CC BY
18УДК 614.838.14 DOI 10.25257/^.2017.4.18-22
Романюк Е. В., Заславский Е. Л., Фёдоров А. В., Каргашилов Д. В.
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕМ ПОЖАРОВ В АСПИРАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ С РАЗЛИЧНЫМ ТИПОМ ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ
В статье представлена разработанная авторами система мониторинга пожаробезопасной работы систем аспирации, оснащённых пылеуловителем. В основу работы системы мониторинга положен контроль общего перепада давлений на фильтровальных перегородках, отслеживание динамики которого является необходимым для эффективной работы пылеулавливающих перегородок и который одновременно выступает для определения начала пожароопасной работы системы аспирации. Для реализации работы предложены также оригинальный блок согласования интерфейсов и компьютерная программа.
Ключевые слова: аспирационная система, пылеуловитель, мониторинг, фильтры, взрывобезопасность.
Технологические операции дробления и измельчения, напыления, окраски, перемешивания и дозирования, транспортировка, сушка используются практически во всех отраслях промышленности и характеризуются образованием и обращением большого количества пыли. Очевидно, что пыль наносит огромный вред здоровью человека [1] и окружающей среде, способна приводить к коррозии и выходу из строя оборудования и материалов, но, пожалуй, самой негативной характеристикой пыли целого спектра веществ является способность взрываться в состоянии аэровзвеси и гореть в состоянии аэрогеля. Горючими свойствами обладают практически все пыли органического происхождения, что делает взрывопожароопасными пищевое и химическое, фармацевтическое, деревообрабатывающие производства. Алюминий, цирконий, магний, титан, марганец, олово, находясь в виде пыли во взвешенном состоянии, прекрасно горят. Горные выработки угля отличаются высокой взрывопожарной опасностью из-за взрывов метана и угольной пыли. Одним из главных требований с точки зрения пожарной безопасности к предприятиям, где образуются и обращаются горючие пыли, является обустройство и грамотная эксплуатация системы аспирации и правильный подбор пылеуловителя. Являясь, с одной стороны, средством снижения уровня пожарной опасности производственных помещений и оборудования, аспирационная система, с другой стороны, представляет собой потенциальный источник этой опасности, так как именно в ней создаются условия для быстрого достижения нижнего концентрационного предела воспламенения пыли. Однако более безопасной альтернативы системам аспирации нет, поэтому всё ещё целесообразно продолжать разработку таких рабочих узлов и па-
раметров их работы, которые позволили бы снизить уровень опасности.
Пылеуловитель, в качестве которого может выступать циклон, осадительная камера, скруббер, фильтр, электрофильтр, - один из ключевых элементов системы аспирации [2, 3, 4]. В отличие от циклонов в фильтрах пыль осаждается и частично связывается за счёт седиментации, коагуляции, а также глубинному фильтрованию, связанному с попаданием пыли в структуру фильтра и застреванием, поэтому фильтры можно назвать самыми взрывобезопасными сухими пылеуловителями. Для обеспечения взрывопожарной опасности необходимо обеспечить эффективный режим фильтрования и регенерации, который будет зависеть от свойств пылегазового потока [2, 5, 9]. Для предупреждения возникновения взрыво- и пожароопасных ситуаций в системах аспирации необходима эффективная система мониторинга работы пылеуловителей.
Для предупреждения пожаров на производстве важно соблюдать правильный технологический режим работы оборудования, контроль за которым осуществляется посредством использования производственной автоматики. В основу создания системы мониторинга была положена кинетика ключевой характеристики работы любого фильтра - перепада давлений на фильтре [3, 5, 10]. Контролируя технологический режим, возможно обеспечить безопасность системы аспирации и всего производственного процесса в целом, определить не аварийные режимы работы, а преда-варийные, что гораздо более эффективно.
Разработанная система включает в себя датчики абсолютного давления 415-ДИВ, блок согласования интерфейсов ШВ-иАЯТ с гальванической развязкой, ЭВМ и программный комплекс,
позволяющий обрабатывать и выводить на экран данные, поступающие с датчиков давления и температуры [6, 7, 8].
Используемые в системе датчики давления имеют цифровой интерфейс, отсутствующий в персональных компьютерах (ПК): логически интерфейс совпадает с RS-232, но уровни напряжения на интерфейсных линиях не соответствуют этому стандарту, поэтому для подключения датчиков был разработан специальный адаптер.
Помимо согласования уровней, данный адаптер выполняет ещё две важные функции: обеспечивает датчики напряжением питания и обеспечивает гальваническую изоляцию датчиков и ПК. Компьютерная программа, используемая в системе, предназначена для считывания информации через адаптер последовательного порта ПК с цифровых датчиков давления, поддерживающих протокол обмена ModBus RTU. Программа может применяться для локальных систем мониторинга физических величин и сохранения их значений для дальнейшей обработки.
