Анализ параметров шлейфа двухпорогового ППКП. Часть 2

И. Неплохов
к.т.н., технический директор Бизнес группы «Центр-СБ»

"Алгоритм безопасности" № 6 2010

В первой части статьи, в предыдущем номере журнала, были рассмотрены характеристики шлейфов простейших приемно-контрольных приборов (ППКП) с высоким выходным сопротивлением, порядка 1 кОм (Примеры 1 – 3) и с фиксированными порогами. Во второй части статьи приведены аналогичные расчеты для шлейфов ППКП с контролем по току с низкоомным выходом. Кроме того, рассматриваются более сложные в техническом плане ППКП с адаптивными порогами.

Варианты построения пожарных приемно-контрольных приборов, рассматриваются в статьях [1 - 4]. Подробное описание различных функциональных схем ППКП приведено в статье В. Баканова [2]. ППКП с контролем шлейфа по току содержит последовательно включенный токоизмерительный резистор RППКП сравнительно небольшой величины, порядка 50 – 250 Ом. В отличии от ППКП с контролем шлейфа по напряжению, в которых ограничение тока шлейфа на уровне около 20 мА обеспечивается за счет выходного сопротивления порядка 1 кОм, в ППКП с контролем по току используется дополнительная схема ограничения тока шлейфа в режиме короткого замыкания (рис. 1). Продолжим рассмотрение примеров пожарных шлейфов при различных значениях напряжения UХХ, токоизмерительного резистора RППКП и оконечного резистора шлейфа RОК. Определим диапазоны сопротивления шлейфа, токов и напряжений для различных режимов шлейфа при номиналах сопротивления кабеля RКАБ равного нулю и 220 Ом, сопротивления утечки RУТ равного бесконечности и 50 кОм. Параметры самого ППКП будем считать абсолютно стабильными, однако очевидно это допущение на практике не выполняется и соответственно необходимо иметь определенный технологический запас для обеспечения достоверной идентификации режима шлейфа, для исключения ложных тревог и пропуска сигналов «Пожар».

Рис. 1. Упрощенная структура выхода токового шлейфа ППКП

Пример № 4
Рассмотрим параметры шлейфа ППКП с токоизмерительным резистором RППКП равным 100 Ом, напряжением разомкнутого шлейфа UХХ равным 15 В и оконечным резистором шлейфа 3,3 кОм ± 5% (рис. 2). Номинальный ток шлейфа в дежурном режиме при RОК = 3,3 кОм, RКАБ= 0 и RУТ= составит IДЕЖ = UХХ / (RППКП + RОК) = 15 В / (0,1 + 3,3) кОм = 4,41 мА. Так как токоизмерительное сопротивление незначительно по сравнению с величиной оконечного резистора, то номинальное напряжение шлейфа мало отличается от напряжения холостого хода и примерно равно UШС=14,56 В. Определим максимальный разброс параметров шлейфа дежурном режиме. Максимальное значение тока дежурного режима определяется при минимальном значении оконечного резистора RОК - 5%, минимальном сопротивление утечки шлейфа RУТ = 50 кОм и сопротивлении кабеля равном нулю. В этом случае сопротивление шлейфа снизится до 2,95 кОм, ток шлейфа увеличится до 4,92 мА, а напряжение шлейфа практически не изменяется и равно 14,6 В. Минимальное значение тока дежурного режима определяется при максимальном значении оконечного резистора RОК + 5%, при максимальном сопротивлении кабеля RКАБ=220 Ом и сопротивлении утечки шлейфа равном бесконечности. Сопротивление шлейфа увеличивается до 3,68 кОм, соответственно ток снижается до 3,68 мА (Табл. 1). С учетом этих допущений сопротивление шлейфа в дежурном режима может изменяться в пределах от 2,95 кОм до 3,68 кОм, ток дежурного режима – в диапазоне от 4,92 мА до 3,96 мА, а напряжение шлейфа практически не изменяется, его разброс меньше 0,1 В.

