Kabelsensorer for å ta fatt på induksjon, elektrostatisk kobling og konduksjon

Alt av elektrisk art som beveger seg gjennom industrielle kabler som ikke er signaler, er støy – elektromagnetisk interferens (EMI) og radiofrekvensinterferens (RFI) av en eller annen type. Dagens automatiseringskomponenter blir rutinemessig utviklet til å unngå støy ved å beskytte signaler fra de elektromagnetiske omgivelsene hvor komponentene forventes å være i drift. Forhindring av signalforringelse krever imidlertid nøye integrering av automatiserte maskiner, noe som vanligvis innebærer en kombinasjon av god konstruksjonspraksis og elektrisk tilkoblingskompetanse.

Figur 1: Underkomponenter og delsystemer som utelukkende er dedikert til forebygging av EMI, er vanligvis filtreringskretser eller blokkeringskomponenter (skjerming), for eksempel rørformet skjerming av fortinnet kobbertråd som vises her. (Bildekilde: Belden Inc.)

I denne artikkelen vil vi utforske viktige konstruksjonsmetoder for å gjøre følgende:

• Redusere EMI generert av komponenter internt og eksternt
• Forsterke komponentenes immunitet (motstandsdyktighet) mot EMI

De viktigste konstruksjonsmålene her er å minimere alle internt utstrålte utslipp for alle komponentene i en konstruksjon, samt susceptibiliteten for utvendig ledet utslipp. For sistnevnte må iboende immunitet mot utvendig koblede utslipp beskytte mot uønskede elektroniske signaler som overføres via direkte konduksjons-, induktans- eller kapasitetskobling.

Figur 2: 3M AB5000-seriens EMI-absorberende klebeark inneholder metallflak for å undertrykke utstrålt EMI fra mobile enheter og militært utstyr. AB6000-seriens ark inkluderer isolasjon, absorbering, skjerming og ikke-ledende lag for konstruksjoner som har behov for både EMI-skjerming og -absorpsjon – for eksempel mobiltelefoner, tunere og medisinsk utstyr. AB7000-seriens ark utmerker seg selv i og rundt elektroniske enheter som krever EMI-styring og signalintegritetsforbedring på 50 MHz til 10 GHz. Arkene reduserer utstrålt IC-støy samt EMI og krysstale i mobil elektronikk og på bånd- og flekskabler. (Bildekilde: 3M)

Spesifikke trusler mot signalkvaliteten

Mesteparten av innsatsen knyttet til konstruksjon av industrielt automatiseringsutstyr fokuserer på spesifikasjonen av komponenter som aktuatorer og sensorer. La oss se på sistnevnte: Hvis sensorer er ørene og øynene til automatiserte systemer, så er kablingen nervesystemet som fører signalene til hjernen (eller maskinstyringen, for å fortsette med den samme analogien). Denne kablingen utsettes for ulike potensielle interferenskilder som kan kompromittere styringsfunksjonene til systemet.

Figur 3: Elektriske komponenter som sensorer og aktuatorer blir rutinemessig testet for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC – electromagnetic compatibility) og susceptibilitet, men rollen som kabler og tilhørende kontakter har om å opprettholde og støtte elektromagnetisk kompatibilitet eller EMC, blir ofte oversett. Noen kabelkontakter fester kabelendene mekanisk og skjermer dem elektromagnetisk, og de fungerer som EMI-filtre. Ved hjelp av flat-kondensator-teknologi er noen i stand til å filtrere VHF, UHF, MF1, HF og andre EMI-områder via C, CL, LC, L og ulike pi-topologier. (Bildekilde: Amphenol Industrial Operations)

Hvis en sensor, aktuator eller annen komponent er avhengig av et induktivt, kapasitivt eller elektromagnetisk prinsipp for deteksjon og signalgenerering, vil alle PCB-er i dette systemet sannsynligvis kreve skjerming og omfattende jordplan. Sistnevnte dekkes i detalj i DigiKey-artikkelen RF-skjerming: Kunsten og læren om å eliminere interferens (RF Shielding: The Art and Science of Eliminating Interference). I tillegg skal styrken og frekvensen til potensielle utslipp i omgivelsene være velkjent, eller i det minste kodifisert ved hjelp av en industristandard i det innledende prosjekteringsstadiet. Noen eksempler på vanlige og forventede interferensområder omfatter:

• 50 eller 60 Hz – linjefrekvensene for vekselstrøm
• 4 til 16 kHz – i likhet med IGBT-indusert pulsbreddemodulasjon (PWM – pulse-width modulation) fra VFD-er for elektriske motorer
• 2,4 GHz – det industrielle vitenskapelige og medisinske (ISM – Industrial Scientific and Medical) båndet for trådløs kommunikasjon.

