Giriş Koruma (Ingress Protection, IP)
TEKNİK YAZI
Endüstriyel Kablosuz Cihazlarda Hangi Kritik Özellikler Aranmalıdır?
İçindekiler
Kritik Endüstriyel Kablosuz Cihazlar
Kablolaması zor ve sürekli değişim içerisinde olan, hareketli donanım ve ağır makine içeren iş ortamlarında kablosuz haberleşme, yüksek esneklik ve verimli ağ bağlantısı sağlamada ideal bir çözüm olarak ortaya çıkmaktadır. Maden ve benzeri alanlardaki uygulamalarda bu tür çözümlere sıkça rastlanmaktadır. Öte yandan bu tür uygulamaların çoğu, ancak endüstriyel tip kablosuz cihazlarla elde edilebilecek istikrar ve güvenilirliğe sahip kablosuz ağlar gerektirir.
Kritik kablosuz uygulamalar için endüstriyel olmayan kablosuz cihazlar kullanan endüstriyel operatörlerin bu uygulamalarda tatmin edici kablosuz ağ hizmeti elde etmesi mümkündür, ancak sık bakım ihtiyacı ve sistem kesinti süresindeki artışlar, toplam maliyeti önemli ölçüde yükseltebilir. Peki, endüstriyel ortamlarda sıkça karşılaşılan ve kurumsal sınıf bir kablosuz cihaza kolaylıkla zarar verebilecek unsurlar nelerdir? Endüstriyel tip bir kablosuz cihaz, kablosuz ağ bağlantısının sürekliliğini güvenceye alabilmek için ne tür koruma özelliklerine sahip olmalıdır?
Endüstriyel Ortamların Kritik Çevresel Unsurları
Evde veya ofiste yaşanan kablosuz bağlantı kesintileri, cihaz değiştirilene kadar sıkıntı yaratır. Endüstriyel uygulamalarda ortaya çıkan kablosuz bağlantı kesintileri ise saha üstündeki personelin güvenliğini tehlikeye atabilir, pahalı makine ve donanımlara zarar verebilir, ve üretimde yaşanan kayıplar nedeniyle binlerce dolara mal olabilir. Dolayısıyla endüstriyel operatörlerin, ağ yedekliliğine ek olarak uygulama koşullarını oluşturan, ağ performansını etkileyebilecek, cihaz güvenilirliğini tehlikeye atabilecek ve öngörülemeyen sistem kesintilerine yol açabilecek unsurları da değerlendirmesi gerekir.
Maden uygulamaları, raylı sistemler, petrol & doğalgaz uygulamaları gibi birçok endüstriyel uygulamalar, endüstriyel tip cihaz kullanımı gerektirecek zorlu çevre şartlarına sahip bölgelerde kuruludur. Uç sıcaklıklar ve nem gibi bazı çevresel unsurlar son derece aşikar olsa da, bu kadar çabuk fark edilemeyen, ancak korumasız bir cihaza kolaylıkla zarar verebilen başka çevresel faktörler de vardır. Çoğu endüstriyel kablosuz uygulamada sıkça rastlanan ve bir cihazın çalışmasını etkileyebilecek, ya da tamamen bozulmasına yol açabilecek çevresel koşullardan bazıları şöyledir:
- Güç hatlarında karışma (power interference)
- Manyetik alan salınımları (magnetic field/emissions)
- Yanıcı gazlar
- Uç sıcaklıklar
- Rutubet ve nem oranı
- Havadaki parçacık ve atıklar
- Darbe ve titreşim
Kablosuz Cihazlar için Endüstriyel Koruma
Elektromanyetik Duyarlılık (Electromagnetic Susceptibility, EMS)
Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (International Electrotechnical Commission, IEC) tarafından EMS, “Elektromanyetik bozulmanın var olduğu ortamda, bir cihaz, devre ya da sistemin performansında kötüleşme meydana gelmesi” olarak tanımlanır (1). Cihazların çalışması üzerinde olumsuz etki sahibi olup sıkça karşılaşılan elektromanyetik bozulma türleri ise aşağıdaki gibidir.
