Проектная оценка надежности периферийного оборудования системы пожарной сигнализации

Одним из основных критериев эффективности работы системы пожарной сигнализации является надежность, т. е. свойство системы сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации. Надежность системы пожарной сигнализации определяется надежностью функциональных компонентов и общего программного обеспечения.

Система пожарной сигнализации состоит из следующих функциональных компонентов:

• — групповые приборы;
• — мультиплексоры;
• — центральные приборы;
• — выносные пульты управления;
• — центральный блок;
• — программное обеспечение.

Примем, что программное обеспечение работает без отказа, что гарантируется соответствующим экранированием аппаратных средств системы и обеспечением бесперебойной работы источника питания.

Основными качественными показателями надежности являются вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и средняя наработка до отказа.

Вероятность безотказной работы P(t) представляет собой вероятность того, что в пределах указанного периода времени t, отказ системы не возникнет. Этот показатель определяется отношением числа элементов системы, безотказно проработавших до момента времени t к общему числу элементов, работоспособных в начальный момент.

Интенсивность отказов л (t) — это число отказов элементов системы в единицу времени, отнесенное к среднему числу элементов, работоспособных в конце заданного промежутка времени.

Будем считать, что интенсивность отказов постоянна. Тогда время безотказной работы распределено по экспоненциальному закону.

где л — интенсивность отказов.

Среднее время безотказной работы при экспоненциальном законе распределения интервала безотказной работы выражается формулой.

. (1.15).

Заменив в выражении (1.14) величину л величиной 1 / Т₁, получим.

. (1.16).

Таким образом, зная среднее время безотказной работы Т₁ (или интенсивность отказов л), можно в случае экспоненциального распределения найти вероятность безотказной работы для интервала времени от момента включения объекта до любого заданного момента t.

Формулы (1.15) и (1.16) позволяют выполнить расчет надежности СПС, если известны исходные данные — состав системы, режим и условия ее работы, интенсивности отказов его компонентов. Расчет надежности СПС будем проводить с помощью коэффициентного метода. В соответствии с коэффициентным методом эксплуатационная интенсивность отказов устройства определяется через эксплуатационные интенсивности отказов i-х элементов как.

(1.11).

где N — число элементов, входящих в устройство.

В свою очередь, эксплуатационная интенсивность отказов i-го элемента определяется на основании выражения.

(1.18).

где — исходная (базовая) интенсивность отказов i-го элемента; — коэффициент режима работы данного элемента, зависящий от коэффициента нагрузки и (или) температуры окружающей среды; — коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов; M — число учитываемых факторов.

В п. 1.1 изложены основные требования Морского Регистра к судовой аппаратуре. С использованием этих данных на основании таблиц, приведенных в работе определим эксплуатационную интенсивность отказов структурных элементов разрабатываемой системы пожарной сигнализации. Отметим, что выносные пульты управления по основным функциям дублируют центральный блок, поэтому вероятности безотказной работы выносных пультов управления и центрального блока можно считать одинаковыми. Отказы внешних устройств, таких как: клавиатура, индикатор, внешние запоминающие устройства, служащие для хранения информации об изменениях температуры во время эксплуатации СПС, подключенных к микропроцессорам, не повлияют на правильность обнаружения пожара и принятие решение о выдаче звукового сигнала. Следовательно, можно считать, что все структурные элементы состоят из одной интегральной микросхемы микроконтроллера, выполненного по КМОП-технологии, имеющего пластмассовый корпус; одного кварцевого резонатора, одного резистора постоянного металлодиэлектрического и одного конденсатора керамического, работающего с напряжением до 1600 В.

Для всех перечисленных элементов, входящих в структурные элементы СПС, определим коэффициент, учитывающий условия эксплуатации.

(1.19).

где — коэффициент, учитывающий условия применения; — коэффициент, учитывающий влияние влажности; — коэффициент, учитывающий атмосферное давление.

В соответствии с [11].

, .

С учетом выражения (1.19) получаем.

.

Эксплуатационная интенсивность отказов интегральной микросхемы микропроцессора определяется как [11].

(1.20).

где — базовая интенсивность отказов интегральной микросхемы; — коэффициент режима, учитывающий сложность интегральной микросхемы и температуру окружающей среды; — коэффициент, учитывающий влияние материала корпуса; — коэффициент, учитывающий влияние максимального значения напряжения.

