CC BY
60
--------------□ □----------------
В роботі представлені результати досліджень по створенню інформаційно-вимірювальної системи контролю нормованих параметрів промислових факторів. Проведено комп’ютерне моделювання датчиків та їх вимірювальних кіл з метою дослідження процесів, що в них протікають, оптимізації параметрів та покращення характеристик. Наведені результати контролю виробничих факторів: вібрації, шуму, мікроклімату в робочій зоні
Ключові слова: інформаційно-вимірювальна система, нормовані параметри, датчики, комп’ютерне моделювання □------------------------------□
В работе представлены результаты исследований по созданию информационно-измерительной системы контроля нормированных параметров производственных факторов. Проведено компьютерное моделирование датчиков и их измерительных цепей с целью исследования происходящих процессов, оптимизации параметров и улучшения характеристик. Приведены результаты контроля производственных факторов: вибрации, шума, микроклимата в рабочей зоне
Ключевые слова: информационноизмерительная система, нормированные параметры, датчики, компьютерное моделирование --------------□ □----------------
УДК 006.91
ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ НОРМИРОВАННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
ФАКТОРОВ
В . Л . К о с т е н к о
Доктор технических наук, профессор* Е-mail: kvl777@ukr.net А. А. Никол е н ко Кандидат технических наук, доцент** Е-mail: anatolyn@ukr.net Е . Д . П о п е р е к а
Аспирант*
Е-mail: popereka2013.prof@mail.ru М . В . Я д р о в а
Кандидат технических наук, доцент** Е-mail: marinaonpu@yandex.ua **Кафедра информационных систем*** К. С. Тыманюк Аспирант* Е-mail: hitec1@rambler.ru *Кафедра металлорежущих станков, метрологии и сертификации*** ***Одесский национальный политехнический университет пр. Шевченко, 1, г. Одесса, Украина, 65044
1. Введение
Информационно-измерительные системы, включающие входные устройства - датчики, блок автоматизированной обработки информации, устройства отображения, сохранения и передачи на расстоянии информации, пакет программного обеспечения [1] используются достаточно широко в измерительной технике, но не существует единого подхода к применению информационноизмерительных систем для контроля нормированных параметров производственных факторов. Вместе с тем, одним из важных вопросов в области обеспечения высокого уровня безопасности условий труда, а также предупреждения профзаболеваний, является контроль параметров производственных факторов. Воздействие вредных производственных факторов оказывает негативное влияние на производительность труда, безопасность и физиологическое состояние персонала. Такие вредные факторы как вибрация, шум, повышенная температура и т.п., ведут к снижению работоспособности,
недомоганию и травмам. В этой связи большое значение имеют разработки по созданию и внедрению информационно-измерительных систем контроля нормированных параметров производственных факторов.
Эти разработки дадут возможность сократить время на информационно-измерительную деятельность и обработку результатов контроля нормированных параметров за счет расширения функциональных возможностей, повышение точности измерений и производительности измерительных операций.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Основной методологической проблемой при измерении нормированных параметров производственных факторов является недостаточно высокая оперативность контроля параметров производственной сферы. Отсутствие комплексного контроля параметров не по-
© В. Л. Костенко, А. А. Николенко, Е. Д. Поперека, М. В. Ядрова, К. С. Тыманюк, 2014
Е
зволяет сократить время на проведение измерения и обработку результатов обследования рабочего места за счет расширения числа выполняемых функций, а также повысить точность измерений и производительность измерительных операций.
В последнее время значительный интерес уделяется углубленному исследованию производственных факторов для выделения ряда причин, наиболее отрицательно влияющих на организм человека и установления современных нормативных величин для них.
Так, исследования влияния производственной вибрации на организм человека [2] указывают на необходимость контроля и ограничения воздействия, особенно резонансных с человеческим организмом частот.
Исследования технологического шума [3] показали существенное превышение уровня регламентированного стандартами, 73,83 % рабочих в тяжелых отраслях промышленности подвергаются негативному влиянию шума, из них 60,96 % жалуются на дискомфорт, причиняемый шумом, 39,96 % имеют нарушение слуха.
