Kabelsensorer til adresseinduktion, elektrostatisk kobling og ledning

Alt af elektrisk art, der kører gennem industrikabler, der ikke er signal, er en eller anden form for støj såsom elektromagnetisk interferens (EMI) og radiofrekvensinterferens (RFI). Dagens automatiseringskomponenter er rutinemæssigt designet til at undgå sådan støj ved at beskytte signaler fra det elektromagnetiske miljø, hvor komponenterne forventes at blive benyttet. Men forebyggelse af signalforringelse kræver også omhyggelig integration af automatiserede maskiner som normalt involverer en kombination af god designpraksis og ekspertise inden for elektrisk tilslutning.

Figur 1: Delkomponenter og delsystemer, der udelukkende er dedikeret til forebyggelse af EMI, tager normalt form af filtreringskredsløb eller blokerende (afskærmning) komponenter såsom rørformede afskærmning af fortinnet kobbertråd, der er vist her. (Billedkilde: Belden Inc.)

I denne artikel udforsker vi de vigtigste designmetoder til at:

• Reducere den interne og eksterne komponentgenerering af EMI
• Boost komponentimmunitet (modstand) mod EMI

De vigtigste designmål her er at minimere eventuelle internt udstrålede emissioner for hver komponent i et design samt dens følsomhed over for eksternt gennemførte emissioner. For sidstnævntes vedkommende skal den iboende immunitet over for eksternt koblede emissioner beskytte mod uønskede elektroniske signaler, der transmitteres via direkte ledning, induktans eller kapacitiv kobling.

Figur 2: 3M AB5000-serien EMI-absorberende klæbende plader indeholder metalflager til at undertrykke udstrålet EMI fra mobile enheder og militært udstyr. AB6000-seriens ark omfatter isolering, absorbering, afskærmning og ikke-ledende lag til design, der kræver både EMI-afskærmning og absorption; herunder mobiltelefoner, tunere og medicinsk udstyr. AB7000-seriens ark udmærker sig i og omkring elektroniske enheder, der kræver EMI-kontrol og forbedring af signalintegriteten fra 50 MHz til 10 GHz. Arkene reducerer udstrålet IC-støj samt EMI og krydstale i mobil elektronik og på bånd- og flexkabler. (Billedkilde: 3M.)

Specifikke trusler mod signalkvaliteten

De fleste bestræbelser relateret til design af industrielt automatiseringsudstyr fokuserer på specifikationen af komponenter såsom aktuatorer og sensorer. Men overvej sidstnævnte: Hvis sensorer er ører og øjne på automatiserede systemer, så er kabler det nervesystem, der bærer signalerne til hjernen (eller maskinstyringen for at fortsætte med analogien). Dette kabel udsættes for forskellige potentielle interferenskilder, der kan kompromittere systemets kontrolfunktioner.

Figur 3: Elektriske komponenter såsom sensorer og aktuatorer testes rutinemæssigt for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og modtagelighed. Men kablets rolle og deres stik i opretholdelse og understøttelse af elektromagnetisk kompatibilitet eller EMC ofte overses. Nogle kabelstik fastgør mekanisk og elektromagnetisk afskærmer kabelenderne og fungerer som EMI-filtre. Ved hjælp af plan-kondensator-teknologi er nogle i stand til at filtrere VHF, UHF, MF1, HF og andre EMI-intervaller via C, CL, LC, L og forskellige pi-topologier. (Billedkilde: Amphenol Industrial Operations)

Hvis en sensor, aktuator eller anden komponent er afhængig af et induktivt, kapacitivt eller elektromagnetisk princip til detektion og signalgenerering, vil eventuelle PCB'er i dette system sandsynligvis kræve afskærmning samt omfattende jordplaner. Sidstnævnte er beskrevet detaljeret i DigiKey artikel: RF-afskærmning: Kunsten og videnskaben om at eliminere interferens. Derudover bør de potentielle miljøemissioners styrke og hyppighed være velkendte eller i det mindste kodificeres ved hjælp af en industriel standard i den indledende designfase. Nogle eksempler på almindelige og forventede interferensområder inkluderer:

• 50 eller 60 Hz - linjefrekvenserne for strømforsyningen
• 4 til 16 kHz - som i IGBT-induceret pulsbreddemodulering (PWM) fra VFD'er til elmotorer
• 2,4 GHz - Industrial Scientific and Medical (ISM) bånd til trådløs kommunikation.

