Реализация механизма поддержания постоянной температуры пресной воды с помощью программируемой платы Arduino Nano V3.0 и трубчатого электронагревателя

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретико-методологические основы разработки систем управления термическими процессами

1.1. Становление и современное состояние отечественной отрасли автоматизации в контексте импортозамещения

1.2. Нормативно-правовое регулирование разработки информационных систем по ГОСТ 34.601-90

1.3. Характеристика систем микроконтроллерного управления в задачах автоматизации технологических циклов

Глава 2. Анализ требований и проектирование информационной системы поддержания температурного режима

2.1. Обследование объекта автоматизации и анализ физико-химических свойств пресной воды как среды термостатирования

2.2. Формирование функциональных и технических требований к программно-аппаратной платформе Arduino Nano

2.3. Выбор и обоснование элементной базы и сенсорного оборудования для эксплуатации в российских условиях

Глава 3. Практическая реализация и верификация системы поддержания постоянной температуры

3.1. Программная реализация алгоритма управления и интерфейса взаимодействия с оператором

3.2. Сборка, отладка и интеграция аппаратного комплекса с трубчатым электронагревателем

3.3. Оценка эффективности разработанного решения и технико-экономические рекомендации по внедрению в отраслевую ГИС

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Реализация механизма поддержания постоянной температуры пресной воды с помощью программируемой платы Arduino Nano V3.0 и трубчатого электронагревателя

Введение

Переход российской промышленности к технологическому суверенитету неизбежно связан с развертыванием доступных и гибких систем автоматизации, способных функционировать вне зависимости от внешних поставок импортного оборудования и микропроцессорных решений. В этих условиях особую значимость приобретают проекты, ориентированные на применение массово распространенных программируемых платформ – в первую очередь семейства Arduino, – которые при минимальных финансовых затратах обеспечивают реализацию сложных алгоритмов управления технологическими процессами [1, c. 18]. Задача поддержания постоянной температуры жидкостных сред, включая пресную воду, востребована в таких отраслях, как аквакультура, пищевая промышленность, лабораторная практика научно-исследовательских учреждений, системы жизнеобеспечения замкнутого цикла [12, c. 45].

Одновременно нарастание санкционного давления на российский ИТ-сектор, закрепленное Указом Президента РФ № 166 от 30.03.2022, стимулирует переход от специализированных зарубежных контроллеров к локально доступным микропроцессорным платам, программное обеспечение для которых может разрабатываться и адаптироваться силами отечественных инженеров без лицензионных ограничений [7, c. 102]. Создание собственных алгоритмов терморегулирования на базе Arduino Nano V3.0 с применением трубчатых электронагревателей (ТЭН) представляет собой актуальную задачу как с точки зрения снижения себестоимости автоматизированных систем, так и в контексте формирования компетенций разработчиков информационных систем в сфере встраиваемых решений.

Степень разработанности проблемы в отечественной науке характеризуется наличием широкого спектра публикаций по применению микроконтроллерных платформ в задачах автоматизации [3, c. 74; 15, c. 120], однако комплексные исследования, охватывающие одновременно нормативно-правовое регулирование разработки информационных систем по ГОСТ 34.601-90, специфику физико-химических свойств пресной воды как объекта термостатирования и практическую реализацию интегрированных программно-аппаратных комплексов на платформе Arduino, представлены фрагментарно и требуют систематизации.

Цель выпускной квалификационной работы – разработка и верификация функционально завершенной информационной системы поддержания постоянной температуры пресной воды на базе программируемой платы Arduino Nano V3.0 с применением трубчатого электронагревателя.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

• изучить становление и современное состояние отечественной отрасли автоматизации в контексте импортозамещения;
• проанализировать нормативно-правовое регулирование разработки информационных систем по ГОСТ 34.601-90 и сопутствующим стандартам;
• охарактеризовать системы микроконтроллерного управления в задачах автоматизации технологических циклов;
• выполнить обследование объекта автоматизации и проанализировать физико-химические свойства пресной воды как среды термостатирования;
• сформировать функциональные и технические требования к программно-аппаратной платформе Arduino Nano;
• разработать программный алгоритм управления, собрать аппаратный комплекс и провести его отладку с последующей оценкой эффективности.

Объект исследования – процесс автоматического регулирования температуры пресной воды в лабораторных и промышленных условиях.

Предмет исследования – программно-аппаратный комплекс на базе Arduino Nano V3.0, интегрированный с трубчатым электронагревателем и температурным датчиком для реализации механизма термостатирования.

Методологическая база работы включает теоретические основы теории автоматического управления, методы цифровой обработки сигналов, алгоритмы пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования, положения ГОСТ 34.601-90, ГОСТ 34.602-89, ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-2010, а также инструментарий программирования микроконтроллеров на языке C++ в среде Arduino IDE. В качестве нормативной базы использованы Федеральный закон № 149-ФЗ «Об информации, информационных технологиях и о защите информации», методические рекомендации Минцифры по разработке встраиваемых систем, отраслевые стандарты безопасности ФСТЭК.

Научная новизна исследования заключается в комплексной разработке методики проектирования информационных систем термостатирования на основе микроконтроллерных плат Arduino с учетом актуальных требований импортозамещения и технологического суверенитета Российской Федерации.

Теоретическая значимость работы состоит в систематизации нормативно-правовых, теоретико-методологических и технических аспектов создания систем автоматизации на базе доступных программируемых платформ. Практическая значимость определяется возможностью тиражирования разработанного программно-аппаратного решения в учебных лабораториях, малых предприятиях аквакультуры, пищевых производствах и научно-исследовательских центрах, где требуется прецизионное регулирование температуры жидкостных сред при ограниченных бюджетных ресурсах.

Структура работы включает введение, три главы, заключение и список использованной литературы. Первая глава посвящена теоретико-методологическим основам разработки систем управления термическими процессами, вторая – анализу требований и проектированию информационной системы поддержания температурного режима, третья – практической реализации и верификации системы.

Глава 1. Теоретико-методологические основы разработки систем управления термическими процессами

1.1. Становление и современное состояние отечественной отрасли автоматизации в контексте импортозамещения

Отечественная автоматизация промышленных и технологических процессов прошла путь от централизованных релейно-контактных систем 1950-х годов до распределенных цифровых комплексов, опирающихся на программируемые логические контро

…