Кемерово, Кемеровская область, Россия
Кемерово, Кемеровская область, Россия
Кемерово, Кемеровская область, Россия
Кемерово, Кемеровская область, Россия
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Повышение безопасности жизнедеятельности человека является одной из основных задач научно- технического прогресса. Опасная ситуация возникает при нахождении человека в опасной зоне, т.е. в пространстве, где постоянно, периодически или эпизодически возникают ситуации, обусловленные факторами, приводящими к постепенному или мгновенному повреждению здоровья человека. Одной из таких ситуаций является возникновение пожара. Безопасность технических систем неразрывно связана с их надежностью. В противопожарной автоматике основная цель проведения расчета надежности – определение вероятности безотказной работы оборудования системы с последующим использованием полученного значения в расчете индивидуального пожарного риска. Одна из особенностей определения надежности автоматизированных систем – это серьезное различие между показателями надежности основных элементов системы и системы автоматики в целом. Чем сложнее система, тем она менее надежна. В статье рассмотрены основные проблемы, приводящие к потере работоспособности отдельных элементов оборудования систем технической безопасности; сформированы задачи и методы оценки их надежности. Объектом исследования является система пожарной безопасности производственного здания, в состав которой входят: система автоматической пожарной сигнализации и система оповещения и управления эвакуацией людей. Приведен пример расчета надежности для системы автоматической пожарной сигнализации, по результатам которого сделаны выводы и предложены пути совершенствования существующей системы. Результаты исследований обработаны и представлены основными показателями надежности системы, которыми являются интенсивность отказов и вероятность безотказной работы отдельных элементов оборудования и системы в целом. Установлено, что введение ручного извещателя в систему резервирования тепловых и дымовых пожарных извещателей позволяет снизить интенсивность отказов системы, увеличить среднее время безотказной работы. Таким образом, улучшены показатели надежности системы, за счет чего может быть повышена безопасность зданий.
Техническая безопасность, надежность, система пожарной сигнализации
Введение
Автоматическая пожарная сигнализация (АПС) представляет собой совокупность технических устройств, которая выполняет следующие функции: обнаружение и извещение о пожаре, формирование управляющих сигналов включения автоматических средств пожаротушения. К основным задачам АПС относят: идентификацию первичных признаков пожара и очагов возгорания; обработку в приемно-контрольных пожарных устройствах сигналов, поступающих от пожарных извещателей; формирование управляющих сигналов для устройств пожарной автоматики; передачу управляющих сигналов в системы оповещения и управления эвакуацией (СОУЭ), дымоудаления и автоматического пожаротушения; передачу сигналов на пульт дежурного персонала.
Структура АПС формируется на основе приемно- контрольной панели, к которой подключены извещатели (пожарные, охранные), оповещатели (световые, звуковые), модуль связи с дежурным персоналом или пожарной частью. Вызов пожарного подразделения в ручном режиме осуществляется с помощью кнопки экстренного вызова. Датчики в составе АПС реагируют на события,
свидетельствующие о возникновении пожара: наличие открытого пламени, рост температуры, рост концентрации дымовых газов в воздухе.
Надежность АПС и СОУЭ – необходимое условие их безопасного функционирования [1]. Надежность является основным эксплуатационно- техническим свойством систем, а ее показатели
– мерой качества функционирования системы. Надежность системы можно оценить с помощью аналитической или вероятностной модели. Основное условие построения аналитической модели – наличие структуры системы и логической схемы ее функционирования [2–5]. В зависимости от этого будет строиться модель надежности технической системы и будет зависеть результат оценивания показателя, а, следовательно, и принятие решений. На этапах испытаний и эксплуатации системы источником информации о системе и ее свойствах становятся реальный объект и условия функционирования. Получаемые данные представляют собой результаты случайной выборки и оценки показателей надежности с помощью методов статистической теории надежности [6–9].
Целью работы является повышение безопасности производственного помещения путем модернизации
Рисунок 1 – План расположения оборудования АПС и СОУЭ
Figure 1 – Location of the automatic fire alarm system and the system of warning and evacuation
Ахмедова А. А. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2018. Т. 48. № 4 С. 79–86
системы пожарной безопасности, в состав которой входят система автоматической пожарной сигнализации и система оповещения и управления эвакуацией людей.
