智能制造工厂电磁环境影响研究及政策建议

0 引 言

随着智能制造与生活的融合度越来越高，智能产品逐渐应用到现实生活，且已渗透进了工业、医学、服务、教育、生活等多个领域。结合全球智能制造的发展现状和趋势，保守估计未来几年全球智能制造行业将保持 15% 左右的年均复合增速，预计到 2023 年全球智能制造的产值将达 2.3 万亿美元左右 [1]。

在现阶段传统模式运行下，融入有线或无线互联技术，可大大提升效率、降低成本、节约劳力并提高产量。但同时，智能制造工厂的建设意味着大量电子电气设施的融合，隐藏着电磁干扰隐患。智能工厂中的噪声源主要包括电磁阀、电子开关、变频器、稳压器、伺服电机、电弧焊机、传感器、交换机等，其工作时均会不可避免地产生大量的电磁干扰 ；配置的大型设备、金属机箱、机柜等金属材质存在无声的电磁波反射、散射，这一系列现象均为工厂智能装备的互联埋藏了不可忽视的电磁干扰隐患。加之 WiFi，ZigBee，RFID，4G 等无线解决方案在智能工厂中的大量应用，与商用和民用互联网通信的环境相比，智能制造工厂电磁环境更加特殊、复杂，这对于电磁环境本身及其对产品性能与质量的影响日渐突出。

1 国内外智能制造工厂对复杂电磁环境的研究

电磁干扰通过电磁传导、辐射的方式耦合到产品中，造成产品内部各系统间的电磁干扰问题不断突出。例如，控制系统产生大系统的误工作导致关键电子元器件烧毁、电气绝缘击穿等。因此，产品的设计、系统兼容性、可靠性、安全性等关系到质量保证的全过程 [3]。

智能制造工厂的电磁环境及电子设备对产品质量可靠性、一致性有重大影响作用，越来越引起厂家的高度重视 [4-5]。随着发射功率的增强、智能传感设备接收灵敏度的提高，体积小，集成度更高、更灵敏的集成电路的应用更加广泛。各类智能制造工厂中各种电子电气设备在有限的空间内要同时进行密集、高效、精准的互联协同工作，由此带来的设备之间的磁干扰影响已成为至关重要且必须解决的问题。

1.1 国内智能制造工厂电磁环境成功解决案例

智能制造工厂系统解决方案主要包括用于研发、制造、物流、企业管理等环节的各种控制、优化和管理系统，以及基于智能装备（工业机器人等）的系统集成 [6]。市场的稳步推进带动了供应商的蓬勃发展，在工业自动化、工业软件、智能装备、整体解决方案等各个领域涌现出众多不同类型的供应商。据不完全统计，有超过 1.2 万家智能制造装备、工业自动化、工业软件供应商等参与了各类智能制造项目。

案例一 ：基于工业无源光纤网络（PON）的工程机械互联互通解决方案 [1]。某企业基于 PON 工业网络和 3G/4G，WiFi 等无线网络，将企业的生产过程控制、运行、管理作为整体进行控制与管理，促进信息化与工业化深度融合。项目实施后，实现了网络扁平化，满足了多业务承载，提高了网络稳定性，抗电磁干扰能力强，达到了千兆高带宽。实现了企业信息化、工业生产安全、资源配置优化，解决了智能制造信息孤岛互联。采用工业 PON 网络构建低时延、高可靠、广覆盖的通信网络，实现了企业智能制造车间信息的高速横向集成。

案例二 ：针对设备信息实时监控及安全运行需求，提供远程运维解决方案 [2]。哈尔滨电气集团有限公司研制了“于物联网技术的发电设备全生命周期服务支持系统”，该系统以物联网为技术支撑，通过互联网将发电设备的制造企业和电厂集聚在这个平台上，实现了发电设备运行信息的资源共享，抗电磁干扰性能较高，通过感知器件对发电机组的数据采集，可随时检测到机组的运行情况。项目实施后，实现了对三峡、向家坝及溪洛三个电站中发电机生产的十八台巨型水轮发电机组的远程诊断工作，为用户提供及时准确的服务，保证机组的安全运行。

案例三 ：针对设备老化、劳动强度大的问题，提供机电一体化改造解决方案 [2]。菲尼克斯根据客户需求，对象鼻嘴电站及月儿山电站进行机电一体化改造。通过使用控制系统提高 CPU 模块、I/O 模块的抗冲击性能，以及抗电磁干扰性能 ；采用可编程逻辑控制器（PLC），保证整个下位控制系统快速响应上位要求、快速采集现场信号。项目实施后，满足自动发电控制和自动电压控制的要求，电站维护和调试工作简单易行，满足无人化、少人化值守。

1.2 国外研究机构对智能工厂电磁环境研究案例

自 1996 年 1 月起，欧盟所有电子产品均须遵守欧洲委员会的特定指令，以限制任何产品的电磁发射，加强容许范围，使产品免受干扰，从而把电磁污染的扩散减至最低，同时制定了关于住宅、商业与轻工业场所的电磁环境标准。从IEEE 文献研究中可以看出，国外对电磁环境研究的特点为 ：

