Введение к работе
Актуальность проблемы. Одна из вашюйшкх задач, стоящих пород народным хозяйством страны на период до 2GQ0 года.заключает-ся в существенном іювншениіі качества продукции и эаййктивности производства на базо всемерного ускорения научно-технического прогресса. Это ускорение, в частности, предполагается достичь за счет широкого использования сродств цифровой вычислительной техники, особенно микропроцессорной, для автоматизации процессов проектирования, производства, управления и научных исследований. Очевидно, что для эффективного исполнения столь ответственной роли сами цифровые технические средства(ЦТС) должны в первую очередь быть высокого качества, т.е. обладать,помимо других потребительских свойств,высокой надежностью и помехозащищенностью в реальных условиях эксплуатации.
Диссертационная работа посвящена решению задачи обеспечения необходимой защиты ЦТС от нежелательных внешних электромагнитных воздействий (помех) на этапах НИР и ОКР по созданию новой техники.
Примечательной чертой наблюдающегося ныне этапа научно-технической революции является чрезвычайно быстрый прогресс в области вычислительной техники и ее элементной базы. Происходящая на наших глазах стремительная смена поколений ЭВМ не в послед -тою очередь стимулируется экспоненциальным ростом быстродействия и плотности интеграции элементов и снижением количественных значений энергии и амплитудно-временных параметров полезных (информационных) сигналов. Так, вольтсекундная площадь импульсных сигналов в аппаратуре ЭВМ за истекшие тридцать лет снизилась на три порядка и составляет сейчас примерно (1-5) 10 Вс. Между тем значения энергии и амплитудно-временных параметров нежелательных внешних импульсных электромагнитных воздействий постоянно растут и уже превышают в настоящее время соответствующие значения полезных сигналов на 4-6 порядков. Так,* например, коммутация различных потребителей электроэнергии в сети питания ЦТС сопровождается появлением в сети коротких импульсных напряжений с вольтсек/-ндпоИ площадью (1-100) 10 Вс. Помехи вследствие наличия весьма высоких составляющих в частотном спектре способны проникать по паразитным емкостным и индуктивным связям, всегда существующим
- г -
между сетью питания и аппаратурой ЦТС, в информационные линии и изменять состояние многочисленных элементов памяти и релаксационных элементов, которыми насыщена аппаратура ЦТС, т.е. вызывать сбои и отказы. Это погенционально обуславливает наличие заметной восприимчивости и уязвимости недостаточно защищенных ЦТС к воздействию внешних импульсных помех. Снижение эксплуатационной надежности ЦТС вследствие восприимчивости аппаратуры к нежелательным электромагнитным воздействиям приводит к серьезному экономическому ущербу, состоящему из затрат на восстановление аппаратуры, восстановление- и перезапуск программ, а также из потерь от простоя ЦТС и порчи продукта (для управляющих ЦТС).
Упомянутая восприимчивость стала наблюдаться примерно с середины 60-х годов, когда на смену первому ламповому поколению ЭШ пришло второе - полупроводниковое.
С течением времени актуальность проблемы продолжает возрастать по нескольким причинам. Основная из них уже упоминалась - это непрерывное снижение энергии полезных сигналов. Вторая причина -это рост числа источников нежелательных электромагнитных воздействий на ЦТС, а также уровней и интенсивности этих воздействий вследствие постоянного увеличения объемов производства и потребления электроэнергии в народном хозяйстве. В-третьих,очень быстро растет количество задействованных ЦТС вообще и работающих в заведомо неблагоприятной электромагнитной обстановке в частности (в производственных помещениях, на энергетических объектах,в транспортных средствах и др.)
ЦТС - это совокупность электронных и электротехнических схем и, следовательно, они и сами являются источниками нежелательных электромагнитных воздействий для совместно работающих с ними ЦТС или для близко расположенных радиоэлектронных средств (радиоприем ников, телевизоров и др.). В этой связи актуальной также является задача ограничения помех, образуемых аппаратурой ЦГС, до уровней, обеспечивающих возмокность их совместной работы в комплексах, а также гарантирующих отсутствие вредного воздействия на радиолэек-троннне сродства. В совокупности задачи ограничения восприимчивости к помехам и помзхообразования составляют основное содержание проблемы обеспечения электромагнитной совместимости ЦТС (э;лс ЦТС).
