СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И СБОРА ИНФОРМАЦИИ ПРИ РАБОТАХ С ПОВЫШЕННОЙ ОПАСНОСТЬЮ
SYSTEM FOR CONTROL AND COLLECTION OF INFORMATION DURING WORK WITH INCREASED DANGER

Изобретение относится к средству коллективной защиты, используемая для минимизации рисков здоровья работников при выполнении работ повышенной опасности.
На территориях компрессорных станций и объектах линейной части магистральных газопроводов (нефтепроводов, конденсатопроводов и т.п.) производятся работы с повышенной опасностью: газоопасные, огневые и земляные работы. При проведении данных работ невозможно постоянно осуществлять контроль воздушной среды в зоне производства работ.  Так же на месте производства работ, существует потребность контроля температурного режима, влажности и давления, для соблюдения правил охраны труда работников, режимов отдыха и обогрева работников документ [1].
Известно устройство для замера данных окружающей среды при выполнении опасных работ работником [2]. Недостатками данного устройства являются:
- Отсутствие передачи и хранения данных о состоянии окружающей среды о температуре окружающего воздуха, напряженности магнитного поля и наличия взрывопожароопасных газов;
- Данное устройство локальное (без передачи информации);
- отсутствие датчика влажности;
- отсутствие датчика давления;
- отсутствие беспроводной зарядки аккумуляторной батареи;
- отсутствие уставок взрывопожарных веществ (легкие углеводороды, тяжелые фракции углеводородов и другие смеси газов и легкоиспаряющихся взрывоопасных жидкостей (ЛВЖ)), температуры окружающей среды при воздействии которой имеется риск получить вред здоровью и времени нахождения работника при минусовой/плюсовой температуре;
- отсутствие цветовой индикации режимов светодиодами;
- отсутствие управления индикацией при возникновении внештатных ситуаций из вне, путем подачи сигнала с удаленного устройства (персональный компьютер или сервер).
Задачей изобретения является создание безопасных условий труда, сохранения жизни и здоровья работников при производстве работ:
- при низкотемпературных погодных условиях;
- в нефтяной, газовой промышленности и при горных работах, где имеется риск выделения в рабочую зону взрывопожароопасных газов и ЛВЖ;
- в электроустановках (на линиях электропередач (ЛЭП), а также где имеется риск появления напряжения над головой работника (при  подъеме работника под токоведущими частями);
- проводимых в условиях недостаточной видимости (снег, туман, сумерки и т.п.);
- контроля действий работников, выполняющих работы по вновь вводимым объектам строительства, плановому ремонту, обслуживания оборудования, работ по локализации аварий и выполнения опасных работ (газоопасные, огневые и земляные работы).
Технический результат – идентификация опасностей, сбор информации с целью минимизации рисков возникновения угроз для жизни и здоровья работника при выполнении им работ с повышенной опасностью и при низкотемпературных/высокотемпературных погодных условиях, а также анализ качества проведения работ, на основе полученных данных сохраненных на удаленном устройстве (персональный компьютер или сервер).
Изобретение показано на фиг. 1-2. Блок-схема работы устройства показана на фиг. 3-4. Схема организации передачи данных показана на фиг.5
Изобретение представляет собой систему сбора информации в реальном времени и хранение ее на персональном компьютере (АРМ) или сервере и состоит из модуля сбора и передачи данных (МСПД) 1, модуля преобразования данных (МПД) 2 и SCADA системы (СКАДА) 3.
В качестве МСПД 1 используется патент № 198230 «Умная каска» с доработанными:
а) алгоритмами:
- внесение с помощью МПД 2 в МСПД 1 констант по порогам загазованности (для широкого спектра использования устройства при работах с различными горючими углеводородами и смесями ЛВЖ);
- сравнение времени нахождения и температуры окружающего воздуха в месте проведения работ от заданных условий;
- обработками дополнительных параметров по сбору данных (влажность, давление, заряд аккумуляторной батареи);
- передачи собранной информации на МПД 2 для хранения и отображение ее на СКАДА 3;
- оповещение о нештатных ситуациях путем получения сигнала со СКАДА 3 через МПД 2.
