IEC 62368-1 – nowa norma bezpieczeństwa

Nowa norma dotyczy bezpieczeństwa użytkowania elektrycznych i elektronicznych urządzeń audio, wideo, informatycznych i telekomunikacyjnych oraz maszyn biurowych, zasilanych napięciem do 600 V (znamionowe napięcie 400/690 V). Pierwsza publikacja nowej normy, oznaczonej jako IEC 62368-1, nastąpiła w 2010 roku. Podobne publikacje miały kolejno miejsce w USA (norma UL 62368-1) i Kanadzie (norma CSA 62368-1) – w obu tych krajach w 2012 roku oraz w Unii Europejskiej – jako norma EN 62368-1 w roku 2015. Bieżąca sytuacja wygląda tak, że w skali międzynarodowej obowiązuje 3. edycja normy IEC 62368-1 z 2018 roku, a na terenie Unii Europejskiej 2. edycja normy EN 62368-1:2014 opublikowanej 20.06.2015 roku.

Należy zwrócić uwagę, że omawiana norma dotyczy nie tylko wskazanych w tytule urządzeń elektrycznych i elektronicznych, lecz również elementów i podzespołów do nich przeznaczonych. Wymagania na podzespoły mogą być nawet złagodzone, jeśli tylko zbudowane urządzenie jako całość spełnia wszystkie regulacje normalizacyjne. Zakres stosowania normy IEC 62368-1 rozciąga się także na zewnętrzne systemy zasilające, wykorzystywane w objętej normą grupie urządzeń elektrycznych i elektronicznych oraz do używanych z nimi akcesoriów. Warto dodać, że norma IEC 62638-1 ma także odniesienie do bezpieczeństwa urządzeń stosowanych w systemach IoT. Natomiast ciekawym ograniczeniem zastosowania normy IEC 62368-1 jest praca urządzeń na wysokości do 2000 m.

Omawiana norma dotyczy bezpieczeństwa użytkowników dość znacznej i zróżnicowanej funkcjonalnie liczby urządzeń elektronicznych. Wymienić można zasadnicze 4 grupy:

• urządzenia elektroniczne powszechnego użytku (do zastosowań domowych) jak urządzenia audiowizualne, wzmacniacze, konsole do gier, instrumenty muzyczne,
• urządzenia informatyczne, jak serwery, routery, komputery stacjonarne i laptopy, monitory,
• urządzenia telekomunikacyjne – telefony, modemy, systemy telefoniczne,
• sprzęt biurowy – kopiarki, niszczarki.

Sposób postępowania mający na celu osiągnięcie wyrobu bezpiecznego w eksploatacji został zaproponowany w Poradniku ISO/IEC Guide 51:2014. Na jego podstawie można określić cztery kroki (etapy) realizacyjne. Zobrazowano to na rysunku 1. Najważniejsze z nich dotyczą analizy zagrożeń, których przyczyną mogą być pracujące urządzenia.

 

Rys. 1. Zalecane etapy postępowania w celu uzyskania bezpiecznego wyrobu

Koncepcja i struktura normy

Normę IEC 62368-1 opracowano w celu zapewnienia bezpieczeństwa użytkownikom i personelowi serwisowemu urządzeń elektronicznych i elektrycznych, a także bezpieczeństwa znajdującemu się w pobliżu mieniu (obiektom materialnym). Norma jest ukierunkowana na osiągnięcie pożądanych, całościowych wyników końcowych, a nie na wskazanie i opisanie sprzyjających temu wyróżnionych procesów, sposobów wytwarzania lub procedur. W oryginalnych dokumentach tego rodzaju normę określa się jako "performance oriented standard". Warto też podkreślić, że nowa norma jest zgodna z regułami systemu IECEE tzn. światowego systemu do testowania zgodności i certyfikacji podzespołów i sprzętu elektrotechnicznego (IEC System of Conformity Assessement Schemes for Electrotechnical Equipment and Components), nazywanego też w skrócie systemem certyfikacji CB.

W założeniu IEC 62368-1 bazuje na analizie zagrożeń – HBSE (Hazard-Based Safety Engineering) i jest ukierunkowana na uwzględnienie celów i zasad funkcjonowania wyrobów, niezależnie od sposobu ich wytwarzania. Zagrożenia (niebezpieczeństwo) pochodzą od rozmaitych źródeł energii w wykorzystywanych urządzeniach i stają się realne wtedy, gdy wartość (poziom) tej energii przekroczy granicę podatności właściwą dla ludzi tzn. użytkowników i obsługi urządzeń lub dla obiektów materialnych np. zainstalowanych w pobliżu urządzeń technicznych, które mogą ulec uszkodzeniu lub wręcz dewastacji. Należy mieć na uwadze istotną różnicę, jaka zachodzi między zagrożeniem (hazard) a ryzykiem (risk). Zagrożenie jest czymś, co może spowodować szkodę lub krzywdę, podczas gdy ryzyko – duże lub małe – określa prawdopodobieństwo, że takie zdarzenie wystąpi. W ogólnym modelu oddziaływania zagrożeń uwzględnia się trzy bloki logicznie powiązanych czynników: źródło energii, mechanizm przenoszenia (transferu) energii zagrożone obiekty – ludzie i mienie (sprzęt), rysunek 2.

