Законодательство «неосязаемых материй»
День 1 января 1996 года ознаменовал собой завершение этапа в истории Европейского Экономического Сообщества (ЕЭС). Это был последний день почти четырехлетнего переходного периода внедрения Директивы ЭМС, включающей обширный набор стандартов и норм, разработанных для сведения к минимуму проблем электромагнитной совместимости (ЭМС). В рамки законодательства попали изделия, производимые, продаваемые или устанавливаемые в странах Европейского Сообщества.
Директива призвана поставить в достаточно жесткие рамки проблемы, связанные с одним из явлений, которое не дано нам в ощущениях, но играет все более заметную роль в жизни современной цивилизации. Это явление — окружающее нас электромагнитное поле, а проблема — его негативное воздействие на различные устройства. Актуальность проблемы вызвана тем, что конфликты в работе токопроводящих элементов, приборов, оборудования и сетей все чаще возникают в результате взаимодействия электромагнитных полей, которые они создают.
Проблема влияния электромагнитных полей на человека осталась за рамками данного законодательства. Однако следует отметить то, что допустимые уровни излучений определялись, исходя из обеспечения приемлемых условий работы и проживания. С этой точки зрения наиболее жесткие ограничения введены для устройств, работающих в жилых помещениях.
О перечне продукции, попадающей под юрисдикцию данного законодательства можно судить уже по тому, что понимается под электромагнитной совместимостью:
…ситуация, возникающая, когда элемент, система или сеть воздействует на окружающее электромагнитное поле или подвергается его воздействию…
Практически это означает, что требованиям стандартов по ЭМС должны отвечать активное оборудование и системы, не говоря уже об устройствах, которые излучают энергию (мобильные телефоны, стартеры, реле, пускатели и т.д.).
Относится ли директива ЭМС к кабельным системам?
Применимость законодательства к производству и поставкам активных электрических и электронных устройств достаточно четко определена. Что касается владения, эксплуатации, и модификаций кабельных систем, соединяющих различные устройства, ситуация не столь очевидна.
Элементы кабельных систем, взятые отдельно, не излучают и не подвергаются воздействию внешних полей. Это выводит их за рамки законодательства по ЭМС. К тому же их можно приобретать в различное время и у разных производителей. Следовательно, невозможно четко определить ответственность производителей. Однако элементы, собранные в качестве среды передачи, создают систему, которая излучает сама и подвергается воздействию внешних полей. Какова же роль кабельных систем? Директива ЭМС оперирует более широким понятием — установка.
Установка: объединенные между собой блоки оборудования или системы, собранные в заданном месте для выполнения определенных функций, но не предназначенные для рыночного тиражирования в качестве единого функционального блока.
Согласно данному определению кабельная система является одним из «строительных блоков» установки. Функция системы — передача электрических сигналов. Кабельная система это функциональный блок сети. Она объединяет различные элементы активного оборудования в единственном заданном месте и всякий раз уникальным образом, то есть имеет признаки установки.
Итак, кабельная система, соединяющая активные устройства, способна как излучать, так и подвергаться воздействию излучений. Таким образом, кабельная система должна соответствовать требованием Директивы ЭМС. Более того, структурированные кабельные системы, построенные по международным и национальным стандартам, должны обеспечить срок эксплуатации, превышающий десять лет. За это время могут появиться новые приложения, которые не были предусмотрены при проектировании и монтаже кабельной системы.
Рост скорости передачи данных, расширение частотного и динамического диапазонов приводит к повышению уровня излучений. Это делает еще более актуальной проблему влияния Директивы ЭМС как на структурированные кабельные системы, так и на существующее и разрабатываемое активное оборудование.
Что определяют стандарты по ЭМС?
Два положения согласованных стандартов служат в качестве критерия при оценке излучений и характеристик электромагнитной устойчивости для всего электронного оборудования, кроме специально оговоренных условий. Стандарты EN50081-1 и EN50081-2 регламентируют допустимые уровни излучений. Стандарты EN50082-1 EN50082-2 освещают вопросы устойчивости к воздействию излучений.
