Factory 4.0: самые большие проблемы создает шум, который нельзя услышать

Промышленный интернет вещей IIoT, также известный как Factory 4.0, подразумевает использование низковольтных, маломощных, аналогово-цифровых и беспроводных устройств во враждебной среде с высоким уровнем электромагнитных помех. Для обеспечения хороших показателей ЭМС необходимо внимательно относиться к деталям на всех уровнях, от организации фабричного здания до конструкции отдельных плат.
1679
В избранное

Известно, что заводской цех может быть очень шумным местом: потеря слуха из-за высокого уровня шума –  одно из самых распространенных профессиональных заболеваний. Однако в зоне риска находятся не только люди. Невидимый и неслышимый электронный шум может нанести ущерб датчикам и системам связи. Эта проблема стала особенно актуальной с момента появления Промышленного Интернета вещей (Industrial Internet of Things (IIoT)) – Factory 4.0 (рис. 1). 

Завод с IIoT - среда с высоким уровнем электромагнитных помех, что критично для маломощных беспроводных устройств

Рис. 1. Завод с IIoT - среда с высоким уровнем электромагнитных помех, что критично для маломощных беспроводных устройств

Почему потеря «электронного слуха» стала частым явлением? IIoT – это в первую очередь работа с большими массивами данных, которые необходимы для выполнения действий, направленных на повышение операционной эффективности, предотвращение аварий и экономию средств. Сбор огромного объема данных и их дальнейшее хранение в облаке начинается с внедрения тысяч датчиков для мониторинга всех аспектов промышленных процессов. Эти датчики должны надежно работать в изначально не предназначенных для этого условиях.

ЭМС и завод с IIoT

Википедия определяет электромагнитную совместимость (ЭМС) как «способность технических средств одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на них непреднамеренных электромагнитных помех (ЭМИ) и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам».

Таким образом, в рамках обеспечения электромагнитной совместимости оборудование генерирует собственные электромагнитные помехи, оставаясь устойчивым к воздействию внешних электромагнитных помех. На рис. 2 показаны механизмы распространения ЭМИ.

Механизмы передачи электромагнитных помех

Рис. 2. Механизмы передачи электромагнитных помех

Почему же обеспечение ЭМС в заводских условиях становится такой сложной задачей? На рис. 1 показан типовой вариант построения IIoT: широкий спектр проводных и беспроводных датчиков и сетей внедряется на заводе, построенном задолго до того, как появились низковольтные аналоговые и цифровые технологии. Напряжение питания для современных электронных компонентов зачастую составляет 1 В или даже меньше, поэтому милливольтные помехи, распространяемые по цепям питания, потенциально могут нарушить их работу. Однако это не единственная проблема. Так как инженеры, проектировавшие завод, не могли предвидеть широкое распространение беспроводных IIoT-устройств с низким энергопотреблением, то минимизация выбросов в гигагерцевом диапазоне, вероятно, не была их приоритетной задачей.

На обычной фабрике, как правило, размещено множество промышленных машин, которые способны вызвать проблемы с ЭМС для маломощных и беспроводных устройств. Например, дуговая сварка является источником радиочастотных и кондуктивных помех. Радиочастотные помехи возникают из-за импульсов дуги, а кондуктивные – следствие колебаний напряжения питания.

Некоторые промышленные машины, являясь источником мощных помех, не всегда устойчивы к воздействию ЭМИ. На рис. 3 показаны некоторые общие источники ЭМИ и их частоты.

Некоторые примеры возникновения электромагнитных помех различного происхождения

Рис. 3. Некоторые примеры возникновения электромагнитных помех различного происхождения

Некоторые стандарты ЭМС

Одно шумное устройство может нарушить работу остального оборудования. Для борьбы с этим явлением были разработаны стандарты, регулирующие ЭМС. В США Федеральная комиссия по связи (FCC) устанавливает минимальные требования по ЭМС для телекоммуникационного оборудования. В правилах FCC описываются испытания, выполнение которых необходимо для предотвращения возникновения вредных радиопомех.

В Европейском союзе директива R&TTE 99/5/EG применяется ко всем радиоуправляемым устройствам. В Канаде существуют общие требования к совместимости радиоаппаратуры (RSS-GEN). В других странах действуют аналогичные стандарты.