Главное окно программы представлено на рисунке 1. Программа обеспечивает выполнение следующих функций [8]:
- чтение текущих показаний двух измерительных каналов с датчиков, поддерживающих протокол обмена ModBus RTU;
- протоколирование получаемых данных с последующим их сохранением в формате CSV;
- расчёт разности значений между показаниями любых двух подключенных датчиков;
- визуализацию полученных и расчётных величин в виде графиков с возможностью их сохранения в графическом файле [7].
Работа системы была протестирована в производственных условиях (Воронежский вагоноремонтный завод имени Э. Тельмана) на модульной фильтровальной установке и в лабораторных условиях при работе экспериментальных установок, моделирующих работу различных пылеулови-
Рисунок 1. Главное окно программы [8]
телей [6, 9]. Система показала свою эффективность как в лабораторных, так и в производственных условиях.
Гарантией бесперебойного и эффективного функционирования пылеулавливающих аппаратов на производстве является постоянное получение достоверных данных о динамике перепада давлений на фильтровальной перегородке. Непрерывно такими данными может обеспечивать представленная система, а при использовании беспроводной связи или интернета получение данных может быть гарантировано с нескольких удаленных объектов. На рисунке 2 представлена схема системы мониторинга в производственных условиях.
Принцип работы системы мониторинга. Пылега-зовый поток в фильтровальную установку попадает по трубе, минуя открытые клапаны, проходит через установку и через открытый клапан выходит в атмосферу. Перепады давления измеряли при помощи вакуумметров.
Аналоговый электрический сигнал от вакуумметра поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). После преобразования в цифровую форму значение измеряемого параметра хранится в ОЗУ. Это необходимо для того, чтобы исключить потери при неустойчивой работе системы передачи данных и реализации первичного анализа возникновения нештатных ситуаций и сбоев. Микроконтроллер посредством шин управления и шин данных управляет процессом преобразования, накопления, обработки и передачи информации.
По мере накопления значения измеренных параметров из запоминающего устройства через интерфейс Я8-232 и далее через модем по линии связи передаются в базу данных для последующего хранения, проведения анализа и обработки на ПК. Отсюда данные в любой момент могут быть затребованы пользователем системы управления базой данных, которая предоставляет мощные средства для обработки хранящейся информации. Кроме того, оператор при подаче сигнала с ПК на электромагнитные клапаны может осуществлять перевод колонны в режим регенерации, для этого электромагнитные клапаны закрываются, а клапаны регенерации открываются. Также на телеметрический модуль могут передаваться параметры с других объектов телеметрии, что позволяет осуществлять их мониторинг на значительном расстоянии [6, 7].
Были проведены экспериментальные исследования при фильтровании пылегазовых потоков, содержащих алюминиевую пыль (начальная концентрация Iн = 7,149-10-3 кг/м3; средний медианный диаметр пыли с150 = 8 мкм, 5 = 2,3, ^ ст = 0,34). Полученные с помощью системы мониторинга экспериментальные данные представлены в виде графических зависимостей на рисунке 3 [6]. Перепад давлений становится постоянным в точке 1
Рисунок 2. Система мониторинга пылеулавливающего оборудования [6]:
1, 1а - электромагнитные клапаны (а - клапаны регенерации); 2 - вакуумметры; 3 - экспериментальная фильтровальная установка; 4 - шина данных (ШД); 5 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); 6 - телеметрический шкаф; 7 - интерфейс RS-232; 8 - удалённые объекты телеметрии; 9 - ЭВМ (ПК); 10 - модем (интернет или GPRS-связь); 11 - микроконтроллер; 12 - шина управлений (ШУ); 13 - преобразователь аналого-цифрового преобразователя (АЦП)
8
(рис. 3, а) - считается, что это точка начала наиболее эффективного режима фильтрования. Точка 2 (рис. 3, а) - начало значения общего перепада давления. И этот момент очень важно определить вовремя, так как вслед за ним резко возрастает давление - на рисунке 3, б этому соответствует зелёная кривая, показывающая, что значения в конкретном случае достигли значения давления на датчике, установленном после фильтра. Точка 4 (рис. 3, а) соответствует тому моменту, когда происходит полная закупорка пор фильтра и прекращается его работа. Для предотвращения развития пожаро-
опасной ситуации система должна подать сигнал в точке 3 (рис. 3, а) для закрытия, например, шиберов или обратных клапанов, которые будут препятствовать выходу взвешенной пыли в рабочее помещение.
