Исследование и разработка методов повышения эффективности автоматизированных систем технической диагностики в приборостроении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Тайк Аунг Чжо

• Тайк Аунг Чжо
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Тайк Аунг Чжо

Введение

Глава1. Анализ современного состояния автоматизированных систем технической диагностики сложных энергообъектов

1.1 Классификация автоматизированных систем технической диагностики

1.2 Анализ методов и схем проведения технической диагностики

1.3. Обобщенные функциональные схемы основных компонентов автоматизированных систем технической диагностики

1.4 Теоретические исследования информационных параметров, наиболее существенно влияющих на эффективность АСТД

1.5. Постановка целей диссертационного исследовани

Выводы по главе

Глава2. Разработка методов повышения достоверности сигналов состояния энергетического оборудования

2.1 Исследование теоретических подходов к повышению достоверности автоматизированных систем технической диагностики

2.2. Анализ использующихся методов кодирования информации в системах технической диагностики

2.3 Разработка принципа кодирования сигналов состояния энергетического оборудования в процессе технической диагностики

2.4 Методика расчета системной достоверности сигналов состояния

2.5 Разработка метода повышения быстродействия информационных обменов

Выводы по главе

ГлаваЗ. Разработка способов повышения быстродействия и точности измерения электрических параметров энергетического оборудования

3.1. Анализ основных типов измерительных преобразователей

3.2 Разработка методики расчета погрешностей автобалансных мостовых измерителей

3.3. Разработка методики компенсации погрешностей компарирующих преобразователей

3.4. Разработка высоточного измерительного преобразователя для объектов технической диагностики

Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальные исследования эффективности разработанных

решений

4.1. Разработка методики проведения экспериментальных исследований по оценке достоверности телесигнализации автоматизированных систем технической диагностики

4.2. Разработка тестовой программы для проведения эксперимента по оценке достоверности ТС

4.3 Результаты экспериментальной проверки достоверности телесигнализации

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение

Приложение

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов повышения эффективности автоматизированных систем технической диагностики в приборостроении»

Актуальность работы

В настоящее время все более явно прослеживается тенденция к

пространственному рассредоточению и усложнению элементов, приборов и систем топливно-энергетического комплекса (ТЭК) , возрастанию мощности питающих энергосистем и увеличению потоков информации, что вызвало необходимость создания эффективных систем для повышения надежности энергетического оборудования. Указанные факторы определяют значительное ужесточение требований к достоверности контроля и точности измерений электрических параметров оборудования. Определение технического состояния контролируемых объектов в ходе эксплуатации или после ремонта является основной задачей автоматизированных систем технической диагностики.

Значительный вклад в развитие теории и практических аспектов построения автоматизированных систем управления и контроля, принципов повышения их надежности, помехоустойчивости и достоверности внесли В.А. Котельников, А.А. Харкевич, В.М. Глушков, Б.Н. Петров, Л.Н. Преснухин, C.E. Shanon, R.C. Bose, L.D. Grey, D.T Brown, W.W. Peterson, E.N. Gilbert и др.

Проблемы технической диагностики сложных технических объектов и систем нашли отражение в работах Каравая М.Ф., Пархоменко П.П., Гагариной Л.Г., Лисова О.И., Карибского В.В., Лобанова А.В., Согомоняна Е.С., Schlichting R., Rennels D.A., Dolev D. и многих других.

Важность развития методов и средств повышения эффективности автоматизированных систем технической диагностики объясняется исключительно важной ролью, которую играет ЭО в процессах энергообеспечения объектов промышленных производств и непромышленной сферы.

Современные требования, относящиеся к выполнению управления для объектов энергетики достаточно точно и жестко описаны в ГОСТ 26.205 и МЭК 870-4-93: вероятность трансформации команды управления не выше 10-14 ; вероятность потери команды управления выше 10-14 ; вероятность образования ложной команды управления или контрольного сообщения не выше 10-14.

Указанные требования к достоверности информации систем технической диагностики объектов энергетики в настоящее время не выполняются, в результате реальный уровень достоверности информации оказывается на несколько порядков ниже, чем определяемый стандартами.

В последнее время в связи с возрастающей сложностью и информационной насыщенностью производственных технологических процессов энергообеспечения особое внимание уделяется автоматизации измерений. Приходится констатировать, что используемые в настоящее время способы измерений не достаточно эффективны. Вместе с тем существуют значительные возможности для повышения достоверности управляющей информации и контрольных сообщений, а также точности измерений электрических параметров. Все вышесказанное определяет необходимость постоянного увеличения интенсивности исследований по повышению эффективности технической диагностики энергетического оборудования, связанной с созданием принципов эффективного кодирования команд управления и сигналов состояния энергетического оборудования, методов компенсации погрешностей измерения электрических параметров ЭО, способов повышения быстродействия и точности измерения электрических параметров.

Поэтому представляются актуальными исследования, направленные на развитие теоретических основ, разработку методов и средств повышения эффективности автоматизированных систем технической диагностики энергетического оборудования.

Объектом исследования является процесс технической диагностики энергетического оборудования.

Предметом исследования возможность повышения достоверности, быстродействия и точности измерений автоматизированных систем технической диагностики.

Целью диссертации является развитие теоретических основ, разработка методов и средств, обеспечивающих повышение достоверности, быстродействия и точности измерений автоматизированных систем технической диагностики энергетического оборудования.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.

• провести анализ современного состояния автоматизированных систем технической диагностики сложных энергообъектов;

• провести исследование теоретических подходов к повышению достоверности автоматизированных систем технической диагностики;

• разработать принципы кодирования и методику расчета достоверности сигналов состояния электротехнического оборудования в процессе технической диагностики;

• разработать способы повышения быстродействия информационных обменов в процессе технической диагностики;

• разработать способы повышения быстродействия и точности измерения электрических параметров энергетического оборудования;

• разработать методику и провести экспериментальные исследования по оценке достоверности телесигнализации автоматизированных систем технической диагностики.

Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследований составили основные положения теории вероятности, теории кодирования информации, теории измерений, теории автоматизированного управления технологическими процессами, методы технической

диагностики, принципы расчета электрических схем.

Научная новизна. Диссертационная работа представляет собой совокупность научно обоснованных технических разработок, направленных на совершенствование автоматизированных систем технической диагностики энергетического оборудования, создание принципов эффективного кодирования команд управления и сигналов состояния энергетического оборудования, методов компенсации погрешностей измерения электрических параметров ЭО, способов повышения быстродействия и точности измерения электрических параметров.

В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты.

1. Разработан способ кодирования дискретных сигналов состояния энергетического оборудования, сочетающий впервые синтезированный трехимпульсный корреляционный код с циклическим кодом.

2. Предложена методика расчета, математически обосновавшая, что предложенный способ кодирования обеспечивает получение высокого уровня "системной достоверности", характеризующийся суммарной вероятностей необнаруживаемых искажений информации и

необнаруживаемых неисправностей элементов всей трассы доставки

12

информации и составляющей 1,110' , что на несколько порядков лучше параметров современных аналогов.

3. Предложен способ формирования и передачи информационных сообщений в процессе технической диагностики энергетического оборудования, который за счет рационального группирования контролируемых объектов позволяет уменьшить длину передаваемого сообщения в 4-20 раз.

4. Предложен математический аппарат по анализу погрешностей

автобалансных мостовых измерителей, который дает возможность

оптимально синтезировать устройства, позволяющие компенсировать или

7

снизить влияние погрешностей на результат измерения электрических параметров оборудования в процессе его технической диагностики .

5. Разработана методика определения параметров измерительных преобразователей, которая обеспечивает повышение их быстродействия в среднем на 15 % за счет оптимального выбора значения критерия Qp и полной компенсации динамической погрешности.

6. Разработано устройство высоточного измерительного преобразователя для объектов технической диагностики, основанное на методе замещения и обеспечивающее повышение точности измерений на 2540%.

Научная новизна полученных результатов работы подтверждена свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ №2012613973, №2012614888.

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим совпадением теоретически рассчитанных и экспериментально полученных данных, что доказывает корректность предложенной автором методологии.

Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в разработке методов и средств, которые в составе автоматизированных систем технической диагностики обеспечивают повышение показателей достоверности, быстродействия и точности измерений параметров энергетического оборудования . Гибкость предложенных решений делает возможным их применение в автоматизированных системах технической диагностики в

электроэнергетике, атомной энергетике, ж/д транспорте , авиационных и морских терминалах, крупных промышленных предприятиях, мегаполисах, нефтегазопроводах и др.

Проведенные результаты экспериментальных исследований автора

подтвердили эффективность разработанных способов кодирования в

частности: вероятность необнаруживаемых искажений передачи ложных ТС

8

в нормальных условиях эксплуатации до воздействия помех составляет 5,3 -10"15; вероятность необнаруживаемых искажений передачи ложных ТС в нормальных условиях эксплуатации после воздействия помех составляет 8,7 -10"15; вероятность необнаруживаемых искажений передачи ложных ТС

при воздействии помех составляет 2,4 -10~14 , что значительно превышает уровни, оговоренные в ГОСТ 26.205-88 (10-10 - 10-12).

Самостоятельное практическое значение имеют:

• методика расчета уровня системной достоверности сигналов состояния энергетического оборудования в процессе технической диагностики;

• методика проведения экспериментальных исследований достоверности телесигнализации;

• тестовая программа для проведения экспериментальных исследований по оценке достоверности телесигнализации.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:

• разработка способа кодирования дискретных сигналов состояния энергетического оборудования;

• создание методики расчета уровня "системной достоверности" дискретных сигналов состояния энергетического оборудования;

• разработка способа формирования и передачи информационных сообщений в процессе технической диагностики энергетического оборудования;

• создание математического аппарата по анализу погрешностей автобалансных мостовых измерителей;

• разработка методики определения параметров измерительных преобразователей;

• разработка устройства высоточного измерительного преобразователя для объектов технической диагностики;

• разработка методики и тестовой программы для проведения экспериментальных исследований достоверности телесигнализации.

Реализация полученных результатов. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Национального исследовательского университета "Московский государственный институт электронной техники" в материалах курсов «Теория систем и системный анализ» и «Теория систем и математическое моделирование».

Результаты работы внедрены в НИР "Разработка основ теории, принципов построения и методов технической реализации многофункциональных систем для управления, технической диагностики и экологического мониторинга распределенных промышленных объектов ТЭК (Шифр "2013-1.5-14-515-0059-011")

В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные положения:

1. Для обеспечения высокого уровня системной достоверности сигналов состояния оборудования в процессе технической диагностики необходимо совместить процедуры ввода информации от датчиков с кодированием.

2. Способ трехимпульсного корреляционного кодирования , основанный на проведении процедуры кодирования для всех датчиков одновременно на трех разделенных по времени этапах, который формируя две разрешенные и четыре запрещенные кодовые определяет наличие и тип неисправности или отсутствие искажений в информационном сообщении и обеспечивает суммарную вероятность необнаруживаемых искажений

информации и необнаруживаемых неисправностей элементов всей трассы

12

доставки информации 1,110'

3. Способ формирования и передачи информационных сообщений в процессе технической диагностики энергетического оборудования основан на рациональном группировании контролируемых объектов и позволяет уменьшить длину передаваемого сообщения в 4-20 раз.

4. Методика расчета погрешностей автобалансных мостовых измерителей учитывает относительную погрешность измерения суммарной мощности, которая воздействует на терморезистор ; относительная погрешность суммарной мощности, связанной с изменением температуры окружающей среды; относительную погрешность измерения мощности смещения дает возможность компенсировать или снизить влияние погрешностей на результат измерения электрических параметров.

5. Для повышения быстродействия компарирующих преобразователей в среднем на 15 % необходимы оптимальный выбора значения критерия Qp , характеризующего динамику изменения замещающей мощности, которая поступает на терморезистор с генератора пилообразного напряжения и полная компенсация динамической погрешности, которая формирует замещающий сигнал и обусловлена инерционностью фильтра, за счет выбора линейной функции замещающего напряжения.

Апробация работы и публикации.

Материалы диссертации обсуждались на Всероссийской межвузовской

научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика"

(Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2012-2013-2015 г.г.), Всероссийской

межвузовской научно-практической конференции "Актуальные проблемы

информатизации в науке, образовании и экономике"(Москва, Зеленоград,

МИЭТ, 2012-2013-2014 г.г.), Международной научно-технической

конференции" Современные информационные технологии" (Пенза, ПГТА,

2013 г.), Международная телекоммуникацинная конференция студентов и

молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ И НАУКА» (Москва, МИФИ, 2012-2013

11

г.г.), Международной научно-практической конференции«Современные информационные технологии и ИТ-образование», (МГУ,2013г).

По результатам выступления на 21-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика-2014» получен диплом за 2- место в конкурсе работ аспирантов о секции "Автоматизированные информационные системы и информационные технологии.

Автор награжден дипломом за 1- место на 7-й Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - 2014» в конкурсе работ аспирантов по секции "Информационные технологии науке, образовании и экономике".

На 20-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика- 2013» получен диплом за активное участие в работе по секции "Автоматизированные информационные системы и информационные технологии.

По теме диссертации опубликовано 23 работ, полностью отражающих основные научные результаты, в том числе 12 статей (из них 7 - в журналах " Вести высших учебных заведений Черноземья" , "Естественные и технические науки", "Научное обозрение", " Актуальные проблемы современной науки «Спутник+»", входящих в перечень журналов, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертационных исследований),1 в журнале «Archives of Control Sciences», индексируемом SCOPUS, а также 8 тезисов докладов на научных конференциях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения,

библиографического списка из 99 наименований и 2 приложений. Работа

изложена на 171 страницах (163 страниц основного текста), содержит 6

таблиц и 59 рисунков. В приложениях приведены акты внедрения результатов

12

диссертационных исследований, фрагменты листинга тестовой программы для экспериментальных исследований по оценке достоверности.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются общие проблемы, цели и задачи исследования, рассматривается структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.

В первой главе проведен анализ современного состояния автоматизированных систем технической диагностики сложных энергообъектов. Представлена классификация автоматизированных систем технической диагностики. Рассмотрена обобщенная математическая модель системы технической диагностики. Проанализированы структурные схемы и функциональные возможности основных устройств автоматизированных систем технической диагностики. Представлены теоретические исследования информационных параметров, наиболее существенно влияющих на эффективность АСТД. Сформулированы цели и задачи диссертационных исследований.

Во второй главе разработаны методы повышения достоверности сигналов состояния энергетического оборудования. Исследованы теоретические подходы к повышению достоверности автоматизированных систем технической диагностики. Представлен анализ использующихся методов кодирования информации в системах технической диагностики. Разработаны принципы кодирования сигналов состояния электротехнического оборудования в процессе технической диагностики. Предложена методика расчета системной достоверности сигналов состояния энергетического оборудования. Представлен анализ взаимосвязи быстродействия и системной достоверности информации

В третьей главе осуществлена разработка способов повышения быстродействия и точности измерения электрических параметров энергетического оборудования. Представлен анализ основных типов измерительных преобразователей. Разработаны методики расчета

13

погрешностей автобалансных мостовых измерителей и компенсации погрешностей компарирующих преобразователей. Разработано устройство высоточного измерительного преобразователя, обеспечивающее компенсацию большинства видов погрешностей.

В четвертой главе разработаны методика и представлены результаты экспериментальных исследований достоверности телесигнализации автоматизированных систем технической диагностики.

В заключении диссертации сформулированы основные выводы и полученные результаты.

В приложении представлен фрагмент листинга тестовой программы для экспериментальных исследований по оценке достоверности и акты внедрения результатов диссертационных исследований.

Глава1. Анализ современного состояния автоматизированных систем технической диагностики сложных энергообъектов

1.1 Классификация автоматизированных систем технической диагностики

В последние годы наметилась тенденция к пространственному рассредоточению и усложнению энергетического оборудования, возрастанию мощности питающих энергосистем и увеличению потоков информации, что вызвало необходимость создания эффективных систем для повышения надежности эксплуатирующегося оборудования . Указанные факторы определяют значительное ужесточение требований к надежности управления и контроля, достоверности и точности измерений, в совокупности с универсальностью по многим параметрам [1,2,3,4].

