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工业4.0:最大的问题可能是您听不到的噪音

作者:Paul Pickering,Mouser Electronics 

IoT启用工厂

图1:具有IoT功能的工厂融合了新旧技术。这是一个具有挑战性的EMC环境,特别是对于低功耗无线设备。(图片来源:德州仪器
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,但不仅仅是人类处于危险之中。不可见的和闻所未闻的电子噪声可能会对传感器和通信系统造成破坏,特别是物联网(IIoT)的到来,也称为工厂4.0。
为什么这种电子“听力损失”在上升?IIoT是关于使用大数据来产生行业专家称之为“可行的见解”,它可以在事件发生之前提高运营效率,节省资金并预测故障。收集大量数据并进入云端开始,增加数千个敏感传感器来监控工业过程的各个方面。那些传感器必须在从未被设计为容纳它们的环境中运行良好。

EMC和连接工厂

维基百科将电磁兼容性(EMC)定义为“与电磁(EM)能量的无意的一代,传播和接收有关的电气工程分支,这可能会对操作设备造成不必要的影响,如电磁干扰(EMI)甚至物理损坏。 “在EMC中,有两种主要的影响类型:EM发射或不需要的EM能量的产生,以及EM敏感度,这是一台设备受到EM电能的影响程度。我们可以根据EM传播手段或传导产生四个不同的学习领域和四组问题来划分每个班级。图2说明了EMC传播的机制。
电磁辐射传播机制

图2:电磁辐射传播机制。(图片来源:维基百科)
什么使工厂成为如此具有挑战性的EMC环境?图1早前展示了一种典型的IIoT情景:广泛的有线和无线传感器和通信网络叠加在工厂之前,在低功耗低压模拟和数字技术开发之前已经设计了几年甚至几十年。这些器件的当前一代通常需要1V或更小的电源,并且可能会受到电源和接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,因此最大限度地降低GHz范围内的排放可能不是一个重中之重,因此变得更糟。
宽带EMI样本

图3:工业环境遭受宽带EMI影响:显示一些样本来源。(图片来源:Compliance-club.com)
典型的工厂包含许多可以为低功耗和无线设备引起多个EMC问题的机器。例如,电弧焊机可能是辐射和传导发射的来源:来自电弧脉冲的辐射射频(RF)能量和来自电压谐波和电力和接地线上的波动的传导能量。其他机器可能同时受到排放和易感性问题的困扰。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

正如你所期望的,由于一个嘈杂的设备可能会影响到整个公众,世界各国政府都制定了EMC性能标准。在美国,联邦通信委员会(FCC)制定了电信设备的最低合规标准。FCC规则第15部分规定了防止有害RF干扰所需的排放测试。
在欧盟,R& TTE指令99/5 / EG适用于所有无线电控制产品。加拿大工业部有无线电设备(RSS-GEN)的一般要求,其他国家也有类似的机构。
监管机构发布涵盖每个EMC类别的允许级别和批准的测试程序的标准。在公司开展新产品之前,政府机构通常需要对相关标准进行测试和认证。
在国际电工委员会(IEC)等全球标准机构的授权下,不同的行业适用于不同行业。对于工业设备,IEC 61000-6-2涵盖了IEC61000-6-4作为通用排放标准的EMC抗扰度。许多应用都有自己的标准:例如,IEC 60974-1专门用于电弧焊机器人的电源,而IEC 60974-10涵盖电弧焊机器人的EMC要求。

EMC和无线网络

虽然工业有线网络已经存在了数十年,并且包括诸如以太网和CAN之类的标准,但由于低成本,低功耗无线网络的兴起,挂起了一个支持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
  • 快速方便的安装和调试,特别是在远程或难以访问的位置
  • 更大的灵活性和远程更新功能
  • 将设备轻松集成到网络中
在过去的十年中,连接的工厂已经有几项无线标准。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
802.11 无线局域网
WLAN
无线上网
802.15.4 低速个人局域网
(LR-PAN)
ZigBee,WirelessHART,6LoWPAN
802.15.1 无线个人局域网
(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IIoT传感器节点的小数据分组和较低的更新速率。另一方面,802.11 WLAN设备必须能够适应诸如视频流的应用,这显着地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,德州仪器提供具有6LoWPAN,ZigBee和TI自己的SimpleLink功能的CC2630无线微控制器单元(MCU)。
该器件属于CC26xx系列具有成本效益的超低功耗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,以及一个包含ARM Cortex-M0的RF模块。它还包括超低功耗传感器控制器,可与外部传感器接口,并在系统睡眠模式下收集模拟和数字数据。该功能使该部件非常适用于IIoT低功率远程传感器节点应用。

设计最小化EMC问题

设计良好的EMC性能需要多层次的方法,注意从工厂层面的性能,如接地和配电,直到单个集成电路。事实上,许多IIoT设备正在进行改造,使得任务变得更加困难,因此批发变更(例如重新布线工厂基础设施)是困难的,甚至是不可能完成的。

