工业4.0:最大的问题可能是你听不到的噪音

我们都知道,工厂的地板可能是一个嘈杂的地方:噪音引起的听力损失是美国最常见的职业病之一,但不仅是人类有风险。尤其是自工业物联网(IIoT)(也称为工厂4.0)到来以来,看不见的和未听到的电子噪声可能会严重影响传感器和通信系统。
为什么这种电子“听力损失”正在上升?IIoT的全部内容都是使用大数据来产生行业专家称之为“可操作的洞察力”,从而提高运营效率,节省资金并在事故发生前预测故障。收集大量数据并将其存入云中首先需要添加数千个敏感传感器来监视工业过程的各个方面。这些传感器必须在一个从来没有设计来适应它们的环境中工作。

EMC和连接的工厂

维基百科(Wikipedia)将电磁兼容性(EMC)定义为“与电磁(EM)能量的无意产生,传播和接收有关的电气工程分支,其可能导致诸如电磁干扰(EMI)之类的不期望的影响,甚至对运行设备造成物理损坏。 “在EMC内部,主要有两类效应:电磁辐射,不需要的电磁能量的产生以及电磁敏感度,电磁辐射是一个设备受到输入电磁能量影响的程度。我们可以按照电磁传播的方式划分每一个等级 - 辐射或传导引起四个不同的研究领域和四个问题。图2说明了EMC传播的机制。
电磁辐射传输机制

图2:电磁辐射传输机制。(图片来源:维基百科)
是什么使工厂成为如此具有挑战性的EMC环境?图1较早地展示了一个典型的IIoT情景:在开发低功耗低电压模拟和数字技术之前,多年来甚至数十年设计的工厂上叠加了大量的有线和无线传感器和通信网络。目前这些器件通常需要1V或更低的电源,并可能受到电源和地线上的毫伏干扰的影响。由于原始工厂设计人员无法预见IIoT广泛采用低功耗无线设备,所以在GHz范围内的发射最小化可能不是高优先级。
宽带EMI样本

图3:工业环境遭受宽带EMI的影响:一些示例源显示。(图片来源:Compliance-club.com)
典型的工厂包含许多可能导致低功耗和无线设备出现多重EMC问题的机器。例如,电弧焊机可能是辐射和传导辐射的来源:来自电弧脉冲的辐射射频(RF)能量以及来自电压谐波的能量和电力和地线上的波动。其他机器可能同时遭受排放和敏感问题。图3显示了EMI的一些常见来源及其频率。

一些适用的EMC标准

正如你所预料的那样,由于一个吵闹的设备会影响到大众,世界各国政府已经制定了EMC性能标准。在美国,联邦通信委员会(FCC)规定了电信设备的最低合规标准。FCC法规第15部分规定了防止有害射频干扰所需的辐射测试。
在欧盟,R& TTE指令99/5 / EG适用于所有的无线电控制产品。加拿大工业部对无线电设备符合性(RSS-GEN)有一般要求,其他国家也有类似的机构。
监管机构颁布的标准涵盖了每个EMC类别的允许级别和批准的测试程序。政府机构通常需要在相关标准下进行测试和认证,然后才能推出新产品。
在国际电工委员会(IEC)等全球标准机构的授权下,不同的标准适用于不同的行业。对于工业设备,IEC 61000-6-2作为通用发射标准包含了IEC61000-6-4的抗电磁干扰能力。许多应用都有自己的一套标准:例如,IEC 60974-1特别适用于电弧焊机器人的电源,而IEC 60974-10则涵盖了电弧焊机器人的EMC要求。

