Update vanuit EMC-normencommissies
Namens de vereniging volg ik wat er gebeurt binnen NEC EMC en zo nu en dan bericht ik jullie daarover. Ik moet bekennen dat een groot deel van de normen, die daar behandeld worden, soms wat ver van mijn bed staan, omdat ze meestal over meetmethoden gaan van EMC-metingen in laboratoria. Vanuit mijn werkgever RH Marine & Bakker Sliedrecht ben ik ook betrokken bij normalisatie, maar dan binnen NEC 18. NEC 18 houdt zich bezig met elektrische installaties aan boord van schepen en op verplaatsbare en vaste eenheden te water. Graag zou ik wat ervaringen vanuit deze werkgroep met jullie delen.
RH Marine en Bakker Sliedrecht zijn bedrijven die elektrische installaties leveren en automatiseringsprojecten doen aan boord van schepen. Mijn interesse ligt dus wat meer op het grensvlak van EMC en de installaties die ik aan boord tegenkom. Gelukkig is daar ook ruimte voor binnen normalisatie en vandaar dat ik Nederland vertegenwoordig vanuit NEC 18 in diverse internationale werkgroepen en voorzitter ben van MT21. Deze laatste is een internationale werkgroep die zich bezighoudt met het schrijven en onderhouden van EMC-normen in de maritieme sector en onderdeel uitmaakt van het IEC (International Electrotechnical Commission).
De grootste uitdaging waar ik tegenaanloop is dat vanuit internationale verdragen apparatuur gebruikt moet worden die aan specifieke maritieme EMC-normen moet voldoen, zoals de IEC 60533. Het probleem is dat deze apparatuur vaak niet beschikbaar is op de markt. Op zich logisch, wanneer je je bedenkt dat een groot schip vergelijkbaar kan zijn met een dorp met alle faciliteiten en infrastructuur. Apparatuur die je op land tegenkomt heb je daar ook nodig, maar het marktsegment voor, om maar iets te noemen maritieme koffiezetmachines, is dusdanig klein dat een koffiezetmachine producent geen aparte producten ontwerpt voor de maritieme sector.
Het voorstel wat ik nu samen met mijn commissieleden aan het uitwerken ben in de IEC 60533, is om van apparatuureisen over te stappen naar systeemeisen, van een ‘rule based’ aanpak naar een ‘risk based’ of ‘goal based’ aanpak. In de huidige versie van de IEC 60533 worden heel specifieke EMC-eisen gesteld aan elk apparaat wat aan boord gebracht wordt (rule based). Deze EMC-eisen wijken terecht dusdanig af van de eisen die aan apparatuur die op het land gebruikt wordt, vanwege de afwijkende doelen die behaald moet worden, dat er een vervangende set EMC testen gedaan moeten worden. Afhankelijk waar het apparaat aan boord geplaatst wordt, bijvoorbeeld dicht bij de antennes of juist onder in het schip, zijn de eisen vaak te zwaar, maar soms ook niet zwaar genoeg waardoor er toch nog verstoringen optreden. Vandaar dat we in de nieuwe aanpak eisen willen stellen op systeemniveau (risk/ goal based) zoals: kan mijn radio-ontvanger zwakke signalen ontvangen; wordt mijn systeem verstoord door een portofoon; haalt mijn computernetwerk de gespecificeerde snelheid? Hoe de toekomstige gebruiker, van de in ontwikkeling zijnde IEC 60533, dat bereikt doet er vanuit de norm niet meer toe. Dat kan zijn door toch apparatuur te vinden die aan die specifieke maritieme EMC-eisen voldoet, die overigens in de norm blijven staan; door slimme afschermende maatregelen te nemen tijdens de installatie van de apparatuur; of door een combinatie van beiden: kritisch kijken aan welke EMC-normen apparatuur voldoet en een beperkt aantal installatiemaatregelen nemen. Hieronder wil ik een paar uitdagingen benoemen waar we nu tegen aanlopen.
