Система управления и мониторинга параметров рабочего режима дугового реактора постоянного тока

Данная работа посвящена разработке системы управления и мониторинга параметров рабочего режима дугового реактора.
Объектом исследования является разработка системы на базе микроконтроллера ATmega 2560.
Цель работы – разработка системы управления и мониторинга параметров рабочего режима для плазмохимического реактора. Значимость работы заключена в создании системы, которая позволит регистрировать показания тока и напряжения в ходе синтеза, а также проводить полный анализ газовой среды и измерение влажности и температуры внутри реактора. С помощью системы управления возможно обеспечить повторяемость экспериментов.

Реферат ……………………………………………………………………………………………………… 9
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 13
1 Аналитический обзор существующих систем ……………………………………….. 15
1.1 Термическая плазменная система тяньцзиньского университета ……….. 15
1.2 Плазменная горелка с переносом дуги ………………………………………………. 16
1.3 Плазменная печь, разработанная китайской академией наук ……………… 17
1.4 Горизонтальный плазменный реактор малой мощности …………………….. 19
1.5 Установка шанхайского университета Цзяо Тонг для синтеза
высококачественных многослойных углеродных нанотрубок …………………… 20
1.6 Вывод по главе 1 ………………………………………………………………………………. 21
2 Проектирование системы управления и мониторинга параметров рабочего
режима дугового реактора………………………………………………………………………… 23
2.1 Устройство дугового реактора ………………………………………………………….. 23
2.2 Подбор компонентов для реализации системы ………………………………….. 26
2.2.1 Управление и сбор данных ………………………………………………………… 26
2.2.2 Измерение влажности и температуры ………………………………………… 27
2.2.3 Выбор датчика тока …………………………………………………………………… 28
2.2.4 Анализ компонентов газовой среды …………………………………………… 30
2.2.5 Шаговый двигатель……………………………………………………………………. 31
2.2.6 Управление шаговым двигателем ………………………………………………. 32
2.2.7 Блок управления перемещения электродами ………………………………. 33
2.3 Разработка схем подключения оборудования …………………………………….. 35
2.3.1 Подключение силовой части ……………………………………………………… 35
2.3.2 Подключение датчика тока ………………………………………………………… 36
2.3.3 Подключение оборудования к контроллеру ……………………………….. 38
2.3.4 Вывод по главе 2 ……………………………………………………………………….. 38
3 Реализация системы управления и мониторинга параметров рабочего
режима дугового реактора………………………………………………………………………… 41
3.1 Монтаж оборудования ………………………………………………………………………. 41
3.2 Настройка OPC-сервера…………………………………………………………………….. 42
3.3 Создание визуализации на базе программного пакета MasterScada…….. 45
3.3.1 Показания датчиков газоанализа и окно ввода калибровочных
параметров ………………………………………………………………………………………………. 46
3.3.2 Запуск и индикация работы насоса …………………………………………….. 47
3.3.3 Выбор режима управления ………………………………………………………… 48
3.3.4 Вывод измеряемых параметров ………………………………………………….. 49
3.3.5 Архивирование измеряемых параметров ……………………………………. 50
3.4 Разработка алгоритмов работы системы ……………………………………………. 53
3.4.1 Определение старта и окончания синтеза …………………………………… 53
3.4.2 Алгоритм управления двигателем………………………………………………. 54
3.5 Тестирование работоспособности системы ……………………………………….. 56
3.5.1 Анализ газовой среды ………………………………………………………………… 56
3.5.2 Регистрация тока и напряжения …………………………………………………. 58
3.5.3 Управление системой с использованием мнемосхемы ………………… 60
3.6 Вывод по главе 3 ………………………………………………………………………………. 60
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэфективность и ресурсосбережение …. 63
4.1 Предпроектный анализ ……………………………………………………………………… 63
4.1.1 Потенциальные конкуренты для результатов исследования ……….. 63
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений ……………………………… 64
4.1.3 SWOT-анализ…………………………………………………………………………….. 65
4.1.4 Оценка готовности разработки к коммерциализации ………………….. 67
4.2 Инициация проекта …………………………………………………………………………… 69
4.2.1 Цели и результат проекта …………………………………………………………… 69
