Разработка автоматизированных систем мониторинга загрязнения атмосферы объектами газовой и химической промышленности

УДК 502.7:502.55

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ОБЪЕКТАМИ ГАЗОВОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

К.В. Гришаков, В.М. Панарин, А.А.Горюнкова

Предложена автоматизированная система мониторинга загрязнения атмосферы объектами газовой и химической промышленности, рассмотрены принципы построения информационно-измерительной и управляющей системы мониторинга загрязнения атмосферы, так же рассмотрена информационно-измерительная система контроля утечек бытового газа.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, телеметрия, АХОВ, мониторинг, ИИС УГ, окружающая среда.

«Забота о сохранении чистоты воздуха, без которого невозможна жизнь, превратилась в результате увеличения плотности населения, повышения интенсивности движения транспорта и развития промышленности во всеобъемлющую и исключительно серьезную проблему».

Лейте В.

Окружающий нас воздух (атмосфера) является важнейшим фактором обеспечения нашей жизни. Стоит прекратить поступление воздуха в организм через органы дыхания, как уже через короткое время наступит смерть. В естественных условиях эта зависимость жизни от постоянного поступления не содержащего посторонних примесей воздуха для дыхания не таит в себе никакой опасности, но лишь до тех пор, пока в нашем распоряжении есть достаточное количество чистого, однородного по составу воздуха. Только с того времени, как человек начал применять в своей деятельности вредные для его жизни вещества, которые ранее лишь изредка, да и то в незначительных количествах загрязняли атмосферу, чистота использовавшегося для дыхания воздуха иногда стала подвергаться угрозе. При этом обнаружилось, что органы чувств не позволяют с достаточной точностью определять качество воздуха.

Обоняние не способно сигнализировать о наличии в воздухе всех вредных для организма загрязнений, например, оксида и диоксида углерода, оксидов азота (I) и (II). В то же время, хотя и ощущается присутствие в атмосфере даже незначительного количества таких ядовитых веществ, как синильная кислота, организм не отвечает на это какой-либо защитной реакцией. Неравномерно по своему характеру и воздействие на человека некоторых раздражающих газов. Так, аммиак сначала вызывает раздражающее действие, тогда как его вредное воздействие сказывается с некоторым

опозданием; у диоксидов серы и азота наблюдается обратная картина. Ограничены возможности органов обоняния и с точки зрения количественного определения содержания в воздухе примесей. Не говоря о том, что восприимчивость людей ко многим обладающим запахом загрязнениям воздуха носит строго индивидуальный характер, по отношению к некоторым ядовитым веществам, таким, как сероводород и диоксид азота, имеет место явление привыкания.

Данные обстоятельства делают актуальной задачу организации мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха промыш-ленно развитого региона.

Мониторинг не следует рассматривать как принципиально новую систему наблюдений - эта система является частью универсальной системы контроля состояния окружающей среды, опирается на опыт уже существующих служб.

Мониторинг представляет собой комплекс мероприятий по определению состояния окружающей среды и отслеживанию изменений в ее состоянии. При этом основные задачи мониторинга можно определить как следующие:

систематические наблюдения за состоянием среды и источниками, воздействующими на окружающую среду;

оценка фактического состояния природной среды;

прогноз состояния окружающей среды и оценку прогнозируемого состояния последней.

С учетом обозначенных задач мониторинг - это система наблюдений, оценки и прогноза состояния среды обитания. Следует также заметить, что мониторинг является многоцелевой информационной системой.

На данный момент наиболее распространенными являются следующие системы контроля загрязнения атмосферы промышленных регионов с высокой антропогенной нагрузкой.

1. Автоматизированная информационная система «ТОГА».

2. Автоматизированная система контроля пылегазоочистных установок «АСК ПГУ».

3. Система контроля атмосферы промышленных объектов (СКАПО).

4. Автоматизированная система мониторинга атмосферы и контроля источников загрязнения (АСМАКИЗ).

5. Система ЕсоМопйог - автоматизированная система контроля качества воздуха.

Принципы построения информационно-измерительной и управляющей системы мониторинга загрязнения атмосферы «Информационно-измерительная и управляющая система экологического мониторинга» представляет собой совокупность математических методов, методов про-

45

граммирования и технических средств (ЭВМ, средств связи, устройств отображения информации, передачи данных и т.д.), обеспечивающих рациональное управление сложным объектом (например, предприятием, технологическим процессом). Наиболее важная цель построения информационно-измерительной и управляющей системы - резкое повышение эффективности управления объектом на основе роста производительности управленческого труда и совершенствования методов принятия управленческих решений.

