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コア数と撚線構成が多軸システムの制御ケーブルの配線に与える影響

マルチコア コントロールケーブル はコア数と導体断面積によって指定されますが、内部撚線構成 (個々のコアがケーブル内でどのようにグループ化され、撚られ、配置されるか) は、設置配線時のケーブルの動作や、共通のケーブルを共有する複数の信号タイプを持つシステムでの経時的な動作に大きな影響を与えます。産業オートメーションおよび多軸モーション制御システムでは、制御ケーブルは通常、デジタル I/O 信号、アナログ センサー出力、エンコーダー フィードバック、ソレノイドまたはセンサー用の低電圧電力の組み合わせを同じケーブル ジャケット内で伝送します。これらの信号タイプ間の相互作用の管理は、ケーブルの内部アーキテクチャから始まります。

マルチコア制御ケーブルのコアは通常、3 つの撚りパターンのいずれかで配置されます。同心撚り (コアが連続した同心円層に配置される)、束撚り (すべてのコアが特定の層を持たずに撚り合わされる)、またはセクター/象限グループ化 (コアが機能的なサブグループに編成され、多くの場合グループごとに個別のシールドが施される)。同心撚りでは、予測可能で安定した外径が得られ、ケーブルの外縁にコアが永続的に配置されることがなくなります。ケーブルが曲げられると、すべてのコアが内側と外側の位置の間で移動し、特定のコアが一貫して高応力位置にある可能性がある束撚りよりも機械的応力を均等に分散します。連続的に屈曲するアプリケーションに設置される 12 芯以上の制御ケーブルの場合、同心撚りは、同じ仕様の束撚りの同等品と比較して耐用年数を大幅に延長します。

機能的に関連するコアがケーブル内でサブユニットに撚り合わされる象限グループ化により、ケーブル内でさまざまな信号カテゴリを物理的に分離できます。一般的な構成では、アナログ信号ペアを 1 つの象限に、デジタル I/O コアを別の象限に、電源コアを 3 番目の象限に配置し、サブユニットを個別に選別します。この配置により、電源コアと信号コアの間の容量結合が減少し、アナログ信号ラインにスイッチング ノイズが発生する可能性があり、単一のバンドルからすべてのコアを分散させることなく、各サブユニットを制御パネルで個別に識別して終端することができます。そのトレードオフは、同じコア数のシールドされていない均一な撚り線の設計と比較して、ケーブル直径とコストが増加することです。

制御ケーブルの干渉防止設計: 単純なシールドを超えたメカニズム

シールドは、最も目に見える干渉防止機能です。 コントロールケーブル しかし、産業用制御アプリケーションにおける電磁両立性には、ケーブルがどれだけノイズを除去し、隣接する回路への干渉を回避するかを集合的に決定するいくつかの設計選択肢のうちの 1 つであるシールドが、多層的なアプローチが必要です。完全な干渉管理アーキテクチャを理解せずに「シールドされた制御ケーブル」を指定すると、シールドが存在するにもかかわらず、設置場所でノイズの問題が発生し続けることがよくあります。

最初のメカニズムは、ケーブルとその終端の間のインピーダンス整合です。制御ケーブルのシールドは、その終端インピーダンスと同程度の効果しかありません。長いピグテール ワイヤを介してシャーシのアース ネジに接続されたシールドは、周波数とともに増加する誘導インピーダンスを示し、可変周波数ドライブ (VFD) やスイッチング電源からの放射干渉が最も強くなる周波数 (通常は 150 kHz ～ 30 MHz) でシールド接続がますます無効になります。 EMC ケーブル グランドまたはシールドと全周にわたって周方向接触するシールド クランプを使用した低インピーダンス 360° シールド終端は、産業用 EMC 準拠に必要な周波数までシールドの有効性を維持します。ピグテールの長さだけで、360° 終端と比較して、10 MHz でシールド終端インピーダンスが 10 ～ 100 倍上昇する可能性があり、高周波範囲におけるシールドの利点が効果的に無効になります。

