СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ И ЦЕЛОСТНОСТИ ШЛЕЙФА
METHOD FOR MONITORING OF CONDITION AND INTEGRITY OF LOOP CIRCUIT

Изобретение относится к области автоматики, а именно к системам пожарной и охранно-пожарной сигнализации, и предназначено для контроля состояния охранно-пожарного шлейфа (т.е. состояние пожарных извещателей, включенных в охранно-пожарный шлейф), а также для контроля целостности шлейфа (т.е. цел ли сам шлейф). Следует пояснить, что понятие «шлейф» означает соединительные провода по всей длине охраняемого контура от приемно-контрольного прибора до последнего пожарного извещателя, а понятие «контроль» в соответствии со словарем Ожегова означает «проверка, а также постоянное наблюдение в целях проверки или надзора за работой» в нашем случае за работой охранно-пожарного шлейфа (см. С.И.Ожегов и Н.Ю.Шведова «Толковый словарь русского языка» 4-е издание, дополненное, М.: Азбуковник, 1997, с.292).
Широко распространен способ проверки целостности шлейфа путем подачи через шлейф напряжения (знакопостоянного, либо знакопеременного), поступающего на включенный в конец шлейфа постоянный оконечный резистор, при этом контроль целостности шлейфа идет непрерывно во времени, и о целостности шлейфа судят по наличию тока, протекающего через оконечный резистор в случае исправности шлейфа (см. способ пожарной сигнализации, описанный в работе системы, книга автора Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации. М.: Стройиздат, 1985, с.205-222). В этой системе различным состояниям шлейфа (дежурный режим, обрыв, короткое замыкание, срабатывание пожарного извещателя) соответствуют определенные заранее значения сопротивлений шлейфа и соответственно токов в нем. Приемно-контрольный прибор анализирует значение тока в шлейфе и переходит в соответствующий режим «Норма», «Пожар», или «Неисправность». Подобные системы просты по конструктивному исполнению и пригодны для защиты объектов простой планировки. Главный недостаток в работе такой системы в том, что основная часть тока шлейфа протекает через оконечный резистор и используется только для контроля целостности шлейфа, а не для питания пожарных извещателей, что ограничивает коэффициент полезного действия (КПД) энергии в таком шлейфе практически на 50%, т.к. протекающий постоянно при работе шлейфа ток оконечного резистора для уверенного распознавания приемно-контрольным прибором режима неисправности шлейфа должен быть больше, чем общий суммарный ток всех пожарных извещателей, включенных в шлейф.
Известен «Способ защиты шлейфа с оконечным резистором контрольной панели охранной сигнализации от несанкционированного вмешательства» (см. выложенную заявку на изобретение РФ №2003133434 от 5.11.2003, G08B 1/00). Следует отметить, что в охранных системах вопрос целостности шлейфа очень актуален. С целью исключения возможности сознательно блокировать работу такого шлейфа для несанкционированного проникновения в охраняемое помещение, в данном способе контроль целостности охранного шлейфа осуществляется двумя способами, во-первых, по току через оконечный резистор, во-вторых, с помощью специального - внешнего по отношению к приемно-контрольному прибору - Устройства Контроля Состояния Шлейфа (далее - УКСШ) и активного оконечного устройства. В техническом решении по заявке на изобретение РФ №2003133434 для выполнения задачи надежного контроля целостности шлейфа в обоих способах используют одну среду обмена информацией о целостности шлейфа - сам шлейф. Поэтому для передачи и выделения сигналов в процессе обмена информацией УКСШ и активного оконечного устройства задействованы приемопередатчики. Поскольку способ контроля целостности шлейфа по току оконечного резистора рассмотрен выше, остановимся на рассмотрении способа с активным оконечным устройством. Для осуществления способа контроля целостности шлейфа с использованием УКСШ и активного оконечного устройства производятся следующие действия:
1) в Приемно-Контрольной Панели к клеммам шлейфа с оконечным резистором подключают УКСШ, а в конце шлейфа параллельно с оконечным резистором подключается активное оконечное устройство;
2) между УКСШ и оконечным устройством происходит периодический обмен Информационными Посылками через шлейф в следующем порядке:
а) в УКСШ Генератор Случайных Чисел (блок 4) формирует Информационную Посылку и передает ее в Приемо-Передатчик (блок 1), также находящийся в УКСШ, который передает эту посылку в шлейф и Шифратор УКСШ (блок 2), который преобразует Информационную Посылку с помощью секретного Ключа; с выхода Шифратора измененная Информационная Посылка попадает в Устройство Сравнения (блок 5), где хранится некоторое время;
б) на другом конце шлейфа Приемо-Передатчик, входящий в состав активного оконечного устройства, принимает Информационную Посылку и передает ее в Шифратор оконечного устройства (аналогичный таковому же в УКСШ), который преобразует Информационную Посылку с помощью секретного Ключа, совпадающего с секретным Ключом в УКСШ, - результаты преобразования в УКСШ и оконечного устройства в конечном итоге должны совпасть. Результирующая шифрованная Информационная Посылка поступает обратно в Приемо-Передатчик оконечного устройства, оттуда в шлейф, причем передачу информационной последовательности в оконечное устройство и затем назад в УКСШ производят с временным сдвигом, для временного разделения;
в) зашифрованная в оконечном устройстве информационная последовательность через шлейф поступает в Приемо-Передатчик УКСШ, а из него - в Устройство Сравнения УКСШ (блок 5), где уже хранится исходная информационная последовательность, зашифрованная в УКСШ (см. а). Далее производят сравнение хранящихся и принятых из оконечного устройства данных, в случае совпадения делается вывод о целостности шлейфа и работоспособности оконечного устройства;
3) при систематическом несовпадении сравниваемых данных или отсутствии ответных информационных последовательностей из оконечного устройства, Устройство Управления УКСШ (блок 3) делает вывод о нарушении шлейфа и подает в Исполнительное Устройство УКСШ (блок 6) команду на формирование тревожного сигнала в шлейфе;
4) контрольная панель - охранный прибор получает сигнал тревоги через шлейф и переходит в состояние «Тревога».
Рассмотрев способ защиты шлейфа от несанкционированного вмешательства с использованием и оконечного резистора и активного оконечного устройства, реализующих повышенную степень защиты, можно сделать вывод о его высокой надежности, однако такие сложности способа приводят к дополнительным затратам энергии на процесс контроля - повышенным даже по сравнению с неэкономичным способом с оконечным резистором. Способ, несомненно, очень сложен, и в его задачи не входит экономия электроэнергии, что, безусловно, оправдано в охранных системах, так как с таким сложным оконечным устройством, содержащим оконечный резистор и активное оконечное устройство, удается принципиально повысить надежность работы охранной сигнализации (при использовании большого количества отличающихся друг от друга секретных ключей). Доля энергопотребления в этом шлейфе на контроль целостности более 50%, т.к. контроль идет двумя способами на оконечном резисторе (50%) и сверх того на активном оконечном устройстве. Но, при больших энергозатратах на контроль целостности шлейфа, маловероятно несанкционированное вмешательство в работу такого шлейфа, т.к. придется попробовать выполнить одно из следующих действий (для доказательства оправданности больших >50% энергозатрат на контроль целостности шлейфа перечислим эти действия):
1) подобрать оконечное устройство с секретным кодом, совпадающим с кодом установленного в шлейфе оконечного устройства, и переключить шлейфы, однако имеется возможность сделать количество кодов достаточно большим, вплоть до полного исключения возможности подбора;
2) проанализировать принцип шифрования и воспроизвести его с помощью внешних дополнительных средств, хотя для осложнения этой задачи можно выбрать один из достаточно защищенных алгоритмов;
3) составить список ответов оконечного устройства на все возможные посылки УКСШ, хотя для осложнения этой задачи можно увеличить длину информационной посылки и, следовательно, количество возможных отличающихся посылок.
Однако все эти сложности, которые к тому же приводят к дополнительным затратам энергии на процесс контроля целостности шлейфа, не нужны в пожарном шлейфе, где стоит задача увеличения количества пожарных извещателей в шлейфе, с целью обеспечения контроля на больших площадях, например, производственных помещений. В пожарных шлейфах остро встает вопрос экономии энергии, которая обычно тратится на контроль целостности шлейфа, с последующим ее использованием для питания дополнительных пожарных извещателей.
Известен способ адресного опроса пожарных извещателей, включенных в шлейф, описанный в работе «Устройства для пожарной сигнализации» (см. патент Японии №3563254 B2, 11175859 A, G08B 17/00 от 11.12.1997 г.). Этот способ реализован устройством для пожарной сигнализации, содержащим шлейф с параллельно подключенными адресными пожарными извещателями и оконечным устройством (элемент 9 на рисунке патента Японии №3563254) и приемно-контрольный прибор, который производит последовательно их опрос. Оконечное устройство в конце линии, так же как и пожарные извещатели, дает ответ в линию по запросу приемно-контрольного прибора. Решение о целостности шлейфа и о его состоянии принимается при наличии ответов от адресных пожарных извещателей и от активного оконечного устройства, причем, решение о пожаре принимают по ответам от пожарных извещателей, а о целостности шлейфа - по ответу от активного оконечного устройства. Несомненно, к достоинствам адресного способа контроля состояния и целостности шлейфа относится экономичность процесса контроля целостности шлейфа и высокая достоверность результатов анализа, поскольку адресный способ контроля позволяет установить состояние каждого датчика шлейфа и при этом опознать его местоположение по адресу. К достоинствам способа адресного опроса в процессе контроля, на наш взгляд, можно отнести простоту построения схемы устройства, реализующего этот способ. А к недостаткам относятся дороговизна пожарных извещателей, способных реализовать данный способ, и сложный обмен информацией по шине. На наш взгляд, если скорость обмена большая - снижается надежность связи и увеличивается влияние помех на шлейф. Если скорость обмена маленькая, то период циклического опроса пожарных извещателей будет недопустимо большим, кроме того, при данном способе контроля сложная процедура установки системы на объекте (обычно все датчики настраиваются вручную). Серьезные проблемы возникают при обрыве/замыкании шлейфа, сразу выходит из строя большое число датчиков, для снижения такой опасности отдельные части шлейфа развязывают через специальные буферные усилители-согласователи на случай, если в какой-то из частей произойдет замыкание, то откажет только часть цепи шлейфа.
