유도, 정전 결합, 전도를 처리하는 센서 케이블링

신호 이외에, 산업용 케이블을 통해 흐르는 전기적 특성은 모두 잡음입니다. 즉 이런 저런 형태의 전자파 간섭(EMI) 및 무선 주파수 간섭(RFI)을 의미합니다. 오늘날의 자동화 부품은 일상적으로 부품이 작동을 위해 노출되는 전자기 환경에서 신호를 보호함으로써 잡음을 회피하도록 설계됩니다. 그러나 신호 저하를 방지하려면 또한 자동화 기계를 신중하게 통합해야 합니다. 여기에는 일반적으로 우수한 설계 실례와 전기 연결 전문 지식을 결합하는 과정이 수반됩니다.

그림 1: EMI 방지 전용 하위 부품 및 서브시스템은 일반적으로 튜브형 주석 도금 전선 차폐와 같은 필터링 회로망 또는 차단(차폐) 부품 형식을 취합니다. (이미지 출처: Belden Inc.)

이 기사에서는 다음을 위한 주요 설계 방법을 탐색해 보겠습니다.

• 내부 및 외부 부품의 EMI 생성 감소
• EMI에 대한 부품 내성(저항) 증가

여기서 최고의 설계 목표는 설계의 각 부품에 대한 내부적 복사성 방출과 외부에서 전도된 방출에 대한 민감성을 최소화하는 것입니다. 후자의 경우, 외부 결합 방출에 대한 고유한 내성이 직접 전도, 유도 용량 또는 정전 용량 결합을 통해 전송되는 원치 않는 전자 신호로부터 보호해야 합니다.

그림 2: 3M AB5000 계열 EMI 흡수 접착 시트에는 모바일 장치 및 군사용 장비의 복사성 EMI를 억제하는 금속 플레이크가 포함되어 있습니다. AB6000 계열 시트에는 휴대폰, 튜너, 의료용 장치를 비롯하여 EMI 차폐 및 흡수를 모두 필요로 하는 설계를 위한 절연, 흡수, 차폐 및 비전도성 계층이 포함되어 있습니다. AB7000 계열 시트는 EMI 제어 및 50MHz ~ 10GHz 신호 무결성 향상을 필요로 하는 전자 장치 및 그 주변에 뛰어납니다. 이 시트는 모바일 장치 내부와 리본 및 연성 케이블에서 복사성 IC 잡음은 물론 EMI 및 누화를 감소시킵니다. (이미지 출처: 3M)

신호 품질에 대한 특정 위협

산업용 자동화 장비 설계와 관련된 대부분의 노력은 액추에이터 및 센서와 같은 부품의 사양에 집중됩니다. 먼저 후자의 경우를 고려해 보겠습니다. 센서를 자동화 시스템의 눈과 귀라고 하면 케이블링은 신호를 뇌(또는 기계 컨트롤러(비유를 계속하기 위해))에 전달하는 신경망입니다. 이 케이블링은 시스템 제어 기능에 손상을 줄 수 있는 다양한 잠재적 간섭원에 노출됩니다.

그림 3: 전자파 적합성 또는 ENC의 유지보수 및 지원에 있어 케이블링 및 해당 커넥터의 역할이 관과되는 경우가 종종 있지만 센서 및 액추에이터와 같은 전기적 부품은 정기적으로 전자파 적합성(EMC) 및 민감성에 대한 테스트를 합니다. 일부 케이블 커넥터는 케이블 엔드를 기계적으로 고정하고 전자기적으로 차폐하며 EMI 필터 역할을 합니다. 평면 커패시터 기술을 사용하는 일부 커넥터는 C, CL, LC, L 및 다양한 pi 토폴로지를 통해 VHF, UHF, MF1, HF 및 기타 EMI 범위를 필터링할 수 있습니다. (이미지 출처: Amphenol Industrial Operations)

센서, 액추에이터 또는 기타 부품이 유도 용량, 정전 용량 또는 전자기 원리에 따라 감지 및 신호 생성을 수행하는 경우 해당 시스템에 포함된 모든 PCB에는 차폐 기능은 물론 넓은 접지면이 필요할 수 있습니다. 후자에 대해서는 DigiKey 기사 RF 차폐: 간섭 제거의 예술 및 과학에서 자세한 내용을 확인할 수 있습니다. 추가적으로 잠재적 환경 방출에 대한 강도와 주파수가 잘 알려져 있어야 하며 적어도 초기 설계 단계에서 산업 표준을 사용하여 성문화되어야 합니다. 일반적 또는 예측되는 간섭 범위의 예는 다음과 같습니다.