2 番目のメカニズムは、電源コアと信号コアの間の容量分離です。シールド ケーブル内であっても、リレー出力またはソレノイド ドライバーからスイッチング電流が流れるパワー コアは、隣接する信号コアへの干渉を容量結合します。結合はコア間の相互静電容量に比例し、これはコア間の分離距離とコア間の絶縁の誘電率に依存します。フィラーエレメント、内部パーティション、またはサブユニットのグループ化を使用して、電源コアを信号コアから物理的に分離する制御ケーブル設計により、追加のシールド材を必要とせずに相互静電容量が低減され、その結果ノイズ注入が低減されます。

3 番目のメカニズムは、アナログ信号に個別にツイストペアを使用することです。ケーブル束全体内でアナログ信号ペアをツイストすることにより、シールド全体から独立した差動ノイズ除去が実現します。多芯制御ケーブル内のシールドされているがツイストされていないアナログ ペアは、隣接するスイッチ電流からの誘導ピックアップにさらされます。誘導電圧は両方の導体にコモンモード信号として現れますが、2 つの導体は束内の異なる位置にあるため、同一の誘導電圧は見えず、その差が差動 (信号を破壊する) ノイズとして現れます。ペアをツイストすると、両方の導体が内側と外側の位置を継続的に交互に切り替わり、誘導電圧が均等になり、受信機でのコモンモード除去が効果的にノイズをキャンセルできるようになります。フルスケール信号が 16 mA の電流変動のみを表す 4 ～ 20 mA のアナログ制御ループの場合、たとえ小さな差動ノイズ電流であっても重大な測定誤差が生じます。

制御ケーブルの定格電圧と定格電圧が最大許容信号電圧ではない理由

制御ケーブルの定格は通常、300/500 V または 450/750 V (U0/U、U0 は対地電圧、U は導体間の電圧) です。これらの定格は、ケーブルが伝送できる最大信号電圧であると誤解されることがよくありますが、実際には、使用中の信号電圧ではなく、テスト条件下での絶縁システムの能力と、設置要件を規定するシステム電圧分類を定義します。

300/500 V 定格とは、絶縁体が任意の導体からアースまで連続的に 300 V、任意の 2 つの導体間で 500 V に耐えるように設計されていることを意味します。 24 V DC (PLC およびオートメーション システムの主要な制御電圧) または高電圧 I/O の場合は 110/230 V AC で動作する産業用制御システムでは、これらの定格は実際の動作電圧を上回る大幅なマージンを提供します。電圧定格の実際的な重要性は、インパルス過電圧とシステム障害状態の 2 つのシナリオにあります。リレー接点やソレノイド コイルからのスイッチング過渡現象により、通常の制御信号に重畳された数百ボルトの電圧スパイクが発生する可能性があります。絶縁は部分放電が開始されることなくこれらの過渡現象に耐える必要があり、電圧定格はこのマージンが存在することを保証するパラメータです。 DC 24 V で動作する 300/500 V 定格ケーブルには、定格導体対アース間電圧に対して約 12 倍のマージンがあり、ケーブルが高電圧機器から適切に配線されていれば、事実上すべての産業用過渡環境に十分な余裕があります。

2 番目のシナリオは、システム障害状態です。 230 V AC I/O 信号と 24 V DC ロジック信号の両方を伝送する多芯制御ケーブル (制御ケーブルが複数の機能を果たすレトロフィット オートメーション プロジェクトで見られる構成) では、230 V コアが隣接する 24 V コアに短絡する障害が発生すると、24 V コアの絶縁が完全な 230 V に達します。ケーブルの定格が 300/500 V のみの場合、この障害電圧は絶縁の設計範囲内に留まります。同じ障害シナリオで定格が 150/250 V のみのケーブルでは、絶縁破壊が発生し、障害を封じ込めるのではなく伝播する可能性があります。一般的な動作電圧ではなく、システム内に存在する最高電圧に基づいて制御ケーブルの電圧定格を選択することは、正しいエンジニアリング手法です。

