Сквозное прогнозирование помехоустойчивости вычислительной техники внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания

УДК 004.3; 621.391.82

СКВОЗНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ВНУТРИ ЗДАНИЙ ПРИ КОНДУКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ ПО

СЕТИ ПИТАНИЯ

Р.М. ГИЗАТУЛЛИН Казанский национальный исследовательский технический университет

им. А.Н. Туполева-КАИ

Современные средства вычислительной техники являются важным звеном автоматизированных систем управления, в том числе и объектов энергетики. Связи с этим проблема нарушения помехоустойчивости вычислительной техники при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания является актуальной для данных объектов. В данной работе предлагается методика сквозного прогнозирования помехоустойчивости вычислительной техники при кондуктивных электромагнитных воздействиях (непреднамеренных и преднамеренных) по сети питания. Методика основывается на методе электромагнитных топологий.

Ключевые слова: вычислительная техника, методика, сквозное прогнозирование, сеть питания, кондуктивные электромагнитные воздействия, метод электромагнитных топологий.

Существующие подходы, описанные в нормативных документах в области помехоустойчивости и основанные на испытаниях кондуктивных воздействий по сети питания, позволяют качественно оценить помехоустойчивость вычислительной техники (ВТ), которая является частью автоматизированных систем управления объектами, в т. ч. энергетики. При этом они не всегда точно отражают реальные условия эксплуатации, что требует разработки новых, более достоверных теоретических и экспериментальных методик. С другой стороны ВТ, как правило, размещают внутри зданий, а источники кондуктивного электромагнитного воздействия по сети питания находятся вне или внутри здания (разряд молнии, индустриальные источники, преднамеренные источники и т. п.). Поэтому, с точки зрения адекватного прогнозирования помехоустойчивости ВТ, нужен правильный учет электромагнитной обстановки на уровне здания, помещений и корпуса ВТ, где располагаются функциональные узлы и помехоустойчивость которых непосредственно необходимо прогнозировать. Кроме того, сегодняшнее состояние внедрения и тенденция развития современной ВТ позволяет утверждать, что ее необходимо рассматривать в виде сложной взаимосвязанной электронной системы. Она включает в себя устройства обработки, передачи, хранения информации, внутрисистемные и межсистемные линии связи, элементы подсистемы электропитания, которые могут располагаться в нескольких областях здания. Поэтому при рассмотрении проблемы обеспечения помехоустойчивости ВТ внутри зданий могут возникнуть определенные трудности, связанные с расчетами в больших областях и с участием многих путей взаимодействия. В данном аспекте возникает необходимость применения новых методик прогнозирования и повышения уровня помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания.

Целью данной работы является разработка методики сквозного прогнозирования помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных

© Р.М. Гизатуллин Проблемы энергетики, 2012, № 5-6

воздействиях по сети питания.

Анализ проблемы обеспечения помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания показывает, что решение проблемы можно представить в виде итерационного процесса, в котором выделяются две части: адекватное сквозное прогнозирование помехоустойчивости и повышение помехоустойчивости ВТ внутри зданий (рис. 1) [1].

