Elektroniczny system sygnalizacji pożarowej dla wagonów pasażerskich, autobusów szynowych i miejskich

Elektroniczne systemy sygnalizacji pożarowej dla wagonów pasażerskich oraz autobusów szynowych zostały opisane w Zabezpieczeniach w numerach 6(40)/2004 (część 1) oraz 1(41)/2005 (część 2). Przedstawiona koncepcja dotyczyła elektronicznego systemu sygnalizacji pożarowej (SSP) dla wagonów pasażerskich. Podstawowa propozycja powstała w wyniku analizy zagrożeń, jakie istnieją zarówno na trasie jazdy pociągu, jak i w wagonowniach. Autorzy przedstawili ogólną konfigurację Automatycznego Urządzenia Sygnalizacji Pożarowej (AUSP), aby dokonać wyboru SSP do zastosowania w wagonach kolejowych. Przedstawiona została propozycja algorytmu pracy centrali SSP i koncepcja SSP w składzie pociągu. Podano ogólne założenia techniczne dotyczące SSP dla wagonów lub ich składów z uwzględnieniem wymagań i zaleceń specjalnych przepisów i norm. W latach 2008/2009 powstał realny projekt elektronicznego systemu sygnalizacji pożarowej. Po otrzymaniu pozytywnych wyników pomiarowych, wynikających z badań pełnych, w maju 2009 r. rozpoczęto produkcję urządzeń pod nazwą CSP1. Niezmiernie istotnymi danymi są również informacje dotyczące założeń szczegółowych przy projektowaniu systemu sygnalizacji pożarowej dla potrzeb transportowych. Zostały one precyzyjnie opisane w Zabezpieczeniach. Istotne założenia podano w kolejnym rozdziale niniejszego artykułu.

Założenia szczegółowe

Istotne założenia, niezbędne do zaprojektowania SSP dla składów wagonowych, autobusów szynowych oraz autobusów miejskich:

• założenia dotyczące specyfikacji sprzętowej,
• założenia dotyczące detektorów (właściwy dobór czujek),
• założenia dotyczące central i modułów do SSP (terminal typu CSP1T oraz koncentrator czujek typu CSP1C),
• założenia dotyczące instalacji elektrycznej SSP (­przebudowana instalacja wagonowa, instalacja  w autobusie szynowym i w autobusach miejskich),
• założenia dotyczące sposobu adresowania w systemie SSP (informacje z czujek przekazywane do koncentratora i dalej – do terminala CSP1T),
• założenia dotyczące automatycznego systemu gaszącego (przekazywanie informacji o zagrożeniu),
• założenia dotyczące monitorowania (terminal CSP1T).

Założenia dotyczące specyfikacji sprzętowej dla SSP typu CSP1

Ze względu na rozmiary specyfikacji sprzętowej zostaną przytoczone tylko te parametry, w których wprowadzono pewne uzupełnienia. Sprzęt wykrywający zagrożenie pożarowe (czujki) powinien spełniać szczególne wymagania pod względem odporności mechanicznej i elektrycznej, co wynika ze specyfiki miejsca, w którym ma być zamontowany system.
Podstawowymi zagrożeniami dla systemów sygnalizacji pożaru w środkach transportowych są:

• poziome i pionowe wibracje, które mogą zakłócać pracę systemu, a także powodować szybkie niszczenie się sprzętu,
• zakłócenia elektromagnetyczne (kompatybilność elektromagnetyczna), które mogą wywoływać powstawanie fałszywych alarmów na skutek przepięcia i przebicia (co w przypadku pojazdów transportowych nie powinno nikogo dziwić),
• praca w środowisku o bardzo szerokim przedziale zmian temperatur,
• duża wilgotność (także zmienna), przeciągi,
• fluktuacja napięcia zasilającego (pokładowego) – np. w przypadku wagonów pasażerskich może ono wahać się od 16 V do 33 V przy napięciu znamionowym U_ZN=24 V (problem ten jest trochę lepiej przestrzegany w autobusach miejskich),
• wandalizm – jest to szczególnie ważny problem, ponieważ zniszczenie przez wandali pewnego elementu (np. kradzież czujki) może spowodować niewykrycie pożaru we wczesnej fazie, w wyniku czego mogą zginąć ludzie.

