СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ
AIR MONITORING SYSTEM

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты, используемым для минимизации рисков здоровья работников на опасном производственном объекте.
На территории компрессорных станций и объектах линейной части магистральных газопроводов (нефтепроводов, конденсатопроводов) в процессе планово-предупредительных ремонтов или аварийных ситуаций появляется необходимость в производстве земляных работ. Документом [1] предписан обязательный контроль загазованности при проведении огневых и газоопасных работ. При этом согласно документу [2], замер загазованности необходимо производить до начала работ, а также в процессе их проведения непрерывно с регистрацией результатов замера в наряде допуске. Согласно п. 4. п.п. 4.1. документа [3] любые земляные работы на территории компрессорных станций, газораспределительных станций и в охранных зонах магистральных газопроводов являются газоопасными.
При проведении земляных работ механизированным способом с использованием землеройной техники отсутствует возможность постоянного контроля воздушной среды в зоне работы экскаватора и непосредственно в котловане, так как радиус опасной зоны составляет более 5 метров от радиуса любой крайней части экскаватора [3]. Кроме того, останавливать работу техники и подходить к краю котлована с целью проведения замера загазованности ручным приспособлением (например, СГГ-20М) до окончания его готовности запрещено в связи с угрозой обрушения стенки котлована. Таким образом, существует проблема обеспечения безопасности и отсутствие качественного и непрерывного контроля воздушной среды.
Так же на месте производства газоопасных работ существует потребность в контроле температурного режима для соблюдения охраны труда и режимов отдыха и обогрева работников [4].
Задачей изобретения является создание безопасных условий труда для сохранения жизни и здоровья работника при производстве работ:
- в низкотемпературных погодных условиях;
- в нефтяной, газовой промышленности и при горных работах, где имеется риск выделения в рабочую зону взрывопожароопасных газов.
Технический результат - идентификация опасностей с целью минимизации рисков возникновения угроз для жизни и здоровья работника при выполнении им своих трудовых обязанностей.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается системой, состоящей из блока обнаружения и блока визуализации, соединенных между собой по радиоканалу и состоящих из отдельных корпусов с расположенными внутри них печатными платами и центральными процессорами, при этом к цифровой шине центрального процессора блока обнаружения через модуль гальванической развязки подключены датчик температуры, датчик давления и датчик влажности, приемопередатчик, контроллер заряда аккумуляторной батареи с подключенной к нему аккумуляторной батареей, к аналоговой шине через модуль гальванической развязки подключен датчик загазованности по пропану, изобутану и природному газу (метану), к дискретному выходу подключены светодиоды, выполняющие роль стробоскопа, к печатной плате через кнопку включения подключен модуль преобразования напряжения; к цифровой шине центрального процессора блока визуализации через модуль гальванической развязки подключены приемопередатчик системы сбора данных и информационный дисплей, к дискретному выходу подключены исполнительное устройство и стробоскоп с зуммером, к печатной плате через кнопку включения подключен модуль преобразования напряжения.
Конструктивно система состоит из 2 частей:
1. Блок обнаружения (далее - БО);
2. Блок визуализации (далее - БВ).
БО 1 предназначен для периодических измерений:
- концентрации горючих газов (метана, углеводородов, паров горючих жидкостей) в воздушной среде и при контроле утечек из трубопроводов транспортирования природного и сжиженного газа, а также других легковоспламеняющихся веществ;
- температуры окружающей среды;
- влажности воздуха;
- атмосферного давления.
БО 1 является переносным прибором, который может быть закреплен с помощью магнита на стальную часть стрелы экскаватора, также предусмотрен ремешок, оснащенный ответной текстильной застежкой. Замеры производятся постоянно, пропускаемость измеряемой среды через сенсор датчика загазованности происходит при опускании и поднимании стрелы экскаватора при производстве земляных работ.
Основной функцией БО 1 является обработка информации, поступающей от датчиков, подключенных к каналам измерений, анализ и передача обработанной информации на БВ 2 по радиоканалу.
Изобретение показано на фиг. 1-2. Блок-схема работы устройства показана на фиг. 3-4.
БО 1 состоит из:
1.1 Печатной платы;
1.2 Центрального процессора;
1.3 Аккумуляторной батареи;
1.4 Стробоскопа;
1.5 Герметичного корпуса;
1.6 Датчика загазованности;
1.7 Датчика температуры;
1.8 Датчика влажности;
1.9 Датчика давления;
1.10 Приемопередатчика;
1.11 Контроллера заряда аккумуляторной батареи;
1.12 Кнопки включения;
1.13 Защищенного разъема для заряда аккумуляторной батареи;
1.14 Модуля преобразования напряжения;
1.15 Модуля гальванической развязки;
1.16 Магнита;
1.17 Ремешок.
