CC BY
38
УДК 004.78: 621.391.82
СКВОЗНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
ШкиндеровМ.С., аспирант Нуриев М.Г., аспирант Гизатуллин З.М., канд. техн. наук, доцент
Казанский национальный исследовательский технический университет им А.Н. Туполева-КАИ (КНИТУ-КАИ) Контакты: gzm_zinnur@mail.ru
В статье применительно к системам контроля и управления предлагается методика сквозного прогнозирования помехоустойчивости при внешних электромагнитных воздействиях. Предложены математические модели для описания воздействия электромагнитных помех. Рассмотрена эффективность воздействия электромагнитных источников на линии связи и электропитания систем контроля и управления. Ключевые слова: система контроля и управления,помехоустойчивость, прогнозирование, математическая модель, методика, электромагнитная помеха.
Введение
Задача обеспечения устойчивости к воздействию внешних электромагнитных помех (помехоустойчивость) возникла одновременно с электроникой и в то время особых трудностей для своего решения не представляла. Трудности появились с увеличением быстродействия, в частности цифровых устройств вычислительной техники (УВТ), усложнением их функций, в частности широким их использованием в системах контроля и управления (СКУ) разными объектами и процессами.
26
Электромагнитные поля и электромагнитные помехи создаются источниками, излучение которых не предусмотрено их функциональным назначением (индустриальные источники) и источниками естественного происхождения (электростатический разряд, молния т.п.) [1; 2; 3]. В отдельную категорию выделяются преднамеренные источники, которые целенаправленно создают электромагнитные поля для нарушения помехоустойчивости УВТ СКУ [3; 4].
Несмотря на множество теоретических и практических работ, направленных на повышение помехоустойчивости УВТ, как основных элементов СКУ, на сегодняшний день экономические потери от воздействия внешних электромагнитных источников помех составляют сотни и даже миллионы долларов. В целом же состояние разработки устройств вычислительной техники показывает [5], что первоначально испытания на помехоустойчивость при воздействии электромагнитных помех проходят менее 25% изделий, т.е. во многих случаях требуется доработка, что влечет дополнительные расходы. Например, по оценкам специалистов затраты на обеспечение помехоустойчивости, при учете данных задач на ранних этапах разработки, составляют не более 2% от стоимости разработки, а стоимость защищенного объекта возрастает не более чем на 3-5% [6; 7] (рис. 1).
Целью данной работы является разработка методики сквозного прогнозирования помехоустойчивости СКУ при внешних электромагнитных воздействиях.
27
Рис. ¡.Эффективность решения задачи помехоустойчивости УВТ на разных этапах разработки и внедрения
Методика сквозного прогнозирования помехоустойчивости
На практике, как правило, СКУ располагаются внутри стационарных сооружений (помещений, зданий и т.п.), а источники электромагнитных воздействий - вне и внутри данных объектов.
28
Поэтому для адекватного прогнозирования помехоустойчивости СКУ необходимо правильно учитывать электромагнитную обстановку внутри указанных объектов. При этом непосредственно функциональные узлы располагаются внутри корпусов УВТ СКУ. Взаимодействие между УВТ преимущественно осуществляются по проводным каналам связи и по линиям электропитания (рис. 2).
Рис. 2. Условная структура СКУ (ОУК - объект управления и контроля; ДК - датчики контроля;ЦУВТ - центральное устройство вычислительной техники; ИМ - исполнительные механизмы; ИП - источник питания)
Необходимо также учитывать все основные механизмы и пути электромагнитного воздействия на СКУ. При этом энергия электромагнитных помех проникает к элементам СКУ по нескольким направлениям. Прежде всего, через так называемую «парадную дверь» - антенну, наличие которой характерно для оборудования связи. Антенная система представляет собой идеальный путь для потока энергии к входу элементов СКУ. Второй путь - «задняя дверь», когда электромагнитное поле генерирует большие переходные токи на электрических проводниках или кабелях, обеспечивающих внутренние и внешние соединения, соединения с источником электропитания или компьютерной сетью СКУ. Электромагнитное поле может проникать в устройства через вентиляцион-
29
ные отверстия, щели между панелями и плохо экранированными внутренними соединениями.
