Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Elektromagnetická kompatibilita průmyslových distribuovaných systémů

číslo 5/2002

Elektromagnetická kompatibilita průmyslových distribuovaných systémů

Průmyslové distribuované systémy založené na využití sériových průmyslových komunikačních sběrnic se v současnosti běžně používají pro implementaci automatizovaných systémů pro sběr dat a řízení. Jejich použití v průmyslovém prostředí s sebou přináší mnoho problémů a rizik, souvisejících především s běžně se vyskytující vysokou úrovní vnějších elektromagnetických vlivů. Článek poukazuje na některé příčiny těchto problémů a nabízí cesty k jejich překonání.

1. Úvod

Distribuované systémy určené pro řízení či sběr dat jsou často provozovány v průmyslovém prostředí vyznačujícím se vysokou úrovní vnějších elektromagnetických vlivů. Přestože jsou tyto systémy obvykle vystavěny na bázi standardů, které jsou pro průmyslové prostředí přímo určeny (průmyslová komunikační sběrnice, fieldbus, feldbus – dále jen sběrnice), jsou uživatelé anebo integrátoři často nemile překvapeni, když v praxi zjistí omezenou datovou propustnost systému nebo prodloužení jeho reakčních dob. Z toho vyplývají následné problémy aplikačního programového vybavení, především řídicích algoritmů pracujících v reálném čase, u nichž je distribuovaný systém součástí regulační smyčky.

Cílem tohoto článku je upozornit na závažnost dané problematiky, ukázat některé příčiny vedoucí k degradaci komunikačních parametrů distribuovaných systémů v průmyslovém prostředí a popsat objektivní metody testování odolnosti komponent distribuovaných systémů vůči elektromagnetickému rušení. Cílem naopak není opakovat běžně známé skutečnosti týkající se standardních zkoušek elektromagnetické slučitelnosti, jejichž alespoň částečná znalost je předpokládána nebo ji lze snadno doplnit studiem literatury, např. [1].

Postupy a metody uvedené v článku naleznou v praxi uplatnění především v prostředích s extrémními hodnotami vnějších elektromagnetických vlivů, poměrně často jsou však užitečné i při řešení dílčích problémů v běžném průmyslovém prostředí.

2. EMS komunikace ve stávajících distribuovaných systémech

2.1 Pojmy EMC, EMI a EMS
Elektromagnetická kompatibilita (Electromagnetic Compatibility – EMC) je definována jako schopnost zařízení nebo systému fungovat v daném elektromagnetickém prostředí bez vytváření nepřípustného elektromagnetického rušení pro cokoliv v tomto prostředí. Především je třeba konstatovat, že úřednímu dohledu z hlediska EMC podléhají jednotlivá elektrická zařízení a systémy z nich složené, nikoliv jejich instalace, což je důležité právě v případě sběrnic. Z definice dále vyplývá dělení problematiky EMC na oblast elektromagnetického rušení (Electromagnetic Interference – EMI), která se věnuje elektrickým zařízením jako zdrojům rušení, a na oblast citlivosti na rušení (Electromagnetic Susceptibility – EMS), zaměřenou na odolnost proti rušení.

Komponenty sběrnic jako prostředky průmyslové automatizace podléhají všeobecným harmonizovaným normám ČSN EN 50081-2 (EMI) a ČSN EN 500082-2 (EMS). ČSN EN 500082-2 definuje pojem průmyslové prostředí, na něž se vztahují funkční schopnost a kritéria pro vyhodnocení zkoušek, a především požadavky na jednotlivé zkoušky odolnosti, včetně stanovení stupně odolnosti. Pro naše účely jsou podstatné jen ty rušivé vlivy (a od nich odvozené zkušební signály), které mají významný vliv na parametry komunikačních kanálů. Jde především o zkoušky, při nichž je rušivý signál definovaným způsobem navázán na vedení komunikačního kanálu a rušení má dlouhodobější či trvalý charakter. Nejsou-li tyto podmínky splněny, rušení většinou nemá na parametry komunikace (za předpokladu, že zařízení jako takové funguje) významnější vliv.

Jen na okraj je třeba poznamenat, že v závislosti na konkrétním prostředí nebo aplikaci, pro niž jsou určeny, mohou komponenty sběrnic podléhat i dalším normám z oblasti EMC.

Obr. 1.

