IEC 61508 Technieken en maatregelen voor EMI risico reductie: EMI sensoren als waarschuwingssysteem?

IEC 61508 is de centrale basis voor functionele veiligheid. Het stelt tal van hardingstechnieken en maatregelen voor om de veiligheid te verhogen. Eerdere studies van elektromagnetische interferentie (EMI) hebben de noodzaak van elektromagnetische veerkracht aangetoond, waaronder op EMI-hardening gebaseerde EMI-detectie. In dit doctoraat ligt de focus voornamelijk op de ontwikkeling en evaluatie van EMI-detectoren voor bekabelde communicatiekanalen die het risico op fatale fouten als gevolg van elektromagnetische storingen (EMD's) helpen verminderen. De detector moet reageren op ongewenste EMD's en de controle-eenheid, of de persoon die het elektronische apparaat hanteert, waarschuwen om een voorzorgsprocedure te volgen en de risico's in verband met EMI te verminderen. Dit zou het systeem "EMI-gehard door ontwerp" moeten maken en dus inherent veerkrachtig tegen EMI.

In dit doctoraat worden vijf ontwerpen van EMI-detectoren gepresenteerd, waaronder de Adder & Subtractor (A&S) EMI-detector, de Field Probe (FP) EMI-detector, de Field Probe en Adder & Subtractor (FPAS) EMI-detector, de Advanced EMI-detector en de Single Line (SL) EMI-detector. Elk ontwerp introduceert verbeteringen die voornamelijk gericht zijn op het vergroten van de veiligheid en het minimaliseren van de behoefte aan aanvullende hardware of bijkomende kanalen. De voorgestelde detectoren worden geëvalueerd met behulp van verschillende analyses op basis van een theoretisch ontwerp, een Monte Carlo-simulatieraamwerk, een wiskundig model en een hardwareontwerp. Het belangrijkste doel van deze analyses is om te bepalen of de geteste EMI-detector een bitfout als gevolg van een EMD kan detecteren en er tegelijkertijd voor zorgt dat de beschikbaarheid van het systeem niet in het gedrang komt. Verder worden nieuwe EMD-conditiebeoordelingsdefinities voorgesteld en gebruikt om de prestaties van de EMI-detectoren vanuit het systeemperspectief te analyseren. De prestaties van deze detectoren worden ook vergeleken met eerder gepubliceerde technologieën.

De A&S EMI-detector, gebaseerd op de eerder voorgestelde comparator-gebaseerde EMI-detector, gebruikt twee datatransmissielijnen om geïnverteerde data te verzenden, gevolgd door herinversie van de data van één lijn en daaropvolgende vergelijking. In tegenstelling tot zijn voorganger analyseert de A&S EMI-detector het ontvangen signaal door optellen en aftrekken, vervolgens de constante DC-component te verwijderen en gelijk te richten. De resultaten tonen aan dat de A&S EMI-detector beter presteert dan de op comparator gebaseerde EMI-detector. In sommige gevallen faalt die echter nog steeds, met name wanneer de EMD-frequentie een geheel veelvoud is van de bemonsteringsfrequentie van de EMI-detector.

De FP EMI-detector maakt gebruik van snelle veldsondes om de elektromagnetische velden te analyseren. Het gebruikt veldsterkte als maatstaf om te bepalen of een EMD voldoende is om de verzonden gegevens te verstoren. Ondanks zijn effectiviteit bij het detecteren van bitfouten als gevolg van EMI in alle geteste scenario's, brengt de FP EMI-detector de beschikbaarheid in het gedrang. Daarom wordt de FPAS EMI-detector voorgesteld als een hybride ontwerp dat de A&S- en FP EMI-detectoren samenvoegt. Het lost deze tekortkoming van de FP EMI-detector op door verbeterde beschikbaarheid te bieden terwijl de detectiemogelijkheden voor alle geteste scenario's behouden blijven. Voor zowel de FP- als de FPAS EMI-detectoren vormt de plaatsing van snelle veldsondes echter een grote uitdaging, vooral voor elektrisch langdradige communicatiekanalen.

Om de tekortkomingen van de A&S EMI-detector te ondervangen zonder gebruik te maken van snelle veldsondes, wordt de geavanceerde EMI-detector voorgesteld. Het maakt ook gebruik van een paar datatransmissielijnen om geïnverteerde data te verzenden. Het voegt echter de signalen van de ontvangerzijde van beide datatransmissielijnen toe, gevolgd door een faseverschuiving naar één kanaal. De resultaten tonen aan dat de geavanceerde EMI-detector bitfouten kan detecteren die worden veroorzaakt door EMI in nauw gekoppelde datatransmissielijnen. Het kan echter falen wanneer een EMD een spanning induceert met een aanzienlijk faseverschil tussen de datatransmissielijnen.

De voorgestelde EMI-detectoren maken gebruik van meerdere datatransmissielijnen of extra veldsondes om bitfouten veroorzaakt door EMD's effectief te detecteren. Daarom lag de focus op het ontwerpen van een EMI-detector die gebruik maakt van een enkele datatransmissielijn. De SL EMI-detector wordt in dit verband voorgesteld als een baanbrekend ontwerp dat EMI-geïnduceerde bitfouten kan identificeren zonder dat er een redundant datatransmissiekanaal nodig is. De SL EMI-detector demonstreert efficiëntie bij het detecteren van EMI in alle geteste gevallen, onderworpen aan hardwarebeperkingen om hogere frequenties te verwerken. Daarom kan dit ontwerp helpen bij het ontwikkelen van bekabelde communicatiekanalen die door hun ontwerp elektromagnetisch veerkrachtig zijn.

In dit manuscript wordt een uitgebreide onderzoeksstudie gepresenteerd over de ontwikkeling en evaluatie van EMI-detectoren. De resultaten van dit onderzoek bieden unieke inzichten in de functionaliteit van EMI-detectoren en hun potentieel om de veiligheid van bekabelde communicatiesystemen te verbeteren. Dit manuscript dient als een proof of concept van EMI-detectoren en presenteert een overtuigend argument voor hun bredere acceptatie in veiligheidskritische toepassingen. Daarnaast bevat het in het proefschrift geschetste valorisatieplan een stappenplan voor het effectief verspreiden en benutten van de onderzoeksresultaten. Hierdoor kunnen industrieën EMI-detectoren beschouwen als een geschikte maatregel om de betrouwbare en veilige werking van hun veiligheidskritische systemen te waarborgen