Определение технического состояния контролируемых энергообъектов в ходе эксплуатации или после ремонта называют техническим диагностированием. С помощью технической диагностики предсказывают возможные отклонения в режимах работы и состояниях машин, аппаратов и устройств, а также разрабатывают методы и средства обнаружения и локализации неисправностей в них. Различным нарушениям работоспособности объектов контроля соответствуют определенные технические состояния, по которыми понимаются совокупность свойств объектов, подверженных изменениям в процессе ее производства или эксплуатации. Эти свойства характеризуются признаками (требованиями, параметрами), устанавливаемыми в стандартах, СНИПах, ГОСТ на функционирование приборов, устройств и систем. Введение переменной состояния функционирования И позволяет каждому значению И ставить в соответствие определенное техническое состояние[5,6,7,8].

Совокупность средств, правил и алгоритмов проведения процесса диагностирования в совокупности образует автоматизированную систему технического диагностирования (АСТД)[9].

Цель технической диагностики заключается в своевременной и достоверной оценке технического состояния приборов, устройств, систем и в обнаружении причины нарушения их работоспособности [10,11,12].

Целью технического контроля является только оценка технического состояния исследуемой системы.

В настоящее время эксплуатирующиеся на энергообъектах автоматизированные системы технической диагностики решают широкий круг задач. К ним в первую очередь относятся:

• проверка работоспособности объекта контроля;

• своевременное установление причины и места отказа;

• осуществление процесса реконфигурации в контролируемых объектах, направленных на восстановление их работоспособности;

• прогнозирование возможных отказов;

• прогнозирование развития отказа и его последствий и др.

Необходимо отметить, что все указанные выше задачи должны

решаться системами технической диагностики в реальном масштабе времени.

Важной характеристикой систем технической диагностики является глубина диагностирования. Эта характеристика определяет уровень проводимой диагностики в соответствии с иерархией объекта контроля. Можно осуществлять диагностирование до уровня отдельных устройств, образующих объект контроля, блоков и элементов[13,14,15,16].

Далее рассмотрим классификацию автоматизированных систем технической диагностики, которая представлена на рисунке 1.1.

Рис.1.1. Классификация систем технической диагностики В зависимости от степени универсальности АСТД можно разделить на специализированные и универсальные системы. Специализированные системы предназначены для диагностики объектов контроля одного типа.

Универсальные системы технической диагностики предполагают возможность оценивания технического состояния различных объектов контроля, включающих большое количество параметров и использование гибких адаптивных алгоритмов.

В зависимости от направленности и функциональности процесса технической диагностики АСТД можно разделить на: контролирующие, диагностирующие и прогнозирующие системы.

Контролирующие системы технической диагностики осуществляют только оценку работоспособности объекта диагностирования. С точки зрения простоты реализации данный вид систем можно отнести к самым простым. Вместе с тем при диагностике объектов, выполняющих жизненно важные функции, например самолет в режиме полета, такой вид диагностики является предпочтительным, поскольку возможна его реализация в реальном масштабе времени и осуществление эффективно схемы резервирования.

Поиск же неисправности при этом целесообразно осуществлять уже после посадки самолета[17,18,19].

Диагностирующие системы технической диагностики должны точно указать отказавшее устройство или элемент. Глубина диагностики зависит от степени детализации объекта диагностирования на отдельные устройства и элементы. В частности, при потере мощности карбюраторного двигателя можно указать на неисправность системы питания, а можно и конкретизировать отказ, определив техническую неисправность системы смесеобразования в карбюраторе [20].

Система прогнозирующей диагностики позволяет сделать прогноз технического состояния объекта контроля в будущем с учетом изменений тенденций в контролируемых параметрах и технических характеристиках.

С точки зрения конструктивного исполнения автоматизированные системы технической диагностики могут быть автономными и встроенными. Автономные системы технической диагностики реализуются отдельно от объекта диагностирования. Их связь с объектом диагностирования производится через специальные канала связи. Например, система диагностики ракеты в режиме полета проводится путем соответствующей обработки телеметрической информации, передающейся на землю посредством радиосигналов. Встроенные системы технической диагностики непосредственно интегрируются в объект диагностирования. При этом процесс обработки диагностической информации в таких системах осуществляется непосредственно в пределах объекта диагностирования. Такие системы носят название бортовых[21,22,23].

И, наконец, по форме сигналов и используемого оборудования

автоматизированные системы технической диагностики разделяются на

аналоговые, аналогово-цифровые и цифровые. В случае, когда процесс

диагностики определяется относительно небольшим количеством

параметров, представляющих собой непрерывные функции времени и для

18

обработки их используются простые алгоритмы, наиболее рациональным является применение аналоговых систем [24]. Такие системы отличает высокое быстродействие и надежность, однако точность работы аналоговых систем относительно невелика. Если в системе диагностики для реализации алгоритмов диагностирования используется ЭВМ, то ее связь с датчиками, выходные сигналы которых являются, как правило, непрерывными функциями времени, осуществляется посредством аналогово-цифровых преобразователей. Такие системы диагностики являются аналогово-цифровыми. К чисто цифровым системам диагностики можно отнести либо системы с цифровым сигналом, поступающим от датчика непосредственно в ЭВМ, либо системы диагностики самой ЭВМ[25,26].

В настоящее время можно выделить три основных вида оценки работоспособности технических систем. К первому виду относится диагностика по состоянию отдельных элементов системы. В этом случае техническое состояние объекта контроля определяется в результате прямых, косвенных или совокупных измерений параметров элементов. Схема процесса диагностики по состоянию отдельных элементов системы представлена на рисунке 1.2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тайк Аунг Чжо, 2015 год

использова

ние

комбинаци й

Последо Паралл Смеша

вательны ельный нный

й

С

обнаружен

ием ошибок (с защитой)

С

исправлени ем ошибок

частотные

широтные

полярные

С С Много Частот

разделит синхр провод ное

ельным онизац ное раздел

сигнало ией раздел ение

м ение

фазовые

Рис.2.5. Основные характеристики кода.

60

Для характеристики помехозащищенности кода в целом существует понятие минимального кодового расстояния dmin - минимального расстояния между любыми парами кодовых векторов, входящих в данный код. Совокупность кодовых расстояний между всеми рабочими векторами кода Ер образуют матрицу кодовых расстояний Бкр.

Екр

V \ V V, ^2 Vз - -- ^ ЕР

V 0 Л12 Л13 - -- Л1Ер

Л 21 0 Л23 - -- Л2Ер

Vз а 31 Л32 0 - -- Л3Ер

VE Ер ЛЕр 1 ЛЕр 2 ЛЕр3 - -- 0

(2.4)

Минимальное кодовое расстояние определяется из этой матрицы: dmin = тт^], Ущ=1,2, ...,ЕР.

В общем случае двоичные коды Е можно представить выражением:

п

Е = X2'кг,

¡=0

где и номер разряда кода;

2 - разрядный коэффициент (вес разряда);

(п+1)- число разрядов кода;

кг значение символа ("1" или "0") в разряде i.

Процессы кодирования для систем технической диагностики должны учитывать их основную особенность- необходимость передачи информации в режиме реального времени с высочайшей степенью достоверности. Столь жесткие требования объясняются значительными расстояниями между КП и ЦППС и отсутствием оперативного персонала на периферийных пунктах систем [72,73] . Поэтому в перечень основных требований к принципам построения систем технической диагностики, способам кодирования должны включаться: обеспечение минимальной задержки между возникновением "существенного" события и его достоверным приемом; обеспечение высокой помехоустойчивости кодированных сигналов и достоверности информации в

целом. Из представленных требований вытекает и другая особенность систем технической диагностики- существенно различающиеся требования к достоверности для разных видов информации. Последствия от необнаруженного искажения сообщений, содержащего сигнал подтверждения приема команды управления, и необнаруженные искажения сообщений, содержащего код команды управления, несравнимы [74]. Действительно, исполнение ложной команды управления должно быть практически исключено, поскольку неправильно выполненная КУ может привести к катастрофическим последствиям. Потеря сообщений тоже нежелательна, однако, последствия такого события менее пагубны, особенно если устройства формируют сообщения, содержащие сигнал- требование повторения потерянного (забракованного) сообщения.

