Решение задачи повышения уровня пожарной безопасности помещений на основе активного интеллектуального управления индивидуальной сетевой нагрузкой

В настоящее время повышению уровня пожарной безопасности отводится особое место в связи с ростом чрезвычайных ситуаций и резкому увеличению человеческих и материальных потерь. Т.о. создание эффективной, востребованной модульной платформы для непрерывного сканирования (мониторинга) индивидуальных потребителей электроэнергии с целью интеллектуального управления электрической нагрузкой и ориентации на активную и пассивную пожарную безопасность и энергосбережение в настоящее время является актуальной задачей.

Мониторинг индивидуальных потребителей энергии в обязательном порядке должен осуществляться в детских дошкольных учреждениях, школах, интернатах, больницах, домах престарелых и т.п. Помещения в этих зданиях активно используются в течение суток, в них находится, как правило, постоянный, привыкший к местным условиям контингент людей определенного возраста и физического состояния. При этом, анализ корректности использования сетевой нагрузки должен осуществляться не на значительном удалении от объекта, как это делают автоматы защиты сети или предохранители, а непосредственно в сетевой розетке – в локальной области нахождения объекта потребления (сетевой нагрузки), т.к. причинами возникновения пожара, как правило, являются: нагрев и возгорание скрытой проводки; чрезмерный нагрев контактов сетевой розетки или вилки; недостаточное сечение сетевых проводов; использование предохранителей превышенной мощности, повышенная влажность проводов и колодцев (каналов) и т.п.

О необходимости использования подобных систем красноречиво говорит печальная статистка, а также многократные публикации в прессе о закрытии или приостановлении деятельности подобных учреждений. Так, например, в 2011 году пресс-службе Министерства по чрезвычайным ситуациям РФ опубликовала «чёрный список» социально-значимых объектов, на которых грубо нарушаются требования пожарной безопасности. Сотрудники государственного пожарного надзора МЧС России проверили в общей сложности 9 453 объекта. В ходе проверок было выявлено 66 297 нарушений требований правил и норм пожарной безопасности. Из них основными нарушениями требований пожарной безопасности по-прежнему являются:

– неудовлетворительное состояние путей эвакуации 1890 объектов (20%);

– неисправность электросетей и электрооборудования 1318 объектов (14%);

– отсутствие систем автоматической пожарной сигнализации 1372 объекта (14%);

– отсутствие нормативного количества первичных средств пожаротушения и индивидуальных средств защиты органов дыхания на 1384 объектах (14%);

–отсутствие систем оповещения людей при пожаре 1195 объектов (12%).

По итогам комплексных проверок был подготовлен «чёрный список» из 199 социально-значимых объектов, на которых грубо нарушаются требования пожарной безопасности. Следует отметить, что в тоже время, основное требование к обеспечению пожарной безопасности в указанных учреждениях сводится к установке систем пожарного оповещения, т.е. формально к обеспечению пассивной безопасности, активизируемой лишь по уже случившемуся факту.

Между тем, концепция системы интеллектуального управления помещением может быть направлена на обеспечение активной безопасности, т.е. на формирование комплекса превентивных мероприятий. Для того, чтобы такие решения могли широко использоваться на практике, необходимо решить следующие задачи:

1. основные модули системы должны быть бюджетными, доступными для приобретения муниципальными и государственными учреждениями;
2. для монтажа модулей не привлекались высококвалифицированные специалисты (инсталляторы) с тем, чтобы не увеличивать фактическую стоимость готовой системы;
3. модули должны жестко встраиваться в типовые посадочные места, не требуя их доработки и повышая стойкость к вандализму;
4. должны использоваться простые схемные и конструктивные решения с целью массового тиражирования предприятиями радиопромышленности, а также малыми предприятиями, имеющими соответствующие сертификаты.

В настоящее время в технологиях и сетевых платформах систем автоматизации управления помещением широко применяется радиоинтерфейс. Использование электрических проводов для передачи сигналов управления (оповещения) ограничено низкой скоростью передачи информации, малой помехозащищенность, проблемой ложного срабатывания и отсутствием обратной связи приёмника с передатчиком. Однако следует отметить, что именно этот способ коммуникации для модульной бюджетной системы как раз и является наиболее предпочтительным и полностью отвечающим рассмотренным выше задачам, а для перечисленных ранее муниципальных учреждений, кроме того, и единственно возможным. Т.о., основной задачей является устранение указанных выше проблем, т.к. развитие данного вида систем, безусловно, окажет решающее влияния на уровень современной охранно-пожарной техники.