Наиболее близким, выбранным в качестве прототипа является «Способ сигнализации» по патенту РФ №2078376 от 15.07.1991, G08B 25/00, G08B 19/00. При проверке целостности шлейфа данным способом, формируют знакопеременный сигнал, подают его на активное оконечное устройство через шлейф с включенными в него пожарными извещателями, при помощи которого формируют дополнительный сигнал в виде последовательности импульсов, где с заданным периодом следуют импульсы с параметром, отличным от аналогичного параметра остальных импульсов в периоде, при этом дополнительный сигнал от оконечного устройства подают опять же через шлейф сигнализации к приемно-контрольному прибору. В моменты отсутствия дополнительного сигнала, формируемого активным оконечным устройством, из поступившего в шлейф знакопеременного сигнала с помощью пожарных извещателей шлейфа формируется информационный сигнал, в котором в зависимости от состояния включенных в шлейф пожарных извещателей изменяется характер последовательности импульсов, по результатам анализа которого формируют суждение о состоянии шлейфа и включенных в него пожарных извещателей.
Для выявления отличий заявляемого нами способа от выбранного прототипа рассмотрим «Способ сигнализации» по патенту №2078376 (прототип) подробнее. Следует отметить, что принятый за прототип «Способ сигнализации» включает в себя и контроль целостности шлейфа, и контроль состояния пожарных извещателей в нем. Причем говорить о контроле целостности шлейфа имеет смысл только в нормальном состоянии шлейфа, когда пожарные извещатели пассивны, поскольку любое тревожное состояние (пожар, тревога) имеют приоритет по сравнению с повреждением шлейфа.
Целостность шлейфа сигнализации контролируется по периодическому изменению формы знакопеременных импульсов, вызываемому воздействием активного оконечного устройства на поступающие через шлейф к оконечному устройству импульсы. Для этого (для периодического изменения формы импульсов) входное напряжение шлейфа, прошедшее через выпрямитель активного оконечного устройства (см. Фиг.1 патента №2078376, блок 25), подается на вход счетчика (блок 26), что вызывает циклические изменения его состояния после прихода каждой полуволны напряжения в шлейфе. Счетчик организован таким образом, что при появлении каждой 3-й полуволны он выдает разрешающий сигнал на транзисторный ключ (блок 28), который закорачивает шлейф до появления следующей полуволны. Таким образом, каждая 3-я полуволна в шлейфе подвергается воздействию оконечного устройства (см. Фиг.2 патента №2078376, временная диаграмма 3). В приемно-контрольном приборе, по терминологии патента «приемная панель» (см. Фиг.1 патента №2078376, блок 1) напряжение в шлейфе выпрямляют (См. Фиг.2 патента №2078376, временная диаграмма 4) и направляют на вход компаратора (см. Фиг.1 патента №2078376, блок 13), под управлением внутренних импульсов которого преобразуют в бинарную (отличают только 2 уровня - 0 и 1) последовательность импульсов (см. Фиг.2 патента №2078376, временная диаграмма 5). Далее эту последовательность анализируют элементами совпадения (см. Фиг.1 патента №2078376, блоки 14-18) для выявления импульсов, сформированных оконечным устройством и для анализа состояния включенных в шлейф пожарных извещателей, которые также могут воздействовать на напряжение в шлейфе, приводя к разным видоизменениям сигнала, которые все учтены приемно-контрольным прибором, производящим анализ. Обратимся к чертежам патента №2078376:
- в состоянии покоя форма сигналов приведена на Фиг.2;
- при срабатывании пожарного извещателя - на Фиг.3;
- при срабатывании активного пожарного извещателя - на Фиг.4;
- при неисправности шлейфа - на Фиг.5.
Как видим (см. фиг.2 патента 2078376, временная диаграмма 3), для контроля целостности шлейфа активное оконечное устройство вызывает протекание сквозного тока через шлейф в течение 1/3 полного времени контроля, что обуславливает несомненно меньшие расходы электроэнергии для выполнения задачи контроля целостности шлейфа по сравнению с двумя приведенными выше аналогами, первый из которых (способ по книге автора Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации. М.: Стройиздат, 1985, с.205-222) содержит оконечный резистор, а второй («Способ защиты шлейфа с оконечным резистором контрольной панели охранной сигнализации от несанкционированного вмешательства», см. заявку на изобретение РФ №2003133434 от 5.11.2003) - содержит сложное оконечное устройство и с оконечным резистором, и с активным элементом. Но, тем не менее, даже по сравнению с экономичным способом, принятым за прототип, на наш взгляд, возможна оптимизация режима контроля целостности, в сторону уменьшения энергопотребления на этот режим и увеличения энергии, затрачиваемой в шлейфе, на пожарные извещатели, дающая возможность увеличения числа пожарных извещателей в одном сигнальном шлейфе. Считаем необходимым пояснить, что большой расход энергии в шлейфе на контроль его целостности влечет необходимость построения нового шлейфа или даже нескольких шлейфов для введения дополнительных пожарных извещателей, что может потребовать увеличения количества приемно-контрольных приборов, необходимых для обработки сигналов с заданного количества активных пожарных извещателей, а это увеличивает стоимость аппаратуры и расходы на обслуживание пожарного комплекса. Поэтому вопрос снижения энергопотребления на процесс контроля целостности шлейфа во всех устройствах автоматического контроля пожарной безопасности стоит очень остро.
Сформированный в способе-прототипе информационный импульсный сигнал несет только два вида информации:
1) есть искажения в сигнале - есть сработавшие пожарные извещатели,
2) нет искажений - нет сработавших извещателей.
По своему виду и форме импульсный информационный сигнал предназначен для дальнейшей одноразрядной обработки на компараторе, в результате которой мы можем судить "есть"/"нет" сработавшие извещатели (срабатывание - переход в тревожное состояние), возможность отличить срабатывание нескольких однотипных пожарных извещателей от срабатывания одного такого извещателя, при таком преобразовании не обеспечена.
По действующим нормативам запуск системы пожаротушения по срабатыванию одного пожарного извещателя недопустим, т.к. это может быть ложной тревогой (либо из-за ложного срабатывания пожарного извещателя, либо из-за локальных изменений параметров охраняемой среды). Основной вариант нормативов - считать срабатывание двух пожарных извещателей режимом «Пожар». А когда сработало больше двух пожарных извещателей, то вероятность свершения события «Пожар» тем более возрастает.
Видом сформированного в способе-прототипе информационного сигнала не обеспечена возможность определения количества сработавших пожарных извещателей в шлейфе, что не дает возможности применения в приемно-контрольном приборе алгоритмов исключения ложных тревог, основанных на обработке информации о количестве сработавших в шлейфе пожарных извещателей. Как видим, вопрос определения количества сработавших пожарных извещателей в шлейфе: один или много (два и более) в прототипе не решен, такой прибор называется однопороговым.
Будет справедливо отметить, что способ-прототип не применим к наиболее распространенным шлейфам сигнализации, где для контроля состояния шлейфа используется постоянное напряжение.
Целью разработки заявляемого способа является:
1. Снижение энергопотребления процесса контроля целостности шлейфа.
2. Обеспечение возможности отличия перехода одного пожарного извещателя в тревожное состояние от перехода в тревожное состояние двух и более пожарных извещателей.
Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля состояния и целостности шлейфа, основанном на подаче базового сигнала через шлейф с включенными пожарными извещателями в активное оконечное устройство, с последующим формированием информационного сигнала о состоянии пожарных извещателей в шлейфе, и периодически повторяющегося сигнала целостности шлейфа, формируемого активным оконечным устройством, и на подаче обоих сигналов к приемно-контрольному прибору через шлейф - вот в этом заявляемом способе, в качестве базового сигнала подают постоянное напряжение, информационный сигнал формируют многоуровневым, меняющим свой уровень в зависимости от количества перешедших в тревожное состояние пожарных извещателей в шлейфе, сигнал целостности шлейфа вырабатывают в виде последовательности одиночных контрольных импульсов, период которых определяют из условия минимального энергопотребления в шлейфе с одной стороны и условия допустимого времени достоверного определения целостности шлейфа с другой, а их длительность выбирают меньше, чем максимальная длительность импульсов на входе приемно-контрольного прибора, не защитываемая как состояние тревоги, с одной стороны, и с другой стороны больше, чем период измерения приемно-контрольным прибором напряжения шлейфа, состоящего из многоуровневого информационного сигнала и контрольных импульсов, в качестве инструмента обработки которого применяют многоразрядное аналого-цифровое преобразование, и по его результатам отличают переход в тревожное состояние одного пожарного извещателя от перехода двух и более, и распознают исправность/неисправность шлейфа.
Поясним сущность изобретения иными словами:
Целью разработки заявляемого способа является:
1. Снижение энергопотребления процесса контроля целостности шлейфа. Поставленная цель достигнута за счет увеличения периода следования и оптимизации длительности контрольных импульсов.
2. Обеспечение возможности отличия перехода одного пожарного извещателя в тревожное состояние, от перехода в тревожное состояние двух и более пожарных извещателей.
Поставленная цель достигнута за счет формирования напряжения в шлейфе, состоящего из контрольных импульсов и многоуровневого информационного сигнала (изменяющего свой уровень в зависимости от числа сработавших пожарных извещателей) и предназначенного для последующего многоразрядного аналого-цифрового преобразования, позволяющего применить в дальнейшем алгоритмы исключения ложных тревог. Приемно-контрольный прибор при этом отличает ситуацию, когда сработал один пожарный извещатель (режим «Внимание»), от сработки двух и более (режим «Пожар»).
