Алгоритмы работы дымовых пожарных извещателей. По следам круглого стола

Круглый стол, который прошел в рамках выставки «Охранная и пожарная автоматика» 29 августа 2007 года, посвященный изменениям в НПБ 882001*, затронул много наболевших вопросов. К сожалению, отведенного времени не хватило, чтобы обсудить их достаточно подробно. Не все смогли выступить и внести свои предложения...

Например, прозвучало предложение ввести новый пункт: «12.ХХ. Сигналы о неисправности шлейфов сигнализации или извещателей, включенных в шлейф, не должны препятствовать формированию сигналов о пожаре от других шлейфов или извещателей». Конечно, было бы неплохо, но надо заметить, что требования НПБ должны быть технически выполнимыми. Во первых, неясно, как можно обеспечить формирование сигналов о пожаре от извещателей, если в шлейфе замыкание либо обрыв? Во вторых, даже если сам шлейф исправен, то, согласно требованиям норм пожарной безопасности, необходимо обеспечить передачу сигнала об изъятии извещателя, который во всем мире формируется путем имитации обрыва шлейфа. Другими словами, требование невыполнимо и делает невозможным выполнение других требований норм, т. е. противоречит действующим нормам пожарной безопасности.

Другой пример – по поводу обязательного запроса состояния адресного пожарного извещателя: «адресным» предложено считать только такой извещатель, который «по запросу с адресного ПКП … передает извещение о своем состоянии…». Сегодня все согласны с тем, что нормы пожарной безопасности должны содержать требования к выполняемым функциям, а не к конкретным техническим решениям, чтобы добиваться желаемых результатов и одновременно не ограничивать технический прогресс. Применительно к адресным системам сигнализации – неважно: аналоговым, пороговым, радиосистемам – такой функцией является сбор информации от извещателей, что позволяет ПКП принимать решения о выдаче команд управления. При этом запрос состояния извещателей может быть, а может и не быть. В тех системах, где отсутствует запрос от ПКП, извещатели самостоятельно выходят на связь. Разрешение конфликтов при выходе на связь одновременно нескольких извещателей обеспечивается конструкторскими решениями, которые вполне жизнеспособны и являются более дешевыми, т.к. связь односторонняя. Ярким примером такой системы сигнализации, созданной более десяти лет назад, является американская радиосистема ОПС SpreadNet компании Intellisense (Волхонский В.В. Устройства охранной сигнализации. – СПб., 2001). Система поддерживает одновременно до 8096 извещателей с дальностью действия 1,6 км (1 миля), время доставки сообщений – до 30 с, время обнаружения неисправных извещателей – до 4 мин.

Поэтому в определении адресных из вещателей введение обязательного требования к ПКП делать запрос данных от извещателя является необоснованным, ставящим одних производителей оборудования в исключительные условия по отношению к другим, не менее успешным.

К слову, извещатели в указанной системе умеют контролировать разряд своих батарей. Поэтому они заблаговременно выдают сигнал о необходимости их замены (раз в пять лет) и им не требуется резервный источник питания (вторая батарея), наличие которого за круглым столом предлагают включить в нормы пожарной безопасности в качестве обязательного требования. По сути, предъявляемое к проводным приборам требование автономной работы (в случае аварии) распространили на те приборы, которые изначально являются автономными.

По причине невозможности всестороннего обсуждения такого комплекса проблем на страницах периодического издания, в этой статье мы постараемся рассмотреть детально всего один, но исключительно важный вопрос, связанный с принципами действия и применением дымовых точечных пожарных извещателей.

АЛГОРИТМ РАБОТЫ И ОСНОВНОЙ НЕДОСТАТОК ПОРОГОВЫХ ИЗВЕЩАТЕЛЕЙ

В настоящее время наибольшее распространение получили дымовые извещатели, действие которых основано на эффекте рассеяния света. Эти извещатели имеют простую конструкцию, что позволяет при относительно невысокой стоимости получить хорошие технические характеристики.

Основой извещателя является оптическая камера (рис. 1), прозрачная для воздушных потоков и защищенная от внешних источников света. Светодиод и фотоприемник расположены внутри нее таким образом, что прямое излучение от светодиода не попадает на фотоприемник благодаря непрозрачной перегородке (рис. 1а). Внутренняя поверхность камеры выполнена светопоглощающей, поэтому отраженное от стенок излучение так же почти не попадает на приемник. При появлении дыма свет рассеивается на нем (рис. 1б), и сигнал на фотоприемнике резко возрастает аналогично тому, как это происходит, когда свет фар вдруг наталкивается на полосу тумана.

