Помехи в системах связи ИВС

Материал из Пермский Студенческий Портал

Перейти к: навигация, поиск

Помехи в системах связи ИВС. Схема проникновения помех. Способы борьбы с помехами. Экспериментальные исследования помехозащищенности.


В любой ИИС при передаче сигнала кроме полезного сигнала поступает большой набор помех, возникающий из-за взаимодействия системы связи с внешними окружающими элементами.
Основной задачей при передаче данных является обнаружение полезного сигнала, передаваемого от объекта управления.
Величина помех в канале связи может в несколько раз превышать величину полезного сигнала.

Инициаторы помех:

  1. любые радиопередающие устройства;
  2. силовые кабели;
  3. токоведущая часть АСУТП и другие источники излучения.

Содержание

Классификация помех

По происхождению

  1. естественные помехи (атмосферные, космические). К естественным помехам относят атмосферные помехи. Это помехи, обусловленные электрическими процессами, происходящими в атмосфере. Естественные помехи возникают также вследствие осадков (чем сильнее дождь, тем уровень помех больше). Среди атмосферных помех выделяют 2 вида:
    • импульсные (возникают вследствие ближних гроз);
    • флуктуационные (возникают вследствие дальних гроз).
  2. искусственные помехи – помехи, созданные индустрией вследствие применения различных передатчиков.
    1. преднамеренные – созданные с помощью специальных устройств с целью гашения передаваемого сигнала. Используются в военной технике и шпионаже. При преднамеренной помехе амплитуда помехи должна быть равна амплитуде полезного сигнала, и по возможности фаза. Сигнал помехи должен передаваться на той же частоте, что и полезный. В зависимости от соотношения полос передатчиков помех и приемника радиостанции эти помехи делят еще на 2 группы:
      • заградительные - задача – обеспечить передачу сигнала только узко заданной области;
      • прицельные – задача – влияние на сигналы других передатчиков.
    2. непреднамеренные помехи возникают вследствие работы оборудования, выполняющего другие задачи. Для снижения этих помех используется заземление кабеля, применяются фильтры.

По типу воздействия на систему

  1. Аддитивные помехи (если мешающее действие помехи не зависит от наличия сигнала). При ее действии результирующий сигнал на входе приемника может быть представлен в виде суммы нескольких независимых составляющих.
  2. ωполез. сигн.помехи1t+ωпомехи2t+…
    
  3. # Мультипликативная помеха – помеха, мешающее действие которой проявляется при наличии сигнала. Первоначально сигнал изменяется с заданным коэффициентом передачи распространения сигнала. Помеха возникает вследствие передачи сигнала на большие расстояния, поэтому существует ограничение в АСУТП на дальность передачи сигнала.

По соотношению ширины спектра сигнала и помехи

  1. узкополосная – если ее спектр значительно уже ширины спектра полезного сигнала;
  2. широкополосная – если спектр помехи покрывает большую часть спектра полезного сигнала.
  3. Изображение:Широкополосная_помеха.png Одна и та же помеха по отношению к одному сигналу может быть узкополосной, а по отношению к другому — широкополосной.

По способу воздействия на систему

Способ воздействия на систему определяет такое свойство системы как помехозащищенность. При рассмотрении вопроса помехозащищенности АСУТП рассматривает в комплексе с учетом помехозащищенности каждого элемента. Для каждого элемента АСУТП могут быть рассмотрены различные виды помех:
  1. внутриканальная помеха – помеха, приводящая к снижению уровня полезного сигнала при воздействии мешающих сигналов иных станций или каналов. Полезный сигнал одной подсистемы может наложиться на полезный сигнал другой подсистемы. В результате может возникнуть неадекватная реакция. Для решения этой проблемы рекомендуется защищать проводник или использовать для передачи один сигнал.
  2. Ретранслируемая помеха – этот вид помех возникает вследствие использования оборудования, т.н. повторители сигналов. Эта помеха появляется в процессе функционирования системы и д.б. устранена.
  3. Структурная помеха – помеха, структура которой совпадает со структурой полезного сигнала, но отличается по параметрам модуляции. Эта помеха может быть исключена путем включения соответствующего фильтра.
  4. Помехи, которые влияют на определенные элементы:
    • воздействующие на систему;
      1. внутрисистемные;
      2. внесистемные (межсистемные);
    • воздействующие на приемник; (Эти помехи связаны с нестабильностью полезного сигнала, наличием отклонений)
      1. внутриканальные;
      2. по соседнему каналу;
      3. по зеркальному каналу;
      4. по побочным каналам;
      5. вне рабочей полосы;
    • воздействующие на канал передачи.
      1. структурная помеха;
      2. имитационная помеха;
      3. ретранслируемая.

