автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка программно-аппаратныхметодов защиты управляющих электронных систем отэксплуатационных помех



На правах рукописи

О

Шэнь Сюедуи

УДК: 626.25:621.317.019

Исследование и разработка программно-аппаратных методов защиты управляющих электронных систем от эксплуатационных помех

Специальность 05.13.05.- элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997 г.

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом университете им. Н.Э.Баумана

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шахнов В. А.

Научный консультант: кандидат технических наук, профессор

Чеканов А. Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ьеляков И.В.

кандидат технических наук, доцен г Сюзев В.В.

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский и проектно-

конструкторский институт средств автомат шапки на железнодорожном транспорте (НИИЖА)

Защита диссертации состоится "«20" Н4Я 1997 г. на заседании диссертационного совета К 053. 15. 04 в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 107005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МП'У им. Н. Э. Баумана и в сети Internet по адресу: http .'/ www, BMSTU, ru/iii/Hi4/ autoref. him.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслагь по указанному адресу.

Автореферат разослан " Об " 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета : кандидат технических наук, доцент Иванов С.Р.

Подписано к печати "23" сентября« 1997 г. объем 1.0 п. л. Тираж 100. зак.-.У; Типография МГТУ им. Н. Э. Баумана

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Обеспечение высокой помехоустойчивости устройств, построенных с использованием ЭВМ, - одни из основных проблем, решаемых разработчиками средств вычислительной техники и систем управления. Рост -энерговооруженности народного хозяйства н связанный с этим увеличение уровня возникающих помех, с одной стороны, и повышение степени интеграции электронных средств н снижение энергетической мощности полезных сигналов с другой стороны, приводит к тому, что выделение полезных енгнапов па фоне действующих помех становится сложной схемотехнической и программно-алгоритмической задачей. Особую сложность эта задача приобретает для систем, работающих в условиях воздействия помех, аналитический и статистический учет которых по различным причинам затруднен. Существенное влияние оказывает также факт физическою удаления ЭНМ от управляемого объекта.

Работа управляющих устройств в составе мощных энергетических установок связана с неизбежным возникновением мощных помех, специфика которых определяется их незначительной часто!ой появления и узким собственным частотным диапазоном. Особую остроту проблема борьбы с эксплуатационными помехами приобретает на одном из разновидностей энерговооруженпого объекта - железнодорожном транспорте и железнодорожных станциях. Э| связано с наличием большою количества перемещающихся двигателей, мощных реле и переключателей, трудно поддающихся статистике маршрутов передвижения энергетических установок (особенно характерно для крупных железнодорожных узлов ), а так - же возникновением помех при грозе. Исследованию такого.рода помех посвящены труды ряда ученых России. Китая и других стран.

Совершенствование средств управления энергоемким» установками вообще и железнодорожной автоматикой и телемеханикой, в частности, . происходит в направлении перехода от релейно-контактпой )лементной базы к электронной , что приводит к нсобходимосш разработки специальных мер защиты элементов интегральной электроники от электромагнитных помех, поскольку энергия помехи, не приводящая к срабатыванию ранее применявшихся электромагнитных реле, превышает порог срабатывания современных больших и сверхбольших митральных схем во много раз.

Одновременно следует отметить, что возникающие от грозовых разрядов . аварийных н коммутационных процессов в мощной системе электроснабжения или в мощной тяговой сети импульсные по- хи могут вызвать не только ложное срабатывание аппаратуры , но и ее нолное-или частичное разрушение.

В условиях работы управляющих ЭВМ на железнодорожном фанспир1е помехи воздействуют непосредственно пи структуру полезных пи налои только через каналы передачи и цени интерфейс;! '.»ИМ. Помехи и системе управления движением вызывают сбои г системах управления, приводят к изменению скорости движения поездов п ухудшению икопомико-техноло! ичеекпх показателе!) (> меньшиекя пропускная способность и участковая скорость, например, из-за отказа работы микро электронной аппаршуры). Отказы сишалнзаики, ложная сигнализация о заняюсти пути полностью прекращает движение, которое ' может возобновиться только при введении аварийного вариант рабом,! системы управления движением.

