Induktion, elektrostaattisen kytkennän ja johtumisen ottaminen huomioon anturien kaapeloinnissa

Kaikkia teollisuuskaapelissa tapahtuvia sähköisiä ilmiöitä, jotka eivät ole signaaleja, sanotaan kohinaksi. Ne ovat erityyppisiä sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) ja radiotaajuisia häiriöitä (RFI). Automaatiokomponentit suunnitellaan nykyään yleensä kohinan välttämiseksi siten, että signaalit suojataan sähkömagneettiselta ympäristöltä, jossa komponenttien odotetaan käytettävän. Signaalin laadun säilyttäminen edellyttää kuitenkin myös automaattisten koneiden huolellista integrointia, johon tarvitaan yleensä sekä hyviä suunnittelukäytäntöjä että sähkökytkentöihin liittyvää asiantuntemusta.

Kuva 1: Pelkästään EMI-häiriöiden estämiseen tarkoitetut alikomponentit ja ‑järjestelmät ovat yleensä suodatinpiirejä tai estokomponentteja (suojia), kuten tämän kuvan putkimainen tinattu kuparijohtimen suoja. (Kuvan lähde: Belden Inc.)

Tässä artikkelissa käsitellään tärkeimpiä suunnittelumenetelmiä, joiden avulla voidaan

• vähentää sisäisten ja ulkoisten komponenttien aiheuttamia sähkömagneettisia häiriöitä
• parantaa komponentin kykyä sietää sähkömagneettisia häiriöitä (häiriönsieto).

Tärkeimpiä suunnittelutavoitteita on minimoida kaikki sisäiset säteilevät häiriöt kunkin komponentin osalta sekä minimoida niiden herkkyys ulkoa johdetuille häiriöille. Jälkimmäisessä tapauksessa luontaisen häiriönsiedon ulkoisia johtuvia päästöjä vastaan täytyy tarjota suoja suoraan johtumalla, induktion kautta tai kapasitiivinen kytkeytymisen kautta siirtyviltä ei-toivotuilta elektronisilta signaaleilta.

Kuva 2: 3M AB5000 ‑sarjan sähkömagneettisia häiriöitä absorboivissa suojakalvoissa on metallihiutaleita, jotka vähentävät mobiilien ja sotilaskäyttöön tarkoitettujen laitteiden EMI-säteilypäästöjä. AB6000-sarjan kalvoissa on eristys-, absorptio-, suojaus- ja johtamattomat kerrokset. Ne on suunniteltu sovelluksiin, joissa tarvitaan sekä EMI-suojausta että absorptiota, kuten matkapuhelimiin, virittimiin ja lääkinnällisiin laitteisiin. AB7000-sarjan kalvot soveltuvat erinomaisesti elektroniikkalaitteisiin, joissa EMI-häiriöitä on tarpeen hallita, sekä signaalin eheyden parantamiseen 50 MHz – 10 GHz:n alueella. Kalvot vähentävät myös mikropiirien säteilyhäiriöitä sekä sähkömagneettisia häiriöitä ja ylikuulumista mobiilielektroniikassa ja nauhakaapeleissa sekä taipuisissa kaapeleissa. (Kuvan lähde: 3M)

Signaalinlaatuun kohdistuvat uhat

Teollisuusautomaatiolaitteiden suunnittelussa keskitytään etenkin aktuaattorien ja anturien kaltaisten komponenttien määrittelyyn. Kannattaa kuitenkin miettiä sitä, että jos anturit ovat automaatiojärjestelmän korvat ja silmät, kaapelointi on hermosto, joka vie signaalit aivoihin (tai siis koneen ohjaimeen). Kaapelointi on alttiina monenlaisille häiriöille, jotka saattavat vaikuttaa järjestelmän ohjaukseen.

