Software & Systems

В предлагаемой работе рассматриваются вопросы, связанные с алгоритмической, программной и технической реализацией автоматизированной системы экологического мониторинга воздушной среды промышленного района на примере Астраханского газоперерабатывающего завода (АГПЗ), на котором содержание сероводорода в продукции около 25 %. Для успешной и безопасной работы такого завода необходимо осуществлять оперативный контроль за загрязнением воздуха в районе газоперерабатывающего завода. Важность этой проблемы обусловлена высокой токсичностью выбрасываемых веществ, большими объемами перерабатываемого газа.

Загрязнение воздуха происходит как от высотных, так и от низких источников, при этом приземная концентрация вредных веществ может превышать санитарные нормы на значительных расстояниях от промышленной площадки.

Наибольшую опасность представляют низкие источники загрязнения, которые выбрасывают в атмосферу вредные вещества. Причиной появления этих источников могут быть утечки через аварийные разрывы оборудования. В результате создаются загазованные зоны, в которых концентрация загрязняющих веществ может быть опасной и даже смертельной для человека. При аварийных выбросах такие зоны образуются в течение нескольких секунд с последующим распространением за­грязнителя на значительные расстояния от источника выброса.

Рис. 1. Схема экологической системы мониторинга и управления загрязнением атмосферы

В связи с этим для принятия своевременных управляющих решений необходимо оперативно выявлять зоны загрязнения и прогнозирования скорости движения и концентрации вредных веществ в зависимости от сложившихся ситуаций. Организацию эффективного контроля за загрязнением воздуха в районе АГПЗ можно осуществлять с помощью автоматизированной системы экологического мониторинга загрязняющих веществ, блок-схема которой показана на рисунке 1.

Система автоматизированного мониторинга и управления загрязнением атмосферы предназначена для своевременного обнаружения вредных компонентов в приземном слое воздуха в населенных пунктах, близлежащих к АГПЗ, и для сигнализации в том случае, если их концентрация превышает санитарные нормы, а также для управления выбросами источников АГПЗ.

Основные функции системы экологического мониторинга: измерение содержания вредных компонентов в воздухе (сероводорода, сернистого газа, окислов азота, окиси углерода, углеводородов и меркаптанов); измерение метеорологических параметров (скорости и направления ветра, влажности и температуры воздуха, количества осадков); сбор и передача информации по радиоканалу; обработка информации на центральном пункте (индикация измерений); цветовая индикация превышения предельно допустимых концентраций (ПДК); отображение в виде графиков; архивирование; протоколирование; прогнозирование; сигнализация в случае превышения ПДК.

Структурная схема автоматизированной системы экологического мониторинга и управления выбросами вредных веществ на АГПЗ представлена на рисунке 2 [1-3].

В системе экологического мониторинга можно выделить три основных блока: информационно-измерительный; центр мониторинга (ЦМ); сеть пользовательских терминалов.

Информационно-измерительный блок представляет собой совокупность источников информации о состоянии атмосферного воздуха, связанных каналами передачи данных с ЦМ.

ЦМ обеспечивает решение всего комплекса задач сбора, накопления, обработки и распределения мониторинговой информации. Сеть пользовательских терминалов предназначена для оперативного обеспечения пользователей справочной информацией о результатах мониторинга.

Информационно-измерительная система представляется сетью автоматических стационарных станций мониторинга атмосферного воздуха (рис. 3) и передвижными лабораториями наблюдения загрязнений воздушной среды.

В состав автоматической станции мониторинга входят следующие функциональные устройства: система воздухоотбора и пробоподготовки; автоматические газоанализаторы; датчики метеопараметров; центральное устройство управления с аппаратурой передачи данных; система охранной и пожарной сигнализации.

Наиболее подходящими методами определения малых концентраций вредных веществ в выбросах АГПЗ оказались спектроскопические, термохимические и ионизационные методы, на основе которых в ряде стран серийно выпускают специализированные газоанализаторы.

Задача поиска и выбора газоанализаторов является ключевой в создании системы мониторинга загрязнения атмосферы. Существует множество газоанализаторов технического и экологического назначения. Они различаются по принципам действия, степени автоматизации, уровню сервисного обслуживания, по цене и т.п. Несмотря на многообразие типов газоанализаторов только немногие из них пригодны для контроля состояния воздуха на АГПЗ и в близлежащих районах. На основании анализа приборов для измерения примесей сероводорода, окислов азота, диоксида серы, оксида углерода и углеводородов были выбраны газоанализаторы фирмы MBL Environmetal Systems. Характеристики приборов даны в таблице 1.