Способы кодирования в системах технической диагностики неразрывно связаны с обратным преобразованием кодов- декодированием. Декодирование необходимо для отображения, регистрации, ретрансляции и т.п. операций, производимых приемником закодированной информации [72,73,74].

Проведем краткий анализ принципов построения основных типов кодов, используемых в АСТД.

Код с защитой по паритету (четности или нечетности)

При сопряжении систем технической диагностики с ПЭВМ или с источниками информации, поддерживающими протокол RS-232, Я8-485 , используются простейшие двоичные коды с защитой каждого байта "по паритету'- к каждому информационному байту добавляется один дополнительный (избыточный) разряд, который выбирается так, чтобы сумма символов "1" в основных и избыточном разрядах оказалась четной (при защите "на четность") или нечетной (при защите "на нечетность").

Емкость кода с защитой по паритету: Ер =2п'1 . Минимальное кодовое расстояние для любого варианта кода с защитой "по паритету" кзч = 2. Код обнаруживает однократные искажения (и все искажения нечетной кратности).

Кодовая комбинация, состоящая из п элементарных сигналов, не обнаружит искажения, если ошибка произошла в двух разрядах. Вероятность этого события составит:

Рнеоб иск кзч Р1 (1 Р1) Сп , (2.5)

1. где Р12 - определяет вероятность искажения двух элементарных сигналов в кодовой комбинации; (1 - Р1)п-2 - вероятность неискаженного приема

о

остальных (п-2) элементарных сигналов; С2 - число возможных сочетаний двойных ошибок в п символах кодовой комбинации.

2. При Р1 = 10-4, вероятность искажения любого байта информационного сообщения Рнеоб иск кзч =0,35-10-6. Видно, что достигаемая защищенность сообщения невелика, поэтому защиту "на четность" используют в качестве дополнительной, например, в системе ТМ-320 такой вид кода сочетался с более мощной защитой "повторением".

3. Для отображения связи способов кодирования и декодирования с общими принципами построения систем технической диагностики представляет интерес рассмотрение кодеров и декодеров для рассматриваемых кодов. Общая схема кодера приведена на рис. 2.6. Для примера дана "аппаратная" реализация схем, хотя реально большая часть описываемых ниже функций реализуется встроенными микроЭВМ. Устройство связи с источником информации обеспечивает согласование электрических параметров датчиков с аппаратурой кодера. Управление вводом, диагностикой и контролем информации от датчиков реализуется устройством сопряжения кодера с контроллером магистрали, который регулирует предоставление доступа данных кодера к общим ресурсам канала

63

связи. Устройство кодирования преобразует первичную информацию от источника в кодовое сообщение- выходную информацию. Схема устройства сопряжения кодера с контроллером магистрали, используемый в системах технической диагностики представлена на рисунке 2.7 .

4. Контроллер кодера (КК) работает следующим образом. На вход КК поступают от внешнего источника сигналы от генераторов частоты сигналов передачи(/передани) и приема (/приема), причем частота передачи ограничивается возможностями канала связи и обычно лежит в пределах от 100 до 2400 бит/с, а частота приема определяется возможностью внутренней магистрали устройства, в составе которого используется КК, и лежит в пределах от 100 до 1000 Кбит/с. Частота сигналов стробирования /Строб) существенно выше указанных частот, так как процесс кодирования разделяется распределителем на несколько разделенных во времени интервалов Со.. .С4.

На вход установки распределителя в начальном состоянии ^-вход) поступают сигналы /передачи или /приема в зависимости от реального режима работы КК, который фиксируется коммутатором. На этапе работы "3" КК переводится в режим передачи, а на управляющий (У) вход коммутатора подается сигнал "1" с соответствующего выхода демультиплексора фМЦХ). В одном полупериоде сигнала /передачи/приема) распределитель (сигналом "1" на Я-входе) удерживается в состоянии С0; во втором полупериоде, т.е. при переходе сигнала от коммутатора из "1" в "0", принудительное удержание распределителя снимается и он становится чувствительным к сигналам на С-входе от генератора/строб. В течение указанного полупериода распределитель последовательно (с частотой/строб) переключается в позиции Сь..С4. После формирования сигнала С4 на инвертирующий У-вход распределителя поступает"1" и он удерживается в принятом состоянии (С4) до поступления очередного сигнала на R-вход. Сигналами С .С4 синхронизируется работа всех узлов КК.

устройство сопряжения с контроллером магистрали (контроллер кодера)

устройство связи с источником информации

устройство кодирования

Рис.2.6.Обобщенная схема кодера кода с защитой на "четность"

СЧ2

С R

СЧ! 1

2

С

3

R k

k+1

Контроллер кодера

старт (И0) ■ готовность приема (И2) частота приема часто та передачи

частота стробирования данные

к+1

к+1

Co

MUX

И0 И1 И2 ИЗ И4 И5

АО А1 А2

С

Q

Ф2

Un

И0

У

DMUX

А0 А1 А2

И1 И2 1"

—2"

И3 —3"

И4 —4"

И5 —5"

—6"

И6

Распределитель

И0 С0-

С И1 С-

И2 С2 —3"

, У ИЗ Сз Сз

И4 С4 -

R

т го ct

(U

■ а

(U с

■О I-и о

X ш о

I-

о

Ф1

И

2

1

3

1

Рис.2.7. Устройство сопряжения кодера с контроллером магистрали

В состав КК включены два счетчика- Сч1 (для подсчета тактов работы КК) и Сч2 (для определения номера этапа работы КК). Выходные сигналы от Сч2 одновременно подаются на адресные (А) входы мультиплексора (MUX) и

65

демультиплексора (DMUX). При установке DMUX в состояние "0" на выходе элемента ИЛИ 1 появляется сигнал "1", который формирователем (Фг) преобразуется в импульс. Сигнал от Ф1 удерживает Сч2 в начальном состоянии, одновременно сигнал от Ф1 проходит и на выход Ф2 и переводит Сч1 в начальное состояние. КК ожидает поступления сигнала "старт", по которому в кодер вводятся данные от внешнего (не показанного на рисунке) источника. Сигнал "старт" ретранслируется со входа И0 на выход MUX, т.к. при "нулевом" коде на адресных шинах MUX вход И0 соединен с выходом. Выходной сигнал MUX формирователем Ф2 преобразуется в импульс, который переводит счетчик Сч2 в следующее кодовое состояние, а Сч1 - в начальное состояние. После этого в течение 2к тактов /приема на этапе "1" реализуется ввод данных в ОЗУ. Предполагается, что объем данных соответствует 2к бит, что определяет выбор структуры счетчика Сч1. Появление сигнала "1" на k+1- выходе счетчика Сч2 свидетельствует о завершении ввода данных. По указанному сигналу от Сч2 с помощью формирователя Ф2, как описано выше, Сч2 переводится в следующую кодовую позицию, а Сч1 возвращается в начальное состояние. Начинается этап "2" работы КК. С выхода 2 DMUX во внешнее устройство поступает сигнал "готовность передачи", а КК ожидает поступления сигнала "готовность приема". Сигнал "готовность приема" поступает на вход И2 MUX и переводит КК на этап "3"- вывода основной части принятого кода. Естественно, что длительности этапов "3" и "2" равны по числу тактов от коммутатора, однако, на этапе "3" частота сигналов на входе Сч1 (выходе коммутатора) соответствует /передачи. Завершается этап "3" при появлении сигнала "1" на k+1 выходе Сч1 .

Следующий этап "4" выделяется для формирования защитной части кода.

