4.P RZECIWWYBUCHOWE URZĄDZENIA RFID
4.4. Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) w konstrukcjach RFID dla górnictwa RFID dla górnictwa
Obecnie obserwuje się stosowanie coraz większej ilości złożonych systemów elektronicznych, których poprawność działania bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo pracy pod ziemią. Niewielkie odległości urządzeń elektronicznych sąsiadujących ze sobą, metal w ich bliskim otoczeniu, obecność urządzeń elektrycznych dużej mocy, trudne warunki środowiskowe związane z silnym zasoleniem i wilgotnością oraz konieczność ochrony przed narażeniami mechanicznymi powoduje powstawanie poważnych problemów związanych z poprawnym działaniem aparatury elektrycznej. Przyjęte podejście do zagadnień kompatybilności elektromagnetycznej w podziemnych wyrobiskach górniczych ma istotny wpływ na jakość procesu projektowania, atestacji i budowy maszyn, a w dalszej konsekwencji na zwiększenie stopnia bezpieczeństwa ludzi oraz eksploatowanych maszyn elektrycznych [70, 71]. W trakcie opracowywania konstrukcji urządzenia przeznaczonego do
pracy w podziemnych wyrobiskach górniczych projektanci wielokrotnie napotykają na problem odpowiedniego doboru norm oraz wymagań, który wynika między innymi z braku konkretnego standardu dla tego typu urządzeń. Należy zauważyć, że specyfika środowiska elektromagnetycznego podziemi kopalń znacznie odbiega od środowiska przemysłowego znajdującego się na powierzchni [69, 72].
Ze względu na coraz powszechniejsze wykorzystywanie w przemyśle wydobywczym systemów łączności radiowej, formalnie dochodzi jeszcze dodatkowe wymaganie związane z dyrektywą 1999/5/WE (R&TTE), a dotyczące odpowiedniej gospodarki widmem w podziemnych wyrobiskach górniczych [71]. Jednak uwzględniając możliwość wyłączenia obszarów podziemnych wyrobisk górniczych z obowiązku spełnienia regulacji dotyczących użytkowania widma radiowego i tym samym uzyskiwania pozwoleń radiowych, nadal pozostaje problem wzajemnego zakłócania się urządzeń tam pracujących. Dlatego poprawna i kompetentna gospodarka widmem przez kopalnie ma bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo.
Zgodnie ze schematem procedur oceny zgodności podanym w dyrektywie 2004/108/WE, zdecydowano się na zastosowanie Modułu A dla prezentowanej w pracy głowicy odczytującej [62, 71]. Dlatego domniemanie zgodności z dyrektywą EMC wykazane zostało poprzez spełnienie wymagań określonych w normach zharmonizowanych [73], co musiało zostać zweryfikowane poprzez wykonanie właściwych badań. Czytnik RFID został przyporządkowany do grupy urządzeń informatycznych (PN-EN 55024 i PN-EN 55022 [74, 75]). Dodatkowo należało uwzględnić fakt, iż jest to urządzenie do zdalnej identyfikacji radiowej, a więc powinno spełnić wymagania określone w odpowiedniej normie dla urządzeń i systemów radiowych PN ETSI EN 301 489-1 [64, 76].
Po uwzględnieniu wymagań określonych w odpowiednich normach zharmonizowanych z dyrektywą EMC [73, 77, 78] opracowano plan badań, w którym wytypowane zostały szczegółowe rodzaje testów oraz poziomy probiercze [71, 74]. W badaniach odporności głowicy zostały ściśle określone sposoby zachowania się całego urządzenia pod wpływem zaburzenia, co umożliwiło jednoznaczne określenie odpowiednich kryteriów oceny[79]. Głowice odczytującą RFID poddano testom odporności na:
1. Wyładowanie elektrostatyczne ESD (4kVCD/8kVAD) [80],
2. Zaburzenia promieniowane o częstotliwości radiowej (80-1000MHz i 1400-2000MHz, natężenie 3 V/m) [81],
3. Zaburzenia przewodzone o częstotliwości radiowej (150kHz-80MHz, wartość skuteczna napięcia obwodu otwartego sygnału zaburzającego nie modulowanego wynosiła 3 V) [82],
4. Szybkie elektryczne stany przejściowe (EFT/B) - badanie dotyczyło przyłącza sygnałowego, napięcie szczytowe ±0.5 kV [83].
