Tadeusz MISSALA Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów, Warszawa Aspekty kompatybilności elektromagnetycznej w bezpieczeństwie funkcjonalnym Streszczenie. Przedstawiono analizy i działania konieczne do zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) elektrycznych/ elektronicznych /programowalnych elektronicznych systemów związanych z bezpieczeństwem, uporządkowane według cyklu życia bezpieczeństwa urządzenia lub systemu. Omówiono zasady metodyki wprowadzenia wymagań EMC w fazach analizy zagrożeń i ryzyka, realizacji systemu i jego walidacji. Przedstawiono wymagania z uwzględnieniem aktualnych prac międzynarodowych dotyczących tego zagadnienia. Abstract. The analysis and actions needed to assure the electromagnetic compatibility (EMC) of the electric/electronic/programmable electronic safety-related systems are presented; these are arranged according the safety life cycle of the equipment or system. The methodology principles concerning the introduction of EMC requirement in the phases of hazard and risk analysis, realization and validation of the system are discussed. The requirements, based on the actual international works are presented. (Electromagnetic compatibility related to functional safety). Słowa kluczowe: Kompatybilność elektromagnetyczna, bezpieczeństwo funkcjonalne, analiza ryzyka, wymagania. Keywords: Electromagnetic Compatibility, functional safety, risk analysis, requirements. Wstęp Otrzymanie urządzenia o konstrukcji bezpiecznej to znaczy takiego, że nie zagraża ludziom i środowisku w stanie pracy normalnej, w stanie uszkodzenia oraz w przypadku niedbałej obsługi i utrzymuje te właściwości w założonym okresie czasu z określonym prawdopodobieństwem, wymaga postępowania metodycznego, począwszy od tworzenia koncepcji urządzenia. Wyodrębnić należy dwie główne fazy postępowania: fazę a priori tj. poprzedzającą wykonanie urządzenia i fazę a posteriori tj. następującą po jego zrealizowaniu [8]. Jak wykazują statystyki [5], zdecydowanie największa liczba wypadków spowodowanych przez urządzenia programowalne jest kwalifikowana jako błędy w obsłudze, zaś z pozostałych połowa to zawinione przez zaburzenia elektromagnetyczne. Większość wypadków może być eliminowana w drodze postępowania wg procedur przewidzianych dla uzyskania bezpieczeństwa funkcjonalnego [1,2], w tym szczególnie można zmniejszyć liczbę wypadków wywołanych niską odpornością na zaburzenia elektromagnetyczne, m.in. przez odpowiednie projektowanie, to jest w fazie a priori. Takie postępowanie jest szczególnie ważne, gdyż umożliwia, przy najmniejszej możliwej wysokości nakładów, zredukowanie do minimum groźby wypadków wynikających z niedostatecznej odporności na zaburzenia elektromagnetyczne. Przystępowanie do oceny odporności na zaburzenia elektromagnetyczne dopiero w fazie badań końcowych wyrobu grozi koniecznością ponoszenia bardzo dużych nakładów na jego przeprojektowanie i powtórne wykonanie. Pojęcie bezpieczeństwa funkcjonalnego jest ściśle powiązane z procesem zmniejszania ryzyka z poziomu ryzyka procesu do poziomu ryzyka tolerowanego. Będą używane terminy [3]: szkoda fizyczny uraz lub pogorszenie stanu zdrowia ludzi, tak bezpośrednie jak i pośrednie, wynikające ze szkody w majątku lub środowisku, zagrożenie potencjalne źródło szkody, sytuacja zagrożenia sytuacja, w której osoba jest narażona na zagrożenie; zdarzenie zagrażające sytuacja zagrożenia, której wynikiem jest szkoda; ryzyko - kombinacja prawdopodobieństwa wystąpienia szkody i ciężkości tej szkody. ryzyko tolerowane ryzyko, które jest akceptowane