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フィールドバスケーブルの電気パラメータがプロトコルによってどのように定義されているか、およびそれらを自由に置き換えることができない理由

フィールドバス ケーブルは、フィールドバス ラベルが付いた一般的な信号ケーブルではありません。各主要なフィールドバス プロトコルは、物理層ケーブルの正確な電気仕様を定義しており、ケーブルの特性インピーダンス、単位長さあたりの静電容量、および信号周波数での減衰は、プロトコルの伝送モデルの負荷に耐えるパラメータです。これらのパラメータを満たさないケーブルに置き換えると、信号の反射動作、ネットワーク セグメントの最大長、および一部のプロトコルでは接続デバイスの許容数が変化します。多くの場合、すぐに明らかな障害は発生しませんが、ノイズ マージンが低下し、電気的妨害条件下での断続的な通信エラーとして現れます。

PROFIBUS DP は、プロセスおよびファクトリーオートメーションで最も広く導入されているフィールドバスであり、その物理層ケーブルを IEC 61158-2 および プロフィバスPA 仕様で定義しています。標準ケーブル (タイプ A) は、100 kHz を超える周波数での特性インピーダンスが 135 ～ 165 Ω、静電容量が 30 pF/m 未満、ループ抵抗が 110 Ω/km 未満、および 100 kHz での減衰が 3 dB/100 m 未満と規定されています。これらのパラメータは相互に依存しています。ケーブルのインピーダンスは正しいが、キャパシタンスが過剰であると、ノード接続での反射は正しく終端されますが、長いセグメントで過度の信号劣化が発生し、有効な最大セグメント長が規格で指定されている 1,200 m 未満に減少します。正しい静電容量を持つケーブルでもインピーダンスが低いと、すべてのパッシブ スタブ接続で反射が発生し、データ信号に重畳され、特に 12 Mbps の最大ボー レートでエラー レートが増加します。

フィールドバス ケーブルの特性インピーダンスが非常に正確に指定されている理由は、スタブ接続に関係しています。 PROFIBUS または デバイスネット セグメントでは、デバイスはメイン セグメントから分岐した短いスタブを介して接続されます。 バスケーブル 。各スタブ接続点で、バス ケーブルの並列インピーダンスが不連続になります。バス ケーブルのインピーダンスが仕様の範囲内にある場合、スタブによって生じる不連続性は小さく、反射信号の振幅は受信機のノイズしきい値を下回ります。バス ケーブルのインピーダンスが仕様より 20% 低い場合 (これは、低コストの規格外のケーブルに置き換えた場合に発生する可能性があります)、各スタブでの反射振幅が比例して増加し、PROFIBUS セグメントあたり最大 32 デバイスの場合、累積反射エネルギーにより、1.5 Mbps では現れないビット エラーが 12 Mbps で発生する可能性があり、バス アナライザやインピーダンス測定装置なしでは診断が非常に困難な、ボーレート依存の通信信頼性問題が発生します。

主要なフィールドバスプロトコルにわたる物理層ケーブルの仕様

主要な各フィールドバス プロトコルには、準拠した設置に必要なケーブル構造を定義する個別の物理層仕様があります。間違ったタイプのケーブルを使用すると、たとえ見た目が似ていても、設置が非準拠となり、短いセグメント長では初期試運転に合格する可能性がありますが、指定された最大ネットワーク範囲または最悪のノイズ条件では失敗します。

上記のセグメント長制限は、ケーブル長単独の制限ではありません。これらは、すべての信号反射、伝播遅延バジェット、および減衰制限が同時に満たされる最大合計電気経路長を表します。ボーレートに依存するセグメント長を持つプロトコル (PROFIBUS DP、CANopen) の場合、高いボーレートでの制限は伝播遅延によって設定されます。セグメントの一端から他端までの往復信号伝播時間は、プロトコルのビット周期よりも短くなければなりません。 12 Mbps PROFIBUS DP では、1 ビット周期は約 83 ns で、光速の 66% の伝播速度 (VOP) でのケーブル内の信号伝播は、ナノ秒あたり約 8 メートルをカバーし、長いセグメントにはほとんど余裕がありません。ボーレートが低い場合、ビット周期が十分に長いため、伝播遅延は制限要因ではなくなり、代わりに減衰がセグメント長を制限するパラメータになります。

