【原创深度】工厂4.0时代:最大的干扰是无法识别的噪音

作者: Paul Pickering

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图1:物联网工厂糅合了新老技术。这是一个具有挑战性的EMC环境,特别是对于低功耗的无线设备。(图片来源:德州仪器)

我们都知道,工厂是一个嘈杂的地方:因噪音引起的听力受损是美国最常见的职业病之一,但处于这种风险之中的不仅仅是人类。有些看不见也听不到的电子噪音会对传感器和通信系统造成严重的破坏,尤其是工业物联网(IIoT),即工厂4.0。

为何这种电子“听觉损耗”趋势在不断上升?IIoT的目标是利用大数据来获取行业专家所谓的“可行的见解”,提高运营效率、节约资金、并在事故发生前预测故障。若要收集大量的数据并将其放入云端,首先要添加数千个灵敏的传感器,以监控工业流程的各个方面。且这些传感器必须在一个从未进行针对性设计的环境中工作。

EMC和连接工厂

维基百科将电磁兼容(EMC)定义为“电子工程的分支,与电磁(EM)能量非目的性的生成、传播和接收有关,可能会导致不良的影响,如电磁干扰(EMI)或对操作设备的物理损坏等”。EMC有两种主要的影响因素:EM辐射或非预期EM能量的生成,以及EM的磁化率,即设备受EM能量影响的程度。我们可以根据EM传播的方式——辐射或传导,将其分为四个不同的研究方向及四组问题。图2展示了EMC传播的机制。

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图2:电磁辐射传导机制。(图片来源:维基百科)

为何工厂会处于一个具有挑战性的EMC环境中?图1展示了一个典型的IIoT场景:在低功耗低电压模拟和数字技术发展之前,工厂安装了大量有线和无线传感器及通信网络。这些设备当下的设计通常需要1V或更少的功率,并有可能受到电源线和接地线路毫伏的干扰。更糟糕的是,由于最初的工厂设计师没有预见到IIoT低功率无线设备的广泛应用,因此便没有优先考虑在GHz范围内尽量减少放射。

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图3:工业环境受到宽带EMI的影响:一些样品来源如图所示。(图片来源:Compliance-club.com)

工厂通常有许多机器,可能为低功率和无线设备造成一些EMC问题。例如,电弧焊机可能成为辐射和传导干扰源:从弧脉冲发出辐射射频(RF)能量,从电源线和接地线路的电压谐波和波动中传导能量。同时,其他的机器可能还受到放射和磁化问题的干扰。图3展示了EMI及其频率的一些常见来源。

一些适用的EMC标准

正如预期,由于嘈杂的设备可能会造成很大的影响,世界各国政府已制定了管理EMC性能的标准。美国联邦通信委员会(FCC)为电信设备设置了最低的合规标准。FCC规范的第15部分便规定了为防止有害的射频干扰所需要进行的排放测试。

在欧盟,R&amp TTE指令99/5/EG适用于所有无线电控制产品。加拿大工业协会有适用于无线电设备的通用合规要求(RSS-GEN),其他国家也有类似的机构。

监管机构发布的标准涵盖每个EMC类型允许的级别和批准的测试程序。在公司推出新产品之前,政府机构通常需要对相关标准进行测试和认证。

不同的标准适用于不同的行业,但前提是遵守一些国际权威的标准,如国际电工委员会(IEC)等。对于工业设备,IEC 61000-6-2涵盖了EMC,以IEC61000-6-4作为通用的放射标准。许多应用程序有其自身的标准:如IEC 60974-1特别适用于电弧焊接机器人的电源供应,IEC 60974-10涵盖了弧焊机器人EMC的要求。

EMC和无线网络

尽管工业有线网络已存在了数十年,并包括以太网、CAN等标准,但是随着低成本低功耗无线网络的兴起,连接IIoT工厂变得更加容易。在工业应用中使用无线解决方案的原因在于:

  • 更大的灵活性,移动设备的位置更加便捷,以及与智能手机和平板电脑的连接更方便
  • 布线的成本降低
  • 安装和调试更加快速简便,尤其是在偏远或难以访问的地区
  • 远程更新的灵活性和便利性更大
  • 可以轻松将设备集成至网络中