Извещатели имеют высокую чувствительность, что достигается благодаря большому отношению «сигнал/шум», т. е. отношению сигналов при наличии и отсутствии в камере дыма. Так, извещатели выдают сигнал «Пожар» при уровне задымленности, незаметном для глаза (соответствует поглощению излучения 14 на каждый метр), и могут уверенно различать даже более низкие концентрации дыма.

Простейшие извещатели этого типа, так называемые пороговые извещатели, до сих пор занимают основную долю рынка дымовых извещателей – до 8090. Пороговыми их называют потому, что они выдают сигнал «Пожар» при превышении уровнем задымленности некоего заданного порогового значения, и это единственное, что они умеют делать.

Сам по себе пороговый принцип определения критического уровня задымленности не содержит в себе ничего плохого – точно так же работают линейные извещатели и даже большинство адресно-аналоговых, которые сначала точно измеряют величину уровня задымленности, а затем опять же сравнивают ее с заданным порогом.

В чем же основной недостаток пороговых извещателей, из-за которого они навлекают на себя столько критики? Этот изъян заложен в самом принципе работы извещателя и заключается в отсутствии признаков его работоспособности: в дежурном режиме извещатель не выдает никаких сигналов (рис. 1), т. е. отсутствие сигнала считается нормой. В результате невозможно отличить состояние «Норма» от состояния «Неисправность», и мы никогда не знаем реальное состояние системы пожарной сигнализации. С этим, по-видимому, связана печальная статистика пожаров, 50 которых происходит на объектах, оборудованных пожарной сигнализацией.

АЛГОРИТМЫ АДРЕСНО-АНАЛОГОВЫХ ИЗВЕЩАТЕЛЕЙ

В 70-80-е годы с развитием микроэлектроники появились сложные логические микросхемы, в том числе интегральные аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Это стало основой для создания извещателей нового типа, которые входили в состав адресной системы пожарной сигнализации, измеряли величину уровня задымленности и преобразовывали его в цифровой код. Мощности логических микросхем еще не хватало для обработки информации внутри извещателя, а процессоры были дорогими и требовали мощного питания, поэтому код по цифровой линии связи передавали на приемноконтрольный прибор (ПКП), оснащенный мощным процессором, способным обработать информацию от всех извещателей.

Такие извещатели, которые сами не принимают никаких решений, а лишь передают данные о задымленности на ПКП, стали называть «адресно-аналоговыми».

Немного о терминологии. По определению «аналоговый» сигнал означает «изменяющийся непрерывно», в отличие от цифрового (дискретного) сигнала, который изменяется скачкообразно. Для понимания необходимо различать два последовательных процесса: собственно измерение задымленности и передачу информации от извещателя на ПКП. Схематично способ измерения и передачи сигнала на ПКП для извещателей разного типа показан на рисунке 2. В адресно-аналоговых извещателях (рис. 2б) измерение уровня задымленности осуществляется аналоговым способом, а передача сигнала на ПКП – цифровым. В пороговых неадресных извещателях (рис. 2а) – наоборот, измерение сигнала дискретное (цифровое), а передача на ПКП – аналоговая. Поэтому словосочетание «адресно-аналоговый», хотя и прижилось благодаря своей благозвучности, но вносит некоторую путаницу в понятия, потому что слова «адресно-аналоговый», по определению, относятся к передаче данных на ПКП, тогда как эта передача производится вовсе не аналоговым, а цифровым способом.

Наверное, имелось в виду, что на ПКП здесь передается измеренное аналоговое значение, хотя и в цифровом виде. Если это действительно так, то решающее значение имеет не то, каким способом передают сигнал, а то, каким способом его измеряют – дискретным или аналоговым. Давайте этот вывод запомним и вернемся к нему позже.

С появлением адресно-аналоговых из вещателей возникло много ожиданий, связанных с достижением нового качества системы за счет групповой обработки в ПКП информации от разных извещателей для построения полей распространения задымленности. Однако в действительности реализовать такой механизм не удалось, т.к. для этого потребовалось бы установить в каждом помещении большое количество извещателей для расчета эпюр направлений и скоростей движения фронта задымленности. При этом неясен выбор критериев для формирования сигнала о пожаре – что считать пожаром? Если тот же самый порог задымленности, как требуют НПБ, то все остальное теряет смысл. Более того, трудно найти столько специалистов для построения математических моделей помещений, к тому же модели могут легко меняться при перестановке мебели, при проветривании, открывании дверей, работе кондиционеров и т.п.