Научно-техническое направление по обеспечению ЭМС ЦТС отно-
сительно молодо. Двадцать лет тому назад ещо но било стандартних норм на допускаемую восприимчивость ЦТС к различном внешним помехам, а также норм на допускаемые уровни различных помех, создава-емих ЦТС в проводах и окружающем пространствэ (за исключением норм на радиопомехи). Не било приборов для измерения значений параметров случайно появляющихся и редко повторяющихся .імпульсних помех, а также приборов для имитации видов помех, опасных для ЦТС. Но било данных об уровнях внешних помех на объектах эксплуатации ЦТС и данных о помехозащищенности разных видов ЦТС. Практически по било теоретических работ в области обеспечения ЭГ.ХЗ ЦТС, да и само это понятие еще не употреблялось.
Настоящая диссертационная работа в значительной мере является обобщением результатов цикла научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных под научным руководством и яри личном участии автора в период с 1967 по 1989 годы и иг/евших целью восполнить, насколько окакется возможным, упомянутые внше пробелы в теории и практике обеспечения ЭГЛС ЦТС.
Большой вклад в развитие и решение этой проблемы внесли также отечественные учение и инненоры Б.С. Сотсков, В.А. Каширнн, В.В. Носов, Е.ІЛ. 1дндомнрова,Б.Н. Файзулаев, В.А. Павлычов, Д.З. Левин, Л.Д. Князев, JI.IL Кочиев, В.В. Петров, Ю.А. Чурин, В.Я. Симхсс, В.М. Иесоцкий, Б.А. Корнеев, К.З. Вонцюс, В.II. Самуйтис, Ю.В. Полозок, В.II. Никифорова, Д.В. Вилесов, А.А. Воршевский, Ж.А. Мкртчян, У.А. Хаджиев и др.
Целью работы было создание и научно-техническое обеспечение внедрения в инженерную практику научно обоснованных стандартных норм и методов испытаний па допускаемую воспріпімчпвость ЦТС народнохозяйственного назначения к наиболее опасным видам внешних импульсных помех, а также на допускаемое образование внешних импульсных помех.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие частные задачи:
-
Определялись наиболее опасные для ЦТС виды внешних помех.
-
Отыскивались приемлемые критерии оцешм внешних импульсных помех, а также восприимчивости к ним ЦТС.
-
Разрабатывались теоретические основы расчета нормативних тохшічєских требований по обеспечению ЭМС ЦТС.
-
Разрабатывались специализированные технические сродства для измерения л имитации внешних импульсных помех.
-
Экспериментально исследовались импульсная электромагнит-
нал обстановка на типовых объектах эксплуатации ЦТС народнохозяйственного назначения, а также восприимчивость типовых видов ЦТС к внешним импульсным помехам. Исходя из результатов исследований, разрабатывались обоснованные норми н метода испытаний ЦТС на восприимчивость к внешним импульсным помехам.
-
Аналитически исследовались механизмы воздействия опасных видов шедших импульсных помех на аппаратуру ЦТС. іісхо.ця из результатов исследований,формулировались качественные и колпчественнге рекомендации но снижению восприимчивости ЦТС к опасным видам внешних импульсных помех.
-
Упорядочивалась терминология по проблеме обеспечения ЭМО ЦТС.
Таким образом, для достижения основной цели требовался и был применен системний подход.
Методы исследования. В работе использованы метода теории электрических цепей и электромагнитного поля, метода теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна работы заключается в разработке, обосновании, аналитическом и экспериментальном исследовании комплекса новых принципов, технических требований, методов л средств снижения восприимчивости устройств цифровой вычислительной техники народнохозяйственного назначения к внешним импульсным помехам, а также снижения уровней внешних импульсных помех, образуемых этими устройствами .
В диссертационной работе впервые осуществлено теоретическое обобщение и решение крупной научно-технической проблемы обеспечения Э1ЛС цифровых технических средств, имеющей важное народнохозяйственное значение и существенно отличающейся от известной проблемы обеспечения ЭМС радиоэлектронных средств (РЭС) техническими требованиями (нормами) к изделиям, методами испытаний, необходимой аппаратурой для измерения и имитации помех и др. Отличия обуслоадены тем, что в проблеме ЗМС РЭС рассматриваются главным образом периодические помехи синусоидальной формы в заданном диапазоне частот. Меаду тем в проблеме ЭКС ЦТС в основном рассматриваются (нормируются, измеряются, имитируются) однократные шга редко повторясщиеоя импульсные» помехи, такие, например, кбк высоковольтные возмущения напряжения ноно- и микросекундной длительности п сети питания,провалы напряжения, переналряжепгя, несанкционированные прерывания питания миллнеекундной длительности в распределительных сетях переменного тока, разряды электростатических зарядов на корпус, наводки от внешних пмпульсішх и/или магнитных нолей и др. Поэтому
большая часть результатов работы обладает новизной. В частности, разработали первые в стране специализированные измерители импульсных и длительных помех из сети питания и с их помощью впервые проведены исследования импульсной электромагнитной обстановки на ряде объектов, в том числе на АЭС. Разработаны первые в стране имитаторы внешних импульсных и длительных помех из сети питания и с их помощью впервые проведены исследоваїгая восприимчивости ряда вычислительных комплексов ц устройств к внесшим помехам. Разработан первый в стране отраслевой комплекс научно обоснованных технических требований но обеспечению ЭМС ЦТС, рассчитанный на изделия народнохозяйственного назначения. Впервые стандартизованы термины и определения, относящиеся к проблеме ЭМС ЦТС.
