Системы автоматизации и безопасность здания

Аспекты использования системы автоматизации для обеспечения технологической безопасности зданий

В. В. Панкратов, директор ООО «ВВП»;

Н. В. Шилкин, доцент МАрхИ

В системе автоматизации и диспетчеризации здания комплексная подсистема обеспечения безопасности, в свою очередь, под-разделяется на подсистемы, реализующие отдельные функции. Обычно в системе безопасности здания выделяются следующие четыре подсистемы:

• охранная сигнализация;

• пожарная сигнализация;

• контроль доступа;

• охранное телевидение.

Эти системы могут быть как интегрированными (то есть реализуется единая интегрированная система автоматического управления всем инженерным оборудованием здания), так и обособленными. Например, в нашей стране достаточно часто противопожарная автоматика обосабливается от остальных систем автоматизации и диспетчеризации.

С целью экономии денежных средств инвестора компания, разрабатывающая проект системы автоматизации, зачастую предлагает объединенные подсистемы, например, охранно-пожарные пульты. В этом случае имеются шлейфы, каждый из которых может быть использованы либо как охранный, либо как пожарный. Эти системы можно отнести к классу псевдоадресных. В отличие от адресных систем, в данном случае система является аналоговой, принцип ее действия основан на анализе электрического сопротивления соответствующего датчика. При работе датчика меняется его внутреннее сопротивление, что расценивается как некое событие. Распознавание характера события реализовано следующим образом. Каждый датчик имеет два пороговых значения сопротивления. Если это охранный шлейф, то достаточно одного порога срабатывания (сигнал от любого датчика уже означает некоторое событие, означающее нарушение охранного режима объекта), а пожарный режим вводится при другом пороговом значении сопротивления датчика.

Помимо четырех указанных систем, с точки зрения безопасности объекта могут быть выделены и другие подсистемы. Например, можно говорить об электробезопасности, однако в этом случае, несмотря на то что вопросы контроля и учета электроэнергии очень важны, прямой угрозы безопасности жизни и здоровья людей нет.

Пример обеспечения комплексной безопасности объекта представлен на рис. 1.

Рисунок 1 (подробнее)   Пример обеспечения комплексной безопасности объекта

С точки зрения работы инженерного оборудования и автоматизации инженерных систем в аспекте безопасности имеет смысл рассматривать инженерную безопасность зданий. С точки зрения систем автоматизации эти вопросы могут быть отнесены к вопросам технологической безопасности. Таким образом, помимо четырех указанных выше систем, при предъявлении специфических требований дополнительно реализуется и пятая система – система технологической безопасности.

В настоящей статье будут рассмотрены некоторые аспекты использования системы автоматизации для обеспечения технологической безопасности зданий. Следует отметить, что данная тематика достаточно обширна и раскрыть все вопросы в одной статье не представляется возможным.

Аппаратные средства промышленных и гражданских объектов

Существует две линейки оборудования (аппаратных средств системы автоматизации) – это промышленная автоматика и оборудование, предназначенное для использования в жилых и общественных зданиях (в гражданском строительстве). В некоторых ситуациях эти линейки оборудования могут пересекаться и промышленное оборудование может использоваться на гражданских объектах. Это связано с тем, что в промышленном строительстве к оборудованию предъявляется совокупность гораздо больших специфических требований, связанных с надежностью, с резервированием процессов.

Такое оборудование может, например, выполняться с двойным резервированием источников питания, процессоров. Повышенные требования предъявляются и к скорости передачи данных. Все информационные каналы дублируются, логика работы системы основана на анализе не одного, а нескольких датчиков, при этом, в зависимости от реализации системы, реакция на возмущающее воздействие может быть различной в зависимости от того, получен ли сигнал от одного или нескольких дублированных датчиков, и т. д. Зачастую более жесткие требования предъявляются ко времени реакции системы.

Кроме того, оборудование для промышленной автоматики гораздо более разнообразно по своему составу. В линейку промышленного оборудования входят датчики любых возможных типов. Оборудование может поставляться во взрывобезопасном исполнении, что означает, например, что работа самого датчика не должна являться причиной возникновения угрозы.

Указанные обстоятельства обуславливают более высокую стоимость линейки оборудования промышленной автоматики по сравнению со стоимостью оборудования, предназначенного к использованию на гражданских объектах. Зачастую стоимость оборудования различается значительно. Тем не менее в случае возникновения каких-либо специфических требований к системе автоматизации жилого или общественного здания требуемые функции могут быть реализованы посредством оборудования из промышленной линейки.

