УСТРОЙСТВО ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ ДЛЯ БОРТОВОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ
FIRE ALARM DEVICE FOR ONBOARD AUTOMATED FIRE EXTINGUISHING SYSTEM

Изобретение относится к пожарной технике, конкретно к устройствам пожарной сигнализации для бортовых систем автоматизированного пожаротушения транспортных средств, например танков, боевых машин пехоты, кораблей, морских и воздушных судов.
Известны устройства пожарной сигнализации для бортовых систем автоматизированного пожаротушения /1÷13/, содержащие датчики тепловых, световых, дымовых, звуковых, обесточивания, короткого замыкания и/или химических сигналов пожара, соединенные через линии связи с обнаружителем пожара. При этом обнаружитель пожара выполнен в виде аналогового или цифрового устройства логической обработки сигналов пожара.
Наиболее близким из известных - «прототипом» изобретения является устройство пожарной сигнализации /13/ для бортовой системы автоматизированного пожаротушения, содержащее не менее одной адресной линии сигнализации о пожаре, соединенной через устройство контроля линии сигнализации с микроконтроллером, причем каждая адресная линия сигнализации о пожаре содержит не менее одного датчика пожара, установленного в огнеопасных зонах транспортного средства.
При этом каждая адресная линия сигнализации о пожаре содержит пожарный извещатель со шлейфом связи типа «витая пара», обеспечивающим защиту линии сигнализации от внешних электромагнитных помех. Устройство контроля линии сигнализации выполнено с функциями фильтра электромагнитных помех, контроля неисправности линии и состояния пожарного извещателя и непосредственно соединено с микроконтроллером. Микроконтроллер выполнен с электропитанием от внутреннего вторичного источника электропитания. Для обеспечения защиты от помех внутренний вторичный источник питания связан с бортовой сетью через источник бесперебойного питания.
Недостаток. Известное устройство пожарной сигнализации для бортовых систем автоматизированного пожаротушения обладает недостаточной надежностью работы из-за трудности распознавания сигналов пожара на фоне вибраций и помех от бортовых электронных, электромеханических и силовых агрегатов транспортного средства.
Задачей изобретения является повышение надежности работы устройства пожарной сигнализации для бортовых систем автоматизированного пожаротушения.
Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является повышение надежности распознавания сигналов пожара.
Сущность изобретения.
Для достижения заявленного технического результата и, как следствие, решения поставленной задачи устройство пожарной сигнализации для бортовой системы автоматизированного пожаротушения, содержащее не менее одной адресной линии сигнализации о пожаре, соединенной через устройство контроля линии сигнализации с микроконтроллером, причем каждая адресная линия сигнализации о пожаре содержит не менее одного датчика пожара, установленного в огнеопасных зонах транспортного средства, согласно изобретению оно дополнительно содержит блок оптоэлектронных ключей гальванической развязки, установленных между микроконтроллером и соответствующими устройствами контроля линии сигнализации, каждая линия сигнализации выполнена в виде контролируемого шлейфа, содержащего не менее двух аналоговых датчиков пожара с добавочными резисторами и оконечный диод, установленный на удаленном конце шлейфа и подключенный обратно полярности датчиков пожара и дежурному току шлейфа, устройство контроля линии сигнализации выполнено по усилительной схеме зеркала тока и с возможностью обнаружения на борту транспортного средства усиленных сигналов «Внимание», «Пожар» и сигналов неисправностей, вызванных коротким замыканием и обрывом проводов линий сигнализации при движении транспортного средства, а микроконтроллер выполнен в виде адаптивного цифрового обнаружителя пожара и снабжен цифровым адаптером для соединения с датчиками технологических параметров бортовой аппаратуры транспортного средства и управления ею по заданному алгоритму, а также снабжен встроенной программой опроса датчиков пожара, программой опроса датчиков технологических параметров борта и программой управления порогами цифрового обнаружителя пожара.