Klasyczne systemy sygnalizacji pożarowej są przewidziane do stosowania w budynkach i budowlach. Aby zastosować taki system w wagonowych systemach wykrywania pożaru, należy dostosować go do wymagań stawianych przez kolej oraz władze komunikacji miejskiej.

Do wymogów takich należą między innymi:

• zmiana obudowy czujek w celu łatwiejszego ukrycia ich w strukturze wagonu lub autobusu szynowego i zabezpieczenia ich w ten sposób przed zainteresowaniem się nimi przez osoby niepowołane (rozwiązania przedstawione na rysunkach niniejszego artykułu nie spełniają jeszcze tego warunku),
• montowanie czujek w obudowach i na podstawach absorbujących uderzenia, wstrząsy i wibracje (będące poważnym problemem w ruchomych środkach transportu),
• zastosowanie ekranu w czujkach w celu ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (np. iskrzeniem pochodzącym od trakcji lub przetwornic znajdujących się w wagonie),
• zastosowanie ekranów na wagonowe urządzenia elektryczne w celu wyeliminowania wpływu zakłóceń EM na pracę czujek.

Centrale typu CSP1 i panele sterowania (koncentratory CSP1C) muszą być montowane na elementach absorbujących wstrząsy, a poszczególne moduły należy połączyć ze sobą w sposób trwały, uniemożliwiający przypadkowe rozłączenie (w wagonach montuje się je w specjalnych szafach sterowniczych). Przykład rozwiązania pokazano na rys. 6.

Przeznaczenie centrali sygnalizacji pożarowej typu CSP1

Centrala sygnalizacji pożarowej typu CSP1 jest przeznaczona do sygnalizowania wystąpienia zagrożenia pożarowego w wagonach zespołu trakcyjnego, w wagonach osobowych (szczególnie w wagonach sypialnych z pokładową siecią prądu stałego o napięciu U_ZN=24 V), w innych dowolnych pojazdach szynowych oraz w autobusach komunikacji miejskiej.

Opis centrali sygnalizacji pożarowej typu CSP1

Centrala typu CSP1 składa się z dwóch urządzeń: terminala CSP1T i koncentratora czujek CSP1C. Do jednego terminala można podłączyć maksymalnie 16 koncentratorów czujek, do każdego z koncentratorów można podłączyć do sześciu czujek. 

W przypadku braku napięcia głównego centrala przełącza się na zasilanie rezerwowe z bezobsługowych akumulatorów ołowiowo-żelowych o pojemności 7 Ah / 12 V. Akumulatory są podłączone do aktywnego terminala CSP1T. Układ jest wyposażony w system buforowego ładowania akumulatorów w czasie pracy.

Terminal generuje informację dźwiękową i optyczną o zadziałaniu czujki, wskazując jej numer na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym. Centrala współpracuje z czujkami dymu rozmieszczonymi w wielu punktach pojazdu. Czujki umożliwiają wykrycie dymu pochodzącego ze spalania lub żarzenia się drewna, chemikaliów, tworzyw sztucznych, tkanin itp. w początkowej fazie powstawania pożaru. Ze względu na specyfikę miejsca zainstalowania (narażenia na udary mechaniczne i wibracje, zagrożenie działaniem ludzi) nie stosuje się czujek jonizacyjnych. W zależności od wykonania, do koncentratora CSP1C można przyłączyć czujkę płomienia lub czujkę nadmiarowo-różnicową ciepła. Wyświetlacz LCD i diody LED na panelu czołowym terminala CSP1T informują o pracy centrali i działaniu nadzorowania systemu przeciwpożarowego.

Centrala CSP1 posiada wyjście, z którego sygnał pozwala uruchomić np. rejestrację sygnału z kamery CCTV lub funkcję obserwacji w kamerach obrotowych. Centrala jest przystosowana do pracy w sieci CANOpen.

Przygotowanie SSP do pracy (terminal – koncentrator)

Aby zapewnić poprawną pracę systemu detekcji pożaru, należy ustawić adresy na obrotowym koderze, zarówno na pulpicie terminala centrali, jak i na koncentratorach czujek.

Adresy terminala centrali i koncentratorów są traktowane oddzielnie i mogą się pokrywać – w systemie może istnieć zarówno koncentrator o numerze 7 i terminal o numerze 7, ponieważ są one inaczej rozpoznawane. Wszystkie nieużywane w koncentratorze wejścia czujek („SABOTAŻ”) powinny być zwarte do plusa napięcia ich zasilania, a wejścia („ALARM”) do minusa ich zasilania, by nie powodować niepotrzebnego alarmu.