 

Rys. 2. Model oddziaływania zagrożeń

Opracowana norma ma pomóc w identyfikacji i klasyfikacji źródeł energii, mogących stanowić zagrożenie, oraz w wyborze i właściwym zastosowaniu środków ochronnych (zabezpieczeń, safegards) przed określonymi rodzajami energii. Przewidywany rodzaj i poziom (klasę) energii powinien zadeklarować wytwórca urządzeń. Do jego zadań należy także podanie spodziewanego rodzaju (profilu) użytkowników.

Należy zwrócić uwagę, że oprócz omawianej zasadniczej normy IEC 62368-1 obejmującej wymagania bezpieczeństwa, opracowane zostały jeszcze dwa dokumenty związane bezpośrednio z tą tematyką. Są to: Raport Techniczny TR 62368-1, traktujący przedmiotową sprawę bezpieczeństwa w bardziej opisowy sposób oraz drugi dokument TR 62368-2 (IEC 62368-2) zatytułowany jako Informacje objaśniające związane z IEC 62368-1 (Part 2: Explanatory information related to IEC 62368-1). Mogą one pomóc we wdrożeniu nowych wymagań.

Porównanie norm wycofywanych z nową normą

Podejście do uzyskania bezpieczeństwa eksploatacji urządzeń, występujące w wycofywanych normach, charakteryzuje się jako nakazowe; można je ująć następująco:

• zachowanie przyjętych zasad projektowania urządzeń,
• wprowadzanie znanych rozwiązań w celu uniknięcia zagrożeń,
• uwzględnienie technologii wytwarzania urządzenia.

W związku z inną koncepcją i strukturą nowej normy, w procesie opracowania urządzenia pojawiają się odmienne rodzaje działań:

• zidentyfikowanie zagrożeń,
• skupienie się na zapobieganiu oddziaływaniom zagrożeń (bez stosowania schematycznych rozwiązań konstrukcyjnych i układowych),
• wykorzystanie różnych opcji wytwarzania.

Bliższe określenie różnic pomiędzy analizowanymi normami może być ułatwione przez porównanie ich zawartości tematycznej. W tym celu w tabeli 1 zamieszczono, ujęte skrótowo, zestawienie zakresu dwu wycofywanych norm i nowej regulacji.

Już na podstawie rozpatrzenia tego zestawienia można stwierdzić, że norma IEC 62368 nie stanowi jakiegoś prostego złożenia dwu poprzednich norm, pomimo występowania szeregu wspólnych elementów. Podstawą i zasadniczym tematem IEC 62368 jest analiza zagrożeń, a następnie wybór i wdrożenie środków ochronnych, które zapewnić mogą poprawne funkcjonowanie urządzenia i jego bezpieczne użytkowanie. Występująca pewna odmienność wymagań i wynikająca z tego potrzeba opanowania nowych metod pomiarowych potwierdzających skuteczność działań, a także konieczność zgromadzenia odpowiedniego wyposażenia aparaturowego u wytwórców urządzeń i w laboratoriach związanych z organami certyfikującymi (CB) – były przyczyną wydłużenia okresu przejściowego. Opóźnienie w czasie momentu wprowadzenia nowej normy, w porównaniu z wcześniejszymi planami, miało oczywiście na celu sprawniejsze i łatwiejsze wykonanie tego zadania.

Można jeszcze wskazać na różnice występujące we wprowadzonej terminologii. I tak, przykładowo, sieć telekomunikacyjna (telecommunications network) i kablowy system dystrybucji (cable distribution system) zostały nazwane obwodem (układem) zewnętrznym, rozumianym jako obwód elektryczny (z łącznością przewodową lub bezprzewodową) zewnętrzny w stosunku do urządzenia; napięcia w sieci telekomunikacyjnej (telecommunication network voltages TNVs – TNV-1, 2-3) zostały zastąpione przez różne klasy źródeł energii elektrycznej tzn. ES1, ES2 i ES3. Zmianie, niekiedy niewielkiej, uległo również szereg innych definicji odnoszących się do terminów związanych z napięciami i prądami, instalacjami SELV, cechami obwodów elektrycznych, kablami i obudowami, warunkami pracy układów elektrycznych itd.

