スペース、効率、安全性に配慮した産業制御パネルの設計方法

産業制御パネルの設計者は、多くの課題に直面しています。これには、限られたスペースと予算、電源喪失や化学物質への暴露などの環境ハザード、悪用や不正使用などの人的要因が含まれます。こうした困難にもかかわらず、設計者はセキュリティ、安全性、信頼性に妥協することなく、規格に準拠したパネルを製造する必要があります。

これらの目標を達成するために、設計者は制御パネルの作成、設置、使用を簡素化できるこれまでにないソリューションを必要としています。具体的には、特定のユースケースに合わせたコンポーネントや、適切な動作を保証する設置およびメンテナンスツールが必要となります。

この記事では、コストとスペースの最適化に焦点を当てて、これらのコンポーネントを選択する際のガイダンスを提供します。配線システム、識別システム、安全システム、アクセス制御、およびUPSを取り上げ、各コンポーネントの役割と選択基準についてPanduitの事例を用いて解説します。また、信頼性、安全性、産業規格への準拠を確保するために、これらのコンポーネントをどのように実装するかについても説明します。

適切な配線ダクトを選択し、スペース効率の高い制御パネルを設計

効率的な制御パネルを設計するために、オートメーションと制御のエンジニアは、ケーブルの分離、熱管理、ケーブルエントリ、電磁干渉（EMI）、ケーブルの曲げ半径、将来の拡張スペースなど、さまざまな要素に対処する必要があります。配線ダクトは、パネル設計全体の「骨格」を形成するため、このプロセスで重要な役割を果たします。産業制御パネルの配線ダクトを選択する際、設計者は以下の要素を考慮する必要があります。

• パネルの設計：パネルの寸法、タイプ、バスバーサイズや冷却能力などの仕様はすべて、必要な配線ダクトのタイプや特性に影響します。
• サイズ：配線ダクトは、将来の追加や調整のためにある程度のスペースを確保する必要があります。ただし、制御パネルのスペースを不必要に占有するような大きさであってはなりません。
• 配線のタイプ：異なるサイズや機能を備えたワイヤ（電源、制御、データケーブルなど）は、適切にフィットさせるために異なる種類のダクトやチャンネルが必要になる場合があります。
• 環境と素材：一般的な素材はポリ塩化ビニル（PVC）やアクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）プラスチックなどですが、高温、湿気、腐食性物質などの条件によっては、特定の素材でできたダクトや保護機能を備えたダクトが必要となります。
• 設置とメンテナンス：ワイヤの追加や取り外し、および制御パネルへのダクトの取り付けが簡単に行える必要があります。
• コンプライアンス：ダクトは、該当する安全基準、電気コード、および業界固有の規制に適合している必要があります。

規格や規制は特に重要であり、規格に準拠しない配線ダクトを使用すると、安全上の危険や制御パネルの故障につながる可能性があります。規格に準拠した部品の一つが、PanduitのF1X3LG6スロット付き配線ダクトです。これは鉛フリーPVC製で、連続使用温度は最大+50°C（+122°F）です。UL 94の難燃性グレードV-0を満たし、NFPA 79-2007の13.3.1項の難燃性材料の要件に適合しています。

F1X3LG6は、スペース効率の高い設計にも適しています。高密度コンポーネントの間隔に合わせた狭いスロットがあり、分岐や他のワイヤ管理のための大きな穴の作成を容易にするスコアラインを備えています（図1）。ワイヤに素早く安全にアクセスできるスナップオンカバー付きのものもあります。

図1：PanduitのF1X3LG6は、ワイヤを保持するための二重制限スロット設計による狭い間隔のスロットを備えています。（画像提供：Panduit）

制御パネルの代替配線ソリューション

もちろん、ダクトはすべての状況に適しているわけではありません。たとえば、シャーシにダクト穴を開けられないような領域に配線を通す必要がある場合があります。このような場合、ABM100-A-C粘着式ケーブルタイマウントのようなソリューションを検討できます。この4方向マウントは、迅速な取り付けと長期的な信頼性を両立するように設計されています。

すべての接着剤システムと同様に、アプリケーション環境に適した接着剤を選択するよう注意する必要があります（図2）。

図2：接着剤システムは、アプリケーション環境の要求を満たすように選択する必要があります。（画像提供：Panduit）

制御パネルのワイヤとケーブルを摩耗から保護

ワイヤをダクトの外に配線する場合は、摩耗やその他の危険な状況によってワイヤが損傷しないように注意する必要があります。たとえば、制御パネルは通常、エンクロージャ内からフロントパネルへの配線を必要とします。これらのワイヤは、損傷を避けるために巻いておく必要があります。制御エンジニアは、以下のオプションから選択することができます。

