作者： Paul Pickering 圖1:物聯網工廠糅合了新老技術。這是一個具有挑戰性的EMC環境，特別是對于低功耗的無線設備。(圖片來源:德州儀器) 我們都知道，工廠是一個嘈雜的地方：因噪音引起的聽力受損是美國最常見的職業病之一，但處于這種風險之中的不僅僅是人類。有些看不見也聽不到的電子噪音會對傳感器和通信系統造成嚴重的破壞，尤其是工業物聯網(IIoT)，即工廠4.0。 為何這種電子“聽覺損耗”趨勢在不斷上升?IIoT的目標是利用大數據來獲取行業專家所謂的“可行的見解”，提高運營效率、節約資金、并在事故發生前預測故障。若要收集大量的數據并將其放入云端，首先要添加數千個靈敏的傳感器，以監控工業流程的各個方面。且這些傳感器必須在一個從未進行針對性設計的環境中工作。 EMC和連接工廠 維基百科將電磁兼容(EMC)定義為“電子工程的分支，與電磁(EM)能量非目的性的生成、傳播和接收有關，可能會導致不良的影響，如電磁干擾(EMI)或對操作設備的物理損壞等”。EMC有兩種主要的影響因素：EM輻射或非預期EM能量的生成，以及EM的磁化率，即設備受EM能量影響的程度。我們可以根據EM傳播的方式——輻射或傳導，將其分為四個不同的研究方向及四組問題。圖2展示了EMC傳播的機制。 圖2:電磁輻射傳???機制。(圖片來源:維基百科) 為何工廠會處于一個具有挑戰性的EMC環境中？圖1展示了一個典型的IIoT場景：在低功耗低電壓模擬和數字技術發展之前，工廠安裝了大量有線和無線傳感器及通信網絡。這些設備當下的設計通常需要1V或更少的功率，并有可能受到電源線和接地線路毫伏的干擾。更糟糕的是，由于最初的工廠設計師沒有預見到IIoT低功率無線設備的廣泛應用，因此便沒有優先考慮在GHz范圍內盡量減少放射。 圖3:工業環境受到寬帶EMI的影響:一些樣品來源如圖所示。(圖片來源:Compliance-club.com) 工廠通常有許多機器，可能為低功率和無線設備造成一些EMC問題。例如，電弧焊機可能成為輻射和傳導干擾源：從弧脈沖發出輻射射頻(RF)能量，從電源線和接地線路的電壓諧波和波動中傳導能量。同時，其他的機器可能還受到放射和磁化問題的干擾。圖3展示了EMI及其頻率的一些常見來源。 一些適用的EMC標準 正如預期，由于嘈雜的設備可能會造成很大的影響，世界各國政府已制定了管理EMC性能的標準。美國聯邦通信委員會(FCC)為電信設備設置了最低的合規標準。FCC規范的第15部分便規定了為防止有害的射頻干擾所需要進行的排放測試。 在歐盟，R& TTE指令99/5/EG適用于所有無線電控制產品。加拿大工業協會有適用于無線電設備的通用合規要求(RSS-GEN)，其他國家也有類似的機構。 監管機構發布的標準涵蓋每個EMC類型允許的級別和批準的測試程序。在公司推出新產品之前，政府機構通常需要對相關標準進行測試和認證。 不同的標準適用于不同的行業，但前提是遵守一些國際權威的標準，如國際電工委員會(IEC)等。對于工業設備，IEC 61000-6-2涵蓋了EMC，以IEC61000-6-4作為通用的放射標準。許多應用程序有其自身的標準：如IEC 60974-1特別適用于電弧焊接機器人的電源供應，IEC 60974-10涵蓋了弧焊機器人EMC的要求。 EMC和無線網絡 盡管工業有線網絡已存在了數十年，并包括以太網、CAN等標準，但是隨著低成本低功耗無線網絡的興起，連接IIoT工廠變得更加容易。在工業應用中使用無線解決方案的原因在于： 更大的靈活性，移動設備的位置更加便捷，以及與智能手機和平板電腦的連接更方便 布線的成本降低 安裝和調試更加快速簡便，尤其是在偏遠或難以訪問的地區 遠程更新的靈活性和便利性更大 可以輕松將設備集成至網絡中 在過去的十年中，連接工廠已經采用了一些無線標準。下表展示了IIoT市場一些主要的競爭標準及其應用: 基于IEEE 802.15.4的網絡對IIoT架構師特別有吸引力，因為它們更適合于小數據包和低更新率的IIoT傳感器節點。另一方面，802.11 WLAN設備必須適應視頻流這樣的應用程序，因為這將極大地增加復雜性和功耗。 許多無線產品可以在單個設備上處理一個或多個IIoT協議。