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

\ ■

Шэнь Сюсдун

УДК: 626.25:621.317.019

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

Специальность 05.13.05.- элементы н устройства вычислительной техники и систем упраиления

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

Беляков И.В.

кандидат технических наук, доценг Сюзев В В.

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский и проектно-

■ конструкторский институт средств автоматизации на железнодорожном транспорте (НИИЖА)

Защита диссертации состоится 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 МГ'ГУ им. Н. Э. Баумана и в сети Internet по адресу: http // www, BMSTU, ru/in/iii4/ autoref. him.

Ваш отзыв на автореферат в одном зкземпдяре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

Автореферат разослан " 0& " 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 Xi Л?-г Типография МГТУ им. Н. Э. Баумана

Общая характеристика работы Актуальность проблемы.

Обеспечение высокой помехоустойчивости устройств, построенных с использованием ЭВМ, - одна из основных проблем, решаемых разработчиками средств вычислительной техники и систем управления. Рост энерговооруженности народного хозяйства и связанный с этим увеличение уровня возникающих помех, с одной стороны, п повышение степени интеграции электронных средств и снижение энергетической мощности полезных сигналов с другой стороны, приводит к тому, что выделение полезных сигналов на 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 ЭВМ от управляемого объекта.

Работа управляющих устройств п составе мощных энергетических установок связана с неизбежным возникновением мощных помех, специфика которых определяется их незначительной часто!ой появления н узким собственным частотным диапазоном. Особую остроту проблема борьбы с эксплуатационными помехами приобретает им одном из разновидностей энерговооруженного объекта - железнодорожном транспорте и железнодорожных станциях. '); 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 энергоемкими установками вообще и железнодорожной автоматикой и телемеханикой, в частности, . происходит в направлении перехода от релейно-контактиой элементной базы к электронной , что приводит к необходимое т разработки специальных мер защиты элеменюв интегральной электроники от электромагнитных помех, поскольку энергия помехи, не приводящая к срабатыванию ранее применявшихся электромагнитных реле, превышает порог срабатывания современных больших и сверхбольших шгшральных схем во мною раз.

Одновременно следует отметить, что возникающие от грозоных разрядов , аварийных и коммутационных процессов в мощной системе .'лектроснабжения пли в мощной тяговой сети импульсные по1 хи могут вызвать не только ложное срабатывание аппаратуры , но и ее полное-или частичное разрушение.

иловпях работы управляющих ЭВМ на железнодорожном I ранено р I е помехи воздействуют непосредственно на структуру полезных анналов только череч каналы передачи и кепи интерфейса ЭВМ. Помехи и системе управления движением вызывают сбои г системах управления, приводят к изменению скорости движения иое::до|! н ухудшению экономико-техноло! ичеекпх показателей (уменьшается пропускная способность и участковая скорость, например, из-за отказа работы микро шектронпой аппара1уры). Отказы сш пали ¡.шип, ложная сигнализация о запягости пути полностью прекращает движение, которое ' может возобновиться юлько при введении аварийного вариант работы системы управления движением.

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

Цг1ь рабоп.1 - исследование основных видов эксплутанионных помех и степени их влияния на управляющую электронно-вычнеликмьнук» аппаратуру, рафабогка программно - аппаратного метда борьбы с такого рода помехами, разработка рекомендаций по построению тммехозащищенных систем управления энергоемкими установками.

Метлы исследования. Теоретические исследования основаны на использовании математического аппарат 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 сигналам, средства формирования наиболее действующих помех с параметрами, наиболее близко соответствующими реальным условиям.

Научная новизна работы состоит » следующем:

• Сформулирована и исследована задача обеспечения работоспособности системы управления, включающей ЭВМ и управляющей энергоемкой установкой (на примере системы управления железнодорожным узлом ).

• Классифицированы ра )личные виды помех, нарушающие режим работы автоматики и телемеханики в системе управления эжтргоемкон установкой ' ( на примере системы управления железнодорожным узлом).