Чаким образом, проблема обеспечения надежности и устойчивости работы управляющих систем со встроенными ЭИМ в условиях весьма многочисленных, разнообразных по физической природе, частошым характеристикам и энергетическому спектру помех, являстси актуальной и своевременной задачей, требующей для своего решения особых, нетрадиционных подходов.

11е.||, раооты - исследование основных видов эксплутационных помех и степени их влияния на управляющую электронно-вычпелше.тьную аппара1уру, разработка программно - аппаратного метода борьбы с такого рода помехами, разработка рекомендаций по построению помехозащищенных систем управления эпер| оемкпми установками.

Меюды исследования. .Теоретические исследования основаны на использовании математического аппарата теории программной и аппаратной помехоустойчивости, теории надежности.

* Применено математическое моделирование систем управления, работающих в условиях воздействия мощных помех.

Основным методом экспериментальных исследований было выбрано физическое макетирование на специально разработанном стенде, включающем средства формирования управляющих сигналов, соответствующих реально действующим, создаваемым управляющей ЭВМ сш налам, средства формирования наиболее действующих помех с параметрами, наиболее близко соответствующими реальным условиям.

Научная новизна работы состоит в следующем:

» Сформулирована и исследована задача обеспечения работоспособности системы управления, включающей ЭВМ и управляющей тер!оемкоп установкой (на примере системы управления железнодорожным узлом).

• Классифицированы различные виды помех, нарушающие режим работы автоматики и телемеханики в системе управления энер! оемкой установкой ' ( на примере системы управления железнодорожным узлом ).

• Для энергоемких установок установлены нанбп ico характерные помехи и оценена -эффективность их вчияиня на характеристики канала передачи управляющих сигнален.

• Разработан программно-аппаратный млел зашиты управляющих электронных систем от эксилутационных помех.

• Разработано программное обеспечение"» интерфейс защиты от помех, возникающих при работе контактных устройств.

На защиту выносятся следующие положения:

• Результаты анализа характерных для систем управления энергоемкими объектами помех, для подавления которых целесообразна разработка метода фильтрации.

• Принцип построения программно-аппаратного метода борьбы с помехами в системах управления энергоемкими объектами.

• Программная и аппаратная реализация разработанною метола борьбы с помехами. Схема и принцип действия модулей иптеррейса SXDI и SXD2 для персональной JI3M, обеспечивающих аппарашую и программную поддержку системы подавления помех;

• Методика оценки надежности схемы мажоритарного голосования, вероятность безотказной работы которой определяет надежность выявления полезного сигнала на фоне помех.

Достоверность научных положений, выводов__н____рекомендаций

диссертационной работы обусловлена стротоыо магематпиеской и электротехнической постановки задач, корректным применением математическою аппарата, подтверждена результатами

математическою и физического моделирования, ретультатами эксперимента и внедрением результатов в разработку системы управления энерюемкнм объектом (железнодорожной стантшсн)

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• Разработана методика минимизации воздействия помех, возникающих в системах управления мощными энерт оемкимн установками.

• Разработана экспериментальная установка, моделирующая возникновение помех, и программно-аппаратный способ борьбы с ними.

• Разработано алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение устройств борьбы с помехами для систем, работающих п составе мощных энергоемких установок.

• Проведена апробация полученных результатов на желешодорожных станциях Пнь Чань и ILid Дзуй Шань Ланьчжоуското департамента управления железными дорогами КНР.

1'еа.тизацня резу.н.таюв работы в промышленности.

Результаты работы в виде рекомендаций, схем, алторнтмов и программного обеспечения переданы в Министерство унраиюшя железнодорожным транспортом КНР. Проведены первые эксперименты- по внедрению разработанных рекомендаций,

алгоритмов программ и устройств в системы управления желешодорожными станциями в КНР." 0|дельные пракшческие результат работы используются при проведении запиши по курсу «Конструирование ЭВС» и «Конструирование РЗС» в МГГУ им. Н.Э. Баумана.

Апробации работы.

Мак-риалы диссертационной работы обсуждались на семинарах кафедры «Конструирование и технология производства электронной аппаратуры» М1ТУ им. Н.Э. Баумана, на семинарах в управлении желешыми дорогами Министерства транспорта КНР.

Публикации:

Основные результаты работы опубликованы в четырех статьях.

