誘導/静電結合/伝導に対応したセンサの配線
著者 Scott Orlosky(スコット・オルロスキー)氏, Lisa Eitel(リサ・アイテル) 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 の提供
2021-04-30
マルツ掲載日：2021-08-23
産業用ケーブルの中を流れる電気的物理量のうち、信号以外のものは、なんらかの形での電磁干渉(EMI)や無線周波数干渉(RFI)など、ノイズとなります。今日のオートメーションコンポーネントは、それを運転しなければならない電磁環境から信号を保護することで、このようなノイズを回避するように通常では設計されています。
しかし、信号の劣化を防ぐためには、オートメーションが行われた機械を慎重に組み込む必要があります。それには、優れた設計手法と電気接続の専門知識が通常必要です。
図1：EMIの防止のみを目的としたサブコンポーネントやサブシステムは、通常、フィルタリング回路や、ここに示した管状錫メッキ銅線シールドのようなブロッキング(シールド)コンポーネントの形をとる。(画像提供：Belden Inc.)
この記事では、以下のようにするための主な設計手法をご紹介します。
・内部および外部コンポーネントからのEMIの発生を抑える
・EMIに対するコンポーネントの耐性を高める
ここでの主な設計目的は、各コンポーネントの内部からの放射エミッションを最小限にすることと、外部からの伝導によるエミッションの影響を最小限にすることです。後者の場合、直接伝導、インダクタンス、または容量性結合によって伝達される不要な電子信号など外部からのエミッションに対し、固有の耐性を防御しなければなりません。
図2：3MのAB5000シリーズ EMI吸収用粘着シートには、モバイル機器や軍用機器からの放射EMIを抑制するための金属フレークが入っている。AB6000シリーズ シートには絶縁層、吸収層、シールド層、非導電層があり、携帯電話、チューナ、医療機器など、EMIのシールドとEMIの吸収を両方とも必要とする設計に適している。AB7000シリーズ シートは、EMIの制御と50MHz～10GHzの信号完全性の向上を必要とする電子機器とその周辺に最適である。このシートは、ポータブルデバイス内やリボンケーブル、フレックスケーブル上で発生するICノイズやEMI、クロストークを低減する。(画像提供：3M)
信号品質に対する個別の脅威
産業用オートメーション機器の設計では、アクチュエータやセンサなどのコンポーネントの仕様を決める作業がほとんどです。しかし、センサについて考えてみましょう。センサがオートメーションシステムの耳と目だとすれば、ケーブルはセンサの信号を脳(この喩えで言えば、機械のコントローラ)に伝える神経系にあたります。このケーブルは、システムの制御機能を損なう可能性のある様々な干渉源にさらされています。
図3：センサやアクチュエータなどの電気部品は電磁両立性(EMC)や感受性のテストが定期的に行われているが、電磁両立性(EMC)の維持・サポートにおけるケーブルやそのコネクタの役割は見落とされがちである。ケーブルコネクタの中には、ケーブル端を機械的に固定したり電磁気的にシールドしたりすることで、EMIフィルタとして機能するものがある。また、ケーブルコネクタによっては、平面コンデンサ技術を採用しているので、C、CL、LC、L、各種パイ型トポロジにより、VHF、UHF、MF1、HFなどのEMI帯域をフィルタリングできるものがある。(画像提供：Amphenol Industrial Operations)
誘導性、静電容量性、電磁性の原理で検出や信号発生を行うセンサやアクチュエータなどのコンポーネントの場合、そのシステムに搭載されるPCBには通常、シールドや広範囲な接地面が必要となります。
後者の詳細については、Digi-Keyの記事「RF Shielding: The Art and Science of Eliminating Interference」をご覧ください。また、設計の初期段階では、潜在的な環境排出物の強さや頻度を、よく把握している必要があるか、工業規格に対応するように少なくとも成文化している必要があります。予想される一般的な干渉域の例としては、以下のようなものがあります。
・50Hzまたは60Hz - 外部電力のライン周波数
・4～16kHz - 電気モータ用VFDのIGBTによるパルス幅変調(PWM)の場合など
・2.4GHz - 産業科学医療(ISM)のワイヤレス通信用帯域
モータ、リレー、ソレノイド、アクチュエータによる電磁場の発生と、これらのEMI源からRS-485シリアルバスを保護する具体的なケースが、Digi-Keyの記事「産業環境でRS-485バスを保護する方法」に記載されていますので、お読みください。
その他の干渉現象としては、サージ、高速過渡、静電放電(乾燥した環境や静電防止フローリングのない環境での工場関係者の「静電気」によるもの)、工場周辺の異常気象による落雷などがあります。
図4：静電容量式タッチスクリーンHMIが搭載されている。PC1321BPパネルPC。この制御電子機器やスクリーンには、伝導および放射されるRFIを防ぐためのシールドなどの部品が含まれている。(画像提供：Maple Systems)
アーク溶接という電気ノイズの多い用途を考えてみましょう。溶接は、以下の原因による高帯域の電気ノイズが発生することで有名です。
・溶接プロセスに伴う高エネルギー(電流)
・溶接時のインピーダンス変化
そのため、施設内の電力線の近くで稼働する(あるいは他の機器とアースを共有する)産業用溶接機器は、重大なEMI源となり、他の機器と数百フィート離れていても電気的に結合される可能性があります。このような設置では、EMIに関連する動作上の問題を防ぐために、専用の機器やアクセサリ(特にケーブル)を追加する必要があります。
デバイスの仕様と設置の間違いを避ける
大規模なオートメーションシステムに接続したデバイスは、以下のような通信や動作を行う場合があります。
・EMIに関連するように見えるだけの通信や動作
・実際にEMIに関連している通信や動作
