книги / Методы и автоматизированные системы аналитического контроля технологических процессов и окружающей среды. Методы и автоматизированные системы промышленного аналитического экологиче

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.Г. Шумихин, И.А. Вялых

МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Часть 1

Методы и автоматизированные системы промышленного аналитического экологического контроля

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2012

УДК 543.544 Ш96

Рецензенты:

д-р хим. наук, проф. В.Н. Басов (Межрегиональный центр химических

и биологических технологий, ООО «Центр»); д-р техн. наук, доц. Н.Б. Ходяшев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Шумихин, А.Г.

Ш96 Методы и автоматизированные системы аналитического контроля технологических процессов и окружающей среды: учеб. пособие. Ч. 1. Методы и автоматизированные системы промышленного аналитического экологического контроля / А.Г. Шумихин, И.А. Вялых. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 179 с.

ISBN 978-5-398-00846-3

Рассмотрены методы и средства автоматического контроля состояния окружающей среды, их характеристики и принципы работы, основы построения и примеры применения автоматизированных систем контроля загрязнения воздушной и водной среды, почв.

Предназначено для студентов направления подготовки «Автоматизация технологических процессов и производств».

УДК 543.544

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.Характеристика технических средств получения

иобработки информации в составе комплексного

3

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Системы экологического менеджмента, создаваемые для достижения высокой экологической результативности функционирования организаций всех видов, в своей деятельности опираются на контроль качества окружающей среды.

Общей целью экологического контроля является обеспечение соблюдения действующих природоохранных и ресурсосберегающих правил, требований и норм на всех этапах производства, строительства, эксплуатации технических объектов или иной деятельности, связанной с активным или косвенным позитивным или негативным изменением окружающей среды.

Основная задача экологического контроля – формирование информационной базы состояния и изменения окружающей среды, получение необходимой и достаточной по критериям полноты, точности и достоверности информации о состоянии окружающей природной среды, об интенсивности техногенных или естественных источников ее загрязнения.

Вцелом все виды экологического контроля можно рассматривать в двух аспектах. В одном случае объектом контроля являются вредные техногенные или естественные воздействия на природную среду, в другом случае объектом экологического контроля является собственно природная среда, подверженная или не подверженная (фоновый контроль) вредным воздействиям. При этом, как правило, определяют качество отдельных компонентов или комплексов природной среды с целью выявления состава и концентрации тех или иных веществ, обычно вредных.

Вобщем случае при экологическом контроле возможны

измерения: линейно-угловые, силы и массы, электрические и магнитные, оптические, химико-аналитические и др. Кон- трольно-измерительная техника для этих целей создавалась в разных ведомствах применительно к нуждам соответствую-

5

щих отраслей народного хозяйства, поэтому среди средств измерения и контроля можно найти практически все их основные виды, обеспечивающие измерения, соответствующие принятой в метрологии классификации.

Основным методом экологического контроля является аналитический контроль. Средства измерения состава и концентрации веществ, используемые в этом методе, обеспечивают опера-

и конструкторские организации и промышленные предприятия в России и за рубежом разрабатывают и выпускают различные средства контроля загрязнений окружающей среды, в том числе автоматизированные и автоматические системы (станции), основой которых являются автоматические анализаторы концентрации компонентов.

Целью учебного пособия является ознакомление будущих специалистов в области автоматизации технологических процессов и производств химической и смежных отраслей промышленности с принципами информационного экологического мониторинга, с методами, средствами и принципами функционирования систем автоматизированного аналитического контроля в составе инженерного экологического мониторинга, с некоторыми примерами промышленных систем. Полученные сведения будут способствовать осуществлению видов деятельности, связанных с применением и эксплуатацией автоматических и автоматизированных систем анализа при контроле состояния окружающей среды.

В данном пособии рассмотрены общие характеристики средств получения, обработки и хранения аналитической информации в составе комплексного экологического контроля, классификация методов и средств аналитического контроля, структурные схемы, сигналы и статические характеристики автоматических анализаторов, пороговые характеристики средств

6

и систем контроля окружающей среды, методическое обеспечение автоматизированных и автоматических систем аналитического контроля окружающей среды, принципы построения и функционирования автоматизированных и автоматических систем контроля загрязнений окружающей среды, примеры конфигурации промышленных автоматизированных систем аналитического контроля природных и сточных вод, загрязнения воздушной среды и почвы, их характеристики.

Учебное пособие не знакомит читателя с расчетами и проектированием систем, так как методы анализа и синтеза, подходы к проектированию таких систем аналогичны используемым при создании автоматических и автоматизированных систем аналитического контроля технологических процессов и производств химической отрасли, с которыми студенты знакомятся в курсах по технологическим и техническим измерениям и приборам, автоматизации технологических процессов и производств и др.