Les mer om genereringen av elektromagnetiske felt fra motorer, reléer, solenoider og aktuatorer, og det spesifikke tilfellet med å beskytte RS-485-seriebusser fra disse EMI-kildene, i DigiKey-artikkelen Hvordan beskytte RS-485-busser i industrielle omgivelser (How to Protect RS-485 Buses in Industrial Environments). Andre interferensfenomener omfatter overspenninger, raske transienter og elektrostatisk utladning (fra «statisk elektrisitet» på anleggspersonell i tørre omgivelser eller omgivelser som ikke har antistatisk gulvbelegg), samt lynnedslag som oppstår fra ekstremvær nær anlegget.

Figur 4: Denne PC1321BP Panel PC-en har en kapasitiv HMI-berøringsskjerm. Styringselektronikken og skjermen omfatter skjerming og andre elementer for å hindre ledende og utstrålt RFI. (Bildekilde: Maple Systems)

La oss se på den elektrisk støyende bruken av buesveising. Sveising er allment kjent for å produsere elektrisk støy med høy båndbredde på grunn av:

• Den høye energien (strømmen) knyttet til sveiseprosessen
• Impedansvariasjoner under sveisingen

Industrielt sveiseutstyr som er i drift i nærheten av strømledninger i et anlegg (eller til og med deler jord med annet utstyr) kan derfor bli en betydelig EMI-kilde og kobles elektrisk med andre enheter – til og med over hunder meter unna. Spesialisert utstyr og tilbehør (spesielt kabel) må inkluderes i slike installasjoner for å forhindre EMI-relaterte driftsproblemer.

Enhetsspesifikasjon og installasjonsfeil som må unngås

Når en enhet er koblet til det større automatiserte systemet, kan den utvise kommunikasjon eller atferd som:

• Bare fremtrer som relatert til EMI
• Faktisk er relatert til EMI

Symptomer på EMC-problemer kan vise seg som signalutfall, lavt signal-til-støy-forhold, signalinterferens og ustabile styringssløyfer.

Sensorer som genererer analoge signaler er mest mottakelige for støy, så sammenlignbare digitale enheter er ofte å foretrekke. Dette er sensorversjoner som genererer digitale PWM-, frekvens- eller serieutgangssignaler som er mer ufølsomme for EMI. En advarsel her er at de høye vekslingsfrekvensene til visse digitale signaler kan forårsake dempet svingning (svingninger på spennings- eller strømutganger) med eksponentielt forfall ved overgangene. Slik dempet svingning kan ofte rettes med en liten frakoblingskondensator eller en dempende motstand i mottakerenden til sensorsystemet.

Finn ut mer om forskjellen mellom analoge og digitale enhetssignaler i Digi-Keys læremodul om hva angår kabler (Cable Matters Learning Module).

Sensorer som kan avgi differensielle utgangsverdier foretrekkes der dette er tilgjengelig. Sensorer som opererer i differensialmodus (med et signal A ledsaget av det inverterte signalet A/), unngår i realiteten all fellesmodus-støy. Ved å ta denne EMI-immuniteten enda et skritt videre, er signalledninger med tvunnede par som (når de er riktig installert) registrerer indusert støy, identisk på begge ledningene for å oppnå maksimal effektiv støyreduksjon.

Lav kapasitans er avgjørende på signalsiden til en sensorkabel for å minimere EMI-susceptibilitet. En annen fordel er at signaler med lav kapasitans som bærer frekvensbaserte data kan best opprettholde stabiliteten til utgangsdriversignalene når signalfrekvensen endres. Overkapasitans kan derimot forårsake signaldempning og i noen tilfeller redusere den totale utgangsverdien til under deteksjonsterskelen. Denne periodisk tilbakevendende effekten er ofte ganske svak, men kan enkelt diagnostiseres med et oscilloskop.