При этом каждое устройство контроля линии сигнализации, выполненное по усилительной схеме зеркала тока и с возможностью обнаружения усиленных сигналов «Внимание», «Пожар» и сигналов неисправностей, содержит положительную и отрицательную шины для подключения контролируемого шлейфа, транзисторный усилитель, выполненный по схеме зеркала тока, первый и второй электронные ключи, блок аналоговых обнаружителей, включающий компаратор «внимание», компаратор «короткое замыкание», компаратор «обрыв», компаратор «пожар», причем первые входы компараторов соединены с положительной шиной подключения сигнального шлейфа, а вторые входы компаратора «внимание», компаратора «короткое замыкание», компаратора «пожар» - с соответствующими точками первого делителя напряжения из четырех постоянных резисторов, установленных в коллекторной цепи транзистора транзисторного усилителя, второй вход компаратора «обрыв» соединен через второй делитель напряжения с отрицательной шиной подключения контролируемого шлейфа и первым контактом первого ключа непосредственно и через диод и резистор - с положительной клеммой источника электропитания, отрицательная клемма которого соединена со вторым контактом первого ключа, между эмиттером и базой транзистора транзисторного усилителя включен диод по схеме прямой подачи тока на базу, при этом цепь подачи тока смещения выполнена с использованием третьего делителя напряжения, средняя точка которого соединена с положительной шиной подключения контролируемого шлейфа, ключи выполнены с цифровым управлением от микроконтроллера, а выходами устройства являются соответствующие сигнальные выходы компараторов.
Доказательство достижения заявленного технического результата и решения поставленной задачи.
Дополнительное введение блока оптоэлектронных ключей гальванической развязки, установленных между микроконтроллером и соответствующим устройством контроля линии сигнализации, позволяют разорвать паразитную помеховую связь электропитающих и сигнальных цепей, заменить шумящие электрические линии связи на бесшумные оптические линии, уменьшить искажение сигналов датчиков пожара и контрольных сигналов при передаче их на микроконтроллер. В свою очередь, это позволяет резко снизить влияние электромагнитных помех бортового оборудования транспортного средства на работу устройства пожарной сигнализации, уменьшить вероятность его ложного срабатывания.
Выполнение каждой линии сигнализации в виде контролируемого шлейфа, содержащего не менее двух аналоговых датчиков пожара с добавочными резисторами и оконечным диодом, установленным на удаленном конце шлейфа и подключенным обратно полярности датчиков пожара и дежурному току шлейфа, выполнение устройства контроля линий сигнализации с применением зеркала тока согласно изобретению и использование микроконтроллера для управления электронными ключами, регистрации состояния компараторов и формирования сигналов тревоги позволяет обеспечить существенное повышение чувствительности и быстродействия схемы контроля и, как следствие, повысить надежность обнаружения сигналов пожара при одновременном снижении вероятности ложных тревог.
Выполнение микроконтроллера в виде адаптивного цифрового обнаружителя пожара и снабжение его цифровым адаптером для соединения с датчиками технологических параметров бортовой аппаратуры транспортного средства и управления ею по заданному алгоритму, а также снабжение встроенной программой опроса датчиков пожара, программой опроса датчиков технологических параметров борта и программой управления порогами цифрового обнаружителя пожара позволяют адаптировать пороги обнаружения пожара в диапазоне скоростей движения транспортного средства, диапазону тепловых и электромагнитных нагрузок его бортового оборудования. Следствием этого является снижение числа ложных срабатываний цифрового обнаружителя пожара и повышение надежности его работы.
В целом указанные преимущества позволяют резко повысить надежность распознавания сигналов пожара и, как следствие, повысить надежность работы устройства пожарной сигнализации для бортовых систем автоматизированного пожаротушения.
Ссылка на чертежи.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства пожарной сигнализации для бортовых систем автоматизированного пожаротушения, а на фиг.2 - пример принципиальной схемы контроля линии сигнализации.
