IEC規格による家電製品の安全性の向上

この記事では、アプライアンスの機械的設計と電気的設計の両方に対応するための機能安全に関するIEC60730クラスB規格について説明します。これらの基準を満たすために、基準に含まれるものとコントローラーについて学びます。

多数の電化製品は、家庭での日常または定期的な活動を簡素化し、ユーザーが最小限のストレスで一貫してそれらを実行するのに役立ちます。彼らがきちんと働いているとき、彼らは素晴らしいです。ただし、障害が発生した場合、一部のアプライアンスは非常に安全でなくなり、火災などの重大な問題を引き起こす可能性があります。

安全性がアプライアンスに設計されていることを確認するために、国際電気標準会議（IEC）は、UnderwritersLaboratoriesが承認した機械的および電気的設計の両方に対応する機能安全のIEC60730クラスB規格を作成しました。レンジやクックトップ、ランドリー機器などのより安全なユーザーエクスペリエンスを提供するために、この基準を満たすことが認定された機能安全が組み込まれた新しいタッチスクリーン集積回路（IC）が設計されました。

深刻なアプライアンスの問題の防止

国際的な非営利団体である全米防火協会（NFPA）は、NFPA Researchのレポートで、報告された家庭料理の火災の62％にレンジまたはクックトップが関与していると述べています。実際、このレポートでは、「無人調理が火事や死傷者の主な原因であった」と具体的に特定しています。

また、NFPA Researchによると、2013年から2017年にかけて調理器具が原因で死亡した主な原因はレンジまたはクックトップ（46％）です。別の情報源である米国国土安全保障省の連邦緊急事態の一部である米国消防局（USFA）管理機関（FEMA）は、2018年からの新しいデータ（米国のみ）を報告していますが、住宅火災の主な原因として依然として調理があります。図1を参照してください。

図1。 2018年に米国で負傷者を出した住宅火災の主な原因は料理でした。出典：米国消防局。

USFAのNationalFire Incident Reporting System（NFIRS）が1999年に導入されて以来、他の多くの分野で大幅な技術的進歩があったにもかかわらず、報告された家庭料理の火災は着実に増加しています。明らかに、レンジとコンロの安全面に取り組むことは、これらの数を減らすのを助けるためのアプライアンスメーカーの目標であるべきです。

アプライアンスの機能安全に関する安全規制

国際電気標準会議（IEC）は、電化製品に組み込まれた安全性の必要性を認識し、「家庭用および同様の用途の機器で、上で、または関連して使用する」自動電気制御に適用されるIEC60730-1を開発しました。 1986年に最初にリリースされましたが、このドキュメントは定期的にアップグレードおよび修正されており、最新のものは2020年4月に発生します。UnderwritersLaboratories（UL）も、この規格に承認の印を付けています。

機能安全の背後にある理論的根拠は、すべての電子機器と機械システムが最終的に故障するということです。障害を設計することはできないため、次善の策は、何かが失敗したときに、フェイルセーフな方法で障害が発生するようにすることです。 IEC / UL 60730では、安全面での信頼を目的としない製品についてはクラスA、特別な危険を防止することを目的とする製品についてはクラスCの3つの安全クラスが識別されています。

これらの間に、IEC / UL 60730クラスBまたは単にクラスBの分類には、調理器具/ストーブ、洗濯機、乾燥機、食器洗い機、冷蔵庫、冷凍庫などの主要な家電製品が含まれます。クラスBは、アプライアンスで障害が発生した場合の危険を防止することを目的としたソフトウェアと制御機能に対応しています。これは、サーマルカットオフ、自動ドアロック、および危険な状態が発生した場合に調理器具や洗濯器具の動作を停止するその他の機能に適用されます。米国とヨーロッパの両方で、クラスBの認証は、セルフクリーニング機能を備えたすべての調理器具、およびドアの自動ロックメカニズムに関連する制御用の洗濯装置で必須になりました。