Для выбранного типа интегральной микросхемы из таблиц [11] находим, что для полупроводниковых цифровых интегральных микросхем.

1/ч.

Для интегральных микросхем с числом элементов 10 000…50 000, работающих при температуре +45°С.

.

Для микросхем с пластмассовыми корпусами.

.

Для микросхем, выполненных по КМОП-технологии и напряжением источника питания до 10 В.

.

Подставим найденные коэффициенты в форму (1.20) и вычислим эксплуатационную интенсивность отказов интегральной микросхемы микропроцессора.

1/ч.

Эксплуатационная интенсивность отказов кварцевого резонатора определяется следующим образом.

(1.21).

где — базовая интенсивность отказов кварцевого резонатора; — коэффициент режима, учитывающий влияние температуры.

получаем.

1/ч.

При температуре +45°С.

.

Подставим найденные коэффициенты в выражение (1.21) и вычислим эксплуатационную интенсивность отказов кварцевого резонатора.

1/ч.

Эксплуатационная интенсивность отказов постоянного металлодиэлектрического резистора определяется как.

(1.22).

где — базовая интенсивность отказов резистора; — коэффициент режима, зависящий от электрической нагрузки и температуры окружающей среды; — коэффициент, учитывающий номинальное сопротивление резистора; — коэффициент, учитывающий номинальную мощность; — коэффициент, учитывающий значение допуска номинального значения. Определяем.

1/ч.

Будем считать, что мощность, выделяемая на резисторе в 10 раз меньше номинальной, тогда при температуре окружающей среды +45°С.

.

Для резисторов номиналом (1…100) кОм.

.

При использовании резисторов, рассчитанных на номинальную мощность (0,062…0,5) Вт.

.

Будем использовать резисторы с допуском номинального значения 1%, тогда.

.

Подставим найденные коэффициенты в выражение (1.23) и вычислим эксплуатационную интенсивность отказов резистора.

1/ч.

Эксплуатационная интенсивность отказов керамического конденсатора определяется согласно выражению.

(1.24).

где — базовая интенсивность отказов конденсатора; — коэффициент режима, зависящий от электрической нагрузки и температуры; — коэффициент, учитывающий номинальную емкость.

определим.

1/ч.

Для температуры окружающей среды +45°С.

.

Будем считать, что напряжение на конденсаторе в 10 раз меньше номинального, тогда при температуре окружающей среды +45°С.

.

Подставим найденные коэффициенты в выражение (1.24) и вычислим эксплуатационную интенсивность отказов конденсатора.

1/ч.

Определяем эксплуатационную интенсивность отказов структурного элемента СПС.

Составим поэлементную расчетную схему системы пожарной сигнализации, определяющую соединение элементов при выполнении ими заданной функции. Вспомогательные элементы, которые используются при выполнении функции СПС, учитывать не будем. При составлении указанной схемы учтем, что доступ к каждой группе датчиков со стороны центральных блоков может быть осуществлен по трем различным путям. Так, получить информацию от датчиков Д можно по цепям: центральный блок — контроллер № 1 — Д; центральный блок — контроллер № 2 — Д; центральный блок — контроллер № 3 — Д. Поэлементная расчетная схема системы пожарной сигнализации показана на рисунке 1.6. Как видно из рисунка 1.6 центральный блок и выносные пульты управления включены параллельно, следовательно, закон распределения интервала безотказной работы данного участка расчетной схемы описывается выражением.

.

Рисунок 1.6- Поэлементная расчетная схема системы пожарной сигнализации.

где — законы распределения интервала безотказной работы одной ветви рассматриваемого участка расчетной схемы. В силу принятых ранее допущений.

(1.25).

Следовательно.

. (1.26).

Аналогично получим закон распределения интервала безотказной работы для участка расчетной схемы, содержащего параллельно соединенные контроллеры № 1, № 2 и № 3.

.(1.21).

На основании равенства (1.25) из выражения (1.21) получаем.

. (1.28).

Закон распределения интервала безотказной работы шлейфа с датчиками Д имеет вид.

.(1.29).

Закон распределения интервала безотказной работы всего рассматриваемого устройства равен.

. (1.30).

Тогда время наработки до отказа рассматриваемого устройства определяется как.

Вероятность безотказной работы устройства в течение 10 000 часов составляет.

.