Kompatybilność elektromagnetyczna. Wyzwania w zakresie bezpieczeństwa

Materiał informacyjny Krakowskich Zakładów Automatyki S.A.
Urządzenia zasilane prądem elektrycznym są stałym elementem środowiska kształtowanego przez ludzi. Żyjemy zanurzeni w polu elektromagnetycznym, które tylko częściowo pochodzi od zjawisk naturalnych. Większość źródeł pola elektromagnetycznego, z którymi mamy do czynienia, to: urządzenia i maszyny przemysłowe, środki transportu, nadajniki pracujące w zakresie częstotliwości radiowych i urządzenia użytku codziennego. Wszystkie występują w podwójnej roli: źródła pola i obwodu poddanego działaniu pola zewnętrznego. Warunkiem koegzystencji we wspólnym środowisku jest zapewnienie kompatybilności elektromagnetycznej.

Kompatybilność elektromagnetyczna oznacza zdolność urządzenia lub systemu do pracy w środowisku elektromagnetycznym. Pojęcie to odnosi się do wszystkich urządzeń elektrycznych, elektromechanicznych i elektronicznych. Zawsze uwzględnia dwa aspekty: odporność urządzenia lub systemu na zakłócenia pochodzące z zewnątrz (ze środowiska) oraz redukcję emisji zakłóceń, które mogłyby wpływać na pracę innych urządzeń lub systemów.

Wzajemny wpływ urządzeń zasilanych prądem elektrycznym oraz wykorzystujących przepływ prądu do przesyłania sygnałów jest przedmiotem badań od ponad stu lat. Szczególne znaczenie zyskały one wtedy, gdy urządzenia elektroniczne zaczęły być powszechnie dostępne, a jednocześnie wzrastał ich wpływ na życie ludzi. Jedno niewłaściwie zaprojektowane, niedbale wykonane albo uszkodzone urządzenie może zakłócać pracę wielu innych urządzeń w miejscu, w którym jest zainstalowane, albo w pobliżu trasy, którą się porusza. Dobrze znanym przypadkiem jest wpływ zakłóceń pochodzących od układów zapłonowych silników spalinowych pojazdów na jakość odbioru sygnału radiowego.

Złożone środowisko

Kolej – wraz ze swoją infrastrukturą, pojazdami szynowymi, systemem sterowania ruchem kolejowym, łącznością, siecią teleinformatyczną – jest bardzo skomplikowanym środowiskiem. Muszą w nim niezawodnie koegzystować urządzenia wrażliwe na zakłócenia oraz takie, które są ich źródłem.

Wraz ze wzrostem napięcia i natężenia prądu przepływającego przez urządzenie rośnie prawdopodobieństwo emisji szkodliwego pola elektromagnetycznego o natężeniu wystarczającym do zakłócania pracy innych urządzeń. Na kolei typowymi przykładami są: silniki elektryczne lokomotyw wraz z osprzętem, podstacje zasilające sieć trakcyjną, w mniejszym stopniu napędy zwrotnic, nadajniki urządzeń łączności bezprzewodowej. Część zakłóceń o charakterze impulsowym powstaje w wyniku nagłego przerywania ciągłości obwodu, np. oderwania ślizgacza odbieraka prądu od przewodu trakcyjnego.

Wpływ zakłóceń

Nowoczesne urządzenia sterowania ruchem kolejowym oraz podzespoły kontrolujące pracę systemów lokomotyw i wagonów są wykonywane w technice cyfrowej z zastosowaniem mikroprocesorów i mikrokontrolerów. Z jednej strony umożliwia to automatyzację i optymalizację procesów w skali, która dotąd nie była dostępna.

Możliwości są niemal nieograniczone, szczególnie jeśli weźmiemy pod uwagę dynamiczny rozwój technologii przemysłowego internetu rzeczy (ang. industrial internet of things, IIoT) oraz takich technologii jak: sztuczna inteligencja, uczenie maszynowe, sieci neuronowe.

Problem polega na tym, że urządzenia cyfrowe są niezmiernie wrażliwe na zakłócenia, szczególnie te o charakterze impulsowym. Wynika to m. in. z tendencji do zmniejszania napięcia zasilania tych układów. Im niższe napięcie, tym mniejsza moc pobrana ze źródła zasilania, dzięki czemu można wydłużyć czas pracy urządzeń zasilanych z baterii albo akumulatora. Mniejsze napięcie to także mniej ciepła wytwarzanego przez układy scalone, co daje możliwość rezygnacji z aktywnych układów chłodzenia (wentylatorów), a pośrednio także redukcji rozmiarów urządzeń i ich masy. Efektem ubocznym redukcji napięcia jest zmniejszenie odstępu pomiędzy napięciami odpowiadającymi stanom wysokiemu i niskiemu. W takich warunkach nawet zakłócenia o niewielkiej amplitudzie powodują błędne odczytanie stanu logicznego, a w konsekwencji utratę danych czy reset układu.

Jeśli zakłócony układ ma krytyczne znaczenie dla działania urządzenia srk, skutki mogą być bardzo poważne. Dlatego tak wielką wagę przywiązuje się do zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej rozumianej zarówno jako ograniczanie zakłóceń, jak i odporność na nie.

