Bekabeling van sensors voor inductie, elektrostatische koppeling en geleiding

Alles van elektrische aard dat door industriële kabels loopt en geen signaal is, is ruis - elektromagnetische interferentie (EMI) en radiofrequente interferentie (RFI) in de een of andere vorm. De huidige automatiseringscomponenten worden routinematig ontworpen om dergelijke ruis te voorkomen door signalen te beschermen tegen de elektromagnetische omgeving waarin de componenten geacht worden te werken. Maar het voorkomen van signaaldegradatie vereist ook een zorgvuldige integratie van geautomatiseerde machines, waarvoor gewoonlijk een combinatie van goede ontwerppraktijken en deskundigheid op het gebied van elektrische verbindingen nodig is.

Afbeelding 1: Subcomponenten en subsystemen die uitsluitend bedoeld zijn om EMI te voorkomen, nemen gewoonlijk de vorm aan van filtercircuits of blokkeringscomponenten (afscherming), zoals de hier getoonde buisvormige vertinde koperdraadafscherming. (Bron afbeelding: Belden Inc.)

In dit artikel, zullen we de belangrijkste ontwerpmethodes verkennen om:

• Vermindering van de opwekking van EMI door interne en externe componenten
• Verbetering van de immuniteit (weerstand) van componenten tegen EMI

De belangrijkste ontwerpdoelstellingen hier zijn het minimaliseren van alle intern uitgestraalde emissies voor elk onderdeel in een ontwerp, alsmede de gevoeligheid voor extern geleide emissies. Voor deze laatste moet de inherente immuniteit tegen extern gekoppelde emissies bescherming bieden tegen ongewenste elektronische signalen die via directe geleiding, inductie of capacitieve koppeling worden overgebracht.

Afbeelding 2: 3M AB5000-serie EMI-absorberende kleefplaten bevatten metalen vlokken om uitgestraalde EMI van mobiele apparaten en militaire apparatuur te onderdrukken. De bladen van de AB6000 Reeksen omvatten isolatie, absorberende, beschermende, en niet-geleidende lagen voor ontwerpen die zowel EMI beveiliging als absorptie vergen, met inbegrip van celtelefoons, tuners, en medische hulpmiddelen. De bladen van de AB7000 Reeks blinken in en rond elektronische apparaten uit die EMI controle en 50-MHz aan 10-GHz signaal-integriteitsverbetering vereisen. De platen verminderen uitgestraalde IC-ruis, alsook EMI en overspraak in mobiele elektronica en op lint- en flexkabels. (Bron afbeelding: 3M)

Specifieke bedreigingen voor de signaalkwaliteit

De meeste inspanningen in verband met het ontwerpen van industriële automatiseringsapparatuur zijn gericht op de specificatie van componenten zoals actuators en sensors. Maar denk eens aan het laatste: Als sensoren de oren en ogen zijn van geautomatiseerde systemen, dan is de bekabeling het zenuwstelsel dat de signalen naar de hersenen (of machinebesturing, om de analogie voort te zetten) leidt. Deze bekabeling is blootgesteld aan diverse potentiële storingsbronnen die de besturingsfuncties van het systeem in gevaar kunnen brengen.

Afbeelding 3: Elektrische componenten zoals sensors en actuators worden routinematig getest op elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en gevoeligheid, maar de rol van bekabeling en de connectors daarvan bij het behoud en de ondersteuning van elektromagnetische compatibiliteit of EMC wordt vaak over het hoofd gezien. Sommige kabelconnectors zorgen voor een mechanische beveiliging en elektromagnetische afscherming van de kabeleinden en fungeren als EMI-filters. Sommige zijn uitgerust met planaire condensatortechnologie en kunnen VHF, UHF, MF1, HF en andere EMI-bereiken filteren via C, CL, LC, L en diverse pi-topologieën. (Bron afbeelding: Amphenol Industrial Operations)

Indien een sensor, actuator of ander onderdeel voor de detectie en de signaalvorming afhankelijk is van een inductief, capacitief of elektromagnetisch principe, zullen de PCB's in dat systeem waarschijnlijk moeten worden afgeschermd en voorzien van uitgebreide aardingsvlakken. Dit laatste wordt in detail behandeld in het DigiKey artikel RF-afscherming: de kunst en wetenschap van het elimineren van interferentie. Bovendien moeten de sterkte en de frequentie van de potentiële milieu-emissies in het beginstadium van het ontwerp bekend zijn of ten minste aan de hand van een industriële norm worden gecodificeerd. Enkele voorbeelden van veel voorkomende en verwachte interferentiebereiken zijn:

• 50 of 60 Hz - de lijnfrequenties van het elektriciteitsnet
• 4 tot 16 kHz - zoals in door IGBT's geïnduceerde pulsbreedtemodulatie (PWM) van VFD's voor elektromotoren
• 2.4 GHz - de industriële, wetenschappelijke en medische (ISM) band voor draadloze communicatie.