制御ケーブルの色分け標準と地域間プロジェクトの課題

マルチコア制御ケーブルのコア識別は、市場ごとに大きく異なる地域規格によって管理されています。ある地域で製造され別の地域に設置される機器、または複数の市場に輸出される OEM 機器を含むプロジェクトでは、色分けの矛盾について慎重な文書化が必要となり、場合によっては設置場所での再配線が必要になります。国際サプライチェーンにおける制御ケーブルの調達には、主要な地域規格とその非互換性を理解することが不可欠です。

安全性に関するインシデントを引き起こす可能性が最も高い競合は、青と黒のコアの処理です。 IEC 60446 では、青はニュートラルを示し、黒はライブフェーズの 1 つを示します。北米の NEC の規則では、青は相導体を示し、白/灰色は中性線を示します。ある規格のみについて訓練を受けた電気技師が、別の規格に配線されたケーブルに遭遇した場合、通電中の導体を中性線と誤って認識する可能性があります。このため、国際的な OEM 機器メーカーは、各コアの絶縁ジャケットに直接印刷された数値コア ID で色分けを補完することが多く、地域の色の規則に依存しない明確な識別システムを提供します。 IEC 60228 および DIN VDE 0293 は、色識別の代替または補足として数値マーキングを規定しており、輸出市場にサービスを提供する制御ケーブル サプライヤーは、同じケーブル構造内で色分けされたコアと番号付きのコアの両方のオプションを提供することが増えています。

コア数の多い制御ケーブル (19 コア以上) の場合、一般的な工業用照明では良好な視覚的コントラストを備えた識別可能な色の数が約 10 ～ 12 に制限されているため、色分けだけでは現実的ではありません。高いコア数の標準的な手法では、原色と数字のリング マーキング、またはベース カラーとトレーサー ストライプ (白または黒のベース コア ジャケット上の色付きストライプ) の体系的な組み合わせが使用され、識別可能な組み合わせ数が単色のみで達成できる範囲をはるかに超えています。

制御ケーブルの断面積の選択: 信号電流が決定要因となることはほとんどない理由

ほとんどの制御および計装ケーブルでは、信号電流が十分に小さいため、熱電流容量は導体断面積の選択における制限要因にはなりません。 4 ～ 20 mA のアナログ ループ、5 ～ 10 mA の PLC デジタル入力、または 24 V DC で 50 mA を消費する近接センサーはすべて、0.14 mm² という小さな導体で無視できるほどの I²R 発熱を生成します。制御ケーブルの導体断面積の選択を左右する実際の制約は、電圧降下、機械的堅牢性、終端の互換性、および障害ループのインピーダンス要件であり、いずれも熱電流容量とは関係ありません。

電圧降下は、24 V DC 制御回路の主要な電気的制約です。許容電圧降下は、ケーブル端のデバイスによって異なります。PLC 入力モジュールは、ロジック HIGH の認識を保証するために、最小入力電圧 15 V DC を指定する場合があります。これは、最悪の場合の電流引き込み下でケーブルが 24 V 電源から 9 V を超えて降下してはいけないことを意味します。 50 メートルのケーブル (供給と戻りの導体長が 100 メートル) にわたってソレノイドを 200 mA で駆動するデジタル出力の場合、導体抵抗は合計 9 V / 0.2 A = 45 Ω 未満でなければなりません。これには、0.45 Ω/m 未満の導体抵抗が必要です。これは、銅の断面積約 0.38 mm² に相当します。 0.5 mm² を選択するとマージンが確保されます。 0.14 mm² (約 0.13 Ω/m × 100 m = 13 Ω の抵抗を持ちます。非常に短い配線では制限内ですが、50 メートルでは限界内です) を選択すると、たとえ 0.14 mm² のワイヤでは 200 mA の電流が熱的に些細なものであっても、より長い配線では信頼性の低い動作が生じます。