Идея формирования двух сигналов - информационного о состоянии пожарных извещателей в шлейфе и сигнала целостности шлейфа, формируемого с помощью активного оконечного устройства, потребляющего ток шлейфа только во время формирования повторяющегося периодически во времени сигнала целостности шлейфа, реализована и в аналоге (заявка №2003133434), и прототипе (патент №2078376). Выигрыша по снижению потребляемой энергии на контроль целостности шлейфа в аналоге (заявка №2003133434) - нет совсем по сравнению с неэкономичным способом контроля целостности шлейфа с пассивным оконечным устройством - с оконечным резистором (способ по книге автора Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации. М.: Стройиздат, 1985, с.205-222), т.к. применен способ двоякого контроля целостности со сложным оконечным устройством, включающий в себя контроль и на пассивном и плюс на активном оконечном устройстве. В прототипе (патент №2078376) - выигрыш не так уж велик по сравнению с тем же неэкономичным способом контроля целостности шлейфа с пассивным оконечным устройством - оконечным резистором (способ по книге автора Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации. М.: Стройиздат, 1985, с.205-222).
Поясним подробнее, в способе контроля целостности с пассивным оконечным устройством - оконечным резистором, грубо говоря, весь ток шлейфа делится следующим образом: 50% (максимум) - на пожарные извещатели и 50% (минимум) - на оконечный резистор. В аналоге (заявка №2003133434), где оправданно применено сложное оконечное устройство с двойным контролем целостности шлейфа, на пожарные извещатели идет еще меньше энергии шлейфа в процентном соотношении, т.к. к току, потребляемому пассивным оконечным устройством - оконечным резистором, добавляется еще и ток активного оконечного устройства. В прототипе с активным оконечным устройством (патент №2078376), ток шлейфа делится следующим образом: 66% (максимум) - на пожарные извещатели и 33% (минимум) - на контроль целостности. В заявляемом нами способе удалось снизить энергозатраты на контроль целостности шлейфа порядка до 1-5%, т.е. более 95% тока шлейфа используется на пожарные извещатели, что позволяет увеличить их количество в шлейфе в полтора-два раза. Кроме того, сформировав многоуровневый информационный сигнал, который целесообразно (т.к. он по своему построению предназначен) подвергнуть многоразрядному преобразованию в цифровой вид, удается различать переход в тревожное состояние одного пожарного извещателя, от сработки нескольких пожарных извещателей. Формирование многоуровневого информационного сигнала очень важно для получения информации о реальной картине пожара, а главное для применения в приемно-контрольном приборе алгоритмов исключения ложных тревог, основанных на обработке информации о количестве сработавших в одном шлейфе пожарных извещателей.
Из пояснений, сделанных выше, можно сделать следующие выводы:
- в заявляемом способе значительно снижено энергопотребление процесса контроля целостности шлейфа по сравнению с прототипом, т.к. длительность импульса контроля целостности шлейфа составляет около процента от длительности периода следования одиночных контрольных импульсов, т.е. энергопотребление процесса контроля целостности шлейфа снижено до (1-5)% от общего количества потребляемой в шлейфе энергии, что позволяет направить на пожарные извещатели до 95% энергии шлейфа, т.е. увеличить количество пожарных извещателей в одном и том же шлейфе в полтора, два раза;
- в заявляемом способе по сравнению с прототипом обеспечена возможность отличия сработки одного пожарного извещателя от сработки двух или более пожарных извещателей благодаря природе формируемого в заявляемом способе многоуровневого информационного сигнала, меняющего свою величину (уровень) при сработке каждого из пожарных извещателей - инструментом для достижения этой цели является многоразрядное аналого-цифровое преобразование (оцифровка), с последующим применением для анализа результатов оцифровки алгоритмов исключения ложных тревожных сигналов приемно-контрольного прибора;
- и, кроме того, использование в способе в качестве базового сигнала постоянного напряжения в отличие от прототипа, во-первых, не требует формирования сложного базового знакопеременного сигнала, подаваемого на шлейф и на оконечное устройство, и во-вторых, обуславливает предназначение способа для наиболее распространенных шлейфов сигнализации, где для контроля за состоянием шлейфа используется постоянное напряжение.
Заявляемый способ более экономичен по сравнению с прототипом не из-за того, что способ-прототип по патенту №2078376 работает на знакопеременном сигнале, а заявляемый способ на знакопостоянном, а потому, что снижение затрат энергии на процесс контроля целостности шлейфа обусловлено выбором периода и длительности контрольных импульсов, а именно: период выработки (выдачи) контрольных импульсов увеличен, а их длительность - оптимизирована.
Таким образом, заявленный способ отличается от известного:
- во-первых, снижением затрат энергии на процесс контроля целостности шлейфа, которое обусловлено выбором периода следования и длительности одиночных контрольных импульсов;
- во-вторых, видом информационного сигнала: он отражает текущее состояние пожарных извещателей изменением уровня постоянного напряжения, а не характером искажения базового знакопеременного сигнала в шлейфе, как это сделано в прототипе, что в заявляемом способе позволяет применить в качестве инструмента достижения цели «отличие сработки одного пожарного извещателя от двух и более» многоразрядное аналого-цифровое преобразование (оцифровку) с последующим применением алгоритмов исключения ложных тревог;
- в-третьих, тем, что для подачи через шлейф на активное оконечное устройство не формируют сложный знакопеременный сигнал, а подают постоянное напряжение,
- в-четвертых, видом сигнала целостности шлейфа - в заявляемом способе это одиночные импульсы, а в прототипе это наличие искажения в группе импульсов базового сигнала.
Заявляемый «Способ контроля состояния и целостности шлейфа» представлен на чертежах:
Фиг.1. Блок-схема системы сигнализации, реализующей способ (вариант 1).
Представлена блок-схема реализующей предлагаемый способ системы сигнализации с параллельным включением пожарных извещателей и оконечного устройства в шлейфе.
Фиг.2. Схема оконечного устройства (вариант 1).
Представлена схема электрическая принципиальная одного из возможных вариантов выполнения активного оконечного устройства.
Фиг.3. Временные диаграммы напряжения на элементах оконечного устройства (варианта 1) при формировании сигнала целостности шлейфа.
Представлены временные диаграммы напряжения на элементах оконечного устройства. Рассмотрена работа оконечного устройства в случае его исполнения по схеме электрической принципиальной, представленной на Фиг.2.
Фиг.4. Эпюры напряжения в шлейфе в различных режимах.
Представлены временные диаграммы напряжения в шлейфе для обоих вариантов исполнения систем сигнализации, реализующих способ. В связи с параллельным подключением пожарных извещателей и оконечного устройства в шлейфе (вариант 1 системы сигнализации) напряжение и временные диаграммы в любой точке шлейфа одинаковые, в том числе, в частности, и в точках присоединения шлейфа к приемно-контрольному прибору. Рассмотрены возможные режимы состояния шлейфа в зависимости от сработавших пожарных извещателей. Представлены этапы формирования многоуровневого информационного сигнала.
При последовательно-параллельном построении шлейфа, как это показано в варианте 2 системы сигнализации, напряжения и временные диаграммы полностью аналогичны варианту 1 с параллельным подключением пожарных извещателей с уточнением, что при отключении любого пожарного извещателя от шлейфа варианта 2 происходит разрыв цепи, оконечное устройство отключается от приемно-контрольного прибора и эпюры напряжения в шлейфе соответствуют режиму неисправности (обрыв).
Фиг.5. Сводная эпюра напряжения в шлейфе в различных режимах.
Для наглядности способа (процесса) формирования многоуровневого информационного сигнала в шлейфе и наглядности работы способа контроля целостности шлейфа представлена сводная временная диаграмма напряжения в шлейфе при возможных различных режимах, индицируемых приемно-контрольным прибором системы сигнализации (вариант 1 и также вариант 2), реализующей заявляемый способ.
Фиг.6. Блок-схема системы сигнализации, реализующей способ (вариант 2).
Представлена блок-схема реализующей предлагаемый способ системы сигнализации с последовательно-параллельным включением пожарных извещателей и оконечного устройства в шлейфе.
Фиг.7. Схема электрическая принципиальная активного оконечного устройства(вариант 2).
Фиг.8. Временные диаграммы напряжения на элементах оконечного устройства (варианта 1) при формировании сигнала целостности шлейфа.
Фиг.9. Временные диаграммы - пояснение выбора длительности контрольных импульсов.
Фиг.10. Временные диаграммы - пояснение выбора периода следования контрольных импульсов.
Рассмотрим реализацию заявляемого способа в процессе работы системы сигнализации, первый вариант блок-схемы которой может быть представлен, например, в следующем виде (см. Фиг.1). Как видим, система сигнализации содержит приемно-контрольный прибор (1), шлейф (2) с включенными в него параллельно пожарными извещателями (3), например, типа ИП212-63 «Данко», а также активное оконечное устройство (4), подключенное в конце шлейфа, схема электрическая принципиальная активного оконечного устройства может быть, например, такой, как представлена на Фиг.2. При этом приемно-контрольный прибор содержит источник постоянного напряжения (5), балластный резистор (6), который предназначен для ограничения и определения тока в шлейфе через измерение напряжения на балластном резисторе, микроконтроллер (7) - типа ATMEGA32(-16AI), включенный по типовой схеме, приведенной в комплекте документов на микроконтроллер Atmega 32(L) (347pages, revision К, updated 08|07), размещенном на сайте производителя http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2503.pdf.
Микроконтроллер содержит аналого-цифровой восьмивходовый 10-разрядный преобразователь (8), далее - АЦП. На входе АЦП подключен делитель (9), для согласования реальных напряжений в шлейфе (порядка 20-25 Вольт) с допустимым напряжением на входе микроконтроллера (до 5 Вольт).
Поскольку оконечное устройство не является стандартным элементом, рассмотрим подробно его построение. Вариант 1 схемы электрической принципиальной оконечного устройства (см. Фиг.1, позиция 4) представлен на Фиг.2 и состоит из задающего генератора (10), формирующего последовательность импульсов с необходимыми временными параметрами, и выходного ключа (11), формирующего контрольные импульсы в шлейфе.
Генератор включает в себя источник тока (транзисторы VT1 и VT2), накопительный конденсатор С1, в котором копится заряд от источника тока, и компаратор напряжения на конденсаторе С1 с гистерезисом на транзисторах VT3, VT4 и VT5, диоде VD1 и светодиоде VD3. Выходной ключ состоит из стабилитрона VD2, ограничивающего напряжение в шлейфе во время формирования контрольных импульсов, а также светодиода VD3 и транзистора VT5, входящих и в состав генератора.