例如，德州儀器的CC2630無線微控制器單元(MCU)，適用6LoWPAN、ZigBee和TI自身的SimpleLink功能。 該設備屬于CC26xx系列，有較好???成本效益，是超低功耗、2.4-GHz射頻的設備。CC2630包含一個32位的ARM Cortex-M3處理器內核，以48 MHz運行，加上一個集成了ARM Cortex-M0的RF塊。它還包括一個超低功耗的傳感器控制器，用于與外部傳感器進行接口，并在系統睡眠模式下收集模擬和數字數據。該功能也使其非常適合于IIoT低功耗遠程傳感器節點應用程序。 將EMC問題最小化的設計 為了獲得良好的EMC性能，設計需要采用多層方法，關注工廠層級的性能，如接地和配電、單個集成電路等。由于許多IIoT的安裝都是經過改造的，所以要完成這項任務變得更加困難，因此，若要重新裝配工廠基礎設施等進行大規模變更，則很難實現，甚至不可能完成。 EMC設計：工廠層級 在工廠層級，良好的EMC性能要從配電系統的設計開始。工廠通常使用高壓AC和DC系統，這就會產生許多與電磁相關的事件，如電力網絡操作或功率因數電容器開關的瞬變，自弧觸點快速瞬變，以及大功率接觸器線圈磁場倒塌。直接或間接的自然事件，如雷擊等，也可導致工廠設備的電壓瞬變。 在車間里，旋轉電機的使用無處不在，從CNC機器到泵或工業機器人等。而它們也是EMI的主要原因，尤其是“弧和火花”刷刷過的DC電機；即使是無刷電機(BLDC)也有PWM控制，可以產生高速的開關瞬變。現場巡視可以幫助識別射頻噪聲的來源，并將主要的觸發點隔離和屏蔽。 圖4:“我不知道為什么會有EMC問題”(圖片來源:ThereIFixedIt.com) 現代工廠通常還有幾英里通過管道連接的線路，環繞在地板、內墻和天花板上。在舊式的安裝中，這些線路可能被隨意安裝，且使用年代之久，如圖4所示。從高壓、高電流功率信號，到低層傳感器的輸入和輸出，這些線路發揮著重要的作用。在工廠層級，線路可以看作一個大天線，從內部和外部傳輸和接收輻射電力噪聲。將長線運行所形成的環面積最小化則有助于降低噪音。 布線也可以傳播噪音。例如，電感耦合噪聲可以從一根電線傳到下一根。屏蔽電纜以防護噪聲敏感信號是減少噪聲的重要因素。盡管最初的成本很高，但若在安裝之后才隔離及解決EMC問題，可能成本將更高。例如，Belden的9536電纜包括6個24 AWG的絞合鍍錫銅導體、半硬質的PVC絕緣以及可以100%覆蓋的防漏線。對于在5e 100BaseTX網絡通信中使用的電纜槽，Belden的796x電纜提供了四個導體和一個編制屏障，具有工業級的防曬和耐油PVC外層。 其他的供應商，如Glenair，提供了一系列靈活的編織套管、管道和配件，以提供EMI保護。例如，Glenair的Armorlite是鍍鎳不銹鋼EMI/RFI編織外殼，針對260°C高溫的應用程序而設計。 EMC設計：系統層級 圖5展示了典型的IIoT節點級設備的框圖。它包含了引起EMC問題的各種組件：通過電力供應或有線通信線路，噪音可以進入或消失，且無線接口可以接收或發射輻射噪聲。 圖5: 不管是放射還是磁化，IIoT傳感器節點可能是EMC問題的來源。(圖片來源: Mouser Electronics) 為了減少磁化率或放射，在噪音進入或離開開發板的位置點（連接器）時便終止噪音是一種非常有效的方法。 過濾后的連接器將標準連接器與EMI/RFI抑制組件結合在一起，可以幫助解決EMC問題。過濾器元件封裝在連接器中，將可用的PCB區域最大化，其相比標準的連接器和離散過濾組件，大量減輕了重量。 例如，Harting的D-sub連接器使用鐵氧體過濾器塊來阻止高頻。這種D-sub形狀因子在工業應用中廣泛使用，且Harting連接器有第9、15、25和37接觸版本。 圖6:密封過濾器有效地過濾了DC電線噪聲。(圖片來源: Mouser Electronics) 通常，有必要為高壓DC輸電線提供離板EMC過濾。如圖6所示的API 51f-726-002 EMC過濾器則針對螺紋孔或通孔安裝而設計。在嚴酷的工業環境中，兩端的樹脂密封可以提供保護。在選擇C、L或Pi濾波器時，它們能有效地過濾DC輸電線的噪聲，并能處理高達500V DC/220 V AC(400 Hz)的電壓。