Одним из важнейших показателей, учитываемых при гигиенической классификации условий труда, является химический фактор, количественно оцениваемый содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) может приводить к появлению отдельных признаков или легких форм профессиональных заболеваний, тяжесть которых по мере увеличения загрязненности воздуха растет. Значительные превышения ПДК могут создать риск тяжелых форм поражения здоровья работников, вплоть до непосредственной угрозы их жизни, даже при продолжительности воздействия в течение одной рабочей смены или ее части. По этой причине организация систематического контроля состояния воздушной среды в производственных помещениях с потенциально высокой опасностью загрязнения воздуха вредными веществами является одним из ключевых мероприятий по охране труда [1]. В случаях непосредственного присутствия работников в зонах повышенной опасности контроль загрязнения воздушной среды необходимо осуществлять непрерывно, причем он должен быть интегрирован с системой автоматического регулирования состояния воздуха (за счет вентилирования производственных помещений), а также средствами предупреждения работников при наступлении опасности их здоровью.
При проектировании системы контроля и автоматического регулирования состояния воздушной среды необходимо учитывать ее экономическую эффективность, определяемую с учетом вероятностного характера наступления событий, сопряженных с ущербом, и с привлечением методов теории вероятностей [2, 3]. Также необходимо учитывать возможное совместное функционирование с системами, обеспечивающими контроль условий труда по другим показателям (температурно-влажностному режиму, освещенности, действию виброакустических факторов). Основными требованиями к построению сложных многокомпонентных информационных систем [4-9] являются:
· однородность получаемых данных с измерительной аппаратуры (соответствие по формату представления измеряемых физических величин, согласование протоколов передачи данных);
· максимально полная предварительная обработка результатов измерения перед передачей итоговых значений концентраций;
· применение методов самодиагностики и самопроверки элементов системы, сравнительный анализ данных от локализованных систем с различным назначением;
· адаптивность и перенастраиваемость, модульный принцип построения и возможность интеграции измерительной аппаратуры в системы с различным назначением.
Система контроля и автоматического регулирования образуется устройствами трех функциональных типов. Датчики (сенсоры) фиксируют параметры воздушной среды (вид загрязняющего вещества и его концентрацию). При этом возможно применение как узкоспециализированных датчиков, определяющих концентрацию определенного вещества, так и комплексных, осуществляющих замеры по нескольким веществам, со сходными физическими принципами определения их концентраций [10]. Исполнительные устройства обеспечивают управление процессом очистки воздуха, для чего вырабатывают управляющие воздействия на электромоторы системы вентиляции. Устройства передачи данных обеспечивают организацию информационных потоков от датчиков в часть системы управления, ответственную за выработку управляющих воздействий, и далее, к исполнительным устройствам. Функциональные возможности разных видов могут совмещаться в одном физическом устройстве.
К числу комплексных датчиков, осуществляющих непрерывный автоматический контроль загрязненности воздуха, относится измерительное устройство СМ-ЗАВ ГАНК 4А. Оно имеет комбинированный принцип действия и реализует следующие методы и физические принципы измерений: со встроенными датчиками (электрохимический, термокаталитический и полупроводниковый), со сменной химической кассетой (оптронноспектрометрический), с дожигателем и химической кассетой (конверсионный и оптронноспектрометрический). Воздух из производственного помещения непрерывно поступает на датчик или кассету, где производится определение вида загрязняющего вещества и его концентрации, после чего вырабатывается сигнал, передаваемый в центр управления и, при необходимости, параллельно на жидкокристаллический экран самого устройства, где он преобразуется в значение текущей концентрации. Измерительное устройство имеет режим автоматического определения среднесменной концентрации (за 8 часов непрерывных замеров) и среднесуточной концентрации (за 24 часа), при превышении которых генерируется сигнал тревоги. Перечень вредных веществ, по которым возможно измерение концентраций, состоит из 10 наименований; также устройство может быть использовано для анализа содержания в воздухе некоторых видов аэрозолей преимущественно фиброгенного действия (АПФД). Погрешность измерений устройства не превышает 20%.
