автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Моделирование и реализация системы управления пожарной безопасностью помещений и процессов топливоподачи предприятия теплоэнергетики

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ 00306Т4Б1

Сергей Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ПОМЕЩЕНИЙ И ПРОЦЕССОВ ТОПЛИВОПОДАЧИ ПРЕДПРИЯТИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление, обработка информации (экология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 2006

003067451

Работа выполнена на кафедре системотехники ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярска

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Доррер Георгий Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, заслуженный деятель науки, профессор, Шайдуров Георгий Яковлевич

кандидат технических наук, доцент, Гофман Павел Михайлович

Ведущая организация:

Институт вычислительного моделирования СО РАН

Защита состоится 31 января 2007 года в 14 00 часов на заседании диссертационного совета К.212.253.01 при Сибирском государственном технологическом универаггете по адресу: 660049, г. Красноярск, ул. Марковского, СибГТУ, корп. «АБВ», ауд.А-102.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирского государственного технологического университета по адресу: 660049, г. Красноярск, пр.Мира, 82, а с авторефератом - дополнительно на официальном сайте университета: http://www.sibstu.kts.ru/

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, пр.Мира, 82, СибГТУ, ученому секретарю диссертационного совета К.212.253.01 Ушанову С.В.

Автореферат разослан декабря 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

С.В. Ушанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основным источником тепловой и электрической энергии в настоящее время остается ископаемое топливо, перерабатываемое на объектах теплоэнергетики. В последние десятилетия отмечается тенденция роста потребления твердых видов топлива, что подтверждается последними решениями РАО «ЕЭС России» о переводе ряда ТЭЦ с газообразного топлива на уголь.

Главное достоинство бурых углей - их сравнительно низкая стоимость, главный их недостаток - высокая пожаро- и взрывоопасность, обусловленные значительной хрупкостью и повышенной склонностью такого вида топлива к самовозгоранию. Вопросам же технологической и пожарной безопасности процессов его добычи, транспортировки и переработки, до сих пор не уделяется должного внимания. Вместе с тем, несмотря на относительно высокий в энергетике, по сравнению с другими отраслями уровень пожарной безопасности, на ТЭЦ, ГРЭС, котельных возникают пожары и взрывы, которые могут привести не только к значительному ущербу и человеческим жертвам, но к серьезным социальным последствиям. Кроме'того, объекты теплоэнергетики сами по себе являются источниками загрязнения окружающей среды, а при пожарах может произойти неконтролируемая ситуация, которая в свою очередь, может привести к экологической катастрофе.

Борьба с взрывами угольной пыли в пылеприготовительных установках является общемировой проблемой. При взрывах, трудозатраты на восстановление оборудования и экологический ущерб резко возрастают.

Самовозгорание является основной причиной пожаров на складах топлива и топливоподачах (50-60%), по этой причине происходит каждый шестой пожар на котельных и тепловых электростанциях. Только за последнее время пожары и взрывы с серьёзными последствиями произошли на Гусиноозерской ГРЭС, Читинской ТЭЦ-1, Минусинской ТЭЦ, котельной Красноярского ЭВРЗ.

Существенное повышение уровня пожарной безопасности энергетических предприятий при сравнительно небольших затратах на внедрение может быть достигнуто путем создания специальных автоматических систем пожаротушения и взрывопредупреждения.

Существующие пожарные извещатели в большинстве своем не вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к средствам раннего обнаружения очагов пожара бурого угля. Однако развитие технической базы чувствительных элементов позволяют создать удовлетворяющие всем необходимым требованиям датчики и приступить к решению задачи активной противопожарной защиты производств, использующих бурый уголь.

Проблемы пожарной безопасности объектов теплоэнергетики должны исследоваться методами системного анализа и основываться на знаниях, с одной стороны - о процессах протекающих в буром угле с момента его добычи, до

сжигания конечным потребителем, с другой стороны - о факторах, сопровождающих указанные процессы, по которым выход этих процессов за безопасные пределы может регистрироваться специальными техническим средствами.

Однако разработка систем мониторинга и управления пожарной безопасностью невозможна без понимания и детального описания процессов, происходящих в таких системах. Поэтому обязательным этапом работы должно стать построение комплекса моделей, на основе которого производится проектирование и разработка технических средств системы, а затем их реализация и практическое использование.

Таким образом, определяется цель работы: системный анализ и моделирование процессов в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью объектов теплоэнергетики и разработка на этой основе программно-аппаратного комплекса, реализующего систему.

Для достижения цели работы должны быть решены следующие задачи:

1. Обзор и оценка эффективности средств противопожарной защиты объектов теплоэнергетики;

2. Обзор и выбор средств моделирования процессов в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью;

3. Разработка и верификация моделей процессов в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью теплоэнергетических объектов;

4. Реализация системы мониторинга и управления пожарной безопасностью, ее испытания и ввод в эксплуатацию.

Объект исследования. Объектом исследования является процессы, происходящие при проведении противопожарного мониторинга и управления пожарной безопасностью объектов теплоэнергетики.

Методы исследования, применяемые в работе, основаны на методологиях системного анализа - САвЕ-технологиях, методах математического моделирования (сети Петри, цепи Маркова).

Основные результаты работы:

- Разработана модель процессов в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью на базе раскрашенных сетей Петри высокого уровня, а также исследована динамика функционирования системы путем построения дерева маркировок и свободного языка сети Петри.

- Построена цепь Маркова, моделирующая вероятностные процессы в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью. Получены оценки надежности работы системы.

- Разработано и запатентовано устройство обнаружения возгораний углеродосодержащих веществ.

- Разработан программно-аппаратный комплекс, реализующий систему мониторинга и управления пожарной безопасностью, проведены испытания и осуществлен ввод в эксплуатацию.

Научная новизна работы.

1. Разработана модель процессов в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью в технологических помещениях предприятия теплоэнергетики на базе раскрашенных сетей Петри высокого уровня.

2. Исследована динамика функционирования системы мониторинга и управления пожарной безопасностью путем построения дерева маркировок и свободного языка сети Петри. Исследованы инварианты позиций и переходов сети Петри. Это позволило найти наиболее эффективный вариант построения системы, в том числе выбрать более функциональный режим работы.

3. Построена цепь Маркова, моделирующая вероятностные процессы в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью. Получены оценки надежности работы системы и показатели времени безотказной работы системы.

Практическая значимость. Применение разработанной системы мониторинга и управления пожарной безопасностью позволяет сократить ущерб от пожаров и уменьшить возможный экологический ущерб на предприятиях. Данная система может функционировать не только на предприятиях теплоэнергетики, но и во многих других отраслях промышленности, где требуется обнаружение и ликвидация очагов возгорания на ранней стадии.

Использование результатов работы. Программно-аппаратный комплекс, разработанный в данной работе, смонтирован в топливо - транспортных цехах и сдан в эксплуатацию на Красноярской ТЭЦ-1, Красноярской ТЭЦ-3 и Кемеровской ГРЭС. Результаты внедрения подтверждены актами.

Личный вклад. Моделирование системы мониторинга и управления пожарной безопасностью, а также проектирование и разработка программного обеспечения данной системы было осуществлено автором. Автор принимал непосредственное участие в разработке коммуникационного протокола модуляционного датчика инфракрасного излучения, а также во внедрении программно-аппаратного комплекса на предприятиях теплоэнергетики.

Апробация работы. Основные результаты работы, отдельные положения докладывались на 5-й международной конференции «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Красноярск, 2003), 9-й научно-практической конференции «Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений» (Иркутск, 2005), 9-й всероссийской конференции «Проблемы информатизации региона» ПИР-2005г. (Красноярск, 2005), на семинарах и научно-практических конференциях СибГТУ (2002-2005)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них: 2 - в издании по списку ВАК, 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 107 наименований и 4 приложений. Основное содержание работы изложено на 128 страницах текста, содержит 23 рисунка, ¿.таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность и практическая значимость проводимых исследований, поставлена цель и сформулированы задачи, решение которых необходимо для достижения цели.

В первой главе рассмотрено современное состояние средств обнаружения возгораний и средств пожаротушения. Приведено описание типов пожарной сигнализации, а также рассмотрена классификация ключевой компоненты сигнализации - пожарных извещателей, выполняющих функцию обнаружения возгорания.

