工业物联设备如何符合电磁兼容之通论

工业4.0战略由德国信息技术、电信与新媒体协会、德国机械设备制造业联合会和德国电气与电子工业协会在2013年汉诺威工业博览会上提出，后来发展成为国家战略。第四次工业革命在工业领域的突破在于：工业中的机器设备是可以被编程的（通过内联网或者直接相互连接），并按照指定程序被操控。设备可通过互联网提供的数据自行操作，不再需要人为手动操作设备。这也是工业物联网的概念，任何可被编程的机器设备在互联网中都可以成为连接点和端点。如：二维码识读设备、射频识别(RFID)装置、红外感应器、激光扫描器、CCD影像识别装置、语音识别装置、身体语言（面部表情、肢体动作、手势）识别装置等，这些装置极其容易产生干扰和抗干扰问题，并且系统"智能"是工业4.0的核心，体现在生产数据信息的自识别、自协调和自管理。在这个过程中，及时、准确、可靠的在线传感与无线通信尤显重要。随着5G技术的规模化应用，超低的时延极大地提高了智能工厂设备的高效运行。场景的丰富以及技术的保障，对于自动化设备的通信及工作安全提出了更高的电磁兼容要求。

工业自动化设备包含流水线设备和专用的工业设备， 是工业物联网的硬件基础。本文基于电磁兼容的基本概念，以各国的法规要求以及产品系统的设计为基础，为大家介绍工业4.0环境下工业自动化设备的电磁兼容性的必要性。


一、电磁兼容的历史

电磁兼容（EMC）是指，装置、设备单元或系统在其电磁环境中能够正常工作（抗扰度），并且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰（发射）的能力。电磁干扰是人们早已发现的古老问题，1881年，英国科学家希维塞德发表了《论干扰》一文，从此拉开了电磁干扰问题研究的序幕。此后，随着电磁辐射、电磁波传播的深入研究以及无线电技术的发展，电磁干扰控制和抑制技术也获得了发展。

电磁兼容是一门综合性的边缘学科，以电磁理论为基础，涉及机械、电气、通信等等多学科的基础知识，进入中国时间较短。在实行强制的产品认证之后，才在民用领域得到人们的重视并普及起来。

二、电磁兼容的作用

随着智能化和物联网的不断发展，大量技术含量较高、内部结构复杂的电工、电子产品得到广泛使用。然而，电磁干扰导致电工、电子产品的性能下降、无法正常工作的现象时有发生，严重者可造成质量事故和设备损坏及其它无法估量的损失，世界各国都对产品系统的电磁兼容性提出了强制性的法规要求。因此对企业而言，满足电磁兼容性的要求尤为重要。

1. 提高电子设备工作的可靠性

电磁兼容性是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力，电磁干扰是对电子设备工作性能有害的电磁变化现象。电磁干扰不仅影响电子设备的正常工作，甚至造成电子设备中的某些元器件损害。因此，对电子设备的电磁兼容技术要给予充分的重视，既要注意电子设备不受周围电磁干扰，能够正常工作，又要注意电子设备本身不对周围其它设备产生电磁干扰，影响其它设备正常运行。

2. 满足各个国家地区的电磁兼容法规要求

此外，如北美的FCC以及IC认证，日本的PSE以及澳洲的RCM等等强制性的认证要求。

3. 为了人身安全

电磁波通过与电爆装置的控制电路感应耦合，形成的干扰电流可能引起电爆装置的爆炸。因此GJB786中规定，电引爆器导线上的电磁干扰感应电流和电压必须小于最大不发火电流和电压的15％。另外，各种燃油在强电磁场的作用下（直接照射、电火花、静电放电）有发生燃烧和爆炸的危险；电磁能量通过对人体组织的物理化学作用会产生有害的生理效应。因此，为了人身和某些特殊材料的安全，GJB786中还规定，电子设备的电磁辐射量连续波的平均功率密度不允许超4mW/cm2，脉冲波的平均功率密度不允许超过2mW/cm2。

为了使产品成为商品之前就符合相应的电磁兼容标准，在开发过程中进行必要的电磁兼容检测将极大的有利于产品自身性能的稳定和质量的提高，更能节约成本。

三、电磁兼容的设计

电磁兼容的设计是一个系统工程，越早介入产品系统的研发，也能节省企业的费用， 尽快产品的上市周期，电磁兼容设计的基本原理，可以分为三个维度：

1. 任何的产品都可以拆分为器件、电路、设备、分系统以及系统，在设计的每一阶段考虑电磁兼容的问题；
2. 从电磁兼容的三要素着手，清晰辨明哪些是干扰源，哪些是敏感源，哪些是耦合路径；
3. 清楚系统内、系统间、系统与环境之间的电磁兼容影响机理和逻辑。

将以上三者结合并采取具体的电磁兼容措施和设计方法，例如下列方法，适合于系统集成商，整个设计可以大体分为三层，最下端的供应商的管理和关键零部件的电磁兼容控制，第二层的线束走线的处理，和关键元器件的布局，第三层系统的接地设计，屏蔽设计和滤波设计。

在每一阶段形成完整的文件记录，合并进入产品的项目管理体系。通过长期的积累，形成企业自身的电磁兼容管理体系，进而运用管理体系规范后期的产品设计，形成良性的循环，节省企业的费用和时间。

在工业4.0信息物理系统网络里，无线通信和无线移动通信技术被普遍应用，如无线RFid射频技术、蓝牙技术，Wifi技术，5G技术等，主要设备包括信号发生装置和接收装置，涉及参数有时间频率、频率响应、相位、功率、占空比、灵敏度、调制带宽、互调衰减、辐射杂散、传导杂散、电磁兼容性和抗扰性等。无线电频率是一种宝贵的自然资源，由国家根据无线电设备特性、技术要求、业务功能的不同，分配给予不同频段的频率进行使用，如此复杂的频谱分配下，如何做到设备之间不相互干扰，有意的电磁场发射不会对人体健康产生危害，也是产品电磁兼容设计的一个大的课题，为此，欧盟ETSI，美国FCC等都提出了相应的标准规范，为企业产品设计提出了新的命题。

工业4.0和智能制造为我们展现了一幅全新的工业蓝图，在新的发展背景下，企业需要进一步的加强电磁兼容设计和管理，把设计融入整个产品系统的生命周期管理，为迎接真正的物联网时代的到来做好充分的准备。

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