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EMC: あなたの機器の隠れた敵 ―― それを管理し、友人に変える

by Christophe Dognon, ERA Technology Ltd

翻訳: T.Sato

概要

今日の典型的な設備は多様な種類の機器から成っている。 数十年前と比較した大きな変化の１つは、IT 機器や通信機器の増大と、 伝統的な機器やツールの中のコンポーネントにある。 自動車工場は、自動車の組み立てのためにおそらくは20年前と同一の基本的なツール (例えば、プレス、スプレー機器、溶接機、旋盤など) を使っているだろうが、 それらのツール全ては今はマイクロプロセッサ、センサ、そして遠隔制御装置を含んでおり、 ほとんどのものはコンピュータ制御されている。

この大きな技術的変化は、資産の障害管理のために考慮すべき問題の範囲が 著しく増大していることを意味している。 昔は機械的障害が普通であったが、今の機器は主に電気的/電子的問題によって障害を起こす。

機器内の電子コンポーネント密度の増大、 クロック周波数の上昇、そしてより高度に汚染された電磁環境は、 場合によっては機能的な、また人間の安全性への関係とともに、 機器の電気的な障害のリスクを高くする。

往々にしてその判断は困難であるものの、 これらの障害の相当の部分は電磁的両立性 (EMC) 問題に伴うものである。 EMC における大きな問題は、 大抵の場合には EMC に関係する物理的原理を検出できないことである。 難しい EMC 問題の解決には 往々にしてある程度の追加のコストでの外部の専門家の関与を必要とするので、 障害を起こした機器を、その障害の原因を調査することなく交換するのが普通のやり方である。 その新しいアイテムは古いものが障害を起こした場所で動くだろうか？ 幸運を祈ろう！

この記事では、技術的な、また法的な視点の双方から、EMC の基礎を簡単に述べ； 発生し、調査されたことがある現実の問題のいくつかの例を示し； そして最後にリスクを最小限とするために EMC をどのように管理すべきかのガイダンスを与える。

EMC の基礎

EMC は、機器の、 その環境内のいかなるものに対しても許容できない妨害を与えることなく、 その電磁環境内において満足に機能する能力である。

機器においては、２つの観点がある：

これらの２つの側面は排他的なものではない： ある機器が、ある種の妨害の発生源となり、 かつ別の種類の妨害の被害者となることがあり得る。

技術的な検討

EMC は、発生源 ―― 経路 ―― 被害者の問題である。 以下の表は、これらの３つの側面のいくつかの例を示す。

干渉は、発生源や現象が経路を介して被害者に繋がることができ、 その発生源からのエミッションのレベルが被害者の最大許容レベルを超えた時に発生する。 例えば、上の表で示すように、CRT ディスプレイの近くで放射される 高レベルの電源周波数磁界はその表示を歪ませ得るが、 これはオペレータに眼性疲労を生じさせ、 それらのシステム上の安全クリティカルな情報を見落とさせさえするかも知れない。

干渉のリスクを許容できる水準まで低減するためには、３つの可能性がある：

  1. 発生源の妨害のレベルを低減する；
  2. シールドやフィルタによってその経路を除去し、あるいはその経路に高い減衰を与える；
  3. 被害者のイミュニティを向上させる。

有効なリスク緩和は、 これらの３つの基本的な解決策のあいだの折衷によってもたらされるであろう。 解決策 a)、及び b) は、現実には達成できないこともあることに注意すべきである。 例えば、空港オペレータにレーダ出力電力に低減を求めることはできないし、 伝導性結合の場合、妨害発生源のケーブルを除去も遮蔽もできず、 そのままにしておかなければならないかも知れない。 このため、同定された干渉問題に対処する必要がある場合には、 解決策 c) がより頻繁に用いられる。 逆に、設計段階のあいだ、すなわち EMC への予防的アプローチを用いている時には、 解決策 a) や b) を実施できる機会は多い。