Обзор и анализ существующих типов пожарных извещателей (датчиков) показал, что для решения задачи обнаружения очагов тления и возгорания угля эффективно применять оптические извещатели пламени, так как они являются малоинерционными устройствами обнаружения очага пожара, что позволяет сократить до минимума общее время обнаружения. Инфра1фасные оптические датчики в настоящее время получили широкое распространение, что обусловлено рядом преимуществ. Во-первых, пассивный принцип действия, т.е. отсутствие каких-либо излучений, делает эти датчики экологически безопасными. Во-вторых, ИК-датчики имеют достаточно высокие эксплуатационные характеристики.

Извещатели пламени имеют недостаток - возможность регистрации только пламенного горения, так как при отсутствии «мерцания» пламени, являющегося главным информационным источником для этого типа датчиков, схема обработай сигнала не может отличить полезный сигнал от помехи. Это является неприемлемым для решения задачи обнаружения возгораний угля, необходимо достоверно определять возгорание на ранней стадии - тления.

Принцип принудительной модуляции оптического потока, позволяет получить переменный сигнал, амплитудное значение которого соответствует максимальной разности температур между температурой фона и температурой очага пожара. Поэтому модуляционные датчики не имеют большинства ограничений, присущих обычным датчикам пламени, а главное - не требуют наличия сформировавшегося пламени.

Кроме высокого быстродействия и достоверности обнаружений возгорания в технологических помещениях, необходимо осуществлять процесс локализации и ликвидации возгорания на ранней стадии обнаружения, по причине быстрого развития пожара и угрозы взрыва угольной пыли в помещениях топливо - транспортного цеха, трактах углеподачи, что в свою очередь может привести к значительному ущербу и человеческим жертвам.

Предложено решение по обнаружению очагов тления и возгораний углеродосодержащих веществ на основе оптического модуляционного датчика в ИК-диапазоне. На данное изобретение получен патент. Использование быстродействующей установки пожаротушения в сочетании с подсистемой обнаружения и подсистемой управления и принятия решения позволило создать систему, решающую задачу пожарной безопасности объектов теплоэнергетики.

Во второй главе рассмотрены общие вопросы теории моделирования, в том числе использование моделирования при исследовании и проектировании

автоматизированных систем обработки информации и управления (АСОИУ) различных уровней.

АСОИУ относится к классу больших систем, этапы проектирования, внедрения, эксплуатации и эволюции которых в настоящее время невозможны без использования различных видов моделирования. На всех перечисленных этапах для АСОИУ различных уровней необходимо учитывать следующие особенности: сложность структуры и стохасютность связей между элементами, неоднозначность алгоритмов поведения при различных условиях, большое количество параметров и переменных, неполноту и недетерминированность исходной информации, разнообразие и вероятностный характер воздействий внешней среды и т.д. Ограниченность возможностей экспериментального исследования больших систем делает актуальной разработку методики их моделирования, которая позволила бы в соответствующей форме представить процессы функционирования систем, описать протекание этих процессов с помощью математических моделей, получить результаты экспериментов с моделями по оценке характеристики исследуемых объектов.

Рассмотрены основные принципы системного подхода при моделировании систем. Важным для системного подхода является определение структуры системы — совокупности связей между элементами системы, отражающих их взаимодействие. Структура системы может изучаться извне с точки зрения состава отдельных подсистем и отношений мевду ними, а также изнутри, когда анализируются отдельные свойства, позволяющие системе достигать заданной цели, т. е. когда изучаются функции системы. В соответствии с этим наметился ряд подходов к исследованию структуры системы с ее свойствами, к которым следует, прежде всего, отнести струюурный и функциональный.

При структурном подходе выявляются состав выделенных элементов системы и связи между ними. Совокупность элементов и связей между ними позволяет судить о структуре системы. Последняя, в зависимости от цели исследования может быть описана на разных уровнях рассмотрения. Наиболее общее описание структуры — это топологическое описание, позволяющее определить в самых общих понятиях составные части системы и хорошо формализуемое на базе теории графов.

Менее общим, является функциональное описание, когда рассматриваются отдельные функции, т. е. алгоритмы поведения системы, и реализуется функциональный подход, оценивающий функции, которые выполняет система, причем под функцией понимается свойство, приводящее к достижению цели. Поскольку функция отображает свойство, а свойство отображает взаимодействие системы с внешней средой, то свойства могут быть выражены в виде либо некоторых характеристик элементов и подсистем, либо системы в целом

В зависимости от характера изучаемых процессов в системе все виды моделирования могут был. разделены на детерминированные и стохастические, статические и динамические, дискретные, непрерывные и дискретно-непрерывные.

Особое место в моделировании занимает компьютерное моделирование, в котором отсутствует непосредственное подобие физических процессов, происходящих в моделях, реальным процессам. В работе рассмотрены известные методологии и системы компьютерного моделирования. Использование системного подхода позволяет не только построить модель реального объекта, но и на базе этой модели выбрать необходимое количество управляющей информации в реальной системе, оценить показатели ее функционирования и тем самым на базе моделирования найти наиболее эффективный вариант построения и выгодный режим функционирования реальной системы.

Третья глава посвящена непосредственно моделированию системы мониторинга и управления пожарной безопасностью (далее по тексту, автоматическая система взрывопредупреждения и противопожарной защиты -АСВПЗ). На рисунке 1 представлена сеть Петри, моделирующая процесс обработки данных одного датчика в одной из зон - как частный случай работы всей системы.

Защищаемое помещение на предприятии условно разделено на так называемые зоны, при этом достигается оптимальный расход воды и эффективное по времени реагирования тушение.

X

Рисунок 1 Сеть Петри, описывающая процесс обработки данных одного датчика в

одной из зон (выполнена в оедактоое CPN Tools').

Множество условий (позиций) и событий (переходов), характеризующих систему, представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Р1 Поступили данные от датчика Т1 Обработать состояние датчика «ПОЖАР»

Р2 Состояние зоны «ПОЖАР» Т2 Обработать состояние датчика «НЕИСПРАВНОСТЬ»

РЗ Состояние системы автоматического запуска тушения (ВКЛ/ВЫКЛ) ТЗ Обработать состояние датчика «ОПАСНОСТЬ»

Р4 Состояние зоны «НЕИСПРАВНОСТЬ» Т4 Обработать состояние датчика «НОРМА»

Р5 Состояние зоны «ОПАСНОСТЬ» Т5 Проверить состояние системы автоматического запуска тушения (из РЗ). Состояние зоны «ПОЖАР»

Р6 Состояние зоны «НОРМА» Т6 Отключить систему автоматического запуска тушения. Состояние зоны «НЕИСПРАВНОСТЬ».

Р7 Попытка запуска тушения в зоне Т7 Включить систему предупреждения-сирены (Состояние зоны «ОПАСНОСТЬ»)

Р8 Состояние зоны после отключения системы автоматического запуска гушения Т8 Установить состояние зоны в «НОРМА»

Р9 Состояние системы оповещения (сирены) Т9 Проверить состояние тушения (вкл./выкл.)

Р10 Состояние тушения (ВКЛ/ВЫКЛ) Т10 Переход, контролирующий правильную работу сети (зона «НЕИСПРАВНОСТЬ» - сирены не были включены)

Р11 Зона в состоянии «Тушение включено» Т11 Выключить сирены (Состояние зоны «НЕИСПРАВНОСТЬ»)

Р12 Состояние счетчика условного времени Т12 Переход, контролирующий правильную работу сети. Состояние зоны «ОПАСНОСТЬ»-сирены включены.

Р13 Обработка данных датчика закончена Т13 Отключить тушение(время истекло)

Т14 Прибавить условную единицу времени [переход- счетчик)

Т15 Перейти к следующему датчику

Поясним работу данной сети. При работе системы в дежурном режиме, в случае отсутствия возгораний в зоне, срабатывает переход 14 - датчик, соответственно и зона, находятся в состоянии Рб - «НОРМА».

При обнаружении датчиком очага возгорания, в случае если интенсивность возгорания невелика, срабатывает переход ¡3, система переводит статус зоны в состояние «ОПАСНОСТЬ» и включает систему оповещения, что соответствует срабатыванию t7.