Контроль качества воздуха в здании

Важнейшей функцией системы технологической безопасности здания является обеспечение безопасного пребывания людей в здании, в том числе для общественных зданий – на рабочих местах, то есть обеспечение безопасных условий работы. В последнее время, в связи со строительством новых офисных зданий, эта тема получает особую актуальность. Новые деловые центры высокого класса подразумевают автоматизацию, направленную на контроль качества воздуха.

Здесь можно рассмотреть так называемые датчики качества воздуха. Подобные датчики выпускаются разными производителями. Датчики можно разделить на две категории: направленные на контроль загрязненности воздуха, а именно наличия пылевых частиц (например, от ковровых покрытий, бумажная пыль, обычная бытовая пыль), и контролирующие совокупность газовых примесей в воздухе (CO, метан, NOx). Таким образом, для контроля загрязнений в обслуживаемом помещении требуется установить три-четыре различных датчика. Это удорожает системы (поскольку любое периферийное оборудование такого уровня, как правило, активное, требует независимого дополнительного электропитания).

Рисунок 2 (подробнее)   Датчик качества воздуха

Пример датчика качества воздуха приведен на рис. 2. Этот датчик устанавливается в жилой комнате или в офисе и позволяет контролировать содержание табачного дыма, запахов и целого ряда газов в воздухе помещения (монооксида углерода – угарного газа, водорода, аммиака, метана и т. д.). Чувствительность датчика (зависимость уровня выходного сигнала от концентрации различных агентов) приведена на рис. 3. Пример режима работы датчика в помещении объемом 33,6 м³, в котором находятся от одного до трех человек, показан на рис. 4.

Рисунок 3. Чувствительность датчика качества воздуха

Рисунок 4 (подробнее)   Пример режима работы датчика качества воздуха

Ряд систем, направленных на поддержание параметров микроклимата в помещениях, предусматривают регулирование вентиляции в зависимости от концентрации диоксида углерода (углекислого газа, CO₂) в воздухе обслуживаемого помещения.

Такой способ контроля качества воздуха часто применяется и на промышленных предприятиях, в которых технологические процессы связаны с брожением, в частности, в хлебопекарнях, пивоварнях и т. д.

По сигналам от датчиков система вентиляции обеспечивает в помещениях дополнительный (повышенный) воздухообмен для ассимиляции загрязнений. В обычном режиме обеспечивается поддержание воздухообмена в помещении на определенном уровне, при этом приточный воздух подогревается или охлаждается до требуемой температуры. В случае превышения концентрации используется режим так называемого экстренного проветривания – интенсивная подача в помещение наружного воздуха в больших объемах. В этом случае температура приточного воздуха, как правило, не контролируется и о создании комфортных условий речи не идет, поскольку главная задача – максимально быстро снизить концентрацию вредностей до допустимого уровня.

Кроме датчиков, контролирующих наличие загрязнений в воздухе помещений, могут быть использованы датчики, непосредственно контролирующие наличие загрязнений в приточном (наружном) воздухе. Такие датчики имеют специальное исполнение и устанавливаются в приточных системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

Зачастую забор наружного воздуха осуществляется на уровне первого или второго этажа. Это может быть воздухозаборная шахта, находящаяся либо непосредственно на фасаде, либо на небольшом удалении от границ здания. Расположение воздухозаборного устройства на высоте нескольких метров от уровня земли допускает возможность воздействия на системы климатизации – либо из хулиганских побуждений (например, подбрасывание в воздухозаборное устройство кустарной дымовой шашки, распыление слезоточивого газа из баллончика), либо как акт терроризма, угрожающий жизни людей (например, занесение в воздухозаборное устройство патогенных организмов).

