Zakłócenia elektromagnetyczne w elektronicznych systemach alarmowych

Wstęp

Dążenie do uzyskiwania coraz korzystniejszych parametrów konstrukcyjnych (niewielki ciężar, małe rozmiary) i użytkowych (niezawodność, określone parametry elektryczne, łatwość eksploatacji) elementów układów i urządzeń, w tym elektronicznych systemów alarmowych, pociąga za sobą konieczność obniżania średniej mocy sygnałów użytecznych i zwiększenia sprawności energetycznej tych obiektów. Konsekwencją jest coraz mniejsza różnica między średnią mocą sygnałów użytecznych oraz zawsze towarzyszącymi im sygnałami niepożądanymi, zwanymi zakłóceniami. Zewnętrzne i wewnętrzne źródła sygnałów niepożądanych nie powinny wpływać zakłócająco na współczesne urządzenia elektroniczne, a więc także elektroniczne systemy alarmowe, ale te urządzenia same nie powinny być źródłami zakłóceń. Ta cecha zgodnego współistnienia obiektów w danym środowisku elektromagnetycznym nazywa się kompatybilnością elektromagnetyczną (ang. electromagnetic compatibility – EMC).

Zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej dotyczą zarówno emisji elektromagnetycznej urządzeń (ang. electromagnetic emission), jak i podatności lub odporności urządzeń na zakłócenia (ang. electromagnetic susceptibility, electromagnetic immunity). Z praktycznego punktu widzenia kompatybilne urządzenie elektromagnetyczne to obiekt, który jest zdolny do pracy w określonym środowisku elektromagnetycznym (na ogół bardzo zróżnicowanym i scharakteryzowanym w normach szczegółowych) i nie wprowadza do tego środowiska niedopuszczalnych zakłóceń (o poziomie przekraczającym przyjęte normy). Z powyższych stwierdzeń wynika, że zagadnienie zmniejszenia wpływu sygnałów niepożądanych (zakłóceń) powinno być uwzględnione w procesie projektowania, konstruowania i realizacji elektronicznych systemów alarmowych (każdego typu). Późniejsze zmiany mogą okazać się bardzo trudne, a czasami wręcz niemożliwe.

Należy pamiętać, że źródła zakłóceń są wszechobecne. Występują we wszystkich bez wyjątku środowiskach i obiektach. W sposób najbardziej ogólny, ze względu na źródła powstawania, zakłócenia można podzielić na:

• naturalne (pochodzenia pozaziemskiego i ziemskie),
• spowodowane przez działalność człowieka.

Występuje również głębszy podział – te zjawiska fizyczne, które są pierwotną przyczyną zakłóceń, można podzielić na:

• mechaniczne (np. wibracje, udary, wstrząsy),
• biologiczne, związane z przyrodą,
• elektryczne (szumy własne elementów i układów elektronicznych, sygnały nadajników, sygnały z linii energetycznych, nieodkłócone systemy energetyczne, sygnały z urządzeń oświetleniowych itp.).

Te ostatnie spotykane są najczęściej i mają znaczący wpływ na prawidłową pracę elektronicznych systemów alarmowych. Zakłócenia mogą przenikać do urządzeń i systemów (odbiorników zakłóceń) poprzez:

• sprzężenia konduktancyjne, pojemnościowe i indukcyjne,
• propagacje fal w liniach (w liniach dozorowych, magistralach transmisyjnych),
• promieniowania.

Podstawowe sposoby przeciwdziałania zakłóceniom elektromagnetycznym to:

• określenie źródła (lub źródeł) zakłóceń elektromagnetycznych,
• wskazanie elementów, układów, podzespołów podatnych na zakłócenia elektromagnetyczne,
• określenie mechanizmu przenikania zakłóceń elektromagnetycznych (a więc sposobu sprzęgania się źródła zakłóceń z obiektem wrażliwym na zakłócenia).

Można stwierdzić, że istnieją trzy podstawowe metody zmniejszania wpływu zakłóceń, do których zalicza się:

• tłumienie zakłóceń w miejscu ich powstawania (sfera projektowania elektronicznych systemów alarmowych),
• projektowanie i wykonywanie układów elektrycznych i elektronicznych (dotyczy to elektronicznych systemów alarmowych o podwyższonej odporności na zakłócenia elektromagnetyczne),
• utrudnianie przenikania zakłóceń elektromagnetycznych przez kanały sprzężeń (ekranowanie urządzeń elektronicznych i linii dozorowych, prawidłowe łączenie żył masowych kabli, stosowanie pierścieni ferrytowych).

