Potenţialul utilizării instrumentaţiei virtuale în monitorizarea proceselor de mediu

1. LABORATORUL SISTEME DE MONITORIZARE A MEDIULUI Potenţialul utilizării instrumentaţiei virtuale în monitorizarea proceselor de mediu Ş.L. Dunea Adrian Ş.L. Dunea Daniel dunea@valahia.ro

2. INTRODUCERE • Monitorizarea integrată a mediului înconjurător este esenţială în evaluarea evoluţiei resurselor naturale, iar instrumentele de achiziţie, procesare şi modelare a parametrilor de mediu sunt folosite pentru a extinde rezultatele monitorizării în timp şi spaţiu. • Situaţia acestor resurse (apă, aer, sol, plante, animale etc.) trebuie cuantificată, precum şi schimbările care afectează echilibrul lor ecologic şi cauzele care produc aceste schimbări. • În momentul actual există soluţii moderne de instrumentaţie integrate în cadrul teledetecţiei, sistemelor informaţionale geografice (GIS), analizelor complexe de laborator, măsurătorilor in-situ şi prin telemetrie, care combinate cu metodele de simulare şi modelare informatizată, permit furnizarea unor răspunsuri holistice în vederea abordării problemelor de mediu. • probleme de mediu = emisii de gaze cu efect de seră, emisii de substanţe acidifiante, emisii de precursori de ozon, poluarea apelor, generarea de deşeuri urbane, consumul de teren prin dezvoltare etc.

3. INTRODUCERE • Soluţiile automatizate de instrumentaţie din domeniul protecţiei şi supravegherii mediului furnizează on-line cantităţi substanţiale de parametri care solicită abilitatea specialiştilor de a le procesa, stoca şi sintetiza în perspectiva extragerii unor indicatori de mediu concişi şi obiectivi. • În acest context, LabVIEW şi funcţiile de analiză integrată pe care le furnizează, crează un mediu adecvat de dezvoltare a aplicaţiilor grafice GUI utilizabile cu succes în supravegherea proceselor de energie - mediu prin posibilităţile de prelucrare automată a datelor achiziţionate. • LabVIEW facilitează conectarea plăcilor de achiziţie DAQ plug-in şi a dispozitivelor digitale autonome în vederea colectării datelor. • LabVIEW reprezintă un instrument utilizabil cu succes în perspectiva analizei, planificării, implementării şi controluluiaplicaţiilor dezvoltate în domeniul protecţiei mediului înconjurător.

4. Obiective Scopul general: Prezentarea unor soluţii optime în eficientizarea instrumentaţiei de analiză şi supraveghere responsabile de monitorizarea proceselor de energie – mediu prin intermediul aplicaţiilor dezvoltate în mediul LabVIEW. Obiective specifice: Proiectarea şi testarea unor interfeţe GUI specializate, precum şi la augmentarea structurii hardware pentru următoarele tipuri de monitorizări: • supravegherea microclimatului din covorul vegetal al culturilor agricole; • monitorizarea şi controlul procesului de irigaţie; • calitatea aerului; • monitorizarea şi optimizarea instalaţiilor fotovoltaice.

5. Material şi Metodă Arhitectura hardware • Sistemul de monitorizare utilizat cu precădere în cadrul aplicaţiilor de energie-mediu analizate s-a bazat pe sistemul de dezvoltare IMC 500, realizat cu microprocesor 80C552. • Utilizarea tehnologiei CMOS îl recomandă pentru aplicaţiile care necesită un consum redus de energie şi care necesită imunitate ridicată la perturbaţii. • Flexibilitatea şi posibilităţile oferite de acest sistem de dezvoltare a permis realizarea mai multor tipuri de sisteme de monitorizare a mediului, interfaţabile cu instrumentaţia virtuală: • XPM Data Logger – sistem de monitorizare a parametrilor meteorologici; • XPU Data Logger – sistem de monitorizare a stării de vegetaţie; • XPV Data Logger – sistem de monitorizare a parametrilor unui sistem fotovoltaic.

6. Material şi Metodă Arhitectura software • cuprinde două module program: - programul de la nivelul PC Au fost dezvoltate instrumente virtuale în mediul LabVIEW 5.1 care realizează recepţia, prelucrarea, afişarea într-un format sugestiv şi stocarea datelor achiziţionate de logger la calculatorul central, precum şi comanda instalaţiei sau a procesului monitorizat. • programul de la nivelul microcontrolerului; Modulul de interfaţă a realizat citirea directă a valorilor parametrilor monitorizaţi de către sistemul de achiziţii date Programul de comunicaţie determină o gestiune la nivel coborât a interfeţei seriale. Modul de funcţionare s-a exercitat prin întreruperi hardware şi software. La trimiterea unui mesaj s-a generat o întrerupere software de emisie a mesajului octet cu octet.

