De veiligheid van huishoudelijke apparaten verbeteren met IEC-normen

Dit artikel onderzoekt de IEC 60730 Klasse B-norm voor functionele veiligheid om zowel mechanisch als elektrisch ontwerp in apparaten aan te pakken. Lees wat de norm inhoudt en controllers om aan deze normen te voldoen.

Talloze apparaten vereenvoudigen dagelijkse of periodieke activiteiten in huis en helpen gebruikers deze consequent en met minimale stress uit te voeren. Als ze goed werken, zijn ze geweldig. Als er echter een storing optreedt, kunnen sommige apparaten behoorlijk onveilig worden en grote problemen veroorzaken, waaronder brand.

Om ervoor te zorgen dat in apparaten veiligheid is ingebouwd, heeft de International Electrotechnical Commission (IEC) de IEC 60730 Klasse B-norm voor functionele veiligheid opgesteld om zowel mechanisch als elektrisch ontwerp aan te pakken, die ook door Underwriters Laboratories is goedgekeurd. Een nieuwe touchscreen-geïntegreerde schakeling (IC) is ontworpen met ingebouwde functionele veiligheid die is gecertificeerd om aan deze norm te voldoen, en biedt een veiligere gebruikerservaring voor fornuizen en kookplaten, wasapparatuur en meer.

Ernstige apparaatproblemen voorkomen

De National Fire Prevention Association (NFPA), een internationale non-profitorganisatie, stelt in haar NFPA Research-rapport dat fornuizen of kookplaten betrokken waren bij 62% van de gemelde branden in huisstijlen. In feite identificeert het rapport specifiek:"Koken zonder toezicht was de belangrijkste oorzaak van kookbranden en slachtoffers."

Volgens NFPA Research zijn kookplaten of kookplaten de belangrijkste doodsoorzaak (46%) van de sterfgevallen veroorzaakt door kookapparatuur van 2013 tot 2017. Een andere bron, de US Fire Administration (USFA), onderdeel van de Federal Emergency van het Amerikaanse Department of Homeland Security Management Agency (FEMA), meldt nieuwere gegevens uit 2018 (alleen voor de VS), maar heeft nog steeds koken als de belangrijkste oorzaak van woningbranden, zie figuur 1.

Figuur 1. Koken was in 2018 de belangrijkste oorzaak van branden in woongebouwen met verwondingen tot gevolg. Bron:U.S. Fire Administration.

Sinds het National Fire Incident Reporting System (NFIRS) van de USFA in 1999 werd geïntroduceerd, zijn de gemelde branden in de keuken gestaag toegenomen, ondanks de aanzienlijke technische vooruitgang die op tal van andere gebieden is geboekt. Het is duidelijk dat het aanpakken van de veiligheidsaspecten van fornuizen en kookplaten een doel van fabrikanten van apparaten moet zijn om deze aantallen te helpen verminderen.

Veiligheidsvoorschriften voor functionele veiligheid in apparaten

De International Electrotechnical Commission (IEC) erkent de noodzaak van ingebouwde veiligheid in apparaten en heeft IEC 60730-1 ontwikkeld dat van toepassing is op automatische elektrische bedieningselementen "voor gebruik in, op of in combinatie met apparatuur voor huishoudelijk en soortgelijk gebruik". Hoewel het document voor het eerst werd uitgebracht in 1986, heeft het periodieke upgrades en wijzigingen ondergaan, met als meest recente in april 2020. Underwriters Laboratories (UL) heeft ook zijn goedkeuring gehecht aan de norm.

De grondgedachte achter functionele veiligheid is dat alle elektronica en mechanische systemen uiteindelijk zullen falen. Omdat fouten niet kunnen worden ontworpen, is het het beste om ervoor te zorgen dat wanneer iets faalt, het faalt op een faalveilige manier. Er worden drie veiligheidsklassen geïdentificeerd in IEC/UL 60730 met klasse A voor die producten die niet bedoeld zijn om op te vertrouwen voor veiligheidsaspecten en klasse C voor producten die bedoeld zijn om speciale gevaren te voorkomen.