Описание в статике.
5
8
1
2
3
4
Устройство пожарной сигнализации для бортовой системы автоматизированного пожаротушения содержит не менее одной адресной линии 1 сигнализации о пожаре, соединенной по сигналам пожара через устройство 2 контроля линии 1 сигнализации, блок 3 оптоэлектронных ключей 4 гальванической развязки и линию 5 связи с микроконтроллером 6. Каждая адресная линия 1 сигнализации (ЛС) о пожаре выполнена в виде контролируемого шлейфа аналоговых датчиков 7 пожара с добавочными резисторами 8. На удаленном конце каждой ЛС Є {ЛС1÷ЛСN} (далее также как шлейф 1 датчиков 7 пожара) установлен оконечный диод 9, подключенный обратно полярности датчиков 7 пожара и дежурному току линии 1 сигнализации. Устройство 2 контроля линии 1 сигнализации выполнено по усилительной схеме зеркала тока и с возможностью адресного обнаружения в нем усиленных сигналов-предшественников пожара, сигналов пожара и ложных сигналов. Устройство 2 содержит положительную 2.1 и отрицательную 2.2 шины для подключения шлейфа 1, транзисторный усилитель, выполненный на транзисторе 2.3 по схеме зеркала тока, первый 2.4 и второй 2.5 электронные ключи, блок аналоговых обнаружителей, включающий компаратор 2.6 «внимание», компаратор 2.7 «короткое замыкание», компаратор 2.8 «пожар», компаратор 2.9 «обрыв», первые входы которых соединены с положительной шиной 2.1 подключения сигнального шлейфа 1, а вторые входы компаратора 2.6 «внимание», компаратора 2.7 «короткое замыкание», компаратора 2.8 «пожар» - с соответствующими по аналоговому порогу обнаружения точками первого делителя 2.10 напряжения из четырех постоянных резисторов R÷R, установленных в коллекторной цепи транзистора 2.3 транзисторного усилителя. Второй вход компаратора 2.9 «обрыв» соединен через второй делитель 2.11 напряжения (резисторы R÷R) с отрицательной шиной 2.2 подключения контролируемого шлейфа 1 и первым контактом первого ключа 2.4 непосредственно и через диод 2.12 и резистор 2.13 - с положительной клеммой 2.14 источника 2.15 электропитания. Отрицательная (заземленная) клемма 2.16 источника 2.15 соединена со вторым контактом первого ключа 2.4. Между эмиттером и базой транзистора 2.3 транзисторного усилителя включен диод 2.17 по схеме прямой подачи тока на базу транзистора 2.3 и в цепь подачи тока смещения. При этом цепь подачи тока смещения выполнена с использованием третьего делителя 2.18 напряжения (резисторы R÷R), средняя точка которого соединена с положительной шиной 2.1 подключения контролируемого шлейфа 1. Ключи 2.4 и 2.5 устройства 2 выполнены с цифровым управлением от микроконтроллера 6 через оптоэлектронный ключ 10 гальванической развязки, а выходами устройства 2 являются соответствующие сигнальные выходы компараторов 2.6÷2.9. Сигнальные выходы каждого устройства 2 через соответствующий оптоэлектронный ключ 4 гальванической развязки и его оптическую линию 5 связи соединены с соответствующим входным сигнальным портом микроконтроллера 6. Микроконтроллер 6 выполнен в виде адаптивного цифрового обнаружителя пожара и снабжен дополнительными цифровыми адаптерами для соединения с датчиками 11 технологических параметров бортовой аппаратуры транспортного средства, с дисплеем 12, устройством 13 звуковой сигнализации, часами 14 реального времени и соответствующими приемо-передающими модулями, аналого-цифровыми и цифроаналоговыми преобразователями (на фигурах не показано). Микроконтроллер 6 снабжен встроенной и/или съемной флэш-памятью с программой опроса датчиков 7 пожара, датчиков 11 технологических параметров борта, а также снабжен программой управления порогами 6 адаптивного цифрового обнаружителя, встроенного в микроконтроллер 6. Для защиты от бортовых электромагнитных наводок элементы устройства пожарной сигнализации размещены в заземленных токопроводящих корпусах, а их проводные линии связи дополнительно снабжены заземленной токопроводящей обмоткой (на фигурах не показано).