В случае если интенсивность очага возгорания достаточна велика, срабатывает переход ti - датчик переходит в состояние «ПОЖАР», проверяется возможность (состояние позиции РЗ) автоматического запуска тушения (что соответствует срабатыванию t5) и если тушение еще не начато (Р10), запускает процесс тушения - срабатывает переход t9 с отсчетом времени, что соответствует срабатыванию tl4. При этом дуга P12-*tl3 показывает ход времени и в случае, если время истекло, срабатывание перехода tl3 отключает тушение в зоне.

В случае выхода из строя датчика (или его фактического отсутствия в шине), срабатывает переход t2 и система переходит в состояние Р4-«НЕИСПРАВНОСТЬ», при этом, если автоматический запуск тушения включен, он выключается, что моделируется срабатыванием перехода tó, а также при необходимости отключаются системы оповещения, что соответствует срабатыванию til.

Для сети Петри, изображенной на рисунке I, матрицы инцидентности имеют вид:

0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 l"

1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 tí 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0

0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 •, I*- 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 2 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

При исследовании сети Петри модели системы АСВПЗ, составлено дерево разметок и свободный язык сети Петри. Фрагмент свободного языка сети Петри при моделировании состояния «ОПАСНОСТЬ» выглядит следующим образом:

й

Ш t3t7tl5

t3t7t!5tl {Mpl} t3t7tl5t2 {Mpl} Üt7tl5t3 t3t7tl5t3t7

t3t7tl5t3t7tl2 {Mcl} {Mpl}

t3t7tl5t3tl5t3 t3t7tl 5t3tl 5t4 Üt7tl5t3tl5t7 {Mpl} t3t7tl5t4

t3t7tl5t4t8 {Mcl} {Mp2} t3tl5

t3tl5tl {Mp2} t3tl5t2 {Mp2>

t3tl5t3tl5t2 {Mpl} t3tl5t3tl5t3 t3tl5t3tl5t3t7 {Mpl} t3tl5t3tl5t3tl5 t3tl5t3tl5t4 t3tl5t3tl5t4t7 {Mpl} t3tl5t3tl5t4t8 {Mcl} {Mpl} t3tlSt3tl5t7 {Mpl}

1317и5Ш7П5

£317г15гЗИ5г1 {Мр2} йШ5Ш15а {Мр2}

13И513

13115г3г7 {Мр1} Ш1513И5 131151311511 {Мр1}

Ш514

Ш151417 {Мр1} 13И51418 {Мс1} {Мр1} Ш1517 {Мр1}

К примеру, слово: 1317П5Й говорит о том, что система перешла в состояние «ОПАСНОСТЬ», были включена система оповещения-сирены, далее произведен опрос следующего датчика, показания которого, в свою очередь, перевели систему в состояние «ПОЖАР».

При обнаружении повторяющихся разметок они помечаются значками Мрг, где « - номер обнаруженной повторяющейся разметки, а построение дерева продолжается только из одной из них. Последовательность маркировок

М0,М1,-,МР, в которой М^=Ъ{Мк), к = 0,1.....р образует цикл, если М„=М .

Каждому циклу соответствует последовательность слов свободного языка сети Петри. Циклические разметки обозначаются Ма. Тупиковые разметки обозначаются МП, если при некоторой маркировке ни один из ее переходов не может сработать, функционирование сети останавливается. В нашем случае циклы отражают непрерывную работу системы в круглосуточном режиме, а тупики - отказ системы.

Для исследования инвариантов позиций и переходов сети Петри, рассмотрим матрицу:

Нл'-ЛИ^'Г-^.

каждый элемент которой у,у = - // показывает разность между числом поступивших фишек - /], и числом изъятых /у , т.е. изменение маркировки позиции р, е Р при срабатывании перехода ^еГ. В силу того, что /'¡, и // -целые числа, величины также целые. В зависимости от знака ^ при срабатывании перехода в позиции р, число фишек либо увеличивается (уя > 0), либо уменьшается (у)у < 0), либо остается неизменным (vlj = 0 ).

Получена матрица V:

-1 -1 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

1 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 1 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 1 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 1 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 1 0 0 0 -1 -1 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 -1 -1 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 1 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 -1 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -5 1 0

1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 -1

Получим инварианты позиций:

р _ и 000010000001' "[0 000000001 100

которые говорят о цикличности повторений состояния разметки и инварианты переходов:

которые говорят о цикличности срабатывания переходов ¡1, ¡3, t4 при нормальной работе сети.

Строки (1, 6 и 13), и (10 и 11), а так же столбцы (4,8 и 15), (3,7,12,15) и (1,5,9,13,14,15),матрицы V линейно-зависимы. Это соответствует циклам, которые были получены при составлении свободного языка сети Петри. Фрагмент языка сети Петри представлен в приложении диссертации.

Далее в главе 3 рассмотрено построение цепи Маркова, моделирующей вероятностные процессы в системе противопожарного мониторинга. На рисунке 2 представлена цепь Маркова, моделирующая функциональность системы.

состоянии «НОРМА»,

5, - система (зона) находится в

состоянии «ПОЖАР»,

$2 - система (зона) находится в

модели системы:

«У = {5<> > > ' ' г } •

Здесь Яц - система (зона) находится в

54 - система (зона) находится в состоянии «ТУШЕНИЕ ВКЛ.(автоматика была включена)»,

состоянии «ОПАСНОСТЬ»,

53 - система (зона) находится в

состоянии «ТУШЕНИЕ НЕ ВКЛ.

(автоматика была выключена)»,

Определим множество состояний

Рисунок 2 - модель системы в виде цепи Маркова

55 - система (зона) находится в

состоянии «НЕИСПРАВНОСТЬ».

Вероятности нахождения системы в состоянии Я, обозначим X, ,1-0,..,5. Эти состояния образуют вектор Х^у) =/х0(У..

Экспертные оценки вероятностей переходов представлены в таблице 2. Остальные значения вероятностей переходов были получены исходя из условия: р + д = 1.

Таблица 2.

Вероятности переходов Эксперт 1 Эксперт 2 Эксперт 3 Эксперт 4 Эксперт 5 Эксперт 6 Эксперт 7 среднее

50-81 0,012 0,018 0,015 0.009 0.023 0,012 0,016 0,015

вО-эг 0,025 0,03 0,025 0,04 0,03 0,02 0,04 0,03

80-85 0,007 0,003 0,005 0,003 0,005 0,002 0,01 0,005

81-54 0,95 0,85 0,95- 0,9 0,93 0,87 0,85 0,9

в2-в1 0,1 0,15 0,1 0,09 0,06 0,06 0,14 0,1

83-в0 0,13 0,14 0,08 0,16 0,1 0,04 0,05 0,1

Положим, что вероятности начальных состояний определяются вектором: •»■('о) = к ('о). ('о )> х2 ('о)> *з ('о)> хл ('о). *5 ('о)]=I10000°] > чт° означает запуск системы из состояния Бо, а матрица вероятностей переходов не зависит от времени:

Ло 95 0.015 О 03 0 0 0 005Л

0 0 0 0 1 09 0

0.9 0.1 0 0 0 0

0.1 0 0 09 0 0

1 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 1 >

Предельный вектор вероятностей нахождения процесса в каждом из состояний определяется: х„,сл = 1т х(1к).

р ¿-не

При большом числе шагов вектор Х(гк) сходится к Х^. Из соотношения *('*+!)=*('*)• Л при *-><*, следует, что )->*„,*«

® -^пред = -Хорея ' ^ '

I----ХО -XI х2-ХЗ Х4 Х51

0.9 0,8

0,5 0,4 0,3 0.2 0.1

\

\

\ \ X

\ / V /

Л,

ч

/

/

/ ____________

1200 к

а) Х(?1+1)при к=0„.,1200

| « ХО - ■■ «1 ■ Х2 ———ХЗ —Х4 — — х5 I

О 1 2 3 4 5 в 7 8 В 10 11 12 13 14 15 1в 17 18 19 20

к

б) фрагмент рис. (За), к=0.20 Рисунок 3 - Характер изменения вероятностей пребывания системы в различных состояниях во времени

В результате получим массив векторов Х((м) при £ = 0,...,1200. Построим график изменения векторов вероятностей состояний при данном условии. Характер изменения вероятностей во времени представлен на рисунке За.

