Nowy model zasilania elektronicznych systemów bezpieczeństwa umożliwi zaprojektowanie inteligentnych budynków odpornych na wyładowania atmosferyczne. To wynik współpracy naukowców Wojskowej Akademii Technicznej, Politechniki Warszawskiej i Instytutu Kolejnictwa. Badania zostały opisane w czasopiśmie „Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability”.
Wykorzystanie procesu integracji różnych elektronicznych systemów użytkowanych w obiektach budowlanych związanych z codziennym funkcjonowaniem – m.in. ogrzewaniem, klimatyzacją, oświetleniem czy zapewnieniem bezpieczeństwa to już obecnie nasza codzienność. Systemy automatyki budynkowej BMS (ang. Building Management System) umożliwiają racjonalne monitorowanie oraz zarządzanie wszystkimi elementami, urządzeniami i obiektami technicznymi, które znajdują się w danym budynku, obiekcie czy na rozległym terenie. Umiejętne i efektywne wykorzystanie tych systemów elektronicznych i urządzeń w ciągle zmieniającym się środowisku zewnętrznym i wewnętrznym umożliwia przekształcenie zarządzanego budynku w obiekt typu Smart House.
Integracja różnych niezależnych systemów elektrycznych, energetycznych, automatyki czy elektroniki w jeden wspólny system sterowania budynkiem – to BCS (ang. Building Control System). Instalację elektryczną wewnętrzną budynków i istniejące magistrale transmisyjne można wtedy przyporządkować odpowiednio do trzech różnych systemów:
- system automatyzacji budynku (BAS) jest odpowiedzialny za zarządzanie funkcjami technicznymi obiektu, takimi jak ogrzewanie, oświetlenie, klimatyzacja;
- system zarządzania bezpieczeństwem SMS (ang. Security Management System) odpowiada za elektroniczne systemy bezpieczeństwa (nadzoru – ESN). To m.in. system sygnalizacji pożarowej (SSP), system sygnalizacji włamania i napadu (SSWiN), system telewizji dozorowej (CCTV), system kontroli dostępu (SKD) czy dźwiękowy system ostrzegawczy (DSO). Ich zadaniem jest zapewnienie odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa w budynku oraz ciągły nadzór i monitorowanie występujących zagrożeń zewnętrznych i wewnętrznych;
- system zarządzania energią EMS (ang. Energy Management System) nadzoruje zużycie energii elektrycznej oraz innych mediów zasilających budynek (magistrala gazowa, wodna i kanalizacyjna). To przyszłość rozwiązań technicznych już obecnie wykorzystywanych w budynkach, ale i realne zagrożenia związane z szyfrowaniem, przesyłaniem danych w sieci przewodowej i bezprzewodowej, ale także wykorzystaniem danych.
Badania nad zakłóceniami naturalnymi
„W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability” przedstawiliśmy podstawowe zagadnienia związane z niezawodnością zasilania elektronicznych urządzeń bezpieczeństwa funkcjonujących w inteligentnych budynkach. Systemy te zawsze funkcjonują w zróżnicowanych warunkach środowiskowych i są narażone na zewnętrzne lub wewnętrzne zakłócenia, zarówno naturalne, jak i sztuczne. Przeprowadziliśmy rzeczywiste badania eksperymentalne dwóch różnych ograniczników przepięć, które służą do ochrony przed udarem impulsu wyładowania atmosferycznego. Przeprowadzone badania, a następnie modelowanie niezawodnościowe umożliwiło organizację odpowiedniej struktury technicznej zabezpieczenia przed oddziaływaniem destrukcyjnym” – mówi prof. dr hab. inż. Jacek Paś z Wydziału Elektroniki WAT.
Zastosowanie w wewnętrznych strukturach połączeń systemów bezpieczeństwa zwiększa prawdopodobieństwo funkcjonowania obiektu technicznego w stanie pełnej sprawności. Badania opisane w artykule umożliwiły także opracowanie nowej metody oceny ciągłości zasilania w elektronicznych systemach bezpieczeństwa dla inteligentnych budynków, uwzględniającej zewnętrzne i wewnętrzne zakłócenia naturalne. Można ją również zastosować do oceny ciągłości zasilania także w innych układach, systemach i urządzeniach elektronicznych.
„Funkcjonowanie elektronicznych systemów bezpieczeństwa realizujących proces wykrywania zagrożeń zewnętrznych czy wewnętrznych jest w inteligentnych budynkach niezwykle ważne. Proces alarmowania miejscowego i zdalnego oraz rozgłaszania tych komunikatów w nadzorowanym obiekcie byłby niemożliwy w przypadku wystąpienia braku zasilania energetycznego. Dlatego niezawodność zawsze w połączeniu z jakością parametrów technicznych zasilania decyduje o realizacji wszystkich założonych funkcjonalności elektronicznych systemów bezpieczeństwa w założonym czasie – dozorowania i alarmowania” – wyjaśnia prof. Jacek Paś.
Ciągłość zasilania dla elektronicznych systemów bezpieczeństwa jest realizowana poprzez wykorzystanie wszystkich dostępnych środków technicznych i organizacyjnych. W elektronicznych systemach bezpieczeństwa to wykorzystanie dodatkowej, niezależnej linii elektroenergetycznej, agregatu prądotwórczego czy posiadanie na wyposażeniu własnej baterii akumulatorów o określonej pojemności uzależnionej od klasy systemu (I – IV). Pojemność baterii akumulatorów dla tych systemów jest zawsze wyznaczana poprzez opracowanie bilansu energetycznego uwzględniającego czasy dozorowania i alarmowania.