Разработка информационно-измерительной и управляющей системы экологического мониторинга, порядок ее создания и направления эффективного использования базировались на следующих принципах:

1) принцип новых задач, это задачи оптимального управления, которые можно решать, используя возможности вычислительной техники;

2) принцип комплексного, или системного подхода при разработке ИИиУС, в соответствии с которым необходимо комплексно решать вопросы технического, экономического и организационного характера;

3) принцип первого руководителя предполагает, что разработка информационно-измерительных и управляющих систем должна проводиться при участии и под руководством директора предприятия или руководителей функциональных служб;

4) принцип непрерывного развития системы, в соответствии с которым количество решаемых задач непрерывно увеличивается, причем новые задачи не заменяют уже внедренные;

5) принцип модульности и типизации, заключающийся в выделении и разработке независимых частей системы и использовании их в различных подсистемах;

6) принцип согласованности пропускных способностей отдельных частей системы, для обеспечения максимальной производительности системы в целом;

7) принцип автоматизации документооборота и единой информационной базы.

Обобщённая структурная схема информационно-измерительной и управляющей системы экологического мониторинга представлена на рис. 1.

На основании разработанных моделей и методов было разработано алгоритмическое и программное обеспечение информационно-измерительной и управляющей системы мониторинга состояния загрязнения воздуха, включающая отдельные программные модули, такие как:

- программно-аппаратный комплекс сбора, обработки и отображения информации совместно с комплексом аппаратуры для измерения концентраций вредных веществ «Экомонитор»;

- модуль расчета и отображения зон распространения опасных химических веществ;

- модуль расчета распространения выбросов в воздушной среде застроенных территорий в виде программного комплекса «Эмиссия»;

- модуль информационно-измерительной и управляющей системы в газовом хозяйстве - модуль контроля утечек бытового газа.

Информационно-измерительная

сеть

СзмеренияТЛ запросы )

Г -

^ Станция контроля п |

Станция контроля 1

Терминалы

Центр мониторинга

к

Моделирующий комплекс

/"Запросы,Л ^результаты/

N

/""Команды, Л ^сообщенияЛ

\

Архивный комплекс

1

Коммуникационный комплекс

Ч:

Г Прием файлов, ^передача файлов/

/

ггш

Диспетчерский комплекс

_^

\

Вывод информации о загрязнении

ш/

Отчеты

Графики

Таблицы

/ Запросы,Л Урезультагыу1

Управляющий сигнал

Рис. 1. Структурная схема информационно-измерительной

и управляющей системы

Каждый из программных модулей выполняет поставленные перед ним задачи и способствует повышению эффективности работы всей информационно-измерительной и управляющей системы мониторинга загрязнения атмосферы.

Программно-аппаратный комплекс информационно-измерительной и управляющей системы мониторинга атмосферного воздуха включает в себя автоматизированную систему сбора, обработки и отображения информации совместно с комплексом аппаратуры для измерения концентраций вредных веществ.

Программно-аппаратный комплекс состоит из нескольких частей:

- программа настройки;

- серверная часть;

- программа сбора на локальном посту.

Программный модуль расчета и отображения зон поражения при авариях с выбросом АХОВ является частью информационно-измерительной и управляющей системы монитринга загрязнения атмосферы, и предназначен для прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с разливом АХОВ и построения сектора возможного заражения на электронной карте местности с использованием геоинформационной системы AutoCADMap 2000ь

Исходными данными для прогнозирования химической обстановки с помощью программного модуля являются:

- тип и количество АХОВ;

- метеоусловия;

- характер местности и застройки на пути распространения зараженного воздуха;

- условия хранения и характер выброса ядовитых веществ.

Модуль расчета распространения выбросов в воздушной среде застроенных территорий в виде программного комплекса «Эмиссия» предназначен для оценки влияния вредных выбросов проектируемых и действующих (реконструируемых) предприятий на загрязнение приземного слоя атмосферы.

Расчетные модули системы реализуют «Модифицированную гаус-совскую модель расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий и аварийных выбросах при разрывах газопроводов». Система позволяет рассчитывать поля загрязнений для точечной модели источника выброса вредных веществ с круглым устьем трубы и множества одиночных точечных источников с различными значениями конструктивных и технологических характеристик.

Так же наряду с выбросами АХОВ в окружающую среду следует отметить опасность от утечек газа. В последнее время в различных регионах России участились случаи взрывов бытового газа. Число человеческих жертв из-за бытовых взрывов газа непрерывно растет. Отсутствие установленного на федеральном уровне порядка технического обслуживания и ремонта внутридомового газового оборудования, предусматривающего регламентацию обязательных требований к технической оснащенности и подготовке персонала газоснабжающих организаций, привело к тому, что зачастую к обслуживанию указанного оборудования, являющегося газоопасным, привлекаются специалисты, не имеющие соответствующей профессиональной подготовки, что в свою очередь приводит к авариям на сетях, обеспечивающих поставку газа в жилые дома, взрывы которых в последнее время участились и приводят к человеческим жертвам.

В связи с данными обстоятельствами разработана информационно-измерительная система контроля утечек бытового газа (ИИС УГ). Данный комплекс представляет собой совокупность устройств телеметрии, датчи-

ков концентрации газа, электромеханической задвижки, клапана открытия/закрытия. Структурная схема информационно-измерительной системы контроля утечек газа приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема информационно-измерительной системы контроля утечек газа

Предлагаемый телеметрический комплекс позволяет в автоматизированном режиме осуществлять учет расхода газа потребителями и обеспечивает обнаружение его утечки с автоматическим передачей информации на диспетчерский центр аварийно-диспетчерской службы, и с одновременным автоматическим перекрытием клапана подачи газа к потребителям.