Lees meer over het genereren van elektromagnetische velden door motoren, relais, solenoïden en actuatoren en het specifieke geval van het beschermen van RS-485 seriële bussen tegen deze EMI-bronnen in het DigiKey artikel Hoe RS-485 bussen beschermen in industriële omgevingen. Andere storingsverschijnselen zijn overspanningen, snelle transiënten en elektrostatische ontlading (als gevolg van "statische elektriciteit" op fabriekspersoneel in droge omgevingen of omgevingen zonder antistatische vloerbedekking), alsmede blikseminslag als gevolg van extreme weersomstandigheden in de buurt van de installatie.

Afbeelding 4: Deze PC1321BP Panel PC heeft een HMI met capacitief aanraakscherm. De besturingselektronica en het scherm bevatten afschermingen en andere elementen om geleide en uitgestraalde RFI te voorkomen. (Bron afbeelding: Maple Systems)

Denk aan de elektrisch lawaaierige toepassing van booglassen. Lassen is berucht om het produceren van hoge-bandbreedte elektrische ruis als gevolg van:

• De hoge energie (stroom) die gepaard gaat met het lasproces
• Impedantievariaties tijdens het lassen

Industriële lasapparatuur die in de buurt van elektriciteitsleidingen in een faciliteit werkt (of zelfs de aarde deelt met andere apparatuur) kan dus een belangrijke EMI-bron worden en een elektrische koppeling met andere apparatuur aangaan - zelfs op honderden meters afstand. Bij dergelijke installaties moeten speciale apparatuur en accessoires (vooral kabels) worden gebruikt om EMI-gerelateerde bedrijfsproblemen te voorkomen.

Te vermijden fouten bij de specificaties en installatie van apparatuur

Zodra een apparaat is aangesloten op het grotere geautomatiseerde systeem, kan het communicatie of gedrag vertonen die:

• Verschijnen alleen in verband met EMI
• Eigenlijk zijn EMI gerelateerd

Symptomen van EMC-problemen kunnen zich uiten in signaaluitval, lage signaal-ruisverhoudingen, signaalinterferenties en onstabiele regelkringen.

Sensors die analoge signalen genereren zijn het gevoeligst voor ruis, zodat vergelijkbare digitale apparaten vaak de voorkeur genieten. Dit zijn sensorversies die digitale PWM-, frequentie-, of seriële uitgangssignalen genereren die ongevoeliger zijn voor EMI. Een voorbehoud hierbij is dat de hoge schakelfrequenties van bepaalde digitale signalen rinkelen (spanning of stroomuitgangsoscillaties) kunnen veroorzaken met exponentieel verval bij de overgangen. Een dergelijk rinkelen wordt vaak verholpen met een kleine ontkoppelcondensator of een verzwakkende weerstand aan de ontvangerzijde van het sensorsysteem.

Leer meer over het verschil tussen analoge en digitale apparaatsignalen op de DigiKey Cable Matters-leermodule.

Indien beschikbaar wordt de voorkeur gegeven aan sensoren die een differentiële uitgang kunnen leveren. Sensoren die werken in differentiële modus (met een signaal A vergezeld van zijn geïnverteerde signaal A/) vermijden effectief alle common-mode ruis. Deze EMI-immuniteit wordt nog versterkt door de getwiste paarsgewijze signaaldraden die (indien correct geïnstalleerd) geïnduceerde ruis identiek op beide draden registreren voor een maximale effectieve ruisonderdrukking.

Aan de signaalzijde van een sensorkabel is een lage capaciteit van cruciaal belang om EMI-gevoeligheid tot een minimum te beperken. Een ander voordeel is dat signalen met lage capaciteit die op frequentie gebaseerde gegevens dragen, de stabiliteit van de uitgangsdriversignalen het best kunnen handhaven wanneer de signaalfrequentie verandert. Een teveel aan capaciteit daarentegen kan het signaal doen wegrollen en soms de totale output doen dalen tot onder de detectiedrempel. Dit intermitterende effect is vaak heel subtiel, maar gemakkelijk vast te stellen met een oscilloscoop.

