Привет, Хабр, меня зовут Антон, я занимаюсь конструированием РЭА. Расскажу, как мы конструировали и испытывали промышленный контроллер автоматизации.
Сложность задачи заключалась в обеспечении высокой интеграции различных проводных и беспроводных интерфейсов связи в минималистичном корпусе, предназначенном для установки на рейку типа ТН35-7,5 по стандарту ГОСТ Р МЭК 60715–2003, проще говоря, DIN рейку, с обеспечением требований по электромагнитной совместимости (ЭМС) и внешними воздействующими факторами (ВВФ).
Классификация ВВФ
Внешние воздействующие факторы классифицируют по следующим признакам:
Согласно ГОСТ 26883–86, ВВФ — это «явление, процесс или среда, внешние по отношению к изделию или его составным частям, которые вызывают или могут вызвать ограничение или потерю работоспособного состояния изделия в процессе эксплуатации».
Механические ВВФ. Включают колебания (синусоидальная и случайная вибрация, акустический шум, качка, наклон, крен), удары (механический, гидравлический, сейсмический, баллистический, аэродинамический, удар взрывной волной), постоянное ускорение (линейное, угловое, центростремительное, невесомость), механическое давление (статическое, динамическое), силы (растягивающие, изгибающие, сжимающие, крутящий момент, механический срез, импульс силы), поток жидкости (течение).
Климатические ВВФ. К ним относятся повышенная или пониженная температура среды, смена температуры, повышенные или пониженные влажность и давление, атмосферные осадки (дождь, град, роса, гололед, изморозь), туман, пыль (статическая, динамическая), солнечное излучение (ультрафиолетовое), ветер, среда с коррозионной активностью (атмосферная, водная, почвенная), ледово‑снежная среда (лёд, снежный покров).
Биологические ВВФ. Это организмы или их сообщества, оказывающие внешние воздействия и вызывающие нарушение исправного и работоспособного состояния изделия. К ним относятся бактерии, плесневые грибы, растения и животные.
Радиационные ВВФ. Включают ионизирующие излучения (альфа‑, бета‑, гамма‑излучения, рентгеновское излучение, нейтронное, протонное излучения).
ВВФ электромагнитных полей. К ним относятся электромагнитные поля.
ВВФ специальных сред. Это неорганические и органические соединения, масла, смазки, растворители, топлива, рабочие растворы, рабочие тела, внешние по отношению к изделию, которые вызывают или могут вызвать ограничение или потерю работоспособного состояния в процессе эксплуатации или хранения.
Термические ВВФ. К ним относятся тепловой удар (тепловое излучение взрыва), нагрев (аэродинамический нагрев, нагрев трением, нагрев тепловым потоком, пламя).
ЭМС и ВВФ — это большой пласт работы и испытаний, заслуживающий отдельных статей. В данной материале речь пойдет в основном о защите от климатических ВВФ и конкретно о защите от воды и пыли.
Изделие проектировалось с учетом требований, предъявляемым к устройствам и аппаратуре железнодорожной автоматики и телемеханики, с обеспечением запаса по широкому диапазону рабочих температур окружающей среды от -40 до +80 °C. Также требовалось обеспечить негорючесть UL94V-0.
Обзор конструкции ПЛК
Конструкция нашего изделия обеспечивает универсальность использования, она выполнена в двух комплектациях: IP40 и IP54.
Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (Код IP), определяется ГОСТ 14254–2015 (IEC 60529:2013). Первое число кода определяет защиту от попадания внутрь корпуса твердых частиц, а второе — защиту от воды. В нашем случае для IP40: при приложении испытательной проволоки диаметром 1,0 мм и длиной 100 мм с усилием 1 Н ±10% в любое из отверстий в оболочке контроллера испытательная проволока не должна проникать внутрь и не должна прикасаться к опасным частям изделия, влиять на их работу и исправность.
Вторая комплектация (IP54) отличается от первой (IP40) наличием защитных оболочек (гермопроходников). Это дополнительные защитные корпусные детали, которые закрывают разъемы интерфейсов и клеммники. Следует отметить, что мы используем разъемные клеммники. Ниже представлены изображение модели и фото, показывающие контроллер в комплектации IP54 и IP40.
(Характеристики программируемых контроллеров серии РТ330. Модель РТ330100 предназначена для стационарного использования, а модель РТ330200 — для монтажа на транспортных средствах).