Рис. 2. Шлейф с нормально разомкнутыми извещателями

Рассмотрим двухпороговый шлейф с извещателями с нормально разомкнутыми контактами и с дополнительными резисторами RДОП=2 кОм ± 5% для определения сработки 1-го и 2-го извещателя (рис. 2). Разброс параметров шлейфа при использовании 5% резисторов приведен в таблице 1 и на графике рис 3. Можно отметить, что номинальные токи режимов распределены достаточно равномерно, примерно через 6 мА, значительный ток дежурного режима подразумевает возможность подключения активных извещателей с током дежурного режима около 2,5 - 3 мА. Действительно, т.к. минимальный ток шлейфа в дежурном режиме равен примерно 4 мА, то режим обрыва шлейфа можно определить при токе менее 3,5 мА. Максимальный ток дежурного режима будет равен 4,92 + 3 = 7,92 мА, т.е. меньше минимального тока режима «Пожар 1» на 9,22 - 7,92 = 1,3 мА, что позволяет установить порог «Пожар 1» на уровне примерно 8,5 мА. Т.е. обеспечиваются достаточно хорошие характеристики шлейфа, но только в однопороговом режиме, без идентификации сработки второго извещателя. В двухпороговом режиме необходимо обеспечить минимальную разность между границами токов режимов «Пожар 1» «Пожар 2» так же более 3 мА. В рассматриваемом примере по результатам расчетов (Табл. 1) без активных извещателей ток шлейфа в режиме «Пожар 1» может достигать порядка 12 мА, при добавлении тока дежурного режима активных извещателей 3 мА получим ток шлейфа 15 мА, который уверенно попадает в область токов режима «Пожар 2», нижняя граница которой равна 13,32 мА. Области токов режимов «Пожар 1» и «Пожар 2» расходятся всего лишь на 13,32 – 11,95 = 1,37 мА. Следовательно в двух пороговом режиме при фиксированных порогах ток потребления извещателей в дежурном режиме необходимо снизить примерно до 1 мА для обеспечения идентификации сработки одного и двух извещателей в шлейфе.

В таблице 1 так же приведены параметры шлейфа для режима «Пожар 3», который соответствует активизации трех пожарных извещателей. Возможность активизации одновременно 3-х и более извещателей в шлейфе необходимо учитывать во всех ППКП с перезапросом. При быстром развитии очага в сравнительно небольшом помещении и при значительной временной задержке проверки состояния шлейфа после сброса первого сработавшего извещателя, вполне возможна активизация всех пожарных извещателей, установленных в помещении. Естественно в такой ситуации недопустимо формирование сигнала «Неисправность» вместо сигнала «Пожар 2». Соответственно в ППКП должна быть установлена значительная величина порога режима короткого замыкания шлейфа, например, порядка 30 мА (табл. 1). Если считать, что вероятность возникновения короткого замыкания шлейфа через несколько десятков секунд после активизации первого пожарного извещателя равна нулю, то можно задать логику работы прибора, таким образом, чтобы после перезапроса состояния шлейфа даже при токах, соответствующих короткому замыканию формировался сигнал «Пожар 2».

