Разработка периферийного оборудования системы пожарной сигнализации

1/ч.

Эксплуатационная интенсивность отказов керамического конденсатора определяется согласно выражению

, (1.24)

где -- базовая интенсивность отказов конденсатора; -- коэффициент режима, зависящий от электрической нагрузки и температуры; -- коэффициент, учитывающий номинальную емкость.

определим

1/ч.

Для температуры окружающей среды +45°С

.

Будем считать, что напряжение на конденсаторе в 10 раз меньше номинального, тогда при температуре окружающей среды +45°С

.

Подставим найденные коэффициенты в выражение (1.24) и вычислим эксплуатационную интенсивность отказов конденсатора

1/ч.

Определяем эксплуатационную интенсивность отказов структурного элемента СПС

Составим поэлементную расчетную схему системы пожарной сигнализации, определяющую соединение элементов при выполнении ими заданной функции. Вспомогательные элементы, которые используются при выполнении функции СПС, учитывать не будем. При составлении указанной схемы учтем, что доступ к каждой группе датчиков со стороны центральных блоков может быть осуществлен по трем различным путям. Так, получить информацию от датчиков Д можно по цепям: центральный блок - контроллер №1 -- Д; центральный блок - контроллер №2 -- Д ; центральный блок - контроллер №3 - Д. Поэлементная расчетная схема системы пожарной сигнализации показана на рисунке 1.6. Как видно из рисунка 1.6 центральный блок и выносные пульты управления включены параллельно, следовательно, закон распределения интервала безотказной работы данного участка расчетной схемы описывается выражением

,

Рисунок 1.6- Поэлементная расчетная схема системы пожарной сигнализации

где -- законы распределения интервала безотказной работы одной ветви рассматриваемого участка расчетной схемы. В силу принятых ранее допущений



, (1.25)

Следовательно

. (1.26)

Аналогично получим закон распределения интервала безотказной работы для участка расчетной схемы, содержащего параллельно соединенные контроллеры №1, №2 и №3.

.(1.21)

На основании равенства (1.25) из выражения (1.21) получаем

. (1.28)

Закон распределения интервала безотказной работы шлейфа с датчиками Д имеет вид

.(1.29)

Закон распределения интервала безотказной работы всего рассматриваемого устройства равен

. (1.30)

Тогда время наработки до отказа рассматриваемого устройства определяется как

Вероятность безотказной работы устройства в течение 10000 часов составляет

.

1.5 Выбор датчиков

Для обнаружения пожара в судовых помещениях могут быть установлены пожарные извещатели дымовые и тепловые.

Дымовые - устанавливаются в трюмах, МП, на камбузах и кладовых. Забираемый в охраняемом помещении воздух пропускается через луч, чувствительный к примесям. При появлении дыма вырабатывается сигнал через систему реле, зажигается лампочка соответствующего луча на приемной станции, и подается звуковой сигнал (общий для всех).

Тепловые - устанавливаются в жилых, служебных, производственных помещениях, а также в МП, трюмах, на камбузах. Замыкание контактов (подача сигнала) осуществляется с помощью биметаллической пластины с заданной чувствительностью: 65°С в каютах и трюмах, 90°С в МП и на камбузах.

В данном дипломном проекте подобраны следущие типы извещателей: дымовой извещатель ORB-OP-42003-MAR(IP23),тепловой максимально-дифференциальный извещатель пожарный адресно-аналоговый ORB-HT-41016-MAR(65)(IP23), тепловой максимально-дифференциальный извещатель пожарный адресно-аналоговый ORB-HT-41015-MAR(90) (IP23), тепловой взрывозащищенный извещатель ИП 103-10/В(А1)(54-65)(IP65), ручной извещатель ИПР 513-10(IP41),комбинированный извещатель ORB-OH-43003-MAR(IP23).

Используемые датчики имеют 4 контакта:

- Вход питания.

- Вход Tx.

- Вход Rx.

- Вход заземления.

