Инжиниринг в электротехнике

Электротехническая продукция выделяется изо всех видов машиностроительной продукции рядом особенностей, основные из них:

-продукция всегда основывается на последних достижениях фундаментальной и отраслевой науки; обладает высокой наукоемкостью

-быстроразвивающаяся продукция; для нее характерны частая смена поколений, быстрое моральное устаревание

-является энергетической основой практически всех видов производств и технологий

-является одной из главных материальных составляющих автоматизации производства

-выполняет локомотивную роль в развитии машиностроения (можно привести много примеров: станки с ЧПУ, электромобили, робототехника и др.)

-опасная в использовании продукция: поражение электрическим током, пожароопасность, требует специального внимания

-требует специальной квалификации персонала на всех стадиях жизненного цикла

-все виды электротехнических установок на всех этапах их жизненного цикла должны обеспечиваться необходимой технической документацией.

Причинами ускорения научно-технического прогресса в электротехнике являются:

-общее ускорение научно-технического прогресса в мировой цивилизации; тотальная электрофикация и тотальная автоматизация, связанная с тенденциями четвертой индустриальной революции

-прорыв в развитии электротехники, обусловленный, в первую очередь, достижениями силовой электротехники и микроэлектроники

-развитие систем интеллектуального управления и мониторинга

-открытость мирового рынка электротехники, острейшая конкуренция.

Понимая под инжинирингом техническое обеспечение (сопровождение) производства и сбыта продукции, рассмотрим, в чем состоят его задачи на различных стадиях жизненного цикла продукции.

При разработке продукции:

-знать требования потребителя

-знать возможности конкурентов

-знать состояние и перспективы развития науки и техники, чтобы инициировать разработки новых видов продукции

-давать опережающие предложения по разработке новой продукции

-постоянно заботиться о модернизации уже выпускаемой продукции.

На стадии производства продукции:

-обеспечивать стабильность качества продукции

-снижать затраты (издержки) на производство

-проводить комплекс испытаний продукции.

При выходе продукции на рынок:

-проводить сертификацию продукции

-проводить оценку качества продукции в сопоставлении с качеством аналогичных изделий.

На стадии эксплуатации продукции:

-проводить обучение обслуживающего персонала

-осуществлять сервис и техобслуживание

-организовывать ремонт изделий и поставку запасных частей

-оказывать помощь в утилизации продукции.

Инжиниринг, как вид деятельности специалиста, неизбежно включает в себя сегодня элементы маркетинга, цель которых - связать потребителя и изготовителя продукции, помочь им найти и удовлетворить друг друга. Другая сфера инжиниринга – это преодоление противоречия между консерватизмом, инерционностью производства и динамизмом потребностей, революционными тенденциями в науке и технике.

Инженерный маркетинг включает в себя:

-аналитическое изучение рынка

-прогнозирование спроса на продукцию, в том числе перспектив его изменения

-активное воздействие на спрос: стимулирование, содействие и регулирование спроса

-формирование интереса к новой продукции, пропаганда нового технического направления

-обоснование приоритета качества продукции перед ценой

-создание и расширение своего рынка.

Каждое изделие (продукция) проходит шесть стадий жизненного цикла:

1. исследование и разработка
2. подготовка производства
3. производство
4. реализация продукции
5. эксплуатация
6. утилизация.

Обратим внимание, что при создании изделия все большее внимание и затраты уделяются проведению исследований. Вошло в практику проведение трех видов исследований:

1. Аналитические исследования о состоянии и перспективах развития данной области науки и техники.
2. Компьютерное и физическое моделирование на основе математического описания будущего изделия или системы. Такие имитационные модели получают все большее использование в связи с усложнением техники. Они базируются на виртуальных средах Mathlab-Simulink и других аналогичных математических моделях.
3. Маркетинговые исследования состояния рынка: кто и сколько продукции аналогичного назначения производит, каковы технические и ценовые характеристики этой продукции, анализ перспективной потребности.

Каждое изделие (продукция, техническая система) представляет собой не только конструкторско-технологический объект, но и является товаром, и как товар проходит свои стадии жизненного цикла. Жизненный цикл товара имеет шесть фаз:

Обратим здесь внимание на то, что в первые две с половиной фазы жизненного цикла товара приходится вкладывать средства на его продвижение на рынок (прибыль отрицательна), и лишь затем товар начинает приносить доход. Однако электротехническая продукция быстро устаревает и требует смены поколений рыночного товара. Поэтому, не дожидаясь фазы спада продаж товара уже в фазе зрелости, следует думать о смене продукции или об ее коренной модернизации.

