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为什么工业电子产品那么贵?

2021-07-07 赵明灿 阅读:
日前,在EDN电子技术设计的论坛上,有一个大家热议的话题:工业电子产品贵在哪?因为小编也曾做过这方面的工程师,所以在看到这个话题后,脑袋里一下就冒出了好几个答案。虽然这些答案都没错,但在查阅资料后发现还是很不全面。下面小编就带大家了解下可能的答案。

日前,在EDN电子技术设计的论坛上,有一个大家热议的话题:工业电子产品贵在哪?因为小编也曾做过这方面的工程师,所以在看到这个话题后,脑袋里一下就冒出了好几个答案。虽然这些答案都没错,但在查阅资料后发现还是很不全面。下面小编就带大家了解下可能的答案。HTHednc

元器件篇

这个问题小编认为可以从元器件和整机两个角度来谈。由于元器件是整机的基础,我们首先来看元器件。HTHednc

据“消费类电子和工业级电子可靠性差异”一文所述,电子产品根据工作温度分为商业级(消费类电子)、工业级和军用级三大类。消费类电子和工业级电子的主要差异是:HTHednc

  1. 工业温度范围不同:消费级的温度范围时0℃~70℃;工业级的温度范围是-40℃~85℃;军用级的温度范围是-55℃~150℃。
  2. 可靠性要求不同:工业级的可靠性要求(例如温湿度环境、电磁环境、机械振动环境等)比消费类的要求高。目前没有标准定义两者的具体可靠性试验条件,但可根据不同的使用温度及要求使用年限来计算可靠性试验的条件……

由此可见,工业电子产品也就主要贵在这两个方面。HTHednc

EDN电子技术设计的社区上有几个网友的观点,小编对此表示认同。例如,kaokaohe指出,不同级别的电子产品是按不同的标准进行生产的,这样一来它们的各项指标也就都不一样,例如耐压范围、供电电压范围、能在温湿度范围比较大的环境下工作,能够在很严寒的环境下正常工作,为了追求产品全年不停止地运行,免去维护的烦扰。HTHednc

当然,有些产品用低一等级的也是可以的,但是随之而来的可能就会增加维护成本。也有些产品可能运气好也是可以的。其实产品的使用寿命都是跟产品后期使用的频率、工作环境、有没有正常使用有关。好比一个手机,你买回来,又是贴膜又是带壳,有点灰了经常擦拭,不装恶意软件,不摔不磕碰,完美如初,手机可以用得更久。当然,还有一个重要的原因肯定是,手机本身硬件当时制作的时候没有出现缺陷。HTHednc

“追忆流年寻梦少年”则指出,产品按各类温度范围、可靠性、特殊性能要求(如耐辐射、振动等)分成了很多等级,工业级产品不是最贵的,但温度范围宽于商业级,而且很多时候有防水、防潮、防尘等的特殊要求,为了满足这些要求,需要增加一些额外的防护设计和验证,相对于家用、商业产品也就贵一些了。HTHednc

一般而言,等级越高,满足的各种要求越多,产品需要验证的项目越多,价格就越贵。HTHednc

当然还有市场规模,即产品批量的问题,市场规模大,批量大的产品,价格会低,但工业电子产品批量往往都不太大,能称得上批量的,种类也不多,也导致工业电子产品价格高,升级换代速度慢。HTHednc

“大漠孤雁”则举例说,之前他们公司有一款产品,是民用的,后来需要安装在飞机上,那么,温度、压力、气压、湿度、电源范围、震动等因素都需要考虑选择工业级的产品,同时,可靠性要求也比民用高,可能需要考虑一些冗余设计,比如双电源热备份等。在器件选择、产品设计阶段就要考虑这些因素。成本、可靠性要求高决定了工业级产品贵。HTHednc

luck_gfb则指出,工业品使用寿命也会要求高一些,产品损坏造成的损失也会大一些,民品也会有质保期,但民品坏了就是直接替换一个就好了,很少有索赔的。HTHednc

gxzwm_150828704对此补充说,工业产品使用环境不可想象,必须在任何环境下都可正常稳定长期工作,所以贵是有道理的,再一个是工业产品产量肯定不能跟消费级的比,量少也会影响价格,还有就是订制化,每个客户需求不同,可能都会些不同需要单独调整,最后是服务费用,工业产品只能是生产厂服务或指定机构,这个费用占比很大。HTHednc

整机篇

看完上述种种原因,我们再用一个例子从整机的角度来进一步分析分析。HTHednc

工业级UPS与商业级UPS对比

据EDN姐妹网站Electronic Products上的“Industrial vs. commercial-grade UPS systems”一文所述,工业UPS应用是世界上最苛刻的一类环境。这种系统必须要能承受巨大的温湿度范围,并且所放位置通常还比较狭窄、难以触及且气流不足。HTHednc

