制御盤の前に立って、新しい電源を配線しようとしたことがあれば、レーダーレベルセンサーの場合、出力信号は単なる技術的な脚注ではなく、機器とモニタリング システム全体の間の架け橋であることがわかります。間違ったものを選択すると、後で統合の問題に直面する可能性があります。正しく設定すれば、センサーは正常に機能します。
レーダー レベル センサーは、マイクロ波信号を発信し、エコーが戻ってくるまでの時間を計算することで、液体または固体の表面までの距離を測定します。しかし、測定自体は話の半分にすぎません。同様に重要なのは、データがどのように機器から出て、DCS、PLC、SCADA、またはクラウド プラットフォームに到達するかです。
このガイドでは、遭遇する最も一般的な出力信号、それぞれが意味をなす場合、およびインストール中に注意すべき点について説明します。
レーダーレベルセンサーが出力信号を生成する仕組み
あレーダーレベル送信機通常は 6 GHz、26 GHz、または 80 GHz のマイクロ波パルスを材料表面に向けて連続的に放射します。反射信号はアンテナによって捕捉され、内部で処理されてレベル値に変換されます。その値は、電気またはデジタル インターフェイスを通じて外部に送信する必要があります。
ほとんどの産業用レーダー レベル センサーは、少なくとも 1 つのアナログ出力と 1 つのデジタル通信オプションをサポートしています。一部のモデルは両方を組み合わせています。どちらを選択するかは、制御アーキテクチャ、ケーブル距離、診断のニーズ、予算によって異なります。
4～20mA - 現在も維持される工業規格
4 ～ 20mA がデフォルトの選択のままである理由
4 ～ 20mA の電流ループは、レーダー レベル トランスミッターに最も広く使用されている出力です。一般的な 2 線構成では、同じペアのワイヤが電力とアナログ信号の両方を伝送します。電流値は測定レベルに直線的に対応します。通常、4mA は空の点を表し、20mA は満タンを表します。
その人気は、次の 3 つの実際的な利点から来ています。
- 長距離伝送。電流信号は、長いケーブル配線でも電圧信号のように劣化しません。
- ノイズ耐性。電流ループは、今日の産業レベルの測定ではほとんど使用されていない 0 ～ 10V 出力よりも電気的干渉の影響を受けにくいです。
- ユニバーサルな互換性。ほぼすべての DCS、PLC、およびデータロガーは 4 ～ 20mA の入力を受け入れます。
4 ～ 20mA 配線でよくある落とし穴
4 ～ 20mA は簡単ですが、現場での問題はよくあります。極性の反転は、デッド ループの最も一般的な原因です。2 本のワイヤを交換すると、通常、機器は正常に戻ります。もう 1 つの問題はループ インピーダンスです。 DCS カード、安全バリア、ケーブル配線の合計抵抗がトランスミッタの駆動能力を超えると、出力がドリフトするか、4mA または 20mA にロックされます。
シールド付きツイストペア ケーブルを強くお勧めします。グランド ループを避けるために、シールドは一端のみを接地する必要があります。
HART - 同じ 2 つのワイヤを介したデジタル診断
HART (Highway Addressable Remote Transducer) は、1200 bps の周波数シフト キーイングを使用して、4 ～ 20 mA のアナログ電流にデジタル信号を重ね合わせます。 HART 信号は平均してゼロになるため、アナログ出力を妨げません。
HART を使用すると、タンクから機器を取り出さなくても、エコー品質、センサー温度、アラームステータス、校正パラメータなどの診断データを読み取ることができます。多くのコミッショニング技術者は、この目的のために HART ハンドヘルド コミュニケータまたは PC ベースのコンフィギュレータを利用しています。
よく人々をつまずかせる詳細の 1 つは、HART プロトコルが適切に通信するには少なくとも 250Ω のループ抵抗を必要とすることです。 DCS カードまたは安全バリアにそれが備わっていない場合は、外部抵抗を追加する必要があります。また、コミュニケータは、機器の端子間だけで直接接続するのではなく、ループ上のどこかに並列に接続する必要があります。
Modbus RTU (RS-485) - 単なるレベル以上のものが必要な場合
デジタルプロトコルが重要な理由
アナログ信号は、現在のレベルを知らせます。デジタル プロトコルでは、さらに多くのことがわかります。 RS-485 上の Modbus RTU は、産業用レーダー レベル センサー、特に 4 線式モデルで最も一般的なデジタル インターフェイスです。
