Факультет обчислювальної техніки і інформатики
Спеціальність: Комп'ютерний еколого-економічний моніторинг
|
|
Донецька область – найбільша по населенню, економічному потенціалу і природним ресурсам адміністративна територія України. У існуючому адміністративно-територіальному діленні Донецька область утворена 17 липня 1932 року. Займана площа 26,517 тыс. км2, що складає 4,4% площі країни. Область є найбільшою в Україні за чисельністю населення – 4580,6 тис. чол., щільність населення – 173 людини на км2. На території області розташовано 52 міста, 28 з яких – обласного значення, 131 селище міського типа і 1121 сільських селищ.
У Донецькій області зосереджена п'ята частина промислового потенціалу держави. Тут розташовано близько 1,5 тис. крупних промислових підприємств основних галузей промисловості: вугільною, металургійною, хімічною, машинобудівною, енергетичною і будівельною.
У області функціонують 109 шахт, 87 з яких входять до складу восьми холдингових компаній і шести виробничих об'єднань; 9 шахт і одне шахтоуправління мають статус самостійних. Крім того, до складу холдингових компаній входить 20 вуглезбагачувальних фабрик.
Металургію області представляє потужний промисловий комплекс, що включає 39 металургійних, трубних, вогнетривких і нерудних підприємств, ряд ремонтних і наукових організацій. У 2003-2007 рр. галуззю вироблялося 16-18 млн. тонн стали, 13-14 млн. тонн чавуну, 9-10 млн. тонн прокату і 9-12 млн. тонн коксу в рік.
Хімічна галузь представлена 15 крупними підприємствами, які виробляють мінеральні добрива, пластмаси, соду, кислоти, вибухові речовини, товари побутової хімії. Тут виробляється третина вироблюваних в країні азотних добрив, аміаку, сірчаної кислоти.
Енергетика області представлена 8 тепловими електростанціями, що забезпечують виробництво електроенергії в об'ємі 20-25 млрд. кВт•год, а машинобудівний комплекс налічує 207 підприємств різних галузей народного господарства.
Таким чином, Донецька область займає друге місце після м. Києва в економіці країни, виробляючи 13,2% валового національного продукту. Близько 70% виробленої в області продукції реалізується на зовнішньому ринку.
Більшість крупних промислових підприємств області є екологічно небезпечними об'єктами. За даними Державного комітету статистики України на долю Донецької області припадає 34% загальної кількості викидів шкідливих речовин від стаціонарних джерел в країні. Ця кількість викидів забезпечується більш ніж 1200 підприємствами різних галузей промисловості. Основними забруднювачами атмосфери в Донецькій області, що забезпечують 91% валових викидів шкідливих речовин, є 7 коксохімічних підприємств, 5 теплових електростанцій, 6 металургійних заводів, 120 шахт і гірничодобувних підприємств. Загальний обсяг викидів шкідливих речовин в 2007 році склав 1654 тис. тонн [1].
У таблиці 1 наведені основні дані якості атмосферного повітря в містах Донецької області [2].
| Міста | Середньорічні концентрації шкідливих речовин, долі ПДКсс |
|||||
Пил |
Двооксид сірки |
Оксид вуглецю |
Двооксид азоту |
Фенол |
Формаль- дегід |
|
| Горлівка | 2,7 | 0,7 | 1,2 | 2,2 | 1,7 | 4,0 |
| Дзержинськ | 2,7 | 0,6 | 1,3 | 1,7 | 1,7 | 4,2 |
| Донецьк | 1,7 | 0,15 | 0,4 | 2,5 | 0,3 | 2,0 |
| Єнакієве | 2,7 | 0,4 | 1,1 | 1,8 | 1,7 | 4,2 |
| Краматорськ | 0,5 | 0,15 | 0,25 | 1,4 | 1,3 | 3,8 |
| Макіївка | 2,7 | 0,3 | 0,7 | 2,0 | 0,3 | 2,7 |
| Маріуполь | 1,5 | 0,15 | 0,3 | 1,5 | 1,0 | 4,2 |
| Слов'янськ | 0,5 | 0,25 | 0,25 | 1,0 | 1,7 | 3,8 |
Основний висновок, що витікає з аналізу ситуації, яка склалася, – в Донецькій області необхідне створення автоматизованої системи екологічного моніторингу, що дозволяє не лише спостерігати за екологічною ситуацією, але і прогнозувати рівні забруднення атмосферного повітря.
Мета магістерської роботи – розробка автоматизованої системи моніторингу забруднення атмосфери, яка дозволяє вести автоматичний контроль стану повітряного середовища на локальному рівні, показувати і представляти інформацію з використанням Web-технологій.
