Mejora de la seguridad de los electrodomésticos con las normas IEC

Este artículo explora el estándar IEC 60730 Clase B para seguridad funcional para abordar el diseño mecánico y eléctrico de los electrodomésticos. Conozca lo que implica el estándar y los controladores para ayudar a cumplir con estos estándares.

Numerosos electrodomésticos simplifican las actividades diarias o periódicas en el hogar y ayudan a los usuarios a realizarlas de manera constante y con un estrés mínimo. Cuando funcionan correctamente, son geniales. Sin embargo, si ocurre una falla, algunos electrodomésticos pueden volverse bastante inseguros y causar problemas importantes, incluidos incendios.

Para garantizar que la seguridad esté diseñada en los electrodomésticos, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) creó el estándar IEC 60730 Clase B para seguridad funcional para abordar el diseño mecánico y eléctrico que Underwriters Laboratories también ha aprobado. Para brindar una experiencia de usuario más segura para estufas y estufas, así como equipos de lavandería y más, se ha diseñado un nuevo circuito integrado de pantalla táctil (IC) con seguridad funcional incorporada que ha sido certificado para cumplir con este estándar.

Prevención de problemas graves con los electrodomésticos

La Asociación Nacional de Prevención de Incendios (NFPA, por sus siglas en inglés), una organización internacional sin fines de lucro, en su informe de investigación NFPA indica que las estufas o estufas estuvieron involucradas en el 62% de los incendios de cocina casera reportados. De hecho, el informe identifica específicamente, "La cocina desatendida fue la principal causa de incendios y víctimas en la cocina".

Además, según la investigación de la NFPA, las cocinas o estufas son la principal causa (46%) de muertes causadas por equipos de cocina entre 2013 y 2017. Otra fuente, la Administración de Incendios de EE. UU. (USFA), que forma parte del Departamento de Emergencias Federales del Departamento de Seguridad Nacional de EE. UU. Management Agency (FEMA), informa datos más recientes de 2018 (solo para los EE. UU.), Pero todavía tiene la cocina como la principal causa de incendios residenciales, consulte la Figura 1.

Figura 1. Cocinar fue la principal causa de incendios en edificios residenciales que resultaron en lesiones en los EE. UU. En 2018. Fuente:Administración de Incendios de EE. UU.

Desde que se introdujo el Sistema Nacional de Notificación de Incidentes de Incendios (NFIRS) de la USFA en 1999, los incendios registrados en las cocinas caseras han aumentado de manera constante, a pesar de los importantes avances técnicos que se han logrado en muchas otras áreas. Claramente, abordar los aspectos de seguridad de las estufas y estufas debería ser un objetivo de los fabricantes de electrodomésticos para ayudar a reducir estos números.

Normas de seguridad para la seguridad funcional de los electrodomésticos

Reconociendo la necesidad de seguridad incorporada en los electrodomésticos, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) desarrolló IEC 60730-1 que se aplica a los controles eléctricos automáticos "para uso en, sobre o en asociación con equipos para uso doméstico y similares". Si bien se publicó inicialmente en 1986, el documento ha tenido actualizaciones y enmiendas periódicas y la más reciente ocurrió en abril de 2020. Underwriters Laboratories (UL) también ha puesto su sello de aprobación en la norma.

La razón fundamental detrás de la seguridad funcional es que todos los sistemas electrónicos y mecánicos finalmente fallarán. Dado que las fallas no se pueden diseñar, lo mejor es asegurarse de que cuando algo falla, falla de manera segura. Se identifican tres clases de seguridad en IEC / UL 60730 con Clase A para aquellos productos en los que no se debe confiar en los aspectos de seguridad y Clase C para aquellos que están destinados a prevenir peligros especiales.

Entre estos, la clasificación IEC / UL 60730 Clase B o simplemente Clase B incluye los principales electrodomésticos, como cocinas / estufas, lavadoras, secadoras, lavavajillas, refrigeradores y congeladores. La clase B se refiere al software y la función de control destinados a prevenir peligros si ocurre una falla en el aparato. Se aplica a cortes térmicos, cerraduras automáticas de puertas y otras funciones que detienen el funcionamiento de los electrodomésticos de cocina y lavandería si surgen condiciones inseguras. Tanto en EE. UU. Como en Europa, la certificación de Clase B ahora es obligatoria en todos los aparatos de cocina con función de autolimpieza y en el equipo de lavandería para los controles asociados con los mecanismos de bloqueo automático de las puertas.