• 50Hz 또는 60Hz - 유틸리티 전력의 선 주파수
• 4kHz ~ 16kHz - 전기 모터에서 VFD의 IGBT 유도 펄스 폭 변조(PWM)와 같음
• 2.4GHz -무선 통신에서 산업 과학 및 의료(ISM) 대역

DigiKey 기사 산업 환경에서 RS-485 버스를 보호하는 방법에서 모터, 계전기, 솔레노이드, 액추에이터에 의한 전자기장 생성과 이러한 EMI 근원에서 RS-485 직렬 버스를 보호하는 특정 사례에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다. 기타 간섭 현상에는 서지, 빠른 과도 현상 및 정전기 방전(건조한 환경 또는 정전기 방지 바닥이 없는 환경에서 공장 직원의 "정전기"로 인해 발생)뿐만 아니라 공장 근처의 극한 날씨로 인해 발생하는 번개가 포함됩니다.

그림4: 이 PC1321BP 패널 PC에는 정전 용량 방식 터치스크린 HMI가 있습니다. 제어 전자 장치 및 스크린에는 전도성 및 복사성 RFI를 방지하기 위한 실드 및 기타 소자가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Maple Systems)

전기적 잡음 환경에서의 아크 용접 응용을 고려해 보겠습니다. 용접이 고대역폭 전기적 잡음을 생성하는 것으로 유명한 이유는 다음과 같습니다.

• 용접 공정과 연결된 높은 에너지(전류)
• 용접 동안의 임피던스 변동

따라서 시설의 모든 전력선 근처에서 작동하는(또는 다른 장비와 접지를 공유하는) 산업용 용접 장비는 중요한 EMI 근원이 되어 수백 피트 떨어진 곳에서도 다른 장치와 전기적으로 결합될 수 있습니다. EMI 관련 작동 문제를 방지하려면 특수 장비 및 부속품(특히 케이블)이 이러한 설치에 포함되어야 합니다.

피해야 할 장치 사양 및 설치 실수

장치가 더 큰 자동화 시스템에 케이블로 연결되면 다음과 같은 통신 또는 동작을 나타낼 수 있습니다.

• 단지 EMI와 관련된 것으로 나타남
• 실제로 EMI와 관련이 되어 있음

EMC 문제의 증상은 신호 드롭아웃, 낮은 신호 대 잡음비, 신호 간섭 및 불안정한 제어 루프로 나타날 수 있습니다.

아날로그 신호를 생성하는 센서는 잡음에 가장 민감하므로 유사한 디지털 장치가 선호되는 경우가 많습니다. 이들은 EMI에 둔감한 디지털 PWM, 주파수 또는 직렬 출력 신호를 생성하는 센서 버전입니다. 여기서 한 가지 주의할 점은 특정 디지털 신호의 높은 스위칭 주파수가 전환 시 지수 감쇠와 함께 링잉(전압 또는 전류 출력 발진)을 유발할 수 있다는 것입니다. 이러한 링잉은 종종 센서 시스템의 수신기 끝에 작은 감결합 커패시터 또는 감쇠 저항기를 사용함으로써 해결됩니다.

DigiKey 케이블 문제 학습 모듈에서 아날로그 장치 신호와 디지털 장치 신호의 차이에 대해 알아보세요.

사용 가능한 경우, 차동 출력을 생성할 수 있는 센서가 선호됩니다. 차동 모드에서 작동하는 센서(신호 A와 반전된 신호 A/)는 모든 공통 모드 잡음을 효과적으로 방지합니다. 이 EMI 내성을 더욱 강화하는 것은 (올바르게 설치된 경우) 두 전선에서 유도된 잡음을 동일하게 등록하여 잡음을 최대한 효과적으로 제거하는 신호 연선입니다.

센서 케이블의 신호 측면에서 낮은 정전 용량은 EMI 민감도를 최소화하는 데 중요합니다. 또 다른 장점은 주파수 기반 데이터를 전달하는 저 정전 용량 신호가 신호 주파수가 변경될 때 출력 구동기 신호의 안정성을 가장 잘 유지할 수 있다는 것입니다. 반대로, 과도 정전 용량은 신호 롤 오프를 일으킬 수 있으며 경우에 따라 전체 출력을 감지 임계값 밑으로 감소시킵니다. 이 간헐적 효과는 종종 매우 미묘하지만 오실로스코프로 쉽게 진단됩니다.

완벽한 세상에서 케이블링은 깨끗한 전력 신호와 레퍼런스 값을 전력 센서와 액추에이터로 전송합니다. 그런 다음 시스템 컨트롤러가 센서 및 액추에이터 상태 신호를 완벽하게 청소합니다. 간단해 보일 수 있지만 센서 또는 액추에이터에 연결된 케이블은 전기 회로에서 중요하고 취약한 부분이며 EMI 민감도를 높이는 주요 영역입니다. 특정 상황에서 긴 안테나처럼 동작할 수 있기 때문입니다.