Przykładowy elektroniczny system alarmowy będący przedmiotem analizy zakłóceń elektromagnetycznych

Przedstawiony na rys. 1 schemat blokowy elektronicznego systemu alarmowego jest schematem obiektu rzeczywistego, zaprojektowanego przez autorów w obiekcie specjalnego przeznaczenia; obiekt ten był już przedmiotem analizy niezawodnościowo-eksploatacyjnej, opisywanej na łamach Zabezpieczeń. Składa się z ok. 250 punktów charakterystycznych, w tym 152 linii dozorowych. Wcześniejsza analiza dotyczyła jednak problematyki związanej ze wskaźnikiem gotowości K_g, a nie wpływu zakłóceń elektromagnetycznych na pracę systemu alarmowego. Analizowany obecnie system alarmowy składa się z dwóch niezależnych podsystemów połączonych łączem radiokomunikacyjnym (433,92 MHz) na odcinku ok. 300 m. W trakcie analizy wpływu zakłóceń elektromagnetycznych istotna stała się bardzo mała odległość obiektu chronionego elektronicznym systemem alarmowym od stacji kolejowej, a więc trakcji elektrycznej (3 kV) oraz urządzeń SRK (sterowanie ruchem kolejowym). Odległość ta jest ważna z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu pociągów. W bezpośrednim sąsiedztwie chronionego obiektu zlokalizowana jest duża stacja bazowa telefonii komórkowej oraz kilka łączy mikrofalowych. W samym obiekcie znajduje się kilka punktów klimatyzacyjnych, każdy o mocy ponad 25 kW. Podczas analizy zbierano dane dotyczące zakłóceń elektromagnetycznych emitowanych przez kolejowe urządzenia trakcyjne, SRK i radiokomunikacyjne oraz pochodzących bezpośrednio od transportu kolejowego. Również punkty klimatyzacyjne już wcześniej były źródłem dużych zakłóceń (przepięć), które spowodowały uszkodzenie rejestratora cyfrowego wchodzącego w skład monitoringu wizyjnego. Chroniony obiekt jest wyposażony w system ochrony przeciwpożarowej; znajduje się w nim również informatyczna sieć dostępowa, zarówno przewodowa, jak i ­bezprzewodowa (WLAN). Wszystkie wymienione systemy (zarówno wewnętrzne, jak i zewnętrzne) są źródłami emisji zakłóceń elektromagnetycznych, które mogą mieć wpływ na pracę elektronicznych systemów alarmowych.

Do badań widma zakłóceń użyto mierników natężenia pola elektromagnetycznego oraz analizatorów widma. Zebrano dane oraz dokonano obliczeń i analizy, co pozwoliło na określenie poziomu zakłóceń elektromagnetycznych oraz ich wpływu na elektroniczny system alarmowy obiektu.

Kompatybilność elektromagnetyczna  w systemach bezpieczeństwa

Każdy sygnał elektryczny (prąd, napięcie, natężenie pola magnetycznego lub elektrycznego) zawiera składową użyteczną i składową pasożytniczą. Składowa użyteczna jest niezbędna do pracy urządzenia (np. kamery, rejestratora, centrali alarmowej, czujki) lub systemu (CCTV, kontroli dostępu, sygnalizacji pożarowej). Sygnały zakłócające towarzyszą pracy ww. urządzeń i systemów. Wynikają one m.in. z przetwarzania sygnałów użytecznych w urządzeniach systemu bezpieczeństwa. Zjawiska, które występują podczas pracy systemu bezpieczeństwa – niepotrzebne do działania danego urządzenia/systemu, lecz jednocześnie nieuniknione przy przetwarzaniu sygnałów – zobrazowano na rys. 2. W wielu przypadkach sygnały, które są użyteczne dla jednych urządzeń czy systemów, dla innych stają się sygnałami zakłócającymi.