Структура н »бьем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 175 страниц, 27 рисунков и фотографий.

Краткое содержание диссертации

Во «Введении»: обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель, определены научная новизна и практическая значимость результатов работы . Кратко тложены основные результаты выполненных научных и экспериментальных исследований.

В первой главе рассматриваю 1ся причины возникновения и общие характеристики помех, появляющихся в процессе работы автоматизированной системы контроля и управления (АСКиУ) работой, энергоемким объектом. На примере системы управления железнодорожной станцией из-за сложности расположения железнодорожных линий и обслуживающих устройств, линий передачи высокого напряжения и систем энергообеспечения, возникают различного рода и уровня помехи от мощных низкочастотных электромагнитных полей.

Рассмотрены различные по своей физической природе виды помех, которые могут нарушить работоспособность системы управления энергоёмким объектом. Проведен анализ существующие методы защиты аппаратуры от мощных импульсных помех различной природы.

Так, для систем управления железнодорожной станцией, помехи, нарушающие режим работы автоматики и телемеханики, разделяются иа 4 вида:

• Электромагнитные поля, возникающие в залах управления при срабатывании мощных реле, управляющих работой электродвигателей и сервисных устройств.

• Мощные электромагнитные поля, создаваемые контактными сетями.

• Помехи, создаваемые электродвигателями проходящих поездом

• Помехи, создаваемые радиопередатчиками, обеспечивающими оперативную связь.

Анализируя условия появления помех, можно рассматривать линию передачи контрольных и управляющих сигналов как приемник, который в процессе передачи информации сам генерирует сшналы, которые, в свою очередь, являются причинами возникновения помех. Известно, что длинную линию передачи можно представил, в виде распределенных собственных и паразитных индуктивное!ей, емкостей и сопротивлений. На каждой из емкостей и индуктйшюстен возникают паразитные емкостные и индуктивные напряжения, являющиеся помехами. Представление линий связи в виде последовательно соединенных погонных индуктнвностей, емкостей и сопротивлений позволяет смоделировать • процессы зарождении, передачи, преобразования и изменения мощности помех, возникающих в системах управления энергоёмкими объектами.'

Вторая глава посвящена рассмотрению теоретических и прикладных проблем защиты цепей управления от помех, показаны состав, основные элементы и принципы рабои.1 устройств номехозащиты.

При исследовании теоретических вопросов аппаратной защип»! от помех, отмечалось, что действующее оборудование работает в особо зашумленных местах, таких как энергетические остановки пли железнодорожные станции. В частности на ж. д. Китая примеие-потся микроэлементы с порогом. 13.5В. Путем введения подпирающею напряжения величиной 13,5 В в электрических цепях помехоподагпптя была обеспечена возможность отсечь все помечи, не превышающие этот уровень. В особых случаях внешних воздействий, таких как атмосферные разряды, взрывы и др., амплитуда помех может превысить 13.5 В. Обычно это относится к высокочастотным помехам. Для решения нои проблемы разработана специальная программа идентификации, необходимая для фильтрации помех.

Разработан программный меюд защиты от помех он налов управления, проходящих по линии связи ЭВМ с репейными системами, непосредственно осуществляющими управление исполни геньными механизмами. Алгоритм обработки зашумленных сигналов построен таким образом, что наряду с распознаванием помех пользователю предоставляется возможность получить полную информацию о состоянии системы управления и отдельных ее систем и устрой» н. Принцип анализа зашумленных сигналов управления профаммиым способом представлен в виде алгоритма (табл. I), а алгоритм программы фильтрации помех ( табл. 2 ).

I______

_______„?_ ________

1 Блок аалисыеаюи** и храиащий параметры «шум ленного сигнал« управления и его временные «■-рлжтеристики • счетчиках 1.Н.О.О

27То«»1'|«рамма "А^ойрайачиаао-иым сигнал управления по примаиту '(ихюэный смиа«*- гюмока* мажоритарным голосование»!, присааиа*к>-тм поличному сигналу символ * I _л < иг налу помаки- с**«аоя *0' _

Г Блок. аалисыааюший ерамя «ода аешумланнмя сигналов и сигналов *1" я "О" иа блокад.

