ЭМС_конспект_полный

Ли т е р а т у р а

1.Э. Хабигер ЭМС. Основы ее обеспечения в технике: Пер. с нем.-М.: Атомиздат, 1995 г.

2.ГОСТ 23611-79. Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Термины и определения.-М.: Из-во стандартов.

3.ГОСТ 23872-79. Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Номенклатура параметров и классификация технических характеристик.- М.: Из-во стандартов.

4.ГОСТ 19542-83. Совместимость вычислительных машин электромагнитная. Термины и определения.-М.: Из-во стандартов.

5.Общесоюзные нормы допускаемых индустриальных радиопомех (нормы 1- 72-9-72).-М.: Связь, 1973.-73с.

6.ГОСТ 11001-80 (СТ СЭВ 502-84, СТ СЭВ 4924-84) Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний.-М.: Из-во стандартов.

7. ГОСТ 28279-89. Совместимость электромагнитная электрооборудование автомобиля и автомобильной бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Нормы и методы измерений.- М.: Из-во стандартов.

8.Общесоюзные нормы допускаемых индустриальных радиопомех. Электротранспорт. Допускаемые значения методы испытаний.-М.: Минсвязи

СССР, 1988.-10с.

9.ГОСТ 236611-79. Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Термины и определения.-М.: Из-во стандартов.

10.ГОСТ 11001-80. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний.-М.: Из-во стандартов.

11.Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем. В.И.Владимиров, А.Л.Докторов, Ф.В.Елизаров и др. Под ред. Н.М.Царькова.-М.: Радио и связь, 1985.-272с.

12.Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств.-М.: Радио и связь, 1984.-336с.

13.Михайлов А.С. Измерение параметров ЭМС РЭС.: Связь, 1980.-200с. 14.Винокуров В.И., Пащенко Е.Г., Харченко И.П. Электромагнитная совместимость судового радиооборудования.-Л.: Судостроение, 1977.-

232с.

15.Петровский В.И.. Седельников Ю.Е. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств: Учебное пособие для ВУЗов.-М.: Радио и связь, 1986.-216с.

16.Гурвич И.С. Защита ЭВМ от внешних помех.-М.: Энергоатомиздат, 1984.-224 с.

17.Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости.-М.: Радио и связь, 1989.-224с.

18.Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах:Пер. с англ. Под ред. М.В.Гальперина.-М.: Мир, 1979.-317с.

19.Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами:Пер. с англ. Под ред. Б.Н.Файзулаева.-М.: Мир, 1990.-238с.

20.Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Сост. Д.Уайт. В 3х вып. Вып.1. Общие вопро-

темные помехи и методы их уменьшения. Сокр. пер. с англ./Под ред. А.Н.Сапгира.-М.: Сов. радио, 1978.-272с.

22.Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и не-

х

преднамеренные помехи. Сост. Д.Уайт. В 3 вып. Вып.3. Измерение электромагнитных помех и измерительная аппаратура: сокр. пер. с англ./Под. ред. А.Д.Князева.-М.: Сов. радио, 1979.-464с.

23.А.С. 922802 МКИ G 06 G 7/48 К.А.Бочков, А.М. Костроминов. Устройство для моделироваиния импульсных помех. (рус.) Бюл. №15, 1982г.

24.А.С. 1287200 МКИ G 06G, G 7/48. К.А.Бочков, А.М. Костроминов, В.Ф. Кустов. Устройство для моделироваиния импульсных помех цифровой аппаратуры (рус.) Бюл. №4, 1987.

25.А.С. 1349514. G01R 19/00. Бочков К.А., Юдицкий Ю.А., Кустов В.Ф. Имитатор нестабильности напряжения трехфазной сети переменного тока. БИ №27 1990.

26.А.С. СССР 1254517 G06 Е 11/00 Устройство для контроля цифровых объектов. К.А.Бочков, А.М. Костроминов, А.А.Красногоров, Е.М.Розенберг. Б.И.№42 1980 г.

Введение

Проблема ЭМС является одной из трудноразрешимых задач. Особую актуальность проблема ЭМС приобретает для систем управления ответственными технологическими процессами (ОТП), связанными с жизнью людей, сохранностью материальных ценностей и окружающей среды. Научнотехнический прогресс, в том числе и на железнодорожном транспорте, немыслим без использования новейших достижений науки и техники и передовой технологии. С начала 80-х годов в системах управления ОТП началось широкое использование микроэлектронной техники, что позволило поднять их на качественно новый уровень. Однако создание многофункциональных информационных и управляющих систем ОТП осложнилось обострением проблемы обеспечения их безопасности. Новый этап осмысления проблемы обеспечения безопасности начался после крупных катастроф на химическом комбинате в Бхопале, на АЭС в Три-Майл-Айланде и Чернобыле, на космическом корабле многоразового использования Челленджер, приведших к человеческим жертвам, потере огромных материальных ценностей и экологическим бедствиям. Все это послужило толчком в развитии теории безопасности ОТП, так суммарные расходы на исследования по безопасности АЭС в западных странах составляют ежегод-

но более 1 млрд. долларов 1 .

