Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Разработка периферийного оборудования системы пожарной сигнализации

пожарная сигнализация судно схема

1.1 Требования Морского Регистра Судоходства к системам пожарной сигнализации

Пожар на судне является большим бедствием. Он уничтожает материальные ценности, а иногда приводит к гибели людей. Особенно большой ущерб причиняют пожары на пассажирских, грузопассажирских и нефтеналивных судах. В частности, при пожаре на нефтеналивном судне возможен взрыв, и путь к спасению людей и судна могут преградить горящие на поверхности воды нефтепродукты.

Каждое судно должно быть снабжено эффективными средствами противопожарной защиты (средствами пожарной сигнализации, средствами ограничения распространения и тушения пожара, а также противопожарным снабжением). Для обеспечения пожарной безопасности на судах внутреннего плавания необходимо руководствоваться Правилами Морского Регистра и международной конвенции СОЛАС-14. В них содержатся требования к средствам конструктивной противопожарной защиты и средствам борьбы с возникшим пожаром. Конструктивные противопожарные мероприятия позволяют предотвратить опасность возникновения пожара и ограничить распространение дыма и огня, а также создают условия для безопасной эвакуации людей с судна и тушения пожара.

Противопожарная защита судна преследует следующие цели:

1. Предотвращение возникновения пожаров и взрывов;

2. Снижение риска для жизни, возникающего по причине пожаров;

3. Снижение риска повреждений судну и судовому оборудованию, перевозимым грузам и окружающей среде, причиняемых пожарами на борту;

4. Сдерживание пожаров, контроль над ними и их подавление в различных отсеках судна;

5. Обеспечение надежных, доступных и безопасных путей эвакуации для пассажиров и экипажа судна.

Для достижения поставленных целей конструкция судна предусматривает его разделение на Главные Вертикальные Пожарные Зоны (рисунок 1.1) посредством использования стальных, усиленных изоляционными материалами перекрытий, которые предотвращают распространение огня и дыма по горизонтали из одной зоны в другую.

Перекрытия класса “A”: переборки и палубные перекрытия, разделяющие жилые и служебные помещения от машинного отделения, камбуза, составляют границы всех операционных центров судна, траповые перегородки и границы грузовых помещений.

Перекрытия класса “A” представляют собой перекрытия, образованные переборками и палубами, отвечающие следующим критериям:

1. Изготовлены из стали;

2. Имеют усиленные элементы жесткости;

3. Изолированы одобренными негорючими материалами таким образом, чтобы средняя температура на стороне, противоположной огневому воздействию не повышалась выше, чем на 140°С по сравнению с первоначальной; и чтобы ни в одной точке, включая соединения температура не повышалась выше 180°С по сравнению с первоначальной в пределах промежутков времени, указанных ниже:

Class Ї"A-60" - 60 min

Class Ї"A-30" - 30 min

Class Ї"A-15" - 15 min

Class Ї"A-0" - 0 min.

4. Сконструированы так, чтобы не допускать прохождение дыма или пламени до конца 60-ти минутного стандартного теста.

Перекрытия класса “B”: переборки и палубные перекрытия, разделяющие каюты и коридоры, а также переборки между каютами.

Перекрытия класса “В” представляют собой перекрытия, образованные переборками, палубами, подволоками или зашивками, отвечающие следующим критериям:

1. Изготовлены из одобренных негорючих материалов;

2. Изолированы одобренными материалами таким образом, чтобы средняя температура на стороне, противоположной огневому воздействию, не повышалась выше, чем на 140°С по сравнению с первоначальной; и чтобы ни в одной точке, включая, включая соединения температура не повышалась выше 225°С по сравнению с первоначальной в пределах промежутков времени, указанных ниже: Class Ї"В-15" - 15 min , Class Ї"В-0" - 0 min.

3. Сконструированы так, чтобы не допускать прохождение пламени до конца 30-ти минутного стандартного теста.

Перекрытия класса “С”: перекрытия, изготовленные из негорючих материалов, к которым не предъявляются требования по непроницаемости дыма и пламени и перепаду температур.

Негорючие материалы - материалы, которые при нагревании до 150° С не горят и не выделяют горючих газов в количестве, достаточном для самовоспламенения. Материалы, не удовлетворяющие этим требованиям, считаются горючими.

На судах с горизонтальным способом погрузки, где установка вертикальных перекрытий невозможна, вместо огнестойких переборок применяется система водяных завес, препятствующих распространению огня.

Члены судовой команды должны четко знать, что судно может выжить даже в случае существенного пожара в случае, если пожар изолирован в любом помещении в пределах одной зоны. Это обеспечивается пожарной защитой судна по конструкции, при условии выполнения всех необходимых действий согласно хорошей морской практики и правил борьбы с пожаром (закрытие всех противопожарных дверей, перекрытие доступа воздуха в горящее помещение, охлаждение смежных переборок и прочее).

Рисунок 1.1- Главные вертикальные пожарные зоны

Главные Вертикальные Пожарные Зоны нумеруются от носа в корму судна. Горизонтальная протяженность главной вертикальной противопожарной зоны не должен превышать 40 м.

На пожарном плане судна все перекрытия Класса А наносятся красным цветом, а перекрытия Класса В - желтым.

Палубные перекрытия, разделяющие машинные помещения, камбузы и другие помещения, имеющие повышенный риск возникновения пожаров, также усилены термостойким изоляционным материалом для предотвращения распространения дыма и огня по вертикали. Следует избегать лишнего открытия пожарной двери, если таковые были закрыты в случае возникшего пожара. Двери следует открывать исключительно для обеспечения необходимой эвакуации или для прохождения пожарных бригад. После прохождения необходимо закрыть дверь и удостовериться, что она надежно захлопнулась. В нижнем углу дверей, установленных на огнестойких переборках (кроме дверей главных огнестойких переборок), допускается закрывающееся отверстие для протаскивания пожарных рукавов.

