CC BY
111
6. P. Oliveira, F. Rodrigues, P. Henriques, H. Galhardas. A Taxonomy of Data Quality Problems // In Proceedings of the 2nd International Workshop on Data and Information Quality (em conjunto com a conferência CAiSE'05), Porto, Portugal, Junho de 2005. - P. 219-233
7. J. Hipp, U. Guntzer, U. Grimmer. Data Quality Mining -Making a Virtue of Necessity // In Proc. of the 6th ACM SIGMOD Workshop on Research Issues in Data Mining and Knowledge Discovery (DMKD 2001), Santa Barbara, California, 2001. - P. 52-57.
8. Дейт, К., Дж. Введение в системы баз данных, 7-е издание. -М.: Издательский дом «Вильямс», 2001. -1072 с.
9. Уэно X., Исидзука M. Представление и использование знаний - М.: Мир, 1989. - 220 с.
10. Сироджа И. Б. Математическое и программное обеспечение интеллектуальных и компьютерных систем. -X.: Харьковский авиационный институт, 1992. - 101 с.
11. Agrawal R., Imielinski T., Swami A. Mining. Association rules between Sets of Items in Large Databases // Proceedings of ACM SIGMOD International Conference on Management of Data, Washington D. C. - 1993. - P. 207-216.
12. КуликА. С. Сигнально-параметрическое диагностирование систем управления. - X.: Гос. аэрокосм. ун-т «ХАИ». Бизнес Информ, 2000. - 260 с.
13. Чухрай А. Г. Методы и средства повышения качества данных в автоматизированных системах организационного управления: Дис...канд. техн. наук: 05.13.06. -X., 2004. - 173 с.
14. Graham A. Stephen String searching algorithms. - World scientific Publishing Co, 1994. - 243 p.
Надшшла 25.04.06 Шсля доробки 31.07.06
Представлено nidxid до д1агностування даних корпоративных тформацшних систем на основi природноЧ надмiрностi, що базуеться на концепцИ дiагностичних моделей. Послiдовно вирiшено задачi виявлення помилки, пошуку помилкових кортежiв, помилкових атрибутiв та визначення виду помилки. Приведено ощнки обчислю-вальноЧ складностi вирШення кожноЧ задачi.
Approach to data diagnosis in enterprise information systems based on diagnostic models conception is presented. Systematic solution of error detection, erroneous tuples and attributes search, and kind of error determination tasks is proposed. Estimations of computational complexity of every diagnostic task are also presented.
УДК 681.3.013
А. И. Рязанцев, В. С. Кардашук
СИСТЕМА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ
СРЕДЫ
Предлагается архитектура и структура системы экологического мониторинга окружающей среды с использованием современных средств измерительной и вычислительной техники. Приведены функции, структура системы, ее состав, технические характеристики.
ВВЕДЕНИЕ
Рост промышленного производства, ввод в эксплуатацию новых предприятий неизбежно влечет за собой решение вопросов связаных с загрязнением окружающей среды. Особенно это актуально для регионов где сосредоточены предприятия нефтегазовой, химической, металлургической промышленности.
В настоящее время вопросы экологической безопасности, загрязнения окружающей среды приобрели особую актуальность в связи с возросшими требованиями как государственных так и международных экологических организаций.
Международные стандарты, распространяющиеся на управление окружающей средой, предназначены для обеспечения предприятий и организаций элементами эффективной системы управления окружающей средой, которые могут быть объединены с другими элементами административного управления с тем, чтобы со© Рязанцев А. И., Кардашук В. С., 2006
действовать в деле достижения экологических и экономических целей [1]. Мониторинг - это наблюдение за состоянием окружающей среды (атмосферы, гидросферы, почвенно-растительного покрова, а также техногенных систем) с целью ее контроля, прогноза и охраны (рис. 1).
