Compatibilità elettromagnetica negli ambienti industriali: verifiche e normative

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La necessità di coesistenza di un sempre maggior numero di apparecchiature elettriche ed elettroniche in ogni ambiente impone la stretta verifica della compatibilità elettromagnetica, che impone il rispetto di norme internazionali e locali

Negli ambienti industriali, dove macchinari eterogenei basati su apparecchiature elettriche ed elettroniche lavorano incessantemente per produrre beni di qualunque tipo, la compatibilità elettromagnetica (EMC, ElectroMagnetic Compatibility) rappresenta un pilastro fondamentale per garantire la sicurezza operativa, la continuità produttiva e la protezione degli investimenti industriali.

Interferenze e compatibilità elettromagnetica

Per loro natura, qualunque tipo di apparato elettrico o elettronico, dal più semplice cavetto al più potente computer, genera delle interferenze elettromagnetiche (EMI, ElectroMagnetic Interference) che possono influenzare componenti, circuiti e sistemi elettrici ed elettronici che si trovano nelle vicinanze. Il concetto di compatibilità elettromagnetica si riferisce alla capacità di dispositivi, impianti e sistemi di funzionare in modo efficace nel loro ambiente, dove sono presenti emissioni elettromagnetiche, senza causare interferenze dannose ad altri dispositivi o sistemi. Nei contesti industriali, dove una vasta gamma di attrezzature elettriche ed elettroniche coesiste e interagisce, la mancanza di adeguata compatibilità elettromagnetica può comportare problemi significativi. Le interferenze elettromagnetiche possono influenzare negativamente il funzionamento delle apparecchiature, causare malfunzionamenti o addirittura danneggiare equipaggiamenti critici. Inoltre, tali interferenze possono rappresentare un rischio per la sicurezza degli operatori e dei lavoratori presenti negli ambienti industriali. L’obiettivo principale da perseguire per la compatibilità elettromagnetica è quello di ottenere un efficace bilanciamento tra livello delle emissioni e immunità delle apparecchiature alle interferenze elettromagnetiche. In altre parole, un dispositivo non deve emettere onde elettromagnetiche oltre un certo limite, per non disturbare l’ambiente circostante. Ma lo stesso dispositivo deve anche essere sufficientemente schermato da non essere suscettibile alle interferenze che provengono dall’esterno. Tale equilibrio viene raggiunto attraverso un rigoroso processo di progettazione e verifica, adeguandosi ai severi standard internazionali che regolano i livelli permessi di emissioni potenzialmente interferenti in ogni contesto operativo.

Emissioni condotte ed emissioni irradiate

Le emissioni elettromagnetiche possono manifestarsi in due forme principali: condotte e irradiate. Le emissioni condotte si riferiscono alle interferenze propagate attraverso cavi di alimentazione o di segnale, mentre le emissioni irradiate sono quelle che si diffondono nell’ambiente circostante sotto forma di onde elettromagnetiche propagantesi nello spazio. Le emissioni condotte sono spesso associate a disturbi su linee di alimentazione e segnali di comunicazione, mentre le emissioni irradiate possono interferire con dispositivi elettronici sensibili anche a distanza.