Первая часть документов разработана для жилых и коммерческих условий, а также отраслей легкой промышленности. Обозначается цифрой 1, следующей в номере стандарта после дефиса. Вторая часть (с цифрой 2) — для тяжелой промышленности.
Стандарты для элементов, систем и сетей описываются в двух соответствующих документах — ITE prEN55024 «Оборудование для информационных технологий» и ITE EN55022 «Пределы и методы измерений характеристик радиочастотных воздействий на оборудование информационных технологий». Эти документы дополняют часть разделов Директивы ЭМС.
Требования Директивы ЭМС для электромагнитных излучений направлены на ограничение воздействия элементов, систем или сетей при их нормальном функционировании на электромагнитные условия окружающей среды. Примером, иллюстрирующим необходимость ограничения излучений, является влияние мобильных телефонов на работу радио- и телевизионных приемников, компьютеров или сетей передачи данных.
Стандарты, определяющие требования по электромагнитной устойчивости, предусматривают три вида воздействий.
- радиочастотные излучения;
- электростатический разряд (ЭСР), возникающий при наличии разности потенциалов напряжения, вызываемых трением, воздействием электронных пучков (монитор компьютера, экран телевизора);
- скачки напряжения, появляющиеся в результате электропроводимости и наводок.
Иными словами, определены требования по допустимым уровням электромагнитных излучений, возникающих в электрических силовых и информационных цепях, электростатических разрядов и подведенных и наведенных напряжений, которые не должны выводить элемент, систему или сеть из строя.
Применительно к локальным сетям, в которых используются высокоскоростные протоколы передачи данных, внешние электромагнитные поля могут вызвать целый ряд проблем. Они также классифицируются Директивой ЭМС. Актуальными для сетей являются ухудшение работы приложений, потеря данных, полный отказ сетевых или абонентских программ и приложений, выход оборудования из строя. В реальных условиях это может иметь разные последствия — от необходимости ограничения длины базовых линий и каналов для уменьшения расстояний передачи данных, до убытков, вызванных повреждением оборудования, отказами приложений, сбоями сети.
Кабельные системы поставлены в более жесткие рамки и с точки зрения ограничения уровней собственных излучений. Такие ограничения не случайны. Они призваны устранить потенциальную угрозу здоровью людей, возникающую в результате длительного воздействия радиоизлучений от кабелей, проложенных в офисных помещениях. Сотрудники современных офисов находятся в непосредственной близости и окружены такими «антеннами» практически со всех сторон.
Директива принята законодательными органами всех стран Сообщества и является обязательной для производителей, интеграторов и даже пользователей. В США действует аналогичное законодательство, разработанное Федеральной комиссией связи.
Кто «отвечает» за электромагнитную совместимость?
Безусловно, от производителей требуется, чтобы их сетевое оборудование соответствовало стандартам, установленным Директивой ЭМС. Однако ответственность за работу сети и ее соответствие Директиве, возлагается, в конечном счете, на системного интегратора.
Проектировщик / системный интегратор отвечает за соответствие электромагнитных параметров каждой части сети, введенной в эксплуатацию. С этой целью он должен удостовериться в том, что активное оборудование может быть использовано для работы с кабельной системой, а кабельная система, в свою очередь, допускает применение соответствующего оборудования.
Ответственность владельца сети является самой широкой — правильный выбор тех или иных производителей и интеграторов. В соответствии с правилами Европейского Сообщества (ЕС), за нарушение стандартов предусмотрено наказание. Оно может выражаться в крупных штрафах, тюремном заключении или запрете на продажи изделия.
Соответствуют ли директиве ЭМС существующие сети?
Если вы планируете выжать максимум возможностей из сети Ethernet, работающей со скоростью 10 Мб/с, проблемы излучения и вопросы совместимости будут, вероятно, волновать вас в наименьшей степени. Скорее сначала вы столкнетесь с жалобами пользователей на низкую производительность сети и требованиями обеспечить им работу более скоростных приложений. Но, если вы относитесь к большинству сетевых профессионалов, которые сейчас или вскоре будут устанавливать или эксплуатировать сети, поддерживающие высокоскоростные протоколы, учет стандартов, определяющих уровни излучений и влияния помех, будет таким же важным для успешного монтажа системы, как выбор качественных сетевых карт.
