Автоматизированный метеорологический комплекс

 

Филиал

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет» в г. Ростове-на-Дону

Специальность «Прикладная метеорология»

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема:

«Автоматизированный метеорологический комплекс»

Выполнил: Когутницкий А.В.

Студент 3 курса

Ростов-на-Дону, 2015 г.

Введение

Использование на метеорологической сети Росгидромета табельных средств измерений (СИ) в течение более 40 лет без глубокой модернизации позволило, с одной стороны, получить однородные, длительные ряды наблюдений, с другой, затруднить внедрение новых СИ и методов наблюдений, что провоцирует прогрессирующее отставание от метеорологических служб развитых стран.

Модернизация (техническое перевооружение) наземной метеорологической сети Росгидромета в рамках Проекта «Модернизация организаций и учреждений Росгидромета» - одна из важнейших и одновременно сложнейших задач Росгидромета в целом и его подведомственных организаций в частности. Сложность переоснащения сети обуславливается многоуровневым характером обеспечения ее функционирования, комплексностью наблюдений и многообразием метеорологических условий на территории России. Важность задачи определяется конечной целью Проекта - обеспечить повышение качества и увеличение объема информации о текущих метеорологических условиях на основе технического переоснащении наземной сети.

Проектом модернизации метеорологической сети предусматривается внедрение на абсолютном большинстве функционирующих в настоящее время пунктов наблюдений автоматизированных метеорологических комплексов (АМК) и установка автоматических метеорологических станций без персонала (АМС) в районах, где наблюдения за погодой крайне важны для обнаружения и прогнозирования опасных природных явлений (ОЯ) или в районах, где в получении информации о погоде особо заинтересованы потребители метеорологической информации.

Глава 1. Назначени и состав АМК

модернизация метеорологический автоматизированный оборудование

АМК - автоматизированный метеорологический комплекс (рис.1).

Предназначен: для сбора, первичной обработки, накопления и передачи результатов измерений и/или отдельных средств измерений, удовлетворяющих рекомендациям Всемирной метеорологической организации.

Рисунок 1.

Комплекс включает в себя средства измерения и средства управления АМК, и позволяет производить автоматизированные измерения:

скорости и направления ветра;

температуры и относительной влажности воздуха;

атмосферного давления;

количества и интенсивности жидких осадков;

температуры поверхности почвы на глубине узла кущения.

Возможности комплекса: визуальное отображение результатов измерений для их контроля и ручного ввода визуально наблюдаемых параметров.

Комплекс так же может быть укомплектован датчиками МЭД для автоматического измерения экспозиционной дозы гамма-излучения.

АМК крепится на мачте, установленной на метеорологической площадке.

В соответствии с утвержденной программой наблюдений, оператор комплекса вносит через АРМ-оператора результаты неавтоматизированных инструментальных и визуальных наблюдений.

В зависимости от географического положения станции, АМК может поставляться в комплектах: для умеренного, и для экстремально-холодного климатов.

В состав АМК #1 для умеренного климата входят:

контроллер;

корпус с АМК;

датчики;

радиационная защита датчиков;

защита датчиков;

оборудование электропитания;

грозозащита;

программное обеспечение (Схема АМК - см. приложение 1).

1.1 Основное оборудование и датчики АМК

Корпус АМК.

Предназначен для установки внутри корпуса контроллера, коммуникационного оборудования, контроллера заряда батареи, резервной АКБ (8Ач), дополнительных устройств. Корпус устойчив к коррозии, ультрафиолетовому излучению, химическим и атмосферным реагентам, проникновению воды и грязи. Укомплектован защитой от статического электричества (заземление), влагопоглатителем, датчиком открытия/закрытия дверцы.

Контроллер Vaisala QML201 (рис. 2).

Предназначен для сбора и обработки метеорологической информации, подготовки телеграмм, отправки данных в центры сбора данных. Устанавливается в корпус, монтируемый на мачте АМК.

Рисунок 2.

Характеристики контроллера Vaisala QML201:

ЦП 32 бит Motorola CPU;

10 дифференциальных (20 с одним выводом) аналоговых входов от датчиков (могут использоваться как цифровые);

2 слота для установки коммуникационных модулей с интерфейсами RS-232, 485, 10/100Base-T;

два частотных интерфейса датчиков;

16 бит АЦП;

1.7 Мбайт встроенной флеш-карты (Compact Flash).

Плата имеет покрытые для улучшения защиты от повышенной влажности. Разъемы датчика имеют варисторную защиту (VDR) против индуцируемых переходных процессов. Контроллер оснащен модулем внешней флеш-памяти емкостью 256 Мб.

К контроллеру могут быть подключены:

компьютер, по интерфейсу COM0 (RS-232);

мультиплексор по интерфейсу COM1 (RS-485);

средства связи;

цифровые датчики.

Рабочая температура устройства 50% +60 ºС.