Практическая ценность работы. Вес исследования выполнялись с учетом последующей практической реализации разработки. Результаты диссертационной работы позволяют научно обоснованно формулировать количественные значения технических требований (норм) по необходимой защите ЦТС народнохозяйственного назначения от внешних импульсных помех, а такно формулировать количественные требования к допустимым или необходимым значениям ряда ваннейшпх, влияющих на обеспечение ЭМС ЦТС параметров (паразитных индуктивностей и ем -костей аппаратуры, необходимого разноса источников и рецепторов, необходимого ослабления помех фильтрами и экранами и др.) в зависимости от заданных норм. ЭМС и свойств примененной элементной базы.
Все это является необходимыми условиями обеспечения высокой помехозащищенности, а следовательно, и работоспособности изделий цифровой техники в условиях эксплуатации.
Реализация результатов работы. Разработаны, изготовлены и использованы для проведения экспериментальных исследований измерители и имитаторы внесших помех 19 наименований, в том числе комплекты измерителей и имитаторов помех типов КИМП (1974 г.), КИМП-І (т980 г.) и ЙМ-2 (1985 г.).
С помощью разработанных измерителей проведены экспериментальные иселедовашіл электромагнитной обстановки на 15 разнотипных объектах эксплуатации ЦТС, в той числе на АЭС. С помоїцью разработанных имитаторов проведены экспериментальные исследова-
ния восприимчивости к внешним помехам более 80 разнообразных центральных и периферийных устройств (в том числе и устанавливаемых на
АЭС), относящихся к семействам технических средств "РУТА", "Шнек",
АСВТ-М, СМ ЭШ. Полученные дшшые были использованы для разработки
технических требований (норм) на допускаемую восприимчивость ЦТС
к внешним помехам и допускаемое помехообразование, а также для
разработки соответствующих методов испытаний.
Эти требования (нормы)по обеспечению ЭМС ЦТС и методы иопы-таний впервые были изложены в разработанных отраслевом РТІЛ 25 93-72 "Рекомендации по защите средств цифровой вычислительной техники от помех из сети переменного тока" и в отраслевом стандарте ОСТ 25 1189-85 "Совместимость технических средств цифровой вычислительной техники электромагнитная. Технические требования и методы испытаний".
Исходя из результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований,били сформулированы рекомендации схемно-конструктивиого характера по обеспечению ЭМС при проектировании ЦТС и их частей, которые нашли отражение в разработанных отраслевых руководящих технических материалах РТМ 25 93-72 и РТМ 25 203-85 "Обеспечение олектромагнитной совместимости в линиях связи и питания технических средств цифровой вычислительной тех-іпікн".
В ТЗ и ТУ на все изделия вычислительной техники, разрабатываемые организациями и изготавливаемые предприятиями 110 "Сигма", технические требования по обеспечению ЭМС вносятся ужо с 1973 г. Эти изделия (вычислительные комплексы М5000, М5010, М5ЮО,СМ600, СЖ700, дисковые накопители Р42І, Р4І2, Р4І4, СЫ5408, винчестерский накопитель CM5GI4 и др.) проектировались с использованием рекомендаций, содержащихся в отчетах по выполненным НИР я в разработанных НТД, что реально обеспечило высокую помехозащищенность изделий ПО "Сигма" и наряду с другими потребительскими свойствами обусловило их приемку по высшей категории качества.
Отраслевые документи РТМ 25 93-72, РТМ 25 203-85 л ЮТ 25 1189-85 были переданы всем организациям и предприятиям, зходившим ранее в состав Минприбора, рззрабативавпінм ті изготэлли-завшш средства вычислительной техники. Крогло того, но запросам эрганизаций и предприятий других отраслей было передало более 100 экз. упомянутых НТД.
Разработанный автором проект расширенного комплекса норм по >беснечеиию ЭМС ЦТС в 1984 г. был передан для апробации соц. странам, участвующим в программах разработки и производства изделий ТЛ ЭВМ. В 1988 г. этот материал, доработанный совместно с инсти-гутом ГЖРА-ПИАП (Варшава, ГЯГР), предъявлен в качестве проекта нор-лативного материала для стран СЭВ.
