НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

Источник: http://www.fpemag.com/archives/article.asp?issue_id=40&i=270

Автор: Kenneth W. Dungan, P.E. FSFPE

Системы пожарной сигнализации надежны. Но что это означает? С точки зрения наличия информации о степени риска и о практическом исполнении, это означает, что, когда происходит пожар, система обнаружения и сигнализации о пожаре выполнит своё предназначение с предсказуемой высокой частотой. В редких случаях нужно определять: какой должна быть это высокая частота. Потребительские отчеты не обеспечивают относительные достоверности систем пожарной сигнализации изготовителей так, как обеспечивают их для автомобилей. Все же существует полная уверенность, что система пожарной сигнализации, состоящая из перечисленных компонентов, разработанных компетентным инженером, реализованная компетентным продавцом и осмотренная компетентным техником, выполнит своё предназначение. Эти фразы о квалификации - не правовые оговорки, а скорее основные элементы гарантии надежных систем пожарной сигнализации.

Определение надежности

The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering обеспечивает второстепенное обсуждение компонента и надежности системы [1]. The Handbook определяет "надежность" как способность элемента (продукта, системы, и т.д.) работать в определенных рабочих режимами в течение определённого промежутка времени или количества циклов. Для систем пожарной сигнализации, наряду со многими действующими особенностями противопожарной защиты, обсуждения надежности должны сосредоточиться на времени, или сроке полезного использования, и на циклах, или работе во время пожара.

Надежная системная работа могла быть узко определена величиной отказа по требованию. При этом не учитывались бы нежелательные или ложные срабатывания как степень надежности. Работа устройства не останавливается, когда оно сигнализирует. Так, должен быть учтен отклик тех, которые реагируют на сигнализацию, и нежелательные срабатывания могли затронуть последовательность или надежность этой реакции. Однако, стоит отделить эти реакции из системы сигнализации и из респондентов, для этих обсуждений.

Системы пожарной сигнализации состоят из компонентов, выполняющих множество функций для достижения цели. В том отношении надежность компонента влияет на системную надежность, но это не надежность системы. Если бы отказ компонента считали отказом системы, учитывая, что избыточные компоненты в большей степени уменьшили бы надежность системы, улучшили бы. Это было бы эквивалентно рассмотрению, что Класс A контролировал систему, вдвое менее надежную, чем система Класса B, так как у этого есть вдвое больше каналов связи, которые могли отказать. Однако, так как отказы компонентов могут привести к системным отказам, уровень компонентов - хорошее место для начала.

Надежность компонента

Классические ссылки надежности описывают компонент надежности величинами: среднее время безотказной работы (MTTF), среднее время между отказами (MTBF) и  интенсивность отказов. MTTF - среднее время от первого использования до первого и единственного отказа компонента и иногда упоминается как ожидаемая жизнь компонента. MTBF - среднее время между двумя последовательными отказами, включает время для обнаружения и восстановления этого отказа и время, пока компонент не откажет снова. Если обнаружение отказа мгновенно, как с контролируемым компонентом, главным различием между MTBF и MTTF время восстановления.

Интенсивность отказов, или темп возникновения отказа, как правило, может быть графически изображена кривой в форме ванны. Кривая в форме ванны подразумевает, что интенсивность отказов является самой высокой в только что произведенной системе или компоненте, когда дефекты и повреждения сами проявляются. Эти отказы иногда упоминаются как приработки на отказ. Тогда, интенсивность отказов намного ниже и устойчивей в течение срока полезного использования устройства. Интенсивности отказов увеличивается при достижении конца своего срока полезного использования, когда происходят отказы из-за износа.

Обеспечение надежных систем пожарной сигнализации в течение их срока полезного использования требует внедрения качественных процессов в производстве оборудования, системном проектировании, установке, программировании, приемном тестировании и последующем инспекционном тестировании и обслуживании. Качественный процесс должен начинаться с производства.