а) Печатная плата 1.1 состоит из фольгированного медного текстолита, на поверхностях которого сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. С внешних сторон на плату нанесено защитное покрытие («паяльная маска») и маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно наименованию) методом шелкографии. Служит для монтажа к ней с помощью пайки оловянно-свинцовым припоем: центрального процессора 1.2, проводов питания от модуля преобразования напряжения 1.14, проводов от стробоскопа 1.4, датчика температуры 1.7, датчика влажности 1.8, датчика давления 1.9, датчика загазованности 1.6, приемопередатчика 1.10 и модуля гальванической развязки 1.15. печатная плата предназначена для электрического и механического соединения электронных компонентов, входящих в БО 1.
б) Герметичный корпус 1.5 предоставляет степень защиты от доступа к частям, от попадания внутрь внешних твердых предметов и от проникновения воды и смеси взвешенных твердых частиц в воздухе - IP67 по ГОСТ 14254-96. С наружной стороны герметичного корпуса 1.5 закрепляется магнит 1.16 и ремешок 1.17, для крепления герметичного корпуса 1.5 к стальной части стрелы экскаватора. Также является основанием для монтажа внутрь его всех элементов системы замера. И защитой от вмешательства к внутренним частям. Из герметичного корпуса выступает наружу стробоскоп 1.4 и защищенный разъем для заряда аккумуляторной батареи 1.13.
в) Центральный процессор 1.2 припаянный на печатной плате 1.1 и служит для обработки, сбора информации, передачи ее на БВ 2. Имеет EEPROM-память, для записи данных, что обеспечивает надежное и долговременное хранение информации при выключении электропитания. После загрузки центральный процессор 1.2 опрашивает каждый датчик, при опросе датчика загазованности 1.6 и выдержав необходимую паузу для прогрева сенсора датчика загазованности 1.6, измеряет величину загазованности на выходе. Центральный процессор 1.2 проводит вычисление объемной концентрации газов для датчика загазованности 1.6, используя хранящиеся в памяти данных коэффициенты. Результаты вычислений помещаются во внутреннюю карту памяти центрального процессора 1.2. Считывание информации с регистров внутренней карты памяти БВ 2, обеспечивающим взаимодействие с БО 1 посредством внутреннего интерфейса через приемопередатчик 1.10. Все нештатные ситуации во время работы заносятся в регистр ошибок. Прекращение работы осуществляется посредством отключения питания.
г) В БО 1 используется аккумуляторная батарея 1.3, обеспечивающая напряжением все элементы блока. Аккумуляторная батарея 1.3 покрыта защитным покрытием, что обеспечивает ее защиту в соответствии с требованиями ГОСТ Ρ 51330.10-99. Аккумуляторная батарея 1.3 находится в герметичном корпусе 1.5 и подключена к контроллеру заряда аккумуляторной батареи 1.11, который обеспечивает заряд аккумуляторной батареи 1.3 без перезаряда, контроль температуры аккумуляторной батареи 1.3 при заряде (при этом уменьшая ток подающий на аккумуляторную батарею 1.3 для стабилизации температуры), а также защиту аккумуляторной батареи 1.3 от тока короткого замыкания со стороны зарядного устройства. Аккумуляторная батарея 1.3 подключена также к модулю преобразования напряжения 1.14 через кнопку включения 1.12, которая отключает прибор. Для заряда аккумуляторной батареи 1.3 используется специальный защищенный разъем для заряда аккумуляторной батареи 1.3, который вмонтирован в герметичный корпус 1.5. Также возможен заряд с помощью беспроводного типа зарядки аккумулятора при другой комплектации БО 1. Данные о заряде аккумуляторной батареи 1.3 считываются центральным процессором 1.2 с контроллера заряда аккумуляторной батареи 1.11 и сохраняются в регистре, где считываются БВ 2 через приемопередатчик 1.10.