Таким образом, если принять, что / = Д/ , где /¿-номер шага, Д¡=6 часам работы системы, можно увидеть, что чуть более чем через 6000 часов система с вероятностью, близкой к 1 перейдет в невозвратное состояние «НЕИСПРАВНОСТЬ». Из этого состояния систему может вывести лишь обслуживающий персонал, выявив и устранив эту неисправность. На рисунке 36 представлены графики изменений вероятностей пребывания системы в различных состояниях системы за первые 20 шагов.

Для поддержания системы в работоспособном состоянии проводится регулярное техническое обслуживание всех ее узлов.

В четвертой главе представлено описание программно-аппаратного комплекса системы противопожарного мониторинга, представлена структурная схема системы.

Автоматическая система взрывопредупреждения и противопожарной

защиты (АСВПЗ) предназначена для повышения уровня пожарной безопасности

промышленных объектов теплоэнергетики. АСВПЗ представляет собой

программно-аппаратный комплекс, состоящий из датчиков, исполнительных

устройств, микроконтроллеров и АРМ оператора на базе ЭВМ. Система

осуществляет постоянный мониторинг состояния пожарной опасности в

к

технологических помещениях, посредством алгоритма принимает решение тушению пожара и управляет исполнительными устройствами.

Основными составляющими данной системы являются:

1. подсистема обнаружения;

2. подсистема обработки данных и принятия решения;

3. подсистема тушения;

4. подсистема оповещения;

5. подсистема АРМа оператора.

Подсистема обнаружения выполнена на основе использования датчика инфракрасного излучения. Основные его характеристики приводятся ниже:

1. Датчик предназначен для работы в составе системы обнаружения предаварийных ситуаций (опасный перегрев технологического оборудования) и раннего обнаружения загораний любых углеродсодержащих материалов (например, угля, древесины, нефтепродуктов, целлюлозы, пластмассы и т.д.) независимо от их агрегатного состояния по характерному инфракрасному излучению диоксида углерода (СОг)на длинах волн 2,7 и 4,3 мкм.

2. В отличие от стандартных решений в области противопожарной безопасности, датчик обеспечивает измерение инфракрасного излучения (фона) с частотой, не менее 10 Гц и передачу этой информации по интерфейсу 118-485

при получении запроса от управляющего устройства.

3. Датчик предназначен для эксплуатации в помещениях всех классов в условиях воздействия повышенной влажности и запыленности среды, когда в случае пожара происходит горение (тление, перегрев) углеродсодержащих материалов в твердом, жидком или газообразном состоянии.

4. Датчик предназначен для совместной работы с микроконтроллером по интерфейсу RS-485.

Подсистема обработки данных и принятия решения реализована на основе использования программируемого промышленного микроконтроллера ADAM-5510 (Advantech, USA). Функциональная модель работы микроконтроллера выполнена с использованием средства моделирования - BPwin, в методологии IDEF0. Ниже на рисунке 4 приведен фрагмент модели - контекстная диаграмма верхнего уровня.

Данные от ИК-датчиков

Данные каналов модулей

Работать с ИК-яатчиками

ор

Информационный запросе управляющего компьютера

Строка

состояния

датчиков

Обработать данные с какало* модуля цифрового ввода-вывода

ор

«шшшшн

Программное обеспечение

Строка состояния шлейфов оборудования

Команда на управление оборудованием

Принять информационную посылку с управляющего ношьютера

0р

ШШ

Информационный ответ для управляющего компьютера

промышленное оборудование

Рисунок 4 Контекстная диаграмма верхнего уровня системы противопожарного мониторинга

Процесс «Работать с датчиками» описывает этап информационного опроса И К-датчиков, прием посылки-ответа от них, дешифрация посылки, проверка достоверности данных, анализ данных датчика (о наличии пожара) и формирование информационного пакета, для управляющего компьютера. В случае, если данные ИК-датчика содержат информацию о наличии возгорания, следует команда на управление оборудованием (инициируется тушение).

Процесс «Обработать данные с каналов модуля цифрового ввода» описывает этап считывания данных с каналов модуля цифрового ввода, осуществляется проверка их состояний в соответствии с заранее определенными

значениями и в случае, если система определяет, что состояние извещателя - ручного пожарного интерпретируется как нажато, следует команда на запуск тушения. Данные состояний передаются в составе «ответного» пакета на управляющий компьютер.

Процесс «Принять информационную посылку с управляющего компьютера» содержит блоки считывания информации из приемного буфера, ее дешифрацию и соответственно ее выполнение. Этим может быть либо команда на запуск тушения с АРМ оператора, либо команда на отключение системы автоматического запуска тушения (это необходимо, например, в случаях проведения каких-либо ремонтно-огневых работ).

Как видно из диаграммы верхнего уровня, входящими данными являются данные от ИК-датчиков, данные, поступающие на каналы модуля дискретного ввода, а также информационная посылка от управляющего компьютера. Исходящими - команды на управление исполнительным устройством (оборудование) и «информационный ответ» управляющему компьютеру. Данная модель приведена в приложении диссертации.

Подсистема тушения выполнена на основе использования системы трубопроводов и узла управления дренчерного. Принцип подачи воды в технологические помещения основан на их зонировании. Время тушения в зонах (продолжительность подачи воды) задается на основе результатов гидравлического расчета. Время перехода системы в режим пожаротушения (от момента обнаружения очага возгорания датчиком до открытия клапана) составляет не более 1 секунды.

Подсистема оповещения выполнена на основе использования световых и звуковых средств оповещения.

Программная часть АРМа оператора выполнена с использованием визуального средства проектирования Borland Delphi 5.0. Программная часть микроконтроллера реализована на Borland С++ 3.0 с использованием библиотек, из комплекта поставки программируемого микроконтроллера ADAM-5510 (Advantech,USA).

Программное обеспечение микроконтроллера выполняет следующие функции:

1. Сбор данных с адресно-аналоговых датчиков контроля теплового

потока;

2. Контроль сигналов поступающих с выносных блоков управления (кнопки ручного запуска пожаротушения);

3. Контроль данных о давлении воды в трубопроводе поступающих с электроконтактных манометров установленных на трубопроводах системы пожаротушения;

4. Контроль связи с адресно-аналоговыми датчиками контроля теплового потока;

5. Контроль целостности линий запуска установок пожаротушения, систем светового и звукового оповещения, в том числе включение звуковой сигнализации и световой индикации при неисправности данных электрических цепей;

6. Возможность формирования команды на управление технологическим оборудованием и инженерными системами объекта (при необходимости);

7. Возможность отключения звуковой сигнализации при сохранении световой сигнализации. Отключенное состояние звуковой сигнализации должно отображаться световой индикацией на АРМе оператора;

8. Сообщение о возникающих событиях на центральную рабочую станцию - АРМ оператора;

9. Контроль состояния системы автоматического запуска пожаротушения;

10. Вывод сигналов на световые оповещатели о состоянии автоматики и регистрации пожара, а также запуск звуковой сигнализации путем включения сирены в зонах пожаротушения;

11. Анализ и выполнение команд поступающих с АРМ оператора;

12. Контроль порогов срабатывания датчиков контроля теплового потока, с возможностью установления порогов с АРМ оператора;

13. Контроль времени продолжительности тушения, с возможностью установления времени тушения с АРМ оператора;

14. Восстановление верной работы микроконтроллера при непредвиденном сбое программного обеспечения мшфоконтроллера (путем использования сторожевого таймера микроконтроллера);

15. Обеспечение полностью автономной работы микроконтроллера при обрыве линии связи с центральной рабочей станции - АРМ оператора. Микроконтроллер функционирует в следующих режимах:

- Дежурный: осуществляется непосредственно мониторинг пожарной обстановки;

- Режим программирования: осуществляется установка значений уровней пожароопасности для датчиков контроля теплового потока, а также продолжительности (в сек.) пролива в зонах.

Программная часть АРМа оператора предназначена для интерактивного общения с дежурным (диспетчером или оператором) в реальном масштабе времени, при помощи интуитивно понятного интерфейса, за счет которого человек может получить представление о состоянии системы в любой момент времени и в зависимости от этого состояния выполнить необходимые действия.

