Kabelförläggning för sensorer för att hantera induktion, elektrostatisk koppling och ledning

Allt av elektrisk natur som går genom en industriell kabel som inte är en signal anses vara störningar - elektromagnetiska störningar (EMI) och radiofrekvensstörningar (RFI) i någon form. Dagens automatiseringskomponenter är rutinmässigt utformade för att undvika störningar genom att skydda signalerna från den elektromagnetiska miljön. Men för att förhindra att signalen försämras krävs även en noggrann integration av automatiserade maskiner ... vilket vanligtvis innebär en kombination av god konstruktionspraxis och kompetens om elektriska anslutningar.

Figur 1: Delkomponenter och delsystem som är helt avsedda för att förhindra EMI består för det mesta av filtrerande kretsar eller blockerande (skärmande) komponenter som t.ex. den rörformade förtennade skärmning av koppartråd som visas här. (Bildkälla: Belden Inc.)

I artikeln kommer vi att undersöka viktiga konstruktionsmetoder för att:

• Minska de interna och externa komponenternas genererande av EMI
• Öka komponenternas immunitet (tålighet) mot EMI

De viktigaste konstruktionsmålen här är att minimera eventuell intern utstrålning från respektive komponent i en konstruktion såväl som dess känslighet för externt överförd utstrålning. För det sistnämnda, måste en inneboende immunitet mot externt överförda utstrålningar skydda mot oönskade elektroniska signaler som skickas via direktledning, induktans eller kapacitiva kopplingar.

Figur 2:3M AB5000-serienEMI-absorberande limark innehåller metallflingor för att undertrycka utstrålad EMI från mobila enheter och militär utrustning. Arken i AB6000-serien innehåller lager som isolerar, absorberar, skärmar och inte leder ström för konstruktioner som behöver både skärmning och absorbering av EMI - inklusive mobiltelefoner, tuners och medicintekniska produkter. Arken i AB7000-serien utmärker sig i och kring elektronikkonstruktioner som kräver styrning av EMI och förbättring av signalintegriteten från 50 MHz till 10 GHz. Arken minskar de utstrålade störningarna från kretsarna samt EMI och överhörning inuti mobil elektronik och band- eller flexkablar. (Bildkälla: 3M)

Specifika hot mot signalkvaliteten

De flesta ansträngningar vid konstruktion av industriell automatiseringsutrustning fokuserar på specifikationen av komponenter som t.ex. ställdon och sensorer. Men tänk på det sistnämnda: Om sensorer är de automatiserade systemens ögon och öron, så är kablaget det nervsystem som förmedlar signalerna till hjärnan (eller maskinens styrenhet, för att fortsätta med analogin). Detta kablage är utsatt för olika potentiella störningskällor som kan störa systemets styrfunktioner.

Figur 3: Elektriska komponenter som sensorer och ställdon testas rutinmässigt med avseende på elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) och mottaglighet, även om den roll som kablage och kontakter har för att upprätthålla och stödja den elektromagnetiska kompatibiliteten ofta förbises. Vissa kabelanslutningar skyddar kabeländarna magnetiskt, skärmar dem elektromagnetiskt och fungerar som EMI-filter. Med hjälp av plankondensatorteknik kan vissa filtrera VHF, UHF, MF1, HF och andra EMI-intervall via C, CL, LC, L och olika pi-topologier. (Bildkälla: Amphenol Industrial Operations)

Om en sensor, ett ställdon eller någon annan komponent förlitar sig på en induktiv, kapacitiv eller elektromagnetisk princip för detektering och generering av signaler, kommer systemets kretskort troligen behöva skärmning likväl som stora jordplan. Det sistnämnda beskrivs i detalj i DigiKey-artikelnRF-avskärmning: konsten och vetenskapen för att eliminera störningar . Dessutom bör styrkan och frekvensen i de potentiella miljöutstrålningarna vara välkända eller åtminstone kodifierade med användning av en industristandard i den inledande konstruktionsfasen. Några exempel på vanliga och förväntade störningsintervall inkluderar:

• 50 eller 60 Hz - elnätets frekvens
• 4 till 16 kHz - som i IGBT-inducerad pulsbreddsmodulation (PWM) från VFD:er för elmotorer
• 2,4 GHz - Industrial Scientific and Medical-bandet (ISM) för trådlös kommunikation.