In een perfecte wereld stuurt bekabeling schone voedingssignalen en referentiewaarden naar voedingssensoren en actuatoren. Vervolgens stuurt hij de systeemcontroller perfect zuivere sensor- en actuatorstatussignalen terug. Hoe eenvoudig dit ook mag lijken, kabels die aan sensoren of actuatoren zijn bevestigd, vormen een belangrijk en kwetsbaar onderdeel van het elektrische circuit en een primaire zone voor verhoogde EMI-gevoeligheid. Dat komt omdat ze zich onder bepaalde omstandigheden kunnen gedragen als lange antennes.

Ontwerptip: Houd rekening met het vermogensverlies dat wordt veroorzaakt door bijzonder lange kabeltrajecten, die van meer dan 500 ft, vooral als de stroomgeleiders een diameter van 22 gage of kleiner hebben en de stroom 500 mW of meer per apparaat bedraagt.

Nog een tip voor een goede aansluiting van de sensor: begrijp en verbind zorgvuldig de geleiders van de voedingszijde van de kabel, een verbinding die meestal als vanzelfsprekend wordt beschouwd. Voor veel sensors en actuators levert deze voedingsaansluiting een referentie van 5 tot 28 V om de signalen aan te sturen die uiteindelijk naar de controller worden teruggestuurd. De twee geleiders van de stroomzijde van de kabel worden vaak stroom en massa genoemd. Dit is strikt genomen niet correct - en kan (indien deze etiketten de installatieaanpak bepalen) leiden tot interferentieproblemen. Het is correcter om de massa aan de voedingszijde van een sensor de signal common te noemen. Dit komt omdat de retourleiding van de voeding eindigt op de interne referentie van de voeding en niet op de systeemmassa. Hier, is de massa vaak gebonden aan:

• De behuizing van het muurkastje of
• Draadgeleider traceerbaar naar een fysieke aarding

Deze aarding kan vaak een ander potentiaal hebben dan signaalgemiddelde. Dat betekent dat als de signaalretour direct met de massa is verbonden, er stroom door de gemeenschappelijke signaallijn kan lopen en een aardlus kan ontstaan, waardoor ongewenste ruis wordt opgepikt.

Uiteraard kan een volledig afgeschermde kabel de integriteit van een ontwerp aan de voedingszijde verder verbeteren. Die afscherming blijft gewoonlijk zweven (niet aangesloten) om als kooi van Faraday te dienen en het induceerbare vermogen in de stroomleidingen te beperken. Maar soms is EMI aanzienlijk genoeg om meer dan alleen afscherming nodig te hebben. Een oplossing hiervoor is de afschermingsdrain te verbinden met de aarding van de kast of de leiding, die als lekpad dient voor overtollige energie op de afscherming naar de aarde. Het is zelden raadzaam een dergelijke afscherming aan beide uiteinden aan te sluiten, omdat de apparatuurzijde van de kabel vaak een ander potentiaal heeft dan de voedingszijde, zodat aan beide zijden aangesloten afschermingen een te grote stroom kunnen ondervinden. Dit is het meest problematisch tijdens onweer, wanneer de aardpotentiaal sterk kan variëren naarmate de inslagen de grond raken in de buurt van de installatie. Wanneer een kabelassemblage in huis wordt gebouwd, moet ervoor worden gezorgd dat de afscherming helemaal door de kabel heen loopt en aansluit op de connectorbehuizing, zodat de integriteit van de Faraday-afscherming van begin tot eind wordt gewaarborgd.

Een laatste opmerking over het handhaven van de kwaliteit van geautomatiseerde feedback-signalen: Na verloop van tijd worden geautomatiseerde systemen vaak aangepast en verbeterd. Gewoonlijk gaat het om de toevoeging van apparatuur voor complexere en meer gesofisticeerde mogelijkheden. Het risico is dat een te groot aantal apparaten wordt aangesloten op een enkele bestaande voeding, omdat dat op zijn beurt spanningsverlies en gemiste signalen kan veroorzaken. Dit komt naar voren als een intermitterend probleem en lijkt op een signaaluitval door destructieve interferentie. Overbelaste voedingen komen vrij vaak voor, dus controleer bij upgrades of de bestaande voedingen de belasting aankunnen wanneer alle apparaten actief zijn.

Conclusie

Grondige en doordachte ontwerpbenaderingen kunnen leiden tot een robuuste werking van de apparatuur die geschikt is voor industriële automatiseringsomgevingen. Het voorbehoud is dat voor een juiste installatie van sensors en actuators zorgvuldig aandacht moet worden besteed aan de aansluitingsschema's, en aan het voorkomen van kwaliteitsvermindering van de signalen door EMI. Door eindverbindingen te maken met kabels en connectors van hoge kwaliteit kan een soepele start en een lange levensduur van geautomatiseerde machines worden gegarandeerd.