ほとんどの産業用制御アプリケーションでは、終端時の機械的堅牢性が導体断面積の実際的な下限となります。 0.25 mm² より小さい導体は、ネジを締める前に導体が正しく取り付けられていないと、ネジ端子接続で断線する傾向があり、過剰なトルクに対して非常に敏感です。生産圧力の下で複数の技術者によって組み立てられた制御パネルでは、非常に細い導体の終端品質の一貫性は、より広範囲の終端技術に耐えられる 0.5 mm² または 0.75 mm² 導体の場合よりも大幅に低くなります。ほとんどの産業用制御ケーブルの仕様は、電気的要件により小さいサイズが許容される場合でも、パネル終端の実用的な最小値として 0.5 mm² に落ち着きます。

障害ループ インピーダンス要件は、制御ケーブルが IEC 60364-4-41 (感電に対する保護) に準拠した過電流保護を備えている必要がある場合に適用されます。必要な切断時間内に過電流保護装置が確実に動作するように故障ループのインピーダンスが十分に低くなければならない回路では、導体断面積は通常の動作電流ではなく故障ループのインピーダンス要件から計算する必要があります。これは、制御ケーブルが 230 V AC 回路とレースウェイまたはエンクロージャを共有し、障害状態で制御ケーブルの導体が通電される可能性がある場合に関係します。

ケーブル トレイへの制御ケーブルの取り付け: 分離ルールとその技術的根拠

制御ケーブルのケーブル トレイ分離は、IEC 61537、IEC TR 62490、およびさまざまな国内電気規定で規定されており、これらはすべて、制御ケーブルと電力ケーブルの間の最小分離要件を確立しています。これらの要件は、実際には官僚的な手続きとして扱われることがよくありますが、各規則には、誘導結合と容量結合、接地電位差、および障害の抑制に関連する特定の工学的根拠があります。

分離要件を推進する主な結合メカニズムは、スイッチ電流が流れる電力ケーブルからの誘導ピックアップです。可変周波数ドライブは、高周波高調波成分が豊富な電流波形を生成します。一般的な VFD 出力ケーブルは、ドライブ スイッチング周波数 (多くの場合 4 ～ 16 kHz の搬送周波数) の 5 次、7 次、11 次、およびそれより高い高調波で重要な電流成分を運び、数百 kHz の範囲に及ぶ干渉エネルギーを生成します。 VFD 出力ケーブルに近接して平行に配線された制御信号ケーブルは、疎結合トランスの二次巻線として動作し、誘導電圧は磁界の変化率 (dI/dt) と、制御ケーブルの導体とそのリターンパスによって形成されるループの面積に比例します。共通トレイ内の VFD 出力ケーブルとシールドされていない制御ケーブル間の推奨最小間隔は、通常 200 ～ 300 mm です。適切に接地されたシールドを備えたシールド付き制御ケーブルの場合、シールドによって結合干渉がさらに減衰されるため、100 mm の間隔が受け入れられることがよくあります。

接地電位差は、過渡現象中に接地システムの異なるセクションが異なる電位になる可能性がある大規模な産業施設に特有の分離の問題です。 2 つの建物間、または大規模プラントの遠隔セクション間を通る制御ケーブルは、両端でシールドを接地します。 2 つのエンドポイント間の接地電位差が制御システムの同相モード除去能力を超えると、接地電位差が信号上のノイズ電圧として現れます。制御ケーブルを同じ配電盤からの電力ケーブルと同じ経路に沿って配線すると、電力システムと制御システムの両方が同じ接地点を参照するため、ケーブル シールド終端間の接地電位差が最小限に抑えられます。これは、制御ケーブルが施設全体の直接の最短経路ルートをたどるのではなく、制御対象機器への電源供給と同じ物理ルートをたどるべきであるというルールの背後にある工学的理由です。

障害の封じ込めは、ケーブル トレイ内で制御ケーブルを高電圧電力ケーブルから分離するための安全根拠です。高電圧電力ケーブルの障害（内部アーク、短絡電流による絶縁破壊）は、隣接するケーブルのジャケットを発火させるのに十分なエネルギーを生成する可能性があります。安全機能信号 (緊急停止、安全リレー入力、ガード監視) を伝送する制御ケーブルは、隣接するケーブルに関係する火災または障害イベントが発生しても、安全システムがシャットダウン シーケンスを実行できるように機能を維持する必要があります。 IEC 62061 および ISO 13849 (機能安全規格) では、一般的なケーブル トレイに設置する場合、安全関連の制御ケーブルを安全以外のケーブルから物理的に分離するか、耐火バリアで保護することが求められています。これは、安全制御ケーブルの物理的な配線が正式な安全アーキテクチャ文書の一部となっている機械の安全性評価において、ますます一般的な要件となっています。