Для контроля содержания в воздухе веществ остронаправленного действия, способных причинить значительный вред здоровью даже при кратковременном воздействии, необходимо использовать специализированные датчики. Определение концентраций оксида углерода целесообразно выполнять электрохимическим газоанализатором К-100, оснащенным последовательным интерфейсом RS-232 и RS-485 и имеющим пропорциональный концентрации токовый выход, что значительно упрощает его интеграцию в систему сбора данных. Мониторинг содержания озона эффективно выполняется газовым компаратором СМ-ЗАВ 3.02 ПА, работа которого основана на эффекте гетерогенной хемилюминесценции. Встроенный микронасос обеспечивает непрерывное поступление загрязненного воздуха в реактор, где в результате химических реакций с участием озона газовая смесь начинает светиться; по интенсивности свечения определяется содержание озона в воздухе. По аналогичному принципу устроено измерительное устройство Н-320А для определения концентрации диоксида азота.
В качестве исполнительных устройств при регулировании состояния воздушной среды наиболее эффективны электродвигатели. Главной особенностью исполнительных устройств на основе электродвигателей является широкой диапазон регулируемых скоростей вращения; другими положительными качествами являются достаточно высокий вращающий момент, хорошие нагрузочные характеристики, компактность.
Отдельные аспекты автоматического управления и регулирования, основанного на использовании электродвигателей, рассмотрены в [11-17]. Управление может осуществляться по цепи возбуждения, либо по цепи якоря; управляемым параметром является либо скорость вращения (при постоянном сечении прогоняемого через вентилятор воздушного потока), либо положение заслонки (тогда при регулировании меняется сечение потока). Структурная схема двигателя, управляемого по цепи возбуждения, показана на рис. 1 а (в предположении линейной зависимости крутящего момента от тока возбуждения и тока якоря, и пренебрегая падением напряжения на щетках и эффектом гистерезиса); все физические величины как функции времени (напряжение, сила тока, и так далее) являются преобразованными по Лапласу. Первый структурный блок соответствует цепи возбуждения, и параметр a численно равен сопротивлению в цепи, а b - индуктивности. Постоянная двигателя K определяет соотношение между силой тока и крутящим моментом. Величина угловой скорости, или, точнее, зависимости (s), определяется нагрузкой, влияние которой отражается параметрами c (трение) и d (момент инерции). Последний структурный блок фиксирует зависимость положения вала двигателя - его угла поворота (s) - от угловой скорости.
Рис. 1. Структурная схема электродвигателя: а) - управляемого по цепи возбуждения; б) - управляемого по цепи якоря
На основании структурной схемы на рис. 1 а можно получить передаточную функцию при управлении электродвигателем (при отсутствии возмущения крутящего момента):
электродвигатель передаточный вредный
, (1)
где 1=b/a и 2=c/d. В большинстве случаев 2>>1, что позволяет упростить выражение (1) и пренебречь в нем сомножителем (1s+1).
Для управления по цепи якоря структурная схема показана на рис. 1 б. В этом случае параметры a и b равны сопротивлению и индуктивности якоря соответственно, остальные параметры аналогичны схеме управления по цепи возбуждения. При отсутствии возмущений передаточная функция:
, (2)
где в установившемся режиме K=K1.
Передаточные функции (1) и (2) используются при управлении положением заслонки. В случае, когда осуществляется управление скоростью вращения, из обеих передаточных функций должен быть удален сомножитель 1/s.
При организации информационного взаимодействия между элементами системы контроля и управления необходимо принимать во внимание наличие и активное использование в промышленности большого количества протоколов, применяемых в системах передачи данных, не связанных между собой решаемыми задачами, но физически функционирующими на одной территории. Нескоординированный информационный обмен с использованием единой беспроводной среды передачи данных создает многочисленные взаимные помехи, и не в состоянии гарантировать своевременную доставку сигнала, что может привести к неприемлемо большим задержкам при реагировании на аварийные ситуации.