В этом случае для вас важно знать какая кабельная система будет соответствовать требованиям Директивы ЭМС и в какой степени.
Учитывая это, компания ITT Network Systems & Services, Великобритания, (далее ITT NS&S) организовала проведение независимой лабораторией серии тестов, которые включали сравнение показателей электромагнитной совместимости экранированной структурированной кабельной системы ISCS (ITT SCS — произносится «айсис») и кабельных систем, построенных на кабелях из неэкранированных витых пар (НВП) категории 5.
Обе системы проверялись на обеспечение работы двух высокоскоростных протоколов передачи данных: АТМ155 (режим асинхронной передачи данных со скоростью 155 Мбит/с) и 100BASE-TX (стандарт Fast Ethernet 100 Mбит/с). Результаты тестов и выводы о соответствии экранированных и неэкранированных систем директиве ЭMC приведены ниже.
Сравнение неэкранированных и экранированных систем
Первый из тестов, при котором сравнивались неэкранированные и экранированные СКС категории 5, был проведен в мае 1995 года лабораторией NAMAS. Это организация, аккредитованная для проведения испытаний элементов и систем на ЭМС. Во время измерений проверялось соответствие систем требованиям электромагнитной устойчивости Директивы ЭМС при использовании стандартного высокоскоростного протокола передачи данных ATM 155 Мб/с.
Устойчивость к воздействию радиоизлучений
Для АТМ 155
Чтобы сымитировать конфигурацию, использующую высокоскоростное приложение, была установлена компьютерная сеть на базе ОС Windows NT. Сеть включала концентратор (ATM Fore Systems ASX200) и два персональных компьютера (Compaq Deskpro 486/66s) с установленными сетевыми картами (Fore Systems ESA 200 PC EISA 155,52 Мб/с) и совместимыми сетевыми драйверами.
Эталонный ПК был подключен к концентратору только соединительным кабелем длиной пять метров, находящимся вне зоны излучений. Второй ПК служил в качестве контрольного и был подключен с помощью канала длиной 100 м (90-метровым линейным кабелем плюс двумя соединительными кабелями по 5 метров каждый). Канал помещался в специально оборудованную, комнату, где создавалась заданная напряженность поля. Таким образом, проверялось влияние радиоизлучений и скачков напряжения на функционирование СКС. Контрольный ПК позволял оценивать работу приложения без влияния электромагнитных полей.
Следует отметить, что проведение таких испытаний возможно только в специально оборудованных и хорошо оснащенных лабораториях. Для того, чтобы создать электромагнитное поле заданной величины, надо решить две основные проблемы.
Первое — обеспечить отсутствие внешних помех. Для этого все оборудование и все кабели помещаются в надежно экранированную и хорошо заземленную комнату. Более того, испытательные лаборатории выносят, как правило, в сельскую местность, удаленную, насколько это возможно, от всех действующих и потенциальных источников помех.
Второе — обеспечить отсутствие отражений электромагнитных волн внутри комнаты. Это достигается установкой на стены, потолок и пол радиопоглощающего материала, выполненного в виде вытянутых пирамид.
Стандарт, определяющий методику измерений (EN 61000-4-3: 1996), допускают частичную эхоизоляцию. При этом радиопоглощающее покрытие может не устанавливаться на полу камеры.
Все измерения проводились в полностью экранированной эхопоглощающей комнате. В зоне излучений помещалось активное оборудование, соединенное кабельным каналом. Практически это означает, что в зоне воздействия излучений находился функциональный элемент сети.
Рис. 1. Схема испытаний канала СКС на электромагнитную устойчивость для ATM 155.
Во время теста на устойчивость к воздействию радиочастотных полей экранированная и неэкранированная системы подвергались облучению сигналом в пяти последовательных полосах частот в диапазоне от 27 МГц до 500 МГц.