Для кодера с защитой на "четность/нечетность" длина этого этапа равна

одному периоду сигнала /передачи, и завершается при формировании сигнала

"1" на выходе 2 Сч1. Сформированным при этом сигналом на выходе 5 MUX

66

КК возвращается в начальное состояние. Отметим, что на основе приведенной схемы контроллера кодера можно синтезировать кодеры различных видов кодов. Приведем схему собственно кодера для кода с защитой на "четность/ нечетность", которая дополняет приведенную схему КК (рис.2.8).

от счетчика Сч1

Рис.2.8. Схема кодера с защитой на "четность(нечетность)"

На этапе "1" КК сигналом "1" на входе R/W ОЗУ переводится в режим записи данных, которые поступают на вход D от внешнего источника. Запись синхронизируется стробирующими сигналами Ci на входе С. Адрес ячейки ОЗУ, включающей 256 одноразрядных ячеек оперативной памяти, определяется кодовым состоянием Сч. 1 КК, сигналы от которого поступают на адресные (А) входы ОЗУ. На этапе "3" КК данные считываются из ОЗУ подачей на вход R/W сигнала логического "0".

Порядок считывания идентичен порядку записи, т.к. на адресные шины (А) ОЗУ подаются в том же порядке сигналы от Счг КК. На этапе "3" снимается сигнал принудительного удержания триггера 1 в состоянии "0". На вход данных (D) триггера подаются сигналы с выхода ОЗУ. Выходные сигналы ОЗУ переносятся в триггер по фронту сигнала С2 на его синхронизирующем входе.

Отметим, что фронт синхронизирующего сигнала С2 соответствует спаду сигнала С1, по которому данные считываются из ОЗУ. Благодаря некоторой задержке снятия выходного сигнала ОЗУ относительно С1, выведенный из ОЗУ сигнал еще удерживается на выходе к моменту поступления сигнала С2. Такая схема перезаписи исключает воздействие на триггер 1 переходного процесса. Выходные сигналы триггера 1, повторяющие ранее записанные данные от внешнего источника, поступают на выход кодера и на триггер 2, который выполняет функцию деления на 2 числа входных сигналов "1" от ОЗУ. Если триггер 2 к моменту окончания считывания данных из ОЗУ оказывается в состоянии "1", то на его вход поступило нечетное число "1". На этапе "4" проверяется состояние триггера 2 (на данном этапе на R-вход триггера 2 еще поступает сигнал "1" от элемента ИЛИ, т.е. триггер 2 принудительно не переводится в состояние "0" и удерживается в состоянии, принятом к моменту завершения считывания данных из ОЗУ). Итак, если было считано нечетное число сигналов "1", на выход кодера через элемент И поступает дополнительная "1", делая общее число выходных сигналов "1" четным. Если же число сигналов "1" было четным, триггер 2 остается в состоянии "0", дополнительный сигнал "1" не формируется, общее число сигналов "1" на выходе кодера остается четным, что соответствует формированию защиты "на четность общего числа "1"". Чтобы изменить вид защиты с "четности" на "нечетность", достаточно на вход элемента И подать сигнал не с прямого, а с инверсного выхода триггера 2. Для изменения вида кода можно использовать коммутатор на контактах К1, К2, К3. КЗ соединяется (в зависимости от требуемого вида кода) с К1 или К2.

Заметим, что в описанном кодере защищается на "четность" сразу вся информационная посылка. Такой же кодер можно использовать для защиты каждого байта посылки на "четность" или "нечетность". Для этого этап "4"

нужно повторять после считывания каждого байта из ОЗУ.

68

Код с постоянным числом сигналов «1» (код на одно сочетание)

Код на одно сочетание содержит во всех кодовых комбинациях постоянное число (т) сигналов "1". Он образуется из двоичного кода отбором указанных комбинаций. Емкость п- разрядного кода (Ер) определяется по числу сочетаний: Ер = С™. Минимальное кодовое расстояние ёщт тче =2. Код обнаруживает все искажения четной кратности, приводящие к нарушению условия т=свт1 числа сигналов "1", а также все искажения нечетной кратности.

Зачастую при передаче команд управления в качестве одной из составляющих комбинированного кода используется вариант кода с т = 1. Такой тип кода называется распределительным или позиционным - кодовая комбинация определяется позицией сигнала "1". При длине кодовой комбинации, равной п, число разрешенных комбинаций равно С\ =п .

Код обнаруживает все искажения нечетной кратности, а также большую часть искажений четной кратности, необнаруженными остаются только двойные искажения, приводящие к подавлению рабочего символа "1" при одновременной трансформации 0^1 в любом другом разряде кода.

Вероятность необнаруженного искажения сигнала кода Рнеоб иск кпче равна:

Рнеоб иск кпче= Р/ (1-Р1 Г' =(п-1) Р'(1- Р^3 . (2.6)

Нетрудно определить, что получаемые реальные значения вероятности необнаруживаемых искажений далеки от требуемых.

Код с повторением При формировании информационных сообщений, зачастую используется "код с повторением"- к основному информационному коду добавляется избыточный, аналогичный по структуре основному. Реально используется несколько вариантов формирования избыточной части кода: избыточная часть кода полностью повторяет основную (код с повторением

без инверсии); в избыточной части кода все символы инвертируются по отношению к соответствующим символам основного кода (код с повторением и безусловной инверсией); в избыточной части кода все символы инвертируются, если сумма символов "1" в основной части кода четная (нечетная), или полностью повторяют символы основной части кода, если указанная сумма нечетна (четна) - (код с повторением и условной инверсией) [75].

Декодер "кода с повторением" фиксирует посимвольное совпадение (или несовпадение) всех разрядов кода. Если символы одних и тех же разрядов кода будут искажены как в основной, так и в дополнительной частях, искажение кода не будет обнаружено. Емкость кода с повторением Ер =2п2 . Если не учитывать вероятностные характеристики помех, то минимальное кодовое расстояние указанного кода dmin т =2, так как можно указать варианты, при которых двукратное искажение кода переводит исходный разрешенный вектор в другой разрешенный вектор. Код с повторением обнаруживает все ошибки нечетной кратности и значительную часть ошибок четной кратности. По аналогии с кодом с защитой по паритету суммарная вероятность необнаруженного искажения для кода с повторением Рнеоб иск кп определяется:

п/2

п-2/

-II р21 ,

'п/21

Рнеоб иск кп XСп/2р (1 Р1) . (2.7)

1=1

>2

Для малых значений Р1 можно записать: Рнеоб иск (п/2) р .

При п/2 =64 и Р7=10"4 (без учета вероятностей искажения отдельно для сигналов "1" и "0" и реального группирования сигналов помех) получим р = О "39 • 10"6

1 необ иск кп 0,32 10 .

1. Видно, что использование одной ступени кодирования по методу " повторения" не обеспечивает требуемый уровень защищенности сообщений. Однако, при сочетании кода с повторением и других методов кодирования можно увеличить защищенность сообщений до требуемого уровня.

Кодер для кода с повторением может быть построен на базе рассмотренной структуры кодера для кода с защитой "на четность". На рисунке 2.9 приводится схема устройства кодирования, который сопрягается с уже рассмотренным контроллером.

от счетчика Сч1

Рис.2.9. Схема устройства формирования кода "с повторением"

В данном варианте кодера этап "4" делается идентичным этапу "3", для чего на вход И4 MUX подается сигнал не с выхода 2 Счь а с k+1 выхода этого счетчика. Триггер 1 не удерживается в состоянии "0" не только на этапе "3", а на двух этапах ("3" и "4") КК, для чего на R-вход триггера 1 подается сигнал от элемента ИЛИ. Таким образом, на выход кодера подаются сигналы, считываемые дважды из ОЗУ. Важное значение имеет элемент "=1" (ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ). При подаче на вход 2 этого элемента сигнала "1" (на этапе "4" КК), при повторном считывании данных из ОЗУ, сигналы, проходящие на выход элемента, оказываются инверсными по отношению к выходным сигналам ОЗУ. Кодер в рассмотренном случае формирует код "с защитой повторением при безусловной инверсии данных при повторной передаче". Следовательно, устанавливая перемычку между К4 и К6 или

71

между К5 и К6, можно реализовать кодер для защиты данных "повторением без инверсии" или "повторением с безусловной инверсией". Если дополнить приведенную схему элементами подсчета четности (нечетности) сигналов "1" в основной посылке, реализуется кодер для защиты "повторением с условной инверсией".