Radio-ontvangst aan boord van schepen is essentieel omdat bijvoorbeeld SOS oproepen, die via de radio binnenkomen, goed te ontvangen. Ook als een schip in nood wat verder weg is, en de radiosignalen zwak zijn, wil je deze kunnen ontvangen, dus mogen ze niet overstemd worden door stoorsignalen die aan boord gegenereerd worden. Dit klinkt als een eenvoudige eis, maar hoe maak je dit meetbaar? Daarvoor hebben we een tweeledige aanpak gekozen. Sommige apparatuur, zoals bijvoorbeeld navigatieverlichting, die dicht bij de antenne geplaatst wordt, wordt specifiek voor de maritieme omgeving ontworpen en wordt dus ook logischerwijs tegen maritieme EMC normen getest. Voor producenten van maritieme apparatuur hebben we zones aan boord gedefinieerd en hoe dichter een zone bij de antenne ligt, des te strenger zullen de emissielimieten zijn waar de antenne gevoelig voor is. De test wordt uitgevoerd in een anechoïsche ruimte, met de standaard instellingen voor meetapparatuur (CISPR 16). Veel andere generieke apparatuur wordt niet volgens deze normen getest en kan bijvoorbeeld in een gesloten metalen behuizing geplaatst worden, of ver weg van de antenne om de radio-ontvangst zeker te stellen. Echter, dan moet er wel gecontroleerd worden of die maatregelen effectief zijn. Daarvoor wordt in de ontwerpnorm geëist dat er een meting wordt uitgevoerd via de antenne die aan boord geïnstalleerd is, met de bandbreedte die door het systeem gebruikt wordt. Dit laatste kan een uitdaging zijn, want deze bandbreedtes wijken af van de standaard meetbandbreedtes gedefinieerd door IEC / CISPR en niet ieder meetapparaat zal hier mee om kunnen gaan. Verder is de vraag welke limieten moeten er gehanteerd worden. Iedere limiet boven de gevoeligheid van de radio-ontvanger kan betekenen dat een noodoproep, die wel te ontvangen had kunnen zijn, overstemd wordt door stoorsignalen. Aan de andere kant, de gevoeligheid van radio-ontvangers ligt vaak onder het niveau van de natuurlijke achtergrondstraling, welke door de tijd heen varieert, dus hoe doe je een dergelijke meting? Een compleet schip past niet in een anechoïsche ruimte. De uitdaging die we binnen de werkgroep hebben, is een limiet te definiëren die net boven de achtergrondstraling ligt, maar niet te ver.
Aan boord worden vaak portofoons gebruikt, die op hun maximale zendvermogen staan, om ervoor te zorgen dat ze met al dat staal aan boord toch nog enige bereik hebben. Op korte afstand, 10 tot 50 cm, kunnen deze portofoons veldsterktes genereren van 30 tot 100 V/m. Huishoudelijk apparatuur wordt getest tegen 3 V/m, zwaar industriële apparatuur tegen 10 V/m, dus eisen dat alle apparatuur aan boord tegen velden van 100 V/m over het hele frequentiespectrum kan, is niet realistisch. Vandaar dat er geëist wordt in de ontwerpnorm voor de IEC 60533 dat de risico’s op verstoring aan boord geïnventariseerd moeten worden en daar gepaste maatregelen bij te nemen. Hierbij wordt ook specifiek naar portofoons verwezen waarbij het de gedachte is te controleren of de toegepaste apparatuur tegen de veldsterktes kan, die door de portofoons die aan boord gebruikt worden, bestand zijn. Over het algemeen gaat dit gewoon goed, maar er bestaat wel een risico dat er op een laat moment in een project aanpassingen of andere apparatuur noodzakelijk zijn. Daarbij speelt ook de afweging mee of het acceptabel is dat een apparaat kortstondig faalt. Voor een koffiezetmachine is dat niet erg, voor een radarinstallatie wel.