Их технические характеристики приведены приведены в таблицах 1.1-1.4

Таблица 1.1 - Технические характеристики дымового извещателя ORB-OP-42003-MAR(IP23)

Принцип действия	оптический с микропроцессорным управлением
Рабочее напряжение	(15В - 30В) пост.
Ток в состоянии покоя	310мА
Ток в состоянии тревоги	(2 ± 1) mA при (15В - 30В пост.)
Соединительные клеммы	Максимальное сечение проводника 2,5 мм2
Температура окружающей среды в дежурном режиме	от -10?С до +60?С
Чувствительность	соответствие EN54/1
Способ монтажа	через контактное основание (базу) 1100
Габариты (с базой)	100 х 41 мм
Материал корпуса	пластмасса ABS, белая
Масса (с базой)	0,100 кг
Охраняемая площадь	круг с диаметром 15 м

Таблица 1.2 - Технические характеристики теплового максимально-дифференциального извещателя пожарного адресно-аналогового

Принцип действия	с микропроцессорным управлением и измерением температуры
Рабочее напряжение	(15В - 30В) пост.
Ток в состоянии покоя	310мА
Ток в состоянии тревоги	(2 ± 1) mA при (15В - 30В пост.)
Соединительные клеммы	Максимальное сечение проводника 2,5 мм2
Температура окружающей среды в дежурном режиме	от -10?С до +55?С
Чувствительность	соответствие EN54/5, класс A1R, A2R, BR
Способ монтажа	через контактное основание (базу) 1100
Габариты (с базой)	100 х 41 мм
Материал корпуса	пластмасса ABS, белая
Масса (с базой)	0,100 кг
Охраняемая площадь	круг с диаметром 10 м

Таблица 1.3 - Технические характеристики ручного извещателя

Напряжение питания	(15-30)V DC
Ток в дежурном режиме	< 290 мкА
Ток в режиме оповещения	(3±1) mA
Степень защиты	IP40
Рабочий диапазон температур	от -10°С до +60°С
Устойчивость в работе при относительной влажности	(93±3)% при температуре 40°С
Габаритные размеры	90х90х44 мм
Масса извещателя с базой	0,200 кг
Тип связывающей проводной линии	двухпроводная, экранированная
Сечение связывающей проводной линии	до 2,5 мм2
Материал	ABS, красный

Таблица 1.4 - Технические характеристики комбинированного извещателя

Принцип действия	Оптический с микропроцессорным управлением и измерением температуры
Рабочее напряжение	(15В - 30В) пост.
Ток в состоянии покоя	310мА
Ток в состоянии тревоги	(2 ± 1) mA при (15В - 30В пост.)
Соединительные клеммы	Максимальное сечение проводника 2,5 мм2
Температура окружающей среды в дежурном режиме	от -10?С до +55?С
Чувствительность	соответствие EN54/5 и 54/1, класс A1R, ARК, BR
Способ монтажа	через контактное основание (базу) 1100
Габариты (с базой)	100 х 52 мм
Материал корпуса	пластмасса ABS, белая
Масса (с базой)	0,100 кг
Охраняемая площадь	круг с диаметром 15 м

1.6 Расчет принципиальной электрической схемы ячейки сети периферийного оборудования системы пожарной сигнализации

1.6.1 Выбор микроконтроллера

Выбор микроконтроллера, используемого в центральном блоке, обусловливается объемом памяти программ, памяти данных, числом портов ввода/вывода быстродействием.

Будем использовать микроконтроллер ATmega.

Оценим объем памяти программ.

Алгоритм функционирования центрального блока в режиме инициализации состоит из 32 элементарный действий. Каждое действие выполняется в среднем с помощью 5 команд. В самом общем случае команда микроконтроллера выбранной серии состоит из 16 разрядов. Объем памяти программ микроконтроллеров ATmega оценивается в 16-разрядный словах. Таким образом, программа, выполняемая центральным блоком в режиме инициализации, займет в памяти программ ячеек памяти.

Алгоритм функционирования центрального блока в режиме тестирования состоит из 35 элементарный действий. Каждое действие также как и в режиме инициализации, выполняется в среднем с помощью 5 команд. Следовательно, программа, выполняемая центральным блоком в режиме тестирования, займет в памяти программ ячеек памяти.

Алгоритм функционирования центрального блока в рабочем режиме состоит из 31 элементарного действия. Каждое действие также как и в режиме инициализации, выполняется в среднем с помощью 5 команд. Следовательно, программа, выполняемая центральным блоком в режиме тестирования, займет в памяти программ ячеек памяти.

Алгоритм функционирования центрального блока при выполнении подпрограммы обработки сигнала датчика состоит из 11 элементарных действий. Каждое действие также как и в режиме инициализации, выполняется в среднем с помощью 5 команд. Следовательно, программа, выполняемая центральным блоком в режиме тестирования, займет в памяти программ ячеек памяти.

Следовательно, вся программа займет

ячеек памяти.