Одни из основных возможностей, которые поддерживаются данным " программным обеспечением:

1. контроль состояния технологических датчиков, наличия необходимой величины давления в магистральных трубопроводах, состояние линии электропитания микроконтроллеров (220В/ИБП), и т.д.;

2. немедленный вывод плана охраняемой зоны при возникновении аварийной ситуации или пожара с цветовой индикацией зоны, где возникла эта ситуация;

3. аудио-дублирование (вербализация) важных событий в системе;

4. протоколирование всех событий, возникающих в системе (файлы протоколов зашифрованы и скрыты от пользователей);

5. при возникновении предаварийных и аварийных ситуаций также выводится окно с инструкцией оператору;

6. администрирование и разграничение уровней доступа, посредством парольной системы.

Далее в главе приведено описание интерфейса программного обеспечения АРМа оператора и рекомендации по эксплуатации последнего.

Заключение

Проанализирован уровень развития средств противопожарной защиты объектов теплоэнергетики. Показано, что существующие пожарные извещатели в большинстве своем, не вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к средствам раннего обнаружения очагов возгорания угольного топлива. В результате чего, разработано устройство обнаружения возгораний углеродосодержащих веществ на основе оптического модуляционного датчика в ИК-диапазоне.

Разработана модель процессов в системе противопожарного мониторинга на базе раскрашенных сетей Петри высокого уровня, а также исследована динамика функционирования системы путем построения дерева маркировок и свободного языка сети Петри. Исследованы инварианты позиций и переходов сети Петри, что позволило найти наиболее эффективный вариант построения системы, в том числе повысить ее функциональность.

Построена цепь Маркова, моделирующая вероятностные процессы в системе противопожарного мониторинга. Построена матрица вероятностей перехода состояний. Получены оценки надежности работы системы.

Разработан программно-аппаратный комплекс, реализующий систему мониторинга и пожаротушения, позволивший обнар уживать и ликвидировать

очага тления и возгорания угля на ранней стадии возникновения. Комплекс прошел комплексные испытания и сдан в опытно-промышленную эксплуатацию на Красноярской ТЭЦ-1, Красноярской ТЭЦ-3 и Кемеровской ГРЭС. Результаты внедрения подтверждены актами.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что поставленные задачи решены и цель диссертационной работы достигнута.

Статьи в изданиях, рекомендованные ВАК РФ:

1. Васильев, С.А. Информационно-аналитическая система мониторинга и управления пожарной безопасностью предприятия теплоэнергетики [Текст] / Васильев С.А., Доррер ГА., Амельчугов С.П. // Пожарная безопасность. Научно-технический журнал, -2006 -№1 /Москва,- с.67-72

2. Васильев, С.А. «Модуляционный датчик ' инфракрасного излучения» [Текст] // С.П. Амельчугов, С.А. Васильев, Р.В. Горностаев, О.В. Кириллов, В.П. Тихонов //патент на изобретение №2279713 / Бюллетень «Изобретения» №19 от 10.07.06

Другие публикации:

1. Васильев, С.А. Построение систем обнаружения пожаров, основанных на регистрации теплового потока [Текст] / С.П. Амельчугов, С.А. Васильев, Р.В. Горностаев, ПЛ. Осавелюк // Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений: мат. 9-й научно-практической конференции / Москва, 2005 - с.69-70

2. Васильев, С.А. Комплекс роботизированных установок пожаротушения для противопожарной защиты складов лесоматериалов [Текст] / С.П. Амельчугов, С.А. Васильев, Р.В. Горностаев, О.В. Кириллов // Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия: мат. 5-й международной конференции / Красноярск, 2003. - с. 35

3. Васильев, С.А. Моделирование и реализация информационно-аналитической системы противопожарного мониторинга промышленного предприятия [Текст] / Г.А. Доррер, С.А. Васильев // Проблемы информатизации региона» ПИР-2005: мат. 9-й всероссийской конференции / Красноярск, 2005. - с.116-121

4. Васильев, С.А. Особенности оценки деятельности государственного пожарного надзора в субъектах Сибири и Крайнего Севера [Текст] / С.П. Амельчугов, C.B. Амельчугова, ЮА. Андреев, С.А. Васильев, К.В. Ермакова // Пожарная безопасность многофункциональных н высотных зданий и

сооружений: мат. 9-й научно-практической конференции / Иркутск, 2005 - с. 60-62

5. Васильев, С.А. Перспективы применения импульсного пожаротушения в условиях низких температур [Текст] / С.П. Амельчугов, A.B. Антонов, С.А. Васильев, В.А. Негин // Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений: мат. 9-й научно-практической конференции / Иркутск, 2005. - с.42-44

6. Васильев, С.А. Использование инфракрасных датчиков для противопожарной защиты особо охраняемых лесных территорий [Текст] / С.П. Амельчугов, С.А. Васильев, Р.В. Горностаев, О.В. Кириллов // Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия: мат. 5-й международной конференции / Красноярск, 2003. - с. 36

Сдано в производство 27.12.06. Формат 60x84 1/16. Усл. пен. л. 1,5. Изд. № 2-36. Заказ № 1954. Тираж 100 экз.

Редакцгюнно-издательский центр СибГТУ 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЗОР СРЕДСТВ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ.

1.1 Краткая характеристика защищаемого объекта.

1.2 ОБЗОР СРЕДСТВ ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗГОРАНИЙ.

1.2.1 Понятие системы пожарной сигнализации.

1.2.2 Пожарные извещатели. Классификация.

1.2.2.1 Дымовые пожарные извещатели.

1.2.2.2 Тепловые пожарные извещатели.

1.2.2.3 Комбинированный пожарный извещатель.

1.2.2.4 Оптические извещатели пламени.

1.2.3 Общие сведения о приемо-контрольных приборах системы пожарной сигнализации.

1.3 ОБЗОР СРЕДСТВ ПОЖАРОТУШЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ.

1.3.1 Основные понятия. Классификация установок пожаротушения.

1.3.2. Объекты защиты автоматическими установками пожаротушения.

1.3.3 Водяные установки пожаротушения.

1.3.3.1 Установки пожаротушения тонкораспыленной водой.

1.3.4 Установки пенного пожаротушения.

1.3.5 Установки газового пожаротушения(УГП).

1.3.6 Установки парового пожаротушения.

1.3.7 Установки порошкового пожаротушения.

1.3.8 Установки аэрозольного пожаротушения.

1.3.9 Установки комбинированного пожаротушения.

1.3.10 Стволы лафетные пожарные. Классификация и характеристики.

2 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ.

2.1 МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ.

2.2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ И ПРОЕКТИРОВАНИИ АСОИУ.

2.3 ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ.

2.4 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ.

2.4.1 Принципы системного подхода в моделировании систем.

2.4.2 Общая характеристика проблемы моделирования систем.

2.4.3 Классификация видов моделирования систем.

2.5 ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ.

2.6 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ.

2.7 МЕТОДОЛОГИИ И СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

2.7.1 Универсальные системы моделирования.

2.7.2 Системы моделирования бизнес-процессов.

2.7.3 О моделировании вычислительных систем.

3 ПРАКТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ.

3.1 Раскрашенные (цветные) сети Петри.

3.1.1 Мультимножества.

3.1.2 Формальное определение СРЫ.

3.1.3 Функционирование СРИ.

3.1.4 Пространство состояний сети Петри.

3.1.5 Основные свойства сетей Петри.

3.2 Использование сетей Петри для моделирования систем пожарной безопасности.86 3.2.1 Инварианты сетей Петри.

3.3 Моделирование процессов с помощью цепей Маркова.

3.3.1 Экспертиза состояния объекта и системы.

4 ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ.

4.1 Особенности использования ЭВМ.

4.2 Эргономические особенности АРМ оператора.

4.3 Описание системы.

4.3.1 Структура системы АСВПЗ.

4.4 Описание программной части АРМ оператора.

4.4.1 Работа с программой.

4.5.2 Администрирование системы.

4.5.3 Протоколирование событий, возникающих в системе.

Актуальность работы. Основным источником тепловой и элеюрической энергии в настоящее время остается ископаемое топливо, перерабатываемое на объектах теплоэнергетики. В последние десятилетия отмечается тенденция роста потребления твердых видов топлива, что подтверждается последними решениями РАО «ЕЭС России» о переводе ряда ТЭЦ с газообразного топлива на уголь.