2.2 Definice pojmu komunikační kanál a vazba rušení
Z hlediska zkoumání odolnosti komunikace proti rušení je v distribuovaných systémech vhodné definovat komunikační kanál podle obr. 1. Tato definice v sobě zahrnuje nejen vlastní přenosové médium a obvody fyzického rozhraní, ale také veškeré další technické i programové prostředky zúčastněné při přenosu dat. K nim patří zejména komunikační řadič, obvykle realizující linkovou vrstvu protokolu, a také implementace protokolů vyšších vrstev, obvykle již realizované programově. Takto pojatá definice respektuje skutečnost, že ačkoliv veškeré komunikační problémy vždy vznikají v nejnižší, tedy fyzické vrstvě protokolu, je na implementaci vyšších vrstev (zde především vrstvy linkové), jak se dokáží s chybami na vstupu vyrovnat – zda je rozpoznají, zajistí nápravu a výše předávají již jen bezchybná data. Z toho vyplývají dvě možnosti, jak zajistit spolehlivou komunikaci:

  • zabezpečit maximálně možnou fyzickou odolnost komunikačního kanálu,
  • zabezpečit účinnou detekci vzniklých chyb a vytvořit mechanismus, který zajistí doručení bezchybných dat.

Pravděpodobnost vzniku chyby ve fyzické vrstvě je obecně závislá na třech skupinách parametrů, charakterizujících:

  • úroveň a charakter rušivého signálu,
  • typ a stupeň vazby rušivého signálu a fyzického média komunikačního kanálu,
  • vlastnosti komunikačního rozhraní příslušného modulu.

Obr. 2.

Graficky je uvedené konstatování znázorněno na obr. 2. Odtud je také zřejmé, že „sériové“ řazení jednotlivých bloků umožňuje zmenšit pravděpodobnost vzniku chyby zlepšením parametrů kteréhokoliv z nich.

První možností tedy je alespoň částečně eliminovat zdroje rušení, tedy snížit úroveň produkovaného rušení na takovou míru, která poskytne požadované parametry komunikace. Existují však průmyslová zařízení, kde lze takový postup efektivně uplatnit jen s velkými obtížemi, zdali vůbec. To se týká především výkonových elektrických zařízení v těžkém i lehkém průmyslu, dopravě apod.

Druhou možností je opět alespoň částečná eliminace vazeb mezi zdrojem a příjemcem rušení. Té lze dosáhnout především vhodným prostorovým uspořádáním zdrojů a příjemců rušení, stíněním komunikačních linek a dodržováním všeobecných zásad pro instalaci (uvedených např. v [1] a [2]). Optimálním řešením je použití optických vláken, jelikož vazba rušení do takto realizovaného komunikačního kanálu je nulová a odolnost uzlů systému (vzhledem k rušení z komunikačního kanálu) nehraje roli. Tato metoda má ale také mnohé nevýhody, mezi něž patří vysoká cena, horší mechanické vlastnosti, horší odolnost vůči nepříznivým vlivům prostředí a složitější propojování. V některých případech je však využití optického média nezbytné, zvláště je-li spojeno s dalšími výhodami, např. bezproblémovou aplikaci v prostředí s nebezpečím výbuchu.

Třetí a poslední možností je zvětšit odolnost jednotlivých uzlů vůči rušení do komunikačního kanálu (za předpokladu metalického přenosového média). Tato cesta je v mnoha případech jedinou možnou. Její přínos navíc není vázán na jednu konkrétní instalaci, ale projeví se vždy. Proto se v dalším textu budeme zabývat právě touto třetí možností.

2.3 Metody zajištění odolnosti

2.3.1 Odolnost fyzické vrstvy protokolu
Jak již bylo uvedeno, chyby v komunikaci vznikají vždy na úrovni fyzické vrstvy. Její odolnost je základem odolnosti jednotlivých uzlů, a tedy i celého systému.

Ve standardech sběrnic, zaměřených spíše na definici vyšších vrstev protokolového zásobníku, je fyzická vrstva vlastně popelkou. Pokusme se shrnout doporučení, která lze u jednotlivých standardů nalézt:

  • stíněné kabely: většina standardů je nevyžaduje, ale doporučuje je použít právě v prostředí s vysokou úrovní rušení;

  • kroucený pár vodičů: doporučován; motivem je snížit jak intenzitu elektromagnetického vyzařování do okolí, tak i citlivost na vnější vlivy;

  • galvanické oddělení obvodů komunikačního rozhraní: je uplatňováno u téměř všech standardů kromě těch, které využívají komunikační vedení také pro rozvod napájení;

  • optická vlákna jako přenosové médium: jsou alternativou doporučovanou právě v případech extrémních úrovní vnějšího elektromagnetického rušení.