除此之外,还必须考虑环境空气中是否包含腐蚀性元素,而不导致变压器、电路板和连接器的性能发生老化。工业UPS元器件和电路要么涂有惰性密封剂,以便保护其不受恶劣环境的影响,要么配备有专用的空气过滤器。当然,这两种情况都会导致成本增加。HTHednc

工业UPS需要在较高的环境温度下运行,这就要求元器件也能在相应的环境下运行,并能承受关键设备负载的要求。因此,大多数工业UPS系统都配备了冗余风扇。HTHednc

相比之下,商业级(IT用)UPS系统则通常放置在温湿度受控的环境中,从而让UPS系统以及关键系统的服务器、路由器和数据驱动器达到最佳性能。HTHednc

运维

工业级UPS系统通常由现场技术人员提供服务。这推动了元器件级别的维修,并且对更换和维修关键元器件时的隔离,还需要提供文档说明。这就需要时间,并且与机房环境相比,在工业环境中进行维修时还更易暴露在旁路电源下。HTHednc

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工业级UPS系统通常由合格的技术人员提供服务,这就将维修推动到了元器件级别。HTHednc

工业级UPS系统通常也工作在非冗余模式:专用配电系统只有一个电源模块,唯一的备用电源是旁路电源。由于需要使用UPS的工业应用仅占总负载的一部分,电源模块也在向更小的方向发展。仪表/过程控制或PLC是关键项目,为了避免其内存或状态丢失,就必须对其提供保护(被控下游元件所采用的电源则不需要这么高的保护程度)。HTHednc

在计算机机房中,大多数UPS系统都会采用冗余配置,从而确保在其中一路发生故障时不至于让关键负载断电。任何人都不希望看到UPS系统长时间工作在旁路状态,这样风险很大。HTHednc

技术人员在对这些复杂系统提供服务时,通常以模块化的方式进行维护。他们需要将机器的各个部分隔离开来,然后根据现场维护备件清单进行替换。通常,这可以减少停机时间,并使系统更快地恢复服务,从而降低数据中心的运营风险。HTHednc

使用寿命

工业UPS设备所采用的元器件需要有一定的设计余量,从而使其在典型的工业环境中工作时,其平均故障间隔时间(MTBF)能超过100,000小时。HTHednc

即使采用保守的设计方法,冷却风扇和直流电容器等元器件也会随着时间而老化。工业UPS用户(例如发电厂)通常要求UPS系统的寿命能达到二三十年。石化行业则要求UPS的使用寿命为10到15年。HTHednc

在商用UPS市场,UPS系统往往会在5年后淘汰。如今,随着数据技术的发展,数据中心的寿命通常不到5年。因此,商用UPS供应商倾向于将其设计得更便宜、更小和更高效。HTHednc

电池后备时间

根据应用的不同,IT用UPS电池的后备时间不同。例如,如果工厂有备用发电机,那么只需要使备用时间长到足以使发电机电力稳定即可。HTHednc

通常,IT用UPS应用采用阀控铅酸电池作为备用,要求其能提供10到30分钟的电能。并且其所采用的充电器只需要能在8到10个小时内将电池充电到95%的容量即可。HTHednc

相比之下,工业应用所需的电池支持时间长达60分钟到8个小时或者更长,充电器容量通常也必须大得多。HTHednc

保护与控制

工业UPS系统采用钢制成,其厚度可达2mm,为了进一步保护UPS外壳,可能还会在其表面上涂一层厚厚的工业漆。大多数工业UPS系统的等级为NEMA 12,以便使电源和控制元器件免受潮湿和污染的影响。相比之下,商用UPS系统通常采用较薄规格的钢或塑料外壳,等级为NEMA 1。HTHednc

数据中心交流配电系统的设计可保护UPS不受电源和旁路输入馈线上传入的EMI/RFI的影响。结合使用专用的输入馈电线和隔离变压器,不仅可以降低EMI/RFI,而且可以减少市电线路上的故障电流。HTHednc

在某些工业应用中,UPS交流输入功率是由开关柜或电动机控制中心提供,并且通常与电气噪声负载(例如变速驱动器)共享总线连接。对于此类应用,可能需要使用输入隔离变压器。HTHednc

总结

综上所述,我们看到工业级和商用级(消费类)电子产品之间存在种种性能上的差别,它们最终都会以成本的方式体现。HTHednc

此外,与商用电子相比,工业电子需要过数量多得多和性能高得多的标准认证,这不仅反映到元器件和整机物料的选取,还反映到更严格的测试与测量上面。举个例子,以小编当初在智能电表行业工作的经验,智能电表研发需要过各种性能标准和功能标准,为此,生产厂商必须配备大量的测试设备,甚至这样都还满足不了测试所需,部分试验还需要去电科院完成。这也就涉及大量的人力和物力以及时间成本。HTHednc

最后,由于工业市场的规模比不上民用市场,因此分摊到单个产品上的单位开发成本也就更高。HTHednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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