Задачі магістерської роботи:
Передбачувана наукова новизна полягає в наступному:
Результати роботи з автоматичного збору інформації з віддалених датчиків доповідалися на міжнародній конференції «Комп'ютерний моніторинг і інформаційні технології» (КМІТ-2009). Тема доповіді – «Розробка і застосування систем безпровідного зв'язку для вимірювання параметрів атмосфери».
Сьогодні в Україні діючі автоматизовані системи екологічного моніторингу практично відсутні. У цьому напрямі було реалізовано декілька пілотних проектів. В рамках виконання проекту «Маріупольська екологічна ініціатива», Агентство захисту навколишнього середовища США надавало допомогу в розміщенні автоматизованих постів контролю навколишнього середовища в м. Маріуполі [3]. За ініціативою Запорізької обладміністрації створюється автоматизована система збору і обробки екологічної інформації [4]. Дані автоматизовані системи знаходяться у стадії розробки техноробочих проектів і дослідної експлуатації окремих елементів систем. Слід зазначити, що відпрацьовані у минулому принципи побудови автоматизованих систем контролю забруднення атмосферного повітря [5] на сьогодні вже застаріли.
З 2007 року фірмою «Softline» за замовленням Міністерства охорони навколишнього природного середовища (НПС) України ведуться роботи по розробці державної системи екологічного моніторингу [6], проте ці роботи знаходяться ще на стадії розробки технічних завдань. За кордоном і в Росії вже функціонують автоматизовані системи екологічного моніторингу навколишнього середовища [7-12].
У Донецькій області також вже цілий ряд років на ВАТ «Стирол» працює система моніторингу забруднення атмосферного повітря в межах санітарно-захисної зони підприємства, яка створена на імпортному обладнанні.
Нині в європейських країнах прийняті узгоджені підходи до розробки автоматизованих систем екологічного моніторингу. Це пов'язано із загальними європейськими стандартами і з тим, що відносно невелику кількість компаній випускають системи автоматизованого контролю, причому основна маса виготовлення таких систем припадає на американські, французькі і німецькі фірми.
Розглянемо типову побудову автоматизованих систем на прикладі систем екологічного моніторингу німецьких, чеських і польських міст. Обладнання для таких систем в більшості випадків поставлене французькими і німецькими виробниками.
Проектні вирішення автоматизованих систем екологічного моніторингу атмосферного повітря для польських міст Вроцлав, Краків і Катовіце в цілому дуже схожі між собою. У м. Краків [7] система екологічного моніторингу атмосфери заснована на п'яти постах автоматизованого контролю стану атмосферного повітря, значній кількості (більше 20) стаціонарних неавтоматизованих постів контролю в різних районах міста, пересувній автоматизованій станції, комплексній муніципальній лабораторії аналітичного контролю і так далі. Постами автоматизованого контролю є стаціонарні контейнери з апаратурою безперервного контролю показників забруднення атмосферного повітря – двооксиду сірки, оксидів азоту і вуглецю, пилу, озону і метеопоказників. З моменту введення автоматизованих систем екологічного моніторингу (1993 р.) і створення системи оперативного контролю в м. Краків, місцевою владою вдалося знизити вдвічі рівень забруднення по двооксиду сірки і ліквідувати значні (у 3-5 разів більше середньорічних значень) перевищення концентрацій в зимовий час. Спостерігається також зниження концентрацій і інших забруднюючих речовин.
Цікава структура побудови міжнародної автоматизованої системи екологічного моніторингу так званого «Чорного трикутника» (Black triangle) [8]. Дана область з площею близько 30,0 тис. км2 і населенням більше 5 млн. чоловік охоплює південно-східну частину Німеччини, південно-західну частину Польщі і північну частину Чехії. Цей район характеризується розвиненою промисловою інфраструктурою.
У 1991 році вказаними країнами на рівні Міністрів охорони навколишнього середовища було вирішено створення міжнародної автоматизованої системи екологічного моніторингу, яка б органічно об'єднувала частини національних систем моніторингу. За 7 років система була розвинена і нині включає мережу екологічного моніторингу з 44 автоматизованих станцій (10 станцій в Польщі, 14 – в Германії і 20 - в Чехії).
Система побудована на використанні типових стаціонарних постів і комп'ютерної мережі для обміну і обробки інформації. Зв'язок між національними системами моніторингу здійснюється через глобальну мережу Інтернет, між центрами і постами контролю – за рахунок радіомодемного і супутникового зв'язку.
Автоматизована система моніторингу забруднення атмосферного повітря включає наступні компоненти:
Автоматичних постів може бути необмежена кількість. Для зв'язку з Web-сервером використовуються стандартні види підключення до мережі Інтернет (рисунок 1).