Индустрия пожарной сигнализации имеет длинную история ответа на требования о лучшей противопожарной защите. Быть инновационным в консервативной области как противопожарная защита не всегда было легко, но усердие кодовых объединений согласия, независимые лаборатории тестирования и производители оборудования гарантировали, что компоненты и системы пожарной сигнализации соответствуют высококачественным стандартам. Вообще, это было достигнуто без создания существенного препятствия для новшества. NFPA 72 National Fire Alarm Code2 и его предшественники NFPA 72 А through E установили требования перечисления компонентов и совместимости компонентов с блоками управления. Этот процесс листинга - существенный и эффективный элемент в обеспечении качества компонентов и надежности систем.

Процесс листинга в лаборатория по технике безопасности

Каждый инженер, ответственный за дизайн систем пожарной сигнализации, должен ознакомиться со стандартами и процессами листинга в лаборатория по технике безопасности (ЛТБ). Процесс обеспечивает структуру и контроль за производственным процессом, что значительно улучшает надежность компонента. Это также устанавливает ожидания работы аппаратных средств пожарной сигнализации. Например, когда новый детектор дыма поставляется на рынок, ЛТБ изучает устройство и делает подробное техническое описание, которое указывает критические и полу критические части устройства, чтобы распознать его способы отказа. ЛТБ требует чертежи жилья и ограничивает модификацию жилья без предварительного одобрения ЛТБ, так как жилье может влиять на поступление дыма в чувствительный компонент. ЛТБ требует, чтобы изготовитель представил его Гарантии качества (ГК). ЛТБ проверяет датчики различными огнями, на которые каждое устройство должно реагировать в пределах предписанного времени. Как часть производственного процесса, ЛТБ требует калибровки каждого устройства на фабрике. В дальнейшем это требует тестирования нескольких устройств за смену в коробке с дымом как проверка эффективности калибровки. ЛТБ обеспечивает последующее посещение изготовителя по крайней мере четыре раза в год и сбор случайных выборок от текущей произведенной линии для того, чтобы повторно проверить в ЛТБ, по крайней мере, раз в год. ЛТБ 2683 включает секцию на Предсказании Надежности и Критериях для Принятия.

Подобный процесс производится для блоков управления и принадлежностей, перечисленных под ЛТБ 864.5. В дополнении к тестированию аппаратных средств на прочность и воздействия на окружающую среду, ЛТБ выполняет полную проверку программного обеспечения. Многими системными функциями на аналоговоадресуемых системах управляют, с помощью программирования в этой сфере. Чтобы минимизировать вероятность сбоев программного обеспечения во время программирования, ЛТБ даже проверяет ошибочные нажатия клавиш, чтобы оценить их влияние на программное обеспечение.

Качество изготовителей

Изготовители систем пожарной безопасности и их компонентов реализуют программное обеспечение контроля качества, которое превышает минимальные требования ЛТБ. Важная часть компьютерного контроля качества - гарантия на оборудование. Гарантийный срок, предлагаемый изготовителями, варьируется от одного до трех лет со времени установки. Как часть процесса обеспечения качества (ПОК), является проверка первопричины отказа компонентов, которые вернули заводу по гарантии. Если отказ определен как характерный для других компонентов в партии или процессе, то принимаются меры по ликвидации последствий. Следует заметить, что большинство отказов компонентов обнаружено во время системного программирования и ввода в действие. Также, они не затрагивают надежность системы, так как система еще не находится в обслуживании. Основанная на обсуждениях с главными изготовителями приемлемая оценка была бы то, что 0.1-0.5 % компонентов возвращены по гарантии для замены, или 99.5-99.5% компонентов не нуждаются ни в каком ремонте или замене. Это было бы верхним уровнем составляющей интенсивности отказов, выраженной как наработка на отказ. Изготовители также вычисляют среднюю наработку на отказ для различных компонентов как часть их ПОК отклонения. Это не надежность системы, но обеспечивает понимание качества аппаратных средств.

