Введение к работе
Актуальность работы
В результате научно-технического прогресса стало возможным применение в лёгкой промышленности синтетических материалов, химических методов крепления деталей обуви, одежды, физико-химических методов отделки изделий. Химизация лёгкой промышленности повышает эффективность производства, но в то же время приводит к увеличению выделения вредных веществ в воздух рабочей зоны предприятий. Например, в ходе современного обувного производства выбрасываются чрезвычайно опасные (гексаметилендиамин, диметилтерефталат, хлористый винил, хлоропрен), высокоопасные (акрилонитрил, формальдегид, хлор и другие), умеренно опасные (винилацетат, ксилол, стирол, этиленгликоль и другие) и малоопасные (аммиак, ацетон, бензин, окись углерода, этилацетат и другие) вещества. Эти химические соединения могут оказывать на человека токсическое, канцерогенное и мутагенное действие.
Работники предприятий, находясь в непосредственной близости от источников выделения вредных веществ, подвергаются их воздействию каждый день. Контроль качества воздуха рабочей зоны необходим для уменьшения влияния химического фактора на здоровье рабочих.
Анализ современных методов и приборов мониторинга воздуха рабочей зоны выявил их существенные недостатки. Применение точных лабораторных методов трудно на практике из-за высокой цены, больших габаритов, сложности обслуживания приборов. Необходимость пробоотбора замедляет получение результатов, не позволяет осуществлять непрерывный, удалённый, автоматизированный мониторинг.
Альтернативные методы также не позволяют решить проблему мониторинга воздуха рабочей зоны в полной мере. Относительно дешёвые портативные экспрессные газоанализаторы могут определять за одно измерение концентрацию газов только в одной точке и требуют присутствия оператора на месте анализа. Беспроводные системы мониторинга воздуха обеспечивают удалённый, автоматизированный, одновременный контроль качества воздуха на большой площади. Однако для их установки, использования требуется высококвалифицированный персонал, что усложняет применение этого метода.
Необходимо разработать новую высокоэффективную систему, которая объединит достаточную точность анализа, экономичность и будет автоматизированной. Совершенствование мониторинга воздуха рабочей зоны за счёт своевременного предупреждения о высокой концентрации вредных веществ в репрезентативных точках позволит обеспечить безопасные условия труда, снизить травматизм, улучшить как здоровье рабочих, так и эффективность производства.
Цель и задачи исследования
Цель работы – разработка высокоэффективной, мобильной, автоматизированной, беспроводной системы для быстрого, непрерывного, дистанционного и экономичного контроля качества воздуха рабочей зоны.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
-
проанализированы технологические процессы производств предприятий лёгкой промышленности для определения уровня и источников выделений вредных веществ;
-
представлен обзор нормативно-методических документов в области контроля качества воздуха рабочей зоны, в том числе методов и средств измерения концентраций вредных веществ;
-
проведён анализ отечественных и зарубежных систем мониторинга воздуха рабочей зоны предприятий;
-
сформулированы требования к разрабатываемой системе;
-
спроектирован блочно-модульный состав мобильной, автоматизированной, беспроводной системы контроля качества воздуха на предприятии;
-
проведён анализ рынка современной сенсорной, микроэлектронной техники;
-
собран прототип системы, осуществлено тестирование его работы;
-
разработан программный продукт для приема, хранения, статистической обработки и визуализации результатов измерений системы на диспетчерском компьютере;
-
проведены калибровка системы по вредным газам, выделяемым предприятиями лёгкой промышленности, поверка разработанного средства измерения;
-
пройдена производственная апробация на обувном предприятии;
-
предложены мероприятия для дальнейшей оптимизации системы;
-
смоделирована автоматическая система управления качеством воздуха рабочей зоны.
Объект исследования – предприятия лёгкой промышленности.
Предмет исследования – технологические процессы производств лёгкой промышленности как источник выделения вредных веществ.
Методы исследования и технические средства решения задач
Использовалось следующее программное обеспечение: интегрированная среда разработки Arduino 1.0 для программирования микроконтроллера аппаратной вычислительной платформы, Windows HyperTerminal для формирования файла с данными, поступающими на COM-порт компьютера, интегрированная среда разработки Microsoft Visual Studio 2005 для разработки программы приёма, хранения, статистической обработки и визуализации результатов измерений. Для моделирования автоматической системы регулирования качества воздуха применялась программа Simulink MATLAB. Применены следующие технические средства: психрометр аспирационный механический МВ 4-2-М; хроматограф Кристалл 5000.2 газовый (Хроматек); датчик для измерения относительной влажности и температуры воздуха DHT11 (DFRobot), датчики газов Analog Gas Sensor (DFRobot), TGS 2620 (Figaro); радиочастотные модули XBeeS2 (Digi International), плата расширения IO Shield, аппаратная микропроцессорная платформа Arduino Uno (Smart Projects), XBee-USB адаптер, персональный компьютер.
Научная новизна работы:
-
создана оригинальная система автоматизированного мониторинга состава воздуха на основе современной сенсорной и микропроцессорной техники. Это совершенствует приборную базу методов контроля качества воздуха;
-
создан аппаратно-программный комплекс для сбора, беспроводной передачи, статистической обработки, графической визуализации и хранения данных мониторинга качества воздуха рабочей зоны;
-
разработана методика измерения концентраций вредных веществ в воздушной среде предприятий, соответствующая требованиям нормативно-методических документов и учитывающая особенности собранной системы.
Практическая значимость исследования состоит в:
-
автоматизированном измерении концентраций вредных веществ, беспроводной приёмопередаче, хранении, статистической обработке и графическом представлении результатов измерений, позволяющих контролировать качество воздуха в производственных цехах предприятий лёгкой промышленности;
-
применимости разработанной системы для учебно-методических и научно-практических задач, на предприятиях лёгкой промышленности для контроля качества воздушной среды, оценки эффективности инженерно-технических мероприятий, направленных на улучшение качества воздуха рабочей зоны;
-
обеспечении производственной безопасности, снижении травматизма за счёт своевременного оповещения об опасном уровне вредных веществ в зоне дыхания рабочего;
-
повышении производительности труда за счет улучшения контроля химических факторов производственной среды.
Апробация и реализация результатов работы
Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на заседаниях кафедр Автоматики, «Промышленной Безопасности, Экологии и Строительного Проектирования» МГУДТ; всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Молодая наука» (Москва, 2010); научной конференции студентов и аспирантов «Молодые ученые – XXI веку» (Москва, 2010); всероссийской молодежной научной конференции III Всероссийские научные Зворыкинские чтения «Научный потенциал молодёжи – будущее России» (Муром, 2011).
Проведена апробация системы в производственном цехе Московской Обувной Фабрики «Парижская Коммуна». Показано, что при высокой экономичности, надежности и скорости работы результаты измерений разработанной системы согласуются с использующимися подходами.
Экспериментальный стенд внедрён в учебный процесс на кафедре автоматики МГУДТ в качестве установки для лабораторных работ студентов, для выполнения курсового и дипломного проектирования.
Публикации
Основные положения проведённых исследований опубликованы в семи печатных работах, в том числе четыре – в журналах, которые входят в список, утверждённый Высшей аттестационной комиссией.
Структура и объём работы
По своей структуре диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, приложений. Объём диссертации составляют 120 страниц текста, включая 13 рисунков и 13 таблиц. Список использованных источников содержит 115 наименований. Приложения приведены на 6 страницах.
Исследования проводились совместно с доц., к.т.н. Седляровым Олегом Ивановичем, который также консультировал аспиранта по диссертационной работе.