Основний вимірювальний прилад автоматизованої системи – газоаналізатор. Це важливий компонент, оскільки саме газоаналізатор визначає концентрації шкідливих речовин в атмосфері.
Основні вимоги, що пред'являються до газоаналізатора:
Перед початком розробки газоаналізатора було розглянуто три найпоширеніші методи аналізу вмісту речовин в повітрі:
Електрохімічний метод
Принцип дії електрохімічного датчика заснований на явищі протікання специфічної хімічної реакції (електрохімічної реакції) в електрохімічній комірці, що є ємністю з розчином електроліту з електродами (анодом і катодом). Схема комірки електрохімічного датчика наведена на рис. 2.
Газ, що аналізується, вступає в хімічну реакцію з електролітом, який заповнює комірку. В результаті в розчині виникають заряджені іони, між електродами починає протікати електричний струм, пропорційний концентрації компоненту в пробі. Виникаючий електричний сигнал обробляється електронною схемою датчика [13].
Хемілюмінесцентний метод
Хемілюмінесценція – явище виділення квантів світла в результаті протікання специфічної хімічної реакції (хемілюмінесцентної реакції).
До гомогенної хемілюмінесценції відносяться хемілюмінесцентні реакції, що протікають на розділі двох однакових фаз (наприклад, газ – газ). До гетерогенної хемілюмінесценції відносяться хемілюмінесцентні реакції, що протікають на розділі двох різних фаз (наприклад, газ – тверда речовина).
Хемілюмінесцентний датчик є підкладкою з фільтрувальної тканини діаметром 25 мм і завтовшки до 1 мм з нанесеним на неї розчином композиції.
На поверхні датчика відбувається екзотермічна реакція компоненту (наприклад SO2 або NO2) з окислювачами композиції, що супроводжується виділенням світла певної довжини хвилі (ефект гетерогенної хемілюмінесценції). Інтенсивність свічення композиції залежить від концентрації компоненту в газовій суміші. Вона вимірюється фотодатчиком. Якщо, наприклад, це фоторезистор, то його опір залежатиме від інтенсивності свічення, і відповідно від концентрації газу, що аналізується [14-15].
Атомно-емісійна спектроскопія
Атомно-емісійна спектроскопія (спектрометрія), АЕС або атомно-емісійний спектральний аналіз — сукупність методів елементного аналізу, заснованих на вивченні спектрів випускання вільних атомів і іонів в газовій фазі. Зазвичай емісійні спектри реєструють в найбільш зручній оптичній області довжин хвиль від ~200 до ~1000 нм.
АЕС — спосіб визначення елементного складу речовини по оптичних лінійчатих спектрах випромінювання атомів і іонів проби. Як джерела світла для атомно-емісійного аналізу використовують полум'я пальника або різні види плазми, включаючи плазму електричної іскри або дуги, плазму лазерної іскри, індуктивно-зв'язану плазму, тліючий розряд та ін.
АЕС — найпоширеніший експресний високочутливий метод ідентифікації і кількісного визначення елементів домішок в газоподібних, рідких і твердих речовинах, у тому числі і у високочистих. Він широко застосовується в різних галузях науки і техніки для контролю промислового виробництва, пошуках і переробці корисних копалини, в біологічних, медичних і екологічних дослідженнях і так далі. Важливим плюсом АЕС в порівнянні з іншими оптичними спектральними, а також багатьма хімічними і фізико-хімічними методами аналізу, є можливість безконтактного, експресного, одночасного кількісного визначення великого числа елементів в широкому інтервалі концентрацій з допустимою точністю при використанні малої маси проби [16].
У кожного з вищеописаних методів є свої достатки і недоліки. Наприклад, в хемілюмінесцентних сенсорах підкладку з розчином композиції потрібно змінювати з періодичністю від двох днів до 2-х тижнів (залежить від речовини, яка аналізується). Для постійного контролю без участі людини це нікуди не годиться. Атомно-емісійна спектроскопія – це або дуже громіздкі прилади, або компактне, але дуже дороге обладнання, досить складне в обслуговуванні.