1. Хотя по формальным признакам код с повторением и инверсией обеспечивает такое же значение минимального кодового расстояния (<^тЫ кпи=2), что и код с повторением без инверсии, реальная защищенность этого кода выше, так как вероятность того, что в одном рабочем цикле помеха подавит какой-либо сигнал в основной и в том же разряде защитной части кода, меньше, чем одинаковое действие помех на сигналы основной и защитной частей сообщений.

Вариант кода с повторением и условной инверсией является примером реализации двухступенчатого кодера- в нем защита "по четности (нечетности)" сочетается с защитой "повторением", поэтому вероятность необнаруженного искажения комбинированного кода Рнеоб иск комб выражается произведением вероятностей необнаруженных искажений для каждой составляющей этого кода:

2 п-2 2 "/2 1 2/ " 2'

Рнеоб иск комб =Р2(1-Р,)п Сп XС'я12^*(1 -Р) . (2.8)

1=1

Обычно защита "на четность/нечетность" вводится для каждого байта информационного сообщения. Тогда вероятность необнаруживаемого искажения для указанного варианта комбинированного кода Р'необ иск комб будет равна:

Р'необ иск комб = ]п/8[ Р?(1-Р, Г'С} (п/2)Р? , (2.9)

где ] [ - знак округления до ближайшего большего целого числа.

4 12

При малых значениях Р^= 10- для п =64 получим: Р'необ иск комб «10- . Полученное значение (при учете искажений, вызванных только помехами в канале связи) соответствует установленному ГОСТ значению для каналов

72

ввода-вывода дискретных сигналов, но ниже уровня, задаваемого для канала ввода-вывода команд управления [76].

На рисунке 2.10 отражено графическое представление зависимостей Рнеоб иск Р0 при п=8 для двоичных кодов с обнаружением ошибок. Принятые сокращения: ПДК- простой двоичный код; КП- код с повторением; КЗЧ- код с защитой на четность; КЗЧИ- код с защитой на четность и инверсией; КПЧЕ- код с постоянным числом единиц. Как видно из рис. 2.10 , использование при разработке способов кодирования только одного типа кодов с обнаружением ошибок не обеспечивает необходимый уровень достоверности информации.

Рис.2.10. Графическое представление зависимостей Рнеобиск р1) для двоичных кодов с обнаружением ошибок

Корректирующие коды (коды с обнаружением и исправлением ошибок)

В системах технической диагностики широкое применение получили также коды, которые по формальным признакам могут не только обнаруживать, но и исправлять ошибки. Однако в связи с жесткими требованиями к достоверности информации исправляющие свойства кодов не используются, так как процедуры исправления ошибок приводят к увеличению вероятности маскировки искажений [ 71,72].

Коды с обнаружением r-кратных и исправлением s-кратных ошибок должны обладать минимальным кодовым расстоянием, определяемым условием:

dmin >r+s+1. (2.10)

Увеличение кодового расстояния достигается увеличением общего числа разрядов кода n при уменьшении числа используемых рабочих комбинаций Ep, т.е. увеличением Киз. Предельное число рабочих комбинаций Ep, удовлетворяющих условию исправления всех ошибок s-кратности включительно, согласно Хэммингу составляет:

2n

Ep =--. (2.11)

IQ

i = 0

Исследования привели к созданию большого числа типов корректирующих кодов. На рис. 2.11 дана классификация наиболее известных из них .

Циклический код

Практически все современные системы технической диагностики используют стандартные Международные протоколы, которые регламентируют компоненты рабочего цикла при передаче информационных сообщений. Наиболее широко в системах управления, контроля и технической диагностики, построенных по принципам SCADA systems, применяется протокол HDLC . Суммарно все компоненты рабочего цикла

протокола HDLC по структуре соответствуют одному из видов линейных кодов - циклическому коду [71,72,73].

Запись циклического кода наиболее удобна в виде полинома переменной x :

H(x)=bn-i x"'1 + bn-2 x"-2 + bn-i x"'1 + bi x + bo , (2.12)

где n-число разрядов кода; b- разрядные коэффициенты, принимающие значения "1" или "0" в зависимости от наличия или отсутствия соответствующего разряда в кодовой комбинации.

ч /

/ Корректирующие коды \

Рис.2.11. Классификация корректирующих кодов

Циклический код характеризуется образующим порождающим полиномом О(х), в качестве которого используются неприводимые многочлены, которые без остатка делятся на себя или на единицу. Степень этого полинома д=п- пи , где q -число проверочных символов в кодовых комбинациях, пи -число избыточных разрядов. Вид образующего полинома и его степень определяют способность циклического кода обнаруживать и корректировать искажения.

Циклический код образуется путем умножения кодовой комбинации Q(x) двоичного неизбыточного кода, имеющего число разрядов пи, на образующий полином : H(x)=Q(x)G(x).

Однако при таком способе образования информационные и контрольные символы в комбинациях циклического кода не разделены друг от друга, что затрудняет процесс декодирования. Поэтому применяют другой способ построения циклического кода. Алгоритм образования циклического кода может быть сформулирован следующим образом: каждая комбинация полинома Q(x) умножается на одночлены xq, а затем делится на образующий полином G(x), степень которого равна д []. При делении произведения Q(x)xq на G(x) получается частное Стой же степени, что и Q(x). Если полином Q(x)xq не делится нацело на G(x), то появляется остаток Я^), т.е.:

Умножая обе части равенства (2.13) на G(x) и группируя его члены, получаем выражение для циклического кода:

Важно отметить, что в образованном по описанному алгоритму циклическом коде расположение информационных символов во всех комбинациях строго упорядочено- они занимают старшие разряды образованной комбинации, за которой следуют проверочные разряды.

(2.13)

Н^) = СG(x) © Я^) = Q(x) xq © Я^) .

(2.14)

Указанная особенность циклического кода позволяет упростить структуру кодеров и декодеров.

Для формирования строк образующей матрицы ^ по описанному

выше способу построения циклического кода берут не произвольные комбинации безызбыточного кода Q(x), а лишь те из них, которые содержат единицу в одном разряде Qi(x), где ¡=1+пи . Именно эти комбинации

умножаются на ха , а затем находится остаток от деления —-—, равный

О(х)

Я(х). Соответствующая строка матрицы записывается в виде: Qi(x ха +Я(х).

^_^ 1

При этом вся матрица разбивается на две подматрицы: ОпПи = \ \, где

I -единичная подматрица с числом столбцов и строк пи ; Од -

подматрица с числом столбцов а и строк пи , образованные остатками от деления Я(х).

При искажении полинома Q(x) образуется полином:

Q'(x) = Q(x) © Б(х), (2.15)

где Б(х)~ условный полином ошибки, имеющий символы "1" в тех разрядах, которые искажены помехой. Очевидно, что искажение кода будет зафиксировано, если при делении Б(х) на О(х) образуется остаток, так как Q(x) заведомо делится на О(х) без остатка. Проверка правильности приема состоит в проверке делимости Q'(x) на О(х): если остаток от деления равен 0, то информация считается принятой правильно либо имеет место необнаруживаемая ошибка. По числу символов 8(х) определяется минимально достаточная степень образующего полинома для обнаружения искажений требуемой кратности [77].

Для плотно упакованных циклических кодов вероятность ошибки может быть определена следующим методом. В таких кодах все комбинации в каждой группе отличаются от рабочей не более, чем я элементами. Возникновение любых (s+1) и более элементарных ошибок приводит к

77

необнаруженным искажениям. Тогда можно записать для безусловной вероятности необнаруженного искажения []:

П П

Рнеоб иск цк = ЪС'Р; (1 - Р)=1-ЪСПР; (1 - Р); (2.16)

/=5+1 1=0

при пР1 <<1

Рнеоб иск цк п р . (2.17)

На диаграмме (рис.2.12) представлены графики зависимостей Рнеоб иск цк (Р1, п) для циклических кодов при п={64,128,256} и Р1 ={0,0001; 0,001; 0,01} и 8=3.