（1）重视电磁兼容性基础研究，从传导、辐射、静电、电磁脉冲等电磁场理论上，研究其对产品质量的失效分析机理 ；

（2）重视电磁干扰环境下的防护与控制措施，设备和系统本身应尽可能选用互干扰最小的部件电路，采用屏蔽、接 地、滤波等合理布局技术 ； 

（3）重视与新技术的相互结合，如基于智能制造的电磁干扰分析研究。

国外智能工厂的测量、分析并解决电磁干扰问题的实例介绍如下。

案例一 ：研究对智能造纸厂无线工业通信系统的电磁干扰破坏性影响 [7]。对工厂进行电场强度和幅度概率分布（APD）测量，以表征工业造纸厂中的电磁干扰大小，创建电磁环境模型，对当前的无线技术进行漏洞分析，为无线应用原型开发提出改进建议并实施改造。

案例二 ：研究智能车载零部件工厂基础设施中的射频电磁特性 [8]。在 2.4 GHz 工业科学和医疗（ISM）频段进行测量，其中包括蓝牙，ZigBee，WiFi 和超宽带无线技术。分析结果表明，工业加热器、射频照明和焊接设备是 2.4 GHz ISM 频段中常见的射频干扰源，且在工业电磁环境中，这种干扰由其他无线技术或电磁辐射引起，工业和工厂设备产生的电磁干扰会对无线性能造成较大破坏。

案例三 ：研究智能注塑工具成型工厂中电磁噪声的原因 [9]。通过对工厂内电磁环境的调查，找出其根源电磁噪声，提出主动与被动相结合的抗电磁干扰策略，给出具体的适用于工业测控系统的屏蔽、吸收、缓冲、滤波、接地、电气布线、布线、软件陷阱和软件消抖等抗干扰措施，实施这些策略与措施能够显著提高电子测控系统的电磁兼容性能。

2 下一步工作思考和有关建议

众所周知，智能制造工业和工厂环境对无线通信提出了相当大的挑战，工业环境各有不同，可能对有效的无线通信造成特殊障碍。在过去快速发展的几年中，国内外文献中报道了许多以电磁干扰为主要原因的严重事故，并证实了对这些苛刻环境研究的迫切需要。因此，涉及无线通信的工业应用必须同时满足严格的实时及可靠性要求，否则可能导致经济损失，严重影响产品质量。

2.1 做好顶层设计，完善标准体系

借鉴美国、欧盟、日本等发达国家和地区经验，注重顶层设计，加快制定我国智能制造标准化体系发展战略。智能制造关键技术及产业应用范围涉及众多部门和标准化技术组织，建议在国家智能制造国家标准化总体组、专家咨询组的统筹规划下，梳理智能制造产业生态体系脉络，把握产业未来重点发展方向。 

（1）深入基层搞好调研，找准问题、抓住需求，制定出既符合实际又能指导长远发展的战略纲要，发挥各部门的作用，紧密协作。 

（2）加强部门协同配合，在发展规划、扶持政策和人才培养等方面，丰富智能制造标准化体系内涵。

（3）理清顶层设计边界，做有限的推进，不可能毕其功于一役，不在于制定多少新标准，而在于全社会应用的效果。要与贯彻落实中央提出的一系列重大决策和工作部署相结合，按照“急用先行、成熟先上”的原则，以加快形成自主知识产权和自主标准作为“中国创造”重要突破口。

2.2 加大经费投入，重视基础研究

对典型智能制造工厂的电磁环境进行分析研究，了解干扰源的噪声特性，并根据行业领域及工厂电磁环境特点，进一步优化工厂整体布局、性能评估及制造系统验证等，更好地发挥电磁环境基础研究作用，保障工厂智能制造的安全、有序、可靠生产，推动各行业发展。增加对电磁环境研究机构工作的经费预算，建立稳定的经费保障。 

（1）增加基础研发经费投入，加大对研究机构的扶持力度，发挥其公益性作用，重点扶持电磁环境基础标准、自主创新标准的制定与实施工作。

（2）设立电磁环境技术及标准化专项经费，研究电磁干扰环境应力下产品失效机理，保证生产的产品能够保持其设计的耐环境能力，提高其对环境的适应性和可靠性。 

（3）增强中央企业和科研院所电磁技术研究能力，摸清楚各领域智能工厂特殊性，丰富电磁环境典型数据，加快研制自主创新的技术标准，提升智能制造基础标准的自主可控水平。

2.3 激发人才动力，推动科技创新

发挥科技创新和标准化对智能制造的技术驱动和引领作用，提升智能制造核心竞争力，推动产业、标准和科技创新协调在更高水平上协同发展。 

（1）加强对科研人员的能力培养，尤其注意电磁大数据仿真、采集应用等专业人才培养 [10]，加大科技创新奖励力度，将知识产权、电磁环境设计咨询及成果转化作为依据，加强科技与标准互动，推进智能制造电磁环境标准化评价试点工作。

（2）建立智能制造工厂电磁大数据库，做好电磁环境监测，以科技创新提升智能制造产品质量水平，促进科技创新成果转化为现实生产力，加快重点标准研制与推广。 

（3）发挥创新引领作用，培育关于电磁环境智能制造系统解决方案，个性化定制到互联工厂，依靠科技创新大力推动产业创新，从而提升产品、产业质量，带动产品向高端转化。

3 结 语

智能化的普及与应用虽提高了生产效率，但也给电磁环境控制带来了新的挑战。目前，我国对该领域的研究技术论文较少，国内企业还没意识到或还没能找到较好的技术方案，本文归纳国外成功案例，并有针对性地提出相关工作建议，为智能化产业掌握电磁环境第一手资料，并以此分析其特点的重要性提供有力支撑，更好地指导智能化产业发展。