IP67 & more

W OBUDOWIE CZY SAMODZIELNIE?

Urządzenia takie jak komputery przemysłowe, panele operatorskie i moduły we/wy, które instalowane są poza szafami sterowniczymi, muszą być przystosowane do pracy w określonych, zwykle trudniejszych warunkach środowiskowych. Przykładowo te instalowane w maszynach i pojazdach specjalnych używanych m.in. w rolnictwie, budownictwie, górnictwie i transporcie, powinny być odporne na wibracje przenoszone z układu napędowego albo będące następstwem kontaktu z przeszkodami terenowymi. Wytrzymałość na drgania uzyskuje się, zabezpieczając części ruchome specjalnymi wkładkami tłumiącymi wstrząsy lub całkowicie eliminując takie komponenty, na przykład przez zastąpienie wentylatorów radiatorami.

W wypadku paneli operatorskich w pojazdach ważne jest, żeby na czytelność wyświetlacza nie miało wpływu oświetlenie zewnętrzne. By zatem dało się z nich korzystać przy silnym nasłonecznieniu, ich ekrany pokrywa się powłoką antyodblaskową. Pracę w nocy ułatwia natomiast podświetlanie monitora. Reguluje się je automatycznie, dzięki sensorowi natężenia światła zainstalowanemu w panelu. Podświetlane są też przyciski klawiatury. Ponadto wyświetlacze powleka się specjalnymi powłokami zapobiegającymi ich zaparowaniu.

IPC, HMI i moduły we/wy w maszynach oraz w pojazdach specjalnych powinny również działać bezawaryjnie w deszczu, śniegu, mgle, kurzu, zapyleniu, błocie, w razie kontaktu z chemikaliami (smarami, rozpuszczalnikami) i środkami myjącymi. Oznacza to, że muszą być przystosowane do częstego i długiego kontaktu z wodą i pyłem, ekstremalnych temperatur i ich gwałtownych zmian. To ostatnie zapewnia się, na przykład wyposażając urządzenie w dodatkowy system chłodzenia lub podgrzewania.

Odporność na wodę i pyły uzyskuje się natomiast przez wybór odpowiedniego materiału obudowy, materiału i typu jej uszczelnień oraz konstrukcję złączy. Poziom ochrony zapewnionej w ten sposób opisuje się stopniem IP.

STOPNIE OCHRONY IP ORAZ IK

Stopnie ochrony IP (International Protection Rating, Ingress Protection Rating) sklasyfikowano w dokumencie PN-EN 60529. Dotyczą one obudów, które osłaniają urządzenia elektryczne o napięciu znamionowym do 72,5 kV przed wnikaniem ciał stałych, wody, pyłu oraz bezpośrednim dotykiem części czynnych, które stwarzają zagrożenie dla obsługi (na przykład ruchomych, nieizolowanych pod napięciem). Dla maszyn wirujących analogiczną klasyfikację stopni ochrony przedstawiono w normie PN-EN 60034-5.

Kod IP składa się z dwóch cyfr. Pierwsza, z przedziału od 0 do 6, opisuje poziom zabezpieczenia przed przenikaniem do wnętrza urządzenia ciał stałych, druga, w zakresie od 0 do 9, wody. W tabelach wyjaśniamy znaczenie poszczególnych cyfr wraz z interpretacją przykładowych kodów IP.

Wcześniej do kodu IP dodawana była trzecia cyfra, która charakteryzowała odporność obudowy na uderzenia. Wraz z trzecią wersją dokumentu PN-EN 60529 zrezygnowano z tego oznakowania na rzecz kodu IK. Na dawniej wyprodukowanych urządzeniach można jednak jeszcze spotkać kod IP składający się z trzech cyfr. W normie można znaleźć wykaz energii uderzeń (wraz z odpowiadającą im masą i wysokością upadku obiektu), na które odporność symbolizuje ostatnia z nich.

Stopnie ochrony przed uderzeniami zapewnianej przez obudowy urządzeń elektrycznych opisano w normie PN-EN 50102. Podobnie jak PN-EN 60529 jej wytyczne dotyczą urządzeń, których napięcie znamionowe nie przekracza 72,5 kV. Kod IK przyjmuje wartości od 0 do 10, przy czym najniższa oznacza brak ochrony. Obudowa IK01 przyjmuje bez uszkodzenia energię uderzenia 0,15 J, tj. wytrzymuje upadek ciała o masie 200 g z wysokości 7,5 cm.