Obsługa koncentratora typu CSP1C

Koncentrator przedstawiony na rys. 3 nie wymaga żadnych dodatkowych czynności obsługowych.

Informacje dotyczące komunikacji koncentratora z terminalem centrali sygnalizowane są za pośrednictwem diody znajdującej się na obudowie koncentratora. Miganie diody oznacza poprawną pracę procesora.

Stan braku komunikacji z terminalem można odróżnić od stanu normalnej komunikacji w następujący sposób:

• jeśli komunikacja przebiega normalnie, to dioda miga raz na sekundę, świecąc się przez 100 ms,
• jeśli koncentrator nie ma komunikacji z terminalem centrali przez przynajmniej 10 sekund, to dioda zmienia stan w interwale migania wynoszącym jedną sekundę.

Obsługa eksploatacyjna terminala centrali

Na ścianie czołowej terminala centrali (rys. 1 i 2) umieszczono przycisk „ON/OFF”, służący do przełączania urządzenia ze stanu aktywnego w nieaktywny i odwrotnie. Załączenie terminala centrali następuje przez naciśnięcie przycisku „ON/OFF” przez trzy sekundy. Na wyświetlaczu pojawia się napis „CZEKAJ”. Po kilku sekundach napis zmienia się („AKTYWNY”), jednocześnie wyświetlana jest data i godzina, a także zapala się dioda zielona oraz miga żółta, która sygnalizuje komunikację z koncentratorami. Wyłączenie terminala centrali realizuje się przez ponowne naciśnięcie przycisku „ON/OFF” – wyświetla się napis „TAK/NIE” (należy wybrać przyciskami „ ▲▼ ” opcję „TAK” i nacisnąć przycisk „MENU” – na wyświetlaczu pojawi się napis „NIEAKTYWNY”).

Rys. 2. Terminal centrali (wesja aparatowa)

Rys. 3. Koncentrator typu CSP1C, do którego dołączane są czujki dymu lub płomienia

Na rys. 1 przedstawiono terminal centrali w wersji kasetowej.

W stanie aktywnym terminal centrali zasila wewnętrzną magistralę transmisyjną i „pyta” koncentratory o stan czujek alarmowych. „Odpytywane” są zawsze wszystkie adresy od 0 do 15. Przysłanie informacji o wystąpieniu stanu sabotażu lub alarmu w którejkolwiek czujce powoduje automatycznie przejście pulpitu w stan alarmowy, który sygnalizowany jest miganiem czerwonej diody „ALARM” lub A oraz 45- sekundowym sygnałem dźwiękowym. Po upływie tego czasu sygnał akustyczny zanika, lecz czerwona dioda miga do momentu skasowania alarmu¹.

Na rys. 2 przedstawiono terminal centrali w tzw. aparatowej wersji.

Komunikat o rodzaju alarmu jest wyświetlany na wyświetlaczu („ALARM”, „SABOTAŻ”, „BŁĄD ADRESU”) w kolejności: adres (numer) koncentratora, numer czujki lub błąd adresu („POL”).

Kasowanie alarmu następuje po naciśnięciu przycisku „MENU”, wybraniu przyciskami „▲▼” opcji „KASOWANIE ALARMU” i naciśnięciu przycisku „MENU”.

System sygnalizuje trzy możliwe rodzaje alarmu:

• alarm pożarowy,
• alarm sabotażowy,
• alarm informujący o braku komunikacji z modułem określonym  w konfiguracji jako aktywny.

Na ekranie ciekłokrystalicznego wskaźnika każdej przyczynie alarmu przypisany jest jeden wiersz, pierwszy z oznaczeniem „ALM”, drugi – „SAB”, a trzeci – „POL”. W jednym wierszu wyświetlane są adresy koncentratorów, które zgłosiły problem. Jeśli na przykład koncentrator o adresie 7 zgłosił alarm, to w wierszu ALM na pozycji 7 będzie świecić się cyfra 7. Jeśli zgłosił problem z sabotażem, w wierszu SAB na pozycji 7  zaświeci się cyfra 7. W przypadku sabotażu i alarmu jednocześnie świecą się obie cyfry.