В связи с этим групповая обработка информации для построения полей задымленности осталась нереализованной и ПКП по-прежнему анализирует раздельно информацию от каждого извещателя. Это создало предпосылки для проведения полной обработки сигнала непосредственно в извещателе, что более соответствует современным представлениям о делегировании и разделении полномочий между компонентами системы пожарной автоматики.

О НОРМАХ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Рассмотрев основные преимущества и недостатки различных конструкций и алгоритмов работы пожарных извещателей, мы можем обсудить требования норм пожарной безопасности, которые к ним могут быть предъявлены. Общее замечание – недопустимы требования применять какую-либо конкретную конструкцию извещателей, например, адресно-аналоговый или иной алгоритм работы извещателей. Требования должны отражать те функции, тот результат, который мы намерены обеспечить в каждом случае, предоставив свободу выбора любой системы сигнализации, способной эти требования выполнить – адресной, неадресной, аналоговой, интерактивной или любой другой.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к системам пожарной сигнализации, является надежность определения возгорания, для дымовых извещателей – задымленности: система не должна «пропустить» пожар и выдать сообщение о нем (не путать с «ложными» сообщениями о пожаре – это другая тема). В связи с тем, что основным условием обеспечения эксплуатационной надежности, как было показано выше, является наличие системы самотестирования (автоматической диагностики), требования к применению различных типов извещателей должны отталкиваться именно от этого признака.

Для пороговых извещателей п. 12.16 НПБ 8801* требует установки не менее двух извещателей в помещении, за счет чего достигается приемлемая во многих случаях надежность работы системы, обеспечиваемая низкой вероятностью выхода из строя одновременно двух извещателей. Предполагается, что хотя бы один останется в рабочем состоянии.

Равная по значению величина вероятности отказа при использовании только одного извещателя сегодня не может быть достигнута: расчеты показывают, что вероятность наработки на отказ такого извещателя должна быть не менее 1,3 млн. часов (примерно 150 лет). К тому же, вероятностный подход, как указывалось, не удовлетворяет запросам эксплуатации. В жизни необходимо учитывать и другие, эксплуатационные причины отказов – запыления, протечки, покраски и т. п., которые реально не позволят получить такую вероятность отказа даже в том случае, если подобный извещатель будет создан. Проще пойти другим путем.

Для извещателей с системой самотестирования действует п. 12.17, который позволяет устанавливать один извещатель при выполнении некоторых условий. На мой взгляд, коррекции требуют два подпункта – «б» и «в». Требование п. 12.17.б) звучит так: «Обеспечивается автоматический контроль работоспособности пожарного извещателя, подтверждающий выполнение им своих функций с выдачей извещения о неисправности на приемно-контрольный прибор». Это все равно, что требовать от мертвого, чтобы он сообщал «Я умер», – легче требовать от живого, чтобы он передавал: «Я жив».

Слово «неисправности» в подпункте «б» необходимо заменить на слово «исправности», иначе основное требование данного пункта – автоматический контроль работоспособности пожарного извещателя – не будет выполняться.

Требование п. 12.17.в): «Обеспечивается идентификация неисправного извещателя приемно-контрольным прибором». Требование неоправданно избыточное: зачем приемно-контрольному прибору это знать? Что он может по этому поводу предпринять? Он может отремонтировать извещатель? (Способ резервирования мы здесь не рассматриваем, т.к. п. 12.17 решает противоположную задачу – как обойтись без резервирования).

Итак, для приемно-контрольныго прибора функция идентификации неисправного извещателя абсолютно бесполезна. А для кого она важна? Наверное, для дежурного персонала! Так и надо написать: «п. 12.17.в) обеспечивается идентификация неисправного извещателя дежурным персоналом». Или еще лучше: «п. 12.17.в) обеспечивается идентификация неисправного извещателя за допустимое время» (см. п. 12.17д).

Кто является конечным получателем информации о неисправности извещателя? (Справка: конечный получатель информации – тот, кто принимает решение о последующих действиях и осуществляет эти действия для достижения конечного результата). Конечным получателем информации о неисправности является вовсе не прибор, а дежурный, который идентифицирует неисправный извещатель, а затем осуществляет все необходимые действия по устранению неисправности за «допустимое время» (см. п. 12.17д). Он и должен обеспечить конечный результат – работающую исправную систему. И бесполезно поручать это прибору.

