Автоматический информационно-измерительный комплекс для долговременного мониторинга экосистемы озера Байкал

Рис. 3. Дроссель включен

Какова же причина появления в схеме сверхтока при наличии в ней дросселя с железным сердечником и какова причина его отсутствия при индуктивности без сердечника? Укладывается ли данный эффект в рамки известных физических явлений?

На наш взгляд, вполне. Хорошо известно, что электромагнитная индукция способна при определённых условиях ускорять электроны, движущиеся в цепи, охватываемой силовыми линиями магнитного поля (см., например, [3]). Это одно из следствий закона Фарадея.

В нашем случае (эксперимент 2) происходит подобное ускорение, скорость электронов возрастает, что и приводит к резкому увеличению тока (ибо ток -

это заряд в единицу времени). Но в эксперименте 3 используется индуктивность без железного сердечника и эффект не наблюдается. Совершенно очевидно, что в этом случае магнитные силовые линии поля рассеяны, не сосредоточены вблизи обмотки дросселя так плотно, как при наличии железного сердечника. В этом случае нет ускорения электронов и отсутствует описываемый полезный эффект.

Приведённая схема позволяет в режиме энергоэкономии использовать не только лампы накаливания, но и другие электрические устройства. Например, при малых энергозатратах приводить в действие устройства, потребляющие значительный ток. Легко демонстрируется такой опыт: мостовой выпрямитель с микродвигателем постоянного тока, но без дросселя 1_ в нагрузке вырабатывает ток, недостаточный для запуска двигателя. Двигатель не работает. Но при включении ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО с двигателем дросселя I выпрямленный ток, как показано выше, резко возрастает и двигатель устойчиво работает с угловой скоростью более 600 оборотов в минуту.

Описываемая здесь схема запатентована [4].

В заключение отметим, что дальнейшие исследования и разработки, направленные на увеличение сверхтока в нелинейных схемах, могли бы привести к внедрению в промышленную энергетику такого способа получения дополнительной электроэнергии.

Библиографический список

1. Касьянов Г.Т. Феномен вращения электрического тока в нелинейной электрической системе // Новая энергетика. 2005. №2 (21). С. 27.

2. Касьянов Г.Т. Ускоритель электронов с замкнутым циклом // Научный журнал Русского Физического Общества «ЖРФМ». 2007. №1-12. С. 39.

3. Гринберг А.П. Ускорение электронов с помощью электромагнитной индукции // УФН. 1945. Т. 27. Вып. 1. С. 53-54.

4. Касьянов Г.Т., Касьянов В.Г. Устройство питания элек-трорадиоустройств // Патент №76515, приоритет от 30.04.2008.

УДК 621.391.1

АВТОМАТИЧЕСКИЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДОЛГОВРЕМЕННОГО МОНИТОРИНГА ЭКОСИСТЕМЫ ОЗЕРА БАЙКАЛ

А.Е.Краснояров1

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Описана система мониторинга экосистемы озера Байкал. Рассмотрены технические аспекты использования промышленного контроллера для организации комплекса мониторинга и сети GSM для передачи информации. Ил. 1. Библиогр. 2 назв.

Ключевые слова: телекоммуникации; передача данных; промышленный контроллер; мониторинг; экосистема.

AUTOMATED INFORMATIONAL AND MEASURING COMPLEX FOR CONTINUOUS MONITORING OF ECOSYSTEM

OF THE LAKE BAIKAL

A.E.Krasnoyarov

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

1Краснояров Александр Евгеньевич, аспирант, тел. 89641128368. Krasnoyarov Alexander Evgenjevich, a postgraduate, tel.: 89641128368.

The author describes the monitoring system of the ecosystem of the lake Baikal. He examines technical aspects of the application of an industrial controller for the organization of the monitoring complex and a GSM network for data transmission.

1 figure. 2 sources.

Key words: telecommunications; data transmission; industrial controller; monitoring; ecosystem.