Kuva 3: Anturien ja aktuaattorien kaltaisten sähkökomponenttien sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC) testataan rutiininomaisesti, mutta kaapelien ja niiden liittimien merkitykseen EMC:n kannalta kiinnitetään vähemmän huomiota. Jotkin kaapeliliittimet varmistavat kaapelien päät mekaanisesti ja suojaavat niitä sähkömagneettisesti sekä toimivat EMI-suodattimina. Tasokondensaattoriteknologiaan perustuvat liittimet pystyvät suodattamaan VHF-, UHF-, MF1-, HF- ja muita EMI-alueita C-, CL-, LC-, L- ja useiden Π-topologioiden avulla. (Kuvan lähde: Amphenol Industrial Operations)

Jos anturin, aktuaattorin tai muun komponentin kyky tunnistaa ja generoida signaaleja perustuu induktioon, kapasitiivisuuteen tai sähkömagneettisuuteen, kyseisen järjestelmän piirikortit joudutaan todennäköisesti myös suojaamaan laajojen maadoitustasojen käytön lisäksi. Jälkimmäistä aihetta käsitellään tarkemmin Digi-Keyn artikkelissa RF Shielding: The Art and Science of Eliminating Interference. Potentiaalisten ympäristöstä tulevien päästöjen voimakkuus ja taajuus tulisi myös olla tiedossa tai ainakin kodifioitu teollisuusstandardin perusteella jo suunnittelun alkuvaiheessa. Yleisiä, odotettavissa olevia häiriöalueita ovat esimerkiksi:

• 50 tai 60 Hz – verkkovirran taajuudet
• 4–16 kHz – sähkömoottorien taajuusmuuttajien IGBT-transistorien pulssinleveysmodulaatio (PWM)
• 2,4 GHz – teolliseen, tieteelliseen ja lääketieteelliseen käyttöön tarkoitettu langaton ISM-viestintäkaista.

Lue lisää moottorien, releiden, solenoidien ja aktuaattorien aiheuttamista sähkömagneettisista kentistä sekä erityisesti RS-485-sarjaväylien suojaamisesta näiltä EMI-lähteiltä Digi-Keyn artikkelista How to Protect RS-485 Buses in Industrial Environments. Häiriöitä aiheuttavat myös virtapiikit, nopeat transientit ja staattiset purkaukset (esimerkiksi työntekijöiden staattinen sähkö kuivassa tilassa tai tilassa, jossa ei ole antistaattista lattiapinnoitetta) sekä salamaniskut tehtaan lähistöllä.

Kuva 4: Tässä PC1321BP-paneelitietokoneen HMI-liittymänä on kapasitiivinen kosketusnäyttö. Sen ohjauselektroniikassa ja näytössä käytetään suojia ja muita elementtejä, jotka estävät johtuvia ja säteileviä radiotaajuisia häiriöitä (RFI). (Kuvan lähde: Maple Systems)

Ajatellaanpa esimerkiksi kaarihitsausta, jossa syntyy paljon sähköisiä häiriöitä. On tunnettua, että hitsauksessa syntyy sähköisiä häiriöitä laajalla kaistanleveydellä. Niiden syynä ovat

• hitsauksessa käytettävä suuri energia (virta)
• impedanssin vaihtelu hitsauksen aikana.

Laitoksen sähköjohtojen lähistöllä käytettävät teolliset hitsauskoneet (tai joilla on edes yhteinen maadoitus muiden laitteiden kanssa) saattavat aiheuttaa merkittäviä sähkömagneettisia häiriöitä ja muodostaa sähköisiä kytkentöjä jopa kymmenien metrien päässä olevien laitteiden kanssa. Tällaisissa kohteissa on käytettävä erikoislaitteita ja ‑varusteita (etenkin kaapeleita) sähkömagneettisiin häiriöihin liittyvien toimintaongelmien välttämiseksi.

