СИСТЕМА ПОЖАРНОГО МОНИТОРИНГА НА ОБЪЕКТАХ ЭНЕРГЕТИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОМАГНИТНЫХ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ КИСЛОРОДА

Зыков В. И., Левчук М. С., Крупин М. В., Копылов Н. П., Цариченко С. Г.

СИСТЕМА ПОЖАРНОГО МОНИТОРИНГА НА ОБЪЕКТАХ ЭНЕРГЕТИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОМАГНИТНЫХ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ КИСЛОРОДА

В статье описан вариант систем радиоканального мониторинга раннего обнаружения пожара на особо опасных объектах. Сформулированы технические требования к его структуре, определены основные составляющие. Представлен термомагнитный газоанализатор кислорода, используемый в системе радиоканального мониторинга безопасности объектов энергетики в качестве датчика обнаружения минимально допустимого уровня кислорода в воздухе рабочей зоны.

Ключевые слова: энергетика, система радиоканального мониторинга, пожарная безопасность, радиооборудование, датчик, кислород, термомагнитная конвекция.

Zykov V., Levchuk M., Krupin M., Kopylov N., Tsarichenko С.

SYSTEM OF FIRE MONITORING IN POWER ENGINEERING PREMISES USING THERMOMAGNETIC GAS ANALYZERS OF OXYGEN

The article deals with one kind of radio channel monitoring system for early detection of fires in high-risk facilities. It describes technical requirements of the radio channel monitoring system and identifies its major components. The thermomagnetic gas analyzer of oxygen is used for radio channel monitoring of safety at power engineering premises as a sensor for detection of minimum acceptable level of oxygen in the working area.

Keywords: power engineering, radio channel monitoring, fire safety, radio equipment, sensor, oxygen, thermomagnetic convection.

Одной из главных задач обеспечения безопасности объектов энергетики является контроль над производственными процессами. В современных условиях повышение эффективности реагирования подразделений пожарной

охраны и аварийно-спасательных служб на локальные ЧС возможно только при изменении технологии сбора, обработки и передачи информации персоналу. Применение радиоканальных систем раннего обнаружения пожаров и других ЧС обусловлено спецификой обеспечения противопожарной защиты объектов энергетики: территориально разнесёнными производствами, линиями электропередачи, теплосетями, газовыми сетями и т. п.

Низкое качество телефонной связи, отсутствие телефонных линий или же их нестабильность зачастую делают невозможным или экономически нецелесообразным использование традиционных систем пожарно-охранной сигнализации. Использование радиоканала для передачи сообщений о загораниях повышает надёжность системы сигнализации, позволяет снизить её стоимость по сравнению с проводными системами сигнализации аналогичного класса. Широкое применение радиосистем дальнего радиуса действия для пожарного мониторинга стало свершившимся фактом. Радиосистемы данного класса оказались востребованы на рынке в силу следующих особенностей:

- независимость от наличия проводных линий телефонной связи;

- быстрота развёртывания в конкретных условиях организации радиосвязи;

- относительно низкая стоимость центрального и объектового оборудования.

Основными целями построения системы адресного радиоканального мониторинга безопасности объектов являются:

- раннее обнаружение пожаров с последующей автоматической передачей сигнала по радиоканалу непосредственно диспетчеру в центр единой дежурно-диспетчерской службы (ЕДДС) города;

- полное исключение человеческого фактора при сообщении о пожаре или ЧС;

- возможность отображения всех событий у диспетчера ЕДДС в реальном времени;

- повышение оперативности реагирования на угрозу или возникновение ЧС, информирования населения, эффективности взаимодействия привлекаемых сил и средств, их постоянной готовности и слаженности совместных действий.

Предлагаемая система адресного радиоканального мониторинга безопасности объектов «Стрелец-Мониторинг» для контроля состояния потенциально опасных объектов обладает следующими преимуществами:

- частотный диапазон;

- дальность действия надёжной радиосвязи;

- наличие средств постоянного двухстороннего контроля рабочего диапазона частот по обнаружению помех при работе с ним;

- конфигурация радиосети (количество и расположение центров ЕДДС и радиоретрансляторов);

- информационная ёмкость системы мониторинга;

- разнообразие модельного ряда абонентского оборудования;

- средства контроля и диагностики системы радиомониторинга.

В крупных населённых пунктах с большим количеством объектов радиоканал обеспечивает надёжную связь, и при этом отсутствует плата за трафик.

Анализ статистики ложных срабатываний показывает, что их минимальное количество наблюдается при оборудовании объекта беспроводной сигнализацией с двухсторонним протоколом.

