№ 1 (2016)
Статьи
РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ ДЛЯ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
Аннотация
Рассматриваются вопросы расчета индукционного нагревателя, предназначенного для прогрева призабойного пространства нефтяных скважин. Прогрев забоя скважины является одним из эффективных способов усиления нефтеотдачи пласта и повышения производительности скважины. Прогрев забоя скважины может осуществляться различными способами. Лучшие результаты по эффективности и надежности обеспечивают низкотемпературные нагреватели индукционного типа. У таких нагревателей выделение тепла происходит не внутри нагревателя, а в обсадной трубе, которая непосредственно соприкасается с призабойным пространством скважины. Рассматривается индукционный нагреватель соленоидного типа, который прост в изготовлении и обеспечивает максимальную энергетическую эффективность в условиях стесненного пространства скважины. Основными элементами рассматриваемого индукционного нагревателя являются катушка из медного изолированного провода и внутренний магнитопровод. Катушка должна создавать необходимую магнитодвижущую силу. Для удобства изготовления и монтажа катушку следует разделить на несколько секций, которые включаются последовательно. Нагреватель состоит из трех катушек, которые включаются на линейное напряжение трехфазной сети. Во внутреннем пространстве катушки размещается магнитопровод из листовой электротехнической стали, что позволяет уменьшить величину намагничивающего тока. Для оценки энергетических свойств нагревателя необходимо выполнить расчет распределения электромагнитного поля внутри и вне нагревателя. Такие задачи решаются с использованием расчетных моделей, позволяющих получить практические результаты с минимальными затратами сил и средств. Расчетная модель нагревателя состоит из нескольких слоев с постоянными значениями электропроводности и магнитной проницаемости. Влияние насыщения учитывается итерационным путем. Расчетная модель построена в прямоугольной системе координат, что позволяет резко упростить расчет электромагнитного поля и энергетических характеристик нагревателя.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2016;(1):5-15
 |  |
СТАТИЧЕСКАЯ ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ НА ОСНОВЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОЙ ЯЧЕЙКИ БАЗОВОГО МАТРИЧНОГО КРИСТАЛЛА
Аннотация
Большое значение для решения проблемы создания отечественной электронной компонентной базы имеет создание так называемых полузаказных цифровых интегральных микросхем на основе базовых матричных кристаллов - БМК. Известны БМК серий 5503, 5507, 5521,5528, 5529, причем их основой являются так называемые ячейки. Для радиационно-стойкой, надежной, отказоустойчивой электронной компонентной базы необходима избыточность - резервированные структуры. Применяют так называемое троирование - три канала цифрового автомата, битовые выходы которых поступают на три входа мажоритарного элемента, реализующего мажоритарную функцию или функцию голосования по большинству голосов (выбор «два из трех» ≥2). Такой мажоритарный элемент широко применяется для обеспечения пассивной отказоустойчивости цифровых устройств и систем. Известно, что резервирование с целью обеспечения пассивной отказоустойчивости обеспечивает выигрыш не на всем временном интервале для некоторого интервала вероятностей. В качестве альтернативы ранее предложены транзисторные структуры, парирующие отказы (сбои) части транзисторов, возникающие в результате воздействия радиации и других негативных факторов. Сначала они рассматривались в качестве так называемых функционально-полных толерантных (ФПТ) элементов (ФПТЭ), сохраняющих при отказах либо функциональную полноту (ФПТ в слабом смысле), либо реализуемую логическую функцию (ФПТ в сильном смысле). В дальнейшем подобное резервирование транзисторных структур (ТС) - ФПТТС в сильном смысле и ФПТТС авторы предложили использовать не только в КМОП (КМДП) элементах, но и в виде передающих транзисторов. В отличие от канального резервирования цифровой аппаратуры такое резервирование названо потранзисторным, что обеспечивает по сравнению с троированием значительный выигрыш в вероятности безотказной работы пассивно отказоустойчивой схемы практически для всего временного диапазона. Однако детальное исследование по созданию избыточных ячеек БМК в достаточной мере не проводилось. Рассмотрено создание такой резервированной ячейки в различных вариантах, в том числе с резервированием связей. На основе разработанной отказоустойчивой ячейки строятся логические элементы и оцениваются по вероятности безотказной работы с троированием таких элементов. На этой основе предлагается отказоустойчивая ячейка памяти SRAM с учетверением транзисторов - QSRAM. Показывается предпочтительность такого технического решения по ряду показателей в сравнении с троированием - известным вариантом TMR (Triple Modular Redundancy).