Sygnały zakłócające (zaburzające) mogą spowodować wadliwe działanie urządzenia (obniżenie jakości) lub jego zniszczenie, jeżeli między źródłem zakłoceń a urządzeniem wrażliwym istnieje sprzężenie elektromagnetyczne (rys. 3, 4, 5). 

Elektromagnetyczna kompatybilność to:

• działanie zgodnie z przeznaczeniem w danym środowisku elektromagnetycznym,
• działanie w sposób nie wywierający niedopuszczalnego wpływu na dane środowisko elektromagnetyczne.

Ze względu na złożoną strukturę pola elektromagnetycznego i różnice jego własności w zależności od odległości od jego źródła – w pobliżu źródła (pole bliskie) i w pewnym oddaleniu od źródła (pole dalekie – odległość zależy od częstotliwości) – sprzężenie przez pole elektromagnetyczne dzielimy na sprzężenie indukcyjnościowe lub pojemnościowe w polu bliskim oraz promieniowanie elektromagnetyczne w polu dalekim (rys. 6, 7).

Rys. 7. Oddziaływanie zakłóceń przewodzonych i promieniowanych na system bezpieczeństwa

 

Według normy międzynarodowej IEC 50(161) dla urządzeń systemu bezpieczeństwa definicja kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) jest następująca:

„EMC jest zdolnością urządzenia do jego zadawalającej pracy w środowisku elektromagnetycznym, bez jednoczesnego powodowania zaburzeń elektromagnetycznych, które byłyby niedopuszczalne dla innych urządzeń występujących w tym środowisku”. [1]

Dla systemu bezpieczeństwa można wyprowadzić następującą definicję EMC – „Kompatybilność elektromagnetyczna jest to zdolność danego urządzenia (np. kamery) lub systemu (KD) do działania w środowisku elektromagnetycznym w sposób zadawalający i bez wytwarzania zakłóceń nietolerowanych przez wszystko, co się w tym środowisku znajduje – inne systemy (urządzenia) bezpieczeństwa”.

Występujące w definicji pojęcia instalacji, podzespołu lub systemu można zdefiniować następująco:

• instalacje – składają się z przestrzennie rozmieszczonych systemów, urządzeń, jednego lub kilku wsporczych elementów konstrukcyjnych oraz przestrzennie usytuowanych połączeń z systemami i urządzeniami traktowanymi jako urządzenia końcowe, eksploatowane we wzajemnym powiązaniu funkcjonalnym;
• podzespół – każdy element, który jest przewidziany do wbudowania w urządzenie, nie posiadający jednak samodzielności funkcjonalnej oraz nie przeznaczony do bezpośredniego zastosowania przez użytkownika;
• system – według dyrektywy EMC jest to „kilka połączonych wzajemnie, w określonym celu urządzeń, które są wprowadzone do obrotu wyłącznie jako jedna jednostka funkcjonalna”;
• system tworzą funkcjonalnie powiązane ze sobą urządzenia, które są eksploatowane z wykorzystaniem konstrukcji wsporczej (otwartej lub zamkniętej) oraz przestrzennie rozłożonych połączeń (przewody elektryczne, pola elektromagnetyczne, połączenia optyczne i mechaniczne). [1]

Wewnętrzna kompatybilność systemu jest zachowana wtedy, gdy wszystkie urządzenia i pozostałe elementy składowe systemu – przy uwzględnieniu pewnych zapasów wrażliwości i odporności na zakłócenia – pracują bezbłędnie, mimo pozostawania pod wpływem wytworzonej w systemie energii zakłócającej. 

Zewnętrzna kompatybilność systemu występuje wówczas, gdy system jako całość pracuje bezbłędnie pod wpływem wielkości zakłócających go z zewnątrz. Również w tym przypadku mogą być uwzględnione zapasy wrażliwości i odporności na zakłócenia. Ponadto należy uwzględnić wymaganie, aby emisje zaburzające systemu nie oddziaływały w sposób niedopuszczalny na środowisko elektromagnetyczne, tzn. na inne pracujące w tym środowisku systemy. [2, 3]

Jeżeli odległość między źródłem pola elektromagnetycznego i urządzeniem (systemem bezpieczeństwa czy też jego obwodem wrażliwym) staje się duża, posługujemy się parametrami pola. Jeżeli odległość pomiędzy przewodami jest większa niż 0,1 λ (długość fali), pole elektromagnetyczne jest emitowane na zewnątrz. Zjawisko to jest wykorzystywane w bezprzewodowej transmisji informacji.

