Skalk alle luker – ikke bare til sjøs - Elektronikknett
Image-01-BC50R

Skalk alle luker – ikke bare til sjøs

Fag_vignett

Langt borte fra beskyttede serverrom eller automatiseringslinjer i produksjonshaller med klimaanlegg, må innvevde datamaskiner tåle de tøffeste forhold i moderne kjøretøy og bevegelige maskiner, eller i utendørs installasjoner, som jernbanelinjer.    

Styresystemer i gruvedriftskjøretøy må beskyttes fra støv, varme og støt opp til 5G; datamaskiner i maritime installasjoner, som for eksempel på oljeplattformer, utsettes for konstant saltsprut og fukt (eller olje, selvsagt); systemer i busser og tog må kunne tåle konstante vibrasjoner og noen ganger store og raske temperaturvariasjoner. Selv operatørterminaler i skurtreskere, eller for på sykehus, må kunne tåle kjemisk påvirkning fra henholdsvis sprøytemidler eller desinfeksjonsmidler.  

Alt i alt er det tre viktige faktorer som har avgjørende betydning når det gjelder robust databehandling: 

  • Utvidet temperaturområde: Med mindre noe annet kreves for applikasjonen, er standarden for industriell elektronikk -40°C til +85°C, men opp til +125°C for for motor-nær elektronikk i bilsektoren, og utvidet til -55°C til +125°C for luftfart og skipsfart. Jernbanestandarden EN 50155 stipulerer en driftstemperatur fra -40°C til +70°C – og 10 minutter ved opp til +85°C i Tx klassen.
  • Beskyttelse mot støv, damp og kjemikalier: Komponentene i systemer bør generelt behandles med konformt polymerbelegg (conformal coating). Avhengig av kravene og den aktuelle IP-beskyttelsesklassen, kan ytterligere beskyttelse ivaretas med forseglede innkapslinger. IP-klassene betegnes alltid med to sifre. Det første står for beskyttelse mot fremmedlegemer (slik som støv) og kontakt; mens det andre står for beskyttelse mot vann.
  • Beskyttelse mot støt og vibrasjon: Individuelle komponenter må skrus fast eller loddes; bevegelige deler bør man generelt unngå. Plugg-inn kort og adaptere har skruemonterbare sokler. Robuste pluggkontakter, som for eksempel M12, som er skrudd fast inn og som tåler kraftige vibrasjoner, er tilgjengelig for kabelforbindelser.

Andre aspekter som bør vurderes er beskyttelse mot elektrisk interferens, elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og feiltolerant funksjon, for eksempel overfor kortvarige strømbrudd, så vel som vedlikeholdsfri eller vedlikeholdsvennlige design som eliminerer eller i det minste reduserer antallet vifter og andre feilutsatte komponenter. 

Diagnostikksystem for skip 

Et diagnostikksystem for skip og yachter kan stå som et godt eksempel for betydningen av kapslingstetthet i henhold til IP-beskyttelsesklassene. Systemet er koplet via CAN til skipets maskin, og samler inn status-/diagnose- og feildata som deretter sendes til mobilskjermer via Wi-Fi og LTE. Skipets besetning, både i kontrollrommet og på dekk, kan dermed bruke dataene til overvåking, fjernstyrt vedlikehold og, om nødvendig, reparasjoner om bord.  

Systemet ble implementert i en boks-PC som måler 250 mm x 220 mm x 48,1 mm. I tillegg til et utvidet temperaturområde, fleksibilitet i form av tilordning av grensesnitt og en kraftforsyning med stort inngangsområde, var den viktigste egenskapen ved boks-PCen dens ugjennomtrengelighet i samsvar med IP65, og EMC-ytelse i henhold til EN 60945 (Maritimt navigasjons- og radiokommunikasjonsutstyr og –systemer) og Germanischer Lloyd. Som et standardprodukt går boks-PCen langt utover de kundespesifiserte kravene til prosjektet, og er kompatibel med EN 50155 (jernbane) og ISO 7637-2 (bilindustri).

Ikke helt vanntett?

IP65-klassen, dvs. fullstendig beskyttelse mot støvinntrengning og beskyttelse mot vannstråler, ble oppnådd gjennom bruk av en 8 mm tykk aluminiumkapsling (en platetykkelse på 2 mm er tilstrekkelig for standard boks-PCer), som forsegler PCen på alle sider med skruer og silikonfylte konturer. Tykkelsen på veggene og antallet og plasseringen av skruebeslagene er bestemmende for kontakttrykket, som senere kan kan påføres kapslingen uten kontakt på berøringspunktene, og dermed tap av ugjennomtrengeligheten. EMC-beskyttelse kan oppnås gjennom ledende silikonmaterialer med sølvpartikler. Imidlertid, selv om den påkrevde IP65 beskyttelsesklassen oppnås gjennom det senere kontakttrykket og omsluttende forseglinger på alle kontaktpunkter, er boksen på tross av alt dette ikke fullstendig lufttett. Dette er et avgjørende kriterium, der trykkompensering spiller en viktig rolle. På grunn av termisk ekspansjon og sammentrekning av materialene forårsaket av temperaturvariasjoner (eller tilsvarende ved høydeforskjeller innen luftfart), vil ørsmå luftmengder kunne trekkes inn gjennom forseglingene, og dermed bringe fukt inn i kapslingen – der den imidlertid ikke vil kunne slippe ut igjen. For å forhindre dette, ble en trykkompenseringsventil installert i bakkant av kapslingen. Denne ventilerer kapslingen akkurat nok til å kunne holde kondenseringen på et minimum.

