцами. Задача проектирования бортовых самописцев - задача, которая ставится перед сотрудниками конструкторского бюро (КБ) предприятия [4-7].
Бортовой самописец - это сборщик основных диагностических параметров работы транспортного средства, воздушного судна с дальнейшим преобразованием и передачей информации с помощью современных средств связи в специальные диагностические центры, осуществляющие ее аккумулирование и обработку.
По функциональному назначению бортовые самописцы подразделяются на аварийные, эксплуатационные и испытательные.
- аварийные бортовые самописцы для накопления и сохранения полетной информации, которая может быть использована при расследовании инцидентов, аварий и катастроф;
- эксплуатационные системы регистрации записывают значительно большее число параметров, чем аварийные бортовые самописцы (число параметров доходит до 2000); накопитель эксплуатационного регистратора защиты не имеет и при авариях не спасается;
- испытательные системы регистрации используются при проведении различного рода летных испытаний образцов авиационной техники [8-10].
Для предприятий-производителей дорожно-строительной техники, каковым является завод «ДСТ-Урал», актуальна задача дооборудования каждой из производимых машин эксплуатационным бортовым самописцем, который будет фиксировать текущие значения параметров основных агрегатов бортового оборудования, а именно - давление в правой и левой ходовых магистралях, давление в контуре навесного оборудования, давление масла в двигателе, моточасы, а также будет определять местоположение машины и фиксировать факты простоя гусеничной техники.
Анализ представленных на рынке бортовых самописцев показал, что подобные устройства существуют. Так, известен бортовой контроллер мониторинга транспорта «АвтоГРАФ-С8М+» производства ООО «ТехноКом» города Челябинска, выпущенный в 2011 году. Это компактный электронный самописец регистрирует скорость, направление движения, ускорение, высоту, пробег и различные события [11].
При этом, если по каким-то причинам передача данных на сервер по основному каналу невозможна, устройство использует для передачи данных резервный канал.
Кроме того, контроллер позволяет обмениваться с диспетчером сообщениями и заданиями посредством SMS-сообщений и голосовой связи, а также с помощью дисплея связи с водителем, управлять внешними устройствами через дискретные выходы и шины данных. Основные возможности данного устройства: объем записываемой информации составляет 270000 записей, обеспечивая их хранение в течении длительного времени; в бортовом контроллере установлен GSM- модем, который осуществляет доступ контроллера в сеть сотовой связи.
Однако, этот бортовой контроллер обладает следующими недостатками:
1) избыточный для дорожно-строительной техники функционал (модуль голосовой связи, модуль дополнительной памяти еММС);
2) трудоемкость установки на машину (в связи с использованием 2-x CAN (SAE J1939 / FMS));
3) высокая стоимость (11 000 т. р. за штуку), дорогое обслуживание (из-за наличия дополнительных интерфейсов и сложности диагностики);
4) работа GSM-модема в 2G стандарте сотовой связи;
5) наличие дополнительных программ для программирования и диагностики ( «GSMConf», «Авто-ГРАФ-Контроль») [12].
Известен такой продукт, как телематическая платформа «LOCARUS 702х» производства ООО «Локарус», города Челябинска, выпущенная в 2008 году. «LOCARUS 702х» - это современное оборудование для построения систем управления каким-либо транспортом. Прибор снабжен российским приемником сигналов ГЛОНАСС/GPS марки NAVIA. Используется низкоуровневый протокол обмена данными с сервером — UDP. Аппаратная платформа LOCARUS 702х дает возможность реализовать работу с любым видом цифровых шин, применяемых на автомобилях [13].
Однако, недостатками данного решения являются:
1) узконаправленное программное обеспечение (фиксация только тех параметров, которые были предусмотрены производителем);
2) высокая цена (более 10 000 т. р.), дополнительное приобретение ПО для своего сервера;
3) проблемы с использованием модуля GPRS (при длительном использовании происходит сбой в передачи координат местоположения);
4) универсальные опции, бесполезные для мониторинга состояния основных агрегатов гусеничной машины (голосовая связь, Лицензия R-line (подключение только 2-х датчиков));
5) зависимость от DDF-протокола потоковой передачи данных (перебои в фиксации координат при отсутствии сети, при отсутствии DDF-протокола не происходит передача координат) [14].