Podczas kasowania następuje chwilowe odłączenie napięcia na magistrali, a następnie sprawdzenie, czy wszystkie moduły przestały odpowiadać na zapytania (potwierdzenie wyłączenia napięcia), i ponowne załączenie napięcia na magistrali.

Jeśli odłączenie napięcia na magistrali nie powiodło się, pulpit zgłosi błąd i przejdzie w tryb alarmowy. W przypadku kasowania alarmu dane o alarmie zostaną zapisane w pamięci EEPROM terminala i będzie można je podglądać, wybierając opcję „PRZEGLĄD ZDARZEŃ”.

Rys. 4. Stanowisko do badań SSP: terminal centralki pożarowej typu CSP1TA oraz dwa koncentratory

 

Rys. 5. Uproszczony układ koncentratora typu CSP1C, do którego można dołączyć sześć czujek ppoż.

Na rys. 3 przedstawiono koncentrator typu CSP1C, do którego dołączane są czujki dymu lub płomienia (często z uwzględnieniem czujnika temperatury).

Niezmiernie ważnym i zarazem trudnym problemem jest dobór właściwych czujek dymu i płomienia. Do badań zastosowano (wstępnie) czujki dymu typu OSD 23. Wybór wynikał z dopuszczenia szerokiego zakresu napięcia zasilającego dla tych czujek. W przypadku braku wagonowego zasilania pokładowego, które wynosi U_ZAS= 24 V^{16V do 33V}, badany system przechodzi automatycznie na zasilanie rezerwowe, które wynosi 12 V (akumulator żelowy). Bardzo uproszczony układ takiego mikroprocesorowego koncentratora typu CSP1C przedstawiono na rys. 5. Obwody CAN_WE i CAN_WY są dołączone do terminala centrali. Jest również wyjście do kamer CCTV. Koncentrator posiada sześć wejść czteroprzewodowych dla dołączenia sześciu czujek dymu lub płomieni. Na rys. 5 przedstawiono tylko jeden koncentrator. Maksymalnie może być ich 16, a więc maksymalna liczba czujek ppoż. może wynieść 96. Taka liczba wystarcza do zapewnienia ochrony ppoż. pełnego składu pociągu.

Rys. 7. Widok terminala centrali (szafa sterownicza wagonu)

 

Rys. 8. Przykładowa lokalizacja czujki dymu typu OSD23 w przedziale wagonu pasażerskiego (lokalizacja przejściowa)

 

 

Na rys. 6 przedstawiono koncentrator typu CSP1C zainstalowany w specjalnej szafie sterowniczej w wagonie pasażerskim (w przedsionku wagonu). Warto również nadmienić, że polski producent wagonów musiał dostosować całą instalację kablową do potrzeb zaprojektowanego i wdrożonego systemu ppoż. Podobnie instalacje musi dostosować również producent autobusów miejskich.

Na rys. 7 przedstawiono fotografię terminala centrali, który również został zlokalizowany w szafie sterowniczej wagonu pasażerskiego nowej generacji(w przedsionku). Nieco inaczej rozwiązuje się problem w wagonach bezprzedziałowych.

Na rys. 8 przedstawiono przykład lokalizacji czujki ppoż. zamontowanej w suficie przedziału wagonu pasażerskiego. Jest to lokalizacja przejściowa, podobnie jak typ czujki (OSD23).

Zakończenie i wnioski

Pierwsze uzgodnienia dotyczące budowy centrali przeciwpożarowej (wówczas o nazwie CPP) pochodzą z marca 2004 r. Powstały w Zakładzie Pojazdów Szynowych CNTK (Centrum Naukowo-Techniczne Kolejnictwa). Jak już wspomniano, autorzy sygnalizowali już ten problem w Zabezpieczeniach w 2004 i 2005 r. Były to pierwsze w Polsce próby podjęcia trudnego wyzwania zaprojektowania i budowy systemu ppoż. dla potrzeb transportu szynowego. Bardzo trudne warunki eksploatacyjne systemu wykorzystywanego w transporcie szynowym wymagały dużej wiedzy normatywnej. Należało spełnić wszystkie wymagania dotyczące wyposażeń elektronicznych stosowanych w taborze, badań środowiskowych, wytrzymałości mechanicznej, kompatybilności elektromagnetycznej (w tym: UIC-564-2, UIC-642-2,