б) улучшенными техническими характеристиками:
- применено улучшенное покрытие элементов (компаунд) для изоляционных свойств элементов, взаимодействующих с окружающей средой;
- применено разделение зон внутри каски, согласно их взаимодействия с окружающей средой;
- доработана система опора вязки датчиков;
- применен другой тип (более надежный и ёмкий) аккумуляторной батареи (АКБ);
- применена система беспроводной зарядки АКБ;
- применен контроллер заряда АКБ с поддержкой беспроводной зарядки;
- применен модуль для считывания центральным процессором (ЦП) заряда АКБ;
- применено беспроводное зарядное устройство в отдельном корпусе;
- дополнено датчиками: влажности, давления, температуры платы процессора;
- дополнено модулем для передачи собранной информации на МПД 2 использующим зашифрованный канал передачи;
МСПД 1 состоит из:
1.1 патента № 198230 «Умная каска» включающий в себя:
1.1.1 корпус каски
1.1.2 защитной крышки каски;
1.1.3 аккумуляторной батареи;
1.1.4 печатной платы;
1.1.5 зуммера;
1.1.6 центральный процессор;
1.1.7 датчика влажности;
1.1.8 адресные светодиоды;
1.1.9 датчика давления;
1.1.10 кнопки включения;
1.1.11 блока беспроводной зарядки аккумуляторной батареи;
1.1.12 датчика напряженности магнитного поля;
1.1.13 датчика загазованности;
1.1.14 датчика температуры;
1.1.15 сенсорного датчика;
1.1.16 модуля заряда аккумуляторной батареи;
1.1.17 датчика температуры печатной платы;
1.1.18 светодиода работы сенсора;
1.1.19 светодиода работы устройства;
1.1.20 светодиода заряда аккумуляторной батареи;
1.1.21 модуля передачи информации;
1.1.22 модуль гальванической развязки.
МСПД 1 состоит из корпуса каски (жесткой наружной оболочки) 1.1.1 (фиг. 1-4) и элементов, закрепленных на данном корпусе. На внутренних боковых поверхностях корпуса каски 1.1.1 закреплены адресные светодиоды 1.1.8 в количестве 8 штук (фиг. 1), а также датчик температуры 1.1.14, датчик загазованности 1.1.13 и датчик влажности 1.1.7. На верхней внутренней стороне закреплен датчик напряженности магнитного поля 1.1.12. Адресные светодиоды 1.1.8 с помощью пайки оловянно-свинцовым припоем соединены с печатной платой 1.1.4 и подключены к цифровой шине центрального процессора 1.1.6. Внутри корпуса каски 1.1.1 находится защитная крышка 1.1.2, которая ограничивает доступ к устройству и предотвращает пользователю вмешиваться в его работу. На защитной крышке каски 1.1.2 расположена кнопка включения 1.1.10, сенсорный датчик 1.1.15 подключенный к цифровой шине центрального процессора 1.1.6 через модуль гальванической развязки 1.1.22, светодиод работы сенсора 1.1.18, светодиод работы устройства 1.1.19, светодиод заряда аккумуляторной батареи 1.1.20 и блок беспроводной зарядки аккумуляторной батареи 1.1.11, который соединён с модулем заряда аккумуляторной батареи 1.1.16.
Датчик напряженности магнитного поля 1.1.12 состоит из чувствительного элемента на основе датчика Холла и соединён с печатной платой 1.1.4 к аналоговым шинам центрального процессора 1.1.6 через модуль гальванической развязки 1.1.22, что в свою очередь способствует в реальном времени анализировать обрыв цепи и показание напряженности магнитного поля вокруг корпуса каски 1.1.1. При обнаружении вокруг каски напряженности магнитного поля, превышающую норму, а также обрыв цепи между датчиком напряженности магнитного поля 1.1.12, центральный процессор 1.1.6 сформирует сигнал на зуммер 1.1.5 и адресные светодиоды 1.1.8, которые будут светиться оранжевым цветом. Создавая симметричную частоту звукового импульса и свечения адресных светодиодов 1.1.8, где время свечения будет 200 мс (0,2 сек), а время затухания 200 мс. Сигналы напряженности магнитного поля снимаются только после удаления работника из зоны обнаружения.