безотказной работы элементов системы и системы в целом. Интенсивность отказов i-го элемента (λ )
|
|
Объекты и методы исследования
Объектом исследования является система
𝜆𝜆 =
1
𝑇𝑇0
. (1)
пожарной безопасности производственного здании общей площадью 128 м2, в состав которой входят система автоматической пожарной сигнализации (АПС), система оповещения и управления эвакуацией людей (СОУЭ). Предметом исследования является надежность действующей системы пожарной безопасности.
План расположения оборудования АПС и СОУЭ показан на рисунке 1.
ГОСТ 27.301-95 «Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения» [10] устанавливает задачи расчета надежности системы противопожарной автоматики. Во- первых, расчет показателей надежности элементов системы и надежности системы в целом. Во- вторых, установление соответствия полученных значений показателей надежности системы заданным требованиям. В-третьих, выбор варианта рационального построения схемы, обоснованного с учетом полученных показателей надежности.
Чаще всего проектная документация АПС и СОУЭ не содержит расчета надежности. Только очень крупные компании проводят расчет на этапе
«Рабочая документация» с целью определения структурно-конструктивного построения системы для оптимизации ее технического обслуживания. Расчет надежности служит серьезным основанием при проведении технического обслуживания системы и позволяет экономить ресурсы на этапе создания системы и последующей эксплуатации [7].
Методика расчета надежности, указанная в документе РНД 73-16-90 «Методика по расчету показателей надежности системы оповещения о пожаре и управления эвакуацией людей при пожаре» [11], позволяет определить общую последовательность расчета надежности. Также необходимо учитывать ГОСТ 27.301-95
«Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения» [10]. В результате рекомендованы следующие этапы оценки надежности:
- Изучение системы, которую необходимо рассчитать, сбор необходимых данных и идентификация системы;
- Постановка цели и задач расчетов, определение значений расчетных показателей надежности;
Основная цель расчета заключается в определении указанных показателей надежности технического оборудования системы. Данные показатели могут быть положены в основу дальнейшей оптимизации технического обслужи- вания рассчитываемой системы, а также использованы для установления уровня риска [5] и применены как критерий обоснования усовершенствования системы.
Функциональное назначение системы позволяет установить основные контуры обслуживания. Система автоматической пожарной сигнализации содержит два основных целевых контура: АПС и СОУЭ.
Кроме основных контуров, каждая система включает дополнительные контуры обеспечения. Например, контур обеспечения системы электроэнергией. В нашем случае вспомогательный контур электрообеспечения не рассматривается, так как его надежность соответствует первой категории с идеальной вероятностью безотказной работы контура равной единице (т.е. контур не влияет на общую надежность системы). Данное решение не выходит за границы инженерной точности расчета.
Для выполнения расчетов надежности определяют тип соединения элементов системы. Основными типами соединения считают параллельное и последовательное соединения. Последовательное соединение элементов системы означает то, что отказы ее элементов независимы друг от друга. При этом отказ хотя бы одного из элементов вызовет отказ всей системы. Параллельное соединение элементов в системе означает, что если отказы элементов независимы друг от друга, то отказ всей системы возникает только при отказе всех элементов.
В случае последовательного соединения n элементов системы интенсивность ее отказов определяется зависимостью:
|
В случае параллельного соединения n элементов интенсивность отказов определится как:
1 ∑𝑛𝑛 1
3. Выбор методик расчета, которые учитывают особенности системы, цели расчета, исходную
=
𝜆𝜆с
𝑖𝑖=1 𝜆𝜆𝑖𝑖 . (3)
информацию и другие данные, необходимые для расчета;
- Формирование расчетных моделей для определения значений показателей надежности;
- Расчет значений показателей надежности и их сравнение с требуемыми.