Принцип работы заключается в следующем: в каждом подъезде, квартире или доме, в котором установлен счетчик расхода газа, устанавливается автономный квартирный модуль, передающий данные о расходе и утечке газа на подъездный контроллер, который, затем по GSM-связи передает эти данные научастковый диспетчерский центр. С этой целью в автономном квартирном модуле имеется датчик, который определяет концентрацию газа в помещении. В подъездный газопровод монтируется кран подачи газа в квартиры, к нему подключается электромеханический клапан открытия/закрытия крана подачи газа в квартиры. В случае определения датчиком утечки газа в квартире, автономный квартирный модуль подает сигнал по радиоканалу на подъездный контроллер, который автоматически, через электромеханический клапан, перекрывает подачу газа в конкретную квартиру. Одновременно с этим, подъездный контроллер передает сигнал об утечке газа на участковый диспетчерский центр по GSM-связи, а также производит рассылку SMS-сообщений об утечке газа на сотовые телефоны владельцев квартир. На дисплее оператора в диспетчерском центре отображается информация об утечке газа, с указанием адреса квартиры.

49

Список литературы

1. Лейте В. Определение загрязнителей воздуха в атмосфере / под ред. П.А. Коузова., В.А. Симонова. Л.: Химия, 1980.

2. Автоматизированные системы экологического мониторинга атмосферы промышленно развитых территорий / А.В. Бизикин [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. 218 с.

3. Агапов А. А. Принципы построения автоматизированной информационно-управляющей системы регулирования промышленной безопасности // Безопасность труда в промышленности. 2000. № 6. С.15 - 19.

4. Андрианов Д.Е., Автоматизированная обработка пространственной информации в геоинформационных системах Булаев А.В. // Автоматизация и современные технологии. 2007. №8. С. 3 - 6.

5. Панарин М.В., Панарин В.М., Пушилина Ю.Н. Инновационные системы контроля и управления промышленными объектами с использованием спутниковых и мобильных средств связи // Тезисы докл. международного науч. -практич. симпозиума 7-13 ноября 2009 г./ под общ. ред. чл.-корр. РАН В.П. Мешалкина. М.-Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 87 - 89.

Гришаков Кирилл Владимирович, студент, grishakoff.kmn@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Панарин Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., panarin-tsu@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Горюнкова Анна Александрова, канд. техн. наук, доц., anna_zuykova@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DEVELOPMENT OF AUTOMATED SYSTEMS MONITORING OF AIR POLLUTION OF THE GAS AND CHEMICAL INDUSTRY

K.V. Grishakov, V.M. Panarin, A.A.Goryunkova

Proposed an automated system for monitoring atmospheric pollution of the gas and chemical industry, principles of construction information measurement and control system for monitoring atmospheric pollution, as well considered information-measuring system monitoring leakage of household gas.

Key words: information-measuring system, telemetry, APB, monitoring, IMS HS, environment.

Grishakov Kirill Vladimirovich, student, grishakoff.kirin@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Panarin Vladimir Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, Panarin-tsu@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Goryunkova Anna Alexandrovna, candidate of technical sciences, docent, anna zuykova@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.983.3:621.798.144:669.71

ПОДХОД К РАСЧЕТУ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В МЕТАЛЛАХ С УЧЕТОМ ПЛАСТИЧЕСКОЙ

ДИЛАТАНСИИ

Г.М. Журавлев, И.А. Наумов

Рассмотрен подход к расчету напряженно-деформированного состояния при проведении операций холодной обработки металлов давлением основанный на учете пластической дилатансии. Выписаны основные уравнения, построен функционал и показан способ его решения численным методом, позволяющим определять напряженно-деформированное состояние формирование механических свойств и деформационную повреждаемость.

Ключевые слова: изготовление изделий, дитлатирующие материалы, повреждаемость металлов, плоское пластическое деформирование.

Важной проблемой является повышение эффективности технологических процессов изготовления изделий из металлов способами обработки давлением, обеспечивающими получение требуемых эксплуатационных характеристик.

Проводимые исследования пластического формоизменения материалов показывают, что эксплуатационные свойства изделий зависят не только от механических характеристик, но и от физико-структурных свойств обрабатываемых материалов, к которым относится и повреждаемость материала дефектами деформационного характера, связанная с пластическим разрыхлением (или уплотнением) мезоструктуры деформируемого материала. Известно, что основным физическим механизмом повреждаемости металлов при их больших пластических деформациях, является порообразование. Порообразование в условиях пластической деформации приводит к необратимому изменению объема деформируемого материала - его пластической дилатансии.

В работе рассмотрен подход к исследованию процессов пластического деформирования дитлатирующих материалов. Теоретической основой анализа процессов является теория пластичности и, прежде всего, теория течения, которая предполагает использование и основных положений теории движения сплошной среды.