Установлено, что безопасность эксплуатации электроприборов (ЭП) связана только с некоторой частью отказов, интенсивность которых, во-первых, на два-три порядка ниже средних значений параметрических отказов составляющих их элементов, а во-вторых, во многом обусловлена схемотехническими и конструкторскими решениями [3, 14–16].
Проведенными исследованиями была обоснована взаимосвязь [3,14], необходимость [15, 16] и эффективность [8, 12] совмещения технологических прогонов, испытаний и оценки безопасности ЭП и их надежности, с применением вероятностно-физических моделей [4].
Цель и методы исследований
Предлагаемый подход позволяет использовать все существующие методы и средства оценивания, как параметров качества и надежности (работоспособности, расходования ресурса, долговечности, ремонтопригодности), так и каждого опасного фактора в отдельности: пожарной опасности, взрывоопасности, радиационной опасности, электpоопасности, токсичности, механической и электромагнитной опасности, включая «человеческий фактор», как психофизическую опасность [9, 10], а также сконцентрировать дальнейшие усилия не на статистическом [17], а на их термодинамическом [13, 15, 19] и вероятностно-физическом комплексировании [3, 4, 14].
Таким образом, целью исследования является синтез системы мониторинга техносферной опасности, включая контроль контрафактной продукции с помощью интернета.
Результаты исследования и их обсуждение
Проведенные исследования изделий электронной техники, радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), электротехнического оборудования и электроприборов (ЭП), с применением разработанных вероятностно-физических моделей свидетельствуют о том [3, 4, 8, 12, 14, 16], что при использовании как отечественных, так и импортных электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и рекомендуемых режимов их применения имеет место низкий уровень их надежности и безопасности (табл. 1).
Так, пожарная опасность отечественного персонального компьютера (ПК) СМ-1810.62 в 27,3 раза превысила допустимый уровень вероятности пожара – 10–6, обусловленный государственным стандартом [3]. При этом только клавиатура ПК полностью соответствовала всем требованиям стандартов, принимая во внимание гарантированные техническими условиями (ТУ) параметры надежности: наработку на отказ, долговечность, ремонтопригодность и технический (эксплуатационный) ресурс. Остальные блоки и устройства оказывались опасными уже через несколько десятков часов наработки после своего изготовления, т.к. процессорный блок в 12,1 раза превысил допустимый уровень пожарной безопасности, монитор – в 8,8 раза, а устройство печати – в 6,3 раза (табл. 1).
Таблица 1
Надежность и безопасность ПЭВМ
Аналогичные результаты (табл. 2) были получены при испытаниях литовской мини ЭВМ СМ-1700 и украинской вычислительной техники, а также лабораторного, бытового и промышленного электрооборудования и приборов [1, 3].
Моделирование вариантов повышения надежности и снижения опасности электротехнического и радиоэлектронного оборудования привели к созданию модульных систем термоэлектронной защиты (МСТЭЗ), применение которых (при тех же конструктивных и схемотехнических решениях) поднимает уровень пожарной безопасности изделий более чем в 11 раз (табл. 3), т.к. отключает их от электроэнергии при возникновении пожароопасного отказа, не допуская возникновения загорания, тем самымделая соизмеримыми их эксплуатационный и пожаробезопасный ресурс [1, 4, 8, 12].
Таблица 2
Надежность и безопасность бытовых ЭП и РЭА
Схемотехническая реализация МСТЭЗ (рис. 1) зависит от сложности и блочности конструкции ЭП (количества термозондов с предусилителями, контролирующими тепловые потоки), а исполнительная часть (тиристор или семистор, отключающий от сети) – от мощности ЭП [4, 8, 12].
При установке МСТЭЗ в ЭП помимо решения проблемы их пожарной безопасности, т.е. автоматического отключения от питающей сети при появлении дополнительного пожароопасного тепловыделения, появляются следующие новые возможности, позволяющие повысить качество и надежность, а также снизить себестоимость ЭП [3,4,8].