Läs mer om generering av elektromagnetiska fält från motorer, reläer, solenoider och ställdon och det specifika fallet att skydda seriella RS-485-bussar från dessa EMI-källor i DigiKey-artikelnHur man skyddar RS-485-bussar i industriella miljöer . Andra störningsfenomen inkluderar överspänningar, snabba transienter och elektrostatisk urladdning (som "statisk elektricitet" från anläggningspersonal i torra miljöer eller miljöer som saknar antistatiskt golv) samt blixtnedslag som uppstår på grund av extremt väder i närheten av anläggningen.

Figur 4: Panel-PC:nPC1321BP har en kapacitiv pekskärm som gränssnitt mellan människa och maskin. Styrelektroniken och skärmen innehåller avskärmningar och andra delar för att förhindra kabelöverförd och utstrålad RFI. (Bildkälla: Maple Systems)

Tänk på den elektriskt störande användningen vid bågsvetsning. Svetsning är ökänt för att skapa störningar med hög bandbredd på grund av:

• Den höga energin (strömmen) som är förknippad med svetsprocessen
• Variationer i impedansen vid svetsningen

Så industriell svetsutrustning som används i närheten av några strömkablar i en anläggning (eller till och med delar jord med någon annan utrustning) kan bli en betydande källa till EMI och kopplas elektriskt till andra enheter - även flera hundratals meter bort. Specialutrustning och tillbehör (särskilt kabel) måste ingå i sådana installationer för att förhindra EMI-relaterade driftproblem.

Enhetsspecifikation och misstag att undvika vid installation

När en enhet är ansluten till det större automatiserade systemet kan den uppvisa kommunikationsproblem eller beteenden som:

• Bara verkar vara relaterade till EMI
• Faktiskt är relaterade till EMI

Symptom på EMC-problem kan uppträda som signalförluster, låga signal-till-brus-förhållanden, signalstörningar och instabila styrslingor.

Sensorer som genererar analoga signaler är mest mottagliga för störningar, så jämförbara digitala enheter föredras ofta. Det är versioner av sensorer som genererar digitala PWM-signaler, frekvenser eller seriella utsignaler som är mindre känsliga för EMI. En varning här är att de höga switchningsfrekvenserna för vissa digitala signaler kan orsaka ringning (oscillering på spännings- eller strömutgångarna) med exponentiell försämring vid övergångarna. Sådan ringning avhjälps ofta med en liten avkopplingskondensator eller ett dämpande motstånd på sensorsystemets mottagarsida.

Lär dig mer om skillnaden mellan analoga och digitala enheters signaler i Digi-Keys utbildningsmodul Kabel är viktigt .

Där det är möjligt, föredras sensorer som har en differentiell utgång. Sensorer som arbetar i differentiellt läge (med signal A åtföljd av den inverterade signalen A/) undviker effektivt alla störningar i common mode. Om man tar denna EMI-immunitet vidare är signalledningar med tvinnade par som (när de är korrekt installerade) registrerar inducerat brus identiskt på båda ledningarna för maximal effektiv störningseliminering.

På sensorkabelns signalsida, är låg kapacitans avgörande för att minimera EMI-känsligheten. En annan fördel är att signaler med låg kapacitans som bär frekvensbaserad data kan bibehålla utgångssignalernas stabilitet bäst när signalfrekvensen ändras. Däremot kan överflödig kapacitans orsaka att signalen rullar av och ibland minskas den totala utmatningen till under detekteringströskeln. Denna intermittenta effekt är ofta ganska subtil men lätt att diagnostisera med ett oscilloskop.

