225
第四次工业革命通过在生产过程中实现新场景来推动数字化制造向前发展（参见图1）。这些场景依赖于基本的设计原则，包括器件互联、信息透明、技术协助，以及分散决策。没有先进的无线通信技术，就无法在现代智能工厂中实现所有这些原则。它们支持在广泛的领域实现多种应用，包括过程自动化、资产跟踪、机械控制、内部物流和基础设施网络。
智能工厂集成多种信息物理系统，这些系统需要速度更快、更加可靠的无线解决方案来处理严苛的工业环境中不断增长的数据量。推动这些解决方案发展取得成果，以便在要求较高的工业4.0场景中部署的主要因素包括：实现移动SCADA、更换传统系统，或者通过移动设备实现数据传输（以前不可行或者受到限制）。本文主要探讨受到最后一个因素推动的无线技术。
本文第一部分概述现代工业应用对于机械旋转子系统之间的通信接口的主要要求。第二部分尝试根据在转子和定子之间传送数据所用的机制类型，对当今这些子系统中使用的多种数据接口技术进行分类。这部分简要概述了这些技术，并且讨论了这些技术的优缺点。第三部分介绍一种支持高速、低延迟通信的60 GHz无线解决方案，该方案能够在滑环组件中实现先进的数据接口架构，以满足新工业场景的严苛要求。
01旋转接头中数据接口的工业要求
旋转接头，也经常被称为滑环，是在旋转连接中传输数据和功率的组件（参见图2）。现代工业场景要求在旋转部件之间提供更快、更可靠的数据传输，随着此需求日益增长，对旋转接头中使用的数据接口的带宽、串扰和EMI性能的要求也日益严格。满足这些要求对于保证相应工业设备的实时运行、连续正常运行和最大效率至关重要。
图2. 旋转接头—高层框图和要求。
工业旋转数据接口组件必须确保在非常快的转速下(5000rpm至6000rpm)，能够以典型的100Mbps数据速率，高品质的持续传输数据。在大多数情况下，这一数据速率已足够，但有些特殊应用要求以1Gbps或更高的速率进行快速传输，并成为当今的基准指标。工业应用还要求支持基于IEEE802.3(以太网)的协议、其他工业总线协议，以及确定性实时通信，以实现时间敏感型应用和IIoT功能。面向这些应用的数据接口解决方案必须能够不受物理失调、电磁干扰和串扰的影响，实现比特误码率(BER)等于或低于1×10-12的无误差数据传输。工业环境中的污染不应影响旋转接头的运行，理想情况下旋转接头无需维护且不受磨损。最后，数据接口技术必须与旋转接头组件动力传输子系统兼容，以满足目标应用的所有功能要求。
02数据接口技术
旋转接头多种多样，其功能特性、外形大小、转速(rpm)、最大数据速率、功率范围、支持的接口类型、通道数量，以及许多其他设计因素，都随应用要求而有所不同。在这些设计考量因素中，关于数据接口的一些要求非常重要，因此，要在滑环组件中正确实施数据接口，选择适当的技术非常关键。用于实现这一功能的数据通信技术通常可分为接触式和非接触式。这些技术之间存在一些差异，具体取决于它们为了实现数据传输通信通道所采用的耦合类型。
接触型接口
接触型解决方案通常在定子上采用复合材料、单丝或复合丝电刷，它靠着转子上的导电环滑动，从而在移动组件和静止组件之间形成不间断的电信号通道（参见图3）。
与数据通信相关的电刷类型选择取决于信号带宽、数据传输速率、所需的传输质量、工作电流和转速。虽然这是一项较为完善的技术，自问世以来一直用于滑环中，但它也存在一定的局限性。由于接触型滑环的机械式接触点需要定期维护，因此在恶劣的工作环境中使用时可靠性会受到影响。机电旋转接头也容易受电磁干扰的影响。此外，用于建立接触型接口的物理介质的特性，以及各种失配效应，都会对通道带宽造成莫大影响。而且，滑动接触产生的电阻变化会降低传输质量，这在高数据速率实时应用中尤为重要。
非接触型接口
