工业设备电磁噪声对无线通信的影响及EMC对策
引言：智能工厂时代的无线通信与EMC的新课题
近年来，运用IoT、AI、机器人和5G等前沿技术的智能工厂在制造业迅速普及。这些技术创新提高了自动化程度，节省了人力，并提高了生产效率。
然而，随着从传统的有线控制向无线控制的转变，确保工厂内部稳定的无线通信已成为一个重要的课题。特别是工业机器人和控制设备产生的电磁噪声对Wi-Fi、LTE和5G等无线信号造成干扰，可能会导致严重的运行问题，例如：
- 生产设备误动作
- 因通信错误而导致生产线停工
随着智能工厂的发展，应对这些EMC（电磁兼容性）*1风险对于维持稳定且有效的运行不可或缺。
*1 EMC（Electromagnetic Compatibility/电磁兼容性）是指电气和电子设备正常运行，不对其他设备造成电磁干扰且不受外部干扰的能力。
智能工厂中潜在的对无线通信的威胁：电磁噪声的现实
在现在的生产现场，同时运行着多种多样的工业机器人、电机和控制设备，会产生从低频到GHz频带的多种电磁噪声（参照图2、3和4）。
测量结果也表明，这些噪声频带与Wi-Fi（2.4GHz/5GHz）、LTE和5G等无线通信频带重叠（参照图4和表1）。
因此，在智能工厂中经常出现无线设备接收灵敏度不足和通信出错并威胁到其稳定有效地运行的情况。
| 频带 | |
|---|---|
| Wi-Fi | 2.4GHz频带（2400-2500MHz） |
| 5GHz频带（5150-5850MHz） | |
| 5G | n77（3300-4200MHz） |
| n79（4400-5000MHz） | |
| LTE | Band1（1920-2170MHz） |
| Band3（1710-1880MHz） | |
| Band28（703-803MHz） |
智能工厂中潜在的EMC风险：外部噪声和自干扰
在智能制造环境中，电磁噪声会带来两大风险：“外部干扰”和“设备自身的自干扰”。
1. 外部电磁噪声导致的误动作风险
在工厂内的实验中，在无噪声环境中仅观察到了LTE信号。然而，在实际的工厂环境中，人们已经确认：信号和电磁噪声水平接近，接收灵敏度下降量可能会达到18dB（参照图5、6和7）。
2. 设备自身的自干扰风险
工业机器人和控制设备可能会产生“自干扰*2”，即自身产生的电磁噪声干扰其自身的运行。特别是DC-DC转换器（将直流电压转换为其他直流电压的装置），人们已经确认：DC-DC转换器会成为噪声源，电缆和金属外壳充当天线，导致接收灵敏度降低量可能会达到13dB（图8）。
这些结果表明了EMC对策对于在智能工厂中确保稳定的无线通信和设备可靠性的重要性。
*2 自干扰（Self-Interference）是指设备自身发射的电磁波干扰其自身运行的现象，特别是在工业机器人和控制设备等复杂系统中，这可能会导致性能不足或意外行为。
工业机器人电磁噪声的产生机理及对策要点
工业机器人由三个要素组成：驱动部分（机械臂）、控制部分（包含电路板和DC-DC转换器在内的金属外壳）以及连接两者的电缆。
对电磁噪声源的调查表明，DC-DC转换器是主要的噪声源。而且，已确认电缆和金属外壳会起到像天线一样的作用，向周围辐射噪声（参照图9、10）。
因此，EMC对策应以下面两点为中心：
- 遏制来自DC-DC转换器的电磁噪声
- 预防噪声通过电缆和外壳传播
这些对策对于维持智能工厂中的无线通信质量和稳定运行不可或缺。
工厂现场的接收灵敏度改进：从实际事例中学习的噪声对策
在实际生产现场，通过将静噪滤波器（扼流圈）插入DC-DC转换器的输出DC线路，无线通信性能得到了显著改进。具体而言，机器人工作时的LTE下限接收灵敏度改进了约11dB（参照图11、12和13）。
该对策之所以有效，是因为DC-DC转换器产生的高频噪声被滤波器的阻抗特性反射并返回到转换器侧，从而预防了其泄漏到输出侧。
选择滤波器时，重要的是考虑频率特性和插入损耗（由于插入滤波器而导致的信号衰减）等因素。
在本事例中，我们使用了村田制作所的LQW18CAR16（1.6×0.8×0.8mm，额定电流为1.3A）。
另一种选择是村田制作所的BLM系列（铁氧体磁珠电感器），然而，其电流叠加特性与LQW系列不同，因此，请根据所需的噪声消除性能进行选择。
智能工厂中的EMC对策的总结和实践要点
随着智能工厂的发展，电磁噪声问题预计将在生产现场日益凸显。因此，更加强有力的EMC（电磁兼容性）对策不可或缺。
为了有效应对这一问题，以下举措至关重要：
- 对工厂内的电磁噪声环境进行评估
- 在工业设备和机器人中实施电子元件级别的噪声对策（特别是针对DC-DC转换器、电缆和外壳的对策）
其中，电子元件级别的噪声对策应该是特别优先的事项之一。
这是因为它直接影响无线通信的稳定性和设备的可靠性，在现场进行实际应对不可或缺。
EMC标准的新近动向和未来展望
适用于工业设备和机器人的EMC标准“CISPR11第7版”于2024年2月发布。与上一版（第6.2版）相比，新增了1至6GHz的发射限值。
今后，需要在更宽的频带范围内采取电磁噪声对策并符合相关标准，因此，在现场和设计部门双方及时掌握新近信息并采取实用的对策不可或缺。
在本文中，对实用的电磁噪声对策的思考方法和EMC标准的新近动向进行了相关解说。如有任意疑问或希望讨论具体事例，请随时联系我们。