Во-первых, использование МСТЭЗ для организации сплошного ускоренного технологического прогона ЭП, вместо выборки группы изделий из промышленной партии и их испытаний, для «статистического распространения» параметров качества, надежности и безопасности на всю партию.
Если, как это показано на блок-схеме (рис. 1), предусмотреть в МСТЭЗ порт (ИК, Bluetooth или просто разъем), на который вывести данные позисторов, то появляется возможность по вероятностно-физическим [4] или термодинамическим [13, 15] моделям организовать для каждого ЭП ускоренный технологический прогон с термоэлектроциклированием и тепловой локацией «их внутренностей» (без вскрытия ЭП), что позволяет решить проблему прогнозирования наработки на отказ каждого изделия и его опасности, а также выявлению «ненадежных» ЭРЭ, «проскользнувших» в системе выходного контроля (у производителя ЭРЭ) и входного контроля (у производителя ЭП), что является наикратчайшим путем предупреждения брака, отказов и потерь работоспособности до истечения спрогнозированного ресурса [3, 4, 8, 12, 16].
Рис. 1. Блок-схема МСТЭЗ
Таблица 3
Надежность и безопасность ЭП с термоэлектронной защитой
Во-вторых, использование данных ускоренного технологического прогона, с МСТЭЗ для формирования динамического гарантийного срока работы и ценообразования каждого ЭП вместо одинаковых гарантийных сроков и цен на всю партию.
Вычисление наработки на отказ каждого изделия и его опасности по данным ускоренного технологического прогона с термоэлектроциклированием и внутренней тепловой локацией ЭП с помощью МСТЭЗ, позволяет проставлять в паспорте каждого изделия полученный результат как гарантийный срок работы и изменять его цену в соответствии надежностью и безопасностью каждого ЭП [3,4].
В-третьих, использование данных ежегодной диагностики с МСТЭЗ ЭП.
Техническое и гарантийное обслуживание ЭП с МСТЭЗ превращается в ежегодную диагностику с помощью порта МСТЭЗ, которая уточняет фактическую наработку, чтобы изъять из эксплуатации ЭП в конце срока безопасной эксплуатации, предотвратив, таким образом, его катастрофический отказ (аварию, пожар и т.д.) и возможные социально-экономические потери [3].
Дело в том, что в России в пожарах ежедневно погибает около 60 человек и столько же травмируется, а прямой и косвенный материальный ущерб достигает 500,0 миллионов рублей в день. В том числе в жилом секторе ежедневно происходит 515 пожаров, в которых погибают 27 человек в среднем и столько же травмируется. При этом наибольшая частота возгораний происходит с 22 ч вечера до 6 ч утра, т.е. когда люди спят и не в состоянии быстро среагировать. Именно поэтому в некоторых странах (США, Германия, Польша) в последнее время получили распространение автономные пожарные извещатели (АПИ), предназначенные для применения в жилых помещениях, выдающие при обнаружении признаков пожара прерывистый сигнал тревоги с уровнем звукового давления 85–90 дБ на расстоянии 1 м от извещателя. Статистика свидетельствует, что применение АПИ позволяет сократить число погибших при пожарах в жилом секторе на 45 % [11].
Если учесть, что в России более 60 % пожаров возникает по электротехническим причинам (проводка, электронагревательные приборы, холодильники, телевизоры и т.д.), в которых погибают более 70 % населения, возникает идея совместить АПИ с бытовыми электроприборами, чем, во-первых, повысить его собственную безопасность путем своевременного отключения от сети с помощью МСТЭЗ, если в нем возникает пожароопасный отказ, а во-вторых, превратить его в устройство, обнаруживающее загорание в помещении вне электроприбора, и оповещающее о необходимости эвакуации [1, 3, 11].