Elektrostatik Boşalma (Electrostatic Discharge, ESD)
ESD, statik elektriğin farklı elektrik potansiyellerine sahip iki obje arasındaki ani aktarımıdır. Örneğin, lastik çizme ve eldiven kullanılan fabrika işçileri kolaylıkla yüksek seviyelerde statik elektrik biriktirebilir. Kablosuz cihazlarla fiziksel temas, yüksek miktarlarda kilovoltluk (kV) statik elektriğin boşalmasına ve iç devrelerin kalıcı zarar görmesine neden olabilir.
Aşırı Akım/Patlama/Hızlı Geçici Rejim (Surge/Burst/Electrical Fast Transients, EFT)
Anahtarlamadan kaynaklı bozulmalar, kısa devreler, ve özellikle yıldırım, kablosuz cihazların ciddi zarar görmesiyle sonuçlanan yüksek düzey ani gerilim sıçramasına neden olabilir. Geçici gerilim sönümleyici diyotlar (Transient Voltage Surge Suppressor, TVSS), metal oksit varistörler (MOV) ve gaz deşarj tüpleri gibi ani gerilim koruma cihazları, elektriksel geçici rejimlere karşı endüstriyel koruma sağlamak için gereklidir.
Anahtarlamadan Kaynaklı Bozulmalar:
Endüstriyel yüksek güçlü donanım/makineler, motor ve hidrolik sistemler gibi bileşenleri çalıştırmak veya devre dışı bırakmak için yüksek miktarda enerjiye ihtiyaç duyabilir. Bu anahtarlama, aniden yüksek miktarlarda güç akışı meydana getirerek elektrik sistemindeki istikrarlı voltaj akışını sekteye uğratabilir. Bu durum, cihazların sistem devrelerine derhal zarar verebilecek veya zamanla bozabilecek kadar etkilidir.
Kısa Devreler:
Kazara temas durumu veya bir devrede farklı hat potansiyellerine sahip iki nokta arasında istenmeyen yol ortaya çıkması, kısa devreye neden olabilir. Cihaz devre sistemine zarar verebilecek güçte yüksek düzeyde elektriksel gerilim ve gürültüye ek olarak kısa devreler de aşırı ısı meydana getirerek kablo yalıtımını yakabilir/bozabilir, ve hatta yangın ya da patlamaya dahi neden olabilir.
Yıldırım:
Doğrudan yıldırım çarpmasına karşı koruma, muazzam miktarda elektriği derhal toprak terminaline yöneltecek bir paratoner (yıldırımsavar) kurulumunu gerektirir. Ancak kablosuz cihazlar da topraklandığından, yıldırım toprağa çarptığında veya yöneltildiğinde dahi çevredeki kablosuz ekipmanlar voltajdaki ani yükselmeden etkilenebilir.
Elektriksel Alan Emisyonu (Işıma)
İletilen elektromanyetik yayınım (electromagnetic emission) ile karıştırılmaması gereken elektriksel alan emisyonunun, neredeyse tüm cihazları etkilemesi mümkündür. Elektromanyetik ışıma, çevredeki cihazlarda RF akışı sağlamak için bir cihaz tarafından yayılabilir, böylece elektromanyetik gürültüye, hatta cihazın zarar görmesine bile neden olabilir. Cihazların metal kasaları gibi RF ekranlaması (RF shielding) elektriksel alan ışımalarını etkili biçimde savabilir. Anten izolasyonu (bkz. Galvanik Yalıtım Koruması) da elektromanyetik ışımanın neden olduğu zararlı etkileri bertaraf edebilir.
Galvanik Yalıtım Koruması
Genellikle voltaj değiştirmek için kullanılan trafolar devre izolasyonu için kullanıldığında, bu izolasyon trafoları fiziksel olarak ayrılmış iki devre arasında güç transferi sağlayarak elektriksel şoklara karşı koruma sağlayabilir. Hatta bu trafolar, toprak döngüleri (ground loop) farklı elektrik potansiyellerine sahip olduğunda açığa çıkabilen aşırı elektrik akımının sisteme girişini de önleyebilir. Kablosuz cihazlar üzerindeki antenler de iç devrelerin tamamen izolasyonunun sağlanabilmesi ve elektromanyetik gürültülerden daha da korunması için galvanik yalıtılabilir.