規制

EMC に関する規制の１つは、 UK においては Statutory Instrument SI2372 [2] によって執行されている、 欧州 EMC 指令 [1] に基づくものである。 この指令は必須保護要求を一般的な用語で述べており、 所定の技術的要求を定義する任務を欧州規格作成団体 ――CEN、CENELEC、及び ETSI―― に委ねている。

この指令は、機器 (最も広い意味で) を主に２つのクラスに分けている：

設備運用者や資産管理者が留意すべきさまざまなセットの EMC 規格がある：

  1. 製品規格と製品群規格は、特定の種類/ファミリーの機器に対して どのエミッション限度、及び/もしくはイミュニティ・レベル、 そしてどの試験方法が適用されるべきかを述べる。 例えば、EN50091-2 は、エミッション、及びイミュニティ要求の双方について、 UPS に適用される。

  2. 製品/製品群規格が存在しない場合、またその場合に限り、一般規格が適用される。 それらも、上記のような要求を規定する。 一方では住居/商業/軽工業、そして他方では重工業と、２つの環境が規定されている (その定義は [4]、及び [5] を参照)。

  3. 製品規格や一般規格で参照される基本規格は、 適用されるさまざまな試験方法を述べる。

上記の 3項の規格は、1 や 2 の製品評価要求規格とは異なり、参照規格と考えるべきである。 製品/一般エミッション/イミュニティ規格に加えて、 主電源で動作する機器は、主電源高調波 (EN 61000-3-2)、及び 電圧変動 (EN 61000-3-3) に関する規格にも従わねばならないことも注意すべきである。

現実の「EMC 障害」

このセクションは、EMC 問題に伴う障害や誤動作のいくつかの例を与える。 これらの例は、財務、及び/もしくは安全の観点から、 その帰結が極めて重要なものとなり得ることを示している。

例

これらの例は、UK EMC Journal の「Banana Skins」と呼ばれるセクションからのものである。 ジャーナルのウェブサイト [6] から入手できる (全て無料！)。
  1. 最近、HSE は半導体工場において塩素の放出を引き起こし得る機器の供給者を告発した。 その機器は主電源トランジェントに充分に耐えなかった (そして、そうであることが我々自身のラボで証明された)。 我々は、その供給者 ――その問題に気付いていた―― が その機器のユーザーに通知しなかったことから、 Health and Safety at Work Act の第６条のもとで告発した。 その会社は罪を認めた。
    (From Simon Brown of the HSE, 13th January 1999)

    この参照された事例は、Swindon 行政法廷における 1998年10月25日の Fluid Systems International (Cambridge Fluid Systems) に対する告訴である。 被告は Health & Safety at work etc. act, 1974 の §6 (1) (d) における罪で有罪となった。 裁判官は £5,000 の罰金を言い渡し、 また HSE の費用 £9,482 に加えて £7,000 を支払うよう被告に命令した。 この事例は、半導体工場内の塩素と水素の流れを制御するための、 マイクロプロセッサをベースとしたバルブ制御盤に関係するものであった。 その制御キャビネット内の全てのバルブが開かれたことに起因して塩素の放出が発生した。 HSE による調査は、その装置が 主電源の伝導性トランジェントの影響を受けやすいことを明らかにした。 その電源における電気的干渉に対する警告はなく、 そのマイクロプロセッサのワッチドッグは 障害の検出の後での安全状態の確保のためには有効ではなかった。 この事例を扱った HSE の検査官は、 我々の Cardiff 事務所に所属する Eifion Davies であった。
    (From Simon Brown of the HSE, 3rd March 1999)

  2. オン／オフ時間比例モードで制御されている 1.5MW 誘導炉 (電流をスイッチするために大型のコンタクタを用いたもの) が、 半マイル離れた Marks and Spencers 商店のコンピュータに干渉した。
    (From Laidler Associates Consulting Services, June 1998)