设计EMC:工厂级

在工厂级别,EMC性能从配电系统的设计开始。典型的工厂使用高压交流和直流系统,可以引起许多与EMC相关的事件,例如电力网络操作或功率因数电容器切换的瞬变,高功率接触器线圈中的电弧触点和塌陷磁场的快速瞬变。诸如直接或间接雷击等自然事件也可能在工厂设备中引起电压瞬变。
在车间,几乎所有情况下都使用旋转机械,从CNC机器到泵或工业机器人。不幸的是,它们也是EMI的主要原因,特别是带有“电弧和火花”刷子的刷式直流电机 ; 甚至无刷电机(BLDC)都有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的来源,并隔离和屏蔽主要罪犯。
偶然接线

图4: “我不知道为什么我们有EMC问题”(图片来源:ThereIFixedIt.com)
现代工厂还包括通过管道布线的几英里,地板和内墙和天花板。在较旧的安装中,这些电线可能已经以随意的方式安装了多年,结果看起来像图4.电线将一切从高压,大电流功率信号传输到低级传感器和传感器输入,输出。在工厂级别,接线可以作为可以从内部和外部来源传输和接收辐射电噪声的大型天线。最大限度地减少长导线形成的环路面积有助于降低拾取噪声的趋势。
布线也可以传播传导噪声。例如,将电缆中的一根电线的噪声电感耦合到一束。使用屏蔽电缆保护噪声敏感信号是减少噪声的重要因素。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电缆包含六个24 AWG绞合的镀锡铜导体,半刚性PVC绝缘,以及提供100%覆盖的屏蔽+漏极导线。对于5E类100BaseTX网络通信中的电缆桥架,Belden的796x电缆提供四根导体和一个带工业级阳光和耐油PVC外层的编织屏蔽。
其他供应商如Glenair提供一系列灵活的编织管,导管和接头,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。

设计EMC:系统级

图5显示了典型的IIoT节点级设备的框图。它包含各种可能对EMC问题造成影响的组件: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传感器节点可能是排放和易感性的EMC问题的来源。(图片来源:Mouser Electronics)
为了减少传导敏感性或排放,在连接器处进入或离开电路板的地方停止噪声是非常有效的方法。
滤波后的连接器将标准连接器与EMI / RFI抑制组件相结合,以帮助解决EMC问题。过滤器元件容纳在连接器主体内,使可用的PCB面积最大化,并且与标准连接器和离散过滤部件相比节省了重量。
例如,Harting提供了一系列D-sub连接器,其中包括一个铁氧体滤波器模块来阻止高频。D-sub形状因子被广泛应用于工业,Harting连接器有9,15,25和37接触式。
密封过滤器 
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,有必要为高压直流电源线提供离线EMC滤波。图6所示的API 51F-726-002 EMC馈通滤波器设计用于螺纹孔或通孔安装。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,它们可以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用于减少EMC问题。德州仪器TPDxF003系列是一系列过滤设备,旨在减少EMI排放,并提供系统级静电放电(ESD)保护。每个器件可以将ESD冲击消耗在IEC 61000-4-2国际标准规定的最大电平之上。滤波结构通过提供高频滚降来减少EM辐射:器件具有200MHz的-3dB带宽,并且在1GHz下将信号衰减超过25dB。四通道,六通道或八通道器件可用。

为了阻止传入的辐射EMI,许多设计使用形成法拉第笼的接地外壳来屏蔽内部电路:这也可以阻止内部产生的排放物泄漏到外部环境中。

设计EMC:设备级别

在PCB的一个区域中进一步向下钻取板和器件级别,辐射或传导的排放物可能会导致同一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扩展开关瞬态可能会导致低电平模拟测量中的错误。
在电路块内,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性或电感耦合到另一个电路中的关键。其中一些技术是:
  • 缓慢的电压和电流上升和下降时间,以尽量减少尖锐的转变并降低高频内容
  • 降低电路板上磁环的表面积
  • 独立的高流量地面与数字,特别是模拟场合,以“星空”安排
  • 直接将电源和接地迹线相互连接,以最大限度地减少环路面积并减少阻抗
  • 使用具有抖动功能的时钟来扩展频谱并减少辐射EMI
  • 在诸如微控制器的噪声组件之下使用接地层或层
必须考虑许多因素,包括元件放置和封装限制,因此可能需要进行多次设计迭代才能得到可接受的解决方案。

结论

本文仅仅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,或从我们的一些供应商处查看这些资源。
德州仪器有一个有用的 PCB设计指南的应用笔记,用于降低EMI。TDK提供了“ EMC指南 ”,讨论了无源器件如铁氧体,电容器,共模滤波器和变阻器在实现良好EMC性能方面的作用。而另一位Mouser供应商Analog Devices则提供EMI,RFI和屏蔽技术教程,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,低功耗,模拟数字和无线功能集成到电磁敌对环境中。设计良好的EMC性能需要注意各个层面的细节,从工厂建设本身到各个板的布局。

(责任编辑:ioter)

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