安全への既存のアプライアンスアプローチ

キッチンとランドリールームの両方の電化製品の安全上の懸念に対処するために、歴史的なソリューションは、ボタン、スライダー、およびホイールが機械的であるか容量性であるかにかかわらず、それらに接続するマイクロコントローラー（MCU）に依存していました。 MCUには、静電容量式押しボタンの安全性と正常性を監視するためのソフトウェアライブラリがありました。現在、これらの基準を満たすために、アプライアンスは、安全ライブラリを備えた別のMCUによって制御される別の静電容量式タッチボタンを備えた静電容量式タッチスクリーンを使用しています。

ユーザーインターフェイスの一部である一部のボタンは、アプライアンスの安全な操作を可能にし、住宅火災などの危険を防ぐために特に重要です。たとえば、南北アメリカやヨーロッパに出荷されるセルフクリーニング機能を備えた調理器具は、セルフクリーニングモードのツータッチオンおよびワンタッチオフ操作をサポートする必要があります。セルフクリーニングオーブンは900oF（500oC）の危険な高温に達することに注意することが重要です。オーブンに保管されているアイテムはこのモード中に発火する可能性があるため、IEC / UL 60730クラスBは、この機能を備えたアプライアンスが2タッチオンおよび1タッチオフ操作をサポートする必要があることを義務付けています。

この要件の背後にある理論的根拠は、セルフクリーニングモードをオンにするための2回目のタッチを使用して、セルフクリーニングモードが安全に開始できることをユーザーに再確認するように促すことです。たとえば、ユーザーが煙の匂いを嗅いだ後、ワンタッチで停止またはキャンセルボタンを使用してこのモードを終了します。停止ボタンの安全な操作は、ユーザーの安全にとって非常に重要です。その結果、ボタンはすべての環境で確実かつ正確に機能する必要があります。複数のタッチ操作を行わずに、セルフクリーニングモードをできるだけ早く終了できるようにすることで、危険な火災を回避できます。

単一のアナログペリフェラルの監視はかなり簡単で、MCUによって簡単に実行できます。周辺機器は、一緒に多重化されているいくつかのボタンを監視します。 1つの周辺機器が一連のボタンをスキャンできます。この機能はマイクロコントローラーに組み込まれていますが、アプライアンスの製造元は安全機能を開発して認定する必要があり、そうする責任があります。

アプライアンスの安全性への新しいアプローチ

機能安全は長年アプライアンスに実装されてきましたが、最新のタッチスクリーンインターフェースに従来の安全原理を適用することで、この要件を満たすオプションがあります。タッチスクリーンが実装またはアップグレードされると、これはクラスB認定を設計するための理想的な方法です。

独自の安全関連機能を備えたATMXT336UD-MAUHA1maXTouchコントローラファミリにより、個別のボタンが不要になるため、タッチスクリーンの任意の場所にある「ソフト」ボタンでシャットオフを実行できるようになりました。ボタンをなくし、コストを削減し、必要な機能を維持する機能は、アプライアンスメーカーにとって十分なインセンティブになるはずですが、簡素化されたインターフェイスは、ユーザーにとっても魅力的であるはずです。統合されたアプローチはシンプルで直感的です。個別のボタンの煩雑さとコストがなくなるため、より便利です。おそらくさらに重要なのは、グローバリゼーションのために、シャットダウン機能をユーザーの自然言語で変更できることです。図2を参照してください。

図2。 タッチスクリーンに緊急停止機能を配置することで、アプライアンスの製造元は、ユーザーが停止機能に最も適した言語を選択できるようにすることができます。

煙探知器は、数十年前に住宅の安全性を開拓しました。煙探知器とは異なり、クラスBの機能安全タッチスクリーンは警告とアクションの両方を実行できます。人間の介入を必要とせずに、環境内の煙や何かを感知する前に、これらのプロアクティブな機能を実行します。

クラスBのタッチスクリーンが料理人を関与させずに解決できる安全上の懸念の例を見てみましょう。重い鍋を誘導バーナー付きのストーブに誤って落とした場合、多くの場合、厚いガラスがバーナーを保護しますが、下にある薄い酸化インジウムスズ（ITO）タッチセンサーは壊れやすく、破損する可能性があります。この破損により、タッチスクリーンの特定の領域でローカライズされたタッチ機能が失われる可能性があり、さらに悪いことに、センサー全体が故障する可能性があります。