  3. 重要な顧客と交渉しているある大きな工業用ファスナー製造業者が、 プラスチックの梱包をファスナーで充填する自動計量器を含んだ梱包装置と、 その梱包を封止する RF 溶着機との設置に合意した。 費用的な理由から、それらの２つの機械は別々に購入された。 電磁環境のアセスメントは行なわれず、 その機械の納入仕様は「全ての法的な要求を満たさねばならない」 というもの以外の EMC 要求を含んでいなかった。

    双方の機械の納入、設置、そして試験は順調に完了した。 残念ながら、それらの双方が同時に動作したとき、 その計量器は溶着機で用いられている RF の干渉 (珍しい問題ではない) によって 25% を超える誤差を生じた。 その装置は８時間のシフト中に £20,000 分のファスナーを梱包する筈であったが、 誤った計量のために £4,000 分の製品を失う可能性があった。

    その製品が仕様を満たしていた機械納入者に対する不平はなかった。 双方の納入者は助けようとしたようであるが、 急がされると互いに責任を押しつけあった。 専門の技術アシスタントが呼ばれ、その問題を解決した。 そのファスナー製造業者は６週間の製造を失い、 追加費用を被り、そして彼らの重要な顧客の信用を失った。
    (SGS International Electrical Approvals (UK) の ジェネラル・マネージャである John Whaley による論文、 「The real engineering need for EMC」から。)

  4. 半水没式の洋上原油／ガス採掘施設にサービスする補給船との軽微な衝突があった。 この船は、携帯 VHF 無線からの無線信号の操作用ジョイスティックへの干渉による、 突発的な出力増加を起こした。 これは、そのジョイスティックにオペレータが要求していない指示を実行させ、 その船と施設との接触という結果となった。 遥かに悪いことも起こり得たものの、この衝突は軽微な損傷を生じた。 この事故は UK 水域外で発生し、 あるオペレータからの安全上の注意として報告された。 この安全上の注意は、この事故を「最近」発生したものとして参照している、 ある洋上施設の1999年9月30日付けの掲示で、HSE 調査官の目に入った。
    (From Simon Brown of the HSE, 14th and 15th February 2000)

  5. 低い電源品質が欧州のビジネスに年に 130〜200億ユーロのコストを掛けていると、 European Copper Development Association が試算している。 これは、電圧変動、トランジェント、停電、そして高調波の 欧州でのコストをはっきりさせようとする最初の試みであると、その組織は言った。 それは、これらの問題は、スイッチ・モード電源、可変速ドライブ、 そして高周波照明などの機器の使用の成長のために増加していると付け加えている。 そのような汚染を生じる機器の使用は、 電源品質問題の 70〜80% が外部の影響ではなく 施設内での運用によって引き起こされていることを意味していると、 その組織は言っている。 低品質の電源によって発生した問題は、 コンピュータのグリッチ、モーターの焼損、トランスの故障、 そして大きな中性線電流によって引き起こされた火災を含む。
    (From Electrical Review, 4th July 2000, page 3.)

  6. Silicon Film Technologies の、 標準 SLR カメラ・ボディに取り付けられる デジタル「フィルム」を開発している工場は、 EMC 規格への不適合によって稼働を停止した。 「この夏の確認試験での不合格は Silicon Film の年度計画を遅らせたが、 開発経費は持続している」と、 その工場の最大の出資者である Irvine Sensors の社長兼 CEO である Robert Richards は言った。 先週、Silicon Film は、それは FCC エミッション要求は満たしたものの、 より厳しい欧州規格に適合することができなかったと言った。 「成功裡に製品を立ち上げるためには、 それらのより厳しい規格の少なくとも一部を満たさなければならないと信じている」 と Richards は付け加えた。 代替資金が見付けられなければ、 その工場 ――51% が Irvine Sensors に所有されている―― は閉鎖されることになるであろう。
    (From Electronics Weekly, 19 September 2001.)