Надежность системы

Требования Национальной ассоциации по гидравлическим приводам (США) (NFPA 72) устанавливают уровень работы, связанный с надежностью. Промышленность пожарной сигнализации десятилетиями была впереди других систем инструментовки по требованиям к цепям и компонентам наблюдения и самодиагностики. Учреждение Класса и Стиля цепей создали неявный выбор надежности. Фактически все цепи контролируются. Любая оборванная связь, разрыв или ошибка будут возвещаться. В некоторых случаях цепи всё еще требуют выявления даже при определенных способах отказа. До перекомбинации NFPA 72 серии стандартов, NFPA, 72-ой Систем Пожарной сигнализации потребовали, чтобы все цепи для устройств инициирования (УИ) были Классом B и все цепи, действующие на сигнал на панели (или между панелями, или между зданиями) были Классом A. Это обеспечило безусловный уровень надежности, основанный на последствии отказа. Одна зона устройств обнаружения могла ослабиться, но не многократные группы или многократные здания. Более поздние проекты ввели варианты дизайна, но ограничили число устройств, которые могли быть на контролируемой цепи Класса B. Текущий выпуск NFPA 72 позволяет проектным решениям быть осуществленным на уровне работы цепи. Однако, если отказ происходит, о нем объявляют в течение секунд и не нужно ждать следующего цикла тестирования. Это - существенная особенность поддержания надежности системы системной. В случае, если персонал принимает решение проигнорировать сигнал тревоги приглушая ее на панели, тревога срабатывает повторно через 24 часа, если не должным образом не перезагрузить систему.

Другая требуемая от инструкций особенность надежности систем пожарной сигнализации - предоставление надежных и поставки резервного питания для системы. Инструкции требуют, чтобы поставка резервного питания позволила системе функционировать в аварийном режиме в течение 24 часов, и затем все еще была в состоянии выполнить свою сигнальную функцию в течение 5 или 15 минут, в зависимости от системы.

Оценивая системную надежность, основанную на отказах компонентов, тип отказа различных компонентов может оказывать влияние. Например, если фотоэлектрический детектор дыма откажет из-за отказа источника света, то этот датчик не будет отвечать на огонь (хотя сигнал тревоги будет звучать с панели). Однако, другие датчики в той же самой цепи Класса B среагируют. В зависимости от системного расположения это может означать что-либо от небольшой выдержки во время реакции на дым до перевода огня в смежное устройство, до огня, охватывающего всю помещение источника, если отказавший датчик - единственный в помещении. Отказы цепи (оборванные связи, разомкнутые цепи или замыкания на землю) в наблюдаемом Классе B обычно будут предотвращать устройства на границе отказа (вне отказа далеко от блока управления) от реакции. Это может иметь более существенный эффект на системной работе, снова зависящей от системного расположения, и местоположение огня. Подобная аналогия просит приборы уведомления; системное воздействие отказавшего компонента зависит от способа отказа и системного расположения и архитектуры. Отказ одного прибора в офисе открытого пространства или торговом центре может не создать существенной задержки эвакуации. Однако, потеря цепи прибора об уведомлении, снова в зависимости от системного расположения, может оказать большой эффект. В обоих этих случаях, если бы Класс цепи был обеспечен, отказ устройства или отказ цепи ограничили бы эффект отказа к одному компоненту, так как избыточный путь коммуникации обеспечен.

 Изготовители были инновационными в строительстве в гарантиях к блокам управления для минимизации эффекта отказа компонента. Одна такая особенность известна как работающий в ухудшенном состоянии. В этом условии, если процессор (центральный процессор или диспетчер) откажет, устройства инициирования будут все еще активны, и блок управления поднимет общую тревогу.