Описание в динамике.
Устройство пожарной сигнализации для бортовой системы автоматизированного пожаротушения работает следующим образом.
По заданной программе микроконтроллер 6 производит циклический опрос состояния устройств 2 контроля на наличие сигналов в их линиях 1 в следующем порядке:
- короткое замыкание (КЗ) линии 1 сигнализации;
- «Пожар»;
- «Внимание»;
- «Обрыв».
Этот порядок опроса определяется приоритетом сигналов. Так, если зарегистрирован сигнал «КЗ», то остальные состояния схемы не опрашиваются. Следует отметить, что при частичном обрыве линии 1 сигнализации (ЛС) и когда в ЛС остаются подключенными минимум два датчика 7, устройство 2 контроля продолжает регистрировать состояния «КЗ», «Пожар» и «Внимание».
Микроконтроллер 6 (далее МК-6) управляет также дисплеем 12, устройством 13 звуковой сигнализации и схемой управления внешними устройствами (на фигурах не показано) в зависимости от состояний линии 1 сигнализации. Кроме того, МК-6 посылает сигнал «Пожар» и номер ЛС по порту UART на блок адресного пожаротушения и (или) на радиомодуль (на фигурах не показано). Микроконтроллер 6 архивирует событие «Пожар» в своей Flach-памяти (номер ЛС, дата, время) с помощью подключенной к нему по линии 15 (шине I2C) микросхемы часов 13 реального времени.
1
2
3
Рассмотрим детальней функционирование устройства 2 контроля линии 1 сигнализации под управлением микроконтроллера 6. В исходном состоянии ключ 2.4 замкнут, а ключ 2.5 устройства 2 разомкнут. В дежурном режиме ток I1, протекающий через диод 2.17 (VD1) и резистор R3 третьего делителя 2.18 напряжения, будет определяться внутренним сопротивлением датчиков 7, которое значительно больше, чем R3. Ток I1 в дежурном режиме составляет на практике единицы мА. Поскольку транзистор 2.3 с диодом 2.17 образуют так называемое зеркало тока, то ток 13 в коллекторной цепи транзистора 2.3 будет приблизительно равен току I1, т.е. незначительным, и напряжения U3, U4, U5 на входах «+» компараторов 2.6÷2.8 (DA1, DA2, DA3) будут (благодаря делителю 2.10 напряжения R5, R6, R7, R8) меньше напряжения U1, которое присутствует на входах этих компараторов. Поэтому на выходах компараторов 2.6÷2.8 (DA, DA и DA) напряжения равны 0.
При срабатывании одного из пожарных датчиков 7 ток I1 увеличивается, а напряжение U1 уменьшается (поскольку сопротивление резистора 8 датчика 7 почти сравнимо с R3). Благодаря свойству зеркала тока 13 также увеличивается. В результате напряжение U3 становится больше U1. На выходе компаратора 2.6 появляется напряжение положительной полярности +U (компаратор срабатывает), а МК-6 регистрирует событие «Внимание».
При срабатывании двух и более пожарных датчиков 7 напряжение U1 еще более уменьшается, а токи I1 и, соответственно, 13 возрастают. Напряжение U4 становится больше U1, и компараторы 2.6 и 2.8 срабатывают, а микроконтроллер 6 (МК-6) регистрирует сигнал «Пожар».
5
1
При коротком замыкании ЛС токи I1 и I3 имеют максимальное значение, U1 практически равно 0 (U>U). Срабатывают компараторы 2.6÷2.8, и микроконтроллер 6 регистрирует событие «КЗ».