С нижней стороны, под антенными разъемами, находятся разъемы SFP, Ethernet, USB Type C, которые закрываются заглушкой, либо если они используются, то ставится гермопроходник и через него выводятся кабели. Все гермопроходники закрепляются на корпусе невыпадающими винтами.
Также по ТЗ предусматривалось увеличение функций контроллера, за счет подключения дополнительных блоков, с помощью разъема или специального межблочного кабеля. Это могут быть блоки питания постоянного и переменного напряжения, блоки дискретных входов‑выходов и другие в зависимости от заказываемой комплектации.
В гермопроходниках для блоков и контроллера предусмотрены гермовводы для ввода кабелей в гофре с диаметром 16 мм. Под гермовводы на стенках гермопроходников намечены метки под отверстия, которые просверливают при монтаже. Сами кабели и гофры в комплект не входят и поставляются заказчику отдельно под конкретную задачу. Гермовводы могут быть установлены с одной из трех доступных сторон или сразу со всех. В последнем случае удобно использовать гермопроходники для клеммников как коммутационную коробку для соединений кабелей,
идущих с разных сторон.
Такое решение позволяет эффективно скомпоновать и смонтировать контроллер и нужные заказчику соединения не только в шкафу с рейкой, но и на стене внутри помещения, на любой металлической и неметаллической поверхности снаружи на улице, на столбе или на транспортном средстве. Блоки можно разнести в разные места, если этого требует монтаж системы (то есть когда нельзя все установить в одну коробку). Контроллер и все блоки имеют одинаковый профиль корпуса, позволяющий смонтировать их под панель в шкафу, если это необходимо. Зачастую решения отдельных производителей не позволяют монтировать изделия под панель. Это касается и блоков питания. Контроллер в комплектации IP54 может быть установлен на столбах как внутри, в теле столба, так и снаружи без дополнительного кожуха.
Одно из применений контроллера в комплектации IP54 — установка на подвижном составе в незащищенных от осадков местах. Например, контроллер можно разместить в непосредственной близости от антенн для уменьшения длины коаксиальных кабелей. Достаточно подвести питание к месту установки, а все остальные коммутации можно выполнить снаружи. При необходимости обеспечения проводного канала связи можно проложить оптоволоконный кабель и подключиться к SFP‑разъему.
Обзор конструктивных решений
Большинство промышленных ПЛК, предлагаемых сейчас на рынке, это чаще всего no name изделия сомнительного качества в пластиковом и редко в металлическом корпусе, выполненные с защитой IP20 или максимум IP40. Такие контроллеры не рассчитаны на промышленное использование в режиме 24/7 в условиях ВВФ.
Если требуется улучшенная защита, то ПЛК помещается в распределительный шкаф или коробку со степенью защиты до IP68, а кабели заводятся через гермовводы. Отдельно подчеркну, что установка гермовводов на готовые шкафы требует внимания к нюансам их монтажа и опыта от монтажников, работающих в полевых условиях. От качества монтажа зависит герметичность и в итоге работа всего изделия. Использование отдельного шкафа или коробки значительно увеличивает габариты и накладывает ряд ограничений на применение таких изделий. Ограничения эти связаны не только с размещением внутри коробки изделий и размещению самой коробки, но и с защитой от перегрева или охлаждения, с защитой от воздействия электромагнитных полей и прочих ВВФ, которые изначально не были предусмотрены в изделии. А это не всегда выполнимо и несет в себе риски отказа. Когда требуется непрерывный мониторинг процессов на промышленном предприятии или транспорте, отказ такого изделия, разумеется, недопустим. Ровно, как и использование таких изделий в ответственных процессах без проведения должных испытаний на ВВФ.
Ниже представлено изображение 3D‑модели компоновки прототипа в готовом пластиковом корпусе, от которой в последствии отказались.
Защиту IP40 и выше можно обеспечить с помощью алюминиевых корпусов, серийно изготовляемых по технологии экструзионного литья. Но тут могут возникнуть проблемы с компоновкой печатных плат и модулей внутри такого корпуса. Это решение всегда требует дополнительных операций по фрезерованию отверстий на гранях корпуса, которые необходимы для размещения разъемов и индикации. И эти дополнительные операции машинной обработки будут дорого стоить в серийном производстве. Разъемы окажутся утоплены из‑за толщины стенки, что для USB Type C, к примеру, неприемлемо, так как кабельная часть разъема может не до конца заходить в разъем. Также возникают вопросы к прочности и надежности в местах крепления боковых крышек и плотности прилегания этой крышки: чаще всего их можно закрепить только в четырех точках, а винты вкручиваются прямо в алюминий без дополнительных стальных резьбовых вставок. Конечно, имеются решения на рынке, позволяющие формировать резьбу при закручивании, то есть специальные, формирующие резьбу винты для металла. Но в данном случае это может привести к появлению мелких алюминиевых частиц внутри корпуса.