сопоставляет ' арака появление эашуммнного

сигнал* и цифрового кода сигналов -" ~-^ тл*)«ого и помаки, по лученные,.." и» блока 2 ^

<

Ц Ркгюлагмтсоотеекгеующие ' цифры кода сигналов и врат ни •(>« сигналов в ОЗУ управляю«!»»! ЭВМ

) Записывает цифры подо« сигналов ■ областях, со«.т»втс1 ауюшрх пространству упрас* «ем > < стрелок егамлии или перегона

адрвсов управляемы* стрелок валяется наличие объаггов, управление которыми от улравляямцай ЭВМ """-•"^»акоичилоса^^.-*'"''^

хранимых в^— памяти кодов дефектов твлявтся наличие кода для стрелки, управление которой предполагается в,.--слвд^сший момяит

Зеииеынае' 6a.iv де»иы« из сиг-

<Г

Гнете. мрапвриэуФыик работу в грело» при Арамом движении | сотлеете и г(м переходе их не параллельные пути с одновра-I менниА фиксацией о налами ^ • дефекте в среммимя цепях

X Подпрограмме контролирует работу устройств переключение м еиали**ру«т инфосмаияю отработанных циклов >

Блок

получвкхций информации от устройств автоблокировки и определивший обстановку ^^ на еооедлих станциях и,-— перегон«

д.

повторного по и тропя лутееоёГ-^-^ '•Остановки иа учвстяв движение ахддящдо> - ^ а сферу уч>ввяепи1 станционной

Табл.1

III Готовиться принята следующие П I см гнали об оперативной обстановке |_ на станции или перегон« ]

Р Блок получает следующий

юи»*й [

»:«м и й цикл |

L ем гнал от управляккцеД

назначает спедуюш>*й -------*

¡£Бло« мпуска падлрограммы.сбоУ" ымощвй оператору время повален, и место вл емв! ¡та.содержащего дефект с еиэуалиэеиивй «той н^тебло операторе

Троекратно« повторение программа контроля длв всех путай, по мотор« м осуществляется управление движением

|В~Запие« в п I сигналов от

Принцип анализа зашумленных сигналов

с

Л'абл.2

í-^ Блок-вход в I подпрограмму "А"

В блоке »се счетчики L.H.E.0 обнуляются

2:

3] В главной программе

Адрес сигнала уже находится в счетчике с. 9подпрограмме "а* значение с уже является адресом сигналу

4]в славной программа а счетчике В показано место

восьмого знака, в подпрограмме "А" значение

счетчика В передается в счетчик С. В счетчике 8 сох-

раняется^ старое значение

ТУ Данные счетчика А главной программы передаются в счетчик О. Если Н<5, то сигнал считается помехой, при Н>5 сигнал - полезный

в[ Блок проверки нулевой позиции в счетчике D.i.e. Dto»

I

." Происходит 4. ' определение наличие -входного сигнала: при

/

В счетчике А подается максимальное значение целых повторов п>Тим/1 (в данной подпрограмме принято п-6) и значение из счетчика Е передается в 1_,Тим/6>1м (

Проводится шее* | тикрагное алгебраическое I вычитание значений иа счетчиков А и и до | выполнения условия А-1.«0

-----Í

.''Проводится Хч . х шестикратное \ Z алгебраическое \

ч вычитание значений из У счетчиков А и L до ^ \ выполнения \ условия / ЧА-L'O^

X

\

Блок

осуществляет сравнение , значений из счетчиков для > выявления условия Н>5 * если "да",то блок 16,' - если "нет'.то X блок 15

¡16} 8 блоке счетчику A i { присваивается значение 10Н ¡

jr-—_ГЗЕ—ЫЕ.--'- -

16j В-блоке

присваивается значение 0.1Н

0<о)-1 сигнал существует и в счетчике Н добав-чч яяегся t. Если '

4 Ч то непосредственна ч переходим '

V в блок 11

У

1рт Происходит |

J определение наличия J входного сигнала при Dioj-t сигнал существует ив ( счетчике Н добавляется 1. г' Если DíOi®!, то } j непосредственно переходив I в блок 11 ,

«г Образование цикла

до условия 1»0. Если 1=0, то ищется значение ___А-1-А____

/' Образование - ч цикла 1.-1=1. < до условия 1.*0.Если ^ и«0.то ищется Ч. значение .''