В рамках данной работы предлагается методика сквозного прогнозирования помехоустойчивости СКУ при внешних электромагнитных воздействиях на основе метода электромагнитных топологий [3; 4]. Метод электромагнитных топологий предложен в начале 80-ых годов XX века как формальный подход для анализа и проектирования сложных электронных систем [8].
Предлагаемая методика предполагает выполнение следующих этапов.
1. Анализ параметров потенциальных источников внешних электромагнитных воздействий [1; 2; 3; 4].
2. Разработка электромагнитной топологической модели для сквозного прогнозирования помехоустойчивости СКУ при внешних электромагнитных воздействиях (рис. 3).
2.1. Определение подобластей, где анализ электромагнитной обстановки при внешних электромагнитных воздействиях можно рассчитывать как отдельные задачи (здание, помещение, кузов транспортного средства, корпус УВТ и т.п.).
2.2. Анализ путей проникновения внешних электромагнитных воздействий на разные подобласти задачи (через разные конструкционные элементы стен, через конструкционные отверстия корпуса, элементы металлоконструкций, внешние линии связи, систем заземления, систему электропитания и т.п.).
2.3. Анализ механизмов внешнего электромагнитного воздействия на линии связи (через пространство, кондуктивные воздействия).
2.4. Выявление основных линий связи, наиболее вероятных приемников электромагнитных помех в рамках областей (например, в рамках сооружений - кабельные линии связи СКУ, межблочные линии связи УВТ СКУ; в рамках УВТ - межсоединения печатных плат, межблочные кабели и т.д.).
30
5 (Е/Н)
Рис. 3. Обобщенная электромагнитная топологическая модель воздействия помех на элементы УВТ СКУ
Обозначения в топологической модели: Б(Е/Н)- источник внешнего электромагнитного воздействия; О1 - область источника; О2 - область внутри сооружения или транспортных средств ; О3 -область внутри корпуса УВТ; ФУ - функциональный узел УВТ;
- передаточная функция между источником и антенной СКУ; ^12 - передаточная функция антенны для данного электромагнитного воздействия; 121 - передаточная функция между источником и внешними линиями связи УВТ; 121 - передаточная функция внешней линии связи; 1з1 - передаточная функция между источником и внешними линиями электропитания УВТ; 1з2 - передаточная функ-
31
ция внешней линии электропитания УВТ; 242 - передаточная функция между источником и областью внутри сооружения или транспортных средств; 242- передаточная функция между областью внутри сооружения или транспортных средств и областью внутри корпуса УВТ; 243 - передаточная функция между областью внутри сооружения или транспортных средств и внутренними линиями связи СКУ; 244- передаточная функция между областью внутри сооружения или транспортных средств и внутренними цепями заземления СКУ; 251- передаточная функция между источником и элементами металлоконструкций сооружений или транспортных средств; 252 - передаточная функция между элементами металлоконструкций сооружений или транспортных средств и внутренними линиями связи УВТ; 253 - передаточная функция между элементами металлоконструкций сооружений или транспортных средств и внутренними линиями связи СКУ; 2(- - передаточная функция между источником и внешним цепями заземления СКУ; 2^2 - передаточная функция внешней цепи заземления.
2.5. Выделение функциональных узлов, непосредственных приемниковэлектромагнитных помех в рамках УВТ СКУ.
Для приведенной электромагнитной топологической модели описание передаточной функции 2т для разных механизмов электромагнитного воздействия представляется следующим образом:
2- = 2ц • 2-12; ^2 = 22\ • ^22; 2з = 2з! • 232; 2в = 2в1 • 2Ь2;
24 = 24! • (^42 + ^43 • ^45 + 244 • 2(2 ; ¿5 = ^51 • (752 + ^53 • 245) .
3. Наполнение электромагнитной топологической модели конкретными компонентными математическими моделями для расчета передаточных функция электромагнитных помех 2т при воздействиях внешних электромагнитных полей [3; 4].