Представленный на Фиг.1 первый вариант охранно-пожарной системы, реализующей заявляемый «Способ контроля состояния и целостности шлейфа», работает следующим образом. В задачи приемно-контрольного прибора (1), кроме контроля состояния пожарных извещателей, включенных в шлейф, входит постоянный контроль целостности соединительных проводов, образующих шлейф (2), по всей длине шлейфа от приемно-контрольного прибора до последнего пожарного извещателя (3), включенного в этот шлейф. Акцентируем внимание на том факте, что контроль состояния пожарных извещателей приемно-контрольный прибор производит по информационному сигналу, который формируют, используя состояние пожарных извещателей в шлейфе, из постоянного базового напряжения, меняя его уровень изменением пропускаемого через пожарные извещатели тока при переходе их в тревожное состояние (срабатывании); в зависимости от числа сработавших пожарных извещателей изменяется уровень напряжения в шлейфе - уровень информационного сигнала. Для контроля целостности шлейфа в конце шлейфа устанавливают оконечное устройство (4), с помощью которого формируют контрольные импульсы, их наличие на входе приемно-контрольного прибора служит подтверждением исправности шлейфа.
После включения приемно-контрольного прибора базовое постоянное напряжение с выхода источника постоянного напряжения (5) через балластный резистор (6) поступает в шлейф (2), где от этого напряжения начинают работать пожарные извещатели (3) и активное оконечное устройство (4).
Во время работы пожарные извещатели, размещенные в помещениях охраняемого объекта, контролируют характерный параметр окружающей среды, например, температуру, задымленность воздуха и так далее в зависимости от типа пожарного извещателя, и при отсутствии тревожных признаков, иными словами при отсутствии отклонений контролируемых параметров от заданной нормы, пожарные извещатели пропускают через себя (потребляют) лишь небольшой дежурный ток, необходимый для работы самого пожарного извещателя, а активное оконечное устройство «сигналит» (точнее сказать вырабатывает одиночные контрольные импульсы с заданным периодом и длительностью) о целостности всего шлейфа, т.к. оконечное устройство подключено в конце и только при целостности всего шлейфа на оконечное устройство осуществляется подача базового напряжения.
Допустим, что описанная выше система, реализующая заявленный способ, находится в дежурном режиме, т.е. включенные в шлейф (2) пожарные извещатели (3) потребляют лишь небольшой дежурный ток и не оказывают значительного влияния на уровень напряжения в шлейфе информационного сигнала в шлейфе, такое состояние шлейфа соответствует режиму «Норма» на приемно-контрольном приборе. Временная диаграмма режима «Норма» представлена на Фиг.4а), где:
БАЗ
- U - напряжение на выходе источника постоянного напряжения (5), по сути, это уровень постоянного базового напряжения в шлейфе, подаваемого на шлейф и через шлейф на пожарные извещатели и оконечное устройство;
ИНФ
- U - напряжение на шлейфе в паузах между контрольными импульсами в режиме «Норма», по сути это информационный сигнал о состоянии пожарных извещателей в шлейфе;
ПОРОГ
ПОРОГ
- U - изменение напряжения в шлейфе на величину, превышающую U на время длительности контрольного импульса приемно-контрольный прибор считает признаком наличия контрольного импульса;
НОРМ
БАЗ
ПОЖАР
- U - это уровень информационного сигнала ниже U, но выше U, при напряжении информационного сигнала в шлейфе ниже этого уровня приемно-контрольный прибор переходит в состояние «Внимание»;
ПОЖАР
- U - это уровень информационного сигнала, ниже которого приемно-контрольный прибор переходит в состояние «Пожар»;
НЕИСП
- U - порог напряжения в шлейфе между состояниями «Пожар» и «Неисправность (КЗ)»,
ИМП
- U - уровень контрольных импульсов.
НОРМ
БАЗ
Как видим из Фиг.4а), когда все пожарные извещатели в шлейфе находятся в дежурном состоянии, напряжение информационного сигнала (равное напряжению во время пауз между контрольными импульсами) находится между значениями порогов U и U.
Поскольку в шлейфе все пожарные извещатели (3) и оконечное устройство (4) включены параллельно, токи, протекающие через них, складываются и результирующий ток шлейфа формирует на балластном резисторе (6) падение напряжения, прямо пропорциональное суммарному току в шлейфе; на сколько возрастает падение напряжения на балластном резисторе - на столько падает напряжение в шлейфе. Напряжение в шлейфе (2), равное разности напряжений на выходе источника постоянного напряжения (5) и напряжения на балластном резисторе (6), при увеличении тока в шлейфе линейно снижается. Поэтому под воздействием импульсного увеличения тока через оконечное устройство (4) в шлейфе появляются импульсы напряжения, на время длительности контрольных импульсов напряжение в шлейфе снижается.
На протяжении всего времени работы системы и независимо от состояния пожарных извещателей активное оконечное устройство (4) работает в импульсном режиме. Основную часть времени оно потребляет из шлейфа лишь незначительный ток (порядка 50-100 микроампер), необходимый для работы самого оконечного устройства, и только на время длительности импульсов ток оконечного устройства скачкообразно увеличивается.
Рассмотрим процесс формирования последовательности одиночных контрольных импульсов, отраженный в работе активного оконечного устройства, вариант 1 схемы электрической принципиальной которого представлен на Фиг.2. Первоначально, при отсутствии постоянного базового напряжения в шлейфе, подключаемого к прибору через контакты разъема X1, все транзисторы и диоды закрыты, накопительный конденсатор С1 (см. Фиг.2) полностью разряжен. Напряжение в шлейфе отсутствует.
С того момента, как подают напряжение в шлейф, оно полностью поступает на источник тока оконечного устройства (см. Фиг.2 VT1 и VT2). За счет этого напряжения через резистор R1 начинает протекать ток, который попадает в базу транзистора VT2 и открывает коллекторный переход этого транзистора, при этом его эмиттерный ток возрастает. Когда этот ток создает на резисторе R2 напряжение, достаточное для отпирания транзистора VT1, этот транзистор открывается и забирает часть базового тока транзистора VT2, что ограничивает эмиттерный ток этого транзистора на уровне, едва достаточном для создания на резисторе R2 отпирающего напряжения для транзистора VT1. При уменьшении эмиттерного тока транзистора VT2 напряжение база-эмиттер транзистора VT1 уменьшается, он начинает закрываться и его коллекторный ток падает. При этом базовый ток транзистора VT2 увеличивается, возвращая его эмиттерный ток к стабильному значению. Таким образом, ток через транзистор VT2 стабилизирован и мало зависит от напряжения на источнике тока (транзисторы VT1 и VT2).
1
Выходной ток источника тока поступает в накопительный конденсатор С1 и вызывает линейное увеличение напряжения на нем (см. Фиг.3а). По мере увеличения этого напряжения, растет напряжение база-эмиттер транзистора VT3 (см. Фиг.3б), формируемое резисторным делителем, образованным резистором R3 с одной стороны и R4-R5-R8-R9 с другой стороны. Когда это напряжение достигнет порогового значения (см. Фиг.3б, момент t), транзистор VT3 начнет открываться и его коллекторный ток откроет транзистор VT4. В свою очередь увеличение коллекторного тока транзистора VT4 вызовет рост напряжения на его коллекторе, что вызовет ток через резистор R5 в базу транзистора VT3 - положительная обратная связь приведет к лавинообразному открыванию обоих транзисторов (VT3 и VT4).
Полностью открывшийся транзистор VT4 вызовет появление напряжения конденсатора С1 на коллекторе транзистора VT4 (см. Фиг.3в), что вызовет ток через резистор R8 в базу транзистора VT5, который полностью откроется. При этом напряжение на его коллекторе упадет практически до нуля, что вызовет протекание тока через светодиод VD3. Этот ток состоит из двух частей. Во-первых, через резистор R10 и открывшийся диод VD1 потечет разрядный ток из конденсатора С1 на землю. Во-вторых, через стабилитрон VD2 потечет ток из шлейфа. Это вызовет снижение напряжения в шлейфе (см. Фиг.3г) до величины, определяемой падением напряжений на стабилитроне VD2 и светодиоде VD3.
2
Величина разрядного тока через резистор R10 значительно больше, чем ток заряда от источника тока. Это вызовет быстрый разряд конденсатора С1 и падение напряжения на нем (см. Фиг.3а). По мере разряда конденсатора входные напряжения и токи транзисторов VT2 и VT3 будут уменьшаться до тех пор, пока один из них не начнет закрываться (см. Фиг.3б, момент t).
Как только это произойдет, начнется лавинообразный процесс закрывания обоих транзисторов под воздействием положительной обратной связи через резистор R5. Что приведет к закрыванию транзистора VT5, диода VD1, стабилитрона VD2 и светодиода VD3.
1
3
1
3
3
4
Далее процесс будет повторяться, только начальные условия последующих циклов отличаются от условий в момент подачи базового напряжения на шлейф, поэтому период установившихся колебаний генератора будет равен промежутку времени с момента t до момента t на Фиг.3. Длительности контрольных импульсов - первого (с момента t до момента t см. Фиг.3) и всех последующих (например, с момента t до момента t см. Фиг.3) будут совпадать.
ИМП
Как мы видим, через равные промежутки времени оконечное устройство скачкообразно увеличивает проходящий через него ток на время, определяемое длительностью контрольных импульсов, с заданным периодом, формируя, таким образом, сигнал целостности шлейфа - напряжение U, причем длительность этих импульсов тока оказывается значительно меньше периода их следования и сам период задан выбором элементов R2, C1, R3, R4, R5, R8 и R9, и определен, прежде всего, из условия допустимого времени на достоверное определение неисправности шлейфа, а также из условия экономии потребляемой оконечным устройством энергии.
Каждый контрольный импульс сопровождается миганием светодиода VD3, что дает дополнительную возможность визуального контроля целостности шлейфа и работы оконечного устройства.
Обратимся к рассмотрению формирования информационного сигнала в режиме «Неисправность» шлейфа. В случае обрыва шлейфа и при дежурном состоянии всех пожарных извещателей временная диаграмма представлена на Фиг.4б. Напряжение
БАЗ
ИНФ
НОРМ
U на оконечное устройство не поступает, при этом контрольные импульсы оконечное устройство не формирует. Уровень информационного сигнала U как и в режиме «Норма» выше порога U.