Warunki propagacji pola zależą od:

• zakresu częstotliwości,
• charakterystyki promieniowania anteny nadawczej,
• tłumienia przez przeszkody (przewodzące, nieprzewodzące, struktury geometryczne).

Rys. 10. Emisja zakłóceń przez moduł centrali alarmowej systemu bezpieczeństwa

 Pole bliskie

Jeżeli pole magnetyczne nie zależy bezpośrednio od pola elektrycznego, to mówimy o polu bliskim. Zjawisko to występuje zawsze w pobliżu przewodów elektrycznych. W polu bliskim bierze się pod uwagę albo pole elektryczne, albo magnetyczne, w zależności od tego, który składnik jest ważniejszy. Warunek pola bliskiego dotyczy obszaru od powierzchni przewodu aż do odległości równej λ/(2π).

Dla częstotliwości f = 50 Hz to pole bliskie wystepuje do odległości D = 955,4 km.

Pole dalekie

W dużej odległości od układu przewodów (linii lub anteny) wielkość i faza pola elektrycznego zależą od odpowiednich wielkości pola magnetycznego. Oba składniki są związane zależnością:
    

(1)

gdzie:
E – wektor pola elektrycznego,
H – wektor pola magnetycznego,
Z_f – impedancja falowa środowiska.
Wartość Z_f zależy tylko od właściwości elektrycznych i magnetycznych środowiska, w którym rozchodzi się pole elektromagnetyczne. W ogólnym przypadku

(2)

gdzie:
ε₀, μ₀ – stałe fizyczne równe, odpowiednio, przenikalności dielektrycznej i magnetycznej próżni,
ε_r, μ_r – stałe fizyczne równe, odpowiednio, względnej przenikalności dielektrycznej i magnetycznej środowiska.
 

(3)

określa się mianem impedancji falowej próżni.

Ponieważ względna przenikalność dielektryczna ε_r i względna przenikalność magnetyczna μ_r powietrza są w przybliżeniu równe 1, impedancja falowa powietrza jest równa 377[Ω].

Jeżeli fala elektromagnetyczna napotyka strukturę przewodzącą, wówczas indukuje w niej napięcia i prądy. Niepożądanymi antenami są np. przewody łączące (elektryczne),  ekrany linii, konstrukcje metalowe , przewody gazowe lub wodociągowe, części obudowy (rys. 11).

Istotny związek z rozprzestrzenianiem się zaburzeń elektromagnetycznych ma otoczenie systemów bezpieczeństwa – izolacyjne lub przewodzące (rys. 12). Otoczenie systemu jest elementem ekranującym sygnały zakłóceń rozchodzące się w wolnej przestrzeni.

Rys. 13. Sprzężenie pojemnościowe występujące w systemach bezpieczeństwa

 

Sprzężenie pojemnościowe występujące w systemach bezpieczeństwa

Na drodze indukcji elektrycznej pole elektryczne przewodu zakłócającego wywołuje napięcie na przewodach obwodu zakłócanego. Wspólczynnik sprzężenia pojemnościowego można przedstawić za pomocą pojemności sprzęgającej (rys. 13):

(4)

gdzie:
r – promień przewodu,
ε – przenikalność dielektryczna (przenikalność dielektryczna próżni ε₀ pomnożona przez odpowiednią dla zastosowanego materiału izolacyjnego przenikalność względną). ­Wykorzystując symetrię pracy obwodu, można uzyskać schemat zastępczy jak na rys 13.

Sprzężenie przez przewodzenie występujące w systemach bezpieczeństwa

W przypadku, w którym dwa lub więcej obwodów elektrycznych wykorzystuje ten sam przewód powrotny, należy liczyć się z wystąpieniem sprzężenia przez przewodzenie.

Przewód powrotny ma określoną impedancję Zk nazywaną impedancją sprzeżenia zwrotnego. Prąd I₁ płynący w obwodzie 1 (zakłócającym) wywołuje w przewodzie powrotnym spadek napięcia (rys. 14).