Рисунок 1 - Модель системы управления окружающей средой согласно стандарту ISO-14001:2004
Мониторинг состояния воздуха ранее производился в ручном режиме, но с развитием микроэлектроники, вычислительной и измерительной техники все активнее используются современные средства, построенные на базе современных контроллеров и персональных компьютеров.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Для контроля состояния воздуха необходимо определить перечень вредных веществ, которые могут присутствовать в атмосфере данного региона, населенного пункта для выбора оптимального решения построения системы мониторинга, т. к. стоимость системы может составлять от десятка до сотен тысяч долларов.
Применительно к Луганскому региону, где сосредоточены флагманы нефтяной и химической промышленности в воздухе могут присутствовать С12, СО2, SO2, ЫНз, N02, СО2 и ряд других вредных для здоровья человека в большой концентрации химических веществ и соединений. Основная задача системы мониторинга -контроль за состоянием окружающего воздуха в пределах допустимых величин концентрации вышеперечисленных химических соединений. В основу концепции экологического мониторинга положен интегрированный подход, что означает создание систем выполняющих весь комплекс необходимых операций, включая:
- первичные измерения;
- сбор, передачу, накопление и обработку измерительных данных;
- анализ экологической ситуации;
Информационно-измерительная
Абонент 1
Сеть передачи данных Центр мониторинга А
Абонент N
Рисунок 2 - Архитектура системы экологического мониторинга
Моде м
Радио-Ethernet
Рисунок 3 - Структурная схема измерительной части
- поддержку принятия решений по управлению экологической обстановкой;
- распределение результатов мониторинга между пользователями.
Следует отметить, что разрабатываемая система несет в себе только измерительно-информационные функции за состоянием атмосферы. С появлением новых технических средств и технологий построение систем экологического мониторинга значительно упрощается. Исчезают дополнительные преобразователи с интерфейса на интерфейс, расширяется номенклатура модулей УСО перекрывающая потребности заказчиков и т. д., улучшается достоверность и качество передаваемой информации на значительные расстояния за счет использования современных средств передачи данных. Что касается измерительных приборов, то большинство из них в настоящее время имеют в своем составе аналоговые выходы 4...20 тА (0...5 шЛ) и интерфейс RS-232, а некоторые фирмы включают в состав прибора интерфейс RS-485 или цифровой выход для подключения непосредственно к контроллерам напрямую, исключая дополнительные устройства.
АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ
Архитектура системы экологического мониторинга представлена на рис. 2.
Информационно-измерительная часть представляет собой набор датчиков, газоанализатора и контроллера для съема информации о состоянии воздуха в контролируемой точке [2]. Информационно-измерительная сеть, объединяющая точки контроля, может быть сосредоточена в пределах одной территории (предприятие, завод и т. д.), так и распределена на значительном удалении друг от друга (город, район и т. д.).
Сеть передачи данных обеспечивает передачу измерительной информации в центр мониторинга для дальнейшей обработки результатов измерений. Сеть передачи данных может быть построена как с использованием проводных, так и беспроводных устройств связи.
Центр мониторинга представляет собой объединенные в локальную сеть Ethernet компьютеры, выполняющие функции приема, обработки, отображения, накопления и распределения полученной информации среди абонентов, решающих вопросы контроля экологической обстановки в реальном масштабе времени. На основе центра мониторинга может быть создан Web-узел для пользователей сети Internet.
СТРУКТУРА СИСТЕМЫ
Измерительная часть (рис. 3) включает в себя набор датчиков и газоанализатора, подключенных к контроллеру для ввод а аналоговых сигналов 4...20 mA
часть
(0...5 mA). Если измерительный прибор не имеет в своем составе аналогового выхода, то он при наличии порта RS-232 подключается к последовательному порту контроллера. Следует отметить, что двух последовательных портов контроллера при большом количестве газоанализаторов или измерительных приборов недостаточно. В этом случае необходимо использовать многоканальные блоки ввода-вывода, имеющие в своем составе буферы FIFO. Количество многоканальных блоков ввода-вывода зависит от числа газоанализаторов или измерительных приборов. Многоканальные блоки позволяют сократить время приема информации от газоанализаторов за счет уменьшения количества прерываний центрального процессора и буфера FIFO. Основу таких мнопортовых блоков ввода-вывода составляют универсальные асинхронные приемники-передатчики фирмы Texas Instruments.