Daartussenin omvat de IEC/UL 60730 klasse B of gewoon klasse B-classificatie grote huishoudelijke apparaten, zoals fornuizen/fornuizen, wasmachines, drogers, vaatwassers, koelkasten en diepvriezers. Klasse B heeft betrekking op software en besturingsfuncties die bedoeld zijn om gevaren te voorkomen als er een storing optreedt in het apparaat. Het is van toepassing op thermische uitschakelingen, automatische deurvergrendelingen en andere functies die ervoor zorgen dat kook- en wasapparatuur niet meer werkt als zich onveilige omstandigheden voordoen. In zowel de VS als Europa is Klasse B-certificering nu verplicht voor alle kooktoestellen met een zelfreinigende functie en voor wasapparatuur voor bedieningselementen die verband houden met automatische deurvergrendelingsmechanismen.

Bestaande veiligheidsbenadering van apparaten

Om de veiligheidsproblemen in apparaten zowel in de keuken als in de wasruimte aan te pakken, vertrouwden historische oplossingen op de microcontroller (MCU) die was gekoppeld aan knoppen, schuifregelaars en wielen, of ze nu mechanisch of capacitief zijn. De MCU had een softwarebibliotheek om de veiligheid en gezondheid van de capacitieve aanraakknoppen te bewaken. Om aan deze normen te voldoen, gebruiken apparaten tegenwoordig capacitieve touchscreens met een afzonderlijke capacitieve aanraakknop die wordt bestuurd door een afzonderlijke MCU met een veiligheidsbibliotheek erop.

Sommige knoppen die deel uitmaken van de gebruikersinterface zijn bijzonder kritisch om een ​​veilige werking van het apparaat mogelijk te maken en om gevaren zoals huisbranden te voorkomen. Kooktoestellen met een zelfreinigende functie die naar Amerika of Europa worden verzonden, moeten bijvoorbeeld twee-aanraking aan en een-aanraking uitschakelen van de zelfreinigende modus ondersteunen. Het is belangrijk op te merken dat zelfreinigende ovens gevaarlijk hoge temperaturen van 900oF (500oC) bereiken. Items die in de oven zijn opgeslagen, kunnen tijdens deze modus vlam vatten, dus IEC/UL 60730 Klasse B schrijft voor dat apparaten met deze functie twee-aanraking aan en één-aanraking uit-bediening moeten ondersteunen.

De grondgedachte achter deze vereiste is dat een tweede aanraking om de zelfreinigende modus in te schakelen, wordt gebruikt om de gebruiker aan te moedigen om te controleren of de zelfreinigende modus veilig kan starten. Met een enkele aanraking, bijvoorbeeld nadat de gebruiker rook ruikt, wordt de stop- of annuleerknop gebruikt om deze modus te beëindigen. Een veilige bediening van de stopknop is van cruciaal belang voor de veiligheid van de gebruiker. Hierdoor moet de knop in alle omgevingen betrouwbaar en nauwkeurig functioneren. Gevaarlijke branden kunnen worden vermeden door de zelfreinigende modus zo snel mogelijk te beëindigen zonder meerdere aanrakingen.

Het monitoren van de enkele analoge randapparatuur is vrij eenvoudig en gemakkelijk te doen door de MCU. De randapparatuur bewaakt een paar knoppen die aan elkaar zijn gemultiplext. Eén randapparaat kan een reeks knoppen scannen. Hoewel deze functionaliteit in de microcontroller is ingebouwd, moet de fabrikant van het apparaat de veiligheidsfunctie nog ontwikkelen en kwalificeren en is daarvoor verantwoordelijk.

Een nieuwe benadering van de veiligheid van apparaten

Hoewel functionele veiligheid al vele jaren in apparaten is geïmplementeerd, is er een mogelijkheid om nu aan deze eis te voldoen door klassieke veiligheidsprincipes toe te passen op een moderne touchscreen-interface. Aangezien touchscreens worden geïmplementeerd of geüpgraded, is dit een ideale manier om Klasse B-certificering in te voeren.