X А-1-А /

■

11 вГ Образование цикла

! (.-!•-С до условия С- О. Ег.ли { 1-0,то ищется значаще {__ А-1-А___

Г Конец подпрограммы. Если сигнал полезный го 1 I, А*1,если_поме»а,то A-Q 1

Подпрограмма анализа "сигнал - помеха"

Раф.юэганы рекомендации по построению интерфейса для релейиы ч сис тем различною назначения.

Для обеспечения высокой надежности систем управления энергоемкими объектами рекомендовано применение в них методов лотческого резервирования, что стало возможным только с внедрением микропроцессорной техники, поскольку реализация функций логического резервирования на обычных дискретных элементах потребовала бы значительного увеличения масс и габаритов резервирующих устройств.

Методы логического резервирования можно разделить на три группы: поэлементное резервирование, резервирование с восстанавливающим органом и логика с элементами переключения.

Для систем управления энергоёмкими объектами наиболее эффективным является применение резервирования с восстанавливающим органом (ВО), которое может производиться на любом уровне, в том числе и на уровне всего устройства. В нашем случае под элемеыом понимается единичный источник управляющего сигнала.

Каждый ВО в простейшем случае реализует функцию большинства от выходных сш налов по принципу "два из трех'' или "три из пят" и т.д. Элементы, реализующие эту функцию, называются мажоритарными (МЭ). Уравнение, описывающее работу элемента "два из трех", имеет вид

/ = Х,Х2 + Х|Хз + Х2Хз (I)

Уравнение (I) выражает правило: на выходе МЭ сохраняется то значение, которое имеется в данный момент на большинстве его двоичных входах Хц Хг, X;. Это же правило описывает уравнение

Оценку надежности мажоритарной схемы с кратностью ^ =3 можно произвести по следующей формуле:

/= (Х| + Х2) (Х| + Хз) (Хз + Хз) (2)

Су> - время пребывания системы на дежурстве;

Л' - м;

параметр интенсивности отказов 1-го элемента;

- число элементов Для случая Ц > 3 получение точной формулы расчета надежности затруднительно.

В работе представлены результаты разработки приближенного метода определения характеристик надежности Ри. основанного на введении весовых функций О, определяющих веса всех элементов расчета надежности (ЭРН) относительно элемента, обладающего

3 {Г>

минимальным уровнем интенсивности отказов л3 , т. е. относительно которого определяются веса р; всех элементов, входящих в основную структурную схему.

Вес любого мажоритарного элемента может быть выражен через

норму л, , а именно

' л;»

где: 1,2,...п:

а для МЭ Р,„ = Лт / ЛЧ>.

п - число всех элементов расчета надежности ; </)

Л, - элемент с минимальным уровнем надежности для ступени Я - число всех ступеней в мажоритарной системе

Я „, - интенсивность отказов одного мажоритарного элемента

I - число выходов мажоритарной системы Далее определяется вес У,"' -го выхода ступени

МЭ

" И/»=2>Д /=1,И, {4)

н

где в одной сумме ] берутся 1 только для тех элементов, отказ

которых ведет к появлению'ошибки на /-м выходе.

Определение общего веса ступени осуществляется по зависимости, где суммирование производится уже по всем мажоритарным элементам (в нашем случае Ц =3). В общем Риде эта сумма записывается так:

С учетом зависимости (5) определяется средний вес одного И1' выхода мажоритарной системы

V(0 = у(0 / Ц

Для вычисления характеристик вероятности безотказной работы определяется коэффициент о ступени по формуле

ч^КЛ)2**^-*0)]'*0 (6)

где коэффициент пропорциональности (в данном случае

равен 1).

С учетом введенного коэффициента ст, формула для определения характеристик вероятности безотказной работы резервированной ступени принимает вид .

где = е х РI ~ ^ бр 1 вероятность безотказной работы самого не надежного элемента;

<1 - число мажоритарных элементов.

Для структур с большим числом ступеней Ц > 5 точность ухудшаегся, однако ошибка не превышает 10 + 15 %, что достаточно для инженерных целен, учитывая, кроме того, соответствующую точность исходных характеристик надежности комплектующих ЭРЭ.