在过去的十年中,连接工厂已经采用了一些无线标准。下表展示了IIoT市场一些主要的竞争标准及其应用:

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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低更新率的IIoT传感器节点。另一方面,802.11 WLAN设备必须适应视频流这样的应用程序,因为这将极大地增加复杂性和功耗。

许多无线产品可以在单个设备上处理一个或多个IIoT协议。例如,德州仪器的CC2630无线微控制器单元(MCU),适用6LoWPAN、ZigBee和TI自身的SimpleLink功能。

该设备属于CC26xx系列,有较好的成本效益,是超低功耗、2.4-GHz射频的设备。CC2630包含一个32位的ARM Cortex-M3处理器内核,以48 MHz运行,加上一个集成了ARM Cortex-M0的RF块。它还包括一个超低功耗的传感器控制器,用于与外部传感器进行接口,并在系统睡眠模式下收集模拟和数字数据。该功能也使其非常适合于IIoT低功耗远程传感器节点应用程序。

将EMC问题最小化的设计

为了获得良好的EMC性能,设计需要采用多层方法,关注工厂层级的性能,如接地和配电、单个集成电路等。由于许多IIoT的安装都是经过改造的,所以要完成这项任务变得更加困难,因此,若要重新装配工厂基础设施等进行大规模变更,则很难实现,甚至不可能完成。

EMC设计:工厂层级

在工厂层级,良好的EMC性能要从配电系统的设计开始。工厂通常使用高压AC和DC系统,这就会产生许多与电磁相关的事件,如电力网络操作或功率因数电容器开关的瞬变,自弧触点快速瞬变,以及大功率接触器线圈磁场倒塌。直接或间接的自然事件,如雷击等,也可导致工厂设备的电压瞬变。

在车间里,旋转电机的使用无处不在,从CNC机器到泵或工业机器人等。而它们也是EMI的主要原因,尤其是“弧和火花”刷刷过的DC电机;即使是无刷电机(BLDC)也有PWM控制,可以产生高速的开关瞬变。现场巡视可以帮助识别射频噪声的来源,并将主要的触发点隔离和屏蔽。

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图4:“我不知道为什么会有EMC问题”(图片来源:ThereIFixedIt.com)

现代工厂通常还有几英里通过管道连接的线路,环绕在地板、内墙和天花板上。在旧式的安装中,这些线路可能被随意安装,且使用年代之久,如图4所示。从高压、高电流功率信号,到低层传感器的输入和输出,这些线路发挥着重要的作用。在工厂层级,线路可以看作一个大天线,从内部和外部传输和接收辐射电力噪声。将长线运行所形成的环面积最小化则有助于降低噪音。

布线也可以传播噪音。例如,电感耦合噪声可以从一根电线传到下一根。屏蔽电缆以防护噪声敏感信号是减少噪声的重要因素。尽管最初的成本很高,但若在安装之后才隔离及解决EMC问题,可能成本将更高。例如,Belden的9536电缆包括6个24 AWG的绞合镀锡铜导体、半硬质的PVC绝缘以及可以100%覆盖的防漏线。对于在5e 100BaseTX网络通信中使用的电缆槽,Belden的796x电缆提供了四个导体和一个编制屏障,具有工业级的防晒和耐油PVC外层。

其他的供应商,如Glenair,提供了一系列灵活的编织套管、管道和配件,以提供EMI保护。例如,Glenair的Armorlite是镀镍不锈钢EMI/RFI编织外壳,针对260°C高温的应用程序而设计。

EMC设计:系统层级

图5展示了典型的IIoT节点级设备的框图。它包含了引起EMC问题的各种组件:通过电力供应或有线通信线路,噪音可以进入或消失,且无线接口可以接收或发射辐射噪声。

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图5: 不管是放射还是磁化,IIoT传感器节点可能是EMC问题的来源。(图片来源: Mouser Electronics)