Dwucyfrowy kod IP można opcjonalnie rozszerzyć o dwie litery: dodatkową oraz uzupełniającą. Pierwsza z nich charakteryzuje stopień ograniczenia ludziom dostępu do niebezpiecznych części urządzenia. Jest to jedna z liter: A, B, C albo D. Informują one o zabezpieczeniu przed dotykiem, odpowiednio, ręką, palcem, narzędziem o średnicy powyżej 2,5 mm oraz narzędziem o grubości większej niż 1 mm. Litera uzupełniająca to z kolei: H, M, S lub W.

Pierwszą znakowane jest urządzenie, które działa pod wysokim napięciem. Druga informuje, że w czasie testów wpływu wody na pracę urządzenia jego ruchome części, na przykład wirnik, były w ruchu. Litera S z kolei oznacza, że wtedy pozostawały one nieruchome. W dodaje się, jeżeli sprzętu można używać w określonych warunkach pogodowych.

AMERYKAŃSKI ODPOWIEDNIK STOPNI OCHRONY

Wartość kodu IK06 informuje, że na obudowę, bez obawy o jej zniszczenie, można upuścić obiekt o masie 500 g z wysokości 20 cm (1 J). IK10 gwarantuje natomiast, że nieszkodliwe będzie uderzenie ciała o masie 5 kg z wysokości 40 cm (20 J). Poziom ochrony wyższy niż IK10 oznacza się kodem IK10+. Wartości odporności osłon na upadek ciała obcego według starej i nowej klasyfikacji nie można do siebie bezpośrednio odnieść.

Warto przy okazji wspomnieć o klasyfikacji obudów opracowanej przez amerykańską organizację NEMA zrzeszającą producentów urządzeń elektrycznych. Obowiązuje ona w USA, tak jak podział stopni ochrony IP w Europie i w Azji. Przewidziano kilkanaście typów osłon, w tym m.in.: 1, 2, 3, 3X, 4, 6 i 13. Pierwsze nadają się do użytku wewnętrznego i chronią urządzenie przed spadającym brudem. Obudowy typu 2 dodatkowo zabezpieczają je przed wnikaniem wody kapiącej i o małym rozprysku.

IP A NEMA

Obudowy typu NEMA 3 nadają się do użytku na zewnątrz, ponieważ chronią przed pyłem niesionym przez wiatr, deszczem i śniegiem. Są ponadto odporne na lód formujący się na ich zewnętrznej powierzchni. 3X oznacza z kolei także zabezpieczenie przed korozją. Osłony typu 4 zapewniają poziom ochrony jak te typu 3, a oprócz tego zabezpieczają urządzenie przed rozpryskującą się wodą i jej bezpośrednim strumieniem. Obudowy typu 6 gwarantują szczelność w czasie chwilowego zanurzenia. Te typu 13, przeznaczone do użytku wewnętrznego, są natomiast odporne na oleje oraz niekorozyjne chłodziwa.

Stopnie ochrony IP nie mają swoich bezpośrednich odpowiedników w typach NEMA. Można je jednak spróbować ze sobą porównać. Takie zestawienia przedstawiono w publikowanych tabelach. Warto zauważyć, przykładowo, że wymagania stawiane obudowom typu NEMA 1 przewyższają te, które powinny spełnić osłony ze stopniem ochrony IP0x, IP1x, IP2x i IPx0. Typu NEMA 2 muszą być natomiast wytrzymalsze od obudów ze stopniami ochrony, oprócz wymienionych, także IPx1 i IPx2.

Jak testuje się obudowy i urządzenia?