Датчик температуры 1.1.14 обеспечивает измерение температуры окружающей среды и соединён с печатной платой 1.1.4 к цифровому каналу центральный процессор 1.1.6 через модуль гальванической развязки 1.1.22, что обеспечивает контроль цепи датчика от обрыва, неисправности или замыкания. Диапазон измеряемых температур от -55°C до +125°C, с погрешностью ±0,5°C. При обрыве цепи или неисправности между датчиком температуры 1.1.14, центральным процессором 1.1.6 сформирует сигнал на зуммер 1.1.9 и адресные светодиоды 1.1.8, которые будут светиться в голубом цвете. Создавая несимметричную частоту звукового импульса и свечения адресных светодиодов 1.1.8, где время свечения будет 500 мс (0,5 сек), а время затухания 200 мс (0,2 сек). В алгоритме центрального процессора 1.1.6 фиксируется температура окружающего воздуха, при достижении температуры меньше или равной заданной температуре и при превышении таймера заданных со СКАДА 3 через МПД 2. По превышении заданных параметров центральный процессор 1.1.6 формирует сигнал на звуковой зуммер 1.1.9 и адресные светодиоды 1.1.8, которые светятся голубым цветом, создавая несимметричную частоту звукового импульса и свечения адресных светодиодов 1.1.8, где время свечения будет 3000 мс (3 сек), а время затухания 500 мс (0,5 сек). Звуковой зуммер 1.1.9 и адресные светодиоды 1.1.8, будут работать пока температура не вырастет до комнатной (+18), что соответствует тому, что работник покинул зону низкотемпературных условий и находится в теплом помещении.
Принцип работы датчика загазованности 1.1.13 основан на изменении сопротивления при контакте с молекулами определяемого газа. Диапазон измерений: Пропан: 200–10000 ppm (0,46 % от нижнего концентрационного предела распространения пламени (далее–НКПР) – 22,6 % НКПР, или 0,02 – 1% объемная доля (далее –об. д.), Изобутан: 200–10000 ppm (0,46% НКПР – 22,6 % НКПР, или 0,02 – 1% об. д.), Природный газ: 200–10000 ppm (0,46% НКПР – 22,6% НКПР, или 0,02 – 1% об. д.). Датчик загазованности 1.1.13 соединён с печатной платой 1.1.4 с аналоговыми шинами центрального процессора 1.1.6 через модуль гальванической развязки 1.1.22. Данные по порогам задаются со СКАДА 3 через МПД 2, которые учитываются центральным процессором 1.1.6 при анализе окружающей среды по загазованности. В реальном времени центральный процессор 1.1.6 анализирует обрыв цепи и возрастание загазованности вокруг корпуса каски 1.1.1 сравнивая данные с заданными со СКАДА 3 через МПД 2. При обрыве цепи между датчиком загазованности 1.1.13 и печатной платой 1.1.4 центральный процессор 1.1.6 сформирует сигнал на звуковой зуммер 1.1.9 и адресные светодиоды 1.1.8 неисправности, которые светятся красным цветом, создавая несимметричную частоту звукового импульса и свечения адресных светодиодов 1.1.8, где время свечения будет 500 мс (0,5 сек), а время затухания 200 мс (0,2 сек). При обнаружении вокруг каски загазованности, превышающей минимально-допустимые значения, центральный процессор 1.1.6 сформирует сигнал на звуковой зуммер 1.1.9 и адресные светодиоды 1.1.8, создавая несимметричную частоту звукового импульса и свечения адресных светодиодов 1.1.8, которые светятся красным цветом, где время свечения будет 1000 мс (1 сек), а время затухания 500 мс (0,5 сек). Сигналы снимаются только после удаления работника из зоны загазованности.
