為什麼工業電子產品那麼貴?

作者 : 趙明燦,EDN China

工業電子產品貴在哪?一般而言,電子產品的等級越高,所能滿足的要求越多以及需要驗證的項目越多,價格就越昂貴...

日前,在中國版《電子技術設計》(EDN China)的論壇上,有一個大家熱議的話題:工業電子產品貴在哪?因為小編也曾做過這方面的工程師,所以在看到這個話題後,腦袋裡一下就冒出了好幾個答案。雖然這些答案都沒錯,但在查閱資料後發現還是很不全面。下面小編就帶大家了解下可能的答案。

元件篇

這個問題小編認為可以從元件和整機兩個角度來談。由於元件是整機的基礎,我們首先來看元件。

據「消費類電子和工業級電子可靠性差異」一文所述,電子產品根據工作溫度分為商業級(消費類電子)、工業級和軍用級三大類。消費類電子和工業級電子的主要差異是:

工業溫度範圍不同:消費級的溫度範圍時0℃~70℃;工業級的溫度範圍是-40℃~85℃;軍用級的溫度範圍是-55℃~150℃。

可靠性要求不同:工業級的可靠性要求(例如溫濕度環境、電磁環境、機械振動環境等)比消費類的要求高。目前沒有標準定義兩者的具體可靠性試驗條件,但可根據不同的使用溫度及要求使用年限來計算可靠性試驗的條件…

由此可見,工業電子產品主要也就貴在這兩個方面。

EDN China的社群上有幾個網友的觀點,小編對此表示認同。例如,kaokaohe指出,不同級別的電子產品是按不同標準進行生產的,這樣一來它們的各項指標也就都不一樣,例如耐壓範圍、供電電壓範圍、能在溫濕度範圍比較大的環境下工作,能夠在很嚴寒的環境下正常工作,為了追求產品全年不停止地運行,免去了維護的煩擾。

當然,有些產品用低一等級的也是可以的,但是隨之而來的可能就會增加維護成本。有些產品可能運氣好也是可行的。其實產品的使用壽命都是跟產品後期使用的頻率、工作環境、有沒有正常使用有關。好比一個手機,你買回來,又是貼膜又是帶殼,有點灰了經常擦拭,不裝惡意軟體,不摔不磕碰,完美如初,手機可以用得更久。當然,還有一個重要的原因肯定是,手機本身硬體在當時製作時沒有出現缺陷。

「追憶流年尋夢少年」則指出,產品按各類溫度範圍、可靠性、特殊性能要求(如耐輻射、振動等)分成了很多等級,工業級產品不是最貴的,但溫度範圍寬於商業級,而且很多時候有防水、防潮、防塵等的特殊要求。為了滿足這些要求,需要增加一些額外的防護設計和驗證,相對於家用、商業產品也就貴一些了。

一般而言,等級越高,滿足的各種要求越多,產品需要驗證的項目越多,價格就越貴。

當然還有市場規模,即產品量產的問題,市場規模大,產量大的產品價格就較低,但工業電子產品的量往往都不是太大,能稱得上量的,種類也不多,因而導致工業電子產品價格高,升級換代速度慢。

「大漠孤雁」則舉例說,之前公司中有一款民用產品,後來需要安裝在飛機上,那麼,溫度、壓力、氣壓、濕度、電源範圍、震動等因素都需要考慮選擇工業級的產品。同時,可靠性要求也比民用高,可能需要考慮一些冗餘設計,如雙電源熱備份等。在元件選擇、產品設計階段就要考慮這些因素。成本、可靠性要求高決定了工業級產品貴。

‘luck_gfb’則指出,工業品使用壽命也會要求高一些,產品損壞造成的損失也會大一些,民用品也會有保質期,但民用品壞了就是直接替換一個就好了,很少有索賠的。

‘gxzwm_150828704’對此補充說,工業產品使用環境不可想像,必須在任何環境下都能正常穩定長期工作,所以貴是有道理的,其次是工業產品產量肯定不能跟消費級的比,量少也會影響價格,還有就是客製化,每個客戶需求不同,可能都會有些不同需要單獨調整,最後是服務費用,工業產品只能是生產廠服務或指定機構,這個費用佔比很大。

整機篇

看完上述種種原因,我們再用一個例子從整機的角度來進一步分析。

UPS:工業級vs商用級

據EDN姐妹網站《Electronic Products》上的‘Industrial vs. commercial-grade UPS systems’一文所述,工業UPS應用是世界上最嚴苛的一類環境。這種系統必須要能承受巨大的溫濕度範圍,並且所放位置通常還比較狹窄、難以觸及且氣流不足。