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2016;(1):16-27
| |
ФОРМИРОВАНИЕ СТАБИЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ С ВЫЧИСЛИТЕЛЯМИ УГЛА НАГРУЗКИ
Аннотация
Рассмотрены пути повышения устойчивости синхронного двигателя электроприводных газоперекачивающих агрегатов в функции угла нагрузки в структуре системы регулирования возбуждения. Показано, что суммарная установленная мощность синхронных электроприводов газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистрального транспорта газа составляет более 6000 МВт или 18 % от общей установленной мощности Единой газотранспортной системы России. Аргументированно доказано, что подавляющее число существующих электроприводных агрегатов в настоящее время отработали свой нормативный срок, и для обеспечения надежного транспорта природного газа важнейшей задачей является поэтапная модернизация парка машин и компрессорных агрегатов с применением современных технических решений теории бездатчиковых систем автоматического управления. Разработаны математические модели синхронных машин в разомкнутых и замкнутых системах регулирования. Получены результаты исследований электромагнитных процессов и анализа существующих систем автоматического управления и предлагаемых бездатчиковых вычислителей. Разработан бесконтактный датчик угла нагрузки синхронного двигателя, основанный на измерении доступных параметров машины и позволяющий вычислять угол нагрузки как в статических, так и в динамических режимах работы газоперекачивающих агрегатов, совместно с интеллектуальной системой регулирования. Представлены полученные системы регулирования возбуждения синхронного двигателя с датчиком измерения угла нагрузки, обеспечивающие более высокие показатели в динамических режимах и более быстродействующую защиту от выпадения из синхронизма, а также позволяющие стабилизировать реактивную мощность, коэффициент мощности и напряжение на статоре синхронного двигателя. Результаты расчета и моделирования апробированы на экспериментальных установках при различных режимах.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2016;(1):28-47
| |
АНАЛИЗ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ЗАЩИТЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ ВЫЯВЛЕНИЯ ТИПИЧНЫХ УЯЗВИМОСТЕЙ
Аннотация
Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) - группа решений технических и программных средств, предназначенных для автоматизации управления технологическим оборудованием на промышленных предприятиях. Современные АСУ ТП непосредственно управляют сложными и опасными технологическими процессами. Аварии по причине уязвимости АСУ ТП в таких отраслях, как электроэнергетика, химическая, нефтегазовая и транспортная, могут привести к огромному ущербу не только в бизнесе, но и к тяжелым экологическим последствиям, в том числе и для здоровья и жизни людей. Риск техногенных катастроф определяется не только надежностью системы, но и ее безопасностью. В статье рассматриваются основные уязвимости АСУ ТП на основе анализа документа NISTSP 800-82. Уязвимость - это любая характеристика или свойство информационной системы, использование которой нарушителем может привести к реализации угрозы. Производя атаку, нарушитель использует какую-либо уязвимость системы, т.е. для надежной защиты системы, в данном случае АСУ ТП, следует найти и устранить как можно больше критических уязвимостей. В статье приводится классификация типичных и наиболее опасных уязвимостей на причины их возникновения, а также рекомендации по устранению данных уязвимостей на основе анализа архитектуры АСУ ТП, а также этапов ее жизненного цикла. Рассматриваются разные аспекты проектирования и функционирования автоматизированной системы управления: разработка системы, настройка, обслуживание, сетевые соединения и другие. Каждому аспекту присущи свои уязвимости. Их анализ позволяет соотнести требования и рекомендации российских стандартов с международным опытом.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2016;(1):48-60
| |
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ПРОЕКТЫ В СТРОИТЕЛЬНОМ СЕКТОРЕ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Аннотация