В память программ записываются пять параметров помещения:

1. Коэффициент полезного действия, сгоревшего топлива ;

2. Удельная скорость выгорания ;

3. Теплота сгорания топлива ;

4. Площадь пожара ;

5. Нормальная температура в помещении .

Каждый из указанных параметров помещения займет одну ячейку памяти. Следовательно, параметры помещения займут в памяти программ

ячеек памяти.

При инициализации в память программ записываются адреса датчиков периферийного оборудования. Поскольку система пожарной сигнализации рассчитана на подключение 2016 датчиков, то для записи адресов датчиков необходимо

ячеек памяти.

Таким образом, необходимые исходные данные займут

ячейку памяти.

Всего для текста программы и исходных данных потребуется

ячеек памяти.

Память данных микроконтроллера должна одновременно хранить результаты измерений температуры помещения двумя датчиками, 2 пороговых значения температуры для данного помещения, 2 адреса датчика, адрес центрального прибора или мультиплексора, 2 результата сравнения значений температур с пороговыми значениями, состояние 13 счетчиков циклов, максимальное допустимое число циклов. Таким образом, минимальное число ячеек памяти данных должно быть равно

X = 21.

Оценим необходимое число портов ввода/вывода, требуемое для подключения периферийных устройств к микроконтроллеру.

Для подключения стандартного программатора необходимо задействовать

последовательных порта.

Для организации последовательного интерфейса RS232 необходимо использовать 2 последовательных порта. Учитывая, что с помощью одной шины указанного интерфейса осуществляется обмен с центральными приборами, а с помощью второй шины производится обмен с информационной системой высшего уровня, то необходимо использование

последовательных порта.

Центральный блок должен принимать сигналы, поступающие от типовых ручных пожарных извещателей. Типовые ручные пожарные извещатели представляют собой адресные устройства, поэтому для приема сигналов от них достаточно использовать

последовательный порт ввода. Все ручные пожарные извещатели необходимо подключить к одному шлейфу.

В центрально приборе предусматривается временное хранение информации о показаниях датчиков. Следовательно, необходимо организовать программное управление работой микросхем внешней памяти. Современные микросхемы внешней последовательной памяти имеют 6 выводов, из которых на один подается сигнал выбора микросхемы. Для упрощения процедуры управления подобной памятью на каждый элемент памяти удобно подавать сигнал выбора микросхемы отдельно. Таким образом, для управления внешней памятью необходимо

последовательных портов ввода/вывода, где K -- число микросхем внешней последовательной памяти.

Следовательно, для организации работы устройств, подключаемых к микроконтроллеру центрального блока, необходимо

последовательных портов ввода/вывода.

Выберем микроконтроллер ATmega128 . Данный микроконтроллер имеет 128 кБайт внутрисистемно программируемой флэш-памяти программ, 4096 байт внутреннего статического ОЗУ данных и 4 кБайт ЭСППЗУ для энергонезависимого хранения данных. Тактовая частота микроконтроллера равна 16 МГц и определяется внутренним кварцевым генератором. Потребляемый ток равен 24 мА, при напряжении питания 5 В и тактовой частоте 16 МГц.

Принципиальная электрическая схема ячейки периферийного обородувония представлена на рисунке 1.1. Микроконтроллер включен по рекомендуемой производителем схеме. Частота кварцевого резонатора ZQ1 равна 16 МГц, емкости конденсаторов С2, С3 в соответствии с рекомендациями производителя приняты равными 22 пФ.

При подключении к центральному блоку выносных пультов управления и системы высшего уровня с помощью интерфейса RS232 необходимо обеспечить согласование уровней сигналов микроконтроллера и интерфейса. Для согласования уровней сигналов будем использовать микросхему DD1-DD9 приемопередатчика MAX232 в стандартной схеме включения. Производитель рекомендует емкости конденсаторов С4…C18 принять равными 1 мкФ.

1.6.2 Выбор микросхем внешней памяти

Микросхемы внешней памяти, подключаемые к микроконтроллеру центрального прибора, используются для временного хранения информации,

поступающей от 2166 датчиков температуры, для последующей перезаписи в регистратор параметров рейса. Разрабатываемая система пожарной сигнализации должна передавать сведения о температуре, поступающие от датчиков, системе высшего уровня -- так называемой интегрированной системе ходового мостика. Учитывая достаточно высокую вычислительную нагрузку, возлагаемую на центральный блок, целесообразно организовать запоминание информации о температуре непосредственно в центральном блоке. Время, на которое данные сохраняются в центральном блоке, определяется периодичностью тестирования системы, то есть 1 суток. Как указывалось в первом разделе, погасить пожар можно только в первые 15 минут его развития. Следовательно, для восстановления событий, предшествовавших пожару, достаточно запоминать данные каждые 3 минуты, а после фиксирования факта пожара -- каждую секунду. Будем запоминать показания датчиков во внешней памяти контроллера центрального блока каждые три минуты. Тогда объем памяти, достаточный для временного хранения информации, поступающей от датчиков составит

ячеек памяти.