Изучение параметров микроклимата, которые являются важными факторами окружающей среды и влияет на условия рабочей зоны, показывают, что микроклиматические параметры могут вызывать дискомфорт или же вызывать неблагоприятные последствия для здоровья человека в случае критических значений данных параметров [4]. На микроклимат в рабочей зоне оказывает воздействие технологическое оборудование. В комплексе с физической нагрузкой неоптимальные условия температуры, влажности и скорости движения воздуха оказывают влияние на организм человека, снижая его работоспособность [5]. Многокритериальный контроль параметров микроклимата на рабочем месте частично
Метрологические
позволяет улучшить условия труда [6], однако не позволяет решить проблемы контроля нормированных параметров производственных факторов в целом. При этом недостаточно полно разработана аппаратная часть исследования взаимоусиливающего действия данных параметров по отношению друг к другу [7].
Существующее измерительное оборудование для каждого из рассмотренных нормированных параметров обеспечивает необходимую точность, но вместе с тем не позволяет производить оперативный контроль по всем перечисленным параметрам. В то же время, по решению проблем повышения качества контроля, нормированных параметров производственных факторов отсутствуют исследования по применению современных информационно-измерительных систем.
Целью данной работы является разработка информационно-измерительной системы со специализированным программным обеспечением для комплексного контроля нормированных параметров производственных факторов и повышения оперативности проведения измерений на рабочем месте.
3. Аналитический обзор средств измерений параметров производственных факторов
Нормативные требования к технико-метрологическому уровню приборов контроля нормированных параметров производственных факторов изложены в [8, 9].
Перечень показателей, диапазоны и погрешности их измерений, рекомендуемые типы измерительной техники приведены в табл. 1 их метрологические характеристики получены из источников [10-13].
Таблица 1
стики приборов контроля
Модель прибора, изготовитель, страна Измерения параметров санитарно-гигиенических факторов. Диапазоны, погрешности
Температура воздуха, °С Измерения относительной влажности воздуха, % Измерения скорости движения воздуха, м/с Измерения теплового облучения, Вт/м2 Измерения вибрации Измерения шума, дБ
Вибро-скорость, мм/с Вибро- ускорение, м/с2
Измеритель шума и вибрации ВШВ-003-М2, Россия 3 10-2-5 104± ±10% 1-10000Гц 3 10-3-103 ± ±10% 1+10000Гц 22+140± ±0,7дБ 2+18000Гц
Психрометр аспирационный МВ-4М, Россия 25-50 10-100±1
Радиометр энергетической освещенности переносной РАТ-2П-Кварц-41, Украина 10-2000±6
Гигрометр «HygшPalm», Швейцария -40++85±0.2 0-100±1 0-20±1%
Гигротермометр «Hygromaster», США -10-+50±0.3 20-100±1.75
Измеритель параметров «Testo-645», Германия -20-+70±0.3 20-100 ±1.75
НМР231, Финляндия -20-+60±0.1 0-90 ± 1 90-100±2
Термогигрометр TRH-CA, Япония 0-+80 ± 0.3 10-99±2
3
В результате анализа существующих средств измерений параметров производственных факторов, основные из которых приведены в табл. 1 установлено, что представленные измерители имеют специфические области применения, что ограничивает их использование, вместе с тем прибор типа ВШВ-003М2 не обеспечивают возможность компьютерной обработки данных. Эти же недостатки присущи прибору типа МВ-4М.
Приборы типа: РАТ-2П-Кварц-41, «HygroPalm», «Ну^шта81ег», «Тез1о-645», НМР231, TRH-CA обеспечивают возможность цифровой обработки результатов измерений, однако не позволяют осуществлять комплексную обработку результатов контроля.
Одним из путей повышения эффективности и универсальности контроля рассмотренных параметров может быть разработка информационно-измерительной системы контроля нормированных параметров производственных факторов.
С учетом изложенного, задачей данных исследований является создание многоканальной информационно-измерительной системы, предназначенной для экспертной поддержки персонала при компьютерном контроле нормированных параметров производственной факторов.
С целью облегчения решения поставленной задачи предлагается использовать существующий стенд типа «Дельфин» [14], который является информационноизмерительным комплексом, предназначенным для экспертной поддержки персонала СТО при диагностике механической конструкции, функциональных систем впрыска и зажигания, датчиков и исполнительных механизмов двигательной автоматики, а также ходовой части автомобиля.