UIC-849). Ponadto należało zachować zgodność z zasadami projektowania elektronicznych systemów ppoż., które zostały szczegółowo przedstawione przez Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej (CNBOP). Należało brać pod uwagę również sam przyszły proces eksploatacyjny zarówno taboru szynowego, jak i autobusów miejskich. Powyższe uzgodnienia stały się kanwą do opracowania mikroprocesorowego systemu ppoż. składającego się z terminala centrali pożarowej typu ­CSP1TA (różne wersje) i koncentratorów typu CSP1C. Dodatkową trudnością był dobór czujek pożarowych (dymu i płomienia). Problem czujek jest nadal otwarty ze względu na miejsce ich lokalizacji oraz pracę w warunkach wibracji i drgań. Problemem jest również (niestety) wandalizm, a więc kradzieże lub dewastacja sprzętu. Wyżej opisany elektroniczny system sygnalizacji pożaru wszedł do eksploatacji w składach pociągów ekspresowych, Intercity i w autobusach szynowych w 2009 r. W najbliższej przyszłości pojawi się w autobusach miejskich (z czujkami umieszczonymi również w komorach silnikowych). Wszystkie te działania mają na celu bezpieczeństwo pasażerów oraz ochronę taboru. Po wdrożeniu systemu przeciwpożarowego nadal prowadzone będą badania eksploatacyjno-niezawodnościowe.

Bibliografia

1. Haykin S., Systemy telekomunikacyjne, t. I i II, WKiŁ, Warszawa 2004.
2. Horowitz P., Hill W., Sztuka elektroniki, t. I i II, WKiŁ, Warszawa 2006.
3. Ciszewski J., Podstawowe zasady projektowania systemów sygnalizacji pożarowej, CNBOP, Józefów 2004.
4. Kula S., Systemy teletransmisyjne, WKiŁ, Warszawa 2004.
5. Nawrocki W., Komputerowe systemy pomiarowe, WKiŁ, Warszawa 2006.
6. Norma PN-EN 50155:2007 Zastosowania kolejowe. Wyposażenie elektroniczne stosowane w taborze.
7. Szulc W., Opracowanie koncepcji Elektronicznego Systemu Przeciwpożarowego dla potrzeb nowej generacji wagonów, prace własne, Politechnika Warszawska, Wydział Transportu, Zakład Telekomunikacji w Transporcie, Warszawa 2006.
8. Szulc W., Rosiński A., Problemy eksploatacyjno-niezawodnościowe rozproszonego systemu bezpieczeństwa, Zabezpieczenia nr 1 (47)/2006.
9. Szulc W., Rosiński A., Wybrane zagadnienia z miernictwa i elektroniki dla informatyków (cz. 1 – analogowa), Oficyna Wydawnicza WSM, Warszawa 2008.
10. Szulc W., Koncepcja elektronicznego systemu przeciwpożarowego dla wagonów pasażerskich (cz. 1), Koncepcja elektronicznego systemu przeciwpożarowego dla wagonów pasażerskich i autobusów szynowych (cz. 2) , w: Zabezpieczenia nr 6 (40)/2004 i 1 (41)/2005.
11. Warunki techniczne wykonania i odbioru. Centrala przywoławcza typu CP,  - opracowanie firmy Eltronik, Poznań 2004.
12. Nowak J., Dokumentacja techniczno-ruchowa. Centrala sygnalizacji pożarowej typu CSP1, Poznań 2009.

doc. dr inż. Waldemar Szulc
WSM w Warszawie
Wydział Informatyki Stosowanej
Zakład Bezpieczeństwa Obiektów i Informacji
współpracownik WAT
Wydział Elektroniki

dr inż. Adam Rosiński
WSM w Warszawie
Wydział Informatyki Stosowanej
Zakład Bezpieczeństwa Obiektów i Informacji
Politechnika Warszawska
Wydział Transportu
Zakład Telekomunikacji w Transporcie
współpracownik WAT
Wydział Elektroniki

1. Stan nazwany tu „stanem sabotażu” jest w istocie stanem uszkodzenia i w myśl ­PN-EN-54-1 powinien być sygnalizowany odmiennie niż stan alarmu pożarowego (przyp. red.).

 Zabezpieczenia  6/2009