Spadek napięcia Ust nakłada się na napięcie sieci (np. sygnał przenoszony w obwodzie 2). W przypadku, w którym obwód 2 (np. tor transmisji danych) jest otwarty (lub obciążony rezystorem o dużej wartości), a do obwodu dołączono źródło U₂, napięcie wyjściowe będzie równe U_st+U₂.

Opis zakłócenia jako stosunek sygnał/szum – U₂/ U_st:

(5)

Środki zaradcze:

Odcinek przewodu mający wpływ na Z_k powinien być tak krótki, jak to tylko jest możliwe.

Wzrost przekroju przewodu obniża rezystancję dla prądu stałego. Przy wyższych częstotliwościach – przewód płaski, mała indukcyjność, duża w porównaniu z polem przekroju, korzystniejsza ze względu na zjawisko naskórkowości powierzchnia przewodu.

Przy niskich częstotliwościach pełna separacja potencjałów (sprzężenie transformatorowe, optoelektroniczne) redukuje do minimum sprzężenie przez przewodzenie, jednak przy wyższych częstotliwościach sprzężenia tego nie można pominąć.

Sprzężenie indukcyjne występujące w systemach bezpieczeństwa

Ten rodzaj sprzężenia występuje szczególnie pomiędzy sąsiadującymi przewodami (rys.15).

Wytworzony przez linię zakłócającą (przewody 1 i 2) strumień magnetyczny przenika częściowo przez pętlę składającą się z przewodów 3 i 4. Zmiana części strumienia magnetycznego przenikającego linię zakłócającą w czasie powoduje indukowanie się napięcia zakłócającego. Napięcie to jest tym większe, im większa jest zmiana strumienia magnetycznego w czasie (czyli częstotliwość sygnałów).

Wielkość tego napięcia zależy również od wzajemnej odległości przewodów linii sygnałowej (3 i 4) i zakłócającej (1 i 2).
Dla stacjonarnych, sinusoidalnie zmiennych (o częstotliwości f) przebiegów można obliczyć napięcie U_i indukowane w zakłócanej pętli:

(6)

Dla przykładu z rys. 16 można obliczyć indukcyjność wzajemną:

(7)

gdzie:
d₁₄, d₂₃, d₁₃, d₂₄ – odległości przewodów,
l – długość przewodu.

Jeżeli przewody 1 i 2 linii zakłócającej są zbliżone do siebie, odległości pomiędzy poszczególnymi żyłami linii zakłócającej i sygnałowej stają się sobie równe, przez co indukcyjność wzajemna dąży do zera, tzn. znika sprzężenie indukcyjne.
Jeżeli przewód znajduje się w pobliżu toru zakłócanego (rys. 16), indukcyjność wzajemna M, wyrażana w [μH], jest obliczana następująco:

(8)

W tym przypadku nie ma znaczenia, czy przewód zakłócający leży w tej samej płaszczyźnie co pętla zakłócana, czy nie. O wartości napięcia indukowanego decyduje zmiana strumienia magnetycznego, który przenika pętlę obwodu, w czasie. Jeżeli linie sił pola magnetycznego przenikają pętlę pod kątem różnym od prostego, to strumień magnetyczny i napięcie indukowane Us zmniejszają się:

(9)

Jeżeli przenikające pętlę prądową pole magnetyczne jest jednorodne (np. przewody zakłócające znajdują się w dużej odległości lub pętla obwodu jest bardzo mała w porównaniu z odległością od źródła zakłóceń), wtedy:

(10)

A – powierzchnia pętli przenikanej przez pole magnetyczne

Zmniejszenie indukcyjności wzajemnej dwóch obwodów elektrycznych:

• zmniejszenie odległości między przewodem dosyłowym i powrotnym linii (w przypadku linii dwuprzewodowych),
• ułożenie przewodów bezpośrednio nad powierzchnią przewodzącą szczególnie w przypadku niesymetrycznych linii jednoprzewodowych),
• zwiększenie odległości między torem zakłócającym a zakłócanym,
• unikanie równoległego prowadzenia przewodów,
• używanie krótkich, skręconych przewodów (przewody zakłócające muszą mieć inny skok skrętu niż przewody zakłócane),
• zastosowanie ekranu magnetycznego (materiały żelazoniklowe lub ferryty w przypadku wyższych częstotliwości).