w określonym kontekście opartym na aktualnych wartościach społecznych, ryzyko obiektu ryzyko pochodzące od obiektu sterowanego lub jego współdziałania z układem sterowania, bezpieczeństwo funkcjonalne część bezpieczeństwa całkowitego odnosząca się do obiektu sterowanego i systemu sterowania obiektem, która zależy od prawidłowego działania systemów elektrycznych/ elektronicznych/ programowalnych elektronicznych związanych z bezpieczeństwem, systemów związanych z bezpieczeństwem wykonanych w innych technikach i zewnętrznych środków zmniejszania ryzyka, nienaruszalność bezpieczeństwa prawdopodobieństwo, że system związany z bezpieczeństwem wykona w sposób zadowalający wymagane funkcje bezpieczeństwa we wszystkich określonych warunkach i w określonym przedziale czasu, poziom nienaruszalności bezpieczeństwa poziom dyskretny (jeden z czterech możliwych) do wyszczególniania wymagań nienaruszalności bezpieczeństwa funkcji bezpieczeństwa, przy czym poziom nienaruszalności bezpieczeństwa jest poziomem najwyższym, a poziom nienaruszalności bezpieczeństwa 1 jest poziomem najniższym. Poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa są zdefiniowane, w zależności od rodzaju pracy urządzeń związanych z bezpieczeństwem, przez parametry zamieszczone w tabelach 1 i 2. Do rozwiązania problemu należy posługiwać się cyklem życia bezpieczeństwa [2] i jego interpretacją z punktu widzenia kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) podaną w [1]. Cykl życia bezpieczeństwa przedstawiono na rysunku 1. Przez całkowite należy rozumieć dotyczące całego systemu, więc zintegrowanych sprzętu i oprogramowania. Tabela 1 Poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa: docelowe miary uszkodzeń funkcji bezpieczeństwa działających w rodzaju pracy na rzadkie przywołanie Poziom Rodzaj pracy na rzadkie przywołanie nienaruszalności (Średnie prawdopodobieństwo uszkodzenia bezpieczeństwa wykonania jego zaprojektowanej funkcji na żądanie) od 10-5 do < 10-3 od 10 - do < 10-3 2 od 10-3 do < 10-2 1 od 10-2 do < 10-1 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007 3
1 Koncepcja 2 Określenie całkowite zakresu 3 Analiza zagrożeń i ryzyka Wymagania całkowite bezpieczeństwa 5 Alokacja wymagań bezpieczeństwa Planowanie Planowanie całkowite Planowani Planowanie 7 całkow 8 8 całkowite pracy I obsługi ite walidacji bezpiecz. całkowite instalowania I wprowadzenia do ruchu 9 Systemy zwia- zane z bezp. zsystems: E/E/PES Realizacja (patrz do cyklu życia bezpie. E/E/PES ) Systemy związane z bezp. w innych 10 11 technikach Realizacja Srodki zewnę- Trzne do Zmniejszenia ryzyka ryzyka Realizacja 12 Zainstalowanie całko- wite i wprow.do ruchu 13 Całkowita walidacja bezpieczeństwa Powrót do odpowiedniej fazy całkowitego cyklu życia bezpieczeństwa Całkowita prace, Obsługa i naprawa 1 15 Całkowita modyfikacja I odnowa Wyłączenie z ruchu lub likwidacja Rysunek 1 Cykl życia bezpieczeństwa elektrycznego/elektronicznego/programowalnego elektronicznego systemu związanego z bezpieczeństwem Tabela 2 Poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa: docelowe miary uszkodzeń funkcji bezpieczeństwa działających w rodzaju pracy na częste przywołanie lub rodzaju ciągłym Poziom Rodzaj pracy na częste przywołanie lub nienaruszalności ciągły bezpieczeństwa (Prawdopodobieństwo uszkodzenia niebezpiecznego na godzinę) od 10-9 do < 10-8 3 od 10-8 do < 10-7 2 od 10-7 do < 10-1 od 10 - do < 10-5 Postępowanie uwagi ogólne i wymagania Jak wynika z [1] aspekty EMC należy rozpatrywać w fazach cyklu życia bezpieczeństwa: koncepcji i określenia