Если этот аспект признается значимым, то на притоке кондиционера устанавливается датчик или группа датчиков, позволяющих контролировать качество приточного воздуха. Эти датчики имеют специфическую структуру – в их состав входит собственный насос, посредством которого воздух, качество которого требуется контролировать, пропускается через ряд сенсоров, позволяющих провести анализ химического состава этого воздуха по основным газам. Кроме того, это могут быть и дымовые датчики, анализирующие задымленность приточного воздуха, то есть средства пожарной сигнализации. Ряд моделей подобных датчиков разработан и отечественными производителями, основная область их применения – подземные сооружения, специальные объекты ГО и ЧС, однако возможно использование данных устройств в обычных жилых и общественных зданиях. Кроме того, отечественными производителями предлагаются устройства – мини-газоанализаторы, которые, как правило, представляют собой настенный блок с трубками воздухозабора (воздух для анализа забирается непосредственно из контролируемой точки), позволяющий определить некоторую линейку газов или химических соединений, по концентрации каждого из которых задается пороговое значение. При превышении порогового значения данное устройство выдает соответствующий сигнал, по которому система автоматизации отрабатывает некоторый алгоритм. В данном случае (контроль загрязнений в приточном воздухе) необходимо не допустить загрязнения относительно чистого воздуха внутри помещения некоторыми химическими соединениями, находящимися в наружном воздухе. С этой целью прекращается забор наружного воздуха, система вентиляции (кондиционирования воздуха) переходит в режим полной рециркуляции. Очень часто такой алгоритм реализован как раз на таких объектах ГО и ЧС, как бомбоубежища (газо-убежища).

Вообще, на таких объектах (различного рода убежищах), возводимых или реконструируемых в нашей стране в последние годы, системы инженерной безопасности реализованы наиболее полно, и их рассмотрение представляет интерес с точки зрения использования подобных технических решений на гражданских объектах высокой значимости или, например, связанных с пребыванием большого количества людей.

Во вновь возводимых убежищах, в отличие от сооружений традиционной конструкции, построенных до 1990-х годов, предъявляются новые требования к условиям комфортного пребывания людей. В связи с этим при проектировании рассматриваются вопросы как теплоснабжения в зимнее время, так и холодоснабжения с целью ассимиляции возможных теплоизбытков. Кроме того, решаются вопросы, связанные с работой системы климатизации в случае превышения пороговых значений вредностей.

Предусматриваются несколько режимов работы: режим нормального функционирования, частичной изоляции, полной изоляции. Предусматривается фильтрация прохода, шлюзование и другие подобные технологии, позволяющие обеспечить заход людей в убежище из загазованной (загрязненной или зараженной) зоны.

Для очистки приточного воздуха используются специальные фильтры, рассчитанные на определенные виды загрязнений. Поскольку не существует (по крайней мере, в настоящее время) некоторого «универсального» фильтра, рассчитанного на все возможные виды загрязнений, то используется не один приточный воздуховод, а несколько, каждый из которых оборудован определенными фильтрами. В зависимости от того, какая угроза исходит извне, забор наружного воздуха для притока осуществляется посредством одного из этих воздуховодов. В режиме нормального функционирования, когда нет загрязнения наружного воздуха, воздух для притока подается через штатный воздуховод; при угрозе химической атаки штатный воздуховод герметизируется, а забор наружного воздуха осуществляется через другой воздуховод, оборудованный средствами химической очистки. Таким способом реализуется работа системы климатизации в режиме частичной изоляции, то есть в режиме «наружного загрязнения», но при условии, что концентрация кислорода и загрязняющих агентов в наружном воздухе допускает возможность его использования для дыхания людей после соответствующей очистки (локальное снижение концентрации кислорода в атмосферном воздухе может иметь место, например, в случае крупного пожара). Если же концентрация кислорода недостаточна для дыхания людей, концентрация загрязняющих агентов не позволяет провести их нормальную очистку имеющимися фильтрами либо комбинация имеющихся фильтров не рассчитана на конкретный вид загрязняющего агента, то система переходит в режим полной изоляции. В этом случае всякий забор наружного воздуха полностью прекращается, приточные устройства герметизируются и в здании или сооружении реализуется работа системы климатизации в режиме полной рециркуляции либо даже использования аварийных запасов воздуха. Аспекты работы системы климатизации в режиме полной рециркуляции подробно описывались в нашем журнале в статье Б. Бронсемы «Экологические катастрофы и биологическое оружие – могут ли здания защитить нас от загрязнений, переносимых по воздуху?» («АВОК», 2005, № 4, с. 22–31). Последний режим, в случае если концентрация диоксида углерода (углекислого газа, CO₂) от дыхания людей превышает ПДК (предельно допустимую концентрацию), а концентрация кислорода, наоборот, падает ниже критического уровня, задействует резервные химические генераторы кислорода, посредством которых данная концентрация искусственно повышается.

Описанная технология обеспечения качества микроклимата в помещении при экстраординарных воздействиях в настоящее время используется на объектах гражданской обороны, а в гражданском строительстве применяется относительно редко; тем не менее никаких технических препятствий для ее реализации в общественных или жилых зданиях, в которых возможно устройство центральной механической приточно-вытяжной вентиляции, нет.