Рис. 1. Решение проблемы обеспечения помехоустойчивости ВТ внутри здания

Для решения задачи сквозного прогнозирования помехоустойчивости ВТ внутри зданий предлагается методика на основе метода электромагнитных топологий. Метод электромагнитных топологий предложен в начале 1980-х годов как формальный подход для анализа и проектирования сложных электронных систем [2, 3, 4, 5]. Он является, на сегодняшний день, наиболее устоявшимся методом анализа электромагнитной совместимости (ЭМС) между и отдельными частями оборудования или распределенных систем. Данный подход предполагает разложение общей геометрии задачи на более мелкие части для создания совокупности отдельных решений для каждой области, связанных друг с другом. Такой подход обеспечивает хорошую методологию для прогнозирования помехоустойчивости ВТ внутри зданий. Метод электромагнитной топологии емеет преимущество перед другими подходами из-за сложностей, связанных с расчетами в больших областях и с участием многих путей взаимодействия. Существуют публикации по применению данного подхода для анализа электромагнитных процессов в летательных аппаратах и кораблях. Экспериментальные проверки были выполнены на EMPTAC (Electromagnetic Test Bed AirCraft), самолёте Боинг 707 ВВС США, специально оборудованном для испытаний на ЭМС и превращённом в испытательную лабораторию [2, 5]. Сравнения с измерениями, выполненными на EMPTAC, показали большое преимущество данного подхода, который позволяет выполнять вычисления на относительно небольших рабочих станциях с очень хорошими результатами. Также имеются работы связанные с применением данного подхода для прогнозирования электромагнитной совместимости спутниковых аппаратов при воздействии электростатического разряда [6, 7]. Достоверность результатов, полученных с применением метода электромагнитных топологий, обосновывается путем сравнения с экспериментальными исследованиями.

Предложенная в работе методика сквозного прогнозирования помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания включает в себя следующие шаги:

1. Разработка топологической модели для сквозного прогнозирования © Проблемы энергетики, 2012, № 5-6

помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания.

1.1. Определение подобластей, где анализ электромагнитной обстановки можно рассчитывать как отдельные задачи (здание, комната, внешнее устройство защиты (ВУЗ), корпус ВТ, корпус источника вторичного электропитания (ИВЭ)).

1.2. Анализ путей проникновения кондуктивных электромагнитных воздействий на разные подобласти задачи через разные элементы сети питания здания (главный распределительный щит (ГРЩ), распределительный щит этажа (РЩЭ), элементы подсистемы электропитания и т. д.).

1.3. Анализ механизмов кондуктивного электромагнитного воздействия по сети питания и выявление наиболее вероятных приемников электромагнитных помех.

1.4. Выделение функционального узла ВТ, непосредственного приемника электромагнитных помех.

2. Математическая подстановка задачи сквозного прогнозирования помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания.

3. Наполнение топологической модели конкретными математическими моделями для анализа помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания.

4. Определение критерия нарушения помехоустойчивости ВТ.

5. Сквозное прогнозирование помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания.

5.1. Прогнозирование электромагнитных помех внутри каждой подобласти задачи с учетом всех наиболее вероятных путей проникновения.

5.2. Прогнозирование нарушения помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания.

Для реализации первого пункта методики сквозного прогнозирования разработана следующая общая топологическая модель (рис. 2). В данной модели учтены все основные пути проникновения кондуктивных электромагнитных воздействий до цифрового элемента ВТ. Обозначение в топологической модели: Б -источник электромагнитного воздействия; У - ГРЩ здания; У2 - РЩЭ здания; У3 -ВУЗ по сети питания; У4 - ИВЭ ВТ; У5 - функциональный узел ВТ; У6 - область ВТ; У7 -область комнаты здания; У8 - область здания; Л - точка наблюдения электромагнитных помех в сети питания на входе ГРЩ; Л2 - точка наблюдения электромагнитных помех в сети питания на выходе ГРЩ; Л3 - точка наблюдения электромагнитных помех в сети питания на входе РЩЭ; Л4 - точка наблюдения электромагнитных помех в сети питания на выходе РЩЭ; Л5 - точка наблюдения электромагнитных помех в сети питания на входе ВУЗ ВТ; Л6 - точка наблюдения электромагнитных помех в сети питания на выходе ВУЗ ВТ; Л7 - точка наблюдения электромагнитных помех в сети питания на входе ИВЭ ВТ; Л8 - точка наблюдения электромагнитных помех в сети питания на выходе ИВЭ ВТ; Л9 - точка наблюдения электромагнитных помех в сети питания на входе функционального узла ВТ; - кондуктивный путь взаимодействия помех до ГРЩ здания; Х2 - путь взаимодействия электромагнитного поля через входные и выходные выводы ГРЩ здания; Х3 - кондуктивный путь взаимодействия помех через РЩЭ здания; Х4 - путь взаимодействия кондуктивных помех с выхода ГРЩ до РЩЭ здания; Х5 - путь взаимодействия электромагнитного поля через входные и выходные выводы РЩЭ здания; - кондуктивный путь взаимодействия помех через РЩЭ здания; Х7 - кондуктивный путь взаимодействия помех с выхода РЩЭ до ВУЗ ВТ; Х8 -путь взаимодействия электромагнитного поля через входные и выходные выводы ВУЗ по сети питания ВТ; Х9 - кондуктивный путь взаимодействия помех через ВУЗ по сети