Регулирующие органы выпускают стандарты, определяющие допустимые уровни и методики испытаний для каждой категории ЭМС. Прежде чем компания начнёт выпуск нового устройства, правительственные агентства обычно требуют тестирования и сертификации в соответствии с существующими правилами.

Многие стандарты, применяемые к разным отраслям промышленности, контролируются Международной электротехнической комиссией (МЭК). Стандарты IEC 61000-6-2 и IEC61000-6-4 являются базовыми для промышленного оборудования. Различные области имеют собственный набор стандартов: например, IEC 60974-1 применяется к источникам питания роботов для дуговой сварки, а IEC 60974-10 устанавливает требования к электромагнитной совместимости данных роботов.

EMC и беспроводные сети

Проводные промышленные сети используются уже несколько десятилетий. Наиболее распространёнными стандартами являются Ethernet и CAN. Однако в последнее время процесс внедрения IIoT-устройств упростился благодаря появлению недорогих беспроводных сетей с низким энергопотреблением.

Отметим следующие преимущества использования беспроводных решений в промышленных приложениях:

  • мобильность, гибкость и простота взаимодействия со смартфонами и планшетами;
  • отсутствие дорогостоящих кабелей;
  • быстрая и простая установка и ввод в эксплуатацию, особенно в удаленных или труднодоступных местах;
  • возможности для удаленного обновления;
  • простая интеграция устройств в сеть.

В течение последнего десятилетия некоторые стандарты беспроводной связи стали использоваться на промышленных предприятиях. В приведенной ниже таблице 1 показаны некоторые стандарты и их применение в IIoT.

Таблица 1. Применение стандартов IEEE в промышленном интернете вещей

Стандарт IEEE

Назначение

Применение в IIoT

802.11

Беспроводные локальные сети WLAN

Wi-Fi

802.15.4

Беспроводные персональные сети с низким уровнем скорости

ZigBee, WirelessHART, 6LoWPAN

802.15.1

Беспроводные персональные сети

Bluetooth

Беспроводные WLAN-устройства 802.11 должны поддерживать высокоскоростные приложения, например, передачу потокового видео, что влияет на энергопотребление и усложняет процесс работы. Сети на основе IEEE 802.15.4 больше подходят для реализации IIoT и обмена с IIoT-датчиками, которые используют короткие пакеты данных и низкую скорость передачи. 

Многие устройства имеют одновременную поддержку одного или нескольких беспроводных протоколов. Например, Texas Instruments предлагает беспроводной микроконтроллер CC2630 (MCU) с поддержкой 6LoWPAN, ZigBee и дополнительного функционала платформы SimpleLink от TI.

Данный микроконтроллер построен на базе 32-битного процессорного ядра ARM Cortex-M3, работающего на частотах до 48 МГц. Он относится к семейству недорогих, малопотребляющих, 2,4 ГГц беспроводных микроконтроллеров CC26xx.

CC2630 содержит дополнительный радиопередающий блок, использующий ядро ARM Cortex-M0, и контроллер датчиков, который обеспечивает взаимодействие с внешними датчиками и собирает аналоговые и цифровые данные, в то время как микроконтроллер находится в спящем режиме. Эта особенность делает CC2630 подходящим вариантом для создания небольших автономных IIoT-устройств с низким энергопотреблением.

Минимизация проблем ЭМС на этапе проектирования

Для обеспечения хороших результатов необходимо уделять внимание вопросам электромагнитной совместимости на всех уровнях, начиная с этапа проектирования промышленного предприятия, - например, при организации заземления и распределения мощности, - и заканчивая использованием каждой отдельной интегральной микросхемы. Задача усложняется тем, что зачастую IIoT внедряется на уже существующих заводах, поэтому глобальные изменения, такие как перестройка фабричной инфраструктуры, трудно выполнимы или практически невозможны.

Обеспечение ЭМС: на уровне завода

На этом уровне обеспечение хороших показателей ЭМС начинается с грамотного проектирования электрических сетей. На обычном заводе используются высоковольтные системы переменного и постоянного тока, которые могут быть средой возникновения электромагнитных помех: например, длительных скачков напряжений при работе мощных потребителей или при коммутации емкостной нагрузки; быстрых помех от разрядов между размыкающимися контактами или от переменных магнитных полей в мощных катушках контакторов (рис. 4). Природные явления (удары молнии) также вызывают мощные помехи.