В одном из следующих номеров журнала «АВОК» особенности реализации данной схемы будут рассмотрены более подробно.

Использование видеоинформации для оценки аварийной ситуации

В последнее время в качестве технического задания некоторые крупные заказчики для объектов, состоящих из комплекса различных зданий, имеющих разветвленную сеть венткамер, тепловых пунктов, объединенных в одну систему и т. п., начинают рассматривать возможности интегрирования видеоканалов передачи информации. Идеология построения такой системы следующая: в помещениях, в которых реализуются крупные технологические процессы и сосредоточено большое количество различного оборудования (в ИТП, ЦТП, венткамерах), располагаются видеокамеры. В данном случае предъявляемые к видеооборудованию требования по качеству изображения не очень высоки, соответственно, и стоимость такой системы не очень большая – организация одного видеоканала может составлять несколько сотен долларов США. Даже при необходимости контролировать несколько десятков помещений заказчики часто идут на такие затраты, поскольку возможность получения видеоизображения с контролируемого объекта позволяет создать полноценный диспетчерский пункт – то есть не только контролировать параметры работы оборудования, но и визуально оценивать ситуацию в контролируемом помещении.

В случае возникновения какой-либо нештатной ситуации видеокамера дает возможность из центральной диспетчерской увидеть, что происходит в помещении, откуда поступил аварийный сигнал. Это позволяет оценить, с чем связана данная аварийная ситуация. Так, например, аварийный сигнал от датчиков наличия воды в помещении (датчиков затопления) сам по себе еще не означает наличие факта аварии – вода в нижней части технического помещения может быть и в штатном порядке, например, при проведении каких-либо работ – слива, дренажей, обслуживания систем и т. п. Однако, если при этом видеоизображение показывает в помещении наличие большого количества пара, это с большой долей вероятности означает, что произошла авария.

Учитывая современные технологические возможности обработки видеосигнала, возможно использование тех же самых видеокамер и для охраны объекта, например, с помощью функции «motion detection» («обнаружение движения»). Использование подобных возможностей позволяет, помимо защиты от проникновения в охраняемую зону извне, упорядочить доступ на объекты обслуживающего персонала.

В случае совместного использования оборудования различными подсистемами все возможности интегрированных систем управления проявляются наиболее полно. Так, в числе прочего, интеграция различных подсистем позволяет в конечном итоге снизить общую стоимость системы автоматизации и диспетчеризации. Интегрированные системы позволяют реализовать различные функции на программном уровне, то есть имеется единая база данных, а необходимые функции реализуются путем добавления соответствующих подпрограмм (в рассматриваемом случае – отдельных видеоинтерфейсов) в единый программный пакет.

В настоящее время основным средством передачи информации является Ethernet в том или ином проявлении (в виде того или иного протокола), что позволяет очень легко реализовывать рассматриваемые возможности.

Безопасность технологического оборудования квартиры в «режиме отсутствия людей»

Еще один аспект безопасности, реализуемый на «бытовом» уровне, – это безопасность технологического оборудования отдельной квартиры либо одноквартирного дома (коттеджа) в так называемом «режиме отсутствия людей». Здесь, в свою очередь, можно рассматривать два аспекта: использование газового оборудования в коттеджном строительстве и второй аспект, более популярный – протечки воды.

При использовании в жилых зданиях газового оборудования (например, при газовом теплоснабжении жилого здания) возможна установка датчиков природного газа. Фрагмент функциональной схемы, реализующей данные функции в коттедже, приведен на рис. 5. Система автоматизации обеспечивает контроль температуры воды до и после котла и контроль утечки природного газа из газопровода. Щит автоматики расположен в коттедже в техническом помещении. На схеме датчик температуры обозначен как ТЕ, а детектор загазованности – как GS.

Рисунок 5 (подробнее)   Реализация функции контроля утечки природного газа и температуры воды

Технологическая безопасность в случае каких-либо протечек направлена на предотвращение или, по меньшей мере, минимизацию ущерба, вызванного данной протечкой. В настоящее время такие требования достаточно часто предъявляются к жилым зданиям высокого класса.