Læs mere om generering af elektromagnetiske felter ved motorer, relæer, solenoider og aktuatorer og det specifikke tilfælde af beskyttelse af RS-485 serielle busser fra disse EMI-kilder i DigiKey artikel Sådan beskyttes RS-485-busser i industrielle miljøer. Andre interferensfænomener inkluderer overspændinger, hurtige transienter og elektrostatisk afladning (som fra "statisk elektricitet" på anlægspersonale i tørre omgivelser eller dem, der mangler antistatisk gulvbelægning) samt lynnedslag som følge af ekstremt vejr nær anlægget.

Figur 4: Denne PC1321BP Panel-PC har en kapacitiv berøringsskærm som HMI. Styreelektronikken og skærmen omfatter skjolde og andre elementer for at forhindre den ledede og udstrålede RFI. (Billedkilde: Maple Systems)

Overvej den elektrisk støjende anvendelse af lysbuesvejsning. Svejsning er berygtet for at producere elektrisk støj med høj båndbredde på grund af:

• Den høje energi (strøm), der er forbundet med svejseprocessen
• Impedansvariationer under svejsningen

Så industrielt svejseudstyr, der fungerer i nærheden af alle kraftledninger i et anlæg (eller endda deler jordbund med andet udstyr) kan blive en betydelig EMI-kilde og parres elektrisk med andre enheder - endda hundrede meter væk. Specialudstyr og tilbehør (især kabel) skal inkluderes i sådanne installationer for at forhindre EMI-relaterede driftsproblemer.

Enhedsspecifikation og installationsfejl at undgå

Når en enhed er kablet til det større automatiserede system, kan den udvise kommunikation eller adfærd der:

• Vises kun relateret til EMI
• Faktisk er EMI-relaterede

Symptomer på EMC-problemer kan manifestere sig som signaludfald, lave signal-støj-forhold, signalinterferenser og ustabile kontrolsløjfer.

Sensorer, der genererer analoge signaler, er mest modtagelige for støj, så sammenlignelige digitale enheder foretrækkes ofte. Disse er sensorversioner, der genererer digitale PWM-, frekvens- eller serielle udgangssignaler, der er mere uigennemtrængelige for EMI. Et forbehold her er, at de høje omskiftningsfrekvenser af visse digitale signaler kan forårsage ringende (spænding eller strømudgangsvingninger) med eksponentielt forfald ved overgangene. En sådan ringning afhjælpes ofte med en lille afkoblingskondensator eller en dæmpende modstand i modtagerenden af sensorsystemet.

Lær mere om forskellen mellem analoge og digitale enhedssignaler hos DigiKey Kabel Matters læringsmodul.

Hvor det er muligt, foretrækkes sensorer, der kan levere differentiel output. Sensorer, der fungerer i differentierettilstand (med et signal A ledsaget af det inverterede signal A/), undgår effektivt al almindelig støj. Ved at tage denne EMI-immunitet videre er der snoede parsignalledninger, der (når de er korrekt installeret) registrerer induceret støj identisk på begge ledninger for maksimalt effektiv støjafvisning.

På signalsiden af en sensors kabel er lav kapacitans afgørende for at minimere EMI-følsomhed. En anden fordel er, at signaler med lav kapacitet, der bærer frekvensbaserede data, bedst kan opretholde stabiliteten af outputdriversignalerne, når signalfrekvensen ændres. I modsætning hertil kan overskydende kapacitans forårsage signal roll off og undertiden reducere det samlede output til under detektionstærsklen. Denne intermitterende effekt er ofte ganske subtil, men let diagnosticeret med et oscilloskop.