Помещения высокой степени пожароопасности - это помещения машинного отделения, содержащие котлы или двигатели внутреннего сгорания; камбузы и буфетные, содержащие оборудование для приготовления горячей пищи; малярные и фонарные; шкафы и кладовые площадью 4 м или более; помещения для хранения воспламеняющихся жидкостей и мастерские, не являющиеся частью машинных помещений.

Системы обнаружения пожаров и сигнализации устанавливаются на судах с целью обнаружения пожара в помещении его возникновения и обеспечения сигнализации для безопасного выхода наружу и деятельности по борьбе с пожаром. Для достижения этой цели должны учитываться следующие функциональные требования:

1. Стационарные системы обнаружения пожаров и пожарной сигнализации должны соответствовать характеру помещения, с учетом возможного распространения огня и возможного образования дыма и газов;

2. Кнопки ручных пожарных извещателей должны быть так эффективно расположены, чтобы обеспечивалась их постоянная готовность к работе и легкодоступность;

3. Служба противопожарных обходов судна обеспечит эффективные меры по обнаружению пожаров и оповещению навигационного мостика и пожарных бригад (СОЛАС 14, Глава II-2, Правило 1).

В стационарной системе сигнализации обнаружения пожара должно быть предусмотрено не менее двух источников электрической энергии, один из которых должен быть аварийным. Питание должно осуществляться по отдельным фидерам, предназначенным только для этой цели. Такие фидеры должны подводиться к автоматическому переключателю, расположенному вблизи станции системы сигнализации обнаружения пожара. Неисправность такого переключателя или одного из источников питания не должна приводить к нарушению нормальной работы стационарной системы сигнализации обнаружения пожара. Если в процессе автоматического переключения питания наблюдается кратковременное нарушение нормальной работы стационарной системы сигнализации обнаружения пожара, должен быть предусмотрен аварийный переходный источник энергии, включающийся немедленно при обесточивании, емкостью достаточной для питания.

Аварийное питание стационарной системы сигнализации обнаружения пожара может осуществляться от аккумуляторной батареи или аварийного распределительного щита. При питании от аккумуляторной батареи ее емкость должна быть достаточной для работы системы сигнализации обнаруже-ния пожара в течение требуемого времени, в зависимости от того, что применимо. При питании от аварийного распределительного щита фидер питания должен быть проложен от этого щита непосредственно к автоматическому переключателю.

Автоматическая сплинклерная система пожаротушения и сигнализации обнаружения пожара устанавливается на судне так, чтобы защищать жилые помещения, камбузы и иные служебные помещения, за исключением помещений, которые не представляют значительной пожароопасности (пустые помещения, санитарные помещения и т.д.).

Сплинклерная система состоит из танка с водой для питания системы, насоса и системы трубопроводов. Система обеспечивает постоянное давление воды в трубопроводах. От основного трубопровода имеются ответвления во все защищенные системой помещения, снабженные головками распылителей. Головки распылителей снабжены стеклянными предохранителями, наполненными жидкостью. Эти предохранители рассчитаны на определенную температуру, при достижении которой они лопаются и открывают отверстие для распыления воды в помещение. Так как трубопроводы находятся под давлением, вода начинает распыляться, образуя парообразную завесу, способную погасить пламя.

Сплинклерная система разделена на секции покрытия судна. Каждая секция имеет собственную станцию управления, включающую клапана перекрытия. При срабатывании головки распыления (рисунок 1.2) в определенной секции, датчик давления определяет возникший перепад давления и подает сигнал на центральную панель индикации, которая находится на мостике.



Рисунок 1.2 - Головка распылителя

Типовая панель индикации обеспечивает звуковой и визуальный сигнал (сирена и лампочка индикации). Лампочка указывает, в какой секции судна сработала система и тип сигнализации (перепад давления в системе в результате срабатывания головки распылителя либо перекрытие подачи воды в секцию изолирующим клапаном системы). При полном расходовании пресной воды в танке системы предусматривается автоматическое использование забортной воды. Как правило, спринклерная система используется как первоначальное автоматическое средство тушения пожара до прибытия судовых пожарных бригад. Использование морской воды в системе нежелательно, и по возможности секцию следует своевременно изолировать, чтобы остановить расход пресной воды. Прибывшие пожарные продолжат борьбу с пожаром иными имеющимися средствами.

В случае использования в системе забортной морской воды, необходимо тщательно промыть всю систему трубопроводов пресной водой. Сработавшие головки распылителей должны быть заменены запасными (необходимый запас которых всегда должен иметься на судне).

Кроме того на судах могут быть установлены стационарные системы газового тушения пожаров.

Эти системы применяются для защиты больших помещений с высоким риском возникновения пожара, таких как помещения машинного отделения, грузовые трюмы, а также в малых помещениях, таких как малярные кладовые, на камбузе - для защиты вытяжных каналов вентиляции. Газ, используемый в системах, не должен быть токсичным или способствовать образованию токсичных газов, их смесей или испарений в опасном для человека количестве.

На трубах, необходимых для подачи огнетушащего вещества в защищаемые помещения, должны быть установлены запорные клапаны, имеющие маркировку, ясно указывающую помещения, в которые идут эти трубы. Должны быть приняты соответствующие меры для предотвращения возможности случайного пуска огнетушащего вещества в какое-либо помещение.

Расположение распределительного трубопровода огнетушащего вещества и размещение выпускных сопел должны быть такими, чтобы обеспечивалось равномерное распределение огнетушащего вещества. Должны быть предусмотрены средства закрытия всех отверстий, через которые в защищаемое помещение может поступать воздух или из защищаемого помещения может выходить газ.