całkowitego zakresu; analizy zagrożeń i ryzyka; określenia wymagań całkowitych bezpieczeństwa; projektowania, rozwoju i planowania walidacji; wytwarzania elementów systemu (realizacja); walidacji jednostek systemu; instalowania systemu oraz walidacji i oddania do eksploatacji całego systemu; pracy, napraw, modyfikacji, odnowy i wyłączenia systemu z eksploatacji. Wymagania dotyczące odporności obwodów i urządzeń realizujących funkcje bezpieczeństwa są obecnie ustalane w skali międzynarodowej; dokumenty [15,] dotyczące urządzeń automatyki i pomiarów są w fazie formalnie przedostatniego głosowania. Zawarte w [15] podwyższone wymagania, dotyczące obwodów bezpiecznych funkcjonalnie oraz proponowane kryteria oceny przedstawiono w tabelach 3 i jako przykład. Wymagania zawarte w [] nie będą omawiane. Tabela 3. Wymagania odpornościowe obowiązujące w środowisku przemysłowym wg [15]. L.p Port Norma podstawowa Poziom wymagany Kryterium 1 Obudowa kv/8 kv, s/p 2 2 20 V/m (80 MHz 3 do 1 GHz) 10 V/m (1, GHz do 2 GHz) 3 V/m (2 GHz do 2,7 GHz) 3 30 A/m 8 Obwody 3 kv zasilania 5 prądu 2 kv/ kv przemiennego 5 10 V (150 khz 7 11 Zapady napięcia 8 11 Krótkie przerwy 9 0 %, 1 okres; 0 %, 10/12 okresów; 70 %, 25/30 okresów; 0 % 250/300 okresów 1 V do 10 V, 20 khz, 19 V PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007
10 Wejścia i wyjścia mocy 11 prądu stałego 5 12 15 29 zapady nap. 17 29 Krótkie przerwy 18 WE/WY sygnałowe i 19 sterujące 5 20 21 22 We/WY sygnałowe i 23 sterujące przyłączone 5 2 bezpośrednio do sieci 25 zasilającej 2 Uziom roboczy 3 kv 1 kv/2 kv 10 V (150 khz 1 V do 10 V, 20 khz 10V DC; 2/3 Hz; 50/0 Hz; 10 V ciągłe; 100 C, 1 s 150/180 Hz,10V, ciągłe 0 %, przez 10 ms 0 %, przez 20 ms 2 kv 2 kv 10 V (150 khz 1 V do 10 V, 20 khz 10V DC; 2/3 Hz; 50/0 Hz; 10 V ciągłe; 100 V, 1 s 150/180 Hz,10V, ciągłe 3 kv 2 kv/ kv 10 V (150 khz 1 V do 10 V, 20 khz 10V DC; 2/3 Hz; 50/0 Hz; 10 V ciągłe; 100 C, 1 s 150/180 Hz,10V, ciągłe 2 kv Tabela. Częstotliwości zaburzeń E M wybrane do próby odporności L.p. Rodzaj Częstotliwości centralne pasma [MHz] 1 Promieniowane 8,0; 8,0; 33,92; 89,0; 897,5; 915,0; 175,75; 250; 2 Przewodzone 3.39;,78; 13,5; 27,12; 0,8 Wymienione w tabeli 3 kryterium jest szczegółowo zdefiniowane w normie w przybliżeniu sprowadza się ono do niezakłóconego wykonania funkcji lub przejścia w stan bezpieczny (fail safe). Fazy koncepcji i określenia całkowitego zakresu Dokładne zrozumienie opracowywanego systemu Pierwszym krokiem jest szczegółowe sformułowanie opisu działania projektowanego urządzenia lub systemu. Opis ten powinien: [9]; zawierać ścisłą definicję misji przedmiotu projektowania (urządzenia, systemu); obejmować szczegółowe wyliczenie wszystkich zadań, jakie mają być wykonywane; zawierać opis wszystkich funkcji, pogrupowanych następująco: funkcje przetwarzania sygnałów: funkcje programu użytkowego, funkcje systemu operacyjnego, funkcje pamięci; funkcje pomiarów i sterowania; funkcje komunikacyjne; funkcje interfejsu człowiek maszyna; funkcje uruchomienia i testowania oprogramowania; funkcje interfejsowe do czujników i elementów wykonawczych; funkcje zasilania; zawierać identyfikację wszystkich funkcji bezpieczeństwa, z pomiędzy wyżej wymienionych; obejmować określenie granic systemu związanego z bezpieczeństwem i obiektu ; określenie ogólnej architektury systemu ; zidentyfikowanie wszystkich modułów i elementów zaangażowanych do realizacji poszczególnych zadań i funkcji; określenie wszystkich portów tworzących granice systemu i obiektu; zidentyfikowanie wszystkich portów, które mogą być narażone