Для решения данной задачи целесообразно использовать новую линейку аналоговых микроконтроллеров. Подобные электронные компоненты – программируемые аналоговые интегральные схемы (ПАИС) или процессоры аналоговой обработки сигналов (dpASP) содержат: полностью дифференциальную архитектуру, конфигурируемые ячейки ввода/вывода, низкое напряжение смещения в режиме прецизионного входа, наличие буферных преобразователей несимметричных сигналов в дифференциальные, встроенные функции линеаризации, широкую полосу пропускания, высокое отношение сигнал/шум, низкий коэффициент гармоник.

В соответствии с затронутой выше концепцией активной безопасности разработка должна осуществляться с модуля анализа и управления индивидуальным потребителем энергии (далее – МАиУИПЭ), размещаемого непосредственно в посадочном месте штатной розетки. Рассматриваемый модуль должен обеспечивать активный мониторинг нагрузки на основе непрерывного бесконтактного измерения тока потребления, температуры контактов и сетевого провода, влажности зоны окружения (полость подразетника), формировать необходимые визуальные и аудиосигналы и взаимодействовать с другими подобными модулями и центральным контроллером системы автоматизации здания по сетевым проводам. МАиУИПЭ, интегрированный непосредственно в сетевую розетку (точнее – в стандартный подрозетник или установочную коробку), может быть выполнен как в базовом (бюджетном), так и в расширенном вариантах.

В базовом варианте исполнения МАиУИПЭ обеспечивает непрерывный контроль тока нагрузки, отключение нагрузки при длительном (не случайном) превышении допустимого значения (токовой уставки) и формирование звукового и светового сигналов для информирования пользователя – потребителя энергии.

В расширенном варианте исполнения МАиУИПЭ, помимо указанных выше функций, осуществляет:

1) контроль по одному или двум температурным каналам (контроль температуры силового провода и контроль температуры токораспределительных гнезд);

2) контроль по одному или двум каналам относительной влажности для предотвращения короткого замыкания и пожара при затоплении розетки и скрытых кабельных каналов, а также при наличии инея на силовых контактах и проводах;

3) формирование периодического сигнала опасности, передаваемого по силовым проводам к внешнему контроллеру сети.

Одна из причин особого внимания к сетевым помехам – размещение МАиУИПЭ непосредственно в месте локализации помех, а именно, в сетевой розетке. Учитывая выше сказанное целесообразно рассмотреть реализацию МАиУИПЭ на основе ПАИС и dpASP компании Anadigm, сочетающих преимущество аналоговых и цифровых (дискретных во времени) электронных многофункциональных компонентов обработки сигналов. Для серийного производства предполагается использование заказных микросхем на базе FPAA по технологии Freeze-Frame. Это позволяет снизить стоимость микросхем на 30...60%. Всё, что для этого требуется, – разработать и отладить проект на базе ПАИС, отправить файл прошивки региональному представителю, и через некоторое время будет изготовлено требуемое количество ASIC в тех же корпусах и полностью совместимое по выводам.

В качестве датчика тока наиболее предпочтительным вариантом с учетом аналоговой реализации является использование датчика тока, основанного на эффекте Холла, например, CSA-1V-SO – рис. 1.

Рис. 1. Интегральный датчик тока на эффекте Холла CSA-1V-SO

В качестве датчика температуры возможен выбор как резистивных и полупроводниковых структур, при этом первые отличаются более низкой стоимостью, но обладают значительным временем реакции на снятие воздействия (до 10 сек.). Этот недостаток может быть превращен в преимущество, т. к. в случае короткой цикличной импульсной перегрузки контроллер не будет включать нагрузку сразу же после исчезновения помехи, обеспечивая тем самым сохранность электронного подключенного оборудования (телевизионного приемника, аудиоцентра и т.п.)

Функциональная схема и компьютерная модель базового варианта реализации МАиУИПЭ на основе статически конфигурируемого кристалла AN121E04 компании Anadigm, выполненная в отладочной среде программного симулятора Anadigm Designer®2, показаны на рис. 2…4.