長期的な信号の完全性に直接影響を与える制御ケーブルの終端方法

端子台、コネクタ ハウジング、および機器パネルでの制御ケーブルの終端は、フィールドによって引き起こされるシグナル インテグリティの問題の大部分が発生する場所です。ケーブル製造品質は電気的性能の可能性をもたらします。終端品質によって、設置されたシステムでその可能性が実現されるかどうかが決まります。いくつかの終端方法は、制御信号の長期信頼性に直接的かつ測定可能な影響を与えます。

細撚り導体のフェルールの選択

クラス 5 またはクラス 6 の細撚線導体を備えた制御ケーブルでは、ネジケージ端子接続にエンドスリーブ フェルール (DIN 46228 標準ブーツレース フェルール) が必要です。フェルールには 2 つの機能があります。1 つは個々のストランドを 1 つの幾何学的な本体に統合し、端子クランプ ゾーンを正しく埋めること、もう 1 つは締め付け中に端子ネジによってストランドが切断されないように保護することです。フェルールのサイズは導体の断面に正確に一致する必要があります。フェルールが大きすぎると、圧縮された導体が振動によって引き抜かれてしまいます。フェルールのサイズが小さすぎると、ストランドが損傷し、接触抵抗が高くなります。 4 ～ 20 mA のアナログ信号を伝送する導体の場合、端子での接触抵抗の増加がわずか 0.5 Ω で、20 mA で 0.01 mV の電圧誤差が生じます。これ自体は無視できますが、信号チェーン内の複数の終端にわたって累積され、湿気の多い環境や汚染された環境では時間の経過とともに酸化により接触抵抗が増加するため、さらに悪化します。

シールドドレインワイヤの管理

フォイルシールドされた制御ケーブルのドレインワイヤ、つまりフォイルシールドと接触して走っている裸の銅線または錫メッキ銅線は、シールド効果の低下を避けるために、ケーブル端で慎重に取り扱う必要があります。よくある取り付けエラーは、ドレイン ワイヤがシールド終端点を超えて露出したままになり、シールドされていないピグテールが形成され、干渉を拾って端子ブロックに直接注入する可能性があります。ドレインワイヤは、信号導体とコイル状にしたり束ねたりするのではなく、余分な部分をカットバックして、できるだけシールド クランプまたは EMC グランドの近くで終端する必要があります。ケーブルの機器端 (シールドが接地されている場所) では、ドレイン ワイヤの終端は、できるだけ短い導体でキャビネットの PE 端子に接続する専用のシールド バー上に配置する必要があります。信号導体と同じ端子レールを通って配線しないでください。ドレイン ワイヤの誘導電流が隣接する端子に容量結合する可能性があります。

終端点の曲げ半径

制御ケーブルがケーブル トレイから端子ブロックに移行する点は、設置内で最も機械的ストレスがかかる場所の 1 つです。曲げ半径がケーブルの最小設置曲げ半径 (通常、固定設置の場合は外径の 6 ～ 10 倍) よりも小さい場合、パネルの壁に沿ってケーブルをきれいに整えるために、この移行部で多芯制御ケーブルを鋭く曲げると、ケーブル コアに永久変形が生じます。永久変形したコアは、繰り返しの熱サイクルにより時間の経過とともに屈曲点で絶縁体に微小亀裂が発生し、屈曲部の外側のコアは変形部分の銅より線の加工硬化により導体抵抗が高くなります。温度サイクルが大きい環境 (屋外キャビネット、暖房のない工業用建物) の制御パネルの場合、終端点で正しい曲げ半径を維持することが、他の設置パラメータと同様に長期信頼性にとって重要です。