Рис. 3. Разброс параметров шлейфа с нормально разомкнутыми извещателями

Пример № 5
Анализируя данные, приведенные в Таблице 1, можно отметить, что в дежурном режиме сопротивление утечки и сопротивления кабеля оказывают примерно одинаковое влияние на параметры шлейфа: ток шлейфа повышается либо снижается примерно на 0,5 мА. Но в режиме «Пожар 1» и тем более в режиме «Пожар 2», при уменьшении сопротивления шлейфа, сопротивление утечки равное 50 кОм, подключенное параллельно, сказывается все меньше, а последовательно включенное сопротивление кабеля величиной 220 Ом все больше снижает ток шлейфа по сравнению с номинальными значениями. Например, в режиме «Пожар 1» ток шлейфа может повыситься на 0,8 мА за счет утечки и снизиться на 1,93 мА за счет сопротивления кабеля и разброса номиналов резисторов. В режиме «Пожар 2» повышение тока возможно на 1,03 мА, а снижение почти на 4 мА! По ГОСТ Р 53325-2009 «Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования. Методы испытаний» п. 7.2.1.4 «Максимальное сопротивление проводной линии связи (шлейфа сигнализации) без учета сопротивления выносного элемента, при котором ППКП должен сохранять работоспособность, выбирается из следующего ряда: 0,10; 0,15; 0,22; 0,33; 0,47; 1,00 кОм. Для адресных ППКП - 50 Ом. Минимальное сопротивление утечки между проводами шлейфа и между каждым проводом и «Землей», при котором ППКП должны сохранять работоспособность, должно быть не более 50 кОм».

Без существенного ограничения практического применения неадресных ППКП можно снизить максимальное сопротивление шлейфа до 100 Ом. Даже при использовании кабеля с минимально допустимым диаметром жил 0,5 мм длина шлейфа может достигать порядка 500 м. За счет снижения допустимого сопротивления кабеля значительно уменьшается разброс параметров шлейфа (Табл. 2). При этом разброс токов в режимах «Пожар 1», «Пожар 2» уменьшается примерно в 2 раза и разность между максимальным током шлейфа в режиме «Пожар 1» и минимальным током в режиме «Пожар 2» увеличивается до примерно 3 мА. Соответственно, если определим ток дежурного режима активных извещателей 2 мА, то остается технологический запас около 1 мА для достоверной идентификации сработки одного и двух извещателей в шлейфе. Минимальный ток дежурного режима за счет оконечного резистора шлейфа остается значительным, более 4 мА. Это позволяет установить порог неисправности шлейфа на обрыв на уровне 3 мА. Соответственно при токе извещателей 2 мА и токе утечки шлейфа 0,3 мА суммарный ток шлейфа в режиме «обрыв» составляет 2,3 мА и неисправность шлейфа будет однозначно определяться.

Дальнейшее снижение разброса параметров шлейфа может быть получено при использовании прецизионных 1% резисторов. В этом случае разность между максимальным током шлейфа в режиме «Пожар 1» и минимальным током в режиме «Пожар 2» увеличивается до 3,87 мА, а токи шлейфа дежурного режима и режима «Пожар 1» расходятся уже на 5,55 мА (Табл. 3).

Если прецизионный 1% резистор использовать только в качестве оконечного элемента шлейфа, а остальные резисторы взять как обычно 5% точности, то также получим выигрыш, но не такой значительный. Разность между максимальным током шлейфа в режиме «Пожар 1» и минимальным током в режиме «Пожар 2» в этом случае составит 3,24 мА, а токи шлейфа дежурного режима и режима «Пожар 1» расходятся на 5,34 мА.

Пример № 6
В первой части статьи было показано, что включение в один шлейф извещателей на замыкание и на размыкание приводит к значительному ухудшению параметров шлейфа. Кроме того, всегда предполагается, что в комбинированном шлейфе срабатывают либо дымовые извещатели и сопротивление шлейфа уменьшается, либо тепловые извещатели и сопротивление шлейфа увеличивается, т.е. ППКП в принципе не рассчитан на идентификацию одновременно сработавших разнотипных извещателей. А возникновение такого события становится вполне реальным после перезапроса состояния шлейфа, после активизации первого извещателя. С точки зрения повышения пожарной безопасности, помещение, защищаемое тепловыми извещателями с нормально замкнутыми контактами желательно выделять в отдельную зону и защищать отдельным шлейфом с исключением функции перезапроса, для обеспечения максимально быстрого обнаружения очага.