EMC和无线网络

尽管工业有线网络已经存在了几十年,包括以太网和CAN等标准,但通过低成本,低功耗的无线网络的兴起,连接支持IIoT的工厂变得更加容易。在工业应用中使用无线解决方案的一些原因包括:
  • 更高的移动性,以及移动设备并轻松连接智能手机和平板电脑的能力
  • 消除昂贵的布线
  • 快速简单的安装和调试,特别是在偏远或难以进入的地方
  • 更大的灵活性和远程升级能力
  • 将设备轻松集成到网络中
在过去的十年中,连接的工厂已经采用了几个无线标准。下表显示了一些主要竞争者及其在IIoT中的应用:
IEEE标准 有可能的使用 IIoT应用程序
802.11 无线局域网
WLAN
无线上网
802.15.4 低速个人区域网络
(LR-PAN)
ZigBee,WirelessHART,6LoWPAN
802.15.1 无线个人区域网络
(WPAN)
蓝牙
基于IEEE 802.15.4的网络对IIoT架构师特别有吸引力,因为它们更适合于小数据包和IIoT传感器节点的低更新速率。另一方面,802.11 WLAN设备必须能够适应诸如视频流的应用,这大大增加了复杂性和功耗。
许多无线产品可以在单个设备中处理一个或多个IIoT协议。例如,德州仪器TI)为CC2630无线微控制器(MCU)提供6LoWPAN,ZigBee和TI自己的SimpleLink功能。
该器件属于CC26xx系列经济高效,超低功耗的2.4-GHz RF器件。CC2630包含一个运行在48 MHz的32位ARM Cortex-M3处理器内核,以及一个集成了ARM Cortex-M0的射频模块。它还包括一个超低功耗传感器控制器,用于连接外部传感器,并在系统睡眠模式下收集模拟和数字数据。该功能使该器件非常适合IIoT低功耗远程传感器节点应用。

设计最大限度地减少EMC问题

要实现良好的EMC性能,需要采用多层方法,将工厂级的性能(如接地和功率分配)注重到单个集成电路。由于许多IIoT装置都是改造的,所以这项任务变得更加困难,因此诸如重新布线工厂基础设施的大规模改变即使不是不可能完成也是困难的。

EMC设计:工厂级

在工厂层面,良好的EMC性能始于配电系统的设计。典型的工厂使用高压交流和直流系统,这些系统会引起许多与电磁兼容有关的事件,如来自电网运行或功率因数电容器开关的瞬变,来自电弧触点的快速瞬变以及大功率接触器线圈中的坍塌磁场。直接或间接的雷击等自然事件也会引起工厂设备中的电压瞬变。
在车间,几乎所有情况下都使用旋转机械,从数控机床到泵或工业机器人。不幸的是,它们也是EMI的主要原因,特别是带有“电弧和火花”电刷的有刷直流电机 ; 即使无刷电机(BLDC)也具有PWM控制,可以产生高速开关瞬变。现场调查可以帮助识别射频噪声源,并隔离和屏蔽主要罪犯。
接线错误

图4: “我不知道为什么我们遇到EMC问题”(图片来源:ThereIFixedIt.com)
现代工厂还包括数英里的布线,通过导管,地板下,内墙和天花板。在较旧的安装中,这些导线可能已经安装了多年,结果如图4所示。这些导线承载着从高电压,高电流功率信号到低电平传感器和传感器输入的所有信号,输出。在工厂级,接线可以作为一个大的天线,可以发送和接收来自内部和外部的辐射电噪声。最大限度地减少由长线路形成的环路面积可以帮助减少噪音的倾向。
布线也可以传播传导噪声。例如,将一根电线中的噪声感应耦合到一个电线束中的下一个电线。使用屏蔽电缆来保护对噪声敏感的信号是降低噪声的重要因素。虽然初始成本较高,但安装后隔离和解决EMC问题可能会更加昂贵。例如,Belden的9536电缆包含6根24 AWG多股镀锡铜导体,半硬质聚氯乙烯绝缘层,以及屏蔽层和排扰线,可提供100%的覆盖率。对于5e类100BaseTX网络通信中的电缆桥架,百通796x电缆提供四根导线和一个带工业级阳光和耐油PVC外层的编织屏蔽层。
其他供应商如Glenair提供一系列柔性编织管,导管和配件以提供EMI保护。例如,Glenair的Armorlite是镀镍不锈钢EMI / RFI编织屏蔽,专为高达260°C的高温应用而设计。