Огромное внимание вопросам обеспечения безопасности уделяется в космической технике 2,3 , на воздушном 4,5 и морском 6,7 транспор-

те, в атомной энергетике 8,9 и других отраслях народного хозяйства

сОТП.

Кнарушениям условий безопасности могут привести не только отказы элементов микроэлектронных систем управления ОТП, но и сбои, вызванные действием электромагнитных помех.

Иллюстрацией этого могут служить два примера: гибель английского эсминца «Шеффилд» от управляемой ракеты из-за недостаточной электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств (РЭС) ко-

рабля 10 (англо-аргентинский конфликт), гибель 10 человек обслуживающего персонала из-за сбоев в работе роботизированных комплексов в Японии 11 . Известны также случаи, когда из-за сбоев в работе компьютеров биржа была ввергнута в хаос, а ракеты с ядерными боеголовками приведены в состояние 30-ти секундной готовности 12 . По данным 13 в процессе эксплуатации систем управления и защиты (СУЗ) АЭС с реакторами РБМК в период с 1988 по 1991 год 41% от общего числа их отказов составили сбои в работе из-за низкой помехозащищенности аппаратуры. Эти сбои привлекли частичные или полные остановы энергоблоков на различное время.

Учитывая, что сбои в работе микроэлектронных систем явления на порядок, а то и выше, более частые чем отказы, а последствия от влияния помех в конечном итоге проявляются также, как отказы аппаратных средств или ошибки программного обеспечения, проблема обеспечения электромагнитной совместимости, при заданном уровне безопасности, настолько же актуальна, насколько актуальна на современном этапе развития техники и проблема обеспечения безопасности ОТП.

Более того, проблема ЭМС выдвигается на первый план, о чем свидетельствует отношение к ней в западных странах, где микроэлектронные системы управления ОТП стали применяться раньше чем у нас в стране. Об эффективности решения проблемы ЭМС в известной степени можно судить по наличию нормативно-технической документации (НТД) в области стандартизации, нормирования и сертификации. В странах Евро-

пейского сообщества директивной 89/336/ЕЕС 14 с 1992 г. Введены единые нормы и обязательная сертификация на ЭМС любой электронной аппаратуры. С 1.01.96 г. в Европейского сообщества, согласно принятых законов, на рынок не допускается ни одно электронное или электрическое изделие не отвечающее требованиям по ЭМС. Огромное внимание уделяется в США проблеме ЭМС в области военных РЭС, где впервые требования по ЭМС были стандартизированы 15 . В настоящее время только США по данным 16 во всех родах войск и в авиакосмической промышленности действует более 50 стандартов и норм по ЭМС на различное электронное оборудование.

В настоящее время высшее инженерное образование в РБ переживает состояние глубокого кризиса, вызванного новыми экономическими и политическими условиями в стране.

Согласованная практика международного регулирования в области ЭМС директивные требования Европейского экономического сообщества (директива ЭМС 89/366/ЕЕС) и стандарты МЭК требуют значительного внимания к проблеме ЭМС при создании конкурентоспособной электронной аппаратуры. Вновь вводимые отечественные стандарты в области ЭМС и необходимостью сертификации как проводимой, так и импортируемой продукции. Становится очевидным необходимость углубленной подготовки инженеров-конструкторов в области ЭМС. Указанный подход полностью соответствует международной практике, в частности, подготовке европейского магистра по ЭМС в соответствие с программой Европейского сообщества ЕС ERASMUS.

1.Основы ЭМС.

1.1.Основные понятия и определения.

ЭМС относительно давно (более 30 лет)выделилась в самостоятельное научное направление и поэтому как любая наука ЭМС имеет свой язык, свои термины, понятия, определения. Рассмотрим основные из них.

Впервые термин ЭМС был введен в 1964 году 18 , когда группа американского комитета электрической и электронной промышленности (IEEE) по радиопомехам изменила свое название на группу IEEE по ЭМС

иотразила это в названиях своих периодических изданий.