Enfoque de seguridad de los dispositivos existentes

Para abordar los problemas de seguridad en los electrodomésticos tanto en la cocina como en el lavadero, las soluciones históricas se basaron en el microcontrolador (MCU) que se interconectaba con botones, controles deslizantes y ruedas, ya fueran mecánicos o capacitivos. La MCU tenía una biblioteca de software para monitorear la seguridad y salud de los botones táctiles capacitivos. Hoy en día, para cumplir con estos estándares, los electrodomésticos utilizan pantallas táctiles capacitivas con un botón táctil capacitivo separado controlado por una MCU separada con una biblioteca de seguridad.

Algunos botones que forman parte de la interfaz de usuario son particularmente críticos para permitir un funcionamiento seguro del electrodoméstico y evitar peligros como incendios en el hogar. Por ejemplo, los aparatos de cocina con función de autolimpieza que se envían a América o Europa deben admitir la operación de dos toques de encendido y de un toque del modo de autolimpieza. Es importante tener en cuenta que los hornos autolimpiantes alcanzan temperaturas peligrosamente altas de 900oF (500oC). Los elementos almacenados en el horno pueden incendiarse durante este modo, por lo que IEC / UL 60730 Clase B exige que los electrodomésticos con esta función admitan la operación de encendido con dos toques y de apagado con un toque.

El motivo de este requisito es que se utiliza un segundo toque para activar el modo de autolimpieza para animar al usuario a que vuelva a comprobar que el modo de autolimpieza puede iniciarse de forma segura. Con un solo toque, por ejemplo, después de que el usuario huele humo, el botón de detener o cancelar se usa para finalizar este modo. El funcionamiento seguro del botón de parada es fundamental para la seguridad del usuario. Como resultado, el botón debe funcionar de manera confiable y precisa en todos los entornos. Se pueden evitar incendios peligrosos ayudando a finalizar el modo de autolimpieza lo más rápido posible sin múltiples interacciones táctiles.

Monitorear el único periférico analógico es bastante sencillo y fácil de realizar por la MCU. El periférico monitorea algunos botones que están multiplexados juntos. Un periférico puede escanear una serie de botones. Si bien esta funcionalidad está integrada en el microcontrolador, el fabricante del aparato aún tiene que desarrollar y calificar la función de seguridad y es responsable de hacerlo.

Un nuevo enfoque para la seguridad de los electrodomésticos

Aunque la seguridad funcional se ha implementado en los electrodomésticos durante muchos años, ahora existe una opción para satisfacer este requisito aplicando los principios de seguridad clásicos a una interfaz de pantalla táctil moderna. A medida que las pantallas táctiles se implementan o actualizan, esta es una forma ideal de diseñar en la certificación de Clase B.

La familia de controladores maXTouch ATMXT336UD-MAUHA1 con sus características únicas relacionadas con la seguridad elimina la necesidad de un botón separado, por lo que el apagado ahora se puede lograr con un botón "suave" en cualquier parte de la pantalla táctil. Si bien la capacidad de eliminar el botón y reducir el costo y mantener la funcionalidad requerida debería ser un incentivo suficiente para los fabricantes de electrodomésticos, la interfaz simplificada también debería ser más atractiva para los usuarios. El enfoque integrado es simple e intuitivo. También es más conveniente, ya que elimina el desorden y el costo de los botones separados. Quizás aún más importante, la función de apagado se puede modificar en el lenguaje natural del usuario para la globalización. Vea la Figura 2.

Figura 2. Al colocar la función de parada de emergencia en la pantalla táctil, el fabricante del aparato puede permitir que el usuario seleccione el idioma con el que se sienta más cómodo para la función de parada.

El detector de humo fue pionero en la seguridad en el hogar hace décadas. A diferencia del detector de humo, la pantalla táctil de seguridad funcional de Clase B puede alertar y actuar. Realiza estas funciones proactivas antes de detectar humo o algo en el medio ambiente sin requerir interacción humana.

Veamos un ejemplo de un problema de seguridad que la pantalla táctil de Clase B puede resolver sin involucrar al cocinero. Si una olla pesada se deja caer accidentalmente sobre una estufa caliente con quemadores inductivos, en muchos casos, el vidrio grueso protegería los quemadores, pero el sensor táctil de óxido de indio y estaño (ITO) que se encuentra debajo es más frágil y podría romperse. Esta rotura podría causar una pérdida de la funcionalidad táctil localizada en una determinada región de la pantalla táctil o, lo que es peor, todo el sensor podría fallar.