Предусмотрены средства автоматической подачи звукового сигнала, предупреждающего о пуске газа в любое помещение, в котором обычно работает или в которое имеет доступ персонал. Сигнал подается перед пуском газа в течение достаточного периода времени.

Средства управления любой стационарной газовой системой пожаротушения должны быть легко доступны, просты в эксплуатации и быть расположены в возможно меньшем количестве мест, которые вероятно не будут отрезаны пожаром в защищаемом помещении. В каждом месте должны иметься четкие инструкции, касающиеся эксплуатации системы с учетом безопасности персонала.

Автоматический пуск огнетушащего вещества не должен допускаться.

Если огнетушащее вещество требуется для защиты более чем одного помещения, нет необходимости, чтобы его количество было больше максимально требуемого для любого защищаемого таким образом помещения.

Резервуары (баллоны) под давлением, требуемые для хранения газа, должны размещаться за пределами защищаемых помещений. Они должны храниться в кладовой, расположенной в безопасном и легкодоступном месте и имеющем эффективную вентиляцию. Любой вход в такую кладовую должен быть предпочтительно с открытой палубы и в любом случае быть не зависимым от защищаемого помещения. Входные двери должны открываться наружу, а переборки и палубы, включая двери и другие средства закрытия любого отверстия в них, которые образуют границы между такими кладовыми и примыкающими к ним выгороженными помещениями, должны быть газонепроницаемыми. Такие кладовые рассматриваются как посты управления. Если в качестве огнетушащего вещества на судне вырабатывается и применяется иное чем углекислый газ вещество, оно должно быть газообразным продуктом сгорания топлива, в котором содержание кислорода, окиси углерода, коррозионных элементов и каких-либо твердых горючих частиц должно быть сведено к допустимому минимуму. Таковым является

Если такой газ применяется в качестве огнетушащего вещества в стационарной системе пожаротушения для защиты грузовых помещений, должно быть обеспечено количество газа, достаточное для получения ежечасно на протяжении 12 ч объема свободного газа, равного по меньшей мере 25% валового объема наибольшего из защищаемых таким образом помещений.

Рисунок 1.3 - Расположения установок системы углекислотного пожаротушения на судне, где



Установка 1 обеспечивает защиту помещений машинного отделения судна; Установка 2 - защиту камбуза, грузовых трюмов и малярных кладовых.

Обычно установка системы углекислотного пожаротушения состоит из одного или нескольких баллонов с сжиженным газом СО₂, соединенных посредством шлангов к выпускному распределительному клапану - манифолду. Манифолд включает в себя невозвратный клапан для каждого газового баллона.

Независимо от имеющейся на судне системы пожаротушения, жилые и служебные помещения судна оборудованы электронной системой обнаружения пожара и сигнализации, основанной на контроле за атмосферой помещений. Система должна состоять из автоматических датчиков (детекторов), кнопок аварийной пожарной сигнализации, приводимых в действие вручную, панелей индикации на Мостике и в машинном отделении (ЦПУ), звонков пожарной сигнализации.

Датчики устанавливаются во всех помещениях, имеющих риск возникновения пожара, а также в коридорах, траповых выгородках и путях эвакуации в пределах надстройки судна.

Существуют четыре основных вида пожарных детекторов: оптические, ионизационные, тепловые и датчики пламени.

Оптические детекторы (дымовые датчики) срабатывают при пожаре в помещении с образованием дыма или газообразных продуктов горения. Их принцип действия основан на измерении отраженного инфракрасного света в измерительной камере датчика.

Ионизационные дымовые детекторы служат для определения газов и дыма содержащих мелкие видимые частицы. Принцип действия таких датчиков основан на использовании ионизационной камеры, в которую помещен источник радиоактивного излучения.

Тепловые датчики предназначены для использования в сухих помещениях. Срабатывают при достижении температурой (скорости достижения температурой) определенного порога. Применяются для защиты помещений, в которых возможно частое ложное срабатывание дымовых детекторов (машинное отделение, инсинераторное помещение, сварочные мастерские и т.д.). Их принцип действия основан на измерение температуры (скорости изменения температуры) воздуха в измерительной камере датчика.

Инфракрасные датчики пламени срабатывают на инфракрасное излучение, исходящее от пламени. Их принцип действия состоит в использовании оптического фильтра, пропускающего инфракрасное излучение от пламени.

Кроме рассмотренных датчиков в системе пожарной сигнализации включаются ручные извещатели.

Ручные пожарные извещатели - небольшие квадратные коробки, содержащие закрытую пластиковой или стеклянной пластиной (крышкой) кнопку сигнализации. Они должны располагаться в хорошо видимых и доступных местах вблизи входов в помещения, концах коридоров и т.п. Расстояние между пожарными извещателями на пассажирских судах в коридорах должно составлять не более 20 метров. Позиции извещателей должны обозначаться стандартными знаками, изготовленными на люминесцентном материале. При нажатии кнопки извещателя не следует ждать немедленного срабатывания звонков пожарной сигнализации. Сигнал с извещателя поступает на контрольные панели индикации, имеющиеся на мостике и в машинном отделении. Вахтенный офицер должен принять и подтвердить сигнал, убедиться в том, что срабатывание датчика не является ложным (послать вахтенного матроса к месту срабатывания датчика) и объявить тревогу. В случае если сигнал не будет подтвержден вахтенным офицером на мостике, спустя определенное время сработает автоматическая система и зазвенит звонок пожарной сигнализации.

Все элементы системы, включая детекторы, пожарные извещатели, контрольные панели и средства сигнализации должны периодически проверяться на судне квалифицированным персоналом согласно разработанных и утвержденных графиков проверок противопожарного оборудования и имущества.

Электрические звонки пожарной сигнализации производят сигнал - не-прерывный звонок, который не является общепринятым сигналом общесудовой тревоги. Такой звонок дает предварительную информацию экипажу о возможном возникновении пожара. Все члены экипажа, имеющие обязанности по борьбе с пожаром согласно Расписанию по Тревогам, должны прибыть к местам аварийного сбора и начать подготовку к действиям.