1
2
2
1
2
1
2
При проверке микроконтроллером 6 линии 1 сигнализации на обрыв ключ 2.4 (К) размыкается, а ключ 2.5 (К) устройства 2 замыкается. Ток I от источника 2.15 тока течет в основном через оконечный диод 9 (VDoк) и резистор (R4) делителя 2.18, т.к. делитель 2.11 напряжения (R, R) является высокоомным. Напряжение U>U, и компаратор 2.9 (DA4) имеет на выходе напряжение U (DA4)=0.
1
2
При обрыве линии 1 сигнализации ток 12 от источника 2.15 течет только через делитель 2.11 (R, R), напряжение U1 падает (R4<R3) и становится меньше U2. Срабатывает компаратор 2.9, а микроконтроллер 6 регистрирует событие «Обрыв».
Промышленная применимость.
Изобретение разработано на уровне промышленного образца. Его испытания показали, что применение в устройстве 2 контроля линии 1 сигнализации зеркала тока создает существенное преимущество для увеличения надежности работы бортового устройства сигнализации в целом.
Именно увеличение тока I3 в коллекторной цепи транзистора 2.3 с одновременным уменьшением напряжения на линии 1 сигнализации (U1) создает значительные разности между значениями напряжений регистрации событий U3-U4 и U4-U5 (3…5B), что снижает вероятность ложных срабатываний и позволяет избежать применения сложных и недостаточно надежных предварительных (дифференциальных и масштабных) усилителей.
Источники информации
1. ГОСТ Р 53325-2009 "Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования. Методы испытаний".
2. Любимов М.М., С.В. Собурь. Пожарная и охранно-пожарная сигнализация. Проектирование, монтаж, эксплуатация и оборудование. Справочник. Под редакцией академика Любимова М.М. М.: «Пожарная книга», 2008, с.166-178.
3. С.В. Собурь. Установки пожарной сигнализации. Пожарная безопасность предприятия. Справочник. Учебно-справочное пособие., 5-е издание с изменениями и дополнениями. М.: «Пожарная книга», 2006, 280, с.31-56.
4. В.В. Волхонский. Системы охранной сигнализации. СПб.: Экополис и культура. 2005, с.61-75.
5. АЛЕКСАНДРОВ Ю.С. Пожарная безопасность вагонов. - М.: Транспорт, 1988, с.23.
6. СИСТЕМА УПРЕЖДАЮЩЕГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ ТАНКОВ, БОЕВЫХ МАШИН ПЕХОТЫ. RU 97113945, МПК: А62С 3/07, 20.02.1999.
7. КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ПОЖАРОТУШЕНИЯ ТАНКОВ, БОЕВЫХ МАШИН ПЕХОТЫ, САМОХОДНЫХ АРТИЛЛЕРИЙСКИХ УСТАНОВОК Ю.С. БУРДАКОВА. RU 2002116469, МПК: А62С 3/07, 20.04.2004.
8. СИСТЕМА ПРОТИВОПОЖАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОБЪЕКТА. RU 2000131045, А62С 37/00, 20.01.2003.
9. УСТРОЙСТВО АДРЕСНОЙ ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ. RU 2331929, G08B 17/00, 27.01.2008.
10. Система контроля и охраны подвижных объектов. RU 29169, G08B 19/00, 27.04.2003.
11. СИСТЕМА ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПОЖАРОТУШЕНИЕМ В ПОДВИЖНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ. RU 67454, А62С 37/00, 27.10.2007.
12. АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПОЖАРОТУШЕНИЕМ В ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ. RU 77786, А62С 37/00, 10.11.2008.
13. СИСТЕМА ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПОЖАРОТУШЕНИЕМ В ПОДВИЖНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ. RU 93285, А62С 37/00, 27.04.2010.