Защита от протечек обеспечивается посредством датчиков простейшей конструкции, принцип действия которых основан на явлении электропроводности воды. Данные датчики поставляются целым рядом производителей, как отечественных, так и зарубежных. Датчики затопления – это, как правило, датчики контактного типа, приклеиваемые на пол квартиры в удаленном месте в низшей точке, около трапов и тому подобных местах, где возможно появление воды. Фактически такой датчик представляет собой два электрода, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (рис. 6). При контакте с водой между этими электродами замыкается электрическая цепь и датчик выдает аварийный сигнал. Данный аварийный сигнал через релейную цепь может быть ретранслирован на соленоидные клапаны, посредством которых прекращается доступ воды в данные магистрали, либо он через системы более высокого уровня инициирует работу инженерного оборудования под управлением системы автоматизации и диспетчеризации в соответствии с некоторым алгоритмом, соответствующим аварийной ситуации.

Рисунок 6. Принцип работы датчика затопления

Защита светопрозрачных ограждающих конструкций от выпадения конденсата

Данная проблема в настоящее время характерна для всякого рода стеклянных покрытий, например, в зимних садах. Теплозащитные характеристики светопрозрачных ограждающих конструкций, как правило, ниже теплозащитных характеристик стен. С другой стороны, в помещениях со стеклянными кровлями, рассчитанных на длительное пребывание большого количества людей (например, в выставочных залах), водяной пар, выделяемый при дыхании, может привести к переувлажнению воздуха в верхней части помещения и, соответственно, к выпадению конденсата на относительно холодной внутренней поверхности стеклянного покрытия, который, в свою очередь, может выпадать в помещении в виде дождя. Данная ситуация однозначно трактуется как аварийная.

Кроме того, проблема предупреждения выпадения конденсата возникает и при использовании для климатизации помещения охлаждающих поверхностей, например, охлаждающих потолков. Соответственно, достаточно актуальная задача – расчет точки росы. Эту величину можно получить, если известна температура и влажность воздуха в рассматриваемой точке. Однако в настоящее время данные операции – замер температуры и влажности воздуха и расчет по этим значениям температуры точки росы – может выполняться посредством одного специализированного датчика. Этот датчик относительно небольшого размера (его масса составляет 120 г) устанавливается на контролируемую плоскую либо цилиндрическую поверхность (трубу) таким образом, чтобы с данной поверхностью у датчика был хороший тепловой контакт. Датчик может работать в диапазоне температур от –10 до 70 °С. При относительной влажности воздуха ниже 90 % контакты датчика находятся в разомкнутом состоянии. Если же относительная влажность воздуха превышает 90 %, то данная ситуация интерпретируется как угроза выпадения конденсата, контакты датчика замыкаются и сигнал поступает в некоторое управляющее устройство, которое, не дожидаясь возникновения критической ситуации, инициирует выполнение некоторого алгоритма, позволяющего предупредить данную критическую ситуацию.

Например, в подобной ситуации могут быть использован обогрев внутренней поверхности светопрозрачных ограждающих конструкций конвективными настилающими струями посредством воздухораспределительных устройств с изменяемой геометрией диффузоров. Пример реализации такой схемы показан на рис. 7. Другой вариант предупреждения образования конденсата на внутренней поверхности светопрозрачных ограждающих конструкций – их непосредственный электрообогрев. Данная схема, однако, очень затратна в плане потребления электрической энергии, кроме того, возможен дефицит располагаемой электрической мощности.

Рисунок 7 (подробнее)   Схема защиты светопрозрачного покрытия от выпадения конденсата посредством воздухораспределительных устройств с изменяемой геометрией диффузоров по показаниям датчика точки росы

Контроль теплопоступлений с солнечной радиацией

Еще один важный аспект, непосредственно не относящийся к обеспечению технологической безопасности, но влияющий на устойчивую работу системы климатизации, – это контроль теплопоступлений с солнечной радиацией. Особенно остро эта проблема встала при проектировании высотных зданий со сплошным остеклением. Здания подобной конструкции чрезвычайно подвержены перегреву в летнее время. С другой стороны, в зимнее время теплопоступления с солнечной радиацией время позволяют снизить нагрузку на систему отопления. Для оценки величины этих теплопоступлений были разработаны специализированные датчики – так называемые «солнечные» («solar sensor»). Этот датчик выдает выходной сигнал от 0 до 10 В, величина которого меняется в зависимости от интенсивности солнечной радиации (не уровня освещенности, а именно величины теплопоступлений) с учетом поправки на температуру окружающего воздуха. В зависимости от зафиксированного значения может быть принято решение об использовании, например, автоматических штор-жалюзи либо об изменении режима работы холодильного оборудования и т. д.

 

Тел. (495) 385-82-72