Исследование функциональных характеристик контроллеров (Уникон [3], MicroPC, Advantech) показали, что по соотношения цена/функциональность предпочтительно использовать в данной системе Web-сервер WEBLINK-2040 фирмы Advantech.
Web-сервер включает в себя:
- процессор Intel 80486 - 66 МГц;
- контроллер VGA;
- Compact Flash;
- 12 (6+6) каналов дискретного ввода-вывода;
- 3 последовательных порта: 2 - RS-232, 1- RS-485;
- порты: 1 - IDE, 1 - FDD, 1 - LPT;
- предустановленную ОС Windows CE и программное обеспечение Scada-сервера Advantech Studio.
Подключение датчиков и измерительных приборов с аналоговым выходом 4...20 mA к Web-серверу WEB-LINK-2040 осуществляется через модули ADAM-4000 фирмы Advantech. Такой вариант значительно расширяет диапазон подключаемых приборов и датчиков (температура, влажность, направление и скорость ветра и т. д.).
Модули серии ADAM-4000 представляют собой распределенные компактные интеллектуальные устройства обработки сигналов датчиков разработанные для применения в промышленности. Наличие встроенных микропроцессоров позволяет им осуществлять нормализацию сигналов, операции аналогового и дискретного ввода-вывода и их передачу по интерфейсу RS-485. Все модули серии ADAM-4000 имеют гальваническую развязку по цепям питания и интерфейса RS-485, программную установку параметров, командный протокол ASCII и сторожевой таймер. Диапазон рабочих температур модулей серии ADAM-4000 от -10 до +70 °С. Структурная схема измерительной системы приведена на рис. 3. Длина линии связи при подключении 32 абонентов по интерфейсу RS-485 может составлять до 1,2 км, скорость передачи в этом случае составляет 93,75 кбит/с, а с использованием повторителей рас-
стояние передачи данных составляет 4,8 км при скорости передачи 93,75 кбит/с.
От датчиков или измерительных приборов токовые сигналы 4.20 mA (0.5 mA) поступают на модули серии ADAM-4000. Модули монтируются на крепежную рейку и объединяются в локальную сеть по интерфейсу RS-485. В зависимости от их количества выбирается источник питания. Питание модулей осуществляется нестабилизированным источником питания 10.30 В постоянного тока. Объединенные в локальную сеть модули серии ADAM-4000 подключаются по двухпроводной витой паре к порту RS-485 Web-сер-вера WEBLINK-2040. На концах линии связи интерфейса RS-485 устанавливаются нагрузочные резисторы номиналом 120 Ом для согласования линии связи и исключения отражения сигналов.
Дальнейшим развитием использования современных средств изменения в измерительных системах является использование «интеллектуальных» измерительных приборов, предназначенных для преобразования текущих концентраций газа в выходной сигнал 4.20 mA, в цифровой сигнал, передаваемый по интерфейсу RS-485 [3, 4].
Передача информации в центр мониторинга может осуществляться как по телефонным каналам связи (выделенным или коммутируемым) через модемы по интерфейсу RS-232, так и по локальной сети Ethernet со скорость передачи 100 Мбит/с (при передаче на небольшие расстояния). Здесь необходимо учитывать, что максимальное расстояние при таком способе передачи без дополнительного оборудования (усилители, коммутаторы) не превышает 100 м.
При передаче на значительные расстояния в качестве альтернативного способа передачи информации по радиоканалам может быть использован радио-Ether-net (устройство, подключаемое к порту контроллера Ethernet и осуществляющее беспроводную передачу информации на расстояние до 10 км).