• Для энерт «емких установок установлены напбч но характерные помехи и оценена эффективность их вчияння па характеристики канала передачи управляющих сигнален.

• Разработан программно-аппаратный метод зашиты управляющих электронных систем от жсплутационных помех.

• Разработано программное обеспечение и интерфейс зашиты 01 помех, возникающих при работе контактных устройств.

Па 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 разработанного метола борьбы с помехами. Схема и нршшип действия модулей ингеррейеа ЯХО! и 8ХП2 для персональной ЭВМ, обеспечивающих аппаратную и программную поддержку системы подавления помех;

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

Достоверность научных положений, выводов н__рекомендаций

диссертационной работы обусловлена стротсч.го математической и электротехнической постановки задач, корректным применением математическою аппарата, подтверждена результатами

математического и физическою моделирования, ретулыатами эксперимента и внедрением результатов в разработку системы управления энерюемким объектом (железнодорожной станцией).

Практическая ценности работы заключается в следующем:

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

• Разработана, экспериментальная установка, мо.телнруюшая 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 IIIи Дзуй Шапь Ланьчжоуского департамента управления железными доротами КНР.

Реал и танин резу.т ь таюв работы » промышленности.

Результаты работы в виде рекомендаций, схем, а.-иоригмо» и программного обеспечения нереданы в Министерство унрэигпшя железнодорожным транспортом КНР. Проведены первые эксперименты- по внедрению разработанных рекомендаций,

алгоритмов программ и устройств в системы управления железнодорожными станциями в КИР. Отельные практические результаты работы попользуются при проведении занятий по курсу «Конструирование ЭВС» и «Конструирование ЮС» в МГГУ им. Н.Э. Баумана.

Апробации работы.

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

Публикации:

Основные результаты работы опубликованы в четырех статьях.

Структура н объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения н списка литературы. Общий обт.ем 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 изложены основные результаты выполненных научных и экспериментальных исследований.

В первой главе рассматривание)! 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 на -4 вида:

• Электрома1 ннтные поля, возникающие в залах управления при срабатывании мощных реле, управляющих работой электродвигателей и сервисных лстронств.

• Мощные электромагнитные поля, создаваемые контактными сетями.

• Помехи, создаваемые электродвигателями проходящих поездов

• Помехи, создаваемые радиопередатчиками, обеспечивающими оперативную связь.

Анализируя условия появления помех, можно рассматривай, линию передачи контрольных и управляющих сигналов как приемник, который в процессе передачи информации сам генерирует стиаиы, которые, в свою очередь,, являются причинами возникновения помех. Известно, что длинную линию передачи можно представить в виде распределенных собственных и паразитных индуктнвиостей, емкостей и сопротивлении. На каждой из емкостей и индуктишюстсн возникают паразитные емкостные и индуктивные напряжения, янлиюшнесч помехами. Представление линий связи в виде последовательно соединенных погонных индуктнвиостей, емкостей и сопротивлений позволяет смоделировать процессы зарождении, передачи, преобразования и изменения мощности помех, возникающих и системах управления энергоёмкими объектами.

Вторая глава посвящена рассмотрению теоретических и прикладных проблем защиты цепей управления 01 помех, показаны состав, основные элементы и принципы работы уетройемз помехозащиты.

При исследовании теоретических вопросов аппаратной затщпы о г помех, отмечалось, что действующее оборудование работает в особо зашумленных местах, таких как энергетические установки или железнодорожные станции. В частности на ж. д. Китая ирич<еие1югся микроэлементы с порогом. 13.5В. Путем введения полпнракмне!о напряжения величиной 13,5 В в электрических цепях помехоподапчения была обеспечена возможность отсечь все помехи, не превышающие пот 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 ион проблемы разработана специальная программа идентификации, необходимая для фильтрации помех.

