工业4.0中的电子噪声可能会严重影响传感器和通信系统

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。

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。

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＆amp; 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：

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。