Когда плохие вещи происходят с хорошими системами

Процесс листинга, производственный процесс и кодовые требования - все существенные стороны, способствующие надежным системам пожарной сигнализации. Поэтому, что может пойти не так, как надо? Прежде, чем обсудить инженерное проектирование и инсталляционные проблемы, важно указать на проблему кратковременных переходных процессов. Молния может быть причиной отказа группы и компонента. Системы, разработанные, чтобы функционировать в 24 В и мА требуют защиты от скачков. У большинства групп есть встроенные защитные устройства, но даже они могут оказаться жертвой, и они по-прежнему недостаточны для предотвращения повреждения. Подавление скачка и изоляция должны быть обеспечены, как минимум, в каждом входе цепи или выходе. Нужно отметить, что гарантии как правило не покрывают повреждение от молнии.

Другая потенциальная проблема воздействия на системную надежность - модификации/дополнения к существующим системам. Часто, системы пожарной сигнализации установлены в динамических средствах, где происходят изменения. Эти изменения могут часто требовать модификаций или дополнений к существующей системе. Эти изменения могут снижать надежность. Самый простой пример - потребность вывести систему из эксплуатации, чтобы принудительно подключить нагрузки. Если не управлять должным образом, эти ухудшения могут привести к расширенным отключениям электричества. Совместимость устройства может также быть проблемой. Изготовители пытаются поддержать обратную совместимость оборудования, но иногда малейшие изменения в архитектуре или программируемом оборудовании создадут проблемы. Это разрешимые проблемы, но они могут не проявиться сразу. Аналогично, программирование может создать проблемы. Подводя контроллер к его пределам его работы, программирование может не отвечать, как предназначено. Снова, эти проблемы с готовностью обнаруживаются и решаются, но они подчеркивают потребность в кодовом требовании, чтобы проверить процент существующих устройств после изменений в программировании.

Роль инженера-конструктора

У инженера противопожарной защиты есть жизненная роль гарантировать надежное исполнение систем пожарной сигнализации. Первая роль - устанавливать исполнительные цели системы. В проектах интегрированная стратегия противопожарной защиты должна отвечать на сценарий события. Эти цели устанавливают ожидания, помещенные в систему, и определяют то, что составляет успех или провал по требованию. Продвижение проблемы развивает точные количественные предсказания того, когда устройства обнаружения среагируют. Об отказах часто сообщают анекдотическим образом, что люди обнаружили огонь до детектора дыма, или детектор дыма никогда не ломался, потому что огонь был очень маленьким. Это не обязательно системные отказы, а скорее дефектные или неуправляемые ожидания относительно системной работы. Американские гражданские суды замусорены соревнованиями относительно невыполненных ожиданий. Здесь снова, понимание помещения тестирования огня, сделанного ЛТБ под Стандартами ЛТБ 217 и 268, поможет в установлении реалистических исполнительных ожиданий.

Вторая роль устанавливает системную надежность с точки зрения целостности цепи и работы. Это включает не только спецификацию Класса и Стиля, но также и условий жизнеспособности. Эти исполнительные признаки гарантируют реакцию системы, после обнаружения, встречает исполнительные цели. Требования и варианты, описанные в NFPA 72, являются превосходной отправной точкой. Дополнительно, оценка влияния способов отказов компонента на системной работе полезна, чтобы гарантировать достаточную надежность и избыточность архитектуры.

Третья роль - помочь уменьшить нежелательные и ложные срабатывания. Чтобы достигнуть этого, выбор устройств и их местоположения и размещения важно учитывать. Посредством многих повторений NFPA 72, основанных на долгих дебатах, указания приводятся в кодексе, связанные с внешними условиями, у которых могли быть отрицательные воздействия на работу датчика. Кодекс также включил сигнальную проверку. Эта особенность позволила уменьшать случаи переходных условий с помощью задержек сигнальной реакции на приведение в действие датчика (например, затяжки пыли или взрывы воздуха), вызывая нежелательную системную реакцию.

Много обсуждений, связанных с промышленностью пожарной сигнализации, сосредоточились на нежелательных срабатываниях. Поддержание того неустойчивого равновесия между чувствительностью устройства и его стабильностью (не склонного к преждевременной реакции) является проблемой. Системные проектировщики должны выбрать надлежащие устройства и определить местонахождение их таким образом, что они могут распознать особенности противопожарной защиты, не включая устройства, чтобы не запустить провокации, способные к порождению нежелательных срабатываний.

