Amélioration de la sécurité des appareils ménagers avec les normes IEC

Cet article explore la norme IEC 60730 Classe B pour la sécurité fonctionnelle afin de traiter à la fois la conception mécanique et électrique des appareils. Découvrez ce que la norme implique et les contrôleurs pour vous aider à respecter ces normes.

De nombreux appareils simplifient les activités quotidiennes ou périodiques à la maison et aident les utilisateurs à les exécuter de manière cohérente et avec un minimum de stress. Lorsqu'ils fonctionnent correctement, ils sont excellents. Cependant, en cas de panne, certains appareils peuvent devenir très dangereux et causer des problèmes majeurs, notamment des incendies.

Pour garantir que la sécurité est intégrée aux appareils, la Commission électrotechnique internationale (CEI) a créé la norme CEI 60730 Classe B pour la sécurité fonctionnelle afin de traiter à la fois la conception mécanique et électrique que Underwriters Laboratories a également approuvée. Offrant une expérience utilisateur plus sûre pour les cuisinières et les tables de cuisson ainsi que pour les équipements de blanchisserie et plus encore, un nouveau circuit intégré (CI) à écran tactile a été conçu avec une sécurité fonctionnelle intégrée qui a été certifiée conforme à cette norme.

Prévention des problèmes d'appareils graves

La National Fire Prevention Association (NFPA), une organisation internationale à but non lucratif, dans son rapport de recherche NFPA, indique que les cuisinières ou les tables de cuisson ont été impliquées dans 62% des incendies de cuisson à domicile signalés. En fait, le rapport identifie spécifiquement :« La cuisson sans surveillance était la principale cause d'incendies de cuisine et de pertes. »

De plus, selon NFPA Research, les cuisinières ou les tables de cuisson sont la principale cause (46 %) de décès causés par les équipements de cuisine de 2013 à 2017. Une autre source, la US Fire Administration (USFA), qui fait partie de l'Urgence fédérale du département américain de la Sécurité intérieure. Management Agency (FEMA), rapporte des données plus récentes de 2018 (uniquement pour les États-Unis), mais la cuisine est toujours la principale cause d'incendies résidentiels, voir la figure 1.

Figure 1. La cuisson était la principale cause d'incendies de bâtiments résidentiels ayant causé des blessures aux États-Unis en 2018. Source :U.S. Fire Administration.

Depuis l'introduction du National Fire Incident Reporting System (NFIRS) de l'USFA en 1999, le nombre d'incendies de cuisine à domicile signalés n'a cessé d'augmenter, malgré les progrès techniques importants réalisés dans de nombreux autres domaines. De toute évidence, aborder les aspects de sécurité des cuisinières et des tables de cuisson devrait être un objectif des fabricants d'appareils électroménagers pour aider à réduire ces chiffres.

Règlements de sécurité pour la sécurité fonctionnelle des appareils

Reconnaissant la nécessité d'une sécurité intégrée dans les appareils, la Commission électrotechnique internationale (CEI) a développé la CEI 60730-1 qui s'applique aux commandes électriques automatiques « pour une utilisation dans, sur ou en association avec des équipements à usage domestique et similaire ». Bien qu'initialement publié en 1986, le document a fait l'objet de mises à jour et de modifications périodiques, la plus récente ayant eu lieu en avril 2020. Underwriters Laboratories (UL) a également apposé son sceau d'approbation sur la norme.

La raison d'être de la sécurité fonctionnelle est que tous les systèmes électroniques et mécaniques finiront par tomber en panne. Étant donné que les défaillances ne peuvent pas être conçues, la meilleure chose à faire est de s'assurer que lorsqu'un élément échoue, il échoue de manière sécurisée. Trois classes de sécurité sont identifiées dans IEC/UL 60730 avec la classe A pour les produits qui ne sont pas destinés à être invoqués pour les aspects de sécurité et la classe C pour ceux qui sont destinés à prévenir les risques particuliers.