Вахтенный помощник на мостике, при получении подтверждения о факте возникновения пожара на судне обязан подать сигнал общесудовой тревоги (семь или более коротких и один длинный звонок громкого боя), который предусмотрен на случай любой аварийной ситуации на судне, в том числе и пожара.

В случае ложного срабатывания пожарной сигнализации, с мостика делается оповещение экипажа по судовой трансляции.

1.2 Современная концепция судовой системы контроля пожарной обстановки

1.2.1 Концепция постановки задачи на проектирование периферийного оборудования системы пожарной сигнализации

В настоящее время, кроме задач, сформулированных в п.1.1, на судовые системы СПС возлагается задача по предупреждению возникновения пожаров на судах. Решение указанной задачи состоит в изменении структуры СПС таким образом, чтобы придать им функций распознавания пожароопасных и предпожарных ситуаций, введением в состав систем новых приборов и обеспечением обменом информацией с другими судовыми системами. Такие системы получили название систем контроля пожарной обстановки (СКПО).

Для того чтобы аппаратуру СКПО было легко адаптировать к любому проекту судна, осуществлять доработку и модернизацию, в системы изначально закладывается блочно-модульный принцип построения.

СКПО должна содержать подсистемы сбора, передачи и представления информации. Обработка информации и преобразование сигналов должна осуществляться во всех трех подсистемах в той или иной степени в зависимости от выбранных схемных решений.

Подсистема сбора информации должна обеспечивать сбор диагностической информации. При этом в качестве источников информации могут использоваться не только отдельно взятые датчики, но и результаты функционирования специализированных систем диагностирования и данные, полученные в ходе проверок и аттестаций судовых технических средств. Обнаружение пожара по сопутствующим ему признакам в СКПО должно осуществляеться аналогично СПС. Информация отдатчиков должна поступать в устройства, содержащие алгоритмы распознавания пожароопасных и предпожарных ситуаций, построенных с использованием моделей динамики изменения контролируемых параметров с учетом объемного распределения горючих материалов и сред в помещениях судна, а также режимов работы тепловыделяющего оборудования.

Подсистема передачи информации должна обеспечивать двустороннюю связь между источниками информации и подсистемой ее представления. К этой подсистеме предъявляются повышенные требования надежности и живучести, стойкости к внешним воздействиям. Подсистема должна быть работоспособна в период начального развития пожара, после длительного пребывания под водой, а также при частичном разрушении в результате аварии судна.

Возможны следующие варианты подсистемы: первый, когда она входит в состав СКПО, и второй, когда используются средства передачи информации других систем, например общесудовой системы обмена данных или комплексной системы управления техническими средствами.

Структура подсистемы передачи информации в основном зависит от аппаратуры, на базе которой она реализована, от разнообразия источников информации и технических решений, использованных при проектировании подсистемы представления информации. Подсистема в настоящее время может быть реализована на основе судовой или волоконнооптической сети, радиоканала или комбинации перечисленных вариантов.

Датчики и сигнализаторы объединяются в локальную сеть произвольной конфигурации: в виде шлейфа, замкнутого в кольцо; в виде простого луча или с рядом разветвлений. Конкретная структура определяется с учетом обеспечения живучести системы. Для предотвращения последствий коротких замыканий предусмотрены отсекатели короткозамкнутых участков. Функции управления и контроля локальной сетью, в том числе обслуживание датчиков, осуществляет блок сбора и передачи информации (БСПИ). Структуру локальной сети необходимо разрабатывать с учетом разделения судна на главные водонепроницаемые отсеки и с привязкой к выделенным противопожарным зонам. Для обеспечения функциональной живучести СКПО следует организовать работу блока сбора и передачи информации (БСПИ) так, чтобы при выходе его из строя потерянные функции выполнял БСПИ, расположенный в смежной противопожарной зоне.

Подсистема представления информации может быть реализована техническими средствами, входящими не только в состав СКПО, но и в другие судовые системы, имеющие пульты или щиты управления в тех же постах управления, куда должна выводиться информация о пожарах.

Выбор конкретного варианта технической реализации подсистемы зависит от количества ее пользователей и их функциональных обязанностей, что определяется организацией судна.

СКПО содержит адресные аналоговые датчики, что позволяет отслеживать динамику контролируемых параметров и использовать более сложные алгоритмы распознавания предпожарных ситуаций и пожара по сравнению с традиционным для СПС алгоритмом «сравнения с уставкой».

1.2.2 Выбор класса проектируемой судовой системы пожарной сигнализации

В настоящее время со стороны заказчика к судовым СПС предъявляются следующие требования:

-- возгорание должно быть обнаружено как можно раньше;

-- место возгорания должно быть определено как можно более точно;

-- возгорание должно быть определено надежно (ложные срабатывания должны быть исключены);

-- информация о факте возгорания и его месте должна быть представлена в простом виде, удобном и понятным пользователю средней квалификации;

-- система должна быть рациональной с точки зрения как трудовых, так и материальных затрат, требуемых для ее установки.

Наиболее полно отвечает вышеприведенным требованиям адресные аналоговые системы контроля пожарной обстановки.

1.2.3 Характеристика прототипов проектируемой судовой системы пожарной сигнализации

Рассмотренные в п. 1.2.1 концепция СКПО были учтены специалистами ООО «НПП «Меридиан»» при проектировании системы «Фотон-А».

Система позволяет:

-- контролировать динамику изменения пожароопасной обстановки в помещениях судна с последующей выдачей текущих значений контролируемых параметров, информации о факте и месте возникновения пожароопасной ситуации и пожаре с точностью до отдельного датчика или пожарного извещателя, информации о техническом состоянии СКПО;

-- сопрягаться с системой верхнего уровня, расширять при необходимости возможности системы в части отображения результатов контроля в графической и числовой формах, тестировать оборудование и выводить информацию о его работоспособности, накапливать результаты, программировать параметры системы.