Главное достоинство бурых углей - их сравнительно низкая стоимость, главный их недостаток - высокая пожаро- и взрывоопасность, обусловленные значительной хрупкостью и повышенной склонностью такого вида топлива к самовозгоранию. Вопросам же технологической и пожарной безопасности процессов его добычи, транспортировки и переработки, до сих пор не уделяется должного внимания. Вместе с тем, несмотря на относительно высокий в энергетике, по сравнению с другими отраслями уровень пожарной безопасности, на ТЭЦ, ГРЭС, котельных возникают пожары и взрывы, которые могут привести не только к значительному ущербу и человеческим жертвам, но к серьезным социальным последствиям. Кроме того, объекты теплоэнергетики сами по себе являются источниками загрязнения окружающей среды, а при пожарах может произойти неконтролируемая ситуация, которая в свою очередь, может привести к экологической катастрофе.

Борьба с взрывами угольной пыли в пылеприготовительных установках является общемировой проблемой. При взрывах, трудозатраты на восстановление оборудования и экологический ущерб резко возрастают.

Самовозгорание является основной причиной пожаров на складах топлива и топливоподачах (50-60%), по этой причине происходит каждый шестой пожар на котельных и тепловых электростанциях. Только за последнее время пожары и взрывы с серьёзными последствиями произошли на Гусиноозерской ГРЭС, Читинской ТЭЦ-1, Минусинской ТЭЦ, котельной Красноярского ЭВРЗ.

Существенное повышение уровня пожарной безопасности энергетических предприятий при сравнительно небольших затратах на внедрение может быть достигнуто путем создания специальных автоматических систем пожаротушения и взрывопредупреждения.

Существующие пожарные извещатели в большинстве своем не вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к средствам раннего обнаружения очагов пожара бурого угля. Однако развитие технической базы чувствительных элементов позволяют создать удовлетворяющие всем необходимым требованиям датчики и приступить к решению задачи активной противопожарной защиты производств, использующих бурые угли.

Проблемы пожарной безопасности объектов теплоэнергетики должны исследоваться методами системного анализа и основываться на знаниях, с одной стороны - о процессах протекающих в буром угле с момента его добычи, до сжигания конечным потребителем, с другой стороны - о факторах, сопровождающих указанные процессы, по которым выход этих процессов за безопасные пределы может регистрироваться специальными техническим средствами.

Однако разработка систем мониторинга и управления пожарной безопасностью невозможна без понимания и детального описания процессов, происходящих в таких системах. Поэтому обязательным этапом работы должно стать построение комплекса моделей, на основе которого производится проектирование и разработка технических средств системы, а затем их реализация и практическое использование.

Таким образом, определяется цель работы: системный анализ и моделирование процессов в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью объектов теплоэнергетики и разработка на этой основе программно-аппаратного комплекса, реализующего систему.

Для достижения цели работы должны быть решены следующие задачи:

1. Обзор и оценка эффективности средств противопожарной защиты объектов теплоэнергетики;

2. Обзор и выбор средств моделирования процессов в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью;

3. Разработка и верификация моделей процессов в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью теплоэнергетических объектов;

4. Реализация системы мониторинга и управления пожарной безопасностью, ее испытания и ввод в эксплуатацию.

Объект исследования. Объектом исследования является процессы, происходящие при проведении противопожарного мониторинга и управления пожарной безопасностью объектов теплоэнергетики.

Методы исследования, применяемые в работе, основаны на методологиях системного анализа - СА8Е-технологиях, методах математического моделирования (сети Петри, цепи Маркова).

Основные результаты работы:

Разработана модель процессов в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью на базе раскрашенных сетей Петри высокого уровня, а также исследована динамика функционирования системы путем построения дерева маркировок и свободного языка сети Петри.

Построена цепь Маркова, моделирующая вероятностные процессы в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью. Получены оценки надежности работы системы.

Разработано и запатентовано устройство обнаружения возгораний углеродосодержащих веществ.

Разработан программно-аппаратный комплекс, реализующий систему мониторинга и управления пожарной безопасностью, проведены испытания и осуществлен ввод в эксплуатацию.

Научная новизна работы.

1. Разработана модель процессов в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью в технологических помещениях предприятия теплоэнергетики на базе раскрашенных сетей Петри высокого уровня.

2. Исследована динамика функционирования системы мониторинга и управления пожарной безопасностью путем построения дерева маркировок и свободного языка сети Петри. Исследованы инварианты позиций и переходов сети Петри. Это позволило найти наиболее эффективный вариант построения системы, в том числе выбрать более функциональный режим работы

3. Построена цепь Маркова, моделирующая вероятностные процессы в системе мониторинга и управления пожарной безопасностью. Получены оценки надежности работы системы и показатели времени безотказной работы системы.

Практическая значимость. Применение разработанной системы мониторинга и управления пожарной безопасностью позволяет сократить ущерб от пожаров и уменьшить возможный экологический ущерб на предприятиях. Данная система может функционировать не только на предприятиях теплоэнергетики, но и во многих других отраслях промышленности, где требуется обнаружение и ликвидация очагов возгорания на ранней стадии.

Использование результатов работы. Программно-аппаратный комплекс, разработанный в данной работе, смонтирован в топливо - транспортных цехах и сдан в эксплуатацию на Красноярской ТЭЦ-1, Красноярской ТЭЦ-3 и Кемеровской ГРЭС. Результаты внедрения подтверждены актами.

Личный вклад. Моделирование системы мониторинга и управления пожарной безопасностью, а также проектирование и разработка программного обеспечения данной системы было осуществлено автором. Автор также принимал непосредственное участие во внедрении программно-аппаратного комплекса на предприятиях теплоэнергетики.

Апробация работы. Основные результаты работы, отдельные положения докладывались на 5-й международной конференции «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Красноярск, 2003), 9-й научно-практической конференции «Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений» (Иркутск, 2005), 9-й всероссийской конференции «Проблемы информатизации региона» ПИР-2005г. (Красноярск, 2005), на семинарах и научно-практических конференциях СибГТУ (20022005)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них: 2 - в издании по списку ВАК,1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 107 наименований и 4 приложений. Основное содержание работы изложено на 128 страницах текста, содержит 13 рисунка, ¿.таблицы.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Использование средств проектирования как для процессов, протекающих в системе, так и для разработки структуры данных позволило детализировать представление сущностей, представленных в системе. Это, в свою очередь, способствовало четкой реализации алгоритма действия микроконтроллера и АРМ оператора. В результате чего:

• построена функциональная модель процессов, протекающих в системе;

• построена модель данных.

В настоящее время функциональность программного обеспечения постоянно увеличивается, повышается удобство пользования интерфейсом для оператора. В частности, для визуализации в одном «кадре» большого объема информации по защищаемым помещениям, распределенных территориально, общий план предприятия был реализован с использованием трехмерной графики на основе технологии Open GL.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проанализирован уровень развития средств противопожарной защиты объектов теплоэнергетики. Показано, что существующие пожарные извещатели в большинстве своем, не вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к средствам раннего обнаружения очагов возгорания угольного топлива. В результате чего, разработано устройство обнаружения возгораний углеродосодержащих веществ на основе оптического модуляционного датчика в ИК-диапазоне.

Разработана модель процессов в системе противопожарного мониторинга на базе раскрашенных сетей Петри высокого уровня, а также исследована динамика функционирования системы путем построения дерева маркировок и свободного языка сети Петри. Исследованы инварианты позиций и переходов сети Петри, что позволило найти наиболее эффективный вариант построения системы, в том числе повысить ее функциональность.

Построена цепь Маркова, моделирующая вероятностные процессы в системе противопожарного мониторинга. Построена матрица вероятностей перехода состояний. Получены оценки надежности работы системы.

Разработан программно-аппаратный комплекс, реализующий систему мониторинга и пожаротушения, позволивший обнаруживать очаги тления и возгорания угля на ранней стадии возникновения. Комплекс прошел комплексные испытания и сдан в опытно-промышленную эксплуатацию на Красноярской ТЭЦ-1, Красноярской ТЭЦ-3 и Кемеровской ГРЭС. Результаты внедрения подтверждены актами.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что поставленные задачи решены и цель диссертационной работы достигнута.