Постановка задачи. Озеро Байкал - самое большое пресноводное озеро мира. Оно содержит около 20% пресной воды земного шара и в нем обитает около 2000 видов эндемичных организмов. При растущей рекреационной нагрузке на озеро необходимо слежение за изменением его уникальной экосистемы. Состояние экосистемы озера можно оценить при комплексном, долговременном и обширном мониторинге основных параметров водной и воздушной фаз. Установлено, что сезонные изменения параметров экосистемы охватывают деятельный слой до глубины 150 -200 м. Максимальные сезонные изменения характеристик водных масс имеют место в приповерхностном слое, этот слой также подвержен антропогенному воз-действию[1].

Было принято решение разработать универсальную систему долговременного мониторинга, базируемую на судах гражданского назначения (пассажирские, грузовые). В список задач системы должны входить: слежение за параметрами экосистемы озера, сбор и предварительный анализ информации. Автоматический комплекс аппаратных устройств и программных продуктов предназначается для сбора, обработки, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной информации (гидрологической, биологической, химической и т.д.) о характеристиках поверхностных вод и приводного слоя воздуха озера Байкал.

Актуальность создания автоматической системы диктуется необходимостью проведения долговременных комплексных исследований и мониторинга меняющейся водной среды озера Байкал. Разрабатываемая система носит универсальный характер, что позволяет использовать её на различных природных объектах. На основании накопленной информации о состоянии различных параметров экосистемы озера становится возможным произвести научно обоснованный анализ воздействия деятельности человека на озеро Байкал.

Описание решения. Для решения поставленной задачи разработан автоматический программно - аппаратный комплекс, включающий в себя центральный пункт приема и обработки информации и автоматический комплекс, осуществляющий мониторинг экосистемы озера.

Центральный пункт приема и управления состоит из аппаратуры связи, обеспечивающей выход в Internet и сервера на базе ПЭВМ. Сервер работает под управлением операционной системы Linux. Пункт предназначен для сбора и регистрации текущей и "исторической" информации о состоянии водной среды, ее анализа, а также управления режимами сбора информации. Данные с автоматического комплекса в случае нахождения в зоне действия сети GSM передаются на сервер. Пользователь может отслеживать

состояние системы, выходя на сервер через сеть Internet.

Автоматический комплекс должен выполнять длительные измерения гидрофизических, гидрохимических и биофизических характеристик поверхностных вод, а также обеспечить предварительную обработку и хранение информации. К ключевым параметрам экосистемы, которые можно контролировать в режиме реального времени, относятся: температура воды и воздуха, прозрачность воды, содержание углеводородов, концентрация кислорода, флуоресценция хлорофилла поверхностных вод. Измерение данных параметров экосистемы оз. Байкал с координатной привязкой в точке измерений на обширной акватории и в течение длительного времени позволит проводить достоверную оценку изменений состояния экосистемы и своевременно выявить влияние антропогенных факторов.

Основные цели данного проекта: разработка универсального автоматического комплекса; обеспечение постоянного контроля качества поверхностных вод; оценка техногенных воздействий на среду; обеспечение экологической безопасности байкальского региона; расширение технической базы для научных исследований и образовательных программ; оповещение всех заинтересованных организаций об экологической обстановке на водном объекте; картографирование, создание тематических карт и атласов.

Автоматический комплекс. Универсальность данного комплекса обеспечивается его аппаратными и программными составляющими. Под универсальностью понимается возможность гибкого изменения программы мониторинга: набора датчиков, алгоритма, а также возможность установки на различные суда с минимумом программных и аппаратных доработок.

В состав комплекса входят: аппаратная часть, включающая промышленный контроллер, интерфейсную плату, набор радиомодулей, а также набор различных датчиков, и механическая часть, включающая в себя систему забора и слива воды, резервуар(-ы), в котором(-ых) производятся основные измерения параметров. Общий принцип функционирования комплекса заключается в следующем. Комплекс монтируется на судне: устанавливается аппаратная и механическая часть, развертывается сеть радиомодулей с датчиками. Маршрут судна заранее известен. В определенных точках маршрута происходит забор забортной воды, которая исследуется по заранее определенной программе. Точек забора на маршруте может быть множество. Вся работа комплекса полностью автоматизирована.