Решение с таким корпусом имеет ограничения и множество нюансов, совокупность которых не позволяет его применять. Радиоэлектронная начинка, размещенная на единой печатной плате, обычно задвигается внутрь корпуса сбоку по направляющим, как на салазках, что неудобно. Поскольку печатную плату с разными модулями требуется закрепить внутри и подключить к ней радиочастотные и питающие кабели. Как можно закрепить плату внутри? Прорабатывался способ фрезерования криволинейных вырезов в печатной плате для обеспечения плотного прилегания платы в направляющих внутри корпуса (для примера представлено на фото ниже).
Но остальные вопросы компоновки и сборки остаются. Например, как обеспечить надежное прижатие термопрокладки к основанию в таком корпусе при сборке? Решить это всё, конечно, возможно, но есть другой путь.
Проанализировав решения с готовыми корпусами или установкой незащищенного изделия в защищенный шкаф, было принято решение разработать собственный универсальный корпус, изготавливаемый путем лазерной резки из алюминиевого листа с последующей гибкой по определенному профилю. Дополнительным весомым плюсом будет свобода компоновки и уменьшение зависимости от иностранных производителей корпусов.
В контроллере используется достаточно мощный и выделяющий много тепла процессорный модуль на базе Rockchip RK3568J индустриального исполнения. Сам модуль SMARC российского производства компании «АТБ Электроника». Отвод тепла осуществляется на корпус без вентилятора. Напрашивается использование корпуса с вентиляционными отверстиями для улучшения естественной конвекции. Но делать этого нельзя: отверстия меньше 1 мм будут мало эффективны для теплообмена, а большие уже не пройдут по IP40. Установка вентилятора внутри корпуса значительно увеличит габариты и потребует организации и распределения воздушных потоков. Поэтому от всех греющихся элементов организован пассивный отвод тепла на корпус через термопрокладки. Кроме того, для технологичности было принято решение унифицировать корпус как для IP40, так и для IP54.
По параметрам защиты от ВВФ и теплоотдачи альтернативы металлическому корпусу нет. Для обеспечения прочности боковые стенки сделаны из нержавеющей стали, крышка алюминиевая. Делать все детали, включая крышку, из нержавейки заманчиво с точки зрения прочности и цены, но опрометчиво, так как теплоотдача нержавеющей стали гораздо меньше, чем у алюминия.
Чтобы обеспечить плотность прилегания корпуса в местах вырезов для разъемов и соединений необходимо выдерживать высокую точность в процессе гибки листа. Точность вырезов под разъемы для съемных клеммников и для вырезов под разъемы Ethernet и USB не должна превышать ±0,2 мм. Гибка из 1-миллиметрового листа для получения нужного профиля без трещин и при этом без ухудшения прочности потребовала подбора материала и его свойств, а также подбора угла сгиба в нескольких местах на корпусе.
Боковые панели установлены на корпус через прокладки из полиуретана. Дополнительная ступенька по контуру прилегания на прокладках обеспечивает позиционирование и закрытие щелей между корпусными элементами. Но у этого материала есть нюансы по устойчивости к ультрафиолету: на солнце со временем детали могут желтеть. Эта проблема решается введением в материал на производстве специальных добавок, обеспечивающих защиту от УФ. Винты с потайной головкой и с плоской шляпкой, соединяющие корпусные элементы, выполнены из нержавеющей стали. Их количество выбрано достаточным для обеспечения равномерного прижатия корпусных элементов друг к другу без зазоров.
Для отверстий под SD‑карту и слот SIM‑карт предусмотрены несъемные полиуретановые заглушки. Также для всех разъемов Ethernet, USB, SFP предусмотрены свои заглушки. В случае если разъемы не используются, заглушки всё равно должны быть установлены, для соответствия не только классу защиты IP54, но также и IP40, так как в такие разъемы свободно проникает тестовый щуп, и проверка по стандарту не может быть пройдена.
Для подключения антенн предусмотрены специальные разъемы SMA, имеющие в своей конструкции фланец с резиновым кольцом. Кольцо обеспечивает герметичность между корпусом и разъемом, но сами разъемы SMA при неподключенном кабеле не являются герметичными. Поэтому в комплекте идут заглушки SMA на случай, если какой‑то из коаксиальных кабелей не будет подключен.