Подсистема связи с центром мониторинга может быть реализована по радиоканалу с помощью радиостанции М-120 фирмы Motorola и контроллера пакетной радиосвязи КРС-3 фирмы Kontronics, используя УКВ-диапазон 144-174 МГц, что обеспечивает устойчивую передачу данных на расстояние до 40 км. Обмен между центром мониторинга и удаленными измерительными комплексами ведется на одной частоте по протоколу АХ.25. Контроллер пакетной радиосвязи подключается к последовательному порту RS-232.
Спутниковый Интернет и GPRS (General Packet Radio Service) - современные беспроводные технологии связи позволяют создать скоростной канал доступа в центр мониторинга и одновременно решить проблему подключения удаленных абонентов. Основным преимуществом GPRS является мобильность. Данный сервис обеспечивает реальную пропускную способность свыше
Рисунок 4 - Структурная схема центра мониторинга
48 кбит/с - это примерно те же скорости, что и в случае хороших наземных соединениях через модем. Подключение осуществляется через порт RS-232.
В последнее время широко используются, так называемые, «домашние сети» (Home Lan), к которым подключаются абоненты через контроллеры Ethernet, находящиеся на значительном удалении друг от друга. Используя IP-адресацию, протокол TCP/IP и прикладное программное обеспечение абоненты получают доступ практически к любому сетевому ресурсу такой системы, в том числе и к Web-серверу WEBLINK-2040 напрямую.
Информационные функции центра мониторинга (рис. 4) обеспечиваются следующими подсистемами:
- сбора и первичной обработки информации о концентрациях вредных веществ в контролируемых точках;
- отображение информации;
- регистрации истории изменения концентрации вредных веществ в контролируемых точках.
Подсистема сбора и первичной обработки производит непрерывный циклический опрос во всех точках измерения и фиксирует текущее состояние загазованности.
Одновременно такую же информацию о состоянии конкретного узла измерения можно получить, подключив средство отображения (монитор, технологический пульт) к VGA-контроллеру Web-сервера WEB-LINK-2040 непосредственно в точке контроля.
В качестве центрального узла системы используется персональный компьютер (ПК) или рабочая станция (РС) с выше перечисленными функциями. Выбор ПК (РС) зависит от выбора операционной системы (ОС) и количества выполняемых задач под управлением ОС. Следует отметить, что мощности современных ПК
вполне хватает для реализации поставленной задачи. Здесь основное внимание при выборе следует обратить на объем оперативной памяти (ОЗУ), т. к. при недостаточном объеме ОЗУ и увеличении количества задач выполняемых в системе увеличивается нагрузка на дисковую подсистему ПК, что в конечном итоге сказывается на производительности. Для увеличения пропускной способности запросов к дисковой подсистеме следует использовать ПК, имеющие в своем составе 8ЛТЛ-контроллер, как наиболее дешевая альтернатива дорогим 8С81-контроллерам.
Обычно в составе ПК имеется два последовательных СОМ-порта. Если рассматривать использование такого компьютера в офисном варианте, то такого количества СОМ-портов вполне достаточно, но если же на базе ПК организован коммуникационный сервер для подключения удаленных абонентов, то такого количества СОМ-портов явно недостаточно.
Наиболее простым способом решения проблемы увеличения СОМ-портов является использование многопортовых коммуникационных контроллеров (МКК). Количество портов с применением только одного такого МКК может возрасти до 8. МКК могут комплектоваться различными интерфейсами И8-232, И8-422, 485. Выбор интерфейса осуществляется переключение соответствующих перемычек на плате МКК (по умолчанию установлен интерфейс И8-232).