EMCの問題は、信号のドロップアウト、S/N比の低下、信号の干渉、不安定な制御ループなどの症状として現れます。
アナログ信号を生成するセンサはノイズの影響を受けやすいため、通常、同等のデジタル機器が好まれます。センサのタイプによっては、EMIの影響を受けにくくなるデジタルPWM、周波数、またはシリアルなどの出力信号を生成します。
注意点としては、ある種のデジタル信号はスイッチング周波数が高いため、遷移時に指数関数的な減衰を伴うリンギング(電圧または電流出力の発振)が発生することがあります。このようなリンギングは、多くの場合、センサシステムのレシーバ側に小さなデカップリングコンデンサや減衰抵抗を設けることで改善されます。
アナログデバイス信号とデジタルデバイス信号の違いについては、Digi-Keyの記事「Cable Matters Learning Module」をご覧ください。
差動出力が可能なセンサがあれば、それを使用することをお勧めします。差動モード(信号Aとその反転信号A/を伴う)で動作するセンサは、すべてのコモンモードノイズを完全に回避します。
EMI耐性を向上させるのは、ノイズ除去に最大限の効果を発揮するように両ワイヤの誘導ノイズを同じように登録した、ツイストペアの信号用ワイヤ(ただし、正しく設置している場合)です。
センサケーブルの信号側における低い静電容量が、EMIの影響を最小限に抑えるのに非常に役立ちます。周波数ベースのデータを伝送する低容量信号のもう1つの利点は、信号の周波数が変化しても、出力ドライバ信号の安定性を最もよく維持できることです。
これに対し、静電容量が高いと、信号のロールオフを引き起こし、場合によっては全体の出力が検出閾値未満になることがあります。このような断続的な影響は通常、非常に微妙なものですが、オシロスコープで簡単に診断することができます。
ケーブルは電力センサと電力アクチュエータにクリーンな電力信号と基準値を伝達するのが、理想的な姿です。次に、ケーブルはセンサとアクチュエータの完璧にクリーンなステータス信号をシステムコントローラに返します。
これはシンプルに見えるかもしれませんが、センサやアクチュエータに接続されているケーブルは、電気回路の中でも重要ながら脆弱な部分であり、増大するEMIの影響を最も受けやすい箇所でもあります。その理由は、ケーブルは長いアンテナのように振る舞う場合があるためです。
設計上のヒント：特に電力導体の直径が22ゲージ以下で、デバイスあたりの電流が500mW以上の場合は、500フィート(152.4m)を超えるような特に長いケーブル配線による電力損失を考慮する必要があります。
センサを正しく接続するためのもう1つのヒント：普段は当たり前のように接続されている、ケーブルの電源側の導線をよく理解し、慎重に接続してください。多くのセンサやアクチュエータにとって、この電源接続は、最終的にコントローラに戻る信号を駆動するための、5〜28Vの基準電圧となります。
ケーブルの電源側の2本の導線は通常、電源とグランドと呼ばれます。これは厳密には正しい名前ではないので、(これらのラベルが設置方法を示している場合は)干渉が問題として発生する可能性があります。
センサの電源側グランドは、正確には「信号コモン」と呼ぶ必要があります。これは、給電帰路が、システムグランドではなく、電源の内部リファレンスレベルで終端するためです。真のグランドとは通常、以下のいずれかと接続されたもののことです。
・ウォールキャビネットケーシング
・物理的なグランドの追跡が可能なワイヤコンジット
このグランドの電位は通常、信号コモンの電位とは異なります。つまり、信号のリターンが直接グランドに接続されていると、信号コモンラインに電流が流れてグランドループが発生し、不要なノイズを拾ってしまうのです。
もちろん、完全にシールドされたケーブルは、設計における電源側信号の完全性をさらに高めることができます。このシールドは一般的に浮かせて(接続しない)ファラデーケージの役割を持たせることで、電力線内で誘導される電力を制限します。しかし、EMIは単なるシールドでは済まないほどの大きな問題となる場合もあります。
ここで1つの解決策として、シールドドレインをキャビネットやコンジットのグランドに接続します。このグランドは、シールド上の余分なエネルギーをグランドに逃がすリークパスの役割を果たします。
このようなシールドを両端に接続することはあまりお勧めできません。その理由は、ケーブルの機器側終端が電源側とは異なる電位になっていることが多く、実際には、両端に接続されたシールドに過剰な電流が流れてしまうためです。これは、雷が植物の近くの地面に落ちて、グランド電位が大きく変化する場合に最も問題となります。
ケーブルアセンブリを社内で作成する場合は、シールドがケーブル内を通過してコネクタ本体に接続され、ファラデーシールドの特性がエンドツーエンドで完全に保たれるように注意する必要があります。
最後に、自動化されたフィードバック信号の品質を維持するための注意点があります。自動化されたシステムは、やがて改造されたりアップグレードされたりします。その場合、より複雑で高度な機能を実現する必要が生じるため、通常、デバイスを追加する必要があります。危険なのは既存の1つの電源に接続するデバイスが多くなりすぎることで、その場合、電圧降下や信号の欠落が起きる可能性があります。
これは断続的な問題として発生し、信号の欠落も相殺的干渉によるかのように見えます。電源に過負荷がかかることはよくあることなので、アップグレードの際には、すべての機器が稼働しているときに、その負荷が既存の電源で処理できるかどうかを確認してください。
まとめ
徹底的に考え抜かれた設計アプローチにより、産業用オートメーション環境に適した堅牢な装置動作を可能にします。ただし、センサやアクチュエータを適切に設置するためには、接続方法に注意を払い、EMIによる信号品質の低下を防ぐ必要があります。高品質のケーブルとコネクタで最終的な接続を行うことで、オートメーション化した機械の使用開始時から寿命終了まで、スムーズに使用することができます。
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