д) Для контроля воздушной среды БО 1 используется: • Датчик загазованности горючих газов 1.6 обнаружение которого основано на изменении сопротивления чувствительного материала, когда горючее вещество в газообразной форме вступает в контакт с химрезистором. Диапазон измерений: Пропан: 200-10000 ррт (0,46% НКПР - 22,6% НКПР, или 0,02-1% об. д.), Изобутан: 200-10000 ррт (0,46% НКПР - 22,6% НКПР, или 0,02-1% об. д.), Природный газ: 200-10000 ррт (0,46% НКПР - 22,6% НКПР, или 0,02-1% об. д.). Так же при неисправности датчика загазованности горючих газов 1.6 формируется сигнал ошибки центральным процессором 1.2 и закладывается в регистр, который считывается блоком визуализации 1.2 посредством внутреннего интерфейса с помощью приемопередатчика 1.10. Датчик загазованности горючих газов 1.6 подключен к аналоговой шине посредством пайки оловянно-свинцовым припоем к печатной плате 1.1 через модуль гальванической развязки 1.15. Все данные с датчика загазованности горючих газов 1.6 обрабатываются центральным процессором 1.2 и закладываются в регистр, который считывается БВ 2 посредством внутреннего интерфейса с помощью приемопередатчика 1.10. В БО 1 используется универсальный датчик загазованности горючих газов 1.6, по умолчанию в центральном процессоре 1.2 стоит уставка коэффициентов пересчета по метану (природному газу, состав которого до 98% метана). Данная уставка может быть изменена при подключении к БВ 2 при помощи компьютера, чтобы использовать БО 1 при других условиях, где требуется контроль воздушной среды с другими горючими газами или ЛВЖ. При обнаружении горючего газа в зоне работ, центральным процессором 1.2 формируется сигнал загазованность. При этом сигнал закладывается в регистр, где считывается блоком визуализации посредством внутреннего интерфейса с помощью приемопередатчика 1.10 и включается стробоскоп 1.4, состоящий из светодиодов красного цвета, расположенных на герметичном корпусе 1.5, сигнализирующие об аварийной ситуации. Так же стробоскоп 1.4 включается при неисправности датчика загазованности горючих газов 1.6.
• Датчик влажности 1.8 использует сенсор чувствительный к влажности. В составе датчика присутствует микросхема (операционный усилитель), которая оцифровывает сигнал и усиливает его для расчета влажности центральным процессором 1.2, данный сигнал закладывается в регистр, где считывается БВ 2 посредством внутреннего интерфейса с помощью приемопередатчика 1.10. Сенсор датчика влажности 1.8 помещен в корпус, в котором имеются отверстия для доступа воздушной среды. На сенсоре используется гальваническая развязка микросхемы. Сенсор датчика влажности 1.8 подключен к цифровой шине через модуль гальванической развязки 1.15 посредством пайки оловянно-свинцовым припоем к печатной плате 1.1. Контроль параметра влажности осуществляется с целью определения времени работы персонала при низкой температуре. Диапазон измерения: от 0 до 99% с точностью 2%. Температурный режим от -50°С до 80°С. Также данные параметры могут использованы при примерном прогнозе погоды.
• Датчик температуры 1.7 обеспечивает измерение температуры с разрешением от 9 до 12 бит.Диапазон измеряемых температур от -55°С до +125°С, с погрешностью ±0,5°С. Имеет индивидуальный внутренний адрес. Данные с датчика передаются по цифровому каналу, что обеспечивает контроль цепи датчика от обрыва, неисправности или замыкания. При неисправности датчика температуры 1.7 формируется сигнал центральным процессором 1.2 и закладывается в регистр, который считывается БВ 2 посредством внутреннего интерфейса с помощью приемопередатчика 1.10. Датчик выполнен в защищенном корпусе и подключен к цифровой шине через модуль гальванической развязки 1.15 посредством пайки оловянно-свинцовым припоем к печатной плате 1.1. Контроль параметра температуры осуществляется с целью определения времени работы персонала при низкой температуре.
• Датчик давления 1.9, в основе которого цифровой датчик давления. Для связи с центральным процессором 1.2 использует цифровую шину данных, что дает возможность контроля его неисправности. При неисправности датчика давления 1.9 формируется сигнал центральным процессором 1.2 и закладывается в регистр, который считывается БВ 2 посредством внутреннего интерфейса с помощью приемопередатчика 1.10. Датчик давления 1.9 измеряет атмосферное давление от 300 гПа до 1100 гПа (что соответствует высотам от 9000 до -500 метров над уровнем моря) с точностью ±1 гПа. Так как для расчетов используются единица измерения давления мм. рт. ст. (миллиметр ртутного столба), то центральный процессор 1.2 производит перерасчет согласно заложенной формуле в памяти данных контроллера (EEPROM). Датчик давления 1.9 подключен к цифровой шине через модуль гальванической развязки 1.15 посредством пайки оловянно-свинцовым припоем к печатной плате 1.1. Контроль параметра давления осуществляется с целью определения времени работы персонала при низкой температуре и прогноза осадков.