Соединение внешних блоков контроллера для случая IP54 обеспечивается с помощью межблочного кабеля, который подключается к контроллеру справа. Кабель имеет экранировку внутри.
В случае размещения в шкафу в комплектации IP40 может быть использован как межблочный кабель, так и межблочный соединитель (см. ниже фотографии). В первом случае блоки соединяются с разнесением до 1 м, а во втором — напрямую к контроллеру.
Испытания
Испытания тестовым зондом на IP40 прошли успешно: щуп диаметром 1 мм (на фото ниже) не смог проникнуть внутрь корпуса и нарушить работу контроллера.
Камера пыли для испытаний на пылезащиту по стандарту IP54 оказалась огромной, в нее можно и автомобиль загнать. Но больше, как говорится, не меньше.
Фото контроллера в камере пылевых испытаний
Необходимый размер частиц описан в стандарте. В нашем случае средний размер частиц пылевой смеси составил 75 мкм. Длительность испытаний — 8 часов при нормальных климатических условиях +25 °С и влажности 45%.
Проверка работы изделия производилась дистанционно. После завершения воздействия пыли, дождавшись, когда пыль осядет, мы зашли в камеру и увидели «снежный» пейзаж. Сквозь слой бело‑серой пыли наш контроллер поприветствовал нас светодиодами.
Работа изделия контролировалась с помощью веб интерфейса встроенного программного обеспечения контроллера. Все модули и системы отработали штатно.
Видео с пылевых испытаний
После завершения всех проверок в камере пыли контроллер отключили, очистили снаружи от пыли и разобрали. Отметили, что внутрь корпуса пыль не проникла совсем. Хотя по стандарту допускается незначительное проникновение пыли в объеме, не влияющем на работу устройства.
Далее в камере дождевания провели испытание водой. Тест на дождевание по стандарту IP54, как и на пыль, тоже проходил в огромной камере (хотя изначально мы предполагали, что будет небольшая камера с качающей трубкой). Но когда начали искать существующие в РФ лаборатории с учетом их доступности, то остановились на лаборатории, которая предложила поливание из специального разбрызгивателя вручную под определенным давлением. Обрызгивание проводилось со всех сторон. Контроллер с блоками в составе были закреплены в рабочем положении на доску, имитирующую поверхность, а доска закреплена с помощью струбцин на стойках.
После испытаний был выполнен ряд проверок работоспособности системы, ее модулей и подключенных блоков. На фото ниже запечатлен процесс проверки работы модуля LTE и соединение с интернетом.
Испытания водой, фото
В результате испытаний внутри оболочки накопление воды на электроизоляционных частях и вблизи кабельных вводов не выявлено, попадание воды на части, находящиеся под напряжением, не обнаружено, нормальная работа оборудования не нарушена и его безопасность не снижена.
Добавлю, что корпус изделия сделан с запасом на обливание большим количеством воды, но без полного погружения. Полное погружение в воду по стандарту начинается с уровня IP67 и выше.
Выводы
В заключение хочу сказать, что при проектировании корпусов защищенных устройств обязательно необходимо оценить целесообразность разработки собственного корпуса, исходя из всех требований технического задания, а не только требований к конструкции и воздействиям. Зачастую требования к ПЛК и подобного рода изделий с уровнем IP67, то есть с полным погружением в воду на глубину до 1 м избыточны и ведут к значительным затратам на проектирование и изготовление корпуса, так как требуют очень точной подгонки частей корпуса, подбора параметров прокладок и расчета их обжатия.
Также стоит учесть, что заявленная степень защиты по такому уровню у no name корпусов и электромонтажных коробок вызывает большие вопросы. В магазинах в товарном описании для коробок электромонтажа написано об их герметичности. Но большинство продавцов вам не подтвердит, что они проходили реальные испытания на защиту от воды. И это касается не только российских, но и китайских онлайн‑магазинов и компаний. Так что компоненты, которые имеют свой контур герметичности и будут контактировать с внешней средой, необходимо отдельно проверять на герметичность после их установки.
На практике уровня защиты IP54 вполне достаточно для большинства применений на улице. Свой корпус имеет однозначные плюсы с точки зрения получения свободы компоновки печатных плат и размещения всех модулей внутри корпуса, а также для решения вопросов отведения тепла и защиты от ВВФ. И еще, что тоже важно, свой корпус — это независимость от производителей готовых корпусов и возможности эволюционного развития изделия в будущем.
