DCS信号干渉の原因分析と抑制

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我が国の工業が発展するにつれて、工業制御システムの自動化レベルへの要求も高まっています。この自動化制御の要求を満たすために、DCSシステムは工業の自動制御に広く利用されています。したがって、DCS制御システムの信頼性は、工業企業の安全な生産や経済的運営に直接的な影響を与えます。その中で、システムの干渉耐性は、システム全体が安定して動作するための鍵となります。現在、自動化システムで使用されている各種制御システムは、ほとんどが高電圧回路や高電圧機器によって形成される過酷な電磁環境下にある。建設現場において、電気機器や計測器、DCS制御システム、そしてDCSシステム同士で信号を送受信する際には、しばしば干渉が発生し、システムの不安定化や誤動作を引き起こすため、十分な注意が必要である。 —— 主な干渉要因としては——抵抗結合による干渉があります。稼働中、多くの工場で電線の老朽化問題が軽視されているためです。複数の信号線路が同時に信号を伝送すると、配線内の絶縁材が劣化して漏電が起き、他の伝送信号に影響を与えて干渉を引き起こします。それに加えて、信号線の経年劣化が他の信号線に影響を与えるだけでなく、高出力回路（例えば発熱回路）でも使用中に配線が劣化すると、信号に大きな干渉を引き起こします。 キャパシタンス・インダクタンス結合による干渉　通常、制御対象となる現場の制御盤には多くの信号線が接続されており、これらの信号線にはケーブルトレイやケーブルチューブが使用されている。特に多くの信号が同時に配線される場合、信号間にキャパシタンスが生じ、他の信号線に干渉を引き起こすことがある。特に、交流信号線の周囲で交番磁束が生じ、それによって並列導体間に電位差が生まれ、電位干渉信号が引き起こされる。 雷撃による干渉 雷撃が発生すると、必要な信号の周辺に大きな電磁干渉が生じることがあります。もちろん、干渉が生じる経路も、さまざまなアース線を通じて引き起こされることがあります。雷撃による干渉方法には主に2種類あります。1つは架空電源線で、これにより信号線が雷撃を受けて干渉が生じます；もう一つは、信号ケーブルの周囲に雷が落ちることで、信号線上に容量結合やインダクタンス結合が生じ、それによって大きな干渉が発生し、深刻な場合には機器が損傷したり、人的事故が起きたりします。 供給回路の干渉　発電所内の大型機器は起動・停止が頻繁に行われ、大型部品のスイッチ操作も頻繁に行われるため、これらの大型電動機機器がスイッチされる際に一時的な大きな交流磁場が発生する。交流磁場は信号線で結合し、システムに干渉を引き起こします。また、これらの交流磁場は電源線にも高周波の干渉を与え、その大きさが規定範囲を超えるとシステムに影響を及ぼします。大型モーターの切り替え時にシステムを保護するために、回路に変圧器を組み込むことで、モーターの切り替え時に電圧変動が大きくなりすぎて交流磁界が発生するのを防ぐことができる。 —— 干渉が生じる主な原因は、材料や機器の問題です。DCSシステムに送信される制御信号は、通常ケーブルを伝送媒体として使用してDCSシステムまで送られます。しかし、信号用ケーブルの絶縁材が劣化したり、シールド材が損傷したりすると、他の電磁干渉源の影響を受けてしまいます。このような干渉によって測定値に誤差が生じ、深刻な場合には機器が損傷することもあります。 施工が不適切で、DCS制御システムには多くの信号が同時に接続されることがよくあります。これらの信号線はケーブルトレイまたはケーブル管を通って配線されるため、現場では多種多様なケーブルが同じ経路に沿って設置されることになる。これらの信号間にはすべて分布容量が存在し、この分布容量を通じて干渉が他の信号線に加わる。同時に、伝送信号の周囲環境では交流磁束が発生し、例えば動力線、電動機、発電機、電源変圧器、リレーなどもこのような磁場を生み出します。これらの磁場は、しばしば大きな干渉を引き起こします。 接地が不適切である。よく見られる接地によるトラブルは、信号線の両端を接地してしまうことで、地電位差によって大きな干渉が生じることだ。信号線の両端を同時に接地すると、大きな電位差が生じる可能性があり、この電位差によって両端間の信号線上に大きなループ電流が発生することがある。電磁波を発生させ、信号を妨害する。また、DCSシステムの総接地抵抗がDCSシステムの正常な動作要件を満たしていないなどもあります。 —— 干渉を抑える方法 —— 信号線の正常な使用を確保するために 信号線を使用する際には、複数の信号線が絡み合うのを避け、定期的に信号線を点検し、絶縁コーティングが損傷している信号線は修理または交換することで、信号線が正常に機能し続け、漏電による伝送信号への干渉を防ぎます。 ケーブルを層別に敷設し、異なる信号を伝送するケーブル同士を分離します。層別に敷設することでケーブルを適切に管理し、ケーブル同士が干渉しないようにします。同じ信号を伝送するケーブルにおいても、できるだけ配線が密集して絡み合うのを避けるべきです。コンピュータのポートは信号を処理する際にある程度精密な分析が可能であるため、類似した信号同士が干渉し合うと、コンピュータの判断に影響を与え、その結果、コンピュータの動作中に分析エラーが発生することになります。 信号線の絶縁　装置が動作している間に、ケーブルを用いて信号を絶縁する方法を採用することで、信号同士が互いに影響を与えないようにすることができます。しかし、この分離方式は伝送信号線を分離するだけでなく、コンピュータ側で信号を分類して分離することもでき、この方式を用いることで共模干渉がコンピュータに与える影響を大幅に軽減することができる。また、アイソレーションアンプを使用して信号の入力端をコンピュータから完全に分離することもできる。この方法により、干渉信号同士が回路を形成するのを防ぎ、干渉の影響を抑えてシステムの正常な動作を保証することができる。 供給システムの隔離：現場においては、高効率なモーターを頻繁にオン・オフすることがあり、その際に高周波信号が発生します。この高周波電磁波がシステムに干渉するのを防ぐために、供給回路に変圧器を設置することで、モーターのオン・オフ時に発生する高周波電磁波を制御し、システムへの影響を避けることができます。 ねじりとシールド　信号ケーブルのねじり、すなわちツイストペアを平行ケーブルに代えることで、磁場による干渉を抑制する効果が得られる。 シールドとは、金属導体を用いて部品やアセンブリ、および信号線を遮断することです。シールドによって、静電結合ノイズを効果的に抑制できる。一般的な方法は、シールド付きツイストペアケーブルを使ってアナログ信号を接続することです。通常、電気的なノイズが信号を妨げるだけでなく、強い交流磁場も信号を妨げます。したがって、電気的な遮蔽だけでなく磁気的な遮蔽も考慮する必要があり、鉄やニッケルなどの磁気伝導性に優れた導体を用いて遮蔽対策を講じることができる。 適切なアース処理を行うことは、DCSのアースシステムにおいて重要であり、主に2つの役割があります。一つ目は、信号や電源がDCSシステムに入ってくる際、またはシステム自体に故障が発生した際に、過負荷電流を受け止め、それを地面に流すことができる点です；一方、接地システムはDCSにシールド層を提供することで電子ノイズの干渉を遮断し、同時に全システムに基準となるゼロ電位を供給することができる。そのため、DCSシステムには通常、作業用と保護用の2つのアースが含まれます。