クラスBのコントローラーは、タッチセンサーの状態をリアルタイムで自動的に監視します。バックグラウンドでは、センサーがタッチをスキャンしていないとき、ICはタッチセンサー自体をスキャンして、さまざまなタイプの障害を探します。タッチスクリーンセンサーの亀裂などの障害が検出されるとすぐに、コントローラーはホストの中央処理装置（CPU）に通知し、バーナーを自動的にシャットダウンできるようにします。これは、フェイルセーフ操作を提供する人間の介入を必要とせずに発生します。

このタイプの機能は以前は可能でしたが、ホストは入力のためにタッチスクリーンICをトリガーまたはポーリングする必要がありました。これで、ICはこの機能自体を実行し、問題が発生するたびにメッセージをホストにプッシュします。特別なI2CバスメッセージまたはシステムホストCPUの割り込みピンに接続されたICの汎用IO（GPIO）ピンは、シャットダウンを開始するためのアラートを自動的に提供します。内蔵の自動作動式安全機能は、キッチンの火災につながる可能性のあるいくつかの状態を防ぐ手段を提供します。図3を参照してください。

図3。 一般的なアプライアンスアプリケーションでは、クラスBタッチスクリーンコントローラーはホストCPUに簡単に接続できます。

クラスB認定に合格するために、タッチスクリーンICによっていくつかの機能安全テストが実行されます。重要なテストの1つは、メモリテストです。タッチスクリーンICには、アプリケーションで必要な機能を実行するのに十分な少量のRAMとフラッシュメモリがあります。組み込み環境では、クローズドシステムはカスタマーコードを実行しません。クラスB認定を満たすために、メモリテストを実行する必要がある頻度を決定するルールがあります。たとえば、一連のウォーキング1とウォーキング0は、ICのRAM障害をチェックするためのパターンテストとしてバックグラウンドで実行されます。図4を参照してください。

図4。 8ビットメモリのウォーキング1秒テストでは、各ビットが順番に検証されます。

プロセスは、空きRAMをテストし、それが良好であることを検証することから始まります。少量のメモリのほとんどがデータで満たされているため、アプリケーションコードの一部がテストされた部分に移動され、別の部分が解放されてテストされます。このプロセスは、すべてのRAMがテストされるまで続きます。アプリケーションコードの実行中のこのシャッフルにより、すべてのメモリを順次テストでテストできます。

このテストを単独で管理することはかなり複雑なプロセスであり、複数の指のタッチイベントをリアルタイムで同時に報告するのはすべてクラスBICの一部です。 60 Hzを超える場合、1秒間に60回、RAMのテストとバックグラウンドでのセンサーのテスト中に、ICはホストへのタッチを報告します。不揮発性フラッシュプログラムコードストレージメモリセルをテストするために、同様のテストが実行されます。

コントローラのCPUレジスタは、正しく動作していることを確認するためにテストする必要があります。これは、CPUレジスタの現在の値を読み取って保存し、テストされていない別のレジスタにデータを格納することによって実現されます。次に、CPUレジスタを切り替えて、新しい設定が維持されるようにします。この後、初期値が復元されます。これにより、CPUレジスタが適切な値に正しく設定およびリセットできることを確認します。

内部クロックテストは、クロックが正しく実行されていることを確認します。 IC内にはさまざまなクロックツリーがあり、テストにより、それらが分割されて正しく実行されていることが確認されます。これはテストの完全なリストではありませんが、ICによって実行されるテストのタイプのアイデアを提供します。

新しいICのもう1つの安全面は、I2CバスがシステムホストCPUとタッチコントローラー間の通信を大幅にアップグレードしたことです。タッチコントローラのI2C通信は、2つのメカニズムを利用して、デバイスとの間で送受信されるデータの整合性を確保します。最初のメカニズムはシーケンス番号を使用します。さらに、データ破損（ビットエラー）が発生していないことを確認するために、初めて巡回冗長検査（CRC）がバスに追加されました。

アプライアンスは電気的にノイズの多い環境になる可能性があるため、これにより、ホストが受信する座標の信頼性が確保され、輸送中に破損することはありません。また、I2Cメッセージにシーケンス番号が追加されたため、座標がホストに送信されるたびに、ホストはデータパケットを見逃したかどうかを判断し、適切なアクションを実行できます。インターネット接続があれば、ユーザーが家にいない場合でも、ユーザーの携帯電話やスマートウォッチに問題を通知するようにホストをプログラムすることもできます。