フィールドバスネットワークタイミングにおける伝播速度の役割とケーブル構造がそれに与える影響

伝播速度 (VOP) - 真空中の光速のパーセンテージで表されるケーブル中を信号が伝わる速度 - は、伝播遅延が最大セグメント長を決定する高速フィールドバス プロトコルの基本パラメータです。 VOP は完全に絶縁材料の誘電率によって決まります: VOP = 1/√εr × 100%、ここで εr は絶縁体の比誘電率です。ポリエチレン絶縁 (εr ≈ 2.3) のケーブルの VOP は約 66% です。 PVC 絶縁 (εr ≈ 3.5 ～ 4.5) のケーブルの VOP は約 47 ～ 53% です。伝搬遅延バジェットが 500 ns のプロトコルの場合、PE 絶縁付きの最大ケーブル長は 500 ns × 0.66 × 3×10⁸ m/s = 約 99 メートルです。同じケーブルに PVC 絶縁を使用しても、長さは 71 メートルしかありません。これは、絶縁材料の選択だけで最大セグメント長が 28% 削減されます。

この関係は、高速プロトコル用のフィールドバス ケーブル仕様で一貫して PVC ではなくポリエチレンまたは発泡 PE 絶縁が必要である理由、およびインピーダンス仕様を満たしているように見える PVC 絶縁ツイストペア ケーブルを置き換えても最大セグメント長で非準拠の設置が生じる理由を説明しています。伝播速度はケーブルの特性インピーダンスにも影響します。Z₀ = √(L/C) (L は単位長さあたりのインダクタンス、C は単位長さあたりのキャパシタンス) であるため、L をほぼ一定のままにして εr が高くなると C が増加するため、誘電率の高い絶縁体では特性インピーダンスが低くなり、VOP も低くなります。 PE 絶縁を備えた 120 Ω (DeviceNet) 仕様向けのケーブルは、インピーダンスが仕様を下回らない限り、物理的寸法が同じで PVC 絶縁のケーブルで置き換えることはできません。これは、絶縁材料とインピーダンスがフィールドバス ケーブルにとって切り離せない仕様である理由をさらに示しています。

産業用フィールドバス ネットワークでは、異なるセグメントが異なるメーカーのケーブルを使用する可能性があり (後付け設置では一般的な状況)、ケーブル セグメント間の VOP の不一致によりタイミング異常が発生します。異なるメーカーの名目上同一仕様の 2 つのセグメント (VOP 値がそれぞれ 66% と 60%) では、セグメント間のタイミング ジッターとして現れる 10% の伝播遅延の差が生じます。 EtherCAT や PROFINET IRT (アイソクロナス リアルタイム) など、ネットワーク全体で分散クロックをマイクロ秒の精度で同期する、時間に敏感なプロトコルでは、ケーブル セグメント間の VOP 変動が体系的なタイミング オフセットに寄与し、コミッショニング中にネットワーク マスターによって補償する必要があります。 20 以上のセグメントにわたってマイクロ秒未満のサイクル タイム精度を必要とするプロトコルは、ネットワーク マスターのクロック補償メカニズムがなければ、高い VOP 変動を許容できません。

DeviceNet ケーブル: 単一のバス ケーブルに電力と信号を統合すると、特有の仕様上の課題が生じる理由

DeviceNet は、24V DC デバイス電源と CAN ベースのデータ信号の両方を 1 本のケーブル内に統合するという点で、主要な産業用フィールドバス プロトコルの中で特徴的です。太いケーブル (標準のトランク ケーブル) には、CAN_H および CAN_L の差動信号ペア (通常 18 AWG)、電源ペア (太いケーブルの場合は通常 15 AWG)、およびドレイン ワイヤの 5 つの導体が含まれています。この多機能アーキテクチャにより、フィールド デバイスへの個別の電源ケーブル接続が不要になり、設置が簡素化されますが、信号専用フィールドバス ケーブルには存在しない仕様上の課題が生じます。

DeviceNet ケーブルの電源導体は、トランク ケーブル上で 8A に達する可能性のある DC 負荷電流を流し、ケーブル断面を共有する信号ペアの温度を上昇させる I²R 熱を発生します。 8A ～ 15 AWG の銅導体では、100 メートルのトランク ケーブルの DC 抵抗により導体あたり約 2.5 W の熱が発生します。これは、熱放散が限られているケーブル トレイの設置において、ケーブル内部の温度を周囲温度より数度上昇させるのに十分な熱です。この温度上昇は、絶縁体の熱膨張を通じて信号ペアの特性インピーダンスに影響を与え、絶縁体の誘電損失を増加させ、ジャケットコンパウンドの劣化を促進します。 DeviceNet 仕様では、トランク ケーブルの最大電流は、単独の電源導体定格だけでなく、信号ペアのパフォーマンスに対する総合的な熱影響にも基づいて制限されます。この考慮事項は、熱を発生する電源導体がない信号専用ケーブルでは無視されます。