Группа компонентов А1-Z1-U2-Z2-А2 (усилитель-ограничитель, активный ФНЧ двухполупериодный выпрямитель, активный ФНЧ и компаратор) образуют программируемый дискриминатор, обеспечивающий появление на выходе управляющего сигнала, заданной полярности только в случае длительной устойчивой перегрузки. Линия задержки предотвращает «дребезг» выходного сигнала, возникающий вследствие наличия колебаний при сравнении сигнального и опорного напряжений компаратора А2. Выходной сигнал компаратора подается на порт ПАИС для активизации оптоэлектронного реле, управляющего сетевой нагрузкой, а также транслируется на второй порт для управления индикацией перегрузки HG1 и на мультиплексор-селектор А7-А8, управляющий синтезатором сигнала ошибки G3. Силовые выходы ПАИС сконфигурированы в режиме цифрового вывода для повышения мощности, но могут быть сконфигурированы и в режиме выходного активного ФНЧ для подавления ВЧ коммутационных помех (помех дискретизации). Синтезатор сигнала ошибки G3 имеет собственный компаратор, обеспечивающий сброс устройства и корректное формирование частотного сигнала.

Рис. 2. Функциональная схема базового варианта МАиУИПЭ

Рис. 3. Модель и осциллограммы формирования управляющих воздействий

при обнаружении перегрузки (1 – сигнал с датчика тока; 2 – сигнал на выходе детектора; 3 – сигнал на выходе дискриминатора; 4 – дребезг опорного напряжения на входе линии задержки)

Необходимость использования мультиплексора A3 вызвана малой инертностью отклика датчика тока, использующего эффект Холла, поэтому при снятии нагрузки после обнаружения длительной (неслучайной) перегрузки напряжение с датчика сбросит компаратор А2. В результате чего, нагрузка вновь будет включена, и этот процесс будет продолжаться циклически, что может привести к выходу из строя питаемой нагрузки, например, бытовой электроники.

Рис. 4. Осциллограммы формирования управляющих воздействий при генерации отклика на

токовую перегрузку (1 – сигнал с выхода входного ФНЧ; 2 – сигнал на выходе дискриминатора;

3 – сигнал сброса синтезатора частоты; 4 – сигнал на выходе синтезатора частоты)

Для предотвращения этого явления после активизации компаратора А3 на его управляющий вход будет подан нулевой (или отрицательный) потенциал, и компаратор останется включенным до тех пор, пока не будет активизирован внешний сигнал сброса (кратковременное отключение питания), инициируемый пользователем.

Компьютерная модель расширенного варианта реализации МАиУИПЭ, включающая, помимо датчика тока, сенсоры температуры и влажности, и осциллограммы работы показана на рис. 5.

Рис. 5. Компьютерная модель проекта реализации на кристаллах ПАИС расширенного варианта МАиУИПЭ

Компоненты контроллера равномерно размещены в двух кристаллах FPPA (или ASIC – в случае использования производственной программы Freeze-Frame). Передача сигнала перегрузки в сеть, в случае использования внешнего контроллера, осуществляется с помощью электронного ключа, выполненного на базе оптоэлектронного реле. Аналогичным образом, выполнено управление световой индикацией и звуковым сигнализатором. Объемные модели конструкторского исполнения МАиУИПЭ и варианты виртуальной компоновки и сборки, выполненные в САПР КОМПАС-3D, показаны на рис. 6.

а) б) в)

Рис. 6. а) Объёмный вид печатного узла; б) печатный узел, установленный в стандартную

установочную коробку; в) разнесённый вид МАиУИПЭ и электрической розетки

В заключении следует отметить, что даже самый простой модуль анализа и управления индивидуальным потребителем энергии представляет собой совокупность современных инженерно-технических решений. Целью использования данных систем является обеспечение повышенного уровня безопасности для людей, находящихся в помещении. Модуль анализа и управления управляется посредством эргономичной и эффективной системы и главным её преимуществом является высокая эксплуатационная экономия.

Литература:

1. Заводчиков А.Е., Комиссаров А.Ю., Дмитриев С.С. Модульная система активного интеллектуального управления сетевой нагрузкой с функцией «update in situ». Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием
   «ХI Королевские чтения», СГАУ, Самара, 2011, с. 217
2. Комиссаров А.Ю., Дмитриев С.С. Модульная система активного интеллектуального управления сетевой нагрузкой на основе программируемых аналоговых интегральных схем (ПАИС) с функцией «update in situ». Материалы молодёжной научной конференции с международным участием «Проблемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в современном информационном обществе», МФТИ, Москва, 2011, с. 38-40