Основным каналом связи в системе «Стрелец-Мониторинг» является двухсто-

ронний радиоканал на выделенных специально для МЧС России частотах. Также могут использоваться телефонные проводные сети, каналы сотовой связи GSM, каналы сотовой связи GPRS и IP-сети.

Опыт внедрения системы «Стрелец-Мониторинг» подтвердил оправданность выбора двухстороннего радиоканала МЧС как основного канала связи. При возникновении ЧС на объекте независимо от действий персонала диспетчерской службы в центр ЕДДС города или в дежурно-диспетчерскую службу района поступает сигнал (угроза пожара или ЧС) с указанием адреса объекта энергетики, карты местности, подъездных путей к объекту и инженерных коммуникаций. Все события отражаются в реальном времени у диспетчера ЕДДС, что обеспечивает своевременное принятие им управленческих решений и, соответственно, позволяет значительно снизить ущерб от пожаров и ЧС.

На основании положительных результатов опытной эксплуатации и приёмочных испытаний программно-аппаратного комплекса (ПАК) системы радиоканального мониторинга, обработки и передачи данных об угрозах и рисках развития крупных пожаров и ЧС в зданиях и сооружениях энергетики система «Стрелец-Мониторинг» была принята на снабжение в системе МЧС России. Функции государственного заказчика ПАК «Стрелец-Мониторинг» были возложены на департамент пожарно-спасательных сил, специальной пожарной охраны и сил гражданской обороны МЧС России [1].

Радиопроводная система адресно-аналоговой пожарной сигнализации и оповещения «Стрелец-Мониторинг» -это семейство микросот, охватывающих защищаемый объект (см. рис. 1). Каждая микросота программно-аппаратного комплекса может функционировать самостоятельно, а в её состав входят следующие составные элементы системы: приёмно-контрольный прибор; 32 охранных, пожарных или технологических радиоизвещателя; 16 исполнительных

Радиоизвещатели (до 32 шт.Я

№ 3

№ 15

ПУ-Р

СЛ «Радуга 2А/4А» СЛ «Радуга-3» СЛ «Аккорд-512»

Уровень 0

Уровень 1

12

Уровень 2

11 12

13

31 « » »

Уровень 3

311 312 313 < * *

Уровень 4

Уровень 5

3111 3112 3113 3114

О

31311

0

3

I

Рисунок 1. Структурная схема и ёмкость адресно-аналоговой радиосистемы пожарной сигнализации «Стрелец-Мониторинг»

радиоустройств (речевые и звуковые оповещатели, релейные модули); 16 радиоустройств управления (жидкокристаллические и светодиодные пульты, брелоки); проводные устройства управления. Максимальная дальность связи внутри микросоты в открытом пространстве составляет 600 м.

Ключевыми техническими характеристиками системы являются микросотовая топология, 10 радиоканалов с автоматической сменой частот в диапазонах 433 и 868 МГц, алгоритмы борьбы с помехами и замираниями. Эти и другие технические решения позволяют достичь высокой ёмкости, помехоустойчивости, надёжности системы и обеспечивают её функционирование в диапазоне рабочих температур от -30 до +55 °С в течение длительного периода времени работы от батарей (5 лет).

По двум цифровым интерфейсам к приёмно-контрольному прибору могут

быть подключены коммуникаторы, блоки выносной индикации и дополнительные проводные релейные выходы (см. рис. 2). Кроме того, при необходимости увеличения количества радиоизвещателей, радиомодулей или обеспечения охраны помещений, которые находятся за пределами рабочего радиуса одного приёмно-контрольного прибора, можно по радиоканалу объединить отдельные микросоты в единую систему.

Приёмно-контрольное устройство, находящееся в вершине системы, выполняет роль координатора радиосети, который осуществляет контроль состояния всех её устройств; обработку, протоколирование и отображение поступающей информации; обмен данными с персональным компьютером (ПК) и проводными приборами. Координатор также получает сигналы управления от устройств управления, ПК, либо внешнего приёмно-контрольного прибора

Центр управления кризисными ситуациями

Единая дежурно-диспетчерская служба

Центр технического мониторинга

1Р канал Мониторинговая

4 ^ компания

Пожарная часть Пожарная часть

Ретранслятор Ретранслятор

Комплект 1 Комплект 2

Объекты защиты

Т ГО Т ГО ^Г Л Т го Т го Т го

N N N N N N

Объекты защиты

Рисунок 2. Структура программно-аппаратного комплекса «Стрелец-Мониторинг»

и передаёт управляющие команды своим собственным устройствам, либо другим приёмно-контрольным приборам.