Учитывая необходимость гарантии эффективного информационного обмена при совместном функционировании многочисленных устройств со специфическими протоколами передачи данных, целесообразно использовать технологии промышленных сенсорных сетей, соответствующие стандарту ISA100.11a. Данный стандарт отличается низким энергопотреблением поддерживающих его устройств, и относительно невысокими скоростями беспроводной передачи данных. Главными преимуществами использования стандарта ISA100.11a, по сравнению с альтернативными технологиями организации беспроводных сенсорных сетей (Z-Wave, ZigBee, EnOcean) являются его ориентированность на промышленное использование (с гарантией надежности, помехозащищенности и безопасности), и возможность эмуляции разнообразных протоколов (для сопряжения с сетью многочисленных классов устройств, без возрастания вероятности коллизий между ними). Данный стандарт использует частотный диапазон 2,4 ГГц и обеспечивает скорость обмена данными на уровне 250 кбит/с.
Стандартом ISA100.11a поддерживается коммуникационный протокол HART, обладающий достаточно широкими возможностями по управлению исполнительными устройствами. Система доступных команд включает универсальные и общепринятые команды, которые идентичны у всех HART-устройств, а также специфические команды, задаваемые для каждого устройства индивидуально. К числу специфических команд относятся, в частности, запись установок или включение ПИД-регулятора, подстройка сенсора, чтение или запись калибровочных коэффициентов. Кроме того, возможно описание команды с помощью специального языка описания устройств DDL, который позволяет создавать текстовые файлы с их последующей компиляцией в двоичный формат, воспринимаемый HART-устройством. Возможности DDL существенно упрощают реализацию алгоритмов управления исполнительными устройствами.
Стандарт ISA100.11a обеспечивает избыточную коммуникативную способность с энергосбережением. Это достигается за счет того, что единичная передача данных со стороны сенсора может быть принята и обслужена несколькими маршрутизаторами, причем в течение одного и того же интервала времени. Временные интервалы передачи данных являются гибкими и допускают конфигурирование, что позволяет организовать работу в единой сети для устройств с различными режимами доступа к среде передачи, независимо от потребностей этих устройств в синхронизации по времени.
Структура системы контроля и автоматического регулирования состояния воздушной среды показана на рис. 2. Множества датчиков и исполнительных устройств в пределах определенных территорий или помещений образуют сенсорные сети, каждая из которых имеет выход на скоростную магистраль через свой маршрутизатор. При этом магистраль используется только для обмена данными между датчиками и сенсорами конкретной системы контроля и регулирования, а доступ к основной информационной сети предприятия (либо к магистралям других систем мониторинга или управления) осуществляется через шлюз. Маршрутизация магистрали является одним из фундаментальных преимуществ ISA100.11a, причем пропускная способность данных растет по мере их перемещения к шлюзу.
Рис. 2. Структура системы контроля и автоматического регулирования состояния воздушной среды: 1 - сенсоры; 2 - исполнительные устройства
Приведенная на рис. 2 структура передачи информации гарантирует быстрый обмен данными с низкими вероятностями возникновения коллизий, позволяет легко добавлять и удалять отдельные устройства, минимизирует сложность сопряжения устройств с различными сетевыми протоколами. На ее основе возможно организовать эффективный мониторинг состояния воздушной среды, и обеспечить своевременное реагирование на чрезвычайные и аварийные ситуации, связанные с недопустимым загрязнением воздушной среды производственных помещений.
Литература
1. Кочетков, А.В. Контроль запыленности воздуха при экологическом мониторинге в дорожном хозяйстве / А.В. Кочетков, А.В. Чванов, С.П. Аржанухина, Н.Е. Кокодеева. - Экологические системы и приборы. - 2009, № 2. - С. 46-49.
2. Трофименко, Ю.В. Методика прогнозирования рисков чрезвычайных ситуаций природного характера на сети автомобильных дорог / Ю.В. Трофименко, А.Н. Якубович. - Безопасность в техносфере. - 2015, № 2. - С. 73-82.
3. Якубович. А.Н. Оценка обеспеченности ведущей функции потока отказов / А.Н. Якубович, И.А. Якубович. - Вестник МАДИ. - 2011, № 1. - С. 16-21.