Przegląd i klasyfikacja zagrożeń

W normie IEC 62368 wyodrębniono i opisano w oddzielnych rozdziałach 6 źródeł energii, które stanowić mogą zagrożenie dla bezpiecznego eksploatowania urządzeń. Zestawienie tych źródeł oraz krótkie wskazanie możliwych skutków ich oddziaływania zamieszczono w tabeli 2. Zależą one przede wszystkim od poziomu mocy i czasu aktywności źródła energii. W normie wyróżnione zostały związane z tym 3 klasy, określone dla podanych wyżej zagrożeń:

Klasa 1. Przy tym poziomie w normalnych warunkach roboczych i w określonych warunkach odbiegających od normalnych (abnormal), przy oddziaływaniu kontaktowym, użytkownik może odczuć obecność zagrożenia, ale nie doświadczy bólu lub jakiegoś obrażenia. Podobnie będzie w przypadku wystąpienia pojedynczej usterki (wady) w obrębie środków ochronnych. Nie jest też prawdopodobny zapłon łatwopalnych materiałów.

Klasa 2. Poziom (wartość) energii źródła zaliczonego do klasy 2 może spowodować u użytkowników ból (lecz nie obrażenia), a jednocześnie możliwy jest zapłon materiałów i pożar o ograniczonej wielkości i zakresie.

Klasa 3. Taka energia może spowodować obrażenia ciała ludzkiego, a w odniesieniu do materiałów i ogólnie mienia – może prowadzić do zapłonu, a dalej szybkiego powstania i rozprzestrzeniania się ognia.

Wartości graniczne zagrożeń w poszczególnych klasach dla czterech rodzajów źródeł energii zestawiono w tabeli 2. Wartości graniczne dla tych klas zagrożeń w obwodach elektrycznych prądu stałego i przemiennego przedstawione zostały w tabeli 3.

Elektryczność, a właściwie obwody elektryczne stanowią potencjalne źródła zapłonu (PIS – potential ignition sources) w urządzeniu. Może on być spowodowany przez wyładowanie łukowe, wywołane wskutek powstania jakiejś przerwy w przewodzie lub na kontaktach, gdy napięcie (stało- lub zmiennoprądowe) jest większe od 50 V oraz gdy iloczyn (UPEAK×IRMS) przekracza 15. Przy zapłonie energia elektryczna jest przekształcana w energię termiczną, a w przenoszeniu energii mogą uczestniczyć mechanizmy przewodzenia, konwekcji i promieniowania. Podobna sytuacja jest wtedy, gdy moc elektryczna zostanie rozproszona na rezystancji. Warunki tego są następujące: moc > 100 W w ciągu pierwszych 30 s, a dalej > 15 W. Zapłon, a następnie pożar będzie miał miejsce wtedy, gdy w pobliżu znajdzie się materiał łatwopalny. Z tego wynika m.in. potrzeba właściwego doboru materiału na obudowę i/lub zaprojektowanie obudowy ognioszczelnej. W normie podana jest wymagana minimalna odległość pomiędzy obudową a umiejscowieniem potencjalnego źródła pożaru: 13 mm w przypadku wyładowania łukowego i 5 mm dla źródła rezystancyjnego.

Warto też jeszcze wspomnieć o zagrożeniu ze strony różnych substancji chemicznych, które mogą być trujące i oddziaływać na układ oddechowy, oczy i skórę przy dotyku. Jako źródła zagrożeń mogą występować, przykładowo, elektrolity w ogniwach elektrochemicznych, różne kwasy i zasady, metale ciężkie, ozon w dużym stężeniu, a także materiały wybuchowe.

Przy rozpatrywaniu zagrożenia pochodzącego od promieniowania bierze się pod uwagę promieniowanie: laserowe, widzialne (np. od lamp i diod LED), ultrafioletowe, podczerwone, rentgenowskie oraz energię przenoszoną przez fale akustyczne, stanowiącą niebezpieczeństwo dla słuchu przy zbyt dużym nagłośnieniu.

Użytkownicy urządzeń

Co się tyczy użytkowników i obsługi, to w normie ustalono 3 rodzaje (kategorie) osób:

• Grupa zwykłych osób (ordinary persons), do której zalicza się użytkowników urządzeń, osoby mające dostęp do urządzeń oraz te, które mogą być obecne w ich sąsiedztwie (osoby postronne); oddzielnie rozpatrzeć należy możliwość dostępu do urządzeń przez dzieci. Dodatkowo trzeba wspomnieć, że osoby z tej grupy nie są przygotowane do rozpoznania zagrożeń i analizowania sytuacji pod tym kątem.
  
  
• Grupa osób przeszkolonych (instructed persons), do której zalicza się osoby przeszkolone fachowo lub takie, które są nadzorowane przez doświadczony personel i są zdolne rozpoznać drugą lub wyższą klasę zagrożeń, a także podjąć odpowiednie przeciwdziałania i zadbać o ochronę własną.
  