Разработан программный метод защиты от помех сш налов управления, проходящих по линии связи ЭВМ с ременными системами, непосредственно осуществляющими управление исполни гстьными механизма ми. Алгоритм обработки зашумленных сит панов построен таким образом, что наряду с распознаванием помех пользователю предоставляется возможность получить полную информацию о состоянии системы управления и отдельных ее систем и устрой« п. Приншн! анализа зашумленных сигналов управления протрнммным способом представлен в виде алгоритма (табл. I), а алгоритм нротрам'мы фильтрации помех;( табл. 2 ).

I_________

,1 блок аалисыеаюшрй и «роящий 1 : л*эаметрм мшумленного сиг>шАа улрааления и «го временные яа-рмтеристики е счетчиках 1,Н.й.О I

2?)лдн<(>< рамме *А^обра^а1ым<о-~ и и* сигнал упреяление по прмнципу *<тил1мый ситиа*»- помом *ма>ори-тарным тлпсоеаимем, присваивающая полезному сигналу еимеол "1", _а { иг на/ту поме«и- СИМ»О/|'*0".

I Блок, »вписывающий время мода »аи/умпемимх си г мило« и с иг наго« 'К и "И" из бло«а£.

Блок ^^ ООПОСТИвЛЯвТ *" время ПОЯвЛекИЯ »ашумлеиного

сигнала и цифрового «оом сигналов ' -.-_ппле»м>го и помеяи, полученные,.

иа блока 2 ' "

[К Располагает соответствующие цифры кода сигнале* и м«м-ни аги* сигналов а ОДУ управляющей ЭвМ

^ Записывает цифры кодов сигналов а областях, состаа-ствуюш^к пространству упра£< «ей • < стрел«« станчии или переема

Табл.1

II Готовиться принять следующие ! сигм ал« об оперативной обстамоа на станции или парагона

-ЧЕ^ЕИНИ"

Блок получает следующий сигнал от управляющей ЭВМ и назначает следующей цикл

ЖБлок аап уска~подп рогр ам»ак,'сооб-[щиющеЯ оператору арака повеления и мае то элемент а. содержащего дефект с визуализацией «той мнформа1»)И н^табло оператора

- управляемы* стрелок лелеется налами« объектов, управление которыми от ^ управляющей Э8М мкои-млое*

памкги кодов дефектов выявляется наличие «ода дм стрелки. . управление которой предполагается в. следующий момент

---

* Записывает 6а.ту даним* мэ см • налов, мрахериэуощи* работу втрялок при премпм движении состмсе и при перокпдв иж на переллельмые пути с одноврв' м*м>ч>А ф»ассашм>й о нали'ши дефекте • с^релгмнм цсти

Полрро грамма контролирует работу устройств переключение и ендлиаир^т информацию о тревог айн«* циклов

получающий информацию от устройств автоблокировки и определяющий обстановку еооедиик станциях и . перегон«

Блок

повторного яоптроля путевой вбетаиовт на участке двитвиив ваодм ' в «Фару управления станционной

Принцип анализа зашумленных сигналов

-Табл. 2

í-® Блок-ВХОД ■

подпрограмму "А"

Е

В блоке асе счетчики 1.Н.Е.0 обнуляются

Т:

3] В главной программе

адрес сигнала уже находится в счетчике с. В подпрограмме "а" значение с ухе является адресом сигнала

4]в главной программа ■ счетчике В показано место

восьмого знака. В подпрограмме "А" значение

счетчика В передается в счетчик С. В счетчике В сохраняется старое значение

/ Формируются ч циклы I»-1=1.,пока . \ не станет 1~0.

а Формируется ЦИКЛЫ

И*4.,пока не станет СЧ).