Misura delle emissioni condotte

La misura delle emissioni condotte è un passo cruciale nella valutazione della compatibilità elettromagnetica di un sistema o di un’apparecchiatura industriale. Questo processo coinvolge l’utilizzo di strumenti specializzati, come analizzatori di spettro e sonde di corrente, per monitorare e registrare le interferenze elettromagnetiche che si propagano attraverso i cavi di alimentazione e di segnale. I risultati di tali misure forniscono informazioni preziose sul livello di compatibilità elettromagnetica di un dispositivo o di un sistema, e possono guidare l’introduzione di correzioni e miglioramenti, come ad esempio l’inserimento di opportuni filtri nei circuiti o l’installazione di elementi schermanti. Le prove sulle emissioni condotte hanno l’obiettivo di individuare tutte le criticità di natura elettromagnetica che un apparato in prova presenta dal punto di vista della quantità di disturbo radio che immette sulla rete pubblica di alimentazione, sempre ai fini di ridurre al minimo gli eventuali danni apportati ad altri apparati installati sulla medesima rete elettrica. Il test viene eseguito alimentando il dispositivo in prova tramite un’apposita rete di accoppiamento, chiamata Lisn (Line Impedence Stabilization Network) o AMN (Artificial Mains Network), tramite la quale uno strumento di misura, tipicamente un analizzatore di spettro o un ricevitore di misura EMI, rivela il livello di segnale elettromagnetico emesso dall’apparato direttamente sul cavo di alimentazione (figura 1). Lo strumento riporta nel dominio della frequenza il livello delle emissioni rilevate, che non devono superare i limiti imposti dalle normative applicabili, che variano a seconda delle applicazioni. Per le emissioni condotte, le norme più diffuse specificano i limiti di emissione nella banda di frequenza che si estende dai 9 kHz ai 30 MHz.

Misura delle emissioni irradiate

Analogamente alle emissioni condotte, la misura delle emissioni irradiate è essenziale per valutare l’EMC di un sistema industriale. Questo processo coinvolge l’uso di strumenti come le sonde di campo e gli analizzatori di spettro o ricevitori di segnale, per rilevare e quantificare le onde elettromagnetiche presenti nell’ambiente circostante. Le prove sulle emissioni irradiate avvengono tipicamente all’interno di una camera semianecoica, che isola l’ambiente di misura dove viene posto il dispositivo da verificare dalle influenze dell’ambiente elettromagnetico esterno (figura 2). Il dispositivo in prova viene posto su una tavola rotante, in quanto le norme specificano che le emissioni vadano valutate secondo diversi orientamenti dell’oggetto. A seconda della banda di frequenza da verificare, si utilizzano diverse tipologie di antenna per captare le emissioni irradiate dal dispositivo in prova durante il suo funzionamento. Le frequenze tipiche su cui si verificano le emissione irradiate partono tipicamente dai 9 kHz e possono arrivare fino alle decine o centinaia di GHz a seconda delle norme applicabili. Poiché le verifiche di conformità sui segnali irradiati richiedono molteplici misure, variando frequenza, orientamento del dispositivo e altri parametri, tipicamente viene utilizzato un sistema di controllo automatico che coordina l’intero processo e consolida i dati delle emissioni rilevate.