I en perfekt värld överför kablar rena strömsignaler och referensvärden till strömsensorer och ställdon. Sedan returneras helt rena statussignaler från sensorer och ställdon till systemstyrningen. Även om det kan verka enkelt, så är de kablar som är anslutna till sensorer och ställdon en betydande och sårbar del av den elektriska kretsen - och en primär zon för ökad EMI-känslighet. Det beror på att de under vissa omständigheter kan fungera som långa antenner.

Konstruktionstips: Ta reda på den effektförlust som orsakas av särskilt långa kabelförläggningar - de som överstiger 45 m eller så - särskilt om strömledarna är 0,34 mm² eller mindre i diameter och strömmen är 500 mW eller mer per enhet.

Ett annat tips för korrekt anslutning av sensorer: Förstå och anslut ledarna på kabelns strömsida noga ... en anslutning som vanligtvis tas för givet. För många sensorer och ställdon ger denna strömanslutning en referens på 5 till 28 V för att driva de signaler som slutligen skickas tillbaka till styrenheten. De två ledarna på kabelns strömsida kallas oftaströmförsörjning ochjord. Detta är inte helt korrekt - och (om dessa märkningar utgör installationssättet) kan det leda till störningsproblem. Jorden för en sensors strömsida, bör mer korrekt kallas för signaljord. Det beror på att strömförsörjningens retur avslutas vid strömförsörjningens interna referens ... och inte vid systemets jordpunkt. Här, är den äkta jorden för det mesta ansluten till:

• Väggskåpets kapsling eller
• En ledare som är förbunden med en fysisk jord

Denna jord kan ofta ha en annan potential än signaljorden. Det innebär att om signalreturen är direkt ansluten till jord, kan ström flöda via signaljorden och orsaka en jordslinga - som plockar upp oönskat brus.

Givetvis, kan en helt skärmad kabel förbättra konstruktionens integritet på strömsidan. Skärmen lämnas ofta flytande (utan anslutning) för att fungera som enFaraday-bur och begränsa den ström som kan induceras i strömledningarna. Men ibland är de elektromagnetiska störningarna tillräckligt stora för att kräva mer än bara avskärmning. Här är en lösning att ansluta skärmen till jord vid skåpet eller kanalen, som fungerar som en läckageväg för eventuell överskottsenergi från skärm till jord. Det är sällan bra att ansluta en sådan skärm i båda ändar eftersom kabelns utrustningsände ofta har en annan potential än matningsänden, vilket innebär att skärmar anslutna i båda ändar faktiskt kan råka ut för överströmmar. Det är mest problematiskt vid åskväder när jordpotentialen kan variera kraftigt då blixtar träffar marken i närheten av anläggningen. I de fall där en kabelmontering byggs internt, måste försiktighet iakttas för att garantera att skärmen löper hela vägen genom kabeln och ansluter till kontaktdonets hylsa - för att säkerställa att Faraday-burens egenskaper löper från ände till ände.

En sista notering kring att upprätthålla signalkvaliteten vid automatiserad återkoppling: Över tid, renoveras och uppgraderas automatiserade system. Det innebär ofta att enheter läggs till för mer komplicerade och sofistikerade funktioner. Risken är att ett för stort antal enheter kopplas till en enda befintlig strömförsörjning ... vilket i sin tur kan orsaka spänningsfall och förlorade signaler. Detta uppträder som ett intermittent problem och ser ut som en signalförlust på grund av destruktiva störningar. Överbelastade strömförsörjningar är ganska vanligt, så se till att du kontrollerar att de befintliga strömförsörjningarna klarar belastningen när alla enheter är aktiva, vid eventuella uppgraderingar.

Slutsats

Grundliga och genomtänkta konstruktionsmetoder kan ge en stabil enhetsdrift som är lämplig för industriella automatiseringsmiljöer. Nackdelen är att en korrekt installation av sensorer och ställdon kräver att anslutningsscheman följs mycket noggrant - för att förhindra en försämring av signalkvaliteten på grund av EMI. Att göra de slutgiltiga anslutningarna med högkvalitativa kablar och kontakter kan garantera en god funktion från början och under hela livslängden för automatiserade maskiner.