El controlador con Clase B monitorea, en tiempo real, la salud del sensor táctil automáticamente. En segundo plano, cuando el sensor no está buscando toques, el IC escanea el sensor táctil en busca de diferentes tipos de fallas. Tan pronto como se detecta una falla, como una grieta en el sensor de la pantalla táctil, el controlador notifica a la unidad central de procesamiento (CPU) para que pueda apagar los quemadores automáticamente. Esto ocurrirá sin necesidad de intervención humana, lo que proporcionará un funcionamiento a prueba de fallos.

Si bien este tipo de funcionalidad ha sido posible anteriormente, el host tuvo que activar o sondear el IC de la pantalla táctil para obtener una entrada. Ahora, el IC realiza esta función por sí mismo y envía los mensajes al host cada vez que ocurre un problema. Un mensaje de bus I2C especial o un pin IO de propósito general (GPIO) en el IC vinculado a un pin de interrupción en la CPU del host del sistema proporciona automáticamente la alerta para iniciar un apagado. Las funciones de seguridad integradas y autoactuables proporcionan los medios para prevenir algunas de las condiciones que podrían provocar un incendio en la cocina. Vea la Figura 3.

Figura 3. En una aplicación de dispositivo típica, el controlador de pantalla táctil de clase B se conecta fácilmente a una CPU host.

Para aprobar la certificación de Clase B, el IC de pantalla táctil realiza varias pruebas de seguridad funcional. Una de las pruebas clave es la prueba de memoria. El IC de pantalla táctil tiene una pequeña cantidad de RAM y memoria Flash, suficiente para realizar las funciones requeridas en la aplicación. En un entorno integrado, el sistema cerrado no ejecuta ningún código de cliente. Para cumplir con la certificación de Clase B, existen reglas que determinan la frecuencia con la que se deben ejecutar las pruebas de memoria. Por ejemplo, una serie de 1 andantes y ceros andantes se ejecutan en segundo plano como una prueba de patrón para comprobar si hay fallas de RAM en el IC. Vea la Figura 4.

Figura 4. Una prueba de 1s andantes para una memoria de 8 bits verifica secuencialmente cada bit.

El proceso comienza probando la RAM libre, validando que sea buena. Dado que la mayor parte de la pequeña cantidad de memoria está llena de datos, una parte del código de la aplicación se mueve a la parte probada para liberar otra parte y probarla. El proceso continúa hasta que se prueba toda la RAM. Esta mezcla del código de la aplicación, mientras se está ejecutando, permite probar toda la memoria con pruebas secuenciales.

La gestión de esta prueba por sí sola es un proceso razonablemente complejo y todo es parte del circuito integrado de clase B que informa simultáneamente eventos de toque de varios dedos en tiempo real. A más de 60 Hz, 60 veces por segundo, el IC informa toques al host mientras prueba la RAM y prueba el sensor en segundo plano. Se realizan pruebas similares para probar las celdas de memoria de almacenamiento de código de programa flash no volátil.

Es necesario probar los registros de la CPU en el controlador para asegurarse de que funcionan correctamente. Esto se logra leyendo y guardando el valor actual del registro de la CPU y almacenando los datos en otro registro que no se está probando. Luego, el registro de la CPU se alterna para asegurarse de que se mantenga la nueva configuración. Después de esto, se restauran los valores iniciales. Esto verifica para asegurarse de que los registros de la CPU se puedan configurar y restablecer correctamente a los valores correctos.

Las pruebas de reloj interno aseguran que los relojes estén funcionando correctamente. Hay varios árboles de reloj dentro del IC y las pruebas confirman que se están dividiendo y funcionando correctamente. Esta no es una lista exhaustiva de pruebas, pero proporciona una idea de los tipos de pruebas que realiza el CI.

Otro aspecto de seguridad del nuevo IC es que el bus I2C ha tenido una actualización importante para las comunicaciones entre la CPU del host del sistema y el controlador táctil. Las comunicaciones I2C en el controlador táctil utilizan dos mecanismos para garantizar la integridad de los datos enviados hacia y desde el dispositivo. El primer mecanismo usa un número de secuencia. Además, por primera vez, se agregó una verificación de redundancia cíclica (CRC) al bus para verificar que no se hayan producido daños en los datos (un error de bits).

Debido a que un dispositivo puede ser un entorno eléctricamente ruidoso, esto asegura que las coordenadas que recibe el host sean confiables y no se hayan corrompido durante el transporte. Además, dado que se ha agregado un número de secuencia a los mensajes I2C, ahora, cada vez que se envían coordenadas al host, el host puede determinar si se perdió un paquete o paquetes de datos y tomar la acción apropiada. Con la conectividad a Internet, el anfitrión podría incluso programarse para notificar un problema al teléfono celular o al reloj inteligente del usuario, incluso si el usuario no está en casa.