Model elektronicznego systemu bezpieczeństwa
W opracowaniu nowego podejścia do procesu eksploatacji elektronicznych systemów bezpieczeństwa zostały uwzględnione zakłócenia elektromagnetyczne z zakresu małych częstotliwości. Mogą się one propagować w liniach zasilających, ale także w magistralach i pętlach dozorowych tych systemów powodując wystąpienie uszkodzeń, dla elementów, modułów, czujek i central alarmowych. Szczególnie gdy odporność, wytrzymałość i podatność elektromagnetyczna tych urządzeń jest mniejsza niż amplitudy sygnałów zakłócających z całego zakresu częstotliwości. Może to prowadzić do sytuacji, w której część lub całość obiektu technicznego (w tym systemu elektronicznego) będzie pozbawiona zasilania.
„Zaproponowaliśmy uwzględnienie i wykorzystanie współczynnika oddziaływania zakłóceń elektromagnetycznych z zakresu małych częstotliwości w procesie eksploatacji elektronicznych systemów bezpieczeństwa. Zastosowanie takiego podejścia umożliwi określenie niezawodności funkcjonowania obiektów technicznych” – mówi prof. Jacek Paś.
Opracowanie modelu elektronicznego systemu bezpieczeństwa, wyznaczenie wartości intensywności uszkodzeń i odnowy oraz określenie wskaźników procesu oddziaływania zakłóceń na proces eksploatacji tego obiektu technicznego umożliwia odpowiednią organizację zabezpieczenia użytkowania przed zakłóceniami elektromagnetycznymi. Znajomość procesu oddziaływania zakłóceń na elektroniczne systemy bezpieczeństwa oraz wartości niezawodności umożliwia realizację odpowiedniej struktury funkcjonalnej tego obiektu, już w czasie procesu projektowania. Wystąpienie i propagacja zakłóceń w systemach elektronicznych w przypadku dużych amplitud tych sygnałów oznacza uszkodzenia elementów, modułów czy centrali alarmowej – to wymierne szkody ekonomiczne, ale także utrata bezpieczeństwa w obiektach lub na rozległym terenie transportowym. Niezdatność systemu bezpieczeństwa, szczególnie pożarowego w obiektach transportowych może doprowadzić do zatrzymania procesu ruchu kolejowego czy lotniczego.
Współpraca naukowa
W badaniach dotyczących niezawodności funkcjonowania Elektronicznych Systemów Bezpieczeństwa i oddziaływania zakłóceń na proces eksploatacji tych obiektów technicznych brał udział zespół pracowników z różnych uczelni i instytutów badawczych z Polski.
„W Instytucie Kolejnictwa, w Zakładzie Sterowania Ruchem i Teleinformatyki – Laboratorium Automatyki i Telekomunikacji zostały przeprowadzone badania oddziaływania zakłóceń przewodzonych na elementy stosowane w zabezpieczeniach linii transmisyjnych i pętli dozorowych w systemach bezpieczeństwa. W tym przypadku, ograniczniki przepięć stosowane są m.in. w celu ochrony elektronicznych systemów zabezpieczeń przed wpływem zewnętrznych zakłóceń naturalnych. Wybrane ograniczniki zostały poddane badaniom odporności na przepięcia elektryczne, które mogą wystąpić w przemysłowych liniach energetycznych zasilających, ale także w magistralach i pętlach transmisyjnych związanych bezpośrednio z systemami bezpieczeństwa” – tłumaczy naukowiec.
Symulacja komputerowa dla opracowanego modelu procesu eksploatacji systemu bezpieczeństwa została przeprowadzona na Wydziale Transportu Politechniki Warszawskiej w Zakładzie Inżynierii Transportu Lotniczego i Teleinformatyki. Dotychczasowa współpraca będzie dalej rozwijana. W pierwszej kolejności przeprowadzone zostaną badania nad oddziaływaniem zakłóceń elektromagnetycznych na systemy elektroniczne. W 2023 r. zostały przeprowadzone badania środowiskowe kompatybilności elektromagnetycznej taboru kolejowego w Ośrodku Eksploatacji Toru Doświadczalnego Instytutu Kolejnictwa w Bychowie k. Żmigrodu w ramach realizacji trzymiesięcznej praktyki realizowanej w Zakładzie Sterowania Ruchem i Teleinformatyki.
„Inne badania naukowe dotyczące procesu eksploatacji Systemów Sygnalizacji Pożarowej zostaną przeprowadzone w Akademii Pożarniczej (AP), która posiada komory spalania do badania sensorów (czujek) wykrywających wielkości charakterystyczne pożaru. Wydział Elektroniki WAT posiada podpisaną umowę o wzajemnej naukowej i dydaktycznej współpracy z tą uczelnią. W ramach zajęć ze specjalności Inżynieria Systemów Bezpieczeństwa poprowadzimy w AP praktyczne zajęcia laboratoryjne” – mówi prof. Jacek Paś.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability” w artykule pod tytułem: „Method for Assessing Reliability of the Power Supply System for Electronic Security Systems of Intelligent Buildings Taking Into Account External Natural Interference”. Autorami artykułu są prof. dr hab. inż. Jacek Paś z WAT, prof. dr hab. inż. Adam Rosiński z Politechniki Warszawskiej oraz mgr inż. Kamil Białek i mgr inż. Patryk Wetoszka z Instytutu Kolejnictwa.
Artykuł otrzymał 200 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 2.5.
Marcin Wrzos
fot. archiwum własne
