Повышение безопасности бытовой техники с помощью стандартов IEC

В этой статье исследуется стандарт функциональной безопасности IEC 60730 класса B, касающийся как механической, так и электрической конструкции бытовых приборов. Узнайте, что влечет за собой стандарт и контроллеры, которые помогают соответствовать этим стандартам.

Многочисленные устройства упрощают повседневные или периодические действия в доме и помогают пользователям выполнять их последовательно и с минимальным стрессом. Когда они работают правильно, они великолепны. Однако в случае отказа некоторые устройства могут стать совершенно небезопасными и вызвать серьезные проблемы, включая возгорание.

Чтобы гарантировать безопасность устройств, Международная электротехническая комиссия (МЭК) создала стандарт функциональной безопасности IEC 60730 класса B, касающийся как механической, так и электрической конструкции, который также был одобрен лабораторией Underwriters. Новая интегральная схема (ИС) с сенсорным экраном, обеспечивающая более безопасное использование плит и варочных панелей, а также оборудования для стирки и многого другого, была разработана со встроенной функциональной безопасностью, которая была сертифицирована в соответствии с этим стандартом.

Предотвращение серьезных проблем с устройствами

Национальная ассоциация предотвращения пожаров (NFPA), международная некоммерческая организация, в своем отчете NFPA Research заявляет, что плиты или варочные панели были задействованы в 62% зарегистрированных пожаров для приготовления пищи в домашних условиях. Фактически, в отчете конкретно указывается:«Самостоятельное приготовление пищи было основной причиной возникновения пожаров и несчастных случаев».

Кроме того, согласно исследованиям NFPA, плиты или варочные панели являются основной причиной (46%) смертей, вызванных кухонным оборудованием с 2013 по 2017 год. Другой источник - Пожарное управление США (USFA), входящее в состав Управления по чрезвычайным ситуациям Министерства внутренней безопасности США. Управляющее агентство (FEMA) сообщает новые данные за 2018 год (только для США), но по-прежнему считает приготовление пищи основной причиной пожаров в жилых домах, см. Рис. 1.

Рисунок 1. Приготовление пищи было основной причиной пожаров в жилых домах, приведших к травмам в США в 2018 году. Источник:Управление пожарной безопасности США.

С тех пор, как в 1999 г. была введена Национальная система отчетности о пожарах (NFIRS) USFA, количество случаев пожаров, связанных с приготовлением пищи в домашних условиях, неуклонно росло, несмотря на значительные технические успехи, достигнутые во многих других областях. Очевидно, что решение вопросов безопасности кухонных плит и варочных панелей должно стать целью производителей бытовой техники, чтобы помочь сократить эти цифры.

Правила техники безопасности для функциональной безопасности в бытовых приборах

Признавая необходимость встроенных средств безопасности в бытовых приборах, Международная электротехническая комиссия (МЭК) разработала стандарт IEC 60730-1, который применяется к автоматическим электрическим средствам управления «для использования в бытовом и аналогичном оборудовании, на нем или в сочетании с ним». Первоначально выпущенный в 1986 году, в документ периодически вносились обновления и поправки, последние из которых были внесены в апреле 2020 года. Underwriters Laboratories (UL) также одобрила стандарт.

Обоснование функциональной безопасности заключается в том, что вся электроника и механические системы в конечном итоге выйдут из строя. Поскольку сбои нельзя спланировать заранее, лучше всего убедиться, что когда что-то выходит из строя, оно дает сбой безотказным образом. В стандарте IEC / UL 60730 определены три класса безопасности:класс A для тех продуктов, на которые нельзя полагаться с точки зрения безопасности, и класс C для продуктов, предназначенных для предотвращения особых опасностей.

Между ними IEC / UL 60730 класс B или просто класс B включает в себя основные бытовые приборы, такие как плиты / плиты, стиральные машины, сушилки, посудомоечные машины, холодильники и морозильники. Класс B относится к программному обеспечению и функциям управления, предназначенным для предотвращения опасностей в случае возникновения неисправности в приборе. Это относится к термовыключателям, автоматическим дверным замкам и другим функциям, которые останавливают работу кухонных и стиральных приборов в случае возникновения небезопасных условий. И в США, и в Европе сертификация класса B теперь обязательна для всех кухонных приборов с функцией самоочистки, а также для прачечного оборудования для органов управления, связанных с механизмами автоматической блокировки дверей.