Реализация радиоизвещателя пожарной опасности
Технология «интеллектуализации» была отработана на холодильнике «СТИНОЛ-102», который являлся самым «пожароопасным» из всех холодильников, выпускаемых Липецким ЗАО «СТИНОЛ», т.к. содержал два электродвигателя-компрессора (рис. 2), которые обеспечивали работу независимо и одновременно морозильной и холодильной камер.
Рис. 2. Схема электрическая «СТИНОЛ-102»: L – Фаза; N – Нейтраль; ТН1 – терморегулятор холодильной камеры; ТН2 – терморегулятор морозильной камеры; RH1 – тепловое реле компрессора холодильной камеры; RA1 – пусковое реле компрессора холодильной камеры; RH2 – тепловое реле компрессора морозильной камеры; RA2 – пусковое реле компрессора морозильной камеры SL1 – индикаторная лампа холодильной камеры; SL2 – индикаторная лампа морозильной камеры; IL1 – выключатель лампы освещения холодильной камеры; L1 – лампа освещения холодильной камеры; TIM – таймер; TR – тепловое реле электронагревателя испарителя; IMV – выключатель вентилятора; MV – вентилятор; TF – тепловой плавкий предохранитель; CO1 – компрессор холодильной камеры; CO2 – компрессор морозильной камеры; R1 – электронагреватель испарителя; R2 – электронагреватель поддона испарителя
В этом случае алгоритм круглосуточной «охраны кухни» можно представить в виде трех параллельных процессов [3]:
а) процесс нерерывного теплового контроля «пожароопасных зон» самого холодильника и отключение его от сети с помощью семисторов, если температура зоны превысит допустимую, с выдачей звукового аварийного сигнала «пожароопасный отказ»;
б) процесс «прокачки» объема воздуха в кухне через автономный пожарный извещатель с помощью электровентилятора и выдача прерывистого звукового сигнала «опасное задымление» в случае обнаружения «пороговой концентрации» дыма в помещении;
в) 3-кратная верификация в течение 10–15 секунд концентрации дыма и в случае непринятия жильцами мер блокировки сигнала «опасное задымление» отключение холодильника от сети с помощью семисторов и выдача непрерывного звукового сигнала «пожар», а также передача по радиоканалу сообщения на приемно-контрольный прибор в жилом доме или прямо в пожарную часть сигнала «пожар».
Модель «интеллектуализации СТИНОЛ-102» включала установку внутри корпуса холодильника проточного дымового пожарного извещателя с радиоканалом при использовании дополнительной секции электровентилятора, который работает в системе автоматической оттайки (No Frost), и установкой МСТЭЗ в наиболее пожароопасных зонах (рис. 3).
Рис. 3. Эскиз холодильника-радиоизвещателя
Дальнейшее повышение эффективности «интеллектуализации» бытовых электроприборов (телевизоров, электросчетчиков и т.д.), возможно путем расширения функций МСТЭЗ металлооксидными (например, электрохимическими) датчиками на бытовой газ и ультразвуковыми допплеровскими датчиками обнаружения проникновения в помещении при сооветствующей дифференциации сигналов вызова «аварийных служб» (пожарной, газоаварийной и вневедомственной охраны) по радиоканалу [3].
В этом случае «интеллектуализация» превращает бытовые электроприборы, оснащенные микропроцессорами и радиоканалом, в изделия двойного применения, которые помимо основных функций (холодильник, телевизор и т.д.) реализуют функции изделий «пожарно-сторожевого» назначения (пожаро-взрывоизвещателей, датчиков охраны), т.е. «превращаются», таким образом, в радиоизвещатели техносферной опасности и её навигации (РИТОН), т.к. их местоположение легко определяется пассивной локацией радиообъекта.
Модель контроля производителей электроприборов
Контроль производителя ЭП следует осуществить с помощью радиоэлектронной этикетки-лейбла (РЭЛ), представляющей собой устройство, в состав которого входят: генератор кодов с логикой управления, дешифратор, индикатор, таймер, схема питания [18].