Причины частой смены поколений продукции в электротехнике следующие:

-конкуренция

-ускоренное развитие науки, ведущее к быстрому развитию технического уровня продукции

-появление новых технологических возможностей (микроэлектронные технологии, печатные многослойные платы, силовая электроника, вакуумная техника и другие)

-государственное регулирование, забота об экологии (электрический транспорт и др.)

-повышение уровня жизни (бытовая электротехника).

Наукоемкость электротехнической продукции определяется следующим:

1. Основана на достижениях фундаментальной науки.
2. Ее создание требует не только разработки, но и проведения исследований.
3. Ее использование требует специальных знаний.
4. Необходимо владение компьютерной и микропроцессорной техникой.
5. Кроме продукции разрабатываются интеллектуальные товары: патенты, промышленные образцы, ноу-хау, дизайн, программное обеспечение; требуется защита интеллектуальной собственности.

Важнейшим и затратным этапом в создании электротехнической продукции является ее проектирование. Основными стадиями проектирования является разработка следующих технических документов:

1.Техническое задание (ТЗ) или технические требования.

Эти технические документы являются обязательными при разработке любого изделия или технической системы. Обычно эти задания разрабатываются и подписываются заказчиком продукции, однако всегда целесообразно участие представителей исполнителя в составлении технического задания.

2.Техническое предложение

Этот документ разрабатывается исполнителем (обычно за свой счет) и представляется заказчику при создании новых или сложных электротехнических систем для уточнения и детализации технических характеристик и комплектности разрабатываемого изделия. В последнее время технические предложения разрабатываются все чаще, что показывает их эффективность.

3.Эскизный проект

Не является обязательным проектом и выполняется при проектировании сложных многоэлементных систем, когда нужно выбрать лучший вариант технического решения.

4.Технический проект

Основной этап проектирования для сложных электротехнических систем. В объем проекта входит выполнение всех расчетов, принципиальных схем, основные конструкторские решения, технико-экономическое обоснование и др.

Компьютерное моделирование

В настоящее время широко используется имитационное компьютерное моделирование на основе стандартных математических моделей, прежде всего для отработки систем автоматического управления и систем движения электромеханических комплексов.

5.Конструкторская документация

Эта документация, ее часто называют «рабочий проект», предназначена для конструкторского обеспечения производства электротехнических изделий. В нее входят монтажные схемы, разводки печатных плат, деталировка конструкции и др.

6.Программные продукты

Многие современные электротехнические комплексы имеют цифровое управление, осуществляемое промышленными компьютерами или программируемыми контроллерами. В этих случаях поставка продукции должна сопровождаться необходимыми программными продуктами.

7.Технологическая документация

Это технологическое сопровождение относится к тем технологическим процессам и оборудованию, которое используется на данном предприятии.

8.Технические условия (ТУ)

Основной документ, сопровождающий поставки продукции. Отражает те же технические требования, что и ТЗ, но они носят характер предоставляемых гарантий на их соблюдение. Для массовых изделий ТУ предприятий заменяется ГОСТом  или отраслевыми стандартами и Техническими регламентами.

9.Эксплуатационная документация

В состав эксплуатационных документов, поставляемых совместно с изделиями, обычно входят: техническое описание и инструкции по монтажу и эксплуатации.

Следует иметь в виду, что в настоящее время многие конструкторские документы и чертежи выполняются типовыми компьютерными программами, такими как AUTOCad, Microsoft Visio, Electric S, T-Flex, Компас и другими.

Рассмотрим теперь более подробно технические требования, которые закладываются в технические задания на разработки и технические условия на поставку продукции.

Технические требования включают в себя:

Показатели назначения, характеризующие предназначение данного изделия или системы.

Для электродвигателей такими показателями являются: мощность, напряжение, номинальная скорость вращения и др.

Для преобразователей частоты в качестве показателей назначения выступают: частота на выходе преобразователя, напряжение на входе и выходе, диапазон изменения этих параметров и т.д.

Все электрооборудование по своей конструкции и техническим характеристикам должно соответствовать условиям окружающей среды, при которых оно будет эксплуатироваться. Исходя из этого, электротехнические изделия различают по их климатическому исполнению и месту эксплуатации. Эти исполнения отражаются специальной маркировкой изделия.