Тому для розробки газоаналізатора були вибрані електрохімічні датчики. Такі датчики випускаються серійно швейцарською компанією Membrapor [17]. Основні характеристики датчиків наведені в таблиці 2.
| Датчик | Речовина | Концентрація (ppm) | Концентрація (мг/м3) |
| NO2/M-20 | Двооксид азоту (NO2) | 0 - 20 | 0 - 37 |
| NH3/CR-200 | Аміак (NH3) | 0 - 100 | 0 - 71 |
| CH2O/M-10 | Формальдегід (CH2O) | 0 - 10 | 0 - 12 |
| H2S/M-50 | Сірководень (H2S) | 0 - 50 | 0 - 71 |
| O2/M-5 | Озон (O3) | 0 - 5 | 0 - 10 |
Виходячи з технічних характеристик датчиків, що надаються виробником можна зробити висновок, що ці датчики цілком застосовні для розробки газоаналізатора. Крім того, виробник датчиків проводить перевірку датчиків і видає відповідний сертифікат.
Конструкція газоаналізатора складається з двох технічних систем – електронної і газоповітряної.
Опис роботи електронної системи газоаналізатора
На рисунку 3 представлена структурна блок-схема електронної системи газоаналізатора.
Аналогові сигнали з газових датчиків NO2, CH2O, NH3, H2S, O3 поступають на входи підсилювачів по струму (У1 – У5), які підсилюють їх і перетворюють в зручний для виміру діапазон 4...20 мА. Самі датчики – електролітичні і на виході видають дуже слабий аналоговий сигнал порядку декілька наноампер, тому потрібне посилення цього струму. Крім того, підсилювачі У1 – У5 необхідні для підстроювання датчиків при наладці, перевірці і проходженні державної атестації, оскільки саме вони настроюються на промисловий діапазон 4...20 мА, який має лінійну залежність від того діапазону концентрацій, які вимірюють датчики.
Оскільки підсилювачі У1 – У5 мають струмові виходи, а аналогово-цифровий перетворювач АЦП і аналоговий комутатор АК мають входи, розраховані на вимір напруги 0...5 вольт, то для перетворення сигналів використовуються перетворювачі сила струму – напруга (ПТ1 – ПТ5).
Далі сигнали з перетворювачів ПТ1 – ПТ5 і сигнали з датчиків температури (T), вологості (H) і витрати газу (V) поступають на входи аналогового комутатора АК, який входить до складу мікроконтролера МК.
Мікропроцесор МП посилає АК адреса входу, з якого необхідно знімати сигнал. АК перемикається на цей вхід і пересилає з нього дані на АЦП. АЦП у свою чергу оцифровує сигнал і передає його мікропроцесору МП. Блоки АК, АЦП і МП в схемі об'єднані пунктирною лінією і є єдиним пристроєм, який називається мікроконтролером (МК).
Програма, яка знаходиться в пам'яті мікроконтролера МК аналізує дані з датчиків T, H і V і за допомогою схем управління навантаженням СН1 і СН2 управляє режимом роботи насоса НСС і нагрівача НГ, тим самим регулюючи фізичні параметри газу (повітря), який аналізується.
Інформацію, отриману зі всіх датчиків (NO2, CH2O, NH3, H2S, O3, T, H, V) мікроконтролер МК посилає через асинхронний послідовний порт RS-232 в комп'ютер або інший пристрій збору і аналізу інформації.
Для узгодження TTL рівнів сигналів МК і послідовного порту зовнішнього пристрою (комп'ютера) використовується перетворювач рівнів сигналів П232.
Опис роботи газоповітряної системи газоаналізатора
На рисунку 4 представлена структурна блок-схема газоповітряної системи газоаналізатора.
Газ (повітря), який аналізується, поступає в газоаналізатор зі всмоктуючого патрубка ВП1, а виходить з випускаючого патрубка ВП2.
Різниця тиску між ВП1 і ВП2 створюється за допомогою насоса НСС вимірюється датчиком витрати газу (V) і регулюється мікроконтролером МК.
Фільтр-осушувач ФО необхідний для очищення аналізованого газу від пилу і зменшення вмісту в нім водяної пари.
Температура газу вимірюється датчиком (T), а вологість – датчиком (H). Регулювання температури здійснює мікроконтролер МК за допомогою нагрівача НГ. Ця система регулювання використовується для холодного або дуже вологого повітря.
Далі газ з заданою швидкістю проходить через датчики NO2, CH2O, NH3, H2S, O3 і виходить з випускаючого патрубка ВП2.
Підсилювачі струму (У1 – У5)
Підсилювачі вибрані промислового типа, вони видають сигнал у формі 4...20 мА. Мають схему, зображену на малюнку 5 для датчиків без напруги зсуву. При використанні наведеної нижче схеми пропадає необхідність використання перетворювачів сила струму – напруга (ПТ1 – ПТ5).
