SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Предупрежден значит вооружен или современные противопожарные системы

ООО “Систем Сенсор Фаир Детекторс”

Предупредить возгорание, а не констатировать - вот основная задача интеллектуальных пожарных извещателей. Так совпадает ли желаемое с действительностью? 

Современное развитие микроэлектроники дало новый импульс в развитии современных пожарных извещателей, что позволило сделать шаг от констатации пожара до предупреждения и анализи очага возгорания. 
Цифровая фильтрация сигналов и стабилизация чувствительности значительно повысили помехустойчивость пожарной сигнализации и снизили практически до нуля вероятность ложных сигналов. Использование микросхем с энергонезависимой памятью привело к возможности хранения как сервисной информации, так и уровня запыленности дымовой камеры.
Таким образом, наряду с улучшением эксплуатационных характеристик, появившиеся в 2004 году интеллектуальные пожарные извещатели обеспечивают пожарную безопасность на более высоком уровне. Кроме того, высокая степень интеграции и использование поверхностного монтажа определили возможность выпуска комбинированных извещателей, с одновременным контролем нескольких различных признаков пожароопасной ситуации.
Принцип дымоопределения

В дымовых точечных оптико-электронных пожарных извещателях используется эффект рассеяния излучения светодиода на частицах дыма. Модель устройства, действующего по этому принципу, показана на рис. 1. 

pic1.jpg

Рис. 1 Дымовая камера с частицами дыма (а) и без (б)

Светодиод располагается таким образом, чтобы исключить прямое попадание его излучения на фотодиод (рис. 1а). При появлении частиц дыма часть излучения отражается от них и попадает на фотодиод (рис. 1б). Здесь наблюдается диффузное рассеяние, которое, в отличие от зеркального, имеет широкую направленность. Подобный эффект возникает при прохождении луча прожектора через облако. Удельная оптическая плотность среды, измеряемая обычно в дБ/м, при которой извещатель формирует сигнал ПОЖАР, называется чувствительностью дымового извещателя. Чем меньший уровень оптической плотности среды вызывает активизацию извещателя, тем выше его чувствительность.

В пожарном извещателе модель, изображенная на рис. 1, реализуется с использованием дымовой камеры и электронной схемы, которая фиксирует порог срабатывания и формирует сигнал ПОЖАР на контрольный прибор. Требования, предъявляемые к дымовым оптико-электронным пожарным извещателям, приведены в НПБ 65-97.
Чувствительность извещателя не должна изменяться от скорости и направления воздушного потока, при изменении напряжения питания (в заданных пределах), от количества срабатываний, от образца к образцу и не должна выходить за пределы 0,05 - 0,2 дБ/м. Кроме того, должна обеспечиваться устойчивость извещателей к внешним воздействиям: климатическим, механическим, к фоновой освещенности от искусственного и естественного освещения величиной не менее 12000 лк.

В НПБ 57-97 приведены требования по помехоустойчивости и помехоэмиссии, т.е. извещатель должен сохранять работоспособность при воздействии электромагнитных помех и электростатических разрядов, а также сами не должны являться источником электромагнитных помех. К этому необходимо добавить обеспечение стабильности параметров, в первую очередь, - чувствительности, при отсутствии ложных срабатываний в процессе эксплуатации в течение не менее 10 лет.

pic2.jpg

Рис. Пожарные извещатели серии ECO 1000, дымовой, тепловой, комбинированный

Принцип действия оптико-электронных пожарных извещателей определяет сильное влияние на его чувствительность и помехоустойчивость формы дымовой камеры, ее цвета, структуры поверхности и диаграмм направленности светодиода и фотодиода и их взаимного расположения в пространстве. При отсутствии дыма минимальный уровень сигнала должен поступать на фотодиод. Для этого камера должна иметь черный цвет и матовую поверхность. Конструкция дымовой камеры должна одновременно обеспечивать свободный проход воздуха и значительное ослабление излучения от внешних источников света. Требования противоречивые, и их достаточно полное выполнение возможно при значительных затратах на исследовательские работы, на математическое и натурное моделирование.

Кроме того, неизбежное накопление пыли, как правило, серого цвета, на стенках дымовой камеры приводит к повышению сигнала фотодиода, что вызывает ложные срабатывания. Излучение светодиода отражается от запыленных стенок оптической камеры так же, как от частиц дыма. Этот эффект определяет необходимость периодического проведения технического обслуживания дымовых оптико-электронных извещателей, заключающегося в разборке извещателя и чистке его дымовой камеры.