питания ВТ [14]; - путь взаимодействия электромагнитного поля через корпус ВТ с его функциональным узлом; Х11 - кондуктивный путь взаимодействия помех с выхода ВУЗ до ИВЭ ВТ; Х12 - путь взаимодействия электромагнитного поля через входные и выходные выводы ИВЭ ВТ [9]; - кондуктивный путь взаимодействия помех через ИВЭ ВТ; Х14 - кондуктивный путь взаимодействия помех с выхода ИВЭ до функционального узла ВТ; & - цифровой элемент ВТ.

Рис. 2. Топологическая модель для сквозного прогнозирования помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания

На основе данной топологической модели сформулирована математическая постановка задачи сквозного прогнозирования помехоустойчивости ВТ внутри здания при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания:

ЕМС =

0,

п

1,

2к = 71 • (22 + 2з) • 24 • 2 + 26) • Z1 • (28 + 29) • (2Ю + (2„ • (212 + 2^)) • 2Ы

где V, А/ - параметры воздействующего электромагнитного поля; 2к - передаточная функция каждой подобласти; п - количество путей воздействия; к - количество подобластей; (У,А/') - прогнозные параметры электромагнитной помехи (амплитуда, длительность); (Ук, А/к) - критические параметры электромагнитной помехи.

Критерием нарушения помехоустойчивости ВТ при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания является превышение параметров (амплитуда, длительность) прогнозируемых электромагнитных помех на входе ИВЭ и цифровых элементов критического уровня.

В рамках данного критерия предлагается выделять следующие качества функционирования ВТ [8]:

1) нормальное функционирование ВТ;

2) временное нарушение функционирования, связанное со сбоем цифрового элемента ВТ;

3) физическое разрушение цифровых элементов ВТ;

4) физическое разрушение радиоэлементов ИВЭ ВТ;

5) физическое разрушение радиоэлементов ВУЗ ВТ.

Временное нарушение функционирования ВТ связано со сбоем цифровых элементов (ТТЛ, КМОП, ЭСЛ и др.) ВТ при воздействии на их порты питания кондуктивного электромагнитного импульса. При этом рассматривается задача статической и динамической помехоустойчивости ВТ. Параметры, определяющую статическую помехоустойчивость, приведены в технических условиях к цифровому элементу. Однако для нормального функционирования ВТ необходимо гарантировать их устойчивость не только к статическим, но и к импульсным помехам (динамическая помехоустойчивость). Импульсные помехи могут иметь большую амплитуду чем статические, поэтому иногда они более опасны [9]. Физическое разрушение элементов ВТ связано, в первую очередь, с термическим пробоем подложки цифрового элемента [10]. Как правило, причиной данного явления является воздействие на порт питания цифрового элемента электромагнитной помехи с большой амплитудой и с коротким фронтом/длительностью. Следующие критерия качества функционирования связаны с физическим разрушением радиоэлементов ИВЭ и ВУЗ ВТ. Как правило, наиболее «слабом местом» ИВЭ ВТ является конденсаторы входных фильтров и диодный мост. В ВУЗ в первую очередь сгорают варисторы с малым диаметром и ТУБ-диоды. Данное явление происходит при превышении энергопоглощающей способности данных радиоэлементов [11, 12, 13].

