0 引 言
隨著智能制造與生活的融合度越來越高,智能產(chǎn)品逐漸應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活,且已滲透進(jìn)了工業(yè)、醫(yī)學(xué)、服務(wù)、教育、生活等多個(gè)領(lǐng)域。結(jié)合全球智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì),保守估計(jì)未來幾年全球智能制造行業(yè)將保持 15% 左右的年均復(fù)合增速,預(yù)計(jì)到 2023 年全球智能制造的產(chǎn)值將達(dá) 2.3 萬億美元左右 [1]。
在現(xiàn)階段傳統(tǒng)模式運(yùn)行下,融入有線或無線互聯(lián)技術(shù),可大大提升效率、降低成本、節(jié)約勞力并提高產(chǎn)量。但同時(shí),智能制造工廠的建設(shè)意味著大量電子電氣設(shè)施的融合,隱藏著電磁干擾隱患。智能工廠中的噪聲源主要包括電磁閥、電子開關(guān)、變頻器、穩(wěn)壓器、伺服電機(jī)、電弧焊機(jī)、傳感器、交換機(jī)等,其工作時(shí)均會(huì)不可避免地產(chǎn)生大量的電磁干擾 ;配置的大型設(shè)備、金屬機(jī)箱、機(jī)柜等金屬材質(zhì)存在無聲的電磁波反射、散射,這一系列現(xiàn)象均為工廠智能裝備的互聯(lián)埋藏了不可忽視的電磁干擾隱患。加之 WiFi,ZigBee,RFID,4G 等無線解決方案在智能工廠中的大量應(yīng)用,與商用和民用互聯(lián)網(wǎng)通信的環(huán)境相比,智能制造工廠電磁環(huán)境更加特殊、復(fù)雜,這對(duì)于電磁環(huán)境本身及其對(duì)產(chǎn)品性能與質(zhì)量的影響日漸突出。
1 國內(nèi)外智能制造工廠對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的研究
電磁干擾通過電磁傳導(dǎo)、輻射的方式耦合到產(chǎn)品中,造成產(chǎn)品內(nèi)部各系統(tǒng)間的電磁干擾問題不斷突出。例如,控制系統(tǒng)產(chǎn)生大系統(tǒng)的誤工作導(dǎo)致關(guān)鍵電子元器件燒毀、電氣絕緣擊穿等。因此,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)兼容性、可靠性、安全性等關(guān)系到質(zhì)量保證的全過程 [3]。
智能制造工廠的電磁環(huán)境及電子設(shè)備對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量可靠性、一致性有重大影響作用,越來越引起廠家的高度重視 [4-5]。隨著發(fā)射功率的增強(qiáng)、智能傳感設(shè)備接收靈敏度的提高,體積小,集成度更高、更靈敏的集成電路的應(yīng)用更加廣泛。各類智能制造工廠中各種電子電氣設(shè)備在有限的空間內(nèi)要同時(shí)進(jìn)行密集、高效、精準(zhǔn)的互聯(lián)協(xié)同工作,由此帶來的設(shè)備之間的磁干擾影響已成為至關(guān)重要且必須解決的問題。
1.1 國內(nèi)智能制造工廠電磁環(huán)境成功解決案例
智能制造工廠系統(tǒng)解決方案主要包括用于研發(fā)、制造、物流、企業(yè)管理等環(huán)節(jié)的各種控制、優(yōu)化和管理系統(tǒng),以及基于智能裝備(工業(yè)機(jī)器人等)的系統(tǒng)集成 [6]。市場(chǎng)的穩(wěn)步推進(jìn)帶動(dòng)了供應(yīng)商的蓬勃發(fā)展,在工業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)軟件、智能裝備、整體解決方案等各個(gè)領(lǐng)域涌現(xiàn)出眾多不同類型的供應(yīng)商。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),有超過 1.2 萬家智能制造裝備、工業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)軟件供應(yīng)商等參與了各類智能制造項(xiàng)目。