Для проведения каждого из сеансов измерений пользователи обменивались видео файлами Microsoft Video for Windows через сеть, включающую неэкранированный канал категории 5. Затем все измерения повторялись для экранированного канала категории 5 системы ISCS.
В то время, когда каждая конфигурация проверялась на соответствие критериям Директивы ЭМС для радиочастотных полей и переходных процессов, видеоклипы визуально контролировались на предмет ухудшения качества и инструментально — по ряду параметров, характеризующих потери производительности.
Целостность данных определялась подсчетом ошибок на каждом порту и отслеживанием количества ячеек, переданных с ошибками. Уровень электромагнитных излучений составлял 3 вольта на метр. Директива ЭМС определяет данный уровень в качестве нормативного для коммерческих помещений.
При тестировании по наиболее строгому критерию А норм EN50082-1 неэкранированная система категории 5 давала сбои, что соответствует результату «не прошла», в каждом диапазоне частот. Экранированный канал категории 5, прошел тесты в каждом диапазоне частот с нулевым количеством ошибок. Данные по числу ошибок на одну ячейку для сетей НВП и ЭВП, представлены ниже на Рис.1.
График 1. Удельный коэффициент ошибок экранированной и неэкранированной систем при работе протокола ATM 155 в условиях внешних помех
BIP — the number of Section BIP-8 (Bit Interleaved Parity) errors; Line BIP- the number of Line BIP-24 errors; Line FEBE the number of far end block errors in the line; Path BIP the number of Path BIP-8 errors; Path FEBE the number of far end block errors in 4-bit path status;
Ошибки передачи байтов (BIP) и блоков (FEBE) выявлялись путем сравнения значений контрольных взаимосвязанных битов (одного или нескольких) с расчетными суммами соответствующих битов и блоков.
Что это означает на практике? Наводки в несколько вольт на метр — это реальный уровень излучений в офисной среде (работа радиотелефонов, систем микросотовой связи, радиоудлинителей). Радиотелефон, например, вызывает наводки в близ расположенных кабелях до 10 в/м, радар — до 100 в/м, силовые линии электропередач — до 10 Кв/м.
Что происходит с сетью и как это воспринимают пользователи? При получении пакетов данных с ошибками сетевое оборудование производит их повторную передачу. Нагрузка в сети и время доставки сообщений увеличиваются. Приложения, передающие данные в режиме реального времени, начинают работать с задержками. При увеличении ошибок сетевые программы дают сбой. Если учесть произвольный характер возникновения внешних шумов, поиск причин проблем и отказа сети может оказаться сложным и дорогостоящим, особенно если версия внешних шумов не отрабатывается.
Ком пания ITT NS&S организовала многочисленные измерения систем разных производителей, проведенные различными лабораториями в США, Англии и Дании. Ни одна из неэкранированных систем не обеспечила «иммунитет» от электромагнитных помех для напряженности поля, определенного Директивой ЭВП в 3 вольта на метр. В то же время системы, использующие экранированные и фольгированные кабели, нормально работали до уровня наводок в 8–10 вольт на метр.
Напряженность поля в 10 вольт на метр определяется Директивой как нормативная при работе системы в промышленной среде. В результате испытаний, проведенных осенью 1997 года, экранированная система ISCS компании ITT NS&S продемонстрировала «иммунитет» класса А к напряженности поля в 15 вольт на метр, а экранированная система ISCS GIGAPATH — второе поколение ISCS — 25 вольт на метр.
и для Fast Ethernet
Во второй серии тестов исследовалось, как экранированная система ISCS и неэкранированная система категории 5 поддерживают протокол 100BASE-TX (Fast Ethernet) в условиях воздействия радиочастотных полей, определенных стандартами.
В первом и втором тестах измерялись электрические наводки в каждой из пар кабеля под воздействием радиоизлучения. Для измерения наводок кабели, находящиеся в зоне радиочастотных полей, подключались через волновые адаптеры (согласующие трансформаторы). Всего 10 метров кабеля было проложено в защищенной от помех эхопоглощающей камере и подвергалось воздействию наводок.
