物理的な産業ネットワークにおける安全性、性能、および信頼性

Ethernetの利点の一つは、厳密に標準化されているため、接続が簡単なことです。その一方で、コンポーネントの選択が不適切な場合、産業環境で安全性、性能、信頼性に対して危険やリスクが発生する可能性があります。環境の条件が動的である場合は、Ethernetの配線に対して、制御パネル、マシン、および装置に接続される他のワイヤ、ケーブル、コネクタに対するのと同様に計画を立てる必要があります。今回は、電磁干渉（EMI）ノイズなどの一般によく見られる環境要因や、Ethernetデバイスの性能を脅かすノイズを緩和・排除するための戦略や製品ソリューションについて検討します。

制御パネル内部のEMI管理のベストプラクティス

マシンの制御パネルのエンクロージャは、外部のノイズ発生源から内部回路を保護する、EMIへのバリアとしての役割を果たしています。Panduitが提供する産業用Ethernetコードセットは、UTPおよびSTP配線用のカテゴリ5eおよび6A、産業用グレード、より線、ツイストペアケーブルで構成されています。各コードセットはUL、NEMAおよびIP定格で、性能を落とすことなく軽度の洗浄や一時的な浸水に耐える、信頼性が確保されています。ただし、EMIは内部回路からも発生します。エンクロージャ内部のデバイスは、感度が高く、内部のEMI発生源に近接性しているため、より高いリスクにさらされる場合があります。産業プロセスの制御はエンクロージャ内で実施されるため、デバイスが外部EMIから保護されていても、保護手段を追加する必要があります（図1）。

図1：産業用オートメーションシステムに対する、エンクロージャ内部のEMIノイズのリスク（画像提供：Panduit）

エンクロージャ内部の主なEMIが容量性および誘導性カップリングであるのは、デバイスの感度が高く、ノイズの発生源に近接しているためです。この両方の発生源を理解すると、ベストプラクティスとノイズ低減製品で装置の信頼性を向上させる方法を検討することができます。

どちらのカップリングも偶発的に起きるもので、1本のワイヤを流れる電流が、その磁界内にある並行しているワイヤの電圧を誘導することによって発生します。誘導性カップリングが高電流の回路での懸念事項であるのに対して、容量性カップリングはどちらかといえば高周波の回路で懸念されます。生成されるノイズの大きさは、影響を受けるワイヤをオシロスコープに接続して測定できます（図2）。重要な通信・制御インフラの運用を維持するには、EMIを緩和するための多層的なアプローチが推奨されます。こうした保護のレイヤには、グランドやボンディングの対策、ワイヤの遮蔽および分離、バリアの使用、ケーブルの遮蔽、フィルタの使用などの手段があります。PanduitのPanelMax™ Shielded Wiring DuctおよびNoise Shieldは、感度の高いワイヤを経路指定し、分離し、遮蔽することによって、ノイズ放射を避けることができるようにします。これにより、近接性が高い状態内で経路を配置することができ、産業制御パネル内の貴重なスペースを節約することができます。こうした遮蔽により、ノイズ（EMI/RFI）が最大で20dB低減するか、90%のノイズ電圧低減（NVR）が実現します。これは、ノイズへの感度が高いワイヤとノイズを放射するワイヤとの間に6インチ（約15.24cm）の空間を確保することに相当します。

図2：EMIの種類、発生源、および低減方法（画像提供：Panduit）

ケーブル内で使用される遮蔽の種類は、環境内におけるノイズの発生源と、予期されるノイズの種類に関係します。

産業環境では、ネットワーク通信用の適切なインフラストラクチャを遮蔽することが重要です。当社には、「遮蔽されたケーブルはいつ、どのように使用するのか？」という質問がよく寄せられます。遮蔽されたケーブルは、Ethernetネットワークケーブルで発生する、望ましくない干渉を低減するために産業環境でよく使用されます。遮蔽されていないケーブルでは、バランスツイストペアの設計により、干渉に対してある程度の保護が実現されますが、その水準は遮蔽されたケーブルほどではありません。この「電気的な」バランスはケーブルでのEMIの影響を最小化します。バランスが向上されれば、保護も強化されます。干渉が頻繁に発生する産業分野では、遮蔽されたケーブルを使用することによって保護のレイヤを追加しています。

電気的ノイズとは何か

遮蔽されたケーブルが最もよく使用されるのは、通信ケーブルの近くに電気的ノイズの発生源がある環境です。遮蔽されたケーブルと遮蔽されていないケーブルのどちらを使用するべきかは、ケーブルが使用される環境によって決まります。ANSI/TIA-1005-A規格は、MICE定格（機械/侵入/天候-化学薬品/電磁波）システムについて定めたものです。PanduitのM.I.C.Eガイドは、電気的ノイズなどの環境ストレスの量を、分類ごとに定量化するのに役立つガイドラインを提供する、効果的なツールです。