Роль инсталлятора

С кодовыми требованиями и инструкциями производителя, требуемыми списками оборудования, установка должна быть прямой. Все же подавляющие причины отказов во время приемного тестирования - результат инсталляционных проблем, т.е. не аппаратные средства. Много групп системы сигнализации помогут найти электромонтажные проблемы, такие как оборванные связи или замыкания на землю. Однако, точное определение местоположений этих проблем может быть утомительным занятием. Часто, средство передачи и проводка установлены электрическим подрядчиком, а не продавцом пожарной сигнализации. Особая проблема найти замыкания на землю на экранированной проводке. Эти ошибки могут не всегда проявляться во время приемного тестирования, но могут обнаружиться позже. Хорошие новости, они редко препятствуют тому, чтобы система функционировала, даже при том, что они есть, пока ошибки не найдены и исправлены.

Осмотр, тестирование и обслуживание

Цель осмотра и тестирования состоит в том, чтобы обнаружить отказы компонентов, которые могли предотвратить соответствующую работу по необходимости и обнаружить те отказы до необходимости. Можно было бы ожидать, что частота этих действий должна быть приспособлена к ожидаемой частоте требования и интенсивности отказов компонентов. Это - понятие сосредоточенного на надежности обслуживания (RCM). Пока эти методы полезны для оценивания соответствия программ Осмотра, Тестирование и Обслуживание (ITM), требуемые от кодекса действия и частоты берут одинаковыми, соответствующими всему подходу. Более точная оценка современных систем пожарной сигнализации указывает, что необходимо больше прогнозирующего обслуживания и меньше осмотра. С самодиагностической природой этих систем надежность была бы обеспечена эффективнее быстрой реакцией и разрешением причин сигнализации, чем увеличением инспекционных частот. Инспекционные действия должны сосредоточиться на тех особенностях, которые не контролируются или не проверяются. Это обычно проблемы управления конфигурацией, например новые стены (препятствия), новая или измененная вентиляция (ухудшения к реакции датчика), и новое или измененное оборудование (потенциальные источники дыма)

Как часть сосредоточенного на надежности исследования обслуживания систем противопожарной защиты и оборудования, проводимого для американских Воздушных сил, Отказ, Анализ Способов и Эффектов был закончен на различных системных компонентах 6 пожарной сигнализаций. Эти способы отказа характеризовались риском, основанным на вероятности отказа по требованию и системной деградации, причине отказа и задачах ITM. Одним из самых очевидных результатов этого процесса была проверка степени того, что системным наблюдением был предусмотрен почти каждый способ отказа. Единственный способ отказа, для которого не был обеспечен постоянный контроль, было физическое состояние устройств. Покрытие или блокирование входа в детекторы дыма были одним примером случая, который не контролировался. Даже в этом случае текущие блоки управления контролируют чистоту устройств, контролируя их чувствительность и обеспечивая предупреждения, когда чувствительность приближается к пределам способности блока управления. Эта особенность предназначена прежде всего, чтобы уменьшить нежелательные срабатывания, но могла также идентифицировать некоторые способы отказа, созданные преградами для устройства.

Надежность количественно

Надежность систем пожарной сигнализации с точки зрения реакции во время чрезвычайной ситуации – должна быть высокой. Основанный на надежности компонентов, качестве производства и независимой оплошности процесса листинга, весьма разумно ожидать надежность, больше, чем 99.9 процентов. Число означает, что система не выступила бы как предназначено меньше, чем для одного огня из тысячи. Это число вообще считают ограниченной вероятностью человеческой реакции на сигнализацию проблемы контролируемых компонентов, а не интенсивность отказов компонентов. Какой надежности достаточно для систем пожарной сигнализации? Это зависит от риска, включая вероятность или частоту огней и последствие системного отказа. Последствие будет зависеть от развития огня, других элементов системы противопожарной защиты и тех (люди или собственность) в опасности. Разумно прийти к заключению, что согласованная с кодексом система пожарной сигнализации как описано во введении была бы самой надежной частью особенностей противопожарной защиты, в значительной степени благодаря наблюдению и обеспеченной самодиагностике. С отборным использованием Класса цепи и модули изоляции - те случаи самого высокого риска, которые могут быть разработаны к еще более высокому уровню надежности.

