産業用イーサネットネットワークは、機械、コントローラ、センサー、カメラ、その他の産業機器間の高速かつ信頼性の高い通信を実現するように設計されています。しかし、一般的なオフィスネットワークとは異なり、産業用イーサネットは、モーター、インバータ、電源ケーブル、リレーなど、電気的干渉源が存在する環境で運用されることがよくあります。
ここでケーブルシールドが重要になってくる。
ケーブルシールドとは何ですか？
ケーブルシールドとは、イーサネットケーブル内部の信号導体を覆う導電層のことです。ケーブルの構造に応じて、シールドには編組金属、箔、またはこれらの組み合わせなどの材料が使用されます。
シールドの目的は、電磁干渉（EMI）がデータ伝送に与える影響を軽減することです。
工場環境では、イーサネットケーブルは以下のような場所の近くを通る可能性があります。
- モーターとモータードライブ
- サーボシステム
- 可変周波数駆動装置（VFD）
- 高電流電源ケーブル
- スイッチング電源
- リレーと接触器
- 溶接装置
- その他の産業機械
これらの機器は電磁ノイズを発生させる可能性があり、近くの通信ケーブルに干渉する恐れがある。
EMIは産業用イーサネットにどのような影響を与えるのか？
イーサネットは電気信号を用いてデータを伝送します。ケーブルに不要な電磁ノイズが混入すると、伝送信号の品質に影響を与える可能性があります。
環境や設置状況によっては、過剰な干渉によって以下のような問題が発生する可能性があります。
- コミュニケーションエラー
- パケット再送信
- 断続的なネットワーク接続
- レイテンシーの増加
- 不安定なマシン通信
- 予期せぬネットワーク障害
これらの問題は、ネットワークが特定の条件下では正常に動作しているように見えても、近くの機器が動作を開始すると不安定になる場合があるため、診断が特に難しい場合があります。
シールドは、信号導体に混入する外部干渉の量を低減するのに役立ちます。
産業用途において遮蔽がより重要な理由とは？
一般的なオフィスネットワークは、比較的制御された電磁環境を備えている。産業ネットワークはそれとは異なる。
イーサネットケーブルは、電源配線とケーブルトレイや配線経路を共有する必要があり、また、大きな電磁ノイズを発生させる機器の近くに設置される場合もあります。
例えば、機械には以下の両方が含まれている可能性があります。
電力側
モーター → サーボドライブ → 電源ケーブル
そして
コミュニケーション面
PLC → イーサネットスイッチ → 産業機器
通信ケーブルがノイズの多い環境を通過する場合、適切なケーブルの構造と設置は、信頼性の高い通信を維持する上で重要な要素となる。
そのため、シールド付きイーサネットケーブルは産業用途で一般的に使用されています。
シールドは接地とは異なる
重要な点として、シールドケーブルを使用しているからといって、シールドシステムが正しく機能するとは限らないということが挙げられます。
ケーブルシールドは、以下の要素を含むより大きなシステムの一部です。
- コネクタ
- 機器インターフェース
- シールド終端
- 接地／ボンディング
- ケーブル配線
- 設置手順
終端処理が不十分であったり、接続が間違っていたりするシールドは、期待される保護性能を発揮しない可能性があります。
産業用イーサネットにおいては、ケーブル単体に着目するのではなく、接続全体をシステムとして捉えるべきである。
一般的なシールド付き産業用イーサネットケーブルの種類
産業用途によって、使用されるコネクタやケーブルの構造は異なります。
M12イーサネットケーブル
M12コネクタは、そのコンパクトで堅牢な設計のため、産業オートメーション分野で広く使用されています。
用途に応じて、M12イーサネット接続は、PROFINET、EtherCAT、産業用ギガビットイーサネット、その他の産業用通信ネットワークなどのシステムに使用できます。
シールド付きRJ45イーサネットケーブル
シールド付きRJ45コネクタは、産業用制御盤、スイッチ、マシンビジョンシステム、その他のイーサネットベースの機器でも一般的に使用されています。
これらは、標準的なRJ45インターフェースを使用する場合でも、電磁干渉に対する追加の保護が必要な場合に適しています。
高柔軟性イーサネットケーブル
ロボット機器や自動機械では、ドラッグチェーン内を繰り返し移動するイーサネットケーブルが必要となる場合がある。
これらの用途では、ケーブルは電気的性能だけでなく、柔軟性や繰り返し動作といった機械的要件についても考慮する必要がある。
シールドは、信頼性の高い産業用イーサネットを構成する要素の一つに過ぎない。
シールドケーブルを選ぶことは重要ですが、ネットワークの信頼性に影響を与える唯一の要因ではありません。
信頼性の高い産業用イーサネットの設置には、以下の点も考慮する必要があります。
ケーブル配線：通信ケーブルは、可能な限り強力な電磁干渉源から離して配線してください。
コネクタの選定：コネクタは、産業環境および必要なイーサネットインターフェースに適したものでなければなりません。
シールド終端：シールドはコネクタおよび機器の接地／ボンディングシステムに適切に統合される必要があります。
機械的要件：振動、屈曲、またはチェーンの引きずり運動を伴う用途には、適切なケーブル構造が必要です。
伝送要件：ケーブルの種類、導体構造、長さ、ネットワーク速度は、アプリケーションの要件に合致している必要があります。
結論
産業用イーサネットは、一般的なオフィスネットワークよりもはるかにノイズの多い環境で動作します。モーター、ドライブ、電源ケーブル、その他の産業機器は電磁干渉を引き起こし、通信の信頼性に影響を与える可能性があります。
シールドはこうした干渉の影響を軽減するのに役立ちますが、効果的な保護を実現するには、単にシールドケーブルを選択するだけでは不十分です。ケーブルの構造、コネクタ、シールド終端処理、接地、配線、そして機械的な要件など、すべてが連携して機能する必要があります。
したがって、産業用イーサネットアプリケーションにおいては、適切なケーブルを選択する際には、コネクタの種類だけでなく、実際の設置環境から始めるべきである。
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