智能制造工廠電磁環(huán)境影響研究及政策建議

0 引 言

隨著智能制造與生活的融合度越來越高，智能產(chǎn)品逐漸應用到現(xiàn)實生活，且已滲透進了工業(yè)、醫(yī)學、服務(wù)、教育、生活等多個領(lǐng)域。結(jié)合全球智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，保守估計未來幾年全球智能制造行業(yè)將保持 15% 左右的年均復合增速，預計到 2023 年全球智能制造的產(chǎn)值將達 2.3 萬億美元左右 [1]。

在現(xiàn)階段傳統(tǒng)模式運行下，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，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、電弧焊機、傳感器、交換機等，其工作時均會不可避免地產(chǎn)生大量的電磁干擾 ；配置的大型設(shè)備、金屬機箱、機柜等金屬材質(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、復雜，這對于電磁環(huán)境本身及其對產(chǎn)品性能與質(zhì)量的影響日漸突出。

1 國內(nèi)外智能制造工廠對復雜電磁環(huán)境的研究

電磁干擾通過電磁傳導、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、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、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)要同時進行密集、高效、精準的互聯(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)機器人等）的系統(tǒng)集成 [6]。市場的穩(wěn)步推進帶動了供應商的蓬勃發(fā)展，在工業(yè)自動化、工業(yè)軟件、智能裝備、整體解決方案等各個領(lǐng)域涌現(xiàn)出眾多不同類型的供應商。據(jù)不完全統(tǒng)計，有超過 1.2 萬家智能制造裝備、工業(yè)自動化、工業(yè)軟件供應商等參與了各類智能制造項目。

案例一 ：基于工業(yè)無源光纖網(wǎng)絡(luò)（PON）的工程機械互聯(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、運行、管理作為整體進行控制與管理，促進信息化與工業(yè)化深度融合。項目實施后，實現(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，達到了千兆高帶寬。實現(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)建低時延、高可靠、廣覆蓋的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了企業(yè)智能制造車間信息的高速橫向集成。

案例二 ：針對設(shè)備信息實時監(jiān)控及安全運行需求，提供遠程運維解決方案 [2]。哈爾濱電氣集團有限公司研制了“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)和電廠集聚在這個平臺上，實現(xiàn)了發(fā)電設(shè)備運行信息的資源共享，抗電磁干擾性能較高，通過感知器件對發(fā)電機組的數(shù)據(jù)采集，可隨時檢測到機組的運行情況。項目實施后，實現(xiàn)了對三峽、向家壩及溪洛三個電站中發(fā)電機生產(chǎn)的十八臺巨型水輪發(fā)電機組的遠程診斷工作，為用戶提供及時準確的服務(wù)，保證機組的安全運行。

案例三 ：針對設(shè)備老化、勞動強度大的問題，提供機電一體化改造解決方案 [2]。菲尼克斯根據(jù)客戶需求，對象鼻嘴電站及月兒山電站進行機電一體化改造。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），保證整個下位控制系統(tǒng)快速響應上位要求、快速采集現(xiàn)場信號。項目實施后，滿足自動發(fā)電控制和自動電壓控制的要求，電站維護和調(diào)試工作簡單易行，滿足無人化、少人化值守。

1.2 國外研究機構(gòu)對智能工廠電磁環(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的特定指令，以限制任何產(chǎn)品的電磁發(fā)射，加強容許范圍，使產(chǎn)品免受干擾，從而把電磁污染的擴散減至最低，同時制定了關(guān)于住宅、商業(yè)與輕工業(yè)場所的電磁環(huán)境標準。從IEEE 文獻研究中可以看出，國外對電磁環(huán)境研究的特點為 ：

（1）重視電磁兼容性基礎(chǔ)研究，從傳導、輻射、靜電、電磁脈沖等電磁場理論上，研究其對產(chǎn)品質(zhì)量的失效分析機理 ；

（2）重視電磁干擾環(huán)境下的防護與控制措施，設(shè)備和系統(tǒng)本身應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) ； 

（3）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。

國外智能工廠的測量、分析并解決電磁干擾問題的實例介紹如下。

案例一 ：研究對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]。對工廠進行電場強度和幅度概率分布（APD）測量，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，對當前的無線技術(shù)進行漏洞分析，為無線應用原型開發(fā)提出改進建議并實施改造。