설계 팁 : 특히 전력 컨덕터의 지름이 22게이지 이하이고 전류가 장치당 500mW 이상인 경우 매우 긴 케이블 길이(약 500피트 초과)로 인한 전력 손실을 고려하십시오.

적절한 센서 연결을 위한 또 다른 팁: 케이블 전력측의 컨덕터를 이해하고 신중하게 연결하십시오(일반적으로 당연한 것으로 간주되는 연결임). 많은 센서 및 액추에이터의 경우 이 전력 연결은 최종적으로 컨트롤러로 반환되는 신호를 구동하기 위해 5 V ~ 28V 레퍼런스를 제공합니다. 케이블 전력측의 두 컨덕터는 종종 전력 및 접지라고 합니다. 이는 엄밀하게는 옳지 않으며 (이러한 레이블이 설치 방법을 알리는 경우) 간섭 문제를 일으킬 수 있습니다. 좀 더 정확하게, 센서의 전력측 접지는 신호 공통점이라고 해야 합니다. 이는 전원 공급 장치 복귀가 시스템 접지가 아닌 전원 공급 장치 내부 레퍼런스에서 종료되기 때문입니다. 여기서 진정한 접지는 종종 다음에 연결되어 있습니다.

• 벽 캐비닛 케이스 또는
• 실제 접지까지 추적 가능한 전선 도관

이 접지는 종종 신호 공통점과 다른 전위에 있을 수 있습니다. 즉, 신호 복귀가 접지에 직접 연결되면 전류가 신호 공통 라인을 통해 흐르고 접지 루프를 생성하여 원하지 않는 잡음을 포착할 수 있습니다.

물론 완전히 차폐된 케이블은 설계의 전력측 무결성을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이 실드는 일반적으로 부동 상태(비연결)로 유지되어 페러데이 케이지로 작동하고 전력선에 유도될 수 있는 전력을 제한합니다. 그러나 때때로 EMI는 단순히 차폐 이상의 것을 필요로 할 만큼 큽니다. 여기서 한 가지 솔루션은 실드 드레인을 캐비닛 또는 도관의 접지에 연결하는 것입니다. 이는 실드 접지에 대한 과도 에너지의 누출 경로 역할을 합니다. 케이블의 장비 끝이 공급 끝과 다른 전위에 있는 경우가 많기 때문에 양 끝에서 이러한 실드를 연결하는 것은 거의 권장되지 않습니다. 즉, 양쪽 끝에서 연결된 실드는 실제로 과도한 전류 흐름을 경험할 수 있습니다. 이는 낙뢰가 발생하는 동안 가장 문제가 되는데, 낙뢰가 공장 근처의 대지에 부딪히면서 대지 전위가 크게 달라질 수 있습니다. 케이블 조립품을 사내에서 구축하는 경우 차폐가 케이블을 통해 전달되고 커넥터 본체에 연결되도록 주의하여 패러데이 실드 속성의 종단 간 무결성을 보장해야 합니다.

자동화된 피드백 신호 품질 유지에 대한 마지막 참고 사항: 시간이 지남에 따라 자동화 시스템은 종종 재조절 및 업그레이드됩니다. 일반적으로 여기에는 더 복잡하고 정교한 기능을 위한 장치 추가가 포함됩니다. 이로 인한 위험은 하나의 기존 전원 공급 장치에 과도한 수의 장치가 연결되는 것입니다. 그럴 경우 전압 강하와 신호 누락이 발생할 수 있습니다. 이는 간헐적인 문제로 나타나며 파괴적인 간섭으로 인한 신호 드롭아웃처럼 보입니다. 과부하 상태의 전원 공급 장치는 매우 일반적이므로 업그레이드 중에 모든 장치가 활성 상태일 때 기존 전원 공급 장치가 부하를 처리할 수 ​​있는지 확인해야 합니다.

결론

철저하고 신중한 설계 접근 방식은 산업 자동화 환경에 적합한 강력한 장치 작동을 제공할 수 있습니다. 주의할 점은 센서와 액추에이터를 올바르게 설치하려면 연결 방식에 주의를 기울이고 EMI에 의한 신호 품질 저하를 방지해야 한다는 것입니다. 고품질 케이블 및 커넥터를 사용하여 최종 연결을 수행하면 처음부터 자동화 기계의 수명 동안 순조로운 진행을 보장할 수 있습니다.