Конструктивно «этикетка» может быть выполнена в корпусе с индикатором аналогично наручным электронным часам. Множество электронных этикеток, предназначенных для маркирования одной партии товара после изготовления программируются одинаковым образом. Всё программирование заключается в записи одного кодового слова для 4-знакового индикатора 16-разрядного, для 8-знакового индикатора – 32-разрядного и т.д. Алгоритм смены кодов программируется при изготовлении ЧИПа. При этом на индикаторах электронных этикеток отображается буквенно-цифровой код, например, 5U4F. Каждый разряд индикатора отображает цифры 0, 1, 2, …, 9, и латинские буквы A, C, E, F, U, P.
После программирования все электронные этикетки крепятся несъёмным способом на партию товара (непосредственно на сам товар). Генераторы кодов с заданной периодичностью, например, один раз в сутки, синхронно с выбранным часовым поясом, например в 12.00 по московскому времени производят смену кода. Поскольку синхронизация всех генераторов кодов происходит по единому времени, на всех электронных этикетках происходит одновременная, с учетом погрешности рассинхронизации, смена кодов с одного значения на другое, где бы эти этикетки не находились (рис. 4).
Рис. 4. Структурная схема электронной этикетки
Следовательно, на каждой единице товара из одной партии, где бы он ни находился, на индикаторе электронной этикетки, прикрепленной к этому товару, произойдёт смена значения кода, например, 5U4F на A7P9. Покупатель, приходя в магазин и выбрав товар, может сравнить значение динамического кода с контрольным значением кода, которое изготовитель для каждой партии своего товара для каждой даты, включая дату продажи товара, распространяет через СМИ: радио, телевидение, интернет и т.д. (рис. 5).
Рис. 5. Модель системы реализации электронной защиты товаров
Приобретя товар, потребитель может ежедневно, в течение гарантийного срока идентифицировать свой товар на предмет подлинности его конкретному производителю. Срок службы элемента питания выбирается исходя из гарантийного срока конкретного вида товара, а в электроприборе может рассчитываться с учётом его подзарядки от блока питания ЭП. Разрядность индикатора и точность генератора определяются необходимой степенью защиты. Частоту смены динамического кода можно изменить (через час, через 12 часов, через 2 суток и т.д.).
Использование РЭЛ и её доработка, на предмет фиксации времени работы, числа включений и выключений ЭП, т.е. наработки на отказ и причины отказа, создает принципиально новую информационную среду для автоматизации квалиметрии технических средств в реальном масштабе времени [2, 3].
Модель радиоконтроля наработки и отказов электроприборов
Учитывая, что РЭЛ имеет встроенный таймер, остается добавить в его ЧИП:
- микросхемную реализацию «контроля включения/выключения ЭП» (например, через «триггер подзарядки» элемента питания – рис. 4),
- сумматор и «память» (для хранения времени непрерывной работы, «отдыха» и количества включения и выключений),
- порт ввода-вывода данных (например, ИК или RS 485, для ввода причин отказа в гарантийной или обыкновенной мастерской), включая сопряжение с радиоканалом и выдачей итогового блока данных по запросу [3, 4, 18].
Модель автоматизированной системы квалиметрии электроприборов
Принимая за основу синтеза автоматизированной системы квалиметрии электроприборов (АСКЭП) вышеизложенные модели, методы и средства, АСКЭП можно представить в виде следующей макроструктуры (рис. 6):
- сети автоматизированных комплексов диагностики и испытаний электрорадиоматериалов в испытательных пожарных лабораториях МЧС РФ и в сертификационных центрах Ростехрегулирования, формирующих единую базу данных вектор-функций жизненных циклов электрорадиоматериалов [3, 6, 19];
- сети автоматизированных систем термоэлектропрогона изделий (с использованием термоэлектроциклирования и тепловой локации с помощью МСТЭЗ), реализующих вероятностно-физическую методологию ускоренных испытаний на всех предприятиях любых форм собственности, выпускающих электроприборы [3, 4];
- комплекса нормативных документов в области надежности и пожарной безопасности, регламентирующих методологию и обработку результатов ускоренных испытаний для их последующей диагностики [3, 5];
- «Интернет-доступа» к данным РЭЛ производителей ЭП (для «отслеживания» отказов и статистического анализа надежности), органов надзора (например, пожарного – для контроля за «истечением» пожаробезопасного ресурса и автоматизированного формирования предписаний по выводу ЭП из эксплуатации) и экспертов (аудиторов) систем качества (для подтверждения показателей качества ЭП).