Если компьютер занимается обслуживанием сетевого обмена и количество требуемых портов невелико (4-8 портов), то здесь можно применить многопортовый коммуникационный контроллер РС1-1610А/ 1610В/1620А/1620В фирмы Л^а^есЬ со следующими характеристиками:
- 4 порта RS-232 (8 портов для PCI-1610A) поддержка технологии plug-and-play;
- коммуникационная микросхема 16PCI954 - UART с буфером FIFO на 128 байт;
- скорость передачи до 921 кбит/с;
- защита от импульсных помех до 3000 В (1610В/ 1620В);
- программная поддержка в среде Windows.
Если же компьютер недостаточно производителен или на него возложены еще функции по защите intra-net-сети от внешнего вмешательства, то в таком варианте лучше всего использовать интеллектуальную коммуникационную плату, которая сможет производить подготовку данных в соответствующем формате для обмена по системной шине. Примером такой интеллектуальной коммуникационной плат может служить PCI-контроллер фирмы Advantech PCL-747+/ PCI-1630A со следующими характеристиками:
- от 8 до 32 портов RS-232/422;
- встроенный RISC-процессор TMS320C52;
- скорость обмена до 460 кбит/с;
- программная поддержка в среде Windows.
Наряду с фирмой Advantech аналогичные многопортовые коммуникационные контроллеры выпускают фирмы Cyclades, Digi, Moxa.
Вспомогательные функции центра мониторинга обеспечивают подготовку системы к работе, настройку мнемосхем, начальный запуск и перезапуск системы в нештатных ситуациях.
Подсистема отображения и связи с абонентами обеспечивает вызов мнемосхемы на экран ПК (РС), отображение на мнемосхемах текущих значений измерений, выдачу сообщений о превышениях предельно-допустимых концентраций (ПДК) в воздухе.
С помощью средств системы накопления истории процесса измерений можно отследить показания приборов за любой промежуток времени (прошедшие сутки, неделю, месяц).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Научная ценность и новизна предложенной структуры состоит в том, что для ее построения использованы последние достижения измерительной, вычислительной
техники и средств коммуникаций. Система открыта для расширения и позволяет включать в свой состав дополнительные модули в зависимости от решаемых задач. Она может быть дополнена не только информационно-измерительными, но и управляющими функциями.
Практическая польза от предложенной структуры состоит в том, что она позволяет создавать гибкую систему мониторинга окружающей среды с минимальным набором технических средств.
Дальнейшие исследования в этой области продолжаются по следующим направлениям:
- исследование сети передачи данных на базе интерфейса RS-485;
- разработка программ обслуживания измерительных датчиков и газоанализаторного прибора;
- разработка программы связи центра мониторинга и измерительной части;
- разработка загрузочного модуля контроллера и программного обеспечения для связи абонентов.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. ГОСТ Р ИСО 14001-98. Системы управления окружающей средой. Требования и руководство по применению; Введ. 21.10.98. - М., 1998. - С. 5.
2. Колтыгин С. И,. Петрулевич А. А. Автоматизированные системы экологического контроля: интегрированный подход // Современные технологии автоматизации. -1997. - № 1. - С. 28-32.
3. Якимчук П. С, Пономаренко В. А. Автоматизированная система экологического контроля производственных помещений // Экологические системы и приборы. -2001. - № 3. - С. 3-7.
4. Болдурин Б. А., Михайлов А. А. Газоаналитическая система СКВА-01 для контроля газовоздушной среды во взрывоопасных зонах класса 1 // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2004. - № 4. - С. 47-49.
Надшшла 21.12.05 Шсля доробки 10.05.06
Пропонуеться apximeumypa i структура системи еко-ло?лчного мотторингу навколишнього середовища з вико-ристанням сучасних зaсобiв вимipювaльноï i обчислю-вальноЧ техтки. Приведет фyнкцiï, структура системи, ïï склад, mеxнiчнi характеристики.
It is proposed architecture and structure ecological monitoring system of environment with using of modern means of measuring and computer engineering techniques. Functions, system structure, its composition, technique characteristics were adduced in this work.