Датчик влажности 1.1.7 используется для контроля влажности окружающего воздуха при работах в условиях, повышенных и/или пониженных температур. Датчик влажности 1.1.7 соединен с печатной платой 1.1.4 с цифровым каналом центрального процессора 1.1.6 через модуль гальванической развязки 1.1.22, что обеспечивает контроль цепи датчика от обрыва, неисправности или замыкания. Центральный процессор 1.1.6 обрабатывает полученные данные с датчика влажности 1.1.7 и передает их через модуль передачи информации 1.1.21 на СКАДА 3 через МПД 2.
Датчик давления 1.1.9 используется для определения давления окружающего воздуха и высоты над уровнем моря, при этом имеется возможность сбросить расчетную высоту, для определения положения каски (каска снята или находится на работнике). Сброс высоты обеспечивается с помощью СКАДА 3 через МПД 2. Датчик давления 1.1.9 соединен с печатной платой 1.1.4 к цифровому каналу центрального процессора 1.1.6 через модуль гальванической развязки 1.1.22, что обеспечивает контроль цепи датчика от обрыва, неисправности или замыкания. Давление пересчитывается в мм.рт.ст центральным процессором 1.1.6, пересчитанные значения передаются с помощью модуля передачи информации 1.1.21 на СКАДА 3 через МПД 2. Данные давления используются также, как и влажность для определения времени нахождения работника в зоне пониженных и/или повышенных температур.
Модуль передачи информации 1.1.21 предназначен для связи по радиоканалу с МПД 2 для передачи информации: температуры, влажности, давления, загазованности, уровня по высоте каски относительно заданного нуля, напряженности магнитного поля, порогов загазованности, температуры печатной платы 1.1.4, уровня заряда аккумуляторной батареи, отработка уставки по температуре и времени, состояние подсветки каски и др. Также имеется возможность управления со СКАДА 3 через МПД 2: уставками порогов загазованности, включение аварийного оповещения каски в случае аварийных ситуаций для предупреждения работника, уставкой температуры, времени нахождения при назначенной температуре, уставка нуля высоты каски.
МПД 2 предназначен для обмена информацией с МСПД 1. МПД 2 соединяется с МСПД 1 (1 до 247 устройств). Осуществляет преобразования зашифрованной информации с МСПД 1 и передачи ее при использовании протокола ModbusTCP/IP на СКАДА 3.
МПД 2 состоит из:
2.1 модуль приема-передачи;
2.2 аккумуляторной батареи;
2.3 кнопки включения;
2.4 печатной платы;
2.5 модуля преобразования протокола;
2.6 разъем для заряда;
2.7 модуль заряда аккумуляторной батареи;
2.8 светодиод работы;
2.9. центральный процессор;
2.10 предохранитель;
2.11 модуль гальванической развязки;
2.13 корпус.
Корпус 2.13 МПД 2 служит для установки в него печатной платы 2.4 с соединенной к ней элементами входящих в состав МПД 2 и служит для защиты МПД 2 от внешних воздействий.
Модуль приема-передачи 2.1 служит для связи с модулем передачи информации 1.1.21 МСПД 1 по защищенному каналу передачи информации. Состоит из процессора, усилителей сигналов, антенного модуля и блока согласования протоколов. Данные с МСПД 1 передаются по защищенному каналу и с использованием шифрования на расстояние до 1000 метров (зона прямой видимости), что обеспечит надежную связь с МПД 2. Модуль приема-передачи 2.1 использует двунаправленный режим связи с модулем передачи информации 1.1.21 МСПД 1 и работает на частоте 2,45 ГГц с использованием шифрования передающих данных. Максимальная выходная мощность 0 dBm, коэффициент усиления антенны: 2dBm. Модуль приема-передачи 2.1 подключается подключен к цифровой шине центрального процессора 2.9 посредством пайки оловянно-свинцовым припоем к печатной плате 2.4 через модуль гальванической развязки 2.11.