Рис. 2. Схема испытаний канала СКС на электромагнитную устойчивость для Fast Ethernet.
Конфигурация:
- первый и второй тесты: осциллограф (О) — согласующий трансформатор (СТ) — СКС — согласующий трансформатор (СТ);
- третий и четвертый тесты: контрольный ПК — СКС — концентратор.
Контрольная часть кабеля экранированного кабеля системы ISCS была подвергнута воздействию радиочастотных полей напряженностью 3 В/м и 10 В/м в диапазоне частот от 30 МГц до 200 МГц, Контрольный отрезок неэкранированного кабеля категории 5 испытывался в более «щадящем режиме» как по уровню напряжения, так и диапазону частот — только 3 В/м в полосе от 30 МГц до 128 МГц.
В третьем и четвертом тестах кабель был проложен от концентратора 100BASE-TX (Grant Junction) через экранированную эхопоглощающую камеру к персональному компьютеру (Hewlett-Packard 486/66) с сетевой интерфейсной картой (Grant Junction 100BASE-TX). Изолированные от внешних излучений сегменты кабеля длиной 10 метров были подвергнуты воздействию полей такой же напряженности, что и в первых двух тестах.
Были получены два существенных результата. Во-первых, напряжение наводок в неэкранированном кабеле категории 5 оказалось большим, чем в экранированной системе ISCS, даже при намного меньшей напряженности радиочастотного поля. Из этого следует, что устойчивость неэкранированных сетей к воздействию радиочастот, гораздо ниже, чем у экранированных. (см. рис.2)).
Во-вторых, при отсутствии сетевого трафика, концентратор сети, выполненной на НВП, показал на некоторых частотах загрузку сети более 80-ти процентов: уровень шума был достаточен, для того, чтобы привести к нарушению целостности данных и вызвать другие проблемы.
График 2. Уровни наведенных напряженностей поля в витых парах неэкранированной и экранированной систем
На графике 2 приведены результаты измерений, характеризующие относительную устойчивость экранированной (ISCS) и неэкранированной систем к воздействию внешних наводок. Как видно из графика, наибольший уровень наводок был зафиксирован на контактах 3 и 6, то есть на 3-й паре. Это объясняется тем, что проводники данной пары монтируются на коннекторах не на соседние контакты, а с внешней стороны контактов 4 и 5 первой пары. В результате баланс третьей пары оказывается наихудшим, а наводки, соответственно, наибольшими.
Уровень наводок в неэкранированной системе при напряженности поля 3 В/м оказался в 5 — 10 раз выше, чем в экранированной системе.
Метод передачи сигналов MLT-3 применяемый в сетях 100BASE-TX (и TP-PMD), предусматривает трехуровневое кодирование, что позволяет передавать данные со скоростью 100 Мбит/с на более низких частотах. При этом на частотах выше 60 МГц уровень сигналов очень мал, однако важен для восстановления формы сигнала. Чтобы высокоскоростной протокол мог работать корректно при наличии помех, приемник должен обеспечивать усиление сигнала на частотах выше 60 МГц. Однако даже при наличии внешних помех на частоте свыше 100 МГц неэкранированная система не прошла тест. При этом отмечалось увеличение коэффициента ошибок на шесть порядков и снижение скорости передачи данных на два порядка. Система ISCS прошла тесты критерию А для напряженностей поля офисной и промышленной среды.
Устойчивость к перепадам напряжения
Вторая серия измерений была организована для определения устойчивости к перепадам напряжения по критерию В нормы EN50082-1. Директива ЭМС предусматривает, что элемент / система / установка должны противостоять перепадам напряжения как системы питания, так и системы сигнализации (то есть, кабельной системы).
Методика испытаний предусматривает два варианта подачи импульсов напряжения — электрическое соединение и емкостная наводка. Первым методом проверяются силовые, а вторым — информационные кабели. Напряжение ±1000 вольт,создаваемое генератором импульсов, последовательно подводили к силовому кабелю монитора контрольного ПК, силовому кабелю системного блока контрольного ПК и силовому кабелю концентратора ATM. Воздействие на силовые кабели осуществлялось серией импульсов в течение одной минуты.