除此之外,還必須考慮環境空氣中是否包含腐蝕性元素,而不導致變壓器、電路板和連接器的性能發生老化。工業UPS元件和電路要麼塗有惰性密封劑,以便保護其不受惡劣環境的影響,要麼配備有專用的空氣過濾器。當然,這兩種情況都會導致成本增加。

工業UPS需要在較高的環境溫度下運行,這就要求元件也能在相應的環境下運行,並能承受關鍵設備負載的要求。因此,大多數工業UPS系統都配備了冗餘風扇。

相較之下,商業級(IT用) UPS系統則通常放置在溫濕度受控的環境中,從而讓UPS系統以及關鍵系統的服務器、路由器和數據驅動器達到最佳性能。

運維

工業級UPS系統通常由現場技術人員提供服務。這推動了元件級的維修,並且對更換和維修關鍵元件時的隔離,還需要提供檔案說明。這就需要時間,並且與機房環境相比,在工業環境中進行維修時還更易暴露在旁路電源下。

工業級UPS系統通常由合格的技術人員提供服務,這就將維修推升到了元件級。

工業級UPS系統通常也工作在非冗餘模式:專用配電系統只有一個電源模組,唯一的備用電源是旁路電源。由於需要使用UPS的工業應用僅佔總負載的一部分,電源模組也在向更小的方向發展。儀表/製程控制或PLC是關鍵項目,為了避免其記憶體或狀態丟失,就必須對其提供保護(被控下游元件所採用的電源則不需要這麼高的保護程度)。

在電腦機房中,大多數UPS系統都會採用冗餘配置,從而確保在其中一路發生故障時不至於讓關鍵負載斷電。任何人都不希望看到UPS系統長時間工作在旁路狀態,這樣風險很大。

技術人員對於這些複雜系統提供服務時,通常以模組化的方式進行維護。他們需要將機器的各個部份隔離開來,然後根據現場維護備件清單進行替換。通常,這可以減少停機時間,並使系統更快地恢復服務,從而降低資料中心的營運風險。

使用壽命

工業UPS設備所採用的元件需要有一定的設計餘量,從而使其在典型的工業環境中運作時,其平均故障間隔時間(MTBF)能超過100,000小時。

即使採用保守的設計方法,冷卻風扇和直流電容器等元件也會隨著時間而老化。工業UPS用戶(例如發電廠)通常要求UPS系統的壽命能達到二、三十年。石化產業則要求UPS的使用壽命為10到15年。

在商用UPS市場,UPS系統往往會在5年後淘汰。如今,隨著數據技術的發展,資料中心的壽命通常不到5年。因此,商用UPS供應商傾向於將其設計得更便宜、更小和更高效。

電池備用時間

根據應用的不同,IT用UPS電池的備用時間不同。例如,如果工廠有備用發電機,那麼只需要使備用時間長到足以使馬達電力穩定即可。

通常,IT用UPS應用採用閥控鉛酸電池作為備用,要求其能提供10到30分鐘的電能。並且其所採用的充電器只需要能在8到10個小時內將電池充電到95%的容量即可。

相較之下,工業應用所需的電池支援時間長達60分鐘到8個小時或者更長,充電器容量通常也必須更大得多。

保護與控制

工業UPS系統採用鋼製成,其厚度可達2mm,為了進一步保護UPS外殼,可能還會在其表面上塗一層厚厚的工業漆。大多數工業UPS系統的等級為NEMA 12,以便使電源和控制元件免受潮濕和污染的影響。相形之下,商用UPS系統通常採用較薄規格的鋼或塑料外殼,等級為NEMA 1。

資料中心交流配電系統的設計可保護UPS不受電源和旁路輸入饋線上傳入的EMI/RFI影響。結合使用專用的輸入饋電線和隔離變壓器,不僅可以降低EMI/RFI,而且可以減少市電線路上的故障電流。

在某些工業應用中,UPS交流輸入功率是由開關櫃或馬達控制中心提供,並且通常與電氣雜訊負載(例如變速驅動器)共享總線連接。對於此類應用,可能需要使用輸入隔離變壓器。

總結

綜上所述,我們看到工業級和商用級(消費類)電子產品之間存在種種性能上的差別,它們最終都會以成本的方式體現。

此外,與商用電子相較,工業電子需要通過更多且性能更高的標準認證,這不僅反映到元件和整機物料的選取,也表現在更嚴格的測試與測量上。舉個例子,以小編當初在智慧電表產業工作的經驗,智慧電表研發需要通過各種性能標準和功能標準。為此,製造商必須配備大量的測試設備,甚至這樣都還滿足不了測試所需,部份試驗還得交由專業的測試業者或實驗室(如電科院)完成。這也就涉及大量的人力和物力以及時間成本。

最後,由於工業市場的規模比不上民用市場,因此分攤到單個產品上的單位開發成本也就更高。

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