7. REZULTATE - Aplicaţia nr. 1 Data logger pentru monitorizarea microclimatului din covorul vegetal al plantelor de cultură. Estimează producţia în timp util cu resurse optime de umiditate, permiţându-se luarea unor decizii agrotehnice şi identificarea unor posibile corelaţii şi regresii semnificative statistic între acumularea de biomasă sau randamentul proceselor calitative de creştere a componentelor de producţie şi dinamica variabilelor de microclimat. Senzori adecvaţi – Au fost selectaţi pentru a furniza: mărimile de intrare în algoritmul de calcul al ETP: evoluţia dinamicii umidităţii solului • Data logger XPU 30-8 - La nivelul microcontrolerului a fost conceput un executiv de timp real care asigură lansarea în execuţie a task-ului de achiziţie de date la un interval de timp presetat (rata de eşantionare).

8. Aplicaţia nr. 1

9. Aplicaţia nr. 2 Sistem autonom pentru irigaţii în situri izolate • Aplicaţia software deţine capacitatea de a monitoriza şi controla regimul de irigare în sere sau în câmp, aplicând o gestiune eficientă a consumului de apă şi al momentului optim de aplicare a udărilor. • Interfaţa utilizator a fost construită cu biblioteci de obiecte în mod grafic, permiţând utilizatorului să observe evoluţia diverselor componente ale sistemului (controler de proces, rezervor de apă, reţea de irigaţie, secţiuni ale serei sau ale solei, staţie meteorologică automată, generator fotovoltaic, etc.). • Programul permite acţionarea directă a elementelor de control ale instalaţiei de irigaţie prin activarea obiectelor grafice asociate lor în interfaţa utilizator. • Schema de control permite dirijarea concomitentă a mai multor procese de irigaţie, aflate la distanţe relativ mari unele faţă de altele şi faţă de centrul de comandă.

10. Aplicaţia nr. 2

11. Aplicaţia nr. 3 Sistem automatizat de monitorizare a calităţii aerului Soluţia optimă în vederea determinării condiţiilor de calitate a aerului la nivelul sitului, atât în zonele urbane cât şi în cele rurale este utilizarea unei staţii meteorologice automate, coroborată cu un sistem pentru monitorizarea continuă a pulberilor şi gazelor din aer. Un asemenea sistem este compus din prelevatoare de gaze şi pulberi şi din analizoarele specifice pentru emisii şi imisii cu afişarea concentraţiilor de ordinul ppm. Analizele de calitate a aerului (monitorizare imisii şi emisii) vizează dioxidul de sulf (24h, 30min), dioxidul de azot (24h, 30min), hidrogenul sulfurat, monoxidul de carbon, pulberile în suspensie, pulberile sedimentabile, etc.

12. Aplicaţia nr. 3 Sistem automatizat de monitorizare a calităţii aerului

13. Aplicaţia nr. 3 Sistem automatizat de monitorizare a calităţii aerului • Instrumentul virtual asociat realizează recepţia serială a datelor provenite de la mai multe sisteme de monitorizare (sistemul de monitorizare a parametrilor meteorologici, sistemul de monitorizare a gazelor din aer şi sistemul de monitorizare a pulberilor din aer). • Sunt afişate selectiv, prin acţionarea butonului corespunzător poziţiei senzorului în sistemul de monitorizare respectiv, valoarea în timp real a parametrului, CMA pentru noxa monitorizată, istoricul evoluţiei valorilor acesteia sub formă grafică, precum şi evoluţia generală a valorilor noxelor monitorizate sub formă de histogramă. • Instrumentul virtual are posibilitatea avertizării acustice şi optice, pe PC-ul local şi/sau la un dispecerat local de monitorizare a mediului, în momentul depăşirii CMA pentru una sau mai multe noxe.

14. Aplicaţia nr. 3 Sistem automatizat de monitorizare a calităţii aerului (după Center for Environmental Measurement, Environmental Data Collection and Equip-ment Security, Karlsruhe, Germany 2003 - UMEG)

15. Aplicaţia nr. 4 Programul expert EnergOPTIMIZER în mediul LabVIEW Pachetul de programe EnergOptimizer a fost realizat în scopul punerii la dispoziţia utilizatorilor de instalaţii de alimentare şi conversie fotovoltaică, de mici şi medii dimensiuni, a unui instrument software care îndeplineşte automat mai multe funcţiuni: • proiectarea şi dimensionarea unui sistem fotovoltaic pentru o aplicaţie dată; • predicţia şi evaluarea performanţelor sistemului fotovoltaic; • previziunea performanţelor sistemului fotovoltaic; • monitorizarea parametrilor de funcţionare a sistemului fotovoltaic; • simularea funcţionării sistemului fotovoltaic în condiţii specifice; • transmisia datelor achiziţionate la utilizator.