遮蔽されたケーブルを使用する理由：

• 企業の指定または現地地域の要件によって要求されている － 製造業や特定の業種のシステムインテグレータは、課題の多い環境におけるネットワークケーブルの使用に精力的に取り組んでいます。このような種類の既知の「電気的なノイズが存在する」環境については、企業の仕様や標準についての文書で詳細に説明されています。こうした企業では一般に、特定の用途においてどのような場合に遮蔽されたケーブルを使用するべきかについての要件およびガイドラインを、設計および工学についての文書（ベストプラクティス）に記載しています。

  ケーブルインフラストラクチャの適切な設計には、電気的なノイズがあるエリアを極力避けること、ベストプラクティスに従った手法（ACラインを90度でクロスさせ、遮蔽されたケーブルのシールドを適切にグランドするなど）に従うことなどがあります。

• インフラが工場フロア環境の近くに配置されていて、データ送信が重要であること － 工場のフロア環境近くのデータ送信ラインは、ある水準の環境ストレスにさらされることがよくあります。一般に、企業が使用するケーブルは、産業アプリケーション用と評価されているケーブルほど堅牢ではありません。各種の化学薬品への暴露、液体の侵入、電気的ノイズ、屈曲アプリケーションなどに対処する最適な手段は、産業用ケーブルを使用することです。設計段階で適切なケーブルを指定することにより、システム全体の寿命と性能が向上します。
• モーション制御および高速なオートメーションアプリケーション － モーション制御および高速なオートメーションアプリケーションはノイズが発生しやすい性質の環境であることから、多くのモーション制御のベンダーは、遮蔽されたケーブルを要求したり、推奨したりしています。こうしたシステムはタイムクリティカルであり、各情報パケットによって状況が変化します。差異がわずかミリ秒単位であっても、高速マシンがオフラインになったり、装置が損傷する原因になったりすることがあります。モーションからの電気的ノイズが非常に多い場合は、光ファイバの制御が推奨されます。
• MICE（機械/侵入/天候-化学薬品/電磁波）レベルE₂または₃

図3：ノイズ干渉のレベルが極めて高いことを反映したE₂およびE₃ MICEレベル。MICE定格システムはTIA-1005標準の効果的なツールであり、電気的ノイズなどの環境ストレスの量を分類ごとに定量化するのに役立つガイドラインとして利用可能。MICEの詳細については、この標準、またはPanduit MICEのウェブサイトにあるPanduitのMICEガイド資料を参照。（画像提供：Panduit）

産業環境では、電磁干渉（EMI）および無線周波数干渉（RFI）形式の電気的ノイズがよく発生します。こうした形式の電気的ノイズは、Ethernetネットワークケーブルでの送信を妨げる場合があります。電磁干渉の発生源には電気モーター、可変周波数ドライブ、コンタクタ/リレー、溶接、無線通信などがありますが、これらに限定されるものではありません。これらのデバイスは産業環境で使用され、誘導性カップリング、電磁性カップリング、または容量性カップリングを通じてネットワークケーブルに影響することがよくあります。電気的ノイズは、一般的なノードのグランドを経由して伝達されることもあります。ただし、適切に設計された物理インフラストラクチャを設計するのに、こうした原則に対する詳細な知識は必要ありません。空間の物理的な分離や絶縁バリアの使用は効果的ですが、Ethernetネットワークケーブルの特定のポイントがノイズの危険性にさらされることには変わりがありません。制御システムにおけるノイズの発生源を判断するのは難しいうえに、相当な量のテスト機器と時間が必要です。したがって、物理インフラストラクチャを設計する際にベストプラクティスに従うことで、貴重な時間とリソースを無駄にすることなく、良好な性能を確保することができます。グランドおよび接地システムはEthernet通信インフラストラクチャの重要な要素ですが、絶対的な技術というわけではありません。アプリケーション環境ノイズやグランド状況はそれぞれ独自であり、ベストプラクティスや、理解するための経験が必要です。不適切なグランドやボンディングは、Ethernetパケットの送信を妨げるノイズを伝導する可能性があります。

遮蔽されたアプリケーションについて詳しくは、Panduitの産業環境での用途に関するガイドを参照するか、制御パネルに対するノイズの低減に関するホワイトペーパーをダウンロードしてください。MICEのガイドラインについては、PanduitのMICEについてのページにアクセスしてください。