Итак: надежность начинается не с красивой платы и вау-фич, а с честного разговора о том, где и как устройство будет работать.
Если быть до конца честными, даже мы иногда попадались в эту ловушку, несмотря на немалый опыт в разработке. Дальше я бы хотел рассказать про некоторые практические ситуации, с которыми мы сталкивались, и на этих примерах показать, почему "несущественные" и неинтересные детали лучше обсуждать как можно раньше и вместе с разработчиком. Мы со своей стороны гарантируем большое количество уточняющих вопросов на всех этапах разработки. По сути, я хочу сказать, что заказчик и исполнитель - это на самом деле одна большая команда по разработке устройства/продукта.
Начать логично с того, что обычно кажется самым очевидным и поэтому часто недооценивается: с физической среды вокруг устройства.
Солнце, воздух и вода - наши лучшие друзья
Интересный факт, что некоторые платы продолжат работать, даже если погрузить их в емкость с обычной водой. Если чистые платы помещать в дистиллят, то процент работающих плат будет еще выше.
И вот что еще не всегда очевидно: влага опасна не только как непосредственный залив электроники водой, а очень часто как незаметный конденсат, мокрая пыль, пленка загрязнений, влажные контакты. Чаще всего проблемы вызывает долгосрочная коррозия из-за влаги и грязи, особенно если эффект усиливается образованием гальванической пары в местах контактов. Коррозия часто дает не полный отказ, а плавающие симптомы: то работает, то нет. Первыми, как правило, страдают контакты, разъемы, клеммы, открытые участки платы, датчики. На фото плата одного из проектов, в котором мы участвовали, но непосредственно не отвечали за эту часть разработки. Вода не попадала на плату напрямую через брызги или затопление - это результат многократного выпадения конденсата.
Вторая часть той же проблемы - загрязнения. Также очень опасны пыль и грязь, особенно если где-то в цеху есть пыль от работы УШМ по металлу. Это очень распространенная проблема, которая часто встречается, например, в электронике сварочных аппаратов. У нас был интересный случай, когда удаленный климатический датчик вышел из строя. Потом оказалось, что за летний сезон паук сплел в нем паутину и занимался там своими грязными делами.
Еще один случай показывает, что загрязнение может прийти даже туда, где его вроде бы не ждешь: нам на аудит принесли плату из масс-спектрометра, которая перестала работать. Оборудование находилось в помещении с повышенной чистотой воздуха. Несмотря на это, специализированные компрессоры разместили вблизи того места, где прибор забирает воздух для охлаждения всей внутренней электроники. Один из компрессоров, по всей видимости, имел неисправность, и откуда-то происходил выброс технического масла. Он был настолько незначительным, что понадобились годы до того момента, как часть платы покрылась тонкой пленкой масла, что в итоге привело к ее отказу.
Общий вывод здесь простой: не всегда возможно учесть всё, но часто можно учесть многое, если заранее обсуждать не только устройство, но и среду вокруг него.
Что учитываем в разработке: корпус, герметизацию, вентиляцию, кабельные вводы, защитные покрытия, расположение платы и регламент обслуживания. Эти решения лучше принимать до того, как плата уже разведена, корпус выбран, а устройство почти готово.
"Зорко одно лишь сердце, самого главного глазами не увидишь"
После воды, пыли и масла хочется перейти к вещам, которые не видны глазами. Иногда бывает и так, что прибор отлично работает, но при определенных условиях перестает. Я нашел одно место по дороге в офис, где беспроводные наушники перестают работать; это связано с расположенной рядом вышкой ретрансляторов. Связь начинает пропадать постепенно, появляются цифровые артефакты, а потом тишина. На каком-то удалении связь снова восстанавливается.
Еще один отличный пример лично из моей юности: мы были на небольшом полукустарном производстве в Подмосковье, когда начался ливень и в цех ударила молния. Автоматы не выбило, но все приборы и компьютеры выключились или перезагрузились. Производство встало. Только один ЧПУ-станок продолжил работу. При этом все приборы были подключены и заземлены. Вероятно, в этом устройстве была лучше продумана реакция на такую ситуацию.
Помехи могут приходить не только снаружи. Мы в своей практике неоднократно сталкивались с этими проблемами при разработке силовых электронных приборов. На заре моей практики мы сделали измерение температуры радиатора силовых ключей на I2C-датчике, и, естественно, оно работало отлично! Ровно до 5 кВт. Дальше температура пропадала. I2C - это в принципе не тот интерфейс, на котором можно делать подобные вещи.
