Вдали от защищённых серверных комнат и производственных помещений автоматических линий с кондиционированным воздухом, в самых сложных условиях работают встраиваемые компьютеры: в установках на открытом воздухе, в автомобилях и другом транспорте. Системы управления в транспортных средствах для горнодобывающей промышленности должны быть защищены от пыли, тепла и ударов до 5g. На море, например на нефтяных платформах, компьютеры подвергаются постоянному воздействию солей и влаги (и, конечно же, нефти). Системы, установленные в автобусах и поездах, должны работать в условиях повышенной вибрации, а иногда и при резких и быстрых колебаниях температуры. Даже терминалы операторов в комбайнах или в больницах должны выдерживать воздействия химических веществ, таких как пестициды или дезинфицирующие средства.
В целом существуют три основных параметра, которые имеют наибольшее значение для производителей встраиваемых компьютеров:
- Расширенный диапазон температур. Если в заявке не требуется иное, стандартом для промышленной электроники является диапазон –40…+85°C; до +125°C для электроники, устанавливаемой в непосредственной близости от работающего двигателя, и даже –55…+125°C для авиации и судоходства. Железнодорожный стандарт EN 50155 класс Tx предусматривает диапазон рабочих температур –40…+70°C и до +85°C при воздействии в течение 10 минут.
- Защита от пыли, влаги и химических веществ. Для подобной защиты компоненты системы должны быть покрыты специализированным лаком. В зависимости от требований и степени защиты IP дополнительная защита может быть обеспечена герметичными корпусами. Обозначение степени защиты IP всегда включает две цифры: первая – защита от посторонних предметов (таких, как пыль) и механических повреждений; вторая – защита от воды.
- Защита от ударов и вибрации. Все компоненты должны быть плотно привинчены или припаяны, как правило, следует избегать подвижных частей. Вставные платы и адаптеры должны иметь винтовые разъёмы. Для кабельных соединений применяются прочные штекерные соединители, например M12, которые плотно привинчиваются и выдерживают сильные вибрации.
Другими аспектами, которые следует учитывать, являются защита от электрических помех, электромагнитная совместимость (ЭМС) и устойчивость, например, к кратковременным сбоям питания.
Диагностическая система для судов на базе герметизированного корпуса с IP65
Хорошим примером важности герметичности корпуса в соответствии с классами защиты IP является диагностическая система для кораблей и яхт. Система подключается к двигателю судна через CAN-интерфейс, по которому собираются данные о состоянии, ошибках, и производится диагностика. Затем эти данные отправляются на мобильные рабочие места через Wi-Fi и LTE. Экипаж корабля, как в диспетчерской, так и на палубе, использует полученную информацию для мониторинга, дистанционного обслуживания и при необходимости ремонта.
Система была реализована в корпусе размером 250×220×48,1 мм. Помимо требований к расширенному диапазону температур, гибкости интерфейсов ввода-вывода и к источнику питания с широким диапазоном напряжений, наиболее важным требованием к корпусу компьютера была его водонепроницаемость в соответствии с IP65, а также ЭМС в соответствии с EN 60945 (морское навигационное оборудование и средства радиосвязи) и Germanischer Lloyd. Будучи стандартным продуктом, компьютер BC50R (рис. 1) удовлетворяет всем требованиям, предъявленным клиентом к проекту, а также требованиям отраслевых стандартов EN 50155 (железная дорога) и ISO 7637-2 (автомобильный транспорт).
Почти водонепроницаемый
Соответствие IP65, то есть полная защита от попадания пыли и от водяных струй, обеспечивается применением алюминиевого корпуса толщиной 8 мм (для стандартных корпусов толщина стенок составляет 2 мм), который со всех сторон плотно затягивается винтами, а места контактов поверхностей дополнительно герметизируются силиконовыми контурами. ЭМС-защита обеспечивается применением проводящего силиконового материала с серебряными частицами. Толщина стенок корпуса, а также количество и положение винтовых фитингов определяют давление в местах контакта поверхностей, которое обеспечивает водонепроницаемость. Изменение этого значения может привести к потере водонепроницаемости. Однако, несмотря на то, что для достижения требуемой степени защиты IP65 применяются дополнительные уплотнения во всех точках контакта, корпус не является полностью герметичным. Это важный момент, связанный с необходимостью обеспечения компенсации давления. Из-за теплового расширения и сжатия материалов, вызванных колебаниями температуры (или различиями высот в авиации), небольшое количество воздуха будет всасываться через уплотнения, что приведёт к проникновению влаги внутрь корпуса.