4. Разработка информационно-измерительной системы
Разработанная на базе измерительного стенда типа «Дельфин» система содержит 8 измерительных каналов:
- измерение шума (канал 1);
- измерение относительной влажности воздуха (канал 2);
- измерение виброскорости и виброускорения (полоса частот 5-12600 Гц) (канал 3);
- измерение виброскорости и виброускорения (полоса частот 5-180 Гц) (канал 4);
- измерение скорости движения воздуха (канал 5);
- измерение давления (канал 6);
- измерение температуры (канал 7);
- измерение интенсивности инфракрасного излучения (канал 8).
Структурная схема информационно-измерительной системы контроля нормированных параметров производственных факторов представлена на рис. 1.
Блок электроники обеспечивает коммутацию, согласование, усиление, фильтрацию, аналого-цифровое преобразование и ввод измерительных данных в компьютер. Частота опроса каждого канала более 70000 раз в секунду.
В блоке электроники приняты конструктивные меры и схемные решения по исключению повреждений при перепутывании датчиков и при перегрузке по входу даже при максимальном усилении.
Рис. 1. Структурная схема информационно-измерительной системы контроля нормированных параметров производственных факторов: Д1...Д8 — датчики;
СУ1...СУ8 — согласующие устройства; АЦП1...АЦП8 — аналого-цифровые преобразователи; УПД — устройство передачи даннях
Произведен выбор датчиков вибрации (пьезодатчиков), датчиков шума, датчиков температуры, скорости движения воздуха, относительной влажности воздуха, интенсивности инфракрасного излучения и датчиков атмосферного давления. Проведено компьютерное моделирование датчиков и их измерительных цепей с целью исследования происходящих процессов, оптимизации параметров и улучшения характеристик.
Например, для измерения виброускорения и виброскорости выбран виброизмерительный пьезоэлектрический преобразователь ДН-4-М1, работающий в диапазоне частот до 12600 Гц, измеряющий виброускорение от 0,003 до 1000 м/с2, коэффициент преобразования - 1±0,06 мВ/м с-2. Пьезодатчик используется для преобразования механических колебаний в электрические, пропорциональные ускорению колеблющегося объекта. Данное устройство имеет характеристики, соответствующие характеристикам виброизмерителей для контроля уровня вибраций на рабочем месте [15].
Проведено компьютерное моделирование пьезоэлектрического преобразователя и его измерительной цепи [16]. На рис. 2 представлена модель пьезопреобразователя с усилителем и интегратором.
Модель пьезоэлектрического преобразователя можно представить в виде параллельно соединенных источника переменного напряжения V! конденсатора С2 и цепочки последовательно соединенных элементов L1, R1, С!, отражающих динамические свойства пьезоэлемента. Величина этих элементов определяется параметрами реального пьезопреобразователя.
Для усиления сигнала пьезопреобразователя используется усилитель заряда с высоким входным импедансом [17]. Усилитель построен на основе операционного усилителя и 1А, высокое входное сопротивление отражено на модели резистором R2. При измерении виброскорости электрические сигналы, пропорциональные виброускорению, преобразуются интегрирующим устройством на основе операционного усилителя и2А.
Получена и исследована амплитудно-частотная характеристика пьезоэлектрического преобразователя с усилителем (рис. 3, а). Резонансные свойства пьезопреобразователя, использованного в данном устройстве, проявляются на частоте 100 кГц, т.е. линейность
................................................уз
характеристики обеспечена в диапазоне частот до 12600 Гц, уровень выходного напряжения - 3 В достаточен для дальнейших преобразований.
мых профилей осциллографа, анализатора спектра и самописца. ПО предоставляет визуальные средства просмотра спектральных и временных характеристик контролируемых сигналов датчиков, а также обеспечивает графическую среду для выбора и настройки режимов измерения.
В результате имеется возможность оперативного контроля нормированных параметров производственных факторов, а также облегчается накопление, регистрация и статистическая обработка полученных результатов.
Рис. 2. Модель пьезоэлектрического преобразователя с усилителем и інтегратором
8У
5. Апробация результатов исследования
Разработанная информационно-измерительная система на базе стенда типа «Дельфин» представлена на рис. 4.