Приведем краткое описание оптического газоанализатора 9830 для определения концентрации углекислого газа (СО) в воздухе. Принципиальная схема анализатора показана на рисунке 4. Принцип действия газоанализатора 9830 основан на избирательном поглощении газами лучистой энергии в инфракрасном (ИК) спектре. Проба газа, нагнетаемая насосом, проходит через тефлоновый фильтр и вводится в измерительную камеру с длинным оптическим путем (5,6 м). Луч, испускающийся ИК источником, попеременно проходит через ячейку с СО и пустую ячейку, а затем через измерительную камеру и оптический фильтр, размещенный перед детектором. Когда ИК луч проходит через ячейку с СО, то поглощаются все линии, характерные для оксида углерода. На луч не может оказывать дополнительное воздействие СО, содержащийся в пробе. Этот луч принимается за эталон. Когда луч проходит через пустую ячейку, то поглощаемые оксидом углерода линии определяют содержание СО в пробе. Поток ИК излучения, проходящий через слой анализируемой газовой смеси, теряет в ней часть энергии пропорционально содержанию оксида углерода в смеси. Высокочувствительный ИК детектор измеряет энергетический уровень, и микропроцессор дифференциально измеряет концентрацию СО в ppm и мг/м3 согласно закону Ламберта.

Ни одна из анализируемых фирм не выпускает специализированных газоанализаторов на меркаптаны по причине чрезвычайно высоких требований к чувствительности приборов. Диапазон измерения для меркаптанов 0-0.009 мг/м3 . При более высоких содержаниях меркаптанов в воздухе могут быть частично использованы анализаторы H2S/SO2 после конверсии меркаптанов в оксид серы. Однако в этом случае невозможно отличить меркаптаны от содержащегося в воздухе сероводорода. Единственно рациональным решением для АГПЗ является портативный анализатор запахов Odor Monitor, который позволяет определить ряд сильнопахнущих веществ, в том числе и меркаптаны. С помощью данного анализатора можно выполнять точные и надежные тесты за несколько минут. Не нужно времени на прогрев и не надо опасаться, что проба улетучится. Анализатор прост в применении и не требует высококвалифицированного обслуживающего персонала. К достоинствам прибора относятся его низкая цена и небольшие эксплуатационные расходы. Кроме показа на дисплее результатов изменения интенсивности запахов, сохраняется наибольший уровень запаха в памяти. Благодаря этому всегда можно вызвать это пиковое значение. У прибора также имеется выходное устройство, позволяющее получать результаты на бумаге.

Комплект газоанализаторов обеспечивает непрерывное автоматическое измерение в локальной точке концентраций загрязняющих веществ, приведенных в таблице 2.

Метеорологические датчики обеспечивают измерение метеопараметров, приведенных в таблице 3.

Система воздухоотбора и пробоподготовки обеспечивает подачу подогретых проб воздуха на комплект газоанализаторов.

Центральное устройство управления осуществляет управление работой станции: опрос датчиков, первичная обработка и накопление результатов измерения, сравнение полученных значений концентраций вредных веществ с ПДК, изменение режима работы станции, формирование сообщений и передача их по каналам радиосвязи.

В состав центра управления станции мониторинга входят: микро-ЭВМ, совместимая с IBM PC; устройство сопряжения с газоанализаторами, датчиками метеорологических параметров, с системой жизнеобеспечения; аппаратура передачи данных.

Система жизнеобеспечения снабжает устройства станции электропитанием и поддерживает температуру внутри павильона в заданных пределах.

Все оборудование автоматической станции размещается в павильоне с габаритными размерами 3000´2500´2500 мм, общий вес которого не более 200 кг.

Центр мониторинга решает следующие задачи: сбор и накопление информации, поступающей из информационно-измерительной сети; математическое моделирование экологических процессов (исследование переноса и трансформации загрязнений, анализ и прогноз динамики загрязнений); определение источников, снижение выбросов которых приводит к снижению повышенного уровня загрязнения воздуха; накопление и архивирование данных измерений и результатов мониторинга; формирование и выдача выходных документов об экологическом состоянии воздушной среды; оперативное представление полей концентраций загрязняющих веществ на дисплее компьютера; организация диалога оператора и системы; информационное обслуживание пользователей; управление работой всех элементов ЦМ.

В качестве средств обработки информации в ЦМ используются персональные компьютеры, совместимые с IBM PC моделей 386 и 486. В состав программного обеспечения входят пакеты, реализующие обработку и представление текущего экологического состояния воздушной среды в районе расположения АГПЗ для всех точек контроля в виде таблиц, графиков, номограмм.

Подсистема передачи данных предназначена для передачи информации, считываемой с датчиков измерения концентрации вредных веществ в атмосфере и метеодатчиков, расположенных на станциях контроля, до аппаратуры обработки этой информации в ЦМ.

Подсистема передачи данных включает комплекты приемно-передающей аппаратуры на каждой станции контроля и ЦМ, с помощью которой осуществляется двусторонняя связь в системе.