4. Математическая формулировка критерия нарушения помехоустойчивости УВТ СКУ. В общем виде критерий нарушения по-
32
мехоустойчивости УВТ СКУ при внешних электромагнитных воздействиях, представляется следующим образом:
ЕМС] =
ЕМС = ЕМС1 + ЕМС2 + - + ЕМС) + - + ЕМСт
0,(Ъ,д^) = 1ппг1к(Ё,Н) > (У1к,М1к)
1, (VI, Д^) = Н) < (^,
, I = 1 п
где ЕМС] - критерий нарушения помехоустойчивости элемента
УВТ при одном механизме воздействия помехи; Е, Н - параметры внешнего электромагнитного поля; - передаточная функция каждой подобласти; к- количество подобластей; п - количество путей электромагнитного воздействия в данной подобласти; (^, Д11) - прогнозные параметры электромагнитной помехи (амплитуда, длительность, временная форма); (Уц^, Д1ц1)- критические параметры электромагнитной помехи.
При этом передаточные функции между источником и приемником электромагнитных помех должны учитывать не только изменения параметров внешних электромагнитных воздействий при их прохождении через экранирующие оболочки, но и ширину спектра электромагнитного импульса, которая обеспечивает эффективность взаимодействия электромагнитного поля с различными линиями связи СКУ. Внешнее широкополосное электромагнитное воздействие на СКУ можно описать передаточной функцией С(у^), которая задаётся как [2]:
в^ш) = ^ыхО'юУ^О'ю),
где Евых(]ш)- спектр выходной функции (напряжения на линии связи СКУ с определённой структурой); Евх(]ш)- частотный спектр внешнего электромагнитного воздействия. Амплитуда влияния максимальна в резонансной области линий связи и электропитания СКУ.
33
Влияние ниже частоты ^ и выше частоты /2уменьшается пропорционально ш. Эффективность воздействия по энергии г]Е для определённого электромагнитного импульса может быть определена как:
„ = г/2 \РвхЦы)\2йш/
Эта величина служит мерой эффективности влияния конкретного широкополосного электромагнитного импульса на линию связи или электропитания СКУ. Верхнюю и нижнюю частоту диапазона можно определить на половине высоты амплитудно-частотной характеристики линий связи или электропитания при воздействии электромагнитных импульсов с электрической составляющей Е, направленной параллельно проводникам.
В таблицах 1 и 2 представлено описание источников внешних электромагнитных помех и приведена оценка их эффективности электромагнитного воздействия для линии связи и электропитания СКУ различной длины.
Табл. 1. Источники электромагнитных помех
№ п/п Тип источника Длительность фронта импульса Длительность импульса по уровню 50% Плотность энергии, Дж/м2
1 Электростатический разряд 1 нс 30 нс 6,910-2
2 «Быстрый» разряд молнии 0,13 мкс 0,65 мкс 1,6
3 «Медленный» разряд молнии 2 мкс 8 мкс 19,6
4 Индустриальный источник 1 4 нс 25 нс 5,4-10-2
5 Индустриальный источник 2 5 нс 200 нс 41,5 • 10-2
6 Преднамеренный широкополосный высокочастотный источник 0,4 нс 2 нс 4,2-10-3
7 Преднамеренный широкополос-ныйнизкочастотный источник 5 мкс 50 мкс 90,1
34
Табл. 2. Эффективность электромагнитных воздействий щ на линии связи, электропитания и заземления СКУ (номер источника соответствуют табл. 1)
№ источника Длина, м
0,1 1 10 100 1000
1 8,1 10-3 0,107 0,232 0,031 3,1- 10"3
2 8,4- 10"8 8,3 ■ 10-5 0,052 0,313 0,047
3 1,7-10-11 1,710"8 1,710"5 0,017 0,346
4 3,9 ■ 10-3 0,162 0,18 0,02 210"3
5 2,810-4 0,017 0,161 0,171 0,019
6 0,277 0,112 0,011 1,210"3 1,1-10"4
7 8,1 ■ 10-13 8,1 -10"10 8,110"' 0,0009 0,105
Анализ показывает, что чем более широкополосные электромагнитные импульсы, тем больше эффективность воздействия на линии связи СКУ небольшой длины. При Ь < 1 м наибольшее влияние имеют преднамеренные широкополосные высокочастотные источники, т.е. данные импульсы оказывают наибольшее влияние по энергии, несмотря на то, что их общая энергия значительно меньше, чем энергия других импульсов. Электростатический разряд и наносекундные индустриальные источники (вариант 1) обладают наибольшей эффективностью воздействия на линии связи СКУ длиной от 1 до 10 м. Более длительные индустриальные источники (вариант 2) и «быстрый» разряд молнии наиболее эффективно воздействуют на линии связи и электропитания СКУ длиной от 10 до 100 м. Эффективность воздействия «медленного» разряда молнии и преднамеренного низкочастотного источника наиболее сильно проявляется для линий связи и электропитания длиной более нескольких сот метров. Таким образом, опасность воздействия конкретного электромагнитного источника определяется не только амплитудой, фронтом импульса и энергией, но и эффективностью его воздействия по энергии и напряжению.