Giriş koruma, cihaz kasasından kolaylıkla sızabilecek, böylece sistem performansında düşüşe ve hatta baskılı devre kartı (PCB) üzerinde kalıcı zarara neden olabilecek, yağış veya istenmeyen maddelerin söz konusu olabileceği dış ortam uygulamaları için son derece gereklidir. Giriş koruma düzeyleri (IP## olarak belirtilir), cihazın katı parçacık ve sıvılara karşı sahip olduğu korumanın tam düzeyi hakkında bilgi vermek için kullanılır. Örneğin, IP68 koruma düzeyine sahip bir kablosuz erişim noktası tamamen hava geçirmezdir, ve su altında uzun süre kalabilir. Giriş koruma düzeyleri, aşağıdaki şekilde detaylı olarak belirtilmektedir.
Darbe/Titreşim Koruması
Kablosuz bağlantı, endüstriyel uygulamalarda genellikle ağ esnekliğinin gerekli olduğu durumlarda tercih edilir. Bu durumlar, kablosuz cihazların darbe ve titreşime maruz kaldığı özellikle hareketli araçlar, ağır makineler ve sürekli değişen uygulama sahaları söz konusu olduğunda geçerlidir. Cihazların darbe ve titreşime uzun süre maruz kalması, zamanla elektriksel kesintileri, lehimli noktaların kırılması, PCB bileşenlerinde gevşeme, PCB katmanlarının ayrılması ve cihaz kasalarında çatlaklarla sonuçlanabilir. Darbe ve titreşim, gevşeyen güç, veri ve yedekleme kablolarını sarsarak da kablosuz cihazı saf dışı bırakabilir. Güç, veri ve yedekleme bağlantıları güvenli biçimde cihaza terminal blok, M12 veya QMA konektörleri yoluyla sabitlenerek istenmeyen bağlantı kesintileri önlenmelidir.
Uç Sıcaklık Koruması
Uç dış ortam sıcaklıkları gece sıfırın altına düşebilirken, gündüz vaktinde 50°C (122°F)’yi aşabilir. Yol kenarı kabinlerinin içi ise 60°C (140°F)’nin de üzerinde uç sıcaklıklara çıkabilir. Isıl gerilim/döngü, PCB’erin genleşme ve büzülmesine, bu durum ise lehim noktalarının kırılması ve PCB katmanlarında ayrılmaya neden olabilir.
Endüstriyel olmayan kablosuz cihazlar, iklimlendirilmiş ortamlarda bulunan uygulamalar için yeterli gibi görünse de, iklimlendirme sistemleri devre dışı kaldığında aşırı ısınma riskiyle karşı karşıya kalır. İklimlendirme sistemindeki bir sıkıntı, kablosuz ağ güvenilirliğini tehlikeye atmamalıdır. Özellikle de kritik kablosuz uygulamalarda operatörler tam anlamıyla endüstriyel bir kablosuz ağ kurulumu olanağını da değerlendirmelidir.
Endüstriyel Kablosuz Ağlar, Endüstriyel Cihaz Gerektirir
İş yerleri veya yerel bir kafede bulunabilecek tipik kablosuz ağlar genellikle elden gelenin en iyisi kadar düzeyde bir hizmet sağlar. Bu hizmet, kullanıcılara paket dağıtımı, aktarım hızı veya yedeklilik garantisi vermez. Kritik uygulamaların söz konusu olduğu endüstriyel kablosuz ağlar ise gecikmelere düşük tolerans gösterirken yüksek güvenilirlikle kesintisiz çalışmalıdır. Bu hizmet düzeyi, ancak endüstriyel kablosuz cihazların kullanımıyla güvenceye alınabilir.
Çoğu operatörün gözden kaçırabileceği ve çoğu kablosuz cihazın sorunla karşılaşabildiği nokta, endüstriyel olmayan kablosuz cihaz kullanımının öngörülemeyecek zayıf noktalara sahip olmasıdır. Tam tamına endüstriyel bir kablosuz ağ kurulumu ilk başta daha büyük bir yatırım gerektirse de, iyileştirilen ağ çalışma süresi, yükselen ağ performansı ve düşen bakım maliyetleri gibi faydaları, toplamda daha düşük bir maliyete katkıda bulunacaktır. Endüstriyel kablosuz cihazların kritik kablosuz uygulamalara nasıl daha fazla yarar sağladığını öğrenmek için tıklayınız.
Kaynaklar
- Ke, J. ve Wu, M. (2013) “Critical Components of Industrial-Grade Wireless Devices”, Moxa Inc.
- Redoute, J. M. ve Steyaert, M. (2010) “EMC of Analog Integrated Circuits”, Springer, Print.