При разработке автоматического комплекса (рисунок) за аппаратную основу взят промышленный встраиваемый контроллер реального времени Com-pactRIO cRIO-9004, реконфигурируемое шасси cRIO-

DS-1820

Радиодатчики

Xemics DP1203

Интерфейсная плата

Приемопередатчик Xemics DP1203

GPS модуль Lassen IQ

GPRS модем SIM-300Z

Аналоговые Цифровые

датчики датчики

SD Card 2Гб

ш

Аналоговые датчики

д

Аналоговые

датчики -

Управление системой

NI-9401 Цифровой модуль

NI-9221 NI-9205

12-бит 16-бит

АЦП АЦП

NI-9481 4 Реле

ЛЦ1 I АЦП ^^^^^

FPGA

Л

RS - 23 2

PCI

CompactRIO cRIO-9004

Функциональная схема

9103 на основе ПЛИС и набор модулей С-серии, все устройства производства компании National Instruments.

Контроллер cRIO-9004 выполнен на основе процессора серии x86, работающего на частоте 195МГц. В комплексе используются следующие модули: NI-9401 - 8-канальный модуль цифровых входов/выходов; NI-9221 - 8-канальный 12-битный АЦП 800 кв/с; NI-9481 - 4-канальный SPST реле; NI-9205 -32-канальный 16-битный АЦП 250 кв/с. Модуль NI-9401 используется для работы с SD картой объемом 2Гб, а также подключения цифровых датчиков, в том числе и датчика уровня воды в резервуаре и др. Модули АЦП предназначены для подключения аналоговых датчиков. Модуль реле предназначен для управления внешними устройствами обеспечения забора воды.

Для связи с центральным пультом посредством сети Internet используется GPRS модем SIM300C. Для привязки к глобальным координатам и времени используется GPS модуль LassenIQ. Для упрощения монтажа системы и возможности дальнейшего расширения набора датчиков организуется радиосеть датчиков. Радиосеть выполняется на основе интегральных приемопередатчиков Xemics DP1203. Для организации связи cRIO-9004 с радиосетью датчиков, работы GPRS модема и GPS модуля разработана интерфейсная плата на основе 16-битного контроллера PIC24. Связь контроллером cRI0-9004 осуществляется через последовательный порт.

Накопленная информация передаётся с использованием GPRS протокола сети GSM. Передаваемый пакет дополняется контрольной суммой CRC8, запаковывается в PPP пакет и передается модулю GPRS, который, используя аппаратный стек TCP/IP, передает пакет на сервер. На сервере информация обрабатывается, анализируется и предоставляется пользователю.

При мониторинге состояния среды контролируются следующие параметры: температура воды и воздуха; атмосферное давление; скорость и направление

соматического комплекса

ветра у поверхности; относительная влажность воздуха; уровень солнечной радиации; удельная электропроводность воды; прозрачность воды; окислительно-восстановительный потенциал; содержание углеводородов; концентрация кислорода; содержание растительных остатков; концентрация ионов водорода; соленость; флоурисценция хлорофилла как косвенный показатель биологического состояния воды. Для контроля этих и ряда других параметров требуется использование различных гидрохимических, гидрофизических и других типов датчиков. Процесс контроля водной среды заключается в закачке забортной воды в резервуар, в котором и происходит измерение параметров.

Особенности системы. В системе в качестве ядра используется высоконадежный промышленный контроллер CompactRIO 9004. В автоматическом комплексе контроллер CompactRIO осуществляет функции управления, сбора и первичной обработки информации, управления системой жизнеобеспечения бортового комплекса, а также поддерживает связь с центральным пунктом приема и обработки информации. При условии нахождения судна в зоне действия сотовой связи, система может осуществлять передачу данных в режиме реального времени и приём команд с центрального пункта управления. Оперативная связь осуществляется в пакетном режиме приема и передачи данных (GPRS, TCP/IP). В течение длительного времени данные архивируются и записываются на карту памяти SD.

К особенностям системы следует также отнести возможность контроля и управления автоматизированным комплексом посредством сети Internet. Управление процессом мониторинга осуществляется с сервера, что позволяет оперативно адаптировать процесс мониторинга под изменяющиеся условия и потребности пользователя. Это возможно благодаря наличию телекоммуникационных средств в составе комплекса (GPRS модем).