非接触型旋转接头采用辐射或非辐射电磁场在旋转部件之间传输数据，解决了这些限制因素。与电信号传输技术相比，此技术具有几个性能优势。它没有机械式接触点，不存在接触磨损，减少了维护需求，以高速旋转时，也不会因为阻抗导致数据损失。
光纤旋转接头
最常见的非接触型解决方案是光纤滑环，也称为光纤旋转接头(FORJ)，其原理图如图4所示。FORJ依靠光辐射来传输数据，通常在850 nm至1550 nm的红外波长下工作，能够以几十Gbps的极高数据速率传输各种类型的模拟或数字光纤信号，而且不受电磁干扰影响。但是，光纤解决方案并非没有挑战。它们会遭受较强的非本征损耗，因角度和轴向失调导致信号衰减。这些失调也是造成旋转信号波动的主要因素，对于某些应用，这非常关键。此外，光纤旋转接头在恶劣的工业环境中通常需要高水平的保护。
感性和容性接口
另一种非接触型技术是基于近场耦合机制建立，通过初级非辐射感性和容性电路元件在较低的电磁频谱频段下生成的电场和磁场实现。
感性方法利用电磁感应原理来连接组件中的活动部件。使用这种耦合方式的滑环（原理图如图5所示）对于高转速工业应用非常有用，但它们更适合进行功率传输，而不是高速数据传输。它们也广泛应用于风力涡轮机应用中，为桨距控制系统提供电信号和电力，以及活动组件以高转速运行的封装应用中。
图5. 感性耦合。
相对于依赖磁场的感性滑环，基于电容技术的滑环利用电场在转子和定子之间传输数据。图6所示的容性耦合方法提供了一种成本相对较低的轻型解决方案，其涡电流损失可以忽略不计，且具备出色的失调性能。此技术能够在恶劣的运行环境中以几Gbps的高速可靠传输数据，且不受转速影响。容性滑环通常设计用于和以太网现场总线组合使用，广泛用于时间敏感型工业应用中。
图6. 容性耦合。
其他类型的接口
除了主要利用感性或容性耦合机制的非接触型滑环技术外，还可以使用适当的耦合结构，例如波导元件或传输线路元件，实现采用这两类机制组合的解决方案。还有一些特殊类型的滑环：例如，依靠水银作为传导介质的滑环。但是，浸水银滑环对操作环境的要求非常严格，不能在高温环境中使用，因此不适合工业应用领域。
表1中总结了我们探讨的各类数据接口技术，它们提供众多特性和功能，能够满足典型的工业滑环应用要求。但是，这些传统技术大多仅支持短距离数据传输，这要求转子和定子上的收发器元件需彼此非常靠近。此外，第四次工业革命还对滑环应用数据接口的可配置性、可靠性和速度提出了严格的要求，而现有的传统技术往往不能满足这些要求。
表1.基于数据接口耦合技术进行旋转接头分类
本文介绍了一种基于非接触型技术的解决方案，此方案依靠电磁毫米波在辐射近场（菲涅耳）和远场区域远距离传输数据，解决了其他方法存在的一些关键限制。这种解决方案不但为滑环应用提供了一种紧凑且经济高效的先进微波数据接口，还能与传统的非辐射旋转接头的耦合元件组合，以较低成本实现更出色的性能。
03毫米波数据接口解决方案
60 GHz频段
低成本微波元件制造技术的出现，使其在军事领域之外的各类商业市场都实现了广泛应用。特别是60GHz毫米波技术，凭借其位于微波频谱上半部分的独特优势，正日益受到市场的广泛关注。这一全球范围内免授权且基本未占用的频段能够提供高达9GHz的宽带宽，支持高数据速率，提供的短波长可以实现紧凑型系统设计，且具备高衰减比，因此干扰水平低。这些优点使得60GHz技术对诸如多千兆WiGig网络(IEEE802.11ad和下一代IEEE802.11ay标准)、无线回程连接和高清视频无线传输(专有的WirelessHD/UltraGig标准)等应用具有吸引力。
在工业领域，60GHz技术主要用于毫米波雷达传感器和数据速率较低的遥测链路中。但是，随着该领域的快速发展，60GHz技术很可能能够在工业子系统中实现高速、超低延迟的数据传输。