Структурная схема СКПО «Фотон-А» показана на рисунке 1.4. СКПО «Фотон-А» реализована в виде трехуровневой распределенной микропроцессорной системы. Уровни системы составляют следующие основные группы элементов (снизу вверх): датчики, пожарные извещатели и другие адресуемые устройства; групповые приборы (ГП); центральный блок (ЦБ), выносные пульты управления. Групповые приборы представляют собой контроллеры, в состав каждого из которых входит микропроцессор и устройства согласования микропроцессора с линией.

В комплект системы «Фотон-А» входят датчики температуры; датчики оптической плотности; датчики теплового излучения; датчики избыточного давления; ручные пожарные извещатели.

Адресуемые устройства связываются между собой и с ГП кольцевым шлейфом.

СКПО «Фотон-А» позволяет подключать до 1860 адресуемых устройств. Адресуемые устройства включаются в кольцевые шлейфы ГП системы. Каждый шлейф обслуживается отдельным ГП. Каждое адресуемое устройство снабжено отсекателем короткозамкнутых участков шлейфа. Входящий в состав СКПО центральный блок является верхним уровнем системы и обеспечивает централизованный сбор, хранение и обработку информации, поступающей через ГП от датчиков комплекта. В состав СКПО «Фотон-А» может входить до 31 ГП.

ЦБ реализует следующие функции:

-- ввод, хранение и передачу на ГП информации, характеризующей конфигурацию системы (типы приборов, значения рабочих уставок и т. п.) при помощи встроенной функциональной клавиатуры и алфавитно-цифрового индикатора либо при помощи подключаемой цифровой вычислительной машины (ЦВМ);

-- сбор результатов контроля с ГП, их анализ;

-- непрерывное отображение состояния объекта и самой системы на алфавитно-цифровом табло, передачу состояния на ЦВМ;

-- определение тревожных состояний и отказов оборудования и информирование о них персонала;

-- регистрацию происходящих в системе событий и действий персонала и хранение этого протокола в энергонезависимой памяти;

-- информационное взаимодействие с групповыми блоками, проверку сигналов, поступающих от ГП, их анализ и логическую обработку с целью исключения ложных срабатываний;

-- контроль состояния технических средств самой системы, в том числе обобщенный контроль исправности шлейфов ГП;

-- автоматическое представление оператору информации о месте возникновения пожара, пожароопасной обстановки и контроле пригодности технических средств с возможно более точным указанием места нарушения (наименование помещения и номер датчика) с использованием световых и звуковых сигнализаторов и алфавитно-цифровых табло и мнемосхем (в случае использования бортовых ЦВМ);

-- контроль (по заданию оператора) текущих значений параметров окружающей среды (температуры и оптической плотности) в местах установки датчиков;

-- хранение информации о содержании, времени и последовательности наступления последних событий, зарегистрированных системой, и представление ее по запросу оператора;

-- информационный обмен с системой верхнего уровня;

-- контроль вскрытия корпуса прибора;

-- контроль и индикацию состояния питающей сети и резервного источника питания, автоматическое переключение питания на резервное при отключении основного.



Рисунок 1.4 -- Структурная схема системы контроля пожарной обстановки «Фотон-А»

При подключении к ЦБ цифровой вычислительной машины (вместо выносного индикатора) значительно расширяются возможности системы при отображении результатов контроля в графической и числовой формах, проведения тестов оборудования, вывода информации и накопления результатов.

ГП обеспечивает обслуживание одного кольцевого шлейфа, в том числе: адресный прием информации от датчиков и ручных извещателей, включенных в шлейф; обработку информации с целью контроля пожарной обстановки; выделение состояний «ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ», «ПОЖАР», «АВАРИЯ»; передачу результатов контроля в ЦБ. ГП составляют средний уровень СКПО «Фотон-А». Они выполнены в виде законченных необслуживаемых изделий, полностью реализующих процедуру контроля в подключенных шлейфах. Каждый ГП располагает световыми индикаторами состояния цепи питания, шлейфа, контроля исправности прибора. Количество обслуживаемых адресных устройств -- до 60. Общее время опроса -- не более 1 с.

ГП реализуют следующие функции: опрос датчиков, цифровую фильтрацию ответов; контроль состояния оборудования, включенного в шлейф, и самого шлейфа; накопление результатов контроля; прием от ЦБ информации о конфигурации адресуемых приборов, включенных в шлейф (типы приборов, значения порогов и т. п.); передачу результатов контроля и накопленной информации в ЦБ; питание датчиков, подключенных к шлейфу; контроль состояния источников питания (основного и резервного); управление собственными средствами звуковой и световой сигнализации; диагностирование исправности датчиков, извещателей и линий связи (обрыв, короткое замыкание).

Средства контроля и защиты ГП и размещенные в каждом адресуемом устройстве отсекатели короткозамкнутых участков обеспечивают безаварийную работу оборудования при возникновении в кольцевом шлейфе короткого замыкания. При этом обеспечивается локализация места нарушения. Сохраняется работоспособность остальных датчиков.

ГП обеспечивает также фильтрацию ложных сигналов; прием от ЦБ и хранение информации о конфигурации изделия для конкретного заказа; передачу в ЦБ информации о состоянии источников питания.