前述のように、標準のクラスB安全性テストでは、タッチコントローラーに追加のインテリジェンスが追加され、定期的な自己診断およびセンサー診断機能でタッチサブシステムの整合性を常に監視できるようになりました。これらのスマート診断機能は、汎用IO（GPIO）出力トリガーを使用してホストに送信できる構成可能なハートビート（「キープアライブ」）信号出力をサポートします。

1つの最後の安全項目。タッチスクリーンセーフティチップで機能安全がすでに認定されているため、タッチスクリーンの安全性を管理するためにホストCPUに追加のソフトウェアを書き込む必要がないため、ユーザーのシステムレベルの認定プロセスが大幅に簡素化されます。これは、この新機能を調査して実装するためのアプライアンスメーカーに大きな動機を与えるはずです。

ランドリールームの安全性

クラスBタッチスクリーンコントローラーは、キッチンの外で他の安全状況を処理できます。たとえば、NFPAによると、米国の消防署は、衣類乾燥機や洗濯機が関係する住宅構造火災の推定平均で毎年15,970件に対応しました。これらの火災にはさまざまな原因がありますが、安全のための設計により、総数に大きな打撃を与える必要があります。

洗濯室では、洗濯機にクラスBの要件があります。高速モーターを備えた洗濯機、特にフロントローディングマシンは、ロック機構を備えているため、マシンの動作中にドアが誤って開くことはありません。オートロック機構は、機械の電源を入れたときに安全機能が開始されることを保証する電気機械装置です。ロック機構がタッチスクリーンで制御されている場合は、個別のボタン、マイクロコントローラー、センサーをなくすことができます。

手動ドアロック解除オーバーライドを使用すると、洗濯機または乾燥機の起動後にアイテムを追加または削除できます。また、安全性にも準拠している必要があります。これは現在、クラスBの認証が必要な米国とヨーロッパの洗濯器具に関する法律です。新しい代替手段はすべてをタッチスクリーンに配置します-そしてそれは暖房の側面のために洗濯機と乾燥機に適用されます。また、フロントローディングワッシャーでは、洪水を防ぐためにドアを開ける前にシステムを排水する必要があります。彼らがある程度のコントロールを発揮できるのは彼らの生活の1つの側面であるため、人々はますます安全性に関心を持っています。

特定の地域では特定の製品のクラスB認定が必要になる場合がありますが、アプライアンスメーカーがその要件を満たすと、その機能/機能を備えた製品を世界の他の地域に販売し、タッチスクリーンの安全機能を競争上の優位性として促進します。これは過去に非常に効果的であることが証明されています。このアプローチにより、ヨーロッパ、南北アメリカ、およびその他の世界のグローバルモデルが可能になるため、メーカーはそのクラスのアプライアンスの1つのタイプを作成するだけで済みます。

より安全なアプライアンスに向けて

主要なアプライアンスサプライヤからのインプットによって開始された、顧客主導のクラスBタッチスクリーンコントローラの設計と開発は、コンセプトから実現までに数年かかりました。クラスBの機能を微調整するために、プロセス全体を通じて顧客からのフィードバックがありました。これは確かにサプライヤが提供したい機能であり、顧客はハイエンドアプライアンスで使用したいと思うでしょうが、一部のアプライアンスメーカーは、すべての顧客が利用可能な最高レベルの安全性に値するため、エントリレベルの設計でクラスBの安全性をすでに検討しています。

アプライアンスメーカーは、この新機能とそれに関連するコスト削減に精通し、1つまたは複数のアプライアンスがクラスB基準を満たすことを認定すると、マーケティング上の優位性を得ることが必須ではないマシン/アプライアンスにこの手法を適用することを検討できます。安全性を重視する消費者向けの安全性を重視したアプライアンスの全ラインナップのブランド差別化。アプライアンスを人間に安全に接続するために、クラスBタッチスクリーンコントローラーは、オーブン、レンジ、洗濯機、乾燥機、食器洗い機、冷蔵庫、電子レンジ/対流式オーブンコンボ、さらにはレンジヒュームフードにも安全に選択できます。

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