книги / Промышленный экологический анализ

Разделение этих АСК по типу анализируемой среды достаточно условно,и ряд фирм, использующих системный подход к охране окружающей среды, напри­ мер, CIT (США), ETI (Германия) и Есоро! (Франция), Rosemount Analitical (Ав­ стрия), АПФ «Химавтоматика», MediUm-Sensor (Германия), НПФ «Люмэкс» (Россия), НПО «Аналитприбор» (г.Тбилиси), НПФ «Диэм» (Россия), Intertecli Corporation (США) и др.,выпускают аналитические модули систем, позволяю­ щие контролировать атмосферный воздух, воду и почвы, реализованные конст­ руктивно, как правило, с использованием микропроцессоров (МПС). Совре­ менный этап развития приборостроения характеризуется широким применени­ ем в составе средств измерений вычислительных устройств, построенных на базе микропроцессоров - микропроцессорных систем. Применением таких сис­ тем в измерительных устройствах достигают двух целей: расширяют функции измерительных устройств и улучшают их характеристики.

Наиболее эффективным применением МПС считается их использование в средствах аналитической техники, где наряду с измерением основного и ряда вспомогательных параметров требуется осуществлять управление (логическое и аналоговое) узлами аналитического устройства и проводить в большом объе­ ме вычисления, связанные с обработкой информации.

На рис. 7.1, а показана обобщенная структурная схема автоматического анализатора качества. В анализаторах, осуществляющих измерение одного па­ раметра, основной сигнал измерительной информации формируется в аналити­ ческом устройстве АУ с помощью того или иного детектора Д. Для уменьше­ ния погрешности анализатора и обеспечения его нормального функционирова­ ния с помощью ряда чувствительных элементов осуществляется измерение ря­ да параметров, по значениям которых корректируется статическая характери­ стика, стабилизируются режимные параметры аналитического устройства и осуществляются необходимые для проведения анализа переключения. Две по­ следние функции реализуются МПС через УФУВ. В аналитический блок, по­ мимо анализируемого и вспомогательного (ВВ) веществ, предусматривается возможность подачи образцового вещества (ОВ), что обеспечивает периодиче­ скую самоградуировку анализатора.

В анализаторах (рис. 7.1, б), реализующих многопараметрические методы анализа состава, используется несколько аналитических устройств с соответст­ вующими детекторами.

Все необходимые измерения вспомогательных и режимных параметров осуществляются блоком измерения параметров аналитических устройств БИП, который коммутируется с блоком ЭК (на рис. 7.1, б связь между БИП не пока­ зана). Сигналы, необходимые для управления работой этих устройств и стаби­ лизации их режимных параметров,вырабатываются МПС и поступают к анали­ тическим устройствам через УФУВ. Для обмена с данными МПС и текущей калибровки анализаторов используется ручной коммуникатор или любой хосткомпьютер с определенным протоколом обмена.

РсгисМагистратор траль

Рис. 7.1. Структурные схемы анализаторов качества со встроенным МПС: АУ, АУь АУ2, АУ„ - аналитические устройства; Д, Дь Д , Д - детекторы; БИП - блок измерения параметров аналитических устройств; ЧЭ, ЧЭь... ЧЭЛчувствительные элементы: ППЭ, ГТПЭ1,..., ППЭ„ - промежуточные преобразовательные элементы; У, У|,...УЛусилители; ЭК - электрический коммутатор; ИФУ - интерфейсное устрой­ ство; УФУВ - устройство формирования управляющих воздействий; АЦП - аналогоцифровой преобразователь; ЧЦП - частотно-цифровой преобразователь; ЦАП - цифроаналоговый преобразователь; МПС - микропроцессорная система; И - инди­

катор цифровой

Для подключения анализаторов АСК используются интерфейсы связи, например RS-232/485, обеспечивающие управление и передачу данных об измеренных концентрациях компонентов.

На рис. 7.2 показана схема подключения нескольких измерительных и вы­ числительных устройств к общей магистрали. Все подключаемые к этой маги­ страли устройства называют в данном случае приборами. Интерфейс состоит из общей магистрали для скоростной передачи приборных и интерфейсных сооб­ щений, интерфейсной части средств измерений-и других подключаемых уст­ ройств (интерфейсы А, Б, В на рис. 7.2), а также устройства управления (кон­ троллера). Подключенный к магистрали прибор может находиться в следую­ щих состояниях: резерв, функционирование в качестве источника информации (ИИ) и функционирование в качестве приемника информации (ПИ). Таким об­ разом предусматривается возможность управления работой приборов по про­ грамме в составе АСК.