Аккумуляторная батарея 2.2 подключена к модулю заряда аккумуляторной батареи 2.7. Модуль заряда аккумуляторной батареи 2.7 следит за зарядом, разрядом аккумуляторной батареи 2.2, преобразовывает напряжение для питания всех элементов МПД 2 и подключается к ним через кнопку включения 2.3. Модуль заряда аккумуляторной батареи 2.7 подключен к разъему для заряда 2.6 через предохранитель 2.10. На модуле заряда аккумуляторной батареи 2.7 имеется индикация процесса заряда аккумуляторной батареи 2.2. Модуль заряда аккумуляторной батареи 2.7 также подключен к цифровой шине центрального процессора 2.9 для передачи уровня заряда аккумуляторной батареи 2.2 посредством пайки оловянно-свинцовым припоем к печатной плате 2.4. Модуль заряда аккумуляторной батареи 2.7 преобразовывает напряжение подаваемого на вход разъема для заряда 2.6 и преобразовывает напряжение от 7 до 42 вольт.
Модуль преобразования протокола 2.5 преобразует принимаемую зашифрованную информацию от МСПД 1 через модуль приема-передачи 2.1 в протокол ModbusTCP/IP для передачи ее в СКАДА 3. Модуль преобразования протокола 2.5 подключен к цифровой шине центрального процессора 2.9 посредством пайки оловянно-свинцовым припоем к печатной плате 2.4, через модуль гальванической развязки 2.11.
СКАДА 3 представляет собой программное обеспечение, служащее для преобразования информации поступающее с МСПД 1 через МПД 2 в человеко-машинный интерфейс интуитивно понятный для контроля за работой работника при выполнении им работ. СКАДА 3 выбирается исходя из факторов: 1. поддержка ModbusTCP/IP через ОРС сервер; 2. Количеством тэгов для информационного наполнения базы данных (выбирается от количества МСПД 1); 3. Временем хранения информации, поступающей с МСПД 1.
Изобретение представляет собой систему, состоящую из сложных технических устройств служащих для выполнения конкретных задач, а именно:
1. Анализ воздушной среды при помощи датчика загазованности;
2. Анализ температуры наружного воздуха;
3. Анализ напряженности магнитного поля;
4. Анализ атмосферного давления;
5. Анализ влажности окружающего воздуха;
6. Вычисление высоты над уровнем моря;
7. Передача собранной информации;
8. Хранение и отображение информации, поступающей с датчиков и вычисленной информации на основе математических и логических вычислений для анализа и контроля выполняемой работником работы;
9. Построение графиков с помощью поступающей информации;
10. Ведение журнала событий для анализа и контроля выполняемой работником работы;
11. Формирование аварийно-предупредительной светозвуковой сигнализации для привлечения внимания.
В алгоритмах заложен:
1. Постоянный анализ воздушной среды и при превышении порогов, установленных с помощью уставок по загазованности, сработает светозвуковая сигнализация, что позволяет привлечь внимание пользователя;
2. Постоянный анализ и сравнение температуры окружающей среды, при равной или ниже -30 градусов и по истечении 15 минут, сработает светозвуковое оповещение, и отключится только после того, как работник перейдет в зону с комнатной температурой свыше +18 градусов;
3. Постоянный анализ и сравнение напряженности магнитного поля. При достижении порога сработает светозвуковое оповещение;
4. Постоянный анализ влажности воздуха;
5. Постоянный анализ атмосферного давления и пересчет его в мм.рт.ст;
6. Расчет высоты над уровнем моря;
7. Вычисление заряда аккумуляторной батареи;
8. Шифрование/дешифрование передаваемых данных;
9. Передача информации;
10. Преобразование информации;
11. Включение и отключение световой индикации каски для работы во время недостаточной видимости;
12. Постоянный контроль датчиков на их исправность. При обнаружении неисправности (обрыва линий связи), включается светозвуковое оповещение;
13. Контроль сенсорного датчика включения и выключения световой индикации.
Список источников:
1. Инструкция по охране труда при выполнении работ в условиях низких температур № ИВР-003-19 (разработана на основе Методических рекомендаций МР 2.2.7.2129-06 «Режим труда и отдыха работающих в холодное время на открытой территории или в неотапливаемых помещениях»);
2. Патент РФ №RU198230U1«Умная каска» МПК A42B 3/04.