Важен промежуток времени, после которого наступает опасный период, - 445 с (точка 4, рис. 3, а). Если по какой-то причине система не будет переключена на регенерацию через 400 с после начала фильтрования, то спустя 45 с технологический процесс, связанный с выделением пыли, будет представлять реальную пожарную опасность.
-200
-400
-600 -700 -800
__1 2 о
100 150
Время, с
200 0
го
^ -200 е
| -400 I -600 Ч
-1 000
\
\__
\
1
200 400 =400
200 Время, с
300
400
а б
Рисунок 3. Оценка работы фильтра с помощью графических зависимостей, полученных системой мониторинга [6]:
разница между показаниями
а - зависимости показаний датчиков до и после фильтра от времени (-dP(1
первого и второго датчика); б - зависимость общего перепада давлений от времени (-датчик 1;
- датчик 2)
0
0
50
0
С точки зрения обеспечения пожарной опасности, представленная программа подаёт сигнал на блокировку системы аспирации, что может заблокировать технологический процесс.
Известно, что пылевые взрывы имеют цепной характер: воспламенение в одном пылеуло-
вителе может привести к полному разрушению производственного здания, поэтому важно, чтобы система автоматического контроля аспирации работала как единое целое для предприятия, что становится возможным при её реализации описанным способом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Куролап С. А, Мамчик Н. П., Клепиков О. В. Медико-экологический атлас Воронежской области. Монография. -Воронеж: Истоки, 2010. - 167 с.
2. Остриков А. Н., Абрамов О. В., Калашников Г. В., Вер-тяков Ф. Н. Расчёт и конструирование машин и аппаратов пищевых производств. Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Российская ассоциация пролетарских писателей, 2009. - 408 с.
3. Воздушные фильтры, пылеуловители, фильтры для вентиляции [Электронный ресурс] // NPP Folter Ltd [сайт]. - Режим доступа: www.folter.ru (Дата обращения 09.11.2017 г.).
4. Полосин И. И. Охрана атмосферы от выбросов промышленной вентиляции и котельных. Учебное пособие. - Воронеж: Воронежский государственный архитектурно-строительный институт, 2007. - 192 с.
5. Романюк Е. В., Пигловский Н. В., Красовицкий Ю. В., Каргашилов Д. В. Совершенствование систем аспирации с использованием комбинированных фильтровальных структур. Монография. - Воронеж: Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2015. - 201 с.
6. Романюк Е. В., Каргашилов Д. В., Шуткин А. Н. Разработка и апробация системы мониторинга пожароопасных ситуаций при работе пылеулавливающих систем // Материалы XXVII
Международной научно-практической конференции, посвящён-ной 25-летию МЧС России «Актуальные проблемы пожарной безопасности». В 3 ч. Ч. 1. - М.: ФГБУ ВНИИПО МЧС, 2015. -С. 424-431.
7. Усов А. В., Романюк Е. В., Каргашилов Д. В. Контроль работы пылеулавливающих устройств для очистки производственных выбросов // Сборник международной интернет-конференции «Машины и аппараты XXI века. Химия. Нефтехимия. Биотехнология» / под общ. ред. проф. С. Ю. Панова. -Воронеж: Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2014. - С. 190-191.
8. Романюк Е. В. Программа считывания данных с цифровых датчиков давления. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014610856, 2014.
9. Романюк Е. В., Каргашилов Д.В., Некрасов А. В. Циклоны высокой эффективности для очистки пылегазовых выбросов // Безопасность в техносфере. - 2014. - № 4. - С. 51-54. DOI: 10.12737/5304.
10. Krasovickij Y. V., Baltrenas P., Kolbeschkin B. G., Dobrosotskij V. P., Koltsov G. V. Aerodynamische Verfahren zur Erhöhung der Leistungserzeugung der Entstaubung. Monographie. -Vilnius: Technika, 2006. - 352 р.
Материал поступил в редакцию 24 мая 2017 года.
Romanyuk E., Zaslavsky E., Fedorov A., Kargashilov D.
AUTOMATED CONTROL SYSTEM FOR FIRE PREVENTION IN ASPIRATION SYSTEMS WITH A DIFFERENT TYPE OF DUST-COLLECTING EQUIPMENT
ABSTRACT
Purpose. The authors of the article study the possibility of preventing explosion and fire hazardous situations in aspiration and ventilation systems at industrial entities where combustible dust is generated and circulates. The purpose of research is developing fire safety monitoring system aimed at preventing fire and explosion hazardous situations in industrial aspiration system.
Methods. The research methods are based on using systems analysis, probability theory and mathematical statistics, expert evaluation, mathematical modelling and optimization, organizational experiment as well as economic and mathematical analysis.