  
• Grupa osób z doświadczeniem (skilled persons), do której zalicza się osoby przeszkolone i z doświadczeniem w użytkowaniu danego sprzętu, posiadające umiejętność rozpoznania różnych zagrożeń, będące w stanie wprowadzać nowe środki ochronne i potrafiące zadbać o ochronę własną przed przypadkowymi zagrożeniami.

Te kategorie użytkowników urządzeń powinny być zwłaszcza brane pod uwagę przy przewidywaniu wysokich poziomów energii źródeł zagrożeń, a także przy doborze odpowiednich środków ochronnych.

Przegląd środków ochronnych

Środki ochronne (zabezpieczające), ang. safeguards, ze względu na swe istotne znaczenie w zapewnieniu bezpieczeństwa użytkowania urządzeń elektronicznych, zajmują dużo miejsca w treści normy IEC 62368.

Zalicza się do nich przyrządy i komponenty (np. kondensatory, transformatory, optoizolatory), obwody (układy) i systemy – umieszczane (instalowane) pomiędzy źródłem energii a przestrzenią z ludźmi i jakimś mieniem (innymi urządzeniami, sprzętem), stanowiącymi obiekty zagrożone. Te zagrożone obiekty reprezentują, według angielskiej wersji normy, stronę człowieka (stronę ciała ludzkiego) – body part. Przeznaczeniem środków ochronnych jest zmniejszenie prawdopodobieństwa i wielkości transferu energii do tych zagrożonych obiektów, a więc przede wszystkim do ludzi – użytkowników urządzeń. Do środków ochronnych (zabezpieczających) zalicza się również właściwe zachowanie się ludzi tzn. fachowe (profesjonalne) postępowanie użytkowników, którzy potrzebne umiejętności nabyli na drodze szkolenia lub którzy są kierowani przez doświadczony personel.

W normie wyróżnione zostały trzy typy środków ochronnych: podstawowe (basic), uzupełniające (supplementary) oraz wzmocnione (reinforced). W praktycznym użyciu można jeszcze spotkać podwójne (zdwojone) środki ochronne, zawierające zarówno środki podstawowe, jak i dodatkowe. Zasady wykorzystania środków ochronnych zestawione zostały w tabeli 5.

Jeszcze o nowej normie

 

Rys. 3. Diagram działań przy analizie zagrożeń HBSE

Kluczowymi problemami, wokół których powstała norma IEC 62368-1, jest identyfikacja źródeł energii w danym urządzeniu i analiza stwarzanych przez nie zagrożeń oraz dobór skutecznych środków ochronnych dla użytkowników urządzenia. Uwzględnienie tych problemów jest konieczne w procesie projektowania i przygotowania produkcji urządzeń elektrycznych i elektronicznych, których dotyczy omawiana norma. Wynikające stąd zadania i ich wzajemne powiązanie przedstawiono w formie diagramu działań na rysunku 3. Realizacja tych zadań wymaga wzięcia pod uwagę funkcji urządzenia i określenia rodzaju i klasy źródeł energii, warunków środowiskowych i warunków roboczych dla urządzenia, kategorii użytkowników, rodzaju zastosowanych środków ochronnych i in. W części przypadków celowość przyjęcia określonych rozwiązań i osiągnięcie spodziewanych wyników powinno być potwierdzone odpowiednimi badaniami doświadczalnymi.

Przyjęta w normie ocena bezpieczeństwa na podstawie rozpatrzenia różnych źródeł energii, mogących stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa użytkowników urządzenia, oraz zastosowania odpowiednich środków ochronnych sprawiają, że ten sposób podejścia ma stosunkowo ogólny charakter i może być przydatny do kontroli bezpieczeństwa w przypadku wielu grup urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Sprzyja to także szybszemu wprowadzaniu ulepszeń i nowych rozwiązań konstrukcyjno-technologicznych. Znalazło to swoje odzwierciedlenie w ogólnie pozytywnym przyjęciu normy w środowisku zawodowym i zaplanowanym jej prawie równoczesnym wdrożeniu do praktyki w większości zaawansowanych technologicznie krajów świata: w USA, Kanadzie, Japonii, Chinach, Korei Południowej, Australii, Nowej Zelandii i na terenie UE. Przewiduje się, że w kolejnym wydaniu poszerzony zostanie zakres obowiązywania przez włączenie do regulacji takich urządzeń jak tablety, smartfony, drukarki 3D, różne urządzenia elektroniki noszonej, zasilacze itd. Można zatem przyjąć, że zarówno sama koncepcja, jak i pełne opracowanie całej normy sprzyjać będzie dalszemu rozwojowi technicznemu urządzeń, zwłaszcza elektronicznych.

Jerzy F. Kołodziejski