案例一 :基于工業(yè)無源光纖網(wǎng)絡(luò)(PON)的工程機(jī)械互聯(lián)互通解決方案 [1]。某企業(yè)基于 PON 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和 3G/4G,WiFi 等無線網(wǎng)絡(luò),將企業(yè)的生產(chǎn)過程控制、運(yùn)行、管理作為整體進(jìn)行控制與管理,促進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合。項(xiàng)目實(shí)施后,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)扁平化,滿足了多業(yè)務(wù)承載,提高了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性,抗電磁干擾能力強(qiáng),達(dá)到了千兆高帶寬。實(shí)現(xiàn)了企業(yè)信息化、工業(yè)生產(chǎn)安全、資源配置優(yōu)化,解決了智能制造信息孤島互聯(lián)。采用工業(yè) PON 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建低時(shí)延、高可靠、廣覆蓋的通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了企業(yè)智能制造車間信息的高速橫向集成。
案例二 :針對(duì)設(shè)備信息實(shí)時(shí)監(jiān)控及安全運(yùn)行需求,提供遠(yuǎn)程運(yùn)維解決方案 [2]。哈爾濱電氣集團(tuán)有限公司研制了“于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)電設(shè)備全生命周期服務(wù)支持系統(tǒng)”,該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)支撐,通過互聯(lián)網(wǎng)將發(fā)電設(shè)備的制造企業(yè)和電廠集聚在這個(gè)平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)了發(fā)電設(shè)備運(yùn)行信息的資源共享,抗電磁干擾性能較高,通過感知器件對(duì)發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集,可隨時(shí)檢測(cè)到機(jī)組的運(yùn)行情況。項(xiàng)目實(shí)施后,實(shí)現(xiàn)了對(duì)三峽、向家壩及溪洛三個(gè)電站中發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的十八臺(tái)巨型水輪發(fā)電機(jī)組的遠(yuǎn)程診斷工作,為用戶提供及時(shí)準(zhǔn)確的服務(wù),保證機(jī)組的安全運(yùn)行。
案例三 :針對(duì)設(shè)備老化、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題,提供機(jī)電一體化改造解決方案 [2]。菲尼克斯根據(jù)客戶需求,對(duì)象鼻嘴電站及月兒山電站進(jìn)行機(jī)電一體化改造。通過使用控制系統(tǒng)提高 CPU 模塊、I/O 模塊的抗沖擊性能,以及抗電磁干擾性能 ;采用可編程邏輯控制器(PLC),保證整個(gè)下位控制系統(tǒng)快速響應(yīng)上位要求、快速采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。項(xiàng)目實(shí)施后,滿足自動(dòng)發(fā)電控制和自動(dòng)電壓控制的要求,電站維護(hù)和調(diào)試工作簡單易行,滿足無人化、少人化值守。
1.2 國外研究機(jī)構(gòu)對(duì)智能工廠電磁環(huán)境研究案例
自 1996 年 1 月起,歐盟所有電子產(chǎn)品均須遵守歐洲委員會(huì)的特定指令,以限制任何產(chǎn)品的電磁發(fā)射,加強(qiáng)容許范圍,使產(chǎn)品免受干擾,從而把電磁污染的擴(kuò)散減至最低,同時(shí)制定了關(guān)于住宅、商業(yè)與輕工業(yè)場(chǎng)所的電磁環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。從IEEE 文獻(xiàn)研究中可以看出,國外對(duì)電磁環(huán)境研究的特點(diǎn)為 :
?。?)重視電磁兼容性基礎(chǔ)研究,從傳導(dǎo)、輻射、靜電、電磁脈沖等電磁場(chǎng)理論上,研究其對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的失效分析機(jī)理 ;
(2)重視電磁干擾環(huán)境下的防護(hù)與控制措施,設(shè)備和系統(tǒng)本身應(yīng)盡可能選用互干擾最小的部件電路,采用屏蔽、接 地、濾波等合理布局技術(shù) ;
?。?)重視與新技術(shù)的相互結(jié)合,如基于智能制造的電磁干擾分析研究。
國外智能工廠的測(cè)量、分析并解決電磁干擾問題的實(shí)例介紹如下。
案例一 :研究對(duì)智能造紙廠無線工業(yè)通信系統(tǒng)的電磁干擾破壞性影響 [7]。對(duì)工廠進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度和幅度概率分布(APD)測(cè)量,以表征工業(yè)造紙廠中的電磁干擾大小,創(chuàng)建電磁環(huán)境模型,對(duì)當(dāng)前的無線技術(shù)進(jìn)行漏洞分析,為無線應(yīng)用原型開發(fā)提出改進(jìn)建議并實(shí)施改造。