С целью повышения точности расчетов надежности, исходную структуру целесообразно разбивать на равнонадежные ступени или, насколько это гозможно, стремиться к их. наименьшему различию.

На этапе эскизного проектирования для первичной оценки надежности мажоритарной структуры целесообразно пользоваться выражением вида

й <8>

где: Я - интенсивность отказа одного элемента (условно принимается, что все ЭРЭ имеют одинаковые Я -характеристики);

П. - заданное число МЭ, которые могут быть включены в одну неизбыточную структуру;

п - число элементов, которое находится в исходной неизбыточной системе;

а - число входов ступени резервирования, причем ^ - 1;

П„ =Х,ш/Х - относительная надежность мажоритарного элемента.

При проведении расчетов надежности целесообразно заменить вычисление характеристики вероятности безотказной работы Р„ вычислением вероятности отказов <Зт , которое может быть

осуществлено путем разложения <3„ в ряд по степеням ( ^ ). С

учетом этого:

й„=3(Мф)2(М/пм+УмфгмШ (9)

Среднее время безотказной работы мажоритарной системы можно оценить, используя зависимость

тт=%-\УСП1<мП"^> 1Ш1пм + у^Оп- о (10,

/=0

представляющую знакопеременный ряд, состоящий из слагаемых , число которых изменяется от ¡= 0 до 1=пм/<1, в каждом из членов этого ряда

• Г1

пи и - число сочетаний из п«М по 1 , т.е. по номеру члена

ряда;

Я - интенсивность отказов элемента расчета надежности (ЭРН) одинаковая для всех совокупностей ЭРЭ или МС , на которые разбита мажоритарная структура.

п и <1 - определены выше.

В разработанной системе фильтрации импульсных помех применена троированная мажоритарная система (ТМС), условно показанная в развернутом виде на рисунке 11

Восстанавливающий орган в этой системе представляет собой мажоритарную схему с тремя входами , значение сигнала на выходе которой соответствует правилу «два из трех». Голосование в данной системе может быть как программным , так и аппаратным .Система состоит из трех независимых управляющих процессорных модулей

т1 WM2 ifiMj

1 t

ИМ] им2 Г mi

I г

на другие ИМ

СХЕМА распред.

ВЫХОД

ВХОД

СОГЛАСОВАНИЕ

1 Г

ВЫХОДЫ ВХОДЫ ВЫХОДЫ ВХОДЫ

АНАЛОГОВЫЕ ЦИФРОВЫЕ

Рис 1

Ьда,... ЬП13 -упрадлясщие процессорные модули Щ...ИМз -интерфейсные модули

ВО -Ьоссто ^пб/шбасшии орган

(УПМ1-УПМЗ), интерфейсных модулей (ИМ), восстанавливающего органа (ВО), схемы согласования, схемы распределения и других узлов.

Со схемой фильтрации помех каждый УМП связьыаегся через свой интерфейсный модуль (ИМ1-ИМЗ). Ошибка только на одном из входов системы отражается на работе соответствующего УГ1М. Каждый УПМ принимает входные данные и выполняет' про1раммное голосование ("2 из 3"), чем исключаются ошибки других схем.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования разработанных технических и программных • средств борьбы с помехами в системах управления энергоемкими обьекгами. Дано описание рабочего места проведения экспериментов, приведена методика проведения эксперимента.

Для экспериментальной проверки работоспособности сконструированных и изготовленных схем, осуществляющих анализ зашумлениых управляющих сигналов, фильтрацию помех , был создан испытательный стенд, в состав которого входят:

• ЭВМ IBM-PC 486, работающая по программе анализа зашумленного сигнала.

• Генераторы управляющих сигналов.

• Генератор случайных помех.

» Двухлучевой осциллограф с ждущей разверткой С1-79 для регистрации и документации результатов эксперимента.

• Противопомеховые схемы, функционирование которых проверялось на сгенде.

Фотографирование помех, зашумленного сигнала и результатов срабатывания противопомеховых схем производилось с экрана осциллографа.