2.3.2 Odolnost linkové vrstvy protokolu
Pojem odolnosti protokolu linkové vrstvy vůči chybám je třeba podrobněji definovat. V úvahu připadají dvě definice:

  1. Odolnost je dána schopností kontrolních mechanismů detekovat chyby, k nimž došlo vlivem rušení.

  2. Odolnost je dána schopností zajistit maximálně možnou propustnost komunikačního kanálu při současném zajištění správnosti dat.

První z uvedených je definicí obecně používanou, neboť linkové protokoly existujících standardů využívají právě mechanismus detekce chyb. Nepostihuje však další významné rysy linkového protokolu, jako jsou charakter a rychlost odezvy na výskyt chyby. Druhá definice je již bere v úvahu, pro dané účely je vhodnější, a bude-li se dále hovořit o odolnosti linkového protokolu, bude myšlena právě definice druhá.

Současné implementace linkových protokolů využívají několik základních mechanismů umožňujících detekovat chyby fyzické vrstvy. Jsou to především kontrola formátu linkového rámce (např. začátek a konec rámce) a kontrola informačního obsahu rámce (např. parita, Cyclical Redundancy Check – CRC, apod.). Je-li detekována chyba, je neúspěšný přenos dat opakován.

2.3.3 Odolnost aplikační vrstvy protokolu
Bez ohledu na způsob zabezpečení implementovaný v linkovém protokolu vždy existuje nenulová pravděpodobnost, že daný kontrolní mechanismus vzniklou chybu neodhalí. Jelikož je tato pravděpodobnost u některých standardů poměrně velká, je nezbytné, aby vyšší (aplikační) vrstva byla schopna vzniklé situace nějakým způsobem řešit. V praxi jsou používány dvě základní metody, lišící se podle charakteru přenášených dat. Jsou-li data linkového rámce součástí základních služeb aplikační vrstvy, mají protokoly aplikační vrstvy dodatečné informace, které mohou být využity pro detekci chybných dat. Jde-li o některé speciální služby, jako je přenos neformátovaných dat (např. programu), jsou data většinou zajištěna dalším kontrolním mechanismem na úrovni aplikačního protokolu. V obou případech je výsledná pravděpodobnost situace, kdy budou skutečně využita chybná data, dále zmenšena.

2.3.4 Shrnutí
Po shrnutí již uvedených informací je zřejmé, že tvůrci standardů sběrnic nevěnují problematice EMC významnější pozornost a spoléhají na obecně platné normy. Tento přístup je v pořádku, pokud prostředí, v němž má daný systém pracovat, také požadavkům příslušných norem odpovídá. Existují však aplikace, kde, především z ekonomických důvodů, toto nelze trvale zajistit. Pak mnohdy dochází k výraznému ovlivnění (degradaci) parametrů komunikace a následně i funkčních parametrů celého systému řízení nebo sběru dat.

3. Zvyšování odolnosti komunikačních kanálů

3.1 Rozhoduje odolnost fyzické vrstvy
Pro praxi je typické, že problémy vznikají především tam, kde se ještě uplatňuje vliv blízkého pole zdrojů rušení. To neznamená, že vzdálená pole nemají žádný vliv, nicméně jejich intenzita je v naprosté většině případů tak malá, že chybovost kanálu negativně neovlivňuje. Výjimkou jsou situace, kdy jsou vedení komunikačního kanálu nebo jeho část „naladěny“ na frekvenci rušivého signálu a fungují jako antény. V těchto případech však často stačí pouhá změna prostorového uspořádání. Vzhledem k daným skutečnostem se při modelování vazby mezi zdrojem rušení a médiem komunikačního kanálu lze omezit na vliv dominantní složky pole, a tedy bud’ na kapacitní, nebo indukční vazbu.

V případě distribuovaných systémů definovaných standardy má jejich výrobce značně omezené možnosti, jak zvýšit odolnost jejich komunikace. Nutnost respektovat standard vede k soustředění se na odolnost fyzické vrstvy protokolu. To je však principiálně správně, neboť zde tkví příčina všech problémů.

