産業オートメーションにおける絶縁とIoTの役割

最終的な責任は依然として人間のエンジニアや技術者が負いますが、自動化された工場では、機器の日常的な操作は、組み込みの マイクロコントローラ、産業用PC、またはプログラマブル ロジック コントローラ (PLC) 上で実行されるコンピュータ プログラムの指示に従って行われます。

図1: 産業オートメーションには膨大な数の組み込みマイクロコントローラが必要 (出典: TI)

産業プロセスの自動化には、エネルギーと材料の節約、産業プロセスの品質、精度、精密度の向上、危険な環境（原子力発電所など）での作業の実現、そして労働力の大幅な節約など、多くの利点があります。 

その結果は目覚ましいものです。1909年には自動車1台の組み立てに303時間の労働時間が必要でしたが、1929年には92時間に短縮され、2008年にはオハイオ州トレドのジープ工場では、モデルTよりも桁違いに複雑な自動車を組み立てるのに13.6時間の労働時間しか必要としませんでした。 

現在、産業用ロボットは、溶接、ピックアンドプレース、組み立てなど、以前は人間が行っていた多くの作業を実行し、マシン ビジョン システムが品質管理検査官に取って代わりました。

コネクテッドファクトリーとモノのインターネット

個々の産業プロセスを自動化した後の次の段階は、それらすべてがスムーズに連携して動作し、もちろん人間の管理者にデータを提供することを確認することです。したがって、現代の自動化された工場は、工場レベルでの接続性を提供するために、イーサネット、フィールドバス、HARTプロトコルなどの多数の自動化プロトコルのいずれかを使用する産業ネットワークに依存しています。 

図2: 数多くの産業用通信規格のうちのいくつか (出典: TI)

モノのインターネット (IoT) は、産業機械やシステムとインターネットの統合を可能にすることで、基準を次のレベルに引き上げます。インターネット通信プロトコルの最新バージョンであるIPv6は、128ビットのアドレス指定を備えており、すべてのデバイスが独自のIPアドレスを持つことができるため、実質的に無制限の接続性とクラウドでの大量のデータ収集と分析が可能になります。 

将来のスマート ファクトリーでは、デバイスからエンタープライズ レベルまでの自動化「ピラミッド」の各レベルが相互にリンクされ、製造関連のデータがビジネス上の意思決定にリアルタイムで利用できるようになります。

ガルバニック絶縁と産業オートメーション

電子制御を追加し、複数のシステムをネットワーク経由で接続することには多くの利点がありますが、問題や課題もあります。その1つは、産業用ロボットやCNCマシンなどの高電圧、高電流のマシンを、低電圧、低電流のデータ収集システムやネットワーク通信と組み合わせるという課題です。ここでは、この問題に対処するために使用される重要な技術であるガルバニック絶縁について説明します。 

ガルバニック絶縁 は、電気システムの機能セクションを分離して、それらの間の電流の流れを防ぐ技術です。直接的な（つまり、抵抗性の）伝導経路は許可されません。セクション間に抵抗経路はありませんが、電力や情報は容量性、誘導性、光学性、またはその他の技術によって転送されます。 

絶縁デバイスは、アナログまたはデジタルの信号を入力から出力に絶縁バリアを越えて渡します。絶縁バリアが効果的に機能するには、絶縁バリアのブレークダウン電圧が高く、リーク電流が低い必要があります。絶縁デバイスは、コネクテッド ファクトリーを接続するための重要なコンポーネントであり、個別に絶縁されたセンサーやデータ収集システムから、工場全体に広がる高速通信バックボーンまで、信号チェーンのあらゆる場所に存在します。

産業オートメーションにおいてガルバニック絶縁が必要なのはなぜですか?

安全性 - 電気機器のユーザーを潜在的に致命的な電圧や電流から保護することは、あらゆる電気設計における重要な要件です。UL60950-1など、電気機器の安全性を規定する規制規格は数多くあります。安全な設計には、絶縁、接地、分離など、複数のレベルの保護が含まれます。たとえば、オフライン電源設計では、変圧器がAC入力と回路の残りの部分の間に誘導絶縁を提供します。一般に、潜在的に危険な電圧が存在する場合はどこでもガルバニック絶縁を使用できます。

接地の違いと接地ループ - 学校で描いた簡単な回路図とは異なり、現場のエンジニアとして、特にシステムが広く離れている場合、たとえば工業プラントの異なる部分間では、システム内の異なるポイントの接地は必ずしも同じではないことをすぐに学びます。送信機と受信機間の接地基準に差があると、論理「0」または「1」を正しく識別するためのマージンが減少するため、デジタル ネットワークでエラーが発生したり、障害が発生したりする可能性があります。アナログ回路では、DCグランド差によってオフセット誤差項が追加され、ACの変化によって信号の高調波成分が影響を受ける可能性があります。ガルバニック絶縁は、このような接地差の影響を取り除き、接地ループを遮断します。 