4У
■|
. ;
4
ЮОНг
\Ш
\0kUz ЮОкНг 1ШЬ
4У-
2У-
-о 41 * ^
N
\
\ X-
X
О
ЮНг ЗОНг ЮОНг ЗООНг 1кНг Зк№ ЮкНгЗОкНг ЮОкШ ЗООкНг
Рис. 3. Результаты компьютерного моделирования: а — АЧХ пьезоэлектрического преобразователя с усилителем; б — АЧХ устройства на выходе интегратора
Получена и исследована амплитудно-частотная характеристика устройства на выходе интегратора (рис. 3, б). Элементы интегратора С3Д5, R6 обеспечивают коэффициент передачи 0 дБ на частоте 16 Гц и спад характеристики 7 дБ на октаву.
В информационно-измерительной системе используется специализированное программное обеспечение (ПО) на основе стенда типа «Дельфин», которое позволяет быстро настроить систему с помощью храни-
Рис. 4. Информационно-измерительная система на базе стенда типа «Дельфин»
Рассмотрены примеры использования системы при обследовании рабочих мест по разным нормированным параметрам.
В частности, в табл. 2 приведены результаты измерений условий труда электрогазосварщика и их соответствие нормативам [8].
Как следует из табл. 2, фактический уровень интенсивности излучения: 155^160 Вт/м2 превышает допустимый уровень интенсивности инфракрасного излучения 140 Вт/м2.
Следовательно, согласно результатам измерения, показатели микроклимата не соответствуют нормативным уровням, регламентированным по показателю интенсивности излучения [8], что относит условия труда электрогазосварщика к классу «Вредные и опасные» 1-й степени [18].
Результаты измерений уровня шума в цехе хлебозавода приведены в табл. 3.
Как следует из табл. 3, максимальный уровень шума на рабочем месте составляет 66 дБА при допустимом уровне шума 60 дБА [9]. Следовательно, условия труда работников в цехе хлебозавода можно отнести к вредным [18].
Таблица 2
Результаты исследований микроклимата в холодный период года
№ п/п Рабочее место и технологический процесс Температура воздуха, °С Нормативные уровни, °С Относительная влажность, % Скорость движения воздуха, м/с Интенсивность инфракрасного излучения, Вт/м2
факт. доп. факт. доп. факт. доп.
1 15,2
2 15,8
69 75 0,2 155 140
3 16,2
Электрогазосварщик 13-23 70 75 0,3 не>0,4 160 140
4 12,0
72 75 0,3 160 140
5 12,6
6 13,2
Таблица 3
Результаты исследований прерывистого шума на производственных участках предприятия
Название производственного участка Уровень шума на участке, дБA Средний уровень звука, дБA Продолжительность ступени прерывистого шума, мин Поправка в зависимости от продолжительности ступеней шума, дБA Разность для ступени шума, дБA Добавка к более высокому уровню Эквивалентный уровень шума, дБA
Участок размельчения ингридиентов 63-66 64,3 30 -12 52,3 6,4/1,0 56
Участок замеса 55-59 57 90 -7,5 45,9 -
Участок сушки 53-56 54,3 360 -1,2 53,1 0,2/3
6. Выводы
Разработана многоканальная информационно-измерительная система контроля нормированных параметров производственной сферы, которая позволяет автоматизировать сбор информации, преобразование полученных данных, обработку и отображение информации.
Проведено компьютерное моделирование выбранных датчиков и их измерительных цепей с целью исследования происходящих процессов, оптимизации параметров и улучшения характеристик.
Лабораторная оценка эффективности разработанной системы для контроля нормированных параме-
тров производственной сферы показала возможность ее широкого применения.
Как показали исследования, применение разработанной системы позволяет повысить оперативность контроля нормированных параметров производственных факторов. При этом реализуется новый подход к комплексному контролю нормированных параметров, позволяющий сократить время на проведение измерения и обработку результатов обследования рабочего места за счет расширения числа выполняемых функций, а также повышается точность измерений и увеличивается производительность измерительных операций, и, за счет их автоматизации, уменьшается влияние человеческого фактора на результаты измерений.
Литература
1. Palmius, J. Criteria for measuring and comparing information system [Text] / J. Palmius // Proceedings of the 30th Information Systems Research Seminar in Scandinavia IRIS. - 2007. - Vol. 1. - P. 102-126.
2. Bibhuti, B. Risk from vibration in Indian mines [Text] / B. M. Bibhuti, A. K. Srivastava // Indian Jornal of Occupational and Envi-rounmental Medicine. - 2006. - Vol. 10, № 2. - P. 53-57.