Рис. 4. Шлейф с нормально замкнутыми извещателями

На рис. 4 приведена структура шлейфа с пожарными извещателями на размыкание. Исходные характеристики примем, как и ранее: UХХ = 15 В, RППКП = 100 Ом, а номинал оконечного резистора RОК снизим до 2,4 кОм ± 5% для повышения тока шлейфа в дежурном режиме. Максимальное сопротивление кабеля шлейфа и минимальное сопротивление утечки примем равными 220 Ом и 50 кОм соответственно. Параметры шлейфа для минимального, номинального и максимального сопротивления шлейфа для различных режимов приведены в Таблице 4.

Диапазоны токов шлейфа, соответствующие различным режимам не пересекаются, но можно отметить, что границы режимов «Пожар 1» и «Пожар 2» практически совпадают (рис. 5). Минимальный ток шлейфа в режиме «Пожар 1» равен 3,66 мА, а максимальный ток шлейфа в режиме «Пожар 2» может достигать 3,51 мА, т.е. эти режимы расходятся всего на 0,15 мА и при незначительных уходах порогов возможна ошибка идентификации сработки одного или двух извещателей.

Рис. 5. Разброс параметров шлейфа с нормально замкнутыми извещателями

Для обеспечения технологического запаса в качестве оконечного элемента шлейфа используем прецизионный 1% резистор с тем же номиналом 2,4 кОм. Результаты вычислений для этого случая приведены в Таблице 5.

Минимальный ток шлейфа режима «Пожар 1» увеличился до 3,75 мА, а максимальный ток режима «Пожар 2» снизился до 3,44 мА, таки образом их разность увеличилась до 0,31 мА. При этом области токов дежурного режима и режима «Пожар 1» расходятся примерно на 1 мА.

Пример №7
Рассмотрим шлейф с адаптивными порогами. При запуске системы ППКП запоминает токи дежурного режима каждого шлейфа и соответствующим образом корректирует пороги режимов. Наиболее продвинутые ППКП дополнительно имеют функцию программирования порогов с учетом токов извещателей в режиме пожар. Однако возможности адаптации имеют свои пределы, то есть не все разбросы параметров шлейфов можно скомпенсировать, кроме того диапазон компенсации так же имеет свои пределы, которые определяются техническими решениями. Очевидно, в качестве «некомпенсируемых» параметров необходимо учитывать случайный разброс дополнительных резисторов пожарных извещателей в сумме с сопротивлением кабеля, которое изменяется в пределах длины шлейфа. Рассмотрим шлейф с нормально разомкнутыми извещателями. Основные параметры возьмем из Примера №4, но будем рассматривать извещатели, включенные в начале шлейфа с дополнительными резисторами минимальной величины RДОП = 2 кОм - 5% = 1,9 кОм, а в конце шлейфа с резисторами максимальной величины RДОП = 2 кОм + 5% = 2,1 кОм, в пределах разброса ±5 % (рис. 6). При выходном сопротивлении прибора RППКП = 100 Ом, напряжении разомкнутого шлейфа UХХ = 15 В, сопротивлении кабеля RКАБ = 220 Ом и оконечном резисторе шлейфа RОК = 3,3 кОм номинальный ток дежурного режима составит 4,14 мА. Разброс сопротивления оконечного резистора компенсируется в процессе адаптации. В режиме «Пожар 1» при активизации одного извещателя в конце шлейфа ток увеличивается до 9,36 мА, при активизации извещателя в начале шлейфа увеличивается до 11,24 мА (Табл. 6). В режиме «Пожар 2» при активизации двух извещателей в конце шлейфа ток равен 13,43 мА, при активизации двух извещателей в начале шлейфа увеличивается до 17,69 мА. Таким образом, в наихудшем случае области токов режимов «Пожар 1», «Пожар 2» разнесены более чем на 2 мА, независимо от величины тока дежурного режима извещателей 0 - 3 мА (рис. 7). В ППКП с адаптивными порогами по существу анализируются изменения тока шлейфа и номинал оконечного резистора может выбираться исходя из требуемой величины снижения тока дежурного режима при обрыве шлейфа. Например, при увеличении оконечного резистора до 7,5 - 10 кОм обеспечивается значительное снижение тока дежурного режима. Обрыв шлейфа идентифицируется ППКП при уменьшении тока шлейфа на 1,5 - 2 мА за счет= отключения оконечного резистора. Больше того, в приборах с адаптивными порогами может быть реализована функция компенсации дрейфа тока дежурного режима с формированием сигналов неисправности при достижении границ диапазона автокомпенсации. Что позволяет автоматически выявлять в процессе эксплуатации увеличение сопротивления шлейфа, например, вызванные коррозией, деформацией контактов или некачественным монтажом.