Рис. 6. Модель АСКЭП
Легко видеть, что создание «образов» каждого ЭРЭ и ЭП для диагностики по предлагаемой методологии позволит сформировать количественный подход в их квалиметрии – проблеме количественного измерения качества, т.к. именно минимизация потерь (материальных и моральных) в общественном производстве и потреблении продукции и услуг (в широком смысле) при оптимизации их надежности и безопасности есть максимально достижимое качество, искусственное деление которого на качество продукции как сорт (класс) и на качество как способность удовлетворить общественную потребность уже давно не отвечает достигнутому уровню науки и техники, а вводит только путаницу в менеджмент качества [3, 4].
Модель системы предотвращения и обнаружения происшествий
Принимая вышеизложенные модели, методы и средства за основу синтеза, получим модель (рис. 7) автоматизированной системы предотвращения и обнаружения происшествий (АСПОП) – пожаров, взрывов и несанкционированного доступа в жилые объекты административно-территориальных единиц (АТЕ).
Рис. 7. Модель АСПОП
Очевидна возможность интеграции в АСПОП ещё двух СЖ: энергетиков (при «интеллектуализации электросчетчиков», а затем счетчиков горячей воды и центрального отопления) и коммунальщиков (при «интеллектуализации» счетчиков холодной воды и газа), а также введение её подсистемой в АСУ (рис. 8) «интеллектуальных зданий».
Радиочастотная часть АСПОП может быть построена, например, в стандарте GSM, с использованием имеющихся технологий и оборудования сотовой связи, а единственным дополнительным условием её реализации является необходимость верификации координат объекта, т.е. пассивной локации радиосигнала происшествия и сравнения фактических координат источника радиосигнала с идентификатором и координатами объекта происшествия. Это обусловлено необходимостью защиты от ложных вызовов и преднамеренных воздействий на АСПОП с преступным умыслом.
Рис. 8. Схема «умного дома»
В этом случае появляется возможность не только приёма сигналов «происшествий» от РИТОНов – интеллектуальных ЭП, но и передача на их звуковоспроизводящие модули (пьезомодули сигнализации о пожаре, утечке газа и т.д.) различных «звуковых» предупреждений, например, о пожаре в соседней квартире или доме, об утечке газа в доме и т.д., в т.ч. и сигналов гражданской обороны, что может принципиально изменить всю систему оповещения МЧС России [3, 7].
Выводы
В статье представлена концепция мониторинга техносферной опасности и результаты синтеза моделей, методов и средств автоматизированной макросистемы, которая может реализовать предлагаемую концепцию.
Эффективность реализации предлагаемых моделей, методов и средств квалиметрии, защиты от подделки и диагностики работоспособности и безопасности бытовых электроприборов, обоснована результатами проведенных исследований, а также статистикой пожаров и социально-экономических последствий от них.
Рецензенты:
Панченко Е.М., д.ф.-м.н., профессор, Генеральный директор Группы компаний «Кордон», член коллегии Министерства ИТ и C Ростовской области, г. Ростов-на-Дону;
Колесников А.А., д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ, заведующий кафедрой синергетики и процессов управления Таганрогского технологического института Южного федерального университета, г. Таганрог;
Кирьянов Б.Ф., д.т.н., профессор кафедры прикладной математики и информатики, ФГБОУ ВПО «Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого», г. Великий Новгород.
Работа поступила в редакцию 29.11.2013.