3.2 Model mechanismu vzniku chyb na vstupu rozdílového komunikačního rozhraní

Obr. 3.
Na obr. 3 je zobrazen zjednodušený model fyzické vrstvy komunikačního kanálu. Použité zjednodušení je přípustné, neboť pro další postup jsou důležité především kvalitativní, a nikoliv kvantitativní výsledky. Fyzickou vrstvu komunikačního kanálu budeme nadále považovat za ideální (viz dále). Pro oba typy vazby je v dalším textu ukázán výsledný efekt právě v tomto ideálním případě a dále demonstrován jeho vliv na vznik chyb.

V obr. 3 představují linky A a B symetrické signálové vedení, linka G signálovou zem a linka RG zem referenční. Vliv ideálních obvodů rozhraní je modelován vstupní impedancí Zi a dvojicí impedancí ZR1 a ZR2mezi signálovými vodiči a signálovou zemí. Impedance mezi signálovými vodiči a referenčním zemním potenciálem jsou označeny ZS1 a ZS2, impedance mezi signálovou zemí a referenčním zemním potenciálem ZG. Idealizace tohoto modelu je dána jednak jeho symetrií, jednak neexistencí indukční vazby v případě smyčky tvořené oběma signálovými vodiči (zde předpokládáme dokonale zkroucenou dvojici vodičů se součtem ploch jednotlivých opačně orientovaných smyček blížícím se nule). Další zavedená zjednodušení se již týkají konkrétních typů vazeb.

Obr. 4.

V případě kapacitní vazby je vazební kapacita mezi zdrojem rušení a jednotlivými vodiči ideálního komunikačního kanálu rozprostřena shodně a na obr. 4 je nahrazena třemi bloky se shodnou impedancí ZC.

Vzhledem k symetrii celého modelu lze uvažovat pouze polovinu vedení, jevy ve druhé polovině budou obdobné. Zdroj U zde modeluje rušivé napětí. Obecný vztah popisující ustálený harmonický stav tohoto obvodu (tato idealizace je vzhledem k závěrům tohoto odstavce přijatelná) je poměrně komplikovaný a vliv změn jednotlivých parametrů z něj není jednoduše zřejmý. Je možné vyřešit tyto závislosti numericky a graficky je zobrazit. Vzhledem k vysokému stupni symetrie obvodu však lze některé jevy podmíněné změnami parametrů modelu snadno chápat intuitivně. Je např. zřejmé, že platí-li rovnosti ZS1 = ZS2 a ZRl = ZR2, je napětí mezi body A a B (a tedy vstupní napětí symetrického přijímače) generované rušivým signálem nulové. Vzhledem k principu superpozice pak rušení nemá negativní vliv na komunikaci. Je také zřejmé, že nesymetrii jedné dvojice impedancí lze kompenzovat opačnou nesymetrií dvojice druhé; tato možnost však, vzhledem k charakteru těchto impedancí, nemá v praxi význam. Dalším snadno postřehnutelným jevem je vznik souhlasného napětí mezi body A, B a signálovou zemí v případě, kdy je impedance ZG značně odlišná od impedancí ZS1 a ZS2. To je v praxi zcela běžná situace a hlavní zdroj rušení na vstupu přijímače.

Obr. 5.

V případě indukční vazby mezi zdrojem rušení a jednotlivými smyčkami vytvářenými vodiči komunikačního kanálu je situace velmi podobná (obr. 5). Rušivé napětí indukované do jednotlivých smyček vytvářených vodiči je tentokrát modelováno několika zdroji napětí a s nimi svázanými vazebními impedancemi. Zdroj UC představuje složku indukovanou do všech vodičů vedení a zdroj UD představuje složky indukované do smyček tvořených vždy jedním signálovým vodičem a signálovou zemí (ty lze v uvažovaném idealizovaném případě pokládat za shodné). Zdroj modelující rušivý signál indukovaný do smyčky tvořené signálovými vodiči v modelu chybí, neboť vzhledem k fyzickému uspořádání (kroucená dvojice vodičů) lze jeho vliv zanedbat. S využitím superpozice je možné zkoumat vliv jednotlivých zdrojů v modelu odděleně. Je zřejmé, že vliv zdroje UC se projeví zcela shodně jako v předchozím případě. Zdroj UD vnáší do obvodu dodatečné souhlasné napětí mezi signálové vstupy a signálovou zem.