При замыкании проводов в шлейфе напряжение в нем падает до нуля, временная диаграмма в режиме короткого замыкания шлейфа см. Фиг.5 - режим «КЗ». Приемно-контрольный прибор и при обрыве и при коротком замыкании шлейфа показывает режим «Неисправность».
ИНФ
НОРМ
Далее продолжим рассмотрение процесса формирования информационного сигнала в режиме «ВНИМАНИЕ». При выявлении тревожных пожарных признаков, например повышения температуры или появления задымленности, но при наличии контрольных импульсов, подтверждающих целостность шлейфа, когда только один из пожарных извещателей (3) скачкообразно увеличивает и фиксирует пропускаемый через себя ток, временная диаграмма примет вид, представленный на Фиг.4в). Как видим, уровень информационного сигнала падает (мы наблюдаем процесс формирования многоуровневого информационного сигнала, в данном режиме - уровень информационного сигнала упал на величину, определяемую приростом тока через сработавший пожарный извещатель и сопротивлением балластного резистора), уровень информационного сигнала U при переходе любого пожарного извещателя в шлейфе в тревожный режим находится между значениями U и
ПОЖАР
НОРМ
ПОЖАР
U, т.е. стал меньше чем U, но все еще больше U.
Приемно-контрольный прибор переходит в состояние «Внимание» и предпринимает действия, направленные на снижение вероятности выдачи ложного сигнала «Пожар». В зависимости от настроек прибора это может быть один из следующих вариантов:
- отключение базового напряжения питания от извещателей на время, достаточное для сброса пожарных извещателей, с последующим восстановлением этого напряжения и ожиданием в течение заданного времени (например, 1 минуты) повторной сработки извещателей в шлейфе - так называемая «разведка» или «переопрос»;
- задержка перехода в состояние «Пожар» до сработки второго извещателя (автоматического или ручного, в том же или соседнем шлейфе) с формированием предупреждающей звуковой и световой индикации, но отсутствием сигналов на системы автоматического пожаротушения.
Благодаря этим мерам удается с максимальной вероятностью избежать ложных пожарных тревог и ущерба, наносимого системами автоматического пожаротушения людям и имуществу в таком случае.
Рассмотрим процесс формирования информационного сигнала в режиме «ПОЖАР», когда сработали (перешли в тревожное состояние) два пожарных извещателя в одном шлейфе, временная диаграмма напряжения представлена на Фиг.4г).
ПОЖАР
ПОЖАР
НЕИСП
Как видим, уровень информационного сигнала стал еще меньше, теперь он меньше U и расположен между значениями U и U. Приемно-контрольный прибор переходит в состояние «Пожар» и формирует запускающий сигнал на системы автоматического пожаротушения.
ИНФ
При трех и более сработавших пожарных извещателях в шлейфе напряжение информационного сигнала U становится еще меньше, но все равно находится в тех же пределах, что и в рассмотренном ранее случае. Приемно-контрольный прибор различает только переход одного пожарного извещателя в тревожное состояние от двух и более, два и более им воспринимаются одинаково.
БАЗ
Для наглядности иллюстрации процесса формирования сигналов целостности и состояния шлейфа, считаем целесообразным привести сводную эпюру напряжения в шлейфе при возможных различных режимах, расположенных друг за другом последовательно во времени (см. Фиг.5). Предварительно акцентируем внимание на том факте, что в суммарном напряжении шлейфа всегда присутствует многоуровневый информационный сигнал, который в зависимости от изменения состояния извещателей в шлейфе может меняться от уровня, близкого к U, до нуля (при коротком замыкании шлейфа), и (в случае исправности шлейфа) в суммарном напряжении шлейфа одновременно с многоуровневым информационным сигналом присутствует импульсный сигнал целостности шлейфа (контрольные импульсы).
БАЗ
БАЗ
БАЗ
Предположим, что при подаче базового напряжения на шлейф, шлейф (см. Фиг.1) оказался в обрыве в каком-либо участке, так что U до оконечного устройства «не доходит», контрольные импульсы отсутствуют (нет сигнала целостности шлейфа), но все пожарные извещатели, на которые до участка обрыва шлейфа поступило напряжение U, находятся в дежурном режиме, уровень информационного сигнала при этом приближен к U, что отражено на сводной эпюре в режиме «Обрыв шлейфа» (см. Фиг.5).
Далее оператор нашел место обрыва шлейфа и устранил неисправность, заработало оконечное устройство и в суммарном напряжении на шлейфе появились контрольные импульсы. Допустим, что при этом все пожарные извещатели находятся в дежурном режиме, при этом информационный сигнал изменил уровень за счет потребления тока теперь уже всеми пожарными извещателями шлейфа, а не только теми, что располагались до места обрыва шлейфа. Это состояние шлейфа отражено на сводной эпюре в режиме «НОРМА» (см. Фиг.5).
НОРМ
ПОЖАР
Далее один из пожарных извещателей сработал (перешел в тревожное состояние), шлейф цел - присутствуют контрольные импульсы, уровень информационного сигнала упал, он находится между U и U, это состояние шлейфа отражено на сводной эпюре в режиме «ВНИМАНИЕ» (см. фиг.5).
ПОЖАР
При переходе двух и более пожарных извещателей в тревожный режим уровень информационного сигнала еще падает, теперь он располагается между U и
НЕИСП
U; это состояние шлейфа отражено на сводной эпюре в режиме «ПОЖАР» (см. Фиг.5).
И, наконец, при короткозамкнутом шлейфе напряжение на нем обращается в ноль, что отражено на сводной эпюре в режиме «КЗ».
Рассмотрев процесс формирования сигнала целостности шлейфа в виде последовательности одиночных импульсов (см. Фиг.3) и информационного, многоуровневого сигнала о состоянии пожарных извещателей в шлейфе (см. Фиг.4), мы можем себе представить, что в шлейфе в случае его исправности всегда присутствуют два сигнала: импульсный сигнал целостности шлейфа и информационный, меняющий свой уровень в зависимости от состояния пожарных извещателей в шлейфе, поэтому мы называем этот сигнал многоуровневым (см. Фиг.4, Фиг.5).
Отметим следующее, информационный сигнал в прототипе (см. патент №2078376, Фиг.2-3) не предназначен для многоразрядного АЦП, т.к. основная информация передается не величиной напряжения (различаются только 2 уровня - «наличие» и «отсутствие» сигнала), а последовательностью импульсов (некий вариант двоичного последовательного кода) и использование многоразрядного АЦП нецелесообразно (не имеет смысла), поскольку не добавит полезной информации о состоянии шлейфа.
Многоуровневый информационный сигнал, формируемый в заявляемом способе, предназначен для многоразрядного аналого-цифрового преобразования и более того, многоразрядная оцифровка служит инструментом для достижения поставленной цели: обеспечение возможности отличить переход (возможно случайный) в тревожное состояние одного пожарного извещателя от перехода двух и более пожарных извещателей. Имея такую возможность отличить, мы снижаем вероятность ложных срабатываний и несрабатываний приемно-контрольного прибора.
На наш взгляд, несомненно, одним из достоинств заявляемого способа является, в частности, не то, что в нем применено многоразрядное АЦП (хотя и это тоже отличие от прототипа), а то, что в способе, в отличие от прототипа, сформирован многоуровневый информационный сигнал, благодаря которому стало целесообразным применение в качестве инструмента многоразрядного АЦП, т.к. после многоразрядной оцифровки возможно применение алгоритмов снижения вероятности «Ложных тревог» в приемно-контрольном приборе, что и обеспечивает выигрыш по сравнению с прототипом - повышение достоверности результатов анализа пожарной обстановки на объекте охраны.
Поскольку заявляемый «Способ контроля состояния и целостности шлейфа» включает в себя формирование напряжения в шлейфе, которое, в отличие от прототипа, предназначено для многоразрядного аналого-цифрового преобразования и позволяет применить более сложные алгоритмы для анализа состояния шлейфа, что и обеспечивает повышение достоверности результатов анализа оцифрованного напряжения в шлейфе (отличие сработки одного, от двух и более пожарных извещателей), постольку мы приведем краткое рассмотрение процесса многоразрядного аналого-цифрового преобразования, не претендуя на его оригинальность, а лишь для демонстрации предназначения природы сформированного в шлейфе сложного напряжения, состоящего из многоуровневого информационного сигнала и контрольных импульсов, для этой процедуры.
Далее рассмотрим процесс многоразрядного аналого-цифрового преобразования многоуровневого информационного сигнала с помощью встроенного в микроконтроллер аналого-цифрового преобразователя.
Оба сформированных при подаче постоянного базового напряжения сигнала (один сформирован оконечным устройством, как раскрыто выше, а другой сформирован самими пожарными извещателями в зависимости от их состояния) составляют напряжение шлейфа, и через шлейф поступают на входы 1 и 2 (см. Фиг.1) встроенного в микроконтроллер АЦП, например, PA0(ADC0) (это название входов в технической документации на микроконтроллер Atmega 32(L) (347 pages, revision К, updated 08|07), размещенном на сайте производителя http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2503.pdf).
Для согласования уровня напряжения в шлейфе с входом АЦП может понадобиться применить в приемно-контрольном приборе дополнительный резисторный делитель (9) (см. Фиг.1).
АЦП настраивают на работу в необходимых режимах в ходе выполнения основной программы приемно-контрольного прибора.
Периодически в ходе выполнения основной программы на АЦП от микроконтроллера подают команды на проведение измерений напряжения на его входах 1; 2 - PA0(ADC0) (см. фиг.1), по сути дела в шлейфе. После завершения измерений в выходном регистре АЦП, носящем название ADC (ADC - это название выходного регистра в комплекте документов на МК, а также ADC - одноименное обозначение результата измерений) появляется значение ADC, определяемое по формуле, приведенной в упомянутой выше технической документации на микроконтроллер:
in
ref
ADC=(V·1024)/V,
10
где 1024=2, где 10 - количество разрядов АЦП,
ref
V - опорное напряжение АЦП (предел измерения),
in
V - реальное напряжение на входе АЦП с учетом делителя:
in
ШС
V=U·К,
ШС
где U - напряжение в шлейфе,
К - коэффициент передачи согласующего резисторного делителя (9) (см. Фиг.1); если делителя нет, то К=1.