• スパイラルラップ：ワイヤハーネスおよびケーブルバンドルの汎用摩耗保護。簡単にブレイクアウトでき、さまざまな色、素材、サイズがあります。
• パンラップスプリットハーネスラップ：ワイヤハーネスやケーブルバンドルの柔軟で耐摩耗性のある保護。固有のスロットパターンと大きなオーバーラップにより、取り付け時間を短縮し、さまざまなバンドル径に対応します。
• 編組スリービング：ワイヤ、ケーブル、ホース、チューの連続的な摩耗保護。柔軟性のあるオープン織りで、熱や湿気をこもらせません。
• コルゲートチューブ：ソリッドウォール設計による経済的なソリューションで、ケーブルバンドルを完全に保護します。これは、さまざまな素材で入手可能で、取り付けや取り外しが簡単なスリットウォール設計のものもあります。
• 熱収縮：ワイヤやケーブルの絶縁、保護、色分けに適しています。また、端子やラグと併用することで、クリーンで安全、確実な取り付けが可能です。さまざまな素材、サイズ、肉厚のものがあり、防水シールのために粘着ライニングが施されているものもあります。

適切なラップの選択には多くの要素が関わっています（図3）。たとえば、軽量で柔軟性があり、不規則な形状にも対応できるソリューションが求められる用途には、T25F-Cスパイラルラップが適しています。このワイヤラップは取り付けが簡単にできるように設計されていますが、耐久性もあり、+50°C（+122°F）まで使用できます。

図3：異なるニーズを満たすため、さまざまなタイプのワイヤラップが用意されています。（画像提供：Panduit）

ケーブル終端、管理、ラベリングによる制御パネルの保守性と安全性の向上

制御パネルの効果的な設置、使用、メンテナンスを確実にするために、設計者は適切なワイヤ終端方法と素材を選択する必要があります（図4）。

図4：終端タイプの例とその特長の表を示しています。（画像提供：Panduit）

最適な選択肢は、必要な終端の数など、いくつかの要因によって決まります。たとえば、DNF14-250FIB-Cナイロン絶縁メス型ディスコネクトは、ツールを使用せずにオス型タブに挿入したり、取り外したりできるため、設置コストの削減とメンテナンスの容易さにつながります。対照的に、FSD80-8-KD6単線DINエンドスリーブ絶縁フェルールは、自動アプリケータ用に設計されており、目の詰んだ終端に適しています。

ケーブルタイも、配線を整理して安全に保つことで、安全性とメンテナンスにおいて重要な役割を果たします。図5に示すように、さまざまなニーズを満たすために、多種多様なタイがあります。タイの基本的な設計だけでなく、素材の選択も重要な考慮事項です。たとえば、PLT1.5M-Mロッキングケーブルタイはナイロン6.6製で、屋内での使用に最適です。塩分や酸性雨などの危険のある屋外での用途には、プロピレンのような素材がより適しています。

図5：ケーブルタイの選択では、幅広い環境要因を注意深く考慮する必要があります。PLT1.5M-Mロッキングケーブルタイはナイロン6.6を使用しており、屋内での使用に最適です。（画像提供：Panduit）

適切なケーブルタイツールを使用することで、生産性の向上、コストの削減、作業員の安全性の強化が可能になります。たとえば、GTH-Eケーブルタイガンは使いやすさを追求して設計されています（図6）。同種のツールに比べ、ハンドルにかかる力が15%軽減され、ケーブルタイ切断機構により、ユーザーの手にかかる衝撃が40%以上軽減されます。

図6：使いやすさを追求して設計されたGTH-Eケーブルタイガンの主な特長を示しています。（画像提供：Panduit）

最後に、制御パネルの適切な使用とメンテナンスのためには、明確なラベルが不可欠です。ラベルの選択は、使用目的だけでなく、環境ハザードにも左右されます（図7）。たとえば、ケーブルが水性の穏やかな液体にしかさらされない場合は、S100X150VATY熱転写ビニールセルフラミネートラベルのようなソリューションが効果的です。これらのラベルは、ワイヤおよびケーブルの用途に合わせてサイズ指定され、+65°C（+150°F）までの使用に対応しています。

図7：ラベリングソリューションのサンプルとさまざまな環境ハザードに対する適合性を示しています。（画像提供：Panduit）

TDP43ME熱転写プリンタのようなソリューションは、適切なラベリングを確保するのに役立ちます（図8）。この熱転写プリンタにより、オペレータはコネクタや端子の端から12.7mm（1/2インチ）までのワイヤやケーブルにラベルを貼ることができます。このプリンタのサイクルタイムは、従来の手作業による設置の最大3倍、競合ソリューションの2倍速まります。人間工学的設計により、オペレータの疲労が軽減され、反復動作による傷害のリスクを最小化します。