С точки зрения человеческого ответа на сигнал тревоги, определенного влиянием ложных или нежелательных тревог, надежность принимает различные значения. Учитывая сигнальный ответ, какие люди вероятней ответят как предназначено? Хотя тот вопрос выходит за рамки этой статьи, ясно, что, если вероятность успеха – в любом случае меньше чем 1.0, надежность объединенного результата тревоги/ответа будет меньше, чем одной только системы. То, как тот ответ менялся бы в зависимости от изменений в частоте ложных или нежелательных срабатываний, является интересной проблемой человеческо поведения.

Инициативы Fire Protection Research Foundation (FPRF)

Несколько продолжающихся и предложенных научно-исследовательских работ, организованных FPRF, защищают причину для лучших технических инструментов и лучшего понимания систем пожарной сигнализации. Они включают как обнаружение, так и связанные проекты уведомления. Один проект, проводимый в ЛТБ, оценит особенности дыма множества материалов, чтобы увидеть, ограничены ли их "подписи дыма" тестами дыма помещения ЛТБ 217 и ЛТБ 268. В настоящее время детекторы дыма оценены в тесте помещения, используя три источника огня: желтая сосна, газета и смесь толуола гептана. Программа исследований оценит эти материалы в калориметре конуса и калориметре продукта и измерит гранулометрический состав дыма и газовые концентрации. Поперечное сечение других синтетических и естественных материалов также оценивается. Исход не только будет оценкой уместности испытательного огня помещения ЛТБ к разнообразию материалов, найденных в обычных занятиях, но также и обеспечит полезные данные для того, чтобы они характеризовали реакцию детекторов дыма к известным измеримым источникам огня.

Другой проект, который основываться на этих данных, в настоящее время находится в стадии разработки. Этот проект попытается развить улучшенные прогнозирующие модели реакции для детекторов дыма для маленьких непылающих огней, используя Fire Dynamics Simulator (FDS) NIST. Способность предсказать реакцию детекторов дыма с приемлемой точностью удалит одну из большей неуверенности в основанной на работе проектирования систем пожарной сигнализации. Проект мог также обеспечить понимание размещения датчика относительно известных источников срабатывания.

Еще один проект все еще в перспективном проектировании определенно направлен на измерение и предсказание надежности систем пожарной сигнализации. Надеются, что это усилие обеспечит достаточные статистические данные, чтобы измерить воздействие кодовых изменений и вопросов проектирования на системной надежности.

Это всего лишь несколько усилий FPRF, связанных с системами пожарной сигнализации. Для получения дополнительной информации свяжитесь с Фондом или посетите их веб-сайт в www.nfpa.org/foundation.

Keneth Dungan is with Risk Technologies.

Ссылки

1.     Modarres, M., and Joglar-Billoch, F., "Reliability", SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Third Edition, National Fire Protection Association, Quincy, MA, 2002.

2.     NFPA 72, National Fire Alarm Code, National Fire Protection Association, Quincy, MA, 2007.

3.     UL 268, Standard for Safety Smoke Detectors for Fire Protective Signaling Systems, Underwriters Laboratories, Northbrook, IL.

4.     UL 217, Standard for Safety Single and Multiple Station Smoke Alarms, Underwriters Laboratories, Northbrook, IL.

5.     UL 864, Standard for Safety Control Units and Accessories for Fire Alarm Systems, Underwriters Laboratories, Northbrook, IL.

6.     MIL-HDBK 1117, Military Handbook: Inspection, Testing and Maintenance for Fire Protection Systems, 1 January 1999.