De ATMXT336UD-MAUHA1 maXTouch-controllerfamilie met zijn unieke veiligheidsgerelateerde functies elimineert de noodzaak van een aparte knop, dus uitschakelen kan nu worden bereikt door een "zachte" knop overal op het touchscreen. Hoewel de mogelijkheid om de knop te elimineren en de kosten te verlagen en de vereiste functionaliteit te behouden voldoende stimulans zou moeten zijn voor fabrikanten van apparaten, zou de vereenvoudigde interface ook aantrekkelijker moeten zijn voor gebruikers. De geïntegreerde aanpak is eenvoudig en intuïtiever. Het is ook handiger omdat het de rommel en de kosten van de afzonderlijke knoppen verwijdert. Misschien nog belangrijker, de uitschakelfunctie kan worden gewijzigd in de natuurlijke taal van de gebruiker voor globalisering. Zie afbeelding 2.

Figuur 2. Door de noodstopfunctie op het touchscreen te plaatsen, kan de fabrikant van het apparaat de gebruiker de taal laten kiezen die hij het prettigst vindt voor de stopfunctie.

De rookmelder was decennia geleden een pionier op het gebied van veiligheid in huis. In tegenstelling tot de rookmelder kan het functionele veiligheidstouchscreen van klasse B zowel waarschuwen als actie ondernemen. Het voert deze proactieve functies uit voordat het rook of iets in de omgeving waarneemt zonder menselijke tussenkomst.

Laten we eens kijken naar een voorbeeld van een veiligheidsprobleem dat het touchscreen van klasse B kan oplossen zonder de kok erbij te betrekken. Als een zware pot per ongeluk op een hete kachel met inductieve branders valt, beschermt het dikke glas in veel gevallen de branders, maar de dunne indiumtinoxide (ITO) aanraaksensor eronder is kwetsbaarder en kan breken. Deze breuk kan leiden tot verlies van gelokaliseerde aanraakfunctionaliteit in een bepaald gebied van het touchscreen of erger nog, de hele sensor kan defect raken.

De controller met klasse B bewaakt in realtime automatisch de status van de aanraaksensor. Op de achtergrond, wanneer de sensor niet naar aanrakingen scant, scant de IC de aanraaksensor zelf op zoek naar verschillende soorten storingen. Zodra een storing wordt gedetecteerd, zoals een scheur in de touchscreen-sensor, stelt de controller de host central processing unit (CPU) op de hoogte, zodat deze de branders automatisch kan uitschakelen. Dit zal gebeuren zonder dat er menselijke tussenkomst nodig is, waardoor een storingsvrije werking wordt gegarandeerd.

Hoewel dit type functionaliteit eerder mogelijk was, moest de host het touchscreen-IC activeren of pollen voor invoer. Nu voert de IC deze functie zelf uit en stuurt de berichten naar de host wanneer zich een probleem voordoet. Een speciaal I2C-busbericht of een algemene IO (GPIO)-pin op het IC die is gekoppeld aan een interrupt-pin op de systeemhost-CPU geeft automatisch de waarschuwing om een ​​shutdown te starten. De ingebouwde en zelfwerkende veiligheidsfuncties bieden de middelen om enkele van de omstandigheden te voorkomen die kunnen leiden tot een keukenbrand. Zie figuur 3.

Figuur 3. In een typische apparaattoepassing kan de Klasse B-touchscreencontroller eenvoudig worden aangesloten op een host-CPU.

Om te slagen voor Klasse B-certificering, worden verschillende functionele veiligheidstests uitgevoerd door het touchscreen-IC. Een van de belangrijkste tests is de geheugentest. Het touchscreen-IC heeft een kleine hoeveelheid RAM en Flash-geheugen, voldoende om de vereiste functies in de applicatie uit te voeren. In een embedded omgeving draait het gesloten systeem geen klantcode. Om te voldoen aan de Class B-certificering, zijn er regels die bepalen hoe vaak geheugentests moeten worden uitgevoerd. Er wordt bijvoorbeeld een reeks lopende enen en lopende nullen op de achtergrond uitgevoerd als een patroontest om te controleren op RAM-storingen op het IC. Zie figuur 4.