  7. 洋上原油／ガス生産プラットホームは、 その小さい空間に詰め込まれた電気／電子デバイスの量によって、 極度に困難な電磁環境を与える。 この事例では、プラットホームは海底に係留されていたが、 その正確な位置はスラスター、 すなわちプロペラを駆動する大きな電気モータによって調整されていた。 そのプラットホームの位置は、コンピュータ・システムによって管理されていた。 電力や制御のケーブル ――いずれも遮蔽されていた―― は、 プラットホームの最上階にあるブリッジ上の制御室から 遥かに下の機関室まで延々と引かれていた。 しかし、そのケーブル・フィードスルーは電磁妨害に対して保護されていなかった。 プラットホーム内と、地上との通信のための双方で、無線が用いられていた。 ある技師が機関室で無線を使おうとした時、頻繁にその接続状態が悪くなった。 その無線アンテナをケーブル・ハーネスに触れさせると、接続は遥かに良くなった。 その電磁エネルギーをケーブル遮蔽に流すことで、 その無線は遥かに改善された「アンテナ」を得た。 残念ながら、そのケーブル遮蔽内のそのエネルギーは、他の場所へも行った。 それはケーブル遮蔽を介してスラスター制御機器へも行き、 それはそのエネルギーをプラットホームの位置を制御するための信号と解釈した。
    (From Roxtec Ltd, page 22 of its booklet on `Cable and pipe transits for EMC', December 2002, www.roxtec.co.uk

機器の EMC 障害に際して為すべきこと

既に述べ、また上の例で示したように、その原因が電磁干渉である場合には、 機器の障害や誤動作の原因を同定することは往々にして容易ではない。 さらに、EMC の訓練を受けた、あるいは経験のある技術者が 設備運用者に雇われていることは多くない。 従って、障害の他の明白な原因が除外された時、 すなわち障害の実際の原因に多少の謎が残った時には、 EMC について考えることは良いアイデアである。

もし実際に EMC が原因であれば、 EMC 専門家、あるいはある程度の EMC の訓練を受けた社内の電気技術者は、 それを同定し、次いで解決を与えられるであろう。 普通の緩和手段のいくつかを以下に列挙するが、 もちろん何らかの手段を実施する前に所定のアセスメントを行なわねばならない。

  1. 被害者の機器のテクノロジーを変える： 例えば、CRT スクリーンと比較して、 LCD スクリーンは高レベルの磁界に敏感ではない。

  2. 発生源の低減か除去： 例えば、今日では携帯電話は多くの種類の機器に対する妨害の大きな発生源である。 敏感な領域では、携帯電話の使用の制限、あるいは使用の禁止さえもが、 適用すべき唯一の賢明な解決である (例えば、病院やデータ・センターにおいて)。

  3. 被害者の機器や、発生源や被害者の機器を囲む部屋に、 遮蔽テクニックを適用する。 その非常に高くなることがあるコスト、 そしていかなる欠陥も遮蔽に費された全ての努力を台無しにし得るという事実のために、 このテクニックは非常に慎重に実施する必要がある。 例えば、機器のキャビネットをシールドすることには、 ６枚の鉄やアルミニウムのパネルを互いに接続することだけではなく、 扉に EMI ガスケットを付け、表示に遮蔽された窓を付け、 そして全てをしっかりと作られたアースバーに適切に接続することも含まれる。 防護手段は、グランド (gland) されたケーブル・シールド終端、 サージ防護デバイス、そしてフィルタの形で、 機器やそのエンクロージャに出入りする全てのケーブルにも 適用すべきであることに注意すべきである。

  4. シールド・ケーブル、あるいは光ファイバーを使う。 ここでも、上の注意が適用される。 高品質の遮蔽ケーブルを購入するだけでは充分ではなく、 そのレイアウトや遮蔽接続テクニックも重要である。

  5. 機器の位置を変える。 例えば、雷撃に際しては 建物内の支持構造や引き下げ導体には非常に大きな電流が流れる。 敏感な機器は、外壁の近くの部屋にではなく、 建物の中央の部屋に置くことが推奨される。

上のセクションの例は EMC 問題を解決するためのコストが一般に高いものとなることを示しているが、 障害は往々にしてその設備の運用の停止や 低いレートでの運用をしなければならないことを意味するので、 障害に伴う運用上のコストはさらに高いものとなる。 さらに、政府当局、個人、あるいは企業によって訴訟が起こされ、 財務上のペナルティをもたらすかも知れない。