Als laatste voorbeeld wil ik het hebben over verstoring door common modeverschijnselen, wat specifiek voor schepen een grote uitdaging is, die er in kan resulteren dat bijvoorbeeld computer netwerken hun snelheden niet halen. Vanuit het voorstel in de ontwerpnorm zou het toegestaan zijn om alleen, als het schip in bedrijf gesteld wordt, te controleren of alle signalen correct en snel genoeg overkomen. Echter het risico dat dit niet zo is, is aanzienlijk dus vandaar dat we al oplossingen in de norm willen bieden om dit risico te verkleinen. Een zeer belangrijke oorzaak van verstoorde communicatie is common mode verstoring. Common mode verstoring wordt onder andere veroorzaakt door schakelende voedingen en frequentieomvormers. Op het land kan deze verstoring gereduceerd worden door het toepassen van filters naar aarde. Echter, aan boord van veel schepen is het sterpunt van het net zwevend, met als gevolg dat het toepassen van filters met condensatoren naar aarde onwenselijk is. Hierdoor komen aan boord van schepen hoge common mode stoorniveaus voor. Deze zijn vervolgens ook nog eens lastig te kwantificeren omdat in een LISN grote condensatoren naar aarde zitten, die in een net met een zweven sterpunt de plek waar de common mode spanning tot uiting komt beïnvloeden. Daarnaast zit veel common mode verstoring in een frequentiegebied (2 kHz – 150 kHz) waarvoor er geen eisen zijn. Ook hier willen we weer een tweeledige aanpak aanbieden. Ten eerste hebben we een nieuwe meetmethode voorgesteld, zodat producenten kunnen bepalen hoeveel common mode verstoring hun apparaat genereert in een net met zwevend sterpunt. Zowel aan de primaire als aan de secundaire zijde van het apparaat wordt een in de norm gedefinieerd netwerk gehangen waarmee een sterpunt wordt gecreëerd. Dit sterpunt hangt niet aan aarde. Vervolgens wordt met een differentiaal mode probe de spanning tussen deze twee sterpunten gemeten. Op bijvoorbeeld een oscilloscoop wordt dan de verstoring per frequentieband bepaald en vervolgens vergeleken met een limiet. Deze meetmethode wijkt sterk af van de meetmethodes binnen IEC, dus hier is nog wel overleg over nodig binnen IEC. Het andere deel van de verantwoording ligt bij de installateur. Deze zal moeten aantonen dat de hoeveelheid common mode verstoring op het net niet te hoog is. Dit kan met eenzelfde netwerk om een sterpunt te creëren en vervolgens met een met een differentiaal mode probe ten opzichte van aarde te meten. Het alternatief is gelijktijdig een differentiaal mode probes tussen aarde en ieder voedingslijn te hangen en vervolgens mathematische de common mode spanning te berekenen. Aangezien er aan boord veel zaken zijn die de hoogte van deze spanning kunnen beïnvloeden, staat er nu in de ontwerpnorm geen harde limiet, maar een waarde die bij overschrijding aanleiding geeft tot een aanvullende risicoanalyse.
Het is nog lang niet zeker of, en zo ja hoe, de ideeën hierboven beschreven uiteindelijk in de norm komen en of die norm dan uiteindelijk ook nog goedgekeurd wordt. Echter het geeft wel een idee van de zaken die spelen binnen een normcommissie, nieuwe ideeën worden geopperd, er moet gecontroleerd worden of de voorstellen uitvoerbaar zijn in de praktijk en niet strijdig zijn met andere normen. Verder is er de uitdaging om andere partijen te overtuigen van nut en noodzaak van de gemaakte voorstellen en uiteindelijk tot een compromis te komen waarin eenieder zich kan vinden. Mocht u belangstelling hebben in normalisatie werk dan kunt u altijd contact met mij opnemen. Zowel als u via de vereniging het normalisatiewerk wilt volgen wat plaats vindt op ESD en/of EMC gebied of als u interesse heeft in normalisatie werk in het algemeen. Mijn contactgegevens zijn bekend bij het secretariaat.
Jan-Kees van der Ven,
Vertegenwoordiger van de Nederlandse EMC vereniging binnen NEC EMC
English (UK)