na zaburzenia elektromagnetyczne lub być źródłem emisji zaburzeń elektromagnetycznych do środowiska; zidentyfikowanie wszystkich niepożądanych interakcji między obwodami, modułami i jednostkami systemu. Funkcje sterowania mogą na przykład rezydować lub być podzielone między: moduły autonomiczne z własnym pobieraniem danych i pracujące w czasie rzeczywistym; moduły sterownia procesu z wydzielonymi modułami pobierania i wydawania danych oraz przesyłu danych między nimi przez sieć komunikacyjną; komputer zewnętrzny realizujący zadania sterowania procesu, wykorzystujący przemysłowy system pomiarów i sterowania do pobierania i wydawania danych i zadań interfejsu z człowiekiem. Tak opracowany model ułatwia precyzyjne określenie granic projektowanego systemu i jego oddziaływania ze środowiskiem w sferze zjawisk elektromagnetycznych.. Dokładne zrozumienie elektromagnetycznego środowiska pracy systemu Należy określić środowisko elektromagnetyczne pracy systemu jako: mieszkalne, handlowe lub lekko uprzemysłowione; przemysłowe; specjalne: w szpitalu, na statku morskim lub rzecznym, w samolocie itp. Na podstawie odpowiednich norm lub innych uregulowań (np. dyrektywy, przepisy krajowe, wymagania specjalne) należy określić poziomy: dopuszczalnych zaburzeń emitowanych przez system do środowiska; wymaganych minimalnych odporności na wyszczególnione w tych dokumentach zaburzenia, których można się spodziewać w elektromagnetycznym środowisku pracy (przykład patrz tabela 3). PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007 5
Faza analizy zagrożeń i ryzyka Przygotowanie do analizy zagrożeń i ryzyka Zakresem tu rozpatrywanym jest analiza ryzyka wywołanego zagrożeniami pochodzącymi ze środowiska zaburzeniami elektromagnetycznymi. Pierwszym krokiem jest ustalenie rodzaju zaburzeń elektromagnetycznych pochodzących ze środowiska, które mają charakter zdarzeń zagrażających; zaleca się rozpatrzenie, co najmniej, następującego zbioru zaburzeń, uwzględniając poziomy podane w EN/CDV 132-3-1 [15]: wyładowania elektrostatyczne, opisane w PN-EN 1000--2 pole elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej (promieniowane) w paśmie 2 MHz do 1 GHz oraz w pasmach wymienionych w tabeli 3, opisane w PN-EN 1000--3; serie szybkich elektrycznych stanów przejściowych 5ns/50 ns, opisane w PN-EN 1000--; udary : napięciowe 1,2μs / 50μs i 10μs / 700μs i prądowe 8μs / 20μs,, opisane w PN-EN 1000--5; zaburzenia indukowane przez pola o częstotliwości radiowej w paśmie 9 khz do 80 MHz; opisane w PN-EN 1000--; pole magnetyczne: o częstotliwości sieci elektroenergetycznej, opisane wn PN-EN 1000--8, impulsowe, opisane w PN-EN 1000--9 i oscylacyjne tłumione, opisane w PN-EN 1000--10; zapady, krótkie przerwy i zmiany napięcia, opisane w PN-EN 1000--11 oraz wahania napięcia, opisane w PN-EN 1000--1; przebiegi oscylacyjne, opisane w PN-EN 1000--12; inne, o ile dotyczą rozpatrywanego środowiska. Modele i metody matematyczne tej analizy można znaleźć np. w [17. Sekwencje zdarzeń prowadzące do zdarzeń zagrażających Najbardziej prawdopodobnymi sekwencjami zdarzeń prowadzącymi do powstania zdarzeń zagrażających są: zaburzenie jeden z portów wejściowych uszkodzenie jednego lub kilku elementów nienormalne zachowanie się systemu zdarzenie zagrażające; zaburzenie jeden z portów oscylacje w jednym lub w kilku obwodach nienormalne zachowanie się systemu zdarzenie zagrażające. Wykonanie analizy Powyżej wymienione sekwencje powinny zostać, w sposób systematyczny, przeanalizowane w odniesieniu do każdego portu wejściowego i każdego rodzaju zaburzenia. Wynikiem