Перетворювачі струм-напруга (ПТ1 – ПТ5)
Перетворювачі сила струму – напруга (ПТ1 – ПТ5) необхідні для узгодження підсилювачів У1 – У5 з входами аналогового комутатора АК і аналогово-цифрового перетворювача АЦП. Їх слід використовувати тільки тоді, коли підсилювачі У1 – У5 мають струмові виходи 4...20 мА. Прийнята схема перетворювача на основі диференціального підсилювача приведена на рисунку 6.
Мікроконтролер (МК)
В якості керуючого мікроконтролера в газоаналізаторі використовується мікросхема фірми Atmel – Atmega16 [18-19].
Мікроконтролер виконує наступні функції:
На рисунку 7 наведено позначення виводів мікроконтролера.
Перший експериментальний зразок газоаналізатора називається AIRHACKER-1.
Газоаналізатором є пристрій для виміру концентрацій двооксиду азоту, сірководню, формальдегіду, аміаку і озону в повітрі, відображення на вбудованому РК-дісплею і передачі цих даних по послідовному порту (RS-232, RS-485 або USB) в комп'ютер.
Газоаналізатор зібраний в одному корпусі. На передній панелі знаходиться РК-дісплей, що відображує стан роботи газоаналізатора і концентрацію речовин і клавіатура для вибору режиму роботи і управління газоаналізатором. На задній панелі знаходяться всмоктуючий і випускаючий патрубки, роз'єм живлення і вимикач.
Всередині газоаналізатора знаходиться блок живлення з перетворювачем напруги, електронна і газоповітряна системи.
Основні технічні характеристики:
Умови експлуатації:
Електричні характеристики:
Фізичні характеристики:
На сьогоднішній день вже тестується програмне забезпечення, яке проводить зчитування даних з промислових газоаналізаторів CM-NO2-SO2-CO і метеостанцій DAVIS Vantage PRO, що серійно випускаються [20]. Програма для управління газоаналізатором написана на мові Borland Delphi 7.0. Вона включає декілька модулів:
На рисунку 8 наведений скрин-шот програми для отримання даних з газоаналізатора і метеостанції.
Віддалений Web-сервер складається з двох компонентів:
Апаратна підсистема є комп'ютером, який підключений до глобальної мережі Internet за допомогою модему або будь-якого іншого пристрою. Не має значення, де фізично знаходиться апаратна частина Web-сервера. Це може бути комп'ютер в університеті, а може бути сервер інтернет-провайдера в США. Головне, щоб до нього був доступ ззовні по мережі Internet.
Програмне забезпечення (ПЗ) верхнього рівня є складовою частиною програмного забезпечення автоматизованої системи моніторингу і його склад, структура і алгоритми визначаються завданнями і функціями системи обробки, зберігання і представлення інформації.
Роботу програмного забезпечення верхнього рівня забезпечують наступні програмні компоненти:
Система управління реляційними базами даних MySQL забезпечує зберігання і представлення інформації по запитах мови SQL. Сервер Apache служить для забезпечення зв'язку між ЕОМ по протоколу HTTP і взаємодії з СУРБД MySQL і мовою програмування PHP. Загальна структура взаємодії елементів програмного забезпечення верхнього рівня наведена на рис. 9.
Програмний код реалізований на гіпертекстовій мові розмітки HTML і мові програмування PHP. Програмний код має модульну структуру, наведену на рис. 10.
Запропонована структура організації ПЗ дозволяє забезпечити прийом, зберігання, обробку і представлення інформації в автоматичному режимі і організувати доступ користувачів до інформації по мережі Інтернет.
Програмне забезпечення системи верхнього рівня забезпечує обробку, зберігання і представлення інформації. Для здійснення цього завдання виділені основні функції ПЗ:
Реалізації цих функцій повною мірою дозволяє здійснити завдання обробки, зберігання і представлення інформації.
На даний момент використовується ресурс АКИАМ, спеціально створений для об'єднання автоматизованих постів збору даних про стан атмосфери, який також припускає і ручне введення даних [21]. На рисунку 11 представлена таблиця поточних вимірів, що постійно оновлюється автоматичним постом №6.
Надалі планується реалізація наступних етапів:
Аналіз наявних даних і існуючих систем збору, накопичення і обробки інформації про стан навколишнього природного середовища (НПС) м. Донецька дозволяє охарактеризувати системи екологічного моніторингу, що діють, як ті, які не відповідають сучасним вимогам.
У цьому плані, аналіз наявної інформації дозволяє зробити наступні висновки:
Тому потрібне створення нової автоматизованої системи моніторингу забруднень атмосфери, відповідної для українського ринку, недорогої і надійної, здатної виконувати безперервний автоматичний контроль не менше 2 років.
При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення - 1 грудня 2009 р. Повний текст роботи та матеріали за темою можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.