Выносное табло предназначено для информирования о состоянии комплекта в месте, отличном от места установки ЦБ. Табло дублирует информацию, отображаемую на индикаторе ЦБ, с использованием световых и звуковых сигнализаторов и алфавитно-цифровых индикаторов. В состав комплекта приборов СКПО «Фотон-А» входят датчики температуры с диапазоном измеряемых температур от 25 до 100 °С; датчики оптической плотности, контролирующие оптическую плотность воздушной среды на расстоянии 1 м, от 5 до50%; датчики теплового излучения; датчики избыточного давления; ручные пожарные извещатели. В состав любого адресного датчика и извещателя, предназначенного для использования в составе комплекта СКПО, входят: интерфейс шлейфа с цепью питания, управляющий микропроцессор, датчик контролируемого параметра и его интерфейс (измерительный тракт), отсекатель коротко замкнутых участков магистрали.

СКПО «Фотон-А» строится на основе технологии сети. Обмен информацией в системе осуществляется с помощью протокола Modbus RTU RS232. Повышение надежности и живучести изделия достигается путем оптимизации структуры и распределения функций между компонентами изделия. Функции распределены следующим образом. ЦБ опрашивает групповые приборы, принимает от них информацию о состоянии датчиков и зарегистрированных событиях, отображает или дублирует информацию на алфавитно-цифровом индикаторе, сохраняет и передает ее в ЦВМ для дальнейшей обработки. ГП принимает и обрабатывает информацию от датчиков в шлейфе, самостоятельно принимает решение о появлении пожара, передает в ЦБ информацию о состоянии системы, осуществляет аппаратно-программный контроль состояния шлейфа и адресуемых устройств и защиту от отказов системы при возникновении аварийных ситуаций, что повышает надежность и живучесть системы. Такая структура системы позволяет обеспечить работоспособность комплекта при отказе линий связи ГП с ЦБ, своевременное обнаружение неисправностей шлейфа.

Проведем анализ возможностей системы «Фотон-А».

В случае предпожарной ситуации пламенное горение отсутствует, но под воздействием нагрева происходит пиролиз твердых горючих веществ и испарение воспламеняющихся жидкостей. Соответственно и датчики системы должна распознавать именно эти процессы. Однако, комплект датчиков системы «Фотон-А» способен при достаточной надежности и чувствительности - обнаружить пожар, но не «распознать» факта и места возникновения пожароопасной ситуации.

Информация об измеренном значении контролируемого параметра поступает в ЦБ только по запросу, а ГП вырабатывает сигнал тревоги по сигналам датчиков. В датчиках системы предусматривается установка порогов срабатывания, следовательно, система является адресной пороговой системой.

1.3 Выбор и расчет системы структурной схемы системы пожарной сигнализации

1.3.1 Обоснование структурной схемы системы пожарной сигнализации

Выбор структурной схемы судовой системы пожарной сигнализации обусловлен требованием к числу используемых датчиков (не менее 2000) и необходимостью повысить надежность функционирования системы с помощью двукратного резервирования. В качестве прототипа примем систему пожарной сигнализации «Фотон-А». Прототип имеет архитектуру информационной сети, поэтому аналогичную архитектуру примем для проектируемой системы с двукратным резервированием.

Резервирование представляет собой метод повышения надежности объекта введением дополнительных элементов и функциональных возможностей сверх минимально необходимых для нормального выполнения объектом заданных функций.

При введении резервирования рассматривают понятия основной элемент и резервный элемент. Основной элемент является элементом основной физической структуры объекта, который необходим для нормального выполнения объектом его задач; резервный элемент -- это элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента.

Кратностью резервирования называется отношение числа резервных элементов к числу резервируемых элементов объекта.

Рассмотрим методы резервирования:

1)структурное резервирование -- метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточных элементов, входящих в физическую структуру объекта;

2)временное резервирование -- метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточного времени, выделенного для выполнения задач;

3)информационное резервирование -- метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование избыточной информации сверх минимально необходимой для выполнения задач;

4)функциональное резервирование -- метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности элементов выполнять дополнительные функции вместо основных или наряду с ними;

5)нагрузочное резервирование -- метод повышения надежности объекта, предусматривающий использование способности его элементов воспринимать дополнительные нагрузки сверх нормальных;

6)общее резервирование -- резервирование, при котором резервируется объект в целом;

1)раздельное резервирование -- резервирование, при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы;

8)скользящее резервирование -- резервирование замещением, при котором группа основных элементов резервируется одним иди несколдькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе;

9)нагруженный резерв -- это резервный элемент, который находится в том же режиме, что и основной;

10)облегченный резерв -- резервный элемент, который находится в менее нагруженном режиме, чем основной;

11)ненагруженный резерв -- резервный элемент, который практически не несет нагрузок;

12)восстанавливаемый резерв -- резервный элемент, работоспособность которого в случае отказа подлежит восстановлению в процессе функционирования объекта;

13)невосстанавливаемый резерв -- резервный элемент, работоспособность которого в случае отказа не подлежит восстановлению в рассматриваемых условиях функционирования объекта.

14)дублирование -- резервирование, при котором одному основному элементу придается один резервный;

Выберем наиболее приемлемый метод резервирования функциональных устройств в системе пожарной сигнализации;

Откажемся от временного и информационного резервирования, поскольку данные методы требуют дополнительных временных затрат и усложнения программного обеспечения системы. Повышение временных затрат приводят к увеличению времени обнаружения пожара, что в соответствии с требованиями к судовым системам пожарной сигнализации недопустимо. Усложнение программного обеспечения повышает требования к производительности микропроцессорных систем, то есть к их сложности и, соответственно, стоимости.

Таким образом, необходимо использовать структурное резервирование.

Исключим нагрузочное резервирование, поскольку мощные компоненты в разрабатываемой системе отсутствуют.

Дублирование и общее резервирование приводят к повышению стоимости СПС, однако могут привести к желательному результату. Поэтому в дальнейшем рассмотрим возможность использования таких методов резервирования.

Откажемся от скользящего резервирования, так как такой метод приведет к усложнению программного обеспечения и повышению стоимости системы за счет использования сложных микропроцессорных структур.