Рис. 7.2. Схема подключения нескольких измерительных и вычислительных устройств к общей магистрали

Интерфейсные части программно-управляемых приборов выполняют в двух вариантах:

- в виде схем, реализованных и конструктивно оформленных внутри при­ бора как его составная часть, с установкой стандартного разъема на задней па­ нели прибора (этот вариант применяется в новых приборах, выпускаемых в со­ ответствии с действующими международными стандартами);

- в виде отдельно выполненных модулей, подключаемых к серийно выпус­ каемым или ранее выпущенным устройствам с выходным сигналом в виде ко­ да. При подключении к магистрали интерфейсной части измерительных уст­ ройств присваивается кодированный адрес.

В магистрали несколько линий, выполняющих определенную функцию,

называемых приборных (информационных) сообщений, к которым относят со­ общения о результатах и единицах измерений, последовательности (программе) измерений и т.д. По шинам синхронизации и управления передаются так назы­ ваемые интерфейсные сообщения, обеспечивающие взаимодействие подклю-

ценных к магистрали устройств. К интерфейсным относятся сообщения, пред­ писывающие этим устройствам реализацию тех или иных служебных (интер­ фейсных) функций, таких как: источник информации, приемник информации, контроллер, синхронизация передачи, приема, запрос на обслуживание, парал­ лельный опрос, очистка устройства, запуск прибора, дистанционное и местное управление.

На рис. 7.3 представлена функциональная система автоматизированной системы контроля выбросов загрязняющих веществ АСК ЗВ, предназначенной для периодического контроля выбросов топливосжигающих установок.

АСК ЗВ построена на базе модификации автономного газоанализатора ДАГ-16. Управление системой дистанционное от ПЭВМ диспетчера по после­ довательному интерфейсу RS-485 (запуск системы с последующим автоматиче­ ским выполнением всех циклов тестирования и контроля, представлением ре­ зультатов с привязкой к объекту и времени контроля). Дополнительный интер­ фейс RS-232 служит для подключения Notebook при регламентных и наладоч­ ных работ.

АСК ЗВ является многоканальной измерительной системой (до 8 каналов) концентраций газовых компонент.

Охлажденная газовая проба через газоотборный зонд с коаксиально раз­ мещенным внутри термозондом для измерения температуры в зоне отбора по­ ступает на осушитель с конденсатосборником, обеспечивающим охлаждение и сушку поступающей для измерения газовой пробы, а также сбор образующего­ ся конденсата. Для защиты сенсоров и насоса от сажи и пыли проба пропуска­ ется через фильтры и блок клапанов поступает в теплообменник, в котором ее температура выравнивается до температуры окружающего воздуха, с целью обеспечения метрологических характеристик блоков сенсора газоанализатора ДАГ-16. Из теплообменника проба поступает в сенсорную камеру газоанализа­ тора ДАГ-16.

Основной измерительной частью системы АСК ЗВ является компьютери­ зованный прибор анализа газовых проб ДАГ-16. В его состав входят: сенсор­ ный блок, насос, фильтры тонкой очистки, вычислительный блок, интерфейсы связи с ПЭВМ, встроенное программное обеспечение.

Измерение концентраций газовых компонентов производится газоанализа­ тором автоматически под управлением встроенного программного обеспече­ ния, находящегося в ПЗУ прибора.

Для обеспечения работы газоанализатора совместно с автоматизирован­ ными системами управления используются интерфейсы связи RS-485/232, обеспечивающие управление и передачу данных об измеренных концентрациях газовых компонентов на ПЭВМ оператора.

Газоанализатор ДАГ-16 имеет завершенную конструкцию. Для проведения периодических поверок метрологических характеристик ДАГ-16 выполнен

ля); аналоговый выход с дистанционным управлением с диапазоном выделен­ ного и невыделенного вариантов (предназначен для дистанционного изменения диапазонов и идентификации); модуль с протоколом связи HART (HART - ско­ ростной адресуемый дистанционный преобразователь) (протокол обеспечивает цифровую коммуникацию с «полевыми» устройствами, поддерживает передачу аналогового сигнала в диапазоне от 4 до 20 тА и одновременно обеспечивает передачу дополнительных цифровых данных); модуль с протоколом связи RS232 (позволяет подключить к ПЭВМ посредством интерфейса RS-232 один или несколько аналитических модулей).