Помимо представленных вариантов, существуют аналоги, которые в наименьшей степени удовлетворяют своим функционалом установку на дорожностроительной технике. Таковыми являются: навигационный контроллер Galileo GPS/ГЛОНАСС 2.5 произведен ООО «НПО «ГалилеоСкай» в Перми. Был выпущен в 2015 году, навигационный контроллер Arnavi 4 произведен ООО «Аруснави Электроникс» в Москве, навигационный контроллер Mielta M3 произведен «Ми- элта Технологии» в Тамбове, выпущенный в 2015 году.
Итак, ни одно из имеющихся на рынке решений не подходит для использования в качестве сборщика основных диагностических параметров работы гусеничной машины с возможностью дальнейшего преобразования, передачи и обработки информации.
Поэтому, цель выпускной квалификационной работы - разработка бортового самописца для автоматизации сбора информации о параметрах основных бортовых агрегатов дорожно-строительной техники производства предприятия «ДСТ- Урал», обеспечивающего:
- безопасность хранения данных (за счет организации хранилища на сервере предприятия-разработчика);
- лучшую передачу данных (за счет разработки узкоспециализированного устройства с собственным программным обеспечением и применения более современного модуля GSM);
- снижения стоимости самописца (его стоимость ниже стоимости известных аналогов за счет выбора элементной базы по критерию минимизации отношения «цена/качество»).
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1) провести сравнительный анализ представленных на рынке бортовых самописцев; определение концепции бортового самописца для дорожно-строительной техники;
2) составить техническое задание на разработку бортового самописца;
3) разработать бортовой самописец:
а) разработать структурную схему самописца;
б) выбрать элементную базу;
в) разработать функциональную схему самописца;
г) разработать общую принципиальную электрическую схему самописца.
4) разработать модуль резервного питания бортового самописца:
а) разработать структурную схему резервного источника питания;
б) выбрать элементную базу;
в) разработать функциональную схему резервного источника питания;
г) разработать общую принципиальную электрическую схему резервного источника питания.
В процессе выполнения выпускной квалификационной работы было разработано эксплуатационное бортовое устройство регистрации для дорожно-строительной техники с резервным источником питания. Данное устройство обеспечит автоматизированный сбор информации о всех параметрах и функциях основных бортовых агрегатов дорожно-строительной техники производства предприятия «ДСТ-Урал».
Произведена работа по созданию структурной и функциональной схем устройства, подбору компонентов для бортового устройства регистрации. Структурная схема представлена в виде нескольких блоков, заключающих в себе определенные задачи. К каждой элементу приведены технические характеристики и схемы подключения, если такие требуются. Таким же образом осуществлена реализации резервного источника питания. Были подобраны основные компоненты для реализации бортового устройства регистрации данных. Спроектированы электрические принципиальные схемы для бортового устройства регистрации и для резервного источника питания.
Результатом данной работы является готовое электронное устройство с резервным источником питания, которое отвечает всем требованиям технического задания, а также имеет определенные преимущества перед оборудованием, которое представлено в настоящее время.
При использовании данного устройства предприятие сможет полностью обезопасить хранение своих данных из-за использования хранилища на сервере предприятия и позволит предприятию удешевить производство бортовых устройств регистрации с применением только того функционала, который необходим для дорожно-строительной техники.
Произведена работа по созданию структурной и функциональной схем устройства, подбору компонентов для бортового устройства регистрации. Структурная схема представлена в виде нескольких блоков, заключающих в себе определенные задачи. К каждой элементу приведены технические характеристики и схемы подключения, если такие требуются. Таким же образом осуществлена реализации резервного источника питания. Были подобраны основные компоненты для реализации бортового устройства регистрации данных. Спроектированы электрические принципиальные схемы для бортового устройства регистрации и для резервного источника питания.
Результатом данной работы является готовое электронное устройство с резервным источником питания, которое отвечает всем требованиям технического задания, а также имеет определенные преимущества перед оборудованием, которое представлено в настоящее время.
При использовании данного устройства предприятие сможет полностью обезопасить хранение своих данных из-за использования хранилища на сервере предприятия и позволит предприятию удешевить производство бортовых устройств регистрации с применением только того функционала, который необходим для дорожно-строительной техники.