Zmíněné modely popisují jevy způsobené rušivými vlivy na vstupech symetrického přijímače komunikačního kanálu. Mechanismy vzniku chyb vyvolaných těmito rušivými vlivy jsou popsány v následující podkapitole.

3.3 Mechanismy vzniku chyb

3.3.1 Model rozhraní
Z kap. 3.2 vyplývá, že konečným efektem rušení do média komunikačního kanálu je výskyt rušivého napětí na vstupech komunikačního rozhraní uzlu systému. Zjednodušené schéma přijímací části typického symetrického rozhraní, jaké využívá většina dnes rozšířených systémů, je na obr. 6. Vazby na něm naznačené nejsou a nemohou být úplné, neboť jejich typ a význam jsou z velké části dány konstrukčním uspořádáním a parametry obvodů rozhraní.

Obr. 6.

Z obr. 6 také vyplývá, že rušení ze vstupů přijímače se různými cestami dostává na další obvody rozhraní, kde pak vznikají jakési sekundární chyby. Ty se nyní pokusíme objasnit a v následující podkapitole uvedeme způsoby, jak jednotlivé mechanismy vzniku chyb eliminovat.

3.3.2 Chyby přijímače
Příčiny chyb vznikajících přímo na vstupu přijímače již byly vysvětleny. Je to jednak nesymetrie vstupních obvodů, v jejímž důsledku se na vstupních signálových vodičích objevuje rozdílový rušivý signál, který přijímač chybně zpracovává jako signál užitečný. Druhou příčinou je nekvalitní galvanické oddělení rozhraní, v jehož důsledku se na vstupech objevuje souhlasné rušivé napětí. Jelikož odolnost běžně používaných symetrických přijímačů vůči souhlasnému rušení je omezená (většinou na několikanásobek standardních vstupních úrovní), dojde při jejím překročení k zablokování výstupu v jedné z logických úrovní a tím i k chybám v přenosu dat. Tento mechanismus je z hlediska chyb přijímače nejpodstatnější.

3.3.3 Chyby optočlenu
Dalším možným zdrojem chyb v signálové cestě je optočlen použitý z důvodu galvanického oddělení. Vznik chyb je svázán s gradientem napětí mezi jeho galvanicky oddělenými částmi a je dán vnitřní strukturou optočlenu (vazebními kapacitami). Při změnách rušivého napětí UC (mezi galvanicky oddělenými částmi optočlenu) je prostřednictvím vazební kapacity přiveden do báze výstupního tranzistoru rušivý proud, který může způsobit dočasnou změnu výstupní logické úrovně optočlenu.

Tento efekt je při dané úrovni rušení tím patrnější, čím jsou impedance (a tedy i rušivé napětí) mezi galvanicky oddělenými částmi větší. Zkvalitněním galvanického oddělení (a odstraněním jedné příčiny chyb) pak lze vliv tohoto mechanismu nechtěně posílit.

Obr. 7.

3.3.4 Chyby komunikačního řadiče
Vstup komunikačního řadiče je téměř vždy v úrovních TTL, a tedy s nepříliš velkou šumovou imunitou. Také v tomto případě se uplatňují (v závislosti na konstrukci) oba typy rušivých signálů. Vliv napětí UD, které modeluje sériové rušení, je zřejmý. Jeho zdrojem je především vazební impedance optočlenu, jejímž prostřednictvím se rušení dostává přímo na vstup řadiče. Zásadní vliv ale má zdroj UC, který modeluje souhlasné rušení, pronikající především prostřednictvím převodníku DC/DC. Jak je zřejmé z obr. 7, vznikají vlivem tohoto rušení chyby jak na vstupu, tak i na výstupu komunikačního řadiče (směrem k procesoru). Je tedy možné, aby data byla dobře přijata, zpracována komunikačním řadičem (včetně detekce jejich správnosti v linkové vrstvě protokolu) a chybně odečtena procesorem z komunikačního řadiče. Tento mechanismus je obzvlášť obtížně zjistitelný, neboť bez rušení funguje zařízení zcela korektně. Při působení rušení je však počet chyb v datech předávaných aplikační vrstvě podstatně větší, než odpovídá úrovni rušení a detekčním schopnostem použitého linkového kódu. Tato skutečnost ale zůstává při běžných testech nepovšimnuta a v praxi se projeví (aplikačně závislým způsobem) až při dlouhodobém provozu systému.

