沙長濤

摘 要：智能制造帶來的社會改變堪比當年的工業革命，智能制造工廠電磁環境更加特殊、復雜，對于電磁環境本身及其對產品的性能與質量的影響日漸突出。同時其電磁環境及電子設備對產品質量可靠性、一致性有重大影響，越來越受到廠家的高度重視。文中以智能工廠工業互聯網的大力發展為背景，分析其電磁環境對產品質量的影響，歸納分析國內外智能制造工廠成功解決電磁環境問題的案例，提出重點關注電磁環境對工業互聯網的干擾問題，關于標準體系建設、產業政策扶持及人才激勵培養等相關工作思考和管理的針對性建議。

關鍵詞：智能制造;電磁環境;產品質量;工業互聯網;智能工廠;產業;政策

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

隨著智能制造與生活的融合度越來越高，智能產品逐漸應用到現實生活，且已滲透進了工業、醫學、服務、教育、生活等多個領域。結合全球智能制造的發展現狀和趨勢，保守估計未來幾年全球智能制造行業將保持15%左右的年均復合增速，預計到2023年全球智能制造的產值將達2.3萬億美元左右[1]。

在現階段傳統模式運行下，融入有線或無線互聯技術，可大大提升效率、降低成本、節約勞力并提高產量。但同時，智能制造工廠的建設意味著大量電子電氣設施的融合，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、變頻器、穩壓器、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生大量的電磁干擾;配置的大型設備、金屬機箱、機柜等金屬材質存在無聲的電磁波反射、散射，這一系列現象均為工廠智能裝備的互聯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，與商用和民用互聯網通信的環境相比，智能制造工廠電磁環境更加特殊、復雜，這對于電磁環境本身及其對產品性能與質量的影響日漸突出。

1 國內外智能制造工廠對復雜電磁環境的研究

電磁干擾通過電磁傳導、輻射的方式耦合到產品中，造成產品內部各系統間的電磁干擾問題不斷突出。例如，控制系統產生大系統的誤工作導致關鍵電子元器件燒毀、電氣絕緣擊穿等。因此，產品的設計、系統兼容性、可靠性、安全性等關系到質量保證的全過程[3]。

智能制造工廠的電磁環境及電子設備對產品質量可靠性、一致性有重大影響作用，越來越引起廠家的高度重視[4-5]。隨著發射功率的增強、智能傳感設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備在有限的空間內要同時進行密集、高效、精準的互聯協同工作，由此帶來的設備之間的電磁干擾影響已成為至關重要且必須解決的問題。

1.1 國內智能制造工廠電磁環境成功解決案例

智能制造工廠系統解決方案主要包括用于研發、制造、物流、企業管理等環節的各種控制、優化和管理系統，以及基于智能裝備（工業機器人等）的系統集成[6]。市場的穩步推進帶動了供應商的蓬勃發展，在工業自動化、工業軟件、智能裝備、整體解決方案等各個領域涌現出眾多不同類型的供應商。據不完全統計，有超過1.2萬家智能制造裝備、工業自動化、工業軟件供應商等參與了各類智能制造項目。

案例一：基于工業無源光纖網絡（PON）的工程機械互聯互通解決方案[1]。某企業基于PON工業網絡和3G/4G，WiFi等無線網絡，將企業的生產過程控制、運行、管理作為整體進行控制與管理，促進信息化與工業化深度融合。項目實施后，實現了網絡扁平化，滿足了多業務承載，提高了網絡穩定性，抗電磁干擾能力強，達到了千兆高帶寬。實現了企業信息化、工業生產安全、資源配置優化，解決了智能制造信息孤島互聯。采用工業PON網絡構建低時延、高可靠、廣覆蓋的通信網絡，實現了企業智能制造車間信息的高速橫向集成。

案例二：針對設備信息實時監控及安全運行需求，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“基于物聯網技術的發電設備全生命周期服務支持系統”，該系統以物聯網為技術支撐，通過互聯網將發電設備的制造企業和電廠集聚在這個平臺上，實現了發電設備運行信息的資源共享，抗電磁干擾性能較高，通過感知器件對發電機組的數據采集，可隨時檢測到機組的運行情況。項目實施后，實現了對三峽、向家壩及溪洛三個電站中發電機生產的十八臺巨型水輪發電機組的遠程診斷工作，為用戶提供及時準確的服務，保證機組的安全運行。

案例三：針對設備老化、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快速響應上位要求、快速采集現場信號。項目實施后，滿足了自動發電控制和自動電壓控制的要求，電站維護和調試工作簡單易行，滿足無人化、少人化值守。

1.2 國外研究機構對智能工廠電磁環境研究案例

自1996年1月起，歐盟所有電子產品均須遵守歐洲委員會的特定指令，以限制任何產品的電磁發射，加強容許范圍，使產品免受干擾，從而把電磁污染的擴散減至最低，同時制定了關于住宅、商業與輕工業場所的電磁環境標準。從IEEE文獻研究中可以看出，國外對電磁環境研究的特點為：

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

（2）重視電磁干擾環境下的防護與控制措施，設備和系統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;