Разработанные и изготовленные в БО "Сигма" комплекти КИМП, ШМП-І и ЮШП—2 6шт передали для эксплуатации 24 организациям и іредприятиям Ылнярксора и другій отраслей. В частности, комплекти іолучяли и применяют в своей работе тзлгае известные в стране организации, как институт точной механики и вычислительной техники Ш СССР (г. Москва), Институт проблем управления АН СССР (г. Моста), Научный центр гжкроэлектроники (г. Зеленоград), Ленинграде-гае ГО "Эдектронмап", НПО "Импульс" (г. Северодонецк) и др. Один юмплект КШ.5П-2 нередан на строящийся 5-й блок АЭС "Козлодуй" [НРБ) для проведения пуске—наладочных работ упрздляпцей вычислительной системы. Комплект конструкторской документации на упомянутые приборы бил. передал, еще 13 организация!.! и предприятия!/!, входившим ранее в состав Шпприбора и других отраслей для воспро-ізводства, в частности,Киевскому ПО "Электрошлаш", Томскому ПО Контур", Лубенокому ПО "Счетмзш", Смоленскому ЕО "Технонрибор" і др. Экономический эС'Ьект от внедрения, результатов диссертацпон-гой работы в народное хозяйство, в частности,от создания и внедрения стандартизованных норм по обеспечеішо ЗМС ЦТС, а также от тередачи образцов и документации комплектов измерителей и имитаторов помех организациям и продприятлям страїш, составил более [ млн. рублей. Экономическая эффективность внедренных результатов эбусловлона главным образом повышением эксплуатационной надешгос-си цифровых технических средств вследствие снижения их восирпнм-їивостн к опасным видам внешних помех.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждена результатами натурных экспериментов, а гакже результатами практического использования предложенных и чеследованных в диссертации моделей, принципов, методов и средств
Автор зачищает:
-
Постановку задачи обеспечения ЭМС ЦТС, предложенные пути и принципы се решения.
-
Предложенные критерии оценки эксплуатационной и экспериментальной восприимчивости ЦТС к внешним импульсным помехам.
-
Результати аналитических исследований: механизмов воздействия на ЦТС внешних імпульсних помех; распределении амплитуд импульсных помех в сети питания; вопросов,связашшх с проектироза -нием измерителей и имитаторов внешних помех.
-
Полученные соотношения для расчета: значений норм ЭМС ЦТС; количественных требований к основным параметрам схемно-кои-структивного исполнения изделий,от которых зависит обеспечение ЭМС ЦТС.
-
Результаты экспериментальных исследований ЭМС на объектах установші ЦТС и восприимчивости ЦТС к внешним помеха?.!.
-
Предложенные комплексы технических требований (норм) а»1С ЦТС и соответствующие методы испытаний.
-
Разработанные технические средства для измерения и имитации внешних помех.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: шести НТК "Помехи в цифровой технике", Вильнюс, 1969 г., 1971 г., 1974 г., 1978 г., 1982 г. (Паланга), 1986 г.; НТК "Проблемы упорядочения и стандартизации терминологии в области метрологии и измерительной техники, Москва, 1974 г.; научно-техническом семинаре "Аппаратура и методы измерений в области ЭМС РЗС, используемых в народном хозяйства", Москва, 1979 г.; двух семинарах научно-технической школы "Электромагнитная совместимость в современной радиоэлектронике", Москва, ВДНХ, 1981 г., 1983 г.; научно-техничеоком семинаре "Методы и средства обеспечения помехоустойчивости управляющих ЭВМ и полупроводниковых устройств релейной защиты и автоматики на энергетических объектах", Минск, 1984 г.; Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств", Харьков, 1986 г.; НТК "Метода и ерэдетва измерений в области ЭКЗ", Винница, 1987 г.; двух «.аучно-технических семинарах "Проблемы электромагнитной совместимости микропроцессорных систем", Созопол (НРБ), 1988 г., 1989 г.; научной конференции Высшей школы, Цвиккау (ГД5), 1989 г.; других научно-техничбских конференциях, семинарах и совещаниях.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в нервом [і] и втором переработанном и дополненном издании [2] монографии "Защита ЭВМ от внешних помех", а такне в 37 статьях [3-39] , 2 государственных стандартах [40J , отраслевом стандарте
[4IJ , 2 отраслевых руководящих технически: материалах [42, 4зЗ, учебной программе для БУЗов [44] , 4 авторских свидетельствах на изобретешь [45-48].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения, списка литературы и приложений.
Объем работы: 216 стр. основного текста; 30 стр. приложений; 14 таблиц; 33 рис.; список литературы, содержащий 163 наименова-ния.