Контроллер обеспечивает проведение следующих измерений параметров с помощью подключенных датчиков: атмосферное давление, скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха, температура почвы, мощность экспозиционной дозы гамма-излучения, осадки

Датчик давления Vaisala PTB220 (Рисунок 3).

Предназначен для измерения абсолютного давления воздуха в диапазоне 500÷1100 гПа.

Рис. 3

Погрешность измерений составляет ±0.25 гПа, стабильность не более 0,1 гПа/год. Температурный диапазон от -20 до +60 ºС. Имеет защиту от влажности и ЖК-дисплей.

Датчик температуры и относительной влажности воздуха Vaisala HMP45D (QMH102)(Рисунок 4).

Измерения влажности основаны на точном емкостном тонкопленочном полимерном датчике HUMICAP®180, работающем в различных условиях окружающей среды.

Рис. 4

Измерение температуры и рабочая температура от -60 до +60 ºС. Измерение влажности воздуха от0 до 100%. Точность измерения температуры < 0.08 ºС в 0 ºС; влажности - ±2-3%.

Датчик имеет радиационную защиту, необходимую так же для защиты от интенсивного солнечного излучения, и различных типов осадков, влияющих на процесс измерения температуры и влажности.

Датчик направления скорости ветра RMYoung Wind Monitor 05103 (Рисунок 5).

Особенностью конструкции этой модели датчика является то, что все вращающиеся части оснащены тефлоновыми подшипниками, что позволяет работать при более низких температурах без потери качества данных. Корпус датчика изготовлен из УФ стабильного пластика.

Рис. 5

Характеристики:

измерение скорости ветра: от 0 до 100 м/с; погрешность ± 0,3 м/с.

Направление: механически - 360º; электрически - 355º;

погрешность ± 3 º;

Рабочая температура от -50 до +50 ºС.

Датчик температуры почвы #1 - Тесей ТСПТ (Рис. 6).

Предназначен для измерения температуры жидких и газообразных химически неагрессивных сред, а также агрессивных, не разрушающих материал защитного чехла.

Рисунок 6.

Термометр с удлиненным проводом в оболочке из силиконовой резины, и градуировкой Pt100, класс допуска АА, с четырех проводной схемой соединения. Диапазон измерения от -60 до +60 ºС. Погрешность измерения ± 0,3 ºС.

Комплект устройств защиты интерфейсов - PhoenixContact PT 5-HF- 5 DC-ST + PT 2X2+F-BE (Рис. 7).

Рисунок 7.

Предназначен для организации связи контроллера и оборудования на станции; для связи с сетевыми устройствами; для связи цифровых датчиков.

В АМК данное устройство обеспечивает лишь защиту линий от электростатического перенапряжения, т.к. для связи используется технология Ethernet.

Комплект изолированных удлинителей 10/100 Base-T #1- EtherWan ED-3141 (Рис. 8).

VDSL-удлинитель EtherWan ED-3141 предназначен для организации Ethernet-контроллера с 100 до 1900м, в частности для организации Ethernet-соединений контроллера с помещением наблюдателя на метеостанциях.

Рисунок 8.

Устройство представляет собой защищенный и специально разработанный для функционирования в суровых климатических условиях VDSL-модем, с одним портом DSL (RJ-11) и одним портом 10/100 Base-T (RJ-45).

Мачта для размещения оборудования #1 (рис. 9).

Предназначена для размещения на ней измерительного оборудования.

Рисунок 9.

Рассчитана на эксплуатацию в условиях температур от -50 до +50 ºС, и относительной влажности 100%, при +25 ºС.

Комплект мачты состоит из неподвижной, поворотной части, комплекта оттяжек (тросы и якоря, закапываемые в грунт), и заземления молниезащитного.

Датчик жидких осадков #1 - Vaisala RG-370 (Рисунок 10).

Рисунок 10.

Прибор обеспечивает точные измерения в течение длительного времени. Опрокидывающийся механизм позволяет производить точные, повторяющиеся измерения, не требует постоянного обслуживания оператора.

Точность измерения ±1%, 0 ÷ 30 мм/ч; ±5%, 30 ÷ 120 мм/ч.

Датчик МЭД #1 - Доза «ИРТ-М» (рис. 11).

Предназначен для контроля радиационной обстановки на территориях, в санитарно-защищенных зонах и зонах наблюдения радиационно-опасных объектов.

Рисунок 11.

Датчик герметичен, построен на газоразрядных счетчиках, устанавливается на открытой местности.

Диапазон измерения мощности гамма-излучения 0,1 - 1*107 мкЗв/ч.;

Погрешность измерения 20%;

Температурный диапазон от -50 до +50 оС.