Figuur 4. Een wandelende 1-s test voor een 8-bits geheugen verifieert sequentieel elke bit.

Het proces begint met het testen van het vrije RAM-geheugen en valideert dat het goed is. Aangezien het grootste deel van de kleine hoeveelheid geheugen is gevuld met gegevens, wordt een deel van de applicatiecode vervolgens naar het geteste deel verplaatst om een ​​ander deel vrij te maken en te testen. Het proces gaat door totdat alle RAM is getest. Door dit schudden van de applicatiecode, terwijl deze wordt uitgevoerd, kan al het geheugen worden getest met sequentiële tests.

Het beheren van deze test alleen is een redelijk complex proces en het maakt allemaal deel uit van de Class B IC die gelijktijdig multi-finger touch-gebeurtenissen in realtime rapporteert. Bij meer dan 60 Hz, 60 keer per seconde, meldt het IC contact met de host terwijl het RAM wordt getest en de sensor op de achtergrond wordt getest. Soortgelijke tests worden uitgevoerd om de niet-vluchtige geheugencellen van de flash-programmacode te testen.

CPU-registers in de controller moeten worden getest om er zeker van te zijn dat ze correct werken. Dit wordt bereikt door de huidige waarde van het CPU-register te lezen en op te slaan en de gegevens op te slaan in een ander register dat niet wordt getest. Vervolgens wordt het CPU-register omgeschakeld om ervoor te zorgen dat de nieuwe instelling behouden blijft. Hierna worden de initiële waarden hersteld. Hiermee wordt gecontroleerd of de CPU-registers correct kunnen worden ingesteld en gereset naar de juiste waarden.

Interne kloktesten zorgen ervoor dat de klokken goed lopen. Er zijn verschillende klokbomen in het IC en de tests bevestigen dat ze goed worden verdeeld en werken. Dit is geen uitputtende lijst van tests, maar geeft een idee van de soorten tests die door de IC worden uitgevoerd.

Een ander veiligheidsaspect van het nieuwe IC is dat de I2C-bus een belangrijke upgrade heeft ondergaan voor de communicatie tussen de systeemhost-CPU en de aanraakcontroller. I2C-communicatie op de aanraakcontroller maakt gebruik van twee mechanismen om de integriteit te waarborgen van alle gegevens die van en naar het apparaat worden verzonden. Het eerste mechanisme gebruikt een volgnummer. Bovendien is er voor het eerst een cyclische redundantiecontrole (CRC) aan de bus toegevoegd om te controleren of er geen datacorruptie (een bitfout) is opgetreden.

Omdat een apparaat een elektrisch lawaaierige omgeving kan zijn, zorgt dit ervoor dat de coördinaten die de host ontvangt betrouwbaar zijn en niet beschadigd zijn tijdens het transport. Omdat er een volgnummer is toegevoegd aan de I2C-berichten, kan de host nu elke keer dat coördinaten naar de host worden verzonden, bepalen of hij een datapakket of pakketten heeft gemist en passende actie ondernemen. Met internetverbinding kan de host zelfs worden geprogrammeerd om de mobiele telefoon of smartwatch van de gebruiker op de hoogte te stellen van een probleem, zelfs als de gebruiker niet thuis is.

Zoals eerder opgemerkt, is met standaard klasse B-veiligheidstests extra intelligentie toegevoegd aan de aanraakcontroller om periodieke zelf- en sensordiagnostische functies mogelijk te maken om de integriteit van het aanraaksubsysteem constant te bewaken. Deze slimme diagnostische functies ondersteunen een configureerbare hartslag ("keep alive") signaaluitvoer die naar de host kan worden verzonden met behulp van een algemene IO (GPIO) uitvoertrigger.

Een laatste veiligheidsitem. Omdat functionele veiligheid al is gekwalificeerd in de touchscreen-veiligheidschip, wordt het kwalificatieproces op systeemniveau van de gebruiker aanzienlijk vereenvoudigd, omdat er geen aanvullende software op de host-CPU hoeft te worden geschreven om de veiligheid van het touchscreen te beheren. Dit zou fabrikanten van apparaten aanzienlijk moeten motiveren om deze nieuwe mogelijkheid te onderzoeken en te implementeren.