Таким образом, результат измерения напряжения на входе АЦП прямо пропорционален напряжению в шлейфе
ШС
ref
ADC=(U·К·1024)/V.
ref
НОРМ
ПОЖАР
ШС
Для анализа состояния шлейфа микроконтроллеру достаточно сравнить полученную в результате измерения величину напряжения на входе АЦП со значениями порогов, определенных заранее в процессе проектирования контрольно-приемного прибора (значения К и V известны заранее при написании программы микроконтроллера). Сами значения порогов вычисляются по приведенной выше формуле при подстановке соответствующих напряжений (U, U и так далее) вместо U:
БA3
БАЗ
ref
ADC=(U·К·1024)/V,
НОРМ
НОРМ
ref
ADC=(U·К·1024)/V,
ПОЖАР
ПОЖАР
ref
ADC=(U·К·1024)/V,
НЕИСП
НЕИСП
ref
АDС=(U·К·1024)/V,
где
БАЗ
U - базовое напряжение шлейфа с выхода источника постоянного
напряжения (5), см. Фиг.1,
НОРМ
U - порог напряжения в шлейфе между состояниями «Норма» и
«Внимание», см. Фиг.4,
ПОЖАР
U - порог напряжения в шлейфе между состояниями «Внимание» и «Пожар»,
НЕИСП
U - порог напряжения в шлейфе между состояниями «Пожар» и
«Неисправность (КЗ)»,
БАЗ
АDС- значение ADC на выходе АЦП при измерении напряжения в
БАЗ
шлейфе, равного U,
НОРМ
АDС - значение ADC на выходе АЦП при измерении напряжения в
НОРМ
шлейфе, равного U,
ПОЖАР
АDС - значение ADC на выходе АЦП при измерении напряжения
ПОЖАР
в шлейфе, равного U,
НЕИСП
АDС - значение ADC на выходе АЦП при измерении напряжения
НЕИСП
в шлейфе, равного U.
ИНФ
ИМП
На фигуре 4а) приводится форма информационного сигнала в нормальном состоянии шлейфа (все пожарные извещатели находятся в дежурном состоянии и шлейф исправен, то есть он не оборван и не закорочен). В этом режиме ток шлейфа, состоящий из суммы дежурных токов пожарных извещателей и импульсного тока оконечного устройства, создает два значения напряжения в шлейфе: между импульсами, являющееся по сути информационным сигналом U о состоянии шлейфа, а вернее будет сказать о состоянии пожарных извещателей в нем, и Uво время контрольных импульсов, являющихся сигналом целостности шлейфа.
ИМП
ИНФ
ПОРОГ
Во время формирования оконечным устройством контрольных импульсов напряжение в шлейфе U снижается относительно значения Uна величину, превышающую пороговое значение U, что дает возможность микроконтроллеру выделить по уровню контрольные импульсы из информационного сигнала.
Когда все пожарные извещатели в шлейфе находятся в дежурном режиме, напряжение в шлейфе между контрольными импульсами находится в диапазоне
НОРМ
ИНФ
БАЗ
U<U≤U.
В этом случае после завершения измерений в выходном регистре ADC микроконтроллера будет присутствовать значение, соответствующее следующему условию:
НОРМ
БАЗ
АDC<ADC≤ADС,
что и служит признаком нормального состояния пожарных извещателей в шлейфе.
Если один из пожарных извещателей в шлейфе перейдет в тревожное состояние и скачкообразно увеличит проходящий через него ток (см. Фиг.4в), то напряжение в шлейфе между контрольными импульсами будет находиться в диапазоне
ПОЖАР
ИНФ
НОРМ
U<U≤U, и тогда
ПОЖАР
НОРМ
АDC<ADC≤ADС.
Если в шлейфе перейдет в тревожное состояние два или более пожарных извещателей (см. Фиг.4г), то напряжение в шлейфе в паузах между контрольными импульсами будет находиться в диапазоне
НЕИСП
ИНФ
ПОЖАР
U<U≤Uи
НЕИСП
ПОЖАР
АDC<ADC≤АDС.
НЕИСП
Если же в результате неисправности изоляции, постороннего вмешательства или других причин шлейф окажется короткозамкнутым (закороченным и неработоспособным), напряжение в нем упадет ниже уровня U
ИНФ
НЕИСП
0≤U≤U и
НЕИСП
0≤ADC≤ADC.
Описанным выше способом приемно-контрольный прибор (микроконтроллер) получает информацию о напряжении и токе в шлейфе. В том случае, если результат измерений на выходе АЦП попадает в один диапазон значений в течение достаточно длительного времени (большего, чем время задержки реакции приемно-контрольного прибора на изменение состояния шлейфа, который определяют при разработке этого прибора), то приемно-контрольный прибор делает вывод об изменении состояния шлейфа и соответственно меняет свое состояние в зависимости от выбранной для этого шлейфа пожарной тактики (реакции прибора на срабатывание одного пожарного извещателя, нескольких пожарных извещателей и так далее). Таким образом, происходит многоразрядное преобразование многоуровневого информационного сигнала в цифровой вид.
Для выявления признаков наличия контрольных импульсов в шлейфе микроконтроллер запоминает в своей памяти значение числа, полученное в выходном регистре АЦП в прошлый раз. Если следующее значение будет меньше предыдущего на величину
ПОРОГ
ΔU>U и
ПОРОГ
ΔADC>ADC, где
ПОРОГ
ПОРОГ
ref
ADC=(U·К·1024)/V,
то микроконтроллер считает это достаточным признаком контрольного импульса от оконечного устройства. В этом случае производится обнуление соответствующего регистра микроконтроллера, регулярно инкрементируемого в процессе выполнения программы. При отсутствии признаков контрольных импульсов в течение продолжительного времени (Фиг.4б) значение в этом регистре достигнет порогового значения, что даст возможность микроконтроллеру сделать вывод о неисправности шлейфа (или оконечного устройства, что не важно) и воспроизвести на своих органах индикации информацию о неисправности.
Заявляемый способ контроля состояния и целостности шлейфа позволяет строить системы для его реализации, в которых формирование сигнала на запуск систем автоматического пожаротушения может происходить после анализа состояния пожарных извещателей в одном шлейфе (см. НПБ 88-2001* - «УСТАНОВКИ ПОЖАРОТУШЕНИЯ И СИГНАЛИЗАЦИИ. НОРМЫ И ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ», п.13.3). По терминологии указанного норматива приемно-контрольный прибор, использующий предлагаемый нами способ контроля состояния и целостности шлейфа, называется двухпороговым в отличие от прототипа, который в нормативе называется однопороговым.
При формировании сигнала на запуск систем автоматического пожаротушения однопороговым приемно-контрольным прибором, работающим с сигналами, формируемыми в способе-прототипе, согласно НПБ 88-2001* необходимо анализировать состояния трех однопороговых пожарных шлейфов, что ограничивает количество направлений пожаротушения, обслуживающихся одним приемно-контрольным прибором, величиной 1/3 количества пожарных шлейфов. В то же время формируемые в нашем способе сигналы позволяют применить вариант построения двухпорогового пожарного шлейфа, который позволяет формировать сигналы на запуск систем автоматического пожаротушения для количества направлений, равного количеству пожарных шлейфов в приборе.
При этом появляется возможность увеличить площадь зоны пожаротушения, обслуживаемой двухпороговым приемно-контрольным прибором с определенным количеством шлейфов, по сравнению с однопороговым приемно-контрольным прибором, или же уменьшить площадь территории, соответствующей одному направлению пожаротушения (при этом достигается более высокая точность применения средств пожаротушения и снижается риск нанесения вреда людям и имуществу от запуска систем автоматического пожаротушения на территории, где пожар отсутствует).
Кроме того, для обслуживания заданного количества направлений автоматического пожаротушения потребуется приблизительно в 3 раза меньше двухпороговых приемно-контрольных приборов, чем однопороговых, что снизит общие затраты на стоимость создания и обслуживания пожарного комплекса. Надежность работы такой системы (с меньшим количеством элементов) обычно выше, чем у системы с большим количеством элементов (однопороговых приемно-контрольным приборов).
Заявляемый способ может быть реализован в работе нескольких систем сигнализации, например на Фиг.6 представлен второй вариант блок-схемы системы сигнализации, который так же как и первый вариант (Фиг.1) реализует заявляемый способ. Как видим, пожарные извещатели включены в шлейфе последовательно-параллельным методом, то есть пожарные извещатели включены в разрыв цепи шлейфа (входом к выходу предыдущего извещателя или к приемно-контрольному прибору, внутри извещателя вход и выход соединены), а оконечное устройство подключено в конце шлейфа (к выходу последнего извещателя). Это позволяет контролировать не только целостность проводов шлейфа, но и наличие пожарных извещателей (при снятии любого пожарного извещателя цепь шлейфа разрывается, оконечное устройство отключается от приемно-контрольного прибора и перестает выдавать контрольные импульсы в шлейф, что вызывает переход приемно-контрольного прибора в состояние «Неисправность»), а это значительно увеличивает надежность работы пожарного комплекса.
Поскольку оконечное устройство не является стандартным элементом, рассмотрим подробно его построение. На Фиг.7 представлена схема электрическая принципиальная второго варианта оконечного устройства. Оконечное устройство, выполненное по варианту 2 (см. Фиг.7), состоит из стабилизатора напряжения (12) (см. Фиг.7, элементы C1, DA1 и С2) и генератора (13) (см. Фиг.7, элементы VT1, VT2, VD1). Генератор собран по асимметричной схеме на транзисторах разной проводимости. Транзистор VT1, благодаря отрицательной обратной связи через резисторы R1 и R2, работает в режиме, близком к усилительному режиму «А». Транзистор VT2 работает в усилительно-ключевом режиме. Положительная обратная связь с коллектора транзистора VT2 через конденсатор С3 превращает схему в генератор. К выходу генератора подключен светодиод VD1, визуально индицирующий работу оконечного устройства, как и в варианте 1.