Findings. The research made it possible to identify the patterns of explosion-proof operation of aspiration systems used for various types of dust filters; to offer monitoring system based on pressure measuring on dust partitions of dust filters and including engineering support and software; to develop
REFERENCES
1. Kurolap S.A., Mamchik N.P., Klepikov O.V. Mediko-ekologicheskii atlas Voronezhskoi oblasti [Medico-ecological atlas of the Voronezh region]. Voronezh, Istoki Publ., 2010. 167 p.
2. Ostrikov A.N., Abramov O.V., Kalashnikov G.V., Vertiakov F.N. Raschet i konstruirovanie mashin i apparatov pishchevykh proizvodstv [Calculation and design of machines and devices for food production]. St. Petersburg, Rossiiskaia assotsiatsiia proletarskikh pisatelei Publ., 2009. 408 p.
3. Air filters and dust eliminators, NPP Folter Ltd, available at: www.folter.ru (accessed November 11, 2017). (in Russ.).
4. Polosin I.I. Okhrana atmosfery ot vybrosovpromyshlennoi ventiliatsii i kotel'nykh [Protection of the atmosphere from industrial ventilation and boiler-houses]. Voronezh, Voronezhskii gosudarstvennyi arkhitekturno-stroitel'nyi institute Publ., 2007. 192 p.
5. Romaniuk E.V., Piglovskii N.V., Krasovitskii Yu.V., Kargashilov D.V. Sovershenstvovanie sistem aspiratsii s ispolzovaniem kombinirovannykh fil'troval'nykh struktur [Perfection of aspiration systems using combined filter structures]. Voronezh, Voronezhskii gosudarstvennyi universitet inzhenernykh tekhnologii Publ., 2015. 201 p.
6. Romaniuk E.V., Kargashilov D.V., Shutkin A.N. Development and approbation of a system for monitoring fire-hazardous situations during operation of dust-collecting systems. Mat-ly 27 Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., posviash. 25-letiiu MChS Rossii
and prove modular filter unit enabling to automate the selection of parameters of dust filters work.
Research application field. The results presented can be used for providing explosion and fire-proof aspiration systems operation in many branches of industry.
Conclusions. The authors of the article suggest a new approach to the development of fire prevention system at explosion and fire hazardous industrial entities on the basis of the controlling system of aspiration operating parameters and dust filters standard parameters that can prevent an emergency at a very early stage. In the future, it is planned to consider the problem of integrating this system into the industrial fire protection system.
Key words: aspiration system, dust collector, monitoring, filters, explosion safety.
"Aktual'nye problemy pozharnoi bezopasnosti". V 3 ch. Ch. 1. [Materials of the 27th Intern. sci. and pract. conf. dedicated to the 25th anniversary of the Ministry EMERCOM of Russia "Actual problems of fire safety". In 3 parts. Part 1]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia Publ., 2015, pp. 424-431. (in Russ.).
7. Usov A.V., Romaniuk E.V., Kargashilov D.V. Control of the dust collecting devices for industrial emissions cleaning. Sbornik mezhdunar. internet-konf. "Mashiny i apparaty XXI veka. Khimiia. Neftekhimiia. Biotekhnologiid' [Collection of the inter. Internet conf. "Machines and Apparatus of the 21st century. Chemistry. Petrochemistry. Biotechnology". Ed. by S.Yu. Panov]. Voronezh, Voronezhskii gosudarstvennyi universitet inzhenernykh tekhnologii Publ., 2017, pp. 190-191. (in Russ.).
8. Romaniuk E.V. Program for reading data from digital pressure sensors. Certificate of state registration of the computer program no. 2014610856. (in Russ.).
9. Romaniuk E.V., Kargashilov D.V., Nekrasov A.V. High Efficiency Cyclone Filters for Decontamination of Dust and Gas Emissions. Bezopasnost' v tekhnosfere, 2014, no. 4, pp. 51-54. DOI: 10.12737/5304. (in Russ.).
10. Krasovickij Y.V., Baltrenas P., Kolbeschkin B.G., Dobrosotskij V.P., Koltsov G.V. Aerodynamische Verfahren zur Erhöhung der Leistungserzeugung der Entstaubung. Vilnius: Technika Publ., 2006. 352 p.
Elena Romanyuk
EvGENi Zaslavsky Andrey Fedorov
DMiTRi KARGASHiLOV
Doctor of Philosophy in Engineering Sciences
Voronezh Institute of the State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Voronezh, Russia
Doctor of Philosophy in Engineering Sciences KWSystems Ltd., Voronezh, Russia
Grand Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia Doctor of Philosophy in Engineering Sciences
Voronezh Institute of the State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Voronezh, Russia