電力導体での電圧降下は、信号伝送制限とは無関係に DeviceNet セグメントの長さを制限する 2 番目の制約です。 DeviceNet デバイスは、デバイス端子で定義された範囲 (11 ～ 25V) 内の電源電圧を必要とします。電源タップで提供される 24V 電源は、最も離れたデバイスで 11V を下回ってはなりません。 100 メートルの太い幹線ケーブル (15 AWG、ループ抵抗約 0.22 Ω/m) で 6A の幹線電流の場合、電圧降下は 6A × 0.22 Ω/m × 100m × 2 (供給および帰還) = 26.4 V となり、利用可能な供給電圧をはるかに超えます。実際には、すべてのデバイス降下での電圧を仕様内に保つには、幹線セグメントに沿って間隔をあけて配置された電源タップと、セグメント セクションごとの最大デバイス電流引き込みの慎重な計算が必要です。 DeviceNet ケーブルを提供するフィールドバス ケーブル サプライヤーは、信号パラメータ (インピーダンス、静電容量) だけでなく、単位長さあたりの電力導体抵抗、および高い周囲温度での信号導体と電力導体の両方の温度軽減曲線も提供する必要があります。

フィールドバスケーブル設置におけるシールド接地と、不適切な接地がシールドなしよりも多くの問題を引き起こす理由

フィールドバス ケーブル シールドは、産業オートメーション設備で最も頻繁に誤って使用されるコンポーネントの 1 つです。シールドの目的は、コモンモード干渉電流に低インピーダンスの経路を提供し、差動ノイズとして信号ペアに侵入するのを防ぐことです。これを達成するには、この経路を提供する方法でシールドを接地すると同時に、接地点間の接地電位差によってシールドに電流が流れるのを防ぐ必要があります。この電流はコモンモードノイズとして信号に重畳し、通信の信頼性を低下させます。これら 2 つの要件の間の緊張 (ノイズを迂回させるためにシールドを接地するが、ノイズを注入するグランド ループは避ける) は、プロトコルと特定のノイズ環境に応じて異なる方法で解決されます。

PROFIBUS DP の場合、標準的な推奨事項は、各セグメントのコントロール パネル端でケーブル シールドを 1 点接地し、フィールド端のシールドはフローティングのままにするか、高インピーダンスの接地コンデンサを介して接続することです。この構成により、フィールド端の容量性アース接続がグランド ループ周波数範囲を超える周波数で低インピーダンスを示すため、高周波 EMI 保護を提供しながら、ほとんどの製造工場で主な低周波ノイズ源である 50 Hz グランド ループ電流がシールドを流れるのを防ぎます。実際には、多くの設置ではシールドの両端で接地されており、セグメント内のすべての機器が同じ接地電位を共有している場合、正しく機能します。制御室と遠方の界磁接続箱の間の接地グリッド電位が 50 Hz で 1 ～ 5 V 異なる可能性がある大規模プラントでは、両端の接地によってシールドにかなりの 50 Hz 電流が流れ、これらの電流からの磁場が信号ペアに差動ノイズを誘発します。これはまさにシールドが防止することを目的とした干渉です。

ATEX および IECEx 規制に基づく危険エリア (ゾーン 1 およびゾーン 0) での動作用に設計された PROFIBUS PA および Foundation フィールドバス H1 の場合、シールド接地は EMC 要件と本質安全要件の両方を同時に満たす必要があります。本質安全防爆設備では、シールドは 1 点 (安全領域) でのみ接地する必要があり、フィールドエンド シールドは、本質安全バリアのエネルギー制限を超える可能性のある地絡経路がシールドによって提供されるのを防ぐために、少なくとも 1 MΩ だけアースから絶縁する必要があります。この接地制約は、IS 規制の下では交渉の余地がありません。危険エリア内の PROFIBUS PA セグメントの両端シールド接地は、シールド接地が機能的な EMC 問題を引き起こすかどうかに関係なく、設置の本質安全認証を無効にします。