е) Приемопередатчик 1.10 состоящий из процессора, усилителей сигналов, антенного модуля и блока согласования протоколов. Данные с блока обнаружения передаются по защищенному каналу и с использованием шифрование на расстояние до 100 метров, что обеспечит надежную связь с БВ 2. Приемопередатчик 1.10 использует двунаправленный режим связи с БВ 2 и работает на частоте 2,47 ГГц с использованием шифрования передающих данных. Максимальная выходная мощность 0 dBm, коэффициент усиления антенны: 2dBm. Приемопередатчик 1.10 подключается подключен к цифровой шине через модуль гальванической развязки 1.15 посредством пайки оловянно-свинцовым припоем к печатной плате 1.1.
ж) Модуль гальванической развязки 1.15 используется в БО 1 для защиты элементов блока от наведенного напряжения на датчиках и исключает при этом непосредственный контакт между логическими и токоведущими частями датчиков и печатной платы 1.1.
БВ 2, как и БО 1 имеет схожие элементы, которые описаны выше и состоит из:
2.1 Печатной платы;
2.2 Центрального процессора;
2.3 Стробоскопа и зуммера;
2.4 Корпуса;
2.5 Приемопередатчика;
2.6 Информационного дисплея;
2.7 Кнопки включения;
2.8 Модуля преобразования напряжения;
2.9 Модуля гальванической развязки;
2.10 Приемопередатчика системы сбора данных;
2.11 Исполнительное устройство;
2.12 Предохранителя.
з) Корпус 2.4 БВ 2 предотвращает доступ к внутренним частям от вмешательства его работоспособности. Также служит для крепления печатной платы 2.1, информационного дисплея 2.6. Конструктивно корпус состоит из 2-х половинок, для удобства обслуживания специализированным персоналом.
и) Печатная плата 2.1 и ее характеристики такие же, как и у БО 1. Служит для монтажа к ней с помощью пайки оловянно-свинцовым припоем: центрального процессора 2.2, приемопередатчика 2.5, исполнительным устройством 2.11, информационного дисплея 2.6, приемопередатчика системы сбора данных 2.10, предохранителя 2.12, стробоскопа и зуммера 2.3 и модуля гальванической развязки 2.9. Печатная плата 2.1 предназначена для электрического и механического соединения электронных компонентов.
к) Центральный процессор 2.2 используемый в БВ 2 по параметрам аналогичен центральному процессору 1.2 используемым в БО 1. Центральный процессор 2.1 БВ 2 опрашивает через приемопередатчик 2.5 состояние регистров БО 1. Данные считаные с регистров БО 1 обрабатываются и закладываются в регистры внутренней памяти, где они считываются приемопередатчиком системы сбора данных 2.10 с пункта управления. Также центральным процессором 2.1 данные, полученные после считывания регистров БО 1, передаются на информационный дисплей 2.6. При обнаружении в регистрах памяти БО 1 аварийных сообщений, центральный процессор 2.1 формирует сигнал на стробоскоп и зуммер 2.3 для привлечения внимания водителя экскаватора об аварийных ситуациях. Также информация аварийного характера выводится на информационный дисплей 2.6 и считывается приемопередатчиком системы сбора данных 2.10.
л) Модуль преобразования напряжения 2.8 служит для преобразования напряжения бортовой сети питания экскаватора в напряжение питания БВ. Диапазон преобразования от 12 до 42 В, что обеспечивает подключение БВ ко всем автомобилям с питанием бортовой сети 12, 24 В. Модуль преобразования напряжения 2.8 подключается к бортовой сети экскаватора с помощью разъема прикуривателя. В случае отсутствия разъема прикуривателя в корпусе 2.4 БВ 2 предусмотрен разъем для соединения проводов питания с помощью винтовых соединений. Также рядом с винтовыми соединениями в корпусе 2.4 имеется отсек, где расположен предохранитель 2.12 для защиты БВ 2 от короткого замыкания к которому подключена кнопка включения 2.7. Также модуль преобразования напряжения 2.8 ограничивает максимальное напряжение и имеет защиту от «переполюсовки». Модуль преобразования напряжения 2.8 подключается к печатной плате 2.1 с помощью проводов, имеющих достаточное сечение для питания потребителей цепи. В разрыв питания к модулю преобразования напряжения 2.8 подсоединена кнопка включения 2.7, для отключения БВ2.