К основным показателям надежности системы относят интенсивность отказов и вероятность
Получив T , можно переходить к расчету
|
𝑃𝑃(𝑡𝑡) = exp(−𝑡𝑡/𝑇𝑇0). (4)
Akhmedova A.A. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2018, vol. 48, no. 4, pp. 79–86
Результаты и их обсуждение
При построении структурной схемы системы для расчета надежности необходимо сразу поставить границы глубины декомпозиции – т.е. выделения подсистем в составе системы с последующей декомпозицией подсистем и т.д. Любой элемент, модуль системы можно рассматривать как подсистему в границах общего комплекса. Достижение необходимой точности в декомпозиции требует, как правило, четырех- пяти процедур [12]. Будем считать, что в состав исследуемого объекта входят типовые заводские изделия, такие как извещатели пожарные дымовые и тепловые, извещатели пожарные ручные, прибор приемно-контрольный пожарный, оповещатели охранно-пожарные комбинированные светозвуковые, а также световые табло.
Структура контура АПС в каждом помещении с целью резервирования предполагает дублирование извещателей. В случае неисправности одного из извещателей другой срабатывает [13, 14]. Если неисправен ручной извещатель, то должны сработать дымовые (или тепловые). Извещатели пожарные ручные – основная часть АПС, выход их из строя должен быть обязательно зафиксирован, а их работоспособность необходимо
восстановить. Основная функция дымовых или
помещении), то их соединение в расчетной схеме считают последовательным. Размер площади, которую покрывает один пожарный извещатель, в зависимости от высоты помещения, приведен в СП 5.13130.2009 [15]. При расчете зон покрытия также учитывается радиус покрытия извещателя.
На основе анализа данной информации, а также с учетом площади каждого из помещений здания сформируем структурные схемы конту- ров АПС и СОУЭ (рис. 2, 3). Таким образом, АПС представлена последовательно-параллельной структурой, система СОУЭ – последовательной.
Исходные данные, необходимые для расчета показателей надежности исследуемой системы, представлены в таблице 1. Данные включают время наработки на отказ основного оборудования системы, показатели ремонтопригодности оборудования, сведения об архитектуре системы. Информация о наработке на отказ приводится в официальной сопровождающей документации или паспорте на оборудование.
Определим интенсивность отказов элементов системы по формуле (5). Для дымовых и тепловых пожарных извещателей, извещателей ручных и светового оповещателя интенсивности отказов
одинаковы (λ , λ , λ , λ ,) и равны 1,67 × 10 ч ;
|
тепловых извещателей заключается в фиксации
для прибора пожарного: λ = 5 × 10
ч ; для
|
ч .
|
комбинированного оповещателя: λ = 2,5 × 10–5 –1
Определим интенсивность отказов контуров АПС и СОУЭ.
Для контура АПС, в соответствии со структурной схемой на рисунке 2, интенсивность отказов будет составлять:
𝜆𝜆ДИ × 𝜆𝜆ДИ
𝜆𝜆 ТИ ∙ 𝜆𝜆 ТИ −5
|
+ 𝜆𝜆ДИ
+ 2 ×
𝜆𝜆
ТИ∙
+ 𝜆𝜆ТИ
= 19,195 × 10
1/ч. (5)
Рисунок 2 – Структурная схема контура СОУЭ
BIAL – оповещатель световой, BIAL/S – оповещатель комбинированный (свето-звуковой)
Figure 2 – Block diagram of the system of warning and evacuation BIAL – light emergency alarm, BIAL/S – combined emergency alarm (light and sound)
Таблица 1 – Сведения об оборудовании системы
Table 1 – Equipment properties
|
№ п/п |
Наименование и тип технического средства |
Время наработки на отказ, час |
Состояние после отказа |
Количество, шт |
|
1 |
Извещатель пожарный дымовой |
60 000 |
восстанавливаемое |
20 |
|
2 |
Извещатель пожарный тепловой |
60 000 |
восстанавливаемое |
4 |
|
3 |
Извещатель пожарный ручной |
60 000 |
восстанавливаемое |
1 |
|
4 |
Прибор приемно-контрольный охранно-пожарный и управления |
20 000 |
восстанавливаемое |
1 |
|
5 |
Оповещатель комбинированный |
40 000 |
восстанавливаемое |
2 |
|
6 |
Оповещатель световой |
60 000 |
восстанавливаемое |
2 |
Ахмедова А. А. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2018. Т. 48. № 4 С. 79–86
Рисунок 3 – Структурная схема контура АПС ARK – прибор приемно-контрольный охранно-пожарный и управления,
BTH – извещатель пожарный дымовой, BTM – извещатель пожарный ручной, BTK – извещатель пожарный тепловой
Figure 3 – Block diagram of the automatic fire alarm system contour ARK – fire alarm and control device, BTH - smoke fire detector, BTM – manual fire detector, BTK – heat fire detector
Интенсивность отказов для контура СОУЭ:
𝜆𝜆СОУЭ = 𝜆𝜆СО + 𝜆𝜆КО, (6)
𝜆𝜆СОУЭ = 2 × 𝜆𝜆КО + 2 × 𝜆𝜆СО = 8,34 × 10−5 1/ч. (7) Интенсивность отказов всей системы:
𝜆𝜆 = 27,535 × 10−5 1/ч. (8)
Среднее время безотказной работы системы (средняя наработка на отказ):
могут повлиять на надежность работы системы АПС и СОУЭ. Например, в расчете могут быть учтены линии связи и кабельные соединения. Также можно учесть надежность программного обеспечения, используемого в системе.
Полученное значение вероятности безотказной работы системы не соответствует нормам пока- зателей надежности систем АПС и СОУЭ [11]. Следовательно, необходимо определить пути повышения их надежности.
С этой целью на этапе проектирования возможно применение оборудования с лучшими показателями и резервирование. Резервирование представляет собой введение дополнительных
1 1 элементов в систему параллельно к существующим,
𝑇𝑇0 = 𝜆𝜆 = 27,535 × 10−5 = 3632 ч. (9)
Проведем расчет вероятности безотказной работы системы для 2000 часов:
𝑃𝑃(𝑡𝑡) = exp(−2000/𝑇𝑇0) = 0,58. (10)
В результате расчета были определены основные параметры надежности системы автоматической пожарной сигнализации и системы оповещения и управления эвакуацией. Произведенный расчет упрощен и не учитывает ряд показателей, которые
т.е. элементов, дублирующих функции основных. Соответственно, система называется системой с резервированием в том случае, если отказ наступает после отказа основного элемента и всех резервируемых элементов. Тип резервирования выбирается, исходя из конкретно поставленной задачи. В пожарной автоматике резервируются отдельные модули. Полное резервирование системы применяется крайне редко [16–20].
В качестве резервного модуля системы АПС вводим извещение о пожаре в ручном режиме. Схемы резервирования представлены на рисунке 4.
Akhmedova A.A. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2018, vol. 48, no. 4, pp. 79–86
Вероятность безотказной работы системы для 2000 часов:
𝑃𝑃(𝑡𝑡) = exp(−2000/𝑇𝑇0) = 0,61. (14)
Рисунок 4 – Схемы резервирования дымовых и тепловых пожарных извещателей ручными извещателями
Figure 4 – Schemes for reserving smoke and heat emergency alarms
with manual detectors
В этом случае для контура АПС интенсивность отказов составит:
𝜆𝜆ДИ∙𝜆𝜆ИР
Выводы
Результаты расчетов демонстрируют, что введение ручного извещателя в систему резервирования тепловых и дымовых пожарных извещателей позволит снизить интенсивность отказов системы более чем на 10 %, увеличить среднее время безотказной работы на 453,5 часа. Таким образом, резервирование элементов существующих АПС и СОУЭ улучшает основные показатели их надежности, что повышает безопасность зданий.
Нельзя добиться абсолютно безотказной работы сложной системы, однако, можно свести к минимуму неконтролируемые отказы, возникающие в процессе
𝜆𝜆АПС = 𝜆𝜆ППК + 𝜆𝜆ИР + 2 × 𝜆𝜆ДИ + 9 ×
+
𝜆𝜆ДИ + 2𝜆𝜆ИР
эксплуатации каждой технической системы, вслед-
ствие износа ее элементов, и влияния на нее
𝜆𝜆ТИ ∙ 𝜆𝜆ИР
+ 2 ×
𝜆𝜆ТИ + 2𝜆𝜆ИР
= 16,137 × 10−5 1/ч. (11)
неблагоприятных внешних и внутренних факторов. Это достигается путем грамотно организованной
Тогда интенсивность отказов всей системы:
𝜆𝜆 = 24,477 × 10−5 1/ч. (12)
Среднее время безотказной работы системы (средняя наработка на отказ):
1
𝑇𝑇0 = 24,477 × 10−5 = 4085,5 ч. (13)
эксплуатации системы, профилактических мероприя- тий и ремонтов, правильного выбора частоты проверок и регламентации времени непрерывной работы системы.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
1. Техногенный риск, надежность и диагностика технических систем: подходы, модели, методы / Н. А. Махутов, В. В. Зацаринный, В. Б. Альгин [и др.] // Механика машин, механизмов и материалов. - 2012. - Т. 20-21, № 3-4. - С. 67-85.
2. Развитие техносферы: оценка риска и надежности сложных технических объектов / Н. А. Махутов, В. В. Зацаринный, М. М. Гаденин [и др.] // Актуальные вопросы машиноведения. - 2012. - Т. 1. - С. 29-49.
3. Кроль, А. Н. Развитие пожарной охраны в России и Кузбассе / А. Н. Кроль, Я. О. Ефремова // Пищевые инновации и биотехнологии : материалы IV Международной научной конференции / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2016. - С. 667-669.
4. Актуальные проблемы обеспечения безопасности технологических процессов и производств для предупреждения техногенных чрезвычайных ситуаций / А. В. Федоров, В. А. Бармашев, В. Н. Марков [и др.] // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. - 2017. - Т. 24, № 3. - С. 91-98.
5. Быкова, Н. М. Подходы к оценке и способам прогнозирования безопасности состояния сложных технических объектов / Н. М. Быкова, Т. Ш. Белялов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2015. - Т. 48,№ 4. - С. 113-118.
6. Онищенко, В. Я. Классификация и сравнительная оценка факторов риска / В. Я. Онищенко // Безопасность труда в промышленности. - 1997. - № 2. - С. 46-56.
7. Лепихин, А. М. Надежность, живучесть и безопасность сложных технических систем / А. М. Ляпихин, В. В. Москвичев, С. В. Доронин // Вычислительные технологии. - 2009. - Т. 14, № 6. - С. 58-70.
8. Волик, Б. Г. О свойствах технических объектов, определяющих их эксплуатационную работоспособность / Б. Г. Волик // Надежность. - 2005. - Т. 25, № 2. - С. 64-69.
9. Костюков, А. А. Методы и средства обеспечения надежности автоматизированных систем / А. А. Костюков // Железнодорожный транспорт. - 2010. - № 10. - С. 44-47.
10. ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения. M. : Издательство стандартов,
11. РНД 73-16-90. Методика по расчету показателей надежности системы оповещения о пожаре и управления эвакуацией людей при пожаре. Новосибирск, 1990.
12. Плоткин, Б. К. Безопасность жизнедеятельности: теория надежности и управление рисками / Б. К. Плоткин // Вестник факультета управления СПБГЭУ. - 2017. - № 1-2. - С. 236-241.
13. Стародубцева, С. А. Прогнозирование остаточного ресурса конструкций и деталей машин / С. А. Стародубцева, А. С. Гусев // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. - 2012. - Т. 1, № 2. - С. 355-360.
14. Машиноведение в проблемах техногенной безопасности / Н. А. Махутов, М. М. Гаденин, В. П. Петров [и др.] // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. - 2008. - № 5. - С. 3-18.
15. СП 5.13130.2009. Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования. М. : Издание официальное, 2009.
16. ГОСТ Р 27.301-2011. Надежность в технике. Управление надежностью. Техника анализа безотказности.M. : Стандартинформ, 2013.
17. ВСН 116-93. Инструкция по проектированию линейно-кабельных сооружений связи. M., 1993.
18. Комментарии к отдельным статьям Федерального закона от 22 июля 2008 № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
19. Приказ МЧС РФ от 10.07.2009 № 404. Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах.
20. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М. : Издательство стандартов, 2002.