コモンモード電圧 – 多くの場合、より大きなコモンモード電圧に乗った小さな信号、つまり両方の入力端子に同時に現れる同相信号または電圧を抽出する必要があります。場合によっては、測定対象の信号が計測器入力のフルスケール範囲を超える量だけオフセットされたり、過電圧制限を超えたりする可能性があり、損傷を引き起こす可能性があります。分離されたデータ収集システムは、コモンモード電圧をブロックし、対象の信号を測定できるようにします。

規制基準

産業用アプリケーションの絶縁は、IEC 60204、UL508、UL60947、CSA 14-10など、多数の規制標準によって規定されています。さらに、IEC 61010-1およびVDE 410/411は産業用制御をカバーしています。 
UL1577は厳密には光アイソレータのみを対象としていますが、その絶縁バリア電圧の定義とテスト要件は、他の絶縁デバイスの仕様にも頻繁に記載されています。

絶縁技術とデバイスの概要

一般に、絶縁デバイスは、高電圧絶縁コンポーネントまたはバリア、絶縁バリアの片側に信号を結合する送信機、およびバリアの反対側の信号をデジタル信号またはアナログ信号に変換する受信機で構成されます。詳細については、TIの「デジタル アイソレータ設計ガイド」を参照してください。

絶縁バリアを越えて信号と電力を渡すために使用される主な手法は3つあります。 

静電容量絶縁:  容量性アイソレータは、絶縁コンポーネントとして、通常は二酸化シリコン (SiO2) で作られた高電圧コンデンサを使用します。図3は、 ISO7810 5.7kVrmsの絶縁バリアを備え、最大100Mbpsのデータ レートを処理できるシングル チャネル デジタル アイソレータ。

図3: TIのISO78xx 5.7kVrms強化デジタルアイソレータで使用されるオンオフキーイングアーキテクチャ (出典: TI)

ISO7810はオンオフ キーイング (OOK) アーキテクチャを使用します。つまり、入力デジタル ビット ストリームは内部の拡散スペクトル発振器クロックで変調され、OOK信号が生成されます。これにより、入力状態の1つは搬送周波数の送信で表され、もう1つの状態は送信なしで表されます。図4は代表的なOOK信号を示しています。

図4: OOKアーキテクチャにおける代表的な信号（出典: TI）

この変調信号は絶縁バリアに結合され、受信側に減衰された形で現れます。受信パスは、入力信号を増幅するプリアンプと、その後に続く、元のデジタル パターンを再生成する復調器として機能するエンベロープ検出器で構成されます。TXおよびRX信号調整回路は、チャネルの共通モード除去を改善するために使用され、共通モード過渡耐性 (CMTI) が向上し、放射が最小限に抑えられます。 

コンデンサはDCをブロックするため、アナログ信号を絶縁バリアを通過するのに適した形式に変換する必要があります。の入力 ISO122 たとえば、アイソレーション アンプは、オペアンプとそれに続く変調器で構成され、容量性バリアを越えて信号を通過させます。出力側はデジタル信号を復調して元の波形を抽出します。

誘導絶縁: 絶縁設計では絶縁バリアの両側に個別の電源が必要になるため、変圧器を使用した誘導結合は絶縁電力を供給するために広く使用されています。 たとえば、DCP01Bファミリは、3kV絶縁バリアを備えた1W、非調整型、絶縁型DC/DCコンバータのファミリです。組み込みトランスフォーマーを搭載し、最大85% の変換効率を実現し、センサーやフィールド トランスミッターなどの低電力アプリケーションに最適です。より多くの電力を必要とする設計向けに、TIはさまざまな絶縁電源リファレンス デザインを提供しています。

光絶縁: 光アイソレータはオプトカプラとも呼ばれ、光を使用して2つの分離された回路間で電気信号を転送します。通常、同じパッケージにLEDとフォトトランジスタが組み込まれています。

光学的に絶縁されたカプラは高電流パルスを必要とし、LEDの経年劣化の影響を受けます。さらに、高速デジタル通信には遅すぎる可能性があるため、静電容量式設計に置き換えられています。

絶縁は、トランシーバー、アンプ、ADCなどの広く使用されている産業オートメーション機能に組み込まれることがよくあります。TIの絶縁製品ポートフォリオには以下が含まれます。

- RS-485トランシーバー
- CANトランシーバー
- I2Cトランシーバー
- ゲート ドライバー
- アナログ/デジタル コンバーター
- DC/DCモジュール
- アンプ

結論

今後、産業オートメーションとモノのインターネットについてさらに多くのことを耳にすることになるでしょう。

今後10年間で、産業用IoTは産業分野に革命を起こすと予想されており、すでに製造業や輸送業などの主要産業に変革をもたらし始めています。IoTの統合がさまざまな業界に広がるにつれて、産業用IoT市場には大きな成長の可能性があります。ある予測では、2020年までにその価値は3,200億ドル近くに達するとされています。
 
最終的な数字がどうであれ、分離技術が重要な役割を果たすことになります。