м) Информационный дисплей 2.6 предназначен для отображения информации, обрабатываемой БВ 2. В БВ 2 используется жидкокристаллический дисплей, который способен отображать одновременно 80 символов (20 столбцов, 4 строки). Подключен к цифровой шине через модуль гальванической развязки 2.9 посредством пайки оловянно-свинцовым припоем к печатной плате 2.1 и использует синхронный 8 битный параллельный интерфейс. Тип выводимой информации: символьный, угол обзора: 180°, цвет подсветки: синий (зеленый и желтый), рабочая температура от -20 до +70°С. Информационный дисплей 2.6 показывает в реальном времени значение измеряемых сред БО 1: загазованность, температуру, влажность окружающего воздуха и давление. Также показывает процент заряда аккумуляторной батареи 1.3 БО. Также способен отображать сообщения переданные с уровня управления.
н) Приемопередатчик системы сбора данных 2.10 служит для передачи собранной информации с БВ 2 на уровень диспетчерского пункта или уровень управления при выполнении работ и подключен к цифровой шине через модуль гальванической развязки 2.9. Что позволяет записывать и сохранять данные, полученные при выполнении работ с повышенной опасностью в системе сбора данных, SCADA системах (серверах и компьютерах), для оценки выполняемых и (или) выполненных работ.Приемопередатчик системы сбора данных 2.10 имеет встроенный Web интерфейс, где можно изменить его настройки для качественного подключения с уровнем управления. Также через приемопередатчик системы сбора данных 2.10 можно задать уставки загазованности (в зависимости от анализируемых веществ в окружающей среде) на БО 1, при этом будет автоматически изменена формула расчета на БО 1.
о) В БВ 2 предусмотрено управление исполнительным устройством 2.11, которое имеет возможность коммутировать электрическую цепь с током до 10 ампер и подключено к дискретному выходу. Исполнительное устройство 2.11 управляется по команде с уровня управления (диспетчерский пункт, пункт контроля за производством работ). От уровня управления через приемопередатчик системы сбора данных 2.10 поступает сигнал, обрабатывается центральным процессором 2.2 БВ 2 и через модуль гальванической развязки 2.9 поступает на исполнительное устройство 2.11, которое в свою очередь коммутирует контакты. Данное решение предполагается использовать для разрыва системы питания экскаватора при аварийных ситуациях (обвал котлована (траншеи), загазованности, при близком нахождении работника возле экскаватора и многие другие факторы влияющие на безопасность производства работ). Также можно с помощью исполнительного устройства 2.11 управлять сиреной, что тоже в свою очередь оповестит исполнителей работ о аварийной ситуации.
БО 1 и БВ 1 - это два независимых устройства, вместе образующие систему безопасности при производстве работ с повышенной опасностью. Также могут использоваться отдельно друг от друга, что охватывает больше применений устройств. БВ 2, может воспроизводить на информационном дисплее сообщения с уровня управления и размещаться в любом автомобиле с питанием цепи от 12 до 42 В (например, автомобиля наблюдения (дежурный автомобиль) и управлять контактами исполнительного устройства 2.11. БО 1 можно альтернативно использовать как переносной газоанализатор.
Применение изобретения позволит уменьшить количество одновременно находящихся людей при производстве опасных работ и осуществлять непрерывный контроль состояния воздушной среды в зоне производства земляных работ.
Данная система может быть размещена непосредственно на стреле экскаватора (магнитное крепление на неодимовом магните), а также предусмотрен ремешок, оснащенный ответной текстильной застежкой (крючком) для более надежного крепления. В случае обнаружения загазованности сработает индикация непосредственно на устройстве. Кроме того, параметры среды можно контролировать посредством радиосвязи -удаленно.
Список документов:
1. Федеральные нормы и правилами в области промышленной безопасности «Правила безопасного ведения газоопасных, огневых и ремонтных работ» утвержденных приказом федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 20 ноября 2017 г. N 485
2. Стандарт ООО «Газпром трансгаз Ухта» СТО 49.50.21-00159025-30-017-2018 «Безопасное ведение газоопасных, огневых и ремонтных работ на объектах ООО «ГАЗПРОМ ТРАНСГАЗ УХТА».
3. ИВР инструкция по охране труда при производстве земляных работ на объектах ООО «Газпром трансгаз Ухта» №ИВР 001-19.
4. Инструкция по охране труда при выполнении работ в условиях низких температур №ИВР-003-19 (разработана на основе Методических рекомендаций MP 2.2.7.2129-06 «Режим труда и отдыха работающих в холодное время на открытой территории или в неотапливаемых помещениях»)