35
Заключение
Таким образом, на основе представленной методики и электромагнитных топологических моделей, которые наполняются компонентными математическими моделями [3; 4] для расчета передаточных функция электромагнитных помех реализуется сквозное прогнозирование помехоустойчивости СКУ при воздействиях внешних электромагнитных полей. При этом передаточные функции между источником и приемником электромагнитных помех должны учитывать не только изменения параметров внешних электромагнитных воздействий при их прохождении через экранирующие оболочки, но и ширину спектра электромагнитных импульсов, которая обеспечивает эффективность взаимодействия электромагнитного поля с различными линиями связи, электропитания и заземления СКУ. По результатам прогнозирования, при необходимости повышения помехоустойчивости УВТ СКУ, можно рекомендовать применение известных [1; 2] или новых решений для снижения помех [9; 10; 11].
Источники
1. Кравченко В.И., Болотов Е.А., Летунова Н.И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. М.: Радио и связь, 1987. 256 с.
2. Балюк Н.В., Кечиев Л.Н., Степанов П.В. Мощный электромагнитный импульс: воздействие на электронные средства и методы защиты. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. 478 с.
3. Гизатуллин З.М. Обеспечение помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри зданий при широкополосных электромагнитных воздействиях: монография. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2012. 254 с.
4. Гизатуллин Р.М., Гизатуллин З.М. Помехоустойчивость и информационная безопасность вычислительной техники при электромагнитных воздействиях по сети электропитания: монография. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2014. 142 с.
5. Ивко А. Опыт проведения испытаний на ЭМС технических средств военного назначения // Современная электроника. 2014. №8. С. 26-28.
6. Henry O.W. Electromagnetic Compatibility Engineering. New Jersey: John Wiley & Sons, 2009. 872 pp.
7. Рябов Ю. Г. Общие положения по сохранению живучести и обеспечению защиты РЭС
36
от воздействия электромагнитного оружия и электромагнитного терроризма/специальная техника. 2002. №3. С. 23-34.
8. Baum C.E. Electromagnetic Topology: A formal approach to the analysis and design of complex electronic systems // Proceedings of the 10th International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Zurich, 1982. P. 209-214.
9. Гизатуллин З.М. Снижение электромагнитных помех в межсоединениях многослойных печатных плат // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2012. №2 С. 199-205.
10. Гизатуллин З.М. Повышение эффективности экранирования корпуса электронных средств // Технологии электромагнитной совместимости. 2010. №3. С. 37 -43.
11. Гизатуллин З.М.,Гизатуллин Р.М., Назметдинов Ф.Р., Набиев И.И.Повышение помехоустойчивости электронных средств при электромагнитных воздействиях по сети электропитания // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2015. №6. С. 1.
A THROUGH PREDICTION THE MONITORING AND CONTROL SYSTEMS INTERFERENCE IMMUNITY WHEN EXTERNAL ELECTROMAGNETIC INFLUENCES Shkinderov M.S., Nuriev M.G., Gizatullin Z.M.
In relation to the systems of monitoring and control , through the technique of prediction of interference immunity for external electromagnetic influences, presented the article. thema-thematical model the effects of electromagnetic interference are proposed. efficiency of exposure to electromagnetic sources in communication lines and power supply of systems of monitoring and control are considered.
Keywords: systems of monitoring and control, interference immunity, forecasting, mathematical model, technique, electromagnetic interference.
Дата поступления 22.05.2016.
37