В качестве примера в рамках данной работы проведено имитационное моделирование функционирования цифровых элементов ВТ при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания [8]. Исходные данные: здание имеет ГРЩ и РЩЭ; для защиты ВТ по сети питания не используется ВУЗ; длина кабеля сети питания от ГРЩ до ВТ 30 м; тип элементной базы ВТ - ТТЛ-тип; источник кондуктивных электромагнитных воздействий подключен непосредственно к проводам фазы и нейтрали ГРЩ здания. Фронт/длительность электромагнитного импульса

(ЭМИ) - 1,2/50 мкс; амплитуда воздействующего ЭМИ - 4000 В; форма ЭМИ описывается двойной экспонентой (рис. 3, а).

В стандартных ГРЩ зданиях в качестве защитных устройств от скачков напряжения используются автоматические выключатели и устройства защитного отключения. Быстродействие данных устройств не превышает 6-17 мс [15]. Поэтому можно утверждать, что взаимодействие микросекундного ЭМИ с ГРЩ не приводит к его ослаблению. После ГРЩ кондуктивный ЭМИ проходит 30 м по кабелю сети питания. Изменения амплитуды и формы микросекундного ЭМИ после распространения по кабелю сети питания здания длиной 30 м показано на рис. 3, б [16].

и, В ^ 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400

0

\ V/

б

\ \

\ \ \ \ >

\ \

\

ч \ ч

X X Ч

Ч ^^^

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 мкс

Рис. 3. Форма ЭМИ воздействующего по сети питания

Как видно из рисунка, форма микросекундного ЭМИ после распространения 30 м по кабелю сети питания практически не изменяется от исходной формы, а амплитуда уменьшается не более чем на 5% [16]. Взаимодействие РЩЭ с микросекундным ЭМИ аналогично поведению ГРЩ здания. Отличие только в меньших рабочих токах, т.е. дополнительного ослабления ЭМИ не возникает. Далее анализируются возможные механизмы кондуктивного электромагнитного воздействия по сети питания ВТ. В данным случае можно выделить три механизма (рис. 4): 1) путь взаимодействия электромагнитного поля через корпус ВТ с его функциональным узлом; 2) путь взаимодействия электромагнитного поля через входные и выходные выводы ИВЭ ВТ; 3) кондуктивный путь взаимодействия помех через ИВЭ ВТ.

Следующий шаг - это определение границ критерия нарушения помехоустойчивости конкретного ВТ и его функционального узла. Например, на рис. 5. [8] представлен критерий нарушения помехоустойчивости для ВТ и его функционального узла (цифровой элемент ТТЛ-типа).

По результатам моделирования можно утверждать, что при определенных параметрах воздействующих ЭМИ по сети питания возможно временное нарушение функционирования, связанное со сбоем цифрового элемента. Также воздействие микросекундного ЭМИ по сети питания здания может приводить к физическому разрушению радиоэлементов ИВЭ и цифровых элементов ВТ. В данном случае воздействие микросекундного ЭМИ по сети питания приводит к физическому разрушению радиоэлементов ИВЭ (область А).

©

©

Корпус ИВЭ

Трансформатор

Цифровые элементы ВТ

Корпус ВТ

С

С

220 В

Рис. 4. Механизмы кондуктивного электромагнитного воздействия по сети питания ВТ

Рис. 5. Графическое представление границ критерия нарушения помехоустойчивости ВТ и его функционального узла

Выводы:

1. Предложена методика сквозного прогнозирования помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания, основанная на методе электромагнитных топологий.

2. Разработана общая топологическая модель для сквозного прогнозирования помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания.

3. Сформулирована математическая постановка задачи сквозного прогнозирования помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания.

4. Предложен критерий нарушения помехоустойчивости ВТ при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания.

5. Представлен пример применения методики сквозного прогнозирования помехоустойчивости ВТ внутри зданий при кондуктивных электромагнитных воздействиях по сети питания.