3.4 Zvýšení odolnosti rozhraní

3.4.1 Kombinace dvou faktorů
Z kap. 3.2 vyplývá, že hlavní vliv na fyzickou odolnost komunikačního rozhraní mají dva faktory – výběr komponent a konkrétní provedení obvodů rozhraní. Soustředěním se pouze na jeden z nich nelze dosáhnout významného zvýšení odolnosti komunikace, neboť efekt většiny již uvedených mechanismů vzniku chyb je úměrný oběma faktorům.

3.4.2 Volba komponent
Jak je zřejmé z předchozího odstavců, jsou z hlediska odolnosti komunikačního rozhraní vůči vnějšímu rušení rozhodující parametry tří základních komponent – obvodu fyzického rozhraní (nejčastěji kombinace přijímač-vysílač, transceiver), optočlenů a převodníku DC/DC napájejícího galvanicky oddělenou část rozhraní.

Mechanismy vzniku chyb na obvodu fyzického rozhraní již byly podrobně vysvětleny a zdálo by se zřejmé, že tyto chyby lze omezit především vhodným konstrukčním uspořádáním obvodů rozhraní. Na základě vykonaných měření však je možné prohlásit, že skutečná odolnost těchto obvodů především vůči souhlasnému rušení je u obvodů od různých výrobců značně rozdílná. Jednotlivé obvody se liší především dobou zotavení, kterou lze definovat jako časový interval mezi zánikem rušivého vlivu a okamžikem, kdy obvod opět pracuje správně (za předpokladu, že v důsledku rušení obvod po jistou dobu správně nepracoval). Tato úvaha se týká především souhlasného rušení, neboť, jak bude ukázáno v následujícím odstavci, lze vzniku rozdílového rušivého signálu zabránit vhodným konstrukčním uspořádáním obvodu. Zmíněná doba zotavení se u jednotlivých typů obvodů pohybuje (v závislosti na druhu rozhraní a jeho standardní rychlosti) v desítkách až stovkách nanosekund. Při volbě obvodu rozhraní pro prostředí s předpokládanou vysokou úrovní rušení je však třeba se vyvarovat obvodů s omezenou rychlostí změny výstupního signálu. Tyto obvody byly navrženy proto, aby bylo omezeno vyzařování rušivého pole z kabelových rozvodů distribuovaných systémů, k čemuž omezení rychlosti změny výstupního napětí bezpochyby přispívá. Negativním efektem tohoto řešení je však několikanásobně delší doba zotavení těchto obvodů ve srovnání s obvody standardními. Vzhledem k předpokládané vysoké úrovni rušení produkované zařízeními mimo distribuovaný systém a k předpokládanému využití stíněných kabelů je uvedený negativní vliv převažující. Pro obvody rozhraní s velkou odolností vůči rušení lze tedy doporučit především standardní obvody s minimální dobou zotavení.

Obr. 8.

Dalším důležitým prvkem při návrhu galvanicky odděleného komunikačního rozhraní odolného vůči rušení je optočlen. Požadavek minimální vazební kapacity platí vždy. Vhodnou volbou jsou proto optočleny vybavené vnitřním stíněním mezi galvanicky oddělenými částmi připojenými k emitoru výstupního tranzistoru. Rušivý signál pak neproniká do báze tohoto tranzistoru a neovlivňuje přímo jeho stav. Dalším důležitým parametrem optočlenu je impedance mezi vývody pouzdra galvanicky oddělených částí. Tato impedance kapacitního charakteru představuje přímou cestu průniku rušení na vstup komunikačního řadiče (obr. 6), a měla by tedy být co největší. Paralelně s ní se uplatňuje také kapacita plošných spojů.