Zakończenie i wnioski

Badania autorów dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej elektronicznych systemów alarmowych stanowią duże wyzwanie, zważywszy na to, że w wielu przypadkach zakłócenia są zupełnie przypadkowe, a więc ich źródła są bardzo trudne do zlokalizowania. Związane z tymi badaniami pomiary są bardzo żmudne i wymagają sporej wiedzy i doświadczenia. Autorzy zajmowali się problematyką niezawodnościowo-eksploatacyjną już znacznie wcześniej. Wówczas okres badań (zależnie od systemu) wynosił od 12 do 24 miesięcy. Badanie zakłóceń elektromagnetycznych w elektronicznych systemach alarmowych jest bardzo trudne, bo wyniki są zwykle przypadkowe, a w wielu przypadkach zaskakujące. Ze względu na świadome zlokalizowanie badań w pobliżu stacji kolejowej oraz przewodów trakcyjnych pomiary należało wykonywać o różnych porach roku (także w zimie – ze względu na możliwość występowania szadzi, a więc znacznego iskrzenia pomiędzy pantografem jednostki trakcyjnej a jezdnym przewodem trakcyjnym). Pomiary trwały ponad dwa lata. Ponadto potrzebny był czas na analizę zebranych danych oraz wykonanie szeregu wykresów załączonych w niniejszym artykule. Prawie wszystkie dane i wyniki podlegały bardzo wnikliwej analizie. Autorzy świadomie wybrali obiekt z dosyć dużym i rozległym elektronicznym systemem alarmowym, położony w rejonie dużych zakłóceń pochodzących między innymi z zakłóceń trakcyjnych i zakłóceń SRK. Badanie nieco innego elektronicznego systemu alarmowego (również dosyć dużego) wykonywano w okolicach stacji PKP Radom. Podane w części analitycznej niniejszego opracowania wyniki są efektem tylko małej części badań, jakie autorzy od dłuższego czasu prowadzą na terenie Polski. Badania te dotyczą zarówno problematyki niezawodnościowo-eksploatacyjnej, jak i zakłóceń elekromagnetycznych. W wielu przypadkach problematyka badań jest zbieżna i pozwala opracować dosyć skuteczne metody ochrony elektronicznych systemów alarmowych przed skutkami różnych zakłóceń, które najczęściej wywołują fałszywe alarmy, a w przypadkach skrajnych – bardzo poważne awarie systemów alarmowych.

Bibliografia

1. Koszmider A., Praktyczny poradnik. Certyfikat CE w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej, Alfa-Weka, Warszawa 1997.
2. Paś J., Wpływ rozrzutu właściwości elementów linii dozorowej na niezawodność funkcjonalną systemów bezpieczeństwa, Biuletyn WAT nr 2 (650), Warszawa 2008.
3. Brejwo W., Paś J., Charakterystyka wybranych źródeł promieniowania elektromagnetycznego z zakresu wielkich częstotliwości, XV Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Inżynieria środowiska w eksploatacji kompleksów wojskowych” Zakopane 2002.
4. Dyduch J., Paś J., Zakłócenia elektromagnetyczne oddziaływujące na transportowy system bezpieczeństwa,
5. w: PAR nr 5/2009.
6. Paś J., rozprawa doktorska, Politechnika Radomska, Wydział Transportu i Elektrotechniki, Radom 2009/2010.
7. Z. Karkowski (red.), Zakłócenia w aparaturze elektronicznej, Warszawa 1995.

doc. dr inż. Waldemar Szulc
WSM w Warszawie
Wydział Informatyki Stosowanej
Zakład Bezpieczeństwa Obiektów i Informacji
współpracownik WAT
Wydział Elektroniki

dr inż. Adam Rosiński
WSM w Warszawie
Wydział Informatyki Stosowanej
Zakład Bezpieczeństwa Obiektów i Informacji
Politechnika Warszawska
Wydział Transportu
Zakład Telekomunikacji w Transporcie
współpracownik WAT
Wydział Elektroniki

mgr inż. Jacek Paś
WAT
Wydział Elektroniki

Zabezpieczenia 1/2010