Дежурному будет достаточно, если приемно-контрольный прибор даст обобщенную информацию о неисправности с указанием шлейфа, а уточненную информацию он может получить от индикатора на самом извещателе. Точно так же мы получаем информацию о пожаре, если несколько помещений оборудовано одним шлейфом (п. 12.13 НПБ 8801*). Ведь никто не станет утверждать, что о неисправности нужно получать информацию более точно и быстро, чем о пожаре – это противоречит принципу приоритета сигнала о пожаре. Достаточно будет, если о неисправности мы будем получать информацию тем же способом и за такое же время, как и информацию о пожаре.

А вот понятие «допустимое время» необходимо раскрыть, т. к. оно имеет решающее значение при выборе способов обнаружения и устранения неисправности и определяет способность системы «не пропустить» пожар. Основной принцип такой: время обнаружения и устранения неисправности должно быть существенно меньше, чем время развития пожара, тогда мы получим возможность «не пропустить» пожар. Определение допустимого времени было дано в Проекте редакции изменений и дополнений к НПБ 882001*: «Допустимое время – время с момента получения сигнала о пожаре дежурным до наступления предельных значений опасных факторов пожара..., достаточное для поиска места возникновения пожара и принятия мер по эвакуации людей».

Если время обнаружения неисправности, так же как время ее устранения, «превышает допустимое, то функции технической системы должны выполнять люди или должно быть приостановлено штатное функционирование объекта». При расчетах допустимого времени учитывается время блокирования путей эвакуации опасными факторами пожара за вычетом времени эвакуации и времени сборов перед эвакуацией.

На мой взгляд, это направление исследований применительно к развитию норм пожарной безопасности сегодня является одним из наиболее перспективных и требует дальнейшего более глубокого изучения, т. к. оно напрямую определяет результат и эффективность действия систем пожарной сигнализации, позволяет оптимально выбирать конструктивные решения и алгоритмы работы извещателей, правильно проектировать и эксплуатировать объекты.

АЛГОРИТМЫ ИНТЕРАКТИВНЫХ ИЗВЕЩАТЕЛЕЙ

В 90-е годы появились дешевые микроконтроллеры со сверхмалым токопотреблением, пригодные для установки непосредственно в извещатель. На их основе в прошлом десятилетии было создано следующее поколение извещателей, которые получили название «интерактивные», и сегодня эти извещатели выпускаются многими ведущими мировыми фирмами. Для примера можно назвать такие известные в России торговые марки, как Esser, Algorex, Autronica и др.

Интерактивные извещатели (рис. 2в) измеряют аналоговое значение уровня задымленности, оцифровывают его, самостоятельно обрабатывают сигнал по заданным алгоритмам и передают результат (свое состояние: «Норма», «Пожар», «Предупреждение о пожаре», «Неисправность», «Запыленность» и др.) по цифровой линии связи на ПКП. Как видим из рисунка, алгоритм работы по сравнению с адресно-аналоговыми системами почти не изменился, просто устройство логической обработки сигнала теперь расположилось не в ПКП, а в извещателе. В то же время ПКП может управлять работой извещателя, подавая ему команды, например, установки той или иной чувствительности. Эти извещатели не передают «сырой» сигнал на ПКП, а обрабатывают информацию сами, т.е. уже не являются адресно-аналоговыми.

Можно привести примеры интерактивных адресных извещателей, в которых установлены одновременно три детектора – тепловой, дымовой оптический и ионизационный; производится комплексный анализ нескольких факторов пожара, и с помощью логической обработки обеспечивается равная чувствительность к шести тестовым пожарам. Все это делает сам извещатель и передает на ПКП состояния: «Норма», «Неисправность», «Пожар».

Адресно-аналоговые и интерактивные извещатели не удается объединить в одном определении, как это предложили сделать за круглым столом, пытаясь идти в ногу со временем: «Адресно-аналоговый пожарный извещатель... передает извещение и о своем состоянии (дежурный режим, пожар, неисправность) и количественную характеристику контролируемого фактора пожара, с принятием решения... о пожаре в ПКП». Решение о пожаре невозможно одновременно принимать и в извещателе, и в ПКП: наличие двух центров принятия решения приведет к конфликтам в системе автоматики. Как говорится, «два капитана – корабль тонет». В связи с этим, если возникнет необходимость дать определение адресно-аналоговым извещателям, одновременно придется дать определение и более современным интерактивным извещателям, которые как раз отличаются от адресно-аналоговых тем, что «передают извещение о своем состоянии... в ПКП». А также другим известным типам извещателей, например, неадресным извещателям с аналоговым измерением сигнала (рис. 2г).