Современные пороговые ПИ

В пороговых ПИ нового поколения эффективность повышается за счет использования сложных алгоритмов обработки, экранировки электронной схемы и фотодиода, разработки оригинальной конструкции дымовой камеры в сочетании с реализацией оптимальных характеристик направленности свето- и фотодиода. Для примера рассмотрим пожарные извещатели нового поколения SYSTEM SENSOR (серия неадресных пороговых извещателей ЕСО1000, которые выпускаются на московском заводе “Систем Сенсор Фаир Детекторс”). Чувствительность дымового канала извещателей порядка 0,1 дБ/м, задымление с таким уровнем оптической плотности вызывает ослабление света только на 2,3 % на дистанции в 1 метр. При этом обеспечивается высокая защита от внешних воздействий, в том числе от пыли, а также высокая надежность работы. Важно отметить, что для достижения данных показателей необходимо постоянно контролировать качество извещателей, на каждой технологической операции. Все 100% дымовых и комбинированных извещателей должны проходить тест в калиброванной камере с дымом, выделяемым при тлении специального хлопчатобумажного фитиля. Здесь, кроме проверки общего функционирования в реальных условиях, контролируется параметр, связанный с чувствительностью извещателей, - время включения режима “Пожар” с начала задымления. Замечу, что компания “SYSTEM SENSOR” является единственным производителем пожарных извещателей, у которой каждый выпущенный дымовой извещатель прошел испытание в реальных условиях - тест в дымовой камере. Кроме того, часть извещателей из каждой партии ежедневно проходит испытание на прецизионной дымовой установке.

Технологичность извещателей и высокая унификация серии ЕСО1000 определили снижение цены извещателей нового поколения при расширении функциональных возможностей и при улучшении эксплуатационных характеристик. Так, например, дымовой извещатель ЕСО1003 более чем в 2 раза дешевле извещателя 100-й серии 2151Е. Кроме того, в комбинированных извещателях ЕСО1002 (ИП212/101-2-A1R) простейшая логика ИЛИ (т.е. срабатывает или дымовой, или тепловой канал) заменена интеллектуальным алгоритмом обработки данных от обоих каналов. В извещателе реализован метод прямого измерения температуры окружающей среды и скорости ее нарастания при помощи малоинерционного термочувствительного элемента и встроенного таймера. Использование микропроцессора с 8-разрыдным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) обеспечивает точность измерений. Номинальный ток в дежурном режиме дымового ЕСО1003 (ИП212-58) не более 70мкА, теплового максимально-дифференциального ЕСО1005 (ИП101-2-A1R) не более 80 мкА, комбинированного ЕСО1002 (ИП212/101-2-A1R) не более 85 мкА, напряжение питания от 8 до 30 В, что позволяет их использовать в системах пожарной и охранно-пожарной сигнализации. Широкий диапазон рабочих температур от - 30°С до + 70°С обеспечивает возможность эксплуатации извещателей серии ECO1000 в отапливаемых и неотапливаемых помещениях.
p_2.jpg
Извещатели серии ЕСО1000 выполнены на специализированных интегральных микросхемах “АSIC”, разработанных совместно с ведущей швейцарской фирмой “EM MICROMARIN”. Электрическая схема извещателей полностью выполнена на элементах поверхностного монтажа (SMD) с минимальным типоразмером 0402 (1х0,5 мм), что позволило исключить ручной труд и возможные ошибки при монтаже. Круглые контактные площадки, которые хорошо видны на рис. 2, используются для подключения игольчатых контактов при проведении компьютерного тестирования. 
В процессе тестирования осуществляется контроль номиналов всех элементов, статические и динамические характеристики устройства. Использование высококачественной элементной базы и современная технология монтажа определяют высокую надежность работы извещателя и долговременную стабильность всех его параметров, в том числе и чувствительности в реальных условиях.

Высокая интеграция и миниатюризация позволили выполнить практически все электрические соединения в одном слое печатной платы и использовать второй слой для экранировки. Такой способ экранировки более эффективен, по сравнению с обычной экранировкой. Как известно, проводники, расположенные на заземленной проводящей поверхности, не излучают и не принимают электромагнитные сигналы. Кроме того, как и во всех других оптико-электронных извещателях SYSTEM SENSOR, в извещателях серии ECO1000 заэкранирован фотодиод извещателя. Без экранировки входных цепей усилителя сигнала, выводов и корпуса фотодиода практически невозможно избавиться от наводок от внешних электромагнитных помех и избежать ложных срабатываний без загрубления чувствительности извещателя. Даже в обычном офисном или жилом здании может появляться значительный уровень электромагнитных помех от работы мобильных и офисных радиотелефонов, от включения и выключения различных силовых установок, от работы мобильных средств связи различных служб и т.д.