4.2.2 Организационная структура проекта ………………………………………….. 70
4.3 Планирование управления научно-техническим проектом ………………… 71
4.3.1 Иерархическая структура работ …………………………………………………. 71
4.3.2 План проекта …………………………………………………………………………….. 72
4.3.3 Определение трудоемкости выполнения работ …………………………… 73
4.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) …………………………… 78
4.4.1 Расчет материальных затрат НТИ ………………………………………………. 78
4.4.2 Расчет амортизационных отчислений ………………………………………… 80
4.4.3 Основная заработная плата исполнителей темы …………………………. 81
4.4.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы……………….. 83
4.4.5 Отчисление во внебюджетные фонды ………………………………………… 83
4.4.6 Прочие прямые затраты …………………………………………………………….. 83
4.4.7 Накладные расходы …………………………………………………………………… 84
4.4.8 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского
проекта 84
4.5 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования ……………………… 85
5 Социальная ответственность ………………………………………………………………… 89
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……. 89
5.1.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства……….. 89
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны ….. 90
5.2 Производственная безопасность ……………………………………………………….. 92
5.2.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов ……………. 92
5.2.2 Обоснование мероприятий по снижению уровней воздействия
опасных и вредных факторов на исследователя (работающего) ………………… 93
5.3 Экологическая безопасность……………………………………………………………. 104
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях…………………………………………. 106
5.4.1 Анализ вероятных ЧС ………………………………………………………………. 106
5.4.2 Разработка превентивных мер по предупреждению ЧС …………….. 106
5.4.3 Разработка действий в случае возникновения ЧС ……………………… 108
5.5 Вывод по главе 5 …………………………………………………………………………….. 108
Заключение ……………………………………………………………………………………………. 110
Список публикаций студента ………………………………………………………………….. 111
Список использованной литературы……………………………………………………….. 112
Приложение А. (Обязательное) Схема подключения оборудования ………… 116
Приложение Б. (Обязательное) Review of analogs of plasma-arc systems …… 118

В процессе выполнения работы была спроектирована и реализована
система управления и мониторинга параметров рабочего режима дугового
реактора постоянного тока.
Были рассмотрены существующие аналоги систем, использующих
методику плазменной дуги для проведения синтеза материалов. В ходе
анализа были определены основные преимущества и недостатки данных
систем.
Вторым этапом создания системы является изучение и описание
устройства и принципа работы реактора постоянного тока, на основе чего
были подобраны компоненты, необходимые для реализации системы. После
подбора оборудования была спроектирована система управления и
мониторинга параметров рабочего режима и разработаны схемы
электрических соединений датчиков и оборудования.
На следующем этапе разработке был произведен монтаж оборудования
в установку, а также изготовлены печатные платы для удобства монтажа
датчиков. После сборки системы, были выбраны: SCADA-система и OPC-
сервер. Для связи контроллера и SCADA-системы проведена настройка OPC-
сервера, после чего создана визуализация процесса с отображением и
архивацией регистрируемых показаний и возможностью управления шаговым
двигателем. В процессе создания системы были реализованы алгоритмы
управления перемещением анодом и алгоритм определения старта и
окончания синтеза.
Завершающим этапом реализации системы является тестирование
работы системы: проверка работы алгоритмов управления и расчета
параметров, также проведена серия экспериментов в ходе чего была
произведена проверка точности регистрируемых показаний.
Список публикаций студента
1. Поваляев П.В. «Система управления и мониторинга параметров
рабочего режима дугового реактора». XVIII Международная научно-
практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Молодежь и современные информационные технологии», 22-26 марта 2021
г., г. Томск, 1 публикация.