Normative applicabili nell’industria

Nell’ambito industriale, esistono numerose normative e standard che regolamentano l’EMC e stabiliscono i requisiti minimi per la sicurezza elettromagnetica. Tra le più rilevanti si possono citare le direttive EMC dell’Unione Europea e le norme internazionali come la serie IEC 61000. Queste normative definiscono i limiti di emissione elettromagnetica consentiti per le apparecchiature industriali e stabiliscono procedure per la valutazione della conformità alle regolamentazioni vigenti. Nella figura 3 è riportata una tabella sintetica di alcune classi di norme applicabili secondo il tipo di applicazione. La Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) pubblica norme internazionali basate sul consenso tecnico e gestisce sistemi di valutazione della conformità per prodotti, sistemi e servizi elettrici ed elettronici. Le pubblicazioni IEC servono come base per la definizione di norme nazionali e come riferimento nella redazione di gare d’appalto e contratti internazionali. Il Comitato Speciale Internazionale sulle Interferenze Radio (Cispr) stabilisce le norme per la protezione della ricezione radio da interferenze da parte di apparecchi e sistemi elettrici o elettronici in ambiente elettromagnetico e fa parte della IEC. Le norme Cispr sono quelle più diffuse in ambito commerciale per definire come si debbano eseguire le prove sulle emissioni condotte e irradiate e vengono prese come riferimento per la maggior parte delle regolamentazioni applicabili al settore industriale e commerciale (figure 4 e 5). Le Direttiva 2014/30/CE sulla Compatibilità Elettromagnetica dell’Unione Europea è stata recepita in Italia dal D.Lgs 80/2016 e ha l’obiettivo di assicurare che le apparecchiature elettriche non impediscano il corretto funzionamento di altre apparecchiature e delle reti di telecomunicazione e di erogazione dell’energia elettrica, e che tali apparecchiature abbiano un adeguato livello di immunità contro le perturbazioni elettromagnetiche. Le norme armonizzate di prodotto o famiglia di prodotti definiscono i limiti delle emissioni (di tipo condotto o irradiato) e i livelli di immunità a svariati fenomeni elettromagnetici di particolari prodotti o famiglie di prodotti. Le norme armonizzate generiche definiscono i limiti delle immissioni e i livelli di immunità per tutti quei prodotti cui non è applicabile nessuna norma di prodotto o famiglia di prodotti, mentre le norme armonizzate di base definiscono per ogni tipologia di prova la metodologia, le caratteristiche della strumentazione di prova e la configurazione di base della prova. Tra le svariate norme armonizzate a titolo esemplificativo vi sono la EN 55011, che tratta gli apparecchi a radiofrequenza industriali, scientifici e medicali (ISM), la EN 61000-6-2 e 4, che tratta di immunità ed emissione per gli ambienti industriali e la EN 55032, che tratta la compatibilità elettromagnetica delle apparecchiature multimediali.

I laboratori di certificazione

I laboratori di certificazione svolgono un ruolo chiave nel processo di valutazione della compatibilità elettromagnetica delle apparecchiature industriali. Questi laboratori sono dotati di strutture e strumentazione specializzate per condurre test accurati e affidabili sulle emissioni condotte e irradiate. I risultati dei test vengono poi utilizzati per certificare la conformità di un dispositivo o di un sistema alle normative di sicurezza elettromagnetica applicabili. Un ruolo complementare lo svolgono i progettisti delle apparecchiature elettroniche, che sin dalla prime fasi di sviluppo devono pensare alla compatibilità elettromagnetica dei loro prodotti. In questo contesto si parla di prove di pre-conformità, facendo riferimento a procedure di test semplificate, effettuate con l’utilizzo di sonde di campo e analizzatori di spettro, che guidano gli sviluppatori durante l’attività di realizzazione dei prototipi per identificare tempestivamente le sorgenti problematiche di interferenza elettromagnetica. Le prove di pre-conformità sono propedeutiche a quelle di conformità vera e propria, che devono poi essere necessariamente effettuate da un laboratorio certificato sul prodotto finito.

Aggiornamento 2024 delle norme Cispr 11

La nuova edizione delle norme Cispr 11, pubblicata il 13 febbraio 2024, introduce importanti novità per i produttori di apparecchiature ISM (Industrial-Scientific-Medical) rispetto alla versione precedente datata 2016 e ai suoi successivi emendamenti del 2017 e 2021. Una delle principali innovazioni riguarda le emissioni condotte, che estende i controlli ai cavi di rete cablata (LAN), un aspetto precedentemente non considerato. Ancora più significativa è l’estensione della gamma di frequenza per le emissioni irradiate, cui il limite superiore per numerosi prodotti passa da 1 a 6 GHz, con la frequenza massima determinata dalla frequenza di lavoro dei circuiti interni. La nuova versione della norma introduce anche delle specifiche dettagliate per le prove su robot industriali, chiarendo le modalità di funzionamento e posizionamento durante i test. Inoltre, per gli apparecchi ISM con funzionalità radio integrate, come wi-fi e Bluetooth, la nuova edizione richiede di eseguire i test sulle emissioni condotte su cavi di antenna di lunghezza superiore ai 3 metri, con riferimento alla norma Cispr 32 per le metodologie di test.

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