При этом возможно как прямое детектирование электромагнитных сигналов на входных цепях усилителя сигнала фотодиода, так и наводки на другие электрические цепи извещателя и на шлейфы сигнализации. Незначительное запыление дымовой камеры или уход порога срабатывания приводят к увеличению вероятности “ложняка”. Наличие ложных срабатываний следует классифицировать как неисправность системы пожарной сигнализации, наравне с отказом или снижением чувствительности извещателя. Для решения этой проблемы некоторые производители приемно-контрольных приборов используют алгоритм перепроверки активизации извещателей, реализация которого требует дополнительных затрат времени, приводит к более позднему оповещению о пожаре и только усложняет процедуру выявления неисправного ПИ.
p_3.jpg
Высокая интеграция и миниатюризация позволили сконструировать дымовую камеру увеличенного объема с улучшенной вентилируемостью без увеличения габаритных размеров извещателя. Абсолютно круглая в горизонтальной плоскости форма оптической камеры обеспечивает одинаково высокую чувствительность извещателя при поступлении дыма с любого направления (рис. 3). Форма пластинок, расположенных по периметру дымовой камеры, выбрана исходя из требований максимального ослабления фонового освещения как от светодиода оптопары, так и от наружных источников света: обеспечивается четырехкратное переотражение внешнего излучения и практически полное его затухание.

Вместе с тем, незначительное аэродинамическое сопротивление определяет отсутствие снижения чувствительности при малых скоростях воздушного потока. Корпус дымовой камеры отливается из пластика черного цвета, а по ее периметру со стороны печатной платы в ту же форму, для обеспечения прочности соединения, добавляется красный пластик. Этот слой эластичного пластика красного цвета обеспечивает герметизацию электронной схемы извещателя и ее влагозащиту. Сигнал от кристалла индикаторного светодиода, расположенного на плате, передается через световод, установленный в корпусе дымовой камеры, также через эластичный пластик. Обеспечена широкая диаграмма направленности излучения и высокая яркость индикатора в режиме “Пожар” при любом рабочем напряжении питания. Предусмотрена возможность подключения выносных светодиодных индикаторов, постоянная яркость свечения которых обеспечена стабилизацией тока.

Специально для этой серии датчиков фирмой “LITE ON” были разработаны инфракрасные светодиоды и фотодиоды с отъюстированными оптическими осями и узкими диаграммами направленности. Кроме того, их оригинальная конструкция обеспечивает точную установку на плате при использовании SMT монтажа. Узкая направленность светодиода позволяет создать высокий уровень освещения в центральной части дымовой камеры в секторе ± 100 и снизить освещения боковых стенок камеры. Диаграмма направленности фотодиода также имеет ширину примерно ± 100 с направлением максимума в центральную часть дымовой камеры. Таким образом, обеспечивается снижение фонового сигнала, принимаемого фотодиодом за счет переотражения от стенок камеры, и увеличение сигнала при появлении дыма. Повышение направленности оптопары эквивалентно увеличению усиления системы и соответственно - увеличению отношения сигнал/фон. Точная юстировка оптических осей при установке кристаллов светодиодов и фотодиодов определяет стабильность чувствительности извещателей.
p_4.jpg
Тестовое включение извещателя в режим “Пожар” производится дистанционно с расстояния до 6 метров при передаче кодированного сигнала с лазерного тестера ЛТ (рис. 4) на индикатор, этим обеспечена простота и удобство включения теста. Использование недорогого ЛТ позволило отказаться от применения лестниц, шестов и других громоздких приспособлений при тестировании извещателей.

Неадресные интеллектуальные пожарные извещатели

В более сложных неадресных пожарных извещателях, так называемых интеллектуальных извещателях, реализуются более сложные алгоритмы обработки информации, анализируется динамика процесса, данные накапливаются в энергонезависимой памяти в течение длительных периодов времени. Но самое главное отличие - это наличие доступа к текущим результатам обработки информации. Таким образом, не только обеспечивается стабилизация чувствительности в процессе эксплуатации, но и появляется возможность определения уровня запыления дымовой камеры, а также уровня задымления при воздействии, например, сигаретного дыма, контроль состояния извещателя. Стабилизация чувствительности позволяет повысить эффективность ПИ за счет установления более высокой, в рамках допустимого, чувствительности, на уровне 0,07 - 0,08 дБ/м, с возможностью ее дискретной регулировки.