Entre ceux-ci, la classification IEC/UL 60730 Classe B ou simplement Classe B comprend les principaux appareils ménagers, tels que les cuisinières/cuisinières, les machines à laver, les sèche-linge, les lave-vaisselle, les réfrigérateurs et les congélateurs. La classe B concerne le logiciel et la fonction de contrôle destinés à prévenir les dangers si un défaut se produit dans l'appareil. Elle s'applique aux coupures thermiques, aux verrouillages automatiques des portes et à d'autres fonctions qui empêchent les appareils de cuisson et de blanchisserie de fonctionner en cas de conditions dangereuses. Aux États-Unis et en Europe, la certification de classe B est désormais obligatoire sur tous les appareils de cuisson dotés d'une fonction d'autonettoyage et sur les équipements de blanchisserie pour les commandes associées aux mécanismes de verrouillage automatique des portes.

Approche de sécurité des appareils existants

Pour répondre aux problèmes de sécurité des appareils électroménagers de la cuisine et de la buanderie, les solutions historiques se sont appuyées sur le microcontrôleur (MCU) qui s'interface avec les boutons, les curseurs et les roues, qu'ils soient mécaniques ou capacitifs. Le MCU disposait d'une bibliothèque logicielle pour surveiller la sécurité et la santé des boutons tactiles capacitifs. Aujourd'hui, pour répondre à ces normes, les appareils utilisent des écrans tactiles capacitifs avec un bouton tactile capacitif séparé contrôlé par un MCU séparé avec une bibliothèque de sécurité dessus.

Certains boutons qui font partie de l'interface utilisateur sont particulièrement critiques pour permettre un fonctionnement sûr de l'appareil et pour prévenir les dangers tels que les incendies de maison. Par exemple, les appareils de cuisson dotés d'une fonction d'autonettoyage expédiés vers les Amériques ou l'Europe doivent prendre en charge le fonctionnement à deux touches et à une touche du mode d'autonettoyage. Il est important de noter que les fours autonettoyants atteignent des températures dangereusement élevées de 900oF (500oC). Les articles stockés dans le four peuvent s'enflammer pendant ce mode, c'est pourquoi la norme IEC/UL 60730 classe B exige que les appareils dotés de cette fonctionnalité prennent en charge les opérations d'activation et de désactivation à deux touches.

La justification de cette exigence est qu'une deuxième touche pour activer le mode d'auto-nettoyage est utilisée pour encourager l'utilisateur à revérifier que le mode d'auto-nettoyage peut démarrer en toute sécurité. D'une simple pression, par exemple, après que l'utilisateur a senti de la fumée, le bouton d'arrêt ou d'annulation est utilisé pour mettre fin à ce mode. Le fonctionnement sûr du bouton d'arrêt est essentiel pour la sécurité de l'utilisateur. Par conséquent, le bouton doit fonctionner de manière fiable et précise dans tous les environnements. Les incendies dangereux peuvent être évités en aidant à mettre fin au mode d'auto-nettoyage le plus rapidement possible sans interactions tactiles multiples.

La surveillance du périphérique analogique unique est plutôt simple et facile à réaliser par le MCU. Le périphérique surveille quelques boutons qui sont multiplexés ensemble. Un périphérique peut scanner une série de boutons. Bien que cette fonctionnalité soit intégrée au microcontrôleur, le fabricant de l'appareil doit encore développer et qualifier la fonction de sécurité et est responsable de le faire.

Une nouvelle approche de la sécurité des appareils

Même si la sécurité fonctionnelle est mise en œuvre dans les appareils depuis de nombreuses années, il existe désormais une option pour satisfaire cette exigence en appliquant les principes de sécurité classiques à une interface à écran tactile moderne. Au fur et à mesure que les écrans tactiles sont mis en œuvre ou mis à niveau, il s'agit d'un moyen idéal d'intégrer la certification de classe B.