I en perfekt verden overfører kabler rene strømsignaler og referanseverdier til strømsensorer og aktuatorer. De returnerer deretter systemstyringens helt rene statussignaler for sensorer og aktuatorer. Så enkelt som dette kan virke, er kabler festet til sensorer eller aktuatorer en betydelig og sårbar del av den elektriske kretsen – og en hovedsone for økt EMI-susceptibilitet. Det er fordi de under visse omstendigheter kan oppføre seg som lange antenner.

Konstruksjonstips: Ta hensyn til effekttap forårsaket av spesielt lange kabelføringer – de som overstiger cirka 150 meter (500 fot) – spesielt hvis strømlederne er 0,34 mm2 (22 gauge) eller mindre i diameter og strømmen er 500 mW eller mer per enhet.

Et annet tips for riktig sensortilkobling: Forstå og koble nøye til lederne på kabelens strømsiden … en tilkobling som vanligvis tas for gitt. For mange sensorer og aktuatorer forsyner denne strømtilkoblingen en referanse på 5 til 28 V for å drive signalene som til slutt returneres til styringen. De to lederne på kabelens strømside kalles ofte strøm og jord. Dette stemmer ikke helt – og, hvis disse beskrivelsene preger installasjonens tilnærmingsmåte, kan det føre til interferensproblemer. Mer korrekt bør sensorens jord på strømsiden kalles fellessignalet (signal common). Dette skyldes at strømforsyningens retur termineres ved strømforsyningens interne referanse … og ikke ved systemets jord. Her er faktisk jord ofte forbundet til:

• Veggkabinettets hus eller
• Ledningskanal som kan spores til en fysisk jordforbindelse

Denne jordingen kan ofte ha et annet potensial enn fellessignalet. Det betyr at hvis returen av signalet er direkte koblet til jord, kan strømføringen gå gjennom signalets felleslinje og skape en jordsløyfe – og dermed fange opp uønsket støy.

Selvfølgelig kan en fullstendig skjermet kabel ytterligere øke integriteten til en konstruksjon på strømsiden. Denne skjermingen overlates som regel i flyt-tilstand (ikke tilkoblet) for å fungere som et Faraday-bur og begrense strømmen som kan induseres i strømledningene. Noen ganger er imidlertid EMI-en stor nok til å kreve mer enn bare skjerming. Her er en løsning å koble skjermingens utløp (drain) til jord på kabinettet eller ledningen, som fungerer som en lekkasjebane for all overskytende energi på skjermingen til jord. Det er sjeldent tilrådelig å koble til en slik skjerming i begge ender fordi kabelens utstyrsende ofte har et annet potensial enn forsyningsenden, noe som betyr at skjerming koblet til i begge ender faktisk kan oppleve overskytende strømføring. Dette er mest problematisk under lynstormer når potensialet til jord kan variere veldig mens lynnedslag treffer bakken nær anlegget. I tilfeller hvor en kabelmodul bygges internt, må det utvises forsiktighet for å sikre at skjermingen går hele veien gjennom kabelen og kobles til kontaktens hoveddel. Dette sikrer integriteten til Faraday-skjermingens egenskaper fra ende til ende.

Et siste punkt om å opprettholde kvaliteten til det automatiserte tilbakekoblingssignalet: Over tid blir automatiserte systemer ofte ettermontert og oppgradert. Vanligvis innebærer dette å legge til enheter for å gi mer komplekse og sofistikerte muligheter. Risikoen er at et overdrevent antall enheter festes til én enkelt eksisterende strømforsyning … da dette igjen kan forårsake spenningsfall og manglende signaler. Dette dukker opp som et uregelmessig problem og ser ut som et signalutfall på grunn av destruktiv interferens. Strømforsyninger som er overbelastet er ganske vanlig, så under alle oppgraderinger må det sørges for at eksisterende strømforsyninger kan håndtere lasten når alle enheter er aktive.

Konklusjon

Grundige og gjennomtenkte konstruksjonstilnærminger kan gi robust drift av enheter egnet for industrielle automatiseringsmiljøer. Det er viktig å huske at riktig installasjon av sensorer og aktuatorer krever nøye studering av tilkoblingsskjemaer – og det må forhindres at signalkvaliteten forringes av EMI. Endelige tilkoblinger med kabel og kontakter av høy kvalitet kan sikre smidig drift i starten og gjennom hele livsløpet til automatiserte maskiner.