I en perfekt verden overfører kabler rene strømsignaler og referenceværdier til strømsensorer og aktuatorer. Den returnerer derefter systemcontrollerens fuldstændigt rene sensor- og aktuatorstatussignaler. Så simpelt som dette kan se ud, er kabler, der er fastgjort til sensorer eller aktuatorer, en væsentlig og sårbar del af det elektriske kredsløb - og en primær zone til øget EMI-følsomhed. Det er fordi de under visse omstændigheder kan opføre sig som lange antenner.

Designtip: Tag højde for det strømtab, der forårsages af særligt lange kabelløb der overstiger 500 ft eller deromkring - især hvis strømlederne er 22 gage eller mindre i diameter, og strømmen er 500 mW eller mere pr. enhed.

Et andet tip til korrekt sensortilslutning: Forstå og forbind omhyggeligt lederne på kabelspændingssiden... en forbindelse, der normalt tages for givet. For mange sensorer og aktuatorer giver denne strømforbindelse en 5 til 28-V-reference til at drive de signaler, der til sidst returneres til controlleren. De to ledere på kabelens strømside kaldes ofte strøm og jord. Dette er ikke strengt korrekt - og (hvis disse etiketter informerer installationsmetoden) kan det medføre interferensproblemer. Mere korrekt skal sensorens jord kaldessignal common. Dette skyldes, at returen ved strømforsyning termineres ved strømforsyningens interne reference og ikke systemets jord. Her er sand jord ofte bundet til:

• Vægskabinettets hus eller
• Ledningskanal, der kan spores til en fysisk jord

Denne jord kan ofte have et andet potentiale end signal common. Det betyder, at hvis signalreturen er direkte forbundet til jorden, kan strøm strømme gennem signalets fælles linje og skabe en jordsløjfe - der opfanger uønsket støj.

Selvfølgelig kan fuldt afskærmet kabel yderligere øge et designs strøm-side integritet. Det skjold er almindeligvis overladt til at flyde (uden forbindelse) for at fungere som et Faraday-bur og begrænse den inducerbare strøm i strømledningerne. Men nogle gange er EMI betydelig nok til at kræve mere end bare afskærmning. Her er en løsning at forbinde skjoldafløbet til jordbunden ved kabinettet eller ledningen, som fungerer som en lækagesti for overskydende energi på skjoldet til jorden. Det er sjældent tilrådeligt at tilslutte et sådant skjold i begge ender, fordi kablets udstyrsende ofte har et andet potentiale end forsyningsenden, hvilket betyder, at skjolde, der er tilsluttet i begge ender, faktisk kan opleve overskydende strømflow. Dette er mest problematisk under tordenvejr, hvor jordpotentialet kan variere meget, da strejker rammer jorden nær anlægget. I tilfælde, hvor en kabelsamling bygges internt, skal man være opmærksom på, at afskærmning bæres hele vejen igennem kablet og tilsluttes til konnektorhus - hvilket sikrer end-til-ende integritet af Faraday-skærmens egenskaber.

En sidste bemærkning om opretholdelse af automatiseret feedback-signalkvalitet: Med tiden eftermonteres og opgraderes automatiske systemer ofte. Normalt indebærer det tilføjelse af enheder til mere komplekse og sofistikerede kapaciteter. Risikoen er at knytte et for stort antal enheder til en enkelt eksisterende strømforsyning, da det igen kan forårsage spændingsfald og ubesvarede signaler. Dette viser sig som et intermitterende problem og ligner et signalfrafald på grund af destruktiv interferens. Overbelastede strømforsyninger er ret almindelige, så sørg for at kontrollere, at eksisterende strømforsyninger kan håndtere belastningen, når alle enheder er aktive.

Konklusion

Grundige og gennemtænkte designtilgange kan give robust enhedsdrift, der er velegnet til industrielle automatiseringsmiljøer. Forslaget er, at korrekt installation af sensorer og aktuatorer kræver omhyggelig opmærksomhed på tilslutningsordninger og forebyggelse af signalkvalitetsforringelse fra EMI's side. Oprettelse af endelige forbindelser med højkvalitets kabel og stik kan sikre jævn sejlads i starten og i det automatiserede maskiners levetid.