Zgodnie z normą PN-EN 55024 przygotowano odpowiednie oprogramowanie dla urządzeń do badań i wybrano sekwencje testowe uwzględniając funkcje, jakie wykonuje całe urządzenie odczytujące RFID. Konieczne było sprawdzenie odporności urządzenia podczas odczytu, zapisu i przechowywania danych, a także podczas wyświetlania i przetwarzania danych. Opracowane zostały cztery tryby pracy urządzenia w trakcie, których poddawane było ono narażeniom. Wybrane wyniki badań kompatybilności elektromagnetycznej testowanego urządzenia umieszczono w dalszym rozdziale pracy (p. 7.4.2)[84].
W trakcie implementacji konkretnych rozwiązań układowych mających na celu spełnienie wymagań EMC okazało się że mają one wpływ na konstrukcję przeciwwybuchową urządzeń. Dlatego szczególną uwagę zwrócono na sprzeczność wymagań dyrektyw ATEX i EMC oraz spowodowane tym trudności na etapie projektowania i rozwoju konstrukcji [68, 69, 71]. Wspomniany problem wynika z tego, że u podłoża dyrektyw EMC i ATEX występują inne założenia i cele. W trakcie projektowania urządzeń iskrobezpiecznych
konieczne jest ograniczanie do dozwolonego poziomu energii iskry, która występuje na skutek zwierania pojemności lub rozwierania indukcyjności. Poważny problem pojawia się w przypadku, kiedy nie ma możliwości zastosowania hermetyzacji lub diodowej bariery ochronnej. Uwzględniając możliwość wystąpienia bardzo niekorzystnych uszkodzeń niezliczanych, konieczna jest minimalizacja pojemności i indukcyjności w obwodach elektronicznych do poziomu zależnego od maksymalnego napięcia lub prądu występującego w danym obwodzie. W sprzeczności z tymi wymaganiami, dyrektywa EMC narzuca inne rozwiązania w celu eliminacji emisji zakłóceń oraz zwiększania odporności urządzenia. Wymaga to stosowania różnych metod filtracji i zwiększania stabilności pracy obwodów elektronicznych. Osiągnięcie odpowiedniego poziomu odporności konstrukcji wymaga m.in. zastosowania w urządzeniu wielu dodatkowych elementów indukcyjnych i pojemnościowych, które muszą być uwzględnione w analizie iskrobezpiecznej.
Urządzenia iskrobezpieczne, w szczególności w trakcie analizy całego systemu iskrobezpiecznego muszą swoją konstrukcją gwarantować, że w trakcie eksploatacji nie dojdzie do tzw. wyrównania potencjałów przez obudowę urządzenia. Spowodowałoby to przepływ niekontrolowanego prądu, z którego powstała iskra stanowiłaby bezpośrednie zagrożenie wybuchem. Bardzo często wymaga to, aby obwody iskrobezpieczne były oddzielone galwanicznie od innych obwodów iskro i nieiskrobezpiecznych. Problem pojawia się, gdy w celu spełnienia wymagań EMC konieczne jest połączenie dwóch urządzeń przewodem ekranowanym, który powinien być z obydwóch stron dołączony do metalowej obudowy urządzenia.
Podsumowując, należy stwierdzić, że spełnienie wszystkich wymagań bezpieczeństwa (ATEX, EMC i R&TTE) komplikuje opracowanie konstrukcji urządzenia, które powinno działać poprawnie i zapewnić odpowiedni stopień ochrony. W głowicy odczytującej RFID rozwiązano te problemy na drodze analiz oraz badań zarówno w zakresie iskrobezpieczeństwa jak i kompatybilności elektromagnetycznej, które przedstawiono w kolejnych rozdziałach pracy (rozdz. 7).