В настоящее время промышленностью выпускается электрически перепрограммируемая DataFlash-память. С целью экономии выводов микроконтроллера, используемых в качестве портов ввода/вывода удобно использовать DataFlash с последовательным интерфейсом. В нашем случае достаточно использовать 2 микросхемы типа AT45DB161 [13]. Данные микросхемы являются флэш-памятью с напряжением питания 3,3 В и последователь-ным интерфейсом. Каждая микросхема имеет емкость 16 МБайт. AT45DB161 использует последовательный интерфейс SPI для последовательного доступа к данным. DataFlash работает на тактовой частоте SPI до 13 МГц.

Для согласования выходного сигнала микросхем памяти, питающихся напряжением 3,3 В с микроконтроллером, питание которого осуществляется от источника напряжением 5 В будем использовать микросхему MAX3310 [14].

1.7 Требования, предъявляемые к источнику питания системы пожарной сигнализации

Анализ принципиальной электрической схемы системы пожарной сигнализации показывает, что устройства, входящие в ее состав питаются от трех источников: напряжением 5 В, 15 В и 3.3 В.

Рассмотрим устройства, входящие в состав системы пожарной сигнализации и потребляющие ток от источника питания с напряжением 5 В.

В состав системы пожарной сигнализации входят 2016 датчиков, каждый из которых потребляет ток I_д1 = 250 мкА. Каждый датчик обслуживает один микроконтроллер, потребляющий ток I_дм1 = 20 мА. В состав измерительной схемы кроме датчика и микроконтроллера входит устройство питания, состоящее из стабилизатора напряжения, потребляющего ток I_ст1 = 5 мА.

Каждый из 24 групповых приборов, опрашивающих датчики, состоит из 1 микроконтроллера, потребляющего ток I_гп1 = 20 мА. Кроме того, в состав системы входит центральный блок, потребляющий от источника питания с напряжением 5 В ток I_цб = 40 мА.

Используемые в системе компоненты позволяют создать устройства, потребляющие малый ток в режиме ожидания. Ток, потребляемый такими компонентами, составляет 1% от тока, потребляемого в активном режиме.

Рассмотрим, какие компоненты системы задействованы в одном цикле опроса датчиков.

Во время каждого цикла опроса датчиков один групповой прибор опрашивает один датчик. Во время этого цикла в активном режиме находятся два центральных прибора и групповой прибор. Все остальные устройства системы находятся в режиме ожидания.

Определим суммарный ток, потребляемый системой от источника питания напряжением 5 В, во время одного цикла опроса датчиков.

Суммарный ток, потребляемый одним устройством измерения температуры, составляет

I_д1 + I_дм1 + I_ст1 = 250•10^-6+20•10^-3+5•10^-3 = 0,02525 А.

Ток, потребляемый устройством измерения температуры и опрашивающим его контроллером, составляет

I_гп1 + I_д1 + I_дм1 + I_ст1 = 0,02 + 0,02525 = 0,04525 А.

Ток, потребляемый активной частью периферийного оборудования, составляет

I_по = 24•(I_гп1 + I_д1 + I_дм1 + I_ст1) = 24• 0,04525 = 1,086 А.

Общий ток, потребляемый активной частью периферийного оборудования и центральным блоком, определяется как

I_а = I_по + 2 • I_цп1 + I_цб = 1,086 + 0,02 + 0,04 = 1,146 А.

Определим ток, потребляемый пассивной частью системы.

В режиме ожидания находятся 1992 устройства измерения температуры и 38 контроллеров. Таким образом, ток, потребляемый пассивной частью системы пожарной сигнализации составит

I_п = (1992 • (I_д1 + I_дм1 + I_ст1) + 38 • I_мс1) • 0,01 = (1992 • 0,02525 + 38 • 0,02) • 0,01 = 0,5018 А.

Таким образом, суммарный ток, потребляемый от источника питания напряжением 5 В, составит

I_а + I_п = 1,146 + 0,5018 = 1,6538 А.