powinna być ocena: jakie mogą nastąpić zdarzenia zagrażające; prawdopodobieństwa wystąpienia każdego ze zidentyfikowanych zdarzeń zagrażających, wyrażone liczbowo lub jakościowo (bardzo małe, małe, relatywnie duże, itp.); spodziewanej częstości wystąpienia każdego ze zidentyfikowanych zdarzeń zagrażających rzadkie, częstsze, częste; możliwych konsekwencji każdego ze zidentyfikowanych zdarzeń zagrażających małe urazy lub szkody materialne i w środowisku, poważne duże urazy lub szkody materialne i w środowisku, śmierć kilku osób lub poważne zniszczenia materialne i w środowisku, wiele osób zabitych lub katastrofa ekologiczna. Przy wykonywaniu tej analizy pomocne są metody FMEA, opisana w [12] i FTA, opisana w [13]. Dane uzyskane z powyższej oceny służą do oszacowania ryzyka jedną z metod podanych w PN-EN 1508-5 []. PN-EN 201 [11], lub w PN-EN 1511-3 [1]. Określenie poziomów nienaruszalności bezpieczeństwa Wyniki oceny ryzyka są podstawą do określenia poziomów nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) z punktu widzenia kompatybilności elektromagnetycznej. Jeżeli te poziomy są wyższe od określonych na podstawie innych analiz, to one powinny być przyjęte w dalszych pracach. Faza projektowania i rozwoju Określenie wymaganych SIL upoważnia do podjęcia prac projektowych. Rozpatrzone zostaną tylko aspekty kompatybilności elektromagnetycznej to jest poziomy analizy i wprowadzania zabezpieczeń przed działaniem zaburzeń. Poniżej podano wskazówki wynikające z dobrej praktyki inżynierskiej [, 18]. Ze względu na istotny wpływ uszkodzeń mechanicznych i korozji na odporność na zaburzenia elektromagnetyczne, w całej analizie należy zwracać uwagę na zabezpieczenia przed niszczącym działaniem czynników chemicznych, wibracji i podobnych narażeń środowiskowych. Poziom obwodów i płyt drukowanych eliminowanie pętli przy prowadzeniu ścieżek i łączeniu do nich elementów; odsprzęganie linii zasilania bezpośrednio na granicach lokalnych (stosowanie filtrów RLC o małym Q); umieszczanie obwodów wysokiej częstotliwości przy źródle zasilania, im dalej od niego tym obwody niższej częstotliwości; dopasowanie napięć zasilana wykonywać indywidualnie, za pomocą przetwornic dc/dc; separowanie poszczególnych układów, gdzie tylko możliwe (szczególnie układów analogowych i cyfrowych); stosowanie filtrów dolnoprzepustowych na liniach sygnałowych, w celu ograniczenia do minimum szerokości pasma sygnału; prawidłowe zamykanie linii z sygnałami częstotliwości radiowej, aby nie dopuścić do odbić oraz nie pozostawianie końcówek pływających ; unikanie wyprowadzeń i przewodów o długości bliskiej ¼ długości fali sygnału; ograniczanie szybkości narastania i opadania zboczy impulsów zegarowych i sygnałowych; prowadzenie ścieżek bez meandrów, dodatkowych odprowadzeń, prostopadle względem siebie, gdy są w dwu warstwach, unikanie ostrych krawędzi na narożach, otaczanie elementów szczególnie czułych pierścieniami ochronnymi. stosowanie elementów w pełni przetestowanych Poziom aparatów i modułów konstrukcyjnych Tu podstawowymi zabiegami są: uziemianie ochronne zastosowanie przewodu uziemiającego o wystarczająco dużym przekroju; zapewnienie połączenia elektrycznego drzwi, z zachowaniem przepisów bezpieczeństwa; sprawdzenie pewności połączeń i ich odporności na wibracje i korozję; uziemienie robocze zasadniczo uziemiający obwód odniesienia jest przyłączany do ziemi w jednym punkcie; jeśli jest konieczne uziemienie w więcej niż jednym punkcie, to należy nie dopuścić do powstania pętli uziemienia i zastosować system połączeń PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007