Testowanie stopni ochrony IP
Stopnie ochrony IP oraz IK badane są metodami zestandaryzowanymi w normach PN-EN 60529 i PN-EN 50102. W dokumentach tych opisano sprzęt używany do testów, sposób organizacji stanowiska pomiarowego oraz przebieg badania. Na przykład odporność na przenikanie ciał obcych o podanych w normie średnicach (test stopni ochrony od IP1x do IP4x) jest sprawdzana przy użyciu specjalnych próbników o określonych wymiarach: długości, średnicy i sile nacisku. Badanie stopni ochrony IP5x i IP6x, czyli pyłoodporności i pyłoszczelności obudowy, przeprowadza się w szczelnej komorze. Wytwarza się w niej pył, którego gęstość utrzymuje się na stałym poziomie.

Zabezpieczenie przed wnikaniem wody (stopnie ochrony od IPx1 do IPx6) sprawdza się, oblewając obudowę strumieniami znormalizowanymi pod kątem ciśnienia, ilości wody i prędkości przepływu przez określony w normie czas. Szczelność gwarantowaną stopniami ochrony IPx7 i IPx8 potwierdza się, zanurzając obudowę w zbiorniku na określoną w normie głębokość i czas.

Jak się sprawdza stopień ochrony IK?
W czasie testowania stopni ochrony IK obudowa musi znajdować się w takim położeniu, w jakim może być użytkowana. W związku z tym nie powinna na przykład być zawieszona swobodnie. W zamian należy ją ustawić na podłodze lub zamontować na ścianie. Sprawdzić trzeba wytrzymałość każdej powierzchni osłony, która jest narażona na uderzenie. Badać należy obszary o określonych rozmiarach, a punkty pomiarowe muszą być rozmieszczone symetrycznie.

Każdy z nich powinien być sprawdzony nie więcej niż trzy razy. Z testowania wyłączone są takie części obudów jak zamki i zawiasy. Silniej za to warto uderzyć w te elementy obudowy, które są wrażliwsze na uszkodzenia. W normie PN-EN 50102 określono też warunki klimatyczne, w jakich wolno testować obudowy (temperatura: +15... +30°C, ciśnienie powietrza: 86 kPa do 106 kPa). Ważne, aby po badaniach stopnia ochrony przed uderzeniem obudowa nadal zapewniała ten sam stopień ochrony IP.

CZYM USZCZELNIĆ OBUDOWĘ?

Stopień ochrony IP zapewnia się przede wszystkim przez właściwy dobór materiału uszczelnienia obudowy, a następnie jego dokładne dopasowanie do powierzchni stykających się części i staranne zamocowanie. Dalej przedstawiamy popularne typy oraz materiały uszczelnień.

Obudowy można zabezpieczyć przed wnikaniem ciał obcych m.in. uszczelkami w postaci pasków, wyciętymi w kształcie obrysu złączanych elementów lub wylewanymi w formie pianki na podłoże zabezpieczone przed korozją, która następnie zastyga. Pierwsze są zazwyczaj tanie, ale niestety na złączach, w rogach, szybko niszczeją.

Problem ten nie dotyczy uszczelek wylewanych - ich zaletą jest bowiem ciągłość na całym obwodzie i bardzo dobra przyczepność do podłoża. Są także tanie. Uszczelki wycinane są z kolei zwykle nieco droższe. Jeżeli chodzi o materiał, z którego zrobiona jest uszczelka, to powinien on być odporny na te same czynniki zewnętrzne, co obudowa.

Stopień ochrony IP69K

Stanowisko testowania odporności obudowy o stopniu ochrony IP69K

Rozszerzeniem klasyfikacji stopni ochrony przedstawionej w normie PN-EN 60529 jest niemiecki dokument DIN 40050-9, w którym zdefiniowano kod IP69K. Charakteryzuje on obudowy odporne na mycie strugą pod dużym ciśnieniem (80÷100 barów) oraz o wysokiej temperaturze (do +80°C).

Urządzenia tak zabezpieczone są używane m.in. w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym. W 9 części normy DIN określono także warunki testowania obudów pod kątem spełnienia wymogów ochrony typu IP69K. W trakcie badania urządzenie powinno być umieszczone na stole obrotowym obracającym się z szybkością 5 obr./min, w odległości od 100 do 150 mm od dyszy.

Ta powinna z kolei być nachylona nad obiektem testu kolejno pod kątem 0°, 30°, 60° oraz 90°. W każdym z tych położeń dysza powinna pozostać nieruchoma przez 30 s. Strumień wody musi płynąć z prędkością 14÷16 l/min.