Skala problemu

Infrastruktura kolejowa jest rozległa i obejmuje obszar o dużej powierzchni, na którym znajduje się wiele obiektów i instalacji wrażliwych na zakłócenia elektromagnetyczne. Z drugiej strony w pobliżu linii kolejowych działają źródła zakłóceń o dużej mocy: zakłady przemysłowe, linie przesyłowe, radiowe stacje nadawcze, stacje radiolokacyjne i wiele innych. To jeszcze jeden powód, żeby kompatybilność elektromagnetyczną traktować bardzo poważnie.

Jeśli eksploatowany pojazd szynowy jest źródłem zakłóceń elektromagnetycznych wpływających na urządzenia znajdujące się w jego otoczeniu, to z reguły trudno go zidentyfikować. Dlatego normą powinny być okresowe badania kompatybilności elektromagnetycznej wszystkich pojazdów. Drugim, równie ważnym powodem jest dbałość o zdrowie pasażerów, pracowników kolei oraz osób postronnych przebywających wewnątrz pojazdów lub w pobliżu elementów infrastruktury kolejowej – w miejscach, w których występuje wolno- i szybkozmienne pole elektromagnetyczne wytwarzane przez urządzenia kolejowe.

Wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej taboru kolejowego są opisane w zestawie europejskich norm EN 50121. Walka z zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) jest procesem wieloetapowym. Zaczyna się na etapie konstruowania urządzenia i budowy prototypów. Badanie kompatybilności elektromagnetycznej jest jednym z etapów procesu certyfikacji, który kończy się wydaniem zgody na użytkowanie urządzenia lub pojazdu na kolei. Podobne badania powinny być przeprowadzane po wykonaniu modyfikacji pojazdu lub urządzenia, naprawach głównych itp.

Badania kompatybilności elektromagnetycznej pojazdów szynowych powinny być wykonywane w warunkach maksymalnie zbliżonych do warunków eksploatacji pojazdu. Chodzi o możliwość odtworzenia sytuacji wymagających zadziałania poszczególnych układów i podzespołów: rozruch, ruszanie, przyspieszanie i hamowanie, zadziałanie układów automatyki, wykorzystanie środków łączności bezprzewodowej, oświetlenia. W Polsce optymalne warunki dla takich badań można stworzyć na torze doświadczalnym Instytutu Kolejnictwa.

Eksploatacja

Kolej jest żywym organizmem, który rozwija się i jest eksploatowany od dziesięcioleci. Dlatego w codziennej praktyce spotyka się instalacje pochodzące z różnych okresów, wykorzystujące technologie o różnym poziomie rozwoju i znajdujące się w różnym stanie technicznym. W realnych warunkach na modernizację czeka się niekiedy bardzo długo. Czasami można ją przyspieszyć, ale pierwszym krokiem zawsze jest identyfikacja problemu.

W codziennej praktyce i rozpoznawaniu przyczyn anomalii w pracy sprzętu pomaga doświadczenie i coś, co można nazwać intuicją techniczną. Jest mało prawdopodobne, że uda się zakwalifikować przyczynę jednorazowej usterki jakiegoś urządzenia jako efekt interferencji, jednak powtarzające się przypadki (np. komunikaty błędów, reset urządzeń) powinny zwrócić naszą uwagę. Ostateczną diagnozę można postawić na podstawie badania środowiska elektromagnetycznego i typowania potencjalnych źródeł interferencji. Tutaj sprawa zaczyna się komplikować.

Urządzenia umożliwiające identyfikację źródeł zakłóceń są kosztowne, a identyfikacja zakłóceń „okazjonalnych” jest możliwa tylko wtedy, gdy pomiar jest długotrwały. W praktyce oznacza to konieczność automatyzacji pomiaru i analizy dużej ilości zarejestrowanych danych post factum. W takich warunkach trudno odtworzyć stan urządzeń w chwili, w której zarejestrowano prawdopodobne zakłócenie. Z pomocą mogą przyjść algorytmy wykorzystujące sztuczną inteligencję, które potrafiłyby identyfikować anomalie.

Testowanie urządzeń

W dużej skali mogą sprawdzić się metody zmniejszające ryzyko wytwarzania zakłóceń. Na pierwszej linii oporu można wymienić rzetelną certyfikację wszystkich urządzeń wprowadzanych do użytku na kolei. Także procedury naprawy i konserwacji tych urządzeń powinny być zaprojektowane tak, żeby minimalizować ryzyko zmniejszenia skuteczności wbudowanych zabezpieczeń (ekranów, filtrów, dławików itp.). Wskazane byłoby również wprowadzenie rutynowych, regularnych pomiarów pola elektromagnetycznego.

Piotr Kołaczek
Autor specjalizuje się w tematyce naukowo-technicznej.

Więcej na https://kza.krakow.pl/

Dołącz do nas na Facebooku!

Publikujemy najciekawsze artykuły, wydarzenia i konkursy. Jesteśmy tam gdzie nasi czytelnicy!

Polub nas na Facebooku!

Kontakt z redakcją

Byłeś świadkiem ważnego zdarzenia? Widziałeś coś interesującego? Zrobiłeś ciekawe zdjęcie lub wideo?

Napisz do nas!

Materiał oryginalny: Kompatybilność elektromagnetyczna. Wyzwania w zakresie bezpieczeństwa - Dolnośląskie Nasze Miasto

Wróć na stargard.naszemiasto.pl Nasze Miasto