Как видно из диаграммы, применение только циклических кодов не

12

обеспечивает достаточно высокую достоверность (Рнеоб иск цк <10' ) для длинных информационных сообщений (п>128). Более мощные коды, обнаруживающие более трех ошибок, имеют большую избыточность, что недопустимо увеличивает время передачи и обработки информационных сообщений. Таким образом по критерию системной достоверности рассмотренные коды не могут применяться в высокоэффективных системах технической диагностики.

—■—Рнеоб иск(п=64) —А—Рнеоб иск(п=128) —¥■—Рнеоб иск(п=256)

Рис.2.12.Графики зависимостей Рнеобискцк (Р1, п) для циклических кодов

2.3 Разработка принципа кодирования сигналов состояния энергетического оборудования в процессе технической диагностики

Как было показано выше, процедуры введения защиты сообщений

только от искажений помехами в канале связи не обеспечивают высокий уровень интегральной достоверности. Следовательно, необходимо совместить процедуры ввода информации от датчиков и кодирования, т.е. включить кодер в состав устройства ввода информации.

1. Подходы к выбору способов кодирования для канала ввода-вывода сигналов состояния оборудования по критерию "высокой системной достоверности" иллюстрируются схемой прохождения дискретных сигналов от датчиков к средствам отображения принятого сигнала (рис.2.13).

2. Датчики, формирующие сигнал, идентифицирующий состояние объектов диагностики, как правило, размещаются в зоне действия электромагнитных помех. В связи с широкой частотной полосой флуктуационных помех или "белого шума", введение фильтров нельзя признать эффективным помехозащитным средством, что приводит к замедлению процесса ввода сигналов, уменьшению времени, в течение которого считывается сигнал от датчика, другими словами требует применения стробирования при вводе данных. В этом случае вероятность искажения сигнала от датчика (Рстроб) можно определить, как:

Рстроб Р1 Роnр, (2.18)

где Ред - вероятность возникновения единичной помехи, искажающей сигнал от датчика, Рдат - вероятность опроса состояния датчика во время действия помехи, т.е. :

Тстр

Рстроб Ред ~ , (2.19)

Т цикл

где Тстр- длительность стробирующего сигнала; Тцикл- период между смежными циклами опроса состояния датчика. Например, при Ред=10-, Тстр=10-7 с , Тцикл= 10-2 с , имеем Рстроб = 10-8.

Из представленных численных оценок параметров достоверности видно, что использование только одного метода стробирования не обеспечивает достаточного уровня достоверности. В качестве дополнительной меры повышения уровня достоверности может быть использовано повторное стробирование сигнала от датчика с интервалом времени, превышающим возможную длительность сигнала помехи, но и данный способ приводит к ухудшению динамических характеристик систем технической диагностики [71].

Использование кода "повторение без инверсии" позволяет минимизировать воздействие случайного фактора искажения информации. Но, как показали результаты предыдущего анализа, искажения сигналов могут быть вызваны факторами длительного действия, в частности, неисправностью цепей связи датчиков с модулем ввода данных, неработоспособностью индивидуальной или общей цепи устройства ввода данных.

Таким образом, по результатам проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

• для повышения достоверности информации необходимо вводить узлы диагностики, которые позволяют в динамическом режиме обнаруживать искажения по всей трассе доставки информации приемнику,

• временной сдвиг между обнаружением отказа и отображением его на центральном пункте управления системы должен быть минимальным,

• узлы диагностики должны обеспечивать динамический контроль работоспособности всех элементов системы, то есть обнаруживать неисправности, эквивалентные как коротким замыканиям («лишним» сигналам «1»), так и разрывам связей («лишним» сигналам «0»).

Таким образом, что для обеспечения высокого уровня системной

достоверности сигналов состояния оборудования в процессе технической

диагностики необходимо совместить процедуры ввода информации от

80

датчиков с кодированием, то есть включить устройство кодирования сигналов в состав модуля ввода информации. Динамический контроль работоспособности может быть успешным, если в процессе ввода информации, совмещенного с ее кодированием, проверить возможность установки любого элемента модуля в состояние «1» и «0».

Традиционного для подобного биимпульсного кодирования сигналов применяется Манчестерский код, в котором каждый дискретный сигнал представляется двумя битами - "10" или "01", причем второй бит формируют простым инвертированием первого. Данный код позволяет обнаруживать искажения сигналов информационного сообщения помехами в канале связи контролируемого пункта, в котором установлен кодер с центральным пунктом управления (декодером информации).

Но представленный способ кодирования, основанный на использовании Манчестерского кода, не позволяет обнаруживать искажения, вызванные разрывом или коротким замыканием цепи связи кодера с каким-либо датчиком, то есть не обеспечивает требуемый уровень достоверности.

Для устранения данного недостатка был разработан способ кодирования , основанный на проведении процедуры кодирования для всех датчиков одновременно на трех разделенных по времени этапах - на первом этапе для каждого датчика дискретного сигнала формируют сигнал "1" или "0" для соответственно замкнутого и разомкнутого состояния, на втором этапе определяют наличие короткого замыкания или обрыва цепей связи датчиков с кодером, а на заключительном третьем этапе идентифицируется исправность элементов формирования выходного кода.

Необходимо отметить, что представленная трехступенчатая процедура кодирования проводится таким образом, что комбинация сигналов, полученная на всех трех этапах при кодировании сигнала от датчика, не повторяется при замкнутом и разомкнутом состоянии датчика, наличии

короткого замыкания и обрыва цепи связи датчика с кодером, а также при неисправности кодера и (или) контроллера передачи данных в канал связи.

Одновременность проведения процедур кодирования для всех датчиков обеспечивает повышение оперативности, а использование трех этапов кодирования позволяет сформировать неповторяемые кодовые комбинации, позволяющие идентифицировать наличие и тип неисправности элементов, участвующих в кодировании, формировании и передаче сформированного сообщения по каналу связи с центральным пунктом управления.

На рисунке 2.13 представлены кодовые комбинации трехимпульсного корреляционного кода (ТКК), образуемые на трех разделенных по времени этапах при кодировании сигналов от датчиков и при формировании сообщения, передаваемого по каналу связи.

При замкнутом состоянии любого датчика на трех этапах кодирования образуется кодовая комбинация 110, а при разомкнутом состоянии - кодовая комбинация 010. Если зафиксирован обрыв цепи датчика с кодером устройства, на трех этапах кодирования для соответствующего датчика образуется кодовая комбинация 011, а при обнаружении короткого замыкания в цепи связи датчика с кодером - кодовая комбинация 101. При неисправности типа «ложное срабатывание» элементов, формирующих информационное сообщение для передачи по каналу связи, формируется кодовая комбинация 111, а при неисправности типа «отказ» - кодовая комбинация 000. Таким образом, для каждого рассмотренного случая формируется уникальная кодовая комбинация, при анализе которой однозначно определяется наличие и тип неисправности или отсутствие искажений в информационном сообщении, принятом на центральном пункте управления.

Первый этап Второй этап Третий этап ■

замкнут 1

разомкнут •

обрыв цепи связи с датчиком

Короткое замыкание 1 1

....................

ложное срабатывание 1

....................

отказ Г

Рис.2.13. Кодовые комбинации трехимпульсного корреляционного кода На рисунке 2.14 представлена реализация процедур кодирования при разделении каждого из трех этапов на три такта. Общее количество тактов, на которых реализуются три этапа кодирования, равно девяти (от нулевого до восьмого). Число тактов в каждом этапе равно трем. На первом такте каждого этапа кодирования (1-1; 1-2; 1-3) фиксируется состояние датчиков, а полученная информация записывается в регистр памяти. Одновременно с записью данных в регистр из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) считываются данные, полученные на ранее проведенных процедурах кодирования сигналов от датчиков.