Posledním, ale z hlediska odolnosti obvodu komunikačního rozhraní vůči rušení asi nejdůležitějším konstrukčním prvkem je měnič DC/DC. Tato součástka zabezpečuje dodávku energie pro galvanicky oddělené části rozhraní: galvanické oddělení uvnitř měniče je provedeno prostřednictvím pulsního transformátoru. Měniče DC/DC pracují s frekvencemi řádu stovek kilohertzů, což umožňuje zmenšit rozměry jádra a tím i celého měniče. Negativním důsledkem takové kompaktní konstrukce je nezanedbatelná impedance převážně kapacitního charakteru mezi vstupem a výstupem měniče. Dosahuje několika desítek až stovek (výjimečně) pikofaradů a opět tak tvoří přímou cestu pro průnik rušivého signálu do obvodů komunikačního řadiče. Navíc, jak bylo ukázáno v kap. 3.2, je přímým důsledkem malé hodnoty této impedance výskyt souhlasného rušení na vstupu obvodu rozhraní a následný vznik chyb. Je tedy zřejmé, že pro konstrukci galvanicky odděleného komunikačního rozhraní odolného proti rušení je třeba použít měniče DC/DC s minimální kapacitou mezi galvanicky oddělenými částmi. Tuto kapacitu však výrobci běžných měničů DC/DC zpravidla neudávají, a je třeba ji předem změřit. Existují také výrobci speciálních měničů DC/DC, u nichž je díky vnitřnímu konstrukčnímu uspořádání a využití vnitřního stínění tato kapacita redukována až na jednotky pikofaradů. Cena těchto měničů je však poměrně velká.

3.4.3 Konstrukční uspořádání
Konstrukčním uspořádáním obvodu rozhraní je míněno především rozmístění jeho jednotlivých komponent na desce plošných spojů a jejich správné propojení. Jak vyplývá z úvah v kap. 3.2, je prvotním konstrukčním požadavkem dosáhnout maximální symetrie impedancí mezi vstupy přijímače, zemí sběrnice a referenční zemí modulu. Vstupní impedance samotného přijímače je symetrická. Udržet tuto symetrii vhodným vedením signálů na desce s plošnými spoji (viz impedance ZR1 a ZR2 na obr. 3) není obtížné – stačí zachovat shodnou geometrii (a tedy i kapacitu) obou linek vůči signálové zemi. Stejně jednoduché je udržet přibližně shodné hodnoty impedance mezi oběma vstupy a referenční zemí modulu (viz impedance ZS1 a ZS2 na obr. 3). Nesymetrie naposled uvedených impedancí však opět není příliš podstatná, jelikož impedance ZR1, ZR2 a ZC nabývají řádově menších hodnot. Velký vliv má naopak impedance mezi galvanicky oddělenými částmi optočlenů. Ta je paralelní kombinací impedance vlastní součástky (viz předchozí kapitola) a impedance plošného spoje. Špatné vedení spojů k optočlenu a od něj je častou příčinou zvýšeného výskytu chyb vlivem rušení na vstupu komunikačního řadiče. Tyto spoje by měly být vedeny přímo a nesmí docházet k vzájemnému „proplétání“ spojů z galvanicky oddělených částí rozhraní. Zásadním problémem galvanicky odděleného rozhraní je impedance mezi signálovou zemí a referenční zemí modulu (viz ZC na obr. 3).

Je tvořena impedancí měniče DC/DC a impedancí plošných spojů. Omezení kapacitní vazby lze dosáhnout důsledným fyzickým oddělením obou částí rozhraní. Důležitá je také minimalizace ploch smyček, které mohou být v důsledku působení rušení protékány velkým proudem (na straně obvodu fyzického rozhraní komunikačního kanálu), stejně jako minimalizace ploch smyček, které mohou být příjemci takto generovaného rušení (na straně komunikačního řadiče), čímž je omezena vazba indukční. Velmi důležité je také odstínit vliv rušení přivedeného prostřednictvím měniče DC/DC na komunikační řadič. Impedance mezi referenční zemí modulu a zemním vývodem komunikačního řadiče (Z2 na obr. 7) by měla být minimální, neboť se tak zabrání chybám vznikajícím při čtení na výstupu komunikačního řadiče. Ze stejného důvodu by měla být maximální impedance (jen pro střídavé signály) mezi měničem DC/DC a zemí komunikačního řadiče (Z1 na obr. 7). Optimální je napájet měnič DC/DC ze samostatné větve napájecího zdroje.

3.4.4 Ochranné prvky
Odolnost vstupu komunikačního rozhraní lze dále zvýšit využitím ochranných obvodů s nelineárními prvky (diody, Zenerovy diody) zapojenými mezi vstupy a zem obvodu rozhraní. Pozitivní vliv má také použití proudově kompenzované tlumivky přímo na vstupu obvodu (k dispozici jsou provedení vestavěná do konektoru). Vždy je však třeba věnovat pozornost vlivu ochranných obvodů na užitečný signál, zvláště při větších modulačních rychlostech.