У нас есть много опыта в борьбе с помехами при разработке силового оборудования. Были случаи, когда мы боролись с помехами управляющих сигналов силовых ключей. Были случаи, когда при увеличении мощности помехи влияли на измерительные цепи. Случались и ситуации, когда помехи силовой части влияли на отрисовку интерфейсного экрана или передачу данных по интерфейсам связи.
Самое неприятное в таких проблемах то, что они часто долго не выглядят как проблемы. Очень часто всё это до определенного момента никак не проявляется визуально, хотя проблема существует. Понять, что что-то не так, можно только измерениями. Иногда бывают действительно сложные ситуации, когда довольно сложно проводить настоящее полноценное тестирование. В нашем случае такой разработкой были датчики для ЛЭП 10 кВ, которые устанавливались непосредственно на фазные линии и грозотрос. Это был действительно серьезный вызов, поскольку не было возможности проводить полноценную отладку при разработке в реальном времени. Во многих случаях таких ограничений нет, и этим надо пользоваться! Испытания устройства в реальных условиях - это неотъемлемая часть работы, без которой разработка не может быть завершена.
Что учитываем в разработке: силовую часть, измерения, интерфейсы и индикацию нельзя рассматривать отдельно. Важны компоновка, заземление, экранирование, развязка, выбор интерфейсов и испытания под реальной нагрузкой.
Между Сциллой и Харибдой
Отдельный случай помех - измерения слабых сигналов. Одна из наших разработок, как и предполагалось с самого начала, оказалась крайне чувствительна к внешним шумам. Речь идет про систему измерения E-NOSE, где требовалось измерять сопротивления некоторых химических составов, нанесенных на подложку, которая должна нагреваться до 350-400 °C. Измерения надо проводить на 17 каналах с частотой выборки до 10-20 Гц. При этом сам нагревательный элемент находится на этой же подложке на расстоянии менее миллиметра от измеряемых сопротивлений.
Проблема заключалась в том, что эти сопротивления могут быть как порядка сотен килоом, так и порядка десятков мегаом. И вот как раз в случае с мегаомами и начинаются проблемы. Во-первых, без экранирования измерение таких величин крайне затруднительно. Без экрана картина на осциллографе выглядит не очень красиво - прибор ловит всё, что может поймать.
Второй частью проблемы стал источник питания для нагрева, через который помехи заходят на плату и пробираются в измерительный тракт, несмотря на фильтрующий каскад на самой плате. По факту не все покупные источники питания подходят для питания такой электроники. И еще одной проблемой могло стать ШИМ-регулирование нагрева для поддержания заданной температуры, но мы заранее позаботились об этом и просто отслеживаем и исключаем измерения в моменты переходных процессов, связанных с ШИМ-регулированием.
В данном кейсе мы видим сразу несколько моментов, которые необходимо учесть при разработке устройства. Несмотря на то, что устройство используется в лабораторных условиях, оно крайне чувствительно к помехам: как излучаемым окружающими источниками, так и приходящим по линиям питания, а также создаваемым самим устройством.
Когда измеряемый сигнал слабый, окружающая среда становится частью схемы! Также в этом проекте мы учли специальные требования к процессу изготовления и отмывки плат, а в определенных частях платы часть схемы пришлось делать без паяльной маски. Но это отдельная история.
Что учитываем в разработке: для измерительных устройств важно смотреть не только на АЦП и датчик, но и на питание, экраны, кабели, поверхность платы, технологию отмывки и режимы работы внутренних источников помех.
"Я человек, и ничто человеческое мне не чуждо"
Даже если среда, питание и помехи учтены, остается еще один фактор - человек. Мы уже давно заметили, что очень многие люди довольно спокойно относятся к взаимодействию с электроникой. Неоднократно я лично своими глазами видел, как приборы 24-36 В подключают к питанию 48 В, без опасений замыкают контакты на отладочных платах, допускают кривой монтаж, неправильное расположение компонентов, отсутствие заземления, грубое ковыряние плат, перегрев при пайке, открытый корпус, попытки подключить "как получилось".
Абсолютно всё на всех этапах - от разработки и тестирования до производства и эксплуатации. Что самое интересное - зачастую даже в тех моментах, где это напрямую связано с их собственной безопасностью. Для одного из заказчиков мы сделали высоковольтный блок приличной мощности, достаточной, чтобы антиоживить оператора при нарушении техники безопасности. Мы сделали подробную инструкцию с указанием всех необходимых мер безопасности и последствий их несоблюдения. Также мы неоднократно проинструктировали заказчика лично. При этом с сожалением могу сказать, что есть опасения о том, что техника безопасности не будет соблюдаться в полной мере. Но это только догадки.