2. Поваляев П.В. «Система перемещения объекта в двумерном
пространстве». XVIII Международная научно-практическая конференция
студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные
информационные технологии», 17–20 февраля 2020 г., г. Томск, 1 публикация.
3. Поваляев П. В. Система управления положением объекта в
трехмерном пространстве / П. В. Поваляев, А. С. Фадеев // Информационные
технологии в науке, управлении, социальной сфере и медицине: сборник
научных трудов VI Международной конференции, 14-19 октября 2019 г.,
Томск. — Томск: Изд-во ТПУ, 2019. — [114-119].

1. ScinceDirect [Электронный ресурс] / Destruction of inorganic municipal
solid waste incinerator fly ash in a DC arc plasma furnace // URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389410006357 — Дата
обращения 19.05.2021.
2. ScinceDirect [Электронный ресурс] / Volatilization and leaching
behavior of heavy metals in MSW incineration fly ash in a DC arc plasma furnace //
URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236117309535 —
Дата обращения 19.05.2021.
3. ScinceDirect [Электронный ресурс] / Transferred arc plasma processed
mullitefromcoalashandbauxite//URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884211005372 — Дата
обращения 19.05.2021.
4. ScinceDirect [Электронный ресурс] / Main performance analysis of
kitchen waste gasification in a small-power horizontal plasma jet reactor // URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1743967118308894 — Дата
обращения 19.05.2021.
5. ScinceDirect [Электронный ресурс] / Continuous and low-cost synthesis
of high-quality multi-walled carbon nanotubes by arc discharge in air // URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1386947712001567 — Дата
обращения 19.05.2021.
6. Chipdip [Электронный ресурс] / SHT31-ARP-B, Датчик температуры
и влажности // URL: https://www.chipdip.ru/product/sht31-arp-b-span — Дата
обращения 19.05.2021.
7.RoboShop[Электронныйресурс]/SHT31-ARP-B,Датчик
температурыивлажностиDHT22(AM2302)//URL:
https://roboshop.spb.ru/sensors/dht-22-am2303-module—Датаобращения
19.05.2021.
8. Сенсорика [Электронный ресурс] / Датчики тока // URL:
http://www.sensorica.ru/docs/d7_overview.shtml — Дата обращения 19.05.2021.
9. Chipdip [Электронный ресурс] / CSLA1DJ, 225А датчик тока
линейный AC/DC // URL: https://www.chipdip.ru/product/csla1dj — Дата
обращения 19.05.2021.
10. ElectroChip магазин электрики [Электронный ресурс] / Шаговый
моторNEMA17HS8401SY-DP//URL:
https://electrochip.mk.ua/product/shagovyj-motor-nema-17hs8401sy-dp-59ncm/ —
Дата обращения 19.05.2021.
11. 3DiY [Электронный ресурс] / Драйвер шагового двигателя A4988 //
URL: https://3d-diy.ru/wiki/arduino-moduli/drajver-shagovogo-dvigatelya-a4988/
— Дата обращения 19.05.2021.
12. Библиотека технической литературы [Электронный ресурс] / Виды
передач. Ременная передача. // URL: http://delta-grup.ru/bibliot/39/43.html —
Дата обращения 19.05.2021.
13. EasyEDA [Электронный ресурс] / EasyEDA Designer // URL:
https://easyeda.com/editor — Дата обращения 19.05.2021.
14. ИнСАТ [Электронный ресурс] / ИНСАТ Modbus universal
MasterOPC server 32 // URL: https://insat.ru/prices/info.php?pid=6944 — Дата
обращения 19.05.2021.
15. СТК [Электронный ресурс] / SCADA система MasterSCADA // URL:
http://cons-systems.ru/insat — Дата обращения 19.05.2021.
16. Хабр [Электронный ресурс] / SCADA, Программирование
микроконтроллеров // URL: https://habr.com/ru/post/278269/ — Дата обращения
19.05.2021.