1. ADAM 5510 PC - совместимый программируемый микроконтроллер Текст. // Руководство пользователя, 4-Издание, 2001- Advantech, USA

2. Jensen К. Coloured Petri Nets: Basic Concepts, Analysis Methods and Practical Use. Berlin, Spingler. Vol.1 1996, Vol.2 - 1997, Vol.3 - 1997.

3. Автоматические системы пожаротушения и пожарной сигнализации. Правила приемки и контроля. Текст. // Методические рекомендации. М.: ВНИИПО, 1999 г., 121 с.

4. Агафонов, В.В. Установки аэрозольного пожаротушения: Элементы и характеристики; проектирование, монтаж и эксплуатация. Текст. //В.В. Агафонов, Н.П. Копылов // М., 1999, 232 с.

5. Советов, Б. Я. Философские основы моделирования сложных систем управления Текст. // М. Н. Андрющенко, С. А. Яковлев и др./// Системный подход в технических науках. Методологические основы: Сб. научн. тр.— JL: Изд. АН СССР, 1989 —С. 67 82.

6. Армстронг, Дж. Р. Моделирование цифровых систем. Текст. М.: Мир, 1992.— 174 с.

7. Баратов, А.Н. Пожарная безопасность. Текст. // А.Н. Баратов, В.Ф. Пчелинцев // Учебное пособие, М.: изд-во АСВ, 1997.-176 с.

8. Безродный, И.Ф. Современные технологии пожаротушения Текст. // И.Ф. Безродный, В.А. Безродный, А.Н. Гилетич // Юбилейный сборник ВНИИПО. М: ВНИИПО МВД России, 1997. - С. 335.

9. Бендат, Дж. Прикладной анализ случайных данных Текст. // Дж. Бендат, А. Пирсол //— М.: Мир, 1989.— 540 с.

10. Бенькович, Е., Практическое моделирование динамических систем Текст. // Е. Бенькович, Ю.Б. Колесов, Ю.Б. Сениченков // СПб.: Б*В-Петербург, 2002. 464 с.

11. Бусленко Н. П. Моделирование сложных систем. Текст. / М.: Наука, 1978.- 400 с.

12. Вайсман, М.Н. Порошковое пожаротушение.: Юбилейный сборник ВНИИПО Текст. // М.Н. Вайсман, В.А. Кущук // М: ВНИИПО МВД России, 1997. - 414 с.

13. Васильев, В. И. Моделирование систем гражданской авиации Текст. // В. И. Васильев, А. И. Иванюк, В. А. Свириденко // — М.: Транспорт, 1988.— 312 с.

14. Васильев, С.А. «Модуляционный датчик инфракрасного излучения» Текст. // С.П. Амельчугов, С.А. Васильев, Р.В. Горностаев, O.B. Кириллов, В.П. Тихонов //патент на изобретение №2279713 / Бюллетень «Изобретения» №19 от 10.07.06

15. Васильев, С.А. Использование инфракрасных датчиков для противопожарной защиты особо охраняемых лесных территорий Текст. / С.П. Амельчугов, С.А.

16. Васильев, P.B. Горностаев, O.B. Кириллов // Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия: мат. 5-й международной конференции / Красноярск, 2003. с. 36

17. Веников, В. А. Теория подобия и моделирования Текст. / В. А. Веников, Г. В. Веников /—М.: Высшая школа, 1984.—439 с.

18. Вероятностные методы в вычислительной технике Текст. // под ред. А.Н. Лебедева и Е.А. Чернявского. М.: Высшая школа, 1986, 312 с.

19. ВСН 2661-01-91. Ведомственные строительные нормы. Правила производства и приемки работ. Автоматические установки пожаротушения.

20. ВСН 2661-02-91. Ведомственные строительные нормы. Правила производства и приемки работ. Установка охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации.

21. ВСН 60-93. Устройства связи, сигнализация и диспетчеризация инженерного оборудования жилых и общественных зданий. Нормы проектирования.

22. Выбор типа автоматических установки пожаротушения: Рекомендации. М.: ВНИИПО МВД СССР, 1991. - 111 с.

23. Гантмахер, Ф.Р. Теория матриц, Текст. /Гантмахер Ф.Р./ М.: Наука, 1966. -576с.

24. Гнеденко, Б. В. Введение в теорию массового обслуживания Текст. /Гнеденко Б. В., Коваленко И. H./ — М.: Наука, 1987.— 336 с.

25. ГОСТ 12.2.047-86. ССБТ. Пожарная техника. Термины определения.

26. ГОСТ 12.3.046-91. ССБТ. Установки пожаротушения автоматические. Общие технические требования.

27. ГОСТ 17516.1-90. Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам.

28. ГОСТ 27990-88 Средства охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации. Общие технические требования.

29. ГОСТ Р 50680-94. Установки водяного пожаротушения автоматические. Общие технические требования. Методы испытаний.

30. ГОСТ Р 50800-95. Установки пенного пожаротушения автоматические. Общие технические требования. Методы испытаний.

31. ГОСТ Р 50969-96. Установки газового пожаротушения автоматические. Общие технические требования. Методы испытаний.

32. ГОСТ Р 51091-97. Установки порошкового пожаротушения автоматические. Типы и основные параметры.

33. Доррер, Г.А. Методы анализа вычислительных систем. Текст. / Г.А. Доррер / Учебное пособие. Красноярск, СибГТУ, 2000. -143 с.

34. Ермаков, С. М. Математический эксперимент с моделями сложных стохастических систем Текст. / С. М. Ермаков, В. Б. Мелас /— СПб.: Изд. ГУ, 1993.— 270 с.

35. Инструментальные средства персональных ЭВМ. В 10 кн.— М.: Высшая школа, 1993.

36. Калашников, В. В. Математические методы построения стохастических моделей обслуживания Текст. / В. В. Калашников, С. Т. Рачев / — М.: Наука, 1988.— 312 с.

37. Калиниченко, J1. А. Машины баз данных и знаний Текст. / J1. А. Калиниченко, В. М. Рывкин /— М.: Наука. 1990,— 296 с.

38. Калман, Р. Очерки по математической теории систем Текст. /Р. Калман, П. Фалб, М. Арбиб / М.: Мир, 1971,-400 с.

39. Калянов, Г.Н. CASE-технологии. Консалтинг в автоматизации бизнес-процессов Текст. / Г.Н. Калянов / 3-е изд. М.: Горячая линия-Телеком, 2002. - 320 с.

40. Кемени, Дж. Конечные цепи Маркова Текст./ Дж. Кемени, Дж. Снелл / М.: Наука, 1970,-450 с.

41. Киндлер, Е. Языки моделирования Текст. / Е. Киндлер / — М.: Энергия, 1985.— 288 с.

42. Клейнен, Дж. Статистические методы в имитационном моделировании Текст. / Дж. Клейнен /.— М.: Статистика, 1978; Вып. 1.— 221 с; Вып. 2.— 335 с.

43. Копылов, Н.П. Хладоны и озоновый слой. Текст. / Н.П. Копылов / Пожарная безопасность-история, состояние, перспективы: Материалы XIV Всероссийской науч.-практ. конф. ч. 2. - М.:ВНИИПО 1997. - 326 с.

44. Копылов, Н.П. Создание систем аэрозольного пожаротушения Текст. / Н.П. Копылов, А.Ф. Жевлаков, В.М. Николаев, В.А. Андреев / Юбилейный сборник ВНИИПО. М: ВНИИПО МВД России, 1997. - С. 335.

45. Королюк, B.C. Полумарковские процессы и их приложения Текст. / B.C. Королюк,

46. A.Ф. Турбин /. Киев, Наукова думка, 1976. -290 с.

47. Котов, В.Е. Сети Петри Текст. / В.Е. Котов /М.: Наука, 1984.-158с.

48. Кудрявцев, Е. GPSS World. Основы имитационного моделирования различных систем Текст. /Кудрявцев Е./. М: ДМК, 2003. 320с.

49. Математическая теория планирования эксперимента Текст. /Под ред. С. М. Ермакова.— М.: Наука, 1983.— 392 с.

50. Математическое моделирование: Методы, описания и исследования сложных систем Текст. / Под ред. А. А. Самарского.— М.: Наука, 1989.— 271 с.