Vältä nämä laitemäärityksiin ja asennukseen liittyvät virheet

Kun laite on kaapeloitu kiinni laajempaan automaatiojärjestelmään, sen viestintä tai käyttäytyminen saattaa

• näyttää siltä, että se liittyy EMI-häiriöihin
• tosiaankin liittyä EMI-häiriöihin.

EMC-ongelmien oireita voivat olla esimerkiksi signaalin katoaminen, alhainen signaalikohinasuhde, signaalin häiriöt sekä epästabiilit säätöpiirit.

Analogisia signaaleja tuottavat anturit ovat herkempiä kohinalle, joten vastaavien digitaalisten laitteiden käyttö on usein parempi ratkaisu. Tällaiset anturiversiot tuottavat digitaalisia PWM-, taajuus- tai sarjalähtösignaaleja, jotka kestävät sähkömagneettisia häiriöitä paremmin. Tässä on kuitenkin se ongelma, että eräiden digitaalisten signaalien korkeat kytkentätaajuudet saattavat aiheuttaa värähtelyä (jännite- tai virtalähdön oskillointia) ja eksponentiaalista vaimennusta siirtymäkohdissa. Värähtelyn voi usein korjata anturijärjestelmän vastaanottopäässä pienellä erotuskondensaattorilla tai vaimentavalla vastuksella.

Lue lisää analogisten ja digitaalisten signaalien eroista Digi-Keyn artikkelista Cable Matters Learning Module.

Differentiaalisen lähdön tarjoavat anturit ovat suositeltava vaihtoehto, jos sellaisia on saatavana. Differentiaalisessa tilassa toimivat anturit (joissa signaalin A mukana kulkee sen käänteissignaali A/) poistavat tehokkaasti kaiken yhteismuotoisen kohinan. EMI-häiriönsietoa voi parantaa edelleen käyttämällä kierrettyjä parisignaalikaapeleita. Oikein asennettuna ne rekisteröivät indusoituneen kohinan samalla tavalla molemmissa kaapeleissa siten, että kohina kumoutuu mahdollisimman tehokkaasti.

Alhainen kapasitanssi on tärkeä keino parantaa EMI-häiriönsietoa etenkin anturikaapelin signaalipuolella. Lisäksi taajuuspohjaista dataa siirtävät alhaisen kapasitanssin signaalit pystyvät säilyttämään lähtöohjaussignaalien stabiiliuden parhaiten signaalin taajuuden vaihdellessa. Liian suuri kapasitanssi puolestaan voi aiheuttaa signaalin vaimenemisen ja toisinaan laskea kokonaislähdön havaitsemisrajan alapuolelle. Tämä ajoittain havaittava vaikutus on usein melko herkkä, mutta sen pystyy toteamaan helposti oskilloskoopilla.

Täydellisessä maailmassa kaapeleissa kulkee puhtaita tehosignaaleja ja referenssiarvoja tehoantureille ja aktuaattoreille. Nämä palauttavat järjestelmän ohjaimeen sen jälkeen täydellisen puhtaat anturin ja aktuaattorin tilasignaalit. Antureihin tai toimilaitteisiin kytketyt sinänsä yksinkertaiset kaapelit ovat tärkeä ja haavoittuvainen virtapiirin osa ja tärkein syy EMI-häiriöherkkyyden kasvuun. Ne voivat nimittäin tietyissä olosuhteissa käyttäytyä pitkien antennien tapaan.

Suunnitteluvinkki: Ota huomioon erityisen pitkien, yli 150-metristen kaapelien aiheuttama tehohäviö, etenkin jos johtimien halkaisija on enintään 0,643 mm ja virta vähintään 500 mW laitetta kohden.