図8：TDP43ME熱転写プリンタには、効率的なラベリングのためのソフトウェアとアクセサリが付属しています。（画像提供：Panduit）

制御パネルアプリケーションの接地と安全性

産業制御パネルに存在する大電力を考慮すると、適切な接地は安全を確保するうえで極めて重要です。したがって、接地バーの選択は、安全性だけでなく、制御パネルの費用対効果や保守性にも影響する重要な設計上の選択となります。

UGB2/0-414-6ユニバーサル接地バーがこの良い例です。これは、Panduitが特許を取得したStructuredGround™ユニバーサル接地バーシステム（UGB）の一部であり、あらゆる種類の終端方法と140を超えるコネクタに対応しています。この柔軟性により、設計とメンテナンスが大幅に簡素化されます。さらに、2種類のスタンドオフ取り付けオプションがあり、狭い場所でも配線スペースを確保できます。

安全性と生産性は時として相反します。たとえば、電気装置を修理する前に、ゼロ電圧を確認するテストが規制により義務付けられていますが、これはハンドヘルド装置を使用すると時間のかかるプロセスとなります。VS-AVT-C02-L03 VeriSafeゼロ電圧テスタは、手順を自動化することで作業を簡素化します。このデバイスをフロントパネルに取り付けたら、ボタンを1回押すだけで、作業員はゼロ電圧を確認できます（図9）。

図9：VS-AVT-C02-L03 VeriSafeゼロ電圧テスタのような装置を使用した自動テストは、時間を短縮しながら安全性を強化できます。（画像提供：Panduit）

産業用EthernetソリューションとUPSで信頼性の高いネットワーキングを維持し、不正使用を防止

データネットワークは現在、ほとんどの制御パネル設計に組み込まれています。不正使用や悪用によるセキュリティ侵害やダウンタイムを避けるためには、ネットワークケーブルが所定の位置にあることを確認することが重要です。PSL-DCJB RJ45ジャックモジュールブロックアウトデバイスは、この目的のために作成されました。これらのデバイスは未使用のEthernetポートに挿入され、許可された作業員のみがアクセスし、専用ツールでプラグを取り外すことができます。逆に、ロックインデバイスは、アクティブなEthernetポートからネットワークケーブルが取り外されるのを防ぎます。

場合によっては、制御パネルの外側からEthernetポートにアクセスできる必要があります。ここでは、保護キャップ付きIAEBHC6 IndustrialNet Cat 6 UTPバルクヘッドRJ45カプラモジュールのようなソリューションが重要な役割を果たします。このバルクヘッドは、埃や一時的な水没から保護するIP67定格のシールを実現し、洗浄を必要とする作業セルに適しています。

ネットワーク駆動デバイスには、Ethernetプラグに特別な機能が必要です。たとえば、FPS6X88MTG IndustrialNet、Category 6Aシールド、フィールド終端可能RJ45プラグは、IEEE 802.3af/802.3at（PoE/PoE+）に準拠したPower-over-Ethernet（PoE）および同様のアプリケーション用に設計されています。その他の特長として、このプラグはANSI/TIA 568-C.2 Category 6AおよびISO 11801 Class EA Channelの性能要件を上回り、ANSI/TIA-1096-A（旧FCC Part 68）、IEC 60603-7、IEC 60529（IP20）規格に準拠しています。

電源の種類に関係なく、多くの制御パネルは停電時に機能を維持するために無停電電源装置（UPS）を必要とします。制御パネル用のUPSを選択する場合、制御エンジニアは以下を考慮する必要があります。

• 電力容量：出力は制御パネルの消費電力を上回る必要があります。
• メンテナンス：リモート管理により、主要パラメータの監視と制御が可能になり、コストと時間を節約できます。
• 取り付け：DINレールマウントなどのオプションにより、制御パネルへの統合が容易になります。
• 安全性とコンプライアンス：最低限、UPSはUL508などの関連規格に適合している必要があります。

UPS00100DC産業用ネットワークUPSは、これらの基礎を超える多くの方法を示しています。バッテリの代わりにウルトラキャパシタを使用するため、ダウンタイムのリスクが減り、水素ガスが溜まる可能性を回避することができます。バッテリを使用しない設計はメンテナンス不要で、バッテリを使用するUPSと比較して2倍のROIと50～70%の所有コスト削減を実現します。

まとめ

産業制御パネルの設計は、スペース、セキュリティ、安全性、信頼性のバランスを取ることが要求される複雑なプロセスです。最適な結果を得るために、設計者は、パネルの整理、配線、ラベル付けに役立ち、外部および内部の危険からパネルを保護できる制御パネルソリューションを使用する必要があります。これらのソリューションは、産業制御パネルアプリケーションの特定の要件に合わせて調整する必要があり、適切な動作を保証する設置および保守ツールが付属する必要があります。これらの基準を満たす制御パネルソリューションを使用することで、設計者は効果的で、安全で、規格に準拠したパネルを構築することができます。