Экспериментальное исследование процесса выделения управляющих сигналов на фоне действующих помех с помощью разработанного программно-аппаратного метода осуществлялось в следующей последовательности. Сначала производилось определение параметров помех и соответствующая настройка генератора помех. Сигналы помех наблюдались на экране ЭВМ и на экране осциллографа. Затем проводилась настройка управляющих сигналов при отсутствии помех в исследуемой схеме. На следующем этапе через определенные интервалы времени вводились управляющие сигналы, зашумленные помехами, проводилось их выделение из помех с помощью разработанного программно-аппаратного метода и сравнение с поступившими из генератора сигналов. На этом, этапе определялись параметры зашумленного помехой управляющего импульса: форма, фронты, амплитуда и условная частота.

В случае, когда помехи превышали 13,5 В, эмулировались сигналы на переднем и заднем фронтах импульса помехи, а затем программным образом устанавливался факт наличия мешающих помех.

При проведении эксперимента рассматривались следующие варианты оценки действующих видов помех:

• помехи треугольной формы с заданными амплитудами и полосой частот;

в помехи, имитирующие разряды молнии;

• радио-помехи с определенными для условий энергоёмких объектов амплитудами и спектром частот; 1

- • помехи от контакторов и мощных реле.

В четвертой главе представлены результаты анализа полученных экспериментальных данных и на основе их делается вывод, что разработанные схемы анализа и фильтрации импульсных помех подтверждают прежде всего правильность выбранного программно-аппаратного метода анализа зашумленных управляющих сигналов и выявления полезного сигнала [1]. Проведение эксперимента с помехой в виде случайного процесса соответствует созданию наиболее сложных условий работы систем, управляющих энергоёмким объектом, например влиянию магнитных полей, создаваемых работающими электродвигателями проходящих поездов или передатчиков в системах

оперативной ' связи па цепи интерфейса, передающего сигналы управления от ЭВМ .

В этой же главе приведена компьютерная программа, управляющяя процессом работы железной дороги, рассмотрены отдельные составляющие системы управления на основе теоретической разработки аппаратного и программного методов защиты от помех, а также проведены экспериментальные работы , исключающие влияние различных мощных магнитных полей, оценена надежное п. работы систем сопровождения, контроля и исправления ошибок.

Создано конкретное использование интерфейса для компьютерной реализации системы управления железнодорожным движением, включающее все вводы и выводы интерфейса, цепи преобразования логических сигналов в сигналы управления релейными системами и т.д..

Проведено практическое внедрение разработанной системы помехоподавления на железнодорожной станции Ши-Цзуй-Шань. Опытная эксплуатанция системы дала следующие результаты:

Прежде всего следует отметить наиболее существенные ЧП и связанный с ними ущерб, возникший вследствие отказов и ложного срабатывания исполнительных механизмов в системе управления железнодорожным движением.

Так до применения предлагаемой системы на железнодорожной станции Шн-цзуй-шань в апреле 1980 г. произошло три серьезных происшествия. В период ¡980 по 1984 годы из-за ошибки системы управления, работающей > же с применением ЭВМ, произошло опоздание более 17 поездов, что принесло потерн около миллиона юаней. В декабре 1982 года из-за ошибки системы управления возник простой поездов, ущерб от которого оценивался в 0,5 миллиона юаней. В 1984 юду из-за подобной ошибки в системе управления упомянутая станция прекратила пропуск поездов на 18 часов.

Разработанная автором система обнаружения и подавления помех на станции Шн-цзуй-шань в течении испытания в период с декабря 1986 года по декабрь 1988года обнаружила 116 раз ошибки в работе системы управления, благодаря чему было предотвращено два возможных тяжелых транспортных происшествия.

Кроме того, система контроля за работоспособностью исполнительных • механизмов, которую одновременно выполняет аппаратура выявления и подавления помех, обнаружила отказы в трех опасных местах, благодаря чему был произведен своевременный ремонт н регулировка в этих механизмах.

Учитывая эффективность разработанной системы руководство железной дороги приняло решение о применении ее на двух других железнодорожных станциях, в том. числе и на станции Ланчжоу. Результаты испытаний опубликованы в 1989 г. в журнале "Техника железных дорог КНР" вып. 9, г, Пекин. Уточненный отчет о проведении эксперимента опубликован в журнале " Техника и коммуникации на

железных дорогах КНР " в июньском номере этого журнала за 1989 год. г.Пекнн.