案例二 :研究智能車載零部件工廠基礎(chǔ)設(shè)施中的射頻電磁特性 [8]。在 2.4 GHz 工業(yè)科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段進(jìn)行測(cè)量,其中包括藍(lán)牙,ZigBee,WiFi 和超寬帶無線技術(shù)。分析結(jié)果表明,工業(yè)加熱器、射頻照明和焊接設(shè)備是 2.4 GHz ISM 頻段中常見的射頻干擾源,且在工業(yè)電磁環(huán)境中,這種干擾由其他無線技術(shù)或電磁輻射引起,工業(yè)和工廠設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)對(duì)無線性能造成較大破壞。
案例三 :研究智能注塑工具成型工廠中電磁噪聲的原因 [9]。通過對(duì)工廠內(nèi)電磁環(huán)境的調(diào)查,找出其根源電磁噪聲,提出主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的抗電磁干擾策略,給出具體的適用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的屏蔽、吸收、緩沖、濾波、接地、電氣布線、布線、軟件陷阱和軟件消抖等抗干擾措施,實(shí)施這些策略與措施能夠顯著提高電子測(cè)控系統(tǒng)的電磁兼容性能。
2 下一步工作思考和有關(guān)建議
眾所周知,智能制造工業(yè)和工廠環(huán)境對(duì)無線通信提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn),工業(yè)環(huán)境各有不同,可能對(duì)有效的無線通信造成特殊障礙。在過去快速發(fā)展的幾年中,國內(nèi)外文獻(xiàn)中報(bào)道了許多以電磁干擾為主要原因的嚴(yán)重事故,并證實(shí)了對(duì)這些苛刻環(huán)境研究的迫切需要。因此,涉及無線通信的工業(yè)應(yīng)用必須同時(shí)滿足嚴(yán)格的實(shí)時(shí)及可靠性要求,否則可能導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。
2.1 做好頂層設(shè)計(jì),完善標(biāo)準(zhǔn)體系
借鑒美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)經(jīng)驗(yàn),注重頂層設(shè)計(jì),加快制定我國智能制造標(biāo)準(zhǔn)化體系發(fā)展戰(zhàn)略。智能制造關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用范圍涉及眾多部門和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)組織,建議在國家智能制造國家標(biāo)準(zhǔn)化總體組、專家咨詢組的統(tǒng)籌規(guī)劃下,梳理智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系脈絡(luò),把握產(chǎn)業(yè)未來重點(diǎn)發(fā)展方向。
(1)深入基層搞好調(diào)研,找準(zhǔn)問題、抓住需求,制定出既符合實(shí)際又能指導(dǎo)長遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略綱要,發(fā)揮各部門的作用,緊密協(xié)作。
?。?)加強(qiáng)部門協(xié)同配合,在發(fā)展規(guī)劃、扶持政策和人才培養(yǎng)等方面,豐富智能制造標(biāo)準(zhǔn)化體系內(nèi)涵。
?。?)理清頂層設(shè)計(jì)邊界,做有限的推進(jìn),不可能畢其功于一役,不在于制定多少新標(biāo)準(zhǔn),而在于全社會(huì)應(yīng)用的效果。要與貫徹落實(shí)中央提出的一系列重大決策和工作部署相結(jié)合,按照“急用先行、成熟先上”的原則,以加快形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和自主標(biāo)準(zhǔn)作為“中國創(chuàng)造”重要突破口。
2.2 加大經(jīng)費(fèi)投入,重視基礎(chǔ)研究