Image-02-pressure-compensation Fig. 2: Trykkompenseringsventilen på baksiden av BC50R.
Fig 3 BC50R innv Fig. 3: Innsiden av BC50R. De 8 mm-tykke aluminiumdelene er tett forseglet med silikonpakninger og skruebeslag.

Høyere IP klasser (slik som IP67, som tåler kortvarig neddykking i vann) kan oppnås ved å støpe inn hele kapslingen – med unntak av et deksel for pluggkontaktene – i en enkelt støpeform.

Beskyttelse mot ekstern miljøpåvirkning:

For å beskytte kapslingen mot eksterne miljømessige påvirkninger, slik som kjemikalier, sprøytemidler eller den tidligere nevnte saltspruten, og helst for så lang tid som mulig, kreves den rette aluminiumlegeringen og/eller valg av beskyttende belegg, i tillegg til den riktige graden av ugjennomtrengelighet. Disse er i stor grad standardisert, avhengig av industrien. Mindre deler som skruer er inkludert – dersom de var laget av stål, ville det ikke ta lang tid før det dannet seg rust.

Image04-ip67-casing Fig. 4: Eksempel på kapsling for IP67. Elektronikken for styresystemet i et gruvekjøretøy sitter i et ”badekar” som er maskinert ut av ett enkelt stykke, med et forseglet deksel. Aluminiumstøping tilbyr mer kosteffektive alternativer.

Ekstra fuktbeskyttelse av elektronikken gjennom konformt belegg er ikke påkrevd for en kapsling med et korresponderende høyt IP-nivå.  Det kan imidlertid være et krav, avhengig av industri og anvendelse. For eksempel foreskriver EN 50155 slikt belegg for alle komponenter – uavhengig av hvor de er lokalisert.

Den rette konnektoren

Konnektorene i fronten utgjør også en utfordring når det kommer til å møte IP-klassen. Ubenyttede grensesnitt kan beskyttes ved å bruke riktige deksler. For alle grensesnitt som er i bruk må pluggforbindelsen, sammen med selve forbindelseskablene, være forseglet på en slik måte at den også  oppfyller IP-klassen. Grensesnittkontakter som USB, DisplayPort eller RJ45, som er kjent fra forbruker- og industrisektoren, kommer ikke på tale i denne forbindelse. Noen av disse kontaktene er tilgjengelige i mange forseglingsklasser – men koster opp til 10 ganger mer enn vanlige robuste konnektorer for tøffe miljøer, og krever selv da spesielle designhensyn. Dette resulterer vanligvis i at man velger M12 konnektorer – som i tilfellet med boks-PCen på sjøen. Disse konnektorene kan forsegles opp til IP76 og fungerer dessuten pålitelig under kraftige støt og vibrasjoner. De tilsvarende runde MIL/Aero-kompatible kontaktene, som både er kjent og påkrevd i luftfarts- og forsvarsmarkedene, er enda mer motstandsdyktige.

Så, for ikke å bli gjenstand for noen restriksjoner på innganger og utganger ved bruk av M12-kontakter, må pinnetilordningen defineres av produsenten og skrives inn i brukermanualen.

Fig 5 robust og kompakt Fig. 5: Forseglet og egnet for ledningsbasert kjøling. CompactPCI kort og Rugged COM Express modul i en CCA ramme.

Forbindelsene for de ulike protokollene kjøres via passende adapterkabler – og her kommer det neste trikset. For å kunne porte fra USB 3.0 til M12, er det for eksempel viktig å merke seg at adapterkablene, på grunn av de høye hastighetene ved USB 3.0 (og mangel på standardisering, som er tilfellet med Ethernet-forbindelser for M12 kontakter), inneholder tvinnede parkabler, som gir bedre beskyttelse mot elektriske og magnetiske felt enn parallelle ledere.

Hvor blir det av overskuddsvarmen?

Tett forseglede, innvevde systemer medfører uunngåelig et problem med varmedissipering. 

Dersom det kun er en liten ventil som sikrer trykkompensering – og det dermed praktisk talt ikke finnes luftsirkulering – hvordan kan man kjøle ned elektronikken? Løsningen er ledningsbasert kjøling, som også er årsaken til at en varmeledende aluminiumkapsling benyttes i alle robuste design. 

Derfor er det essensielt at komponenter som produserer varme er termisk koplet til kapslingen, hvilket fører til at enheten i seg selv fungerer som kjølefinne. Denne teknologien er ikke begrenset til boks-PCer – den kan også implementeres med 19" komponenter (CompactPCI / CompactPCI Serial) eller COM Express moduler (Rugged COM Express).

Kommentarer