I. ОС'1 !ОВН ЫЕ РЕЧУЛ ЬТЛТЫ Д11ССЕРТЛЦ! 111

1.Рассмотрены различные по своей физической природе виды помех, которые могут нарушить работоспособность системы управления энергоёмким объектом, и существующие методы-защиты аппаратуры от мощных импульсов, нарушающих режим работы автоматики и телемеханики. Установлены четыре вида помех, наиболее существенно влияющие на устойчивость работы систем управления.

• Электромагнитные поля, возникающие в залах управления при срабатывании мощных реле, управляющих работой электродвигателей и сервисных устройств.

• Мощные электромагнитные поля, создаваемые контактными сетями.

• Помехи, создаваемые электродвигателями проходящих поездов.

• Помехи, создаваемые радиопередатчиками, обеспечивающими опера шпиую связь.

2.Поскольку существующие методы защиты были разработаны для аппаратуры, использующей электромеханические реле, оперирующие с сигналами управления высокого уровня, то при переходе систем управления на цифровую технику и микропроцессоры рассматривается проблема фильтрации зашумленных управляющих сигналов,' регулирующих передачу сигналов в системах управления энергоемкими объектами при относительно близких уровнях полезных сигналов и помех.

3. Разработано программно-аппаратное обеспечение, дающее возможность идентифицировать полезный сигнал при прохождении его по цепям управления, проводить отсечение помехи и непрерывную визуализацию информации о состоянии управляемого объекта на пульте управления. Одновременно с этим фиксируется состояние работоспособности автоблокировки, возможные отказы телемеханических устройств и устойчивость работы управляющих сетей.

4.Разработан экспериментальный стенд для проверки программно-аппаратного метода борьбы с помехами, проведена серия экспериментов, результаты которых подтвердили правильность разработанного программно-аппаратного метода анализа зашумленных управляющих сигналов и выявления полезного сигнала. Проведение эксперимента с помехой в виде случайного процесса соответствует наиболее • сложным условиям работы систем, управляющих энергоемкими объектами, например, при воздействии магнитных полей, создаваемых работающими электродвигателями проходящих поездов или передатчиков в системах оперативной связи, на цепи интерфейса , передающего сигналы управления от ЭВМ .

5.ВБеденне в схемы контроля и управления мажоритарных элементов, работающих по правилу "2 из 3", исключает случайные ошибки системы управления. Надежность данного метода соответствует .требованичм системы управления, что доказано математически. Практическая реализация мажоритарной системы дает возможность обеспечения надежной работы системы управления (аппаратурой и программной) даже при частичном отказе отдельных частей системы.

6. Разработана компьютерная программа, управляюшяя процессом работы железной дороги, рассмотрены отдельные составляющие системы управления на основе теоретической разработки программно-аппаратного метода защиты от помех, а также проведены экспериментальные работы по исключению влияния различных мощных магнитных полей, оценена надежность работы систем сопровождения, контроля и исправления ошибок.

Создано программно-аппаратное обеспечение для

компьютерной реализации системы управления железнодорожным движением, включающее все вводы и выводы интерфейса, цепи преобразования логических сигналов в сигналы управления релейными системами и т.д..

7. Проведено практическое внедрение разработанной системы помехоподавления на железнодорожной станции в КНР и ее опытная эксплуатация, результаты которой показали эффективность разработанного метода.

Список литературы:

1. Шэнь Сюедун, Чеканов А. Н. Методика и программное обеспечение защиты каналов передачи управляющей ЭВМ от эксплуатационных помех // Вестник МГТУ. - 1996. - № 2.- С. 93 - 103.

2. Шэнь Сюедун, Чеканов А. Н. Метод выявления управляющего сигнала из сообщения с импульсными помехами // Вес шик МГТУ.-1997. - 2. - С. 88 - 92.

3. Шэнь Сюедун. Меры защиты от помех при применение микро ЭВМ//Практическое применение ЭВМ (Пекин). - 19X4.-Т.5, 2. ■ С. 184-197.

4. Шэнь Сюедун. Роль интерфейса в цепи ЭВМ в вопросе защип,! от помех // Практическое применение ЭВМ (Пекин) 1987. - 1.5, №3,- С. 73-86.