Определим ток, потребляемый системой от источника питания напряжением 15 В. Основным потребителем энергии источника питания напряжением 15 В является подсистема первичной обработки информации одного датчика, в состав которой входят микроконтроллер, датчик, стабилизатор напряжения, три транзистора. Суммарный ток, потребляемый указанными элементами, составляет 30 мА. Указанные элементы потребляют энергию источника питания напряжением 15 В только во время опроса датчика. Поскольку датчики опрашиваются последовательно, то потребляемый от источника питания напряжением 15 В ток составит 30 мА.



1.8 Алгоритм функционирования системы пожарной сигнализации в режиме инициализации

Инициализация системы производится при установке системы на судно.

Упрощенный алгоритм инициализации, выполняемый контроллером, приведен на рисунке 1.8.

Последовательность действий каждого из трех контроллеров в режиме инициализации состоит в следующем:

1. При включении питания автоматически формируется сигнал сброса контроллера.

2. Контроллер опрашивает порт РВ1 на предмет готовности центрального блока к обмену.

3. Если центральный блок готов к обмену, то осуществляется прием команды опроса датчиков.

4. Контроллер опрашивает датчики и записывает адреса, подключенных датчиков во внутреннее ОЗУ.

5. Контроллер передает адреса датчиков центральному блоку.

6. После завершения передачи адресов выводит в порт РА1 сигнал центральному блоку о завершении инициализации.

7. Центральный прибор переходит в режим ожидания команды от центрального блока.



Рисунок 1.8 -- Алгоритм инициализации, выполняемый контроллером

1.9 Эксплуатация системы судовой пожарной сигнализации

Общие задачи, содержание, систему технической эксплуатации и требования к техническому состоянию судовой системы пожарной сигнализации определяет нормативный документ Украины - Правила технической эксплуатации морских и речных судов. Электрооборудование (КНД 31.2.002.06-96).

Действие авральной сигнализации необходимо проверять не реже одного раза в 10 дней и перед выходом судна в рейс. Использование авральной сигнализации не по прямому назначению запрещается.

Системы сигнализации обнаружения пожара и предупреждения о вводе в действие средств объемного пожаротушения должны постоянно находиться в действии. Вывод из действия систем для устранения неисправностей или выполнения ТО допускается только с разрешения капитана и с предварительным уведомлением вахтенного помощника. При использовании систем необходимо ежедневно проверять величину напряжения питания (основного и резервного), величину тока в лучах.

Для контроля технического состояния систем сигнализации обнаружения пожара следует периодически выполнять проверку действия ручных и автоматических извещателей. Такой проверке не реже одного раза в месяц должны быть подвергнуты по одному извещателю из имеющихся типов в каждом луче системы. Проверке подлежат только извещатели многократного действия.

Испытания извещателей не должны приводить к выходу их из строя. При проверке рекомендуется использование специальных переносных устройств (нагревателей, имитаторов дыма и т.п.). Испытания открытым пламенем запрещаются.

Разборка и ремонт извещателей, содержащих радиоактивные изотопы, должны производиться специализированной береговой организацией.

Проверку в действии автоматического отключения вентиляции и закрытия противопожарных дверей и заслонок (при наличии) по сигналу системы сигнализации обнаружения пожара необходимо выполнять не реже одного раза в год, уведомляя предварительно вахтенного помощника.Во время грузовых операций необходимо принимать меры по обеспечению сохранности пожарных извещателей в трюмах

Для контроля технического состояния систем сигнализации обнаружения пожара следует периодически выполнять проверку действия ручных и автоматических извещателей.Такой проверке должны быть подвергнуты по одному извещателю из имеющихся типов в каждом луче.При ТО1 системы сигнализации необходимо:

-проверить исправность и соотвествие штатной номенклатуре предохранителей и сигнальных ламп

-проверить величину тока в лучах

-проверить в действии втоматическое включение аварийного источника питания (аккумуляторной батареи) при отключении основного источника

-осмотреть ручные и автоматические пожарные извещатели.

Вывод по разделу 1

Разработанная структурная схема судовой системы пожарной сигнализации имеет надежность выше, чем аналогичная по своему назначению система «Фотон-А» за счет применения двукратного функционального резервирования.

С целью увеличения времени безотказной работы разрабатываемого устройства необходимо предусмотреть конструктивное исполнение системы пожарной сигнализации, соответствующее требованиям к электротехническим системам, устанавливаемым на судах.

Размещено на Allbest.ru

...