Cat5e または Cat6 ケーブルを使用する産業用イーサネット フィールドバス プロトコル (EtherCAT、PROFINET) には、独自のシールド要件があります。標準構造のケーブル配線では、産業環境において EMC 定格 RJ45 コネクタまたは M12 丸形コネクタを使用して両端で 360° シールド終端を指定します。イーサネットは、受信機でコモンモード干渉を本質的に排除するトランス結合インターフェイスを使用するため、産業用イーサネットのシールド接地哲学は、RS-485 ベースのフィールドバスほど重要ではありません。しかし、高インピーダンスのシールド接続 (ピグテール ドレイン ワイヤ) により、高周波でシールド電流リターン パスが発生し、100 MHz を超えるとケーブルの EMC 性能が低下するため、コネクタでのシールド終端の機械的品質は依然として重要です。

フィールドバス ケーブル終端抵抗: 必要な理由と、不適切な値がネットワークを不安定にする仕組み

バス終端抵抗は、PROFIBUS DP、CANopen、DeviceNet を含む RS-485 ベースのフィールドバス設置の必須コンポーネントですが、フィールドバス ネットワークのトラブルシューティングの場合、誤って適用されたり省略されたりすることが最も多い要素の 1 つです。それらの機能は、端に到達する信号のエネルギーを吸収することです。 バスケーブル 信号の反射が信号源に向かって伝播するのを防ぎます。終端の物理を理解すると、誤った抵抗値、またはエンドポイント以外の場所に適用された複数の抵抗がバス信号の完全性を破壊する理由が説明されます。

信号が伝送線路に沿って伝播し、インピーダンスの不連続点に達すると、反射係数 Γ = (Z_load − Z₀) / (Z_load Z₀) に比例した振幅の反射波が生成されます。開回路終端 (Z_load → ∞) では、Γ = 1 となり、反射波は入射波と同じ極性と全振幅を持ちます。短絡終端では、Γ = −1 となり、反射波の振幅は等しいが極性が逆になります。ケーブルの特性インピーダンス (Z_load = Z₀) に等しい終端抵抗は、Γ = 0、つまり反射を生成しません。 Z₀ = 150 Ωの PROFIBUS DP の場合、終端抵抗は 150 Ω と指定されます。 Z₀ = 120 ΩのDeviceNetの場合、終端抵抗は120 Ωです。 CANopen (ISO 11898 物理層でもある) の場合、終端はメイン バスの両端で 120 Ω です。

不正な終端値の影響は信号レベルによって異なります。仕様より 20% 低い終端抵抗 (PROFIBUS では 150 Ω ではなく 120 Ω) は、Γ = (120 − 150)/(120 150) = −0.11 の反射係数を生成し、入射振幅の 11% で反射波を生成し、これが終端抵抗と信号源の間のすべてのノードで信号に重畳されます。 5V の差動振幅を持つ PROFIBUS DP 信号の場合、11% の反射により、元の信号エッジから 1 往復遅延時間後に各ノードに到達する 0.55V の摂動が追加されます。 12 Mbps では、この遅延は長いセグメントのビット周期内に収まるため、ダウンストリーム受信機のサンプリング ウィンドウ中に反射エッジ摂動が発生し、ビット エラー レートが増加します。終端を完全に省略すると (開回路)、下流の受信機の論理しきい値を侵害するほど大きい全振幅反射が発生し、短いセグメントでも高いボー レートで完全な通信障害が発生します。

よく誤解されているルールは、終端抵抗はメイン バス ケーブルの 2 つの物理的な終点にのみ取り付けなければならないということです。中間タップ、支線接続、または T ジャンクション ポイントには決して取り付けないでください。中間スプリアスに終端抵抗を取り付けると、その点でグランドへの並列インピーダンスが導入され、実効バス インピーダンスが低下し、抵抗値に関係なく信号が遷移するたびに反射が発生します。信号を再生成し、新しいバス セグメントを確立する PROFIBUS リピータは、終端に関してセグメント エンドポイントとして扱う必要があります。リピータの各側は、セグメント エンドポイントに独自の終端抵抗のペアを持つ別個のセグメントです。