Рис. 6. Шлейф с нормально разомкнутыми извещателями

Рис. 7. Разброс параметров шлейфа с адаптивными порогами

В заключение еще раз необходимо отметить, что в п. 7.2.1.5 ГОСТ Р 53325-2009 указано, что «ППКП должны иметь следующие показатели назначения, численные значения которых приводятся в технической документации (ТД) на ППКП конкретного типа:

• максимальное сопротивление шлейфа сигнализации без учета сопротивления выносного элемента, при котором ППКП сохраняет работоспособность (для ППКП с проводными линиями связи); 
• минимальное сопротивление утечки между проводами шлейфа сигнализации и между каждым проводом и «Землей», при котором ППКП сохраняет работоспособность (для ППКП с проводными линиями связи); 
• диапазоны тока в неадресном шлейфе сигнализации, в том числе максимальный ток питания извещателей, при котором ППКП регистрирует все предусмотренные виды извещений»

В настоящее время в нарушение требований ГОСТ Р 53325-2009 в документации на ППКП как правило приводятся только границы сопротивления шлейфа, соответствующие различным режимам, без указания соответствующих им токов шлейфа. Отдельно указывается максимальный ток потребления пожарных извещателей в дежурном режиме, который не редко превышает ток «обрыва» шлейфа, что не обеспечивает регистрацию всех предусмотренных видов извещений. Кроме того, отсутствие в документации информации о режимах ППКП в зависимости от тока шлейфа не позволяет корректно определить допустимый ток извещателей в дежурном режиме и оценить совместимость прибора с пожарными извещателями различного типа, особенно с дымовыми пожарными извещателями с нелинейной вольт-амперной характеристикой, но это тема следующей статьи. Здесь неплохо бы иметь в документации на ППКП значения порогов тока для максимального количества каких-либо конкретных пожарных дымовых извещателей при максимальном сопротивлении кабеля с указанием соответствующих значений напряжения шлейфа, что позволит пользователям прогнозировать характер поведения шлейфов уже для других типов пожарных извещателей.

На практике для проверки регистрации всех предусмотренных видов извещений можно рекомендовать кроме отключения последнего пожарного извещателя в шлейфе, активизировать первый и второй извещатель в начале шлейфа и первый и второй извещатель в конце шлейфа. Использование этой методика в какой-то мере позволит проверить формирование сигналов «Пожар 1», «Пожар 2» с учетом сопротивления кабеля даже в адаптивных ППКП.

Литература

1. Неплохов И. Анализ параметров шлейфа двухпорогового ППКП // "Алгоритм безопасности", № 5, 2010. 
2. Баканов В. Ключ к системам пожарной сигнализации высокой надежности // "Алгоритм безопасности", № 6, 2010. 
3. Неплохов И. Классификация неадресных шлейфов, или Почему за рубежом нет двухпороговых приборов // "Алгоритм безопасности", № 3, 2008. 
4. Пинаев А., Никольский М. Оценка качества и надежности неадресных приборов пожарной сигнализации // "Алгоритм безопасности", № 6, 2007.