Имитационная помеха имеет одинаковую с полезным сигналом структуру (нежелательная помеха).

Для снижения помех на различных элементах АСУТП требуется применение помехозащищенных каналов и обеспечение помехозащищенности других элементов.

На канал измерения также влияет аппаратурная помеха – помеха, связанная с наводками на корпус канала измерения и наводки на цепи питания.

Количественные характеристики помех

Для анализа количественных характеристик используются следующие помехи: импульсные и флуктуационные.

Импульсные

Импульсные – помехи малой длительности, которые в общем случае состоят из большого числа импульсов.
Все импульсы случайно распределяются по времени и амплитуде.
Количественные характеристики позволяют оценить «мешающую» способность помехи, т.е. определить степень влияния помехи на передаваемый сигнал.
Вследствие анализа с определенной долей вероятности по количественным характеристикам можно определить требования к АСУТП по помехозащищенности.
В качестве математической модели импульсные помехи выбирают закон Пуассона.

Изображение:Закон Пуассона.png

P(n) – вероятность появления n импульсов помехи в сигнале
fcn – средняя частота следования импульсов помехи
Tc – длительность информационного сигнала
n – количество импульсов помехи, которые может исказить сигнал.
Величина P(n) тем меньше, чем выше кратность помехи.
Все коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки, строятся из расчета появления небольшого числа ошибок, т.к вероятность появления ошибки большой кратности мала.
Для анализа импульсных помех можно использовать различные модели. Модель Пуассона является одним из вариантов анализа импульсной помехи.

Флуктуационные

Флуктуационная (шумовая) – если представляет случайный, нормально распределенный шумовой сигнал (Гауссовский шум).
Для анализа шумовой помехи используется модель «белого шума» с неограниченным набором частот.
Модель основывается на нормальном законе распределения вероятности. Вычисление нормального закона может производиться с применением распределения.

Изображение:Распределение флуктуационной помехи.png – дифференциальный вид

P(Un) – Текущее значение амплитуды шумовой помехи
Ucp – Среднее значение амплитуды шумовой помехи
Изображение:Среднее значение амплитуды шумовой помехи.png
Изображение:Сигма равно корень от D.png – Средне квадратичное отклонение, характеризующее амплитуду переменной составляющей помехи
Изображение:Дисперсия флуктуационной помехи.png – дисперсия
(Un - Uср)2 прямо пропорционально энергии сигнала

Изображение:Нормальная вероятность появления помехи.gif

P(Un) – вероятность появления помехи
Вероятность появления помехи большой амплитуды мала.
При построении АСУКТП учитываются составляющие вид системы для построения фильтров.
Интегральный вид.

Изображение:Интегральный вид АСУКТП.png

Un <= x0 – вероятность того, что помеха не превысит величину x0.

Изображение:Вероятность того, что помеха не превысит величину x0.png

Количество передаваемой информации зависит от соотношения «сигнал-шум». Для флуктуационной помехи это отношение:
Изображение:Отношение сигнал-шум2.png
Изображение:Отношение сигнал-шум.png – это отношение «сигнал-шум»

Если Изображение:Отношение Pc-Pn.png >=10 , то действием помехи можно пренебречь. Помеха учитывается в виде вероятности искажения отдельных элементарных сигналов. Например, с помощью Uсигн. При увеличении амплитуды сигнала увеличивается α, следовательно соотношение стремиться к 10. Для уменьшения вероятности искажения сигналов можно использовать различные приемы.