В нынешнем столетии место и роль Республики Беларусь в мировой экономике в условиях, когда практически отсутствуют собственные источники углеводородного сырья и металлов, будут во многом определяться уровнем ее научно-технического развития, способностью создавать и эффективно реализовывать собственные инновационные технологии и при необходимости быстро их внедрять, производить товары с высокой добавленной стоимостью, а также степенью присутствия страны на мировом рынке высоких и новых технологий. С каждым годом увеличиваются расходы на электричество, отопление, воду и другие ресурсы. В связи с этим проблема энергосбережения становится все более актуальной. Во всем мире ведется поиск путей уменьшения энергопотребления за счет его рационального использования. Республика Беларусь тоже не исключение. С 2011 г. в стране действует Республиканская программа энергосбережения на 2011-2015 гг., основной задачей которой являются снижение энергоемкости ВВП на 50 % к уровню 2005 г. и увеличение доли местных топливно-энергетических ресурсов в балансе котельно-печного топлива до 28 %. Одна из проблем действующей системы цен и тарифов на энергетическую продукцию, которую предстоит решить, - перекрестное субсидирование между отдельными группами потребителей (прежде всего, населением и промышленностью) и видами энергии. В статье рассмотрена тенденция развития жилой и коммерческой недвижимости в Республике Беларусь. Выявлены основные направления повышения энергоэффективности в отрасли. Предложен проект по использованию солнечных коллекторов в индивидуальном жилищном строительстве.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2016;(1):61-79
| |
САМОСИНХРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА
Аннотация
Известны два основных принципа построения элементов и устройств цифровой аппаратуры: синхронный и асинхронный. Самосинхронные схемы по названию относятся к синхронным, но фактически являются асинхронными, так как не имеют тактового генератора. Основоположником этого направления схемотехники по праву считается американский математик Д.Е. Маллер. В трудах знаменитой в СССР научно-исследовательской группы В.И. Варшавского такие схемы сначала носили название апериодических. Синхронные схемы требуют наличия тактового генератора, асинхронные схемы работают без тактового генератора, такты определяются изменениями сигналов. Самосинхронные схемы сами фиксируют завершение переходного процесса, т.е. работают по фактическим задержкам сигналов. Но это требует значительных дополнительных аппаратных затрат. В синхронных схемах период следования тактового сигнала рассчитывается на «самый худший случай» - на самую большую возможную задержку данной схемы. Асинхронные схемы требуют специфического и достаточно сложного проектирования, дабы избежать так называемых гонок, состязаний сигналов, которые могут привести к неправильной работе схемы. В последние годы появляются новые публикации, посвященные самосинхронике. В англоязычной литературе самосинхронные схемы так же называются не зависимыми от скорости (speed-independent, SI circuits), полумодулярными или дистрибутивными (semi-modular or/and distributive). Рассматривают также квазисамосинхронные схемы (quasi-delay-insensitive, QDI circuits). Однако детальное описание, например полумодулярности, встречается редко и в специальной литературе. Более-менее популярное описание этих вопросов в настоящее время интересует не только специалистов - инженеров и схемотехников, но также и студентов, магистров и аспирантов. Подспорьем являются электронное издание великолепной книги Л.П. Плеханова, а также статья исследовательской группы института проблем информатики Российской академии наук (ИПИ РАН) под руководством Ю.А. Степченкова. Необходимо рассмотреть такие алгебраические структуры, как решетки, именно в этой предметной области используются понятия модулярности и полумодулярности. После этого становятся понятными схемотехнические особенности самосинхронных схем, состояния которых и образуют узлы такой гипотетической решетки, которая в бесконфликтном случае и будет полумодулярной. Кроме того, имеет смысл проиллюстрировать в общих чертах работу самосинхронной схемы в системе схемотехнического моделирования, например NI Multisim. Подобное моделирование будет полезным и в контексте лабораторного занятия, и научно-технического семинара по перспективным направлениям развития элементной базы, особенно в условиях новых задач по импортозамещению. В этом же ракурсе рассматривается ПЛИС Speedster22i фирмы Аchronix, которая заявляется как асинхронная, причем в среде разработчиков ее даже именуют самосихронной. При ближайшем рассмотрении она оказывается без глобальной синхронизации, но «регионально» синхронной.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2016;(1):80-94
| |
АВТОМАТИЗАЦИЯ РАБОТЫ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ЦЕЛЬЮ ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
Аннотация
Вопросам энергосбережения и энергоэффективности РФ в последнее время уделяется значительное внимание и в том числе в некоторых основополагающих документах, таких как «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года», которые определяют вектор развития российского топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Затраты на энергетические ресурсы составляют существенную часть затрат бюджетов большинства предприятий страны. С учетом постоянного роста тарифов и цен на топливно-энергетические ресурсы бесхозяйственное, энергорасточительное и неэффективное использование последних становится недопустимым. Это обстоятельство становится определяющим для того, чтобы проблема энергосбережения и повышения энергетической эффективности в настоящее время приобрела столь важное значение. Расчетный запас потенциальных гидроресурсов мира составляет 7,2 млрд тонн условного топлива (т у.т), но их использование связано с огромными капитальными затратами на строительство гидроэлектростанций (ГЭС). Использование солнечной энергии ограничивается низким КПД преобразования, высокой стоимостью преобразователей и резкой суточной неравномерностью солнечного излучения, требующей создания мощных накопителей. Использование всей энергии ветра на планете эквивалентно всего лишь 2,8 млрд т у.т., а использование геотермальной энергии - 1 млрд т у.т. Поскольку основным источником энергии в настоящее время является органическое топливо и в ближайшем будущем эта ситуация вряд ли изменится, то приведенный анализ данных запасов нетрадиционных источников энергии лишь подтверждает, что достигнутое значение потребления топлива в 15 млрд т у.т. не может быть мгновенно обеспечено за счет других нетрадиционных источников энергии. Главной научно-технической проблемой в области совершенствования использования скрытой энергии топлива является необходимость одновременного решения сложных и часто взаимоисключающих задач повышения экономичности сжигания топлива и снижения выбросов вредных веществ в атмосферу. В современной научно-технической терминологии одновременное решение этих вопросов формулируется как задача энергоэкологической оптимизации сжигания топлива. В данной статье рассмотрен один из вариантов энергоэкологической оптимизации сжигания природного газа путем применения корректирующего мониторинга.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2016;(1):95-103
| |
МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА 80С51 В СИСТЕМЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ PROTEUS VSM
Аннотация
Proteus является одной из систем схемотехнического моделирования. Proteus VSM позволяет производить отладку не только простейших аналоговых устройств, но и сложных систем, созданных на микроконтроллерах. Основным преимуществом этого программного продукта перед другими симуляторами электронных устройств является то, что никакой другой симулятор не позволяет производить отладку такого количества микроконтроллеров и микропроцессоров. Intel 8051 - это однокристальный микроконтроллер гарвардской архитектуры, который был впервые произведен Intel в 1980 г., для использования во встраиваемых системах. В течение 1980-х и начале 1990-х гг. в был чрезвычайно популярен, однако позже устарел и был вытеснен более современными устройствами, также с 8051-совместимыми ядрами, производимыми более чем 20 независимыми производителями, такими как Atmel, Maxim IC (дочерняя компания Dallas Semiconductor), NXP, Winbond, Silicon Laboratories, Texas Instruments и Cypress Semiconductor). Официальное название 8051-семейства микроконтроллеров Intel - MCS 51. Существует также советский клон данной микросхемы - КР1816ВЕ51. Первые микроконтроллеры из 8051-семейства Intel производились с использованием n-МОП технологии, но следующие версии, содержащие символ «C» в названии, такие как 80C51, использовали КМОП-технологию и потребляли меньшую мощность, чем n-МОП-предшественники (это облегчало их применение для устройств с батарейным питанием). В статье рассматривается реализация временных задержек и прерываний микроконтроллера 80С51 в системе схемотехнического моделирования Proteus VSM. Подобное моделирование будет полезным и в контексте лабораторного занятия, и научно-технического семинара по перспективным направлениям развития элементной базы, особенно в условиях новых задач по импортозамещению.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2016;(1):104-120