Во втором тесте исследовались влияние скачков напряжения в силовой сети на информационные кабели. В этой серии тестов напряжение ±500 В от генератора импульсов подавалось в течение одной минуты методом емкостной наводки на информационный кабель. Емкостной зажим длиной 0,3 метра закрывали поверх изоляции кабеля на расстоянии 1 метр от концентратора ATM и, затем, на таком же расстоянии от контрольного ПК.
В обоих случаях количественно измерялись параметры передачи данных по кабельному каналу, который оценивался по критерию B.
Тесты на неэкранированной системе категории 5 показали отрицательный результат во всех диапазонах, кроме одного. Канал на неэкранированной витой паре прошел тест, когда импульсы наведенного напряжения были поданы на информационный кабель возле контрольного ПК. Во всех остальных испытаниях неэкранированная система давала сбой.
Конфигурация с экранированной системы ISCS выдержала все элементы теста на устойчивость к воздействию скачков напряжения.
Заключение
Почему так много различий между двумя кабельными системами?
Краткий ответ заключается в следующем: электрическая балансировка для уменьшения излучения и улучшения характеристик устойчивости неэкранированных кабелей категории 5 оказывается недостаточной при передаче сигнала на высоких частотах.
Теоретически, оптимальная балансировка кабелей привела бы уменьшению восприимчивости к влиянию электромагнитных полей и радиочастотных излучений. Устойчивость к нежелательным шумовым сигналам действительно имеет место, когда «сбалансированный» сигнал достигает приемника. Однако, она ни в коем случае не является совершенной, так как почти невозможно изготовить оптимально сбалансированный кабель в производственных условиях.
Кроме того, деформации кабелей при монтаже и оснащение их разъемами неблагоприятно воздействуют на общую сбалансированность системы. Добавьте к этому тот факт, что средний передатчик не может в общем случае сформировать сигнал, имеющий балансировку лучше, чем 50 дБ.
Качество балансировки сигналов активным оборудованием вообще находится вне контроля изготовителей кабельной продукции. При этом аргументы в пользу обеспечения ЭМС путем одной лишь балансировки становятся неубедительными. Собственная несбалансированность сигналов влияет на уровень параметра «сигнал / шум», который необходимо обеспечить для работы соответствующих протоколов, уменьшая, таким образом, максимально допустимую длину каналов и увеличивая вероятность возрастания числа ошибок, вызывающих проблемы передачи данных.
Сторонники обеспечения электромагнитной совместимости путем улучшения баланса кабельных каналов часто приводят аргумент против экранирования кабелей. Он сводится к плохому заземлению в российских условиях. При этом, однако, не учитывается тот факт, что высокочастотная энергия рассеивается благодаря наличию «массы». Это значит, что электрическое соединение дренажного провода или оплетки экрана кабеля на «массу» распределительных панелей и коммутационных шкафов снижает общий потенциал пропорционально разности масс.
Заземление необходимо для того, чтобы отвести потенциал напряжения с панелей и шкафов в землю. Проблема заключается лишь в том, что при заземлении канала в двух точках одновременно (на панели и на розетке) трудно обеспечить эквипотенциальность «земли». Производители экранированных систем успешно преодолевают данное «препятствие» без дополнительных затрат для заказчиков.
Другие решения кабельных систем, построенных, например, на базе защищенных кабелей компании IBM или технологии индивидуального экранирования каналов компании ITT NS&S, существенно улучшают балансировку и обеспечивают экранирование от внешних полей. Такие системы намного более эффективны в предотвращении сбоев приложений, потери данных и других проблем, являющихся следствием воздействия электромагнитных полей.
Технология экранирования электропроводящих кабелей предлагает системным интеграторам и владельцам сетей надежную защиту от внешних электромагнитных помех, наведенных и подведенных перепадов напряжений.
Автор: Воловодов А.А., ООО «Эколан Тек».
Сокращенный вариант статьи опубликован в журнале «Сети и системы связи» №12-1997
(www.ccc.ru/magazine/depot/97_12/read.html?0104.htm)