3. Atmaca, E. Industrial noise and its effects on humans [Text] / E. Atmaca, I. Peker, A. Altin // Polish Jornal of Envirounmental Studies. - 2005. - Vol. 14, № 6. - P. 721-726.
4. Sokolova, H. Evaluation of thermo-hygric microclimate parametrs in the work envirounment [Text] / H. Sokolova, R. Kralikova, A. Peskova // The Holistic Approach to Envirounment. - 2013. - Vol. 3, № 1. - P. 53-59.
5. Andrejiova, M. Assessment of the Microclimate in the Work Envirounment [Text] / M. Andrejiova, R. Kralikova, E. Wessely, H. Sokolova // Daaam Internation Scientific Book. - 2012. - P. 509-516.
6. Mazej, M. Thermal comfort: research and practice [Text] / M. Mazej, J. van Hood // Frontiers in Bioscience. - 2010. - Vol. 2, № 15. - P. 765-788.
7. Kalibatas, D. Multiple criteria analysis of indoor climate at the workplace [Text] : In Proc. of the 9th inter. conf. / D. Kal-ibatas, E. K. Zavadskas // Modern Building Materials, Structures and Techniques. - Lithuania. Vilnius: Technika, 2007. -P. 141-142.
8. Санітарні норми мікроклімату виробничих приміщень: ДСН 3.3.6.042-1999 [Электронный ресурс] / Режим доступа : http://nbuviap.gov.ua/images/nub/Dmap/15_sanitar%20normy%20mikroklimatu.pdf. - 08.04.2014. - Загл. с экрана.
9. Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та інфразвуку: ДСН 3.3.6.037-1999 [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ecopravo.org.ua/2011/07/14/dsn-3-3-6-037-99. - 8.04.2014. - Загл. с экрана.
10. Измеритель шума и вибрации ВШВ-003-М2. Паспорт 5Ф2.745.027 ПС. 19 [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://spribor.com.ua/r_vshv003m2.htm. - 12.04.2014. - Загл. с экрана.
11. Радиометр энергетической освещенности переносной РAТ-2П-Кварц-41 [Текст] / Паспорт ИДНМ 3.004.000.00 ПС.-НПФ ТЕНЗОР, 2006. - 15 с.
12. Приборостроение и средства автоматизации. Энциклопедический справочник [Текст] // М.: Научтехлитиздат. - 2004. -№ 2. - С. 2-9.
13. Диагностика и ремонт автомобилей: "Дельфин-диагностика” [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://autodata. ru/article/all/diagnostika_i_remont_avtomobiley_delfin_diagnostika. - 12.04.2014. - Загл. с экрана.
14. НМР 230 Series Transmitters Operating Manual [Text] / Vaisala. Finland, 1995. - 59 p.
15. Kozlov, M. Optical humidity sensors and optical hygrometers based on absorption of vacuum ultraviolet radiation [Text] : 4th inter. symposium / M. G. Kozlov, К. A. Tomsky // Humidity and Moisture. - Taipei, Taiwan, 2002.- P. 136.
16. Измеров, Н. Физические факторы. Эколого-тигиеническая оценка и контроль [Текст] : прак. руков. в 2-х томах. Т. 2. / Н. Ф. Измеров, Г. A. Суворов, Н. A. Куралесин и др. - М.: Медицина, 1999. - 439 с.
17. Ядрова, М. Моделирование измерительного пьезопреобразователя системы контроля нормированных параметров вибрации [Текст] : тр. XV междунар. науч.-практ. конф./ М. В. Ядрова, Е. Д. Поперека, В. Л. Костенко // Соврем. информ. и электрон. технологии (СИЭТ-2014). - Оде^а: ОНПУ, 2014. - C. 80-81.
18. Костенко, В. Моделирование измерительного канала компьютерного фотоплетизмографа [Текст] / В. Л. Костенко, М. В. Ядрова, A. A. Николенко, С. О. Жаровцев // Електротехн. та комп’ют. системи. - 2011. - № 04 (80). - C. 205-208.
19. Гігієнічна класифікація праці за показниками шкідливості та небезпечності факторів виробничого середовища, важкості та напруженості трудового процессу приміщень: ГН 3.3.5-8-6.6.1 2002 [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://document.ua/gigienichna-klasifikacija-praci-za-pokaznikami-shkidlivosti--nor4882.html. - 14.04.2014. - Загл. с экрана.
З