7Г Данные счетчика А главной программы передаются е счетчик О. Если Н<5, то сигнал считается помехой, при Н>5 сигнал - полезный

в{ Блок проверки нулевой позиции в счетчике Р.т.е. 0<о)

I

' Происходит - ч - определение наличия / входного сигнала: при О<0)=1 сигнал существует

и в счетчике Н добав* \ч ляегся 1. Если 0<о)"1,/'

4 V, то непосредственна' переходим х -' 'ч в блок 1 \ . ■

ч~Ч

___

Происходит ]

определение налычия ] входного сигнала гриОю)-» сигнал существует ив I счетчике Н добавляется I. г Если 0О)=1, то ! непосредственно переходив е блок 1 I

1 \ В счетчике А подается максимальное значение целых повторов п>Тим/1 (я данной подпрограмме принято п-6) и значение из счетчика Е передается в I., Тим/6 Мм

[ЙГ Проводится шее- 1 тикра гное алгебраическое вычитание значений из счетчиков А и и до выполнения условия А-1-=0

Í

'у Проводится ч, • шестикратное \ / алгебраическое

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

Блок Ч_

■■ "осуществляет сравнение .

значений из счетчиков для 4 . выявления условия Н>5 4-.если "да",то блок 16»' - если "нет", то ч- блок 15

¡1Q В блоке счетчику А I присваивается значение »ОН

W

присваивается значение 0.1Н

17] Образование цикла ¡ L-1 =L до условия Если j L- 0, то ищется значение i A-I-A

/ "^Образование - s • цикла L-1=L <Г до условия 1®0.Если ', L^O.to ищется ..

значение X А-1-А X

Чч

Образование цикла 1 ¡ t-1 L до условия L- О С(,ли' ! L-0,to ищется значв««ив ■

__-Лi1"A__

И> Конец подпрограммы.

Если сигнал полезный го ! i А- I ,если поме*а, то А--0 '

Подпрограмма анализа "сигнал - помеха"

Разработаны рекомендации по построению интерфейса для релеины л сие 1 ем различною назначения.

Для обеспечения высокой надежности систем управления энергоёмкими объектами рекомендовано применение в них методов лот ичсхкого резервирования, что стало возможным только с внедрением микропроцессорной техники, поскольку реализация функций логическою 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 може1 производиться на любом уровне, в том числе и на уровне всего устройства. В нашем случае под элементом понимается единичный источник управляющего сигнала.

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

/ = Х,Х2 + Х,Х 5 + Х2Хз (1)

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

/= (X, + Х2) (X, + Хз) (Х2 + Хз) (2 )

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

чзддей-ш+щ-^т-т-т-щ (3)

Ру- ехр[-/фД,<3,я,(3)];

- время пребывания системы на дежурстве;

Л' - пара!

• параметр интенсивности отказов 1-го элемента;

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

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

2 {1)

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

Вес любого мажоритарного элемента может быть выражен через ; </)

норму , а именно

" я/° /

где: j=l,2,...n:

а для МЭ Р,„ - Ят / Л'^ .

п - число всех элементов расчета надежности ; </) .

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

А т - интенсивность отказов одного мажоритарного элемента

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

МЭ

= /=1,И/ (4)

м

где в одной сумме j 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 =3). В общем виде эта сумма записывается так:

у(о = £ У/(0

(5)

С учетом зависимости ( 5 ) определяется средний вес одного ыхода мажор!

= У(0 / и

V1'1' выхода мажоритарной системы

I

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

а^ХКЛУ + УоО'10-^)]/^ (6)

где коэффициент пропорциональности (в данном случае равен 1).

С учетом введенного коэффициента «к формула для определения характеристик вероятности безотказной работы резервированной ступени принимает вид

р, = (З/;2-2г*1)(4V,,,+£V«)/с,.

где Рз = е х РI_ % ^ ер ] вероятность безотказной работы самого не надежного элемента;

с! - число мажоритарных элементов.

Для структур с большим числом ступеней > 5 точность ухудшается, 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 розможно, 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;

я ^->1

а - число входов ступени резервирования, причем ^ <

П„ =Хт/\ - 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 С?,, в ряд по степеням ( ^ ). С

учетом этого:

&=3(Кф)2(пс1/пХ{+Умс!)2пм/с1 (9)

Среднее время безотказной работы мажоритарной системы можно оценить, используя зависимость

тт = ЩпсИп„ + ^(Ъг-1) 10

/=0

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

' Н

п„ ц - число сочетаний из П.Л1 по* , т.е. по номеру члена

ряда;

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

п и (I - определены выше. .

