智能制造工廠(chǎng)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(lái)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(lái)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(wàn)億美元左右 [1]。

在現(xiàn)階段傳統(tǒng)模式運(yùn)行下，融入有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)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(chǎng)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(chǎng)中的噪聲源主要包括電磁閥、電子開(kāi)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(wú)聲的電磁波反射、散射，這一系列現(xiàn)象均為工廠(chǎng)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(wú)線(xiàn)解決方案在智能工廠(chǎng)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(chǎng)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(guó)內(nèi)外智能制造工廠(chǎng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的研究

電磁干擾通過(guò)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(wèn)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(guò)程 [3]。

智能制造工廠(chǎng)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(lái)越引起廠(chǎng)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(lèi)智能制造工廠(chǎng)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(lái)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(wèn)題。

1.1 國(guó)內(nèi)智能制造工廠(chǎng)電磁環(huán)境成功解決案例

智能制造工廠(chǎng)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(lèi)型的供應(yīng)商。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有超過(guò) 1.2 萬(wàn)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(lèi)智能制造項(xiàng)目。

案例一 ：基于工業(yè)無(wú)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，將企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)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(mǎn)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(chē)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)將發(fā)電設(shè)備的制造企業(yè)和電廠(chǎng)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(guò)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(hù)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(wèn)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(hù)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(guò)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(mǎn)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(jiǎn)單易行，滿(mǎn)足無(wú)人化、少人化值守。

1.2 國(guó)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)智能工廠(chǎng)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(guó)外對(duì)電磁環(huán)境研究的特點(diǎn)為 ：

（1）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) ； 

（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(guó)外智能工廠(chǎng)的測(cè)量、分析并解決電磁干擾問(wèn)題的實(shí)例介紹如下。

案例一 ：研究對(duì)智能造紙廠(chǎng)無(wú)線(xiàn)工業(yè)通信系統(tǒng)的電磁干擾破壞性影響 [7]。對(duì)工廠(chǎng)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(chǎng)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(wú)線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行漏洞分析，為無(wú)線(xiàn)應(yīng)用原型開(kāi)發(fā)提出改進(jìn)建議并實(shí)施改造。

案例二 ：研究智能車(chē)載零部件工廠(chǎng)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(wú)線(xiàn)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(jiàn)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(wú)線(xiàn)技術(shù)或電磁輻射引起，工業(yè)和工廠(chǎng)設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)對(duì)無(wú)線(xiàn)性能造成較大破壞。

案例三 ：研究智能注塑工具成型工廠(chǎng)中電磁噪聲的原因 [9]。通過(guò)對(duì)工廠(chǎng)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(xiàn)、布線(xiàn)、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(chǎng)環(huán)境對(duì)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信造成特殊障礙。在過(guò)去快速發(fā)展的幾年中，國(guó)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(wú)線(xiàn)通信的工業(yè)應(yīng)用必須同時(shí)滿(mǎn)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(guó)、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，注重頂層設(shè)計(jì)，加快制定我國(guó)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(mén)和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)組織，建議在國(guó)家智能制造國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化總體組、專(zhuān)家咨詢(xún)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(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向。 

（1）深入基層搞好調(diào)研，找準(zhǔn)問(wèn)題、抓住需求，制定出既符合實(shí)際又能指導(dǎo)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略綱要，發(fā)揮各部門(mén)的作用，緊密協(xié)作。 

（2）加強(qiáng)部門(mén)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。

（3）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(guó)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(chǎng)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(chǎng)電磁環(huán)境特點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化工廠(chǎng)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(chǎng)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。 

（1）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(zhuān)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(chǎng)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(zhēng)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。 

（1）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(zhuān)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(xún)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。

（2）建立智能制造工廠(chǎng)電磁大數(shù)據(jù)庫(kù)，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(chǎng)，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(yǔ)

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(lái)了新的挑戰(zhàn)。目前，我國(guó)對(duì)該領(lǐng)域的研究技術(shù)論文較少，國(guó)內(nèi)企業(yè)還沒(méi)意識(shí)到或還沒(méi)能找到較好的技術(shù)方案，本文歸納國(guó)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。