Como se mencionó anteriormente, con las pruebas de seguridad estándar de Clase B, se ha agregado inteligencia adicional al controlador táctil para permitir funciones periódicas de autodiagnóstico y de sensor para monitorear constantemente la integridad del subsistema táctil. Estas funciones de diagnóstico inteligente admiten una salida de señal de latido configurable ("mantener vivo") que se puede enviar al host mediante un disparador de salida de E / S de propósito general (GPIO).

Un último elemento de seguridad. Con la seguridad funcional ya calificada en el chip de seguridad de la pantalla táctil, el proceso de calificación a nivel del sistema del usuario se simplifica enormemente, ya que no es necesario escribir software adicional en la CPU del host para administrar la seguridad de la pantalla táctil. Esto debería proporcionar una motivación significativa a los fabricantes de electrodomésticos para investigar e implementar esta nueva capacidad.

Seguridad en la lavandería

El controlador de pantalla táctil de clase B puede manejar otras situaciones de seguridad fuera de la cocina. Por ejemplo, la NFPA establece que los departamentos de bomberos de EE. UU. Respondieron a un promedio estimado de 15.970 incendios de estructuras de viviendas que involucran secadoras de ropa o lavadoras cada año. Si bien hay una variedad de causas para estos incendios, el diseño para la seguridad debería hacer una mella significativa en el número total.

En la lavandería, existen requisitos de Clase B para lavadoras. El equipo de lavandería con motores de alta velocidad, especialmente las máquinas de carga frontal, tiene un mecanismo de bloqueo para que la puerta no se abra inadvertidamente mientras la máquina está en funcionamiento. El mecanismo de bloqueo automático es un dispositivo electromecánico que garantiza que cuando se enciende la máquina, se activa la función de seguridad. Si el mecanismo de bloqueo está controlado por una pantalla táctil, entonces se podría eliminar un botón, un microcontrolador y un sensor separados.

La anulación de desbloqueo manual de la puerta permite agregar o quitar elementos después de que la lavadora o secadora haya comenzado, y también debe cumplir con las normas de seguridad. Esta es actualmente la ley para los electrodomésticos de lavandería en los EE. UU. Y Europa, donde se requiere la certificación de Clase B. La nueva alternativa pone todo en la pantalla táctil, y se aplica a lavadoras y secadoras debido a los aspectos de calefacción. Además, en las lavadoras de carga frontal, es necesario drenar el sistema antes de abrir la puerta para evitar inundaciones. Dado que es un aspecto de su vida sobre el que pueden ejercer cierto control, las personas se preocupan cada vez más por la seguridad.

Si bien una región específica puede requerir la certificación de Clase B en un producto específico, una vez que un fabricante de electrodomésticos cumpla con ese requisito, venderá el producto con esa funcionalidad / capacidad en otras regiones del mundo y promoverá la funcionalidad de seguridad de la pantalla táctil como una ventaja competitiva. Esto ha demostrado ser muy eficaz en el pasado. El enfoque permite un modelo global para Europa, América y el resto del mundo, por lo que el fabricante solo tiene que fabricar un tipo de ese tipo de aparato.

Hacia dispositivos más seguros

Iniciado por las aportaciones de los principales proveedores de electrodomésticos, el diseño y el desarrollo del controlador de pantalla táctil Clase B iniciado por el cliente tomó varios años-hombre para llevarlo del concepto a la realidad. Recibió comentarios de los clientes durante todo el proceso para ajustar las capacidades de Clase B. Si bien ciertamente es una característica que los proveedores querrán ofrecer y los clientes querrán tener en electrodomésticos de alta gama, algunos fabricantes de electrodomésticos ya están considerando la seguridad de Clase B para diseños de nivel de entrada, ya que todos los clientes merecen el más alto nivel de seguridad disponible.

Una vez que los fabricantes de electrodomésticos estén familiarizados con esta nueva capacidad, su reducción de costos asociada y hayan certificado un electrodoméstico o electrodomésticos para cumplir con el estándar de Clase B, pueden considerar aplicar la técnica a máquinas / electrodomésticos donde no es obligatorio obtener una ventaja de marketing. y diferenciación de marca para una línea completa de electrodomésticos conscientes de la seguridad para consumidores preocupados por la seguridad. Para conectar de manera segura los electrodomésticos a los humanos, el controlador de pantalla táctil de Clase B es una opción segura para hornos, estufas, lavadoras y secadoras, así como también para lavavajillas, refrigeradores, combos de horno de microondas / convección e incluso campanas extractoras de cocina.

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