Радиосистема передачи информации (РСПИ) «Стрелец-Мониторинг» представляет собой распределённую радиосеть, охватывающую населённый пункт. Топология радиосети произвольная, максимальное количество участков ретрансляции - 15, максимальное общее количество приёмопередающих станций в радиосети - 8191.

Приёмопередающие станции РСПИ объединяет уникальный код радиосистемы, который содержит число, находящееся в диапазоне 00-РР (шестнадцатеричный формат), выбираемое случайным образом при создании конфигурации системы. Код системы недоступен для изменения пользователем.

Каждая станция имеет уникальный адрес внутри своей сети, который задаётся на этапе инсталляции (конфигурирования) и используется для маршрутизации пакетов внутри сети.

После установки объектовая станция (ОС) подключается к радиосети и прокладывает маршруты к пультовым станциям, находящимся в базовом режиме.

Пультовая станция обеспечивает приём извещений от ОС; передачу на ОС команд управления объектовым оборудованием; обмен данными с ПК в составе автоматизированного рабочего места (АРМ); отображение состояния станции.

После включения питания и перехода в рабочий режим пультовая станция (ПС) начинает приём информации от объектовых станций.

Объектовая станция обеспечивает следующие возможности: передачу извещений от объектового оборудования к ПС; приём от ПС команд управления объектовым оборудованием; ретрансляцию извещений на другие ОС для доставки на пультовую станцию; отображение состояния станции.

Максимальное количество объектовых станций в радиосистеме - 8 191.

После включения ОС проводит процедуру регистрации в системе - нахождение маршрута к пультовой станции. Эта операция осуществляется автоматически.

Данные показывают, что радиоканальная система «Стрелец-Мониторинг» является надёжной альтернативой традиционным проводным системам пожарной сигнализации и может быть использована для защиты практически любого объекта энергетики.

Одним из параметров, контролируемых системой пожарного мониторинга на объектах энергетики, определяющих их пожарную безопасность, является содержание кислорода в воздухе рабочей зоны объекта. Проверка на кислород очень важна при работе в ограниченных или замкнутых пространствах, так как нахождение в помещениях объекта энергетики технического персонала без защиты органов дыхания (при условии, что нет никаких ядовитых воздействий) требует нормальных концентраций кислорода в воздухе для дыхания (приблизительно 21 %).

Назначение газоанализатора воздуха рабочей зоны - это обеспечение безопасных условий труда технического персонала. С помощью таких приборов можно определять пригодность воздуха для дыхания, что необходимо, в первую очередь, для колодцев, шахт, кабельных коллекторов и других помещений объектов энергетики. Кроме того, эти приборы пригодны для обнаружения в замкнутых пространствах объектов энергетики горючих и токсичных газов, представляющих угрозу для здоровья персонала, а также появления взрывоопасных концентраций горючих газов.

Принцип работы термомагнитных газоанализаторов кислорода в газовой смеси основан на использовании явления термомагнитной конвекции кислородо-содержащего газа в неоднородном магнитном поле при наличии в нём температурного градиента.

Термомагнитная конвекция кислорода в неоднородном магнитном поле объясняется тем, что магнитная восприимчивость кислорода в сотни раз превышает магнитную восприимчивость других газов. На единичный объём газовой смеси, содержащей парамагнитный газ (кислород), действует сила термомагнитной конвекции, направленная в сторону падения напряжённости магнитного поля Н [2]:

где х1, Х2 - объёмные магнитные восприимчивости газовой смеси при температурах Т1 и Т2 , определяются выражением:

Т0Р XI ~ *7-»2 Л Ро

ЗС2 = СХс

Тп2Р

ЪГ ,

'гРо

где р0 - плотность при Т0 = 273 К и Р0 = 760 мм рт. ст.; х0 - объёмная магнитная восприимчивость при тех же условиях; С - относительная концентрация кислорода в смеси; P - давление газовой смеси.

Из приведённых выражений (1) и (2) следует, что сила, действующая на парамагнитный газ (кислород), определяется следующим образом:

ры=с%Х

т2

1 )р „(1Н

п-

йх

Т2

2

Ро

Видим, что сила термомагнитной конвекции зависит от достаточно большого числа параметров, не имеет максимума и существенно зависит от произведения НdH/dx. Это указывает на необходимость моделирования структуры магнитного поля постоянных магнитов измерительной системы газоанализатора для определения оптимальной формы магнитов и оптимального же расположения чув-

ствительных элементов относительно магнитов для получения максимального значения величины Fм. При этом исключается влияние теплопроводности неопределяемых компонентов смеси и давления, за счёт чего достигается максимальная чувствительность прибора.