16. Aplicaţia nr. 4

17. Aplicaţia nr. 4 Programul expert EnergOPTIMIZER în mediul LabVIEW • proiectarea şi evaluarea performanţelor unui sistem fotovoltaic într-o aplicaţie specifică de utilizator s-au implementat elemente de inteligenţă artificială, aplicate asupra procedeelor clasice (tabelare) de dimensionare şi proiectare ale sistemelor fotovoltaice. • simularea funcţionării şi determinarea schemei optime de utilizare a sistemului fotovoltaic în aplicaţia dată; a implicat utilizarea tehnicilor de control nuanţat (fuzzy) care descriu satisfăcător evoluţia temporală a unui sistem fotovoltaic. • monitorizarea funcţionării sistemului fotovoltaic şi creearea bazei de date necesare determinării perfomanţelor sistemului fotovoltaic pentru aplicaţia dată. utilizează facilităţile oferite de LabView 5.1 în achiziţia, transmiterea şi prelucrarea datelor.

18. Aplicaţia nr. 4

19. Aplicaţia nr. 4 Programul expert EnergOPTIMIZER în mediul LabVIEW Modulul de selectare programe • Modulul de selectare programe este rulat la lansarea pachetului de programe EnergOptimizer şi permite selectarea aplicaţiei software pe care utilizatorul o foloseşte la un moment dat. • Rularea programelor se face în ordinea existentă în lista de selectare. Rezultatele obţinute prin rularea programelor de dimensionare automată şi evaluare sunt salvate, pentru fiecare aplicaţie analizată, separat, după care pot fi listate. Simularea software a funcţionării unui sistem fotovoltaic • Caracteristica I-V a modulului fotovoltaic şi punctul curent de funcţionare al acestuia sunt reprezentate în graful respectiv oferind utilizatorului posibilitatea de a observa, în mod direct, performanţele de funcţionare ale modulului fotovoltaic. Se urmăreşte, prin stabilirea unui regim adecvat de funcţionare a sistemului, ca punctul curent de funcţionare să fie cât mai aproape de punctul maxim de transfer de putere (MPP), pe caracteristica I –V. • Astfel, utilizatorul poate stabili regimul optim de funcţionare a sistemului, pentru fiecare lună a anului, condiţionând puterea consumată pe perioada unei zile, pentru ca funcţionarea câmpului fotovoltaic să se desfăşoare la eficienţă maximă.

20. Aplicaţia nr. 4

21. CONCLUZII • Mediul de programare LabVIEW pune la dispoziţia utilizatorului şi proiectantului unor astfel de sisteme avantajele semnificative ale programării grafice, fiind accesibil unor specialişti mai puţin familiarizaţi cu programarea clasică (linii de cod) în limbaj de nivel înalt şi mai mult specializaţi pe probleme de mediu. • Funcţiile sistem puse la dispoziţie de mediul de programare LabVIEW sunt diversificate şi puternice, axate pe domenii foarte utile dezvoltării sistemelor de monitorizare a proceselor de mediu. • Astfel, funcţiile sistem de achiziţie de date şi control permit realizarea simplă a unor sisteme de monitorizare a unui proces de mediu prin utilizarea unor plăci de achiziţie dedicate (National Instruments), dar pot fi folosite la fel de simplu şi alte sisteme (de ex.: IMC500). • Controlul transmisiei de date se face prin intermediul unor funcţii specifice de comandă şi control ale porturilor calculatorului (RS-232) sau a dispozitivelor GPIB şi VXI.

22. CONCLUZII • Schimbul de date cu alte aplicaţii sau alte sisteme de calcul este facilitat de funcţiile de comunicare prin reţea sau inter-aplicaţii incluse. • În domeniul prelucrării datelor achiziţionate (evaluări statistice, elemente de algebră liniară, funcţii de calcul pentru domeniile timp şi frecvenţă, filtre numerice, etc) modulele de prelucrare avansată a datelor achiziţionate direct sau aflate deja în baze de date permit afişarea în timp real a parametrilor monitorizaţi într-un format sugestiv sau poate constitui o bază de date ce poate fi prelucrată ulterior. • Se pot dezvolta astfel, programe de simulare a proceselor de energie-mediu utile pentru determinarea evoluţiei unor factori care influenţează mediul înconjurător sau pentru determinarea posibilităţilor energetice neconvenţionale ale unui teritoriu dat.

23. Vă mulţumim! dunea@valahia.ro