В разработанной системе фильтрации импульсных помех применена троированная мажоритарная система (ТМС), условно показанная в развернутом виде на рисунке 1.

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

чпм2

ИМf им2 им5

1 г

на другие ИМ

СХЕМА распред.

ВЫХОД

\ВХОД

СОГЛАСОВАНИЕ

ВЫХОДЫ ВХОДЫ

АНАЛОГОВЫЕ

ВЫХОДЫ ВХОДЫ

ЦИФРОВЫЕ

Рис. 1

bWj... 0ПМ3 -управлявшие процессорные модули Щ...Щ -интерфейсные модули

ВО -Восст^В/юбавщий орган

(УИМ1-УПМЗ), интерфейсных модулей (ИМ), восстанавливающего органа (ВО), схемы согласования, схемы распределения и других узлов.

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

В третьсП главе приведены результаты эксперпмен гального исследования разработанных технических и программных средств борьбы с помехами в системах управления энергоемкими объектами. Дано описание рабочего места проведения экспериментов, приведена методика проведения эксперимента.

Для экспериментальной проверки работоспособности сконструированных и изготовленных схем, осуществляющих анализ зашумленных 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.

• Противономеховые схемы, функционирование которых проверялось на стенде.

Фотографирование помех, зашумлен.чого сигнала и результатов срабатывания прот нвопомеховых 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 прн 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 зашумленното 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;

® помехи, имитирующие разряды молнии;

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

• 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 ' сяязи на цепи интерфейса, передающею 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 зашиты от помех, а также проведены экспериментальные работы , исключающие влияние различных мощных магнитных полей, оценена надежность 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 сшналы управления релейными системами и т.д..

Проведено практическое внедрение разработанной системы поме.хоподавлення на железнодорожной станции Шн-Цзуй-Шань. Опытная эгссплуатанцня 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 1ри серьезных происшествия. В период ¡980 по 1984 годы из-за ошибки системы управления, работающей > ,ке с применением ЭВМ, произошло опоздание более 17 поездов, что принесло потери 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 Ши-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 т! регулировка в этих механизмах.

Учитывая эффективность разработанной системы руководство железной дороги приняло решение о применении ее на двух друтих 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.Пекин.

1. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1 .Рассмотрены различные но своей физической природе виды помех, которые мсмут нарушить работоспособность системы управления энергоемким 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 оперативную связь.

2.Поскольку существующие методы защиты были разработаны /тля аппаратуры, использующей электромеханические реле, оперирующие с сигналами управления высокого уровня, то прп переходе систем управления на цифровую технику и микропроцессоры рассматривается проблема фильтрации зашумленных управляющих сигналов,' регулирующих передачу сигналов в системах управления энергоёмкими 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 энергоёмкими объектами, например, при воздействии магнитных полей, создаваемых работающими электродвигателями проходящих поездов или передатчиков в системах оперативной связи, на цеп» интерфейса , передающего сигналы управления от ЭВМ .

5.Введение в схемы контроля и управления мажоритарных элементов, работающих по правилу "2 из 3", исключает случайные ошибки системы управления. Надежность данного метода соответствует .требованиям 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, управляющяя 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. Проиедено практическое внедрение разработанной системы помехоподавления на железнодорожной станции в КНР и ее опытная эксплуатация, результаты которой показали эффективность разработанного метода.

Список литературы:

!. 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 // Веем пик МГТУ.-1997. - Ля 2. - С. 88 - 92.

3. Шэнь Сюедун. Меры защиты от помех при применение мнкро ЭВМ//Практическое применение ЭВМ (Пекин). - 19X4. - Г.5, Л& 2. - С. 184- 197.

4. Шэнь Сюедун. Роль интерфейса в цепи ЭВМ в- вопросе защиты от помех // Практическое применение ЭВМ (Пекин) 19К7. - Т.5, №3,- С. 73-86.