Способы борьбы с помехами.

Нужны для обеспечения качества передаваемой информации, измеренной на объекте управления и передаваемой на узел хранения и обработки.
  1. Программные
  2. Программно-аппаратные

Программные способы

К программным относят механизмы достоверности доставляемых данных, которые заключаются в том, что при получении информационного пакета производится проверка контрольных стоповых битов и контрольной суммы. Система является жизнеспособной, если из битов 1 неправильный (искаженный).
Средства программной защиты реализуются:
  1. на уровне протокола передачи данных
  2. с помощью специального ПО, обеспечивающего взаимодействие с ОУ. К ним относятся продукты ИИС. Они производят оценку измерения, позволяют производить фильтрацию усиленных сигналов.

Вероятность декомпозиции данных измерений. Декомпозиция производится на программном уровне с целью сохранений «попутной» полезной информации.

Программно-аппаратные способы

Программно-аппаратная защита реализуется индивидуально для каждого модуля АСУТП. А именно:
  • канал измерения
  • система передачи данных
  • приемник информации.
Особое внимание уделяется элементам стыка компонентов систем.При наличии стыков увеличивается аддитивная помеха и помеха ретрансляции.
Стык в системе должен допускаться только при необходимости и должен быть реализован с применением специальных аппаратных модулей – кроссировочных устройств – это устройства, которые обеспечивают плотное соединение элементов кабеля и помехозащищенность на уровне корпуса.
Защита канала измерения включает устройство типа датчик и средство передачи информации. Для защиты от помех канал должен быть заземлен и иметь защитный корпус. Класс точности измерения определяется изготовителем измерительного канала с учетом уровня возможных помех, в т.ч. тепловых.
Защита устройства сбора и хранения информации. Защита этого уровня АСУТП обеспечивается путем использования испытанного в заданных условиях эксплуатации прибора; обеспечивается путем заземления и использования фильтров. Для одного устройства могут быть использованы различные виды фильтров.
Основной проблемой защиты является защита канала. В зависимости от амплитуды сигнала, а также наличия фильтров защиты и заземления влияет на дальность и качество передаваемых данных. При расчете этих характеристик в идеальных условиях производится получение максимальной дальности и скорости передачи данных. Реально скорость и дальность будут зависеть от типа используемого канала передачи данных.
Способы:
  1. применение заземленного кабеля;
  2. использование жил большого сечения (чем больше сечение, тем меньше уровень помех);
  3. использование экранирования с помощью технологии витой пары;
  4. использование методов повышения амплитуды первоначального сигнала;
  5. отсутствие сцепок в каналах связи.
Нельзя использовать скрутки, спайки разных металлов.
С целью повышения помехозащищенности несколько проводников можно объединить в единую кабельную систему (или структурированную кабельную сеть – СКС).
СКС строится таким образом, чтобы обеспечить взаимное исключение помех, например, для разных систем передачи информации используются разные амплитуды сигнала.

Комплексная защита системы от помех.

Выполняется путем экспериментального исследования помехозащищенности АСУТП (анализ влияния соседних передатчиков на область функционирования АСУТП; влияние разработанной АСУТП на другие передатчики; влияние внешних факторов на АСУТП).
Кабельная система любой АСУТП является антенной, которая принимает все сигналы, особенно в местах стыка.
При увеличении амплитуды передаваемого сигнала увеличивается уровень негативного воздействия системы на окружающую среду, в т.ч. и на человека.
Современные технологии автоматизации стремятся применять малоточные информационные системы в местах, где систему обслуживает человек. Это еще обеспечивает взрывобезопасность.
Например, технология ZigBee. Ее проблема – небольшая дальность передачи сигнала.