Veiligheid wasruimte

De touchscreen-controller van klasse B kan andere veiligheidssituaties buiten de keuken aan. De NFPA stelt bijvoorbeeld dat Amerikaanse brandweerkorpsen elk jaar naar schatting gemiddeld 15.970 woningbranden waarbij wasdrogers of wasmachines betrokken waren, reageerden. Hoewel er verschillende oorzaken zijn voor deze branden, zou het ontwerp voor veiligheid een aanzienlijke deuk moeten hebben in het totale aantal.

In de wasruimte zijn er klasse B-eisen voor wasmachines. Wasapparatuur met snelle motoren, vooral voorladers, heeft een vergrendelingsmechanisme zodat de deur niet per ongeluk opengaat terwijl de machine in werking is. Het autolocking-mechanisme is een elektromechanisch apparaat dat ervoor zorgt dat wanneer de machine wordt ingeschakeld, de veiligheidsfunctie wordt geactiveerd. Als het vergrendelingsmechanisme wordt bestuurd door een touchscreen, kunnen een afzonderlijke knop, microcontroller en sensor worden geëlimineerd.

Met de handmatige overbrugging van de deurontgrendeling kunnen items worden toegevoegd of verwijderd nadat de wasmachine of droger is gestart en moet deze ook aan de veiligheid voldoen. Dit is momenteel de wet voor wasapparatuur in de VS en Europa, waar klasse B-certificering vereist is. Het nieuwe alternatief zet alles op het touchscreen - en het geldt voor wasmachines en drogers vanwege de verwarmingsaspecten. Ook bij voorladers moet het systeem worden afgetapt voordat de deur wordt geopend om overstromingen te voorkomen. Omdat het een aspect van hun leven is waar ze enige controle over kunnen uitoefenen, maken mensen zich steeds meer zorgen over veiligheid.

Hoewel een specifieke regio de Klasse B-certificering voor een specifiek product kan vereisen, zal een fabrikant van een apparaat, zodra hij aan die vereiste voldoet, het product met die functionaliteit/mogelijkheid in andere regio's van de wereld verkopen en de touchscreen-veiligheidsfunctionaliteit promoten als een concurrentievoordeel. Dit is in het verleden zeer effectief gebleken. De aanpak maakt een wereldwijd model mogelijk voor Europa, Amerika en de rest van de wereld, zodat de fabrikant maar één type apparaat van die klasse hoeft te maken.

Naar veiligere apparaten

Het ontwerp en de ontwikkeling van de door de klant geïnitieerde klasse B touchscreen-controller, geïnitieerd door input van toonaangevende leveranciers van apparaten, duurde enkele manjaren om van concept tot realiteit te komen. Tijdens het hele proces kreeg het feedback van klanten om de klasse B-mogelijkheden te verfijnen. Hoewel het zeker een functie is die leveranciers willen aanbieden en klanten willen hebben van hoogwaardige apparaten, overwegen sommige fabrikanten van apparaten al klasse B-veiligheid voor ontwerpen op instapniveau, aangezien alle klanten het hoogste niveau van veiligheid verdienen dat beschikbaar is.

Zodra fabrikanten van apparaten bekend zijn met deze nieuwe mogelijkheid, de bijbehorende kostenbesparing en een apparaat of apparaten hebben gecertificeerd om te voldoen aan de klasse B-norm, kunnen ze overwegen de techniek toe te passen op machines/apparaten waar het niet verplicht is om een ​​marketingvoordeel te behalen en merkdifferentiatie voor een hele reeks veiligheidsbewuste apparaten voor veiligheidsbewuste consumenten. Voor een veilige aansluiting van apparaten op mensen, is de Klasse B touchscreen-controller een veilige keuze voor ovens, fornuizen, wasmachines en drogers, evenals vaatwassers, koelkasten, combimagnetron/convectieovens en zelfs afzuigkappen.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.