Практически в любом промышленном цеху используются вращающиеся машины: от станков с ЧПУ до насосов или промышленных роботов. К сожалению, они также являются причиной возникновения электромагнитных помех. Это в первую очередь относится к щеточным двигателям постоянного тока, работа которых связана с постоянными разрядами при коммутации обмоток. Однако даже бесщеточные двигатели (BLDC), управляемые с помощью ШИМ, становятся источником высокочастотных шумов. При организации цеха необходимо выявлять источники радиочастотного шума для их дальнейшего отделения от чувствительного оборудования и экранирования.

«Я понятия не имею, почему у нас проблемы с ЭМС»

Рис. 4. «Я понятия не имею, почему у нас проблемы с ЭМС».

Эффективным способом борьбы с шумами является их ограничение на входе или на выходе платы, то есть на разъемах.

Соединитель с фильтром объединяет стандартный разъем и компоненты подавления электромагнитных помех. Это эффективно решает проблему ЭМС. Размещение фильтрующих элементов внутри корпуса соединителя экономит место на печатной плате и снижает вес устройства по сравнению с использованием стандартного разъема и отдельных фильтрующих компонентов.

Например, компания Harting предлагает линейку разъемов D-sub, имеющих встроенный ферритовый фильтр для блокировки высокочастотных помех. Форм-фактор D-sub широко используется в промышленности. Разъемы Harting поставляются с числом контактов 9, 15, 25 и 37.

Зачастую необходимо обеспечить фильтрацию помех на высоковольтных линиях питания постоянного напряжения. Проходные фильтры EMC API 51F-726-002, показанные на рис. 5, предназначены для монтажа в отверстия с резьбой и без резьбы. Они с обеих сторон залиты компаундом, что обеспечивает защиту при работе в суровых промышленных условиях. Благодаря встроенным фильтрам C, L или Pi изделия EMC API 51F-726-002 эффективно подавляют шумы на линиях питания постоянного тока и могут выдерживать напряжения до 500 В DC/ 220 В AC (400 Гц).

Герметичные фильтры эффективно подавляют шумы на линиях питания постоянного напряжения

Рис. 5. Герметичные фильтры эффективно подавляют шумы на линиях питания постоянного напряжения

Существуют варианты решения проблем с ЭМС на базе интегральных микросхем. Микросхемы из семейства TPDxF003 от компании Texas Instruments представляют собой фильтры, предназначенные для подавления помех и системной защиты от электростатических разрядов (ESD). При этом каждая из микросхем способна защитить от разрядов, мощность которых превышает максимальный уровень, определенный стандартом IEC 61000-4-2.

 ЭМИ можно ограничить посредством высокочастотной фильтрации: микросхемы имеют полосу пропускания -3 дБ 200 МГц, ослабляя сигнал на 25 дБ и больше на частоте 1 ГГц.

Доступны четырех-, шести- или восьмиканальные микросхемы.

Чтобы защититься от электромагнитных помех, многие устройства экранируют с помощью заземленного корпуса, образующего клетку Фарадея. Такое решение также предотвращает распространение собственных помех во внешнюю среду.

Обеспечение ЭМС: уровень устройства

Проанализируем уровень отдельной печатной платы или устройства. Помехи, возникающие на плате, могут вызвать проблемы в другой области платы. Например, широкополосные шумы, возникающие при тактировании цифровых микросхем или при работе импульсных источников питания, приводят к ошибкам при выполнении аналоговых измерений.

Правильное расположение элементов на плате и грамотное выполнение проводящего рисунка являются гарантиями того, что сигналы из одной части схемы не будут влиять на работу других частей схемы.

Вот некоторые базовые рекомендации:

  • Ограничивайте скорость фронтов и спадов сигналов для минимизации высокочастотных составляющих.
  • Уменьшайте площадь паразитных контуров на печатной плате.
  • Разделяйте земляные проводники цифровых и аналоговых блоков. Используйте их включение «звездой» в одной точке.
  • Прокладывайте проводники питания и земли друг над другом, чтобы минимизировать паразитный контур и снизить импеданс.
  • Используйте сигналы тактирования с функцией сглаживания для получения распределенного частотного спектра и уменьшения радиопомех.
  • Используйте заземляющие слои под шумными компонентами, такими как микроконтроллеры.

