原创深度 | 工业4.0:听不到的噪声可能是最大的问题(一)

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图1:物联网工厂是新旧技术的融合地,而对于低功耗无线设备而言,它还是电磁噪声重灾区(图片来源:Texas Instruments)

众所周知,车间是一个非常嘈杂的地方:噪声性听力衰减是常见的职业病之一。但受噪声影响的不光是车间工作人员,传感器和通信系统也会受到电子噪声的影响。随着工业物联网(IIoT,也称工业4.0)时代的来临,这种情况会越来越常见。

为什么电子“听力衰减”的现象会呈上升趋势?因为IIoT是通过大数据分析来提供行业专家所说的“可操作的见解”,从而提升运营效率、节省成本和预测故障。收集大量数据并存储到云端是通过添加数千个敏感传感器完成的,这样就可以全方位监视工业流程,当然这些传感器还必须能在非定制环境下稳定地运行。

EMC和互联工厂

维基百科对电磁兼容性(EMC)的定义为:“在电学中研究意外电磁(EM)能量的产生、传播和接收,以及这种能量所引起的有害影响。比如电磁干扰(EMI)或对作业设备造成物理损坏”。EMC的影响主要分为两部分,即电磁干扰(产生不需要的电磁能量)和电磁敏感度(指设备受电磁能量影响的程度)。根据传播方式(辐射或传导),它们还可以分为四个不同的研究领域,产生四组问题。图2显示了电磁辐射传播原理。

“图2:电磁辐射传播原理(图片来源:维基百科)”
图2:电磁辐射传播原理(图片来源:维基百科)

是什么让工厂成为了电磁噪声重灾区?以前面图1所示的一个典型IIoT场景为例:在低功耗、低电压模拟和数字技术发展之前的数年甚至是几十年前所建立的工厂中,往往会混用多种有线/无线传感器和通信网络。而如今的设备通常需要1V或更低电压的电源,因此可能会受到电源和地线中的毫伏级电压干扰。由于工厂在最初设计时,设计人员无法预见IIoT会广泛采用低功耗无线设备,因此并未重视将电磁干扰降至GHz以内,也就出现了现在这种糟糕的局面。

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图3:工业环境中存在着各种宽带EMI,图中只是列出了部分干扰源(图片来源:Compliance-club.com)

一般来说,工厂中都会有许多机器,其中有些会导致低功耗无线设备出现EMC问题。例如,弧焊机可能会引起辐射干扰和传导干扰:辐射射频(RF)能量来自于弧脉冲,传导能量来自于电源和地线的电压谐波和波动。同时,其他机器可能也会遭受电磁干扰,导致运行受到影响。图3显示了一些常见的EMI来源及其频率。

一些适用的EMC标准

正如您所料,在意识到一台嘈杂的设备能够对周围环境产生极大影响后,各国政府纷纷制定了限制EMC干扰的标准。美国联邦通信委员会(FCC)针对电信设备设置了最低合规标准,法规的第15部分规定了防止有害射频干扰所需的干扰测试。

欧盟颁发的R&TTE指令99/5/EG适用于所有无线电控制产品。加拿大工业部也规定了无线电设备合规的一般要求(RSS-GEN),其他国家和地区也都有类似的法规。

监管机构针对每类EMC都会颁发相应的标准,包括允许的噪声级别和批准的测试流程。政府机构通常要求公司在发布新产品之前,根据相关标准进行测试和认证。

不同的标准在国际电工委员会(IEC)等全球标准主管部门的授权下,可用于不同的行业。对于工业设备,IEC 61000-6-2规定的EMC抗扰度对于IEC61000-6-4 来说却是常规干扰级别。很多应用都有它们自己的标准:例如,IEC 60974-1特别适用于弧焊机电源,而IEC 60974-10则规定了弧焊机EMC要求。

EMC和无线网络

虽然工业有线网络已有几十年的历史,也使用以太网和CAN(控制器局域网络Controller Area Network)等标准,但随着低成本、低功耗无线网络的崛起,构建IIoT工厂也越来越方便了。下面是工业应用采用无线解决方案的几点原因:

  • 更出色的移动性,能够移动设备并轻松连接智能手机和平板电脑

  • 无需昂贵的线缆

  • 快速方便的安装和调试,尤其是远程或不方便操作的位置

  • 更出色的灵活性和远程更新能力

  • 设备能够轻松集成到网络

在过去十年间,已制定了多个用于互联工厂的无线标准。下表列出了一些主要的标准以及它们在 IIoT中的应用:

IEEE标准

主要用途

IIoT应用

802.11

无线局域网(WLAN

Wi-Fi

802.15.4

低速个人区域网(LR-PAN)

ZigBee、WirelessHART、6LoWPAN

802.15.1

无线个人区域网(WPAN)

Bluetooth

IIoT架构师们尤为钟爱基于IEEE 802.15.4的网络,因为这类网络更适合IIoT传感器节点的小数据包和低更新速度。另一方面,802.11 WLAN设备必须能够适应视频流等应用,从而大大增加了复杂度和功耗。

很多无线产品都能在一个器件中处理一个或多个IIoT协议。例如,Texas Instruments提供的CC2630无线微控制器单元(MCU)具备6LoWPAN、ZigBee和TI自己的SimpleLink功能。

此器件属于CC26xx系列中高性价比的超低功耗2.4-GHz RF器件。CC2630包含运行频率为48 MHz的32位ARM Cortex-M3处理器内核,以及搭载ARM Cortex-M0的RF块。其中内置的超低功耗传感器控制器,能够在系统休眠模式下与外部传感器交互并收集模拟和数字数据,使得该器件成为了IIoT低功耗远程传感器节点应用的理想之选。

作者简介

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作为一名自由技术撰稿人,Paul Pickering写过很多文章,涉及的主题包括半导体元件与技术、无源器件、封装、电力电子系统、汽车电子、物联网(IoT)、嵌入式软件、EMC和替代能源。Paul在电子行业拥有超过35年的工程和市场营销经验,对汽车电子、精密模拟器件、功率半导体、嵌入式系统、逻辑器件、飞行模拟和机器人领域均有涉猎。他还熟练掌握了数字和模拟电路设计、嵌入式软件和网络技术。Paul出生于英格兰东北部,曾在欧洲、美国和日本生活和工作。他拥有伦敦大学皇家霍洛威学院的物理与电子学士学位,并在塔尔萨大学攻读了研究生。

精彩内容未完待续......

Texas Instruments CC2650 SimpleLink™ 超低功率无线微控制器:

https://www.mouser.cn/new/Texas-Instruments/ti-cc26xx-simplelink/

原文链接:

https://www.mouser.cn/applications/industry-4-0-noise/

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