Наиболее выгодный в нашем случае метод резервирования -- это функциональное резервирование, поскольку за счет схемотехнических решений можно обеспечить как выполнение резервными элементами своих задач, так, при необходимости, и задач основного элемента, при минимальных затратах на введение в схему СПС дополнительных устройств.

На рисунке 1.5 показана схема СПС, построенная на основе структурной схемы СПС «Фотон-А». В данной структурной схеме предусматривается раздельное двукратное резервирование с дублированием контроллеров датчиков. Датчики подключаются к шлейфу.

Рисунок 1.5 - Элементарная ячейка периферийного оборудования пожарной сигнализации

На рисунке 1.5 показана структурная схема системы пожарной сигнализации с двукратным резервированием. Как и в случае прототипа, система является многоуровневой распределенной микропроцессорной системой.

Центральный блок производит анализ пожарной обстановки на судне, выводит на индикаторный дисплей информацию о состоянии пожарной обстановки, вырабатывает сигналы тревоги и управляющие сигналы для систем пожаротушения и систем управления противопожарными дверями.

Контроллеры производят опрос датчиков, на основании полученных данных вырабатывают сигналы о состоянии пожарной обстановки и передают их центральному блоку, передают датчикам сигналы управления от центрального блока.

Периферийное оборудование имеет архитектуру сети и состоит из элементарных ячеек, аналогичных устройствам, структурная схема которых показана на рисунке 1.5

В случае выхода из строя контроллера №1, опрос группы датчиков Д1.1-Д1.n может быть произведен по цепи контроллер №3 -- датчики Д1.1-Д1.n. Если одновременно с контроллером №1 вышел из строя контроллер №3, то опрос этих же датчиков может быть осуществлен с помощью контроллера №2. Таким образом устройство, построенное по рассматриваемой структурной схеме обладает повышенной надежностью, по сравнению с устройством, построенным по структурной схеме, показанной на рисунке 1.4.

Примем структурную схему, показанную на рисунке 1.5 в качестве структурной схемы разрабатываемой судовой системы пожарной сигнализации.

1.3.2 Расчет архитектуры информационной сети периферийного оборудования системы пожарной сигнализации

В качестве основных компонентов для реализации периферийного оборудования СПС будем использовать микроконтроллеры. С целью снижения стоимости системы необходимо применять микроконтроллеры с наибольшим числом портов ввода-вывода. В настоящее время промышленность выпускает микроконтроллеры, которые имеют четыре восьмиразрядных порта ввода-вывода. Программа работы микроконтроллера может быть разработана так, что каждый вывод порта будет работать как последовательный порт ввода-вывода. В этом случае для связи контроллеров и центрального блока между собой достаточно десяти выводов. Остальные 22 вывода будем использовать для подключения датчиков.

Каждая ячейка может опросить L = 3 шлейфов с группами датчиков Д_i и Д_i+1. Пусть D -- число датчиков, подключаемых к одному контроллеру, а -- число ячеек. Тогда полное число датчиков, подключенных в систему равно

. (1.1)

На основании этого получим количество ячеек в системе

(1.2)

При увеличении числа датчиков в шлейфе растет время их опроса микроконтроллером, к которому этот шлейф подключен, а, следовательно увеличивается время обнаружения возгорания. Действительно, если на опрос одного датчика требуется время , то время опроса всех датчиков, подключенных к в одном шлейфе к одному контроллеру равно

. (1.3)

Тогда время опроса всех датчиков в ячейке будет равно

(1.4)

Для опроса центральным блоком всех датчиков потребуется время Т равное



Подставим в выражение (1.5) выражения (1.3) и (1.4)

Таким образом, необходимо найти такое число датчиков D, при котором бы выражение (1.6) достигала бы своего наименьшего значения. Для решения поставленной задачи составим функцию затрат системы

, (1.1)

где -- временные затраты ячейки на опрос датчиков, подключенных к одному микроконтроллеру, -- коэффициент риска превышения допустимого времени опроса датчиков, -- коэффициент риска, связанный с превышением материальных затрат на создание СПС. Подставим в формулу (1.1) выражения (1.2) и (1.6) и получим

. (1.8)

Примем , поскольку система должна быть в одинаковой мере недорогой, и быстродействующей. Тогда функция затрат примет вид

. (1.9)

Найдем минимум f ,для чего решим относительно D уравнение



, (1.10)

или

. (1.11)

В соответствии с техническим заданием . Поскольку L = 3, то число N должно быть минимальным числом, которое больше чем 2000 и без остатка делится на 3. Это число 2166. Примем

.

Следовательно получаем, что

D = 19. (1.12)

Подставив формулу (1.12) в выражение (1.2) выясним, что количество ячеек в системе будет равно

(1.13)

Итак, периферийное оборудование системы пожарной сигнализации с двукратным резервированием, структурная схема которой показана на рисунке 1.5, состоит из 2166 датчиков и 38 ячеек с тремя контроллерами в каждой. При реализации периферийного оборудования необходимо использовать микроконтроллеры, которые имеют 8 последовательных порта ввода-вывода для связи с датчиками и 2 порта для связи с центральным блоком. На один контроллер будет подключаться один шлейф с 19 датчиками и 2 соседних контроллера. С целью уменьшения нагрузки на один последовательный порт контроллера распределим 19 датчиков между двумя портами с добавлением на один из получившихся шлейфов по одному ручному извещателю.

1.4 Проектная оценка надежности периферийного оборудования системы пожарной сигнализации

Одним из основных критериев эффективности работы системы пожарной сигнализации является надежность, т.е. свойство системы сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации. Надежность системы пожарной сигнализации определяется надежностью функциональных компонентов и общего программного обеспечения.

Система пожарной сигнализации состоит из следующих функциональных компонентов:

-- групповые приборы;

-- мультиплексоры;

-- центральные приборы;

-- выносные пульты управления;

-- центральный блок;

-- программное обеспечение.