АШЛИТтЕСКИЕ МОДУЛИ

(СОМЛЬЮТЕРСЕРаСР

Рис. 7.4. Конфигурация автоматизированной системы аналитического контроля окружающей среды NGA-2000

Модуль ввода/вывода представляет собой схему на печатной плате со встроенным микропроцессором. Благодаря этому осуществляется двунаправ­ ленная связь не только с внешними устройствами, но также между самим мо­ дулем ввода/вывода и аналитическим модулем, между модулем ввода/вывода и платформой.

Модули ввода/вывода легко вставляются в распределительную сборку платформы. Каждая платформа может выполнять до пяти модулей вво­

ция потребителя может передаваться традиционными средствами связи. ЦОИ оснащен специализированным управляющим вычислительным комплексом на базе двухпроцессорной ЭВМ.

АС предназначены для использования в оперативных целях - получение текущей информации о физико-химических свойствах поверхностных вод, прошедших очистку, вод промышленного и питьевого назначения, а также в качестве подсистем низшего уровня систем контроля и регулирования качества природных и сточных вод. Кроме того, они могут применяться в качестве авто­ номных устройств, служащих для измерения и накопления информации о фи­ зико-химическом составе природных и сточных вод.

АС построена по блочно-модульному принципу с применением средств микропроцессорной техники. Структурная схема АС приведена на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Структурная схема автоматической станции контроля: Д - датчики физико-химических параметров; У - нормирующие усилители; ПНЧ - преобразователи напряжения в частоту

Оборудование станции, за исключением водозаборных и насосно­ гидравлических устройств, предназначено для установки в отапливаемом по­ мещении. Станция рассчитана на автономную работу без обслуживания в тече­ ние 15 суток.

В состав каждой АС входят насосно-гидравлическое оборудование, авто­ матический многоканальный анализатор типа АМА-203С и аппаратура переда­ чи данных.

Многоканальный анализатор - полностью автоматизированное звено ло­ кальной системы контроля загрязнения природных и сточных вод, представляет собой многофункциональный комплекс для получения и передачи в ЦОИ опе­ ративной информации о свойствах воды.

Многоканальный анализатор включает в себя измерительную часть, обес­ печивающую подготовку проб и измерение до 18 параметров анализируемой среды, многоканальный преобразователь для усиления и нормализации анало­ говых сигналов датчиков, локальный микропроцессорный комплекс сбора и об­ работки информации и регистрирующее устройство. Конструктивно анализатор выполнен в виде следующих блоков: ионометрического, фотометрического или комбинированного.

Анализатор работает в следующих режимах: измерение, аварийный режим, контроль комплекса технических средств и калибровка.

Автоматическим многоканальным анализатором контролируются 17 физи­ ко-химических параметров воды: pH, Eh, температура /, удельная электропро­ водимость æo, концентрация растворенного кислорода О2, уровень воды Н, мутность М, активность хлоридных ионов рСГ, активность фторидных ионов pF, активность нитратных ионов pNCV, концентрация ионов меди Си2\ активность ионов натрия pNa, концентрация ионов железа Fe3+, концентрация ионов хрома Сг(г\ концентрация ионов фосфатов Р043, концентрация ионов нитритов NO2 коэффициент пропускания ультрафиолетовой области спектра УФ,активность ионов аммония pNH4+, концентрация карбамида К?. При этом значения физико-химических параметров регистрируются на ЦПУ и НМЛ.

Основные метрологические характеристики многоканального анализатора приведены в табл. 7.1.

В состав АСК с низким энергопотреблением для решения задач экологиче­ ского мониторинга водных объектов входят микропроцессорный блок, накопи­ тель данных, программируемый таймер, адаптер последовательного интерфей­ са, аккумуляторный блок, блок аналогового ввода и блок датчиков. Входные цепи аналогового блока допускают подключение датчиков электропроводно­ сти, температуры и давления.

Режим функционирования системы состоит в циклическом измерении за­ данного набора физических параметров. При отсутствии постоянного канала связи с ЭВМ верхнего уровня результаты измерений заносятся в накопитель данных. Наличие в составе системы последовательного интерфейса с соответ­ ствующим программным обеспечением позволяет оперативно программировать режим работы и передавать измерительную информацию в систему верхнего уровня. С целью снижения общего энергопотребления в данной АСК применен ряд структурных, схемотехнических и программных мер:

-реализация узлов системы на КМОП элементах;

-отключение питания наиболее потребляющих узлов системы (микропро­ цессорный блок и блок аналогового ввода) в паузах между точками измерения;

-оптимизация входных цепей аналогового блока с учетом номенклатуры используемых датчиков;

-программная реализация части аппаратных функций.