Это не обвинение, а реальность эксплуатации: людям нужно быстро получить результат, запустить, заменить, подключить, убрать ошибку. Многие уже привыкли, что их смартфоны не боятся холода, воды, грязи, ударов и статического электричества. И они ждут того же от любого лабораторного устройства или отладочного стенда/платы.
Если надежность устройства держится на идеальном пользователе, это не надежность, а надежда. Не стоит закладывать все возможные сценарии неправильного использования и защиты от них, но и нельзя забывать о том, что хорошее промышленное устройство не должно требовать бережного отношения к каждой своей слабости. Поэтому так важно понимать, как человек будет взаимодействовать с этим устройством.
Что учитываем в разработке: монтаж, маркировку, защиту от типовых ошибок подключения, доступ к разъемам, индикацию состояний, инструкции и диагностику. Устройство должно быть понятным не только разработчику, но и человеку, который увидит его на объекте в первый раз.
Количество переходит в качество
Есть и еще один вопрос, который выглядит организационным, но напрямую влияет на технические решения: сколько устройств в итоге должно появиться. На начальном этапе очень важно понять, что именно мы разрабатываем: MVP, одно устройство, мелкую серию или продукт с прицелом на серийное производство.
Далеко не всегда в разработке нужна серия, бывает и такое, что в итоге нужен будет только один или несколько экземпляров. В этом случае не имеет никакого смысла оптимизировать устройство по стоимости компонентов или производства; важно сократить время разработки, например, за счет использования готовых модулей или более дорогих компонентов.
Иногда не нужен даже готовый прибор, а требуется проверить какую-то гипотезу или посмотреть, как будет вести себя электроника в составе какого-то устройства, - тут речь идет об MVP, и здесь тоже свой подход. Ну и наконец, наверное, самое сложное в разработке - это серийность. Тут надо не только разработать само устройство, но и продумать и подготовить производство, оптимизировать устройство по цене, предусмотреть замену компонентов, процедуры приемки и диагностики и так далее, а также пройти один или несколько циклов начальных версий устройств.
В некоторых случаях, например, мы сталкивались с ситуацией, когда заказчик в итоге произвел около полутора тысяч устройств, но каждая партия состояла приблизительно из 20-50 устройств, и это было абсолютно разумным решением, продиктованным рынком. Понимание серийности является крайне важным на начальном этапе разработки.
Что учитываем в разработке: целевой объем, способ производства, доступность компонентов, приемку, диагностику и ремонтопригодность. Устройство "в одном экземпляре" и устройство для серии могут решать одну задачу, но проектируются по-разному.
Итоги
Если собрать эти примеры вместе, становится видно, что условия эксплуатации - это не один пункт в ТЗ, а набор ограничений, которые меняют разработку. Среди других важных факторов, которые надо учитывать, также необходимо отметить механические вибрации, надежность разъемных соединений, а также длину линий связи и питания.
Также в данной статье мы намеренно не разбираем многие вопросы, связанные с разработкой и проектированием, такие, например, как контроль импедансов, тестирование прошивок/логики, обеспечение теплового режима и так далее. Сейчас нам важно показать, что очень многие вопросы нам как разработчикам надо решить совместно с заказчиком как на этапах, предшествующих разработке, так и в ее процессе.
Условия эксплуатации - это не приложение номер 5 к техническому заданию, это входные данные для архитектуры всей разработки. Промышленная электроника начинается не с платы, а со среды, в которой этой плате придется жить.
Мини-чеклист: о чем подумать, если нужно свое устройство
- Где устройство будет стоять: завод, улица, машина, поле, лаборатория, космос?
- Есть ли влажность, конденсат, пыль, абразив, перепады температур, вибрации?
- Какие силовые нагрузки и источники помех могут быть рядом?
- Какое питание будет в реальности, а не на лабораторном БП?
- Что должно произойти при просадке питания, обрыве датчика, ошибке связи?
- Кто будет монтировать и обслуживать устройство?
- Можно ли проверить устройство на объекте?
- Как производить устройство? Кто это будет делать? Какая серия?
- Устройство будет работать само по себе или в составе другого оборудования?
- Насколько работа устройства зависит от действий оператора, пользователя?