Всвязи с ростом в последнее десятилетие аварий и катастроф, из-за отказов и сбоев в сложных многофункциональных системах управления, начинает выделяться в самостоятельное научное направление проблема ЭМС ответственных технологических процессов (ОТП) рис.1.1.

Ответственным технологическим процессом является такой 20 , отклонение параметров которого от номинальных значений на величины, превышающие некоторые пороговые значения, приводят к потерям больших материальных ценностей, к созданию угрозы здоровью и жизням людей или к невосполнимому ущербу окружающей среде. Примерами ОТП являются процессы движения поездов, полеты воздушных судов и космических кораблей, некоторые технологические процессы в атомной энергетике и в химической промышленности.

На железнодорожном транспорте безопасность движения поездов призваны обеспечивать системы СЦБ - сигнализации, централизации и блокировки, которые исторически были первыми автоматами безопасности

21 , а в настоящее время являются самыми массовыми. Системы СЦБ являются системами обеспечения безопасности движения поездов (СОБД), к которым относятся автоблокировка (АБ), электрическая централизация (ЭЦ), автоматическая переездная сигнализация и автошлагбаумы (АПС и АШ), диспетчерская централизация (ДЦ) совместно с ЭЦ на станциях и АБ на перегонах, автоматическая локомотивная сигнализация (АЛС).

Основное определение по Бочкову.

Электромагнитная совместимость микроэлектронных систем управления ответственными технологическими процессами определяется способностью микроэлектронной аппаратуры или системы функционировать с заданными параметрами надежности и безопасности при воздействии электромагнитных помех определенного уровня и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим микроэлектронным, в том числе и радиоэлектронным, системам. Таким образом это определение предполагает непосредственную связь наиболее важных показателей эффективности функционирования микроэлектронных систем управления ОТП с параметрами ЭМС, налагает требование нормирования как уровней электромагнитных помех, так и степени помехозащищенности микроэлектронных систем при безусловном обеспечении заданных показателей надежности и безопасности.

Определение по МЭК (международная техническая комиссия). Электромагнитная совместимость (ЭМС) - одновременное существо-

вание полезного сигнала и помехи, которое не сопровождается потерей информации, содержащейся в полезном сигнале (МЭК).

Проблема

ЭМС

ин

Ж

е

Ал

ыж

йн

ы

й

Рис.1.1.

Решая проблему ЭМС всегда можно выделить следующие звенья:

Электромагнитная обстановка - совокупность электромагнитных явлений, существующих в рассматриваемом пространстве. Описывается характеристиками источников помех и параметрами их воздействия, особенностями установленного оборудования, реализованными и нереализованными мероприятиями по повышению электромагнитной совместимости, а также неэлектрическими характеристиками окружающей среды, влияющими на электромагнитную совместимость (влажность воздуха, наличие поблизости материалов с трибоэлектрическими свойствами и т.д.).

Помеха - электромагнитный, электрический или магнитный процесс, созданный любым источником в пространстве или проводящей среде, который нежелательно влияет или может влиять на полезный сигнал при его передаче, приеме или преобразовании к заданному виду.

Допустимая помеха - помеха, значения параметров которой не выходят за пределы, установленные в нормативнотехнической документации (НТД).

Восприимчивость - мера реакции рецептора на влияние помехи как при наличии, так и при отсутствии полезного сигнала.

Основные характеристики рецептора помех: восприимчивость, помехоустойчивость, помехозащищенность.

Помехоустойчивость - свойство рецептора противостоять помехам, которое реализуется за счет выбранной структуры сигнала и принципа построения рецептора.

Помехозащищенность - свойство рецептора противостоять помехам, реализуемое за счет схемно-конструкторских решений, которое не нарушает выбранную структуру сигнала и принципа построения рецептора.

Одно и то же устойчиво может быть и рецептором и источником помех одновременно. Устройство идеально совместимо с внешней средой, если оно невосприимчиво к помехам и не создает их.

Уровень совместимости - допустимая вероятность сбоев, при которой обеспечивается заданный уровень надежности и безопасности функционирования системы, устройства.

1.2. Цели и основное содержание работ в области ЭМС, экономические и организационные аспекты.

Комплексная цель рациональных работ по электромагнитной совместимости при проектировании, изготовлении и использовании средств автоматизации состоит в том, чтобы устранить недостатки, обусловленные электромагнитной несовместимостью, т.е. путем организованного применения технически реальных мер при оправданных затратах достичь удовлетворительной совместимости, возможности измерения степени совместимости и испытания на совместимость и тем самым гарантировать объективное сравнение вариантов.

