Введение 12
1. Объект и метод исследования 15
1.1. Объект исследования 15
1.1.1. Модальная фильтрация 15
1.1.2. Печатный МФ 16
1.2. Метод исследования 18
1.2.1. Вычисление матрицы коэффициентов электростатической
индукции 20
2. Моделирование резистивных МФ с лицевой и торцевой связью 23
3. Моделирование резистивного МФ с учетом потерь 26
4. Влияние сегментации при моделировании МФ 28
4.1. Параметры МФ 28
4.2. Метод моделирования 29
4.2.1. Вычисление матриц и роль сегментации 29
4.2.2. Моделирование входного воздействия 29
4.3. Результаты 30
4.4. Заключение по разделу 33
5. Измерение и моделирование временного отклика печатных резистивных
МФ с лицевой связью 34
5.1. Разработка и изготовление макетов 34
5.2. Методы моделирования и измерения 35
5.2.1. Метод измерения 35
5.3. Результаты моделирования и измерения 36
5.4. Обсуждение результатов 37
5.5. Заключение по разделу 38
6. Выявление безрезистивных печатных структур 39
6.1. Модальный фильтр 39
9
6.2. Виток меандровой линии 41
6.3. Заключение по разделу 43
7. Исследование временного отклика безрезистивного МФ 44
7.1. Результаты моделирования 44
7.2. Обсуждение результатов 47
7.3. Заключение по разделу 48
8. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 51
8.1. Потенциальные потребители результатов исследования 51
8.2. Анализ конкурентных технических решений 51
8.3. Исследование целесообразности вложения денежных средств в
научно-исследовательский проект 52
8.4. SWOT-анализ 54
8.5. Планирование научно-исследовательских работ 55
8.6. Бюджет научно-технического исследования 60
8.6.1. Расчет материальных затрат НТИ 60
8.6.2. Затраты на приобретение специального оборудования 60
8.6.3. Расчет заработной платы 61
8.6.4. Формирование бюджета НТИ 62
8.7. Заключение по разделу 63
9. Социальная ответственность 66
9.1. Производственная безопасность 66
9.1.1. Недостаточная освещённость рабочей зоны; отсутствие или
недостаток естественного света 67
9.1.2. Повышенный уровень шума 70
9.1.3. Повышенный уровень электромагнитных излучений; повышенная
напряжённость электрического поля 72
9.1.4. Микроклимат 73
9.1.5. Электрический ток (источник: ПК) 74
9.2. Экологическая безопасность 75
9.3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 76
9.3.1. Пожарная безопасность 76
9.4. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 77 Заключение 80
Список публикаций студента 81
Список используемых источников 85
Объектом исследования является асимметричный модальный фильтр с сильной лицевой связью.
Цель работы - разработка и совершенствование нового устройства защиты оборудования автоматизации от сверхкоротких импульсов путем проведения вычислительных и натурных экспериментов при различных параметрах устройства.
В данной выпускной квалификационной работе был разработан прототип устройства защиты оборудования автоматизации от СКИ, проведено экспериментальное подтверждение результатов моделирования его электрических характеристик. Исследован способ уменьшения времени моделирования. Выявлена схема включения устройства, обладающая большим коэффициентом ослабления помехового импульса. Выявлена закономерность в моментах прихода импульсов на выходе устройства, которые не наблюдались ранее.
Результаты данной работы поспособствуют внедрению новых принципов защиты оборудования автоматизации от сверхкоротких импульсов. Новые устройства, основанные на разработанном прототипе, будут надежными, дешевыми и радиационно-стойкими. Выявленная схема включения устройства в будущем позволит создать более совершенное устройство защиты, ввиду большего коэффициента ослабления и отсутствия в конструкции каких-либо радиоэлектронных компонентов.
Ключевые слова: защита оборудования автоматизации,
автоматизированная система в защищенном исполнении, сверхкоторкий импульс, модальный фильтр.
