자동화 설비에 대한 서지와 노이즈 경감 대책을 논하시오

(1) 개요

① 현대의 산업사회에서 반도체 기술의 발전에 힘입어 점점 더 많은 자동화 설비가 사용되고 있는 것이 현실이다.

② 이러한 자동화 설비에는 OA (Office Automation), FA(Factory Automation), BA(Building Automation) 설비를 비롯하여 PLC (Programmable Logic Controller), DCS (Distributed Control System), Robot 등이 있으며 심지어는 전기밥솥, 전화기, TV 등의 가전제품에도 반도체 칩이 사용되지 않은 것은 거의 없을 정도이다

③ 전력계통에 사용되는 계전기도 아날로그 방식의 전자 기계식 (Electro Mechanical) 계전기에서 디지털 계전기로 대체되어 가고 있으므로 이들 또한 모두 IC, LSI, VLSI (Very Large Scale IC) 등의 반도체 소자를 내장하고 있다

④ 문제는 이러한 반도체 소자가 서지와 노이즈에 매우 취약해서 서지나 노이즈에 의해 부품이 파손되거나, 오동작 또는 오부동작 등을 함으로써 심한 경우에는 대형 사고에 까지 이를 수 있다는 점이다. (최근 일본에서는 노이즈에 의해 ROBOT 가 오동작하여 사람의 사상사고가 발생했다고 한다)

(2)     (2)     노이즈의 발생원인

①    ①    전력계통에서 발생하는 뇌에 의한 서지

②    ②    차단기, 개폐기 등에 의한 개폐 서지

③    ③    계통사고에 의한 접지점의 전위상승

④    ④    계전기의 개폐시 노이즈

⑤    ⑤    IC회로의 스파크 노이즈

⑥    ⑥    DC – DC 콘버터의 스위칭 노이즈

⑦    ⑦    고조파가 전원측과 타기기로 흘러 드는 고조파 노이즈

⑧    ⑧    정전기가 발생하여 이들이 방전될 때 생기는 정전기 노이즈

⑨    ⑨    유도성기기가 기동 정지할 때 유도기전력에 의해서Switching Noise

⑩    ⑩    전력선으로부터 발생되는 전자파에 의한 정전 및 전자유도에 의한 유도 노이즈

(3) 노이즈의 침입 경로

Noise에는 도체를 통해서 전파되는 전도성 Noise와 공간을 통해서 전파되는 방사성 Noise의 두 가지가 있는데 계전기에 침입하는 노이즈는 주로 전도성 노이즈이다.

전도성 노이즈에는 Common Mode Noise와 Normal Mode Noise의 두 가지가 있는데 Common Mode Noise는 노이즈가 신호선 2본을 공통으로 타는 것을 말하며 Normal Mode Noise는 노이즈가 신호선 2본과 대지간을 타고 들어오는 것을 말한다. 통상의 노이즈는 이 두 가지 성분이 합성된 노이즈이다.

(4) 노이즈 및 서지의 경감대책

노이즈 및 서지에 대한 보호대책의 기본개념은 ① 노이즈 및 서지의 발생억제 ② 침입억제 및 ③ 노이즈 및 서지에 영향을 받지 않은 회로의 구성 인데 이들 각각에 대해 설명하면 다음과 같다.

① 노이지 및 서지의 발생억제

ⓐ 개폐 서지를 흡수할 수 있는 피뢰기, 서지 흡수기를 설치한다.

ⓑ 접지저항을 가능한 한 작게하여 사고시에 접지선의 전위상승을 억제한다.

ⓒ 정전기의 발생을 억제한다.

ⓓ 고조파 발생을 억제한다.

② 노이지 및 서지의 침입억제

ⓐ Twist Pair선 사용

신호선에 Twist Pair선을 사용하여 신호선의 불균형에 의한 노이즈의 침입을 막고 평형도를 높여서 Normal Mode에 의한 노이즈의 발생 및 침입을 억제한다.

ⓑ 제어 케이블의 분리포설

자동화 설비에 연결되는 신호선, 제어선에는 가까이 병행되는 전력 케이블이 없도록 다른 선로와 분리하여 포설한다.

ⓒ 제어선로의 접지

제어 케이블의 쉴드를 접지한다. 제어 케이블의 접지에는 편단 접지와 양단 접지가 있는데 편단 접지는 정전유도에 의한 노이즈 침입 방지에 효과적이고 양단 접지는 전자유도에 의한 노이즈 방지에 효과가 크다.

ⓓ 자동화 설비의 접지

복수 접지를 하면 외부 노이즈 전류가 접지점의 한쪽으로 흘러 들어와 다른 접지점으로 흘러나가기 때문에 자동화 설비가 노이즈에 노출되어 노이즈에 극히 취약한 시스템이 되므로 자동화 설비는 어떤 경우에도 1점 접지를 해야 한다.

ⓔ 전자파 차폐

도전성이 좋은 금속제 외함을 사용하거나 합성수지 외함이면 표면에 도전성물질을 도금하는 등의 방법으로 도전성을 부여하여 외함을 접지한다.

③ 노이즈 및 서지에 영향을 받지 않은 회로의 구성

ⓐ 노이즈에 영향 받지 않는 회로

자동화 설비 회로에 필터회로를 포함시킨다. 예를 들어 비율차동 계전기의 경우 고조파 분이 많이 포함되어 있으면 이를 필터로 분리하여 기본파 분은 동작력으로, 고조파 분은 억제력을 발생토록 하여 오동작을 방지하는 방법이다.

ⓑ 서지에 강한 회로

회로에 젠너 다이오드 (Zener Diode) 등을 넣어서 일종의 서지 흡수기로 동작하도록 한다.