17. MasterSCADA [Электронный ресурс] / ТРЕНДЫ MASTER SCADA
ИАРХИВИРОВАНИЕ//URL:
https://masterscada.insat.ru/products/?category=1281—Датаобращения
26.02.2021.
18. Трудовой кодекс Российской Федерации от 30.12. 2001 г. № 197–
ФЗ (ред. от 30.04.2021 г.). – М., 2015. – 123 с.
19. ГОСТ 12.2.032-78 ССБТ. Рабочее место при выполнении работ
сидя. Общие эргономические требования. – Москва ИПК Издательство
стандартов, 2001. – 9 с.
20. ГОСТ Р 50923-96. Дисплеи. Рабочее место оператора. Общие
эргономические требования и требования к производственной среде. Методы
измерения. – Москва Стандратформ, 2008. – 12 с.
21. ГОСТ 12.0.003-2015. Опасные и вредные производственные
факторы. – Москва Стандратформ, 2016. – 16 с.
22.Санитарныеправилаинормы:СанПиН2.2.4.548-96
«Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений».
– введ. 1996 – 10 – 01. – Москва Минздрав России, 2001. – 20 с.
23. Центр гигиены и эпидемиологии в Республике Саха (Якутия)
[Электронный ресурс] / Влияние освещенности на организм человека // URL:
http://fguz-sakha.ru/portfolio-view/osveshenie — Дата обращения 18.05.2021.
24. ГОСТ Р 55710-2013 Освещение рабочих мест внутри зданий.
Нормы и методы измерений. введ. 2014 – 07 – 01. – Москва Стандартинформ,
2016. – 19 с.
25. ГОСТ 12.4.011-89 Средства защиты работающих. Общие
требования и классификация. – Взамен ГОСТ 12.4.011-87; введ. 1990 – 06 – 30.
– Москва ИПК Издательство стандартов, 2004. – 7 с.
26. Санитарные правила и нормы: СНиП 23-05-95 Строительные нормы
и правила российской федерации. Естественное и искусственное освещение.
27. Санитарные правила и нормы: СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на
рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории
жилой застройки».
28.Кодекс.Правилаустройстваэлектроустановок(ПУЭ)—
Издательство «Норматика», 2019. – 464 с.
29. ГОСТ 12.4.125-83 Система стандартов безопасности труда.
Средства коллективной защиты работающих от воздействий механических
факторов. Классификация. введ. – 1984 – 01 – 01. – Москва ИПК Издательство
стандартов, 2002. – 4 с.
30. Oculo.by все о зрении [Электронный ресурс] / Влияние сварки на
зрение//URL:
https://www.oculo.by/%D0%B2%D0%BB%D0%B8%D1%8F%D0%BD%D0%B
8%D0%B5-%D1%81%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%BA%D0%B8-
%D0%BD%D0%B0-%D0%B7%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5
— Дата обращения 18.05.2021.
31.ГОСТ12.4.253-2013(EN166:2002)Системастандартов
безопасности труда. Средства индивидуальном защиты глаз. Общие
технические требования. – Москва Стандратформ, 2019. – 39 с.
32. ГОСТ ISO 12100-2013 Безопасность машин. Основные принципы
конструирования. Оценки риска и снижения риска. – Москва Стандратформ,
2016. – 75 с.
33. ГОСТ Р 12.4.234-2012 Система стандартов безопасности труда.
Одежда специальная для защиты от термических рисков электрической дуги.
Общие технические требования и методы испытаний – Москва Стандратформ,
2019. – 39 с.
34. ООО «Московская утилизирующая компания» [Электронный
ресурс]/Утилизацияпечатныхплатиэлектроники//URL:
https://www.fpkservice.ru/utilizaciya-plat.html — Дата обращения 18.05.2021.
35. ГОСТ 12.1.033-81 Система стандартов безопасности труда (ССБТ).
Пожарная безопасность. Термины и определения. введ. – 1982 – 06 – 30. –
Москва ИПК Издательство стандартов, 2001. – 9 с.