La famille de contrôleurs maXTouch ATMXT336UD-MAUHA1 avec ses caractéristiques de sécurité uniques élimine le besoin d'un bouton séparé, donc l'arrêt peut désormais être accompli par un bouton « soft » n'importe où sur l'écran tactile. Alors que la possibilité d'éliminer le bouton, de réduire les coûts et de maintenir la fonctionnalité requise devrait être une incitation suffisante pour les fabricants d'appareils, l'interface simplifiée devrait également être plus attrayante pour les utilisateurs. L'approche intégrée est simple et plus intuitive. C'est aussi plus pratique car cela supprime l'encombrement et le coût des boutons séparés. Peut-être encore plus important, la fonction d'arrêt peut être modifiée dans le langage naturel de l'utilisateur pour la mondialisation. Voir la figure 2.

Figure 2. En plaçant la fonction d'arrêt d'urgence sur l'écran tactile, le fabricant de l'appareil peut permettre à l'utilisateur de sélectionner la langue avec laquelle il est le plus à l'aise pour la fonction d'arrêt.

Le détecteur de fumée a été le pionnier de la sécurité domestique il y a des décennies. Contrairement au détecteur de fumée, l'écran tactile de sécurité fonctionnelle de classe B peut à la fois alerter et agir. Il exécute ces fonctions proactives avant de détecter de la fumée ou quelque chose dans l'environnement sans nécessiter d'interaction humaine.

Regardons un exemple de problème de sécurité que l'écran tactile de classe B peut résoudre sans impliquer le cuisinier. Si une casserole lourde tombe accidentellement sur une cuisinière chaude avec des brûleurs inductifs, dans de nombreux cas, le verre épais protégerait les brûleurs, mais le fin capteur tactile d'oxyde d'indium et d'étain (ITO) situé en dessous est plus fragile et pourrait se briser. Cette casse pourrait entraîner une perte de fonctionnalité tactile localisée dans une certaine région de l'écran tactile ou pire encore, l'ensemble du capteur pourrait tomber en panne.

Le contrôleur avec la classe B surveille, en temps réel, la santé du capteur tactile automatiquement. En arrière-plan, lorsque le capteur ne recherche pas les contacts, le circuit intégré scanne le capteur tactile lui-même à la recherche de différents types de défaillances. Dès qu'une panne est détectée, telle qu'une fissure dans le capteur de l'écran tactile, le contrôleur avertit l'unité centrale (CPU) hôte afin qu'elle puisse éteindre automatiquement les brûleurs. Cela se produira sans aucune intervention humaine, ce qui assurera un fonctionnement à sécurité intégrée.

Bien que ce type de fonctionnalité ait été possible auparavant, l'hôte devait déclencher ou interroger le circuit intégré de l'écran tactile pour l'entrée. Désormais, l'IC exécute cette fonction lui-même et envoie les messages à l'hôte chaque fois qu'un problème survient. Un message de bus I2C spécial ou une broche IO à usage général (GPIO) sur le circuit intégré liée à une broche d'interruption sur le processeur hôte du système fournit automatiquement l'alerte pour lancer un arrêt. Les fonctions de sécurité intégrées et à déclenchement automatique permettent d'éviter certaines des conditions susceptibles de provoquer un incendie dans la cuisine. Voir la figure 3.

Figure 3. Dans une application d'appareil typique, le contrôleur d'écran tactile de classe B s'interface facilement avec un processeur hôte.

Pour passer la certification de classe B, plusieurs tests de sécurité fonctionnelle sont effectués par l'IC à écran tactile. L'un des tests clés est le test de mémoire. L'IC à écran tactile dispose d'une petite quantité de RAM et de mémoire Flash, suffisante pour exécuter les fonctions requises dans l'application. Dans un environnement embarqué, le système fermé n'exécute aucun code client. Pour répondre à la certification de classe B, il existe des règles qui déterminent la fréquence à laquelle les tests de mémoire doivent être exécutés. Par exemple, une série de marche 1 et marche 0 s'exécute en arrière-plan en tant que test de modèle pour vérifier les pannes de RAM sur le circuit intégré. Voir la figure 4.