ekwipotencjalnych; należy sprawdzić i zapewnić ciągłość obwodu uziemienia; odsprzęganie przestrzenne tj. odsuwanie od siebie obwodów, które mogą oddziaływać na siebie; ekranowanie, tak poszczególnych elementów, zespołów jak i całych aparatów, to ostatnie przez stosowanie obudów ekranowych, elementów tłumiących w otworach i ekranowanych złączy; właściwe prowadzenie przewodów wewnątrz aparatów: rozdzielenie przestrzenne przewodów zasilania od sygnałowych, ekranowanie przewodów, krzyżowanie przewodów i wiązek pod kątem prostym, stosowanie przewodów wielożyłowych taśmowych, par skręcanych i przewodów współosiowych (koncentrycznych); w przypadku łączenia dużej liczby modułów, stosowanie zbiorczych płyt drukowanych. Poziom układów (systemy) Przy rozpatrywaniu złożonego systemu, np. gniazda produkcyjnego, zaleca się [17,18] sporządzenie modelu strefowego. Jego założeniem jest zapewnienie aby: wszystkie urządzenia elektryczne i elektroniczne mogły pracować równocześnie, bez wzajemnego oddziaływania; niezamierzone działanie jednoczesne różnych urządzeń było wykluczone; wszystkie urządzenia nadawcze mogły pracować równocześnie, przy 10 % przesunięciu pasma częstotliwości. Podział na strefy umożliwia wprowadzenie właściwych środków przeciwzakłóceniowych. Wśród tych środków rozróżnia się środki wewnątrz systemowe i środki zewnętrzne. Środkami wewnątrz systemowymi są: uziemienie z wykorzystaniem systemu połączeń ekwipotencjalnych ekranowanie i odsprzężenie przestrzenne jest założeniem modelu strefowego, że między strefami jest pewne i całkowite odsprzężenie elektromagnetyczne, które może być osiągnięte albo przez zachowanie dostatecznie dużych odległości, albo przez ekranowanie, do ekranowania całych fragmentów wyposażenia lub instalacji włącznie; filtrowanie, ze zwróceniem szczególnej uwagi na zastosowanie filtrów na wszystkich połączeniach między strefami, a także na przewodach idących tranzytem; okablowanie przy zachowaniu przestrzennego oddzielenia przewodów i kabli należących do różnych obwodów, które mogłyby być źródłami wzajemnego zakłócania się. Przykładowe zewnętrzne środki ochronne przed działaniem zaburzeń elektromagnetycznych to środki ochronne do ograniczania przepięć i ochronniki do ograniczenia udarów. Faza wytwarzania elementów systemu Celem postępowania w tej fazie jest zapewnienie i utrzymanie warunków i procedur właściwych z punktu widzenia EMC. Podstawowymi aspektami są tu ochrona przed elektrycznością statyczną oraz kontrola, czy wszystkie połączenia ważne ze względu na EMC (uziemienia, połączenia wyrównawcze, ekranowania) są wykonane poprawnie i czy są kompletne. Ochronę przed szkodliwym działaniem elektryczności statycznej uzyskuje się przez: magazynowanie i transportowanie elementów i podzespołów elektronicznych w opakowaniach ekranujących; transport zbiorowy w paletach antystatycznych; uziemienie stanowisk montażowych i pracę personelu montażowego w uziemionych bransoletkach antystatycznych na ręku; zakładanie opasek uziemiających na obuwie przez interesantów i gości. Faza walidacji jednostek systemu Celem jest wykonanie testowania, prawidłowego z punktu widzenia EMC. Można tu zidentyfikować dwie fazy składowe. Planowanie całkowite walidacji Czynności wykonywane w tej fazie mają za cel przygotowanie planu walidacji EMC jako części całkowitego planu walidacji []. Należy wykonać co następuje: wyszczególnić zaburzenia określone w fazie koncepcji; wyszczególnić podstawowe normy EMC dotyczące zestawionych powyżej zaburzeń; przygotować plan badań