Известные газоанализаторы имеют в качестве чувствительных элементов датчики из платиновой проволоки в стеклянной оболочке длиной 10-12 мм, что требуется для обеспечения чувствительности массивных магнитов и повышенного напряжения питания моста. С той же целью измерительная система выполняется по мостовой схеме с двумя чувствительными элементами (рабочим элементом, помещённым в зазор магнитной системы, и сравнительным). Всё это приводит к увеличению габаритов и массы прибора. Кроме того, данные газоанализаторы имеют сильно выраженную нелинейную характеристику, что затрудняет калибровку прибора.

Чувствительный элемент предлагаемого газоанализатора представляет собой спираль из 5-6 витков проволоки толщиной 10-12 мкм в сплавленной термостойкой оболочке 1-1,5 мкм сопротивлением 32-36 Ом [3]. Он установлен в зазор постоянных магнитов из электротехнической стали с высоким значением магнитной проницаемости. Спираль чувствительного элемента приваривается на токопроводящие проводники, установленные в транзисторные стойки. Такой чувствительный элемент имеет малые, почти точечные размеры, что позволяет устанавливать его в любое место магнитной системы. Для обеспечения высокого уровня чувствительности необходимо найти такое расположение элементов в магнитном поле постоянных магнитов, в котором термомагнитная сила будет максимальной, а следовательно, будет максимальным поток кислорода, обтекающий чувствительный элемент.

Поскольку аналитически определить конфигурацию наконечников магнитов,

Рисунок 3. Расчётная модель магнитной системы: 1 - стальные наконечники; 2 - постоянный магнит Ш^в-В; 3 - немагнитное окружающее пространство; 4 - граница расчётной зоны

при которой достигается максимум произведения НdH/dx, не представляется возможным, то для определения наилучшей геометрии магнитов было проведено моделирование магнитного поля на ЭВМ для различных форм магнитов. В качестве постоянных использовались наиболее распространённые цилиндрические магниты на основе Nd-Fe-B толщиной 3 мм и диаметром 18 мм, на которые накладывались стальные наконечники соответствующей формы. Немагнитная часть измерительной системы выполнялась по форме аналогично магнитной из алюминия и располагалась симметрично скосами наконечников к внешним краям. Сравнительный чувствительный элемент помещался

в аэродинамические условия, аналогичные условиям рабочего элемента, но при отсутствии магнитного поля (алюминиевые наконечники той же конфигурации, что и наконечники магнитной системы).

Оптимизация размеров и конфигурации магнитной системы прибора термодинамической конвекции газов проводилась с использованием программы ЛЫЭУЭ, которая является наиболее мощным средством расчёта магнитных и других полей [4, 5]. В программе ЛЫЭУЭ была построена двухмерная расчётная модель (рис. 3), оптимизация размеров и конфигурации которой проводилась методом планирования эксперимента [6].

Как показали результаты экспериментальных исследований, кривая НdH/dx около максимумов имеет очень крутые характеристики [3]. Поэтому необходимо располагать чувствительные элементы в местах, где НdH/dx максимально.

По результатам проведённых экспериментальных и теоретических исследований трёх вариантов магнитной системы обоснован выбор вариантов конструкции магнитной системы, обладающих максимумом целевой функции оптимизации НdH/dx [3].

Разработанный термомагнитный газоанализатор кислорода предлагается использовать в системе радиоканального мониторинга безопасности объектов энергетики в качестве первичного элемента - датчика обнаружения минимально допустимого уровня кислорода в воздухе рабочей зоны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Приказ МЧС России от 28 декабря 2009 г. № 743 «О принятии на снабжение в системе МЧС России ПАК "Стрелец-Мониторинг"».

2. Павленко В. А. Автоматические газоанализаторы. - М., 1961.

3. Крупин М. В., Зыков В. И. Термомагнитный принцип детектирования кислорода в газовых смесях // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация - 2012. -№ 1. - С. 19-23.

4. Каплун А. Б., Морозов Е. М, Олферье-ва М. A. ЛЫБУБ в руках инженера: Практическое руководство. - М.: Едиториал УрСС, 2003.

5. Басов К. A. ЛЫБУБ в примерах и задачах / Под общ. ред. Д. Г. Красковского. - М., 2002.

6. Асатурян В. И. Теория планирования эксперимента. - М.: Радио и связь, 1983.

7. Зыков В. И, Левчук С. А. Концепция построения комплексной радиоканальной системы адресного мониторинга безопасности объектов. - М., 2008.