Antureita liittäessä kannattaa ymmärtää johtimien merkitys ja kytkeä kaapelin tehopuoli huolellisesti, sillä tähän kytkentään kiinnitetään usein aivan liian vähän huomiota. Tehokytkentä toimii monille antureille ja aktuaattoreille 5–28 V:n referenssinä, joka vaikuttaa myös ohjaimelle palautettaviin signaaleihin. Kaapelin tehopuolen kahta johdinta sanotaan usein jännitejohtimeksi ja maajohtimeksi. Nämä nimitykset eivät ole tarkalleen ottaen aivan oikein, mikä saattaa johtaa ongelmiin, jos asennus tehdään näiden nimitysten perusteella. Anturin tehopuolen maadoitusta pitäisi kutsua signaalinollaksi, koska teholähteen paluu on kytketty teholähteen sisäiseen referenssiin, ei järjestelmän maahan. Todellinen maadoitus on liittyy usein

• seinäkaapin koteloon tai
• fyysiseen maadoitukseen vievään johtimeen.

Maadoituskytkennän potentiaali on usein eri kuin signaalinollan. Jos signaalin paluu kytketään suoraan maahan, tästä seuraa, että virta pääsee kulkemaan signaalinollan kautta ja muodostamaan maasilmukan, joka aiheuttaa ei-toivottuja häiriöitä.

Täysin suojattu kaapeli voi tietenkin parantaa järjestelmän tehopuolen häiriönsietoa entisestään. Suoja jätetään yleensä irralleen (kytkemättä), jolloin se toimii Faradayn häkkinä ja rajoittaa sähköjohtoihin indusoituvaa tehoa. Sähkömagneettiset häiriöt ovat joskus kuitenkin niin voimakkaita, että tarvitaan muutakin kuin pelkkää suojausta. Yksi ratkaisu on kytkeä suojauksen nielu kaapin tai putken maadoitukseen, jonka kautta suojauksen mahdollinen liikaenergia pääsee vuotamaan maahan. Molempien päiden kytkeminen on harvoin suositeltavaa, koska kaapelin laitepään potentiaali on usein erisuuruinen kuin virtalähdepään. Molempien päiden suojusten kytkeminen saattaa silloin itse asiassa synnyttää voimakkaan sähkövirran. Ongelmia aiheutuu etenkin ukonilmalla, jolloin maan potentiaali saattaa vaihdella suuresti, jos salama iskee maahan tehtaan lähellä. Jos kaapelikokoonpano rakennetaan itse, on kiinnitettävä huomiota suojauksen jatkuvuuteen koko kaapelin matkalla ja sen kytkemiseen liitinrunkoon. Näin voidaan varmistaa Faraday-suojauksen eheys päästä päähän.

Lopuksi vielä yksi maininta automaattisen palautesignaalin laadusta. Ajan mittaan automaatiojärjestelmiin tehdään usein lisäasennuksia ja päivityksiä. Yleensä niihin lisättävät laitteet ovat aiempaa monimutkaisempia ja niissä on kehittyneempiä ominaisuuksia. Vaarana on, että senhetkiseen yhteen teholähteeseen kytketään liian monta laitetta, sillä seurauksena voi olla jännitteen heikkeneminen ja signaalien häviäminen. Ongelma esiintyy satunnaisesti ja näyttää haitallisen interferenssin aiheuttamalta signaalin häviämiseltä. Teholähteen ylikuormittuminen on melko yleistä. Päivityksissä kannattaakin varmistaa, että käytössä olevat teholähteet kestävät kuormituksen, kun kaikki laitteet ovat käytössä.

Yhteenveto

Perusteellinen ja hyvin ajateltu suunnittelu auttaa varmistamaan laitteiden toiminnan teollisuusautomaatioympäristöissä. Anturien ja aktuaattoreiden asianmukainen asennus vaatii kuitenkin myös kytkentöjen huolellista pohtimista sekä sähkömagneettisista häiriöistä johtuvan signaalin laadun heikkenemisen estämistä. Laadukkaiden kaapelien ja liittimien käyttö lopullisissa kytkennöissä voi varmistaa onnistuneen lopputuloksen alusta alkaen ja automatisoitujen koneiden koko käyttöiän ajan.