Разработка и проведение испытаний промышленного контроллера на IP54, или Как мы пылили и заливали водой ПЛК.

Делимся опытом разработки промышленных контроллеров автоматизации, учитывающий прохождение испытаний на пылевлагозащиту.

Сложность данной задачи заключалась в обеспечении высокой интеграции различных проводных и беспроводных интерфейсов связи в минималистичном корпусе, предназначенном для установки на DIN рейку, с обеспечением требований по электромагнитной совместимости (ЭМС) и внешними воздействующими факторами (ВВФ).

Внешние воздействующие факторы согласно ГОСТ 26883–86 определяются , как «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».

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.

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 даны на странице 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.

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 тестовым зондом на IP40 прошли успешно: щуп диаметром 1 мм (на фото ниже) не смог проникнуть внутрь корпуса и нарушить работу контроллера.

Контроллеры 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.

Фото испытания водой:

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.

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.