Существующий подход к безопасности устройств

Чтобы решить проблемы безопасности в бытовой технике как на кухне, так и в прачечной, исторические решения основывались на микроконтроллере (MCU), который взаимодействовал с кнопками, ползунками и колесами, независимо от того, являются ли они механическими или емкостными. У MCU была библиотека программного обеспечения для контроля безопасности и исправности емкостных сенсорных кнопок. Сегодня, чтобы соответствовать этим стандартам, в устройствах используются емкостные сенсорные экраны с отдельной емкостной сенсорной кнопкой, управляемой отдельным MCU с библиотекой безопасности на нем.

Некоторые кнопки, которые являются частью пользовательского интерфейса, особенно важны для обеспечения безопасной работы устройства и предотвращения таких опасностей, как пожар в доме. Например, кухонные приборы с функцией самоочистки, поставляемые в Америку или Европу, должны поддерживать включение и выключение режима самоочистки в два касания. Важно отметить, что самоочищающиеся духовки достигают опасно высоких температур - 900oF (500oC). Предметы, хранящиеся в духовке, могут загореться в этом режиме, поэтому IEC / UL 60730 класс B требует, чтобы устройства с этой функцией поддерживали включение и выключение одним нажатием.

Обоснование этого требования заключается в том, что второе касание для включения режима самоочистки используется, чтобы побудить пользователя дважды проверить, можно ли запустить режим самоочистки. Одним касанием, например, после того, как пользователь почувствовал запах дыма, кнопка остановки или отмены используется для выхода из этого режима. Безопасная работа кнопки останова имеет решающее значение для безопасности пользователя. В результате кнопка должна работать надежно и точно во всех средах. Опасных возгораний можно избежать, если как можно быстрее выйти из режима самоочистки без многократного касания.

Мониторинг одиночного аналогового периферийного устройства довольно прост и легко выполняется с помощью MCU. Периферийное устройство контролирует несколько кнопок, которые объединены вместе. Одно периферийное устройство может сканировать серию кнопок. Хотя эта функция встроена в микроконтроллер, производитель устройства все еще должен разработать и квалифицировать функцию безопасности и несет за это ответственность.

Новый подход к безопасности устройств

Несмотря на то, что функциональная безопасность была реализована в бытовой технике в течение многих лет, есть возможность удовлетворить это требование уже сейчас, применив классические принципы безопасности к современному интерфейсу с сенсорным экраном. По мере внедрения или модернизации сенсорных экранов это идеальный способ пройти сертификацию по классу B.

Семейство контроллеров maXTouch ATMXT336UD-MAUHA1 с его уникальными функциями безопасности устраняет необходимость в отдельной кнопке, поэтому отключение теперь можно выполнять с помощью «программной» кнопки в любом месте сенсорного экрана. Хотя возможность убрать кнопку и снизить стоимость и поддерживать требуемую функциональность должна быть достаточным стимулом для производителей бытовой техники, упрощенный интерфейс также должен быть более привлекательным для пользователей. Комплексный подход прост и интуитивно понятен. Это также удобнее, так как убирает беспорядок и стоимость отдельных кнопок. Возможно, что еще более важно, функцию выключения можно изменить на естественном языке пользователя для глобализации. См. Рисунок 2.

Рисунок 2. Поместив функцию аварийной остановки на сенсорный экран, производитель устройства может позволить пользователю выбрать наиболее удобный для него язык для функции остановки.

Детектор дыма стал пионером в области домашней безопасности несколько десятилетий назад. В отличие от дымового извещателя, сенсорный экран функциональной безопасности класса B может как предупреждать, так и принимать меры. Он выполняет эти проактивные функции до того, как почувствует дым или что-то в окружающей среде, не требуя вмешательства человека.

Давайте посмотрим на пример проблемы безопасности, которую сенсорный экран класса B может решить без участия повара. Если тяжелая кастрюля случайно упадет на горячую плиту с индукционными горелками, во многих случаях толстое стекло защитит горелки, но тонкий датчик касания из оксида индия и олова (ITO) под ним более хрупкий и может сломаться. Эта поломка может привести к потере локальных сенсорных функций в определенной области сенсорного экрана или, что еще хуже, может выйти из строя весь датчик.