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)科學和醫(yī)療（ISM）頻段進行測量，其中包括藍牙，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)生的電磁干擾會對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，提出主動與被動相結(jié)合的抗電磁干擾策略，給出具體的適用于工業(yè)測控系統(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，實施這些策略與措施能夠顯著提高電子測控系統(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)境對無線通信提出了相當大的挑戰(zhàn)，工業(yè)環(huán)境各有不同，可能對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)外文獻中報道了許多以電磁干擾為主要原因的嚴重事故，并證實了對這些苛刻環(huán)境研究的迫切需要。因此，涉及無線通信的工業(yè)應用必須同時滿足嚴格的實時及可靠性要求，否則可能導致經(jīng)濟損失，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1 做好頂層設(shè)計，完善標準體系

借鑒美國、歐盟、日本等發(fā)達國家和地區(qū)經(jīng)驗，注重頂層設(shè)計，加快制定我國智能制造標準化體系發(fā)展戰(zhàn)略。智能制造關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)應用范圍涉及眾多部門和標準化技術(shù)組織，建議在國家智能制造國家標準化總體組、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)未來重點發(fā)展方向。 

（1）深入基層搞好調(diào)研，找準問題、抓住需求，制定出既符合實際又能指導長遠發(fā)展的戰(zhàn)略綱要，發(fā)揮各部門的作用，緊密協(xié)作。 

（2）加強部門協(xié)同配合，在發(fā)展規(guī)劃、扶持政策和人才培養(yǎng)等方面，豐富智能制造標準化體系內(nèi)涵。

（3）理清頂層設(shè)計邊界，做有限的推進，不可能畢其功于一役，不在于制定多少新標準，而在于全社會應用的效果。要與貫徹落實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產(chǎn)權(quán)和自主標準作為“中國創(chuàng)造”重要突破口。

2.2 加大經(jīng)費投入，重視基礎(chǔ)研究

對典型智能制造工廠的電磁環(huán)境進行分析研究，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，進一步優(yōu)化工廠整體布局、性能評估及制造系統(tǒng)驗證等，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)，推動各行業(yè)發(fā)展。增加對電磁環(huán)境研究機構(gòu)工作的經(jīng)費預算，建立穩(wěn)定的經(jīng)費保障。 

（1）增加基礎(chǔ)研發(fā)經(jīng)費投入，加大對研究機構(gòu)的扶持力度，發(fā)揮其公益性作用，重點扶持電磁環(huán)境基礎(chǔ)標準、自主創(chuàng)新標準的制定與實施工作。

（2）設(shè)立電磁環(huán)境技術(shù)及標準化專項經(jīng)費，研究電磁干擾環(huán)境應力下產(chǎn)品失效機理，保證生產(chǎn)的產(chǎn)品能夠保持其設(shè)計的耐環(huán)境能力，提高其對環(huán)境的適應性和可靠性。 

（3）增強中央企業(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)標準，提升智能制造基礎(chǔ)標準的自主可控水平。

2.3 激發(fā)人才動力，推動科技創(chuàng)新

發(fā)揮科技創(chuàng)新和標準化對智能制造的技術(shù)驅(qū)動和引領(lǐng)作用，提升智能制造核心競爭力，推動產(chǎn)業(yè)、標準和科技創(chuàng)新協(xié)調(diào)在更高水平上協(xié)同發(fā)展。 

（1）加強對科研人員的能力培養(yǎng)，尤其注意電磁大數(shù)據(jù)仿真、采集應用等專業(yè)人才培養(yǎng) [10]，加大科技創(chuàng)新獎勵力度，將知識產(chǎn)權(quán)、電磁環(huán)境設(shè)計咨詢及成果轉(zhuǎn)化作為依據(jù)，加強科技與標準互動，推進智能制造電磁環(huán)境標準化評價試點工作。

（2）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，以科技創(chuàng)新提升智能制造產(chǎn)品質(zhì)量水平，促進科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，加快重點標準研制與推廣。 

（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，個性化定制到互聯(lián)工廠，依靠科技創(chuàng)新大力推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，從而提升產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)質(zhì)量，帶動產(chǎn)品向高端轉(zhuǎn)化。

3 結(jié) 語

智能化的普及與應用雖提高了生產(chǎn)效率，但也給電磁環(huán)境控制帶來了新的挑戰(zhàn)。目前，我國對該領(lǐng)域的研究技術(shù)論文較少，國內(nèi)企業(yè)還沒意識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，并以此分析其特點的重要性提供有力支撐，更好地指導智能化產(chǎn)業(yè)發(fā)展。