первый этап второй этап третий этап

0 1 2 3 4 5 6 7 8

1-1 2-1 3-1 1-2 2-2 2-3 1-3 2-3 3-3

запись в регистр

считывание

из ОЗУ сравнение данных запись в ОЗУ

Рис.2.14. Реализация процедур кодирования

На втором такте (2-1; 2-2; 2-3) каждого этапа кодирования данные, записанные в регистр и соответствующие текущему состоянию каждого датчика и цепей связи с ним, сравниваются с информацией, считанной из ОЗУ. Несоответствие сравниваемых сигналов свидетельствует об изменении состояния какого-либо датчика или цепей связи с ним. При обнаружении несоответствия для любого датчика новая информация на третьем такте соответствующего этапа (3-1; 3-2; 3-3) заносится в ОЗУ, а также в контроллер передачи. Контроллер формирует информационное сообщение для передачи по каналу связи в виде циклического кода, содержащего, кроме кодов состояния датчиков, цепей связи с ними и информации о работоспособности аппаратуры, дополнительные составляющие - адрес контролируемого пункта, код типа информации, а также контрольную последовательность кода (КПК).

2.4 Методика расчета системной достоверности сигналов состояния

Проведем расчет системной достоверности сигналов состояния

электротехнического оборудования для предложенного в работе способа кодирования [78].

Расчет будем проводить при следующих начальных условиях, которые определяют структуру информационной посылки:

- код идентификации адреса контролируемого пункта (два байта);

- код идентификации типа информационного сообщения (два

байта);

- информационное поле ( от 0 до 64 байт);

- поле защиты, контрольная последовательность кода (два байта). При условии, что искажение каждого компонента информационного

сообщения является независимым событием, определим вероятность необнаруживаемого искажения всего сообщения как сумму вероятностей всех его составляющих:

Рнеоб Рввод+ Ракп + Ртип + Рзащ. ? (2.20)

где Рввод - необнаруживаемые искажения при вводе и одновременном кодированием для образования трехимпульсного корреляционного кода;

Ракп - вероятность необнаруживаемого искажения кода идентификации адреса контролируемого пункта;

Ртип - вероятность необнаруживаемого искажения кода идентификации типа сообщения;

Рзащ - вероятность необнаруживаемого искажения контрольной последовательности кода.

Вероятность необнаруживаемого искажения информации при вводе информации и формировании трехимпульсного корреляционного кода составляет:

Рввод =п Р0 Рстроб ~ Рстроб) , (221)

где Р0 - вероятность такого воздействия помехи при повторном искажении вводимого сигнала состояния оборудования, которое противоположно воздействию при первичном искажении; п -разрядность кодовой комбинации, равная количеству датчиков ,

Р

строб

Т

р стр

п/

ед

Т

(2.22)

у * цикл у

где Ред - вероятность однократного искажения сигнала из-за воздействия помех;

Тстр - длительность сигнала стробирования сигнала от датчика; Тцикл - период между смежными циклами опроса состояния датчика В (2.21) используется сомножитель п, а не число сочетаний тройных искажений, так как для трехимпульсного корреляционного кода контроль пар сигналов проводится отдельно

При (1 - Рстроб / 2 —1 полУчим-

Р

ввод

П Ра

Т

р стр "ед

\2

У

Т

(2.23)

цикл у

Использование контрольной последовательности циклического кода обеспечивает получение кодового расстояния 4.

Следовательно при наложении контрольной последовательности на Рввод получим

Р

ввод

ПРп

Т

р стр

ед

У

Т

цикл у

с:

(2.24)

Учитывая длину кодов идентификации адреса КП, типа информационного сообщения и контрольной последовательности циклического кода, получим показатель

Ракп + Ртип + Рзащ Ред (с'¿^ 1 ^ С<2^ ^ С^ ) ' (2.25)

Здесь ds определяется исходя из разрядности представления информации для каждого датчика - 6 бит (по 3 бита прямого и инверсного кода) и общего количества датчиков, равного п=32.

Тогда

2

4

= 6п/8=24 байт. Следовательно

Р-.

необ =

пРп

Т

р стр

ед

V

Т

цикл у

с4 + Р4д [с2/1 + с£2+с£4) .

(2.26)

Подставляя числовые значения: Ред=10'4, п=32, Тстр=10'7 с, Тцикл =10'2с,

т12

Р0=1/8, = = =2, получим Рнеоб ~ 1,1 10'

Результирующее значение удовлетворяет наиболее жестким требованиям стандарта, причем оно практически полностью определяется вероятностью искажения дополнительных компонентов информационного сообщения, что делает актуальным использование более защищенных кодов идентификации адреса контролируемого пункта и типа сообщения.

При оценке показателя достоверности следует учесть, что все модули трассы доставки информации от модуля - источника до приемника практически являются простыми ретрансляторами и не влияют на формат информационного сообщения.

Таким образом, системную достоверность информации Рсист можно представить суммой Рнеоб и суммой вероятностей необнаруживаемых неисправностей всех модулей трассы доставки информации от модуля -источника до приемника- Рнеиспр:

Рс

Р

необ

+ Р,

неиспр

пР

Т

стр

Ред

V

Т

цикл у

с4 + Р4д [с2!1 + с™2 + с2'4)+

т а А

+ ЕРг)4 ,

(2.27)

где Р1 - вероятность возникновения однократной неисправности элемента ¡-го модуля,

г^4

с4 - число сочетаний по четыре элементов ¡-го модуля,

дг -число элементов в ¡-м модуле.

1

Показатель «4» устанавливается с учетом минимального кодового расстояния формируемого информационного сообщения. Приняв Р==10'6, д{=0,5103, ¡=5, получим

Рсист Рнеоб + Рнеиспр 1,103 10 . (2.28)

Таким образом, предложенный принцип кодирования обеспечивает высокий уровень системной достоверности информации [50,51,56,57].

2.5 Разработка метода повышения быстродействия информационных обменов

Использование предложенного метода формирования кодового сообщения приводит к значительному увеличению времени передачи информации от датчиков и соответственно, длины информационной посылки. Для оценки влияния предложенного способа кодирования на быстродействие информационных обменов по каналам телесигнализации рассмотрим время динамического контроля объектов технической диагностики (Тдин_контр):

Тдин_контр п (Тстр + Тком + Тзап) , (2.29)

где п - число объектов, контролируемых одним устройством ввода дискретных сигналов; Тстр вх - время стробирования входного дискретного сигнала; Тком - время переходного процесса при коммутации входных сигналов; Тзап - время записи полученного дискретного сигнала в память.

Принимая параметры стандартного устройства ввода дискретных сигналов: п = 64, Тстрвх = Тком = Тзап =10'6 С, получим

Тдин.контр 1,92 10 с.

Поскольку минимальное время дискретности (минимальное время фиксации изменений состояния объектов технической диагностики, при котором данные должны сопровождаться различными метками времени) согласно нормативным документам составляет 10- с, следовательно,

использование трехимпульсного корреляционного кода не приводит к выбегу за пределы требуемых динамических параметров узлов ввода информации [79,80].

Увеличение длины информационного сообщения, передаваемого в канал связи (при заданной и ограниченной скорости передачи), эквивалентно использованию для передачи ТС трехэлементной информации и, в принципе, может привести к снижению быстродействия доставки данных приемнику по сравнению с методом представления данных одноэлементными сигналами.

Для избежания указанных проблем в диссертационной работе разработана методика передачи информации по магистральному каналу связи при контроле состояний объектов технической диагностики. Предложенная методика включает следующие аспекты:

• все объекты технической диагностики, контролируемые устройством ввода дискретных сигналов, должны быть разделены на подгруппы;

• идентификатором передачи сообщений от данной подгруппы является наличие сигнала «1» в начале передаче информации;

• идентификатором отсутствия передачи сообщений от данной подгруппы является наличие сигнала «0» в начале передаче информации;

• за идентификатором передачи сообщений от данной подгруппы осуществляется передача позиционного кода, который является идентификатором добавления в информационное сообщение данных от отдельных объектов данной подгруппы;

• далее осуществляется передача кодов зафиксированных данных для объектов, включаемых в сообщение.

Следовательно, если устройство ввода дискретных сигналов контролирует М объектов контроля , которые разделены на К подгрупп, и все данные передаются 5-разрядным кодом, то длительность информационного Ьинф сообщения составит: