Odporność komputerów przemysłowych na zakłócenia EMI/RFI – testy EMC zgodne z normami EN55032 i EN61000

Wprowadzenie

W środowiskach przemysłowych, gdzie urządzenia elektroniczne są narażone na różnorodne zakłócenia elektromagnetyczne (EMI – Electromagnetic Interference) oraz zakłócenia radiofrekwencyjne (RFI – Radio Frequency Interference), kluczowa jest niezawodność komputerów przemysłowych. Komputery te muszą działać w trudnych warunkach, takich jak hale produkcyjne, elektrownie czy systemy transportowe, gdzie obecność silnych pól elektromagnetycznych może wpływać na ich funkcjonowanie. Aby zagwarantować odporność na te zakłócenia, stosuje się testy kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) zgodne z międzynarodowymi normami, takimi jak EN55032 i EN61000. Niniejszy artykuł omawia znaczenie tych norm, procedury testowe oraz ich wpływ na projektowanie komputerów przemysłowych.

Zakłócenia EMI/RFI w środowisku przemysłowym

Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) to niepożądane sygnały elektryczne lub magnetyczne, które mogą zakłócać działanie urządzeń elektronicznych. Zakłócenia radiofrekwencyjne (RFI) to specyficzny rodzaj EMI, związany z falami radiowymi w zakresie częstotliwości od 9 kHz do 300 GHz. W środowiskach przemysłowych źródła zakłóceń obejmują:

• silniki elektryczne i napędy o zmiennej częstotliwości (VFD),
• spawarki i urządzenia wysokoprądowe,
• systemy komunikacyjne (np. nadajniki radiowe),
• wyładowania elektrostatyczne (ESD) generowane przez maszyny lub personel.

Te czynniki mogą powodować błędy w działaniu komputerów przemysłowych, takie jak utrata danych, zawieszanie się systemu czy nawet uszkodzenie komponentów elektronicznych. Dlatego odporność na EMI/RFI jest jednym z kluczowych parametrów przy projektowaniu takich urządzeń.

Normy EMC: EN55032 i EN61000

Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) obejmuje dwa główne aspekty: emisję zakłóceń (emission) oraz odporność na zakłócenia (immunity). Normy EN55032 i EN61000 regulują te kwestie w odniesieniu do urządzeń elektronicznych, w tym komputerów przemysłowych.

EN55032 – Emisja zakłóceń elektromagnetycznych

Norma EN55032 dotyczy ograniczenia emisji zakłóceń elektromagnetycznych generowanych przez urządzenia elektroniczne. Jej celem jest zapewnienie, że komputery przemysłowe nie emitują nadmiernych zakłóceń, które mogłyby wpływać na inne urządzenia w środowisku pracy. Kluczowe aspekty normy obejmują:

• Pomiary emisji przewodzonej: Testy w zakresie częstotliwości od 150 kHz do 30 MHz, sprawdzające zakłócenia przenoszone przez kable zasilające.
• Pomiary emisji promieniowanej: Analiza zakłóceń emitowanych w formie fal elektromagnetycznych w zakresie od 30 MHz do 6 GHz.
• Klasyfikacja urządzeń: Norma definiuje klasy A (dla środowisk przemysłowych) i B (dla środowisk domowych), przy czym klasa A ma mniej restrykcyjne limity emisji.

Zgodność z EN55032 wymaga stosowania odpowiednich filtrów EMI, ekranowania oraz projektowania układów elektronicznych minimalizujących generowanie zakłóceń.

EN61000 – Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne

Seria norm EN61000 definiuje wymagania dotyczące odporności urządzeń na różne typy zakłóceń elektromagnetycznych. W kontekście komputerów przemysłowych najczęściej stosuje się następujące części tej normy:

• EN61000-4-2: Testy odporności na wyładowania elektrostatyczne (ESD), symulujące kontaktowe i powietrzne wyładowania.
• EN61000-4-3: Testy odporności na pola elektromagnetyczne w zakresie częstotliwości radiowych (RF).
• EN61000-4-4: Testy odporności na szybkie stany przejściowe (EFT – Electrical Fast Transient).
• EN61000-4-6: Testy odporności na zakłócenia przewodzone w zakresie RF.

Każdy z tych testów symuluje specyficzne warunki, które mogą występować w środowisku przemysłowym, umożliwiając ocenę niezawodności urządzenia w realnych warunkach.

Procedury testowe EMC

Testy EMC są przeprowadzane w specjalistycznych laboratoriach wyposażonych w komory bezodbiciowe, analizatory widma oraz generatory zakłóceń. Proces testowania obejmuje następujące etapy:

1. Przygotowanie urządzenia: Komputer przemysłowy jest konfigurowany w sposób zgodny z jego rzeczywistym zastosowaniem, z uwzględnieniem wszystkich przewodów wpiętych pod porty I/O
2. Testy emisji (EN55032):
   • Mierzenie zakłóceń przewodzonych za pomocą sieci LISN (Line Impedance Stabilization Network).
   • Analiza emisji promieniowanej w komorze bezodbiciowej przy użyciu anten odbiorczych.
3. Testy odporności (EN61000):
   • Symulacja wyładowań elektrostatycznych na obudowie i portach urządzenia.
   • Wystawienie urządzenia na działanie pól elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach i natężeniach.
   • Wprowadzenie szybkich impulsów elektrycznych do linii zasilających i sygnałowych.
4. Analiza wyników: Urządzenie musi spełniać limity emisji i działać prawidłowo podczas testów odpornościowych, aby uzyskać certyfikat zgodności.

Projektowanie komputerów przemysłowych z myślą o EMC

Aby zapewnić zgodność z normami EN55032 i EN61000, podczas projektowania komputera przemysłowego stosuje się szereg rozwiązań konstrukcyjnych:

• Ekranowanie: Wykorzystanie obudów metalowych oraz ekranów na poziomie PCB w celu ograniczenia emisji i penetracji zakłóceń.
• Filtry EMI: Instalacja filtrów na liniach zasilających oraz portach komunikacyjnych (np. USB, Ethernet).
• Uziemienie: Precyzyjne projektowanie systemów uziemienia w celu minimalizacji pętli prądowych.
• Komponenty wysokiej jakości: Stosowanie układów scalonych odpornych na zakłócenia oraz kondensatorów i dławików tłumiących impulsy.
• Testowanie na etapie projektowania: Wykonywanie wstępnych testów EMC w laboratoriach, aby zidentyfikować i wyeliminować potencjalne problemy przed wprowadzeniem produktu na rynek.

Znaczenie zgodności z normami EMC

Zgodność z normami EN55032 i EN61000 ma kluczowe znaczenie dla komputerów przemysłowych z kilku powodów:

• Niezawodność: Zapewnienie stabilnego działania w trudnych środowiskach przemysłowych.
• Bezpieczeństwo: Minimalizacja ryzyka awarii, które mogą prowadzić do niebezpiecznych sytuacji, np. w systemach sterowania maszynami.
• Zgodność prawna: W wielu krajach, w tym w UE, zgodność z normami EMC jest warunkiem dopuszczenia urządzenia do sprzedaży.
• Konkurencyjność rynkowa: Certyfikaty EMC są często wymagane przez klientów jako potwierdzenie jakości produktu.

Podsumowanie

Odporność komputerów przemysłowych na zakłócenia EMI/RFI jest jednym z najważniejszych aspektów ich projektowania, szczególnie w automatyce, gdzie niezawodność ma kluczowe znaczenie. Normy EN55032 i EN61000 zapewniają ramy dla testowania emisji i odporności elektromagnetycznej, umożliwiając producentom tworzenie urządzeń spełniających rygorystyczne wymagania. Dzięki zastosowaniu odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych i rzetelnemu testowaniu EMC, komputery przemysłowe mogą działać niezawodnie nawet w najbardziej wymagających warunkach, przyczyniając się do efektywności i bezpieczeństwa procesów przemysłowych.