4. Zkoušení odolnosti komunikačního kanálu

Pro ověření odolnosti komunikačního rozhraní daného modulu či pro porovnání různých modulů je nezbytná objektivní metoda poskytující důvěryhodné a opakovatelné výsledky měření. Na jejich základě může výrobce ověřit účinnost realizovaných úprav a integrátor systému vybrat ten nejodolnější modul z dostupné nabídky. Jako zdroj rušení je vhodný generátor skupin rychlých přechodových dějů používaný ke zkouškám podle normy ČSN EN 61000-4-4. Jeho výhodou je dostupnost, reprodukovatelné nastavení, charakter rušivého signálu, který výrazně ovlivňuje komunikaci, a také definovaná vazba rušivého signálu do komunikačního kanálu.

Obr. 9.

Základní uspořádání zkoušky podle obr. 9 vychází z již zmíněné normy [3]. Při vlastní zkoušce je nezbytné dodržet podmínky dané normou, což se týká především prostorového uspořádání zkoušky, referenční zemní plochy, vazebního členu a vzájemného propojení. Důležité je správné zemnění modulu v podobě, v jaké bude provedeno v reálné aplikaci, stejně jako připojení stínění datového kabelu (je-li využito). Zdroj rušení trvale generuje rušivý signál s takovým rozložením rušivých impulsů, které simuluje reálné podmínky. Napětí rušivých impulsů je voleno tak, aby stupeň rušení odpovídal skutečnosti. V praxi je výhodné vykonat několik zkoušek s různým nastavení parametrů rušení, aby byl získán ucelenější obraz o chování toho kterého modulu. Pomocné zařízení generuje takový provoz v komunikačním kanálu, na který testované zařízení reaguje odesláním požadovaným způsobem, což je v první řadě další komunikace. Měřením různých parametrů této komunikace (chybovosti, reakčních dob) nebo její přímou analýzou dodatečnými technickými prostředky lze nejen porovnat odolnost modulů od různých výrobců za shodných podmínek, ale sledovat i četnosti výskytu různých situací podstatných z pohledu spolehlivého fungování systému.

Pro objektivitu a opakovatelnost výsledků zkoušky je nezbytné důsledně oddělit pomocné zařízení generující zkušební komunikaci od vlivu rušivého signálu. Není-li toto oddělení při zkoušce zajištěno, jsou výsledky zkoušky značně zkresleny a jejich porovnání je z hlediska cílů zkoušky bezcenné. Optimální metodou je přerušit komunikační kanál vložením části realizované optickým médiem. Tímto způsobem lze zcela odstranit vazbu mezi zdrojem rušivého signálu a pomocným zařízením generujícím komunikaci.

5. Závěr

Výsledky získané zkouškou podle kap. 4 ukazují značný nárůst odolnosti komunikace zařízení konstruovaných podle doporučení v článku v porovnání se zařízeními běžně dostupnými na trhu (a to všemi, která byla popsaným způsobem vyzkoušena). Je nicméně nezbytné konstatovat, že uvedeným způsobem koncipovaná zkouška umožní odhadnout chování zkoušeného zařízení v konkrétních reálných podmínkách pouze zkušenému odborníkovi, který disponuje také detailní znalostí komunikačního protokolu použitého v systému. Odhadnout chování celého systému se všemi interakcemi uvnitř i navenek je však téměř nemožné. Určitou možností je modelovat komunikaci v systému s ohledem na odhad její chybovosti na základě zkoušek odolnosti jednotlivých komponent, což je cesta, kterou se hodláme dále ubírat.

Literatura:

[1] VACULÍKOVÁ, P. – VACULÍK, E.: Elektromagnetická kompatibilita elektrotechnických systémů. Praha, Grada 1998.

[2] IEC 1000-5-2: 1995 Zemnění a kabeláž. International Electrotechnical Commission.

[3] ČSN EN 61000-4-4:– Část 4.4, Zkušební a měřící technika – Rychlé elektrické přechodové jevy a skupiny impulsů – zkouška odolnosti. Červenec 1997.

Ing. Jiří Novák, Ph.D., katedra měření FEL ČVUT
jnovak@fel.cvut.cz

Inzerce zpět