Анализ расположения объектов автоматизированной системы экологического мониторинга в районе расположения АГПЗ показал (табл. 4), что максимальное удаление станции контроля от ЦМ не превышает 24 км, минимальное – 2 км. ЦМ расположен на относительно высокой местности, что является достаточным для организации радиальной связи ЦМ со станциями контроля.

Система работает на базе контроллера, совместимого с IBM PC, связанного посредством специальной платы-расширителя с выходными каналами автоматических газоанализаторов и датчиков метеопараметров. Сбор данных осуществляется посредством периодического опроса приборов с последующим усреднением показателей. Число опросов поддается регулированию пользователем.

Система воспринимает и фиксирует на жестком диске следующие типы входных сигналов: значение концентраций загрязняющих веществ; значение метеопараметров; сигналы датчиков аварийных ситуаций.

Таблица 4

 Система обеспечивает возможность непосредственного диалога оператора станции мониторинга с оператором ЦМ.

Пример технической реализации системы приведен на рисунке 5.

Система экологического мониторинга и управления загрязнением воздушной среды состоит из ЦМ, где происходит прием и обработка информации, и 15 станций контроля загрязненности воздушной среды в районе расположения АГПЗ (рис. 5). На нижнем уровне системы располагаются датчики для измерения концентраций различных газов и метеопараметров. Принципиально новым является использование в автоматизированной системе экологического мониторинга и управления датчиков производства фирмы MBL Environmental Systems. Датчики могут иметь либо аналоговый выход (4-10 мА), либо цифровой по интерфейсу RS-232/RS-485. Если датчик снабжен цифровым выходом, то может быть реализован режим измерения нескольких параметров.

Информация от нескольких датчиков станций контроля поступает в технологический контроллер. Технологические контроллеры предназначены для сбора информации от датчиков первичной обработки информации, для обработки результатов измерения, передачи информации на вышестоящий уровень системы, для приема команд управления от вышестоящего уровня и выдачи команд управления исполнительным устройствам.

Если количество контролируемых параметров на станции контроля невелико, то в качестве контроллера рекомендуется ставить RTU 3310. При большом количестве контролируемых параметров целесообразно устанавливать контроллер DPC 3330. Если же количество контролируемых параметров очень велико, то к контроллеру можно подключить до 10 расширителей ввода/вывода RIO 3331. В этом случае количество параметров, обраба­тываемых контроллером, может достигать 800.

Связь между контроллерами может осу­ществляться по интерфейсу RS-232/RS-485 или по радиоканалу.

Рис. 5. Техническая реализация системы управления процессом загрязнения

Подсистема передачи данных включает комплекты приемно-передающей аппаратуры на каждой станции контроля и центральном пункте; с ее помощью осуществляется двусторонняя связь в системе. В связи с тем, что расстояние между станцией контроля и центральным пунктом может достигать более 30 км, экономически наиболее выгодно использовать радиоканалы.

На верхнем уровне системы располагается пункт управления. В состав пункта управления входят технологический контроллер (концентратор дан­ных), подключенный к приемно-передающей аппаратуре, и операторская станция.

Концентратор служит для сбора информации с нижестоящих уровней системы и для связи с операторской станцией. В качестве концентратора данных используют DPC 3335.

Основные функции ЦМ реализуются операторской станцией, для чего используют свободнопрограммируемый компьютер с необходимым объемом оперативной памяти, внешние запоминающие устройства (диски, дискеты) и средства для связи с пользователями (дисплей, клавиатура, принтер). В качестве операторской станции применяют персональный компьютер IBM PC 386/486.

Компьютер IBM PC служит для загрузки программного обеспечения в сеть технологических контроллеров, для отображения состояния процесса, ведения архива данных процесса загрязнения и для ввода команд управления технологическим процессом.

Разработанное программное обеспечение компьютера включает пакет программ для математического моделирования процесса загрязнения воздушной среды вредными токсичными веществами на АГПЗ и обеспечивает решение задач, связанных с переносом и трансформацией загрязняющих веществ в атмосфере. Входными параметрами этого пакета являются данные о метеопараметрах, поступающие со станций контроля, данные о количестве газовоздушной смеси, выбрасываемой источниками выброса. Выходные параметры – концентрации загрязняющих веществ в данной точке контроля.

Список литературы

1. Смирнов В.Н. Модульная система программного обеспечения АСУ ТП // Сб.: Проблемы программного обеспечения АСУ ТП. - 1979. - Ч. 1. - С. 32-35.

2. Смирнов В.Н. Опыт разработки и внедрения автоматизированных систем управления в химии, энергетике, металлургии // Приборы и системы управления.- 1982. - ¹ 1.

Ипатов Е.Г., Смирнов В.Н. Технология разработки и внедрение управления // Приборы и системы управления. - 1993. - № 11.