为了减少磁化率或放射,在噪音进入或离开开发板的位置点(连接器)时便终止噪音是一种非常有效的方法。

过滤后的连接器将标准连接器与EMI/RFI抑制组件结合在一起,可以帮助解决EMC问题。过滤器元件封装在连接器中,将可用的PCB区域最大化,其相比标准的连接器和离散过滤组件,大量减轻了重量。

例如,Harting的D-sub连接器使用铁氧体过滤器块来阻止高频。这种D-sub形状因子在工业应用中广泛使用,且Harting连接器有第9、15、25和37接触版本。

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图6:密封过滤器有效地过滤了DC电线噪声。(图片来源: Mouser Electronics)

通常,有必要为高压DC输电线提供离板EMC过滤。如图6所示的API 51f-726-002 EMC过滤器则针对螺纹孔或通孔安装而设计。在严酷的工业环境中,两端的树脂密封可以提供保护。在选择C、L或Pi滤波器时,它们能有效地过滤DC输电线的噪声,并能处理高达500V 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的问题。德州仪器的TPDxF003系列产品是一组过滤装置,旨在减少EMI的辐射,并提供系统级的静电放电(ESD)保护。每一种设备都可以在超过IEC 61000-42国际标准规定的最大水平范围内消除ESD冲击。这种过滤结构通过高频滚降减少EM辐射:该设备的特点是200MHz的3db带宽,且在1GHz下的信号衰减超过25dB。4通道、6通道、8通道的设备都可以使用。

为防止传入的辐射EMI干扰,许多设计都通过外壳接地屏蔽了内部电路,形成了一个法拉第笼:这也可以防止内部产生的辐射进入外部环境。

EMC设计:设备层级

进一步深入到电路板和设备层级,PCB区域内的辐射或传导干扰可能会引起同一板上另一个区域出现问题。例如,通过数字时钟脉冲或开关电源的高息差切换瞬变可能引起低层模拟测量出现误差。

在电路块中,良好的布局和设计技巧是确保电路信号不被电容或电感耦合到另一个电路的关键。其中一些技巧是:

  • 降低电压和电流上升和下降的时间,以减少急剧的转换和高频内容
  • 减少电路板的磁环表面积
  • 使用“星状”布局,将高电流接地与数字特别是模拟接地进行分离
  • 彼此之间直接运行电源线和接地线,使环路面积最小化并减少阻抗
  • 使用具有高频振动特性的时钟来传播频率谱,减少辐射电磁干扰
  • 在噪声组件中使用接地层,如微控制器

还必须考虑许多因素,包括组件放置和封装限制,因此需要历经设计迭代才能获取一个可接受的解决方案。

总结

本文是对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,或者从我们的供应商处查看相关资讯。

德州仪器为减少EMI,在PCB设计准则上开发了一个有用的应用节点。TDK的“EMC指南”讨论了一些被动元件在获得良好的EMC性能方面所发挥的作用,如铁氧体、电容器、共模过滤器和变电阻等。Analog Devices,即另一个Mouser供应商,有一个关于EMI、RFI和屏蔽技术的教程,以帮助保护敏感的模拟电路。

工业物联网,也被称为“工厂4.0”,将低层次、低功耗、模拟数字和无线功能集成到一个电磁环境中。为获得良好的EMC性能,设计需要关注各个层级的细节,从工厂本身到独立的开发板布局等。

结语

作为自由技术作家,保罗•皮克林对许多话题展开过编写,包括:半导体组件与技术、被动元件,封装、电力电子系统、汽车电子、物联网、嵌入式软件、EMC、替代能源等。保罗有逾35年的电子行业工程和市场营销经验,包括汽车电子、精密模拟、电力半导体、嵌入式系统、逻辑设备、飞行模拟、机器人技术等。他在数字和模拟电路设计、嵌入式软件和Web技术方面也有丰富的一手经验。他来自英格兰东北部,生活和工作轨迹遍布欧洲、美国和日本。他具有伦敦大学皇家霍洛威学院物理与电子系理学士学位(荣誉),并在塔尔萨大学毕业。

原文链接:http://www.mouser.cn/applications/industry-4-0-noise/

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