mających sprawdzić odporność na zaburzenia elektromagnetyczne wyszczególnione powyżej; zaleca się, aby badaniami objąć nie tylko pojedyncze jednostki (aparaty), lecz także ich zestawy, a nawet cały system, o ile to będzie możliwe (złe połączenia między jednostkami mogą spowodować utratę odporności); określić kryteria jakości dopuszczony/odrzucony dotyczące każdej funkcji i każdego zaburzenia. Wykonanie walidacji Następujące czynności należy wykonać w ramach walidacji całkowitej: przeprowadzić wszystkie badania EMC wyszczególnione w planie walidacji; ocenić wyniki każdego badania EMC według opracowanych kryteriów z oceną dopuszczony/odrzucony; sporządzić sprawozdanie z walidacji EMC. Faza instalowania systemu Faza instalowania ma istotne znaczenie z punktu widzenia EMC; wszelkie błędy projektu i wykonania zainstalowania ze względu na EMC mogą prowadzić do powstania sytuacji zagrażających. W celu ich uniknięcia należy przyjąć środki ostrożności i stosować się do dobrej praktyki inżynierskiej w tym zakresie. Projekt zainstalowania Projekt należy wykonać według zasad odsprzęgania przestrzennego: przewody zasilania powinny być oddzielone od pozostałego oprzewodowania przez odsunięcie na odległość co najmniej 10 cm; skrzyżowania nie do uniknięcia przewodów zasilania i innych przewodów powinny być wykonane jako prostopadłe; mogą być konieczne tłumiki stanów przejściowych na wejściu zasilania do urządzeń; separacja przestrzenna oprzewodowania obiektowego i magistral przesyłowych; stosowanie par skręcanych i przewodów ekranowanych do oprzewodowania sygnałowego i WE/WY. Projekt powinien zostać zweryfikowany. Zainstalowanie Wykonanie instalacji powinno być staranne z punktu widzenia zachowania separacji przestrzennej przewidzianej w projekcie. Wykonana instalacja powinna zostać szczegółowo sprawdzona pod względem zgodności z projektem. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007 7
Fazy walidacji i wprowadzenia do eksploatacji całego systemu Ze względu na to, że badania EMC w warunkach obiektowych są raczej trudne do wykonania, walidacja EMC powinna zawierać: weryfikację całej dokumentacji powstałej podczas wykonywania działań EMC i ocenę, czy zostały spełnione wymagania; kontrolę kompletności systemu; kontrolę prawidłowości zainstalowania z punktu widzenia separacji przestrzennej. Fazy pracy, napraw, modyfikacji, odnowy i wyłączenia systemu z eksploatacji Celem działań podczas tych faz jest zapewnienie, że wszystkie prace zostaną tak wykonane, aby nie pogorszyć odporności EMC systemu. Najważniejszymi działaniami są: opracowanie opisów i instrukcji dotyczących ostrzeżeń EMC w zakresie: czynności operatora, eksploatacji i obsługi, napraw modyfikacji, odnowy i wyłączenia z eksploatacji systemu sterowania obiektem i systemu związanego z bezpieczeństwem; dostarczenie użytkownikowi opisów i instrukcji; przeszkolenie personelu użytkownika w zakresie zagadnień EMC związanych z zainstalowanym systemem i omawianymi tu fazami jego cyklu życia. Podsumowanie Zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej, ze względu na złożoność analizy teoretycznej i obserwowalność jedynie ich skutków, są trudnym fragmentem oceny zagrożeń i ryzyka w zagadnieniach bezpieczeństwa urządzeń. Przedstawiono główne działania, które należy wykonać przy realizacji elektrycznego, elektronicznego, programowalnego elektronicznego systemu związanego z bezpieczeństwem, podając tylko najogólniejsze wskazówki postępowania uporządkowane według faz życia bezpieczeństwa systemu. LITERATURA [1] IEC TS 1000-1-2:2001 Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 1-2: General Methodology for the achievement of functional safety of electrical and electronic equipment with regard to electromagnetic phenomena (Metodologia osiągnięcia bezpieczeństwa funkcjonalnego urządzeń elektrycznych I elektronicznych ze względu na zjawiska elektromagnetyczne) [2] PN-EN 1508-1:200. - Bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych/elektronicznych/programowalnych elektronicznych systemów wiążących się z bezpieczeństwem -. Część 1 Wymagania ogólne [3] PN-EN 1508-:200 - Bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych/elektronicznych/programowalnych elektronicznych systemów wiążących się z bezpieczeństwem -. Część Definicje i skrótowce [] PN-EN 1508-5:2003(U) - Bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych/elektronicznych/programowalnych elektronicznych systemów wiążących się z bezpieczeństwem -. Część 5 Przykłady metod określania poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa 5] Ż u rakows ki Z.: Jaki jest sens atestacji systemów komputerowych. Pomiary Automatyka Robotyka, 1998 r., z. 3, ss.9-13. [] M issala T.: Aspekty kompatybilności elektromagnetycznej w bezpieczeństwie funkcjonalnym. Materiały Konferencji Automation 99, t. 1, ss 113-12, Wyd. PIAP, 1999 r. [7] M issala T. Safety by EMC considerations. Materiały Konferencji SIAS, Nancy, 2003. [8] M issala T.: Ocena a priori i a posteriori bezpieczeństwa robota. Prace Naukowe Instytutu Cybernetyki Stosowanej Politechniki Wrocławskiej, Nr 99. Prace VI Krajowej Konferencji Robotyki, t. 2. s.133-18, Wrocław wrzesień 1998 r. [9] PN-EN 109-1: 2002 Pomiary I sterowanie procesami przemysłowymi. Wyznaczanie właściwości systemu w celu jego oceny. Część 1: Postanowienia ogólne i metodologia. [10] PN-EN 95-1:2001 - Maszyny - Bezpieczeństwo - Elementy systemu sterowania związane z bezpieczeństwem - Ogólne zasady projektowania). [11] PN-EN 201:2005(U) Bezpieczeństwo maszyn Bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych, elektronicznych i programowalnych elektronicznych systemów sterowania związanych z bezpieczeństwem. [12] PN-EN 0812:200(U) Techniki analizy nieuszkadzalności systemów Procedura analizy rodzajów i skutków uszkodzeń [13] PN-IEC 1025:199 Analiza drzewa niezdatności (FTA). [1] PN-EN 1511-3:2005(U) Bezpieczeństwo funkcjonalne Przyrządowe systemy bezpieczeństwa do sektora procesów przemysłowych Część 3: Wytyczne do określania poziomów nienaruszalności bezpieczeństwa [15] EN 132-3-1/CDV Electrical equipment for measurement, control and laboratory use EMC requirements Part 3-1: Immunity requirements for safety-related systems and for equipment intended to perform safety related functions (functional safety) General industrial applications [] EN 132-3-2/CDV Electrical equipment for measurement, control and laboratory use EMC requirements Part 3-2: Immunity requirements for safety-related systems and for equipment intended to perform safety related functions (functional safety) Industrial applications with specified EM environment [17] Gonschorek K.H, Singer H.: Elektro-Magnetische Verträgligkeit. Grundlagen, Analysen, Maßnahmen. B.G.Teubner, Stuttgard, 1992. [18] M issala T. Dobra praktyka inżynierska podstawa oceny zgodności instalacji stacjonarnych wg nowej Dyrektywy EMC. Materiały Sympozjum EMC 07, Łódź, 2007, Przegląd Elektrotechniczny. Autor: prof. dr inż. Tadeusz Missala, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów, Al. Jerozolimskie 202, 02-8 Warszawa, E-mail: tmissala@piap.pl 8 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 9/2007