Так как при разработке устройства необходимо учитывать множество факторов, в том числе особенности размещения компонентов и корпусных элементов, для достижения приемлемого результата может потребоваться несколько итераций проектирования.

Заключение

Эта статья представляет собой лишь краткий обзор сложной темы. Чтобы узнать больше, следует ознакомиться с информацией от ведущих производителей электронных компонентов.

У Texas Instruments есть полезное руководство по проектированию печатных плат, помогающее минимизировать генерацию и влияние электромагнитных помех. TDK предлагает руководство «Guide Book For EMC», в котором исследуется значение пассивных компонентов (ферритов, конденсаторов, синфазных фильтров и варисторов) для получения хороших показателей ЭМС. У Analog Devices есть учебник по ЭМИ и экранированию, который может помочь защитить чувствительные аналоговые схемы.

Промышленный интернет вещей IIoT, также известный как Factory 4.0, подразумевает использование низковольтных, маломощных, аналогово-цифровых и беспроводных устройств во враждебной среде с высоким уровнем электромагнитных помех. Для обеспечения хороших показателей ЭМС необходимо внимательно относиться к деталям на всех уровнях, от организации фабричного здания до конструкции отдельных плат.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
TPD4F003DQDR
TPD4F003DQDR
Texas Instruments
Арт.: 584031 ИНФО PDF
Доступно: 77882 шт.
Выбрать
условия
поставки
Four-Channel EMI Filter With Integrated ESD Protection 8-WSON -40 to 85
TPD4F003DQDR от 25 шт. от 56,16
77882 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TPD4F202YFUR
TPD4F202YFUR
Texas Instruments
Арт.: 584032 ИНФО PDF
Доступно: 81000 шт.
Выбрать
условия
поставки
Four-Channel EMI Filter With ESD Protection for LCD Display 10-DSBGA -40 to 85
TPD4F202YFUR от 3000 шт. от 15,09
81000 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TPD6F002DSVR
TPD6F002DSVR
Texas Instruments
Арт.: 584034 ИНФО PDF
Доступно: 52063 шт.
Выбрать
условия
поставки
6-Channel EMI Filter for Display Interface 12-SON -40 to 85
TPD6F002DSVR от 9 шт. от 41,66
52063 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TPD6F003DQDR
TPD6F003DQDR
Texas Instruments
Арт.: 584035 ИНФО PDF RD
Доступно: 67615 шт. от: 17.5 руб.
6-Channel EMI Filter for Display Interface 12-WSON -40 to 85
TPD6F003DQDR от 17,50 от 123 шт. 17,50 от 273 шт. 17,50 от 590 шт. 17,50 от 1551 шт. 17,50
2761 шт.
(на складе)
64854 шт.
(под заказ)
TPD3F303DPVR
TPD3F303DPVR
Texas Instruments
Арт.: 682731 ИНФО PDF AN
Доступно: 60697 шт. от: 25.9 руб.
EMI Filter with Integrated VCC Clamp for SIM Card Interface 8-USON -40 to 85
TPD3F303DPVR от 25,90 от 92 шт. 25,90 от 205 шт. 25,90 от 442 шт. 25,90 от 1162 шт. 25,90
2121 шт.
(на складе)
58576 шт.
(под заказ)
TPD3F303DQDR
TPD3F303DQDR
Texas Instruments
Арт.: 682732 ИНФО PDF AN
Доступно: 59420 шт.
Выбрать
условия
поставки
EMI Filter with Integrated VCC Clamp for SIM Card Interface 8-WSON -40 to 85
TPD3F303DQDR от 7 шт. от 215,19
59420 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TPD6F002-Q1EVM
TPD6F002-Q1EVM
Texas Instruments
Арт.: 1900963 ИНФО PDF
Доступно: 26 шт.
Выбрать
условия
поставки
TPD6F002-Q1 6-Ch EMI Filter for LCD Display/Keypad Application Evaluation Module
TPD6F002-Q1EVM от 5467,75
26 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
CC2630F128RHBT
CC2630F128RHBT
Texas Instruments
Арт.: 1914912 PDF AN RD
Поиск
предложений
RF Microcontrollers - MCU 2.4 GHZ SOC SUPPORTING 802.15.4
CC2630F128RHBT от 6 шт. от 645,68
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()