Figure 4. Un test de marche 1s pour une mémoire de 8 bits vérifie séquentiellement chaque bit.

Le processus commence par tester la RAM libre, en validant qu'elle est bonne. Étant donné que la plupart de la petite quantité de mémoire est remplie de données, une partie du code de l'application est ensuite déplacée dans la partie testée pour libérer une autre partie et la tester. Le processus se poursuit jusqu'à ce que toute la RAM soit testée. Ce brassage du code de l'application, pendant son exécution, permet de tester toute la mémoire avec des tests séquentiels.

La gestion de ce test seul est un processus relativement complexe et tout cela fait partie du circuit intégré de classe B qui signale simultanément les événements tactiles multi-doigts en temps réel. À plus de 60 Hz, 60 fois par seconde, le CI signale les contacts à l'hôte tout en testant la RAM et en testant le capteur en arrière-plan. Des tests similaires sont effectués pour tester les cellules de mémoire de stockage de code de programme flash non volatile.

Les registres du CPU dans le contrôleur doivent être testés pour s'assurer qu'ils fonctionnent correctement. Ceci est accompli en lisant et en sauvegardant la valeur actuelle du registre CPU et en stockant les données dans un autre registre qui n'est pas testé. Ensuite, le registre CPU est basculé pour s'assurer que le nouveau paramètre reste. Après cela, les valeurs initiales sont restaurées. Ceci vérifie pour s'assurer que les registres du CPU peuvent être définis et réinitialisés correctement aux bonnes valeurs.

Les tests d'horloge interne permettent de s'assurer que les horloges fonctionnent correctement. Il existe divers arbres d'horloge à l'intérieur du circuit intégré et les tests confirment qu'ils sont divisés et fonctionnent correctement. Ceci n'est pas une liste exhaustive de tests mais donne une idée des types de tests effectués par l'IC.

Un autre aspect de sécurité du nouveau CI est que le bus I2C a subi une mise à niveau majeure pour les communications entre le processeur hôte du système et le contrôleur tactile. Les communications I2C sur le contrôleur tactile utilisent deux mécanismes pour garantir l'intégrité de toutes les données envoyées vers et depuis l'appareil. Le premier mécanisme utilise un numéro de séquence. De plus, pour la première fois, un contrôle de redondance cyclique (CRC) a été ajouté au bus pour vérifier qu'il n'y a pas eu de corruption de données (une erreur de bit).

Étant donné qu'un appareil peut être un environnement électriquement bruyant, cela garantit que les coordonnées que l'hôte reçoit sont fiables et n'ont pas été corrompues lors du transport. De plus, étant donné qu'un numéro de séquence a été ajouté aux messages I2C, désormais, chaque fois que des coordonnées sont envoyées à l'hôte, l'hôte peut déterminer s'il a manqué un ou plusieurs paquets de données et prendre les mesures appropriées. Avec la connectivité Internet, l'hôte peut même être programmé pour informer le téléphone portable ou la montre connectée de l'utilisateur d'un problème, même si l'utilisateur n'est pas à la maison.

Comme indiqué précédemment, avec les tests de sécurité standard de classe B, une intelligence supplémentaire a été ajoutée au contrôleur tactile pour permettre aux fonctions périodiques d'autodiagnostic et de diagnostic des capteurs de surveiller en permanence l'intégrité du sous-système tactile. Ces fonctions de diagnostic intelligentes prennent en charge une sortie de signal de battement de cœur configurable (« maintenir en vie ») qui peut être envoyée à l'hôte à l'aide d'un déclencheur de sortie IO (GPIO) à usage général.

Un dernier élément de sécurité. La sécurité fonctionnelle étant déjà qualifiée dans la puce de sécurité de l'écran tactile, le processus de qualification au niveau du système de l'utilisateur est considérablement simplifié car aucun logiciel supplémentaire n'a besoin d'être écrit sur le processeur hôte pour gérer la sécurité de l'écran tactile. Cela devrait fournir une motivation importante aux fabricants d'appareils pour étudier et mettre en œuvre cette nouvelle capacité.