Таким образом, на сегодняшний день идея групповой обработки сигналов от извещателей себя не оправдала и реально не применяется, и поэтому, по сути, безразлично, где принимать решение о пожаре – в ПКП, как сделано в адресно-аналоговых системах сигнализации, или в извещателе – как в интерактивных. Это нельзя указать в НПБ как обязательное требование – это должна быть свобода выбора для конструкторов аппаратуры. Сейчас, действительно, самые сложные логические обработки сигнала, позволяющие снизить вероятность ложных срабатываний, можно проводить в извещателе – не обязательно это делать в ПКП, перегружая его процессор и замедляя реакцию системы.

Возникает вопрос: какие же преимущества мы получили, создав адресно-аналоговые, а затем интерактивные извещатели взамен пороговых? Даже участники круглого стола сетуют на то, что адресно-аналоговые извещатели хоть и проводят аналоговое измерение сигнала, но решение о пожаре все равно принимается по факту преодоления некоторого порога задымленности, т.е. точно так же, как и в простых пороговых извещателях, – ведь других критериев пожароопасной ситуации у нас пока нет. За что мы тогда боролись?

ИЗВЕЩАТЕЛИ С СИСТЕМОЙ САМОТЕСТИРОВАНИЯ

Как указывалось выше, основной недостаток пороговых извещателей – это отсутствие признаков работоспособности в дежурном режиме, связанное с тем, что отсутствие сигнала от извещателя считается нормальной работой. Никакое, даже очень низкое, значение вероятности отказа извещателя не убедит нас в том, что тот конкретный извещатель, который сейчас охраняет наше помещение, находится «на боевом посту». Для того чтобы мы были уверены в надежности охраны, нам нужно точное знание того, что наш извещатель в данный момент работает. Это понимание надежности при эксплуатации оборудования имеет в своей основе иную философию, чем понимание надежности при производстве тех же извещателей. Вероятностная теория надежности, разработанная в начале прошлого столетия в период становления серийного производства, очень удобна для его анализа, но при эксплуатации вероятностный подход плохо работает: нам нужно точное знание относительно конкретных устройств. И такое знание может дать только автоматическая система диагностики. Мы уже привыкли к оконечным резисторам в шлейфах сигнализации, которые позволяют непрерывно контролировать их исправность – попробуйте представить себе жизнь без них.Например, если мы вместо прямого контроля шлейфов будем рассуждать о вероятности их пребывания в исправном состоянии. Однако в отношении пороговых извещателей мы до сих пор миримся с их непредсказуемостью.

На мой взгляд, основное преимущество адресно-аналоговых и интерактивных извещателей заключается именно в создании автоматической системы диагностики, или системы самотестирования. Основана такая система на том, что в этих извещателях измерение сигнала производится аналоговым путем (рис. 2б, 2в, 2г), и в результате возникает возможность измерять малые сигналы. Для определения исправности извещателя используется несовершенство конструкции его оптической камеры, стенки которой не полностью поглощают излучение светодиода. Анализ отраженного от стенок слабого сигнала позволяет сделать заключение о работоспособности оптопары и оптической камеры извещателя. Кроме того, логический анализ слабых сигналов позволяет предупредить ложные срабатывания извещателя, например, при загрязнении оптической камеры. Эта возможность возникает в связи с измерением аналогового сигнала в самом извещателе и никак не связана с фактом и способом передачи или непередачи этой информации в полном объеме на ПКП, т.к. неважно, где производится обработка информации – в извещателе или в ПКП. Важно выполнение функции системой в целом, а конкретный способ распределения обязанностей между извещателем и ПКП имеет второстепенное значение.

Таким образом, проблема надежности защиты от пожара была решена с помощью адресно-аналоговых, а затем интерактивных систем сигнализации, но только для относительно крупных бизнес объектов. На малых объектах эти системы оказались нерентабельными в силу высокой стоимости. Тем не менее, малые объекты во всем мире по прежнему оборудуются неадресными системами с пороговыми извещателями, а поскольку таких объектов большинство, то мы и получаем ту статистику пожаров, о которой говорили выше.

В 2003 году появились извещатели с аналоговым измерением задымленности и системой самотестирования (рис. 2г), предназначенные для работы с неадресными шлейфовыми ПКП, и решение для защиты малых объектов было найдено. Точно так же, как интерактивные, эти извещатели проводят аналоговое измерение уровня задымленности, оцифровывают его, проводят логическую обработку сигнала и передают на неадресный ПКП свое состояние («Норма», «Пожар», «Неисправность»). Дополнительный сигнал о неисправности извещатель передает путем автоматического изъятия самого себя из шлейфа сигнализации – стандартный сигнал, который принимает любой ПКП.