Как пример, приведем обозначения УХЛ4, которое показывает, что данное изделие предназначено для использования в условиях умеренного климата в отапливаемых помещениях при температуре от -5^о до +40^о, однако может транспортироваться и храниться в условиях холодного климата при температуре до -60^о.

Влажность окружающей среды является важным параметром, характеризующим условия работы электрооборудования. Влажность оценивается относительным процентным содержанием влаги в одном м³ воздуха, отнесенным к максимально возможному содержанию влаги при данной температуре. За условия нормальной влажности принимают 80% при 20^оС или 40% при 35^оС.

Высота установки электрооборудования над уровнем моря отказывает влияние на его работу, т.к. с повышением высоты ухудшается интенсивность воздушного охлаждения, уменьшается диэлектрическая прочность изоляции и ухудшаются условия коммутации.

Коэффициент необходимого снижения напряжения и мощности в зависимости от высоты примерно равен 1 км – 1,0; 3 км – 0,8; 8 км – 0,45.

Важной характеристикой конструкции электрооборудования является степень защиты его оболочек. Она оценивается показателем IP (Industrial protection) и определяется двумя цифрами. Первая цифра указывает на величину отверстий (щели) в оболочке; вторая – на степень защиты от проникновения влаги.

Маркировка степени защиты по IP :

Для примера укажем, что закрытому исполнению электрооборудования принято считать IP44, что соответствует отверстиям, не превышающим 1,0 мм, и наличие защиты от брызг воды со всех сторон.

К важной характеристике электрооборудования, которую нужно учитывать при его разработке и которые обычно отражаются в техническом задании на разработку и в технических условиях на поставку оборудования, является его надежность. Надежность характеризуется рядом показателей, основными из которых являются:

• срок службы; в большинстве случаев сегодня срок службы определяется не столько физическим износом оборудования, сколько моральным – устаревание
• гарантийный срок безотказной работы
• интенсивность отказов
• среднее время безотказной работы
• вероятность безотказной работы
• время восстановления после отказа.

Электротехнические установки по воздействию на них окружающей среды различаются на:

• работающие в нормальной среде
• работающие в пожароопасных помещениях и средах
• работающие во взрывоопасных средах.
• в специальных средах (химически агрессивных, радиоактивных и пр.).

На входе в пожароопасное помещение или зоны ставится знак П:

Все электрооборудование, устанавливаемое в пожароопасных помещениях должно быть в закрытом исполнении, т.е. иметь оболочку со степенью защиты не ниже IP44.

Особый класс электрооборудования составляет электрооборудование во взрывозащищенном исполнении. Это оборудование изготавливается по специальным Правилам и имеет маркировку, показанную выше.

При создании и использовании электротехнических установок и изделий нужно пользоваться и соблюдать правила, нормы и требования многочисленных нормативных документов международного, государственного и отраслевого характера.

Необходимость следовать установленным правилам для продукции электротехники связана прежде всего с двумя обстоятельствами:

-электротехника опасна для жизни и здоровья человека

-электротехническая продукция определяет эффективность использования электрической энергии – основного энергетического ресурса в промышленности и жизнеобеспечении.

Рассмотрим основные действующие нормативные документы, касающиеся разработки, производства и использования электротехнической продукции (см. слайд 7).

Первое – это ГОСТы (государственные стандарты), некоторые из которых продолжают быть актуальными со времени их создания Госстандартом СССР. В настоящее время они заменяются национальными стандартами РФ и обозначаются как ГОСТ Р.

В России национальные стандарты имеют добровольное применение, но к обязательным для исполнения относятся требования к качеству продукции, ее безопасности, совместимости и взаимозаменяемости.

Начиная с 2011 г., технические требования к продукции и услугам устанавливаются техническими регламентами. Объектами технического регулирования здесь выступают машины и оборудование. Технические регламенты выполняют межгосударственное регулирование качества продукции и их требования должны соблюдать все производители продукции в странах Евразийского экономического союза (Россия, Казахстан, Белоруссия и др.). Технические регламенты утверждает специальный комитет Евразес.

Основные системы национальных стандартов России:

К основным нормативно-техническим документам, действующим в нашей стране, относятся:

• Правила пользования электрической энергией

Эти правила регламентируют порядок присоединения электроустановок потребителей к электрическим сетям,  разграничение балансовой принадлежности оборудования и эксплуатационной ответственности между потребителем и энергосистемой, определяют величину присоединенной мощности, тарифы оплаты за электроэнергию, а также ответственность сторон. Это важнейший технический и юридический документ, определяющий условия отпуска электроэнергии потребителю.