В процессе эксплуатации возможно изменение чувствительности извещателя, причем как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Например, накопление пыли на стенках черной дымовой камеры изменяет ее цвет на серый. Соответственно увеличивается сигнал, принимаемый фотодиодом в нормальных условиях, т.е. возникает тот же эффект, как при появлении дыма. Разница заключается в скорости протекания процессов. Загрязнение оптопары снижает уровень сигналов свето- и фотодиода, что вызывает снижение чувствительности. Медленные изменения фонового сигнала на выходе фотодиода компенсируются соответствующим изменением порога срабатывания (рис. 5), при этом обеспечивается стабилизация чувствительности. Кроме того, извещатель с адаптивным порогом позволяет просто реализовать достаточно глубокий контроль работоспособности извещателя.

pic6.jpg
Рис. 5 Адаптивный порог

При тестировании контролируется положение адаптивного порога: тест положителен, если величина адаптивного порога не выходит за пределы работоспособности системы автокомпенсации, а его относительное положение показывает степень запыления дымовой камеры. Использование адаптивного порога, кроме сохранения уровня чувствительности в процессе эксплуатации, позволяет увеличить интервалы времени между техническим обслуживанием, прогнозировать сроки его проведения, а также обеспечить более высокий уровень защиты от помех.

Например, в серии извещателей ПРОФИ используется специализированная микросхема с 8-разрядным (256 дискретов) аналогово-цифровым преобразователем и с энергонезависимой памятью EEPROM емкостью 128 бит. Объем EEPROM позволяет, кроме хранения данных для стабилизации чувствительности, записать дату выпуска извещателя, дату последнего технического обслуживания, режим работы извещателя.

В извещателях серии ПРОФИ можно использовать три дискретных уровня чувствительности дымового канала: повышенная 0,08 дБ/м, средняя 0,12 дБ/м (заводская установка), пониженная 0,16 дБ/м, что позволяет настраивать систему под объект. Более высокая чувствительность может использоваться в чистых помещениях, пониженная в пыльных помещениях обеспечивает снижение эксплуатационных расходов. В неадресных извещателях ПРОФИ реализован автоматизированный контроль работоспособности: при дистанционном тестировании, с расстояния до 6 метров, лазерным тестером ЛП производится автодиагностика и анализ положения адаптивного порога. Включение красного индикатора извещателя и формирование сигнала ПОЖАР происходит только при отсутствии загрязнения дымовой камеры и при отсутствии падения уровня чувствительности.
pic7.jpg
Рис. Пожарные извещатели серии ПРОФИ

Режимы работы, запись и считывание информации извещателя производятся через индикатор извещателя при помощи многофункционального пульта дистанционного управления (МПДУ) (Рис. 6) непосредственно или с использованием ретранслятора ИКР. В извещателях используется двухцветный индикатор: красный - ПОЖАР, мигает зеленый (опция) - дежурный режим. При помощи МПДУ считывается / записывается дата выпуска, дата технического обслуживания, уровень чувствительности, текущие значения контролируемых параметров в процентах и уровень запыления с дискретом 10% (рис. 6).

Серия ПРОФИ состоит из дымового оптико-электронного извещателя ИП212-73 (ПРОФИ-О), теплового максимально-дифференциального извещателя ИП 101-31-A1R (ПРОФИ-Т), теплового максимального извещателя на 78°С ИП 101-32-В (ПРОФИ-Т78) и комбинированного дымового-теплового извещателя ИП 212/101-4-A1R (ПРОФИ-ОТ).
Широкий диапазон рабочих температур от - 30°С до + 70°С обеспечивает работу в отапливаемых и неотапливаемых помещениях.
pic8.jpg
Рис. 6  Многофункциональный пульт дистанционного управления

В серии ПРОФИ предусмотрен профессиональный набор аксессуаров для тестирования и технического обслуживания. 
Применение инфракрасного ретранслятора (ИКР) с трехметровой телескопической штангой XP-3 позволяет устанавливать, снимать, тестировать и перепрограммировать извещатели ПРОФИ на высоте до 4,5 метров в процессе эксплуатации. 
В заключение можно отметить, что улучшение технических характеристик, расширение функциональных возможностей и улучшение эксплуатационных характеристик пороговых извещателей нового поколения ЕСО1000 и ПРОФИ, достигнутые при одновременном повышении их технологичности и унификации элементной базы. Причем это не повлияло на их цену, что особенно важно для российского рынка. Так, например, оптико-электронный извещатель "ПРОФИ-О" по цене не отличается от дымового 2151Е предыдущего поколения, а извещатель ЕСО1003 более чем в 2 раза дешевле.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(8)_2005

Игорь Неплохов,
ООО “Систем Сенсор Фаир Детекторс”, г. Москва,
тел.: (095) 937-7982, факс:(095) 937-7983 
e-mail: info@systemsensor.ru