Для предотвращения этого на задней панели корпуса был установлен клапан компенсации давления (рис. 2), с помощью которого проникновение влаги внутрь корпуса (рис. 3) сводится к минимуму.
Требования более высоких степеней защиты IP (таких как IP67, когда возможно кратковременное погружение в воду) могут быть выполнены путём литья всего корпуса (рис. 4), за исключением крышки с соединительными разъёмами, в одной пресс-форме.
Защита от внешних воздействий окружающей среды
Для защиты корпуса от длительных внешних воздействий окружающей среды, таких как химические вещества, пестициды или солевой туман, необходим правильный алюминиевый сплав и/или выбор специальных защитных покрытий в дополнение к соответствующей степени непроницаемости корпуса. Все эти требования в значительной степени стандартизированы в зависимости от отрасли. В общем случае дополнительная защита электроники от влаги путём нанесения защитного покрытия не потребуется в корпусе с соответствующим уровнем IP, однако может потребоваться в конкретной отрасли или для конкретного применения. Например, EN 50155 предписывает лакировку всех компонентов, независимо от корпуса, в котором они расположены.
Правильный разъём
Необходимость размещения разъёмов на передней панели также создаёт сложности обеспечения заданной степени защиты IP. Неиспользуемые интерфейсы могут быть защищены с применением соответствующих крышек. Для всех используемых интерфейсов штекерное соединение вместе с самими соединительными кабелями должно быть герметизировано таким образом, чтобы оно соответствовало требуемой степени защиты IP. Применение стандартных промышленных и потребительских разъёмов, таких как USB, DisplayPort или RJ-45, в данном случае невозможно. Некоторые из указанных разъёмов доступны в исполнении с дополнительными уплотнениями и защитой, но стоят они в десятки раз больше, чем стандартные надёжные разъёмы для жёстких условий эксплуатации, и иногда требуют разработки специальных конструкций.
Оптимальным выбором в соотношении цена–удобство–защищённость является разъём M12, который и был выбран при создании компьютера для морского применения. Эти разъёмы могут быть герметизированы до IP76 и надёжно работать при сильных ударах и вибрациях. Аналогичные круглые соединители типа MIL/Aero, применяемые в авиации и военной технике, ещё более надёжны, но значительно дороже.
Как отвести тепло?
Плотно закрытые встраиваемые системы неизбежно сталкиваются с проблемой рассеивания тепла. Если есть только небольшой клапан для компенсации давления и, следовательно, практически отсутствует циркуляция воздуха, как можно охладить электронику? Решением служит кондуктивный теплоотвод, что также является причиной использования теплопроводящего алюминиевого корпуса во всех конструкциях для данного типа задач. В связи с этим важно, чтобы компоненты, которые выделяют тепло, были термически соединены с корпусом, в результате чего само устройство станет теплоотводом. Данная технология не ограничивается только встраиваемыми компьютерами – она также может быть применена для 19-дюймовых компонентов (Compact-PCI/CompactPCI Serial) или модулей COM Express (Rugged COM Express). Оба варианта представлены на рис. 5.
Заключение
Компания MEN имеет огромный опыт по разработке и производству защищённых и надёжных встраиваемых компьютеров. Основываясь на своём опыте в данной области, компания предлагает клиентам как заказные, так и стандартные решения. Наличие стандартных продуктов, присутствующих в каталоге и предназначенных для работы в самых жёстких условиях, позволяет снизить затраты и время на разработку проекта. ●
Перевод Алексея Пятницких, сотрудника фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru
автоматизация
автоматизация
автоматизация
автоматизация