• Правила устройства электроустановок (ПЭУ)

В этих правилах сформулированы требования к электрооборудованию, обеспечивающие его безопасную и безаварийную эксплуатацию, а также требования к условиям эксплуатации, проведению ремонтов и технического обслуживания.

• Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок

Электроустановки по условиям безопасности разделяются на электроустановки до 1000 В и на установки выше 1000 В. Обслуживать электрооборудование должен персонал, прошедший проверку знаний в объеме, обязательном для данной работы и имеющий квалификационную группу по технике безопасности, предусмотренную Правилами безопасности.

Безопасность обслуживающего персонала и других лиц обеспечивается в электроустановках:

-применением изоляции соответствующего класса

-соблюдением необходимых расстояний до открытых токоведущих частей

-ограждением токоведущих частей

-применением  блокировок, обеспечивающих отключение питания при попытках доступа к токоведущим частям

-заземлением или занулением корпусов электрических аппаратов и машин.

Порядок и конструкция электрооборудования, используемого в пожароопасных и взрывоопасных помещениях, определяется специальными Правилами.

Международная стандартизация электротехнической продукции.

Российские предприятия покупают и используют разнообразные виды электротехнического оборудования. Некоторые виды, прежде всего электрические машины, пользуются активным спросом за рубежом. Все это делает необходимым гармонизацию национальных стандартов с международными, которая подразумевает приведение в соответствие показателей назначения, безопасности, установленных размеров и других характеристик, устанавливаемых стандартами.

Руководство деятельностью по стандартизации в электротехнике осуществляет Международная организация по стандартизации ISO (ИСО) и ее Программный комитет. В США разработкой документов по стандартизации занимается Институт по электротехнике и радиотехнике (IEEE). В Европе работы по стандартизации возглавляет Международная электротехническая комиссия (МЭК), в состав которой входят и представители России. МЭК разрабатывает и утверждает рекомендации МЭК, которые носят обязательный характер. В странах Европейского союза создан также Европейский комитет по стандартизации в электротехнике (Сенелек), осуществляющий гармонизацию национальных стандартов отдельных стран.

Сертификация электротехнической продукции.

Сертификация – это экспертиза качества продукции.

Вся электротехническая продукция и средства автоматизации относятся к объектам, подлежащим обязательной сертификации. Сертификация определяется как форма подтверждения специально уполномоченными органами соответствия характеристик объектов требованиям технических регламентов. Сертификации подлежит все электротехническое оборудование, произведенное в России или поступающее из-за рубежа.

Документ, удостоверяющий соответствие изделия требованиям, является сертификатом соответствия, который выдается, как правило, органам по сертификации на основе испытаний, проводимых аккредитованной испытательной лабораторией.

Сертификация бывает обязательной и добровольной. Основная задача обязательной сертификации – убедиться в безопасности проверяемого изделия и подтвердить основные показатели назначения.

Добровольная сертификация проводится по желанию изготовителя с целью официального подтверждения конкурентных характеристик изделия на основе проведения всесторонних испытаний в сертификационной лаборатории.

Кроме разработки электрооборудования и его технического сопровождения в течение всего жизненного цикла инжиниринг включает в себя разработку и оформление документов по защите интеллектуальной собственности. К таким документам относятся:

• патенты
• свидетельство на полезную модель
• промышленный образец
• регистрация программного продукта.

Указанные документы регистрируют - после соответствующей проверки в уполномоченных органах - авторское право на заявленное техническое решение.

Патент выдается на изобретение, обладающее новизной, наличием изобретательского уровня, промышленной применимостью.

Под изобретательским уровнем понимается повышение известного технического уровня аналогов и нестандартность решения технической задачи. Новизна решения должна быть мировой. Срок действия выданных патентов – двадцать лет.

Свидетельство на полезную модель выдается на изобретения, обладающие новизной, но не обладающие изобретательским уровнем, или в том случае, когда этот уровень трудно доказать. Обычно такие полезные модели охватывают конструктивные решения технической задачи. Срок действия свидетельства – пять лет.

Свидетельства на промышленный образец защищают художественно-конструкторское решение или дизайн объекта, т.е. его внешний вид.

Оригинальные, вновь разработанные программные продукты могут проходить регистрацию в соответствующих органах защиты интеллектуальной собственности. Такая регистрация устанавливает авторство программной компьютерной разработки.

Георгий Борисович Онищенко, профессор, доктор технических наук,

действительный член Академии электротехнических наук РФ