過酷な産業設備におけるフィールドバス ケーブルの環境および機械的評価

パネル配線および軽工業環境用に設計された標準フィールドバス ケーブルは、明示的な環境定格検証がなければ、過酷なプロセス プラント環境への設置には適していません。製油所、化学工場、食品加工施設、屋外変電所、および高振動やケーブルの連続移動を伴う機械には、プロセス制御インフラストラクチャに期待される 15 ～ 25 年の耐用年数に標準的なフィールドバス ケーブル ジャケットや絶縁材では耐えられない機械的および化学的ストレスがかかります。設置条件に適切な環境定格を持つフィールドバス ケーブルを選択することは、正しい電気仕様を選択することと同じくらい重要です。

耐薬品性の要件

プロセスプラント環境では、フィールドバスケーブルは炭化水素（オイル、燃料、芳香族溶剤）、アルカリ洗浄剤、酸、蒸気にさらされており、それぞれ特定のジャケット材料が異なる速度で劣化します。標準的な PVC ジャケットは、脂肪族炭化水素 (鉱油、ディーゼル) に対して優れた耐性を持っていますが、芳香族溶媒 (トルエン、キシレン) 中では大幅に膨潤し、濃酸やアルカリによって攻撃されます。ポリウレタン (PUR) ジャケットは、油や燃料に対する優れた耐性、卓越した耐摩耗性、良好な低温柔軟性を備えているため、切削液、作動油、冷却剤が存在する工作機械や機械工学環境におけるフィールドバス ケーブルのジャケット材料として推奨されています。ただし、PUR は高湿度、高温の環境では加水分解を受けやすいです。蒸気洗浄された食品加工エリアに設置された PUR ジャケットのフィールドバス ケーブルは、ウレタン結合の加水分解連鎖切断によって劣化し、3 ～ 5 年後にジャケットに亀裂が生じる可能性があります。スチームクリーン環境には、PUR と比較して耐摩耗性が低いにもかかわらず、耐加水分解性が実証されている架橋 PE またはポリプロピレンベースのジャケットコンパウンドがより適切です。

可動ケーブル用途における機械的耐久性

ロボット アーム、ドラッグ チェーン、またはその他の連続的に移動する機械に取り付けられたフィールドバス ケーブルは、ケーブルの機械的寿命を通じて電気パラメータ、特に特性インピーダンスと信号ペアの静電容量バランスを維持する必要があります。導体の移動（繰り返しの曲げによりジャケット内でコアの位置が移動すること）によって引き起こされるインピーダンスの変化により、バスの終端条件が変化し、以前は準拠していたネットワークに、サービス延長後に反射や通信エラーが発生する可能性があります。連続屈曲用途向けに指定されたフィールドバス ケーブルは、クラス 6 の細撚り導体、熱可塑性エラストマー (TPE) または PUR ジャケット、およびコアの移動を防ぐ中央フィラーを備えた撚り形状を使用します。連続屈曲用途の最小曲げ半径は通常、ケーブル外径の 7.5 ～ 10 倍ですが、固定設置の場合は 4 倍です。ドラッグ チェーンの固定設置曲げ半径を超えると、100 万から 300 万屈曲サイクル以内にジャケットが裂け、コアの位置が移動します。これは、産業用ドラッグ チェーンの用途で予想される 1,000 万サイクルには遠く及ばません。

侵入保護と屋外設置

屋外または湿気の多い産業環境に設置されるフィールドバス ケーブルは、接続された機器の IP67 または IP68 定格を超える浸水に対する定格が必要です。ケーブルの外側ジャケットは、紫外線、雨、-40 °C から 90 °C までの温度サイクル、および放電装置の近くの場所でバックグラウンドを超えるオゾン濃度にさらされた場合でも、その完全性を維持する必要があります。規定の UV 安定剤含有量 (通常、重量で 0.2 ～ 0.5% の HALS と 2 ～ 3% のカーボン ブラックを組み合わせたもの) を含む UV 安定化黒色ポリエチレン ジャケットは、20 年の耐用年数に対して適切な屋外安定性を提供します。重要な設置ポイントは、ケーブルの屋外での UV 耐性がジャケットの完全性に依存することです。摩耗、げっ歯類の攻撃、または設置ストレスによる表面の損傷により、下層の絶縁体が露出すると、その場所の UV 保護が破壊され、急速な光劣化が始まります。機械的損傷のリスクがある設置場所の屋外フィールドバス ケーブルには、接触によるジャケットの損傷を防ぐために、ジャケットの下にスチール テープまたは波形スチール製の保護外層を含める必要があります。