Энергообеспечение комплекса (Приложение 2). Для обеспечения бесперебойной работы оборудования АМК используются следующие устройства:

Источник бесперебойного питания - многофункциональный автономный преобразователь напряжения ИБП - МАП «Энергия» MAP-LCD-220-12,09 КВт - предназначен для бесперебойного питания АМК и вспомогательного оборудования. Оснащается аккумуляторной батареей Hawker PowerSafe SBS60

Стабилизатор напряжения SQ-3000W ООО «Микроарт». Пороги входного напряжения - 120-280В; Номинальная мощность нагрузки - 3000W;

Зарядное устройство батареи Vaisala QBR101 - предназначен для зарядки свинцовых и никель-кадмиевых АКБ 12 и 24 В;

Распределитель питания APC P5B-RS;

Преобразователи напряженияVaisala ADC15V60 и Phoenixcontact QUINIT-PS-100-240AC/24DC/20 - универсальные источники питания, работающие от стандартного сетевого входа 90-264 VAC (45-65 Hz). Выходит номинальное напряжение - 12 VDC и 24 соответственно (устанавливается в металлический корпус в помещении станции);

Бесперебойное питание контроллера обеспечивает АКБ, установленная в корпусе АМК.

1.2 Оборудование передачи данных

Для передачи данных наблюдений метеостанции используется доступный интернет-канал: линия ADSL, либо GPRS-маршрутизатор.

Обмен данными осуществляется двумя способами:

) Отправка сообщений с метеоданными из АМК в ЦСД в автоматическом режиме, с использованием программного модуля контроллера Vaisala QML-201;

) Отправка сообщений (метеоданные, служебные) наблюдателем с использованием почтового клиента, установленного на ПК.

Передача сообщений из АМК в ЦСД представляет три основные схемы передачи данных:

. Отправка сообщений из АМК в ЦГМС, где почтовый сервер поддерживается программным комплексом «МИТРА» или системой «UniMAS».

. Сообщения из АМК поступают в ЦГМС, где возможно использование внутреннего или внешнего почтового сервера. Данные обрабатываются и перенаправляются в УГМС.

. Отправка сообщений осуществляется из АМК сразу в УГМС, где установлены «МИТРА» или «UniMAS».

Персональный компьютер включает в себя системный блок DEPO, ЖК-монитор, клавиатуру и мышь.

Глава 2. Установка и настройка комплекса

Осуществляется группой специалистов не менее трех человек. Время монтажа станции, при благоприятных условиях, занимает несколько часов.

На метеоплощадке производится монтаж мачты на подготовленное основание, монтаж растяжек и грозозащиты. Затем монтируется корпус АМК, установка контроллера и датчиков (в т.ч. на площадке), и их подключение. Далее производится монтаж энергооборудования в помещении метеостанции и на метеоплощадке, и осуществляется прокладка и монтаж кабелей. Следующим этапом идет установка ПК и оборудования связи в помещении. Далее происходит пуско-наладка оборудования АМК, инсталляция и настройка программного обеспечения и оборудования связи.

.1 Программное обеспечение комплекса

Персональный компьютер, входящий в состав комплекса, работает под управлением ОС Windows Embedded. В качестве почтового клиента используется Outlook Express либо Mozilla Thunderbird.

На АМК присутствует специальное программное обеспечение для операторов - автоматизированное рабочее место (АРМ) метеоролога. Оно предназначено для организации интерфейса «наблюдатель - контроллер», для визуализации данных наблюдений, формирования телеграмм на основании автоматически измеренных, и введенных вручную данных, а так же для обеспечения передачи на средства связи, в соответствии с установленным регламентом подготовленной информации.

ПО «АРМ Метеоролога»

Интерфейс программы состоит из следующих блоков:

. Блок наблюдения в реальном времени за автоматически измеряемыми параметрами - главное окно приложения. Здесь отображаются данные наблюдений.

. Блок ввода данных, не регистрируемых станцией.

За несколько минут (по умолчанию 15) до наступления срока отправки КН01 от станции приходит специализированное сообщение. После этого на экран выводится окно, предназначенное для ввода метеопараметров, измеряемых вручную. В течение 10 минут (по умолчанию) оператор должен занести данные.

. Блок настроек ПО. Содержит параметры настройки связи, протокола работы ПО, доступа (доступно пользователю с правами администратора).

. Блок служебной информации. Содержит системную информацию и параметры синхронизации станции (выполняется раз в сутки).

. Блок графического отображения данных.

Рисунок 12. АРМ метеоролога

Заключение

Внедрение автоматизированных метеорологических комплексов на станции является важным и необходимым шагом для успешной деятельности Росгидромета. Результатом реализации модернизации сети должно стать:

-более точное прогнозирование погоды с большей заблаговременностью, что приведет к уменьшению ущерба для имущества и человеческих жертв, вызванных экстремальными погодными явлениями;

-улучшение планирования при разработке и эксплуатации инфраструктуры и системы транспорта в России, планирования сельскохозяйственных работ и предоставления коммунальных услуг;

-уточнение представления о глобальной синоптической ситуации в результате улучшения возможностей для глобального моделирования, ускорение обмена данными и улучшение прогнозирования погоды по территории страны, региона, соседних государств.

Приложения

Приложение 1

Схема АМК.

Приложение 2

Схема энергообеспечения вспомогательного оборудования комплекса.

Филиал Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет

Больше работ по теме: