Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Improving the safety of human life is one of the main tasks of scientific and technological progress. A dangerous situation occurs when a person is in a dangerous area, i.e. in a space where constantly, periodically, or occasionally there are situations caused by factors that lead to gradual or instantaneous damage to human health. Fire is one of these situations. The safety of technical systems is solidly linked to their reliability. In firefighting automation, the main purpose of calculating reliability is to determine the probability of failure-free operation of the equipment of the system. The value obtained is subsequently used to calculate individual fire risk. To ensure technical safety, it is a universal practice to use system approach and system analysis, which allows us to consider technical security as a system. One of the specific characters of determining the reliability of computer-aided systems is the difference between the reliability indicators of the main elements of the system and the automation system as a whole. The more complex the system, the less reliable it is. The article considers the main problems leading to the efficiency loss of particular items of equipment included in the technical safety systems and formulates the tasks and methods for their reliability assessment. The research features the fire safety system of an industrial building, which includes an automatic fire alarm system and a warning and evacuation system. The paper contains an example of calculating the reliability for an automatic fire alarm system. The authors propose some ways of improving the existing system. The results are processed and presented by the main indicators of system reliability, which are the failure rate and the failure-free operation probability for particular items of equipment and the system as a whole. The research revealed that a manual detector, used as a standby item in the system of thermal and smoke fire detectors, makes it possible to reduce the failure rate of the system and increase the average time of failure-free operation. Thus, it improves the indicators of the system reliability and increases the safety of industrial buildings.
Technical safety, reliability, fire alarm system
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. Makhutov N.A., Zatsarinny V.V., Algin V.B., and Ishin N.N. Technogenic risk, reliability and diagnostics of technical systems: approaches, models, methods. Mechanics of Machines, Mechanisms and Materials, 2012, vol. 20-21, no. 3-4, pp. 67-85. (In Russ.).
2. Makhutov N.A., Zatsarinny V.V., Gadenin M.M., Algin V.B., and Ishin N.N. Technosphere development: the estimation of risk and reliability for complex technical objects. Aktualʹnye voprosy mashinovedeniya [Relevant issues of engineering], 2012, vol. 1, pp. 29-49. (In Russ.).
3. Krolʹ A.N. and Efremova Ya.O. Razvitie pozharnoy okhrany v Rossii i Kuzbasse [Development of fire protection in Russia and Kuzbass]. Pishchevye innovatsii i biotekhnologii: materialy IV Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii [Food Innovations and Biotechnologies: Proceedings of the IV International Scientific Conference]. Kemerovo, 2016, pp. 667-669. (In Russ.).
4. Fedorov A.V., Baryshev V.A., Markov V.N., and Tagiyev S.K. Actual problems of safety of technological processes and productions to prevent anthropogenic emergency situations. Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MCHS Rossii [Bulletin of the Voronezh Institute of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia], 2017, vol. 24, no. 3, pp. 91-98. (In Russ.).
5. Bykova N.M. and Belyalov T.Sh. Approaches to assessment and methods for predicting safety of complex technical objectstate. Modern technologies. System analysis. Modeling, 2015, vol. 48, no. 4, pp. 113-118. (In Russ.).
6. Onishchenko V.Ya. Klassifikatsiya i sravnitelʹnaya otsenka faktorov riska [Classification and comparative assessment of risk factors]. Occupational Safety in Industry, 1997, no. 2, pp. 46-56. (In Russ.).
7. Lepikhin A.M., Moskvichev V.V., and Doronin S.V. Reliability, survivability and safety for complex technical systems.Computational Technologies, 2009, vol. 14, no. 6, pp. 58-70. (In Russ.).
8. Volik B.G. O svoystvakh tekhnicheskikh obʺektov, opredelyayushchikh ikh ehkspluatatsionnuyu rabotosposobnostʹ [Properties of technical objects that determine their operational performance]. Dependability, 2005, vol. 25, no. 2, pp. 64-69. (In Russ.).
9. Kostyukov A.A. Metody i sredstva obespecheniya nadezhnosti avtomatizirovannykh system [Methods and means of ensuring the reliability of automated systems]. Railway Transport, 2010, no. 10, pp. 44-47. (In Russ.).
10. State Standard 27.301-95. Dependability in technics. Dependability prediction. Basic principles. Moscow: Standards Publ., 1995.
11. RND 73-16-90. Metodika po raschetu pokazateley nadezhnosti sistemy opoveshcheniya o pozhare i upravleniya ehvakuatsiey lyudey pri pozhare [RND 73-16-90. Methods for calculating the reliability of the fire alarm system and the management of evacuation of people in case of fire]. Novosibirsk, 1990.
12. Plotkin B.K. Life safety: theory reliability and risk management. Vestnik fakulʹteta upravleniya SPBGEHU [Bulletin ofthe Faculty of Management St. Petersburg State University of Economics], 2017, no. 1-2, pp. 236-241. (In Russ.).
13. Starodubtseva S.A. and Gusev A.S. Prediction of remaining lifetime of constructions and machine elements. Izvestiya MGTU MAMI, 2012, vol. 1, no. 2, pp. 355-360. (In Russ.).
14. Makhutov N.A., Gadenln M.M., Petrov V.P., and Yudina O.N. Machinescience for Technogenic Safety Problems. Safety and emergencies problems, 2008, no. 5, pp. 3-18. (In Russ.).
15. SP 5.13130.2009. Sistemy protivopozharnoy zashchity. Ustanovki pozharnoy signalizatsii i pozharotusheniya avtomaticheskie. Normy i pravila proektirovaniya [Fire protection systems. Installation of fire alarm and fire extinguishing automatic. Design rules and regulations]. Moscow: Official Publ., 2009.
16. State Standard P 27.301-2011. Dependability in technics. Dependability management. Analysis techniques for reliability. General principles. Moscow: Standartinform Publ., 2013.
17. VSN 116-93. Instruktsiya po proektirovaniyu lineyno-kabelʹnykh sooruzheniy svyazi [DBN 116-93. Instructions for the design of linear cable communication facilities]. Moscow, 1993.
18. Kommentarii k otdelʹnym statʹyam Federalʹnogo zakona ot 22 iyulya 2008 № 123-FZ “Tekhnicheskiy reglament o trebovaniyakh pozharnoy bezopasnosti” [Comments on certain articles of the Federal Law of July 22, 2008, No. 123- FL “Technical Regulations on Fire Safety Requirements”].
19. Prikaz MCHS RF ot 10.07.2009 № 404. Ob utverzhdenii metodiki opredeleniya raschetnykh velichin pozharnogo riska na proizvodstvennykh obʺektakh [Order of the Ministry of Emergency Situations of the Russian Federation of 10.07.2009 No. 404. The methodology for determining the calculated values of fire risk at industrial facilities].
20. State Standard 27.002-89. Industrial product dependability. General concepts. Terms and definitions. Moscow: Standards Publ., 2002.