Контроллер класса B в режиме реального времени автоматически отслеживает состояние сенсорного датчика. В фоновом режиме, когда датчик не сканирует касания, ИС сканирует сам сенсорный датчик в поисках различных типов сбоев. Как только обнаруживается сбой, например, трещина в сенсоре сенсорного экрана, контроллер уведомляет центральный процессор (ЦП) хоста, чтобы он мог автоматически выключить горелки. Это произойдет без вмешательства человека, что обеспечит безотказную работу.

Хотя этот тип функциональности был возможен ранее, хост должен был запускать или опрашивать ИС сенсорного экрана для ввода. Теперь IC выполняет эту функцию сама и отправляет сообщения на хост всякий раз, когда возникает проблема. Специальное сообщение шины I2C или вывод общего назначения IO (GPIO) на ИС, привязанный к выводу прерывания на центральном процессоре системы, автоматически выдает предупреждение для инициирования выключения. Встроенные и самодействующие функции безопасности обеспечивают средства предотвращения некоторых условий, которые могут привести к возгоранию на кухне. См. Рисунок 3.

Рисунок 3. В типичном приложении контроллер сенсорного экрана класса B легко взаимодействует с центральным процессором.

Чтобы пройти сертификацию класса B, ИС с сенсорным экраном выполняет несколько тестов на функциональную безопасность. Один из ключевых тестов - это тест памяти. Микросхема сенсорного экрана имеет небольшой объем оперативной и флэш-памяти, достаточный для выполнения необходимых функций в приложении. Во встроенной среде закрытая система не выполняет никакого кода клиента. Чтобы соответствовать сертификации класса B, существуют правила, которые определяют, как часто нужно запускать тесты памяти. Например, серия "ходячих единиц" и "ходячих нулей" выполняется в фоновом режиме в качестве шаблонного теста для проверки сбоев ОЗУ на ИС. См. Рисунок 4.

Рисунок 4. Тест ходячей единицы для 8-битной памяти последовательно проверяет каждый бит.

Процесс начинается с проверки свободной оперативной памяти, чтобы убедиться в ее исправности. Поскольку большая часть небольшого объема памяти заполнена данными, часть кода приложения затем перемещается в тестируемую часть, чтобы освободить другую часть и протестировать ее. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет проверена вся оперативная память. Такое перемешивание кода приложения во время его работы позволяет тестировать всю память с помощью последовательного тестирования.

Само по себе управление этим тестом является достаточно сложным процессом, и все это часть ИС класса B, которая одновременно сообщает о событиях касания несколькими пальцами в режиме реального времени. При частоте более 60 Гц, 60 раз в секунду, ИС сообщает о прикосновениях к хосту при тестировании ОЗУ и тестировании датчика в фоновом режиме. Аналогичное тестирование проводится для тестирования ячеек памяти энергонезависимой флэш-памяти для хранения программного кода.

Регистры ЦП в контроллере необходимо протестировать, чтобы убедиться, что они работают правильно. Это достигается путем чтения и сохранения текущего значения регистра ЦП и сохранения данных в другом регистре, который не тестируется. Затем регистр ЦП переключается, чтобы убедиться, что новая настройка остается. После этого восстанавливаются исходные значения. Это позволяет убедиться, что регистры ЦП могут быть правильно установлены и сброшены на правильные значения.

Тесты внутренних часов позволяют убедиться, что часы работают правильно. Внутри микросхемы есть различные деревья часов, и тестирование подтверждает, что они делятся и работают правильно. Это не исчерпывающий список тестов, но он дает представление о типах тестов, выполняемых IC.

Еще одним аспектом безопасности новой ИС является то, что шина I2C подверглась серьезному обновлению для связи между центральным процессором системы и сенсорным контроллером. Связь I2C на сенсорном контроллере использует два механизма для обеспечения целостности любых данных, отправляемых на устройство и с него. Первый механизм использует порядковый номер. Кроме того, впервые в шину был добавлен контроль циклическим избыточным кодом (CRC) для проверки отсутствия повреждения данных (битовой ошибки).

Поскольку устройство может представлять собой электрически зашумленную среду, это гарантирует, что координаты, которые принимает хост, надежны и не будут повреждены при транспортировке. Кроме того, поскольку к сообщениям I2C был добавлен порядковый номер, теперь каждый раз, когда координаты отправляются на хост, хост может определить, пропустил ли он пакет данных или пакеты, и предпринять соответствующие действия. При подключении к Интернету хост можно даже запрограммировать так, чтобы он уведомлял мобильный телефон или умные часы пользователя о проблеме, даже если пользователя нет дома.