Modbus を介して、1 つのバスで以下を伝送できます。
- リアルタイムのレベルと距離
- エコーカーブデータ
- 機器の温度
- 故障コードとアラームフラグ
- 設定パラメータ
最大 247 台のデバイスが 1 つの RS-485 バスを共有できるため、Modbus は複数のタンクの設置や IIoT データ収集システムにとって魅力的です。
配線と構成に関する注意事項
Modbus RTU はデイジーチェーン トポロジを使用します。スター配線や長い分岐線は反射や通信低下の原因となります。バスは両端を 120Ω の抵抗で終端する必要があり、すべてのデバイスが同じボー レート、アドレス、およびパリティ設定を共有する必要があります。 A/B ラインが逆になっているのも、驚くほどよくある間違いです。バスは単純に応答しません。
Profibus PA、Foundation フィールドバス、イーサネット
大規模プロセス プラント、特に石油とガスまたは化学生産では、Profibus PA および Foundation Fieldbus が依然として広く仕様化されています。これらのフィールドバス規格はデバイスレベルの診断をサポートし、レーダー送信機をより広範なオートメーションバックボーンに統合できます。
イーサネットベースの出力は、従来のプロセスレーダー機器ではあまり一般的ではありませんが、スマートファクトリーや遠隔監視プロジェクトでは普及しつつあります。イーサネット対応トランスミッターは、データを LAN、OPC サーバー、またはクラウド ゲートウェイに直接プッシュできるため、別個のプロトコル コンバーターが必要なくなります。
リレー出力とアラームスイッチ
一部の 4 線式レーダー レベル トランスミッタには、高レベルまたは低レベル アラーム用のリレー出力が含まれています。これらのドライ接点リレーは、ローカルホーン、ストロボライト、または PLC デジタル入力を直接駆動できます。2線式計器電力の制約によりリレーが含まれることはほとんどありません。そのため、アラームの切り替えが必要な場合は、注文前に配線の種類を確認してください。
適切な出力信号を選択する方法
| 考慮 | ベストフィット |
|---|---|
| 既存のDCS/PLCはアナログ入力を受け入れます | 4-20mA |
| リモート構成と診断が必要 | 4-20mA + ハート |
| 1本のケーブルで複数のタンクを接続 | Modbus RTU (RS-485) |
| フィールドバスインフラを備えた大規模プロセスプラント | プロフィバス PA / ファウンデーション フィールドバス |
| クラウドまたは IIoT の統合 | イーサネットまたは Modbus TCP ゲートウェイ |
| ローカル高/低アラームが必要です | リレー出力（4線式モデル） |
良い経験則: システムがすでに 4 ～ 20mA で動作しており、レベル データのみが必要な場合は、シンプルにしてください。予知保全データやマルチデバイス ネットワーキングが必要な場合は、デジタル プロトコルに移行してください。
よくある質問
レーダー レベル センサーは 4 ～ 20mA と Modbus の両方を同時に使用できますか?
多くの 4 線式モデルは、4 ～ 20mA と RS-485 Modbus 出力の同時出力をサポートします。 2 線式機器は通常、オプションの HART を使用すると 4 ～ 20mA を提供します。
HART はリアルタイム制御に十分な速度ですか?
HART は、高速制御ではなく、主に構成と診断を目的として設計されています。リアルタイムのレベル調整の場合、依然として 4 ～ 20mA のアナログ信号が優先チャネルです。
4～20mAのシールドケーブルは必要ですか?
短距離の配線では必ずしも必須ではありませんが、モーター、VFD、または激しい電気ノイズのある産業環境では、シールド付きツイストペア ケーブルの使用を強くお勧めします。
参考文献
- レーダーレベル送信機の信号タイプに関する産業用計装の技術文書。
- 4 ～ 20mA、HART、Modbus RTU のトラブルシューティングに関するフィールド エンジニアリング ガイダンス。
- レーダーレベルの送信機周波数とアンテナ選択の基準。
- 2 線式および 4 線式レーダーレベル送信機の配線規格。
- HART プロトコルの通信原理とループ要件。