Качество функционирования оборудования автоматизации - датчиков, исполнительных устройств и, особенно, вычислительной техники (ВТ) - не только определяет работоспособность отдельного предприятия, но и в ряде случаев может иметь стратегическое значение для отдельного города и даже страны. В связи с этим, в настоящее время обществом все сильнее осознается угроза информационной безопасности ВТ. Наиболее злободневной и массовой является угроза так называемых «хакерских» атак, то есть угроза преднамеренного воздействия на ВТ на программном уровне. Тем не менее, сейчас также серьезно оценивается и другая угроза информационной безопасности ВТ - преднамеренное силовое электромагнитное воздействие (ПС ЭМВ) на ВТ на аппаратном уровне, способное привести к разрушению, уничтожению, искажению, сбою в работе, блокированию доступа к информации, а также к утрате, уничтожению или сбою функционирования носителя информации [1]. Подтверждением актуальности данной темы является стремительное развитие нормативных документов в области электромагнитной совместимости, причем как международных, так и отечественных. В нашей стране проблема ПС ЭМВ впервые законодательно была затронута в 2007 году [2], что послужило хорошим толчком для развития научно-исследовательской деятельности в этой области [3, 4, 5]. В последнее время эта проблема также обсуждается в рамках конкретных областей жизнедеятельности человека. Так, в [6] проблема ПС ЭМВ рассматривается как очевидная угроза для объектов транспортной инфраструктуры, защита от которой требует как новых технических, так и законодательных решений. Согласно документу [7], подписанному председателем Комитета Государственной Думы РФ по энергетике И.Д. Грачевым, реальную угрозу от ПС ЭМВ видят и представители предприятий топливно-энергетического комплекса. По их мнению, неоправданным является полное отсутствие в законодательстве и в нормативных правовых актах необходимой
регламентации вопросов защиты систем информационной инфраструктуры объектов топливно-энергетического комплекса от вмешательства посредством преднамеренных электромагнитных воздействий [7]. Одним из последних шагов в нормативном регулировании проблемы ПС ЭМВ стало утверждение нового национального стандарта [8], устанавливающего требования и положения для средств защиты автоматизированных систем в защищенном исполнении от ПС ЭМВ (вступил в силу на территории РФ с 1 июля 2015 года).
Особого внимания заслуживают сверхширокополосные импульсные воздействия, составными единицами которых являются сверхкороткие импульсы (СКИ). Эти импульсы практически не ослабляются традиционными устройствами защиты, что подтверждается экспериментальными исследованиями. Мощные защитные компоненты (газоразрядники) обладают недостаточным быстродействием, а быстродействующие (варисторы, TVS- диоды) - недостаточной мощностью, делая защиту от мощных СКИ ненадежной, что оставляет нерешенной проблему защиты аппаратуры простыми средствами. В результате современные защитные электронные компоненты либо перегорают от воздействия мощных коротких импульсов с опасно высоким напряжением, либо не успевают срабатывать, и защищаемая аппаратура выходит из строя [5, 10].
На данный момент известны некоторые специализированные
промышленные устройства для защиты от СКИ, имеющие крупные габариты
и высокую стоимость [11]. Таким образом, важен поиск новых принципов
проектирования защиты. Перспективными устройствами являются модальные
фильтры (МФ) - пассивные структуры, способные ослаблять СКИ путем его
разложения на импульсы меньшей амплитуды за счет различия погонных
задержек распространения мод сигнала в связанной линии с неоднородным
диэлектрическим заполнением [12]. Существенными достоинствами МФ
являются небольшая масса, высокая надежность и радиационная стойкость.
Исследованы и разработаны кабельные МФ для сети электропитания [13], а
13
также печатные МФ для сети Fast Ethernet [14], а также для защиты от разряда молнии [15]. Данная работа представляет собой продолжение работ по исследованию и разработке печатных МФ для защиты оборудования автоматизации от СКИ.
В данной работе исследовано новое устройство для защиты оборудования автоматизации от сверхкоротких импульсов - асимметричный модальный фильтр с лицевой связью. Описана математическая модель, используемая при квазистатическом моделировании этого устройства, в том числе с учетом потерь в проводниках и диэлектриках. Показано влияние взаимного расположения проводников устройства на способность разлагать помеховые импульсы. Выявлен и обоснован способ уменьшения времени моделирования устройства при квазистатическом анализе путем увеличения значения сегментации границ структуры.
Разработано 3 макета устройства с разными геометрическими параметрами, проведены экспериментальные испытания, доказывающие эффективность разложения помеховых импульсов. Проведен сравнительный анализ полученных экспериментальных форм сигнала с полученными при компьютерном моделировании, обоснована адекватность моделирования.
В заключение путем моделирования была выявлена схема включения устройства, не требующая резисторов и обладающая большим коэффициентом ослабления. Кроме того, выявлена закономерность в моментах прихода дополнительных импульсов в выходном сигнале, которые не наблюдались ранее.
Результаты данной работы поспособствуют внедрению новых принципов защиты оборудования автоматизации от сверхкоротких импульсов. Новые устройства, основанные на разработанном прототипе, будут надежными, дешевыми и радиационно-стойкими. Выявленная схема включения устройства в будущем позволит создать более совершенное устройство защиты, ввиду большего коэффициента ослабления и отсутствия в конструкции каких-либо радиоэлектронных компонентов.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