| |
ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА ТОЧНОГО РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ О РЮКЗАКЕ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ
Аннотация
Рассматривается алгоритм точного решения задачи о рюкзаке методом динамического программирования. Ключевой особенностью данного алгоритма является линейная зависимость временной сложности алгоритма от размерности задачи. Исследование алгоритма динамического программирования актуально, так как его быстродействие определяет стойкость рюкзачных систем шифрования. При выполнении алгоритма строится таблица, строки которой представляют собой решения подзадач, характеризующихся меньшим набором предметов. Показан принцип построения значений следующей строки по значениям предыдущей. Также рассмотрен процесс построения искомого вектора укладки по заполненной таблице. Исследуются оценки сложности алгоритма по времени и по памяти. Также исследуется зависимость этих показателей от показателя плотности рюкзачного вектора, который широко применяется при анализе уязвимости рюкзачных систем шифрования к известным атакам. Отмечается, что алгоритм динамического программирования может быть эффективно применен при решении задач с высокой плотностью рюкзачного вектора. Полученные в работе результаты позволяют оценить возможность практического применения алгоритма динамического программирования для решения задачи о рюкзаке при заданной плотности рюкзачного вектора. Установление зависимости между размерностью задачи, плотностью рюкзачного вектора и объемом памяти, требуемым для ее решения, позволяет характеризовать способность той или иной вычислительной платформы к решению задач о рюкзаке. Полученные результаты также позволяют получить более точные оценки практической стойкости рюкзачных систем шифрования, использующих рюкзачные векторы высокой плотности.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2016;(1):121-130
| |
О РАЗРАБОТКЕ УЧЕБНО-ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ АППАРАТНОГО МОДУЛЯ ДОВЕРЕННОЙ ЗАГРУЗКИ «АККОРД»
Аннотация
Сформулирована актуальная проблема повышения качества практической подготовки специалистов по защите информации. Раскрыты особенности развития учебно-лабораторной базы для их обучения. Проанализирована проблема изучения средств защиты информации от несанкционированного доступа, обусловлена необходимость практической подготовки квалифицированных специалистов. Приведена структура затрат в госведомствах и корпоративных системах на информационную безопасность по классам продуктов защиты информации. Проанализированы компетенции выпускников вузов, формируемые в соответствии с ФГОС ВПО по направлению подготовки «Информационная безопасность». Приведены основные требования по защите автоматизированных систем с использованием аппаратного модуля доверенной загрузки «Аккорд» от несанкционированного доступа в соответствии с установленной классификацией. Приведено краткое описание функциональных возможностей аппаратного модуля доверенной загрузки «Аккорд». Перечислен состав программных и аппаратных средств комплекса, представлен порядок их функционирования и взаимодействия на различных этапах загрузки и дальнейшей работы. Приведена схема размещения учебно-лабораторного стенда на основе программно-аппаратного комплекса «Аккорд» в учебной лаборатории, оборудованной необходимыми для выполнения учебных задач рабочими станциями. Перечислены основные задачи, решаемые обучаемыми в процессе выполнения заданий с использованием аппаратного модуля доверенной загрузки «Аккорд». Представлена последовательность отработки обучаемыми студентами алгоритма создания нового пользователя, присвоения ему идентификатора и прав доступа. Пошаговый алгоритм выполняемых задач сопровождается необходимыми пояснениями и рисунками. Определены перспективы дальнейшего развития учебно-лабораторного стенда и использования его в учебном процессе. Проведена оценка эффективности использования учебно-лабораторного стенда на основе контроля сформированных компетенций обучаемых.
Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2016;(1):131-142
| |