對(duì)典型智能制造工廠的電磁環(huán)境進(jìn)行分析研究,了解干擾源的噪聲特性,并根據(jù)行業(yè)領(lǐng)域及工廠電磁環(huán)境特點(diǎn),進(jìn)一步優(yōu)化工廠整體布局、性能評(píng)估及制造系統(tǒng)驗(yàn)證等,更好地發(fā)揮電磁環(huán)境基礎(chǔ)研究作用,保障工廠智能制造的安全、有序、可靠生產(chǎn),推動(dòng)各行業(yè)發(fā)展。增加對(duì)電磁環(huán)境研究機(jī)構(gòu)工作的經(jīng)費(fèi)預(yù)算,建立穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)保障。
?。?)增加基礎(chǔ)研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入,加大對(duì)研究機(jī)構(gòu)的扶持力度,發(fā)揮其公益性作用,重點(diǎn)扶持電磁環(huán)境基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、自主創(chuàng)新標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施工作。
(2)設(shè)立電磁環(huán)境技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化專項(xiàng)經(jīng)費(fèi),研究電磁干擾環(huán)境應(yīng)力下產(chǎn)品失效機(jī)理,保證生產(chǎn)的產(chǎn)品能夠保持其設(shè)計(jì)的耐環(huán)境能力,提高其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性。
(3)增強(qiáng)中央企業(yè)和科研院所電磁技術(shù)研究能力,摸清楚各領(lǐng)域智能工廠特殊性,豐富電磁環(huán)境典型數(shù)據(jù),加快研制自主創(chuàng)新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),提升智能制造基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的自主可控水平。
2.3 激發(fā)人才動(dòng)力,推動(dòng)科技創(chuàng)新
發(fā)揮科技創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)智能制造的技術(shù)驅(qū)動(dòng)和引領(lǐng)作用,提升智能制造核心競(jìng)爭力,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)和科技創(chuàng)新協(xié)調(diào)在更高水平上協(xié)同發(fā)展。
?。?)加強(qiáng)對(duì)科研人員的能力培養(yǎng),尤其注意電磁大數(shù)據(jù)仿真、采集應(yīng)用等專業(yè)人才培養(yǎng) [10],加大科技創(chuàng)新獎(jiǎng)勵(lì)力度,將知識(shí)產(chǎn)權(quán)、電磁環(huán)境設(shè)計(jì)咨詢及成果轉(zhuǎn)化作為依據(jù),加強(qiáng)科技與標(biāo)準(zhǔn)互動(dòng),推進(jìn)智能制造電磁環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)試點(diǎn)工作。
?。?)建立智能制造工廠電磁大數(shù)據(jù)庫,做好電磁環(huán)境監(jiān)測(cè),以科技創(chuàng)新提升智能制造產(chǎn)品質(zhì)量水平,促進(jìn)科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力,加快重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)研制與推廣。
(3)發(fā)揮創(chuàng)新引領(lǐng)作用,培育關(guān)于電磁環(huán)境智能制造系統(tǒng)解決方案,個(gè)性化定制到互聯(lián)工廠,依靠科技創(chuàng)新大力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新,從而提升產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)質(zhì)量,帶動(dòng)產(chǎn)品向高端轉(zhuǎn)化。
3 結(jié) 語
智能化的普及與應(yīng)用雖提高了生產(chǎn)效率,但也給電磁環(huán)境控制帶來了新的挑戰(zhàn)。目前,我國對(duì)該領(lǐng)域的研究技術(shù)論文較少,國內(nèi)企業(yè)還沒意識(shí)到或還沒能找到較好的技術(shù)方案,本文歸納國外成功案例,并有針對(duì)性地提出相關(guān)工作建議,為智能化產(chǎn)業(yè)掌握電磁環(huán)境第一手資料,并以此分析其特點(diǎn)的重要性提供有力支撐,更好地指導(dǎo)智能化產(chǎn)業(yè)發(fā)展。