Выводы. Обеспечение экологической безопасности и своевременное предупреждение чрезвычайных

ситуаций требуют использования современных методов и средств. Важную роль в системе оперативного контроля на обширном пространстве озера Байкал может сыграть автоматическая судовая лаборатория. Полная автоматизация циклов сбора, предварительной обработки, архивирования и передачи информации на центральный пункт позволит выполнять задачи на попутных судах без вмешательства персонала судна. Современные средства автоматизации сущест-

венно увеличат эффективность контроля параметров экосистемы озера Байкал.

Библиографический список

1. Шимараев М.Н., Гранин Н.Г. К вопросу о стратификации и механизме конвекции в Байкале // ДАН СССР. 1991. Т. 321. С. 81-385.

2. Суранов А.Я. LabVIEW 7: справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2005. 512 с.

УДК 665.6.001.8

К ВОПРОСУ О РАЗРАБОТКЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА ВЗРЫВООПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Ю.С.Маршалко1

ОАО «ИркутскНИИхиммаш», 664074, г. Иркутск, ул. Курчатова, д. 3.

Разработана и внедрена на нефтеперерабатывающем заводе система мониторинга для контроля в режиме реального времени температуры, перемещений реперных точек, а также деформаций горячей стенки аппарата (при помощи высокотемпературных капсулированных тензодатчиков) и экспертной оценки его фактического состояния. Датчики находятся во взрывоопасной зоне. Ил. 2. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: система диагностического мониторинга; система сбора данных; механические напряжения; тензометрирование; экспертная система; искробезопасная цепь; безопасность эксплуатации; опасный производственный объект.

TO THE QUESTION OF DEVELOPMENT OF COMPUTER SYSTEMS OF CONTINUOUS MONITORING OF HIGHLY

EXPLOSIVE TECHNOLOGICAL OBJECTS

Y.S.Marshalko

Public Corporation "Irkutsk Scientific Research Institute of Chemical Machine Building" 3, Kurchatov St., Irkutsk, 664074

The authors worked out and introduced a monitoring system to control temperature, movements of reference points, and deformations of the hot side of an apparatus with the help of high temperature capsuled tensometers and expert estimation of its actual condition in the real time regime at the oil-refining plant. Sensors are placed in a highly explosive zone. 2 figures. 4 sources.

Key words: diagnostics monitoring system; data collection system; mechanical stresses; tensometering; expert system; spark-proof circuit; exploitation safety; dangerous production object.

Разработка компьютеризированных систем сбора данных и управления относится к определяющим направлениям научно-технического прогресса. Одна из сфер применения таких систем - обеспечение безаварийной эксплуатации опасных производственных объектов (ОПО) [3, 4]. Для России эта задача особенно актуальна в связи со значительным износом технологического оборудования и часто небезопасным размещением ОПО по отношению к населенным пунктам и местам нахождения производственного персонала. Собственники предприятий также заинтересованы во внедрении непрерывной диагностики состояния ОПО, поскольку скидки с платежей страхования гражданской ответственности этих объектов напрямую связаны с их оснащением системами безопасности.

При создании систем непрерывного диагностического мониторинга состояния ОПО следует учитывать

их отличие от систем автоматизации технологических процессов. Первая особенность систем мониторинга связана с задачами нахождения критериев оценки состояния объекта, выбора мест размещения датчиков и допустимого диапазона показаний этих датчиков. Экспериментальное решение этих задач для действующих или вновь создаваемых уникальных объектов, как правило, невозможно, поскольку может привести к их повреждению в ходе исследований. Поэтому необходимо построить математическую модель объекта, позволяющую определить напряженно-

деформированное состояние (далее по тексту - НДС) конструкции в различных режимах технологического процесса.

Другая проблема, возникающая при внедрении систем мониторинга ОПО, связана со взрыво- и пожароопасным характером производства на этих объек-

1Маршалко Юрий Станиславович, старший научный сотрудник отдела новых неразрушающих методов контроля и мониторинга состояния оборудования, тел.: 89041206633, e-mail: marshalko@mail.ru

Marshalko Yuriy Stanislavovich, a senior scientific worker of the Department of new nondestructive control methods and monitoring of equipment condition, tel.: 89041206633, e-mail: marshalko@mail.ru