Summary

Modern computer equipment is an important part of automated control systems, including energy facilities. Therefore, the issue of noise—immunity disorders of the computer equipments from conductive electromagnetic interference through the power network of the building is correct for these objects. This paper proposes a method for cross-cutting predicting of the noise-immunity of computer equipments from conductive electromagnetic interference (unintentional and intentional) through the power network. The technique is based on the method of electromagnetic topologies.

Keywords: computer equipments, cross-cutting predicting, power network, conductive electromagnetic interference, the method of electromagnetic topologies.

Литература

1. Гизатуллин З.М. Сквозное прогнозирование электромагнитной совместимости электронно-вычислительных средств внутри зданий при внешних электромагнитных воздействиях // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2011. №2. С. 123-128.

2. 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.

3. Electromagnetic coupling on complex systems: Topological approach / J.P. Parmantier, G. Labaune, J.C. Alliot, P. Degauque // La Recherche Aerospatiale . 1990. No5. P. 235-238.

4. Electromagnetic Topology Analysis to Coupling Wires Enclosed in Cavities with Apertures / L. Ying, L. Jianshu, N. Guyan, S. Jiyuan // Mathematical Problems in Engineering. 2010. № 1. P. 1-10.

5. Methodology for interference analysis using electromagnetic topology techniques / P. Kirawanich, R. Gunda, N.S. Kranthi, J.C. Kroenung N.E. Islam // Applied Physics Letters. 2004. No15. P. 2949-2951.

6. Кириллов В.Ю. Электромагнитная совместимость элементов и устройств бортовых систем летательных аппаратов при воздействии электростатических разрядов: Автореф. дис. ... докт. техн. наук. М., 2002. 35 с.

7. Соколов А.Б. Обеспечение стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов: Автореф. дис. ... докт. техн. наук. М., 2009. 42 с.

8. Гизатуллин Р.М. Прогнозирование защиты информации в цифровых электронных средствах при преднамеренных электромагнитных воздействиях по сети питания // Технологии электромагнитной совместимости. 2010. №3. С. 64-72.

9. Вуль В. А. Помехоустойчивость наносекундных цифровых узлов. СпБ.: Энергия, 1977.

148 с.

10. 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.

11. Гизатуллин Р.М. Экспериментальные исследования эффективности внешних защитных устройств вычислительной техники от электромагнитных воздействий по сети питания // Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология: Сб. докл. IX Междунар. симпозиума. СПб., 2011. С. 468-472.

12. Гизатуллин Р.М. Экспериментальные исследования по проникновению преднамеренных микросекундных электромагнитных импульсов по сети питания к цифровым элементам электронных средств // Технологии электромагнитной совместимости. 2010. №3. С. 73-78.

13. Сухоруков С. А. Защита электронного оборудования от помех в сетях электропитания // Конфидент. 1998. № 4. С. 23-29.

14. Гизатуллин Р.М. Экспериментальные исследования эффективности внешних защитных устройств вычислительной техники от электромагнитных воздействий по сети питания // Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология: Сб. докл. IX Междунар. симпозиума. СПб., 2011. С. 468-472.

15. Миронюк В. Тест автоматических выключателей // MASTERCITY.RU: ежемес. интернет-изд. 2005. №6. URL: http://www.electrolibrary.info/books/test.htm (дата обращения: 20.10.2011).

16. Гизатуллин Р.М. Моделирование распространения электромагнитных импульсов по двухпроводной линии сети питания // Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология: Сб. докл. VIII Междунар. симпозиума. СПб., 2009. С. 65-67.

Поступила в редакцию 13 марта 2012 г.

Гизатуллин Рифнур Марселевич - ассистент кафедры «Информационные технологии проектирования ЭВС» Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева. Тел.: 8 (843) 231-00-81; 8 (906) 3291448. E-mail: grm444@mail.ru