Как отмечалось ранее, с помощью стандартных тестов безопасности класса B к сенсорному контроллеру был добавлен дополнительный интеллект, позволяющий выполнять периодические функции самодиагностики и сенсорной диагностики для постоянного контроля целостности сенсорной подсистемы. Эти интеллектуальные функции диагностики поддерживают настраиваемый выходной сигнал пульса («поддерживать активность»), который может быть отправлен на хост с помощью триггера выхода общего назначения ввода-вывода (GPIO).

И последний пункт безопасности. Поскольку функциональная безопасность уже проверена микросхемой безопасности сенсорного экрана, процесс квалификации пользователя на системном уровне значительно упрощается, поскольку не нужно писать дополнительное программное обеспечение на центральном процессоре для управления безопасностью сенсорного экрана. Это должно дать производителям бытовой техники значительный стимул для изучения и реализации этой новой возможности.

Безопасность прачечной

Контроллер с сенсорным экраном класса B может справиться с другими безопасными ситуациями за пределами кухни. Например, NFPA заявляет, что пожарные службы США ежегодно отреагировали примерно на 15 970 пожаров в домах с участием сушилок или стиральных машин. Хотя существует множество причин этих пожаров, меры безопасности должны существенно сократить общее количество пожаров.

В прачечной есть требования к стиральным машинам класса B. Оборудование для стирки с высокоскоростными двигателями, особенно машины с фронтальной загрузкой, имеет запорный механизм, чтобы дверца не открывалась случайно во время работы машины. Механизм автоматической блокировки - это электромеханическое устройство, которое гарантирует, что при включении машины срабатывает функция безопасности. Если механизм блокировки управляется сенсорным экраном, то отдельная кнопка, микроконтроллер и датчик могут быть исключены.

Ручное отключение блокировки дверцы позволяет добавлять или удалять предметы после запуска стиральной или сушильной машины, а также должно соответствовать требованиям безопасности. В настоящее время это закон для стиральных машин в США и Европе, где требуется сертификация класса B. В новой альтернативе все отображается на сенсорном экране - и это применимо к стиральным и сушильным машинам из-за аспектов нагрева. Кроме того, в стиральных машинах с фронтальной загрузкой необходимо слить воду из системы перед открытием дверцы, чтобы предотвратить затопление. Поскольку это один из аспектов их жизни, над которым они могут в некоторой степени контролировать, люди все больше заботятся о безопасности.

Хотя в конкретном регионе может потребоваться сертификация класса B для определенного продукта, как только производитель устройства выполнит это требование, он будет продавать продукт с этой функциональностью / возможностями в другие регионы мира и продвигать функциональность безопасности сенсорного экрана в качестве конкурентного преимущества. В прошлом это было очень эффективно. Такой подход позволяет создать глобальную модель для Европы, Америки и остального мира, поэтому производитель должен создать только один тип устройства этого класса.

На пути к более безопасной технике

При участии ведущих поставщиков бытовой техники проектирование и разработка контроллера сенсорного экрана класса B по инициативе заказчиков потребовали несколько человеко-лет, чтобы воплотить концепцию в реальность. На протяжении всего процесса у него была обратная связь с клиентами для точной настройки возможностей класса B. Хотя это, безусловно, функция, которую поставщики захотят предложить, а клиенты захотят иметь в бытовой технике высокого класса, некоторые производители бытовой техники уже рассматривают безопасность класса B для проектов начального уровня, поскольку все клиенты заслуживают наивысшего доступного уровня безопасности.

Как только производители бытовой техники ознакомятся с этой новой возможностью, связанной с ней сокращением затрат и сертифицировали бы устройство или устройства на соответствие стандарту класса B, они могут попытаться рассмотреть возможность применения этой методики к машинам / устройствам, где получение маркетингового преимущества не является обязательным. и дифференциация бренда для всей линейки устройств, заботящихся о безопасности, для потребителей, заботящихся о безопасности. Контроллер с сенсорным экраном класса B для безопасного взаимодействия приборов с людьми - это безопасный выбор для духовок, плит, стиральных и сушильных машин, а также для посудомоечных машин, холодильников, комбинированных микроволновых / конвекционных печей и даже вытяжных шкафов.

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.