7

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СОСТАВЕ КОМПЛЕКСНОГО МОНИТОРИНГА

1.1. Структура автоматизированных систем контроля

Инструментальной базой систем контроля природной среды является комплекс технических средств автоматизированных систем контроля (АСК) загрязнения окружающей среды. Разработка таких АСК ведется в настоящее время во всех промышленно развитых странах, в том числе и в России. Цель подобных разработок – создание развитой сети информационно-измери- тельных систем контроля загрязнения окружающей среды, начиная с низовых систем контроля для промышленных предприятий и заканчивая общегосударственной службой наблюдения

иконтроля.

Взависимости от задач, решаемых АСК, их можно классифицировать по следующим типам: промышленные, городские, региональные, общегосударственные и глобальные [1].

Промышленные АСК предназначены для контроля выбросов промышленных предприятий, а также оценки степени загрязнения в районе их санитарно-защитной зоны. Обычно такие АСК входят в состав АСУ предприятия и используют датчики, характерные для выбросов данного предприятия, а также метеодатчики. Места контрольных пунктов выбирают в зависимости от мест выбросов предприятия, розы ветров и размещения жилых зданий в районе предприятия.

Городские АСК используются для измерения уровня загрязнения городской среды выбросами многих предприятий, автотранспортом, а также гидрометеорологических параметров. Они позволяют анализировать степень чистоты окружающей среды в зависимости от погоды, сезона, определяют степень

8

опасности каждого из источников загрязнения, выявляют его долю в общем загрязнении среды, информируют об уровне загрязнения различные службы и организации. В состав городских АСК входят отдельные подсистемы сбора данных, которые представляют собой специализированные устройства на базе ЭВМ с определенным набором датчиков, связанные через подсистемы передачи данных с подсистемами обработки данных. Промышленные системы могут входить в состав городских АСК на правах подсистем низшего ранга.

Региональные АСК предназначены для статистической обработки данных о загрязнении окружающей среды на значительных территориях. Они могут включать в себя несколько городских АСК. С помощью региональных АСК проводятся исследования условий загрязнения и соблюдения требуемых стандартов качества среды, разработка усовершенствованных методов контроля и регистрации загрязнений, оценка последствий загрязнения, выдается необходимая информация непосредственным пользователям данных – инспекторам по охране окружающей среды.

Через сети передачи данных информация попадает в федеральную АСК.

В рекомендациях специальной комиссии СКОПЕ (Научный комитет по проблемам окружающей среды) при ЮНЕСКО в 1972 г. появились первые предложения по Глобальной системе мониторинга окружающей среды (Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде). Однако такая система не создана по сей день из-за разногласий в объемах, формах и объектах мониторинга, распределении обязанностей между уже существующими системами наблюдений. Такие же проблемы есть и у нас в стране, поэтому, когда возникает острая необходимость режимных наблюдений за окружающей средой, каждая отрасль должна создавать свою локальную систему мониторинга.

Общая структура аппаратных средств сети наземных измерений в системе комплексного мониторинга включает в себя [2]:

9

1) на нижнем уровне сети:

–стационарные посты по воздуху и воде;

–передвижные и стационарные лаборатории, определяющие состояние атмосферы, воды, почвы, снега;

–передвижные станции контроля выбросов и сбросов;

–инспекционные службы;

–службы получения данных от населения.

Число стационарных и передвижных станций и постов определяется в результате проведения исследований и расчетов на имеющихся моделях конкретной природно-технической геосистемы (или природно-территориального комплекса), а также на основании накопленного опыта наблюдений за окружающей средой;

2)на среднем уровне сети – центры сбора и обработки информации, полученной на нижнем уровне сети, которые отличаютсядруг от друга спецификой и сложностью решаемых задач;

3)на верхнем уровне сети – пользователей информации, полученной в центрах ее сбора и обработки. Непосредственными пользователями данных являются инспектора по охране окружающей среды.

К числу основных составляющих сети мониторинга относятся датчики и анализаторы, устройства загрузки данных, устройства передачи данных и др.

В качестве устройств загрузки данных используются либо универсальные программируемые логические контроллеры, либо специализированные контроллеры.

Устройства передачи данных состоят из передающей и принимающей аппаратуры, компьютерных сетей с линиями связи.

Перспективным направлением для создания единого информационного пространства комплексного мониторинга состояния окружающей среды и управления им может явиться применение PDM-технологий (технологии интеграции информации и управления данными о технических системах).

10