51. Моисеенко, В.М. Современные средства пожаротушения Текст. / В.М. Моисеенко,

52. B.В. Мольков и др./ Пожаровзрывобезопасность, № 2, 1996, с. 24-48.

53. Николаев, В.М. Состояние и перспективы развития газового пожаротушения Текст. / В.М. Николаев /Юбилейный сборник ВНИИПО.-М: ВНИИПО МВД России, 1997.- 323 с.

54. НПБ 110-98. Перечень зданий, сооружений, помещений и оборудования, подлежащих защите автоматическими установками тушения и обнаружения пожара.

55. НПБ 159-97 Техника пожарная. Стволы пожарные лафетные комбинированные. Общие технические требования и методы испытания.

56. НПБ 21-98. Установки аэрозольного пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования и применения.

57. НПБ 22-96. Установки газового пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования и применения.

58. НПБ 52-96 Установки автоматические водяного и пенного пожаротушения. Пожарные сигнализаторы давления и потока жидкости. Общие технические требования. Номенклатура показателей. Методы испытаний.

59. НПБ 53-96 Установки водяного и пенного пожаротушения автоматические. Пожарные запорные устройства. Общие технические требования. Номенклатура показателей. Методы испытаний.

60. НПБ 54-96 Установки газового пожаротушения автоматические. Модули и батареи. Общие технические требования. Методы испытаний.

61. НПБ 56-96. Установки порошкового пожаротушения импульсные. Временные нормы и правила проектирования и эксплуатации.

62. НПБ 58-97 Системы пожарной сигнализации адресные. Общие технические требования. Методы испытаний.

63. НПБ 60-97. Пожарная техника. Генераторы огнетушащего аэрозоля. Общие технические требования. Методы испытаний.

64. НПБ 75-98 Приборы приемно-контрольные и управления пожарные. Общие технические требования. Методы испытаний.

65. НПБ 76-98 Извещатели пожарные. Общие технические требования. Методы испытаний.

66. НПБ 78-98 Установки газового пожаротушения автоматические. Резервуары изотермические. Общие технические требования. Методы испытаний.

67. НПБ 79-98 Установки газового пожаротушения автоматические. Распределительные устройства. Общие технические требования. Методы испытаний.

68. НПБ 80-99. Установки пожаротушения тонкораспыленной водой автоматические. Общие технические требования и методы испытаний.

69. НПБ 81-99 Извещатели пожарные дымовые радиоизотопные. Общие технические требования. Методы испытаний.

70. НПБ 82-99 Извещатели пожарные дымовые оптико-электронные линейные. Общие технические требования. Методы испытаний.

71. НПБ 88-2001 Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования (с изм. от 01.01.2002 взамен СНиП 2.04.09-84, НПБ 21-98, НПБ 2296, НПБ 56-96

72. Основы теории вычислительных систем Текст. /под ред. проф. С.А. Майорова, М.: Высшая школа, 1978, 408 с.

73. Пакеты прикладных программ: Математическое моделирование Текст. / Под ред.А. А. Самарского.— М.: Наука, 1989.— 128 с.

74. Пешков В.В. Водопенные средства тушения. Текст. // Юбилейный сборник ВНИИПО.-М: ВНИИПО МВД России, 1997. -362.

75. Пивоваров, В.В. Современные средства автоматического пожаротушения Текст. / В.В. Пивоваров, А.Ф. Жевлаков, Н.В. Смирнов / журнал "Системы безопасности, связи и телекоммуникаций", май-июнь 1998, с. 14-19.

76. Пивоваров, В.В. Безопасность применения огнетушащих газов Текст. / В.В. Пивоваров, Н.В. Смирнов / журнал "Системы безопасности, связи и телекоммуникаций", № 23, 1998. С. 104-107.

77. Питерсон, Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем Текст. / Дж. Питерсон / М.: Мир, 1984,—264 с.

78. Пожарная сигнализация. Современные устройства пожарной сигнализации. Проектирование систем безопасности на основе компьютерных технологий Текст. / изд. Grotec, М., 1998г., 51 с.

79. Полляк, Ю. Г. Статистическое машинное моделирование средств связи Текст. / Ю. Г. Полляк, В. А. Филимонов /— М.: Радио и связь, 1988.— 176 с.

80. Применение микропроцессорных средств в системах передачи информации Текст. /Под ред. Б. Я. Советова.— М.: Высшая школа, 1987.— 287 с.

81. Прицкер, А. Введение в имитационное моделирование и язык CJIAM Текст. / А. Прицкер / М.: Мир, 198.7.— 646 с.

82. Проектирование и применение установок пожаротушения водой аэрозольного распыла. Рекомендации Текст. М. ВНИИПО МВД СССР, 19917-20с.

83. Проектирование и программная реализация экспертных систем на персональных ЭВМ Текст. / Под ред. Д. Фохта.— М.: Финансы и статистика, 1990.— 320 с.

84. РД 25-953-90 Системы автоматического пожаротушения, пожарной, охранной и охранно-пожарной сигнализации, обозначения условные графические элементов системы.

85. Романцев, В. В. Моделирование систем массового обслуживания Текст. / В. В. Романцев, С. А. Яковлев / — СПб.: Поликом, 1995.— 79 с.

86. Сабинин О. Ю. Статистическое моделирование технических систем Текст.— СПб.: Изд. ЭТУ, 1993.—64 с.

87. Серебренников. Е.А. Пожарная безопасность как составная часть национальной безопасности России Текст. / / Специализированный каталог "Пожарная безопасность". М.: Изд-во "Гротек", 2000

88. Системное обеспечение пакетов прикладных программ Текст. /Под ред. А. А. Самарского.— М.: Наука, 1990 — 208 с.

89. Смирнов, Н.В. Установки пожаротушения проблема выбора Текст. / Н.В. Смирнов, В.М. Николаев / журнал "Системы безопасности, связи и телекоммуникаций", № 24, 1999/ - С. 84-90.

90. СН 364-67. Указания по проектированию предприятий (объектов , сооружаемых на базе комплексного импортного оборудования и оборудования, изготовленного по лицензии.)

91. СНиП 2.04.09-84 Пожарная автоматика зданий и сооружений.

92. СНиП 3.05.06-85 Электротехнические устройства.

93. Советов, Б. Я. Информационная технология Текст. / Б. Я. Советов / М.: Высшая школа, 1994.368 с.

94. Советов, Б. Я. Моделирование систем Текст. / Б. Я. Советов, С. А. Яковлев / М.: Высшая школа 1985.— 350 е.

95. Советов, Б. Я. Моделирование систем: Курсовое проектирование Текст. / Б. Я. Советов, С. А. Яковлев /— М.: Высшая школа, 1988.— 135 с.

96. Советов, Б. Я. Моделирование систем: Лабораторный практикум Текст. / Б. Я. Советов, С. А. Яковлев / М.: Высшая школа, 1989.— 80 с.

97. Советов, Б. Я. Построение сетей интегрального обслуживания Текст. / Б. Я. Советов, С. А. Яковлев /— Л.: Машиностроение, 1990.— 332 с.

98. Технология системного моделирования Текст. /Под ред. С. В. Емельянова — М -Машиностроение; Берлин: Техник, 1989.— 520 с.

99. Фаулер, М. ИМЬ в кратком изложении. Применение стандартного языка моделирования. Текст. / М. Фаулер, К. Скотт / М.: Мир, 1999. 191 с.

100. Цехановский, В. В. Автоматизированные банки данных Текст. / В. В. Цехановский, С. А. Яковлев /— Л.: Изд. ЛЭТИ, 1984.— 64 с.

101. Четвериков, В. Н. Стохастические вычислительные устройства систем моделирования Текст. / В. Н. Четвериков, Э. А. Баканович /— М.: Машиностроение, 1989.—272 с.

102. Шароварников, А.Ф. Противопожарные пены. Состав, свойства, применение Текст. / А.Ф. Шароварников /- М.: Знак. 2000. 464 с.

103. Шеннон, Р. Имитационное моделирование систем Текст. /Шеннон Р./— Искусство и наука —М.: Мир, 1978 — 418 с.

104. Шрайбер, Т. Дж. Моделирование на ОРЗБ Текст. /Шрайбер Т. Дж./ — М.: Машиностроение, 1980.—592с.