Исправный шлейф, построенный по второму варианту (Фиг.6), то есть при целых, не закороченных проводах шлейфа и установленных пожарных извещателях, с электрической точки зрения полностью аналогичен первому варианту шлейфа (Фиг.1), поэтому к нему могут быть применены все рассуждения и диаграммы (Фиг.4, Фиг.5), приведенные выше. Единственным отличием 2-го варианта шлейфа от 1-го является дополнительная возможность контроля наличия всех пожарных извещателей - при снятии любого извещателя в шлейфе присутствует напряжение, характерное для режима «Неисправность(обрыв)» (см. Фиг.4б).
Поскольку второй вариант оконечного устройства (Фиг.7) построен иначе, чем первый (Фиг.2), рассмотрим также подробно процесс формирования контрольных импульсов при работе оконечного устройства по второму варианту построения, представленному на Фиг.7.
1
Перед появлением постоянного базового напряжения в шлейфе, подключаемого через разъем X1, конденсаторы C1, C2 и С3 разряжены, все транзисторы закрыты. При появлении напряжения в шлейфе начинает работать стабилизатор напряжения DA1, заряжая конденсатор C2 до номинального выходного напряжения стабилизатора. При этом стабилизатор пропускает через себя ток со своего входа (из шлейфа) на выход (в конденсатор C2), разность напряжений на входе и на выходе стабилизатора минимальна. Напряжение в шлейфе мало отличается от напряжения конденсатора и растет по мере заряда конденсатора C2 (см. Фиг.8г). В момент времени t (Фиг.8) напряжение на выходе стабилизатора DA1 достигнет номинального значения и стабилизатор уменьшит ток со входа на выход. При этом ток на входе оконечного устройства уменьшится, что вызовет увеличение напряжения в шлейфе до значения, определяемого пожарными извещателями.
Далее стабилизатор DA1 удерживает напряжение на конденсаторе С2 за счет тока, потребляемого из шлейфа. Входной ток оконечного устройства будет равен сумме тока потребления самого стабилизатора DA1 и тока, потребляемого генератором.
После появления напряжения на конденсаторе С2 появляется ток, заряжающий конденсатор С3 обратной связи генератора (см. Фиг.7) от напряжения питания генератора (на выходе стабилизатора DA1, на конденсаторе С2). Это ток протекает с выхода стабилизатора DA1 через резисторы R3, R4, R2, конденсатор С3 и резистор R5 на общий провод (клемму 2 разъема X1). Этот ток приводит к заряду конденсатора С3 и увеличению напряжения на левой (на Фиг.7) обкладке конденсатора С3 (см. Фиг.8а).
ПОР
2
Когда это напряжение достигнет порогового значения U (см. Фиг.8а), при котором ток через резистор R1 в базу транзистора VT1 приведет к его приоткрыванию и протеканию тока в коллекторной цепи (напряжение на коллекторе VT1 см. Фиг.8б), начнет открываться транзистор VT2. При этом напряжение на коллекторе транзистора VT2 и правой вкладке конденсатора С3 начнет увеличиваться, что приведет к увеличению напряжения на левой обкладке конденсатора С3. А это приведет к дальнейшему открыванию транзистора VT1, вызывающему дальнейшее открывание транзистора VT2. Таким образом оба транзистора лавинообразно перейдут в открытое состояние. При этом напряжение на левой обкладке конденсатора С3 скачкообразно увеличится на величину напряжения питания генератора (момент времени t на Фиг.8а).
Открывшийся транзистор VT2 подает напряжение (напряжение на коллекторе VT2 см. Фиг.8в) с выхода стабилизатора DA1 на светодиод VD1 через резистор R6. Протекающий в этой цепи ток заставляет светодиод светиться. При этом конденсатор С2 разряжается, напряжение на нем уменьшается, что вызывает увеличение тока, протекающего со входа стабилизатора DA1 (из шлейфа) к выходу стабилизатора (в конденсатор С2) до тех пор, пока этот ток не компенсирует ток, потребляемый генератором (основная часть этого тока проходит через светодиод VD1). А увеличение входного тока стабилизатора DA1 (из шлейфа) вызовет падение напряжения в шлейфе (см. Фиг.8г). Таким образом формируется начало контрольного импульса.
3
ПОР
Далее происходит перезаряд конденсатора С3 током, протекающим через резисторы R1 и R2 (транзистор VT1 открыт и напряжения на его базе и коллекторе близки к нулю) на землю. По мере перезаряда конденсатора напряжение на левой обкладке конденсатора С3 будет плавно снижаться (см. Фиг.8а), момент t) до порогового значения U, при котором транзистор VT1 начнет закрываться, что вызовет закрывание транзистора VT2 и уменьшение его коллекторного тока. При этом начнет уменьшаться выходное напряжение генератора (на коллекторе VT2, резисторах R4 и R5, правой обкладке конденсатора С3), что вызовет дальнейшее снижение напряжение на левой обкладке конденсатора С3 (см. Фиг.8а), которое приведет к лавинообразному закрыванию обоих транзисторов и прекращению тока через резисторы R5 и R6, напряжение на коллекторе транзистора VT2 упадет до 0 (см. Фиг.8в), светодиод VD1 погаснет.
Прекращение токов через транзисторы вызовет уменьшение почти до нуля тока, потребляемого генератором. При этом резко уменьшится и ток, потребляемый стабилизатором DA1 из шлейфа, что вызовет увеличение напряжения в шлейфе, таким образом формируется конец контрольного импульса (см. Фиг.8г).
4
4
5
Далее процесс повторяется в порядке, описанном выше, за исключением того, что напряжение в точке соединения резисторов R1 и R2 с конденсатором С3 (см. Фиг.8а) окажется не нулевым, а отрицательным. Это вызовет более длительный переходной процесс заряда этого конденсатора до порогового значения открывания транзисторов и изменения состояния генератора (начала формирования контрольного импульса, момент t на Фиг.8а), чем в первом цикле, но не повлияет на длительность контрольного импульса (t-t на Фиг.8).
Временные характеристики формируемых сигналов зависят от номиналов элементов схемы. Длительность контрольного импульса прямо пропорциональна емкости конденсатора С3 и итоговому сопротивлению параллельно включенных резисторов R1 и R2. Продолжительность паузы между контрольными импульсами прямо пропорциональна емкости конденсатора С3 и итоговому сопротивлению последовательно включенных резисторов R2, R3, R4 и R5. Выбором номиналов указанных компонентов обеспечивают работу схемы с необходимыми временными параметрами.
Поскольку немалый технический эффект от использования заявляемого способа заключается в снижении энергопотребления процесса контроля целостности шлейфа, обоснуем выбор длительности и периода следования одиночных контрольных импульсов, являющихся сигналом целостности шлейфа.
Учитывая необходимость снижения влияния импульсных помех, следующих во времени случайно и имеющих, как правило, небольшую длительность, на работу приемно-контрольного прибора, в алгоритм функционирования микроконтроллера заведомо, при проектировании системы сигнализации, закладывают временную задержку перехода приемно-контрольного прибора в другое состояние при изменении входной информации микроконтроллера, т.е. либо при поступлении на вход импульсной помехи, либо при изменении напряжения в шлейфа.
Длительность задержки выбирается достаточной для того, чтобы за это время согласно собранной статистике закончились (по длительности) большинство импульсных помех, при этом переход приемно-контрольного прибора в другое состояние осуществляется только тогда, когда по истечении времени задержки изменение напряжения на его входе, которое дало началу отсчета этого времени, все еще присутствует, таким образом, значительно снижают вероятность ложных срабатываний приемно-контрольного прибора от импульсных помех.
В силу особенностей выбранного, реализующего способ варианта построения приемно-контрольного прибора с применением микроконтроллера ATMega32, который имеет несколько входов и только один вычислительный модуль, процесс обработки информации с нескольких входов может выполняться только последовательно во времени (см. описание микроконтроллера ATMega32). Из этого следует, что процесс обработки информации от одного входа (к которому подключен шлейф) будет происходить не постоянно, а периодически.
НОРМ
ПОЖАР
При описании принципа определения факта изменения состояния шлейфа мы будем использовать понятие «воздействие», означающее изменение напряжения в шлейфе, а следовательно, и выходных значений аналого-цифрового преобразователя, выходящее за пределы значений, характерных для состояния, которое микроконтроллер считает текущим для шлейфа. Например, если микроконтроллер ранее определил, что шлейф находится в состоянии «Внимание», то под воздействием мы будем понимать изменение напряжения в шлейфе за границы, характерные для состояния «Внимание» - то есть U и U.
ИМП
ИЗМ
Учитывая периодический характер измерения микроконтроллером напряжения в шлейфе, переход приемно-контрольного прибора в новое состояние разрешается только в том случае, если изменившееся напряжение в шлейфе все еще будет присутствовать (попадет в один и тот же диапазон значений) в течение заданного на этапе проектирования прибора числа N периодов измерения Т напряжения в шлейфе.
- Для дальнейших пояснений обратимся к Фигуре 9. На ней приведены эпюры напряжения в шлейфе, соответствующие воздействиям различной длительности. Вертикальными линиями под эпюрой напряжения обозначаются моменты измерения аналого-цифровым преобразователем напряжения в шлейфе по команде микроконтроллера.
ПОЖАР
1
3
3
ИМП
5
4
ИМП
ВОЗД1
1
6
ПОРОГ1
3
6
На Фигуре 9а) приведен пример воздействия на шлейф короткой импульсной помехи, которая выводит напряжение в шлейфе за границу ниже U в момент времени t. Микроконтроллер получит соответствующую информацию об этом в момент времени t, когда аналого-цифровой преобразователь выдаст результат измерения напряжения в шлейфе. Начиная с этого момента микроконтроллер начнет отсчет времени задержки. Для подсчета времени воздействия на шлейф используется отдельная ячейка памяти (счетчик периодов). Если при последующих измерениях напряжение в шлейфе также окажется вне границ текущего состояния (см. Фиг.9а), момент t), то содержимое счетчика периодов увеличивается на 1, пока не достигнет величины N. Если же при следующем измерении (см. Фиг.9а), момент t) микроконтроллер от аналого-цифрового преобразователя получит информацию, что напряжение в шлейфе вернулось в границы текущего состояния (см. Фиг.9а), момент t), то содержимое счетчика периодов обнуляется, так и не достигнув величины N. Таким образом мы видим, что короткие импульсные помехи длительностью t (с момента t до момента t), меньшей чем t (с момента t до момента t) не приводят к изменению состояния приемно-контрольного прибора.