Принципиальными мероприятиями по повышению электромагнитной совместимости могут быть:

*подавление возникновения помех путем воздействия на источник помех;

*подавление или ослабление помех в тракте распространения;

*повышение помехозащищенности и устойчивости слабого звена путем осуществления мероприятий, влияющих на условия проникновения помехи и интенсивность воздействия проникшей помехи;

*разделение во времени режимов появления помехи и функционирования чувствительного элемента.

Практически используют эти возможности отдельно или комплексно. Технически реализуемы различные мероприятия: схемные, конструкторские, соответствующее математическое обеспечение, а также организационные.

Электромагнитная совместимость изделия наиболее эффективно достигается с учетом эксплуатационных и экономических условий путем планомерной и непрерывной работы на стадии проектирования изделия. Электромагнитная совместимость рассматривается наряду с другими параметрами как комплексная характеристика качества создаваемого изделия, и ее реализация прослеживается при изготовлении изделия системой контроля качества. Это означает по существу гарантию обеспечения собственной помехоустойчивости, т.е. по возможности исключение внутреннего электромагнитного воздействия с системе, а также обеспечения помехоустойчивости к внешнему воздействию при обоснованных затратах и реализацию оправданных мер, направленных на то, чтобы влияние Е изделия на окружающую среду не выходило за пределы установленных норм. При этом понятие «обоснованные затраты» при возможных внешний воздействиях не следует понимать с позиции достижения абсолютной устойчивости любой ценой. Прежде всего необходимо добиться минимизации общей стоимости KG, обусловленной стоимостью потерь KF вследствие работы системы с учетом влияния электромагнитной несовместимости и стоимостью дополнительных мероприятий KE по повышению электромагнитной совместимости. Это означает, что процесс повышения надежности в отношении электромагнитной совместимости требует все больших затрат (область левее точки Popt на рис.1.2.).

К

честве первого приближения представляющей интерес оптимальной стоимости KE,opt (рис.1.4.). Если правильно и своевременно учесть проблемы электромагнитной совместимости в процессе проектирования продукции, то возможно снизить дополнительные расходы на проектирование мер обеспечения электромагнитной совместимости до 1% стоимости заказа.

1.3.Источники электромагнитных помех, классификация уровней помех.

Помеха - электромагнитный, электрический или магнитный процесс, созданный любым источником в пространстве или проводящей среде, который нежелательно влияет или может влиять на полезный сигнал при его передаче, приеме или преобразовании к заданному виду.

Источники помех чрезвычайно разнообразны. По сути дела каждое изменение напряжения или тока в любой электрической цепи и сопутствующее ему изменение напряженности электрического и магнитного полей могут рассматриваться как потенциальный источник помех.

Согласно экспертной оценке специалистов 20 крупнейших японских электронных фирм наиболее частыми источниками и путями проникновения помех являются:

По характеру протекания процесса во времени различают помехи гармонические, импульсные и шумы. По месту расположения источника помех различают помехи собственные и внешние. Собственной является помеха, источник которой является частью рассматриваемого ЦТС, а внешней - помеха, источник который не является частью рассматриваемого ЦТС.

Ксобственным помехам можно отнести шумы, индуцированные помехи

ипомехи от рассогласования.

Шум - флуктуационный процесс, обусловленный дискретной природой электрического тока и представляющий собой последовательность очень коротких импульсов, проявляющихся хаотически в большом количестве.

Индуцированная помеха - помеха, возникающая вследствие непредусмотренной схемой и конструкцией рассматриваемого объекта передачи по паразитным связям напряжения, тока, заряда или магнитного потока помехи и рассматриваемую часть объекта.

Под паразитной связью при этом следует понимать связь по электрическим и (или) магнитным цепям, появляющуюся независимо от желания конструктора. В зависимости от физической природы элементов паразитных электрических цепей различают паразитную связь через общее полное сопротивление, емкостную паразитную связь и индуктивную паразитную связь. В зависимости от того, является или не является вызывающий помеху источник помех частью объекта, различают соответственно собственную и внешнюю помеху.

Помеха от рассогласования представляет собой нежелательный переходный процесс в рассматриваемой электрической цепи объекта, содержащей участки с распределенными и сосредоточенными параметрами, возникающей вследствие рассогласования между неоднородными участниками.

К внешним помехам можно отнести промышленные (индустриальные), от радиопередающих средств, атмосферные (в т.ч. разряды молний) и космические. Внешние помехи ЦТС безотносительно к первоисточнику их возникновения подразделяют на внешние индуцированные помехи, помехи из сети питания, из внешних линий связи и помехи от разряда электростатических зарядов.