Sécurité de la buanderie

Le contrôleur à écran tactile de classe B peut gérer d'autres situations de sécurité en dehors de la cuisine. Par exemple, la NFPA déclare que les services d'incendie américains ont répondu à une moyenne estimée à 15 970 incendies de structures résidentielles impliquant des sécheuses ou des machines à laver chaque année. Bien qu'il existe diverses causes à ces incendies, la conception axée sur la sécurité devrait réduire considérablement le nombre total.

Dans la buanderie, il existe des exigences de classe B pour les machines à laver. L'équipement de blanchisserie avec des moteurs à grande vitesse, en particulier les machines à chargement frontal, dispose d'un mécanisme de verrouillage afin que la porte ne s'ouvre pas par inadvertance pendant que la machine fonctionne. Le mécanisme de verrouillage automatique est un dispositif électromécanique qui garantit que lorsque la machine est allumée, la fonction de sécurité est déclenchée. Si le mécanisme de verrouillage est contrôlé par un écran tactile, un bouton, un microcontrôleur et un capteur séparés pourraient être supprimés.

La neutralisation du déverrouillage manuel de la porte permet d'ajouter ou de retirer des articles après le démarrage de la laveuse ou de la sécheuse, et doit également être conforme aux normes de sécurité. C'est actuellement la loi pour les appareils de blanchisserie aux États-Unis et en Europe, où la certification de classe B est requise. La nouvelle alternative met tout sur l'écran tactile - et elle s'applique aux machines à laver et aux sèche-linge en raison des aspects chauffants. De plus, dans les laveuses à chargement frontal, le système doit être vidangé avant d'ouvrir la porte pour éviter les inondations. Comme il s'agit d'un aspect de leur vie sur lequel ils peuvent exercer un certain contrôle, les gens sont de plus en plus préoccupés par la sécurité.

Bien qu'une région spécifique puisse exiger la certification de classe B sur un produit spécifique, une fois qu'un fabricant d'appareils répond à cette exigence, il vendra le produit avec cette fonctionnalité/capacité dans d'autres régions du monde et fera la promotion de la fonctionnalité de sécurité de l'écran tactile comme un avantage concurrentiel. Cela s'est avéré très efficace dans le passé. L'approche permet un modèle global pour l'Europe, les Amériques et le reste du monde, de sorte que le fabricant n'a qu'à fabriquer un seul type de cette classe d'appareils.

Vers des appareils plus sûrs

Initié par les contributions des principaux fournisseurs d'appareils électroménagers, la conception et le développement du contrôleur à écran tactile de classe B lancé par le client ont pris plusieurs années-homme pour passer du concept à la réalité. Il a eu les commentaires des clients tout au long du processus pour affiner les capacités de la classe B. Bien qu'il s'agisse certainement d'une fonctionnalité que les fournisseurs voudront offrir et que les clients voudront avoir dans les appareils haut de gamme, certains fabricants d'appareils envisagent déjà une sécurité de classe B pour les conceptions d'entrée de gamme, car tous les clients méritent le plus haut niveau de sécurité disponible.

Une fois que les fabricants d'appareils se sont familiarisés avec cette nouvelle capacité, sa réduction des coûts associée et ont certifié un ou plusieurs appareils conformes à la norme de classe B, ils peuvent envisager d'appliquer la technique aux machines/appareils où il n'est pas obligatoire d'obtenir un avantage marketing. et différenciation de la marque pour toute une gamme d'appareils soucieux de la sécurité pour les consommateurs soucieux de la sécurité. Pour connecter en toute sécurité les appareils aux humains, le contrôleur à écran tactile de classe B est un choix sûr pour les fours, les cuisinières, les machines à laver et les sèche-linge ainsi que les lave-vaisselle, les réfrigérateurs, les fours combinés micro-ondes/convection et même les hottes de cuisinière.

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