1
ПОЖАР
2
3
ИМП
возд2
1
3
ПОРОГ2
2
3
На Фигуре 9б) приведена примерная эпюра воздействия на шлейф активации пожарного извещателя, при которой в момент времени t (см. Фиг.9б), напряжение в шлейфе выходит за границу U. Микроконтроллер получит соответствующую информацию от аналого-цифрового преобразователя в момент времени t и содержимое счетчика периодов станет равным 1. При каждом последующем измерении напряжения в шлейфе содержимое счетчика периодов будет увеличиваться на 1, пока в момент времени t не достигнет величины N. В этом случае микроконтроллер приходит к выводу, что действительно произошло изменение состояния шлейфа (активация второго пожарного извещателя) и переходит в состояние «Пожар». Таким образом мы видим, что воздействие на шлейф длительностью t (с момента t до момента t), большей чем t (с момента t до момента t), приводят к изменению состояния приемно-контрольного прибора.
Временная задержка также влияет и на поступающие сигналы от извещателей в шлейфе, поэтому время задержки не может быть слишком большим, т.к. это может привести к тому, что приемно-контрольный прибор пропустит реальный тревожный сигнал от извещателей.
ПОРОГ1
ПОРОГ2
Длительность задержки между активацией (переходом в тревожное состояние) извещателей в шлейфе и переходом в другое состояние большинства приемно-контрольных приборов, выпускаемых в настоящее время, составляет доли секунды, в частности, для приборов, выпускаемых предприятием Заявителем, характерным является время задержки срабатывания приемно-контрольного прибора от момента изменения напряжения на его входе - порядка 0,25-0,35 секунды, на Фиг.9 это t; t.
ПОРОГ1
Для того чтобы контрольный импульс (образующий сигнал целостности, см. Фиг.9в) от оконечного устройства в шлейфе не вызвал ложное срабатывание приемно-контрольного прибора, длительность контрольного импульса должна быть меньше времени описанной выше задержки t, причем с запасом. Этот запас позволит избежать ложного срабатывания приемно-контрольного прибора в случае, когда вслед за контрольным импульсом на шлейф окажет воздействие импульсная помеха (т.е. контрольный импульс может дать начало отсчета, а импульсная помеха конец отсчета времени задержки).
ВОЗД4
Для того чтобы приемно-контрольный прибор смог определить наличие контрольного импульса в шлейфе, микроконтроллер должен измерить напряжение в шлейфе во время действия этого импульса хотя бы один раз. А для этого длительность контрольного импульса должна быть больше периода измерения напряжения в шлейфе, причем с максимальным запасом, иначе контрольный импульс может быть пропущен микроконтроллером, как это показано на Фиг.9г), где импульс длительностью t оказывается незамеченным, он проскакивает между моментами измерения.
ИЗМ
ИЗМ
Уменьшать период измерения напряжения в шлейфе - это значит увеличивать количество таких измерений в единицу времени. А это приведет к увеличению объема информации, которую микроконтроллер должен успеть обработать за это время. А это определяет необходимость применения более быстрых и дорогих микроконтроллеров, что в конечном итоге приведет к удорожанию системы безопасности. Причем реальный выигрыш от этого будет заключаться только в приближении момента перехода приемно-контрольного прибора в тревожное состояние к моменту активации пожарных извещателей в шлейфе (чем чаще контролируется напряжение в шлейфе, тем меньше возможная ошибка времени реакции приемно-контрольного прибора, которая равна периоду измерения напряжения в шлейфе Т). А поскольку высоких требований, которые были бы установлены ГОСТ или отраслевыми нормативами к близости времени реакции прибора к времени перехода пожарных извещателей в активное состояние в шлейфе нет, то достаточно выбирать период измерения напряжения в шлейфе в несколько (5-10) раз меньше, чем само это время реакции. Обычно в приемно-контрольных приборах, выпускаемых предприятием Заявителем, период измерения напряжения в шлейфе Т составляет 20-60 мсек.
Таким образом, длительность контрольных импульсов, образующих сигнал целостности шлейфа, должна находиться в обоснованных выше пределах, в частности в приборах, выпускаемых компанией-Заявителем, эта длительность находится в диапазоне от 20 до 250 мсек.
Рассмотрим критерии выбора периода контрольных импульсов. Чем чаще следуют контрольные импульсы от оконечного устройства, тем больше расход энергии на контроль целостности шлейфа (при каждом импульсе через оконечное устройство протекает ток, который фактически отбирается у пожарных извещателей), и тем меньше энергии остается для пожарных извещателей. Целью изобретения является снижение энергопотребления процесса контроля целостности шлейфа. С точки зрения снижения энергопотребления на процесс контроля целесообразно увеличивать период контрольных импульсов.
С другой стороны, при увеличении периода повторения контрольных импульсов увеличивается и время ожидания приемно-контрольным прибором сигнала целостности шлейфа. Для снижения влияния одиночных помех и обеспечения повышенной надежности определения целостности шлейфа, целесообразно выбирать (см. Фиг.10а) время ожидания приемно-контрольным прибором этих импульсов
ожидан
ИМП
t как минимум в 2 раза больше периода повторения контрольных импульсов Т. В этом случае, даже если один контрольный импульс, по какой-либо причине будет потерян (см. Фиг.10б), это не приведет к ложному определению обрыва шлейфа.
Кроме того, желательно оставить запас для компенсации изменения периода контрольных импульсов под влиянием различных факторов, например температуры или отклонения от нормы реальных электрических параметров времязадающих элементов оконечных устройств. Поэтому достаточным можно считать соотношение периода повторения контрольных импульсов к времени ожидания приемно-контрольным прибором этих импульсов порядка 1:(2.5-3).
В современной отечественной нормативной базе, определяющей требования к приемно-контрольным приборам, данные о максимальном допустимом времени определения неисправности пожарного шлейфа с момента ее возникновения отсутствуют. В качестве отправной точки можно взять требования, предъявляемые к приемно-контрольным приборам европейскими нормами EN 54-2:1997, где на стр.15, глава 8, пункт 8.1.3 (см. Приложение) имеется требование ко времени перехода приемно-контрольного прибора в соответствующее состояние в пределах 100 секунд с момента появления неисправности.
Однако, если принимать во внимание 2-й вариант построения шлейфа системы, реализующей заявляемый способ, где фактически контролируется наличие всех пожарных извещателей в шлейфе, то желательно выдавать на приемно-контрольный прибор сообщение о неисправности в шлейфе в течение более короткого времени. Это может помочь пресечь нежелательные действия злоумышленников, выводящих из строя систему пожарной безопасности, например снимая пожарные датчики.
ИМП
Исходя из приведенных выше соображений можно сделать вывод, что допустимым можно считать время определения приемно-контрольным прибором неисправности в пожарном шлейфе (а фактически и время ожидания приемно-контрольным прибором контрольных импульсов от оконечного устройства), имеющее порядок нескольких десятков секунд. А из этого можно сделать вывод, что период повторения контрольных импульсов Т можно выбрать в пределах до десятка секунд.
В этом случае соотношение периода и длительности контрольных импульсов составит величину порядка сотни, что обеспечит КПД пожарного шлейфа порядка 99%.
Так, например, в приведенных выше двух вариантах сигнальных систем период повторения импульсов выбран порядка 5-10 секунд, время ожидания - порядка 12-20 секунд. Длительность импульсов - порядка 0,1-0,2 секунды. Таким образом, при значительно меньшем, чем допустимое европейскими нормами EN54-2, времени ожидания приемно-контрольным прибором контрольных импульсов от оконечного устройства, и в связи с этим высокой скоростью определения приемно-контрольным прибором неисправности в пожарном шлейфе с момента ее возникновения мы можем говорить о достоверном (не вызывающем сомнения в данный момент времени) определении этой неисправности (см. Фиг.10в).
КПД нашего шлейфа составляет величину, приблизительно равную 98%, выигрыш в снижении энергопотребления процесса контроля целостности шлейфа по сравнению с прототипом осуществлен можно сказать в 3 и более раз, что позволяет, как мы и объясняли выше, увеличить число пожарных извещателей в шлейфе в 1,5-2 раза и сделать шлейф системы сигнализации, реализующей способ, более вместительным при одном приемно-контрольном приборе.
Заявляемый способ предназначен к использованию в системах сигнализации, разработанных и предназначенных к массовому изготовлению на предприятии Заявителе. В настоящий момент разработка систем находится на стадии производства опытной партии.
Источники информации
1. Книга автора Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации. М.: Стройиздат, 1985, Глава IV. Приемно-контрольные пульты и системы централизованной пожарной сигнализации (с.205-222) (аналог).
2. Заявка на изобретение «Способ защиты шлейфа с оконечным резистором контрольной панели охранной сигнализации от несанкционированного вмешательства», RU, №2003133434, G08B 1/00 (аналог).
3. Заявка Японии на изобретение «Устройство для пожарной сигнализации» №3563254 B2 (11175859 A), G08B 17/00 от 11.12.1997 г. (работа устройства - аналог).
4. Патент РФ на изобретение «Способ сигнализации» №2078376 от 15.07.1991 г. (прототип).
5. Европейские нормы EN54-2 (исходный - основополагающий документ для определения периода следования контрольных импульсов).
Изобретение «Способ контроля состояния и целостности шлейфа»
Спецификация к чертежам
Наименование позиции
Номер на чертеже
Приемно-контрольный прибор
1
Шлейф сигнальный
2
Пожарный извещатель
3
Оконечное устройство
4
Источник постоянного напряжения
5
Балластный резистор
6
Микроконтроллер, например, ATMEGA 32(-16А1)
7
Аналого-цифровой преобразователь
8
Резистивный делитель
9
Задающий генератор оконечного устройства (вариант 1 - Фиг.2)
10
Выходной ключ оконечного устройства (вариант 1 - Фиг.2)
11
Стабилизатор напряжения оконечного устройства, по варианту 2
12
Генератор оконечного устройства, по варианту 2
13