（3）重視與新技術的相互結合，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通信系統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，以表征工業造紙廠中的電磁干擾大小，創建電磁環境模型，對當前的無線技術進行漏洞分析，為無線應用原型開發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設施中的射頻電磁特性[8]。在2.4 GHz工業科學和醫療（ISM）頻段進行測量，其中包括藍牙，ZigBee，WiFi和超寬帶無線技術。分析結果表明，工業加熱器、射頻照明和焊接設備是2.4 GHz ISM頻段中常見的射頻干擾源，且在工業電磁環境中，這種干擾由其他無線技術或電磁輻射引起，工業和工廠設備產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]。通過對工廠內電磁環境的調查，找出其根源電磁噪聲，提出主動與被動相結合的抗電磁干擾策略，給出具體的適用于工業測控系統的屏蔽、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的電磁兼容性能。

2 下一步工作思考和有關建議

眾所周知，智能制造工業和工廠環境對無線通信提出了相當大的挑戰，工業環境各有不同，可能對有效的無線通信造成特殊障礙。在過去快速發展的幾年中，國內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境研究的迫切需要。因此，涉及無線通信的工業應用必須同時滿足嚴格的實時及可靠性要求，否則可能導致經濟損失，嚴重影響產品質量。

2.1 做好頂層設計，完善標準體系

借鑒美國、歐盟、日本等發達國家和地區經驗，注重頂層設計，加快制定我國智能制造標準化體系發展戰略。智能制造關鍵技術及產業應用范圍涉及眾多部門和標準化技術組織，建議在國家智能制造國家標準化總體組、專家咨詢組的統籌規劃下，梳理智能制造產業生態體系脈絡，把握產業未來重點發展方向。

（1）深入基層搞好調研，找準問題、抓住需求，制定出既符合實際又能指導長遠發展的戰略綱要，發揮各部門的作用，緊密協作。

（2）加強部門協同配合，在發展規劃、扶持政策和人才培養等方面，豐富智能制造標準化體系內涵。

（3）理清頂層設計邊界，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合，按照“急用先行、成熟先上”的原則，以加快形成自主知識產權和自主標準作為“中國創造”重要突破口。

2.2 加大經費投入，重視基礎研究

對典型智能制造工廠的電磁環境進行分析研究，了解干擾源的噪聲特性，并根據行業領域及工廠電磁環境特點，進一步優化工廠整體布局、性能評估及制造系統驗證等，更好地發揮電磁環境基礎研究作用，保障工廠智能制造的安全、有序、可靠生產，推動各行業發展。增加對電磁環境研究機構工作的經費預算，建立穩定的經費保障。

（1）增加基礎研發經費投入，加大對研究機構的扶持力度，發揮其公益性作用，重點扶持電磁環境基礎標準、自主創新標準的制定與實施工作。

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

（3）增強中央企業和科研院所電磁技術研究能力，摸清楚各領域智能工廠特殊性，豐富電磁環境典型數據，加快研制自主創新的技術標準，提升智能制造基礎標準的自主可控水平。

2.3 激發人才動力，推動科技創新

發揮科技創新和標準化對智能制造的技術驅動和引領作用，提升智能制造核心競爭力，推動產業、標準和科技創新協調在更高水平上協同發展。

（1）加強對科研人員的能力培養，尤其注意電磁大數據仿真、采集應用等專業人才培養[10]，加大科技創新獎勵力度，將知識產權、電磁環境設計咨詢及成果轉化作為依據，加強科技與標準互動，推進智能制造電磁環境標準化評價試點工作。

（2）建立智能制造工廠電磁大數據庫，做好電磁環境監測，以科技創新提升智能制造產品質量水平，促進科技創新成果轉化為現實生產力，加快重點標準研制與推廣。

（3）發揮創新引領作用，培育關于電磁環境智能制造系統解決方案，個性化定制到互聯工廠，依靠科技創新大力推動產業創新，從而提升產品、產業質量，帶動產品向高端轉化。

3 結 語

智能化的普及與應用雖提高了生產效率，但也給電磁環境控制帶來了新的挑戰。目前，我國對該領域的研究技術論文較少，國內企業還沒意識到或還沒能找到較好的技術方案，本文歸納國外成功案例，并有針對性地提出相關工作建議，為智能化產業掌握電磁環境第一手資料，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業發展。

參 考 文 獻

[1]中國電子技術標準化研究院.工業物聯網互聯互通白皮書[EB/OL].[ 2018-09-18]. http： //www.cesi.cn/201809/4334.html.

[2]中國電子技術標準化研究院.中國智能制造系統解決方案市場研究報告[EB/OL].[ 2019-03-14]. http： //www.cesi.ac.cn/201903/4868.html.

[3]鐘冠平，陳建成，張繼，等.工業機器人電磁兼容測試案例及現狀分析[J].電子質量，2018（4）：68-73.

[4]姚廣平，陳健東.工業現場電子測控系統的電磁干擾分析與對策[J].電測與儀表，2009， 46（9A）：117-120.

[5]李靜，馬志宏.電磁干擾環境下產品失效機理分析[J].環境試驗，2010（1）：5-8.

[6]陳婉如，龔增，張亮，等.先進的電磁兼容標準為產品質量安全保駕護航[J].電腦知識與技術，2015，11（15）：147-148.

[7] CHILO J，KARLSSON C，?NGSKOG P.EMI disruptive effect on wireless industrialcommunication systems in a paper plant [J]. IEEE international symposium on EMC，2009（3）：151-154.

[8] COLL J F，CHILO J，SLIMANE S B.Radio-frequency electroma-gnetic characterization in factory infrastructures [J]. IEEE international symposium on EMC，2012，54（3）：708-711.

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[10]徐國慶.工程實踐及行業需求導向的大數據人才培養[J].物聯網技術，2019，9（3）：111-112.