EMC设计:系统级

图5显示了一个典型的IIoT节点级设备的框图。它包含各种可能导致EMC问题的元件:传导噪声可以通过电源或有线通信线路进入或离开,无线接口可以接收或发射辐射噪声。
IIoT框图

图5: IIoT传感器节点可能成为EMC问题的来源,无论是在辐射还是易感性方面。(图片来源:Mouser Electronics)
为了降低传导的敏感度或辐射,在连接器进入或离开电路板的那一刻停止噪声是一种非常有效的方法。
滤波连接器将标准连接器与EMI / RFI抑制组件结合在一起,有助于解决EMC问题。滤波器元件安装在连接器主体内,与标准连接器和分立滤波器组件相比,最大限度地利用了可用的PCB面积,并且减轻了重量。
例如,Harting提供一系列D-sub连接器,其中包括一个铁氧体滤波器块以阻止高频率。D-sub形状因子在工业中被广泛使用,而Harting连接器有9,15,25和37种接触形式。
密封的过滤器 
图6:密封滤波器有效滤除直流电源线噪声。(图片来源:Mouser Electronics)
通常需要为高压直流电源线提供板外EMC滤波。图6所示的API 51F-726-002 EMC馈通滤波器是为螺孔或通孔安装而设计的。两端的树脂密封在恶劣的工业环境中提供保护。通过选择C,L或Pi滤波器,它们可有效滤除直流电源线上的噪声,并可处理高达500 V DC / 220 V AC(400 Hz)的电压。
集成电路解决方案也可以帮助减少EMC问题。德州仪器TPDxF003系列是一系列滤波设备,旨在降低EMI辐射,并提供系统级静电放电(ESD)保护。每个器件都可以消除高于IEC 61000-4-2国际标准规定的最高水平的ESD冲击。滤波结构通过提供高频滚降来减少EM辐射:该器件具有200MHz的-3dB带宽,并且在1GHz处衰减超过25dB的信号。四,六或八通道设备可用。

为了阻止进入的辐射EMI,许多设计都采用接地外壳来屏蔽内部电路,形成法拉第笼:这也可以阻止内部产生的辐射泄漏到外部环境中。

设计EMC:设备级别

进一步深入电路板和器件层面,在PCB的一个区域辐射或传导辐射可能导致同一电路板的另一个区域出现问题。例如,来自数字时钟脉冲或开关电源的高速开关瞬态信号会导致低电平模拟测量中的错误。
在一个电路模块中,良好的布局和设计技术是确保来自一个电路的信号不会电容耦合或电感耦合到另一个电路的关键。其中一些技巧是:
  • 缓慢的电压和电流上升和下降时间,以最大限度地减少尖锐的过渡和降低高频率的内容
  • 减少电路板上磁环的表面积
  • 采用“星形接地”安排将大电流接地与数字接地,特别是模拟接地隔开
  • 将电源和接地走线直接相互连接,以尽量减小回路面积并降低阻抗
  • 使用具有抖动功能的时钟来扩展频谱并降低辐射EMI
  • 在嘈杂的组件(如微控制器)下使用接地层或层
必须考虑许多因素,包括组件放置和封装约束,因此可能需要进行几次设计迭代才能得到可接受的解决方案。

结论

本文只是一个复杂主题的简要概述。要了解更多信息,请点击本文档中的链接,或查看我们的一些供应商提供的这些资源。
德州仪器(TI)针对降低EMI的PCB设计指南提供了有用的应用说明。TDK提供了“ EMC指南 ”,讨论了铁氧体,电容器,共模滤波器和压敏电阻等无源元件在实现良好EMC性能方面的作用。而ADI公司,另一供应商Mouser的,有一个教程上的EMI,RFI和屏蔽技术,以帮助保护敏感的模拟电路。
工业物联网也称为工厂4.0,涉及将低级,低功率,模拟数字和无线功能集成到电磁恶劣环境中。设计良好的EMC性能需要关注各个层面的细节,从工厂建筑本身到单独的电路板布局。

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