これが、障害の頻度、従って設備の運用コストを低減するために、 EMC に対する予防的アプローチが最良の選択肢であると見倣される理由である。

EMC 管理

資産管理者にとって、考慮しなければならないいくつかの EMC の側面がある。 以下に示すこれらの側面の組み合わせが、効果的な資産管理、 そして EMC 関連事象に際しての充分な注意 (due diligence) の証明へと導き、 望まない訴訟を避ける。

資産管理のために EMC を規定する

購入する全ての関係する機器は、 EMC 指令、そして関連する整合規格に適合していなければならない。 供給者はいずれにしても適合しなければならないので、 それをプロジェクトの技術仕様で述べることは必須ではないが、 供給される機器の適合性が個別に検証できるように、 そうすることが強く推奨される。 さらに強く推奨されることは、 その機器が設置される環境の種類を規定することである。 適用すべき規格のセットはその機器の運用が意図されている電磁環境によって異なり得る。 PC をオフィスに設置することとプラント内に設置することは同じことではなく、 EMC の影響も同じものではない。 正しい機器を正しい場所に納品するためには、 供給者はそれを知らなければならない。

機器は、適切な DoC、 そして必要であれば運用管理マニュアルやユーザー・マニュアル中の EMC 情報とともに供給されねばならない。 DoC はその機器が適合しているという証拠であるので、 安全な場所に保管されねばならない。 運用管理マニュアル中の製造業者の指示に従わなければならないことは言うまでもない。 何らかの疑義や他の指示との矛盾がある場合には、先ずはその製造業者から、 そして必要であれば専門家からの支援を求めるべきである。

EMC に関する設置ベスト・プラクティスを実施する

設備運用者や所有者は、彼らの設備に合った、 配線、接地と接続、遮蔽、フィルタ、機器のレイアウトなどのトピックをカバーした EMC ガイドラインのセットを持つべきである。 これらのガイドラインは、必要に応じてそれを設置作業者や保守要員などに示せるように、 設備のそれぞれの場所の EMC 環境も述べるべきである。 これは、例えば、その特定の設備で使用されている 中性線接地方式やボンディング・ネットワークのタイプを知らされないために、 請負業者が新たな機器の設置に際して誤りを犯すことを防ぐ。

さらに、この種のガイドラインは、 設備全体での、また設備のライフ・サイクルを通しての一貫性を保証する。

EMC 管理戦略を規定する

運動競技に例えれば、EMC 管理は 100m 短距離よりもマラソンに近い (このセクションで示されていることとは対極に、 それは何かまずいことがあった時にはそれは一般に 100m 短距離となる)。 従って、EMC 管理には、入手やベスト・プラクティスの問題よりも多くのことがある。

資産管理者は、EMC を総合的な QA プロセスの一部として見るべきである。 従って、次のようなトピックをカバーする手続きが QA システム内で定められるべきである：

EMC と安全が密に関係していることを忘れない！

この記事で示された例は、 EMC 障害が機能安全、あるいは人間の安全にさえも大きな影響を持つ (持ち得る) ことを明白に示している。 しかし、EMC 指令やそれに関係する規格に従うことは、 全ての安全側面が充分にカバーされていることを自動的に意味するわけではない。 従って、機器の安全側面が適切にカバーされていることを保証するために、 EN 61508 [7] シリーズのような、他の適切な規格を参照することが重要である。 技術報告書 DD IEC 61000-1-2 [8] も 電磁的現象に関連する機能安全をいかに達成するかに関する非常に有用な情報を与えている。

EMC ガイドラインによっては、ある種の非常に限定された環境における安全要求と 矛盾しているかも知れないことにも注意すべきである。 この場合、安全は常に EMC に優先する。

参考文献

Copyright (C) 2004 Nutwood UK Ltd.

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2004-04-10