Примем, что программное обеспечение работает без отказа, что гарантируется соответствующим экранированием аппаратных средств системы и обеспечением бесперебойной работы источника питания.

Основными качественными показателями надежности являются вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и средняя наработка до отказа.

Вероятность безотказной работы P(t) представляет собой вероятность того, что в пределах указанного периода времени t, отказ системы не возникнет. Этот показатель определяется отношением числа элементов системы, безотказно проработавших до момента времени t к общему числу элементов, работоспособных в начальный момент. 

Интенсивность отказов л(t) -- это число отказов элементов системы в единицу времени, отнесенное к среднему числу элементов, работоспособных в конце заданного промежутка времени.

Будем считать, что интенсивность отказов постоянна. Тогда время безотказной работы распределено по экспоненциальному закону

, (1.14)

где л -- интенсивность отказов.

Среднее время безотказной работы при экспоненциальном законе распределения интервала безотказной работы выражается формулой

. (1.15)

Заменив в выражении (1.14) величину л величиной 1 / Т₁, получим

. (1.16)

Таким образом, зная среднее время безотказной работы Т₁ (или интенсивность отказов л), можно в случае экспоненциального распределения найти вероятность безотказной работы для интервала времени от момента включения объекта до любого заданного момента t.

Формулы (1.15) и (1.16) позволяют выполнить расчет надежности СПС, если известны исходные данные -- состав системы, режим и условия ее работы, интенсивности отказов его компонентов. Расчет надежности СПС будем проводить с помощью коэффициентного метода. В соответствии с коэффициентным методом эксплуатационная интенсивность отказов устройства определяется через эксплуатационные интенсивности отказов i-х элементов как

,(1.11)

где N -- число элементов, входящих в устройство.

В свою очередь, эксплуатационная интенсивность отказов i-го элемента определяется на основании выражения

, (1.18)

где -- исходная (базовая) интенсивность отказов i-го элемента; -- коэффициент режима работы данного элемента, зависящий от коэффициента нагрузки и (или) температуры окружающей среды; -- коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов; M -- число учитываемых факторов.

В п.1.1 изложены основные требования Морского Регистра к судовой аппаратуре. С использованием этих данных на основании таблиц, приведенных в работе определим эксплуатационную интенсивность отказов структурных элементов разрабатываемой системы пожарной сигнализации. Отметим, что выносные пульты управления по основным функциям дублируют центральный блок, поэтому вероятности безотказной работы выносных пультов управления и центрального блока можно считать одинаковыми. Отказы внешних устройств, таких как: клавиатура, индикатор, внешние запоминающие устройства, служащие для хранения информации об изменениях температуры во время эксплуатации СПС, подключенных к микропроцессорам, не повлияют на правильность обнаружения пожара и принятие решение о выдаче звукового сигнала. Следовательно, можно считать, что все структурные элементы состоят из одной интегральной микросхемы микроконтроллера, выполненного по КМОП-технологии, имеющего пластмассовый корпус; одного кварцевого резонатора, одного резистора постоянного металлодиэлектрического и одного конденсатора керамического, работающего с напряжением до 1600 В.

Для всех перечисленных элементов, входящих в структурные элементы СПС, определим коэффициент , учитывающий условия эксплуатации

, (1.19)

где -- коэффициент, учитывающий условия применения; -- коэффициент, учитывающий влияние влажности; -- коэффициент, учитывающий атмосферное давление.

В соответствии с [11]

, , .

С учетом выражения (1.19) получаем

.

Эксплуатационная интенсивность отказов интегральной микросхемы микропроцессора определяется как [11]

,(1.20)

где -- базовая интенсивность отказов интегральной микросхемы; -- коэффициент режима, учитывающий сложность интегральной микросхемы и температуру окружающей среды; -- коэффициент, учитывающий влияние материала корпуса; -- коэффициент, учитывающий влияние максимального значения напряжения.

Для выбранного типа интегральной микросхемы из таблиц [11] находим, что для полупроводниковых цифровых интегральных микросхем

1/ч.

Для интегральных микросхем с числом элементов 10000…50000, работающих при температуре +45°С

.

Для микросхем с пластмассовыми корпусами

.

Для микросхем, выполненных по КМОП-технологии и напряжением источника питания до 10 В

.

Подставим найденные коэффициенты в форму (1.20) и вычислим эксплуатационную интенсивность отказов интегральной микросхемы микропроцессора

1/ч.

Эксплуатационная интенсивность отказов кварцевого резонатора определяется следующим образом

, (1.21)

где -- базовая интенсивность отказов кварцевого резонатора; -- коэффициент режима, учитывающий влияние температуры.

получаем

1/ч.

При температуре +45°С

.

Подставим найденные коэффициенты в выражение (1.21) и вычислим эксплуатационную интенсивность отказов кварцевого резонатора

1/ч.

Эксплуатационная интенсивность отказов постоянного металлодиэлектрического резистора определяется как

, (1.22)

где -- базовая интенсивность отказов резистора; -- коэффициент режима, зависящий от электрической нагрузки и температуры окружающей среды; -- коэффициент, учитывающий номинальное сопротивление резистора; -- коэффициент, учитывающий номинальную мощность; -- коэффициент, учитывающий значение допуска номинального значения. Определяем

1/ч.

Будем считать, что мощность, выделяемая на резисторе в 10 раз меньше номинальной, тогда при температуре окружающей среды +45°С

.

Для резисторов номиналом (1…100) кОм

.

При использовании резисторов, рассчитанных на номинальную мощность (0,062…0,5) Вт

.

Будем использовать резисторы с допуском номинального значения 1%, тогда

.

Подставим найденные коэффициенты в выражение (1.23) и вычислим эксплуатационную интенсивность отказов резистора

...